ХЛАДОТЕРМОСТОЙКИЙ ИЗОЛИРОВАННЫЙ ПРОВОД Российский патент 2008 года по МПК H01B1/00 

Область техники

Предложенное техническое решение относится к электротехнике, конкретнее к кабельной технике, а в частности к конструкциям одножильного или многожильного изолированного провода и электрического кабеля. Предложенный изолированный провод может быть предназначен для эксплуатации в воде (например, питьевой воде) или в пластовой жидкости, содержащей нефть, попутные воду и/или газ, в качестве обмоточного провода для обмотки статоров электродвигателей, в силовых кабелях для электропитания в тепловой и атомной энергетике, нефтегазовой промышленности, других отраслях народного хозяйства.

Уровень техники

Изолированный провод обычно состоит из проводника или токопроводящей жилы, которые являются, как правило, металлическими (например, медными или алюминиевыми), и изоляции, которая является, как правило, полимерной. В последнее время, в связи с расширением диапазона областей использования проводов, расширяется и интервал температур эксплуатации изолированных проводов. Для нужд тепловой и атомной энергетики, жилищно-коммунального хозяйства понадобились термостойкие силовые кабели, возникла потребность в перекачке погружными насосами термальной и горячей питьевой, загрязненной и оборотной воды. Одновременно с высокими температурами кабели и провода подвергаются воздействию крайне низких температур, поскольку интенсивная эксплуатация кабельной техники распространяется на суровые условия Крайнего Севера и вечной мерзлоты.

Однако с расширением диапазона температуры эксплуатации провода, например, с медным проводником и полимерной изоляцией увеличивается опасность повреждения этой полимерной изоляции выделяющимися из проводника ионами меди, а также нарушения адгезионного сцепления между проводником и изоляцией. С целью решения данной проблемы было предложено несколько решений.

Например, известен обмоточный провод для погружных электродвигателей, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую полимерной изоляцией из блок-сополимера пропилена с этиленом, включающего 0,1-0,6% дезактиватора меди (см. свидетельство на полезную модель RU 14472 U1, опубликованное 27.07.2000 г., Д1). Дезактиватор обычно служит в качестве поглатителя свободных радикалов в полимере, образует неактивные комплексные соединения с ионами меди или других переходных металлов.

При этом следует отметить, что из уровня техники известен целый ряд дезактиваторов переходных металлов, называемых также стабилизаторами или антиоксидантами и представляющих собой специальные органические соединения, такие как замещенные фенолы, вторичные ароматические амины, производные бензофурана (т.н. первичные антиоксиданты), а также соединения трехвалентного фосфора, т.е. фосфиты и фосфониты, металлические соли дитиокарбаматов и дитиосульфатов и тиоэфиры (т.н. вторичные антиоксиданты).

Недостаток этого известного решения заключается в том, что молекулы дезактиватора только задерживают на определенное время термоокислительную реакцию в полимерной изоляции. Снижение концентрации молекул дезактиватора ниже критического уровня, происходящее, например, из-за образования этими молекулами неактивных химических соединений с ионами меди, вымывания водой или термического разложения, в присутствии ионов меди приводит к ускоренной деструкции полимерных молекул и потере изоляцией своих свойств механической и электрической прочности.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению аналогом является электрический кабель для питания установок погружных электродвигателей с дополнительным антикоррозионным покрытием токопроводящих жил (см. патент на полезную модель RU 48430 U1, опубликованный 21.03.2005 г., Д2). Этот известный кабель имеет токопроводящую жилу, изоляцию из двух слоев полимерного материала и броню из ленты стальной, причем токопроводящая жила имеет покрытие из олова или его сплавов, предотвращающее коррозионное старение материала жилы (см. пункт 1 формулы Д2). Кроме того, в описании документа Д2 отмечается, что такое дополнительное покрытие жилы обеспечивает также лучшую адгезию полимерной изоляции к поверхности первой; защищает структуру изоляционного материала от разрушающего воздействия ионов меди, особенно при повышенных температурах. Для изоляции кабелей с допустимой температурой нагрева жилы +120°С предусмотрено применение блок-сополимера пропилена с этиленом. Изоляция принята двухслойной.

