LU83167A1 - Cables d'alimentation et de commande comportant un isolant en polyolefine flexible - Google Patents

Description

H

l » s

La présente invention se rapporte à un isolant amélioré pour des cables électriques et à un procédé de * fabrication perfectionné" de cet isolant. Un isolant en polyéthylène réticulé est trop raide, en particulier dans le cas de câbles à haute tension qui exigent une .couche d'isolart épaisse. Les copolymères du propylène ont · des propriétés électriques en substance égales à celles du polyethylene, mais ils n'ont pas la résistance physique nécessaire et doivent être additionnés d'une charge d'argile ou autre qui fournit la résistance requise, mais nuit aux propriétés électriques. Selon une nouvelle particularité de ce procédé, on utilise la vis de l’extrudeuse pour mélanger les ingrédients dans un système polymère amélioré pour une isolation de câhles.

Le polyéthylène réticulé par voie chimique et dépourvu de charge est connu depuis longtemps par l'industrie de fabrication des câbles d'alimentation comme une matière isolante présentant des pertes diélectriques très faibles, une résistance diélectrique élevée et d'excellentes propriétés physiques. Ses propriétés les plus défavorables sont sa dureté relativement élevée et sa flexibilité minimum. Les frais d'installation augmentent sensiblement en raison du temps plus long nécessaire pour réaliser les épissures et les terminaisons. Des compositions basées sur des copolymères et terpolymères de l’éthylène et du propylène et sur d'autres élastomères ont été appliquées dans les câbles d'alimentation en raison de leur flexibilité propre plus grande et de leur facilité d;installation, ce qui réduit sensiblement ces coûts.

Les caoutchoucs d'éthylène et de propylène sont des matières amorphes et exigent un renforcement par addition de charges telles que des argiles calcinées dures pour acquérir la résistance physique nécessaire pour pouvoir être utilisés en isolation. Le polyéthylène, dont la struc-* , ture est cristalline, n'exige pas de renforcement supplé mentaire et des compositions dépourvues de charge conviennent par conséquent et sont utilisées dans la plupart des applications pour câbles d;alimentation à régime supérieur à 2 kV. Un système polymère dépourvu de charge offre les meilleures propriétés électriques et inversement, l;addi- tion d’une charge nuit aux propriétés électriques naturellement bonnes des caoutchoucs d’éthylène et de propylène proportionnellement à la quantité de charge utilisée.

Suivant l'invention, les meilleures propriétés électriques d’un système polymère dépourvu de charge et la flexibilité inhérente au caoutchouc ont été combinés dans une composition convenant pour des applications pour câbles d'alimentation qui comprennent des variétés à basse et à haute tension. On a atteint ce résultat en combinant physiquement le polyéthylène et un copolymère ou un terpo-lymère de l'éthylène et du propylène, ainsi qu'un antioxydant approprié et un agent de réticulation peroxydé pour donner une composition réticulée. Les rapports dans le système polymère peuvent être modifiés pour donner plus ou moins de flexibilité, comme on le souhaite, sans altérer sensiblement d'autres propriétés physiques et sans modifier sensiblement les caractéristiques électriques. Les composés résultants sont essentiellement tenaces et flexibles et offrent les meilleures propriétés électriques comparables à celles d’un polyéthylène réticulé par voie chimique et dépourvu de charge. La réticulation elle-même peut aussi être réalisée, en l’absence d’une réticulation chimique, par durcissement sous l’effet d’un rayonnement.

Sur base de données limitées disponibles à ce moment, la longévité des composés utilisés selon la présente invention excède la longévité normalè des polyéthylènes réticulés par voie chimique et dépourvus de charge habituels. D’autres propriétés comme la flexibilité aux basses températures, la résistance aux intempéries, la résistance aux déformations et aux détériorations mécaniques sont au moins équivalentes à celles de polyéthylènes réticulés et des copolymères habituels de 1’éthylène et du propylène.

