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Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Umhüllungen
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für langgestrecktes Gut aus vernetzbaren Elaterialien Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Umhüllungen
für langgestrecktes Gut, beispielsweise elektrische Kabel und Leitungen, Rohre,
Profile und dergl., aus einem durch Aufpfropfen einer Silanverbindung auf die Moleküle
des Basismaterials unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Werkstoff.
Diese Werkstoffe können Olefinpolymerisate oder Olefinmischpolymerisate, Elastomere
oder auch thermoplastische Kautschuke sein.
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Seit langem sind auf dem Markt vernetzbare Werkstoffe, die wegen der
ständig steigenden Forderungen nach besseren elektrischen, mechanischen oder thermischen
Eigenschaften in zunehmendem Maße auch für elektrische Kabel, für die Umhüllung
von Rohren und dergl. Anwendung finden. Bei der Verarbeitung
dieser
Werkstoffe wird eine kontinuierliche Fertigung gefordert, das heißt, an den Spritzprozeß
mittels an sich bekannter Extruder müssen sich Vernetzungsstrecken anschließen,
die eine kontinuierliche Beeinflussung des zu vernetzenden Materials gewährleisten.
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Die größte technische Bedeutung hat in diesem Zusammenhang, so weit
es elektrische Kabel und Leitungen betrifft, die Vernetzung von thermoplastischen
Werkstoffen, wie Polyäthylen, mit Hilfe organischer Peroxide. Bei höherer Temperatur
zerfallen diese Peroxide in sogenannte Alkoxy-Radikale. Diese spalten aus der Polymerkette
Wasserstoff ab und schaffen auf diese Weise Radikalstellen am Makromolekül. Zwei
solcher Radikalstellen verschiedener Makromoleküle können sich nun unter Ausbildung
einer C-C-Bindung absättigen, so daß ein Raumnetzwerk entsteht, dessen Dichte durch
den Abstand der einzelnen Vernet#ungsstellen oder Vernetzungsknoten charakterisiert
wird. Die Vernetzungsausbeute beim Polyäthylen ist abhängig von der chemischen Konstitution
des Peroxides und vom Verzweigungsgrad der Makromoleküle. Die primäre Radikal erzeugung
am Makromolekül kann aber außer durch Peroxide auch durch andere Radikalinitiatoren,
z. B. energiereiche Strahlung, bewirkt werden.
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Zur chemischen Vernetzung mittels geeigneter Peroxide ist es weiterhin
seit langem bekannt, sogenannte CV-Anlagen einzusetzen, das sind waagerecht angeordnete
oder auch schräg installierte oder in Form einer Kettenlinie verlaufende Rohre,
die Wasserdampf unter hohem Druck enthalten und durch die das extrudierte Material,
z. B. die Umhüllung eines elektrischen Kabels oder das mit einer Kunststoffisolierung
ummantelte Rohr, kontinuierlich hindurchgeführt wird.
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Der Fertigungsgeschwindigkeit sind bei solchen bekannten Anlagen Grenzen
dadurch gesetzt, daß der Druck des Wasserdampfes mit zunehmender Temperatur stark
ansteigt und auf Grund der
notwendigen Verweilzeit in der Wasserdampfstrecke
insbesondere bei Umhüllungen größeren Querschnitts die Anlagen notwendigerweise
größere Dimensionen annehmen müssen. Eine Verbesserung dieser bekannten Vernetzungsverfahren
hat man dadurch zu erreichen versucht, daß die extrudierten Materialien nicht unter
Druck, sondern drucklos in einem Flüssigkeitsbad vernetzt worden sind. Diese Technik
hat sich bisher jedoch nicht durchsetzen können, da hierbei andere Schwierigkeiten,
wie z. B.
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Bläschenbildungen in der Umhüllung, auftraten.
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Eine neue und wirtschaftlichere Art der Vernetzung könnte deshalb
in neuerer Zeit die sein, bei der die Materialien, z. B.
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organische Polymerisate, nunmehr ohne eine spezielle Warmbehandlung
lediglich unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzt werden. Voraussetzung dafür
ist, daß sogenannte organo-funktionelle Silane, wie etwa das Trimethoxy-Vinyl-Silan,
auf die Polyäthylen-Makromoleküle aufgepfropft werden (DAS 17 94 028, DOS 2 439
513). Das Aufpfropfen dieser Silanverbindungen erfolgt z. B. im Verlaufe eines Extrusionsprozesses
unter dem Einfluß von Radikale liefernden Verbindungen, hauptsächlich Peroxid und
hoher Temperatur, etwa im Bereich von 1800 bis 2400 C. Eine andere Möglichkeit des
Einbringens der Vernetzungschemikalien ist die, daß die einzelnen Teilchen des rieselfähigen
thermoplastischen oder elastomeren Basismaterials zu einer schnellen Bewegung veranlaßt
und während oder vor dieser Bewegung das Silan oder die Silanverbindung sowie die
zum Aufpfropfen und für die Vernetzung notwendigen Zusatzstoffe in flüssiger Form
zugesetzt werden. Bei Temperaturen unterhalb des Kristallit-Schmelzbereiches dringen
diese Materialien dann ganz oder teilweise durc-h Diffusion in die Oberfläche der
Teilchen des Basismaterials ein und führen dort zu einer homogenen Verteilung, so
daß das homogen im Basismaterial verteilte Silan bzw. die Silanverbindung anschließend
auf die Moleküle des Basismaterials aufgepfropft werden kann. Durch diesen, dem
eigentlichen Pfropfvorgang vorgeschalteten Homogenisierungsvorgang der eingesetzten
Materialien lassen
sich Extrudate hoher Oberflächengüte und hohen
Vernetzungsgrades erreichen.
