WO2020126883A1 - Matériau multicouche de protection de câble pour hautes températures - Google Patents

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WO2020126883A1
WO2020126883A1 PCT/EP2019/085033 EP2019085033W WO2020126883A1 WO 2020126883 A1 WO2020126883 A1 WO 2020126883A1 EP 2019085033 W EP2019085033 W EP 2019085033W WO 2020126883 A1 WO2020126883 A1 WO 2020126883A1
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magnesium carbonate
polymeric
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Eric DEMAZY
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Mica Tapes Europe Sprl
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    • C08K3/26—Carbonates; Bicarbonates
    • C08K2003/267—Magnesium carbonate

Definitions

  • the present application relates to the field of fire-resistant electrical cables.
  • Construction standards in buildings, petroleum installations and aeronautics require that electric cables can withstand fire for a certain period of time.
  • the standard is generally set at a resistance of 1000 V for three hours in the flame at 950 ° C.
  • mica ribbons are made from a layer of mica paper applied to a layer of fiberglass, for example a glass fiber, to which it is secured using an adhesive, by example a silicone glue. Such a tape is then generally applied, in a spiral, around a conductive cable, for example copper.
  • mica tapes pose a number of problems. First of all, they are not sufficiently resistant to the heat of flames by fuel, which can reach 1100 ° C., for example for petroleum or aeronautical applications. Above 950 ° C, the mica melts and loses its structure and its electrical insulating properties. Very thick ducts incorporating layers of air are proposed to alleviate this problem, but they have complex and costly structures to implement.
  • the process of making the mica tape is tricky. Indeed, it is done by reinforcement of the mica paper with an adhesive and the addition of a support of the glass silk or PET type. Too little glue leads to poor adhesion of the mica and to the formation of dust, flakes and glass strands while too much glue leads to a sticky tape which can no longer be unwound and used because the layers stick together. These troubles are frequent and disrupt the manufacture of the cable.
  • the mica strongly adheres to the electrical conductor, in particular to copper and, when placing the cable by the electrician, he must make sure that all the mica has been removed, and possibly scrape the bare part of the conductor, in order to ensure the electrical connection. This is a real problem for cable manufacturers.
  • Ribbons incorporating a polymeric layer, comprising calcium carbonate, combined with a layer of mica are described in WO2012 / 062363, in which the polymeric layer has the function of replacing the mechanical support such as glass silk or fiberglass , and not to provide electrical insulation.
  • these tapes are not mechanically strong enough to apply them to copper conductors.
  • the polymer layer is too elastic and is not sufficiently resistant to elongation. When applied to the cable, the tape to be held at a certain tension tears.
  • the Applicant has therefore deemed it necessary to propose an electrical cable insulation tape resistant to very high temperatures, simple and inexpensive to produce.
  • the present invention proposes, in order to alleviate all of the above problems, a multilayer insulating material comprising:
  • At least one polymeric layer comprising calcium carbonate and / or magnesium carbonate, secured to
  • the material does not comprise a layer of mica, nor of a layer comprising mica.
  • the material of the invention is advantageously used to make a ribbon.
  • Tape can be used to cover metallic conductor cables to maintain insulation electric at very high temperatures caused, for example, by flames.
  • This property is fire resistance, i.e. the absence of alteration of the electrical properties of the material during a fire.
  • This property is to be distinguished from "fire-proof" or flame retardant which designates a material which does not propagate fire, and in the case of a cable, that it is non-flame propagating and guarantees that the cable will not propagate regardless of whether its operation is maintained or not during the fire.
  • ribbon relates to a particular cutting of the multilayer material of the invention into a film of great length and of small width, like the ribbons commonly used for covering cables. These ribbons are generally presented in the form of pancakes or shuttles.
  • mica has been the standard for electrical insulation of fire resistant cables for decades, so much so that the resistance standard (3h, 1000V, 950 ° C) has been established according to the properties of this material, the Applicant dared to overcome it to offer an even more efficient product.
  • calcium carbonate decomposes around 900 ° C, which could alter the insulating properties of the layer formed of calcium carbonate, especially since the decomposition product, calcium oxide, occupies a lower volume.
  • magnesium carbonate decomposes around 350 ° C to form magnesium oxide (MgO), which is a solid refractory material resistant to temperatures above 2800 ° C.
  • MgO magnesium oxide
  • the magnesium oxide formed can also take over from magnesium carbonate when very high temperatures are reached to ensure thermal insulation and protection against flames.
  • Calcium carbonate can be used, or magnesium carbonate or a mixture of the two.
  • mineral filler or mineral carbonate when only carbonates are used, to designate these possibilities. This expression does not exclude the presence, in lesser quantity of other mineral species.
  • the mineral filler comprises more than 50% by weight of crushed mineral and preferably more than 50% by weight of crushed carbonate.
  • the polymeric layer comprising a mineral filler of more than 50% has the additional advantage of not sticking to the material of cables such as copper. Thus, when an electrician makes electrical connections, the latter does not need to scrape the bare parts to be connected. The electrician is also not in contact with mica dust.
  • the ribbon obtained has a slight elasticity combined with mechanical resistance and is therefore particularly suitable for the manufacture of twisted / twisted cables, and can be applied directly during the twisting / twisting step, but also in the traditional processes of wrapping with vertical or horizontal machines.
