ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ИЗОЛЯЦИЮ ИЗ ВСПЕНЕННОГО ПОЛИОЛЕФИНА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRIC CABLE, COMPRISING INSULATION FROM FOAMED POLYOLEFINE, AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Область техники
Настоящее изобретение относится к электрическому кабелю.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления упомянутого электрического кабеля.
Уровень техники
В общем случае кабели для передачи электрической энергии снабжают металлическим проводником, который окружают изолирующим покрытием.
Силовой кабель можно снабдить оболочкой в позиции внешнего радиального расположения по отношению к изолирующему слою. Упомянутая оболочка предусматривается для защиты кабеля от механических повреждений.
Документ US 4789589 относится к изолированному проволочному электрическому проводнику, где изоляция, окружающая проволочный проводник, включает внутренний слой, образованный из полиолефиновой смеси и обладающий ячеистой структурой, и внешний слой, образованный из неотвержденного и неотверждаемого поливинилхлорида.
Документ WO 03/088274 относится к кабелю, имеющему изолирующее покрытие, включающее, по меньшей мере, два изолирующих слоя таким образом, чтобы в радиальном направлении изнутри кабеля наружу изолирующее покрытие включало, по меньшей мере, один изолирующий слой, образованный из невспененного полимерного материала, и, по меньшей мере, один изолирующий слой, образованный из вспененного полимерного материала. Фактически вспененный изолирующий слой демонстрирует наличие нарушений сплошности (то есть пустот внутри полимерного материала, при этом упомянутые пустоты заполнены воздухом или газом) и не был бы способен надлежащим образом функционировать в пространстве, окружающем проводник, где наибольшее значение имеет электрическое поле.
Как сообщается, например, в документе US 4591606, сшитый пенополиолефин получают в результате использования химических пенообразователей, таких как азодикарбонамид, которые разлагаются при нагревании и выделяют газообразный азот. Сшивания обычно добиваются при помощи инициатора радикалов, такого как дикумилпероксид. Прохождения реакции сшивания также добиваются и при помощи нагревания. Также были разработаны и способы изготовления сшитого пенополиэтилена, но в данном случае сшивание проводят при помощи облучения. Продукты такого способа характеризуются очень низкими плотностями, таким образом нельзя предусматривать никаких областей применения, требующих наличия прочности и жесткости. В случае использования в качестве сшивателя органического пероксида регулирование в способе затрудняется, поскольку процессы как пенообразования, так и сшивания являются температурнозависимыми.
3
Документ US 3098831 относится к сшитому и вспененному полиэтиленовому материалу, подходящему для использования, помимо прочего, в качестве электрической изоляции. Упомянутый полиэтиленовый материал, как сообщается, характеризуется плотностью, не большей 0,32 г/см (20 фунтов на один кубический фут). Приводятся примеры с использованием полиэтилена, характеризующегося степенью вспенивания 90-95%. Вспененный полиэтилен получают в результате воздействия на сшитый полиэтилен, содержащий каучуковый пенообразователь, повышенной температуры, при которой пенообразователь разлагается и таким образом вызывает в полиэтилене пенообразование. Исходный полиэтиленовый материал может быть сшитым, например, при помощи органического пероксида, при этом в общем случае количество сшивателя варьируется в диапазоне от 0,002 до 0,01 моль на 100 граммов полиэтилена. В числе пенообразователей в качестве примера приводится азодикарбонамид, и при расчете на 100 частей полиэтиленового материала используют приблизительно от 2 до 15 массовых частей пенообразователя.
В общем случае кабель для кабельной проводки в здании и/или промышленных областей применения должен быть проложен внутри стен, и способ укладки требует проведения кабеля через сужения в стенах или, что более часто, протягивания кабеля через кабелепроводы, где кабель подвергается постоянному обжатию.
Для проведения надлежащей укладки при помощи простых и быстрых операций кабель должен быть особенно гибким, так чтобы его можно было вставлять в проходы в стене и/или стенные кабелепроводы и он без повреждений следовал бы по изгибам маршрута укладки.
В общем случае в ходе проводимой пользователем укладки кабели для кабельной проводки в здании вследствие извилистости маршрута укладки и возникновения трения во время проведения операции протягивания подвергаются разрывам или получают царапины на грубых кромках и/или поверхностях.
Увеличение гибкости электрического кабеля может позволить уменьшить повреждения, обусловленные упомянутыми разрывающими или царапающими действиями. Как описывалось, например, в упомянутом ранее документе WO 03/088274, гибкость кабеля можно выгодным образом увеличить в результате снабжения кабеля вспененным изолирующим слоем, что позволит достичь превосходных результатов в процессе его укладки.
Повышенная гибкость вспененным изолирующим слоем может быть придана благодаря «губчатой» природе материала. В частности, гибкость кабеля можно довести до максимума тогда, когда изолирующий слой будет состоять только из слоя вспененного материала.
В дополнение к этому наличие у кабеля вспененного покрытия уменьшает массу кабеля, что обеспечивает достижение преимуществ при его транспортировании и укладке.
Тем не менее вспененный изолирующий слой может привести к возникновению проблем, таких как:
- при нахождении в контакте с проводником нарушения сплошности во вспененном материале могли бы ухудшить изолирующие свойства слоя;
- вспененный материал изолирующего покрытия должен характеризоваться степенью вспенивания, достаточно высокой для придания желательной гибкости, но не такой, которая в неподходящей степени ослабила бы покрытие с механической точки зрения.
Еще один важный аспект, который необходимо удовлетворить для кабеля, заключается в простой и быстрой зачистке кабеля.
