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BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY SUBSTANCES ISOLANTES ELECTRIQUES
La présente invention concerne des substances isolantes électriques et prévoit notamment des moyens pour réaliser une sub- stance isolante souple de bonnes propriétés électriques.
Pendant longtemps, on a utilisé une substance fibreuse telle que le papier comme isolant électrique, mais cette utilisa- tion a pour inconvénient principal l'hygroscopie de la cellulose, et en particulier du papier. On a proposé, pour éviter ou diminuer une absorption nouvelle d'humidité de ces substances après séchage d'utiliser un procédé d'estérification afin de déplacer un ou plu- sieurs des groupes 0 H de la molécule de cellulose suivant le degré d'estérification admis.
On a réalisé de la cellulose acétylée sous forme de brins de cotopa comme substance d'isolement qui a été utili- sée ces dernières années principalement dans le domaine des
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communications, mais l'emploi d'une substance estérifiée dans le domaine de la force a jusqu'ici été limité par suite de la néces- sité générale que la substance se présente sous la forme de ruban ou de feuille, ce qui entraînait des difficultés techniques et économiques pour la production commerciale de papier ou de ruban estérifié.
Le papier ou ruban estérifié serait encore amélioré si le ruban ou papier était imprégné d'une substance susceptible de lui impartir encore de meilleurs caractéristiques électriques, par exemple un faible facteur de perte ou une forte rigidité diélec- trique sans diminuer les autres qualités mentionnées ci-dessus.
On a trouvé que l'on pouvait par l'emploi d'un procédé de polyméri- sation imprégner des substances cellulosiques et des substances cellulosiques estérifiées avec du polystyrène en imprégnant la sub- stance avec du styrène monomère et en polymérisant ensuite le styrène sur place à l'intérieur de la substance et ce procédé donne l'effet désiré d'amélioration des caractéristiques du papier.
De façon générale, par suite, le but principal de l'acéty- lation du ruban ou papier, qui doit être utilisé comme substance iso- lante, est de réduire l'absorption d'humidité afin d'améliorer les caractéristiques électriques du ruban ou papier alors que l'impré- gnation avec du polystyrène procure une amélioration supplémentaire.
Dans certains cas, la flexibilité est de peu d'importance et le degré d'acétylation peut, si nécessaire, être amené à un point ou le ruban ou papier est raide et non flexible, par exemple dans la table donnée ci-dessous ( en considérant les colonnes 1 et 2 ) on observera que l'on obtient une amélioration du facteur de perte avec 45% d'acétylation par rapport à 30 % d'acétylation. Le tableau ci- dessous donne des résultats de mesures pour un papier dit qualité G
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TABLEAU 1 PAPIER " G " Papier manille et pulpe de bois de densité moyenne.
(Mesures faites à 65 G et 50 périodes par seconde.)
EMI3.1
<tb> Degré <SEP> d'acétylation. <SEP> Facteur <SEP> Facteur
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> perte <SEP> de <SEP> perte
<tb>
<tb>
<tb> du <SEP> papier. <SEP> après <SEP> imprégna-
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> avec <SEP> du
<tb>
<tb>
<tb> polystyrène.
<tb>
EMI3.2
0 ................................... 0,00455 0,0024
EMI3.3
<tb> 15 <SEP> - <SEP> ................................... <SEP> 0,0045 <SEP> 0,0016
<tb>
<tb> 30 <SEP> - <SEP> ................................... <SEP> 0,0031 <SEP> 0,0015
<tb>
<tb> 45 <SEP> - <SEP> ................................... <SEP> 0,00265 <SEP> 0,00135
<tb>
D'autre part, avec un papier de pulpe de bois dit papier A à forte densité la valeur obtenue pour une acétylation de 45 fait suggérer que pour obtenir les résultats les plus économiques dans les conditions mentionnées ci-dessus, l'acétylation ne devrait pas être portée au delà'de 45 , c'est-à-dire que le gain pour 45 d'acétylation est, à 65 centigrade ( et également à 35 C. et 50 C.), soit léger soit négatif et ne compenserait pas l'augmentation du prix et la rigidité du papier.
Le tableau ci-dessous donne des ré- sultats de mesures pour un papier dit qualité A " .
TABLEAU II . - PAPIER A " (Mesures faites à 65 C. et 50 périodes par seconde.)