  • the polymeric layer comprising calcium carbonate and / or magnesium carbonate, or polymeric layer of calcium carbonate and / or magnesium carbonate is understood as a layer of calcium carbonate and / or magnesium, crushed to a particle size preferably between 3 and 5 ⁇ m, maintained in shape using an organic polymer or resin, such as for example stone paper or stone paper (commonly called stonepaper), which is a type of commercial film composed of 80% of crushed calcium carbonate (stone) and 20% of plastic resin, in particular PHED (high density polyethylene).
  • the mineral carbonate always remaining the majority component and preferably representing more than 50% by mass of the layer, preferably more than 75% by mass of the layer, as well as other resins, such as for example polypropylene or other resins allowing the incorporation of significant mineral filler while still being able to be extruded.
  • Paper-stone is not currently known for thermal or fire resistance applications, but is commonly used as a sealing layer on labels, paper documents, etc.
  • the commercially available paper-stone typically has a thickness of 40 to 200 ⁇ m and a dielectric constant of 40 KV / mm at 25 ° C.
  • the mechanical reinforcing layer is a layer making it possible to limit the elongation of the material in any direction of the plane of the material, in particular at the handling temperatures of the material, to ensure easy manufacture and laying of the tape.
  • This layer can for example be made of glass fiber, such as glass silk or glass mat, or in a nonwoven material made with a fiber compatible with the layer of calcium carbonate / polymer, preferably a synthetic fiber.
  • the polymeric layer of mineral carbonate can be secured to the mechanical reinforcement layer using an adhesive, for example of the epoxy or silicone type or an adhesive without solvent, the adhesive here not constituting a layer.
  • the adhesive and the support guarantee the dimensional stability of the mineral carbonate during the rise in temperature which leads, beyond a certain value (450 ° C.), to destruction of the organic matrix of the carbonate polymer.
  • the type of glue or adhesive is not limiting, and those skilled in the art can determine, depending on their means of production, costs or other technical parameters, the most suitable means for joining the polymer layer of mineral carbonate to the mechanical reinforcement layer
  • the material of the invention may advantageously comprise a second polymeric layer of mineral carbonate, identical to or different from the first, secured to the other face of the mechanical reinforcing layer. This has the advantage of avoiding that the face of the uncovered mechanical reinforcement layer is sticky. This also increases the electrical and thermal insulation capacity of the material.
  • the invention also relates to a method for manufacturing the multilayer material of the invention, according to which: at least one face of the mechanical reinforcing layer is glued and
  • a polymeric calcium carbonate film is laminated on the glued side of the mechanical reinforcement layer.
  • Figure 1 is a sectional view of a material according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view of another material according to the invention
  • FIG. 3 illustrates the process for manufacturing a material according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a variant of the method of FIG. 3.
  • a multilayer material 1 comprises a layer 2 made up of calcium carbonate in a polymer, here for example paper-stone, secured to a layer 3 of mechanical reinforcement, here for example a glass silk or fabric fiberglass (glass mat). Silicone glue (not shown) here allows the two layers to be joined.
  • the silicone adhesive is not a separate layer and is naturally absorbed between the glass fibers which form multiple gaps.
  • another multilayer material 21 comprises two layers 22 and 24, made up of calcium carbonate in a polymer, here for example paper-stone, each secured to one face of a layer 23 mechanical reinforcement, here for example a glass silk or fiberglass fabric. Silicone glue (not shown) allows here to join the two carbonate layers to the mechanical reinforcement layer.
  • Materials 1 and 21 therefore do not include a layer of mica, the idea being to get rid completely of mica in order to avoid the disadvantages of handling it while at the same time improving the electrical performance of the tape at very high temperature.
  • the multilayer materials according to the invention preferably have a thickness of less than 180 ⁇ m, and preferably less than 150 ⁇ m when there is only one polymer layer of calcium and / or magnesium carbonate.
  • the material comprises more layers and has a thickness greater than 180 ⁇ m.
  • the mechanical reinforcing layer preferably has a thickness of less than 50 ⁇ m, and more preferably less than 40 ⁇ m. Depending on the material used, glass fibers, non-woven material with polymer fibers, etc., the grammage may vary.
  • a polymeric layer of calcium carbonate and / or mineral has a thickness preferably greater than 40 ⁇ m (ie 40 g / m 2 ) and less than 160 ⁇ m.
  • the polymeric layer comprising calcium carbonate comprises other elements, in a more limited amount and preferably less than 10% by weight, giving the product additional characteristics. For example, coloring substances to be able to differentiate cables, or even mica or other mineral substances.
  • the mechanical reinforcement layer it is advantageous to consist of materials which, during degradation at high temperature, do not generate chemically reactive substances with the degradation products of the polymer matrix of the carbonate layer. calcium.
  • the resin or polymer used in the layer Calcium carbonate polymer could be of the same nature as the polymer used for the fibers constituting the mechanical reinforcement layer.
  • the raw materials necessary for the manufacture of the multilayer material 31 are a mechanical reinforcement layer 33, here conditioned in the form of a roll, a polymeric film of calcium carbonate 32, here also conditioned in the form of 'a roller and glue 34, for example silicone glue, relatively liquid.
