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Elektrischer Isolierstoff mit kleinem Verlustwinkel in vorgegebenem Frequenzbereich, insbesondere bei hohen Frequenzen.
Als elektrische Isolierstoffe mit kleinem Verlustwinkel in vorgegebenem Frequenzbereich kommen an sich die festen homogenen, ganz oder praktisch dipollosen Stoffe in Frage, von denen als Beispiele Polystyrol, Polyinden, das Kumaron-Polymerisat und Mischpolymerisate aus diesen oder andern Stoffen genannt seien.
Diese Stoffe sind zwar in dielektrischer Hinsicht sehr geeignet, jedoch befriedigen sie in mechanischer Hinsicht durchaus nicht. Das Polystyrol ist beispielsweise ein derart spröder Stoff, dass die aus ihm hergestellten Formkörper schon bei verhältnismässig einfachen und noch mehr bei scharf profilierten Formen infolge innerer Spannungen entweder schon bei ihrer Herstellung oder nach kurzer Benutzung Risse bekommen oder in anderer Weise beschädigt werden. Es besteht deshalb schon seit längerer Zeit das Bedürfnis, die übermässige Sprödigkeit des Polystyrols durch Zusatz eines andern Stoffes zu beseitigen oder wenigstens zu mildern. Darüber hinaus besteht auch sonst noch bei homogenen dipollosen Stoffen ein Bedürfnis, ihre mechanischen Eigenschaften durch Zusatzstoffe zu ändern.
Die hiefür bisher als Zusatzstoffe in Frage kommenden weich-oder hartmachenden Stoffe weisen aber leider den Nachteil auf, dass sie eine beträchtliche und in den meisten Fällen ganz unerträgliche Erhöhung des dielektrischen Verlustwinkels hervorrufen. Dieser Mangel macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn es sich bei dem vorgegebenen Frequenzbereich um hohe Frequenzen handelt. Es lässt sich durch Versuche zeigen, dass die Eigenschaften von Gemischen wesentlich andere sein können als die der Komponenten, aus denen man sie mischt. Beispielsweise können zwei an sich sogar im gleichen Frequenzbereich einzeln dielektrisch brauchbare Stoffe als Gemisch im gleichen Frequenzbereich unbrauchbar sein.
Es kann ferner z. B. sogar vorkommen, dass durch die Mischung eines festen homogenen dipollosen Ausgangsstoffes mit einem Zusatzstoff ein Gemisch entsteht, das selbst bei kleinem prozentualen Anteil des Zusatzstoffes schon bei verhältnismässig kleinem vorgegebenen Frequenz- bereich (z. B. einen 10 000 Hz umfassenden Bereich) und ferner schon bei verhältnismässig niedrigen
Frequenzen (z. B. unterhalb von 50000 Hz) ein grosser Verlustwinkel entsteht.
Der Verlustwinkel ist aber für einen elektrischen Isolierstoff, der in einem vorgegebenen grösseren Frequenzbereich brauch-
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dürfen, auch die Forderung einschliessen, dass die Zusatzstoffe bei thermischer Behandlung keine solchen weiteren chemischen Verbindungen eingehen dürfen, die dem Wesen der Erfindung nicht entsprechen. Unterthermischer Behandlungistjede Behandlungzuverstehen, diezum Zweck der Gemisch- bildung oder-verarbeitung praktisch nützlich ist.
Die Erfindung besteht ihrem Wesen nach darin, dass solche Zusatzstoffe verwendet werden, die aus mono-oder polyzyklisohen Molekeln bestehen. An diese mono-oder polyzyklischen Molekeln dürfen Atome oder Atomgruppen (Liganden) unter folgenden einzeln oder zu mehreren zutreffenden Bedingungen angelagert sein :
1. Bei beliebig grossen Partialmomenten müssen die Partialmomente sich gegenseitig bis zu einem Restmoment kleiner als 1, 0. 1eut8 cgs, vorzugsweise kleiner als 0, 6. yegg kompensieren.
2. Bei Vorhandensein eines grossen Restmomentes (aus mehreren Partialmomenten resultierendes
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molekül liegen.
3. Die Liganden müssen kleine frei drehbare Atomgruppen sein, die ein beliebiges Moment (auch grösser als 1, 0. 10-18 cgs) aufweisen dürfen, dessen Hauptkomponente aber senkrecht zur Achse der freien Drehbarkeit der betreffenden Atomgruppe liegen muss.
