SE513079C2 - Komposition för en elektrisk kabel - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 513 079 2 Det inre halvledande skiktet inbegriper normalt en etensampolymer, såsom en eten-vinylacetatsampolymer (EVA), en eten-etylakrylatsampolymer (EEA), eller en eten-butylakrylatsampolymer (EBA) tillsammanš med en tillräcklig mängd kolsvart för att göra kompositionen halvledande. Det yttre halvledande skiktets samman- sättning varierar beroende på om det skall vara skalbart eller inte. Normalt inbegriper ett skalbart halvledande skikt en etensampolymer, såsom en eten-vinylacetatsam- polymer (EVA), eventuellt tillsammans med ett akryl- nitril-butadiengummi (NBR) och tillräckligt med kolsvart för att göra kompositionen halvledande. Ett ej skalbart (bundet), yttre halvledarskikt kan inbegripa EVA, EEA eller EBA tillsammans med en mängd kolsvart som är till- räcklig för att göra kompositionen halvledande.

En begränsning hos etenplast är dess tendens att i närvaro av vatten och under inverkan av starka elektriska fält utsättas för bildning av dendritiskt förgrenade defekter, s k vattenträd, som kan leda till överslag och eventuellt strömavbrott. Denna tendens påverkas starkt av förekomsten av inhomogeniteter, mikrohålrum och föro- reningar i materialet. Vattenträdsbildning har studerats noga, speciellt sedan 1970-talet, när polymermaterial, och i synnerhet tvärbunden polyeten blev det dominerande isolationsmaterialet för elektriska kablar för medelhöga och höga spänningar. Under de gångna åren har dessa stu- dier medfört förbättringar i konstruktionen av kablarna, tillverkningsförfarandet samt kvaliteten och renheten hos de använda materialen. Dessa förbättringar har resulterat i en ökad användningslivslängd hos de tillverkade kablar- na.

Genom den europeiska patentskriften EP-A-0 057 604 är det känt att hämma vattenträdsbildning genom att till en halvledande komposition, som huvudsakligen består av en polyolefin och 5-50% viktprocent kolsvart baserat på vikten av hela kompositionen, sätta en polyetylenglykol med en molekylvikt av ca 1000-20000 i en mängd av 0,1-20 Gl lO 15 20 25 30 35 513 079 3 viktprocent. Denna komposition är avsedd för halvledande skikt hos elektriska kablar och genom tillsättning av polyetylenglykol anges det vara möjligt att eliminera vattenträd, som växer in i det isolerande skiktet från gränsytan mellan det isolerande skiktet och det halv- ledande skiktet.

Vidare beskriver den amerikanska patentskriften US-A-4 812 505 en komposition, som är användbar som isolerande skikt i elektriska kablar och som är mot- ståndskraftig mot vattenträdsbildning. Kompositionen inbegriper en sampolymer av eten och minst en alfa-olefin med 4-8 kolatomer, såsom 1-buten, 1-hexan eller 1-okten, och inbegriper dessutom en polyetylenglykol med en mole- kylvikt i området ca 1000-20000 i en mängd av 0,1-20 viktprocent.

Trots kompositionerna enligt tidigare teknik och den motståndskraft mot vattenträdsbildning de erbjuder, finns det ett behov av material med ytterligare förbättrade egenskaper avseende vattenträdsbeständighet (water tree resistance, WTR), elektrisk genomslagshållsfasthet och dielektrisk förlustfaktor.

Sammanfattning av uppfinningen Man har nu överraskande funnit att utmärkta resultat med avseende på vattenträdsbeständighet och elektrisk genomslagshàllfasthet kombinerat med en anmärkningsvärt låg dielektrisk förlustfaktor kan uppnås genom att i kompositioner för elektriska kablar införliva ett speciellt glycerolfettsyraestertillsatsmedel, eventuellt i kombination med ytterligare tillsatsmedel, som t ex polyetylenglykoler.

Föreliggande uppfinning àstadkommer sålunda en komposition för en elektrisk kabel, kännetecknad därav, att den inbegriper en etenplast och en förening med den allmänna formeln (I) RlofcßfluoRzwnnRß 10 15 20 25 30 35 513 079 vari n = 3-20, och mera föredraget n = 3-8, R1, Rzoch R3, som är samma eller olika, betecknar väte eller en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer, med villkor att det finns minst två fria OH-grupper och minst en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen.

