Brevet FR2681467A1 — publié le 19930319

-1 Corps isolant à haute rigidité diélectrique et procédé d'obtention d'un tel corps. Le domaine de l'invention est celui des corps isolants et plus précisément celui des corps à haute rigidité diélectrique et des procédés permettant d'obtenir de tels corps. De façon connue, la rigidité diélectrique d'un matériau correspond à l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons internes de ce matériau Ainsi, plus la rigidité diélectrique d'un matériau est importante, plus le champ électrique pouvant rompre les liaisons internes de ce matériau doit être élevé. Dans le cas d'un matériau devant être soumis à un champ électrique, deux paramètres sont alors déterminants le champ électrique local qui dépend du champ moyen appliqué, de la géométrie du matériau dans le champ électrique, et de la présence d'éventuelles hétérogénéités renforcant localement le champ (impuretés, vacuoles,}; l'énergie reliant les liaisons des molécules du matériau. Les liaisons les plus faibles peuvent être rompues par l'application du champ électrique et il s'en suit une dégradation du matériau. Dans le cas de matériaux à base de polymères, les liaisons les plus faibles sont les liaisons de Van der Waals entre les molécules de polymères L'énergie de ces liaisons dépend essentiellement de la distance entre les molécules Plus cette distance est importante25 plus l'énergie est faible. Dans le polyéthylène par exemple, les claquages diélectriques se situent principalement dans les zones amorphes, c'est-à-dire hors structure cristalline, o la cohésion du matériau est la plus faible, alors que les zones cristallines résistent plus efficacement grâce à leurs distances inter-molécules plus faibles. Ainsi, la rigidité diélectrique, c'est-à-dire la résistance aux champs électriques, d'un matériau, augmente avec l'organisation de la structure d'un polymère et avec la diminution de la distance entre les molécules, ces deux facteurs étant liés.35 On peut ainsi obtenir des matériaux à rigidité diélectrique -2- élevée lorsque leur fabrication consiste à étirer ces matériaux. Cette explication figure notamment dans la revue technique IEEE Trans EI n O 22 ( 5) p 573 de 1987. La fabrication de polymères s'opère soit à partir de l'état fondu, soit à une température supérieure à la température de transition vitreuse, à laquelle apparaissent les mouvements moléculaires Les caractéristiques du produit fini dépendent du procédé de fabrication et plus précisément de l'intensité des déformations appliquées au polymère fondu Les contraintes appliquées au polymère organisent la structure du produit final et peuvent être de deux types: cisaillement et extension. Pour chaque type de contrainte, la déformation locale réalisée est liée au rapport entre la contrainte et la viscosité du polymère GV ( 1) V o GV est le gradient de vitesse entre deux points du polymère. C est la contrainte appliquée V est la viscosité du polymère. Ainsi, pour une contrainte appliquée donnée, l'organisation du polymère est inversement proportionnelle à sa viscosité. On obtient donc une rigidité diélectrique élevée du matériau lorsque sa viscosité est faible Réciproquement, une forte viscosité du matériau conduit à une rigidité diélectrique faible du25 polymère. Cependant, dans le cas d'une fabrication du matériau par extrusion, par exemple pour la fabrication de l'isolant d'un câble électrique, la viscosité globale du matériau à la température de fabrication doit être suffisamment élevée pour éviter une déformation importante de l'isolant lors de la phase de refroidissement du câble En effet, comme représenté à la figure 1 représentant une vue transversale d'un câble électrique issu d'une boudineuse de gainage d'un conducteur électrique 10, encore appelée extrudeuse, le polymère 11 servant à isoler le conducteur 10 a35 tendance à couler selon un sens 12 du fait de la force -3- gravitationnelle lorsque ce polymère ne présente pas une viscosité suffisamment importante Il en résulte un excentrement du conducteur 10 par rapport à l'isolant 11 et la qualité géométrique de l'objet extrudé n'est plus respectée. On ne sait donc pas fabriquer par extrusion des produits à base de polymères présentant des rigidités diélectriques importantes puisqu'il y a une antinomie entre d'une part une bonne qualité diélectrique du produit, nécessitant une viscosité faible, et d'autre part une bonne qualité géométrique de l'objet extrudé, nécessitant une viscosité élevée. La présente invention a notamment pour objectif de fournir un procédé de fabrication de tels produits extrudés palliant cet inconvénient. Plus précisément, un des objectifs de l'invention est de fournir un procédé permettant de fabriquer des produits en polymères présentant simultanément une bonne qualité géométrique et une bonne rigidité diélectrique. Cet