Die Erfindung gründet sich auf eine besondere Anschauung über die Abhängigkeit der dielektrischen Verluste von der Molekularstruktur der Zusatzstoffe. Die Kenntnis der Molekularstruktur bildet also die Voraussetzung für die Aussage, ob ein Stoff im Rahmen der Erfindung als Zusatzstoff in Frage kommt oder nicht. Die Erfindung beseitigt die auf dem Gebiet der elektrischen Isolierstoffe, die aus Polystyrol u. dgl. enthaltenden Gemischen bestehen, vorhandene Unsicherheit über die Kenntnis
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besonderer Bedeutung, weil-die meisten in der Elektrotechnik verwendeten Isolierstoffe eben gerade
Gemische verschiedener Stoffe sind.
Die Erfindung schafft überraschenderweise auch die Möglichkeit der Verwendung solcher Zusatzstoffe, die ein hohes Dipolmoment aufweisen und deshalb zunächst als besonders ungeeignet für die Herstellung eines Isolierstoffe mit kleinem Verlustwinkel erscheinen müssten.
Die besondere Anschauung über den Mechanismus der dielektrischen Verluste, von der die Erfindung ausgeht und die sie wesentlich weiterausbaut, ist folgende Anschauung von Debye :
Die molekularen Dipole versuchen, sich im angelegten äusseren (Wechsel-) Feld zu orientieren.
Bei langsam veränderlichem Feld können sie in ihrer Einstellung so gut wie trägheitslos folgen. Geschehen aber die Richtungswechsel des Feldes zu rasch, so werden sie, da das umgebende Medium eine Reibungskraft auf sie ausübt, in ihrer Orientierung nachbleiben. Bei sehr hohen Frequenzen schliesslich werden sich die Molekeln gar nicht erst einstellen. Ehe sie nämlich dem Felde zu folgen vermögen, hat dieses seine Richtung wieder gewechselt. Das Dielektrikum benimmt sich so, als wären die Molekeln dipollos. Aus diesem Verhalten ergibt sich, dass die Dielektrizitätskonstante mit wachsender Frequenz vom statischen auf den optischen Wert übergeht (d. h. fällt) und die dielektrischen Verluste im Übergangsgebiet auftreten.
Die Lage des Verlustmaximums ist dabei abhängig, von der sogenannten Relaxationszeit, die ihrerseits durch die Viskosität des umgebenden Mediums und durch die Grösse der zugesetzten Molekel bestimmt wird. Die Grösse des Verlustes ist dabei bekanntlich dem Quadrat des Dipolmomentes proportional.
Bei Betrachtung einfach aufgebauter Molekeln genügt es nun vollständig, gemäss Debye das Gesamtmoment zu beachten und die Molekel als starres, nur als Ganzes drehbares Gebilde aufzufassen. Darüber hinausgehend baut sich die Erfindung auf der Anschauung auf, dass einer Molekel mehrere Relaxationszeiten zuzuschreiben sind, für den Fall, dass an einen Molekelrumpf frei bewegliche Gruppen angehängt sind. Ist etwa eine Dipolkomponente senkrecht zu einer Achse freier Drehbarkeit vorhanden, so kann diese im äusseren Felde rotieren, auch wenn der übrige Molekelrumpf festliegt. Man kann ihr eine Relaxationszeit zusehreiben, die von ihrer Grösse, der Zähigkeit des umgebenden Mediums und der Reibung an der Bindungsstelle abhängt.
Das der Gruppe zugehörige Verlustmaximum wird in diesem Fall bei höheren Frequenzen liegen als das der Rotation der Gesamtmolekel entsprechende.
Es ergibt sich hieraus, dass gemäss Debye nicht nur das ganze Molekül als solches, sondern darüber hinaus auch einzelne gegeneinander frei drehbare Molekülteile Dispersion verursachen können. Der leitende Gedanke für die Aufstellung der Bedingungen für die Auswahl brauchbarer Zusatzstoffe gemäss der Erfindung ist somit der, dass Dispersionsgebiete entweder ganz vermieden werden oder unterhalb bzw. oberhalb des interessierenden Frequenzbereiches gelegt werden müssen.
