Brevet FR2500950A1 — publié le 19820903

L'industrie des câbles de transport d'énergie, ou câbles de puissance, admet depuis longtemps que le polyéthylène chimiquement réticulé et non chargé constitue une matière isolante caractérisée par des pertes diélectriques très faibles, une grande. rigidité diélectrique et d'excellentes propriétés physiques. Ses propriétés les plus inopportunes sont une dureté relativement élevée et une flexibilité minimale. Les frais d'installation augmentent fortement en raison de la prolongation de temps nécessaire pour réaliser des jonctions et extrémités.Des compositions à base de copolymères et de terpolymères de l'éthylène et du propylène et d'autres élastomères ont été utilisas dans le domaine des câbles de puissance en raison de leur flexibilité, plus grande de façon inhérente, et de la plus grande facilité de l'installation, ce qui diminue très fortement ces frais précités. Les caoutchoucs d'éthylène et de propylène sont des matières amorphes qu'il faut renforcer en leur ajoutant des charges comme des argiles calcinées dures pour qu'ils acquièrent la résistance physique nécessaire pour leur utilisation dans le domaine de l'isolation. Le polyéthylène étant de structure cristalline n'exige pas l'addition d'une matière de renforcement. Donc, des compositions sans charge sont pratiques et servent dans la plupart des applications à des câbles de puissance pour une tension nominale supérieure à 2 kV. Un système polymère sans charge procure le degré le plus élevé de propriétés électriques et, inversement, l'addition de charges nuit, en proportion de la quantité de charges utilisée, aux bonnes propriétés électriques inhérentes des caoutchoucs d'éthylène et de propylène. La présente invention combine le degré le plus élevé de caractéristiques électriques d'un système polymère sans charge et la flexibilité inhérente à du caoutchouc en proposant une composition convenant pour des applications à la fabrication de câbles de transport d'énergie, aussi bien dans le domaine des hautes tensions que de la basse tension. On y parvient en combinant physiquement du polyéthylène et un copolymère d'éthylène et de propylène ou un terpolymère d'éthylène et de propylène avec un antioxygène convenable et un agent de maturation du type peroxyde pour obtenir une composition réticulée. On peut faire varier les rapports des constituants du système des polymères pour obtenir plus ou moins de flexibilité selon les désirs sans altérer appréciablement d'autres propriétés physiques et sans modification importante des caractéristiques électriques. Les compositions résultantes sont de façon inhérente douées de ténacité, de flexibilité et du plus grand degré de propriétés électriques, de manière comparable à celle d'un polyéthylène chimiquement réticulé et typiquement sans charge. La réticulation elle-même peut également être réalisé en l'absence d'une réticulation chimiqug par un traitement d'irradiation. En se fondant sur les données encore limitées actuellement disponibles, on peut affirmer que le temps ou la durée de service des compositions utilisées dans la présente invention va excéder la durée normale de service de compositions typiques de polyéthylène chimiquement réticulé et non chargé. D'autres propriétés, comme la flexibilité aux basses températures, la résistance aux intempéries, la résistance à des déformations et à des dégâts mécaniques, sont au moins équivalentes à celles du polyéthylène et de copolymères typiques d'éthylène et de propylène réticulés. Une étude des nouvelles compositions a indiqué que leur rigidité diélectrique, en présence d'un courant alternatif, excède nettement celle des formulations de caoutchouc d'éthylène et de propylène et que leur tension de claquage surpasse légèrement celle du polyéthylène ré ticulé non chargé. La présente invention couvre également un nouveau procédé pour mélanger les constituants de la composition en cause. On achète sous forme de pastilles du polyéthylène brut et du copolymère brut d'éthylène et de propylène présentant de préférence 15 % de cristallinité. Ces pastilles d'origine restent intactes pendant la totalité du cycle de mélange préliminaire qui assure à la fois le malaxage des polymères eux-memes et l'addition de l'antioxygène et de l'agent de maturation du type peroxyde par absorption à travers les surfaces des pastilles. Cela constitue une modification du procédé de mélange pour l'obtention d'un polyéthylène réticulable selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 455 752. Des modifications dans la manière d'opérer le mélange sont nécessaires du fait que le système comporte deux polymères.Le mélange final est réalisé par la vis du cylindre de l'extrudeuse qui homogénéise les ingrédients du système des polymères pour former la matière isolante avant de l'extruder sur le câble final à produire. A ce stade, les polymères se fondent l'un dans l'autre en formant une matrice complète, et les additifs sont uniformément dispersés dans le mélange des polymères. Cela constitue une nette différence par rapport au procédé du brevet précité n0 3 455 752, lequel ne nécessite pas la fusion de deux polymères au cours de l'opération d'extrusion finale. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée suivante, faite à titre illustratif et nullement limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une coupe transversale d n câble réalisé selon la présente invention ; et la figure 2 est un organigramme décrivan schématiquement les étapes du procédé de la présente invention. La figure 1 montre un câble 10 de transport d'énergie à haute tension (parfois appelé ci-après "câble de puissance" ou "câble à haute tensio#'), comportant une âme conductrice 12 formée de plusieurs fils ou torons torsadés et recouverte d'une couche semi-conductrice 14 de blindage de l'âme conductrice. De préférence, un écran anti-rayonnement 16 est appliqué sur l'extérieur de la couche 14 de blindage. L'isolement du câble, qui est désigné par le repère 20, est appliqué sur l'écran anti-rayonnement 16 ou sur le blindage 14 s'il n'y a pas d'écran anti-rayonnement. La gaine d'isolement 20 est constituée par un mélange de polyéthylène et d'uncopolynère d'éthylène et de propylène. Le copolymère d'éthylène et de propylène ne comporte pas de charge, et notamment pas de charge minérale, alors que le caoutchouc d'éthylène et de propylène (EPR) décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique o n 3 579 610 en comportait une. Le caoutchouc EPR de ce brevet précité- comportait 40 % d'éthylène, alors que le copolymère d'éthylène et de-propylène utilisé dans la présente invention comporte -78 + 3 % d'éthylène et présente 15 % de cristallinité, tandis que le caou#tchouc EPR du brevet précité est entièrement amorphe.D'ordinaire, du caoutchouc d'éthylène et de propylène ne peut être utilisé pour l'isolation des câbles électriques si une charge n'est pas ajoutée à ce caoutchouc d'éthylène et de propylène pour lui conférer les propriétés physiques nécessaires pour son utilisation dans un câble, comme la résistance à l'abrasion, la résistance aux entailles profondes et certaines caractéristiques de comportement en fonction de la température. Lorsqu'ils sont soumis à une élévation de température pour leur maturation, le polyéthylène et le caoutchouc d'éthylène et de propylène se réticulent sur eux-mêmes et l'un avec l'autre. Le polyéthylène est cristallin et il confère au copolymère d'éthylène et de propylène les propriétés nécessaires pour pouvoir servir à l'isolation d'un câble. Ces meilleures propriétés physiques sont obtenues sans nuire aux caractéristique électrique du copolymère d'éthy lène et de propylène. On sait faire appel à des charges pour conférer les propriétés physiques'nécessaires, mais on parvient à ce résultat aux dépens des caractéristiques électriques essentielles pour l'obtention des meilleurs résultats d'isolement. Les avantages de la présente invention dans le domaine électrique sont dus au fait que le système des polymères ne comporte pas de charges minérales de renforcement. C'est sur la cristallinité du copolymère d'éthylène et de propylène et du polyéthylène que l'on se fonde pour obtenir la résistance physique et ténacité nécessaires pour l'isolation d'un câble de transport d'énergie électrique. Le rapport entre le polyéthylène et le copolymère d'éthylène et de propylène peut être égal à 1 : 1. Cependant, on peut faire varier ce rapport dans une large gamme. La proportion de polyéthylène doit suffire à conférer la résistance physique nécessaire à la couche isolante, mais le copolymère d'éthylène et de propylène doit être présent en une proportion suffisante pour augmenter sensiblement la flexibilité du polyéthylène. En effet, une couche isolante en polyéthylène réticulé est trop rigide, notamment dans des câbles à haute tension dont la couche isolante doit être épaisse. Les copolymères du propylène ont des propriétés électriques sensiblement égales à celles du polyéthylène mais n'ont pas la résistance physique nécessaire et doivent comporter une charge d'argile ou une autre charge conférant la solidité mécanique requise mais provoquant une dégradation des caractéristiques électriques.La présente invention propose d'utiliser un mélange de polyéthylène et d'un copolymère de l'éthylène et du propylène selon un rapport entre le polyéthylène et le copolymère d'éthylène et de propylène pouvant varier entre 80 : 20 et 20 : 80. Cependant, la gamme préférée se situe entre 60 : 40 et 40 :60. On voit sur la figure 1 que la gaine d'isolement 20 est recouverte d'un écran semi-conducteur d'isolement 22 sur lequel est appliquée une armature 24 de blindage en métal ondulé. Cette armature 24 est de préférence obtenue par pliage longitudinal, autour de l'âme du câble, d'un ruban métallique à ondulations transversales. On peut utiliser d'autres types d'armatures ou écrans de blindage, comme du ruban ou de la toile métalliqlle. Une