Brevet FR2606543A1 — publié le 19880513

La présente invention concerne l'utilisation de copolymères éthylène/tétrafluoroéthylène (ETFE) ou éthylène/chlorotrifluoroéthylène (ECTFE) pour former un revêtement isolant expansé sur des conducteurs destinés à la transmission de signaux électroniques, le revêtement expansé étant entouré par une peau ou enveloppe protec- trice constituée de l'un des deux polymères. Des fils ou conducteurs électriques sont uti- lisés pour transmettre des signaux électroniques. Les conducteurs doivent être protégés, ou isolés, et des revêtements de matière plastique sont habituellement extrudés à l'état fondu sur et autour du conducteur. Ces matières plastiques sont choisies pour avoir une basse constante diélectrique et un faible facteur de dissipation. Il a été antérieurement découvert que si la matière plastique est expansée sous forme d'une mousse lorsqu'elle est appliquée au conducteur, la constante diélectrique est avantageusement abaissée en raison de la formation de nombreuses petites cellules dans la mousse. Un isolant expansé entourant un conducteur de transmission est décrit dans le brevet des E.U.A. n 3 072 583 qui décrit un procédé de moussage nucléé pour extruder une mousse de polymère perfluoré, par exemple d'un copolymère éthylène/propylène perfluoré (FEP), avec un gaz dissous comme agent gonflant. En raison de sa forte viscosité, la mousse de FEP est diffi- cile à extruder à de grandes vitesses sur un conducteur. Les brevets des E.U.Ao. n 4 331 619 et 4 394 460 concernent une composition de mousse nucléée chimiquement expansée, à base de copolymères fluorés, de préférence des copolymères éthylène/chlorotrifluoroéthylè- ne. Ces brevets ne décrivent la mousse appliquée sur un conducteur qu'en termes de grosseur moyenne des cellu- les. Ils n'abordent pas le problème de la faible rigidité diélectrique due à une défaillance structurelle de la mousse. La mousse isolante peut être affaiblie structurel- lement et électriquement lorsque plusieurs cellules de mousse sont radialement alignées entre le conducteur et la surface extérieure de l'isolant, et/ou lorsque deux ou plusieurs cellules de mousse sensiblement plus grandes que la moyenne sont ainsi alignées, ou bien lorsque la taille d'une cellule unique approche de l'épaisseur de l'isolant. Ces brevets ne rapportent pas de résultats d'essais élec- triques, mais les Exemples donnent à entendre que des trous d'épingle sont présents dans le revêtement en décla- rant que "il apparait un minimum de trous d'épingle à la surface". Dans certains cas, une peau ou enveloppe est placée autour de la structure conducteur-mousse pour pro- téger l'ensemble. Par exemple, le brevet des E.U.A. no 4 309 160 de Poutanen et alo décrit un appareil et un procédé pour former une mousse et une peau non expansee autour d'un conducteur téléphonique. Ce brevet fait remarquer que la mousse procure de bonnes propriétés électriques (c'est-à-dire une basse constante diélectri- que) et que la couche extérieure ou peau non expansée procure de bonnes propriétés mécaniques. Selon ce brevet, la mousse et la peau sont constituées de la même matière plastique, mais il n'est pas fait mention de polymères fluoréso Dans cet ordre d'idées, Maillefer Technical Report 17 fait connaître des techniques d'extrusion pour réaliser une extrusion de mousse-peau sur un conducteur. Il y est principalement envisagé des struc- tures du type mousse de polyéthylène/peau de polyéthy- lène, et l'emploi de polymères fluorés n'est pas suggéré. Il existe un besoin concernant l'extrusion simultanée à grande vitesse d'une mousse et d'une peau sur un conducteur électrique. La présente invention porte sur des revêtements expansés de haute qualité électrique appliqués autour d'un conducteur central et recouverts d'une peau exté- rieure de polymère non expansé servant à leur protection. La