Недостаток этого известного решения заключается в том, что в случае эксплуатации электрического кабеля согласно Д2 при низких температурах антикоррозионное покрытие из олова и его сплавов, легированных, например, цинком или алюминием, разрушается вследствие явления так называемой «оловянной чумы», т.е. полиморфного превращения стабильного при обычных условиях белого олова (бета-олова) в серое олово (альфа-олово), стабильное при температуре ниже 13,2°С (в случае чистого олова). И чем ниже температура, тем больше скорость этого полиморфного превращения, при котором из белого пластичного металла антикоррозионное покрытие превращается в серый рыхлый порошок. Эрозия поверхностного слоя луженой жилы ведет к нарушению адгезионного сцепления жилы с нижним слоем полимерной изоляции и удобному эндогенному капиллярному разрушению изоляции токопроводящей жилы в ходе эксплуатации в жидких средах. Кроме того, разрушение защитного антикоррозионного слоя жилы создает условия для доступа ионов меди к полимерной изоляции токопроводящей жилы и ее последующей деструкции.

Из уровня техники известен также изолированный провод (силовой кабель), раскрытый в японском патенте №JP 3-015113, опубликованном 23.01.1991 г. и соответствующем европейскому патенту №EP 0416131 В1 (Д3). Этот известный изолированный провод содержит материал-основу (1), имеющую внешнюю поверхность и представляющую собой электрический проводник; содержащий оксид хрома слой (2), сформированный на внешней поверхности упомянутого материала-основы; и оксидный изолирующий слой (3), сформированный путем нанесения на упомянутый содержащий оксид хрома слой (2) раствора предшественника оксида металла (см. пункт 1 формулы Д3). Согласно пунктам 3-5 формулы Д3, оксидный изолирующий слой (3) содержит любой оксид металла из оксида кремния, оксида алюминия и оксида циркония, а материал-основа содержит медь или медный сплав и имеет поверхностный слой из любого материала из никеля, хрома и нержавеющей стали. Кроме того, в пункте 6 формулы Д3 отмечается, что оксидный изолирующий слой (3) может содержать диспергированные в нем керамические частицы. В приведенном в кол.10 строки 42-45 описания Д3 примере 4 указано, что оксидным изолирующим слоем может быть алюминий-оксидный слой 34, который представляет собой смешанный слой оксида алюминия, содержащий частицы алюминия, которые были примешаны в наносимый в виде покрытия раствор в самом начале. Таким образом, этот алюминий-оксидный слой согласно Д3 может представлять собой композит с керамической основой из оксида алюминия и диспергированными в ней керамическими (металлическими) частицами. Такой провод имеет высокие термостойкость, электрическую прочность (вплоть до 800-900 В при нормальной температуре и 600-700 В при 800°С) и относительно неплохую гибкость (отсутствие трещин при намотке на цилиндр диаметром 10-15 см).

Однако данный слой является изолирующим, т.е. выполняет функцию изоляции, а не защиты. Более того, очевидно, что такой оксидный слой имеет все же недостаточные гибкость и устойчивость к истиранию и может растрескиваться, разрушаться и/или отслаиваться при интенсивной эксплуатации изолированного им провода с воздействием изгибающих и/или растягивающих усилий. И, наконец, в данном изолированном проводе не используется полимерная изоляция и, следовательно, не возникает проблем с ее деструкцией под действием переходных металлов.

Раскрытие изобретения

Целью предложенного технического решения является создание такой конструкции изолированного провода, которая будет устойчивой к разрушению в условиях эксплуатации при низких и высоких температурах от -60°С до +250°С, при агрессивном воздействии окружающей среды, при высоком давлении, при интенсивном использовании с изгибающими и/или растягивающими усилиями. Так, например, конструкция изолированного провода согласно предложенному решению должна быть способной сохранять свою работоспособность в текучих средах со следующими показателями:

- содержание воды: до 100%;

- гидростатическое давление: до 25 МПа:

- общая минерализация воды: до 250 г/л;

- водородный показатель воды (рН): 4,5-8,5;

- концентрация агрессивных компонентов:

H₂S - до 0,5 г/л,

CO₂ - до 0,15 г/л,

Cl^- - до 20 г/л,

HCO₃ - до 1 г/л,

Ca²⁺- до 2,2 г/л;

- содержание газа в жидкости: до 500 м³/м³.