Способность кабеля к зачистке, например, в случае кабельной проводки в здании является повсеместно ощущаемым требованием рынка, поскольку зачистка кабеля представляет собой операцию, которую инженерно-технический персонал проводит вручную. По этой причине требуется, чтобы упомянутая операция была легкой и простой для проведения ее оператором с учетом также и того, что ее зачастую проводят в узких пространствах и достаточно некомфортабельных условиях.
Обычно оболочка кабеля образована из смеси, в своей основе имеющей поливинилхлорид (ПВХ) и содержащей, помимо прочего, пластификатор. Пластификатор склонен мигрировать из ПВХ-оболочки в изолирующий слой, изменяя его состав. В ходе проведения ускоренного испытания на старение заявитель наблюдал, что данный эффект является существенным в случае невспененного изолирующего слоя. Как результат, композиция обладает ухудшенными электрическими (изолирующими) свойствами, принимая во внимание полярную природу пластификатора, демонстрирует ослабленные механические характеристики и может стать причиной преждевременного старения кабеля.
Краткое изложение изобретения
Заявитель понял, что вспененный полиолефиновый материал мог бы быть выгодным в качестве изолирующего слоя для кабеля, если полиолефиновый материал будет как вспененным, так и сшитым. Одновременное наличие сшивания и вспенивания позволяет получить полиолефиновый материал, характеризующийся улучшенной гибкостью и легкостью зачистки без ухудшения механических свойств слоя, полученного из него.
Заявитель наблюдал, что при попытке вспенивания и сшивания полиолефина степень вспенивания в общем случае регулировать невозможно и она является либо избыточной, либо недостаточной.
Однако в рамках настоящего изобретения заявитель обнаружил, что надлежащим образом вспененный и сшитый изолирующий слой можно получить при помощи системы сшивания на силановой основе и экзотермического пенообразователя. Таким образом полученный изолирующий слой характеризуется степенью вспенивания, выгодной для получения кабеля, обладающего вышеупомянутыми признаками.
В частности, заявитель обнаружил, что полимерный вспененный/сшитый изолирующий слой улучшает стойкость кабеля в оболочке к старению.
Такой результат, как представляется, обуславливается тем фактом, что такой изолирующий слой демонстрирует лучшую совместимость с материалами оболочки.
Определения
Для целей настоящего описания и формулы изобретения, которые следуют далее, за исключением случаев, в которых будет указано другое, все числа, выражающие величины, количества, процентные доли и тому подобное, должны восприниматься как во всех случаях модифицированные термином «приблизительно». Кроме того, все диапазоны включают любую комбинацию описанных максимальных и минимальных значений и включают любые промежуточные диапазоны между ними, которые могут быть, а могут и не быть конкретно перечислены в настоящем документе.
В настоящем описании выражение «сердечник кабеля» указывает на структуру, включающую, по меньшей мере, один проводник и соответствующее электрическое изолирующее покрытие, размещаемое во внешнем по радиусу положению по отношению к упомянутому проводнику.
Для целей настоящего описания выражение «униполярный кабель» означает кабель, снабженный определенным ранее одним сердечником, в то время как выражение «мультиполярный кабель» означает кабель, снабженный, по меньшей мере, одной парой упомянутых сердечников. Если, говоря более подробно, количество сердечников в мультиполярном кабеле будет равно двум, то тогда упомянутый кабель технически определяют как «биполярный кабель», в случае наличия трех сердечников упомянутый кабель называют «триполярным кабелем» и так далее.
В настоящем описании термин «зачистка кабеля» используют для указания на удаление всех слоев кабеля, которые размещены в позиции радиального внешнего расположения по отношению к проводнику, так чтобы в результате он перестал бы иметь покрытие, что позволило бы его электрически присоединить к проводнику другого кабеля или к электрической аппаратуре, например.
В настоящем описании выражение «низкое напряжение» обозначает напряжение, меньшее приблизительно 1 кВ.
В настоящих описании и в последующей формуле изобретения под «проводником» подразумевается проводящий элемент удлиненной формы и предпочтительно из металлического материала, например алюминия или меди.
i
Под «изолирующим покрытием» или «изолирующим слоем» подразумеваются покрытие или слой, образованные из материала, характеризующегося константой изоляции (k), большей 0,0367 МОм· км (согласно документу IEC 60502).
В настоящих описании и формуле изобретения термин «сшитый силаном» обозначает полиолефиновый материал, содержащий в качестве сшивающего элемента силоксановые связи (-Si-O-Si-).
В настоящих описании и формуле изобретения под «вспененным полиолефиновым материалом» подразумевается материал, характеризующийся наличием внутри материала процентной доли свободного пространства, то есть пространства, занятого не полимерным материалом, а газом или воздухом, при этом упомянутую процентную долю выражают через «степень вспенивания» (G), определяемую следующим образом:
0
e
где d представляет собой плотность невспененного полимера, а d представляет собой кажущуюся плотность, измеренную для вспененного полимера.
Кажущуюся плотность измеряют в соответствии с документом Italian standard regulation CEI EN 60811-1-3:2001-06.
В настоящих описании и формуле изобретения термин «оболочка» предполагает обозначение защитного внешнего слоя кабеля, исполняющего функцию защиты последнего от случайных ударов или истирания. Исходя из вышеизложенного и в соответствии с термином, упомянутым ранее, от оболочки кабеля не требуется придание кабелю специальных свойств электрической изоляции.
В настоящих описании и формуле изобретения под «системой сшивания на силановой основе» подразумеваются соединение или смесь соединений, включающие, по меньшей мере, один органический силан.
В настоящих описании и формуле изобретения под «системой пенообразования» подразумеваются соединение или смесь соединений, включающие один или несколько пенообразователей, в числе которых, по меньшей мере, один является экзотермическим пенообразователем.