Andra utmärkande kännetecken och fördelar hos föreliggande uppfinning kommer att framgå av följande beskrivning och de bifogade patentkraven.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Föreningen med den allmänna formeln (I) är en mono- eller polyglyceroleter, vari minst en OH-grupp bildar en ester med en karboxylsyra med 12-24 kolatomer. Företrä- desvis är föreningen med formeln (I) en monoester, dvs den innehåller en rest av en karboxylsyra med 8-24 kol- atomer per molekyl. Vidare bildar den esterbildande kar- boxylsyran företrädesvis estern med en primär hydroxyl- grupp hos glycerolföreningen. Föreningen med formeln (I) kan inbegripa 3-20, företrädesvis 3-15, mest föredraget 3-8 glycerolenheter, dvs n i formeln (I) är 3-20, företrädesvis 3-15, och mest föredraget 3-8.

När R1, R2 och R3i formeln (I) inte betecknar väte betecknar de resten av en karboxylsyra med 8-24 kolato- mer. Dessa karboxylsyror kan vara mättade eller omättade och grenade eller ogrenade. Belysande, ej begränsande exempel pà sådana karboxylsyror är laurinsyra, myristin- syra, palmitinsyra, stearinsyra, oljesyra, linolsyra och linolensyra. När karboxylsyraresten är omättad kan omätt- naden utnyttjas för att binda föreningen med formeln (I) till etenplasten hos kompositionen och sålunda effektivt förhindra migrering av föreningen fràn kompositionen. I formeln (I) kan R3, R2 och R3beteckna samma karboxylsyra- rest, sàsom stearoyl, eller olika karboxylsyrarester, sàsom stearoyl och oleoyl. an. 10 15 20 25 30 35 513 079 5 För att förhindra migrering och utsvettning bör föreningen med formeln (I) vara kompatibel med kompo- sitionen vari den införlivas, och mera speciellt med etenplastbashartset hos kompositionen.

Föreningarna med formel (I) är kända kemiska före- ningar eller så kan de framställas med kända metoder. En förening med formel (I), Atmer 184 (eller 185) av I.C.I., i medeltal är 8, som har en fettsyrarest per molekyl, kan vari n = 3, saluförs sålunda som och en förening, vari n erhållas från I.C.I. under benämningen SCS 2064.

Föreningen med formel (I) är införlivad i komposi- tionen enligt uppfinningen i en mängd som är effektiv för att hämma bildningen av vattenträd. I allmänhet innebär detta att föreningen med formel (I) är införlivad i en mängd av ca 0,05-2 viktprocent, företrädesvis 0,1-1 vikt- procent av kompositionen.

Förutom föreningen med formel (I) kan kompositionen enligt föreliggande uppfinning inbegripa konventionella tillsatsmedel, såsom antioxidanter, för att motverka ned- brytning på grund av oxidation, strålning, etc; smörjande tillsatsmedel, såsom stearinsyra; tvärbindande tillsats- medel, såsom peroxider, som sönderdelas vid upphettning och initierar tvärbindning; samt andra vattenträdshämman- de tillsatsmedel utöver föreningen med formel (I) enligt föreliggande uppfinning. Den totala mängden tillsats- medel, inbegripet föreningen med formel (I), i komposi- tionen enligt föreliggande uppfinning bör inte överstiga ca 10 viktprocent av kompositionen.

Man har funnit det vara särskilt fördelaktigt om, utöver föreningen med formel (I), ett ytterligare till- satsmedel, som t ex polyetylenglykoler, inbegripes i kompositionen. En sådan kombination av tillsatsmedel kan ytterligare förbättra vissa elektriska egenskaper. Före- trädesvis har polyetylenglykolerna en molekylvikt över- stigande ca 1000, sàsom från ca 1000 till ca 50000.

Mängden av vart och ett av dessa ytterligare tillsats- medel är upp till ca 5 viktprocent, företrädesvis 0,05-5 10 15 20 25 30 35 513 079 6 viktprocent, och mera föredraget 0,05-3 viktprocent, med det ovan nämnda villkoret att den totala mängden WTR- och stabilisatortillsatsmedlen i kompositionen inte bör över- stiga ca 10 viktprocent av kompositionen.

