DE69013934T2

DE69013934T2 - Gebäudekabel, die nichthalogenierte Kunststoffe enthalten.

Info

Publication number: DE69013934T2
Application number: DE69013934T
Authority: DE
Inventors: Tommy Glenn Hardin; Behrooz A Khorramian
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2010-01-19
Also published as: JPH02239514A; CN1022358C; KR0139069B1; CA2007835A1; DE69013934D1; ES2063252T3; EP0380244A1; KR900012296A; CA2007835C; CN1045000A; US4941729A; EP0380244B1; DK0380244T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gebäudekabel, die nichthalogenierte Kunststoffmaterialien enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Konstruktion vieler Gebäude ist eine sichtbare Zimmerdecke, die auch als abgehängte Zwischendecke bezeichnet wird, unterhalb einer tragenden Decke für den Fußboden angeordnet, die beispielsweise aus Beton besteht. Unterhalb der Zwischendecke sind sowohl Beleuchtungskörper als auch andere Gegenstände angebracht. Der Raum zwischen der Zwischendecke und der tragenden Decke, an dem die Zwischendecke aufgehängt ist, dient als Verteilerraum für Heiz- und Kühlsystemelemente. Zudem ist der Zwischenraum gut geeignet für die Installation von Nachrichtenübermittlungskabel, einschließlich solcher für Computer und Alarmsysteme. Die letzteren umfassen Nachrichtenübertragungs-, Daten- und Signalkabel zur Verwendung in Telefonen, Computern, Steuer- und Alarmsystemen sowie in verwandten Systemen. Bei diesen Zwischenräumen ist es nicht unüblich, daß sie sich kontinuierlich über die Länge und die Breite jedes Stockwerks erstrecken. Auch der Raum unter einem erhöhten Fußboden in einem Computerraum wird als Verteilerraum angesehen, wenn er mit einem Kabelkanal oder mit einem Stockwerk-Zwischenraum verbunden ist.
Falls in dem Bereich zwischen einem Fußboden und einer abgehängten Zwischendecke ein Feuer auftritt, kann es durch Wände und andere Gebäudeteile, die diesen Bereich umschließen, eingedämmt werden. Wenn das Feuer jedoch einen Verteilerraum erreicht, der brennbares Material enthält, kann es sich schnell über ein gesamtes Stockwerk eines Gebäudes ausbreiten. Das Feuer kann sich entlang von Kabeln ausbreiten, die in dem Verteilerraum installiert sind, wenn diese Kabel nicht für die Verwendung in Verteilerräumen eingestuft sind. Zudem kann durch den Verteilerraum auch Rauch zu benachbarten Bereichen und zu anderen Stockwerken übertragen werden.
Ein Kabelumhüllungssystem, das nicht für die Verwendung in Verteilerräumen eingestuft ist, und das einen Kern aus isolierten Kupferleitungen umschließt und lediglich einen herkömmlichen Kunststoffmantel aufweist, kann unzulässige Flammenausbreitungs- und Rauchentwicklungs-Eigenschaften aufweisen. Wenn sich die Temperatur in solch einem Kabel erhöht, beginnt die Verkohlung des Mantelmaterials. Anschließend beginnt die Leiterisolation im Innern des Mantels sich zu zersetzen und zu verkohlen. Wenn der verkohlte Mantel seine Unversehrtheit beibehält, isoliert er weiterhin den Kern, falls nicht, zerbricht er entweder durch die expandierende verkohlte Isolation oder durch den Druck von Gasen, die von der den höheren Temperaturen ausgesetzten Isolation erzeugt werden, wodurch das ursprünglich Innere des Mantels und die Isolation höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Der Mantel und die Isolation beginnen zu pyrolisieren und entflammbarere Gase zu emittieren. Diese Gase entzünden sich und infolge des Luftzuges in dem Verteilerraum brennen auch über den Einwirkbereich der Flammen hinaus, wodurch sich die Flamme ausbreitet und Rauch sowie möglicherweise toxische und korrosive Gase erzeugt werden.
Als allgemeine Regel fordert der National Electrical Code (NEC), daß leistungsbegrenzte Kabel in Verteilerräumen von metallischen Leitungsrohren umschlossen sein müssen. Die anfänglichen Kosten für Metalleitungsrohre für Nachrichtenübertragungskabel in Verteilerräumen sind relativ hoch. Leitungsrohre sind auch relativ unflexibel und in Verteilerräumen schwierig zu manövrieren. Ferner muß man sich während der Installation gegen mögliche elektrische Schläge schützen, die dadurch verursacht werden können, daß das Leitungsrohr mit einer freiliegenden elektrischen Anschlußleitung oder Einrichtung in Eingriff tritt. Der NEC gestattet jedoch gewisse Ausnahmen von diesen Anforderungen, vorausgesetzt, daß die Kabel von einer unabhängigen Teststelle, wie z.B. den Underwriters Laboratories (UL), getestet und mit entsprechend niedrigen Flammenausbreitungs und Raucherzeugungs-Eigenschaften genehmigt wurden. Die Flammenausbreitung und die Raucherzeugung von Kabeln werden unter Verwendung des UL-910-Tests, einer Standardtestmethode für Feuer- und Raucheigenschaften von elektrischen Kabeln und von Lichtleitfaserkabeln, die in Räumen mit Luft verwendet werden, gemessen. Siehe den Artikel von S. Kaufman "The 1987 National Electric Code Requirements for Cable", der in den Proceedings des International Wire and Cable Symposium, 1986, (S. 554 ff.) erschienen ist.