В настоящих описании и формуле изобретения под «эндотермическим пенообразователем» подразумеваются соединение или смесь соединений, которые являются термически нестойкими и вызывают поглощение тепла, при этом при предварительно определенной температуре происходит выделение газа и тепла.
В настоящих описании и формуле изобретения под «экзотермическим пенообразователем» подразумеваются соединение или смесь соединений, которые являются термически нестойкими и при предварительно определенной температуре разлагаются с выделением газа и тепла.
В настоящих описании и формуле изобретения под «коэффициентом вытяжки» подразумевается соотношение между толщиной зазора отверстия экструзионной головки и конечной толщиной экструдированного продукта.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления электрического кабеля, включающего, по меньшей мере, один сердечник, включающий проводник и изолирующее покрытие, окружающее упомянутый проводник, при этом упомянутый способ включает стадии:
- подачи полиолефинового материала, системы сшивания на силановой основе и системы пенообразования, включающей, по меньшей мере, один экзотермический пенообразователь в количестве в диапазоне от 0,1% до 0,5% (мас.) в расчете на совокупную массу полиолефинового материала;
- получения смеси полиолефинового материала, системы сшивания на силановой основе и системы пенообразования;
- экструдирования смеси на проводник до получения изолирующего покрытия.
Под «полиолефиновым материалом» подразумевается полимер, выбираемый из группы, включающей полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефины/ненасыщенные сложные эфиры, сложные полиэфиры и их смеси. Предпочтительно упомянутым полиолефиновым материалом являются: полиэтилен (ПЭ), в частности ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП) и линейный ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП); этилен-пропиленовые эластомерные сополимеры (ЕРМ) или этилен-пропилен-диеновые терполимеры (EPDM); сополимеры этилен/виниловый сложный эфир, например этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеры этилен/акрилат; термопластичные сополимеры этилен/α-олефин; и их сополимеры или механические смеси.
Более предпочтительным в соответствии с изобретением является полиолефиновый материал, выбираемый из полиэтилена (ПЭ), в частности ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП) и линейного ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), более предпочтительно ЛПЭНП, необязательно в смеси с EPDM или олефиновым сополимером.
Если полиолефиновым материалом изобретения будет являться смесь материала полиэтилена и материала сополимера, то тогда последний в выгодном случае будет присутствовать в количестве в диапазоне от 5 чсс (частей на сто частей смолы) до 30 чсс.
1
4
1
4
Предпочтительными силанами, которые можно использовать, являются (С-С)алкилоксисиланы, содержащие, по меньшей мере, одну двойную связь, и, в частности, винил- или акрил(С-С)алкилоксисиланы; соединениями, подходящими для использования в данных целях, могут являться γ-метакрилоксипропилтриметоксисилан, винилтриметоксисилан, винилтриэтоксисилан, винилдиметоксиэтоксисилан, винилтрис(2-метоксиэтокси)силан и их смеси.
Система сшивания на силановой основе для способа изобретения включает, по меньшей мере, один пероксид. Предпочтительно пероксидами, которые можно с выгодой использовать, являются ди(трет-бутилпероксипропил-(2)-бензол, дикумилпероксид, ди-трет-бутилпероксид, бензоилпероксид, трет-бутилкумилпероксид, 1,1-ди(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексан, 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексин, трет-бутилперокси-3,5,5-триметилгексаноат, этил-3,3-ди(трет-бутилперокси)бутират, бутил-4,4-ди(трет-бутилперокси)валерат и трет-бутилпероксибензоат.
Предпочтительно система сшивания на силановой основе, предназначенная для способа изобретения, включает, по меньшей мере, один катализатор сшивания, который выбирают из тех, что известны на современном уровне техники; предпочтительно и удобно использовать органический титанат или металлический карбоксилат. В особенности предпочтительным является дилаурат дибутилолова (ДЛДБО).
В выгодном случае количество силановой системы сшивания является таким, которое обеспечивает наличие в смеси от 0,003 до 0,015 моль силана на 100 граммов полиолефинового материала. Предпочтительно количество силана находится в диапазоне от 0,006 до 0,010 моль силана на 100 граммов полиолефинового материала.
Система пенообразования настоящего способа необязательно включает, по меньшей мере, один эндотермический пенообразователь, предпочтительно в количестве, равном или меньшем 20% (мас.) при расчете на совокупную массу полиолефинового материала.
В выгодном случае экзотермическим пенообразователем, предназначенным для способа изобретения, является азо-соединение, такое как азодикарбонамид, азобисизобутиронитрил и диазоаминобензол. Предпочтительно экзотермическим пенообразователем является азодикарбонамид.
Предпочтительно экзотермический пенообразователь присутствует в количестве в диапазоне от 0,15% до 0,24% (мас.) в расчете на совокупную массу полиолефинового материала.
Систему пенообразования к полиолефиновому материалу выгодно добавлять в виде маточной смеси, содержащей полимерный материал, предпочтительно этиленовый гомополимер или сополимер, такой как сополимер этилен/винилацетат (ЭВА), этилен-пропиленовый сополимер (EPR) и сополимер этилен/бутилакрилат (ЭБА). Упомянутая маточная смесь содержит пенообразователь (экзотермический и в некоторых случаях эндотермический) в количестве в диапазоне от 1% (мас.) до 80% (мас.), предпочтительно от 5% (мас.) до 50% (мас.), более предпочтительно от 10% (мас.) до 40% (мас.), в расчете на совокупную массу полимерного материала.
