Brevet FR2920918A1 — publié le 20090313

CABLE RAYONNANT La présente invention se rapporte à un câble dit rayonnant comprenant une gaine de protection en un matériau isolant à haute permittivité. Les câbles rayonnants permettent d'assurer des liaisons audio, vidéo, ou des transmissions de données numériques. Ils sont généralement installés dans des zones où les radiocommunications sont difficiles voire impossibles, en particulier dans les systèmes de radiocommunication comportant des mobiles, dans les souterrains, immeubles, tunnels, etc... Les câbles rayonnants permettent de transmettre les radiofréquences (RF) et les hyperfréquences d'ondes électromagnétiques sous la forme d'ondes électromagnétiques transversales (TEM) homogènes, réparties sur toute leur longueur. Ils assurent une double fonction d'émission-réception desdites ondes électromagnétiques et rendent par exemple l'intérieur des zones d'un tunnel ou d'un immeuble transparent vis-à-vis de l'extérieur. Un câble rayonnant est typiquement un câble coaxial tel que décrit par exemple dans le document FR 2 685 549. La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un câble rayonnant 20 selon ce document de l'art antérieur. Le câble rayonnant 20 se compose d'un conducteur central 21 entouré par une couche 22 d'un matériau diélectrique, d'un conducteur externe 23 entourant ladite couche 22, et d'une gaine 24 de protection en un matériau isolant entourant le conducteur externe 23. Le câble rayonnant comporte deux modes différents d'ondes électromagnétiques guidées longitudinalement. Le premier mode d'ondes électromagnétiques est le mode confiné, c'est-à-dire que l'onde électromagnétique est confinée entre le conducteur central 21 et 30 le conducteur externe 23. Toutefois, le conducteur externe 23 étant pourvu d'ouvertures 25 ou fenêtres, il permet ainsi le passage des ondes électromagnétiques en émission et en réception. Le mode confiné se couple alors avec un second mode d'ondes 5 électromagnétiques dit mode de Goubau qui s'étend radialement à l'extérieur du conducteur extérieur. Le mode de Goubau (onde de Goubau), alimenté en continu par le mode confiné grâce aux ouvertures 25 peut donc se coupler à un récepteur ou émetteur extérieur au câble rayonnant, comme par exemple une antenne de voiture ou de 10 téléphone mobile pour transmettre le signal porté par l'onde de Goubau. Typiquement, l'onde de Goubau est une onde électromagnétique guidée coaxialement entre le conducteur externe 23 et la gaine 24 de protection. Elle présente en particulier une extension radiale évanescente dans l'air mais suffisante pour se coupler à une antenne située à moins de quelques mètres 15 du câble rayonnant, notamment pour des fréquences inférieures à 200 MHz. Toutefois, l'extension radiale de l'onde de Goubau pénétre également dans les parois du tunnel ou de l'immeuble entourant le câble rayonnant. De ce fait, ladite extension radiale s'affaiblit en se propageant dans lesdites parois et l'émission et la réception des ondes électromagnétiques entre 20 l'antenne et le câble rayonnant deviennent très difficiles. Le problème technique à résoudre, par l'objet de la présente invention, est de proposer un câble rayonnant comprenant un conducteur central entouré par une couche d'un matériau diélectrique, un conducteur externe comportant des ouvertures et entourant ladite couche, et une gaine de protection en un matériau 25 électriquement isolant entourant le conducteur externe, ledit câble rayonnant permettant d'éviter les problèmes de l'état de la technique en offrant notamment une extension radiale de l'onde de Goubau limitée afin d'éviter son affaiblissement et de garantir l'optimisation de l'émission et de la réception des ondes électromagnétiques à l'intérieur de zones où les radiocommunications sont 30 difficiles. La solution du problème technique posé réside, selon la présente invention, par le fait que le matériau isolant de la gaine de protection est obtenu à partir d'une composition comprenant un polymère et de l'oxyde de fer ajouté en quantité telle que le matériau isolant a une permittivité au moins égale à 6 entre 100 et 200 MHz. Grâce à l'invention, le matériau électriquement isolant de la gaine de protection permet, par sa permittivité élevée (au moins égale à 6 entre 100 et 200 MHz) de diminuer de façon surprenante l'extension radiale de l'onde de Goubau, notamment pour des fréquences inférieures à 