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Im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen Vernetzungsreaktion werden
bei der neueren Vernetzungstechnik durch Einwirkung von Feuchtigkeit reaktionsfähige
niedermolekulare Verbindungen, z. B. Organo-Silane,auf die Makromoleküle aufgepfropft,
die dann im Verlauf von Sekundärreaktionen zur Kettenverknüpfung führen. Die aufgepfropften
Verbindungen sind im Hinblick auf die Vernetzung polyfunktionell, d. h.,sie können
mit mehreren Makromolekülen unter Bildung bündelartiger Vernetzungsstellen reagieren.
Über einen sogenannten Vernetzungsknoten sind dann nicht, wie bei der C-C-Vernetzung
nur zwei Makromoleküle aneinander fixiert, sondern drei, vier oder mehr.
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Damit die Einwirkung der Feuchtigkeit, die letztlich zur Vernetzung
silangepfropfter Werkstoffe führt, von statten gehen kann, werden die extrudierten
Materialien, z. B. mit einer Umhiillung versehene Kabel oder Leitungen, Rohre und
dergl., einer Wasserlagerung unterworfen. Die Dauer der Wasserlagerung hängt im
wesentlichen ab von der Dicke der gewählten Umhüllung, aber auch davon, ob durch
besondere Maßnahmen nicht schon bereits Feuchtigkeit in dem Extrudat vorhanden ist
und eine anschließende Wasserlagerung nur noch vorsorglich durchgeführt wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, die bereits überall auf der Welt im Einsatz befindlichen sogenannten kontinuierlichen
Vulkanisationsanlagen (CV-Anlagen) an die gestiegenen Leistungsanforderungen anzupassen
und dafür zu sorgen, daß die kontinuierliche Vernetzung im allgemeinen Fertigungsablauf
nicht mehr einen Engpaß darstellt. Dabei sollen trotz Erhöhung der an die tatsächliche
Leistung der Extruder angepaßtettDurchlauf,geschwindigkeit1 qualitativ höher zu
bewertende Endprodukte hergestellt werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei Verwendung von unter der
Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Werkstoffen dadurch gelöst, daß die Umhüllung
in einer oder mehreren gegebenenfalls voneinander räumlich getrennten Schichten
extrudiert wird und das Gut unmittelbar anschließend eine Wasseratmosphäre enthaltende
und unter Druck stehende Rohrstrecke durchläuft. Diese Kombination von pfropfbaren
und daher unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Werkstoffen und bei
der kontinuierlichen Vernetzung zum Teil üblichen Verfahrensschritten führt dazu,
daß normale CV-Anlagen mit einer wesentlich größeren Ausstoßleistung als bisher
betrieben werden können, die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen kann erheblich verbessert
werden. Durch die Erfindung wird eine schnellere Durchdringung der Umhüllung mit
Feuchtigkeit erreicht, ein getrennter Arbeitsgang zum Einbringen der Feuchtigkeit
ist vermieden. Die Druckbeaufschlagung während des Durchlaufes hat darüberhinaus
den wesentlichen Vorteil, daß Blasenbildungen im extrudierten Material unterdrückt
werden. Auch ist es möglich, die Abkühlung der Umhüllung unter Druck erfolgen zu
lassen, was zu einer weiteren Qualitätsverbesserung des Endproduktes führt.
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In Durchführung der Erfindung können beliebige Materialien verwendet
werden, d. h. thermoplastische #1aterialien, elastomere Werkstoffe oder auch thermoplastische
Kautschuke , sowie Polyblends aus EP-Krümelkautschuken und Polypropylen und dergl.,
sofern sie unter dem Einfluß von Feuchtigkeit vernetzbar sind.
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Aber auch Copolymere der erwähnten Materialien können ebenso eine
vorteilhafte Anwendung finden, wie Verbindungen, die die Silizium-Hydrit-Gruppe
tSi-H ein oder mehrmals im Molekül enthalten und an Doppelbindungen der thermoplastischen
oder elastomeren Werkstoffe angelagert sind.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung
ist darin zu sehen, daß durch die Vernetzung bei gleichzeitiger Druckbehandlung
der unter Einwirkung von Feuchtigkeit
vernetzbaren Umhüllungen
mittels an sich bekannter kontinuierlicher Vulkanisationsanlagen eine gegenüber
der peroxidischen Vernetzung bessere Stabilität gegen mechanische Deformierungen
gegeben ist. Diese ist besonders erwünscht bei der Herstellung größerer Wanddicken,
z. B. bei elektrischen Hochspannungskabeln, die für Spannungen oberhalb 60 kV Anwendung
finden.
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Neben der hohen Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
nach der Erfindung ist als besonderer Vorteil noch herauszustellen, daß hier vernetzbare
Werkstoffe verarbeitet werden können, deren Verarbeitung mit herkömmlichen Mitteln
ohne weiteres nicht möglich ist. So ist z. B. die Vernetzung von Polyäthylen hoher
Dichte, d. h. zwischen 0,94 und 0,96, als sog. Hart-PE oder"high density" PE bekannt,
wegen der hier 0 0 benötigten Spritztemperaturen von 180 - 240 C und der nur verhältnismäßig
geringen Anspringtemperaturen der heute erhältlichen Peroxide von etwa 1300 - 1350
C nicht möglich (Scorchbildung). Diese Werkstoffe könnten aber ohne Schwierigkeiten
nach dem Verfahren nach der Erfindung verarbeitet werden, die gegenüber Polyäthylen
niederer Dichte von etwa 0,92 günstigeren elektrischen Eigenschaften könnten in
der Kabelstellung z. B.