Ein Verteilerraumkabel entsprechend dem Stand der Technik, das einen Kern aus Kupferleitern enthält, ist in dem amerikanischen Patent Nr. 4,284,842 dargestellt. Der Kern ist von einem thermischen Umwickelmaterial, einer Wellblechsperre und von zwei schraubenförmig gewundenen, durchsichtigen Bändern umgeben. Das vorstehende Umhüllungssystem, das auf seiner reflektierenden Eigenschaften beruht, um Hitze von dem Kern abzuhalten, ist besonders gut für größere Verteilerraumkabel aus Kupfer geeignet.
Der Stand der Technik trägt dem Problem von Kabelmänteln, die zur Flammenausbreitung und zur Rauchentwicklung beitragen, auch durch die Verwendung von Fluorpolymeren Rechnung. Zusammen mit Schichten aus anderen Materialien wurden diese dazu verwendet, die Entstehung der Verkohlung, die Unversehrtheit des Mantels und die Luftdurchlässigkeit zu kontrollieren und die Beschränkungen der Auswahl von Materialien für die Isolation innerhalb des Kerns zu minimieren. Kommerziell erhältliche Polymermaterialien, die Fluor enthalten, wurden als die wichtigsten isolierenden Umhüllungen für Leiter und als Mantelmaterial für Verteilerraumkabel ohne die Verwendung metallischer Leitungsrohre akzeptiert. Bei einem herkömmlichen Verteilerraumkabel geringerer Größe, das in dem amerikanischen Patent Nr. 4 605 818 offenbart ist, enthält das Umhüllungssystem eine Schicht aus einem gewebten Material, das mit einem Fluorkohlenstoffharz imprägniert ist und einen Kern umgibt. Die gewebte Schicht weist eine Luftdurchlässigkeit auf, die ausreichend niedrig ist, um die Gasströmung durch die gewebte Schicht zu minimieren und den Wärmeübergang auf den Kern zu verzögern. Die Schicht aus dem gewebten Material ist von einem äußeren Mantel aus einem extrudierbaren Fluorpolymermaterial umschlossen. Bei der zuletzt beschriebene Kabelkonstruktion wird eine beträchtliche Menge Fluor, welches ein Halogen ist, verwendet. Fluorpolymermaterialien sind etwas schwierig zu verarbeiten. Einiger dieser Fluor enthaltenden Materialien weisen auch eine relativ hohe dielektrische Konstante auf, was sie als Isolation für Nachrichtenübertragungsleiter unattraktiv macht.
Das Problem der Entwicklung akzeptabler Verteilerschachtkabel wird noch durch einen Trend zu der zunehmenden Verwendung von Lichtleitfasern als Übertragungsmedium von einer Amtsanschlußleitung zu Verteilungssystemen in Gebäuden etwas kompliziert. Lichtleitfasern müssen nicht nur von Qualitätsverlusten bei der Übermittlung geschützt werden, sondern besitzen auch Eigenschaften, die sich wesentlich von den Eigenschaften von Kupferleitern unterscheiden und somit eine spezielle Behandlung erforderlich macht. Lichtleitfasern sind mechanisch brüchig, brechen bei niedriger Dehnung unter Zugbelastung und zeigeneine verschlechterte Lichtübertragung, wenn sie mit einem relativ geringen Kurvenradius gebogen werden. Der durch die Krümmung entstehende Qualitätsverlust ist als Mikrokrümmungsverlust bekannt. Dieser Verlust kann infolge einer Kopplung zwischen der Umhüllung und dem Kern auftreten. Die Kopplung kann sich durch Schrumpfung während des Abkühlens der Umhüllung ergeben sowie durch unterschiedliche thermische Kontraktionen, wenn sich die thermischen Eigenschaften des Mantelmaterials wesentlich von denjenigen der umschlossenen Lichtleitfasern unterscheiden.
Die Verwendung von Fluorpolymeren, mit oder ohne darunterliegende Schutzschichten, für die Umhüllungen von Lichtleitfaserverteilerraumkabeln erfordert eine spezielle Berücksichtigung von Materialeigenschaften, wie z.B. der Kristallinität und der Kopplung zwischen dem Mantel und einem Lichtleitfaserkern, welche die Lichtleitfasern nachteilig beeinflussen kann. Wenn der Mantel mit dem Lichtleitfaserkern gekoppelt ist, führt die auf die Extrusion folgende Schrumpfung des fluorpolymeren Kunststoffmaterials, das teilkristallin ist, zu einer Kompression der Lichtleitfaser, welche zu Mikrokrümmungsverlusten in der Faser führt. Ferner ist sein thermischer Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu Glas relativ groß, wodurch die Stabilität der optischen Leistung bei sich verändernden thermischen Betriebsbedingungen gefährdet wird. Die Verwendung von Fluorpolymeren führt bei den heutigen Preisen auch zu einer starken Erhöhung der Kabelkosten und erfordert eine spezielle Sorgfalt bei der Verarbeitung.