Förutom föreningen med formel (I) och de övriga kon- ventionella och valfria tillsatsmedel som nämnts ovan, inbegriper kompositionen enligt uppfinningen huvudsakli- gen en etenplast, såsom angivits tidigare. Valet av eten- plast och dess sammansättning varierar beroende på huru- vida kompositionen är avsedd som ett isolerande skikt hos en elektrisk kabel eller som ett inre eller yttre halv- ledande skikt hos en elektrisk kabel.

En komposition för ett isolerande skikt hos en elek- trisk kabel kan t ex inbegripa ca 0,05 viktprocent till ca 10 viktprocent av föreningen med formel (I) till- sammans med andra konventionella och valfria tillsats- medel; 0 till ca 4 viktprocent av ett peroxidtvärbind- ningsmedel; varvid resten av kompositionen i huvudsak består av en etenplast. Denna etenplast är företrädesvis en LDPE, dvs en etenhomopolymer eller en sampolymer av eten och en eller flera alfa-olefiner med 3-8 kolatomer, och l-okten.

Mängden alfa-olefinsammonomer(er) kan ligga i området såsom 1-buten, 4-metyl-1-penten, 1-hexen, från ca 1 viktprocent till ca 40 viktprocent av eten- plasten.

På motsvarande sätt kan en komposition för ett halv- ledande skikt hos en elektrisk kabel inbegripa ca 0,05 viktprocent till ca 10 viktprocent av föreningen med formel (I) tillsammans med andra konventionella och val- fria tillsatsmedel; ca 30-80 viktprocent av en etenplast; kolsvart i en mängd som är åtminstone tillräcklig för att göra kompositionen halvledande, företrädesvis ca 15-45 viktprocent kolsvart; 0 till ca 30 viktprocent av en akrylnitril-butadiensampolymer; och 0 till ca 4 vikt- procent av ett peroxidtvärbindningsmedel. I detta samman- hang är etenplasten en etensampolymer, såsom EVA, EMA, EEA eller EBA. 10 15 20 25 30 35 513 079 7 För att ytterligare underlätta förståelsen av upp- finningen ges nedan några belysande, ej begränsande exempel. I exemplen avser alla procenthalter och delar vikt, såvida ej annat anges.

I de följande exemplen provades polymerkompositio- nerna med avseende på vattenträdsbeständighet (WTR) genom s k Ashcraft-provning. Denna provningsmetod har beskri- vits av Ashcraft, A.C., ”Water Treeing in Polymeric Dielectrics”, World Electrotechnical Congress in Moscow, USSR, den 22 juni 1977. Genom Ashcraft-provning åstad- kommes väldefinierade effekter, nämligen skarpa, vatten- fyllda intryckningar, med hjälp av en nål i formpressade koppar. En spänning av 5 kV/6 kHz påläggs över vattnet, medan koppens botten är ansluten till jord. Temperaturen hålles konstant vid 65°C. Vattenträdens genomsnittliga längd efter 72 h åldring anses som ett mått på vatten- trädens tillväxthastighet i det specifika materialet.

Vattenträdens genomsnittliga längd uttrycks som procent (%) av Vattenträdens längd hos ett motsvarande referens- material utan tillsatsmedel.

I de följande exemplen genomfördes provning av kompositionernas genomslagshållfasthet på provkablar i enlighet med en metod som utvecklats av Alcatel AG & Co, Hannover, Tyskland, och som beskrivs i en artikel av Land H.G., Schädlich Hans, ”Model Cable Test for Evaluating the Ageing Behaviour under Water Influence of Compounds for Medium Voltage Cables", Conference Proceedings of Jicable 91, den 24-28 juni 1991, Versailles, Frankrike.

Som ett värde på genomslagshållfastheten anges 63 % av Em” från Weibull-diagram i kV/mm. Genomslagshållfast- heten mättes efter åldring i 1000 h vid 9 kV/mm i 85/70°C vatten.