EMI3.4
<tb> Degré <SEP> d'acétylation. <SEP> Facteur <SEP> Facteur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> perte <SEP> de <SEP> perte
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> du <SEP> papier. <SEP> après <SEP> imprégna-
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> avec <SEP> du
<tb>
<tb>
<tb> polystyrène.
<tb>
EMI3.5
0 jÉ .................................. 0.00375 0.0050
EMI3.6
<tb> 15 <SEP> - <SEP> .................................. <SEP> 0. <SEP> 0042 <SEP> 0. <SEP> 0030
<tb>
<tb> 30 <SEP> - <SEP> .................................. <SEP> 0. <SEP> 0029 <SEP> 0. <SEP> 0027
<tb>
<tb> 45 <SEP> - <SEP> .................................. <SEP> 0. <SEP> 0028 <SEP> 0. <SEP> 0029
<tb>
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Comme expliqué ci-dessus, cependant, l'imprégnation avec du polystyrène améliore les caractéristiques électriques, l'amélioration du facteur de perte apparaissant clairement dans la colonne 3 des tableaux 1 et II ci-dessus.
Dans l'ensemble, on peut déduire des tableaux donnés ci-dessus, que l'on obtient les meilleurs résultats en ce qui concerne à la fois le point de vue économique et les pro- priétés électriques du papier ou ruban résultants avec environ 35 d'acétylation et imprégnation avec du polystyrène. Une telle sub- stance a des propriétés électriques très satisfaisantes, mais elle est plutôt trop faible pour être utilisée dans des câbles, des con- densateurs enroulés, etc., aussi la, demanderesse a-t-elle trouvé nécessaire d'ajouter une certaine quantité de plastifiants au sty- rène afin d'améliorer la flexibilité du papier ou ruban résultant.
Etant donné, le fait que la plupart des plastifiants sont inférieurs au polystyrène en ce qui concerne la caractéristique diélectrique, c'est-à-dire ont un facteur de perte plus élevé, on doit, prendre soin lorsque l'on a,joute de telles substances et ces plastifiants ne peuvent pas être ajoutés au hasard.
Il a été trouvé par des essais que l'addition d'un plasti- fiant diminue le degré d'acétylation qu'il est économique d'appli- quer au ruban ou au papier, c'est-à-dire qui produit une diminution appréciable du facteur de perte. Ceci peut se voir sur le tableau suivant qui donne des chiffres comparatifs pour les papier A et G déjà mentionnés à 65 C. et 50 périodes par seconde.
EMI4.1
<tb>
FACTEUR <SEP> DE <SEP> PERTES <SEP> DE <SEP> PA- <SEP> FACTEUR <SEP> DE <SEP> PERTES <SEP> DE <SEP> PA-
<tb>
EMI4.2
Degré PIER A imprégné de ¯¯¯¯¯¯PIER G.¯¯¯¯¯¯
EMI4.3
<tb> d'acétyla- <SEP> non <SEP> imprégné <SEP> polystyrène <SEP> non <SEP> im <SEP> polystyrène
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> prégné <SEP> #############
<tb>
<tb>
<tb> ' <SEP> pur <SEP> plasti- <SEP> pur <SEP> plastifié
<tb>
<tb>
<tb> fié <SEP> avec <SEP> avec <SEP> 10% <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> 10% <SEP> de <SEP> mo- <SEP> moho-amyl-
<tb>
<tb>
<tb> no-amyl-na- <SEP> naphtalène
<tb>
<tb>
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> phtalène <SEP> ¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> % <SEP> 0.0042 <SEP> 0.0030 <SEP> 0.0020 <SEP> 0. <SEP> 0045 <SEP> 0.0016 <SEP> 0.0035
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> - <SEP> ..... <SEP> 0.00295 <SEP> 0.0027 <SEP> 0.0023 <SEP> 0.
<SEP> 0031 <SEP> 0.0015 <SEP> 0,0034
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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Sur le tableau ci-dessus, on voit que, d'une façon très inattendue, l'addition de 10 % de mono-amyl-naphthalène au polysty- rène produit une diminution du facteur de perte du papier imprégné résultant ( en considérant le papier A ) de 0,0030 à 0,0020 pour 15% d'acétylation et de 0. 0027 à 0. 0023 pour 30 % d'acétylation.