Ferner handelt es sich bei einem Fluorpolymer um eine halogeniertes Material. Obwohl einige Kabel, die halogenierte Materialien enthalten, die Anforderungen des UL-910-Tests erfüllt haben, besteht ein Wunsch, einige Probleme zu lösen, die im Hinblick auf die Verwendung halogenierter Materialien, wie z.B. Fluorpolymere und Polyvinylchlorid (PVC), nach wie vor existieren. Diese Materialien zeigen unerwünschte Korrosionen. Wenn ein Fluorpolymer verwendet wird, bildet sich unter dem Einfluß von Hitze Fluorwasserstoffsäure (Flußsäure), die Korrosion hervorruft und stark toxisch ist. Bei PVC wird Chlorwasserstoff (Salzsäure) gebildet.
Im allgemeinen gibt es eine Anzahl von halogenierten Materialien, welche die Industrietests bestanden haben. Falls die halogenierten Materialien jedoch etwas schlechte Eigenschaften als die durch die Industrienormen der Vereinigten Staaten geforderten gewünschten Eigenschaften aufweisen, ist es logisch nachzufragen, wieso nichthalogenierte Materialien nicht als Kabelmaterialien verwendet worden sind. Der Stand der Technik hat nichthalogenierte Materialien als unakzeptabel angesehen, da sie als allgemeine Regel nicht flammhemmend sind oder aber, wenn sie flammhemmend sind, dann zu unflexibel sind. Materialien zur Verwendung in Nachrichtenübermittlungskabeln müssen so beschaffen sein, daß die sich ergebenden Kabel einen Industrie-Standardtest bestehen. Für Verteilerraumkabel ist dieses beispielsweise der UL-910-Test. Dieser Test wird beispielsweise in einem Gerät durchgeführt, das als Steiner- Tunnel bekannt ist. Viele nichthalogenierte Kunststoffmaterialien haben diesen Test nicht bestanden.
Nichthalogenierte Materialien wurden in Ländern außerhalb der Vereinigten Staaten verwendet. Bei einem Beispiel eines nicht halogenierten Materials, das als Material zur Isolierung von Leitern angeboten wurde, handelt es sich um ein Polyphenylenoxid-Kunststoffmaterial Insoweit dieses Material Industrie-Standardtests in den Vereinigten Staaten zur Verwendung in Verteilerräumen nicht erfolgreich bestanden hat, wurden andauernde Anstrengungen unternommen, ein nichthalogeniertes Material zu schaffen, welches sowohl einen vernünftigen Preis als auch einen breiten Bereich akzeptabler Eigenschaften aufweist und den UL-910-Test für Verteilerraumkabel besteht. Solch ein Kabel sollte bei einem breiten Kundenspektrum Anklang finden.
Das gesuchte Kabel zeigt nicht nur geeignete geringe Flammenausbreitungs- und Rauchentwicklungs-Eigenschaften, wie sie auch die gegenwärtig verwendeten Kabel, die halogenierte Materialien enthalten aufweisen, sondern weist auch einen breiten Bereich gewünschter Eigenschaften auf, wie z.B. akzeptable Werte der Korrosion und der Toxizität. Solch ein Kabel ist aus dem Stand der Technik nicht verfügbar. Die Herausforderung besteht darin, eine halogenfreies Kabel zu schaffen, welches die Normen in den Vereinigten Staaten für Verteilerraumkabel erfüllt. Gesucht ist ferner ein Kabel, welches nicht nur relativ geringe korrosive und akzeptable toxische Eigenschaften aufweist, sondern auch geringe Werte der Rauchentwicklung besitzt und bei vernünftigen Kosten leicht zu verarbeiten ist.
Bei einem solchen Kabel ist das übertragungsmedium von einer Umhüllung umgeben, deren Material aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Polyetherimid, Silikon-Polyimid-Copolymer und Mischungen aus Polyetherimid und einem Silikon-Polyimid- Copolymer. Ein Kabelmantel, welcher das Übertragungsmaterial umschließt, besteht aus einem Kunststoffmaterial, welches einen Polyetherimid-Bestandteil enthält. Das Kabel der zuvor erwähnten Anmeldung erfüllt die Anforderungen des UL-910-Tests für Verteilerraumkabel und zeigt eine relativ geringe Korrosivität und eine akzeptable Toxizität. Die für die Isolation und für den Mantel verwendeten Materialien erfordern jedoch etwas mehr Sorgfalt bei der Bearbeitung als herkömmliche Kabelmaterialien, wie z.B. Polyethylen und Polyvinylchlorid.
Gesucht ist nach wie vor ein Verteilerraumkabel, das relativ billig ist und dessen Materialien relativ einfach zu verarbeiten sind. In Anbetracht der Tatsache, daß Polyolefine bei vielen Kabeln verwendet wurden und eine hochentwickelte Technologie zu ihrer Verarbeitung entwickelt wurde, wäre es vorteilhaft, wenn ein Polyolefin für die Umhüllung des Übertragungsmediums und für den Kabelmantel verwendet werden könnte.
Die EP-A-0 268 827 offenbart ein polyolefin, wie Polyethylen, mit flammhemmenden Eigenschaften als Ersatz für halogenierte Materialien.
