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Diese
Erfindung bezieht sich auf Zusammensetzungen von Substanzen, die
für die
Abschirmung von elektrischen Kabeln geeignet ist, und auf Abschirmungen
und Leistungskabel, die diese Zusammensetzung verwenden.
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Halbleitende
Abschirmungen wurden in elektrischen Kabeln als Abschirmung für den Kabelleiter
und als Isolation für
viele Jahre verwendet. Eine Leiterabschirmung ist typischerweise über dem
Kabelleiter extrudiert, um eine Schicht von intermediärer Leitfähigkeit
zwischen dem Leiter und der Kabelisolierung in dem Leistungskabel
zu schaffen. Eine Abschirmung ist zudem typischerweise über der
Isolierung vorgesehen. Herkömmliche
Zusammensetzungen für
diese Abschirmungen enthalten ein Grundpolymer als vorwiegende Komponente
der Zusammensetzung, welches mit Russ, um die Leitfähigkeit
der Zusammensetzung zu gewährleisten,
und mit verschiedenen Zusätzen,
die Antioxidantien, Prozesshilfen oder Schmiermittel und Abhärtemittel enthalten,
vermischt ist.
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Beispiele
für Zusammensetzungen
von Polymeren, die als Abschirmungen in elektrischen Kabeln verwendet
werden, können
in den Offenbarungen von US. Patent Nrn. 4,612,139 und 4,305,846,
Kawasaki et al., U.S. Patent Nr. 4,857,232, Burns, Jr., U.S. Patent
Nr. 3,849,333, Loyd et al., und U.S. Patent Nr. 5,889,117, Flenniken,
gefunden werden.
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Wie
bereits erwähnt
ist ein gängiger
Zusatz zu Zusammensetzungen von Kabelabschirmungen ein Antioxidant.
Herkömmliche
Antioxidantien, die in Zusammensetzungen von Abschirmungen für Leistungskabel verwendet
werden, enthalten sterisch gehinderte Phenole und Amine wie polymerisiertes
1,2-Dihydro-2,2,4-trimethylchinolin, Octadecyl, 3,5-Ditertbutyl-4-hydroxyhydrocinnamat,
4,4'-Thio-bis-(3-methyl-6-tert-butylphenol), Thioditylen-'bis-(3,5-Diertbutyl-4-Hydrocinnnamat,
Distearylthiodispropionat, und Mischungen von diesen Komponenten.
Die Antioxydantien sind normalerweise in Zusammensetzungen von Abschirmungen
in Mengen deutlich unter 1.0 Gew.-% der Zusammensetzung der Abschirmung,
typischer Weise weniger als 0.7 Gew.-%, enthalten. Die Antioxidanten
haben die Funktion als Stabilisatoren, um den Abbau der Polymerzusammensetzung
bedingt durch Temperaturen über
die Zeit zu verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass ein spezieller
antioxydativer Zusatz, der in eine Zusammensetzung einer Leitungsabschirmung
in gewissen Mengen beigefügt
ist, die Leistung der Zusammensetzung der Kabelabschirmung beträchtlich
verbessert. Insbesondere basiert die Erfindung auf der Entdeckung,
dass der Gebrauch eines polymerisierten Trimethylchinolins als antioxydativer
Zusatz für
Zusammensetzungen von Leitungsabschirmungen in wesentlich höheren Mengen
als konventionell verwendet, eine Kabelabschirmung ergibt, die verbesserte
Leistungswerte im Vergleich mit Kabeln, die mit anderen antioxydativen
Zusätzen
enthaltend Trimethylchinolin gebildet wurden, aufweist. Im speziellen
zeigt die erfindungsgemässe
Zusammensetzung erhöhte
Leistungswerte über
der Zeit, was durch den Beschleunigten Kabel-Life-Test (ACLT) gezeigt
wurde, im Vergleich mit Abschirmungszusammensetzungen, welche konventionelle
antioxydative Zusätzen
in konventioneller Menge verwenden.
