ПТФЭ-МАТЕРИАЛ С ПРОТИВОКОРОННОЙ ЗАЩИТОЙ
PTFE MATERIAL HAVING CORONA SHIELDING

Настоящее изобретение относится к материалу на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и к его применениям, например, для получения электрических кабелей.
Последние разработки в авиапромышленности способствовали заметному увеличению количества электрооборудования на борту летательных аппаратов. Кроме того, появления тяжелых транспортных самолетов и желание ограничить влияние полетов на окружающую среду привело авиаконструкторов к поиску средств для минимизации веса указанных аппаратов.
На уровне электрических кабелей, применяющихся в летательных аппаратах, эти тенденции отражаются в получении кабелей, способных передавать все более и более высокое напряжение без изменения по возможности веса или размеров. В этих условиях повышение напряжения имело следствием возникновение внутри кабелей явления частичного электрического разряда из-за лавинной ионизации воздуха. В этом процессе электроны, испытывающие действие мощного электрического поля, приобретают достаточно энергии, чтобы вызвать ионизацию нейтральных молекул (например, молекул газов, из которых состоит воздух) и создать в результате новые свободные электроны, также способные ионизировать другие нейтральные молекулы. Когда напряжение достаточно, возникает электрическая дуга.
На это явление, называемое также «коронным разрядом», влияют различные факторы, такие как природа и температура материала, внутри которого происходит разряд, и давление окружающего воздуха. Действительно, когда давление воздуха снижается, напряжение появления разряда также снижается. Однако самолет летает обычно на средней высоте 10000 метров, где давление составляет примерно 200-300 ГПа. Таким образом, условия полета благоприятствуют появлению коронного разряда.
Когда частичный разряд имеет место в кабеле, содержащем проводящую жилу, покрытую изоляционным материалом, этот материал испытывает различные напряжения:
- термические напряжения из-за локального повышения температуры в зоне, где происходит частичный разряд,
- химические напряжения из-за образования озона и азотной кислоты при частичном разряде,
- механические напряжения из-за эрозии поверхности материала и увеличения пор внутри него.
Все эти напряжения ведут к ухудшению материала, варьирующемуся от простого преждевременного старения до появления трещин.
Заявка US 2004/0031620 описывает электрический кабель, в котором изоляционный материал, окружающий проводящую жилу, является матрицей на основе полиамидимида или сложного полиэфиримида, к которому добавлен оксид металла (диоксид титана). Этот материал позволяет предотвратить коронный разряд.
Тем не менее некоторые приложения требуют применения материала, имеющего одновременно электроизоляционные свойства и хорошую термостойкость, такого как ПТФЭ.
Однако введение оксидов металла (называемых также наполнителями), таких как диоксид титана, в экструдированный ПТФЭ при содержаниях, позволяющих получить противокоронную защиту, до настоящего времени не было реализовано. Действительно, это введение вызывает две главные проблемы:
- присутствие наполнителей в ПТФЭ имеет следствием то, что ПТФЭ становится пористым, т.е. ведет к получению ПТФЭ-материала низкой плотности. Однако чтобы не способствовать коронному разряду, необходимо ограничить количество воздуха, присутствующего в материале, и, следовательно, минимизировать число имеющихся в нем пор;
- присутствие наполнителя в ПТФЭ вызывает, кроме того, проблемы при экструзии материала, такие как повышение давления экструзии или риск повреждения во время каландрования. Эти явления могут быть устранены добавлением смазочного материала в композицию. Однако на этапе сушки смазочный материал также способен создавать поры в материале, в который он введен, приводя в таком случае к материалу низкой плотности.
Работа авторов изобретения позволила им разработать новый материал на основе политетрафторэтилена и оксида металла, обладающий противокоронная защитой и устраняющим указанные выше проблемы.