gaine extérieure 26 est extrudée par-dessus l'armature métallique de blindage 24. La figure 2 est un organigramme montrant schématiquement les étapes successives du procédé préféré de l'invention. Pour réaliser économiquement la fabrication des câbles de la figure 1, on place des pastilles de polyéthylène (PE), qui sont dures à la température ambiante, et des pastilles d'un copolymère d'éthylène et de propy lène (EPR), qui sont molles et caoutchouteuses à la température ambiante, dans un mélangeur à ruban qui les mélange à l'état de pastilles, c 'est-à-dire forme un mélange non homogène. Ce mélange est effectué en l'absence de toute charge minérale de renforcement et il est ensuite chauffé et déchargé dans une extrudeuse chauffée. La chaleur régnant dans le cylindre de l'extrudeuse et le travail effectué sur les pastilles par la vis de l'extrudeuse ramolissent les pastilles et provoquent un mélange poussé des matières des pastilles, de sorte qu'elles se fondent l'une dans l'autre en formant une matrice entièrement homogène. Si des ingrédients supplémentaires, comme un antioxygène et un agent de maturation ou de réticulation du type peroxyde, sont ajoutés aux pastilles pendant que celles-ci se trouvent dans le mélangeur à ruban, ces ingrédients supplémentaires traversent par diffusion les parois des pastilles et se mélangent au polyéthylène et au copolymère d'éthylène et de propylène sans que l'on doive attendre pour cela la fusion des pastilles les unes dans les autres sous l'action de la vis de l'extrudeuse.Mais le mélange du polyéthylène et du copolymère d'éthylène et de propylène peut également être introduit dans le corps ou enveloppe d'une extrudeuse dans lequel sont egalement introdu xs l'antioxygène et le ou-les agents de maturation ou de re- ticulation que la vis fait progresser dans l'extrudeuse. Le conducteur 12 traverse la tête de l'extrudeuse en passant par une extrémité de guidage, et la matière isolante est extrudée par-dessus la surface externe du conducteur, à l'extrémité de la machine, selon la pratique classique d'extrusion pour le revêtement du conducteur électrique. La présente invention permet d'améliorer l'extrusion d'une manière qui n'était pas possible lorsque la matière isolante était entièrement constituée par du caoutchouc d'éthylène et de propylène avec addition d'une charge. La matière isolante de la présente invention peut être refoulée à travers un paquet de filtres ou un écran finement perforé, situé dans l'extrudeuse entre l'extrémité de la vis et l'extrémité de l'extrudeuse. Le mélange des deux polymères de base, le polyéthylène et le copolymère d'éthylène et de propylène, présente à la température d'extrusion une viscosité permettant son refoulement a'travers un paquet de filtres dont les orifices ou ouvertures équivalent à 0,044 mm, ce qui élimine de la matière isolante les impuretés ayant plus de 43 microns. L'élimination des particules plus grosses que 43 microns, ou la rupture des particules traversant l'écran, améliore grandement l'efficacité de la matière isolante en lui permettant de supporter une plus grande tension électrique par unité d'épaisseur de l'isolant. Un copolymère d'éthylène et de propylène préféré peut s'obtenir sous la désignation "Vistalon 70#" chez Exxon Chemical Co., New Jersey, Etats-Unis d'Amérique. Cette matière est cristalline à environ 15 %. La société Exxon Chemical Co. fabrique un autre copolymère de l'éthylène et du propylène, -appelé "Vistalon 404" et qui ne présente essentiellement pas de cristallinité. Ce copolymère amorphe ne peut être utilisé dans la présente invention, car il exige la présence d'une charge pour présenter la solidite nécessaire pour pouvoir constituer la matière isolante ou en faire partie. Une matière équivalant à un copolymère d'éthy- lène et de propylène est un copolymère de l'éthylène et du propylène que l'addition d'un diène a transformé en un terpolymère. Cette matière, appelée "Nordel 2722", est disponible chez DuPont, Wilmington, Delaware (Etats Unis d'Amérique). Aux fins de la présente invention, ce terpolymère "Nordel 2722", sans charge, est-à considérer comme équivalant, du point de vue mécanique, à un copolymère d'éthylène et de propylène présentant un peu de cristallinité.De même, on peut utiliser dans la mise en oeuvre de l'invention d'autres produits qui sont des équivalents chimiques des copolymères de l'éthylène et du propylène dont la cristallinité est suffisante pour la réalisation d'une garniture isolante par mélange avec du polyéthylène, sans incorporation d'une charge quelconque, et notamment d'une charge minérale et non polymère, dans la matière isolante. On doit comprendre que l'expression "copolymère de l'éthylène et du propylène" est prise ici dans un sens large pour désigner également et inclure de tels copolymères même en cas de présence d'un monomère supplémentaire copolymérisé, comme dans le terpolymère "Nordel" d'éthymène, de propylène et d'un diène décrit ci-dessus. On voit que tous les polymères servant à constituer la gaine ou garniture d'isolement ont la qualité voulue pour la réalisation d'un isolement électrique. Ces matières sont "non chargées ou "sans charge", c'est-à- dire que la composition isolante ne comporte pas l'addition d'une matière, habituellement de l'argile, destinée à augmenter la résistance mécanique de la composition isolante. En effet, la présence d'une telle charge entraîne la dégradation des caractéristiques électriques de la matière isolante. