MX2009014225A - Cable eléctrico y composición aislante de base polietileno resistente a carbonización. - Google Patents

Abstract

Una composición aislante resistente a carbonización para cable eléctrico, en donde la composición aislante comprende una matriz polimérica de base polietileno o sus copolímeros con una densidad de al menos 0.94 g/cm³, y no más del 0.25 % en peso de aceite de silicón respecto al peso total de la composición.

Description

CABLE ELÉCTRICO Y COMPOSICIÓN AISLANTE DE BASE POLIETILENO RESISTENTE A CARBONIZACIÓN CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere al campo de las composiciones aislantes para cables eléctricos, y de una manera más precisa, a una composición aislante resistente a carbonización que incorpora una cantidad muy pequeña de aceite de silicón a una matriz polimérica de base polietileno; asimismo se refiere a un cable eléctrico incorporando una cubierta aislante con dicha composición.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los cables para distribución eléctrica adecuados para la instalación a lo largo de líneas aéreas de media tensión de las denominadas líneas compactas deben presentar en su cubierta aislante una alta resistencia a la degradación y por ende al fenómeno denominado carbonización (mejor conocido por su término en inglés como "tracking"). Este es el caso también de los cables de distribución aérea provistos de un aislamiento, comúnmente denominados semi-aislados.

Un material aislante sujeto a la acción combinada de un gradiente eléctrico y de agentes externos (humedad, radiación solar, contaminantes, etc.) sufre una degradación como consecuencia del fenómeno que se conoce como carbonización. Esta es la situación que afecta al material que forma la cubierta exterior de un cable eléctrico suspendido cerca de una línea aérea de media tensión. El gradiente aplicado es la diferencia entre el potencial del campo eléctrico alrededor del cable y la tierra, a la cual se encuentra conectado el cable por medio de las abrazaderas que lo fijan a las torres o postes de soporte. En las cercanías de estas abrazaderas, el material aislante se encuentra sometido a la variación máxima del campo eléctrico.

Cuando el cable eléctrico está seco, la alta resistencia superficial de la cubierta evita el flujo de corriente, y consiguientemente no existe evidencia de degradación. La exposición a los agentes atmosféricos, y en particular a la radiación solar, causa una oxidación de la superficie del material que aumenta su afinidad respecto al agua. Cuando la cubierta comienza a retener agua, y con ella contaminantes atmosféricos, disminuye drásticamente la resistencia de la superficie y por tanto la corriente fluye a través de la película de agua que reviste a la cubierta. Este flujo de corriente produce, por medio del efecto Joule, un calentamiento local del material, con evaporación de agua. La situación se vuelve crítica cuando la cubierta se encuentra sólo parcialmente húmeda, de forma que las zonas húmedas con baja resistencia eléctrica se alternan con zonas secas con una resistencia mucho mayor. El alto gradiente de conductividad en los puntos de separación entre las zonas secas y las húmedas conduce a la formación de descargas eléctricas que calientan intensamente en exceso la cubierta subyacente, con la degradación subsiguiente del material polimérico y la formación de grietas y zonas de erosión que se extienden rápidamente hasta que se produce la ruptura del material. En el caso de los materiales de poliolefina, la degradación se manifiesta por un derretimiento inicial seguido de oxidación, con un aumento consiguiente de la humectabilidad local y por tanto del número de descargas eléctricas, de forma que se causa la ignición del polímero, la cual se manifiesta en forma de carbonización, la cual aumenta localmente la conductividad eléctrica, la cual a su vez acelera el proceso de degradación.

Los cables eléctricos utilizados en las líneas de distribución de energía de las denominadas líneas compactas y de los cables denominados semi-aislados, requieren de un aislamiento que sea resistente a la carbonización, que tenga propiedades buenas propiedades mecánicas y que sea resistente a la radiación ultravioleta, de forma que se puedan producir cables ligeros resistentes a tensiones mecánicas. Una de las propiedades mecánicas más importantes es la resistencia a la abrasión, la cual, en el caso de polietilenos depende fundamentalmente de la densidad del polímero.