mousse et la peau sont constituées d'un copolymère éthylène/tétrafluoroéthylène (ETFE) oU d'un copolymère éthylène/chlorotrifluoroéthylène (ECTFE). La mousse et la peau peuvent être constituées du même copolymère, mais cela n'est pas obligatoire. Les copolymères utilisés doivent contenir 40-60 moles % d'éthylène (E), 60-40 moles % de tétrafluoroéthylène (TFE) ou de chlorotrifluoro- éthylène (CTFE), et ils peuvent également contenir jus- qu'à 10 moles % d'un monomère copolymérisable qui est sensiblement dépourvu d'activité télogénique. Ce troi- sième monomère peut être de préférence un monomère viny- lique qui produit une chaîne latérale ayant au moins deux atomes de carbone, comme décrit dans le brevet des E.U.A. n 3 342 777, ou un perfluoroalkyléthylène de formule CH2=CHRf, comme décrit dans le brevet des E.U.A n 4 123 602. Les copolymères ETFE doivent avoir une vis- cosité à l'état fondu comprise dans l'intervalle de 0,5 à 0,9 x 10 Pa.s à 298 C comme mesuré selon ASTM D-1238. L'extrusion de la peau autour de la mousse est facilitée si la viscosité à l'état fondu de la peau est inférieure à celle du polymère de la mousse. La mousse assure une basse constante diélectri- que. La peau extérieure n'est pas expansée et sa constante diélectrique est plus élevée, mais la peau ne modifie pas notablement les propriétés de capacité mutuelle telles que mesurées entre paires dans un câble assemblé. Le choix de matières du type ETFE ou ECTFE pour des fils et câbles de télécommunication (téléphone et fibres optiques) est une disposition avantageuse. Une mousse existant antérieurement était la résine expansée de fluorocarbure du type Teflon FEP (TFE/HFP), c'est-à-dire éthylène/propylène fluoré, du brevet des E.U.A. n 3 072 583, qui donnait de meilleures résistan- ces à la chaleur et à la flamme que le polyéthylène et la "matière plastique" indéterminée du brevet des E.U.A. n 4 309 610 connus jusque là. Cependant, comparativement à la mousse de FEP,: les présentes structures à base de ECTFE ou ETFE appor- tent de surprenantes améliorations quant à la résistance à l'écrasement, la rigidité diélectrique, l'aptitude à la coloration et la facilité de fabrication. On pouvait s'attendre à ce que l'utilisation de ETFE et/ou ECTFE se traduise par une constante diélectrique et un facteur de dissipation défavorables car ces polymères ont de moins bonnes propriétés électriques que le FEP. Cependant, les structures de la présente invention ont de bonnes propriétés électriques. On pouvait encore s'attendre à ce qu'il faille ajouter des retardateurs de flamme à ces matières, qui sont moins résistantes à la combustion que le FEP per- fluoré, avec pour conséquence d'autres défauts en ce qui concerne les propriétés électriques et la vitesse d'ex- trusion, mais on a maintenant découvert qu'il est possi- ble d'obtenir une résistance correcte à la flamme pour un câble assemblé sans utiliser de retardateurs de flamme. Les performances de ces conducteurs revêtus sont telles qu'ils passent avec succès l'essai UL 910, qui est l'essai industriel normalisé en tunnel de Steiner pour la détermination de la propagation de la flamme et du dégagement de fumée. L'invention permet d'appliquer des fluoropo- lymères autour d'un conducteur sous forme d'une mousse isolante appliquée en couche inhabituellement mince et protégée par une enveloppe ou peau mince et dure entou- rant la mousse. Des couches plus minces sont souhaita- bles pour gagner de la place. Par exemple, un conducteur plein de calibre 24 AWG (0,5 mm de diamètre) entouré d'une couche de mousse isolante de 0, 125 mm d'épaisseur a un diamètre externe de seulement 0,76 mm, tandis que si la couche fait 0,5 mm d'épaisseur, son diamètre est de 1,5 mm, soit deux fois plus. L'invention est parti- culièrement utile pour le revêtement de conducteurs en cuivre pleins ou divisés dont le diamètre