В выгодном случае система пенообразования дополнительно включает, по меньшей мере, один активатор (также называемый пускателем). Предпочтительно активаторами, подходящими для использования в системе пенообразования изобретения, являются соединения переходных металлов.
Необязательно система пенообразования в способе изобретения дополнительно включает, по меньшей мере, один зародышеобразователь. Предпочтительно зародышеобразователем является активный зародышеобразователь.
Способ настоящего изобретения выгодно реализовать в одношнековом экструдере.
Предпочтительно стадия экструдирования смеси на проводник кабеля в целях снабжения такого проводника изолирующим слоем включает стадии:
- подачи упомянутого проводника в экструзионную машину;
- осаждения изолирующего слоя в результате экструдирования.
Стадию экструдирования смеси выгодно проводить при помощи экструзионной головки, имеющей уменьшенный диаметр, в соответствии с «коэффициентом вытяжки» (КВ), меньшим 1, предпочтительно меньшим 0,9, более предпочтительно меньшим 0,8.
Необязательно способ изготовления, соответствующий изобретению, дополнительно включает стадию получения слоя оболочки в позиции внешнего периферического радиального расположения по отношению, по меньшей мере, к одному проводнику, имеющему нанесенное покрытие в виде соответствующего изолирующего слоя. Такую стадию проводят в результате экструдирования.
В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к электрическому кабелю, включающему, по меньшей мере, один сердечник, состоящий из проводника и изолирующего покрытия, окружающего упомянутый проводник и находящегося с ним в контакте, при этом упомянутое изолирующее покрытие состоит, по существу, из слоя вспененного сшитого силаном полиолефинового материала, характеризующегося степенью вспенивания в диапазоне от 3% до 40%.
Предпочтительно электрический кабель изобретения включает три описанных ранее сердечника.
Электрическим кабелем, соответствующим изобретению, предпочтительно является кабель низкого напряжения.
Под «полиолефиновым материалом» подразумевается полимер, выбираемый из группы, включающей полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефины/ненасыщенные сложные эфиры, сложные полиэфиры и их смеси. Предпочтительно упомянутым полиолефиновым материалом являются: полиэтилен (ПЭ), в частности ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП) и линейный ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП); этилен-пропиленовые эластомерные сополимеры (ЕРМ) или этилен-пропилен-диеновые терполимеры (EPDM); сополимеры этилен/виниловый сложный эфир, например этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеры этилен/акрилат; термопластичные сополимеры этилен/α-олефин; и их сополимеры или механические смеси.
Более предпочтительным в соответствии с изобретением является полиолефиновый материал, выбираемый из полиэтилена (ПЭ), в частности ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП) и линейного ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), более предпочтительно ЛПЭНП, необязательно в смеси с EPDM или олефиновым сополимером.
Если полиолефиновым материалом изобретения будет являться смесь материала полиэтилена и материала сополимера, то тогда последний в выгодном случае будет присутствовать в количестве в диапазоне от 5 чсс до 30 чсс.
Более предпочтительно изолирующее покрытие для кабеля изобретения характеризуется степенью вспенивания в диапазоне от 5% до 30%, еще более предпочтительно от 10% до 25%.
В выгодном случае изолирующее покрытие кабеля изобретения демонстрирует пенообразование, характеризующееся специфическим средним диаметром ячеек.
В частности, изолирующее покрытие кабеля изобретения в выгодном случае характеризуется средним диаметром ячеек, равным или меньшим 300 мкм, предпочтительно равным или меньшим 100 мкм.
В выгодном случае изолирующее покрытие изобретения является невспененным в периферической части, находящейся в контакте и/или по соседству с проводником, то есть, в данной области, по существу, никаких ячеек не имеется.
Предпочтительно кабель, соответствующий настоящему изобретению, снабжают слоем оболочки, находящимся в позиции внешнего радиального расположения по отношению к изолирующему слою, предпочтительно в контакте с ним.
Предпочтительно упомянутый слой оболочки образован из смеси, содержащей поливинилхлорид (ПВХ), наполнитель, такой как мел, пластификатор, например октил-, нонил- или децилфталат, и добавки.
В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к способу улучшения стойкости к старению для кабеля, включающего проводник, изолирующий слой и оболочку, где упомянутое изолирующее покрытие содержит сшитый силаном полиолефиновый материал, характеризующийся степенью вспенивания в диапазоне от 3% до 40%.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества станут более ясными в свете следующего далее описания некоторых предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения.
В следующем далее описании делаются ссылки на прилагающиеся чертежи, в числе которых:
- фиг.1 демонстрирует поперечное ортогональное сечение для примера кабеля, соответствующего настоящему изобретению;
- фиг.2 представляет собой фотографию образца изолирующего слоя от сравнительного кабеля 17;
- фиг.3 представляет собой фотографию образца изолирующего слоя от кабеля 19, соответствующего изобретению;
- фиг.4 представляет собой фотографию образца изолирующего слоя от кабеля 20, соответствующего изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Фиг.1 демонстрирует поперечное сечение для соответствующего изобретению кабеля для передачи электрической энергии при низком напряжении.
Кабель 10 относится к триполярному типу (имеющему три сердечника) и включает три проводника 1, каждый из которых прокрыт вспененным и сшитым полимерным изолирующим покрытием 2. Три проводника 1 совместно с соответствующими изолирующими покрытиями охвачены оболочкой 3.
i
i
Константа изоляции k у электрического изолирующего слоя 2 такова, что требуемые свойства электрической изоляции совместимы со стандартами (например, IEC 60502 или другим его эквивалентом). Например, электрический изолирующий слой 2 характеризуется константой изоляции k, равной или большей 3,67 МОм·км при 90°С.