Das amerikanische Patent Nr. 3 922 465 offenbart die Verwendung von nicht extrudierbaren Imid-Materialien zur Isolation von Drähten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung der durch Anspruch 1 definierten Art geschaffen.
Die vorstehend genannten Probleme des Standes der Technik werden durch die erfindungsgemäßen Kabel gelöst. Ein erfindungsgemäßes Kabel enthält einen Kern, der aus zumindest einem Übertragungsmedium umfaßt. Für Nachrichtenübertragungszwecke kann das Übertragungsmedium aus Lichtleitfasern oder aus metallischen Leitern bestehen. Das Übertragungsmedium ist von einem Kunststoffmaterial umgeben und von einem Mantel, der aus einem Kunststoffmaterial besteht und das zumindest ein Übertragungsmedium umgibt. Als Kunststoffmaterial, welches das zumindest eine Übertragungsmedium umhüllt und aus dem das Material des Mantels besteht, kann ein gefülltes Polyolefin, ein Polyetherimid, ein Silikon-Polyimid-Copolymer oder Mischungen aus den letzten zwei Materialien verwendet werden. Das Kabel enthält auch eine Wärmesperre, die zwischen dem zumindest einen Übertragungsmedium und dem Mantel angeordnet ist. Die Wärmesperre besteht aus einem Laminat, das ein geeignetes metallisches Material, wie z.B. Aluminium, und einen Kunststoff enthält, der aus einem Polyetherimid, einem Silikon-Polyimid- Copolymer, einem Polyimid und aus Mischungen aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon-Polyimid-Copolymer bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die erfindungsgemäßen Kabel können vorteilhafterweise in Gebäudezwischenräumen und/oder Schächten verwendet werden. Sie erfüllen die Anforderungen des UL-910-Tests für die Flammenausbreitung und die Raucherzeugung. Ferner zeigen sie geeignete niedrige Werte der Toxizität und eine relativ geringe Korrosivität.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kabels, das eine Wärmesperre enthält;
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Kabels gemäß Fig. 1, wobei der Abstand zwischen den Leiterpaaren übertrieben dargestellt ist;
Fig. 3 zeigt einen Aufriß eines Gebäudes, um die Verwendung erfindungsgemäßer Kabel darzustellen; mit Zwischendeckenraum;
Fig. 4 zeigt eine Detailzeichnung eines Teils der Wärmesperre des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kabels; und
Fig. 5 und 6 zeigen eine perspektivische und eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels.

Detaillierte Beschreibung

In den Fig. 1 und 2 ist ein allgemein mit dem Bezugszeichen 20 versehenes Kabel dargestellt, das zur Verwendung in Zwischenräumen von Gebäuden geeignet ist. Ein typischer Zwischenruam 21 eines Gebäudes ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Zwischenraum ist ein erfindungsgemäßes Kabel 20 angeordnet. Wie aus den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, enthält das Kabel 20 einen Kern 22, der aus zumindest einem Übertragungsmedium besteht. Das Übertragungsmedium kann aus isolierten metallischen Leitern oder Lichtleitfasern bestehen. Der Kern 22 kann auch von einer (nicht dargestellten) Kernbewickung umgeben sein. Der Kern 22 kann sowohl zur Verwendung in Daten-, Computer-, Alarm- und Nachrichtenübermittlungsnetzwerken als auch für Sprechverbindungen geeignet sein.
Für die folgende Beschreibung wird davon ausgegangen, daß das Übertragungsmedium aus miteinander verdrillten Paaren 24-24 isolierter metallischer Leiter 26-26 besteht. Obwohl einige der in Verteilerräumen verwendeten Kabel fünfunzwanzig oder mehr Leiterpaare enthalten können, enthalten viele dieser Kabel lediglich sechs, vier, zwei oder sogar nur ein einziges Leiterpaar.
Die metallischen Leiter sind mit einem flammhemmenden, schwach toxischen, wenig korrosiven und wenig raucherzeugenden Kunststoffmaterial isoliert, um dem Kabel 20 diese Eigenschaften zu verleihen. Die metallischen Leiter können mit einer Isolationsumhüllung 27 versehen sein, die aus der aus einem gefüllten Polyolefin, einem Polyetherimid, einem Silikon- Polyimid-Copolymer oder aus Mischungen aus einem Polyetherimid und einem Silikon-Polyimid-Copolymer bestehenden Gruppe ausgewählt wurde. Eine bevorzugte Ausführungsform enthält Leiter mit einer Isolation aus einem gefüllten Polyolefinmaterial.
Ein Polyolefin ist ein Polymer, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenstoff besteht. Polyolefine, die zur Verwendung bei erfindungsgemäßen Kabeln geeignet sind, enthalten beispielsweise Polyvinylacetat und ein Copolymer aus Ethylen und Buten. Füllstoffe, die zusammen mit dem Polyolefin verwendet werden können, um die feuerhemmenden Eigenschaften des Materials zu verbessern, enthalten beispielsweise Antimontrioxide und Metallhydroxide. Beispiele der Metallhydroxide, die für die gefüllten Polyolefinverbindungen geeignet sind, umfassen z.B. Magnesium- und Aluminiumhydroxid. Bei einem gefüllten Polyolefin enthält die Zusammensetzung etwa 5 Gew.-% Antimontrioxid, während sie bei einem anderen gefüllten Polyolefin zwischen etwa 20 und etwa 70 Gew.-% Magnesiumhydroxid enthält. Das gefüllte Polyolefin kann ferner eine Zusammensetzung aufweisen, die aus einem Polyolefin, aus Antimontrioxid und aus einem Metallhydroxid besteht, wobei das Gesamtgewicht des Antimontrioxids und des Metallhydroxids 70 Gew.-% der gefüllten Polyolefin-Zusammensetzung nicht übersteigt.
