Composiciones de aislamiento mejoradas de EPR de calidad dura.

Una composición aislante para cables eléctricos que comprende:

a. un polímero base que comprende polietileno (PE) y un elastómero;

b. un agente de relleno; y

c. un aditivo que comprende

(i) un antioxidante fenólico, y

(ii) un fotoestabilizador de amina impedida

en la que dicho antioxidante es tiodietilenpropionato de bis[3-(3,5-di-terc-butil-4-hidroxifenilo)], en donde dicha composición contiene menos de 500 ppm en peso aproximadamente de plomo.

Composiciones de aislamiento mejoradas de EPR de calidad dura Campo de la invención

La presente invención se refiere a composiciones aislantes sin plomo para cables eléctricos de alimentación que tienen (a) un polímero base que comprende polietileno (PE) y un elastómero; (b) un agente de relleno; y (c) un aditivo que comprende (i) un fotoestabilizador de amina impedida, y (ii) un antioxidante fenólico.

Antecedentes de la invención

Los cables de alimentación típicos generalmente tienen uno o más conductores en un núcleo que está rodeado por varias capas que pueden incluir: una primera capa apantallada semiconductora polimérica, una capa aislante polimérica, una segunda capa apantallada semiconductora polimérica, un blindaje de cinta metálica y una camisa polimérica.

En el pasado los materiales poliméricos se han utilizado como materiales aislantes eléctricos y blindajes semiconductores para cables de alimentación. En servicios o productos que requieran un rendimiento de un cable eléctrico a largo plazo, dichos materiales poliméricos, además de tener unas propiedades dieléctricas adecuadas, deben ser duraderos. Por ejemplo, el aislamiento polimérico utilizado en los cables de construcción, cables de alimentación de motores eléctricos o de maquinaria, o en cables soterrados de transmisión de electricidad, debe ser duradero por razones económicas y de seguridad y por aspectos prácticos.

Un tipo importante de fallo que puede experimentar un aislamiento de un cable de alimentación polimérico es el fenómeno conocido como arborescencia. La arborescencia se puede producir y progresar lentamente por descargas periódicas parciales. También se puede producir lentamente en presencia de humedad sin ninguna descarga parcial, con humedad y descargas, o se puede producir rápidamente como consecuencia de una tensión de impulso. Las arborescencias se pueden formar en el lugar de una alta tensión eléctrica tales como contaminantes o vacíos en la estructura de la interfaz de la pantalla aislante-semiconductora. En dieléctricos orgánicos sólidos, la arborescencia es el mecanismo de fallo eléctrico más probable, que no se produce de forma catastrófica, sino que parece ser el resultado de un proceso más prolongado. En el pasado se ha conseguido prolongar la vida de servicio de aislamientos poliméricos al modificar los materiales poliméricos mediante mezcla, injerto, o copolimerización de moléculas a base de silano u otros aditivos de forma que las arborescencias únicamente se inicien a tensiones superiores a las habituales o crezcan más lentamente una vez iniciadas.

Existen dos tipos de arborescencias conocidas como arborescencia eléctrica y arborescencia por agua. La arborescencia eléctrica es el resultado de descargas eléctricas internas que descomponen el dieléctrico. Impulsos de tensión elevados pueden producir arborescencias eléctricas. El daño, que es el resultado de la aplicación de tensiones de corriente alterna moderadas en las interfaces del electrodo/aislamiento, que pueden contener imperfecciones, es significativo a nivel comercial. En este caso, se pueden producir gradientes de tensión localizada muy altos y con tiempo suficiente pueden dar lugar al inicio y crecimiento de las arborescencias. Un ejemplo de esto es un cable de alimentación o conector de alta tensión con una interfaz desigual entre el conductor o el blindaje del conductor y el aislante primario. El mecanismo de fallo supone la descomposición real de la estructura modular del material dieléctrico, quizás por bombardeo electrónico. En el pasado, mucha de la técnica se ha preocupado de la inhibición de las arborescencias eléctricas.

En contraste con la arborescencia eléctrica, que es el resultado descargas eléctricas internas que descomponen el material dieléctrico, la arborescencia por agua es el deterioro de un material dieléctrico sólido, que está expuesto simultáneamente a líquido o a vapor y a un campo eléctrico. Los cables de alimentación soterrados son especialmente vulnerables a la arborescencia por agua. Las arborescencias por agua se inician en lugares de alta tensión eléctrica tales como interfaces desiguales, puntos conductores salientes, vacíos, o contaminantes incrustados, pero a una tensión más baja que la necesaria para las arborescencias eléctricas. En contraste con las arborescencias eléctricas, las arborescencias por agua tienen las siguientes características distintivas: (a) la presencia de agua es esencial para su crecimiento; (b) normalmente no se detecta descarga parcial durante su inicio; (c) pueden crecer durante años antes de alcanzar un tamaño que pueda contribuir a su descomposición; (d) aunque de crecimiento lento, se inician y crecen en campos eléctricos mucho más bajos que los necesarios para el desarrollo de las arborescencias eléctricas.

Las aplicaciones de aislamiento eléctrico en general se dividen en aislamiento de baja tensión (menos de 1 kV), aislamiento de tensión media (que oscila entre 1 kV y 65 kV), y aislamiento de alta tensión (por encima de 65 kV). En las aplicaciones de tensión baja a media, por ejemplo, en cables y aplicaciones eléctricos en la industria del automóvil, generalmente la arborescencia eléctrica no es un problema extendido y es mucho menos habitual que la arborescencia por agua, que con frecuencia supone un problema. Para las aplicaciones de tensión media, los aislantes poliméricos más habituales están fabricados de homopolímeros de polietileno o de elastómeros de etileno- propileno, conocidos también como caucho de etileno-propileno (EPR) o terpolímero de etileno-propileno-dieno

(EPDM).

