Высокоэффективная, высокотемпературная легкая пленка, лента или кожух для изоляции проводов

Настоящее изобретение относится к легким, высокоэффективным, высокотемпературным и огнестойким пленкам и лентам, применяемым для изоляции проводов и кабелей, которые используются в разных условиях эксплуатации, например при проведении бурильных работ и разработке месторождений. Изолированный провод содержит сердечник (10) и изоляционную полимерную оболочку, содержащую внутренний слой (12) из политетрафторэтилена (ПТФЭ) для придания электроизоляционных свойств, промежуточный слой (14) из содержащего ароматические и/или гетероциклические кольца полимера, например полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), для улучшения механических свойств, таких как сопротивление истиранию и динамическому разрыву, и внешний слой (16) из ПТФЭ, который придает устойчивость к электрическому и химическому воздействию и обеспечивает агломерацию всей структуры. Во время агломерации промежуточный слой может поддаться деформации или плавлению, что может привести к получению дополнительных и неожиданных изоляционных свойств. Предпочтительно толщина каждой пленки составляет от 25 до 50 мкм. Настоящая пленка является огнестойким, устойчивым к воздействию высоких температур и других неблагоприятных условий материалом и может применяться для производства компактной, тонкой и легкой изоляции. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к легким, высокоэффективным, высокотемпературным и огнестойким пленкам и лентам, применяемым для изоляции проводов и кабелей, которые используются в разных условиях эксплуатации, например при проведении бурильных работ и разработке месторождений, а также для применения в гражданской или авиационно-космических и морских средствах военного назначения, в автомобильном, железнодорожном и общественном транспорте. Такие кабели могут подвергаться воздействию высоких и низких температур, коррозионно-активных веществ или атмосфер, а также огневому воздействию. Высокоэффективные провода обычно содержат функциональный сердечник, например электрический проводник или оптическое волокно, а также один или более изоляционных и/или защитных покрытий. Такие покрытия должны быть гибкими и не слишком объемными, поскольку основным требованием для большинства кабелей является их легкость и небольшой диаметр.

Как известно, для создания изоляционных оболочек (кожухов) для кабелей и проводов используются разные полимеры, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Среди преимуществ ПТФЭ - высокая прочность, химическая инертность, высокая температура размягчения, низкий коэффициент трения и хорошие электроизоляционные свойства.

ПЭЭК широко используется для создания оболочек для проводов и кабелей, поскольку имеет высокую огнестойкость и способность к самогашению с выделением небольшого количества дыма. Он также имеет хорошие показатели растяжения и гибкости в материалах с сечением тонкого профиля, например в пленках, а также обладает хорошим механическим сопротивлением к истиранию и динамическому разрыву. Однако данный материал может быть чувствительным к образованию токопроводящего мостика и к воздействию ацетонов и сильных кислот.

В патентной заявке ЕР-А-572177 раскрыт электроизоляционный слой из пористых ПТФЭ и ПЭЭК для создания гибкого электроизоляционного материала для изоляции проводки в корпусе летательного аппарата, которая должна быть легкой, с высокой механической прочностью, термостойкой, устойчивой к химическому воздействию и иметь пониженную диэлектрическую постоянную.

Однако все еще остается потребность в тонких и легких кабелях и проводах с изоляционным материалом, который является огнестойким, устойчивым к воздействию высоких температур и других неблагоприятных условий. Одним из способов достижения высокого уровня огнестойкости является применение покрытия из слюдяных частиц, обычно пластинок, рассеянных в полимерной матрице. Патентная заявка JP-A-2003100149, например, раскрывает использование тонкоизмельченного слюдяного порошка и стеклообразных фритт в силиконовой смоле для покрытия огнестойких кабелей. Но поскольку слюдяные частицы увеличивают стоимость материала, существует необходимость в сокращении или полном удалении слюдяных частиц.

Патентная заявка GB 0810294.9 от 5 июня 2008 года, находящаяся в процессе одновременного рассмотрения, раскрывает формулу изобретения провода или кабеля, содержащего сердечник и полимерную оболочку (кожух), включающую в себя оберточную пленку из ПЭЭК или полимерную смесь, имеющую в своем составе, по меньшей мере, 30% масс. ПЭЭК и другого полимера, толщиной от 5 до 150 мкм. Слой ПЭЭК может быть соединен с огнестойким слоем полимерной матрицы, в которой расположены слюдяные частицы, и также иметь внешний защитный слой из, например, фторполимера, такого как ПТФЭ.

Настоящее изобретение относится к оболочке высокоэффективных и высокотемпературных проводов, содержащей внутренний слой ПТФЭ, промежуточный слой из полимерной пленки, имеющей в своей структуре ароматические и/или гетероциклические кольца, и агломерированный внешний слой из ПТФЭ, при этом толщина каждого слоя составляет от 12 до 100 мкм.

