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Dokumentenidentifikation DE60305928T2 12.10.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001528574
Titel Niedrigspannungsenergiekabel mit Isolierschicht aus Polyolefin mit polaren Gruppen
Anmelder Borealis Technology Oy, Porvoo, FI
Erfinder Jungkvist, Jonas, 414 70 Göteborg, SE;
Sultan, Bernt-Ake, 444 42 Stenungsund, SE;
Wald, Detlef, 2000 Antwerpen, BE
Vertreter Kador & Partner, 80469 München
DE-Aktenzeichen 60305928
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.10.2003
EP-Aktenzeichen 030243711
EP-Offenlegungsdatum 04.05.2005
EP date of grant 07.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2006
IPC-Hauptklasse H01B 3/44(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Niedrigspannungsenergiekabel bzw. Niederspannungsstromkabel, das eine Isolationsschicht umfaßt, die ein Polyolefin mit polaren Gruppen umfaßt, ein Verfahren zu dessen Herstellung und die Verwendung dieses Polyolefins mit polaren Gruppen bei der Herstellung einer Isolationsschicht für ein Niederspannungsstromkabel.

Stromkabel für Niederspannungen, d.h. Spannungen von weniger als 6 kV, weisen gewöhnlich einen elektrischen Leiter auf, der mit einer Isolationsschicht überzogen ist. Ein solches Kabel wird nachfolgend als einadriges Kabel bezeichnet. Zwei oder mehr derartige einadrige Kabel sind gegebenenfalls von einer gemeinsamen äußeren Hüllenschicht, dem Mantel, umgeben.

Die Isolationsschicht von Niederspannungsstromkabeln ist gewöhnlich aus einer Polymerzusammensetzung hergestellt, die ein Polymergrundharz, wie ein Polyolefin, umfaßt. Ein gewöhnlich als Grundharz verwendetes Material ist Polyethylen.

Im abschließenden Kabel ist das Polymergrundharz zudem gewöhnlich vernetzt.

Zusätzlich zum Polymergrundharz enthalten Polymerzusammensetzungen für die Isolationsschichten von Niederspannungsstromkabeln gewöhnlich weitere Zusätze, um die physikalischen Eigenschaften der Isolationsschicht des Stromkabels zu verbessern und dessen Beständigkeit gegenüber dem Einfluß von verschiedenen Umgebungsbedingungen zu erhöhen. Die Gesamtmenge der Zusätze beträgt im allgemeinen etwa 0,3 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 bis 4 Gew.-%, der gesamten Polymerzusammensetzung. Zu den Zusätzen gehören stabilisierende Zusätze, wie Antioxidantien, um der Zersetzung aufgrund von Oxidation, Strahlung usw. entgegenzuwirken; Gleitmittelzusätze, wie Stearinsäure; und vernetzende Zusätze, wie Peroxide, um die Vernetzung des Ethylenpolymers der Isolationszusammensetzung zu unterstützen.

Im Gegensatz zu Stromkabeln für Niederspannung (< 6 kV) bestehen Stromkabel für Mittelspannung (> 6 bis 68 kV) und Hochspannung (> 68 kV) aus einer Vielzahl von Polymerschichten, die um einen elektrischen Leiter extrudiert sind. Der elektrische Leiter wird zuerst mit einer inneren Halbleiterschicht überzogen, darauf folgt eine isolierende Schicht und danach eine äußere halbleitende Schicht, die jeweils auf vernetztem Polyethylen basieren. Die Außenseite dieser Kabelkernschichten besteht aus Wassersperrschichten, metallischen Sieben, einer Bettung (Polymerschicht, die das Kabel rund macht), und auf der Außenseite ist gewöhnlich eine auf Polyolefin basierende Mantelschicht aufgebracht. Die Dicke der Isolationsschicht dieser Kabel liegt im Bereich von 5 bis 25 mm.