objectif, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, est atteint grâce à un corps isolant électrique, caractérisé en ce que e coeur dudit corps est composé majoritairement d'un premier matériau polymère de masse moléculaire importante et en ce que la surface extérieure principale dudit corps est composée majoritairement d'un second matériau polymère de masse moléculaire faible, la proportion dans ledit corps dudit matériau de masse moléculaire importante par rapport à celle dudit matériau de masse moléculaire faible diminuant progressivement dudit coeur vers ladite surface extérieure principale. Avantageusement, le corps se présente sous la forme d'une feuille de matériau polymère dont la surface extérieure principale est constituée par les deux faces de ladite feuille. Préférentiellement, le corps se présente sous la forme d'une couche cylindrique extrudée sur un conducteur électrique. Selon un mode de réalisation avantageux, lesdits premier et second matériaux polymères sont de nature identique. Avantageusement, lesdits premier et second matériaux polymères -4- sont constitués par du polyéthylène. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel corps consistant à: mélanger lesdits premier et second matériaux polymères chauffer le matériau résultant du mélange desdits premier et second matériaux polymères. appliquer une contrainte audit matériau résultant de façon à organiser ledit matériau. Le procédé peut également consister à élaborer un matériau de synthèse possédant deux pics de concentration moléculaire différents; chauffer le matériau de synthèse; appliquer une contrainte audit matériau de synthèse de façon à organiser ledit matériau. Avantageusement, ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant par injection ledit matériau résultant dans un moule. Selon un autre mode de réalisation, ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant ledit matériau dans un moule. Selon un autre mode de réalisation, ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant ledit matériau dans une filière, ledit matériau se conformant autour d'un conducteur d'électricité à isoler. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un câble connu isolé avec un polymère trop fluide lors de l'extrusion; la figure 2 représente schématiquement la fabrication d'un isolant polymère; la figure 3 est une coupe d'une filière d'une extrudeuse; la figure 4 représente la variation de la vitesse d'un isolant dans une filière, en fonction de la distance par rapport à -5- un corps que l'on veut enrober de cet isolant; la figure 5 représente le module du gradient de vitesse du matériau en fonction de la distance par rapport à ce corps à isoler. la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un câble pourvu d'un isolant selon l'invention; la figure 7 est une vue en coupe transversale d'un autre câble pourvu d'un isolant selon l'invention; la figure 8 est une coupe longitudinale d'une feuille en matériau isolant selon l'invention; la figure 9 est une coupe d'un corps obtenu par injection d'un mélange de matériaux selon l'invention; la figure 10 représente les concentrations moléculaires d'un matériau de synthèse pouvant être utilisé dans la présente invention. La figure 1 a été décrite en référence à l'état de la technique. Afin de remédier à la déformation de l'isolant, la présente invention propose de réaliser un matériau isolant polymère selon le procédé illustré dans la figure 2. La figure 2 représente schématiquement la fabrication d'un isolant polymère. Une boudineuse 20 est composée d'un corps 21 de boudineuse et d'une tête 22 de boudineuse. Le corps 21 comprend une vis sans fin 23 d'alimentation destinée à amener sous pression un matériau 24 polymère présent dans un corps d'admission 25 en direction de la tête 22 Le corps 21 comprend également des moyens de chauffage du matériau 24 destinés à amener ce matériau polymère à une température telle que celui-ci se présente à l'état fondu dans la tête 22 de la boudineuse 20 Un fil conducteur d'électricité 26 passe à travers la tête 22 de boudineuse selon une direction perpendiculaire à la vis sans fin d'alimentation Le fil 26 est entraîné à travers la tête 22 de boudineuse selon une direction 27 par un cabestan non35 représenté La tête 22 de boudineuse est constituée d'une filière -6- 28 dont l'extrémité de sortie du fil 26 présente un rétrécissement. Le fil 26 sort de la filière 28 enveloppé par une gaine 29 isolante Ensuite, le conducteur isolé est refroidi progressivement, par exemple en traversant des bacs à eau à températures décroissantes. La figure 3 représente une coupe partielle de la filière 28. La filière 28 assure une uniformisation de l'isolant autour du conducteur 25 A la sortie de la filière, le conducteur 26 est donc recouvert d'une gaine isolante Le conducteur 26 parcourt la filière 28 à une certaine vitesse et