Степень вспенивания у изолирующего слоя для кабеля изобретения находится в диапазоне от 3% до 40%. В частности, заявитель обнаружил, что степень вспенивания меньше 3% не позволяет получить кабель, демонстрирующий наличие ощутимых преимуществ, выражаемых в гибкости и уменьшении массы. С другой стороны, в случае превышения степенью вспенивания значения 40% механические характеристики кабеля, то есть предел прочности при растяжении, ухудшаются в степени, неприемлемой для требований по укладке.
Фиг.1 демонстрирует только один из возможных вариантов реализации кабелей, в которых настоящее изобретение можно будет с выгодой использовать. Поэтому в упомянутые ранее варианты реализации могут быть внесены любые подходящие для использования модификации, такие как, например, использование кабелей мультиполярного типа или проводников секторного поперечного сечения.
Для того чтобы придать изолирующему покрытию подходящую для использования механическую прочность без ухудшения гибкости кабеля, его вспененный полиолефиновый материал в соответствии с настоящим изобретением получают из полиолефинового материала, который перед вспениванием имеет модуль упругости при изгибе в пределах от 50 МПа до 1000 МПа согласно измерению, проведенному при комнатной температуре в соответствии с документом ASTM standard D790-86. Предпочтительно упомянутый модуль упругости при изгибе при комнатной температуре не превышает 600 МПа, более предпочтительно он заключен в пределах от 100 МПа до 600 МПа.
Например, кабель фиг.1 можно изготавливать по способу, реализуемому в экструзионной аппаратуре, включающей одношнековый экструдер, имеющий диаметр в диапазоне от 60 до 175 мм и длину в диапазоне приблизительно от 20 D до 30 D, при этом данные характеристики выбирают с учетом диаметра получаемого кабеля и/или желательной производительности при выработке.
В подходящем для использования случае шнеком может являться однозаходный шнек при необязательном наличии барьерного витка в переходной зоне; вместе со шнеком никакого устройства смесителя предпочтительно не используют.
Подачу в экструзионную аппаратуру выгодно проводить при помощи многокомпонентной системы дозирования гравиметрического типа или предпочтительно волюметрического типа. Система дозирования может проводить подачу ингредиентов (полиолефинового материала, системы сшивания на силановой основе и системы пенообразования).
В случае желательности получения окрашенного кабеля (либо полностью окрашенного, либо снабженного окрашенным поверхностным покрытием) можно использовать маточную смесь, содержащую пигменты.
Вышеупомянутые ингредиенты выгодно подавать в питательное отверстие экструдера в форме гранул и дозировать с получением желательной процентной доли при помощи системы гравиметрического или волюметрического контроля. Выгодным образом улучшить диспергирование компонентов и качество конечного продукта может предварительное перемешивание ингредиентов вне производственной линии или в бункере, расположенном над питательным отверстием.
Систему сшивания, обычно доступную в жидком состоянии, необязательно вводят в экструдер в результате ее впрыскивания в нижнюю часть загрузочного бункера экструдера (верхнюю часть питательного отверстия) при низком давлении (1 бар); процентную долю вводимой системы сшивания можно регулировать гравиметрически или волюметрически.
Например, перечисленные ранее ингредиенты подают в питательное отверстие экструдера, нагревают, расплавляют и при помощи шнека перемешивают по длине экструдера, а в заключение дозируют, подавая в направляющую головку экструдера.
По длине экструдера химически активируется прививка силановых групп к полимерным цепям, и начинается процесс сшивания.
Пенообразование в полиолефиновом материале, предназначенном для изолирующего покрытия изобретения, осуществляют при помощи специального пенообразователя. Такой пенообразователь выгодно выбирать из группы экзотермического пенообразователя, в частности из азо-соединений, таких как азодикарбонамид, азобисизобутиронитрил и диазоаминобензол. Азо-соединения являются предпочтительным пенообразователем вследствие их химической инертности по отношению к реагентам, используемым при получении изолирующего покрытия, в особенности по отношению к системе сшивания.
Систему пенообразования перемешивают с другими ингредиентами, и при предварительно определенной температуре начинается ее разложение. После прохождения реакции газ, выделяемый системой пенообразования, остается диспергированным внутри смеси.
Смесь после ее прохождения через фильтрующий блок подают, например, в направляющую головку, где ее распределяют вокруг проводника в ортогональной конфигурации по отношению к экструдеру. В зоне экструзионной головки проводник покрывают смесью, и после экструзионной головки, где давление стравливают, в смеси начинается пенообразование. После отрезка длины, равного, например, 1 м, на котором нагретый проводник подвергают воздействию условий окружающей среды, последний погружают в охлаждающий желоб, в котором его подвергают охлаждению под действием турбулентного движения воды или другой подобной охлаждающей жидкости. Охлаждающий желоб может относиться к типу с одним проходом или с несколькими проходами.
Фаза пенообразования в экструдированном изолирующем слое прекращается, как только расплав охладится, так что она должна проходить в течение короткого времени.
На выходе из охлаждающего блока изолированный проводник высушивают, например, при использовании воздухоструйной системы или в результате нагревания, а после этого наматывают на барабаны.
На данной стадии сшивание изолирующего покрытия проводят необязательно при помощи воды и температуры; временную задержку для завершения фазы сшивания можно уменьшить в результате размещения барабана с изолированным проводником внутри камеры отверждения (сауны). Для того чтобы увеличить сжатие расплавленной смеси и получить пенообразование при улучшенных равномерности и размере ячеек, стадию экструдирования смеси можно осуществить при помощи экструзионной головки, имеющей уменьшенный диаметр, в соответствии с «коэффициентом вытяжки» (КВ).