Polyetherimid ist ein amorphes thermoplastisches Harz, das von der General Electric Company unter der Bezeichnung ULTEMR-Harz, kommerziell erhältlich ist. Das Harz ist durch eine hohe Durchbiegungstemperatur von 200ºC bei 18,2 N/m² (264 psi), einer relativ hohen Zugfestigkeit, einem relativ hohen Biegemodul und sehr guter Beibehaltung mechanischer Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen charakterisiert. Es ist ohne die Verwendung anderer Zusätze von Natur aus flammhemmend und hat einen begrenzenden Sauerstoffindex von 47.
Polyetherimid ist ein Polyimid, bei dem andere Bindungen in die Molekularkette des Polyimids eingebaut wurden, um eine ausreichende Flexibilität zu erhalten, die eine geeignete Schmelzverarbeitbarkeit ermöglicht. Es behält die Eigenschaften des aromatischen lmids, nämlich exzellente mechanische und thermische Eigenschaften. Polyetherimid wird in einem Artikel von R.O. Johnson und H.S. Burlhis beschrieben, der unter dem Titel "Polyetherimide: A New High-Perfomance Thermoplastic Resin" im Journal of Polymer Science (1983, S. 129 ff.), erschienen ist.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Isolation aus einem Silikon- Polyimid-Copolymer bestehen. Ein geeignetes Material ist ein Silikon-Polyetherimid-Copolymer, das ein Copolymer aus Siloxan und Etherimid ist. Ein Silikon-Polyimid-Copolymer, wie z.B. das von der General Electric Company vertriebene SILTEMTM-Copolymer, ist ein flammhemmendes, nicht-halogeniertes Thermoplast. Es besitzt eine Zugfestigkeit von 2,8 x 107 Pa und ein Gardner- Impact (Stoßfestigkeit) von 13,6 n-m. Das Silikon-Polyimid- Copolymer besitzt ferner einen Sauerstoffindex von 46.
Bei den Mischungen kann das Polyetherimid zwischen etwa 0 und etwa 100 Gew.-% der Zusammensetzung ausmachen. Die Silikon- Polyimid-Zusammensetzung kann ebenfalls zwischen etwa 0 und etwa 100 Gew.-% der Zusammensetzung ausmachen.
Um die isolierten Leiter ist eine Wärmesperre 30 angeordnet. Die Wärmesperre 30 ist ein Laminat (siehe auch Fig. 4), das aus einem stark reflektierenden Metallmaterial 32, wie z.B. Aluminium, und aus einer Schicht 34 aus einem Kunststoffmaterial besteht. Das Kunststoffmaterial, aus dem die Schicht 34 besteht, ist ein nichthalogeniertes Material, das aus der aus einem Polyetherimid, einem Silikon-Polyimid-Copolymer, einem Polyimid und Mischungen aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon- Polyimid-Copolymer bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Laminat ungewellt. Es besteht aus einer 0,003 cm dicken Metallschicht und aus einer 0,003 cm dicken Kunststoffschicht.
Die Wärmesperre 30 ist so um den Kern angeordnet, daß sie ihn umschließt. Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, ist das Laminat um den Kern gewickelt, um eine in Längsrichtung sich umlappende Naht 38 zu bilden, oder das Laminat kann schraubenförmig um den Kern gewickelt sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Laminat 30 so um den Kern angeordnet, daß der metallische Bestandteil des Laminats nach außen gerichtet ist.
Zum Zwecke der Wärmereflexion weist eine Hauptoberfläche des Laminats ein Emissionsvermögen im Bereich zwischen etwa 0,039 und 0,057 auf. Die Wärmesperre containerisiert wirkungsvoll den Kern und widersteht Druckbeanspruchungen des Kerns. Dies ist eine wünschenswerte Eigenschaft, da unerwünschte Druckbeanspruchungen eines Lichtleitfaserkerns zu unakzeptablen Dämpfungen führen können.
Das Kabel enthält auch ein Band 40, das um die in Längsrichtung herumgelegte Wärmesperre gewickelt ist. Das Band wird dazu verwendet, die Wärmesperre und den Kern zusammenzuhalten. Es kann aus Fiberglas oder KEVLARR-Garn bestehen.
Um den Kern und die Wärmesperre ist ein Mantel 48 angeordnet. Der Mantel 48 besteht aus einem Kunststoffmaterial, wie z.B. aus dem gefüllten Polyolefin, das als Isolationsumhüllung für die metallischen Leiter verwendet wird. Für zu erwartende Paarabmessungen weist die Umhüllung 48 typischerweise eine Dicke von etwa 0,05 cm auf.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Mantel auch aus anderen Materialien als aus gefüllten Polyolefinen bestehen kann. Die Isolation und/oder der Mantel kann beispielsweise aus einer Zusammensetzung bestehen, die aus einem Polyetherimid, einem Silikon-Polyimid-Copolymer oder aus einer Mischung aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon-Polyimid-Copolymer besteht, wobei jeder Bestandteil der Mischung zwischen etwa 0 und etwa 100 Gew.-% umfaßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Mantel aus einem gefüllten Polyolefin.