  • a face of the mechanical reinforcement layer 33 is glued continuously with silicone glue 34, continuously, as the reinforcement layer 33 takes place.
  • a coating roller 35 immersed in a glue tank 34 makes it possible to transfer the glue to the underside of the reinforcing layer 33.
  • the system shown here is basic with a roller, but it is possible to use any other suitable system, allowing in particular to perfectly control the amount of adhesive applied.
  • a system with several rollers can be used, with or without a blade or a spray or projection device.
  • the mechanical reinforcing layer bonded with a silicone resin is here subjected to heat in an oven 37 which can reach 200 ° C. to catalyze the silicone reaction and make it possible to obtain a tacky material (tack).
  • the glued layer passes through the oven so that it is subjected to heat for less than a minute.
  • the residence time of the layer in the oven and the temperature thereof may vary depending on the nature materials of the reinforcement layer, glue and rate of catalysis. For example, for a glass silk bonded with a silicone adhesive, a good result is obtained by maintaining the bonded layer at 160 ° C. for 30 seconds.
  • the temperature of the glued layer is reduced to about 15-20 ° C.
  • the oven 37 can for example be replaced or supplemented by a UV irradiation device.
  • adhesives without solvent like DC2013 from Dow Corning (solvent free silicone pressure sensitive).
  • the adhesive when the adhesive is deposited on a glass fiber placed horizontally, it migrates to the underside of the glass fiber. After passing for 90 to 120 seconds in an oven at 180 ° C, the polymeric film can be applied to the underside of the glass fiber.
  • This variant saves 1,750 g of C02 per kg of ribbon produced, bypassing the step of evaporation and solvent reprocessing.
  • step C a polymeric film of calcium carbonate 32 is laminated, preferably on the glued side of the mechanical reinforcing layer so that the adhesion is optimal.
  • the polymeric film of calcium carbonate 32 is progressively unwound at the same speed as the glued mechanical reinforcing layer, in order to be superimposed on it without forming folds.
  • the two-layer material obtained can be rolled up to form a roll 31.
  • the roll obtained can itself be cut into sections, so as to obtain wound tapes, in the manner of adhesive tapes for example.
  • the mechanical reinforcement layer is generally porous, it may result that the face not covered by the polymeric calcium carbonate layer is also sticky, and in doing so poses problems in being unrolled, for example when it is packaged in the form of ribbon.
  • the second layer 36 can be identical or different in composition and / or thickness with respect to the first polymeric layer of calcium carbonate. It can, as illustrated in FIG. 4, be applied simultaneously to the first layer on the production chain of the multilayer material, or be applied upstream or downstream of the chain.
  • the multilayer material formed can be up to 1200 meters long and can be wound around an axis.
  • the roll can then be cut into thin patties, of determined thickness suitable for the desired use.
  • rolls of tape ranging in width from a few millimeters to a few centimeters are generally prepared.
  • the ribbon of multilayer material can be used like a conventional mica-based ribbon for covering metallic conductive cables. We can consider covering a single cable and the tape is directly in contact with the metal. Typically, the ribbon is wound in a helix around the cable so as to completely cover it.
  • two layers are wound on an electric cable, with an overlap of at least 20%, that is to say that each loop covers the previous one over 20% of the width. ribbon.
  • at least one of the two layers has an overlap of about 50%.
  • the Applicant has also surprisingly observed a layer effect that, with the same total thickness, it is more effective to superimpose two layers of tape rather than using a single thicker layer.
  • the tape of the invention being particularly resistant, and having a slight elasticity, its use is easier than that of conventional mica tapes.
  • the material of the invention has been described as “comprising” a polymeric layer (2; 22; 32) comprising calcium carbonate, secured to a mechanical reinforcement layer (3; 23; 33), but it can also be constituted of these two layers.
  • the material 41 comprising a second polymeric layer comprising calcium carbonate secured to the other face of the mechanical reinforcement layer may consist of two polymeric layers each secured to one face of a mechanical reinforcement layer.
  • the calcium carbonate described in the examples above can be replaced by or combined with magnesium carbonate.
  • the applicant does not, however, wish to limit its request to two layers or three layers; it may indeed prove to be advantageous to superimpose several polymeric layers of calcium carbonate, to add a protective layer on the face of the uncovered mechanical reinforcement layer in order to be able to roll it up without having problems during unwinding, to deposit an additional film on the finished product to give it a pattern, a color or the like, or to add one or more other layers of mechanical reinforcement, for example for applications other than for cables, such as for example an aeronautical coating or thicker materials which may be desired and made from a superposition of mechanical reinforcement layers and polymeric layers comprising calcium carbonate.
  • the dielectric strength of the ribbon composed of 100 g / m2 paper and its 23 g / m2 glass silk was measured at 125 V / layer at 950 ° C.
  • the mineral polymer layer used is “Stone Paper” from Taiwan Lung Meng Advanced Composite Materials Co. , Ltd. (reference RPN 0050 1.0; 50 pm, 40 g / m 2 ). Glass fiber comes from Changzhou Xingao Insulation Materials Co., Ltd, and the adhesive is DC2013 glue from Dow Corning.
  • the ribbons were wound on electric cables, with a certain degree of overlap between two loops (overlap).