200 MHz. L'extension radiale de l'onde de Goubau est en effet dépendante des caractéristiques intrinsèques de la gaine de protection, notamment de la 10 permittivité de la gaine de protection. Dans un mode particulièrement préféré, la composition comprend au moins 200 parties en poids d'oxyde de fer pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. Dans un autre mode particulièrement préféré, la composition comprend en 15 outre une charge conductrice dont la quantité est inférieure à la quantité correspondant au seuil de percolation de ladite charge conductrice dans la composition. Le seuil de percolation est atteint lorsque la quantité de charge conductrice dans la composition est telle que la composition devient conductrice. 20 Il est ainsi défini comme la transition entre les comportements isolant et conducteur. Afin de garder un matériau isolant électriquement, la quantité de la charge conductrice dans la composition ne doit ainsi pas dépasser ledit seuil de percolation. 25 Le seuil de percolation est déterminé à partir de la courbe de variation de la résistivité volumique en fonction de la quantité de la charge conductrice incorporée dans la composition à base de polymère selon la présente invention. Dans un exemple particulier, la quantité de la charge conductrice est inférieure à 50 parties en poids pour 100 parties en poids de polymère dans la 30 composition. Lorsque la composition selon la présente invention comprend une charge conductrice, la quantité minimale d'oxyde de fer peut être d'au moins 100 parties en poids pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. Dans un mode de réalisation particulier, l'oxyde de fer est du Fe3O4 (Magnétite). Ce type d'oxyde de fer permet d'obtenir une composition avec le meilleur compromis entre une permittivité supérieure à 6 et un allongement à la rupture supérieur à 100 %. Dans un mode de réalisation particulier, la charge conductrice est du noir 10 de carbone. La nature du polymère de la composition selon la présente invention n'est nullement limitative. Ce peut être tout type de polymère bien connu de l'homme du métier apte à pouvoir être de préférence extrudé, le polymère pouvant être réticulable ou non. 15 De préférence, le polymère est un polymère de type thermoplastique ou élastomère, et peut être choisi parmi au moins un homopolymère d'oléfine et au moins un copolymère d'oléfine, ou leur mélange. De préférence, le polymère est choisi parmi un homopolymère d'éthylène et un copolymère d'éthylène, ou leur mélange. 20 Avantageusement, le copolymère d'éthylène a une faible cristallinité ce qui permet d'incorporer une grande quantité de charges, notamment charges conductrices et charge ignifugeantes, lors de sa mise en oeuvre, A titre d'exemple, le copolymère d'éthylène peut être un copolymère d'éthylène vinyle acétate comprenant au moins 20% en poids de groupements 25 vinyles acétate, de préférence au moins 28% en poids. Dans un mode de réalisation particulier, la composition comprend en outre une charge ignifugeante pour permettre de donner à la composition des propriétés de résistance au feu, et ainsi obtenir une gaine de protection ignifugée A titre d'exemple, la charge ignifugeante peut être un hydroxyde 30 métallique, de préférence le dihydroxyde de magnésium (MDH) ou le trihydroxyde d'aluminium (ATH). Ces charges ignifugeantes sont connues sous la dénomination charges � HFFR � pour � Halogen Free Fire Resistant �. La quantité de charges ignifugeantes est ajoutée de façon à ce que la composition garde des propriétés mécaniques optimales, notamment un 5 allongement à la rupture supérieur à 100 %. Typiquement, la quantité peut être comprise entre 100 et 200 parties en poids de charges pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. Dans un mode de réalisation particulier, l'oxyde de fer est sous la forme de particules dont 90% ont un diamètre moyen inférieur à 1,4 pm (D90=1,4). 10 L'avantage d'une telle taille de particules est de faciliter l'incorporation et la dispersion de l'oxyde de fer dans le polymère lors de la mise en oeuvre (ou mélange) de la composition selon la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre, lesdits exemples étant 15 donnés à titre illustratif et nullement limitatif. Afin de montrer les avantages obtenus avec les matériaux isolants à haute permittivité selon la présente invention, le Tableau 1 détaille différentes compositions selon l'invention dont les propriétés diélectriques et de résistance au feu ont été étudiées. 