Cependant, pour 30 % d'acétylation le facteur de puissance du papier acétylé imprégné de polystyrène plastifié est de 0.0023 plus élevé que celui à 15 % d'acétylation ( 0.0020 ). Des chiffres ci-dessus on peut déduire que le facteur de perte minimum que l'on peut obte- nir pour le papier flexible se produit à 15-25 d'acétylation. Si l'on considère le papier G on observera que l'addition de 10 % de mono-amyl-naphtalène au polystyrène augmente le facteur de perte du papier résultant à 15 % d'acétylation 0.0016 à 0. 0035 et à 30 % d'acétylation de 0.0015 à 0.0034 .
Dans ce cas, le facteur de perte du papier plastifié à 30 % d'acétylation est inférieure à celui de 15 % d'acétylation ( 0. 0034 contre 0,0035 ), mais cette réduction est beaucoup trop faible pour justifier l'augmentation de 15 % d'acétylation, de telle sorte que l'on peut encore déduire que la gamme de 15-25 % d'acétylation donnera les résultats les plus pra- tiques. De façon générale, par suite lorsque l'on dépasse 25 % d'acétylation on trouve que le gain est¯léger ou même négatif pour du papier imprégné de polystyrène plastifié. Le même genre de résul- tat est obtenu à 35 C et à 50 mais dans ces cas, il apparaît plus important de réduire le pourcentage de plastifiant.
Après des essais nombreux on a trouvé que les pertes minimum pour des rubans ou papiers au styrène plastifiés et acétylés flexibles se produit dans la gamme de 15 à 25 % ( en particulier de 20 % à 25 % ) d'acétylation et 5 % à 10 % ( particulièrement 5 à 7 % ) de plastifiants. Par le terme minimum on entend que le facteur de perte diélectrique ne sera pas réduit de plus de 0. 0002 par la prolonga- tion du processus d'acétylation combiné avec une augmentation du plastifiant en vue d'obtenir une flexibilité équivalente.
En résumé,
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il est clair que dans le cas de papier de qualité G une réduction de la quantité de plastifiants tendra à réduire les pertes diélec- triques et que la perte minimum combinée avec la flexibilité mini- mum sera obtenue en réduisant la quantité de plastifiants et ( ou ) le degré d'acétylation jusqu'à, ce que le papier soit suffisamment flexible pour être utilisé, par exemple dans un câble ou un conden- sateur. Etant donné que le plastifiant a plus d'effet sur la flexi- bilité que n'en a le degré d'acétylation ( dans cette région ) la demanderesse a trouvé que 25 % d'acétylation et 6 % de plastifiants donne le point optimum ( qui est cependant, comme on le comprendra, un compromis entre la flexibilité et les pertes électriques).
Le cas du papier de qualité A est plutôt plus compliqué, la réduction de la quantité de plastifiants de 10 % à 0 % à 15 % d'acétylation donne une série de valeur du coefficient de perte allant de 0,0020 à 0.0030 . Pour 7 % de plastifiants le point de perte diélectrique minimum paraît être juste au-dessus de 20% d'acétylation avec un facteur de perte de 0.0019 . Ceci est, dans le cas de papier de qualité A, probablement le point optimum.
Les valeurs du facteur de perte, rien que mesurées à 65 C., sont suffisamment précises-dans la gamme 35 - 65 C. qui peut être considérée comme la gamme de températures de fonctionnement de l'isolant en service, par exemple dans un câble de puissance.
Suivant des caractéristiques de l'invention, on prévoit en conséquence un ruban ou papier fibreux ou flexible estérifié, c'est- à-dire acétylé entre 15 % et 30 % ( de préférence entre 20 % et 25%) et imprégnédu polystyrène plastifié par l'addition de 5 à 10 % d'un plastifiant à faible perte tel que un composé de carbone homocyclique stable ayant deux ou trois chaînes fusionnées, un point d'ébullition au dessus de 240 C., un moment électrique faible et capable de faire gonfler le polystyrène.
Finalement on notera que l'acétylation est seulement une forme de l'estérification; la cellulose acétylée a été considéré ici,
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étant donné que c'est à l'heure actuelle, la forme la plus commune et la meilleure marché d'estérification.
Bien que la présente invention ait été décrite en relation ,avec des exemples de réalisation, il est clair qu'elle n'est en rien limitée auxdits exemples et que ceux ci sont susceptibles de nombreuses variantes et modifications sans sortir du domaine de l'invention.