Исходя из вышеизложенного, в настоящем способе экзотермический пенообразователь присутствует в количестве в диапазоне от 0,1% до 0,5% (мас.) в расчете на совокупную массу полиолефинового материала. Количества, меньшие 0,1% (мас.), приводят к получению пренебрежимо малых степеней вспенивания полиолефинового материала. С другой стороны, как будет продемонстрировано в прилагающихся примерах, количества, большие 0,5% (мас.), приведут к получению настолько больших степеней вспенивания, что это ухудшит механические характеристики продуктов.
Система пенообразования изобретения дополнительно может включать, по меньшей мере, один активатор, например соединения цинка, кадмия или свинца (оксиды, соли, обычно жирной кислоты, или другие металлоорганические соединения), амины, амиды и гликоли.
Система пенообразования в способе изобретения дополнительно может включать, по меньшей мере, один зародышеобразователь. Зародышеобразователь обеспечивает получение центров зародышеобразования, в которых физический пенообразователь будет выходить из раствора во время расширения пеноматериала; центр зародышеобразования обозначает начальную точку, из которой начинают расти ячейки пеноматериала. Если зародышеобразователь сможет обеспечить получение большего количества центров зародышеобразования, то тогда ячеек будет образовываться больше, а средний размер ячейки будет меньше.
В способе изобретения можно использовать два типа зародышеобразователей - неактивные (или пассивные) и активные зародышеобразователи. Неактивные зародышеобразователи включают твердые материалы с малым размером частиц, такие как тальк, глина, диатомовая земля, карбонат кальция, оксид магния и диоксид кремния. Данные материалы исполняют функцию зародышеобразователей в результате создания в системе разрыва, где пенообразователь выходит из раствора и образует пузырек. На эффективность данных материалов влияют форма и размер частиц. Химические пенообразователи, материалы которых выделяют газ при разложении, например азодикарбонамид, также могут выступать в роли и активных зародышеобразователей. Зародышеобразование в системах прямого газовыделения с участием химических пенообразователей называют «активным зародышеобразованием». В сопоставлении с неактивными зародышеобразователями предпочтительными являются активные зародышеобразователи вследствие большей эффективности и формирования меньших и более однородных ячеек.
Количество силановой системы сшивания является таким, которое обеспечивает получение смеси, содержащей от 0,003 до 0,015 моль силана на 100 граммов полиолефинового материала. Количество силана, меньшее 0,003 моль силана, не обеспечит получения достаточного сшивания полиолефинового материала, в то время как количество, большее 0,015 моль, помимо своей большой избыточности, может привести к проскальзыванию шнека в экструдере.
ПРИМЕР 1
Кабели низкого напряжения, как соответствующие, так и не соответствующие настоящему изобретению, изготавливали в соответствии с конструкцией кабеля, продемонстрированной на фиг.1.
2
Проводник кабеля 1 был изготовлен из меди и имел площадь поперечного сечения, равную приблизительно 1,5 мм.
Размер основного экструдера:
150/26D
Дорн экструзионной головки:
1,38 мм
Матрица экструзионной головки:
2,70 мм
Система дозирования маточной смеси системы пенообразования:
Maguire (гравиметрического типа)
Профиль температуры (°С):
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
H1
H2
H3
H4
160
180
190
200
210
220
220
230
240
240
Производительность технологической линии:
1500 м/мин
Скорость вращения
для основного экструдера:
48 об/мин
Сила тока
65 А
Давление
380 бар
Диаметр горячего кабеля:
2,9 мм
Диаметр холодного кабеля:
2,9 мм
Толщина каждого изолирующего покрытия составляла приблизительно 0,6 мм. При этом 0,7 мм соответствуют документу Italian Standard CEI-UNEL 35752 (2nd Edition - February 1990).
Каждый кабель впоследствии охлаждали в воде и наматывали на бобину для хранения.
В табл.1 также представлены степени вспенивания для каждой полимерной смеси.
Таблица 1
Кабель
Полиолефин
Система сшивания
Система пенообразования
Вспенивание
Тип
Моль
Тип
% (мас./мас.)
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Степень (%)
1
LL4004 EL
Sil/perox
0,01
-
-
0,926
0,0
2
LL4004 EL
Sil/perox
0,01
Hostatron
0,27
0,628
32,2
3
BPD 3220
Silfin 06
0,006
-
-
0,903
0,0
4
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hostatron
0,24
0,700
22,2
5
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hostatron
0,15
0,860
4,4
6
BPD 3220
Silfin 06
0,008
Hostatron
0,15
0,850
5,6
7
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hostatron 50%
0,15
0,817
9,5
8
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hostatron 50%
0,18
0,764
15,4
9
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hostatron
0,18
0,787
12,8
10
BPD 3220
Sil/perox
0,006
Hostatron
0,24
0,711
21,5
11*
BPD 3220
Sil/perox
0,12
Hostatron
0,09
0,906
0,3
12
BPD 3220
Sil/perox
0,12
Hostatron
0,18
0,833
8,1
13
BPD 3220
Sil/perox
0,12
Hostatron
0,24
0,694
23,4
14 *
BPD 3220
Sil/perox
0,006
Hostatron 50%
0,60
0,481
48,0
15 *
LL4004 EL
Sil/perox
0,01
Hydro-cerol
0,40
0,611
34,0
16 *
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hydro-cerol
0,16
0,876
3,0
17 *
BPD 3220
Silfin 06
0,006
Hydro-cerol
0,45
0,570
38,0
18
BPD 3220
Sil/perox
0,006
Hostatron 50%
0,24
0,764
15,4
Обратите внимание - моль и % (мас./мас.) относятся к уровню содержания силана или пенообразователя соответственно.