Die Erfindung soll dadurch näher erläutert werden, dass Beispiele von durch sie ausgeschlossenen, zumeist schon als technische Weichmacher oder auch Lösungsmittel bekannten Stoffen Beispielen von erfindungsgemäss anzuwendenden Stoffen gegenübergestellt werden. Diese Gegenüberstellung zeigt zugleich, dass die Erfindung tatsächlich eine sichere Aussage darüber ermöglicht, ob ein bestimmter Stoff als Zusatzstoff für den Zweck in Frage kommt, homogene dipollose Ausgangsstoffe in ihren mecha-
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Änderung der Härte und Zähigkeit der Ausgangsstoffe, aber auch um die Änderung ihrer Schmelzund sonstigen thermoplastischen Verarbeitungstemperatur handelt.
Die zur Erläuterung der Erfindung benutzten Beispiele sind durch praktische Versuche geprüfte Polystyrolgemische. Bei den Versuchen wurden der Einheitlichkeit wegen Mischungen von 80 Gewichtsprozenten Polystyrol und 20 Gewichtsprozenten eines Zusatzstoffes benutzt. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Mischungsverhältnis beschränkt, sondern kann je nach dem Verwendungszweck bei beliebigen andern Mischungsverhältnissen angewendet werden. Die Prüfung auf die dielektrische Brauchbarkeit erfolgte durch Messungen des dielektrischen Verlustwinkels (tg a) in einem bestimmten Frequenzbereich, auf den die Erfindung aber ebenfalls nicht beschränkt ist.
Die Beispiele von Polystyrol-Kumaron- und Polystyrol-Indengemischen zeigen im übrigen, dass als Zusatzstoffe auch die in andern Gemischen als Ausgangsstoffe verwendeten Stoffe verwendet werden können.
In den nachstehenden Tabellen sind die tg 8 104-Werte für die in 1, 5, 10, 20.50, 100 und 200.
. 1000 Hz angegebenen Frequenzen eingetragen. Die Tabelle A enthält die Werte für reines Polystyrol, die Tabellen B, BI, B2 und B3 die Werte für Gemische von Polystyrol mit verschiedenen Zusatzstoffen gemäss der Erfindung. Die Tabellen Cl und C2 enthalten dagegen die Werte für Mischungen von Polystyrol mit ungeeigneten Zusatzstoffen.
Tabelle A
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> 3. <SEP> 10...... <SEP> o <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> reines <SEP> Polystyrol......... <SEP> 1,2 <SEP> 1,2 <SEP> 1.2 <SEP> 1,25 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 2,0
<tb>
Tabelle B : mit Zusatzstoffen ohne Liganden
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> Phenanthren <SEP> 4,5 <SEP> 4,2 <SEP> 4,3 <SEP> 4,5 <SEP> 5,0 <SEP> 5,5
<tb> Anthracen <SEP> 3,4 <SEP> 3,0 <SEP> 2,7 <SEP> 2,5 <SEP> 3.2 <SEP> 4,5
<tb> Deka-Hydronaphthalin <SEP> ... <SEP> 9 <SEP> 8,5 <SEP> 8 <SEP> 7 <SEP> 6,8 <SEP> 8
<tb> Hexa-Hydronaphtha] <SEP> in... <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 12
<tb> Tetra-Hydronaphthalin <SEP> ...
<SEP> 14 <SEP> 13 <SEP> 13 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 12
<tb> Diphenyl <SEP> 5,5 <SEP> 5,0 <SEP> 4,8 <SEP> 4,5 <SEP> 4,3 <SEP> 4,3
<tb> Camphen <SEP> ......... <SEP> ..... <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> 1,2 <SEP> 1. <SEP> 3 <SEP> 1. <SEP> 5 <SEP> 2,4 <SEP> 2,4
<tb> Inden <SEP> 8 <SEP> 7,2 <SEP> 7,0 <SEP> 6.5 <SEP> 7, <SEP> 0 <SEP> 7,5
<tb> Fluoren <SEP> 10,5 <SEP> 11 <SEP> 11,5 <SEP> 12 <SEP> 13 <SEP> 14
<tb>
Tabelle B1 :
mit Zusatzstoffen mit Liganden der Gruppe 1
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> ò. <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> DiphenyJmethan......... <SEP> 7,5 <SEP> 7,0 <SEP> 7,2 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 12
<tb> Dibenzyl <SEP> 4,8 <SEP> 4,6 <SEP> 4,4 <SEP> 4,2 <SEP> 4,2 <SEP> 5,0
<tb> Mesitylen............... <SEP> 3,2 <SEP> 3,0 <SEP> 2,8 <SEP> 2,9 <SEP> 3,5 <SEP> 4,0
<tb> Reten <SEP> 5,5 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 5,0 <SEP> 4,3 <SEP> 4,0 <SEP> 3,5
<tb> Limonen................. <SEP> 7,8 <SEP> 7,5 <SEP> 7,2 <SEP> 7,0 <SEP> 7,0 <SEP> 7,2
<tb> Cumol <SEP> ..................