20 A cet égard, il est à noter que les quantités mentionnées dans le Tableau 1 sont classiquement exprimées en parties en poids pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. 1 2 3 4 5 6 Polymère 100 ATH 130 Additif 1 Oxyde de fer 276 207 223 218 213 218 NC1 18 12 7 / NC2 12 Tableau 1 6 L'origine des différents constituants du Tableau 1 est la suivante. Le Polymère est un mélange de copolymères d'éthylène du type Escorene UL commercialisé par la société Exxon Mobil, et d'un homopolymère d'éthylène du type LLDPE 1030 commercialisé par la société Exxon Mobil. L'ATH est du trihydroxyde d'aluminium, commercialisé par la société Albermarle. L'additif est un antioxydant du type phénol encombré tel que l'Irganox 1010 commercialisé par la société Ciba. L'oxyde de fer est le NM400 dont le diamètre moyen pour 90% des particules d'oxyde de fer est inférieur à 1,4 pm (D90 = 1,4), commercialisé par la société Poortershaven. Le NC1 est un noir de carbone dit semi-conducteur référencé Vulcan XC500 et commercialisé par la société Cabot. Le NC2 est un noir de carbone dit noir de renforcement référencé Corax N650 et commercialisé par la société Degussa. La préparation des matériaux isolants est effectuée par la mise en oeuvre 20 des compositions détaillées dans le Tableau 1 dans un mélangeur interne à 110°C à une vitesse de 20 tr/min et pendant 15 minutes. Chaque mélange est ensuite homogénéisé dans un mélangeur à cylindres à une température comprise entre 110 et 120°C pendant 20 minutes. Enfin, les compositions sont moulées en plaque à l'aide d'une presse 25 hydraulique à une température de 150°C. La permittivité ainsi que la résistivité volumique sont évaluées, avec respectivement un spectromètre diélectrique Agilent 4991A et un mégohmètre Sefelec M1500P. Elles sont mesurées sur des plaques circulaires de 80 mm de diamètre et 30 de 1 mm d'épaisseur. La permittivité ainsi que la résistivité volumique sont mesurées à température ambiante. La permittivité est mesurée à 50 mV soit un champ de l'ordre de 50 V/m en fonction de l'épaisseur des échantillons. La résistivité volumique est mesurée à 500V soit un champ électrique de l'ordre de 4.105 V/m en fonction de l'épaisseur des échantillons. Les résultats de la permittivité à 100MHz et à 200MHz ainsi que les résultats de la résistivité volumique des compositions 1 à 6 sont rassemblés dans le Tableau 2 qui suit. 1 2 3 4 5 6 Permittivité 7,7 6,1 9,7 8,4 6,3 8,6 à 100Mhz Permittivité 7,6 6 9,5 8,3 6,2 8,5 à 200Mhz Résistivité 2,70.1012 3,30.1012 3,20.10' 1,20.109 9,70.1012 2,20.1012 volumique (Ohm.m Tableau 2 Les matériaux obtenus à partir des compositions 1 à 6 présentent avantageusement une permittivité supérieure à 6 pour des fréquences comprises entre 100 et 200MHz. De plus, ces matériaux à haute permittivité gardent de bonnes propriétés 15 diélectriques puisque leur résistivité volumique est d'au moins 1.10' Ohm.m, voire peut dépasser 1.1012 Ohm.m. Des essais au feu sont également réalisés sur les matériaux obtenus à partir des compositions selon la présente invention. Ces essais au feu permettent de mesurer : 20 le temps d'ignition exprimé en seconde, la quantité de fumée dégagée exprimée en kW/m2, la chaleur dégagée moyenne exprimée en kW/m2, le pic de chaleur dégagée exprimée en kW/m2, l'EHC (Effective Heat of Combustion) ou chaleur de combustion exprimé en MJ/kg, et l'ILO ou Indice Limite d'Oxygène exprimé en %. Le temps d'ignition, la quantité de fumée dégagée, la chaleur dégagée 5 moyenne ainsi que le pic de chaleur dégagée sont évalués à l'aide d'un cône calorimètre. Les essais de cône calorimètre sont menés avec un flux incident de 50kW/m2 suivant la norme ISO 5660-1, sur des plaques carrées de 10 cm de côté et de 3 mm d'épaisseur. 