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Thermisch stabilisierte Zellulosematerialien
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Morpholin dieFähigkeitvonZellulosefasern, derschädigenden Wirkung von Wärme über ausgedehnte Zeit- räume zu widerstehen, erheblich verbessert.
Morpholin ist eine Flüssigkeit und man kann sie direkt auf Zellulosefasern einwirken lassen. Es wurde gefunden, dass es sich ihrer extremen Flüchtigkeit wegen jedoch allgemein als sehr viel zweckmässiger erweist, die Zellulosefasern mit einer Morpholin enthaltenden wässerigen Lösung zu behandeln und darauf das Wasser durch Verdampfen zu beseitigen.
Erfindungsgemäss kann eine weitere Verbesserung der obengenannten thermischen Beständigkeit von
Zellulose durch Beimischung verschiedener Zusätze zum Morpholin in der Behandlungslösung erzielt wer- den.
So wurde z. B. gefunden, dass eine Lösung von Morpholin mit einem Zusatz von "kationischer Stärke"
Zellulosefasern einen noch höheren Grad thermischer Beständigkeit zu verleihen vermag als Morpholin allein.
Genau gesagt, sind kationische Stärken Stärkederivate, die funktionelle Gruppen enthalten, die der Stärke eine positive Ladung verleihen, so dass sie dadurch von den negativ geladenen Fasern angezogen wird. Es muss jedoch festgestellt werden, dass es viele Zusätze gibt, die, obwohl sie chemisch keine kationischen Stärkederivate darstellen, diesen in vieler Hinsicht ähneln. Beispiele hiefür sind die kationischen, wasserlöslichen, polymeren Kohlenwasserstoffe, die z. B. von der "Hercules Powder Company of Wilmington", Delaware unter der Warenbezeichnung"Ceron CN"vertrieben werden. Diese Stoffe haben sich mit Morpholin in einer wässerigen Behandlungslösung als gut zusammenarbeitend erwiesen.
Demgemäss sollen im folgenden unter demBegriff"kationischeStärken"auch solche stärkeähnlichen kationischen Stoffe verstanden sein.
Es wurde gefunden, dass auch Proteine den Grad der mitMorpholin-Behandlungslösung erreichten thermischen Beständigkeit erhöhen. So werden z. B. Zellulosefasern beständiger als bei der Benutzung reiner Morpholinlösung, wenn entweder Kasein oder ein von Soyabohnen isoliertes Protein unter die wässerige Morpholin-Lösung gemischt wird. Als besonders geeignet hat sich ein isoliertes Soya-Protein erwiesen, das von der "Archer-Daniels-Midland Company" Cincinnati (Ohio) unter der Warenbezeichnung Adpro 410 vertrieben wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Behandlungslösung vom Typ Morpholin-Protein durch Hinzufügen eines der folgenden phenolischen Zusätze zur Lösung noch weiter verbessert werden kann :
Acetyl-p-aminophenol, m-Kresol, Phenol und p-Aminophenol.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass die oben. beschriebenen Verfahren der Behandlung von Zellu- losefasern diese nicht nur gegen thermische Schädigungen schützen, sondern sie auch beständiger gegen den Angriff von Zerfallsprodukten von Transformatorenöl und andern flüssigen Dielektriken macht. Aus diesem Grunde sind gemäss der Erfindung behandelte Zellulose-Isoliermaterialien besonders gut für die Benutzung in Öltransformatoren und ähnlichen andern elektrischen Geräten geeignet.
In der Zeichnung ist ein Transformator mit einer gemäss der Erfindung behandelten Zelluloseisolie- rung gezeigt. Der Transformator ist-in ein Gehäuse 10 eingeschlossen und besteht in der Hauptsache aus einem Eisenkern 12 und einer Wicklung 14, die aus der Hochspannungswicklung 18 und der Niederspannungswicklung 20 besteht, welche Wicklungen durch die erfindungsgemäss behandelte Zelluloseisolierung 22 gegeneinander isoliert sind. Aussen um die Wicklung herum kann noch eine Bandage 24 aus ebenso behandelter Zellulose vorgesehen werden. Der Behälter 10 ist mit flüssigem Dielektrikum 26 aus Ölen, chloriertemDiphenyl oder ähnlichem soweit aufgefüllt, dass der Kern 12 und die Wicklungen zwecks Isolierung und Abführung der im Betrieb erzeugten Wärme davon bedeckt sind.
Bei der Behandlung zur Erhöhung der thermischen Beständigkeit von Zellulose gemäss der Erfindung kann eine wässerige Lösung von a) Morpholin b) Morpholin und kationischer Stärke oder c) Morpholin und Protein (mit oder ohne die genannten phenolischen Zusätze) in jeder passenden Weise angewendet werden. Offensichtlich ist der einfachste Weg der, die Fasern direkt in die Lösung oder die Dispersion der Zusätze einzutauchen, bis das Material vollständig imprägniert ist.
Die Lösung kann jedoch auch durch Spritzen, Streichen oder auch nach Zugabe eines Klebemittels durch Anwendung von Druck zur Einwirkung gebracht werden.
