Brevet FR3045634A1 — publié le 20170623

COMPOSITION POLYMÈRE COMPRENANT UN LIQUIDE DIÉLECTRIQUE PRÉSENTANT UNE POLARITÉ AMÉLIORÉE L'invention concerne une composition polymère comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique et un liquide diélectrique présentant une polarité améliorée, un procédé de préparation de ladite composition polymère, un câble comprenant au moins une couche électriquement isolante obtenue à partir de ladite composition polymère, et un procédé de préparation dudit câble. L'invention s'applique typiquement mais non exclusivement aux câbles électriques destinés au transport d'énergie, notamment aux câbles d'énergie à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieure à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 400 kV), qu'ils soient en courant continu ou alternatif, dans les domaines du transport d'électricité aérien, sous-marin, terrestre, ou encore de l'aéronautique. Un câble de transport d'énergie à moyenne ou à haute tension comprend généralement de l'intérieur vers l'extérieur : - un élément électriquement conducteur allongé, notamment en cuivre ou en aluminium ; - une couche semi-conductrice interne entourant ledit élément 20 électriquement conducteur allongé ; - une couche électriquement isolante entourant ladite couche semiconductrice interne ; - une couche semi-conductrice externe entourant ladite couche isolante ; et 25 - éventuellement une gaine de protection électriquement isolante entourant ladite couche semi-conductrice externe. En particulier, la couche électriquement isolante peut être une couche polymère à base d'une polyoléfine réticulée telle qu'un polyéthylène réticulé (XLPE) ou un élastomère réticulé d'éthylène-propylène ou 30 d'éthylène-propylène-diène. La réticulation est généralement effectuée lors de l'étape d'extrusion de la composition polymère autour de l'élément 3045634 2 électriquement conducteur allongé. L'utilisation d'une polyoléfine réticulée permet de fournir une couche présentant des propriétés électriques et mécaniques satisfaisantes et de conduire à un câble pouvant fonctionner à une température supérieure à 70°C, voire égale à 90°C. Toutefois, plusieurs 5 problèmes sont rencontrés. D'une part, les matériaux réticulés ne peuvent pas être recyclés. D'autre part, la réticulation (vulcanisation) pour produire une couche homogène requiert des conditions de réaction spécifiques (e.g. en termes de durée et de température) qui réduisent la vitesse de fabrication du câble et augmentent son coût de production. Enfin, la réticulation peut parfois 10 débuter de façon prématurée dans l'extrudeuse et/ou la tête d'extrudeuse, induisant une dégradation de la qualité de la couche obtenue, notamment de ses propriétés diélectriques. Des alternatives ont donc été proposées telles qu'une couche thermoplastique de polyéthylène de faible densité (LDPE) ou de haute densité 15 (HDPE). Toutefois, un câble comportant une telle couche électriquement isolante ne peut fonctionner à une température supérieure à 70°C environ pour une couche thermoplastique de LDPE et supérieure à 80°C pour une couche thermoplastique de HDPE, induisant une limitation de la puissance pouvant être transportée dans ledit câble et des méthodes de fabrication. Il est également connu de fabriquer une couche électriquement isolante composée de plusieurs rubans de papier ou d'un composite papier-polypropylène imprégnés avec une grande quantité de liquide diélectrique (e.g. câble à papier imprégné d'huile). Le liquide diélectrique remplit complètement les espaces vides présents dans la couche et empêche les décharges partielles et l'endommagement de l'isolation du câble. Cependant, la fabrication de ce type de couche électriquement isolante est très complexe et coûteuse. Le choix du liquide diélectrique va dépendre de l'application envisagée (i.e. du type d'équipement électrique) et de sa compatibilité avec l'isolant solide qu'il est censé imprégner et/ou avec lequel il forme un mélange intime. Parmi les liquides diélectriques conventionnels, on peut citer les huiles minérales (e.g. huiles naphténiques, huiles paraffiniques, huiles aromatiques 3045634 3 ou huiles polyaromatiques), les huiles végétales (e.g. huile de soja, huile de lin, huile de colza, huile de maïs ou huile de ricin) ou les huiles synthétiques telles que les hydrocarbures aromatiques (alkylbenzènes, alkylnaphtalènes, alkylbiphényles, alkydiaryléthylènes, etc...), les huiles de silicone, les 5 éther-oxydes, les esters organiques ou