La patente estadounidense US-4,673,247 describe cables que son adecuados en concreto para la instalación junto a líneas aéreas de alta tensión, y que disponen de una cubierta exterior que consiste en un material polimérico (por ejemplo, un copolímero de etileno-acetato de vinilo) en una mezcla con un hidróxido, por ejemplo, hidróxido de zinc, hidróxido de magnesio o, preferentemente, hidróxido de aluminio, en cantidades correspondientes a entre 30 % y 60 % en peso, y más preferentemente aproximadamente 50 % en peso.

Para obtener resistencia a la carbonización combinada con propiedades mecánicas satisfactorias, la solicitud de patente internacional WO-93/05424 describe un cable en el cual la cubierta exterior está formada por una composición que consiste en polietileno lineal, preferiblemente polietileno lineal de densidad media (PELMD), mezclado si es necesario con polietileno ramificado de baja densidad (PEBD), que contiene de 15 % a 30 % en peso de hidróxido de magnesio o hidróxido de aluminio.

La alta cantidad de hidróxidos metálicos presentes en las realizaciones actuales antes descritas no tiene solamente un efecto protección contra el fuego sino que también hace posible aumentar la resistencia del polímero a los fenómenos de carbonización, pero conduce inevitablemente a un deterioro de las propiedades mecánicas, en términos de módulo y de alargamiento de rotura, y a un aumento considerable de la densidad y por consiguiente del peso total del cable por unidad de longitud.

También es posible tener aislamientos resistentes a la carbonización usando poliolefinas sin una alta concentración de cargas inorgánicas como hidróxidos metálicos. La patente estadounidense US-2,976,344 describe el uso de polietileno como aislamiento en líneas compactas. La patente estadounidense US-4,426,549 describe al polietileno y poliolefinas similares como materiales de muy alta resistencia a la carbonización, mencionando además que el uso de aditivos normalmente usados en estos materiales, normalmente deteriora la resistencia a la carbonización. La patente japonesa JP-09-092035 describe un cable resistente a la carbonización consistente en una mezcla de polietileno de baja densidad (PEBD) y polietileno lineal de baja densidad (PELBD), dicha mezcla teniendo una densidad de 0.915 g/cm3 a 0.932 g/cm3 además de ser entrecruzable por humedad. Dicha patente también describe que el uso de lubricantes hechos a base de compuestos fluorados y de silicón aumentan la resistencia a la carbonización. Dicha patente japonesa no menciona cuales son las características específicas de los compuestos de silicón para que produzcan un efecto benéfico en la resistencia a la carbonización.

La patente estadounidense US-3,300,576 describe el uso de polietileno de alta densidad formulado con una pequeña cantidad de negro de humo como un absorbedor de luz ultravioleta en la fabricación de accesorios de líneas compactas, los cuales tienen los mismos requerimientos funcionales que los cables descritos en la presente invención, es decir, una alta resistencia a la carbonización, buenas propiedades mécanicas y una resistencia adecuada a la radiación ultravioleta.

Es por tanto que existe la necesidad de ofrecer una composición aislante de alta resistencia a carbonización, que sea resistente a la abrasión y que disminuya el uso de hidróxidos metálicos, para lo cual el solicitante ha encontrado que es posible producir un cable eléctrico con cubierta aislante que presente tanto propiedades mecánicas óptimas como una alta resistencia a la carbonización, por medio de aplicar en una cantidad óptima de aceite de silicón a la composición polimérica de la cubierta exterior consistente en un polietileno o sus copolímeros con una densidad mínima de 0.94 g/cm3.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN En vista de lo anteriormente descrito y con el propósito de dar solución a las limitantes encontradas, es objeto de la invención ofrecer una composición aislante resistente a carbonización para cable eléctrico, en donde la composición aislante comprende una matriz polimérica de base polietileno o sus copolímeros con una densidad mínima de 0.94 g/cm3, y no más del 0.25 % en peso de aceite de silicón respecto al peso total de la composición.