l'intérieur 31 de la filière 28 est rempli de matériau isolant fondu et sous pression La vitesse d'un point A du matériau isolant à proximité immédiate du fil 26 est égale à celle du fil 26 Par contre, du fait de la viscosité du matériau dans la filière 28, il se produit des accrochages de ce matériau contre la surface interne 30 de la filière 28 et la vitesse du matériau fluide à un point B quelconque de cette surface est nulle. La courbe 40 de la figure 4 montre l'évolution de la vitesse de l'isolant en fonction de la distance qui le sépare du conducteur d'électricité Cette distance est au maximum égale à D. Le conducteur est tiré à une vitesse Vo et l'isolant fluide directement en contact avec ce conducteur est donc également à cette vitesse (point A) Les calculs montrent que la vitesse de l'isolant augmente jusqu'à une valeur maximale Vmax avant de décroître jusqu'à zéro (point B). Le système physique correspondant à la filière a naturellement pour tendance de compenser ces gradients de vitesse et on a approximativement Si = 52 o Si et 52 correspondent respectivement aux surfaces délimitées par la courbe 40 en-dessous et au-dessus de30 la vitesse Vo du conducteur. Les gradients de vitesse permettent d'obtenir un cisaillement du matériau sous pression, selon la relation 1 La différence de vitesse entre deux points du matériau détermine alors la propriété diélectrique du matériau c'est-à-dire l'orientation des molécules.35 La présente invention exploite cette caractéristique physique -7- due à un déplacement d'un élément dans un milieu fluide. Selon l'invention, le matériau 24 (figure 2) introduit dans l'extrudeuse est un mélange de deux polymères de masses moléculaires différentes: un de ces polymères a une masse moléculaire élevée et l'autre une masse moléculaire faible. Ce mélange, après avoir été chauffé, est admis dans la filière La compensation des gradients de vitesse permet alors au matériau de viscosité faible de se placer aux endroits de gradient élevé et au matériau de viscosité élevée de se placer aux endroits de gradient faible. La courbe 50 de la figure 5 illustre la valeur absolue du gradient de vitesse en fonction de la distance par rapport au conducteur électrique. On constate qu'à proximité du conducteur électrique, dans une zone de largeur di, le gradient de vitesse C-V est important et supérieur à un gradient G Vl. C'est donc principalement dans cette zone que le matériau de masse moléculaire faible viendra se placer Il en va de même pour la zone comprise entre d 4 et D, c'est-à-dire pour l'extérieur du câble issu de l'extrudeuse. En revanche, dans un milieu compris entre d 2 et d 3, le gradient de vitesse est faible (inférieur à un gradient GV 2) et le matériau de viscosité élevée viendra donc s'y placer, c'est-à-dire celui de masse moléculaire importante. Une coupe transversale d'un câble obtenu par un tel mélange de polymère est représenté à la figure 6. Un câble 63 comporte un conducteur électrique central 26 isolé par un matériau formé de deux polymères de masses moléculaires différentes. Le matériau isolant se présente sous la forme d'une couche composé de trois zones successives. Ces zones ont été représentées en traits discontinus pour montrer qu'il n'y a pas de changement brutal de masse moléculaire, mais qu'il s'agit d'une évolution continue de masse moléculaire,35 c'està-dire d'indice de viscosité. -8- Les zones représentées peuvent cependant peuvent être appelées couches pour des commodité de rédaction Ainsi, une première couche interne présente une masse moléculaire faible par rapport à celle d'une couche intermédiaire 61 Une couche externe 62 de masse moléculaire faible recouvre la couche 61 de masse moléculaire élevée. Un câble électrique de ce type comprend donc une isolation électrique en un matériau présentant des gradients de masse moléculaire. Un tel câble présente une meilleure rigidité diélectrique que les câbles existants puisque les couches 60 et 62 présentent des masses moléculaires faibles C'est en effet aux interfaces isolant-électrodes générant un champ électrique, que les champs électriques sont les plus importants On obtient donc un renforcement diélectrique des endroits de l'isolant qui sont les plus sollicités, puisque ces zones sont les plus organisées. De plus, comme la couche intermédiaire présente un indice de viscosité élevé lorsque le câble sort de l'extrudeuse, on obtient une bonne qualité géométrique de l'isolant et un bon centrage du20 conducteur dans l'ensemble de l'isolant. La présente invention permet donc d'obtenir simultanément une bonne rigidité diélectrique du matériau isolant et une bonne qualité géométrique du câble. Un câble électrique obtenu selon le procédé de l'invention peut également comprendre d'autres matériaux, comme par exemple des écrans semi-conducteurs en contact avec des électrodes différentes. Un tel