Une étude de la résistance diélectrique en courant alternatif a montré que les nouvelles compositions sont nettement supérieures aux compositions de caoutchoucs d’éthylène et de propylène et offrent une tension de percement légèrement supérieure à celle obtenue avec le polyéthylène réticulé dépourvu de charge.

L’invention comprend un nouveau procédé pour mélanger les constituants de cette composition. On se procure le polyéthylène et le copolymère de l’éthylène et du propylène à l’état brut, de préférence à Ijfo de cristallinité, sous la forme de pastilles. Ces pastilles initiales restent intactes pendant ' tout le cycle de mélange préalable qui assure tant le mélange des polymères eux-mêmes que l’addition de l’antioxydant et de l’agent de réticulation peroxydé par absorption au travers des surfaces des pastilles. Il s’agit là d’une modification du , procédé de mélange de Furukawa (brevet des Etats-Unis d’Amérique s n° 3.^55*752) pour du polyéthylène réticulable. Des modifica tions de ce procédé sont nécessaires en raison du système à deux polymères impliqué. Le mélange final est réalisé par la vis présente dans le ftit d’une extrudeuse qui homogénéise les ingrédients du système polymère pour former l’isolant avant de l’extruder sur le câble constituant le produit final. A ce stade, les polymères sont fondus l’un dans l’autre pour former une masse complète, et les additifs sont dispersés uniformément dans le mélange de polymères. Ceci est nettement différent du procédé , de Furukawa original qui n’exige pas la fusion de deux polymères dans l’opération d’extrusion finale.

D’autres buts, particularités et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description suivante , donnée à titre d’exemnle. avec référence au dessin an- la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un câble fabriqué conformément à l'invention, et nexé dans lequel : la Fig. 2 est un tableau de marche illustrant le procédé de l’invention.

La Fig. 1 illustre un câble d'alimentation de haute tension 10 comportant un conducteur toronné central 12 recouvert d'un blindage semi-conducteur l*f. Un blindage d'émission 16 est de préférence appliqué sur la surface externe du blindage de conducteur lè-.

L'isolant pour le câble, qui est désigné par le chiffre de référence 20, est appliquée sur le blindage d'é- · mission 16, ou sur le blindage lè- du conducteur s'il n'y a pas de blindage d'émission. L'isolant 20 est un mélange de polyéthylène et d'un copolymère d'éthylène et de propy-lène.

. Le copolymère de l'éthylène et du propylène ne con- , tient pas de charge, contrairement au caoutchouc d'éthylène et de propylène du brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.579*610. Le caoutchouc d'éthylène et de propylène de ce brevet contenait b0% d'éthylène, mais le copolymère d'éthylène et de propylène de l'invention contient 78 - 3% d'éthylène et présente une cristallinité de 15%, alors que le caoutchouc d'éthylène et de propylène du brevet précité était entièrement amorphe. Habituellement, on ne peut pas utiliser le caoutchouc d'éthylène et de propylène pour isoler des câbles électriques, à moins d'y ajouter une charge pour lui conférer les propriétés physiques nécessaires dans un câble, par exemple la résistance à l'abrasion, la résistance à l'entaillage et un bon comportement aux variations de température. Lorsqu’ils sont soumis à une tempe- rature plus élevée pour le durcissement, le polyéthylène et le caoutchouc d’éthylène et de propylène sont réticulés entre eux et l’un avec l’autre.

Le polyéthylène est cristallin et confère au copolymère d'éthylène et de propylène les propriétés gui lui sont nécessaires pour 1’ isolation de câbles et ces propriétés physiques améliorées sont obtenues sans nuire aux propriétés électriques du copolymère de l’éthylène et du propylène. Des charges ont été utilisées pour conférer les propriétés physiques requises,mais aux dépens des propriétés électriques qui sont essentielles pour obtenir les meilleurs résultats d'isolation. Les avantages que l'invention permet d'obtenir au point de vue électrique sont dus au fait que le système ne contient pas de charges minérales de renforcement.