total va de 0,079 à 0,820 mm (AWG n 20 à 40). Des paires torsadées, c'est-à-dire deux conduc- teurs torsadés entre eux, sont traditionnellement utili- sées pour transmettre les signaux électriques. Les paires torsadées sont avantageuses par leur simplicité. La rapidité et la qualité du signal sont d'autant meil- leures que la constante diélectrique de l'isolant est plus basse. Les résines fluorées utilisées dans la pré- sente invention ont une très basse constante diélectri- que, et le moussage ou expansion de ces fluoropolymères abaisse encore la constante diélectrique en rendant l'isolant encore plus avantageux. Malheureusement, le torsadage d'un conducteur isolé par une mousse a tendance à écraser la mousse, ce qui accroit la capacité mutuelle et réduit parfois la rigidité diélectrique. Pour augmenter la résistance mécanique, on utilise dans la présente invention une mince peau (5% à 35% de l'épaisseur totale de l'isolant) d'un ETFE ou ECTFE non expansé sous forme d'un revêtement recou- vrant. Cette peau peut être appliquée au cours d'une seconde extrusion ou lors d'une extrusion double simul- tanée. Le revêtement extérieur, dont la constante diélectrique est plus élevée, s'est montré avoir peu d'influence sur la constante diélectrique totale et, par suite, peu d'influence sur la rapidité et la qualité de transmission du signal. Par conséquent, la peau non expansée tenace peut être placée à l'extérieur de la mousse sans diminuer les performances d'un câble. Grâce à la présence de la peau protectrice, le revêtement inté- rieur peut être expansé à un taux de cavités plus élevé. En outre, si le polymère de la peau présente une grande fluidité à l'état fondu, l'extrusion simultanée de la composition totale en sera facilitée. La peau donne une plus grande résistance aux forces d'écrasement qu'on rencontre dans la fabrication de paires torsadées. En l'absence de ces revêtements extérieurs plus tenaces, il est difficile de réaliser des structu- res de paires torsadées miniatures (c'est-à-dire à iso- lants minces) ayant les faibles capacités mutuelles (15 à 45 pF/m) nécessaires pour les systèmes en câble et dont la rigidité diélectrique entre paires soit encore suffisante. Les fluoropolymères utilisés assurent une basse constante diélectrique sous forme expansée, une grande rigidité diélectrique sous forme non expansée, et une faible capacité mutuelle entre les paires torsa- dées de fils isolés. Ils assurent également une résis- tance aux températures élevées, une propagation réduite de la flamme et un faible dégagement de fumée sans addition d'inhibiteurs de flamme et de fumée, une résistance mécanique convenable pour l'opération de fabrication de paires torsadées par association de conducteurs, ainsi que de la résistance mécanique, de la ténacité et une bonne aptitude à la coloration de l'isolant de chaque conducteur pour faciliter l'installa- tion et l'entretien. Dans une forme de réalisation, la peau mince de polymère fluoré homogène peut être extrudée en même temps que la mousse en utilisant deux extrudeuses et une seule tête transversale. Typiquement, les composites mousse-peau décrits sont constitués d'une mousse ayant une teneur en cavités de 25-70% et une épaisseur de 0,05 à 0, 76 mm, recouverte d'une peau homogène ayant une épaisseur de 0,013 à 0, 127 mm, et la grosseur moyenne des cellules est de 0,05 à 0,12 mm (plus proche de 0,05 mm dans les isolants minces et plus proche de 0,12 mm dans les isolants plus épais). Un appareillage monté pour l'extrusion simulta- née de mousse et de peau sur un conducteur est composé de: une extrudeuse Davis Standard ayant un diamètre de 5 cm et un rapport de la longueur au diamètre (L/D) de 24/1, équipée d'un moteur d'entraînement à courant continu capable de faire tourner les vis à une vitesse d'au moins 50 tr/min; des vis étudiées pour faire mousser en utili- sant