les hydrocarbures aliphatiques. En particulier, la demande internationale WO 02/03398 Al décrit un câble comprenant au moins un conducteur électrique et au moins une couche électriquement isolante extrudée basée sur un liquide diélectrique en mélange intime avec un matériau polymère thermoplastique comprenant un 10 homopolymère de propylène ou un copolymère de propylène avec au moins un comonomère d'oléfine choisi parmi l'éthylène et une oléfine a différente du propylène. Le liquide diélectrique est un hydrocarbure aromatique comprenant au moins un hydrocarbure de type alkylaryle ayant au moins deux cycles aromatiques non condensés (e.g. dibenzyltoluène ou mélange de 85% en 15 masse de monoxylylxylène et de 15% en masse de dixylylxylène). La demande internationale WO 02/03398 Al indique que le liquide diélectrique est exempt de composés polaires afin d'absorber une quantité minimale d'eau et d'éviter la formation de défauts dans la couche isolante liés à la présence de vapeur d'eau pendant l'extrusion à chaud. Toutefois, les hydrocarbures 20 aromatiques (alkylbenzènes, alkylnaphtalènes, alkylbiphényles, alkydiaryléthylènes) présentent un coût élevé et induisent généralement des problèmes de sécurité et/ou d'environnement (e.g. certains hydrocarbures aromatiques sont considérés comme cancérigènes). 90 à 95% du marché des liquides diélectriques sont couverts par les 25 huiles minérales en raison du faible coût de ces produits « naturels », obtenus directement par raffinage de bruts pétroliers. La composition chimique d'une huile minérale est extrêmement complexe (plusieurs milliers de molécules différentes) et peut varier dans de larges proportions. La composition chimique d'une huile minérale est donc généralement définie par sa teneur en 30 carbone paraffinique (Cp), sa teneur en carbone naphténique (Cn) et sa teneur en carbone aromatique (Ca). Les huiles minérales peuvent également contenir un faible pourcentage de molécules d'hydrocarbures qui comprennent 3045634 4 dans leur structure des hétéroatomes comme l'azote, le soufre ou l'oxygène (e.g. composés polaires). La teneur en composés polaires d'une huile minérale peut être déterminée selon la norme ASTM D2007-02. Toutefois, les huiles minérales présentent une stabilité à l'oxydation et une tenue diélectrique qui 5 sont moins élevées par comparaison aux hydrocarbures aromatiques. Par ailleurs, il est connu de la demande internationale WO 2004/066318 Al que les propriétés électriques d'un câble comprenant au moins un conducteur électrique et au moins une couche électriquement isolante extrudée basée sur un matériau polymère thermoplastique en mélange intime avec une huile 10 minérale à titre de liquide diélectrique, peuvent être détériorées par la présence de ces composés polaires, notamment en termes de pertes diélectriques. Il existe donc toujours un besoin en câbles électriques comprenant une couche électriquement isolante présentant des propriétés électriques 15 comparables à celles obtenues avec une couche réticulée XLPE, tout en garantissant de bonnes propriétés mécaniques. Ainsi, le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de fournir une composition polymère économique comprenant des matériaux recyclables, pouvant conduire à une couche électriquement 20 isolante présentant des propriétés diélectriques améliorées, notamment en termes de rigidité diélectrique, tout en garantissant de faibles pertes diélectriques. Le but de la présente invention est également de fournir un câble, en particulier à moyenne ou à haute tension, pouvant fonctionner à des 25 températures supérieures à 70°C et présentant des propriétés électriques améliorées, notamment en termes de rigidité diélectrique, tout en garantissant de faibles pertes diélectriques. Les buts sont atteints par l'invention qui va être décrite ci-après. L'invention a pour premier objet une composition polymère 30 comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène et un liquide diélectrique, caractérisé en ce que le liquide 3045634 5 diélectrique comprend au moins une huile minérale et au moins un composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés. La combinaison d'un composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou d'un de leurs dérivés avec une huile minérale permet 5 d'augmenter la rigidité diélectrique de la couche électriquement isolante d'un câble électrique tout en garantissant peu de pertes diélectriques. Par ailleurs, la présence d'un matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène permet d'augmenter la température de fonctionnement du câble à 90°C-110°C. 10 Le liquide diélectrique peut comprendre au moins 70% en masse environ d'huile minérale, et de préférence au moins 80% en masse environ d'huile minérale, par rapport à la masse totale du liquide diélectrique. L'huile minérale est généralement liquide à 20-25°C environ. L'huile minérale peut être choisie parmi les huiles naphténiques et les 15 huiles paraffiniques, et de préférence parmi les huiles naphténiques. L'huile minérale est obtenue à partir du raffinage d'un brut pétrolier. Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, l'huile minérale comprend une teneur en carbone paraffinique (Cp) allant de 45 à 65% atomique environ, une teneur en carbone naphténique (Cn) allant 20 de 35 à 55% atomique environ et une teneur en carbone aromatique (Ca) allant de 0,5 à 10% atomique environ. Dans un mode de réalisation particulier, le composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés représente au moins 2,5% en masse environ, de préférence au moins 3,5% en masse environ, et 25 encore plus préférentiellement au moins 4% en masse environ, par rapport à la masse totale du liquide diélectrique. Grâce à cette quantité minimum de composé polaire, la rigidité diélectrique est améliorée. Le liquide diélectrique peut comprendre au plus 30% en masse environ, de préférence au plus 20% en masse environ, et encore plus 30 préférentiellement au plus 15% en masse environ, de composé polaire de type 3045634 6 benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés, par rapport à la masse totale du liquide diélectrique. Cette quantité maximale permet de garantir des pertes diélectriques modérées, voire faibles (e.g. inférieures à 10-3 environ), et également d'éviter la migration du liquide diélectrique hors de la couche 5 électriquement isolante. La quantité de composés polaires dans le liquide diélectrique peut être déterminée selon la norme ASTM D2007-02. Le composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés peut répondre à la formule (I) suivante : 10 A ) (I) dans laquelle R1 et R2, identiques ou différents, sont des groupes aryles, alkyles, alkylène-aryles, les groupes R1 et R2 pouvant être reliés ensemble par l'élément A représentant une liaison simple ou un groupe -(CH2),- avec n égal à 1 ou 2. 15 Le groupe aryle peut comprendre un ou plusieurs cycles aromatiques, condensés ou non condensés, et de préférence non condensés. Le groupe aryle peut comprendre de 5 à 20 atomes de carbone, et de préférence de 5 à 15 atomes de carbone. Chaque cycle aromatique peut comprendre un ou plusieurs 20 hétéroatomes tels qu'un atome d'azote, un atome de soufre ou un atome d'oxygène. Chaque cycle aromatique peut être substitué par un ou plusieurs substituants X choisis parmi un atome d'halogène, un groupe alkyle ou un groupe alkoxy -0-alkyle. Un groupe alkyle est préféré. 25 L'atome d'halogène à titre de substituant X sur un cycle aromatique est de préférence un atome de chlore ou de fluor, et de préférence encore un atome de chlore. 3045634 7 Le groupe alkyle à titre de substituant X sur un cycle aromatique peut avoir de 1 à 10 atomes de carbone, de préférence de 1 à 5 atomes de carbone, et de préférence encore de 2 à 4 atomes de carbone. Le groupe alkyle du groupe alkoxy -0-alkyle à titre de substituant X 5 sur un cycle aromatique peut avoir de 1 à 10 atomes de carbone, de préférence de 1 à 5 atomes de carbone, et de préférence encore de 2 à 4 atomes de carbone. Le ou les cycles aromatiques ne comprennent pas de préférence de substituants polaires protiques tels qu'un groupe -OH, un groupe -SH, un 10 groupe -NH ou un groupe -NH2. Le groupe aryle est de préférence un groupe phényle, un groupe naphtyle ou un groupe pyridyle, et de préférence encore un groupe phényle. Le groupe alkyle à titre de groupe R1 et/ou R2 peut avoir de 1 à 20 atomes de carbone, de préférence de 1 à 10 atomes de carbone, et de 15 préférence encore de 1 à 5 atomes de carbone. Dans la présente invention, le groupe alkyle peut être cyclique, linéaire ou ramifié. Le groupe alkylène-aryle est un groupe mixte qui comprend un groupe aryle tel que défini dans la présente invention et un groupe alkylène. Le 20 groupe alkylène du groupe alkylène-aryle est relié directement à la fonction cétone du composé de formule (I). Le groupe alkylène peut être linéaire, cyclique ou ramifié, et de préférence linéaire. En particulier, le groupe alkylène peut avoir de 1 à 5 atomes de 25 carbone. De préférence , le groupe alkylène est un groupe -(CH2)p1- avec 1 REVENDICATIONS1. Composition polymère comprenant au moins un matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène et un liquide diélectrique, caractérisé en ce que le liquide diélectrique comprend au moins une huile minérale et au moins un composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide diélectrique comprend au moins 70 % en masse d'huile minérale, par rapport à la masse totale du liquide diélectrique. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'huile minérale est choisie parmi les huiles naphténiques et les huiles paraffiniques. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le composé polaire de type benzophénone, 15 acétophénone ou un de leurs dérivés représente au moins 2,5% en masse, par rapport à la masse totale du liquide diélectrique. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés répond à la formule (I) 20 suivante : A ) (I) dans laquelle R1 et R2, identiques ou différents, sont des groupes aryles, alkyles, alkylène-aryles, les groupes R1 et R2 pouvant être reliés ensemble par l'élément A représentant une liaison simple ou un groupe 25 -(CH2),-,- avec n égal à 1 ou 2. 6. Composition selon la revendication 5, caractérisée en ce que le composé de formule (I) est la benzophénone, la dibenzosubérone, la 3045634 26 fluorénone ou l'anthrone. 7. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport du nombre d'atomes de carbone aromatique sur le nombre total d'atomes de carbone dans le liquide diélectrique est 5 inférieur à 0,3. 8. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique représente de 1% à 20% en masse, par rapport à la masse totale de la composition polymère. 9. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisée en ce que le matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène comprend au moins un homopolymère ou un copolymère de propylène P1, et au moins un homopolymère ou un copolymère d'oléfine a P2. 10. Composition selon la revendication 9, caractérisée en ce que le copolymère de propylène P1 est un copolymère de propylène et d'éthylène. 11. Composition selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que l'homopolymère ou copolymère de propylène P1 représente de 40 à 70% en masse du matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène. 12. Composition selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que l'homopolymère ou le copolymère d'oléfine a P2 est un copolymère hétérophasé comprenant une phase thermoplastique de type propylène et une phase élastomère thermoplastique de type copolymère d'éthylène et d'une oléfine a, un polyéthylène ou un de leurs mélanges. 13. Composition selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que l'homopolymère ou copolymère d'oléfine a P2 25 représente de 30 à 60% en masse du matériau polymère thermoplastique à base de polypropylène. 14. Procédé de préparation de la composition polymère telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape i) de mélange d'un matériau polymère 3045634 27 thermoplastique à base de polypropylène avec un liquide diélectrique tels que définis à l'une quelconque des revendications 1 à 13. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le mélange est effectué selon les sous-étapes suivantes : 5 i-a) le mélange d'une huile minérale et d'au moins un composé polaire de type benzophénone, acétophénone ou un de leurs dérivés, afin de former un liquide diélectrique tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 8, et i-b) le mélange d'un matériau polymère thermoplastique à base de 10 polypropylène tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 et 9 à 13 avec le liquide diélectrique tel qu'obtenu dans la sous-étape précédente i-a). 16. Câble comprenant au moins un élément électriquement conducteur allongé, et au moins une couche électriquement isolante obtenue à partir d'une composition polymère telle que définie à l'une quelconque des 15 revendications 1 à 13. 17. Câble selon la revendication 16, caractérisé en ce que la couche électriquement isolante est une couche non réticulée. 18. Procédé de fabrication d'un câble électrique tel que défini à la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une 20 étape 1) d'extrusion de la composition polymère telle que définie à l'une quelconque des revendications 1 à 13 autour d'un élément électriquement conducteur allongé, pour obtenir une couche électriquement isolante entourant ledit élément électriquement conducteur allongé.