  • the cables thus obtained were subjected to the flame test as described in part 11 of standard IEC 60331-11 (Edition 1.1 2009-07) for 180 minutes at a temperature specified in the table below which also shows the results of these tests.

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Abstract

Matériau multicouche de protection de câble pour hautes températures La présente demande concerne le domaine des câbles électriques résistant au feu et en particulier un matériau isolant multicouche comprenant au moins une couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à une couche de renfort mécanique. De préférence, le matériau ne comprend pas de couche de mica. Un procédé de fabrication de ce matériau est également concerné ainsi qu'un câble électrique comprenant un fil conducteur métallique enveloppé dans le matériau multicouche de l'invention.

Description

Matériau multicouche de protection de câble pour hautes températures
La présente demande concerne le domaine des câbles électriques résistant au feu.
Les normes de construction, dans le bâtiment, les installations pétrolières ou l' aéronautique imposent que les câbles électriques puissent résister pendant un certain temps, à un incendie. Pour la construction d'immeuble, la norme est généralement fixée à une résistance de 1000 V pendant trois heures dans la flamme à 950 °C.
Cette norme a été fixée en prenant en compte le matériau le plus résistant connu à ce jour, c'est-à-dire le mica. En effet, des rubans de mica sont fabriqués à partir d'une couche de papier-mica appliquée sur une couche de fibre de verre, par exemple une soie de verre, à laquelle elle est solidarisée à l'aide d'une colle, par exemple une colle silicone. Un tel ruban est ensuite généralement appliqué, en spirale, autour d'un câble conducteur, par exemple en cuivre .
Ces rubans de mica posent cependant un certain nombre de problèmes . Tout d'abord, ils ne sont pas suffisamment résistants à la chaleur des flammes par fuel, qui peuvent atteindre à 1100 °C, par exemple pour des applications pétrolières ou aéronautiques. Au-delà de 950°C, le mica fond et perd sa structure et ses propriétés d'isolant électrique. Des gaines très épaisses incorporant des couches d'air sont proposées pour pallier ce problème, mais elles ont des structures complexes et coûteuses à mettre en œuvre.
Ensuite, le processus de fabrication du ruban à base de mica est délicat. En effet, il se fait par un renforcement du papier de mica avec une colle et l'ajout d'un support de type soie de verre ou de PET. Trop peu de colle conduit à une mauvaise adhérence du mica et à la formation de poussière, de paillettes et de fils de verre alors que trop de colle conduit à un ruban collant qui ne peut plus être déroulé et utilisé car les couches collent ensemble. Ces ennuis sont fréquents et perturbent la fabrication du câble.
De plus, le mica adhère fortement au conducteur électrique, en particulier au cuivre et, lors du placement du câble par l'électricien, il doit s'assurer que tout le mica a bien été retiré, et éventuellement gratter la partie dénudée du conducteur, afin d'assurer la connexion électrique. C'est une vraie problématique pour les fabricants de câbles .
Des rubans incorporant une couche polymérique, comprenant du carbonate de calcium, combinée à une couche de mica sont décrits dans WO2012/062363, dans lesquels la couche polymérique a pour fonction de remplacer le support mécanique tel que la soie de verre ou la fibre de verre, et non à apporter une isolation électrique. Néanmoins, ces rubans ne sont pas assez résistants mécaniquement pour procéder à leur application sur les conducteurs en cuivre. En particulier, la couche polymérique est trop élastique et n'est pas suffisamment résistante à l'élongation. Lors de l'application sur le câble, le ruban devant être maintenu à une certaine tension se déchire .
La demanderesse a donc jugé nécessaire de proposer un ruban d' isolation de câbles électriques résistant à de très hautes températures, simple et peu coûteux à produire.
Solution de l' invention
La présente invention propose, afin de pallier l'ensemble des problèmes sus développés, un matériau isolant multicouche comprenant :
au moins une couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à
une couche de renfort mécanique.
De préférence, le matériau ne comprend pas de couche de mica, ni de couche comprenant du mica.
Le matériau de l'invention est avantageusement utilisé pour fabriquer un ruban. Le ruban peut être utilisé pour recouvrir des câbles conducteurs métalliques afin de maintenir l' isolation électrique à de très hautes températures causées, par exemple, par des flammes. Cette propriété est la résistance au feu (fire résistance), c'est-à-dire l'absence d'altération des propriétés électriques du matériau lors d'un incendie. Cette propriété est à distinguer du « fire-proof » ou ignifugeant qui désigne un matériau ne propageant pas le feu, et s'agissant d'un câble, qu'il est non- propagateur de flamme et garantit que le câble ne va pas propager l'incendie, indépendamment du fait que son fonctionnement soit maintenu ou non durant l'incendie.
Le terme ruban est relatif à une découpe particulière du matériau multicouche de l'invention en un film de grande longueur et de faible largeur, comme les rubans couramment utilisés pour recouvrir des câbles. Ces rubans sont généralement présentés sous forme de galettes ou de navettes .
Bien que le mica soit le standard de l' isolation électrique des câbles résistants au feu depuis des décennies, à tel point que la norme de résistance (3h, 1000V, 950°C) a été édictée en fonction des propriétés de ce matériau, la demanderesse a osé s'en affranchir pour proposer un produit encore plus performant.