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voll genutzt werden.
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In Durchführung der Erfindung kann man so vorgehen, daß für die Extrusion
der Schicht bzw. Schichten aus unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren
Werkstoffen ungepfropfte Werkstoffe verwendet werden. Dann ist es erforderlich,
daß die Pfropfung im ausgeformten Zustand des Werkstoffes im Durchlauf durch die
Rohrstrecke erfolgt. Dieses Verfahren bringt den Vorteil mit sich, daß kostenmäßig
günstigere Werkstoffe eingesetzt werden können, wobei die Durchmischung der Komponenten
z. B. im Extruder erfolgen kann. In diesem Fall ist es auch erforderlich, das Silan
oder die Silanverbindung z. B. mit den üblichen Vernetzungschemikalien zusammen
in den Extruder einzumischen. Hierbei kann man in Weiterführung des Erfindungsge-
dankens
so vorgehen, daß der an sich noch ungepfropfte Werkstoff im Extruder auf Temperaturen
von mindestens 1800 C erwärmt wird, so daß hier eine Aufpfropfung der Silanverbindungen
auf die Makromoleküle des Basismaterials erfolgt. Mitunter kann es jedoch auch vorteilhaft
sein, insbesondere dann, wenn bereits vorhandene Extruder eingesetzt werden, deren
Temperaturführung im allgemeinen bei etwa 1200 bis 1500 C liegt, das Material ungepfropft
zu extrudieren und die Pfropfung dadurch sicherzustellen, daß als anschließende
Wasseratmosphäre ein auf über 1800 C erwärmter Wasserdampf verwendet wird. Das hat
z. B. den Vorteil, daß der in der Heizzone vorhandene Wasserdampf gleichzeitig für
die notwendige Durchdringung der Isolierung mit Wasser sorgt.
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Statt ungepfropftes Material bei der Extrusion der Umhüllungen einzusetzen,
kann es mitunter auch von Vorteil sein, für die Extrusion der Schicht bzw. der Schichten
gepfropfte Werkstoffe zu verwenden. Dann wird man vorteilhaft so vorgehen, daß bei
der Extrusion des Materials eine Extruder-Massetemperatur von höchstens 1800 C,
vorzugsweise 1200 bis 1400 C, gewählt wird.
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Von Vorteil ist hier, daß vorhandene Extruder eingesetzt werden, wobei
eine noch einfache Druckwassertemperierung der einzelnen Zonen möglich ist. Der
Wirkungsgrad in der Regelung kann wesentlich verbessert werden. Wird die Massetemperatur
möglichst tief gewählt und beträgt sie beispielsweise 800 bis 1100 C und der für
die anschließende Kühlung gewählte Druck 1 bis 2 bar, so ist eine allseitige Unterdrückung
von Blasenausdrückungen auf der Umhüllung vermieden. Für eine Verwendung von niedrigeren
Temperaturen bei der Extrusion feuchtigkeitsvernetzbarer Mischungen spricht ferner,
daß für den Extrusionsprozeß Schlauchwerkzeuge eingesetzt werden können, die von
Hause aus eine bessere Zentrierung ermöglichen. Auf der anderen Seite kann bei Wahl
höherer Temperaturen für den Extrusionsprozeß auch ein höherer Ausstoß erreicht
werden.
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Wird, wie in Weiterführung der Erfindung vorgesehen, die Extruder-Massetemperatur
höchstens 1800 C, vorzugsweise
1200 bis 1400 C betragen und weist
die Wasseratmosphäre, die sich an die Spritzvorrichtung in der Rohrstrecke anschließt,
mindestens 1800 C auf, dann verhindert der gewählte große Druckunterschied ein Verdampfen
leicht flüchtiger Stoffe.
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Eine Verbesserung des nach der Erfindung vorgeschlagenen Fertigungsverfahrens
kann sich mitunter dadurch ergeben, daß die zur Vernetzung erforderliche Feuchtigkeit
im Extruderzylinder oder im Extruderkopf zugeführt wird. Als Extruder können hier
auch solche mit sog. Scherkopf eingesetzt werden.
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Das sind Einrichtungen, bei denen die Erwärmung ganz oder teilweise
durch Scherung der fließenden Masse erfolgt. Hierzu können Spritzköpfe mit rotierenden
oder mit bestimmter Frequenz stoßenden Werkzeugen ebenso verwendet werden wie solche,
bei denen die Masse durch enge Spalte hindurchgedrückt wird und dabei die zur Erwärmung
notwendigen Scherkräfte erzeugt werden.
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Das Einbringen der für die Vernetzung erforderlichen Feuchtigkeit
im Zylinder oder Kopf des Extruders bedeutet eine Nachhilfe oder eine alleinige
Maßnahme für die Feuchtigkeitseinbringung. Vorteilhaft ist, daß nunmehr eine geringere
Feuchtigkeitsdurchdringung von außen notwendig ist, so daß die Verweilzeit in der
anschließenden Rohrstrecke weiter verringert werden kann oder umgekehrt, daß die
Fertigungsgeschwindigkeit weiter heraufgesetzt wird.
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Wird, wie in Weiterführung der Erfindung zweckmäßig vorgesehen, der
Druck in der Rohrstrecke mindestens gleich dem Wasserdampfdruck des in den Werkstoff
vor der Extrusion eingebrachten Wassers gewählt, dann ist bei kleinstmöglichem technischen
Aufwand ein Aufschäumen des Materials ganz oder teilweise verhindert. Vorteilhaft
kann es auch sein, wenn das Gut, das ein Kabel, eine Leitung oder auch ein mit einem
Kunststoffmantel versehenes Rohr sein kann, nach Verlassen der unter Druck stehenden
Wasseratmosphäre ebenfalls unter
Druck in einem Wasserbad auf mindestens
800 C abgekühlt wird.
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Auf diese Weise sind auch im drucklosen Zustand durch eine innere
Verdampfung keine Blasen im Extrudat feststellbar.
