專利名稱：用于提供電力和/或信號傳輸?shù)妮斔碗娎|的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸送電纜(handling cable)，即一種電力和/或信號傳輸?shù)碾娎|，該電纜尤其適用于連接到運(yùn)輸設(shè)備上。本發(fā)明可有利地應(yīng)用在用于卷取器的電纜領(lǐng)域中，顧名思義，該電纜在其分別連接的設(shè)備的移動過程中可以被卷繞和展開。
有一類供電和/或傳輸?shù)碾娎|，其特別適用于在苛刻的使用條件下操作到處移動的可移動設(shè)備，例如在海港區(qū)域中操作的起重機(jī)或移動的架橋。該類電纜涉及一種輸送電纜，也可叫做柔性電纜，其顯示出恰到好處的撓性，于是在使用時賦予了一定的輸送能力(displacement capacity)，并且在某種意義上該電纜通常是多導(dǎo)體的，無論所述的信號起初是電信號還是光信號，該電纜都能夠確保實(shí)現(xiàn)電力和/或信號的傳輸功能。
具體地，輸送電纜典型地是由數(shù)根絕緣導(dǎo)體(insulated conductor)構(gòu)成的，這些導(dǎo)體被結(jié)合在同一保護(hù)性套管內(nèi)。當(dāng)然，構(gòu)成所述套管的材料必須具有與電纜的最終使用條件相適應(yīng)的熱機(jī)械性能。
這就是為什么首先套管材料應(yīng)該是足夠柔韌的，這樣才能保持電纜的柔韌性，該柔韌性對于能夠有效地伴隨電纜所連接的可移動設(shè)備的任何移動而言是必不可少的。更具體地，當(dāng)在與一個或多個卷取器組合使用時，確保輸送電纜可卷起和展開是尤其重要的。
倘若在其連接的可移動設(shè)備的整個使用過程中，伴隨著所有內(nèi)在的摩擦約束，輸送電纜將不得不經(jīng)歷頻繁的移位，因此套管材料提供優(yōu)良的耐磨擦、耐磨損性能同樣是必需的。從電纜將繞著導(dǎo)向輪和其他的折返輪(return pulley)不斷地卷起和展開那時起，就是這樣。
套管材料最終應(yīng)該具有非常優(yōu)良的機(jī)械性能，以能夠承載強(qiáng)的拉力，該拉力是輸送電纜在其所連接的可移動設(shè)備的移動過程中必將經(jīng)受的。應(yīng)該注意到，這一性能對于卷線器用電纜證明是特別相關(guān)的。盡管如此，輸送電纜的套管目前基本上是由網(wǎng)狀化的合成橡膠制成的。在通常的使用條件下，這種熱固化材料實(shí)際上提供了優(yōu)異的熱變形性能以及非常好的柔韌性。
但盡管如此仍存在著這樣的事實(shí)，即在輸送電纜的應(yīng)用場合中，網(wǎng)狀化的合成橡膠在拉伸下在耐磨擦性和機(jī)械性能方面具有特定的缺點(diǎn)。這種材料也證明其制備是極其昂貴的。各種公知的橡膠硫化技術(shù)實(shí)際上都需要很重的設(shè)備，這在成本上是不利的，同時在工業(yè)化適應(yīng)性方面也處于劣勢。
為了克服這些難題，已提出使用聚氨脂作為套管材料。這種熱塑性材料公知地具有異常的耐摩擦性，并且從抗拉伸和柔韌性的方面來看，它也提供了優(yōu)異的機(jī)械性能。
這種材料仍然具有熱屈服的缺點(diǎn)，即在溫度超過一定臨界值并將機(jī)械作用(mechanical constraint)施加于其上的時候，它就會產(chǎn)生逐漸的和不可回復(fù)的變形。事實(shí)上在實(shí)際應(yīng)用中，如果在室溫下沒有特殊的問題，那么當(dāng)溫度超過80℃，情況則不同并伴隨著蠕變現(xiàn)象的出現(xiàn)?，F(xiàn)在，使用供電電纜而超過100℃是相當(dāng)普遍的。盡管如此，這種蠕變的后果將會引起套管材料的機(jī)械性能極度劣化，同樣降低一體性并因此降低了輸送電纜的保存期。