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé de réalisation d'une couche isolante, au procédé pour améliorer la flexibilité de la couche d'isolement de câbles électriques et aux câbles électriques décrits et représentés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une couche isolante pour un câble de transport d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'on mélange dans un mélangeur à ruban, et en l'absence de toute charge minérale de renforcement, un copolymère de l'éthylène et du propylène, cristallin à environ 15 % et ne contenant pas de charge susceptible d'augmenter les caractéristiques physiques de l'isolant, avec du polyéthylène destiné à conférer un supplément de cristallinité à la matière isolante en formant avec le copolymère d'éthylène et de propylène un système polymère dont les caractéristiques électriques sont sensiblement égales à celles du polyéthylène et dont les caractéristiques physiques sont meilleures du fait que le système a une plus grande ténacité que le copolymère et une plus grande flexibilité que le polyéthylène, avec de l'antioxygène et un agent de réticulation pour obtenir un mélange non homogène que l'on introduit ensuite dans l'enveloppe ou le corps d'une extrudeuse dont la vis provoque par sa rotation ltavance simultanément des ingrédients, leur homogénéisation et leur extrusion pour revêtir un conducteur électrique à l'aide du mélange ou système de polyéthylène et du copolymère de l'éthylène et du propylène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange des pastilles du copolymère de l'ethy- lene et du propylène avec des pastilles de polyéthylène, chacun des polymères étant de la qualité requise pour l'isolement électrique, et avec un agent de réticulation et un antioxygène, on homogénéise le mélange que l'on extrude sur une âme d'un câble, puis l'on provoque la réticulation du système flexible de polymères. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise la couche isolante sans faire appel à une charge non polymère pour augmenter la résistance physique de l'isolant et en ce qu'on se fonde sur la cristallinité du système du copolymère d'éthylène et de propy lène et du polyéthylène pour obtenir les caractéristiques de résistance physique et de ténacité nécessaires pour l'isolement d'un câble de transport d'énergie électrique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on améliore la flexibilité-d'un câble électrique isolé par du polyéthylène réticulé en réalisant la couche isolante à partir d'un mélange, selon des proportions comprises entre 80 : 1 et 20 : 80, de polyéthylène et d'un copolymère de l'éthylène et du propylène, et en appliquant comme gaine ou garniture isolante la composition ainsi obtenue autour d'une âme conductrice de câble. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le polyéthylène et le copolymère ou caoutchouc d'éthylène et de propylène se situe entre 60 : 40 et 40 : 60. 6. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce qu'on provoque le mélange de pastilles de polyéthylène et d'un copolymère de l'éthylène et du propylène, et l'on envoie le mélange dans une extrudeuse chauffée dans laquelle passe l'âme conductrice, on effectue un mélange poussé du polyéthylène et du copolymère d'éthylène et de propylène dans cette extrudeuse à l'aide d'une vis dont le mouvement dans le cylindre de l'extrudeuse agite et travaille le polyéthylène et le copolymère d'éthylène et de propylène en refoulant la matière vers l'extrémité de sortie du cylindre de l'extrudeuse,d'ot le mélange de polyéthylène et de copolymère de l'éthylène et du propylène est extrudé sur la surface externe de l'âme conductrice du câble. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on obtient, dans une extrudeuse, un mélange fondu de poyéthylène, d'un copolymère de l'éthylène et du propylène, d'un antioxygène et d'un agent de réticulation on fait passer à travers un paquet de filtres le mélange ainsi fondu qui passe ensuite par une extrémité et à travers une filière d'extrusion de l'extrudeuse. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le paquet de filtres, disposé entre l'extrémité de sortie de la vis et l'extrémité de sortie de l'extrémité de l'extrudeuse, présente des orifices ou ouvertures de 0,044 mm pour éliminer les particules étrangères ayant plus de 43 microns. 