Таким образом, настоящее изобретение относится к материалу на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) обычной плотности, полученному из смеси, содержащей:
- ПТФЭ,
- от 5 до 15% вес. оксида металла, предпочтительно от 5 до 12% вес., еще более предпочтительно от 5 до 10% вес.,
- от 15 до 30% вес. смазочного материала, предпочтительно от 20 до 27% вес.,
- от 0,1 до 1% вес. смачивателя, предпочтительно от 0,3 до 0,7% вес.,
причем весовые проценты указаны в расчете на полный вес ПТФЭ.
Под "ПТФЭ" понимается немодифицированный или модифицированный ПТФЭ. Под модифицированным понимается разветвленный ПТФЭ, разветвление которого связано с углеродной цепью ПТФЭ через атом кислорода.
Под "обычной плотностью" имеется в виду материал на основе ПТФЭ, имеющий плотность выше 1,45.
Под "оксидом металла" имеются в виду главным образом оксиды щелочноземельных металлов, переходных металлов и неблагородных металлов. Предпочтительно, оксид металла выбран из группы, состоящей из диоксида титана, оксида алюминия, оксида цинка, оксида меди, оксида магния и оксида серебра.
После экструзии ПТФЭ-материал, полученный выше, имеет следующий состав:
- ПТФЭ,
- от 5 до 15% вес. оксида металла, предпочтительно от 5 до 12% вес., еще более предпочтительно от 5 до 10% вес.,
- следовые количества смазочного материала и/или смачивателя,
причем весовые проценты указаны в расчете на полный вес ПТФЭ.
Предпочтительно, смазочный материал является жидкостью на основе углеводородов, таких как изопарафиновый углеводород, в частности, Isopar™, а смачиватель является жирным спиртом, предпочтительно додекан-1-олом. Смачиватель позволяет получить лучшую смешиваемость ПТФЭ с наполнителями и благоприятствует, таким образом, получению гомогенной смеси.
Isopar™ (Exxon Mobil Chemical) является смесью синтетических изопарафиновых углеводородов высокой чистоты.
Итак, материал согласно изобретению позволяет рассеять электроны, образующиеся при частичном разряде (противокоронная защита). Выбор содержания оксида металла и смазочного материала, а также присутствие смачивателя позволяют получить конечный ПТФЭ-материал высокой плотности. Кроме того, этот материал может быть приготовлен экструзией.
2
2
Предпочтительно, должны контролироваться гранулометрический состав и удельная поверхность частиц оксида металла. Гранулометрия составляет от 10 нм до 1 мкм, предпочтительно от 150 нм до 500 нм. Равным образом, выбирают частицы оксида металла, имеющие удельную поверхность от 3 до 200 м/г, предпочтительно от 5 до 50 м/г.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, материал содержит, кроме того, от 0 до 3% вес. пигмента.
Для применения в области электрических кабелей материал по изобретению после экструзии и резки находится в виде полосы, обычно длиной несколько километров и шириной от 3 до 400 мм. При выпуске в продажу полоса будет предпочтительно иметь ширину от 5 до 30 мм.
Изобретение относится также к способу получения ПТФЭ-материала, какой описан выше, содержащему этапы, состоящие в том, чтобы:
- смешать ПТФЭ, оксид металла, смазочный материал, смачиватель и возможный пигмент и
- экструдировать продукт, полученный на этапе смешения.
Предпочтительно, описанный выше этап смешения проводится в два приема. Тогда способ будет содержать следующие этапы, состоящие в том, чтобы:
- приготовить первую смесь, содержащую оксид металла и ПТФЭ в порошке,
- приготовить вторую смесь, содержащую смазочный материал, смачиватель и возможный пигмент,
- распылить вторую смесь на первую смесь,
- гомогенизировать, а затем просеять полученный продукт, и
- экструдировать полученный продукт.
Этот способ позволяет получить более однородный продукт, так как он существенно ограничивает агрегирование. Действительно, на последующем этапе каландрования наличие агрегатов в материале является критическим фактором, учитывая тонкость, которую желательно получить для конечной полосы, толщиной порядка 50-200 мкм.