Кабели, помеченные звездочкой, являются сравнительными.
LL 4004 EL = ЛПЭНП, характеризующийся величиной MFL (длина текучести материала) 0,33 г/10 мин при 190°С при нагрузке 2,16 кг (от компании ExxonMobil Chemical).
BPD 3220 = ЛПЭНП (от компании ВР).
Sil/perox = LUPEROX 801 (от компании Arkema) плюс DYNASYLAN VTMO (от компании Degussa).
Silfin 06 = смесь винилсилана, пероксидного инициатора и катализатора сшивания (от компании Degussa).
Hostatron = система пенообразования PV22167 на основе пенообразователя азодикарбонамида (от компании Clariant).
Hostatron 50% = система пенообразования PV22167 на основе пенообразователя азодикарбонамида (от компании Clariant) при уровне содержания 50% в маточной смеси ЭВА.
Hydrocerol = BIH 40, система пенообразования на основе смеси лимонной кислоты и основного карбоната натрия в качестве пенообразователей (от компании Clariant).
Состав упомянутых смесей продемонстрирован в табл.1 (при выражении в массовых частях на 100 массовых частей полимера основы).
% (мас./мас.) пенообразователя относится к количеству добавленного пенообразователя.
Кабели 1 и 3 (никакого пенообразователя не использовали) представлены в качестве справочных примеров для вычисления степени вспенивания и для проведения электрического испытания кабелей, имеющих сшитый и вспененный изолирующий слой.
Кабели 15*-17* изолированы с использованием полимерных смесей, вспененных при помощи эндотермического пенообразователя (Hydrocerol).
Кабели 11* и 14 * изолированы с использованием полимерных смесей, вспененных при помощи экзотермического пенообразователя в количестве, выходящем за пределы предпочтительного диапазона. В случае кабеля 11 степень вспенивания является, по существу, нулевой, таким образом, в сопоставлении с кабелем, имеющим невспененное изолирующее покрытие, данному кабелю не придается преимуществ, выражаемых в гибкости и способности к зачистке. С другой стороны, кабель 14 демонстрирует наличие изолирующего покрытия, характеризующегося степенью вспенивания, чрезмерно большой и ухудшающей механические свойства, как это будет продемонстрировано в примере 3.
ПРИМЕР 2
Для кабелей из примера 1 проводили испытания для оценки степени сшивания его изолирующего покрытия в соответствии с документом Italian standard regulation CEI EN 60811-2-1:1999-05. Результаты представлены в табл.2.
Таблица 2
Кабель
Вспенивание
Тепловая деформация
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Степень (%)
Относительное удлинение (%)
1
0,926
0,0
45
2
0,628
32,2
50
3
0,903
0,0
90
4
0,700
22,2
110
5
0,860
4,4
75
6
0,850
5,6
85
8
0,764
15,4
100
9
0,787
12,8
90
10
0,711
21,5
107
12
0,833
8,1
35
13
0,694
23,4
45
14*
0,481
48,0
110
15*
0,611
34,0
60
16*
0,876
3,0
>200
17*
0,764
15,4
разрушение
18
0,570
38,0
50
Кабели, помеченные звездочкой, являются сравнительными.
Принимая во внимание то, что предел, предписанный вышеупомянутым требованием, доходит вплоть до 175%, продемонстрированный кабель 16* не попадает в пределы данного диапазона, то есть полиолефин в достаточной степени не сшился, и это оказывает негативное воздействие на стойкость к термодавлению. Кабель 17* разрушался вследствие избыточности среднего диаметра ячеек и неравномерности распределения ячеек во вспененном полиолефине, как это продемонстрировано на фиг.2. Два случая непрохождения испытания, приведенные в табл.2, приписаны использованию эндотермического пенообразователя в качестве единственного пенообразователя в способе получения сшитого и вспененного полиолефинового материала. Эндотермический пенообразователь мог бы негативно взаимодействовать с системой сшивания на силановой основе.
ПРИМЕР 3
Кабели, полученные в примере 1, подвергали испытаниям в целях измерения их механических свойств в соответствии с документом Italian standard regulation CEI EN 60811-1-1:2001-06, который требует наличия предела прочности при растяжении, равного, по меньшей мере, 12,5 МПа. Результаты представлены в табл.3.
Таблица 3
Кабель
Вспенивание
Предел прочности при растяжении
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Степень (%)
МПа
1
0,926
0,0
20,00
2
0,628
32,2
12,50
3
0,903
0,0
20,54
4
0,700
22,2
13,57
5
0,860
4,4
17,37
6
0,850
5,6
18,92
8
0,764
15,4
16,43
9
0,787
12,8
17,02
10
0,711
21,5
18,90
12
0,833
8,1
18,10
13
0,694
23,4
14,10
14*
0,481
48,0
9,70
15*
0,611
34,0
9,20
18
0,570
38,
12,80
Кабели, помеченные звездочкой, являются сравнительными.
Кабель 14* изолирован с использованием полимерных смесей, вспененных при помощи экзотермического пенообразователя, соответствующего изобретению, но используемого в количестве, выходящем за (превышающем) пределы выбранного диапазона, и обеспечивающих получение изолирующего покрытия, характеризующегося степенью вспенивания (48,0%), не соответствующей изобретению. Такой кабель продемонстрировал механические свойства, неподходящие для использования.
Кабель 15* изолирован с использованием полимерных смесей, вспененных при помощи эндотермического пенообразователя и обеспечивающих получение изолирующего покрытия, характеризующегося степенью вспенивания, попадающей в пределы диапазона изобретения (34,0%), тем не менее он продемонстрировал неудовлетворительные механические свойства. Это обуславливается использованием эндотермического пенообразователя, что делает степень вспенивания неудовлетворительной с качественной точки зрения.