Поставленная цель достигается тем, что в изолированном проводе, включающем в себя по меньшей мере один металлический проводник со сплошным защитным покрытием (вместе называемые здесь токопроводящей жилой) и одно- или многослойную полимерную изоляцию, упомянутое защитное покрытие содержит некоторые непереходные металлы главных подгрупп III, IV и V групп Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева; сплавы на основе этих металлов; или композиты с матрицей из этих металлов или сплавов с наполнителем из полимерных материалов, оксидов, сульфидов, нитридов и других неметаллических материалов. Такое защитное покрытие обеспечивает пассивацию металлического проводника, надежно предотвращает термоокислительную деструкцию полимеров изоляции под действием ионов меди и других переходных металлов, обеспечивает физическую и/или химическую адгезию между металлическим проводником и нижним слоем изоляции, не разрушается при эксплуатации в условиях низких и относительно высоких температур. Многослойность изоляции служит защитой от радиального проникновения влаги к токопроводящей жиле, а химическая и/или физическая адгезия между токопроводящей жилой (т.е. защитным покрытием проводника) и полимерной изоляцией предотвращает продольное проникновение влаги при повреждении данного изолированного провода или кабеля, в состав которого входит данный изолированный провод.

Согласно первому варианту воплощения, предложен хладотермостойкий изолированный провод, содержащий по меньшей мере один металлический проводник со сплошным защитным покрытием и одно- или многослойную полимерную изоляцию, отличающийся тем, что защитное покрытие по меньшей мере одного проводника выполнено из металлического материала, предотвращающего повреждение полимерной изоляции вследствие действия ионов меди и/или других переходных металлов из упомянутого проводника и выбранного из группы, состоящей из сплавов на основе алюминия, сплавов на основе свинца и сплавов на основе висмута.

Предпочтительно, металлический материал покрытия представляет собой сплав на основе алюминия, легированный свинцом, висмутом, оловом и/или сурьмой.

Предпочтительно, металлический материал покрытия представляет собой сплав на основе свинца, легированный алюминием, висмутом, оловом и/или сурьмой.

Предпочтительно, металлический материал покрытия представляет собой сплав на основе висмута, легированный алюминием, свинцом, оловом и/или сурьмой.

Предпочтительно, защитное покрытие проводника имеет толщину не менее 1 мкм, более предпочтительно от 1 мкм до 150 мкм, еще более предпочтительно от 2 мкм до 20 мкм.

Предпочтительно, провод выполнен с возможностью эксплуатации в диапазоне от примерно -60°С до примерно +250°С, предпочтительно от -50°С до +220°С.

Согласно второму варианту воплощения, предложен хладотермостойкий изолированный провод, содержащий по меньшей мере один металлический проводник со сплошным защитным покрытием и одно- или многослойную полимерную изоляцию, отличающийся тем, что защитное покрытие по меньшей мере одного проводника выполнено из композиционного материала, включающего в себя металлическую матрицу и по меньшей мере один ультрадисперсный неметаллический наполнитель, частицы которого распределены в металлической матрице, причем упомянутое защитное покрытие предотвращает повреждение полимерной изоляции вследствие действия ионов меди и/или других переходных металлов из упомянутого проводника.

Предпочтительно, металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет свинец или сплавы на его основе, легированные оловом, висмутом, алюминием и/или сурьмой.

Предпочтительно, металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляют сплавы на основе олова, легированные свинцом, висмутом, алюминием и/или сурьмой.

Предпочтительно, металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет алюминий или сплавы на его основе, легированные свинцом, оловом, висмутом и/или сурьмой.

Предпочтительно, металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет висмут или сплавы на его основе, легированные свинцом, оловом, алюминием и/или сурьмой.

Предпочтительно, упомянутый по меньшей мере один неметаллический наполнитель выбран из группы, состоящей из сульфидов, оксидов, нитридов и полимерных материалов.