Le rapport du polyéthylène au copolymère de l'éthylène et du propylène peut être de 1:1. Cependant, les proportions peuvent être largement modifiées. La quantité de polyéthylène doit être suffisante pour assurer à l'isolant la résistance physique nécessaire, mais le copolymère de l'éthylène et du propylène doit être présent en une quantité suffisante pour augmenter sensiblement la . flexibilité du polyéthylène pour les raisons expliquées dans le résumé du début du présent mémoire. Le rapport du polyéthylène au copolymère de l'éthylène et du propylène peut varier de 80:20 à 20:80. L’intervalle préféré est cependant de 60:4-0 à 4-0:60.

Comme le montre à nouveau la Fig. 1, l'isolant 20 est recouvert d’un · blindage d'isolation semi-conducteur 22, sur lequel un blindage métallique ondulé 24- est appliqué. Ce blindage métallique ondulé 24- est de préférence formé par pliage d'un ruban métallique ondulé trans- versalement dans le sens longitudinal autour de l'âme du câble. D’autres types de blindage peuvent être utilisés, par exemple un ruban métallique ou une tresse métallique.

Une gaine extérieure 26 en matière plastique est extrudée sur le blindage métallique 2k.

La Fig. 2 est un tableau de marche illustrant les opérations successives dans le procédé préféré conforme à l'invention. Pour réaliser des économies dans la fabrication du câble représenté sur la Fig. 1, on place des pastilles de polyéthylènes qui sont dures à la température ambiante, et des pastilles de copolymère d'éthylène et de propylène, qui sont molles et caoutchouteuses à la température ambiante, dans un mélangeur à contre-courant avec agitateur hélicoïdal . qui les mélange à l’état de pastilles. On transfère ensuite ce mélange dans une extrudeuse qui est chauffée.

La chaleur dans le fût de 1'extrudeuse et le travail effectué sur les pastilles par la vis contenue dans ce fût ramollissent les pastilles et mélangent soigneusement les matières constitutives des pastilles de telle sorte qu’elles fondent l’une dans l’autre en formant une masse entièrement homogène.

Si des ingrédients supplémentaires, comme un antioxydant et un agent de durcissement peroxydé sont ajoutés aux pastilles, ils diffusent à travers les parois des pastilles et se mélangent au polyéthylène et au copolymère de l'éthylène et du propylène sans attendre que les pastilles soient fondues l’une dans l’autre par 1’extrudeuse.

' , Le conducteur 12 traverse la tête de 1'extru deuse à travers un embout de guidage et l'isolant est extrudé sur le conducteur au niveau de cet embout, selon des techniques d'extrusion classiques.

L'invention permet d'améliorer le procédé d'extrusion, ce qui ne s'est pas avéré possible avec un isolant fait entièrement de caoutchouc d’éthylène et de propylène et d;une charge.

La matière isolante de l'invention peut être refoulée à travers une plaque ou un treillis à fines mailles dans l'extrudeuse à un endroit situé entre l'extrémité de la vis et l'embout de l'extrudeuse. Le mélange des deux polymères de hase, à savoir le polyéthylène et le copolymère de l’étty-lène et du propylène, peut être refoulé à travers un treillis à mailles d'une finesse équivalant à 0,0½½ mm et ceci élimine de l'isolant toutes les impuretés solides d'un calibre de ½3,2 î. L'élimination de particules d'un calibre supérieur à ½3,2 ^u ou la fragmentation des particules qui traversent le treillis augmentent fortement l’efficacité de l'isolant en la rendant à même de supporter une contrainte de tension plus élevée par micron d'épaisseur.

La matière préférée pour le copolymère de l'éthylène et du propylène est fournie par la société Exxon Chemical Co., dont l'adresse est P.O. Box 201, Elorham Park, New Jersey Ο7932, Etats-Unis d'Amérique. Le copolymère particulier que la Demanderesse a utilisé et qui est décrit dans le présent mémoire est désigné par la Société Exxon Chemical Co. sous le nom de "Vistalon 702" et a une cristallinité approximative de 15%· La Société Exxon Chemical Co. fabrique un autre copolymère de l’éthylène et du propylène sous le nom de "Vistalon qui est en substance exempt de cristallinité. Ce copolymère amorphe ne peut pas être utilisé pour l'invention, parce qu'il exige une charge pour offrir la résistance nécessaire pour l’isolation.