Изоляция может также содержать слоистую (ламинированную) ленту, которая обматывается вокруг провода или может быть непосредственно экструдирована на провод, как, по меньшей мере, внешнего слоя ПТФЭ, агломерированного на месте изоляции. Изоляционные слои предпочтительно обматываются вокруг сердечника по спирали, предпочтительно с перекрытием (внахлест) от 25 до 65%, более предпочтительно от 40 до 55%. Слои можно наносить по отдельности или используя многослойный материал из двух или трех слоев. Предпочтительный угол перекрытия составляет от 45° до 55°.

Промежуточный слой может, например, иметь в своем составе полиарилэфиркетон (ПАЭК) или полимер, содержащий азот, серу и/или кислородсодержащие гетероциклические кольца. Предпочтительные гетероциклические полимеры включают те, которые содержат шестичленное кольцо, конденсированное с пятичленным кольцом, такие как полибензимидазол, полибензоксазол и полибензотиазол, или смеси или сплавы этих полимеров.

Предпочтительно в качестве ПАЭК использовать полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), но также можно использовать и другие полимеры группы ПАЭК по отдельности, или в смеси, или в виде сплавов, например полиэфиркетоны (ПЭК), полиэфиркетонэфиркетонкетоны (ПЭКЭКК) и полиэфиркетонкетоны (ПЭКК).

Агломерация расплава внешнего слоя ПТФЭ связывает весь композит в герметичную конструкцию, обеспечивая высокий уровень устойчивости к химическому воздействию, вместе с превосходными механическими свойствами, которые придаются композиту слоем ПАЭК. Предпочтительно агломерация (образуется шлак) происходит при температуре от 350 до 420°С. Все три изоляционные слои можно подвергать процессу агломерации. ПЭЭК обычно плавится при температуре около 343°С. Агломерация вызывает усадку ПТФЭ, чем создает высокоплотную оболочку из изоляционного материала. Предпочтительно продолжительность агломерации составляет от 30 секунд до 2 минут, более предпочтительно - от 60 до 90 секунд.

Согласно следующему аспекту изобретения разработана структура трехслойной композитной изоляционной пленки или ленты, содержащая первый слой из политетрафторэтилена (ПТФЭ), промежуточный второй слой из полимера, имеющего в своей структуре ароматические и/или гетероциклические кольца, и третий слой из ПТФЭ.

Предпочтительно толщина каждого слоя составляет от 25 до 75 мкм. Поэтому посредством настоящего изобретения можно создать очень тонкий и легкий провод из относительно недорогих материалов, который имеет превосходные механические свойства и устойчив к воздействию высоких температур и химическому воздействию.

На прилагаемом чертеже представлено сечение изолированного провода в увеличенном виде, который согласно настоящему изобретению имеет 3-слойную оболочку. Изолированный провод содержит сердечник-проводник 10, который может быть выполнен в виде одножильного, многожильного металлического сердечника, например из меди, алюминия, серебра или стали. Для других целей сердечник может быть выполнен из полимера, углеродного волокна или керамического материала.

Вокруг сердечника располагается внутренний слой из ПТФЭ 12, толщина которого предпочтительно составляет от 25 до 75 мкм. Этот слой обеспечивает электрическую изоляцию в корпусе металлического сердечника-проводника. Обладая высокой прочностью и низким коэффициентом трения, внутренний слой защищает сердечник, даже когда на провод действует сила, которая может повредить изоляционные слои из других материалов. Электрическая защита, обеспечиваемая этим слоем, включает в себя устойчивость к образованию токопроводящего мостика в сухих и влажных условиях.

Вокруг внутреннего слоя из ПТФЭ располагается промежуточный слой 14 из полимера, содержащего арильные или гетероциклические кольца, например полиарилэфиркетон, предпочтительно полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Толщина данного слоя составляет от 12 до 100 мкм, предпочтительно от 25 до 75 мкм. Этот слой обеспечивает превосходные механические свойства, такие как устойчивость к динамическому разрыву и истиранию.

Вокруг слоя из ПЭЭК располагается последний внешний слой 16 из агломерированного ПТФЭ. Это обеспечивает устойчивость как к электрическому, так и химическому воздействию. Наличие внешнего слоя из ПТФЭ обеспечивает агломерацию всей структуры. Во время агломерации слой из ПЭЭК может поддаться деформации или плавлению, что может привести к получению дополнительных изоляционных свойств в каждом из слоев.

Применение тонких пленок для создания изолированного провода по настоящему изобретению позволяет производить компактную, тонкую и легкую изоляцию.