Obwohl die erfindungsgemäßen Kabel bis jetzt als miteinander verdrilltes Paar metallischer Leiter beschrieben wurden, fallen auch Kabel 50 (siehe Fig. 5 und 6) in den Schutzbereich des Patents, die einen Kern 52 enthalten, der aus Lichtleitfasern 54-54 besteht. Die Lichtleitfasern 54-54 sind um einen zentral angeordneten Ausrichter 55 angeordnet. Bei Lichtleitfaserkabeln, bei denen die Lichtleitfasern 54-54 mit einer Pufferschicht 56 versehen sind, wird eine Silikon-Polyimid-Copolymer als Material für die Pufferschicht bevorzugt. Das Silikon-Polyimid-Copolymer ist flexibler als ein Polyetherimid, wodurch die Möglichkeit zu induzierten Mikrokrümmungsdämpfungen reduziert wird. Der Kern 52 ist von einem Verstärkungssystem 58, einer Wärmesperre 60 und einem Mantel 62 umgeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verstärkungssystem aus einer Schicht aus Verstärkungselementen, wie z.B. aus KEVLARR-Garn. Wie bei dem Kabel 20 mit dem metallischen Leiter besteht die Wärmesperre aus einer Schicht 64 aus einem stark reflektierenden metallischen Material, wie z.B. Aluminium, und aus einer Schicht 66 aus einem nicht halogenierten Material. Materialien, die für die Schicht 66 geeignet sind, enthalten ein Polyetherimid, ein Polyimid, ein Silikon-Polyimid-Copolymer oder Mischungen aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon-Polyimid-Copolymer. Der Mantel besteht aus einem nichthalogenierten Material. Für den Mantel 62 wird ein gefülltes Polyolefin, ein Polyetherimid, ein Silikon-Polyimid-Copolymer oder Mischungen aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon-Polyimid-Copolymer verwendet.
In der Vergangenheit hat die Kabelindustrie in den Vereinigten Staaten von der Verwendung nichthalogenierter Materialien zur Verwendung bei Kabeln für Verteilerräume zurückgeschreckt. Nichthalogenierte Materialien, welche die gewünschten Flammhemmungs- und Raucherzeugungs-Eigenschaften aufweisen, schienen zu unflexibel für die Verwendung bei solchen Produkten zu sein, während nichthalogenierte Materialien, welche die gewünschte Flexibilität aufweisen, nicht die relativ hohen amerikanischen Normen für Verteilerraumkabel erfüllten. Überraschenderweise enthalten die Isolations- und Mantelmaterialien des erfindungsgemäßen Kabels nichthalogenierte Materialien und erfüllen alle NEC-Anforderungen zur Verwendung in Verteilerräumen. Ferner sind zumindest die Kabel der bevorzugten Ausführungsform hinreichend flexibel, um Krümmungstests bei niedrigen Temperaturen zu bestehen, wie sie in der Kabelindustrie Standard sind.
Die erfindungsgemäßen Kabel, die nichthalogenierte Isolations- und Mantelmaterialien enthalten, welche akzeptable Flammhemmungs- und Raucherzeugungs-Normen erfüllen, weisen überraschenderweise auch eine relativ geringe Korrosivität und eine akzeptable Toxizität auf. Das Resultat ist überraschend und unerwartet, da man lange dachte, daß nichthalogenierte Materialien zumindest nicht die gleichen Flammhemmungs- und Raucherzeugungs-Eigenschaften wie halogenierte Materialien aufweisen, welche die Industrienormen in den Vereinigten Staaten erfüllen. Das Isolations- und das Mantelmaterial des Leiters wirkt zusammen, um ein System zu erzeugen, welches den Wärmeübergang zu den Übertragungselementen verzögert. Da der konduktive Wärmeübergang, welcher die Leiterisolation zersetzt, verzögert wird, werden die Rauchemission und die weitere Flammenausbreitung eingedämmt.
Tests haben gezeigt, daß die Wärmeübertragung in den Kabelkern 22 primär durch thermische Strahlung, sekundär durch Wärmeleitung und dann erst durch Konvektion erfolgt. Die nach außen gerichtete Oberfläche der Wärmesperre 30 wirkt mit dem Mantel zusammen, um ein reflektierendes System zu erzeugen. Vorteilhafterweise wirkt die Wärmesperre nicht nur so, daß die Wärme von der Brandstelle weg geleitet wird, sondern auch so, daß Wärme, die durch den Mantel nach innen gerichtet ist, reflektiert wird.
Die Wärmesperre 30 des Kabels in Fig. 1 und der Mantel 48 verzögern die Wärmeleitung zu dem Kern. Die Wärmesperre 30 reflektiert auch Energie von dem Kern weg, wodurch die Verzögerung vergrößert wird. Durch die Verzögerung des konduktiven Wärmeübergangs, welcher die Leiterisolation zersetzt, wird die Flammenausbreitung und damit auch die Rauchentwicklung eingedämmt.