Une matière équivalente à celle revendiquée dans le présent mémoire est un copolymère d' éthylène et de propylène dans lequel un diène est ajouté pour former un terpolymère. Cette matière désignée sous le nom de "Nordel 2722" est fournie par la Société DuPont de Wilmington, Delaware, Etats-Unis d'Amérique. Pour les revendications, ce Nordel 2722, sans charge, doit être considéré comme un équivalent mécanique du copolymère de l'éthylène et du pro-pylène présentant une certaine cristallinité. Il peut exister d’autres produits -inconnus de la .Demanderesse qui sont des équivalents chimiques des copolymères de l’éthylène et du propylène et présentant une cristallinité suffisante pour former un isolant lorsqu'on les mélange à du polyéthylène et sans aucune charge dans l'isolant.

L'expression "copolymère de l'éthylène et du propylène" est utilisée ici dans un sens large et comprend de tels copolymères, même lorsqu'un monomère copolymérisé . supplémentaire est éventuellement présent dans le terpoly-mère d'éthylène et de diene Nordel décrit plus haut.

L'expression "sans charge" utilisée dans le présent mémoire qualifie un isolant auquel aucune matière, habituellement de l'argile, n'a été ajoutée en vue d’en augmenter la résistance mécanique. Cette charge nuit aux propriétés électriques de l’isolant.

Bien entendu, l’invention n’est en aucune manière limitée aux détails d’exécution décrits plus haut auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.

K

Claims (13)

1. Procédé pour fabriquer une couche d'isolant pour un câble d'alimentation électrique, qui comprend le mélange de pastilles de polyéthylène et de copolymère d;éthylène et de propylène, d’un antioxydant et d’un agent de réticulation, dans lequel on mélange les ingrédients de manière non homogène, dans un mélangeur à contre-courant avec agitateur hélicoïdal en l’absence de toute charge minérale de renforcement dans le mélangeur à contre-courant, on introduit ensuite les ingrédients polymères mélangés, ainsi que l’antioxydant et l'agent de réticulation dans un fût d'extru-deuse comportant une vis d'alimentation dans ce fût, à mesure que les ingrédients sont refoulés a travers le fût de l'ex-trudeuse par la vis d'alimentation, on homogénéise et on extrude simultanément les ingrédients pour enrober un conducteur électrique du mélange de polyéthylène et du copolymère d'éthylène et de propylène, le copolymère présentant une cristallinité d’environ 15$ et ne contenant pas de charge qui améliore les propriétés physiques de l'isolant, on ajoute au copolymère du polyéthylène pour fournir un supplément de cristallinité à l'isolant, le polyéthylène formant avec le copolymère d'éthylène et de propylène un système polymère présentant des propriétés électriques en substance égales à celles du polyéthylène et des propriétés physiques améliorées en l’occurrence une ténacité supérieure à celle du copolymère et une flexibilité supérieure à celle du polyéthylène.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’on mélange des pastilles du copolymère de l'éthylène et du propylène et des pastilles de polyéthylène, tous les polymères étant d'une qualité convenant pour l'isolation électriaue. avec un so-on-h ^ réticulation et avec un antioxydant, on homogénéise le mélange et on l'extrude sur l'âme d'un câble,puis on réticule le système polymère flexible.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fabrique l'isolant sans utiliser de charge non polymère pour augmenter la résistance physique de l'isolant et on compte sur la cristallinité du copolymère et du polyéthylène pour obtenir la résistance physique et la ténacité requises pour un câble d'alimentation électrique isolé. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on améliore la flexibilité de câbles électriques isolés par du polyéthylène réticulé en élaborant · l'isolant à partir d'un mélange de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène dans un rapport de 80:20 à 20:80 et on applique la composition en tant qu'isolant autour d'un conducteur de câble.