Es también objeto de la invención ofrecer un cable eléctrico resistente a carbonización formado por al menos un conductor eléctrico y al menos un cubierta termoplástica aislante resistente a carbonización compuesta de una matriz polimérica a base de polietileno o sus copolímeros con una densidad mínima de 0.94 g/cm3, y hasta 0.25 % en peso de aceite de silicón respecto al peso total de la composición de dicha cubierta.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LAS FIGURAS Los detalles característicos de la invención, se describen en los siguientes párrafos en conjunto con las figuras que lo acompañan, los cuales son con el propósito de definir a la invención pero sin limitar el alcance de ésta.

Figura 1 ilustra una vista en perspectiva en corte de un cable eléctrico con asilamiento resistente a carbonización de acuerdo a la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los detalles característicos de la invención se describen en los párrafos siguientes, los cuales son con el propósito de definirla pero sin limitar el alcance de ésta.

En la Figura 1, se ilustra un cable eléctrico 10 que comprende uno o más conductores 20 y una o más cubiertas aislantes 30, en donde por lo menos la cubierta más externa comprende una composición aislante resistente a la carbonización de acuerdo a la invención. La Figura 1 muestra solamente una realización posible de un cable eléctrico según la presente invención. Es evidente que se pueden realizar modificaciones adecuadas conocidas en la técnica a esta realización sin salir del ámbito de la presente invención La composición aislante resistente a la carbonización de acuerdo a la invención muestra compuestos que a su vez pudieran consistir de múltiples componentes.

Los compuestos son descritos individualmente a continuación, sin que necesariamente sean descritos en un orden de importancia.

COMPUESTO I: MATRIZ POLIMÉRICA DE BASE POLIETILENO La composición termoplástica aislante resistente a carbonización de la invención contiene una matriz polimérica que consiste en un homopolímero, un copolímero o una mezcla polimérica a base de polietileno, en particular polietileno, polietileno de media densidad (PEMD), polietileno baja alta densidad (PEAD) o combinaciones de los mismos siempre y cuando la densidad sea mayor a 0.94 g/cm3.

COMPUESTO II: ACEITE DE SILICON La composición termoplástica aislante resistente a carbonización de la invención contiene uno o más aceites de silicón, en particular polidimetilsiloxano, dimetilsiloxano, alquisiloxano, fenilsiloxano, clorosilanos así como emulsiones de silicón formadas de metildimetilsilicon, alquilsiloxanos, arilsiloxano y clorosilanos que por sus características químicas aportan a baja tensión superficial, excelente repelencia al agua, alta estabilidad a la temperatura y buena lubricación. De manera preferente se utiliza polidimetilsiloxano con una viscosidad de 50 X 10"6 m2/s (50 centistokes) a una temperatura de 20 °C.

El solicitante ha encontrado que en concentraciones no mayores a 0.25 % en peso en relación al peso de la matriz polimérica de base polietileno se mejora significativamente la resistencia a la carbonización de la composición termoplástica aislante.

OTROS COMPUESTOS Opcionalmente, se pueden añadir a la matriz polimérica de base polietileno otros compuestos conocidos tales como retardantes de flama, antioxidantes, inhibidores de degradación, coadyuvantes de procesamiento, pigmentos y similares, en cantidades variables que se pueden determinar fácilmente por parte de personas expertas en la técnica según los requerimientos específicos de aplicación.

Los retardantes de flama, se pueden seleccionar de óxidos inorgánicos en forma de hidrato o hidróxido. Ejemplos de compuestos adecuados son los óxidos de aluminio, bismuto, cobalto, hierro, magnesio, titanio o zinc y los correspondientes hidróxidos o mezclas de los mismos.. Son preferidos el hidróxido de magnesio, hidróxido de aluminio y trihidrato de aluminio o mezclas de los mismos ya sean naturales, sintéticos o sintéticos modificados. Se pueden añadir, de manera ventajosa, uno o más óxidos o sales inorgánicas tales como CoO, Ti02, Sb203í ZnO, Fe203, CaC03 o mezclas de los mismos a estos compuestos en cantidades pequeñas.