Da bei Niederspannungsstromkabeln die Isolationsschicht gewöhnlich viel dünner ist, z.B. 0,4 bis 3 mm, und direkt auf dem elektrischen Leiter aufgebracht ist und die Isolationsschicht die einzige Schicht ist, die jeden einzelnen leitenden Kern umgibt, ist es von großer Bedeutung, daß die Isolationsschicht gute mechanische Eigenschaften, wie Bruchdehnung und Reißfestigkeit, aufweisen muß. Wenn diese dünne Polyolefinschicht auf einen kalten Leiter extrudiert wird, werden deren mechanische Eigenschaften jedoch stark beeinträchtigt. Aus diesem Grund werden beim Extrudieren von Isolationsschichten, die Polyolefine umfassen, auf Leitern gewöhnlich vorgewärmte Leiter verwendet, das ist jedoch im Vergleich mit Materialien, wie zum Beispiel PVC, von Nachteil. Die mechanischen Eigenschaften der dünnen Polyolefinschicht werden außerdem durch Weichmacher negativ beeinflußt, die aus der umgebenden Bettung und den umgebenden Mantelschichten, die auf der Außenseite des Kabelkerns (der Kabelkerne) aufgebracht sind, die bei Niederspannungsstromkabeln noch üblicher auf PVC basiert, in diese wandern.

Kabelverbindungen zwischen Niederspannungsstromkabeln werden zudem vorzugsweise so erzeugt, daß nach dem Abstreifen eines Teils der Isolationsschicht am Ende beider zu verbindenden Kabel und dem Verbinden der elektrischen Leiter oft eine neue Isolationsschicht aus einem Polyurethanpolymer erzeugt wird, die die verbundenen Leiter bedeckt. Folglich ist es wichtig, daß die Polymerzusammensetzung der ursprünglichen Isolationsschicht eine gute Haftung am Polyurethanpolymer zeigt, das für die Wiederherstellung der Isolationsschicht verwendet wird, so daß die Schicht selbst bei einer mechanischen Belastung an den Kabelverbindungen nicht zerstört wird.

Da Isolationsschichten von Niederspannungsstromkabeln gewöhnlich durch direkte Extrusion auf einem Leiter erzeugt werden, ist es zudem wichtig, daß die für die Isolationsschicht verwendete Polymerzusammensetzung ein gutes Extrusionsverhalten zeigt und nach der Extrusion gute mechanische Eigenschaften bewahrt.

WO 95/17463 beschreibt die Verwendung von Sulfonsäure als Kondensations-Katalysator, der in eine Stammischung gegeben wird, die 3 bis 30 Gew.-% LD, PE oder EBA umfaßt.

WO 00/36612 beschreibt ein Stromkabel für Mittelspannung/Hochspannung (MV/HV) mit guten elektrischen Eigenschaften, insbesondere Langzeiteigenschaften. Diese MV/HV-Kabel haben immer eine innere halbleitende Schicht und außerhalb dieser Schicht eine Isolationsschicht. Die Adhäsion zwischen diesen Schichten ist immer gut, da sie im wesentlichen aus dem gleichen Material, d.h. Polyethylenverbindungen, hergestellt sind. Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung ein Niederspannungsstromkabel und löst u.a. das Problem der Adhäsion der Isolationsschicht am Leiter und Probleme, die mit dem direkten Extrudieren auf einem Leiter verbunden sind.

WO 02/88239 beschreibt, wie Additive für einen sauren Kondensations-Katalysator ausgewählt werden sollten.

US 5225469 offenbart eine polymere Zusammensetzung für einen Niederspannungsleiter, die ein Copolymer von Ethylen und einem polaren Monomer umfaßt, der ein Alkoxysilan zugesetzt werden kann.

Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Niederspannungsstromkabel mit einer Isolationsschicht bereitzustellen, die gute mechanische Eigenschaften zeigt und gleichzeitig eine gute Adhäsion an Polyurethanpolymeren aufweist und nach der Extrusion gute mechanische Eigenschaften beibehält. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Niederspannungsstromkabel mit einer Isolationsschicht bereitzustellen, die eine bessere Beständigkeit gegenüber der Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften aufweist, die durch die Wanderung von Weichmachern aus PVC in diese Schicht hervorgerufen wird.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein solches Niederspannungsstromkabel bereitgestellt werden kann, wenn die Isolationsschicht ein Polymer mit 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen enthält.

Die vorliegende Erfindung stellt folglich ein Niederspannungsstromkabel bereit, das eine Isolationsschicht mit einer Dichte von weniger als 1100 kg/m3 umfaßt, die ein Polyolefin umfaßt, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß eine Isolationsschicht, die ein Polyolefin umfaßt, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, die Adhäsion an Polyurethanpolymeren entscheidend verbessert, so daß mit Polyurethanpolymerfüllstoffen haltbare Verbindungen zwischen den erfindungsgemäßen Niederspannungsstromkabeln hergestellt werden können.