un fluorocarbure "Fréon" 22 en injection à l'état liquide ou gazeux; une extrudeuse auxiliaire à vis de 2,54 cm de diamètre ayant un rapport L/D de 20/1, utili- sée pour fournir la masse fondue qui forme la peau exté- rieure; un dispositif de préchauffage du fil électronique; une tête transversale du commerce munie d'une filière d'extrusion pour une application double mousse-peau; un bain d'eau; un cabestan entraîné par un moteur à courant alternatif pouvant faire défiler le conducteur à des vitesses allant de 15 m/min jusqu'à 1675 m/min; et un appareillage électronique placé en série pour le contrôle continu du diamètre et de la capacité du conduc- teur isolé. La pression de la résine fondue est mesurée et la vitesse de défilement du conducteur, ou vitesse d'extrusion, ajustée en conséquence. N'importe quel agent moussant liquide ou gazeux peut être utilisé pour activer la formation de mousse. Le polymère à expanser peut contenir un agent de nucléation tel que le nitrure de bore. La mousse et la peau peuvent être extrudées sur le conducteur de toute manière classique. Les exemples non limitatifs suivants illustrent la présente invention. Dans les exemples, l'appareillage utilisé est tel que décrit ci-dessus. On utilise une filière d'extrusion sous pression ayant des orifices de 0,71 mm ou 0,9 mm. Les filières ayant des angles inter- nes allant de 15 à 60 peuvent être utilisées. Les températures de cylindre, adaptateur et tête transversale sont de 316 à 335 C. La température de filière est de 371 C; la pression de la masse fondue est de 4,1 MPa; du "Fréon" 22 est utilisé à une pression manométrique de gaz dans le fluoropolymère de 0,6 MPa; la vitesse de vis est de 20 tr/min; et la vitesse de défilement du conducteur est de 198 m/min. On calcule que le taux de cisaillement de la résine à la surface de la filière est de 4 - 7 x 10 seconde1. Exemple Comparatif A Dans cet exemple, on extrude une mousse de copolymèreéthylène/tétrafluoroéthylène (ETFE) pour former un isolant autour d'un conducteur. Aucune peau n'est pré- sente. On extrude une couche de mousse de 0,15 mm ayant une teneur en cavités d'environ 40% sur un conduc- teur de cuivre plein de calibre 24 AWG (0,5 mm de dia- mètre) en utilisant un copolymère ETFE à 50/50 moles % contenant une petite quantité de perfluorobutyl-éthylène comme troisième monomère (soit environ 20,4% en poids d'éthylène, 77,5% en poids de tétrafluoroéthylène et 2,1% en poids de C4F9CH=CH2) et ayant une viscosité à l'état fondu de 0,9 x 103 Pa.s. Les cellules de la mousse sont fermées et font en moyenne 50 micromètres de diamètre comme déterminé par des mesures sur des photo- graphies agrandies en coupe transversale des échantil- lons. Cette structure complète de conducteur isolé a un diamètre de 0,8 mm et présente sous forme de câble coaxial une capacité d'environ 216 pF/m. Ceci correspond à une constante diélectrique de 1,85 (la constante diélectrique du ETFE non expansé est de 2,6). La structure du conducteur isolé présente les propriétés supplémentaires suivantes: résistance à la traction de 13,8 MPa pour le revêtement expansé; allonge- ment à la rupture de 100% pour le revêtement expansé; résistance à l'écrasement de 323 kg pour la structure de conducteur isolé (le conducteur isolé est écrasé entre deux plaques parallèles de 5,08 cm de longueur et on considère que la limite de résistance est la force néces- saire pour mettre les plaques en court-circuit électrique avec le conducteur); rigidité diélectrique de 500 volts/ ,4 micromètres. Lorsqu'on met sous forme de paires des structu- res de conducteur isolé semblables à la précédente, on trouve une rigidité diélectrique en courant continu infé- rieure à 2000 V. Exemple 1 On extrude un composite mousse-peau sur un conducteur en utilisant le même ETFE que dans l'Exemple Comparatif A. On produit ainsi, sur un conducteur de