El polietileno generalmente se usa puro (sin agente de relleno) como material aislante eléctrico. Los polietilenos tienen buenas propiedades dieléctricas, en particular sus constantes dieléctricas y factores de potencia (tangente Delta). La constante dieléctrica del polietileno está en el intervalo de 2,2-a 2,3 aproximadamente. El factor de potencia, que es una función de la energía eléctrica disipada y perdida y debe ser tan bajo como sea posible, está en torno a ,2 a temperatura ambiente, un valor muy deseable. Las propiedades mecánicas de los polímeros de polietileno también son adecuadas para su utilización en muchas aplicaciones como aislamiento de tensión media, aunque son propensos a la deformación a altas temperaturas. No obstante, los homopolímeros de polietileno son muy propensos a la arborescencia por agua, especialmente hacia el extremo superior del intervalo de tensión media.

Se han acometido intentos para preparar polímeros a base de polietileno que tengan una estabilidad eléctrica a largo plazo. Por ejemplo, cuando se usa peróxido de dicumilo como agente de reticulación para el polietileno, el resto peróxido funciona como inhibidor de la arborescencia durante algún tiempo después de la curación. No obstante, estos restos se acaban perdiendo a la mayoría de temperaturas cuando se usa el cable eléctrico de alimentación. La patente de Estados Unidos n2 4.144.22, expedida el 13 de marzo de 1979 a Ashcraft y col., desvela la incorporación a polietilenos de al menos un organosilano que contiene epoxi como inhibidor de arborescencias. No obstante, aún existe la necesidad de un aislante polimérico que tenga una mejor resistencia a las arborescencias sobre dichos polietilenos que contienen silano.

A diferencia del polietileno, que se puede utilizar puro, otro aislante de tensión media habitual, el EPR, normalmente contiene un alto nivel de agente de relleno con el fin de mejorar las propiedades térmicas y reducir los costes. Cuando se utiliza como aislante de tensión media, el EPR generalmente contendrá del 2 aproximadamente al 5 % en peso aproximadamente de agente de relleno, normalmente arcilla calcinada, y preferentemente está reticulado con peróxidos. La presencia del agente de relleno proporciona al EPR una alta resistencia frente a la propagación de arborescencias. El EPR también tiene propiedades mecánicas que son superiores a las del polietileno a temperaturas elevadas.

Por desgracia, aunque los agentes de relleno utilizados en el EPR pueden ayudar a prevenir las arborescencias, el EPR relleno generalmente tendrá unas propiedades dieléctricas peores, es decir, una constante dieléctrica peor y un factor de potencia peor. La constante dieléctrica del EPR relleno está en el intervalo de 2,3 aproximadamente a 2,8 aproximadamente. Su factor de potencia es del orden de ,2 aproximadamente a ,5 aproximadamente a temperatura ambiente, que aproximadamente es un orden de magnitud peor que el polietileno.

Así, tanto los polietilenos como los EPR tienen serias limitaciones como aislante eléctrico en aplicaciones para cables. A pesar de que los polímeros de polietileno... [Seguir leyendo]

1. Una composición aislante para cables eléctricos que comprende:

a. un polímero base que comprende polietileno (PE) y un elastómero;

b. un agente de relleno; y

c. un aditivo que comprende

(i) un antioxidante fenólico, y

(ii) un fotoestabilizador de amina impedida

en la que dicho antioxidante es tiodietilenpropionato de bis[3-(3,5-di-terc-butil-4-hidroxifenilo)], en donde dicha composición contiene menos de 5 ppm en peso aproximadamente de plomo.

2. La composición de la reivindicación 1, en donde no se han añadido a dicha composición ingredientes que contengan cantidades sustanciales de cinc.

3. La composición de la reivindicación 1, en la que el polímero base comprende más del 2 % en peso del polímero base de PE.

4. La composición de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en la que el polímero base comprende LDPE y EPDM.

5. La composición de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en la que el fotoestabilizador de amina impedida está presente del ,5 % aproximadamente al 1,5 % en peso aproximadamente de dicha composición.

6. La composición de la reivindicación 1, en la que el antioxidante fenólico está presente del ,5 % aproximadamente al 1,5 % en peso aproximadamente de dicha composición.

7. La composición de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en la que dicho agente de relleno es un agente de relleno de arcilla.

8. La composición de la reivindicación 2, en la que el polímero base comprende más del 4 % aproximadamente de LDPE.

9. La composición de la reivindicación 2, en donde dicha composición contiene menos de 5 ppm en peso aproximadamente de cinc.

1. Un cable que comprende un conductor y el aislante de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2 rodeando el conductor.

11. Un método de fabricación de una composición aislante para cables eléctricos que comprende la etapa de mezcla de polietileno (PE), un elastómero, un agente de relleno, un antioxidante fenólico y un fotoestabilizador de amina impedida para formar una mezcla homogénea, en donde dicho antioxidante es tiodietilenpropionato de bis[3-(3,5-di- terc-butil-4-hidroxifenilo)], y en el que dicha composición contiene menos de 5 ppm en peso aproximadamente de plomo.

12. El método de la reivindicación 11, que además comprende la etapa de extrusión de dicha mezcla homogénea.