Antioxidantes convencionales adecuados son, por ejemplo, trimetildihidroquinolina polimerizada, 4,4'-tiobis-(3-metil-6-tere-butil)fenol, pentaeritriltetra[3-(3,5-di-terebutil-4-hidroxifenil)propionato], 2,2'-tiodietilen-bis[3-(3,5-di-tere-butil-4-hidroxifenil)propionato], pentaeritritol tetraquis[3-(3,5-di-tert-butil-4-hidroxifenil)propionato] y similares, o mezclas de los mismos.

Otros materiales de relleno que se pueden utilizar en la invención incluyen, por ejemplo, partículas de vidrio, fibras de vidrio, caolín calcinado, talco y similares, o mezclas de los mismos.

Los coadyuvantes de procesamiento son, por ejemplo, estearato de calcio, estearato de zinc, ácido esteárico, cera de parafina, y similares o mezclas de los mismos.

MEZCLA Y APLICACIÓN Típicamente la composición termoplástica aislante resistente a carbonización de la invención se prepara mezclando la matriz polimerica de base polietileno, con el aceite de silicón y los aditivos apropiados según procedimientos convencionales, por ejemplo, en una mezcladora interna del tipo con rotores tangenciales, rotores intercalados, o en otras mezcladoras del tipo continuo o del tipo de husillo gemelo. La mezcla polimérica obtenida de esta forma se utilizan subsiguientemente para revestir uno o más conductores eléctricos por medio de extrusión.

La composición termoplástica aislante resistente a carbonización combina los compuestos antes mencionados en las siguientes concentraciones de porciento en peso: (a) del 99.75 % al 99.99 % en peso de matriz polimérica de base polietileno o sus copolímeros con una densidad mínima de 0.94 g/cm3,; y (b) hasta 0.25 % en peso de aceite de silicón.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN La invención ahora será descrita con respecto a los ejemplos siguientes, los cuales son únicamente con el propósito de representar la manera de llevar a cabo la implementación de los principios del invento. Los ejemplos siguientes no intentan ser una representación exhaustiva de la invención, ni intentan limitar el alcance de ésta.

Tres polietilenos entrecruzables por humedad, designados como media densidad (XLPE-MD-1 y XLPE-MD-2) y alta densidad (XLPE-AD) y diseñados para ser resistentes a la luz ultravioleta (UV) y a la carbonización, fueron preparados de acuerdo a las siguientes formulaciones en porciento en peso de conformidad con Tabla 1 : Denominación Componente químico XLPE-MD-1 XLPE-MD-2 XLPE-AD comercial Poli(etileno-co-silano) de baja HFDA-5451 de 62.6 64.5 - densidad Dow Chemical Poli(etileno-co-silano) de ME4425 de - - 59.7 media densidad Borealis Polietileno de alta densidad DGDK-3364 de 28.9 28.9 27.9 grado eléctrico Dow Chemical DFDB-5480 de Catalizador de estaño - 2.9 4.8 Dow Chemical DFDA-5488 de Catalizador curado rápido 4.8 - - Dow Chemical Concentrado de color blanco 050-WT-307 de 3.1 3.1 3.1 (0 Polyone 055-BK-306 de Concentrado de color negro 0.1 0.1 0.1 Polyone Estabilizador de luz Chimasorb 944 0.5 0.5 0.5 ultravioleta de Ciba Total 100.0 100.0 100.0 Densidad, g/cm3 0.941 0.940 0.949 Clasificación de acuerdo a Tipo III Tipo II Tipo III ASTM DI 248 Tabla 1 os agentes hidrofobicos utilizados fueron 1. Aceite de silicón consistente en un polidimetilsiloxano de una viscosidad de 50 X 10"6 m2/s (50 centistokes) a 20 °C. Con este aditivo se prepararon compuestos de XLPE-AD con concentraciones del 0.06 %, 0.12 %, 0.24 % y 0.48 % en peso. 2. Hule de silicón consistente en un polidimetilsiloxano modificado con grupos vinilo, con una dureza nominal de 60 unidades Shore A y que corresponde a la clasificación VMQ descrita en la norma ASTM 1418. Se utilizó el producto SE 6060 del proveedor omentive Performance Materials sin agregar ningún agente vulcanizante. Este material se mezcló con el XLPE-AD a razón de 0.69 %, 1.39 % y 2.78 % en peso. 3. Oleamida grado técnico es un material con una pureza de 98 %, un número de ácido menor a 3 y un punto de fusión entre 66 °C y 72 °C. Este material se agregó al XLPE-MD-1 en una concentración de 0.48 % en peso. 4. Erucamida grado técnico es un material con una pureza del 99 %, número de ácido menor a 3 y un punto de fusión entre 79 °C y 85 °C. Este material se agregó al XLPE-MD-1 en una concentración de 0.48 % en peso. 5. Estearamida grado técnico es un material con un número de ácido menor a 9 y un punto de fusión entre 98 °C y 104 °C. Este material se agregó al XLPE-MD-1 en una concentración de 0.48 % en peso.