Gleichzeitig erfüllt die Isolationsschicht des Kabels die geforderten mechanischen Eigenschaften eines Niederspannungsstromkabels. Insbesondere wird die Bruchdehnung verbessert. LV-Kabel werden oft in Gebäuden installiert. Einadrige Kabel werden gewöhnlich in einer Leitung installiert, und während der Installation werden die einadrigen Kabel durch lange Leitungen gezogen. Scharfe Kanten und insbesondere andere Installationen können zu Beschädigungen der Isolationsschicht des Kabels führen. Das erfindungsgemäße Niederspannungsstromkabel verhindert aufgrund seiner besseren Bruchdehnung ein solches Reißen beim Installieren wirksam.

Die Isolationsschicht zeigt zudem insofern ein besseres Extrusionsverhalten, da beim Extrusionsverfahren kein Vorwärmen oder ein geringeres Ausmaß des Vorwärmens des Leiters erforderlich ist, um gute mechanische Eigenschaften der abschließenden Isolationsschicht zu erreichen.

Schließlich behält die Isolationsschicht gute mechanische Eigenschaften, wenn sie mit PVC altert.

Das erfindungsgemäße Niederspannungsstromkabel ist im Hinblick auf alle geforderten Parameter sorgfältig optimiert worden. Die Kombination aus mechanischer Festigkeit bei einer geringen Absorption von PVC-Weichmachern stellt die Schlüsselparameter dar. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt dieser Erfindung ist die geringe Menge von polaren Gruppen. Das ist bei Niederspannungsstromkabeln besonders wichtig, da sie sehr kostengünstig sein müssen. Sie werden gewöhnlich nur mit einer Kombination aus Isolationsschicht und Mantelschicht hergestellt, die größtenteils ziemlich dünn ist. Es kann nicht hinreichend genug betont werden, wie wichtig es ist, daß diese Schicht einen hohen elektrischen Widerstand und eine gute mechanische Festigkeit hat. Das wird mit der geringen Menge von polaren Gruppen erreicht. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung besteht in der Herstellung einer Verbindung mit guten Verschleißeigenschaften. Wenn die Zusammensetzung eine große Menge von Copolymeren umfaßt, ist die Zusammensetzung weicher. Das bedeutet, daß der Verschleiß geringer ist. Der Verschleiß ist bei industriellen Anwendungszwecken mit zum Beispiel einem hohen Schwingungsgrad von Bedeutung. Das ist ein weiterer Grund, warum die Menge von polaren Gruppen gering sein muß.

Der Begriff "eine Verbindung mit polaren Gruppen" soll sowohl den Fall, bei dem nur eine chemische Verbindung mit polaren Gruppen verwendet wird, als auch den Fall abdecken, bei dem ein Gemisch von zwei oder mehreren solchen Verbindungen verwendet wird.

Die polaren Gruppen sind vorzugsweise aus Siloxan-, Amid-, Anhydrid-, Carboxyl-, Carbonyl-, Hydroxyl-, Ester- und Epoxygruppen ausgewählt.

Das Polyolefin, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, kann zum Beispiel hergestellt werden, indem ein Polyolefin mit einer polare Gruppen enthaltenden Verbindung gepfropft wird, das heißt durch chemisches Modifizieren des Polyolefins durch die Addition einer polare Gruppen enthaltenden Verbindung, im wesentlichen durch eine Radikalreaktion. Das Pfropfen ist z.B. in US 3,646,155 und US 4,117,195 beschrieben.

Es ist jedoch bevorzugt, daß das Polyolefin, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, durch Copolymerisation von Olefinmonomeren mit Comonomeren erzeugt wird, die polare Gruppen aufweisen. In diesen Fällen wird das vollständige Comonomer mit dem Begriff "Verbindung mit polaren Gruppen" bezeichnet. Der Gewichtsanteil der Verbindung mit polaren Gruppen in einem Polyolefin, der durch Copolymerisation erhalten worden ist, kann somit einfach berechnet werden, indem das Gewichtsverhältnis der Monomere und der polare Gruppen aufweisenden Comonomere verwendet wird, die zu dem Polymer polymerisiert worden sind. Wenn zum Beispiel ein Polyolefin, das polare Gruppen umfaßt, durch Copolymerisation von Olefinmonomeren mit einer Vinylverbindung, die eine polare Gruppe aufweist, erzeugt wird, trägt auch der Vinylteil, der nach der Polymerisation einen Teil des Grundgerüsts des Polymers bildet, zu dem Gewichtsanteil der "Verbindung mit polaren Gruppen" bei.