10 Plus le pic de chaleur dégagée, la chaleur dégagée moyenne ainsi que la quantité de fumée dégagée sont faibles numériquement, meilleures sont les propriétés ignifugeantes de la composition et inversement pour la valeur du temps d'ignition. L'EHC est le rapport entre la quantité totale de chaleur dégagée exprimée 15 en MJ/m2 et la perte de masse exprimée en kg, la perte de masse étant déterminée à l'aide d'une balance intégrée au cône calorimètre. La surface de l'échantillon prise en compte pour le calcul de l'EHC est la surface irradiée par le cône calorimètre, soit une surface de 88,4 cm2. L'ILO est la concentration minimale d'oxygène dans un mélange 20 ascendant d'oxygène et d'azote qui permet d'entretenir la combustion avec flamme d'un matériau compact et rigide dans des conditions d'essai spécifiées. La norme ISO 4589-2 précise les caractéristiques de l'appareillage d'essai (dimensions, vitesse d'écoulement des gaz, emplacement et caractéristiques de la flamme pilote servant à l'inflammation du matériau...), de l'éprouvette (longueur 70 25 à 150 mm, largeur 6,5 mm, épaisseur 3 mm) et du protocole d'essai. Les résultats des différents essais au feu sont rassemblés dans le Tableau 3 qui suit. Temps Quantité Chaleur Pic de Quantité totale Perte de EHC ILO d'ignition de fumée dégagée chaleur de chaleur masse (MJ/kg) (%) (s) dégagée moyenne dégagée dégagée (g) (kW/m2) (kW/m2) (kW/m2) (MJ/m2) 3 74 339 54 159 56,10 18,5 27 46 80 135 44 139 57,80 18,9 27 50 Tableau 3 Les matériaux obtenus à partir des compositions 3 et 5 présentent de 5 façon remarquable une EHC inférieure à 28 et un ILO supérieur à 45%. Par ailleurs, les propriétés mécaniques des différents matériaux isolants selon la présente invention (compositions 1 à 6) sont mesurées selon la norme CEI 60811 sur des éprouvettes normalisées de type H2 d'épaisseur l mm et avec une vitesse de traverse de 200 mm/min. Ces essais permettent d'obtenir l'allongement à la rupture, exprimés %, pour chaque matériau isolant. De façon remarquable, tous les matériaux isolants, ou en d'autres termes les compositions 1 à 6 mises en oeuvre et extrudées, présentent un allongement à la rupture supérieur à 100%. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de câbles rayonnant qui viennent d'être décrits et porte dans sa généralité sur tous les câbles rayonnants envisageables à partir des indications générales fournies dans l'exposé de l'invention. REVENDICATIONS 1. Câble rayonnant (20) comprenant un conducteur central (21) entouré par une couche (22) d'un matériau diélectrique, un conducteur externe (23) comportant des ouvertures (25) et entourant ladite couche (22), et une gaine (24) de protection en un matériau électriquement isolant entourant le conducteur externe (23), caractérisé en ce que le matériau isolant de la gaine (24) de protection est obtenu à partir d'une composition comprenant un polymère et de l'oxyde de fer ajouté en quantité telle que le matériau isolant a une permittivité au moins égale à 6 entre 100 et 200 MHz. 2. Câble rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition comprend au moins 200 parties en poids d'oxyde de fer pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. 3. Câble rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition comprend en outre une charge conductrice dont la quantité est inférieure à la quantité correspondant au seuil de percolation de ladite charge conductrice dans la composition. 4. Câble rayonnant selon la revendication 3, caractérisée en ce que la quantité de la charge conductrice est inférieure 50 parties en poids pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. 5. Câble rayonnant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la composition comprend au moins 100 parties en poids d'oxyde de fer pour 100 parties en poids de polymère dans la composition. 6. Câble rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxyde de fer est du Fe3O4 (Magnétite). 7. Câble rayonnant selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que la charge conductrice est du noir de carbone. 8. Câble rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le polymère est choisi parmi un homopolymère d'éthylène et un copolymère d'éthylène, ou leur mélange. 9. Câble rayonnant selon la revendication 8, caractérisée en ce que le copolymère d'éthylène est un copolymère d'éthylène vinyle acétate. 10. Câble rayonnant selon la revendication 9, caractérisée en ce que le copolymère d'éthylène vinyle acétate comprend au moins 20% en poids de groupements vinyles acétate, de préférence au moins 28% en poids de groupements vinyles acétate. 11. Câble rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition comprend en outre une charge ignifugeante. 12. Câble rayonnant selon la revendication 11, caractérisée en ce que la charge ignifugeante est un hydroxyde métallique. 13. Câble rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'oxyde de fer est sous la forme de particules dont 90% ont un diamètre moyen inférieur à 1,4 pm (D90 = 1,4).