Bestämning av förlustfaktorn (tan Ö) hos materialen i exemplen gjordes vid 50 Hz och 130°C enligt ASTM 150 (1987). Mätning gjordes på 3,0 mm pressformade plattor vid 500 V direkt efter pressformning. 10 15 20 25 30 35 40 45 513 079 8 Exempel 1-8 och jämförande exempel 1-2 I detta exempel framställdes tolv kompositioner enligt uppfinningen för användning som isolerande skikt hos elektriska kablar (exempel 1-8) tillsammans med två referenskompositioner (jämförande exempel 1 och 2).

Kompositionerna framställdes på konventionellt sätt genom kompoundering av komponenterna i en extruder. Kompositio- nerna av materialen enligt exempel 1-8 och de jämförande exemplen 1-2 anges i tabell 1 tillsammans med sina egen- skaper (WTR, genomslagshàllfasthet och förlustfaktor), bestämda såsom förklarats ovan. Alla kompositionerna var tvärbundna kompositioner och innefattade ett tvärbind- ningsmedel (dikumylperoxid) i en mängd av ca 2 viktdelar/ 100 delar polymerkomposition.

Tabell 1 KOMPOSITION Exempel 1 Exempel 2 Exempel 3 Harts: LDPE (densitet=0,924 99 98,73 98,80 g/cm3: MFR,=2) Förening med formel (1): glycerylmonostearat 0,075 polyglycerylmonofett- syraester (SCS 2064) 0,35 0,35 Polyetylenglykol (PEG 20000) 0,25 0,25 0,25 Irganox 1035 0,25 0,2 0,2 Irganox PS 802 0,4 0,4 0,4 Oleamid 0,025 NMP (N-metylpyrrolidon) 0,07 Kalciumhydroxistearat (CS-6, ACAD) Tvärbindningsmedel, delar/ 100 delar polymerkomposition 1,9 2,3 2,2 EGENSKAPER Vattenträd, % längd av referens 44,5 52,5 44 Genomslagshållfasthet, kV/mm 49,4 >72,1 64,3 Förlustfaktor (E-4), l30°C 7,1 0,7 0,2 KOMPOSITION Exempel 4 Exempel 5 Harts: '7 LDPE (densitet=0,924 98,97 98,96 g/cma; MFR2=2) Förening med formel (I): glycerylmonostearat polyglycerylmonofett- syraester (SCS 2064) 0,35 0,35 Polyetylenglykol (PEG 20000) 0,25 0,25 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 513 079 Irganox 1035 Irganox PS 802 Oleamid NMP (N-metylpyrrolidon) Kalciumhydroxistearat (CS-6, ACAD) Tvärbindningsmedel, delar/ 100 delar polymerkomposition EGENSKAPER Vattenträd, % längd av referens Genomelagshàllfasthet, kV/mm Förlustfaktor (E-4), l30°C KOMPOSITION Harts: LDPE (densitet=0,924 g/cmï- MFR2=2) Förening med formel (I): glycerylmonostearat polyglycerylmonofett- syraester (SCS 2064) Polyetylenglykol (PEG 20000) Irganox 1035 Irganox PS 802 Oleamid NMP (N-metylpyrrolidon) Kalciumhydroxistearat (CS-6, ACAD) Tvärbindningsmedel, delar/ 100 delar polymerkomposition EGENSKAPER Vattenträd, % längd av referens Genomslagshàllfasthet, kV/mm Förlustfaktor (E-4), l30°C KOMPOSITION Harts: LDPE (densitet=0,924 g/cma; MFR2=2) Förening med formel (I): glycerylmoncstearat polyqlycerylmonofett- syraester (SCS 2064) Polyetylenglykol (PEG 20000) Rhodianox TBM 6P* Seenox 412S** Oleamid NMP (N-metylpyrrolidon) Kalciumhydroxistearat (CS-6, ACAD) Tvärbindningsmedel, delar/ 100 delar polymerkomposition EGENSKAPER Vattenträd, referens % längd av 9 0,33 0,34 0,1 0,1 2,15 1,5 0,3 0,4 Exempel 6 Exempel 7 Exempel 8 98,8 99,2 98,63 0,35 0,15 0,6 0,25 0,2 0,2 0,2 0,4 0,4 0,4 0,05 0,07 1,9 1,9 2,2 44,5 37,0 61,3 52,5 20,6 1,5 1,8 Jämf. Ex. 1 Jämf. Ex. 2 98,85 99,25 0,25 0,25 0,25 0,4 0,4 0,1 0,1 0,15 0,15 1,9 1,8 43 63,5 10 15 20 25 30 35 40 513 079 10 Genomslagshàllfasthet, kv/mm 46,4 46 Förlustfaktor (E-4), 130°C 37,9 7,2 * = 4,4'-tiobis-(2-metyl-5-t-butyl-fenol) ** = Pentaerytritol-tetrakis[3-(n-dodecyltio)propionat] Vid jämförelse av egenskaperna hos de olika kompo- sitionerna i tabell 1 är det tydligt att föreningen med (I), är ett effektivt WTR-tillsatsmedel och, terar i en låg förlustfaktor. formel i synnerhet när n i formeln (I) är mer än l, speciellt, resul- Det är även tydligt att vid kombination av föreningen med formeln (I) med ett annat tillsatsmedel, såsom polyetylenglykol, kan de elektriska egenskaperna ytterligare förbättras.