Предпочтительно, в качестве неметаллического наполнителя использован материал, обеспечивающий физическую и/или химическую адгезию между защитным покрытием проводника и полимерной изоляцией. Более предпочтительно, в качестве неметаллического наполнителя использован полимерный материал, химически совместимый с, по меньшей мере, внутренним слоем полимерной изоляции и обеспечивающий физическую и/или химическую адгезию между защитным покрытием проводника и полимерной изоляцией.

Предпочтительно, защитное покрытие проводника имеет толщину не менее 1 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 1 мкм до 150 мкм, более предпочтительно от 2 мкм до 20 мкм, а еще более предпочтительно от 2 мкм до 10 мкм.

Предпочтительно, содержание неметаллического наполнителя в композиционном материале защитного покрытия проводника составляет не более 70 об.% от общего объема композиционного материала. Более предпочтительно, упомянутое содержание неметаллического наполнителя составляет от 4 до 60 об.% от общего объема композиционного материала (следует отметить, что в случае содержания менее 50 об.% металлическая матрица является основой композиционного материала по объему). Еще более предпочтительно, упомянутое содержание неметаллического наполнителя находится в диапазоне от 20 до 35 об.% от общего объема композиционного материала.

Ультрадисперсный неметаллический наполнитель имеет средний размер частиц, который не превышает толщину защитного покрытия более чем на 20%, а предпочтительно составляет не более половины толщины защитного покрытия. Более предпочтительно, средний размер частиц неметаллического наполнителя находится в диапазоне от 0,01 мкм (10 нм) до 7 мкм, еще более предпочтительно от 0,03 мкм до 1 мкм, а наиболее предпочтительно от 0,1 мкм до 0,7 мкм.

Предпочтительно, провод выполнен с возможностью эксплуатации в диапазоне от примерно -60°С до примерно +250°С.

Краткое описание чертежа

На чертеже показан вид в поперечном сечении изолированного провода согласно одному из вариантов воплощения.

Подробное описание

Обращаясь к чертежу, там представлен вид в поперечном сечении изолированного провода, предложенного согласно одному из вариантов воплощения. Предложенный провод включает в себя по меньшей мере один металлический проводник 1 (на чертеже для наглядности показан только наиболее простой вариант с одним проводником и с одним слоем изоляции), полимерную изоляцию 2 и расположенное между ними защитное покрытие 3. Проводник 1 вместе с защитным покрытием 3 образуют токопроводящую жилу.

Упомянутый по меньшей мере один металлический проводник 1 может присутствовать в проводе в любом количестве, например в количестве 1, 2, 3, 7, 19 или 37. Упомянутый по меньшей мере один металлический проводник 1 выполнен из переходного металла или содержит по меньшей мере один переходный металл, причем в теле самого проводника и/или в виде покрытия на нем. Так, например, проводник может быть выполнен из меди (Cu), серебра (Ag) и других переходных металлов с высокой тепло- и электропроводностью, а также сплавов на основе переходных металлов, таких как стали (в том числе нержавеющие). Кроме того, проводник может быть выполнен из непереходного металла, такого как алюминий (Al), и снабжен покрытием, содержащим по меньшей мере один переходный металл, такой как цинк (Zn), никель (Ni), кобальт (Co), хром (Cr), медь (Cu) и др., и выполняющим некоторую дополнительную функцию, такую как, например, защита проводника от окисления и коррозии, повышение удельной электропроводности (известно, например, что при больших частотах ток протекает преимущественно по поверхности проводника) и т.д. В наиболее предпочтительном варианте воплощения проводник выполнен из меди или медного сплава.

Полимерная изоляция 2 может быть однослойной или многослойной, например двух- или трехслойной. Полимерная изоляция 2 согласно предложенному решению обладает высокими хладо- и/или термостойкостью, высокой электрической прочностью. Материал слоев полимерной изоляции может быть выбран из полиэтилена (ПЭ), такого как ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП), линейного ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилена ультранизкой плотности (ПЭУНП); полипропилена (ПП); сополимеров этилена/сложного эфира винилового спирта, таких как этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеров этилена/акрилата, таких как этилен/метилакрилат (ЭМА), этилен/этилакрилат (ЭЭА) и этилен/бутилакрилат (ЭБА); термопластичных сополимеров этилена/α-олефина; полистирола; фторопластов; сополимеров акрилонитрила/бутадиена/стирола (АБС); галогенированных полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ); полиуретана (ПУ); полиамидов; ароматических сложных полиэфиров, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТФ) или полибутилентерефталат (ПБТ); или их сополимеров, или их смесей. Наиболее предпочтительным материалом полимерной изоляции 2 является блок-сополимер пропилена с этиленом или ПБТ.