而且，本發(fā)明的目的所要解決的技術(shù)問題是提供一種特別適用于與可移動的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行電力和/或信號傳輸?shù)妮斔碗娎|，通過提供在機(jī)械作用下實(shí)質(zhì)上改善耐溫性，同時不太笨重而易于制造，該輸送電纜可避免現(xiàn)有技術(shù)中的問題。
根據(jù)本發(fā)明，所述技術(shù)問題的解決方案是一種輸送電纜，該電纜含有至少一個通過以下組合物的自動網(wǎng)狀化制成的套管，該組合物含有熱塑性聚氨酯和具有至少兩個異氰酸酯官能團(tuán)的成網(wǎng)劑(reticulation agent)。
首先應(yīng)該注意到，在此套管的概念應(yīng)擴(kuò)展到最廣的含義，也就是說，它是能夠分別表示導(dǎo)體元件的第一覆層，絕緣電纜的表層，或者組合幾根絕緣電纜的包套(envelop)。
詳細(xì)來說，術(shù)語“自動網(wǎng)狀化”通常是指套管材料的網(wǎng)狀化可以在室溫和任選的空氣濕度下進(jìn)行而無需后續(xù)工藝。
盡管如此，正如所限定的那樣，本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得一種套管材料，該材料將優(yōu)異的耐摩擦性、柔韌性、抵抗熱塑性拉伸的機(jī)械性能，以及在受熱和機(jī)械作用下，網(wǎng)狀化材料的極好的尺寸穩(wěn)定性都結(jié)合于一身。
具體地，自動網(wǎng)狀化無需采用現(xiàn)有技術(shù)中昂貴的硫化工藝，這對形成本發(fā)明目的的輸送電纜具有低的零售價格有有利貢獻(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的具體特征之一，成網(wǎng)劑選自二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)及其衍生物、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)及其衍生物、甲苯二異氰酸酯(TDI)及其衍生物、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)及其衍生物、或這些化合物的任意混合物。
在一種特別有利的方式中，所述套管材料的組成包括每100重量份的熱塑性聚氨酯2至20重量份的成網(wǎng)劑；且優(yōu)選4至10重量份的成網(wǎng)劑。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)可以從以下對比實(shí)施例的描述中得以顯示，所給出的實(shí)施例僅是用以解釋說明而非限制本發(fā)明的范圍。
對比實(shí)施例對比實(shí)施例涉及六種基于熱塑性聚氨酯的材料，它們非常適用于制備輸送電纜的套管。為了比較其各自的性能，因此制備了六種不同組成的樣品。
在該對比實(shí)施例中，熱塑性聚氨酯對六種材料來說是共同的。在這種情況下，它是一種由Noveon公司經(jīng)銷的商標(biāo)為Estane 58888Nat021的聚合物。
樣品之間只有成網(wǎng)劑的性質(zhì)和數(shù)量不同，表1詳細(xì)給出了這些差別。在這方面，應(yīng)該注意到，以下不同表格欄中記載的數(shù)量，典型地是以相對于100重量份的熱塑性聚氨酯而言的重量份表示的。
表1
首先注意到，樣品1構(gòu)成了一種極端情況，因?yàn)樗鼉H僅由熱塑性聚氨酯組成。換句話說，其在成網(wǎng)劑中的耐受性為0。
由此，它應(yīng)該被認(rèn)為是一種參考。
然后可以觀察到，樣品2至4與它們的對應(yīng)物是不同的，事實(shí)上所提供的成網(wǎng)劑都是二苯基甲烷二異氰酸酯，目前采用縮寫MDI表示。
樣品5和6的顯著特征是進(jìn)入它們組成中的成網(wǎng)劑是異佛爾酮二異氰酸酯的三聚物，通常用縮寫t-IPDI表示。
樣品的制備因?yàn)闃悠?僅僅含有熱塑性聚氨酯，并不進(jìn)行網(wǎng)狀化，因此該材料只簡單地被擠出并制成所需的形狀。