Als Beispiele von Comonomeren mit polaren Gruppen können folgende genannt werden: (a) Vinylcarboxylatester, wie Vinylacetat und Vinylpivalat, (b) (Meth)acrylate, wie Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Butyl(meth)acrylat und Hydroxyethyl(meth)acrylat, (c) olefinisch ungesättigte Carbonsäuren, wie (Meth)acrylsäure, Maleinsäure und Fumarsäure, (d) (Meth)acrylsäure-Derivate, wie (Meth)acrylnitril und (Meth)acrylamid, und (e) Vinylether, wie Vinylmethylether und Vinylphenylether.

Von diesen Comonomeren sind Vinylester von Monocarbonsäuren mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie Vinylacetat, und (Meth)acrylate von Alkoholen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie Methyl(meth)acrylat, bevorzugt.

Besonders bevorzugte Comonomere sind Butylacrylat, Ethylacrylat und Methylacrylat. Es können zwei oder mehrere derartige olefinisch ungesättigte Verbindungen in Kombination verwendet werden. Der Begriff "(Meth)acrylsäure" soll sowohl Acrylsäure als auch Methacrylsäure einschließen.

Das Polyolefin umfaßt vorzugsweise mindestens 0,05 Mol, stärker bevorzugt 0,1 Mol-% und noch bevorzugter 0,2 Mol-% einer polaren Verbindung mit polaren Gruppen. Die Polyolefinverbindung umfaßt ferner nicht mehr als 2,5 Mol-%, stärker bevorzugt nicht mehr als 2,0 Mol-% und noch bevorzugter nicht mehr als 1,5 Mol-% einer polaren Verbindung mit polaren Gruppen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Polyolefin, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, ein Homo- oder Copolymer von Ethylen, vorzugsweise ein Homopolymer.

Das für die Herstellung der Isolationsschicht verwendete Polyolefin wird vorzugsweise vernetzt, nachdem das Niederspannungsstromkabel durch Extrusion erzeugt worden ist. Eine übliche Methode, um diese Vernetzung zu erreichen, besteht darin, in der Polymerzusammensetzung ein Peroxid aufzunehmen, das nach der Extrusion durch Erwärmen zersetzt wird, was wiederum die Vernetzung bewirkt. Gewöhnlich werden der für die Herstellung der Isolationsschicht verwendeten Zusammensetzung 1 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise etwa 2 Gew.-% Vernetzungsmittel aus einem Peroxid, auf die zu vernetzende Polyolefinmenge bezogen, zugesetzt.

Es ist jedoch bevorzugt, die Vernetzung durch Einführen von vernetzbaren Gruppen in das Polyolefin zu bewirken, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, das bei der Herstellung der Isolationsschicht verwendet wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Polyolefin, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, ferner eine Verbindung mit hydrolisierbaren Silangruppen.

Diese Gruppen können entweder durch Pfropfen, wie z.B. in US 3,646,155 und US 4,117,195 beschrieben, oder vorzugsweise durch Copolymerisation von Silangruppen enthaltenden Comonomeren in das Polymer eingeführt werden.

Wenn eine Copolymerisation angewendet wird, wird das vollständige Comonomer mit Silangruppen mit dem Begriff "Verbindung mit Silangruppen" bezeichnet.

Das Silangruppen enthaltende Polyolefin wurde vorzugsweise durch Copolymerisation erhalten. Im Falle von Polyolefinen, vorzugsweise Polyethylen, wird die Copolymerisation vorzugsweise mit einer ungesättigten Silanverbindung durchgeführt, die mit der Formel angegeben wird, worin

R1 ein ethylenisch ungesättigter Kohlenwasserstoff-, Hydrocarbyloxy- oder (Meth)acryloxyhydrocarbylrest ist,

R2 ein aliphatischer gesättigter Kohlenstoffrest ist,

Y, das gleich oder verschieden sein kann, eine hydrolysierbare organische Gruppe ist, und

q gleich 0, 1 oder 2 ist.