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Das nach der Erfindung gewählte Fertigungsverfahren kann weiter verbessert
werden, wenn zur Kühlung der extrudierten Schichten eine stufenweise Kühlung auf
den Endwert vorgenommen wird. Damit wird der Vorteil einer Feuchtigkeitsdurchdringung
bei wärmerem Kühlwasser ausgenutzt. Hinzu kommt, daß bei einer ausschließlichen
Kühlung in der dem Extruder nachfolgenden Rohrstrecke keine oder vernachlässigbare
Mikrovoids auftreten. Dies hätte besondere Vorteile bei der Herstellung elektrischer
Kabel für den Einsatz bei höheren Spannungen, insbesondere für die Fertigung auch
deshalb, weil durch den erfolgenden Auftrieb der Isolierung das Kabel selbst rund
gehalten wird. In diesem Zusammenhang könnte es unter anderem zweckmäßig sein, z.
B.
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eine Strecke nach dem Spritzwerkzeug gefüllt mit Dampf unter Druck
einzurichten. Zum Beispiel eine Dampfstrecke von 1 bis 3 m Länge, eine Wasserstrecke,
ca. 30 m lang, mit einer Wasser-0 temperatur von 180 C mit entsprechendem Druck
und einer anschließenden Reststrecke mit einer Wassertemperatur von 20 bis 0 40
C. Hierdurch ist eine volle Auslastung und Ausnutzung vorhandener sogenannter CV-Anlage
gegeben.
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Wie bereits erwähnt, ist das Verfahren nach der Erfindung für beliebige
Produkte anwendbar, die kontinuierlich hergestellt und mit einer vernetzbaren Umhüllung
versehen werden sollen.
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Besondere Vorteile bringt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
jedoch für die Herstellung elektrischer Kabel. Denn hierbei kommt es vor allem darauf
an, daß die im Schichtenaufbau eines elektrischen Kabels verwendeten thermoplastischen
oder elastoneren Werkstoffe optimal verarbeitet werden und dabei Eigenschaften erreichen,
die einen betriebssicheren Einsatz auch bei hohen und höchsten Spannungen garantieren.
Es bringt deshalb besondere Vorteile, wenn die Isolierung und/oder die angrenzenden
Leitschichten durch Feuchtigkeitseinwirkung im
Durchlauf durch
die Rohrstrecke ganz oder teilweise vernetzt werden Eine Teilvernetzung hat den
Vorteil, daß zumindest die bekannten Riefen auf der Oberfläche, Deformationen äußerer
Hüllen usw. vermieden werden. Allein auf einer Teilvernetzunger Rohrstrecke zu bestehen,
hätte zudem den Vorteil, daß die Fertigungsgeschwindigkeit wegen der geringeren
Verweilzeit der Rohrstrecke erhöht wird.
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Möglichst soll eine vollständige Vernetzung der Umhüllung in der Rohrstrecke
bzw. in einem absehbaren Zeitraum nach Verlassen der Anlage gewährleistet sein.
Auf eine vollständige Vernetzung kann aber auch mit Rücksicht auf erhöhte Fertigungsgeschwindigkeiten
verzichtet werden, wenn z. B. durch Steuerung des Vernetzungsmechanismus und Wahl
geeigneter Randbedingungen dafür gesorgt wird, daß, wenn die überwiegende und schließlich
vollständige Vernetzung innerhalb der nächsten Tage erfolgt, diese Vernetzung auch
unabhängig von den dann jeweils wirkenden Umwelteinflüssen stattfindet, das heißt,
mit Sicherheit wiederholbar ist.
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Jedes elektrische Kabel weist in seinem Aufbau mehrere aus extrudierbaren
Werkstoffen hergestellte Schichten auf. In Durchführung der Erfindung kann z. B.
der äußere Schutzmantel durch Feuchtigkeitseinwirkung vernetzbar sein. Wegen der
verhältnismäßig großen Oberfläche bei geringer Wanddicke dieses Materials ist eine
verhältnismäßig geringe Feuchtigkeitseinwirkung erforderlich, was einen hohen Abzug
im Fertigungsprozeß erlaubt.
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Eine weitere vorteilhafte Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung
bei der Herstellung elektrischer Kabel und Leitungen ist die, wenn eine oder mehrere
der im Kabelaufbau vorgesehenen extrudierbaren Schichten, wie Isolierung, Leitschichten,
Mantel, aus einem unter der Einwirkung von Feuchtigkeit und peroxidisch vernetzten
Werkstoff besteht. Diese Kombination von einer oder mehreren Schichten unterschiedlicher
Vernetzungsmechanismusses läßt eine weitere Optimierung und An-
passung
an die jeweiligen Erfordernisse bei der Herstellung elektrischen Kabel zu. Das gilt
auch für den Herstellungsprozeß solcher Kabeltypen. In diesem Zusammenhang kann
es weiter von Vorteil sein, wenn jede der oben erwähnten Schichten aus mindestens
zwei weiteren Schichten mit Werkstoffen unterschiedlichen Vernetzungsmechqnismus
besteht. Hierdurch ist eine bessere Ausnutzung der verschiedenen Materialeigenschaften,
die sich durch die unterschiedlichen Vernetzungssysteme ergeben, möglich. Auch dürfte
sich eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit in all den Fällen ergeben, wo die Schichten
eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit aufweisen sollen. Z. B. in die Isolierung hineinwachsende
Bäumchen könnten durch Schichten veränderten Vernetzungsmechanismus an einem Weiterwandern
zumindest für kürzere oder längere Zeit gehindert werden.