因?yàn)闃悠?至6對應(yīng)于網(wǎng)狀化材料，所以它們都采用以下相同的操作方法進(jìn)行制備，概括來說，該方法包括接枝、隨后擠出。
因此該方法一開始即進(jìn)行第一步的接枝過程。首先，將標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性聚氨酯和異氰酸酯類成網(wǎng)劑通過料斗加入到雙螺桿擠出機(jī)中。
然后，所有材料在接近200℃的溫度下進(jìn)行混合。將所得到的接枝的熱塑性聚氨酯顆粒進(jìn)行干燥，隨后貯存在密閉容器中達(dá)6個月以上。
該方法隨后進(jìn)行第二步的擠出過程。為此，和標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性聚氨酯相類似，將先前經(jīng)接枝的熱塑性聚氨酯在常規(guī)的單螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行加工。通常，在環(huán)境溫度和濕度下進(jìn)行自動網(wǎng)狀化過程4到7天。
網(wǎng)狀化動力學(xué)鑒于材料的網(wǎng)狀化程度越高，其不溶物比率(rate of insoluble)越高并接近100％，因此，不溶物比率隨時間的改變量就是網(wǎng)狀化反應(yīng)速度的一個很好的指標(biāo)。
因此決定比較不同熱塑性聚氨酯的網(wǎng)狀化，在此情況下比較樣品2、4、5的網(wǎng)狀化。對于每個樣品而言，進(jìn)行一系列的測量，目的在于在一定間隔下測量整個網(wǎng)狀化過程中材料的不溶物比率。
對每次測量而言，操作方法都是一樣的。具體來說，將1g所研究的材料(M1)放入含有100g四氫呋喃(THF)的Erlenmeye燒瓶中，然后將整體在磁力攪拌器下回流(67℃)24h以上。隨后，將Erlenmeye燒瓶中的內(nèi)容物在金屬篩上進(jìn)行熱過濾，金屬篩的網(wǎng)格尺寸為120μm×120μm。接著，將所得固態(tài)殘留物在干燥爐中于80℃下干燥24h，再進(jìn)行稱量(M2)。通過求質(zhì)量比M2×100/M1，可以計(jì)算出以百分比計(jì)的不溶物比率。
首先，應(yīng)該明確的是，樣品1具有0％的不溶物比率，這是非常合乎邏輯的，因?yàn)檫@一參考樣品對應(yīng)于未接枝的聚合物組成，并因此對應(yīng)于非網(wǎng)狀化的材料。
既然如此，

圖1示出了樣品2、4、5的熱塑性聚氨酯在網(wǎng)狀化過程中的不溶物比率變化。該圖尤其揭示了測試材料的組成中成網(wǎng)劑的性質(zhì)和濃度的影響。
首先，很明顯，使用MDI的樣品(樣品2、4)可在7天內(nèi)獲得完全網(wǎng)狀化，而在t-IPDI的情況下(樣品5)，則需要3周以上。
很明顯，在網(wǎng)狀化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的聚合物基體的數(shù)量，與不溶物比率是成比例的，該數(shù)量隨著成網(wǎng)劑的濃度而增加(樣品2和4)，在MDI的情況下(樣品4)可達(dá)到大于95％的數(shù)值。
機(jī)械性能為了確定樣品1、3、4的主要機(jī)械性能，即斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率，在室溫下進(jìn)行測試。
依照ISO 8295協(xié)議、特別是關(guān)于所述摩擦系數(shù)，每一種材料自身的肖氏硬度A以及摩擦系數(shù)是相同的度量手段。
目的不僅在于對比兩種網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨酯(樣品3和4)和簡單的、無網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨酯(樣品1)的性能，而且在于評估成網(wǎng)劑中的濃度對所述性能的影響。