câble est représenté à la figure 7. Un câble 70 comporte successivement, de l'intérieur vers l'extérieur, un fil conducteur 71, une première couche en matériau semi-conducteur 72, un isolant 73 obtenu selon le procédé de l'invention, une seconde couche 74 en matériau semi-conducteur, une couche 75 en un matériau conducteur, par exemple en aluminium, et enfin une couche 76 isolante formant la surface extérieure du câble 70. Les couches semi-conductrices 72 et 74 ont pour fonction de -9- répartir de façon homogène les potentiels électriques aux interfaces avec l'isolant 73 Le fil conducteur 71 assure la transmission d'un courant électrique, le retour étant effectué grâce à la couche 75. A l'interface notée E correspondant au contact entre la première couche 72 semi-conductrice et l'isolant 73 et à l'interface notée G correspondant au contact entre la seconde couche 74 semi-conductrice et l'isolant 73, la rigidité diélectrique de l'isolant 73 est maximale, alors qu'au milieu de la couche isolante 73, le polymère visqueux (à l'état de fusion) assure une tenue mécanique de l'isolant et ainsi une bonne qualité géométrique du câble 70. Un tel câble est réalisé à l'aide de boudineuses en série, les couches 72 à 76 étant successivement déposées selon un procédé connu. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les deux polymères que l'on mélange ont la même nature chimique, c'est-à-dire constitués des mêmes molécules Un mélange de deux polymères de même nature chimique permet notamment une réalisation20 aisée de l'isolant du fait de la compatibilité chimique des matériaux évitant des problèmes aux interfaces. Ce polymère peut par exemple être du polyéthylène Plus le nombre de monomères de la chaîne constituant un des deux polymères est important, plus la viscosité du polymère en fusion à la sortie25 de la boudineuse sera élevée et l'organisation faible. Un autre avantage de la présente invention est que la présence, dans la filière, d'un polymère fluide au niveau de la surface intérieure de la filière (point B, figure 3), permet une lubrification du système En effet, le matériau polymère étant30 fluide à ce niveau là, les frottements contre la surface intérieure de la filière sont réduits et on limite ainsi l'auto-échauffement du polymère. Dans l'état de la technique, il était nécessaire de limiter la vitesse de traction du fil électrique pour ne pas atteindre des valeurs de températures trop élevées, un échauffement excessif -10- pouvant conduire à une décomposition de l'isolant. Avec le procédé selon l'invention, ces frottements sont réduits et il est donc possible d'augmenter la vitesse de fabrication d'un tel câble électrique. L'invention s'applique à tout type de câbles et notamment aux câbles haute-tension o le champ électrique entre le conducteur central et un conducteur de retour de courant sont très importants. L'isolation électrique d'un conducteur peut par exemple être obtenue en mélangeant 10 % de polyéthylène de viscosité supérieure à 5 en MFI (Melt Flow Index: indice de fluidité) et 90 % de polyéthylène de viscosité comprise entre 0,2 et 2 en MFI. Le mélange des deux matériaux peut également s'opérer à l'aide d'une extrudeuse comportant deux entrées, chaque entrée étant affectée à l'admission d'un des deux matériaux polymères. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'isolation de câbles électriques et s'applique dès lors que l'on veut isoler efficacement une électrode d'une autre Un isolant selon l'invention peut alors se présenter sous la forme d'une feuille (couche plane), comme représenté à la figure 8. Une feuille 80 isolante en matériau polymère est interposée entre deux électrodes El et E 2. La feuille 80 comporte un coeur de masse moléculaire M 2 et des surfaces extérieures de masse moléculaire Ml La relation Ml constituent ce qu'il est convenu d'appeler une surface extérieure principale de la feuille 80. Une telle feuille isolante peut par exemple être utilisée dans des moteurs électriques pour assurer l'isolation des bobinages On peut également citer l'isolation d'électrodes de condensateurs.30 Une feuille de ce type est avantageusement moulée sur une électrode à isoler Sa fabrication peut être obtenue par moulage, extrusion, ou injection Dans le cas d'une fabrication d'un corps composé du matériau selon l'invention par injection, le polymère sous pression est admis dans un moule La répartition des polymères35 s'effectue d'une part dans la conduite d'admission du polymère en -11 fusion dans le moule et d'autre part dans le moule Dans une telle conduite, le polymère s'accroche également aux parois internes de la conduite, d'o une répartition naturelle des polymères de viscosité différentes De plus, dans le moule, du fait de la pression exercée, on observe également une telle répartition des polymères Bien entendu, selon la forme du corps à obtenir, et