Защитное покрытие 3 согласно предложенному решению, нанесенное на металлический проводник 1 и находящееся в непосредственном контакте с ним, выполняет функцию предотвращения по меньшей мере повреждения (а в конечном итоге - полного разрушения) полимерной изоляции 2 вследствие действия ионов меди и/или других переходных металлов из упомянутого металлического проводника.

Известно, что адгезионный контакт металлического проводника с полимерной изоляцией сопровождается переносом в объем полимера ионов металла, которые удерживаются в полимерной матрице за счет воды и функциональных групп полимера (Лямина Г.В., Изаак Т.И., Бабкина О.В., Мокроусов Г.М. Изучение межфазных превращений в системе металл-полимерный электролит. 3 Всероссийская Каргинская конференция, посвященная 250-летию Московского государственного университета, «Полимеры-2004», Москва, 27 янв.-1 февр., 2004: Тезисы устных и стендовых докладов. Т.1. М.: Из-во МГУ. 2004, с.309). Переходные металлы, в том числе и медь, как металлы переменной валентности, предрасположены к окислению, хотя бы окисление и ограничивалось тонким слоем на поверхности металла (Ахмадуллина А.Г. [Кирпичников П.А.] (Всероссийский НИИ Углеводородного сырья, г.Казань) Проблемы термоокислительной деструкции катализаторов на полимерной основе. Тезисы докладов 1 Кирпичниковских чтений «Деструкция и стабилизация полимеров. Молодые ученые - третьему тысячелетию», Казань, 22-24 февр., 2000. Казань: Нов. Знание. 2000, с.98-99). Для этого окисления требуется в тысячи раз меньшее количество кислорода, чем считалось раннее, поэтому окисление в тонком слое оказывает существенное влияние на каталитические свойства токопроводящей жилы (Ch. Campbel. Transition Metal Oxides: Extra Thermodynamic Stability as Thin Films, 10.1103/Physical Review Letters, 96, 066106,14 February 2006). Ионы меди и других переходных металлов ускоряют термоокисление изоляции провода за счет отрыва функциональных групп, уменьшения молекулярной массы полимера. Эти ионы катализируют реакцию образования в полимере свободных радикалов, которые, в свою очередь, отщепляют водород от цепи полимерных молекул и укорачивают их. Диэлектрические и механические свойства изоляции в значительной степени зависят от степени сшивки молекул полимера. Количественное накопление деструкций (дефектов) сшивки ведет к снижению прочностных свойств и к электрическому пробою изоляции токопроводящей жилы. Установлено, что присутствие меди в полимере снижает также температуру его разложения (Antonov A., Yablokova M., Costa L., Balabanovich A., Levchik G., Levchik S. The effect of nanjmetals on the flammability and termooxidative degradation of polymer materials: [5 International Conference on Frontiers of Polymers and Advanced Materials, Poznan, June 21-25, 1999. Pt I.] Mol. Cryst. And Liq. Cryst. Sci. and Technol. A. 2000. 353), т.е. ионы меди ускоряют разложение полимеров при повышенных температурах.

Таким образом, защитное покрытие 3 согласно предложенному решению, находящееся между металлическим проводником 1 и полимерной изоляцией 3, призвано устранить вышеупомянутые вредные для изоляции эффекты и исключить попадание разрушительных ионов меди и/или других переходных металлов в полимерную изоляцию. Защитное покрытие 3 может быть выполнено либо полностью из металлического материала, либо из композиционного материала (называемого далее для краткости композитом), состоящего из металлической матрицы 4 и неметаллического наполнителя 5. В предпочтительном варианте металлическая матрица является основой композита по объему.