Bestimmte Beispiele der ungesättigten Silanverbindung sind jene, bei denen R1 Vinyl, Allyl, Isopropenyl, Butenyl, Cyclohexanyl oder &ggr;-(Meth)acryloxypropyl ist; Y eine Methoxy-, Ethoxy-, Formyloxy-, Acetoxy-, Propionyloxy- oder eine Alkyl- oder Arylaminogruppe ist; und R2, falls vorhanden, eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Decyl- oder Phenylgruppe ist.

Eine bevorzugte ungesättigte Silanverbindung wird mit der Formel angegeben, worin A ein Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, ist.

Die besonders bevorzugten Verbindungen sind Vinyltrimethoxysilan, Vinylbismethoxyethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, &ggr;-(Meth)acryloxypropyltrimethoxysilan, &ggr;-(Meth)acryloxypropyltriethoxysilan und Vinyltriacetoxysilan.

Die Copolymerisation des Olefins, z.B. Ethylen, und der ungesättigten Silanverbindung kann unter geeigneten Bedingungen erfolgen, die zur Copolymerisation der beiden Monomere führen.

Das Silan enthaltende Polymer gemäß dieser Erfindung enthält geeigneterweise 0,001 bis 15 Gew.-% der Silangruppen enthaltenden Verbindung, vorzugsweise 0,01 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%.

Die für die Isolationsschicht verwendete Polymerzusammensetzung umfaßt vorzugsweise einen Silanolkondensations-Katalysator.

Beispiele für saure Silanolkondensations-Katalysatoren umfassen Lewis-Säuren, anorganische Säuren, wie Schwefelsäure und Salzsäure, und organische Säuren, wie Citronensäure, Stearinsäure, Essigsäure, Sulfonsäure und Alkansäuren (alkanoric acids), wie Dodecansäure.

Bevorzugte Beispiele eines Silanolkondensations-Katalysators sind Sulfonsäure und Organozinnverbindungen.

Es ist ferner bevorzugt, daß der Silanolkondensations-Katalysator eine Sulfonsäureverbindung gemäß der folgenden Formel (III) oder eine Vorläuferverbindung davon ist, wobei Ar eine mit Kohlenwasserstoff substituierte Arylgruppe ist und die gesamte Verbindung 14 bis 28 Kohlenstoffatome enthält.

Die Gruppe Ar ist vorzugsweise ein mit Kohlenwasserstoff substituierter Benzol- oder Naphthalinring, wobei der Kohlenwasserstoffrest oder die -reste im Falle von Benzol 8 bis 20 Kohlenstoffatome und im Falle von Naphthalin 4 bis 18 Atome enthalten.

Es ist ferner bevorzugt, daß der Kohlenwasserstoffrest ein Alkylsubstituent mit 10 bis 18 Kohlenstoffatomen ist, und es ist noch bevorzugter, daß der Alkylsubstituent 12 Kohlenstoffatome enthält und aus Dodecyl und Tetrapropyl ausgewählt ist. Aufgrund der kommerziellen Verfügbarkeit ist es besonders bevorzugt, daß die Arylgruppe eine mit Benzol substituierte Gruppe mit einem Alkylsubstituenten ist, der 12 Kohlenstoffatome enthält.

Die gegenwärtig besonders bevorzugten Verbindungen der Formel (III) sind Dodecylbenzolsulfonsäure und Tetrapropylbenzolsulfonsäure.

Der Silanolkondensations-Katalysator kann eine Vorläuferverbindung einer Verbindung der Formel (III), d.h. eine Verbindung sein, die durch Hydrolyse in eine Verbindung der Formel (III) überführt wird. Eine solche Vorläuferverbindung ist zum Beispiel das Säureanhydrid der Sulfonsäureverbindung der Formel (III). Ein weiteres Beispiel ist eine Sulfonsäure der Formel (III), die mit einer hydrolysierbaren Schutzgruppe, zum Beispiel einer Acetylgruppe, versehen ist, die durch Hydrolyse entfernt werden kann, wodurch die Sulfonsäure der Formel (III) erhalten wird.

Die bevorzugte Menge des Silanolkondensations-Katalysators beträgt 0,0001 bis 3 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,001 bis 2 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,005 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge des Silanolgruppen enthaltenden Polyolefins in der Polymerzusammensetzung, die für die Isolationsschicht verwendet wird.