Las mezclas de XLPE-MD-1, XLPE-MD-2 y XLPE-AD con los agentes hidrofobicos fueron preparadas utilizando un mezclador Brabender Plasticorder 2000 provisto de una cámara tipo rotor de 60 cm3 de capacidad, usando una temperatura de 140 °C y un tiempo de mezclado de 10 minutos.

MEDICIONES La evaluación de la resistencia a la carbonización se llevó a cabo siguiendo los procedimientos establecidos en la norma ASTM D2303 en su sección voltaje de carbonización. Se prepararon muestras de las siguientes dimensiones: largo 130 mm, ancho 50 mm y espesor 6.1 mm mediante moldeo por compresión usando una temperatura de moldeado de 140 °C y un tiempo de 10 minutos. Al término de este período, el molde fue enfriado bajo presión hasta que las placas de la prensa alcanzaron la temperatura de 80 °C. Posteriormente las muestras fueron entrecruzadas mediante la absorción de agua producto de la inmersión de dichas muestras en un baño de agua a 90 °C durante 8 horas, seguido de un período de acondicionamiento a temperatura ambiente de al menos 24 horas antes de proceder a la prueba de resistencia a la carbonización. Para cada corrida se determinó el voltaje de carbonización de 4 especímenes reportándose el valor promedio de las mismas.

En un primer estudio se investigó el efecto de la adición de tres agentes hidrofobicos tipo amida sobre el voltaje de carbonización del polietileno entrecruzable de baja densidad. Los resultados se muestran en Tabla 2, donde puede observarse que la adición de 0.48 % en peso de cualquiera de estos tres agentes hidrofobicos deteriora la resistencia a la carbonización del XLPE-MD-1.

Tabla 2 En un segundo estudio se investigó el efecto de la adición de dos agentes hidrofóbicos, el aceite de silicon y la estearamida en el voltaje de carbonización de otro polietileno entrecruzable de baja densidad. Los resultados se muestran en Tabla 3, donde puede observarse que la adición de 0.48 % en peso de cualquiera de estos dos agentes hidrofóbicos deteriora la resistencia a la carbonización del XLPE-BD.

Tabla 3 Posteriormente se investigó el efecto de un compuesto de silicón de alto peso molecular en la resistencia a la carbonización de un polietileno vulcanizable de media densidad (XLPE-MD). Como se describió anteriormente se agregó un hule de silicón del tipo VMQ en un amplio intervalo de concentraciones. Los resultados se muestran en Tabla 4, donde se puede apreciar que el hule de silicón también deteriora la resistencia a la carbonización del XLPE-MD cuando se agrega en concentraciones de hasta un 2.88 % en peso.

Corrida 1 Corrida 2 Promedio Ejemplo Hule silicón, % peso (kV) (kV) (kV) 8 0.00 3.50 3.50 3.50 9 0.72 3.00 3.25 3.13 10 1.44 3.00 3.25 3.13 11 2.88 3.25 3.25 3.25 Tabla 4 En un resultado de conformidad a la invención, se encontró que utilizando concentraciones menores al 0.25 % en peso del mismo aceite de silicón, la resistencia a la carbonización del pplietileno vulcanizable de media densidad (XLPE-MD) aumenta significativamente. Los resultados, mostrados en Tabla 5, indican que este aumento en la resistencia a la carbonización alcanza un efecto máximo cuando la concentración es 0.12 % y disminuye a concentraciones del orden de 0.24 %. Cuando la concentración de aceite de silicón es aún mayor, del orden de 0.48 %, la resistencia a la carbonización disminuye aún más, tal como lo muestran los datos del ejemplo 7, mostrados en la Tabla 3.