En effet, la demanderesse a observé, avec surprise, que le carbonate de calcium présente une rigidité diélectrique excellente à 950 °C et un pouvoir isolant plus de deux fois supérieur à celui du mica pur, à épaisseur équivalente...
Dans les faits, le carbonate de calcium se décompose aux alentours de 900°C, ce qui pourrait altérer les propriétés isolantes de la couche formée de carbonate de calcium, d' autant que le produit de décomposition, l'oxyde de calcium, occupe un volume inférieur.
Cependant, la demanderesse a remarqué que l'oxyde de calcium (CaO) , ou chaux vive, ainsi formé, prend en quelque sorte, le relais du carbonate de calcium lorsque de très hautes températures sont atteintes pour assurer l' isolation électrique et la protection contre les flammes. De même, bien qu'une perte de volume s'opère lors de la décomposition du carbonate de calcium en oxyde de calcium, due à la libération de dioxyde de carbone, la structure de la couche est maintenue.
De son côté, le carbonate de magnésium se décompose vers 350 °C pour former de l'oxyde de magnésium (MgO) , qui est un matériau solide réfractaire résistant à des températures supérieures à 2800 °C. L'oxyde de magnésium formé peut de même prendre le relais du carbonate de magnésium lorsque de très hautes températures sont atteintes pour assurer l'isolation thermique et la protection contre les flammes.
Le carbonate de calcium peut être utilisé, ou le carbonate de magnésium ou un mélange des deux. On parlera ci-dessous de charge minérale ou de carbonate minéral lorsque seuls des carbonates sont utilisés, pour désigner ces possibilités. Cette expression n'exclue pas la présence, en moindres quantité d'autres espèces minérales.
De préférence, la charge minérale comprend plus de 50% en poids de minéral concassé et de préférence plus de 50% en poids de carbonate concassé .
La couche polymérique comprenant une charge minérale de plus de 50% présente l' avantage supplémentaire de ne pas coller au matériau des câbles comme le cuivre. Ainsi, lors de la réalisation des connexions électriques par un électricien, ce dernier n' a pas besoin de gratter les parties dénudées à connecter. L'électricien n'est pas non plus en contact avec des poussières de mica.
Le ruban obtenu possède une légère élasticité combinée à une résistance mécanique et se prête ainsi particulièrement bien à la fabrication de câbles torsadés/twistés , et peut être appliqué directement au cours de l'étape de torsadage/twistage , mais également dans les procédés traditionnels d' enrubannage avec des machines verticales ou horizontales. La couche polymérique comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, ou couche polymérique de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium, s'entend comme une couche de carbonate de calcium et/ou de magnésium, concassé à une granulométrie de préférence entre 3 et 5 pm, maintenue en forme à l'aide d'un polymère ou résine organique, comme par exemple du papier de pierre ou papier-pierre (couramment appelé stonepaper) , qui est un type de film commercial composé de 80 % de carbonate de calcium concassé (pierre) et 20 % de résine plastique, en particulier du PHED (polyéthylène haute densité). D'autres ratios carbonate de calcium/résine peuvent être envisagés, le carbonate minéral restant toujours le composant majoritaire et représentant de préférence plus de 50% en masse de la couche, de préférence plus de 75% en masse de la couche, de même que d'autres résines, comme par exemple du polypropylène ou d' autres résines permettant l'incorporation de charge minérale importante tout en pouvant encore être extrudés . Le papier-pierre n'est à ce jour pas connu pour des applications de résistance thermique ou au feu, mais est couramment utilisé comme couche d'étanchéité sur des étiquettes, des documents en papier, etc...
Le papier-pierre commercialement disponible a typiquement une épaisseur de 40 à 200 pm et une constante diélectrique de 40 KV/mm à 25 ° C .
La couche de renfort mécanique est une couche permettant de limiter l'élongation du matériau dans une quelconque direction du plan du matériau, en particulier aux températures de manipulation du matériau, pour assurer une fabrication et une pose faciles du ruban. Cette couche peut par exemple être en fibree de verre, comme une soie de verre ou un mat de verre, ou dans un matériau non-tissé fabriqué avec une fibre compatible avec la couche de carbonate de calcium/polymère, de préférence une fibre synthétique.
La couche polymérique ayant une tenue thermique limitée, il est important que la couche de renfort mécanique et la colle aient ensemble une meilleure tenue thermique. Par « solidarisée à », il faut comprendre que les deux couches sont appliquées en contact direct. La couche polymérique de carbonate minéral peut être solidarisée à la couche de renfort mécanique à l'aide d'une colle, par exemple de type époxyde ou silicone ou un adhésif sans solvent, la colle ne constituant ici pas une couche. La colle et le support garantissent la stabilité dimensionnelle du carbonate minéral lors de la montée en température qui conduit, au- delà d'une certaine valeur (450°C), à une destruction de la matrice organique du polymérique de carbonate. Le type de colle ou d'adhésif n'est pas limitatif, et l'homme du métier peut déterminer, en fonction de ses moyens de productions, des coûts ou d'autres paramètres techniques, le moyen le plus approprié pour solidariser la couche polymérique de carbonate minéral à la couche de renfort mécanique
Le matériau de l'invention peut avantageusement comprendre une seconde couche polymérique de carbonate minéral, identique à ou différente de la première, solidarisée à l'autre face de la couche de renfort mécanique. Cela présente l'avantage d'éviter que la face de la couche de renfort mécanique non recouverte soit collante. Cela permet également d' augmenter la capacité d' isolation électrique et thermique du matériau.