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Die
Erfindung ist deshalb eine Zusammensetzung einer Substanz, die für elektrische
Kabel als Kabelabschirmung geeignet ist, umfassend mindestens ein
Grundpolymer, leitender Russ in einer Menge, um der Zusammensetzung
einen elektrischen Widerstand unter 500 Ωm zu geben, und einen antyoxidativen
Zusatz, welcher polymerisiertes Trimethylchinolin in einer Menge
von grösser
als 0.7 Gew.-% der Zusammensetzung enthält, und bevorzugt mindestens
1.0 Gew.-% der Zusammensetzung. Polymerisierte 1,2-Dihydro-2,2,4-trimethylchinolin,
welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 60°C hat, ist meistbevorzugt als
ein antioxydantiver Zusatz für
den Gebrauch in der Zusammensetzung dieser Erfindung.
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Zusätzlich zu
der Zusammensetzung der Substanz umfasst die Erfindung eine halbleitende
Abschirmung für
den Leiter oder die Isolation in einem elektrischen Kabel, welches
durch Extrusion der Zusammensetzung über dem Leiter oder der Isolation
des Leistungskabels gebildet wurde, und das resultierende Leistungskabel,
welches die Zusammensetzung als Abschirmung verwendet.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden für
die diejenige, die mit der Materie vertraut sind, ersichtlich durch
Lesen der detaillierten Beschreibung der Erfindung, welche folgt.
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Das
Grundpolymer der Zusammensetzung der Erfindung kann aus einer Vielfalt
von Polymeren selektiert werden, welche Kopolymere von Ethylen und
einfach ungesättigte
Ester wie Etylenethylacrylat, Etylenmethylacrylat, Ethylenmethylmethacrylat
und Ethylenvenylacetat, Kopolymere von Ethylen und ein oder mehrere Alpha-Olefinen
mit drei bis zwölf
Kohlenstoffatomen, sowie EPR und EDPM Gummi, Polyethylen geringer Dichte
(LDPE) und lineares Polyethylen geringer Dichte (LLDPE) umfasst.
Von diesen Kopolymeren ist das meistbevorzugte Ethylenvinylacetat
(EVA). Insbesondere EVA mit einem Vinylacetatgehalt zwischen 18
und 20% ist bevorzugt für
den Gebrauch als Grundpolymer in der Zusammensetzung in Mengen zwischen
55–66 Gew.-%
der Zusammensetzung und meistbevorzugt ungefähr 60 Gew.-% der Zusammensetzung.
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Die
Erfindung benötigt
keine Änderungen
oder Veränderungen
für den
gängigen
Gebrauch in bezug auf die Typen und Quantitäten von leitfähigem Russ,
welcher in der Zusammensetzung verwendet wird. Herkömmliche
Typen und Mengenverhältnisse
von leitfähigem
Russ können
verwendet werden. Insbesondere Acetylen-Russ, d.h. Russ, der aus
pyrolysierten Acetylen hergestellt wurde, wird verwendet und in
die Zusammensetzung in einer Menge eingebettet, die ausreichend
ist, um der Zusammensetzung einen Widerstand nicht grösser als
500 Ωm
und bevorzugt einen Widerstand zwischen 5 und 100 Ωm zu geben.
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Eine
beträchtliche
Anzahl von Substanzen sind für
den Gebrauch als Antioxydantien in halbleitenden Zusammensetzungen
von Abschirmungen vorgeschlagen worden. Typischerweise fallen diese
Substanzen in die Kategorie von sterisch gehinderten Phenolen und
Aminen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass
eine spezielle Gruppe von Antioxydantien, Trimethylchinolin, wenn
in der Zusammensetzung in Mengen verwendet wird, die wesentlich
höher als
herkömmliche
Mengen liegen, d.h. grösser
als 0.7 Gew.-% und bevorzugt grösser
als 1.0 Gew.-% der Zusammensetzung, eine Zusammensetzung einer Abschirmung
bildet, die gesteigerte elektrische Altersbeständigkeit aufweist, wie dies
bei dem Beschleunigten Kabel Life Test (ACLT) gemessen wurde. Trimethylchinolin
hat einen Schmelzpunkt von ungefähr
60° C und
besonders polymerisiertes 1,2-Dihydro-2,2,4-trimethylchinolin ist
mit diesem Schmelzpunkt bevorzugt. Eine Abschirmung umfassend 1.0
und 1.3 Gew.-% dieses leichtmolekulare polymerisierten 1,2-Dihydro-2,2,4-trimethylchinolins
ist meistbevorzugt, um die erhöhte
Alterbeständigkeit
zu ermöglichen.