В соответствии с данным техническим решением было установлено, что попадание разрушительных ионов меди и других переходных металлов в полимерную изоляцию исключается в случае, когда металлический проводник, содержащий по меньшей мере один переходный металл, покрыт защитным слоем из по меньшей мере одного непереходного металла IIIA, IVA и VA групп Периодической таблицы или защитным слоем из сплава на основе по меньшей мере одного непереходного металла IIIA, IVA и VA групп Периодической таблицы, в частности:

i) сплошным защитным слоем из сплавов на основе алюминия (Al);

ii) сплошным защитным слоем из сплавов на основе свинца (Pb);

iii) сплошным защитным слоем из сплавов на основе висмута (Bi).

Кроме того, было установлено, что попадание разрушительных ионов меди и других переходных металлов в полимерную изоляцию исключается в случае, когда металлический проводник, содержащий по меньшей мере один переходный металл, покрыт сплошным защитным слоем из композита, содержащего металлическую матрицу, состоящую из по меньшей мере одного непереходного металла IIIA, IVA и VA групп Периодической таблицы или сплава на основе по меньшей мере одного непереходного металла IIIA, IVA и VA групп Периодической таблицы, и ультрадисперсный неметаллический наполнитель, частицы которого распределены в этой металлической матрице.

Известные в данное время непереходные металлы IIIA, IVA и VA групп Периодической таблицы включают в себя алюминий, галлий, индий и таллий (IIIA группа); кремний, германий, олово и свинец (IVA группа); а также сурьму и висмут (VA группа), при этом любой из этих металлов может быть использован в предложенном решении, при условии выполнения им упомянутой выше защитной функции, а также при условии его соответствия желательным условиям эксплуатации. Однако по своим физико-химическим свойствам и с экономической точки зрения предпочтительными для использования в предложенном решении непереходными металлами являются алюминий, олово, свинец и висмут. Данное защитное покрытие обеспечивает работоспособность изолированной токопроводящей жилы в диапазоне температур эксплуатации от -60 до +250°С за счет своей хладотермостойкости, надежной защиты изоляции от ионов меди и других переходных металлов, не разрушения адгезионного сцепления жилы с изоляцией.

Ультрадисперсный неметаллический наполнитель, частицы которого распределены в вышеописанной металлической матрице, предпочтительно выбран из группы, состоящей из сульфидов, оксидов, нитридов и полимерных материалов, хотя может быть использован и любой другой подходящий неметаллический наполнитель.

В качестве примеров неметаллических наполнителей композитного защитного покрытия проводника можно привести следующие:

i) из оксидов - SiO₂, Al₂O₃ и другие;

ii) из сульфидов - MoS₂, TiS₂ и другие;

iii) из нитридов - TiN, BN и другие;

iv) из полимерных материалов - полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат, сополимер полипропилена, фторопласт, поливинилхлорид и другие.

При этом следует отметить, что использованный здесь термин «неметаллический наполнитель» не означает, что такой наполнитель совсем не обладает проводимостью. Например, ряд нитридов (например, нитрид титана TiN) и карбидов (карбид титана TiC, карбид вольфрама WC и др.) обладают электрической проводимостью, сравнимой с проводимостью металлов.

Неметаллический наполнитель 5 выбирают исходя из условия его хорошей адгезии к полимерной изоляции, при этом неметаллический наполнитель может состоять как из одного, так и нескольких различных материалов. Ультрадисперсные частицы неметаллического наполнителя прочно связаны с металлической матрицей композита на нано- и мезоуровнях адгезионными силами сцепления. Частицы наполнителя могут иметь одинаковый или разный размер. В частности, наполнитель может характеризоваться относительно узким или широким распределением его частиц по размеру. Ультрадисперсные частицы неметаллического наполнителя 5 могут быть распределены в металлической матрице 4 гомогенным или негомогенным образом. Например, они могут быть распределены градиентным образом с ростом их содержания по мере приближении к проводнику 1 или к изоляции 2 (последний случай более предпочтителен). В более предпочтительном варианте некоторые частицы наполнителя выступают из поверхности композитного защитного покрытия (см. чертеж), таким образом способствуя хорошему сцеплению полимерной изоляции с защитным покрытием и, тем самым, с проводником, поскольку эти покрытие и проводник являются в целом металлическими, то есть однородными по своей природе. Частицы наполнителя могут иметь произвольную геометрическую форму, например они могут быть сферическими, волокнообразными, могут иметь неправильную форму и т.п. Предпочтительным также является тот вариант, при котором поверхность частиц наполнителя имеет некоторую шероховатость, что дополнительно улучшает физическое сцепление между этими частицами и матрицей, а также между этими частицами и полимерной изоляцией в случае их частичного выступания из поверхности защитного покрытия.