L' invention concerne également un procédé de fabrication du matériau multicouche de l' invention, selon lequel : on encolle au moins une face de la couche de renfort mécanique et
on lamine un film polymérique de carbonate de calcium sur la face encollée de la couche de renfort mécanique.
Selon le type de colle utilisé, et en particulier si on utilise une colle silicone ou époxyde, il peut être nécessaire de soumettre la couche de renfort mécanique encollée à la chaleur avant la lamination . Selon le type de colle utilisée et la méthode d'encollage, ce n'est pas nécessairement la face sur laquelle on dépose la colle qui est la face encollée. Par exemple, lors du dépôt d'un adhésif sans solvent, comme par exemple des adhésifs polymérisant sous UV, sur une soie de verre horizontale, la gravité induit la migration de l'adhésif sur la face inférieure de la soie de verre qui est alors la face sur laquelle va être appliqué le film polymérique de carbonate minéral .
L' invention sera mieux comprise à l' aide de la description suivante de plusieurs mises en œuvre de l' invention, en référence au dessin en annexe, sur lequel :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un matériau selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe d' un autre matériau selon l'invention ;
- la figure 3 illustre le procédé de fabrication d'un matériau selon l'invention et
- la figure 4 illustre une variante du procédé de la figure 3.
En référence à la figure 1, un matériau multicouche 1 comprend une couche 2 constituée de carbonate de calcium dans un polymère, ici par exemple du papier-pierre, solidarisée à une couche 3 de renfort mécanique, ici par exemple une soie de verre ou tissu en fibre de verre (mat de verre) . De la colle silicone (non représentée) permet ici de solidariser les deux couches. La colle silicone ne constitue pas une couche distincte et est naturellement absorbée entre les fibres de verre qui forment de multiples interstices.
En référence à la figure 2, un autre matériau multicouche 21 selon l'invention comprend deux couches 22 et 24, constituées de carbonate de calcium dans un polymère, ici par exemple du papier-pierre, solidarisées chacune à une face d'une couche 23 de renfort mécanique, ici par exemple une soie de verre ou tissu en fibre de verre. De la colle silicone (non représentée) permet ici de solidariser les deux couches carbonates à la couche de renfort mécanique .
Les matériaux 1 et 21 ne comprennent donc pas de couche de mica, l'idée étant de s'affranchir totalement du mica pour en éviter les inconvénients de manipulation tout en eft améliorant les performances électriques du ruban à très haute température.
Les matériaux multicouches selon l'invention ont de préférence une épaisseur inférieure à 180 pm, et de préférence inférieure à 150 pm lorsqu'il n' y a qu'une couche polymère de carbonate de calcium et/ou magnésium.
Pour certaines applications spécifiques, il est toutefois envisageable que le matériau comprenne plus de couches et ait une épaisseur supérieure à 180 pm.
La couche de renfort mécanique a de préférence une épaisseur inférieure à 50 pm, et de préférence encore inférieure à 40 pm. Selon le matériau utilisé, fibres de verres, matériau non-tissé à fibres polymériques, ..., le grammage peut varier.
Une couche polymère de carbonate de calcium et/ou minéral a une épaisseur de préférence supérieure à 40 pm (soit 40 g/m2) et inférieure à 160 pm.
Il n' est pas exclu que la couche polymérique comprenant du carbonate de calcium comprenne d'autres éléments, en quantité plus restreinte et de préférence moins de 10% en poids, conférant au produit des caractéristiques supplémentaires. Par exemple, des substances colorantes pour pouvoir différencier les câbles, ou voire même du mica ou d' autres substances minérales .
En ce qui concerne la couche de renfort mécanique, il est intéressant qu'elle soit constituée de matériaux qui, durant une dégradation à haute température, ne génère pas de substances chimiquement réactives avec les produits de dégradation de la matrice polymère de la couche de carbonate de calcium. Avantageusement, la résine ou polymère utilisé dans la couche polymérique de carbonate de calcium pourrait être de la même nature que le polymère utilisé pour les fibres constituant la couche de renfort mécanique.
Un procédé de fabrication des matériaux de l' invention va maintenant être décrit, en référence à la figure 3 pour un matériau comprenant une seule couche polymère de carbonate minéral et en référence à la figure 4 pour un matériau comprenant deux couches de carbonate minéral .
En référence à la figure 3, les matières premières nécessaires à la fabrication du matériau multicouche 31 sont une couche de renfort mécanique 33, ici conditionnée sous forme d'un rouleau, un film polymérique de carbonate de calcium 32, conditionné ici aussi sous forme d'un rouleau et de la colle 34, par exemple de la colle silicone, relativement liquide.
Dans une première étape A, on encolle une face de la couche de renfort mécanique 33 avec la colle silicone 34, en continu, au fur et à mesure que la couche de renfort 33 se déroule. Ici par exemple, un rouleau d' enduction 35, baignant dans un bac de colle 34 permet de transférer la colle sur la face inférieure de la couche de renfort 33. Le système représenté ici est basique avec un rouleau, mais il est envisageable d'utiliser tout autre système adéquat, permettant notamment de maîtriser parfaitement la quantité de colle appliquée. Par exemple, un système à plusieurs rouleaux peut être utilisé, avec ou sans lame ou un dispositif de spray ou projection.