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Zusätzlich können Prozesshilfen
und Abhärtemittel
zu der polymerisierten Formel für
ihren bekannten Zweck zugegeben werden. Obwohl Prozesshilfen nicht
notwendig sind, um homogene Mischungen und reduzierte Viskosität zu erreichen,
können
sie in die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung gegeben werden,
um diese Eigenschaften noch weiter zu verbessern. Beispielsweise
können
Prozesshilfen metallische Stearate wie Zinkstearat und Aluminiumstearat,
Stearatsalze, Stearinsäuren,
Polysiloxane, Stearamide, Etylenbisoleymide, Etylenbisstearamide,
Mischungen davon und so weiter enthalten, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Prozesshilfen,
wenn sie in die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung integriert
sind, werden allgemein verwendet in einer Menge von ungefähr 0.1 bis
ungefähr
5.0 Gew.-%, basierend auf dem gesamten Gewicht der polymerischen
Zusammensetzung. Abhärtemittel
sind typischerweise organische Peroxide, die in die Zusammensetzung
in einer Menge allgemein bis 1.5 Gew.-% integriert werden.
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Die
Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch Gebrauch
herkömmlicher
Maschinen und Verfahren hergestellt werden, um so ein Endpolymerprodukt
zu erhalten. Die Zusammensetzung kann satzweise oder durch kontinuierliche
Mischprozesse, wie sie im Stand der Technik sehr gut bekannt sind, vorbereitet
werden. Zum Beispiel können
Ausrüstungen
wie Banbury-Mischer, Buss-Kneter, und Doppelschneckenextruder verwendet
werden, um die Zutaten der Formel zu mischen. Die Komponenten der
Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung können gemischt
und für
den zukünftigen
Gebrauch zur Herstellung solcher Materialien wie isolierte elektronische
Leiter in Tabletten geformt werden.
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Die
Polymerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können in
irgendein Produkt eingefügt werden,
in welchem die Eigenschaften der Polymerzusammensetzung geeignet
sind, sie sind speziell zur Herstellung von isolierten elektrischen
Leitern, wie elektrische Leitungen und Leistungskabel, geeignet.
Insbesondere kann eine halbleitende Abschirmung der Polymerzusammensetzung
direkt über
den inneren elektrischen Leiter als Leiterabschirmung gebildet werden,
oder über
einem Isolationsmaterial als gebundene oder abziehbare Isolationsabschirmung
oder als äusseres
Umhüllungsmaterial.
Die Polymerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann auch
in Anwendungen wie Drahtfüllungen
in entweder leitenden oder nicht leitenden Formeln verwendet werden.
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Um
die vorteilhaften Merkmale der Erfindung weiter zu illustrieren,
werden die folgenden nicht einschränkenden Beispiele dargestellt.
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BEISPIEL 1: Beschleunigter
Kabel-Life-Test (ACLT)
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Vier
Leistungskabel wurden vorbereitet. Die Kabel hatten einen 1/0 19
drahtgefüllten
Aluminiumleiter umgeben von 15 mm einer Leiterabschirmung (Zusammensetzungen
in Tabelle 1 angegeben), umgeben von 175 mm einer vernetzten Polyethylenisolierung
(Union Carbide 4201), umgeben von 35 mm einer halbleitenden Isolationsabschir mung
(BICC General LS 567). Ein Kupfergeflecht wurde dann um die Isolationsabschirmung
gewickelt, um einen Erdungsweg für
den Kurzschluss im Test zu gestalten. Die Leiterabschirmung wurde zuerst
extrudiert und dann die Isolation und die äusseren Abschirmungskomponenten
gleichzeitig über
den Leiter an einen Standard-Davis-Tandem Extruder extrudiert und unter
druckgeladenen Stickstoff in einer kontinuierlichen kettengetriebenen
Vulkanisierungsschlauch ausgehärtet
und mit Wasser gekühlt.