9. Câble électrique à haute tension comportant une âme conductrice (12), une couche (14) de matière semi-conductrice extrudée, une couche isolante (20), et une autre couche (22) de matière semi-conductrice autour de la surface externe de la matière isolante (20), ce câble étant caractérisé en ce que la couche isolante (20) comprend un mélange, selon des proportions comprises entre environ 80 : 1 et 20 : 80, de polyéthylène et d'un copolymère de l'éthylène et du propylène qui sont tous deux réticulés, le polyéthylène servant à conférer au copolymère d'éthylène et de propylène les caractéristiques physiques nécessaires, notamment une viscosité assez basse pour l'extrusion par-dessus la couche semi-conductrice (14) à la température de fonctionnement de l'extrudeuse et le copolymère de l'éthylène et du propylène ne comportant essentiellement pas de charge destinée à lui conférer de meilleures caractéristiques physiques mais ce copolymère d'éthylène et de propylène conférant à la matière isolante une meilleure flexibilité en comparaison de celle d'une matière isolante consistant en du polyéthylène réticulé. 10. Câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une armature métallique de blindage (24) à l'extérieur de la matière isolante (20) et une gaine extérieure (26) par-dessus l'armature (24) métallique. 11. Câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la couche semiconductrice (14) entourant l'âme conductrice (12), d'une part, et la surface interne de la couche isolante (20), d'autre part, un écran (16) anti-rayonnement qui entoure la couche semi-conductrice (14). 12. Câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche isolante (20) comprend du polyéthylène et un copolymère d'éthylène et de propymène, présents en des proportions approximativement comprises entre 60 : 40 et 40 : 60 et qui sont, chacun, réticulés sur eux-mêmes et l'un à l'autre. 13. Câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'à la température d'extrusion la matière isolante présente une viscosité permettant son refoulement à travers un paquet de filtres à fines ouvertures de 0,044 mm et en ce que cette matière isolante ne comporte pas d'impuretés solides ayant plus de 43 microns environ. 14. Câble électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que# le caoutchouc d'éthylène et de propylène est un terpolymère de l'éthylène, du propylène et d'un troisième co-monomère. 15. Procédé de réalisation d'une couche isolante non chargée pour des câbles de transport d'énergie électrique, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on fabrique un copolymère d'éthylène et de propylène, cristallin à environ 15 % et ne contenant pas de charge qui augmente les caractéristiques physiques de la matière isolante ; on mélange des pastilles de ce copolymère avec des pastilles de polyéthylène (chaque polymère étant de qualité requise pour la fabrication d'une couche d'isolement électrique et le polyéthylène étant destiné à former avec le copolymère un système polymère de plus grande cristallinité dont les caractéristiques électriques sont sensiblement égales à celles du polyéthylène et dont les caractéristiques physiques comprennent une plus grande ténacité que celle du copolymère et une plus grande flexibilité que celle du polyéthylène) avec un agent de réticulation et un antioxygène ; on introduit le mélange dans une extrudeuse à vis et l'on provoque l'homogénéisation du mélange par le mouvement de la vis dans le corps ou l'enveloppe de l'extrudeuse,ce qui fait avancer les ingrédients du mélange ; on fait passer par une filière d'extrusion une âme de câble électrique pour tension élevée et l'on extrude une couche du système flexible de polymère sur cette âme, la matière isolante étant ainsi réalisée sans que l'on fasse appel à une charge non polymère pour augmenter la résistance physique de la matière isolante, et la cristallinité du copolymère et du polyéthy lène assurant l'obtention de la résistance physique et de la ténacité nécessaires pour l'isolement d'un câble de transport d'énergie électrique. 16. Procédé pour augmenter la flexibilité de câbles électriques isolés par du polyéthylène réticulé, caractérisé en ce qu'on forme la composition isolante en mélangeant dans un mélangeur à ruban, selon une proportion comprise entre 60 : 40 et 40 :60, des pastilles de polyéthylène et des pastilles d'un copolymère d'éthylène et de propylène ; on envoie dans une extrudeuse chauffée le mélange des pastilles ainsi qu'au moins un agent chimique de réticulation et de l'antioxygène, dont on provoque la distribution par dispersion à travers les parois des pastilles puis le malaxage poussé et la fusion de ce mélange de polyéthylène, de copolymère d'éthylène et de propylène, d'antioxygène et d'agent de réticulation par l'action de malaxage et de travail exercée par le mouvement d'une vis dans le cylindre de l'extrudeuse, ce qui refoule la matière dans ce cylindre vers un paquet de filtres puis sur une extrémité d'extrusion et à travers une filière d'extrusion sur la surface externe de l'âme conductrice du câble électrique.