Die wirksame Menge des Katalysators hängt vom Molekulargewicht des verwendeten Katalysators ab. Folglich ist eine geringere Menge eines Katalysators mit geringem Molekulargewicht erforderlich als bei Katalysatoren mit einem hohen Molekulargewicht.

Wenn der Katalysator in einer Stammischung enthalten ist, ist es bevorzugt, daß sie den Katalysator in einer Menge von 0,02 bis 5 Gew.-%, stärker bevorzugt von etwa 0,05 bis 2 Gew.-% umfaßt.

Die Isolationsschicht des Niederspannungsstromkabels hat vorzugsweise eine Dicke von 0,4 bis 3,0 mm, vorzugsweise 2 mm oder weniger, wobei dies von der Verwendung abhängt.

Die Isolation ist vorzugsweise direkt auf dem elektrischen Leiter aufgebracht.

Die Polymerzusammensetzung, die ein Polyolefin umfaßt, das eine Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Niederspannungskabel verwendet wird, sorgt zudem für die direkte Extrusion der Isolationsschicht auf dem nicht vorgewärmten oder nur maßvoll vorgewärmten Leiter, ohne daß die mechanischen Eigenschaften der abschließenden Isolationsschicht beeinträchtigt werden.

Die vorliegende Erfindung gibt folglich ein Verfahren zur Herstellung eines Niederspannungsstromkabels an, das einen Leiter und eine Isolationsschicht mit einer Dichte von weniger als 1.200 kg/m3 umfaßt, wobei diese Schicht ein Polyolefin umfaßt, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt, und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt, wobei das Verfahren das Extrudieren der Isolationsschicht auf dem Leiter, der auf eine Höchsttemperatur von 65°C, vorzugsweise auf eine Höchsttemperatur von 40°C, vorgewärmt wird, oder noch bevorzugter auf einen nicht-vorgewärmten Leiter umfaßt.

Zwischen dem Leiter und der Isolationsschicht kann gegebenenfalls eine Grundierung aufgebracht worden sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Polyolefins, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt, bei der Herstellung einer Isolationsschicht mit einer Dichte von weniger als 1.100 kg/m3 für ein Niederspannungsstromkabel.

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen und den folgenden Figuren weiter erläutert:

1 zeigt die Reißfestigkeit als Funktion der Vorwärmtemperatur des Leiters für das Polymer A (Vergleich) und das Polymer D, und

2 zeigt die Bruchdehnung als Funktion der Vorwärmtemperatur des Leiters für das Polymer A (Vergleich) und das Polymer D.

Beispiele 1. Für die Herstellung von Isolationsschichten verwendete Zusammensetzungen