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Der Aufbau aus mehreren Schichten kann weitere Vorteile dadurch bringen,
daß an den Nahtstellen eine Anhäufung im Isoliermaterial wandernder Chemikalien
auftritt, so daß hier eine Art spannungsstabilisierender Effekt auftritt. Durch
unterschiedliche Abkühlvorgänge, unterschiedlich kontrahierende Materialien, z.
B. gefüllte oder ungefüllte Werkstoffe, Diffusion der eingesetzten Materialien usw.
kann darüber hinaus eine Beeinflussung der Materialstruktur an den Nahtstellen der
Schichten auftreten, die ebenfalls zu einer Erhöhung der elektrischen Festigkeit
führt , wenn es sich bei dem verwendeten Material z. B. um die Isolierung elektrischer
Hoch- oder Höchstspannungskabel handelt.
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Bekannt ist es, daß Spaltprodukte aufgrund des Peroxid-Vernetzungssystems
nach dem Abschluß der Vernetzung spannungsstabilisierend in der Isolierung wirken.
Durch Wärme und Vakuum von außen wandern diese Stoffe aus der Isolierung heraus.
Durch den nach der Erfindung vorgeschlagenen schichtweisen Aufbau der Isolierung
oder anderer im Kabelaufbau vorgesehener Schichten werden Sperren an den Grenzflächen
eingebaut, so daß die Flüchtigkeit der Spaltprodukte ganz oder überwiegend verhindert
wird.
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In Weiterführung dieses Gedankens können die jeweiligen "Sperrschichten"
in der Dicke unterschiedlich gewählt werden, es können aber auch einzelne Schichten
besonders als Prellschichten ausgebildet sein. Z. B. kann die Isolierung eines elektrischen
Kabels aus einer inneren Schicht aus einem durch Pfropfung von Silanen feuchtigkeitsvernetzbaren
Werkstoff bestehen, an die eine weitere Schicht aus einem gefüllten peroxidisch
vernetzbaren Material anschließt.
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Darüber als äußere Schicht folgt dann wie-der eine Schicht aus einem
feuchtigkeitsvernetzbaren Werkstoff.
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Abweichend von einer Ausführung, bei der im Falle eines elektrischen
Kabels unterschiedliche Schichten mit verschiedenen Vernetzungsmechanismen verwendet
werden, kann es mitunter auch vorteilhaft sein, die einzelnen Schichten, wie Isolierung,
Leitschichten, Mantel und dergl. aus einem Gemisch von Werkstoffen mit unterschiedlichen
Vernetzungsmechanismus aufzubauen. Auf diese Weise kann über den Querschnitt der
Schicht eine Steuerung der Vernetzungsdichte erfolgen, so daß ein gegenüber bekannten
Aufbauten völlig neuer Strukturaufbau erreichbar ist. Die thermische Formbeständigkeit
kann dadurch erhöht werden, auch die Flüchtigkeit bestimmter Chemikalien, wie Alterungsschutzmittel,
Stabilisatoren und dergl. wird auf ein geringes Naß eingedämmt. Nach Wahl des Mischungsverhältnisses
der Werkstoffe mit unterschiedlichem Vernetzungsmechanismus, das z. B.z.
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30 Teile silangepfropftes : 70 Teile peroxidisch vernetzbares Material
oder umgekehrt beträgt, ist auch eine Steuerung der Haftung, Verklebung oder Verschweißung
mit den angrenzenden Werkstoffen möglich. Eine solche Mischvernetzung, die mit dem
Verfahren nach der Erfindung erreicht werden kann, bringt durch die statistische
Verteilung der Vernetzungsarten werkstoffseitige Vorteile mit sich. Das gilt für
den Fall, daß die Mischung beim Extrudieren ungepfropftes Material enthält.
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Im Falle der Mischung der Materialien mit unterschiedlichen Vernetzungssystemen
werden von diesen auch unterschiedliche Vernetzungschemikalien miteingebracht. Durch
diffundierende
Reste von Organosilanen oder Peroxid-Spaltprodukten,wie
Acetophenon und Cumylalkohol,können sich in der jeweiligen Schicht synergetische
Wirkungseffekte ergeben, die zu einer weiteren Verbesserung der Isolierung führen.
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Eine weitere Möglichkeit, durch einen Schichtenaufbau in Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung verbesserte elektrische Werte an Kabel- oder Leitungsisolierungen
zu erhalten, ist z. B. auch die, Kombinationen einzelner Schichten eines Verneizungssystems
mit solchen gemischter Vernetzungssysteme zu wählen. So kann von der Gesamtisolierwandstärke
eines Kabels z. B. 2/3 aus vernetztem Polyäthylen und 1/3 aus einem VPE/silangepfropften
PE-Qemisch bestehen.
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Auch eine solche Konstruktion läßt sich nur mit dem nach der Erfindung
vorgeschlagenen Verfahren herstellen.
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In Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind Vorrichtungen
der unterschiedlichsten Aufbauten geeignet. Vorteilhaft ist es z. B., wenn die unter
Druck stehende Rohrstrecke waagerecht oder geneigt angeordnet ist. Hierbei kann
man auf den Einsatz an sich bekannter, einfacher und viele Jahre lang erprobter
und weit verbreiteter Einrichtungen zurückgreifen, ohne daß Neuinvestitionen, zumindest
größeren Ausmaßes, erforderlich sind.