Die Flammenausbreitungs- und die Rauchentwicklungs-Eigenschaften von Kabeln können unter Verwendung des gut bekannten Steiner- Tunnel-Tests in Übereinstimmung mit ASTM E-84 veranschaulicht werden, der für Nachrichtenübertragungskabel modifiziert wurde und nun als UL-910-Test bezeichnet wird. Der zuvor erwähnte UL- Test ist in dem zuvor angeführten Artikel von S. Kaufman beschrieben. Bei ihm handelt es sich um eine Testmethode zur Bestimmung der relativen Flammenausbreitungs- und Raucherzeugungs-Eigenschaften von Kabeln zur Installation in Kabelkanälen oder -schächten in Verteilerräumen und in anderen Räumen, die für die Umgebungsluft zugänglich sind.
Während des Steiner-Tunnel-Tests wird die Flammenausbreitung für eine vorbestimmte Zeit beobachtet und der Rauch durch eine Photozelle in einem Absaugrohr gemessen. Für ein Kabel, das für die Verwendung in Verteilerräumen eingestuft ist, d.h. Typ CMP entsprechend dem National Electric Code, darf die Flammenausbreitung 1,5 m (fünf Fuß) nicht überschreiten. Ein Maß für die Rauchentwicklung wird als Schwärzung bezeichnet, welche über eine Verdunkelungsmessung über eine Zeitspanne mittels eines optischen Detektors bestimmt wird. Je geringer die Schwärzung ist, desto geringer und damit wünschenswerter ist die Rauchentwicklung. Ein CMP-Kabel muß eine maximale Schwärzung von 0,5 oder weniger und eine durchschnittliche Schwärzung von 0,15 oder weniger aufweisen.
Die eine schwache Toxizität erzeugenden Eigenschaften von Kabeln können durch einen von der Universität von Pittsburgh entwickelten Toxizitäts-Test veranschaulicht werden. Bei diesem Test wird ein als LC&sub5;&sub0; bezeichneter Parameter gemessen, der die letale Konzentration der von einem brennenden Material erzeugten Gase angibt, die bei einer Tierpopulation eine 50 %-ige Sterblichkeit hervorruft, d.h. beispielsweise 2 von 4 Versuchstieren. LC&sub5;&sub0; ist ein Hinweis für die Toxizität eines Materials, die durch die Raucherzeugung bei seinem Verbrennen hervorgerufen wird. Die Toxizität ist um so niedriger, je höher der Wert des LC&sub5;&sub0;-Parameters ist. Ein hoher Wert zeigt an, daß mehr Material verbrannt werden muß, um dieselbe Anzahl von Versuchstieren zu töten. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß der LC&sub5;&sub0;-Parameter für das bei dem Kabel verwendete Kunststoffmaterial ohne die metallischen Leiter gemessen wird. Die LC&sub5;&sub0;-Werte erfindungsgemäßer Kabel sind höher als diejenigen für vergleichbare Verteilerschachtkabel mit halogenierten Isolations- und Mantelmaterialien.
Die schwach korrosiven Eigenschaften von Kabeln können durch die Messung des Prozentsatzes von Säuregasen veranschaulicht werden, die beim Verbrennen von Kabeln erzeugt werden. Je höher der Prozentsatz erzeugter Säuregase ist, um so korrosiver ist das Kunststoffmaterial, welches das Übertragungsmedium umschließt. Dieses Verfahren wird gegenwärtig für eine militärische Spezifikation der amerikanischen Regierung für Kabel verwendet, die auf Schiffen eingesetzt werden. Bei dieser Spezifikation sind 2% Säuregas der maximal zulässige Wert, wobei das auf das Kabelgewicht bezogene erzeugte Chlorwasserstoffgas gemessen wird. Erfindungsgemäße Verteilerraumkabel weisen mit einer Ausnahme eine Säuregaserzeugung von 0% auf, wobei die Ausnahme 0,3% betrug.
In der folgenden Tabelle I sind sowohl Testergebnisse von Beispielen erfindungsgemäßer Kabel als auch für ähnliche Verteilerraumkabel, bei denen halogenierte Materialien für die Isolation und für den Mantel verwendet werden, angegeben. Die in Tabelle I gezeigten Kabel bestehen den UL-910-Test für die Flammenausbreitung und die Raucherzeugung und sind damit für die Verwendung in Verteilerräumen geeignet.