Exempel 9-10 och jämförande exempel 3 I detta exempel framställdes två kompositioner för användning som halvledande skikt hos elektriska kablar (exempel 9 och 10) tillsammans med en referenskomposi- tion (jämförande exempel 3). Kompositionerna framställdes på konventionellt sätt genom kompoundering av komponen- terna i en extruder. Kompositionerna av materialen enligt exemplen 9-10 och det jämförande exemplet 3 anges i tabell 2 tillsammans med sina egenskaper (WTR, genom- slagshàllfasthet och förlustfaktor), bestämda såsom för- klarats ovan.

Tabell 2 KOMPOSITION Exempel 9 Exempel 10 Jämf.ex.3 Harts: LDPE (densitet=0,924 g/cm3; MFR2=2) EBA (l7% BA; densitet = 0,924 g/cm3; MFR2=7) Förening med formel (I): glycerylmonostearat 0,4 triglycerylmonofettsyra- ester (Atmer l84,185) 0,5 Polytrimetyldihydrokinolin (Vulcanox HPG) 0,65 Kolsvart 39 39 39 Tvärbindningsmedel, delar/ 100 delar komposition 1,1 1,1 1,1 59,95 59,85 60,35 ,.-A 513 079 ll EGENSKAPER Genomslagshàllfasthet, kV/mm 46 62,7 41 Vid jämförelse av egenskaperna hos kompositionerna i tabell 2 är det tydligt att genomslagshållfastheten ökar vid tillsättning av föreningen med formel (I). Ökningen av genomslagshållfastheten är särskilt signifikant när en triglycerylmonofettsyraester tillsätts, dvs när n > 1 i formel (I).

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 513 079 12 PATENTKRAV

1. Komposition för en elektrisk kabel, k ä n n e- t e c k n a t därav, att den inbegriper en etenplast och en förening med den allmänna formeln (I) RlolcaflfxoRäolnRß m vari n = 3-20, RI, R2 och R3, som är samma eller olika, betecknar väte eller resten av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer, med villkor att det finns minst två fria OH-grupper och minst en rest av en karboxylsyra med 8-24 kolatomer i molekylen.

2. Komposition enligt kravet 1, vari n = 3-8.

3. Komposition enligt kravet 1 eller 2, vari RI, R2 och R3, som är samma eller olika, betecknar väte, lauroyl, myristoyl, palmitoyl, stearoyl, oleoyl, linoloyl och linolenoyl.

4. Komposition enligt något av kraven 1-3, vari föreningen med formeln (I) föreligger i en mängd av 0,05- 2 viktprocent av kompositionen.

5. Komposition enligt kravet 4, vari föreningen med formeln (I) föreligger i en mängd av 0,1-1 viktprocent av kompositionen.

6. Komposition enligt något av kraven 1-5, vari kompositionen dessutom inbegriper en polyetylenglykol med en molekylvikt i området från ca 1000 till ca 50 000 i en mängd från ca 0,1 till ca 5 viktprocent av kompositionen.

7. Komposition enligt något av kraven 1-6, vari kompositionen bildar ett isolerande skikt hos en elektrisk kabel.

8. Komposition enligt något av kraven 1-7, vari kompositionen inbegriper kolsvart i en mängd som är tillräcklig för att göra kompositionen halvledande och bildar ett halvledande skikt hos en elektrisk kabel.