Как говорилось выше, способ содержит обычно два дополнительных этапа после экструзии:
- каландрование и
- сушку.
Каландрование проводится при давлении выше 150 бар, а сушка при температуре в интервале от 130 до 230°C.
Полоса может поставляться необработанной, когда она предназначена для применения в качестве сырья, или сшитой, когда ей уже придана форма конечного продукта. Этап сшивки проводится в печи при температуре ниже 450°C, предпочтительно ниже 400°C.
Наконец, изобретение относится к различным применениям материала согласно изобретению.
Согласно первому применению, материал по изобретению является электроизоляционным материалом, особенно хорошо подходящим для изготовления электрических кабелей. В частности, характеристики этого материала делают его материалом выбора для применения в области воздухоплавания.
Таким образом, изобретение относится к электрическому кабелю, содержащему полосу из материала по изобретению, обмотанную вокруг проводящей жилы.
Под "проводящей жилой" понимается провод, имеющий проводимость, такой как медный провод или провод из оксида алюминия, диаметром несколько миллиметров, возможно обработанный серебром для улучшения проводимости.
Этот же кабель может содержать одну или несколько проводящих жил. Они могут быть обмотаны полиимидной пленкой, например, типа Kapton (Dupont), перед обматыванием одной или несколькими полосами согласно изобретению.
Предпочтительно, кабель может быть получен с помощью способа, включающего этапы, состоящие в том, чтобы:
- обмотать полосу вокруг проводящей жилы и
- прокаливать кабель при температуре ниже 450°C, предпочтительно ниже 400°C.
Согласно второму применению, материал по изобретению используется как электроизоляционный материал, в частности в области авиации. Действительно, помимо его противокоронной защиты, материал по изобретению имеет термостойкие свойства, что выгодно.
Изобретение станет более понятным при изучении следующего примера, данного исключительно в целях иллюстрации.
Пример 1. Сравнение двух рецептур ПТФЭ-материала
Рецептуры
Композиция 1
Композиция 2
ПТФЭ порошок (кг)
10
10
Наполнитель
ZnO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Содержание наполнителя (кг)
1
1
Гранулометрия (нм)
500
100
Удельная поверхность (м<sup>2</sup>/г)
15
10
Isopar™ (кг)
2,5
2,9
Плотность (конечного продукта)
1,5
1,38
Способ получения
Способ содержит 3 этапа:
- смешение,
- экструзия/каландрование,
- резка/придание товарного вида.
Смешение
Оксид металла и порошок ПТФЭ смешивают, чтобы составить первую смесь. Предпочтительно, эту первую смесь просеивают, чтобы избежать присутствия агрегатов. Затем смешивают смазочный материал (Isopar), смачиватель и, возможно, пигменты, чтобы образовать вторую смесь. Затем вторую смесь распыляют на первую смесь и полученный продукт затем снова перемешивают, после чего просеивают, чтобы он стал однородным.
Экструзия/каландрование
Затем продукт уплотняют, чтобы получить заготовку, обычно цилиндр высотой 30 см и диаметром 10 см. Эти заготовки затем экструдируют, а потом каландрируют, чтобы получить полосу желаемой толщины (например, 76 мкм). Эту полосу затем проводят в печь, чтобы испарить смазочный материал, и наматывают на бобышку.
Резка/фасовка
Этот последний этап позволяет придать полосе товарный вид (например, намотка в рулоны или на универсальную бобину).
Полоса может поставляться клиентам не обработанной термически. При ее использовании на кабеле, его подвергают термообработке при температуре максимум 450°C, предпочтительно 380°C.
Заключение
Пример 1 позволяет получить годную для применения полосу, в отличие от примера 2. Действительно, полоса согласно примеру 2 имеет клейкую текстуру (отслаивание) и неоднородную плотность.