Die Tabelle 1 enthält
die Zusammensetzung der Leiterabschirmung in jedem der vier getesteten
Kabel.
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Kommerziell
erhältliches
Leistungskabel, von dem angegeben wurde, dass es Ethylen-Vinyl Acetat und
Acetylenruss enthält,
wurde ebenso getestet.
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Fünf Proben
von 15kv-bewerteten Kabeln wurden für den Test vorbereitet. Die
Proben wurden vorbehandelt für
72 Stunden bei 90% Leitertemperatur an freier Luft. Das Zentrum
von jeder Probe wurde in 50% heissem Wasser eingetaucht. Die Temperatur
des Kabelleiters in dem Wasser wurde geregelt bis 75% für 8 Stunden
in jeder Periode von 24 Stunden. In den verbleibenden 16 Stunden
wurde der Heizstrom abgestellt. Die Proben wurden mit viermal von
der normalen Spannungsbeanspruchung energetisiert bis alle Proben
versagten.
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Die
Zeit bis zum Versagen wurden durch eine statistische Extremwertverteilung
analysiert, um die vergleichbare Durchschnittslebenserwartung oder
Verbesserung gegenüber
Kontrolldaten zu ermitteln. Für
die Weibull-Verteilung sind die Verteilungspara meter ETA (α), der Skalierungsparameter
und die Daten (β),
der Formparameter. Der Skalierungsparameter misst den relativen
Umfang oder Grösse
von der fraglichen Variablen (Lebensdauer in Tagen), während die
Formparameter die Veränderung
(oder den Bereich min. bis max.) in den individuellen Datenergebnissen
(Zeit bis Versagen) aller Proben misst. Beide Parameter der am besten angepassten
Verteilung der getesteten Proben wurden mit Kontrollproben verglichen.
Die Ergebnisse des ACLT-Tests sind in der Tabelle II angegeben.
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BEISPIEL 2:
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Dehnungsverhalten
und Zugfestigkeit wurden für
die Zusammensetzungen ermittelt, die in den Kabelproben und der
kommerziellen Probe gemäss
ASTM D412 verwendet wurden.
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Tabelle
III enthält
die ursprünglichen
Zugfestigkeiten und Dehnungsmessungen, während Tabellen IV und V die
prozentuale Dehnung und die Zugfestigkeit nach einer Alterung für einige
Tage bei 120 und 150 enthalten.
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Von
den Daten der Beispiele, die in den Tabellen I–V enthalten sind, ist es ersichtlich,
dass die Kabeltestproben 3 und 4, welche den antioxydativen Zusatz
Trimethylchinolin gemäss
dieser Erfindung enthalten, bessere Ergebnisse im ACLT Test im Vergleich
mit Kabeln zeigen, die mit anderen antioxydativen Komponenten oder
geringeren Mengen vom TQM hergestellt wurden. Auf der anderen Seite
zeigen die Zugfestigkeit und das Dehnungsverhalten der Kabelproben,
dass eine erhöhte
Menge der antioxydativen Zusätze
in der Zusammensetzung die ursprüngliche
oder gealterten Eigenschaften in Bezug auf Zugfestigkeit und Dehnung
nicht verbessern und oft sogar in einem Abfall der Zugfestigkeit
und Dehnungseigenschaften resultiert. Es ist daher überraschend
und unerwartet, dass die signifikante Erhöhung der Menge der Antioxydatien über die
herkömmliche
Menge für
Zusammensetzungen von Abschirmungen zu einer verbesserten elektrischen
Altersbeständigkeit
für die
Zusammensetzung führt.
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Während die
vorliegende Erfindung in Form von gewissen bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es beabsichtigt, dass die Ausführungsformen
die Erfindung illustrieren und nicht den Schutzbereich der Erfindung
einengen. Es ist daher für
den gewöhnlichen
Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Veränderungen möglich sind, ohne vom Geist
und Schutzbereich abzuweichen. Es ist daher von den Erfindern beabsichtigt,
die Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche zu begrenzen.