Изображенный на чертеже провод можно изготовить посредством обмотки сердечника каждым слоем по отдельности, обмотки ламинированной (многослойной) композитной пленкой из двух или трех слоев или экструзией (прессованием) трех защитных слоев с последующей агломерацией, которая приводит к неожиданному синергетическому улучшению свойств отдельных слоев.

В следующем примере показано производство высокоэффективного, высокотемпературного и легкого изоляционного провода по настоящему изобретению.

Три последовательных слоя были навиты по спирали из ленты на никелированный медный провод с проволокой 22 AWG (американский сортамент проводов). Вначале был намотан внутренний слой ПТФЭ из ленты Lenzing LD-PTEE (Лензинг ЛД-ПТФЭ) шириной 4,0 мм и толщиной 48 мкм, с углом перекрытия от 45° до 55°.

Для создания промежуточного слоя использовалась лента ПЭЭК (серия APTIV 1,000) шириной 6,0 мм и толщиной 45 мкм, которая наматывалась в противоположном направлении к направлению намотки внутреннего слоя, с углом перекрытия от 45° до 55°.

Последним на промежуточный слой был намотан внешний слой из ленты ПТФЭ класса 3Р 500 шириной 6,5 мм и толщиной 50 мкм, который наматывался в том же направлении, что и внутренний слой, с углом перекрытия от 45° до 55°.

Сформированный таким образом трехслойный композит был подвержен агломерации при температуре 400°С на протяжении от 60 до 90 секунд для создания легкой, высокоэффективной и высокотемпературной изоляционной пленки.

1. Провод или кабель, содержащий сердечник и изоляционную полимерную оболочку, в котором упомянутая оболочка включает в себя внутренний слой из политетрафторэтилена (ПТФЭ) толщиной от 12 до 100 мкм, промежуточный слой вокруг внутреннего слоя из полимера, имеющего в своем составе ароматические и/или гетероциклические кольца, толщиной от 12 до 100 мкм и агломерированный внешний слой из ПТФЭ толщиной от 12 до 100 мкм.

2. Провод или кабель по п.1, в котором промежуточный слой содержит полиарилэфиркетон (ПАЭК), или его смесь, или примеси (добавки).

3. Провод или кабель по п.2, в котором промежуточный слой из полиарилэфиркетона (ПАЭК) содержит полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), или его смесь, или примеси (добавки).

4. Провод или кабель по п.1, в котором промежуточный слой содержит полимер из гетероциклических звеньев, имеющих в своем составе шестичленное кольцо, конденсированное с пятичленным кольцом.

5. Провод или кабель по п.4, в котором промежуточный слой содержит звенья из полибензимидазола, полибензоксазола и/или полибензотиазола.

6. Провод или кабель по п.1, в котором толщина пленки промежуточного слоя составляет от 25 до 75 мкм.

7. Провод или кабель по п.6, в котором толщина каждого из трех слоев, обмотанных вокруг сердечника, составляет от 25 до 75 мкм.

8. Провод или кабель по п.1, в котором промежуточный и/или внутренний слои оболочки были подвергнуты агломерации.

9. Провод или кабель по п.1, в котором сердечник выполнен в виде металлического сердечника-проводника.

10. Провод или кабель по п.9, в котором сердечник выполнен из меди, алюминия, серебра или стали.

11. Провод или кабель по п.1, в котором сердечник выполнен из полимера, углеродного волокна или керамического материала.

12. Провод или кабель по п.1, в котором каждый из упомянутых слоев обматывается вокруг сердечника по отдельности.

13. Провод или кабель по одному из пп.1-11, в котором два или три из упомянутых изоляционных слоев применяются в виде ламинированной композитной пленки.

14. Провод или кабель по п.12, в котором упомянутые изоляционные слои и/или ламинированная композитная пленка наматываются на сердечник по спирали с углом перекрытия от 25 до 60%.

15. Провод или кабель по п.1, в котором изоляционные слои формируются экструзией.

16. Способ изготовления изоляционного провода или кабеля, который включает в себя этапы спиральной обмотки вытянутого сердечника внутренним слоем из политетрафторэтилена (ПТФЭ) толщиной от 12 до 100 мкм, промежуточным слоем из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) толщиной от 12 до 100 мкм и внешним слоем из ПТФЭ толщиной от 12 до 100 мкм и агломерации, по меньшей мере, упомянутого внешнего слоя.

17. Способ по п.16, в котором упомянутый процесс агломерации происходит при температуре от 350 до 420°С.

18. Композитная изоляционная пленка или лента, которая содержит первый слой из политетрафторэтилена (ПТФЭ), промежуточный второй слой, имеющий в своем составе ароматические и/или гетероциклические кольца, и третий слой из ПТФЭ.