  • a) Das Polymer A (Vergleich) ist ein Ethylencopolymer, das 0,23 Mol-% (1,25 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) enthält, das durch Radikalcopolymerisation von Ethylenmonomeren und VTMS-Comonomeren erhalten wurde. Das Polymer A hat eine Dichte von 922 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 1,00 g/10 min.
  • b) Das Polymer A (Vergleich) ist ein Ethylencopolymer, das 0,25 Mol-% (1,3 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten wurde. Das Polymer B hat eine Dichte von 925 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 1,1 g/10 min.
  • c) Das Polymer C ist ein Ethylencopolymer, das 0,25 Mol-% (1,3 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) und 0,33 Mol-% (1,5 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten worden ist, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer C hat eine Dichte von 925 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 0,9 g/10 min.
  • d) Das Polymer D ist ein Ethylencopolymer, das 0,26 Mol-% (1,3 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) und 0,91 Mol-% (4,0 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten worden ist, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer D hat eine Dichte von 925 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 0,8 g/10 min.
  • e) Das Polymer E ist ein Ethylencopolymer, das 0,30 Mol-% (1,5 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) und 1,6 Mol-% (7 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten worden ist, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer E hat eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 1, 96 g/10 min.
  • f) Das Polymer F ist ein Ethylencopolymer, das 0,34 Mol-% (1,7 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) und 2,9 Mol-% (12 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten worden ist, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer F hat eine Dichte von 925 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 1,50 g/10 min.
  • g) Vergleichsbeispiel: Das Polymer G ist ein Ethylencopolymer, das 1,8 Mol-% (8 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten wurde, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere, jedoch keine Silangruppe enthaltenden Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer G hat eine Dichte von 923 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 0,50 g/10 min.
  • h) Vergleichsbeispiel: Das Polymer H ist ein Ethylencopolymer, das 4,3 Mol-% (17 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten wurde, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere, jedoch keine Silangruppe enthaltenden Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer H hat eine Dichte von 925 kg/m3 und eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 1,20 g/10 min.
  • i) Das Polymer I ist ein Ethylencopolymer, das 0,43 Mol-% (1,9 Gew.-%) Vinyltrimethoxysilan (VTMS) und 4,4 Mol-% (17 Gew.-%) Butylacrylat (BA) enthält, das in der gleichen Weise wie das Polymer A erhalten wurde, außer daß während der Polymerisation Butylacrylat-Comonomere zugesetzt wurden. Das Polymer I hat eine MFR2 (190°C, 2,16 kg) von 4,5 g/10 min und eine Dichte von 928 kg/m3.
  • j) Die Katalysator-Stammischung CM-A besteht aus 1,7 Gew.-% des Vernetzungskatalysators Dodecylbenzolsulfonsäure, Trocknungsmittel und Antioxidantien, die in ein Copolymer von Ethylen-Butylacrylat (BA) mit einem BA-Gehalt von 17 Gew.-% und einer MFR2 = 8 g/10 min eingemengt wurden.
  • k) Das auf Polyurethan basierende Gießharz PU 300 ist ein natürlich gefärbtes Zweikomponentensystem ohne Füllstoffe, das für die Verwendung bei 1 kV Kabelverbindungen gedacht ist (gemäß VDE 0291 Teil 2, Typ RLS-W). Es hat eine Dichte von 1225 kg/m3 und eine Härte (Shore D) von 55. Das Gießharz wird von Höhne GmbH hergestellt.
  • l) Das auf Polyurethan basierende Gießharz PU 304 ist ein blaues Zweikomponentensystem mit Füllstoffen, das für die Verwendung bei 1 kV Kabelverbindungen gedacht ist. Es hat eine Dichte von 1340 kg/m3 und eine Härte (Shore D) von 60. Das Gießharz wird von Höhne GmbH hergestellt.

Die Butylacrylatmenge in den Polymeren wurde durch Fourier-transformierte IR-Spektroskopie (FTIR) gemessen. Die Gew.-%/Mol-% des Butylacrylats wurden anhand des Peaks für Butylacrylat bei 3450 cm–1 bestimmt, der mit dem Peak von Polyethylen bei 2020 cm–1 verglichen wurde.

Die Menge von Vinyltrimethoxysilan in den Polymeren wurde durch Fourier-transformierte IR-Spektroskopie (FTIR) gemessen. Die Gew.-% von Vinyltrimethoxysilan wurden anhand des Peaks für Silan bei 945 cm–1 bestimmt, der mit dem Peak von Polyethylen bei 2665 cm–1 verglichen wurde.

2. Herstellung von Niederspannungsstromkabeln

Kabel, die aus einem festen 8 mm2 Aluminiumleiter und einer Isolationsschicht mit einer Dicke von 0,8 mm (für die Proben in Tabelle 1) und 0,7 mm (für die Proben in 1 und 2) bestanden, wurde mit einem 60 mm Nokia-Maillefer-Extruder bei einer Geschwindigkeit der Anlage von 75 m/min erzeugt, wobei die folgenden Bedingungen angewendet wurden:

  • Düse: Druck (Drahtführung mit einem Durchmesser von 3,65 und eine Druckdüse mit einem Durchmesser von 5,4 mm für die Proben in Tabelle 1 und Drahtführung mit einem Durchmesser von 3,0 und einer Druckdüse mit einem Durchmesser von 4,4 mm für die Proben in 1 und 2).
  • Leiter: Nicht vorgewärmt, wenn nicht anders erwähnt.
  • Temperatur des Kühlbades: 23°C.
  • Schnecken: Elise
  • Temperaturprofil: 150, 160, 170, 170, 170, 170, 170, 170°C für die Proben in Tabelle 1, 1 und 2.

Für die vernetzten Proben wurde die Katalysatorstammischung vor der Extrusion in die Polymere trockengemischt.