В предпочтительном случае, когда частицы неметаллического наполнителя композитного покрытия частично выступают из поверхности защитного покрытия и состоят из полимерного материала, обеспечивается наилучшее сцепление полимерной изоляции с таким покрытием, поскольку имеет место контакт однородных по своей химической природе (т.е. полимерных) материалов покрытия и изоляции. В данном случае полимерный материал, образующий частицы наполнителя, предпочтительно подбирают исходя из условия химической совместимости с материалом внутреннего слоя полимерной изоляции. В таком случае силы адгезионного сцепления проводника с таким композитным защитным покрытием и полимерной изоляции могут усиливаться за счет сил химического сцепления материала изоляции с однородным ему материалом ультрадисперсных частиц композитного покрытия проводника. Так, например, если внутренний слой изоляции проводника выполнен из полибутилентерефталата, то материалом наполнителя композитного покрытия проводника целесообразно избрать также полимер из группы ароматических сложных полиэфиров.

При этом применение в качестве неметаллического наполнителя полимерных материалов, химически совместимых с внутренним слоем полимерной изоляции, способно обеспечивать, в дополнение к физической адгезии или отдельно от нее, химическую адгезию между токопроводящей жилой и полимерной изоляцией. Повышение адгезии между слоями совместимых полимерных материалов происходит за счет обменных химических реакций (переэтерификации), приводящих к образованию химических связей между макромолекулами наполнителя композитного покрытия и макромолекулами изоляции провода. Известно, например, что при температурах экструзии и литья (таких как 220-250°С) между полимерными макромолекулами имеет место переэтерификация (Газаев М.А. Синтез, свойства и разработка термостойких материалов на основе полиарилатсульфонов. Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. М., 2001). Эти явления химического взаимодействия наблюдались для сложных гетероциклических полиэфиров, таких как полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилат, полисульфонарилатные блок-сополимеры, полимер-полимерные композиты на основе полипропилена и полибутилентерефталата и др.

Установлено, что проникновение воды вдоль жилы изолированного провода вредит его целостности и электрическим свойствам. Более того, если вода достигает оборудования, электрически соединенного с одним концом провода, вода приводит к повреждению, которое является необратимым и существенным в смысле экономических затрат. Предложенное техническое решение обеспечивает надежную преграду проникновению воды вдоль жилы за счет физических и/или химических сил сцепления, которые возникают между покрытым защитным слоем проводником и его изоляцией.

Композитные защитные покрытия согласно предложенному решению могут быть получены, например, методом нанесения гальванического покрытия в электролитической ванне, содержащей диспергированные (суспендированные) в ней частицы неметаллического наполнителя. Суспендированное состояние частиц может поддерживаться, например, с помощью ультразвукового перемешивания.

ПРИМЕР

Было проведено испытание с целью оценки термоокислительного повреждения полимерной изоляции изолированного провода в случае использования предложенного технического решения и без него.

Описание использованных в данном испытании образцов: образцы представляли собой медную проволоку диаметром 1,0 мм с защитным покрытием толщиной 30 мкм из металлического сплава и изоляцию из сополимера пропилена с этиленом марки 02015 толщиной 1,0±0,1 мм, которая была нанесена методом экструзии на эту проволоку.

Состав металлического сплава защитного покрытия медной проволоки№ образцаОснова сплаваДобавка в сплав№1 (согласно предложенному решению)Свинец (90 мас.%)Олово (10 мас.%)№2 (согласно уровню техники)Медь (90 мас.%)Олово (10 мас.%)№3 (согласно предложенному решению)Висмут (80 мас.%)Олово (20 мас.%)№4 (согласно уровню техники)Никель (86 мас.%)Олово (14 мас.%)

Условия проведения испытаний: образцы проводов помещали на 336 часов (2 недели) в термостат, в котором поддерживалась температура +130°С.