Beispiele von Kabel wurden in Übereinstimmung mit dem zuvor erwähnten UL-910-Test Tests in einem Steiner-Tunnel unterworfen sowie TemPeraturen von 904 und auftreffenden Wärmeströmen in Höhe von 63 kW/m² ausgesetzt. Tabelle I halogeniert nicht halogeniert Beispiele von Verteilerraumkabeln Eigenschaft A. Raucherzeugung maximale Schwärzung durchschnittliche Schwärzung B. Korrosivität % Säuregaserzeugung D. Außendurchmesser (cm) E. Manteldicke
Jedes der Kabel in Tabelle I enthält vier Paare Kupferleiter der Stärke 24, von denen jeder eine 0,015 cm dicke Isolationsumhüllung aufweist. Bei Beispiel 3 bestehen die Isolation und der Mantel aus einem gefüllten Polyolefin. Bei Beispiel 4 besteht die Isolation aus einer Zusammensetzung, die 50 Gew.-% Polyetherimid und 50 Gew.-% Silikon-Polyimid-Copolymer enthält, während der Mantel aus einem gefüllten Polyolefin besteht. Das für die Isolation des Kabels in Beispiel 3 verwendete gefüllte Polyolefin besteht aus Polyvinylacetat und aus etwa 50 bis 70 Gew.-% Magnesiumhydroxid. Bei den Mantelmaterialien der Beispiele 3 und 4 besteht das gefüllte Polyolefin aus einer Mischung aus polyvinylacetat, etwa 50 bis 70 Gew.-% Magnesiumhydroxid und etwa 0 bis 5 Gew.-% Antimontrioxid. Bei den Beispielen 3 und 4 besteht die Wärmesperre aus einer 0,003 cm dicken Aluminiumschicht und aus einem 0,003 cm dicken Film aus Polyetherimid.
Erfindungsgemäße Kabel sind auch für die Verwendung als Steigleitungen in Gebäudeschächten geeignet. Schächte sind senkrechte Kanäle in Gebäuden, in denen beispielsweise Kabel angeordnet sind. Die Kabel können sich von Versorgungs- Zugangsstellen im Kellergeschoß bis zu den Stockwerken erstrecken, wo sie beispielsweise mit Verteilerraumkabeln verbunden sind. Der UL-1666-Test für Kabel, die als geeignet für die Verwendung in Schächten eingestuft sind, ist weniger streng, als der für Verteilerraumkabel. Die Flammenhöhe darf beispielsweise 3,66 m (12 Fuß) nicht überschreiten, wobei die Temperatur an der Spitze der Wärmesäule nicht höher als 454ºC betragen darf. Für Schachtkabel gibt es keine Anforderungen im Hinblick auf die Rauchentwicklung.
Die Tabelle II zeigt einen Vergleich der Rauch-, Korrosions- und toxischen Daten für ein Kabel mit einer Isolation und einem Mantel aus einem halogenierten Material und für ein Kabel mit einer Isolation und einem Mantel aus einem nichthalogeniertem Material. Tabelle II halogeniert nicht halogeniert Eigenschaft maximale Schwärzung % Säuregaserzeugung
Die in einer Steigleitungsumgebung getesteten Kabel enthalten jeweils wieder vier Paare von metallischen Leitern der Stärke 24. Als halogenierte Isolations- und Mantelmaterialien wurde Polyvinylchlorid verwendet, während die nichthalogenierten Materialien aus einem gefüllten Polyolefin bestehen.
Die erfindungsgemäßen Kabel enthalten Umhüllungen des Übertragungsmediums und Mäntel, die einen gewissen Dickenbereich aufweisen. Die Kabel bestehen aber in jedem Falle die Flammhemmungs- und Raucherzeugungs-Tests, die heutzutage durch den UL-910-Test verlangt werden. Zudem weisen sie eine relativ geringe Korrosivität und eine akzeptable, niedrige Toxizität auf.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebenen Anordnungen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen. Von Fachleuten können auch andere Anordnungen ersonnen werden, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in den durch die Ansprüche verkörperten Schutzbereich fallen.

Claims

1. Nachrichtenübertragungskabel (20) mit einem Kern (22), der zumindest ein Übertragungsmedium und Kunststoffmaterial (27) enthält, welches zumindest ein Übertragungsmedium umhüllt, sowie mit einem Mantel (48), der Kunststoff aufweist und den Kern umgibt,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Kunststoffmaterial (27), welches zumindest ein Übertragungsmedium umhüllt, und das Kunststoffmaterial des Mantels (48) jeweils einen Kunststoff enthalten, der aus einem gefüllten Polyolefin, einem Polyetherimid, einem Silikon- Polyimid-Copolymer und aus Mischungen aus einem Polyetherimid und einem Silikon-Polyimid-Copolymer bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und

daß zwischen dem Übertragungsmedium und dem Mantel eine Wärmesperre (30) angeordnet ist, die aus einem Laminat besteht, das aus einer Metallschicht (32) und aus einer Kunststoffschicht (34) besteht, wobei der Kunststoff aus einem Polyetherimid, aus einem Silikon-Polyimid-Copolymer, aus einem Polyimid und aus Mischungen aus einem Polyetherimid und aus einem Silikon- Polyimid-Copolymer bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gefüllte Polyolefin eine Zusammensetzung aus einem Polyolefin und einem Füllstoff ist, der aus Antimontrioxid, einem Metallhydroxid und Mischungen aus Antimontrioxid und einem Metallhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus Antimontrioxid besteht, das 5 Gew.-% des gefüllten Polyolefins umfaßt.

4. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus einem Metallhydroxid besteht, das zwischen etwa 20 und etwa 70 Gew.-% des gefüllten Polyolefins umfaßt.

5. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial der Wärmesperre nach außen weist.

6. Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsvermögen des Metallmaterials der laminierten Wärmesperre im Bereich zwischen etwa 0,039 und 0,057 liegt.

7. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel ein Band (40) enthält, das um die Wärmesperre gewickelt ist.