cuivre de calibre AWG n 24 (diamètre 0,5 mm), une cou- che de mousse de 0,127 mm ayant une teneur en cavités de 45% et une peau homogène non expansée, 'pigmentée, de 0,025 mm. Les conditions d'extrusion sont aussi proches que possible que celles appliquées pour la couche de mousse isolante de 0,15 mm formée dans l'Exemple Compara- tif A, sauf que l'on utilise l'extrudeuse auxiliaire de 2,54 cm pour délivrer la masse fondue de polymère pigmenté à la tête transversale de revêtement double afin de for- mer la peau. Les cellules de la mousse sont fermées et ont un diamètre moyen de 50 micromètres. On teste l'isolant mousse-peau de 0,15 mm en formant des paires torsadées. Les paires résistent faci- lement à 2500 V et leur rigidité diélectrique moyenne s'établit à 6000 V continu entre paires. Ce fait est sur- prenant. Une autre mesure électrique importante pour les paires torsadées de conducteurs est celle de la capacité mutuelle entre paires. Les valeurs calculées de capacité mutuelle pour la mousse de 0,15 mm à teneur en cavités de 45% de l'Exemple Comparatif A et pour la mousse de 0,127 mm à teneur en cavités de 45% recouverte d'une peau homogène de 0,025 mm de l'Exemple 1 sont respectivement de 46,6 et 48,2 pF/m, ce qui est mieux que celle du fil téléphonique classique. Les résultats de ces deux types d'essais élec- triques montrent que l'utilisation d'un polymère fluoré dans un isolant de type mousse-peau détermine une forte augmentation de la rigidité diélectrique et une augmenta- tion presque insignifiante de la capacité mutuelle de paires torsadées. Exemple 2 Dans cet exemple, la mousse est constituée de ECTFE et la peau de ETFE. La technique est différente car le copolymère ECTFE, "Halar" 558 de chez Allied, utilisé contient un agent gonflant chimique, de sorte que l'on n'ajoute aucun agent gonflant gazeux. L'extrudeuse utilisée pour ECTFE présente un orifice de filière de 1 mm et un angle inclus de 60 . La température du cylindre est de 249 C, la température de tête transversale de 282 C et la température de filière de 304 C. La vitesse de vis est de 13 tr/min pour 1'ECTFE. L'ETFE est semblable à celui de l'Exemple Comparatif A, sauf que sa viscosité à l'état fondu est de 0,75 x 103 Pa.s à 298 C. La pression de la masse fondue au niveau de la filière est de 10 à 12,7 MPa et la vitesse de défilement du conducteur de 4,6 m/min. L'analyse infrarouge confirme que l'échantil- lon de conducteur isolé est recouvert d'une peau de résine d'ETFE. La mousse sous-jacente est constituée de la résine d'ECTFE "Halar" expansée par l'agent gonflant chimique incorporé dans la résine d'Allied. On établit par le calcul que la teneur en cavités de l'isolant est compris entre 20% (données électriques) et 27% (données pondérales et géométriques). La rigidité diélectrique des échantillons initiaux de conducteur isolé E159-58-4 en longueurs de 3,05 m testés dans des solutions salines est de 1500 V alternatif. La tension moyenne entre conducteurs de paires torsadées dans un câble à 4 paires final d'environ 3,05 m de longueur est de 5500 V continu. REVENDICATIONS 1. Un conducteur électrique isolé, caractérisé en ce qu'il est recouvert d'une mousse de fluoropolymère comprenant un copolymère éthylène/chlorotrifluoroéthylène ou un copolymère éthylène/tétrafluoroéthylène et d'une peau non expansée de fluoropolymère, entourant la mousse, comprenant un copolymère éthylène/chlorotrifluoroéthylène ou un copolymère éthylène/tétrafluoroéthylène. 2. Un conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de mousse a une épais- seur de 0,05 à 0,76 mm et la peau a une épaisseur de 0,013 à 0,076 mm. 3. Un conducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le conducteur est un conducteur de cuivre plein ou divisé ayant un diamètre total de 0,079 à 0,820 mm. 4. Paire de conducteurs tels que définis dans la revendication 1, 2 ou 3.