ПРИМЕР 4
В следующей далее табл.4 совместно со средним диаметром ячеек оценивали механические свойства и тепловую деформацию для двух кабелей, соответствующих изобретению, и одного сравнительного кабеля.
Средний диаметр ячеек оценивали следующим образом. Случайным образом выбирали вспененную часть изолирующего покрытия, которую разрезали перпендикулярно продольной оси. Поверхность разреза рассматривали в микроскоп и на фотографии получали изображение. Измеряли большой диаметр (принимая во внимание то, что ячейки не могут быть безупречно круглыми) для 50 случайным образом выбранных ячеек. Среднее арифметическое для 50 измеренных диаметров представляет собой средний диаметр ячеек.
2
У каждого кабеля испытания проводили для двух образцов. Все данные кабели отличались от кабелей из предшествующих примеров только тем, что проводник 1 имел площадь поперечного сечения, равную приблизительно 2,5 мм.
Изолирующие покрытия для кабелей 17* и 19 экструдировали при КВ = 1, а изолирующее покрытие для кабеля 20 экструдировали при КВ = 0,7.
Коэффициент вытяжки рассчитывали в результате сопоставления площади поперечного сечения экструзионной головки и площади поперечного сечения экструдата. Использовали следующую далее формулу:
где КВ = коэффициент вытяжки;
d
D = внутренний диаметр матрицы экструзионной головки;
m
D = внешний диаметр дорна экструзионной головки;
t
D = внешний диаметр трубы;
b
D = внутренний диаметр трубы.
Таблица 4
Кабель
Полиолефин
Пенообразователь
Степень вспенивания
Средний диаметр ячеек
Механические свойства
Тепловая деформация
Тип
% (мас./мас.)
(%)
мкм
ППР (МПа)
ОУР (%)
Относительное удлинение (%)
17 *
BPD 3220
Hydrocerol
0,24
15,4
500
11,03
486,5
Разрушение для обоих
19
BPD 3220
Hostatron 50%
0,18
13
300
15,61
580,6
90; 100
20
BPD 3220
Hostatron 50%
0,18
13
100
17,15
573,3
80; 80
ППР = предел прочности при растяжении.ОУР = относительное удлинение при разрыве.
Кабели, помеченные звездочкой, являются сравнительными.
Уменьшение среднего диаметра ячеек, как было обнаружено, улучшает механические характеристики изолирующего слоя, такие как тепловая деформация и предел прочности при растяжении.
Изоляция кабеля 17* характеризуется степенью вспенивания, подобной той, что и в случае кабелей изобретения, но средний диаметр ячеек у нее больше. Большому среднему диаметру ячеек у кабеля 17* сопутствует неравномерное пенообразование, как это видно на фиг.2.
Кабели 19 и 20, соответствующие изобретению, обладают улучшенными механическими свойствами в сопоставлении с соответствующими свойствами сравнительного кабеля 17*. В частности, кабель 20 характеризуется той же самой степенью вспенивания, что и кабель 19, но меньшим средним диаметром ячеек вследствие меньшей величины КВ при экструдировании и демонстрирует превосходный предел прочности при растяжении. Упомянутые кабели продемонстрированы на фиг.3 и 4 соответственно.
ПРИМЕР 5
Для кабелей из примера 4 проводили испытания с целью измерения легкости зачистки материала изолирующего покрытия с проводника в сопоставлении с невспененным кабелем 3.
Для каждого кабеля получали шесть образцов с длиной 120 мм. Каждый образец предварительно зачищали на отрезке в 40 мм, так чтобы в испытании, проводимом в соответствии с документом MIL-W-22759, использовать 80 мм образца.
Результаты представлены в следующей далее табл.5.
Таблица 5
Кабель
Степень вспенивания (%)
Зачистка (испытание на обнажаемость)
Максимальная нагрузка (н)
Минимальная нагрузка (н)
Средняя нагрузка (н)
3
-
53,27
23,02
38,14
20
13
16,21
10,73
13,47
Усилие, прикладываемое для зачистки кабеля изобретения, меньше усилия для справочного примера в виде кабеля 3, имеющего невспененный изолирующий слой. Максимальной нагрузкой является усилие, прикладываемое для инициирования зачистки.
ПРИМЕР 6
Для трех кабелей, полученных в соответствии с примером 1 и снабженных оболочкой из ПВХ, содержащего в качестве пластификатора децилфталат (толщина оболочки = 1,56 мм), проводили испытание для оценки их механических характеристик по истечении 7 дней при 100°С (испытание на старение в соответствии с документом EN 60811). В соответствии с требованием испытания максимальная вариация предела прочности при растяжении не должна превышать ±25%. Результаты представлены в табл.6.
Таблица 6
Кабель
Вспенивание
Механические характеристики
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
Степень (%)
Предел прочности при растяжении (МПа)
Максимальная вариация (%)
3
0,903
0,0
19,72±0,49
-25,3±2,6
4
0,700
22,2
12,25±0,63
-12,2±6,4
5
0,860
4,4
17,72±1,41
12,4±4,9
6
0,850
5,6
18,91±0,79
-12,4±5,2
Кабели 4-6, соответствующие изобретению, успешно проходили испытание, в то время как кабель 3 из справочного примера, имеющий невспененный изолирующий слой, нет.
Согласно испытанию на совместимость наличие вспененного изолирующего слоя улучшает механические свойства, уменьшая отрицательные последствия миграции пластификатора, присутствующего в оболочке кабеля.