3. Testverfahren a) Mechanische Eigenschaften und Adhäsionseigenschaften

Die mechanische Auswertung der Kabel erfolgte gemäß ISO 527 und der Test der Adhäsion an Polyurethan basierte auf VDE 0472-633.

b) Alterung mit PVC

Ein Plaque des Isolationsmaterials wird für 168 Stunden in einen Ofen mit 100°C gegeben. PVC-Plaques werden auf jeder Seite des Isolationsmaterial-Plaques angeordnet. Nach dem Test werden Dumbells aus den Plaques gestanzt und dann 24 Stunden bei 23°C und 50 % Feuchte konditioniert. Dann wurden die Zugtests gemäß ISO 527 durchgeführt. Die Proben, die zusammen mit PVC gealtert waren, wurden ebenfalls vor und nach dem Altern gewogen. Proben, die 168 Stunden ohne Kontakt mit PVC in einem Ofen mit 100°C gealtert waren, und auch andere Proben, die keiner Alterung unterzogen worden waren, wurden gemäß ISO 527 getestet.

4. Ergebnisse

Die in Tabelle 1 angeführten Ergebnisse zeigen, daß sowohl bei vernetzten als auch unvernetzten (thermoplastischen) Polymeren E, F bzw. G, H die mechanischen Eigenschaften mit der Einführung der polare Gruppen enthaltenden Butylacrylat-Comonomere in die Polymere verbessert wurden.

In Tabelle 2 ist zudem gezeigt, daß die Adhäsion der Polymere C und D an Polyurethan selbst bei geringen Mengen von eingeführtem Butylacrylat verbessert wird, so daß eine gute Adhäsion an Polyurethan gemäß VDE 0472-633 erreicht wird.

Die 1 und 2 zeigen, daß die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Niederspannungsstromkabel verbessert werden, wenn die Isolationsschicht bei der gleichen Vorwärmtemperatur des Leiters wie beim Vergleichsmaterial extrudiert wird. Insbesondere gilt das für die Bruchdehnung auch bei dem Fall, bei dem überhaupt kein Vorwärmen angewendet wird.

Tabelle 3 zeigt überraschend, daß polare Gruppen enthaltende Isolationsmaterialien eine bessere Beständigkeit gegenüber der Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften aufweisen, die durch den Weichmacher im PVC verursacht werden, selbst wenn das polare Gruppen enthaltende Isolationsmaterial im Vergleich mit dem mehr Weichmacher adsorbiert.


Anspruch[de]
Niederspannungsstromkabel, das eine Isolationsschicht mit einer Dichte von weniger als 1100 kg/m3 umfaßt, die ein Polyolefin umfaßt, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt. Niederspannungsstromkabel nach Anspruch 1, wobei die polaren Gruppen aus Siloxan-, Amid-, Anhydrid-, Carboxyl-, Carbonyl-, Hydroxyl-, Ester- und Epoxygruppen ausgewählt sind. Niederspannungsstromkabel nach Anspruch 2, wobei die Verbindung mit polaren Gruppen Butylacrylat ist. Niederspannungsstromkabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polyolefin 0,1 bis 2,0 Mol-% der Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt. Niederspannungsstromkabel nach Anspruch 5, wobei das Polyolefin 0,001 bis 15 Gew.-% der Verbindung mit Silangruppen umfaßt. Niederspannungsstromkabel nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Polymerzusammensetzung ferner eine Sulfonsäure oder eine Organozinnverbindung als Silanolkondensations-Katalysator umfaßt. Niederspannungsstromkabel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Isolationsschicht 0,4 bis 3 mm beträgt. Verfahren zur Herstellung eines Niederspannungsstromkabels, das einen Leiter und eine Isolationsschicht umfaßt, die ein Polyolefin umfaßt, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt, wobei das Verfahren das Extrudieren der Isolationsschicht auf dem Leiter umfaßt, der auf eine Höchsttemperatur von 65°C vorgewärmt wird. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Extrudieren der Isolationsschicht auf dem nicht vorgewärmten Leiter erfolgt. Verwendung eines Polyolefins, das 0,02 bis 4 Mol-% einer Verbindung mit polaren Gruppen umfaßt und ferner eine Verbindung mit hydrolysierbaren Silangruppen umfaßt und 0,0001 bis 3 Gew.-% eines Silanolkondensations-Katalysators einschließt, bei der Herstellung einer Isolationsschicht für ein Niederspannungsstromkabel.






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