la forme de la conduite d'admission, le gradient de vitesse peut avoir une allure plus complexe que celle représentée à la figure 5. Le corps obtenu présente alors une structure renforcée sur sa surface extérieure, alors qu'à l'intérieur de ce corps, la masse moléculaire est importante Il est ainsi possible de réaliser par injection des corps de formes complexes, par exemple des bottiers isolants ou des connecteurs. Des polymères isolants selon l'invention peuvent également être obtenus par moulage, par exemple par compression de la matière en fusion. La répartition des polymères s'effectue alors de la même manière, cette répartition s'opérant dans le moule grâce à la pression exercée pour le moulage. Un corps obtenu par injection ou moulage est représenté à la figure 9 Sur cette coupe, un corps 90 présente un coeur 91 de masse moléculaire importante et une surface extérieure 92 principale de masse moléculaire faible La surface extérieure 92 principale est dans ce mode de réalisation une surface fermée. L'injection et le moulage de matériaux polymères de masses moléculaires différentes permettent donc de réaliser des corps isolants de formes complexes, présentant simultanément une bonne géométrie et une rigidité diélectrique élevée. Un autre avantage de l'invention est que l'isolant obtenu présente une structure feuilletée On obtient ainsi un renforcement des couches externes et une meilleure isolation notamment en courant continu. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le matériau chauffé et auquel est appliqué une contrainte permettant de l'organiser est obtenu par synthèse Ce matériau présente alors -12- deux pics de concentration moléculaire distincts, comme représenté à la figure 10. La figure 10 représente les concentrations moléculaires d'un matériau obtenu par synthèse pouvant être utilisé dans la présente invention On a représenté en abscisse la masse moléculaire MM de ce matériau de synthèse et en ordonnée la concentration moléculaire à la synthèse C. La courbe 100 de concentration moléculaire présente un premier pic 101 de masse moléculaire faible par rapport à celle d'un deuxième pic 102 de masse moléculaire plus élevée Un matériau de synthèse de ce type présente donc une caractéristique de concentration de masse moléculaire ayant la même allure que celle d'un mélange de deux polymères de masses moléculaires différentes. -13- REVENDICATIONS 1 Corps isolant électrique, caractérisé en ce que le coeur ( 61, F, M 2, 91) dudit corps ( 73, 80, 90) est composé majoritairement d'un premier matériau polymère de masse moléculaire importante et en ce que la surface extérieure principale ( 60, 62, E, G, Ml, 92) dudit corps ( 73, 80, 90) est composée majoritairement d'un second matériau polymère de masse moléculaire faible, la proportion dans ledit corps ( 73, 80, 90) dudit matériau de masse moléculaire importante par raport à celle dudit matériau de masse moléculaire faible diminuant progressivement dudit coeur ( 61, F, M 2, 91) vers ladite surface extérieure principale ( 60, 62, E, G, Ml, 92). 2 Corps selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une feuille ( 80) de matériau polymère dont la surface extérieure principale est constituée par les deux faces de ladite feuille. 3 Corps selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une couche ( 73) cylindrique extrudée sur un conducteur électrique ( 26, 71). 4 Corps selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que lesdits premier et second matériaux polymères sont de nature identique. Corps selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lesdits premier et second matériaux polymères sont constitués par du polyéthylène. 6 Procédé de fabrication d'un corps selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il consiste à: mélanger lesdits premier et second matériaux polymères; chauffer le matériau résultant du mélange desdits premier et second matériaux polymères; appliquer une contrainte audit matériau résultant de façon à organiser ledit matériau. 7 Procédé de fabrication d'un corps selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il consiste à: élaborer un matériau de synthèse possédant deux pics de -14- concentration moléculaire différents; chauffer le matériau de synthèse; appliquer une contrainte audit matériau de synthèse de façon à organiser ledit matériau. 8 Procédé selon l'une des revendications 6 et caractérisé en ce que ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant par injection ledit matériau résultant dans un moule. 9 Procédé selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant ledit matériau dans un moule. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que ladite contrainte est appliquée audit matériau en comprimant ledit matériau dans une filière ( 28), ledit matériau se conformant autour d'un conducteur d'électricité ( 26) à isoler. t