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Das gleiche gilt für den Fall, daß die unter Druck stehende Rohrstrecke
in Form einer an sich bekannten Kettenlinie verläuft. Auch in diesem Fall können
bereits auf dem Markt vorhandene billige wirtschaftliche Einrichtungen für den mittleren
und kleineren Abrnessungsbereich eingesetzt werden.
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Die Anwendung der Erfindung auf solche an sich bekannte Anlagen bedeutet
darüberhinaus eine wesentliche Erhöhung der bisherigen Produktionsgeschwindigkeit,
die sich auf mindestens das Doppelte steigern läßt. So sind Steigerungen von den
bisherigen 150 bis 200 kg/h vom Extruder ausgestoßenem Polyäthylen auf 300 bis 450
kg/h möglich, da der Engpaß CV-Anlage nicht mehr gegeben ist.
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Ausgehend von den bekannten Anlagen ist es in Durchführung der Erfindung
bei kettenlinienförmig verlaufenden Rohrstrecken zweckmäßig, die Anlage in drei
Zonen aufzuteilen, z. B. in eine Dampfzone von 200 bis 2100 C, eine kurze Warmwasserzone
von 200 bis 800 C, die z. B. 20 m lang sein kann, und die übliche Kaltwasserzone.
Durch diese Dreierteilung werden die vorhandenen Heiz- und Kühlleistungen bekannter
Anlagen voll ausgenutzt, ohne daß Gefahr besteht, daß aufgrund eines stark thermischen
Unterschiedes im Bereich des Wasserniveaus ein Verbiegen oder eine Beschädigung
der Rohre befürchtet werden muß. Die Anlage kann schonender betrieben werden, sie
ist weniger reparatur- und prüfanfällig.
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Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes an sich bekannter Anlagen ist
noch die, daß die unter Druck stehende und Wasseratmosphäre enthaltende Rohrstrecke
senkrecht angeordnet ist.
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Diese sogenannten Turmanlagen sind in der Hochspannungskabeltechnik
bereits bekannt, sie sind vor allem zu dem Zweck gebaut worden, auch bei größeren
Isolierwandstärken für eine kreisrunde Form des extrudierten Produktes zu sorgen.
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In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß zur Erzielung einer Wasseratmosphäre
in der unter Druck stehenden Rohrstrecke nicht nur Wasser allein oder mit Zusätzen,
sondern auch Wasser enthaltende geeignete andere Medien verwendet werden können.
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So sind z. B. mehrwertige Alkohole als Transportmedium für die Feuchtigkeit
geeignet, es können aber auch z. B. Wasser-Glykol-Gemische vorteilhaft eingesetzt
werden. Auch das Glycerin kann hierfür verwendet werden, da es selbst bereits Feuchtigkeitsträger
ist.
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Die Erfindung sei an Hand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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In der Fig. 1 ist eine sogenannte vertikale G-Anl-age beschrieben,
die insbesondere bei der Herstellung z. B. elek-
trischer Hochspannungskabel
mit dickeren Isolierwandstärken eine unerwünschte Verformung nach dem Extrusionsvorgang
durch das Eigengewicht des Materials vermeidet. Diese Anlage besteht z. B. aus einer
die Kabelseele 1 umschließenden Kabelvorwärmung 2, einem Turmpodest3 zur Aufnahme
des Extruders 4 mit dem Trichter 5, einem Umlenkrad 6 sowie dem an den Extruderkopf
7 anschließenden Teleskoprohr 8. Letzteres dient dazu, einen unmittelbaren Übergang
ohne Druckverlust zur Gesamtrohrstrecke 9 sicherzustellen, die in einem Umlenkbehälter
10 endet, von dem aus die isolierte Kabelseele durch eine Kühlzone 11 mittels eines
Raupenabzuges 12 abgezogen und gegebenenfalls aufgewickelt oder zur weiteren Verarbeitung
weitergeführt wird.
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Wesentlich für die Erfindung ist nun, daß für die Verarbeitung z.
B. der Isolierung eines elektrischen Kabels ungepfropftes oder gepfropftes Isoliermaterial
verwendet werden kann, das auf die Kabelseele in üblicher Weise aufeXtrudiert wird
und anschließend zur weiteren Behandlung in die eine Wasseratmosphäre enthaltende
unter Druck stehende Rohrstrecke 13 eingeführt wird. Für den Fall, daß im Extruder
4 ungepfropftes Material verwendet wird, geht man zweckmäßig so vor, daß das Basismaterial,
z. B. Polyäthylen oder eines seiner Copolymere, in den Trichter 5 des Extruders
4 eingegeben wird und auch die Zusätze, wie Stabilisatoren, Aktivatoren, Vernetzungsmittel
sowie das Silan oder die Silanverbindungen ebenfalls in das Basismaterial mit Hilfe
des Extruders eingemischt werden. Das so vorbereitete Material wird dann über den
Spritzkopf 7 auf die Kabelseele aufgebracht und gelangt anschließend in die Rohrstrecke
13, die in diesem Fall z. B. eine Wasseratmosphäre in Form eines über 1800 C erwärmten
Wasserdampfes aufweist. Durch die hier schlagartig einsetzende Erwärmung der gespritzen
Umhüllung kommt es zur Pfropfung des bereits extrudierten Materials, d. h.