5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du polyéthylène ou du caoutchouc d; éthylène et de propylène est de 60:1+0 à 1+0:60.

6. Procédé suivant la revendication 1, suivant lequel on mélange des pastilles de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène et on introduit le mélange dans une extrudeuse chauffée que le conducteur traverse, on mélange soigneusement le polyéthylène et le copolymère d'éthylène et de propylène dans 1'extrudeuse en agitant et en travaillant le polyéthylène et le copolymère de l'éthylène et du propylène au moyen d'une vis présente dans le fût d'une extrudeuse qui refoule la matière contenue dans ce fût vers son extrémité de débit par laquelle le mélange du polyéthylène et du copolymère de l'éthylène et du propylène'sont extrudés sur la surface externe du conducteur, caractérisé en ce qu'on adjoint des agents de réticulation chimiques et un antioxydant au polyéthylène et au copolymère de l'éthylène et du propylène tandis que ceux-ci sont sous la forme de pastilles, on répartit l'agent de réticulation chimique et l'antioxydant par dispersion à travers les parois des pastilles de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène, on mélange le polyéthylène et le copolymère d'éthy-' lène et de propylène dans un mélangeur à contre-courant avec agitateur hélicoïdal avant de les placer dans 1'extrudeuse.

7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prépare un mélange de polyéthylène et de copolymère d;éthylène et de propylène fondus l'un dans % l'autre, avec l'antioxydant et l’agent de réticulation à l'intervention d'une extrudeuse dans laquelle les ingrédients sont mélangés, on fait passer le mélange fondu à travers un treillis puis par-dessus un embout d'extrusion et par une filière d'extrusion de 1'extrudeuse.

8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le treillis comporte des mailles d'une finesse de 0,0W mm pour éliminer des particules d'un calibre supérieur à H-3,2 yu, le treillis étant placé entre l'extrémité de sortie de la vis et l'extrémité de sortie ou de débit de l'embout de 1'extrudeuse. v 9 - Câble électrique caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un conducteur et une couche d'isolant entourant le conducteur et comprenant un mélange de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène dans un rapport approximatif de 80:20 à 20:80 et qui sont tous deux réticulés, le câble étant un câble à haute tension comportant une couche semi-conductrice de matière extrudée entre le conducteur et l'iso- lant, et une autre couche de matière semi-conductrice autour de la surface externe de l'isolant, le mélange de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène comprenant un système polymère qui constitue l'isolant du câble, le polyéthylène servant à conférer au copolymère d'éthylène et de propylène les propriétés physiques nécessaires, notamment une viscosité suffisamment basse pour qu'il puisse être extrudé sur la couche semi-conductrice à une température de traitement, le copolymère de l'éthylène et du propylène étant en substance exempt de toute charge visant à lui conférer des propriétés physiques améliorées, le copolymère de l'éthylène et du propylène améliorant la flexibilité de 1’ isolant par rapport à celle d’un isolant * en polyéthylène réticulé.

10. Câble électrique suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un blindage métallique à l'extérieur de l'isolant et une gaine extérieure sur le blindage métallique.

11. Câble électrique suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un blindage d'émission qui entoure la couche semi-conductrice située entre le conducteur et l'isolant, ce blindage d'émission étant placé entre la couche semi-conductrice et la surface interne de l'isolant.

12. Câble électrique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que l'isolant comprend du polyéthylène et un copolymère de l'éthylène et du propylène dans un rapport approximatif de 6û:è-0 à *+0:60, ces deux polymères étant réticulés entre eux et l’un avec l’autre.