Dans l'étape suivante B, la couche de renfort mécanique encollée avec une résine silicone est ici soumise à la chaleur dans un four 37 pouvant atteindre 200 °C pour catalyser la réaction de silicone et permettre d'obtenir un matériau collant (tack) . La couche encollée traverse le four de façon à être soumise à la chaleur pendant moins d'une minute. Le temps de résidence de la couche dans le four et la température de celui-ci peuvent varier selon la nature des matériaux de la couche de renfort, de la colle et du taux de catalyse. Par exemple pour une soie de verre encollée avec une colle silicone, un bon résultat est obtenu en maintenant la couche encollée à 160 °C pendant 30 secondes.
A la sortie du four, la température de la couche encollée est ramenée à environ 15-20°C.
D'autres types de colle peuvent être appliquées, qui n'ont pas besoin de traitement thermique pour développer des propriétés collantes. Pour certaines colles, aucun traitement n'est nécessaire, pour d'autres il pourrait y avoir besoin d'un traitement aux UV par exemple. Dans ce cas, le four 37 peut par exemple être remplacé ou complété par un dispositif d' irradiation aux UV.
On peut par exemple utiliser des adhésifs sans solvant, comme le DC2013 de Dow Corning (solvent free silicone pressure sensitive) . Dans ce cas, lorsque l'adhésif est déposé sur une soie de verre placée à l'horizontal, il migre vers la face inférieure de la soie de verre. Après un passage durant 90 à 120 secondes dans un four à 180 °C, le film polymérique peut être appliqué sur la face inférieure de la soie de verre. Cette variante permet d'économiser 1750 g de C02 par kg de ruban fabriqué, en s'affranchissant de l'étape d'évaporation et de retraitement des solvants.
Dans l'étape C, on lamine un film polymérique de carbonate de calcium 32, de préférence sur la face encollée de la couche de renfort mécanique pour que l'adhésion soit optimale.
Le film polymérique de carbonate de calcium 32 est déroulé progressivement à la même vitesse que la couche de renfort mécanique encollée, afin de s'y superposer sans former de plis.
Le film polymérique de carbonate de calcium 32 ne pouvant pas supporter la chaleur du four, il est important d'avoir refroidi la couche de renfort mécanique encollée avant de l'y appliquer. Après lamination, dans une étape D, le matériau bi-couche obtenu peut être enroulé pour former un rouleau 31.
Le rouleau obtenu peut être lui-même découpé en tronçons, de façon à obtenir des rubans enroulés, à la façon de rubans d'adhésif par exemple .
La couche de renfort mécanique étant généralement poreuse, il peut en résulter que la face non couverte par la couche polymérique de carbonate de calcium soit également collante, et ce faisant pose des problèmes pour être déroulée, par exemple lorsqu'elle est conditionnée sous forme de ruban.
Ce problème peut néanmoins être contourné ou mis à profit en laminant une deuxième couche polymérique de carbonate de calcium sur la deuxième surface de la couche de renfort.
La deuxième couche 36 peut être identique ou différente en composition et/ou en épaisseur par rapport à la première couche polymérique de carbonate de calcium. Elle peut, comme illustré sur la figure 4, être appliquée simultanément à la première couche sur la chaine de production du matériau multicouche, ou être appliquée en amont ou en aval de la chaine .
Le matériau multicouche formé peut faire jusqu'à 1200 mètres de long et être enroulé autour d'un axe.
Le rouleau peut ensuite être découpé en fines galettes, d'épaisseur déterminée convenant à l'utilisation désirée. Par exemple, pour application sur des câbles, des rouleaux de ruban de largeur allant de quelques millimètres à quelques centimètres sont généralement préparés .
Le ruban en matériau multicouche peut être utilisé comme un ruban classique à base de mica pour recouvrir des câbles conducteurs métalliques. On peut envisager de recouvrir un seul câble et que le ruban soit directement en contact avec le métal. Typiquement, le ruban est enroulé en hélice autour du câble de façon à le recouvrir entièrement .
De préférence, pour une efficacité d'isolation électrique optimale, deux couches sont enroulées sur un câble électrique, avec un recouvrement d'au moins 20%, c'est-à-dire que chaque boucle recouvre la précédente sur 20% de la largeur du ruban. De préférence, au moins une des deux couches a un recouvrement d'environ 50%.
La demanderesse a également observé, de façon surprenante, un effet de couche que, à épaisseur totale identique, il est plus efficace de superposer deux couches de ruban plutôt que d'utiliser une seule couche plus épaisse.
Alternativement, on peut envisager de recouvrir plusieurs câbles en même temps, dans une opération dite de twistage. Ces opérations sont bien connues de l'homme du métier.
Le ruban de l'invention étant particulièrement résistant, et présentant une légère élasticité, son utilisation est plus aisée que celles des rubans de mica classiques.
Le matériau de l'invention a été décrit comme « comprenant » une couche polymérique (2 ; 22 ; 32) comprenant du carbonate de calcium, solidarisée à une couche de renfort mécanique (3 ; 23 ; 33), mais il peut également être constitué de ces deux couches.