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das Silan oder die Silanverbindungen werden auf die Makromoleküle
des eingesetzten Basismaterials aufgepfropft. Durch die gleichzeitig erfolgende
Wasser- bzw. Wasserdampfaufnahme unter Druck kommt es zur Vernetzung des gepfropften
Materials, wobei durch
den Kompaktierungseffekt des Druckes gleichzeitig
jede Blasenbildung, die bei Hochspannungskabeln zu Glimmentladungen führen kann,
vermieden ist. Die in der Rohrstrecke eingebrachte Feuchtigkeit reicht aus, um für
eine Durchvernetzung zumindest im weiteren Fertigungsabschnitt zu sorgen. An die
Rohrstrecke 13, die im vorliegendem Fall beheizt ist, schließt sich der Teil 14
an, der von der Rohrstrecke 13 durch den Dampf-Wasserübergang 15 getrennt ist. Im
Bereich 14, die z. B. als Kühldruckzone ausgebildet ist, wird das unter Druck erwärmte
und mit Wasser beaufschlagte Material anschließend einer Kühlung unterworfen, bevor
es in der Umlenkung 10 umgelenkt und in eine Nachkühlzone 11 eingebracht wird. Vorteilhaft
kann es sein, den Übergang zwischen Heizzone 13 und Kühldruckzone 14 mit einem möglichst
niedrigen Temperaturkoeffizienten auszubilden, so daß die Abkühlung auf den gewünschten
Wert durch stufenweise Kühlung in der Zone 14 und in der Zone 11 erreicht wird.
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Der Extruder ist hier und auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt. Denn für den Fall, daß im Durchlauf mehrere Schichten übereinander
aufgebracht werden müssen, ist es selbstverständlich erforderlich, eine entsprechende
Anzahl von Extrudern im Tandem hintereinander anzuordnen oder die Anzahl der benötigten
Spritzköpfe entsprechend zu erhöhen. (Doppel- oder Dreifachspritzkopf) Für den Fall,
daß in Durchführung der Erfindung ein bereits gepfropftes Material verwendet wird,
wird dieses Material ebenfalls in den Trichter 5 des Extruders 4 eingeführt. Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel mit noch ungepfropftem Material, bei dem dieses
im Extruder bereits auf Temperaturen von 1800 C und mehr erwärmt wird, reichen in
diesem Fall vorhandene Extruder mit einer Massetemperatur von höchstens 180°C, 0
0 vorzugsweise 120 bis 140 C aus. Da eine Pfropfung im anschließenden Rohr nicht
erforderlich ist, werden auch nicht mehr die hierfür geeigneten verhältnismäßig
hohen Temperaturen benötigt. Man kann deshalb ganz auf eine Temperaturbehandlung
unter
Druck und Feuchtigkeitseinwirkung verzichten, indem die Rohrstrecke 13 bereits als
Druckkühlzone verwendet wird, da sie lediglich die Aufgabe hat, das für die Vernetzung
erforderliche Wasser in die Isolierung einzubringen. Da es aber in besonderen Fällen
auch vorteilhaft sein kann, nach dem Extrudieren noch eine Temperaturbehandlung
vorzunehmen und da außerdem oft durch Beaufschlagung einer temperierten Feuchtigkeit
die Eindringgeschwindigkeit der Feuchtigkeit in die Isolierung gefördert werden
kann, wird man in der Rohr-0 strecke 13 auf höchstens 180 C erwärmtes Wasser oder
Wasserdampf einsetzen, so daß die Feuchtigkeit unter dem herrschenden Druck schnell
in die Isolierung eindringt und geringe Verweilzeiten in der Rohrstrecke erforderlich
sind.
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Um sicherzustellen, daß insbesondere bei einer unmittelbaren Druckkühlung
im Anschluß an die Extrusion ausreichend Wasser zur Verfügung steht, wenn die Vernetzung
eingeleitet wird, kann es mitunter auch vorteilhaft sein, die zur Vernetzung erforderliche
Feuchtigkeit im Extruderzylinder oder im Extruderkopf unmittelbar einzuführen. Die
Schnecke des Extruders wird dann für eine gleichmäßige Verteilung der Feuchtigkeit
sorgen.
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In all den Fällen jedoch, wo es auf hohe Fertigungsgeschwindigkeiten
ankommt und wo Produkte mit nicht extremer Wandstärke gefahren werden sollen, hat
sich die in der Fig. 2 dargestellte kettenlinienförmig ausgebildete Rohrstrecke
als vorteilhaft erwiesen. Diese ebenfalls wieder schematisch dargestellte Anlage
besteht aus dem zweckmäßig auf einem Podest 16 angeordneten Schubrad 17, über das
die Kabelseele 18 geführt, umgelenkt und dem auf dem Podest 16 ebenfalls angeordneten
Extruder 19 zugeführt wird. Der Extrudertrichter ist mit 20 bezeichnet, das anschließende
Teleskoprohr trägt die Ziffer 21. Ohne Druckverlust schließlich schließt sich an
das Teleskoprohr 21 die Rohrstrecke 22 an, die z. B. als Heizstrecke ausgebildet
ist und nach einem Wasser-Dampfübergang 23 in die Rohrstrecke 24 übergeht. Das angeschlossene
Umlenkrad ist mit 25 bezeichnet, diesem Umlenkrad folgt in Abzugsrichtung eine weitere
Kühl-
zone 26. Zur Abdichtung nach außen dienen die Labyrinthdichtungen
27, die die ummantelte Seele nach draußen führen, wo sie von dem Raupenabzug 28
erfaßt und weitertransportiert wird.
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Bezüglich der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gilt
das gleiche wie für das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Je nach Wahl des Werkstoffes,
d. h., ob gepfropftes oder ungepfropftes Material verwendet wird, wird die Extruder-Massetemperatur
auf höchstens 1800 C oder über 1800 C gebracht.