表2列出了其不同的結(jié)果表2
機(jī)械性能的比較清楚地表明，當(dāng)材料的組成分別結(jié)合了6重量份和8重量份的MDI時，即使在網(wǎng)狀化后斷裂應(yīng)力相對地保持沒有改變，但是斷裂伸長率減少了19％(樣品3)和25％(樣品4)。這一結(jié)果的產(chǎn)生是由于網(wǎng)狀化過程中產(chǎn)生的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力造成的。
對摩擦系數(shù)的分析證明，網(wǎng)狀化會使咔噠聲(chatter)現(xiàn)象明顯地減少，該現(xiàn)象是在使用標(biāo)準(zhǔn)熱塑性聚氨酯(樣品1)進(jìn)行的摩擦測試中所觀察到的，并且它是在滑動和粘附性再啟動的連續(xù)進(jìn)行中示意性地表示出來的。由于材料組分中分別含有6重量份和8重量份的MDI，所以靜摩擦和動摩擦系數(shù)都有效地減少了30％(樣品3)和45％(樣品4)。
最后，很明顯，經(jīng)網(wǎng)狀化后材料的硬度值保持不變。很顯然，倘若輸送電纜的卷繞和/或打開不可避免地產(chǎn)生大量的摩擦、尤其是在保護(hù)性套管的不同部分之間，咔噠聲現(xiàn)象明顯地減少成為吸引我們的關(guān)注的一個主要優(yōu)點(diǎn)。
熱機(jī)械性能現(xiàn)在，對樣品進(jìn)行新的測試，以便在同時經(jīng)歷機(jī)械作用和高溫時評價樣品1-6的熱機(jī)械性能。假設(shè)測試條件代表了將來的使用條件，因此，這種情況在輸送電纜領(lǐng)域中是最基本的。
于是進(jìn)行了三種測試，以分別研究機(jī)械作用下的熱蠕變、加速老化以及在持久機(jī)械作用下的長期性能。
機(jī)械作用下的熱蠕變NF EN 60811-2-1標(biāo)準(zhǔn)涉及在機(jī)械作用下材料的熱蠕變的測量。相應(yīng)的測試通常由熱固化測試(Hot Set Test)這一術(shù)語來表示。
它基本上由以下步驟組成在啞鈴狀H2型測試樣品的一端放置一個重物，其質(zhì)量對應(yīng)于施加0.2MPa的作用，再將它們整體放入干燥爐內(nèi)15分鐘，該干燥爐被加熱到給定的變化范圍為+/-1℃的溫度下。一旦完成這段時間，在機(jī)械作用下測試樣品的熱伸長率就能顯示出來，以百分比表示。隨后去掉懸掛的重物，將測試樣品在干燥爐內(nèi)停留5分鐘以上。然后測量殘余持久伸長率，同樣稱為剩余持久伸長率，以百分比表示。
很顯然，材料的網(wǎng)狀化程度越高，其伸長率和剩余伸長率的值就會越低。進(jìn)一步可以明確，如果在測試過程中樣品在機(jī)械和溫度的共同作用下發(fā)生斷裂，那么從邏輯上就可認(rèn)定該測試結(jié)果是失敗的。
盡管如此，表3列出了對樣品1、3、4的測試結(jié)果，其僅考慮了持久伸長率。
表3
首先，很顯然，對應(yīng)于未網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨酯的樣品1，僅僅能夠承受160℃的最大熱固化測試溫度。
應(yīng)該注意到，當(dāng)材料網(wǎng)狀化后(樣品3和樣品4)，其熱機(jī)械性能明顯地提高。當(dāng)基材組成中分別含有6重量份(樣品3)和8重量份(樣品4)的MDI型成網(wǎng)劑時，最大熱固化測試溫度實(shí)際上升高到175℃，甚至達(dá)到180℃。
加速老化熱蠕變測試采用熱固化測試的原理，但是樣品預(yù)先在120℃的溫度下經(jīng)受15h的加速老化。
該測試的目的在于比較樣品4和6的熱機(jī)械性能，即由于采用了兩種不同網(wǎng)狀劑、分別是MDI和t-IPDI而網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨脂的熱機(jī)械性能。