De même, le matériau 41 comprenant une seconde couche polymérique comprenant du carbonate de calcium solidarisée à l'autre face de la couche de renfort mécanique peut être constitué de deux couches polymériques solidarisées chacune à une face d' une couche de renfort mécanique .
Le carbonate de calcium décrit dans les exemples ci-dessus peut être remplacé par ou combiné à du carbonate de magnésium. La demanderesse ne souhaite cependant pas limiter sa demande à deux couches ou trois couches ; il peut en effet s'avérer intéressant de superposer plusieurs couches polymériques de carbonate de calcium, d'ajouter une couche protectrice sur la face de la couche de renfort mécanique non couverte pour pouvoir l' enrouler sans avoir de problème lors du déroulage, de déposer un film supplémentaire sur le produit fini pour lui conférer un motif, une couleur ou autre, ou encore d'ajouter une ou plusieurs autres couches de renfort mécanique, par exemple pour des applications autres que pour des câbles, comme par exemple pour un revêtement aéronautique ou des matériaux plus épais qui pourraient être désirés et fabriqués à partir d'une superposition de couches de renfort mécanique et de couches polymériques comprenant du carbonate de calcium.
Les exemples ci-dessous décrivent quelques formes de réalisation du matériau de l' invention, et leurs propriétés d' isolants électriques résistant au feu.
La rigidité diélectrique du ruban composé d'un papier de 100 g/m2 et de sa soie de verre de 23g/m2 a été mesurée à 125V/couche à 950°C.
Des rubans ont été préparés selon l'invention. La couche polymérique minérale utilisée est du « Stone Paper » de la société Taiwan Lung Meng Advanced Composite Materials Co . , Ltd. (référence RPN 0050 1.0 ; 50 pm, 40 g/m2) . La soie de verre provient de la société Changzhou Xingao Insulation Materials Co.,Ltd, et l'adhésif est la colle DC2013 de Dow Corning.
Les rubans ont été enroulés sur des câbles électriques, avec un certain degré de chevauchement entre deux boucles (overlap) .
Les câbles ainsi obtenus ont été soumis au test de flamme tel que décrit dans la partie 11 de la norme IEC 60331-11 (Edition 1.1 2009- 07) pendant 180 minutes à une température spécifiée dans le tableau ci-dessous qui reprend également les résultats de ces tests.
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
Les résultats repris dans le tableau ci-dessus démontrent que le matériau selon l'invention permet donc d'isoler des câbles électriques en leur conférant une résistance au feu au moins similaire à celle des matériaux à base de mica actuellement utilisés, sans en présenter les inconvénients.

Claims

Revendications
1. Matériau isolant (1 ; 21 ; 31 ; 41) multicouche comprenant :
au moins une couche polymérique (2 ; 22 ; 32) comprenant au moins 50% de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium, solidarisée à
une couche de renfort mécanique (3 ; 23 ; 33) .
2. Matériau multicouche selon la revendication 1, dans lequel la couche polymérique (2 ; 22) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium est un film de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium en poudre dans une matrice en polymère ou en résine.
3. Matériau multicouche selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la couche de renfort mécanique (3 ; 23 ; 33) est une couche fibreuse permettant de limiter l' élongation du matériau dans une quelconque direction du plan du matériau.
4. Matériau multicouche selon la revendication 1 à 3 dans lequel la couche fibreuse est constituée de fibres de verre ou de fibres textiles non-tissées.
5. Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche polymérique de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium est solidarisée à la couche de renfort mécanique à l' aide d'une colle (34) .
6. Matériau selon la revendication 5, dans lequel la colle (34) est à base de silicone.
7. Matériau selon la revendication 5, dans lequel la colle est un adhésif sans solvant.
8. Matériau selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une seconde couche polymérique (24) comprenant du 4e carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium solidarisée à l'autre face de la couche de renfort mécanique (23) .
9. Matériau selon l'une des revendications 1 à 8 ne comprenant pas de couche de mica.
10. Procédé de fabrication du matériau multicouche (31 ; 41) selon l'une des revendications 1 à 8, selon lequel : on encolle (A) au moins une face de la couche de renfort mécanique (33) et
on lamine (C) un film polymérique (32) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium sur la face encollée de la couche de renfort mécanique .
11. Procédé selon la revendication 10, selon lequel on soumet (B) la couche de renfort mécanique (33) encollée à la chaleur avant la 1amination .
12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, selon lequel on enroule (D) le matériau multicouche (31 ; 41) autour d'un cylindre pour former un rouleau.
13. Procédé selon la revendication 12, selon lequel on découpe le rouleau pour former des rubans .
14. Câble électrique comprenant un fil conducteur métallique enveloppé dans un matériau multicouche (1 ; 21) comprenant : une couche polymérique isolante (2 ; 22) comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium, solidarisée à
une couche de renfort mécanique (3 ; 23), ledit matériau ne comprenant pas de mica.
15. Câble électrique selon la revendication 14, dans lequel la couche isolante comprenant du carbonate de calcium et/ou du carbonate de magnésium comprend plus de 50% en poids de carbonate de calcium et/ou de carbonate de magnésium.
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