13. Câble électrique suivant la revendication 9, caractérisé par un isolant qui, à la température d’extru- sion, a une viscosité telle qu’il puisse être refoulé à travers un treillis à mailles fines de 0,0è-è- mm, 1;isolant étant exempt d’impuretés solides d’un calibre supérieur à environ ^3,2 /U. 1½ - Câble électrique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le caoutchouc d’éthylène et de propylène est un terpolymère de l’éthylène et du propylène et d’un troisième comonomère.

15. Procédé pour fabriquer une couche d’ioslant sans charge pour des câbles d’alimentation électriques, caractérisé en ce qu’on élabore un copolymère de l’éthylène et du propylène présentant une cristallinité d’environ 1% et ne contenant pas de charge qui améliore les propriétés physiques de l’isolant, on ajoute au copolymère du polyéthylène pour augmenter la cristailinité de l’isolant, le polyéthylène formant avec le copolymère un système polymère présentant des propriétés électriques sensiblement égales à celles du polyéthylène et des propriétés physiques améliorées, à savoir une ténacité supérieure à celle du copolymère et une flexibilité supérieure à celle du polyéthylène, on mélange des pastilles du copolymère de l’éthylène et du propylène et des pastilles de polyéthylène, tous les polymères étant d’une qualité convenant pour l’isolation électrique, avec un agent de réticulation et un antioxydant, on homogénéise le mélange et on l’extrude sur une âme d’un câble puis on réticule le système polymère flexible, on introduit les ingrédients polymères mélangés de l’isolant -dans une extrudeuse comportant une vis d’alimentation et on homogénéise le mélange au moyen de la vis d’alimentation dans un fût d’extrudeuse à mesure que les ingrédients sont refoulés à travers le fût de cette extrudeuse, on fait passer une âme d’un câble électrique à haute tension à travers une filière d’une extrudeuse et on extrude une couche d'une polyolefine flexible sur* l'âme à mesure que le mélange est homogénéisé dans 1'extrudeuse et est extrudé par la filière d'extrusion, l'isolant étant élaboré sans l'aide d'une charge non polymère augmentant sa résistance physique, et on compte sur la cris-tallinité du copolymère et du polyéthylène pour obtenir la résistance physique et la ténacité requise pour un câble électrique d'alimentation isolé.

16. Procédé pour améliorer la flexibilité de câbles électriques isolés par du polyéthylène réticulé, *r caractérisé en ce qu'on prépare l'isolant a partir d'un mélange de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de . ψ = propylène dans un rapport de 60:½ à ^0:60, on incorpore à la composition un agent de réticulation chimique et un antioxydant, on mélange des pastilles de polyéthylène et de copolymère d'éthylène et de propylène et on introduit le mélange dans une extrudeuse chauffée que traverse le conducteur, on mélange soigneusement le polyéthylène et le copolymère de l'éthylène et du propylène dans 1'extrudeuse en agitant et en travaillant le polyéthylène et le copolymère de l'éthylène et du propylène au moyen d'une vis dans le fût d'une extrudeuse qui refoule de la matière dans le fût de 1'extrudeuse vers son extrémité de débit à laquelle le mélange de polyéthylène et de copolymère de l’éthylène et du propylène est extrudé sur la surface externe du conducteur, on associe un agent de réticulation chimique et un.antioxydant au polyéthylène et au copolymère de l'éthylène et du propylène tandis que ceux-ci sont encore sous la forme de pastilles, on répartit l’agent de réticulation chimique et l'antioxydant par dispersion à travers les parois des pastilles du polyéthylène et du co- polymère de 11éthylène et du propylène, on mélange les pastilles de polyéthylène et de copolymère de 11 éthylène et du propylene dans un mélangaurà contre-courant avec agitateur hélicoïdal avant de les placer dans 1’extrudeuse, on forme un mélange fusionné de polyéthylène et de copolymère d;éthylène et de propylène fondus l’un dans l’autre avec l’antioxydant et l’agent de réticulation par mélange dans 1’extrudeuse, on fait passer le mélange fusionné à travers un treillis puis par dessus un embout d’extrusion et à travers une filière d’extrusion de 1’extrudeuse. C - T »