Оценка образцов: электрическая прочность изоляции образцов проводов после завершения испытаний была оценена при переменном (частоты 50 Гц) напряжении по ГОСТ 6433.3-71. На каждом образце провода были выполнены 5 пробоев.

Результаты испытаний: было установлено, что среднее арифметическое значение электрической прочности изоляции образца №1 больше, чем у образца №2, в 1,35 раза (36,1 и 26,7 кВ/мм соответственно). Было также показано, что среднее арифметическое значение электрической прочности изоляции образца №3 больше, чем у образца №4, в 1,24 раза (36 и 29,1 кВ/мм соответственно).

Вывод: использование предложенного технического решения при прочих равных условиях обеспечивает повышение электрической прочности изоляции в случае эксплуатации провода при повышенных температурах.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к кабельной технике. Техническим результатом является расширение области применения. Технический результат достигается тем, что в хладотермостойком изолированном проводе, содержащем, по меньшей мере, один металлический проводник со сплошным защитным покрытием и одно- или многослойную полимерную изоляцию, защитное покрытие, по меньшей мере, одного проводника выполнено из композиционного материала, включающего в себя металлическую матрицу и, по меньшей мере, один ультрадисперсный неметаллический наполнитель, частицы которого распределены в металлической матрице, причем упомянутое защитное покрытие предотвращает повреждение полимерной изоляции вследствие действия ионов меди и/или других переходных металлов из упомянутого проводника. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Хладотермостойкий изолированный провод, содержащий, по меньшей мере, один металлический проводник со сплошным защитным покрытием и одно- или многослойную полимерную изоляцию, отличающийся тем, что защитное покрытие, по меньшей мере, одного проводника выполнено из композиционного материала, включающего в себя металлическую матрицу и, по меньшей мере, один ультрадисперсный неметаллический наполнитель, частицы которого распределены в металлической матрице, причем упомянутое защитное покрытие предотвращает повреждение полимерной изоляции вследствие действия ионов меди и/или других переходных металлов из упомянутого проводника.2. Провод по п.1, отличающийся тем, что металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет свинец или сплавы на его основе, легированные оловом, висмутом, алюминием и/или сурьмой.3. Провод по п.1, отличающийся тем, что металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляют сплавы на основе олова, легированные свинцом, висмутом, алюминием и/или сурьмой.4. Провод по п.1, отличающийся тем, что металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет алюминий или сплавы на его основе, легированные свинцом, оловом, висмутом и/или сурьмой.5. Провод по п.1, отличающийся тем, что металлическую матрицу композиционного материала покрытия проводника составляет висмут или сплавы на его основе, легированные свинцом, оловом, алюминием и/или сурьмой.6. Провод по п.1, отличающийся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один неметаллический наполнитель выбран из группы, состоящей из сульфидов, оксидов, нитридов и полимерных материалов.7. Провод по п.1, отличающийся тем, что в качестве неметаллического наполнителя использован материал, обеспечивающий физическую и/или химическую адгезию между защитным покрытием проводника и полимерной изоляцией.8. Провод по п.7, отличающийся тем, что в качестве неметаллического наполнителя использован полимерный материал, химически совместимый с, по меньшей мере, внутренним слоем полимерной изоляции и обеспечивающий физическую и/или химическую адгезию между защитным покрытием проводника и полимерной изоляцией.9. Провод по п.1, отличающийся тем, что защитное покрытие проводника имеет толщину не менее 1 мкм.10. Провод по п.9, отличающийся тем, что защитное покрытие проводника имеет толщину от 1 до 150 мкм.11. Провод по п.1, отличающийся тем, что содержание неметаллического наполнителя в композиционном материале защитного покрытия проводника составляет не более 70 об.% от объема композиционного материала.12. Провод по п.11, отличающийся тем, что упомянутое содержание неметаллического наполнителя находится в диапазоне от 4 до 60 об.% от объема композиционного материала.13. Провод по п.1, отличающийся тем, что ультрадисперсный неметаллический наполнитель имеет средний размер частиц в диапазоне от 0,01 до 7 мкм.14. Провод по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью эксплуатации в диапазоне от примерно -60 до примерно +250°С.