<SEP> 12,5 <SEP> 12 <SEP> 11,5 <SEP> 11 <SEP> 10,5 <SEP> 10
<tb> Acenaphthen <SEP> 6,0 <SEP> 5,5 <SEP> 5,0 <SEP> 4.8 <SEP> 5,2 <SEP> 6,0
<tb> Pinen <SEP> 17 <SEP> 16 <SEP> 15 <SEP> 14 <SEP> 15 <SEP> 16
<tb> Methylnaphthalin <SEP> 4,2 <SEP> 4,8 <SEP> 5,2 <SEP> 6,0 <SEP> 6,5 <SEP> 6,5
<tb> Anthrachinon............ <SEP> 3,5 <SEP> 3,5 <SEP> 3,4 <SEP> 3,2 <SEP> 3,5 <SEP> 3,4
<tb> Para-Dichlorbenzol....... <SEP> 8,0 <SEP> 7,6 <SEP> 7,0 <SEP> 6,2 <SEP> 6,2 <SEP> 6,2
<tb>
Tabelle B2 :
mit Zusatzstoffen mit Liganden der Gruppe 2
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> t3. <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> Cineol <SEP> 6,5 <SEP> 6,0 <SEP> 5,5 <SEP> 5,2 <SEP> 4,8 <SEP> 4,5
<tb> Safrol <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 15
<tb> Isosafrol <SEP> 9,5 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10,5 <SEP> 10,5 <SEP> 11
<tb> Diphenyläther <SEP> 18 <SEP> 18 <SEP> 17 <SEP> 16 <SEP> 16 <SEP> 16
<tb> Methylphenyläther....... <SEP> 7,5 <SEP> 6,8 <SEP> 6,4 <SEP> 6,2 <SEP> 5,8 <SEP> 6,0
<tb> Äthylphenyläther........ <SEP> 14 <SEP> 13 <SEP> 14 <SEP> 16 <SEP> 18 <SEP> 21
<tb> Cumaron <SEP> ................ <SEP> 4,5 <SEP> 4,2 <SEP> 3,9 <SEP> 3,8 <SEP> 4,5 <SEP> 6,0
<tb>
Tabelle B3 :
mit Zusatzstoffen mit Liganden der Gruppe 3
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> Ò. <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> Borneol <SEP> 4,8 <SEP> 4,7 <SEP> 4,5 <SEP> 3,5 <SEP> 3,5 <SEP> 4,2
<tb> Isoborneol............... <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> 2,8 <SEP> 2,7 <SEP> 2,9 <SEP> 3,5 <SEP> 4,2
<tb>
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Tabelle Ci :
mit reinen Zusatzstoffen
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<tb>
<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> S. <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> Butylphosphate.......... <SEP> 110 <SEP> 120 <SEP> 130 <SEP> 150 <SEP> 170 <SEP> 190
<tb> Trikresylphosphat........ <SEP> 100 <SEP> 100 <SEP> 95 <SEP> 90 <SEP> 85 <SEP> 75
<tb> Triphenylphosphat....... <SEP> 90 <SEP> 90 <SEP> 95 <SEP> 95 <SEP> 95 <SEP> 95
<tb> Paratoluolsulfamid....... <SEP> 42 <SEP> 43 <SEP> 44 <SEP> 44 <SEP> 43 <SEP> 43
<tb> Monoacetin <SEP> 310 <SEP> 310 <SEP> 300 <SEP> 250 <SEP> 220 <SEP> 200
<tb> Diacetin <SEP> 100 <SEP> 130 <SEP> 190 <SEP> 250 <SEP> 295 <SEP> 250
<tb> Piperonal <SEP> ............... <SEP> 130 <SEP> 160 <SEP> 220 <SEP> 300 <SEP> 400 <SEP> 450
<tb> Acetophenon..........