Tabla 5 En base a lo anterior, puede considerarse que en el caso del hule de silicón la combinación del alto peso molecular y su incompatibilidad con los compuestos de polietileno del tipo usado en esta invención, provocan que se formen dos fases claramente diferenciadas: una fase continua formada por el compuesto de polietileno y otra fase discontinua formada por el hule del silicón. En estas condiciones puede concluirse que aún cuando esta fase discontinua de hule de silicón sin entrecruzar imparta algún efecto hidrofóbico, su resistencia intrínseca a la carbonización pudiera ser menor a la del compuesto de polietileno y por lo tanto provocaría que la resistencia a la carbonización del material disminuyera. Es probable que éste también sea el caso del aceite de silicón a altas concentraciones. Sin embargo, cuando la concentración del aceite de silicón es muy pequeña, puede concluirse que este material se ubicaría de una manera más homogénea en la fase amorfa del polietileno vulcanizable, sin formar una fase continua. Esta baja concentración de aceite de silicón es suficiente para migrar hacia la superficie del material, en virtud de su incompatibilidad con los compuestos de polietileno, y provocar el efecto hidrofóbico deseado. Aún cuando el efecto presentado en esta invención ha sido demostrado en compuestos entrecruzables de polietileno, puede anticiparse que en el caso de compuestos termoplásticos de polietileno y sus copolímeros, también se manifieste el efecto benéfico de concentraciones muy pequeñas de aceite de silicón.

En base a las realizaciones descritas anteriormente, se contempla que las modificaciones a estas realizaciones descritas, así como las realizaciones alternativas serán consideradas evidentes para una persona experta en el arte de la técnica bajo la presente descripción. Es por lo tanto, contemplado que las reivindicaciones abarcan dichas realizaciones alternativas que estén dentro del alcance del presente invento o sus equivalentes.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Una composición aislante resistente a carbonización para cable eléctrico, en donde la composición aislante comprende una matriz polimérica de base polietileno o sus copolímeros, y en donde dicha composición aislante está caracterizada porque el compuesto de polietileno o sus copolímeros tiene una densidad de al menos 0.94 g/cm3 e incluye hasta 0.25 % en peso de aceite de silicón respecto al peso total de dicha composición.

2. La composición aislante de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la matriz polimérica de base polietileno es seleccionado de un grupo que consiste de polietileno, polietileno de baja densidad, polietileno de media densidad, polietileno de alta densidad y combinaciones de los mismos.

3. La composición aislante de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el aceite de silicón es polidimetilsiloxano.

4. La composición aislante de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el polidimetilsiloxano tiene una viscosidad de 50 X 10"6 m2/s (50 centistokes) a una temperatura de 20 °C.

5. La composición aislante de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende no más del 0.12 % en peso de aceite de silicón.

6. Un cable eléctrico resistente a carbonización que comprende: al menos un conductor eléctrico; y al menos un cubierta termoplástica aislante resistente a carbonización que comprende una matriz polimérica a base de polietileno; y en donde dicho cable eléctrico está caracterizado porque dicha cubierta aislante incluye un compuesto de polietileno o sus copolímeros con una densidad de al menos 0.94 g/cm3 y hasta 0.25 % en peso de aceite de silicón respecto al peso total de dicha composición.

7. El cable eléctrico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la matriz polimérica de base polietileno es seleccionado de un grupo que consiste de polietileno, polietileno de baja densidad, polietileno de media densidad, polietileno de alta densidad y combinaciones de los mismos.

8. El cable eléctrico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el aceite de silicón es polidimetilsiloxano.

9. El cable eléctrico de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el polidimetilsiloxano tiene una viscosidad de 50 X 10"6 m2/s (50 centistokes) a una temperatura de 20 °C. . El cable eléctrico de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque, comprende no más del 0.12 % en peso de aceite de silicón.