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Die anschließende Rohrstrecke 22, die mit Feuchtigkeit beaufschlagt
ist und stets unter Druck steht, kann ihrerseits beheizt sein, wenn es darauf ankommt,
das ungepfropfte und extrudierte Material zu pfropfen. In diesem Fall erfolgt dann
die erste Abkühlung nach Durchlaufen des Dampf-Wasserüberganges 23 im Bereich 24
und wird dann vorzugsweise in Form einer stufenweisen Abkühlung in der Kühlzone
26 fortgesetzt.
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Für den Fall jedoch, daß bereits gepfropftes Material verwendet wird,
kann auf eine Heizung der Rohrstrecke 22 überhaupt verzichtet und statt dessen bereits
diese Rohrstrecke zur ersten Druckkühlung herausgezogen werden. Die nachfolgenden
Kühlstrecken 24 und 26 können dann zur weiteren stufenweisen Abkühlung bis auf den
Endzustand herangezogen werden.
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In den Fig. 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele elektrischer Einleiter-Hochspannungskabel
beschrieben, deren Isolierung einen besonderen Aufbau aufweist. Nach der Fig. 3
ist der Leiter 30 des elektrischen Kabels, der aus einer Vielzahl verseilter Einzeldrähte
bestehen kann, von der inneren Leitschicht 31 überdeckt. Es folgt die Isolierung
32, die in Durchführung der Erfindung aus Teilschichten 33, 34 und 35 aufgebaut
ist. Hierin bestehen z. B. die Schichten 33 und 35 aus einem durch Aufpfropfen auf
die Basismoleküle des Polyäthylens unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren
Material, während die Schicht 34 aus einem peroxidisch vernetzten Polyäthylen besteht.
Mit 36 ist die äußere Leitschicht
bezeichnet, 37 ist die Bewehrung
des elektrischen Kabels und 38 der Außenmantel erhöhter mechanischer Festigkeit.
Statt des dargestellten Schichtenaufbaus der Isolierung kann man auch so vorgehen,
daß eine oder beide der Schichten 33 und 35 aus einem peroxidisch vernetzten Material
bestehen, während die dazwischen liegende Schicht 34 aus einem unter der Einwirkung
von Feuchtigkeit vernetzten Material aufgebaut ist. Durch Wahl der Schichtdicke
der einzelnen Teilschichten läßt sich eine Anpassung an die jeweiligen Fertigungsbedingungen
erreichen, ebenso kann eine Anpassung an die geforderten Eigenschaften, wie elektrische
Festigkeit, mechanische Stabilität und dergl.
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erreicht werden.
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Einen von der Fig. 3 abweichenden Aufbau zeigt die Fig. 4.
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Hier besteht der Inneieiter 39 aus einer Vielzahl miteinander verseilter
Einzeldrähte, die zur Vermeidung von Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche und damit
Ausbildung von Feldstärkenspitzen von der inneren Leitschicht 40 überdeckt sind.
Die anschließende Isolierung ist mit 41 bezeichnet. In Durchführung der Erfindung
besteht sie nicht aus einzelnen übereinander angeordneten Schichten entsprechend
Fig. 3, sondern die Isolierung besteht aus Bereichen unterschiedlicher Vernetzungsmechanismen.
So sind z. B. die den Leitschichten 40 und 45 zugekehrten Bereiche 42 und 43 aus
einem Material hergestellt, das peroxidisch vernetzt ist, während der Bereich 44
aus einem im wesentlichen unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzten Material
besteht. Mit 46 ist wiederum die Bewehrung des elektrischen Kabels bezeichnet, während
47 den äußeren mechanisch widerstandsfähigen Mantel darstellt.
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Umgekehrt können selbstverständlich auch die Bereiche 42 und 43 aus
einem unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Material bestehen, während
der Bereich 44 aus einem peroxidisch vernetzten Werkstoff aufgebaut ist. Wenn letzterer
Bereich noch gefüllt ist, ergibt sich eine besonders günstige Ausbildung einer Prellschicht
gegen ~mater treeingt.
Abweichend hiervon ist es aber auch möglich,
auf einzelne Bereiche jiberhaupt zu verzichten und ein Gemisch aus einem peroxidischen
und unter der Einwirkung von Feuchtigkeit vernetzbaren Material herzustellen und
zu extrudieren, so daß sich die unterschiedlichen Vernetzungsarten weitgehend gleichmäßig
über den Gesamtquerschnitt verteilen. Die Verteilung läßt sich dann noch dadurch
steuern, daß der Anteil der einen und der anderen Vernetzungsart durch Zugabe der
geforderten Vernetzungschemikalien in ein bestimmtes Verhältnis gebracht wird. In
diesem Fall, aber auch in den vorhergehenden kann es dabei vorteilhaft sein, den
für die Feuchtigkeitsvernetzung benötigten Silanol-Kondensationskatalysator in die
Schicht oder den Bereich aus peroxidisch vernetzbarem Material einzubringen, so
daß dieser erst nach dem Extrusionsprozeß an die Stelle diffundiert, wo er benötigt
wird.
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Für die einzelnen Bereiche und/oder Schichten können auch, angepaßt
an die gestellten Anforderungen, unterschiedliche Dicken gewählt werden. Der Aufbau
der Bereiche und/oder Schichten kann aber auch vorteilhaft aus einer Kombination
mit gemischten Schichten bestehen, z. B. innen 2/3 vernetztes Polyäthylen, außen
1/3 vernetztes Polyäthylen im Gemisch mit silangepfropftem Polyäthylen. Vernetzungen
mit einem solchen Mischmaterial lassen sich mit anderen bekannten Verfahren und
Vorrichtungen nicht erreichen.
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