<SEP> 32 <SEP> 33 <SEP> 35 <SEP> 42 <SEP> 49 <SEP> 57
<tb> Benzophenon <SEP> 115 <SEP> 125 <SEP> 140 <SEP> 150 <SEP> 160 <SEP> 180
<tb> Vanillin <SEP> 320 <SEP> 390 <SEP> 430 <SEP> 480 <SEP> 480 <SEP> 460
<tb> Thymol <SEP> 47 <SEP> 56 <SEP> 68 <SEP> 80 <SEP> 100 <SEP> 115
<tb> Eugenol <SEP> 43 <SEP> 47 <SEP> 53 <SEP> 59 <SEP> 72 <SEP> 84
<tb> Carvacrol <SEP> 100 <SEP> 115 <SEP> 130 <SEP> 140 <SEP> 150 <SEP> 160
<tb> Xylenol................. <SEP> 38 <SEP> 42 <SEP> 52 <SEP> 65 <SEP> 90 <SEP> 115
<tb>
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<tb> Werte <SEP> von <SEP> tg <SEP> 0. <SEP> 104 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP> 200
<tb> Ma, <SEP> unol <SEP> (Äthylacetanilid)..
<SEP> 115 <SEP> 120 <SEP> 155 <SEP> 195 <SEP> 230 <SEP> 260
<tb> Mollit <SEP> I <SEP> (Diäthyldiphenylharnstoff) <SEP> 205 <SEP> 250 <SEP> 300 <SEP> 390 <SEP> 460 <SEP> 510
<tb> Mollit <SEP> B <SEP> R <SEP> extra <SEP> (Glycerinestergemisch).......... <SEP> 350 <SEP> 230 <SEP> 150 <SEP> 100 <SEP> 85 <SEP> 80
<tb> Plastomoll <SEP> P <SEP> (Toluolsulfamid) <SEP> 450 <SEP> 520 <SEP> 580 <SEP> 630 <SEP> 600 <SEP> 580
<tb> Palatinol <SEP> A <SEP> (Diäthylphtalat) <SEP> 35 <SEP> 45 <SEP> 52 <SEP> 62 <SEP> 72 <SEP> 85
<tb> Palatinol <SEP> B <SEP> B <SEP> (Phtalsäureester) <SEP> 100 <SEP> 95 <SEP> 90 <SEP> 90 <SEP> 90 <SEP> 90
<tb> Palatinol <SEP> C <SEP> (Dibutylphtalat) <SEP> 75 <SEP> 85 <SEP> 95 <SEP> 110 <SEP> 120 <SEP> 120
<tb> Palatinol <SEP> O <SEP> (Phtalsäureester) <SEP> 90 <SEP> 100 <SEP> 115 <SEP> 130 <SEP> 155 <SEP> 185
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PATENT-ANSPRÜCHE :
Elektrischer Isolierstoff mit kleinem Verlustwinkel in vorgegebenem Frequenzbereich, insbesondere bei hohen Frequenzen, homogen gemischt aus einem oder mehreren festen homogenen, ganz oder praktisch dipollosen Ausgangsstoffen (Polystyrol, Polyinden, Kumaron-Polymerisat, Mischpolymerisat aus diesen oder andern Stoffen) und einem oder mehreren neutralen, bei thermischer Behandlung nicht zersetzbaren und bei normalen Betriebstemperaturen nicht verdampfbaren Zusatzstoffen, die die mechanischen Eigenschaften (insbesondere Härte und Zähigkeit) der Ausgangsstoffe verändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe aus mono-oder polyzyklischen Molekeln bestehen, an die Atome oder Atomgruppen (auch Liganden) unter folgenden einzeln oder zu mehreren zutreffenden Bedingungen angelagert sein dürfen :
1.
Bei beliebig grossen Partialmomenten müssen die Partialmomente sich gegenseitig bis zu einem Restmoment kleiner als 1, 0. 10"cggs, vorzugsweise kleiner als 0,6. zigs kompensieren.
2. Bei Vorhandensein eines grossen Restmomentes (aus mehreren Partialmomenten resultierendes
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molekül liegen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.