表4列出了加速老化測試的不同結(jié)果。
表4
即使表格4中沒有出現(xiàn)，但也應(yīng)該注意到，經(jīng)6重量份的或加入t-IPDI網(wǎng)狀劑改性的熱塑性聚氨脂，在環(huán)境溫度和濕度下需要3周以上的時間來進(jìn)行在175℃下的熱固化測試。這一點(diǎn)與先前討論的不溶物比率的變化非常一致。
然而，盡管其具有明顯低的反應(yīng)性，但t-IPDI似乎仍是一種在借助加熱的快速老化過程中更加有效的成網(wǎng)劑，因?yàn)閠-IPDI的存在使樣品6經(jīng)受200℃的熱固化測試。
持久機(jī)械作用下的持久性能存在著一種更直接與輸送電纜相關(guān)的試驗(yàn)。它通常由蠕變試驗(yàn)(creeptest)這一術(shù)語來表示，并可用來評價經(jīng)過長時間、在持久機(jī)械作用下材料的熱蠕變。
這一測試沒有相關(guān)的特殊標(biāo)準(zhǔn)，但它的原理和熱固化測試相同，只是操作的條件不同。
因此，溫度可固定在80℃，所采用的實(shí)施時間為24h，機(jī)械作用的強(qiáng)度為2MPa、3MPa或4MPa。
在這樣的情況下，對樣品1-4進(jìn)行蠕變測試以確定成網(wǎng)劑濃度對網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨脂的尺寸穩(wěn)定性的影響。
圖2和圖3顯示了濃度的增加如何改善網(wǎng)狀化的熱塑性聚氨脂的尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)該注意到，這一特征恰好與圖2中所示的機(jī)械作用下的伸長率和圖3中的持久伸長率都很符合。
權(quán)利要求
1.一種特別適用于與可移動的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行電力和/或信號傳輸?shù)妮斔碗娎|，其特征在于，所述電纜包括至少一個通過以下組合物的自動網(wǎng)狀化構(gòu)成的套管，所述組合物含有熱塑性聚氨酯和具有至少兩個異氰酸酯官能團(tuán)的成網(wǎng)劑。
2.如權(quán)利要求1所述的輸送電纜，其特征在于，所述成網(wǎng)劑選自二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)及其衍生物、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)及其衍生物、甲苯二異氰酸酯(TDI)及其衍生物、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)及其衍生物、或這些化合物的任意混合物。
3.如權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)所述的輸送電纜，其特征在于，所述套管材料的組合物包含每100重量份的熱塑性聚氨酯2至20重量份的成網(wǎng)劑，且優(yōu)選4至10重量份的成網(wǎng)劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特別適用于與可移動的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行電力和/或信號傳輸?shù)妮斔碗娎|。本發(fā)明的顯著性在于該輸送電纜包括至少一個通過以下組合物的自動網(wǎng)狀化制成的套管，該組合物含有熱塑性聚氨酯和具有至少兩個異氰酸酯官能團(tuán)的成網(wǎng)劑。
文檔編號H01B7/17GK1901100SQ20061009372
公開日2007年1月24日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者錢塔爾·巴里奧茲, 奧利維爾·平托, 讓-米歇爾·馬蒂 申請人:尼克桑斯公司