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Die Lösung selbst wird einfach durch direktes Mischen der aktiven Zutaten mit Wasser bereitet. Ge- mäss dem bevorzugten Verfahren wird die Mischung bei einer Temperatur von 85 bis 900 für mindestens
20 Minuten in angemessener Bewegung gehalten. Während der tatsächlichen Behandlung kann die Lösung
Raumtemperatur oder höhere Temperaturen sogar bis zum Siedepunkt haben. Die Zeit der Einwirkung der Lösung auf das Isolierfasermaterial muss für eine vollständige Durchdringung der Fasern ausreichen. Nor- malerweise sind Zeiten von 1 bis 10 Minuten für diesen Zweck ausreichend, längere Zeiten können jedoch ohne Schaden angewendet werden.
Die Konzentrationen der aktiven Bestandteile der Behandlungslösung können beträchtlich schwanken, u. zw. sowohl in Hinblick auf die Gesamtheit der Bestandteile als auch auf die einzelnen Zusätze. Obwohl es natürlich etwas schwieriger ist, die gewünschte Aufnahme von Zusätzen bei einer sehr verdünnten Lösung zu erreichen, als bei einer im Vergleich dazu konzentrierteren, wurden Lösungen benutzt, die nur 1% Morpholin enthielten. Zweckmässig enthalten die benutzten Lösungen jedoch 7,5 Gew. -0/0 aktiver Bestandteile.
Es muss betont werden, dass die Vorteile der Erfindung nur dann zur Geltung kommen, wenn die oben genannten aktiven Bestandteile tatsächlich in den behandelten Zellulosefasern vorhanden sind, wenn sie Erwärmungen unterworfen werden, die normalerweise thermische Schäden verursachen würden. Im allgemeinen sind die Zellulosefasern umso beständiger, je grösser die Menge der vorhandenen aktiven Bestandteile ist. Da jedoch verschiedene aktive Zusätze in wechselnden Verhältnissen in der Behandlungslösung benutzt werden, ist es schwierig, zutreffende quantitative Angaben über den Grad der erreichten Beständigkeit zu machen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass, wenn die aktiven Bestandteile in den Fasern 0, 2 -'lP/o ihres Gewichtes an Stickstoff ausmachen, eine wesentliche Verbesserung der thermischen Beständigkeit der Fasern erreicht wird.
Tatsächlich ist ungeklärt, wie und warum die beschriebenen Behandlungslösungen die Zellulosefasern stabilisieren. Obgleich deutliche Wechselwirkungen zwischen den aktiven Bestandteilen in der Lösung vorhanden sind, ist ihre Natur keineswegs klar. Es wurde jedoch gefunden, dass, wenn man die Behandlungslösung bis zur Trockenheit eindampft, der verbleibende Rückstand ein dünnes, sprödes Blatt ist, welches an der offenen Luft nach einiger Zeit flexibel wird. Das erweckt den Anschein, dass das Material Wasser aus der Luft aufnimmt, und mag erklären, warum es so gut bei der Stabilisierung der Zellulosefasern wirkt.
Obgleich, wie oben dargestellt wurde, das direkte Eintauchen der Faser in die Behandlungslösung der einfachste Weg der Benutzung der Behandlungslösung ist und obgleich diese Methode bei der Behandlung der weiter unten diskutierten Muster benutzt wurde, ist es möglich, dass bei der kommerziellen Anwendung der Erfindung andere Methoden der Behandlung von Fasern sich der Eintauchmethode zumindest für manche Zwecke überlegen zeigen werden. Insbesondere scheint der Zusatz von Klebemitteln für die Behandlung unter Druck von grösserer kommerzieller Bedeutung zu sein.
Die unten gezeigten Beispiele erläutern die Anwendung der Erfindung und die verbesserten Ergebnisse, die bei der Benutzung des behandelten Zelluloseisolationsmaterials von elektrischen Geräten erhalten werden. Es ist zu erwähnen, dass beschleunigte Alterungsversuche unter Bedingungen durchgeführt wurden, die soweit wie möglich die Beanspruchungen, denen die Zelluloseisoliermaterialien während des Betriebes in einem Öltransformator unterworden sind, verdoppeln.
Zur Vorbereitung jeder Probe wurde ein Blatt Elektrohartpapier in eine wässerige Lösung, die die angegebenen Mengen der Zusätze enthielt, eingetaucht, bis das Papier gänzlich durchtränkt oder imprägniertwar. (Das benutzte Protein war"Adpro 410", die kationische Stärke"Ceron CN".) Das imprägnier- te Blatt Papier wurde bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet und dann in ein Glasrohr gebracht, das ein Stück Kupferdraht von 54 cm Länge und einer Stärke von 1, 3 mm mit Formvar-Überzug und einen Streifen Kupferfolie von 356 mm X 25 mm x 2 mm enthielt. Diese Papier-Kupfer-Zusammenstellung wurde in einem Ofen bei 1350C 16 Stunden lang getrocknet ; während dieser Zeit wurde das Glasrohr bis auf einen Druck von 0, 1 mm Hg evakuiert.
Am Ende der Trockenperiode wurde das Papier und Kupfer enthaltende evakuierte Rohr unter Vakuum mit einem inhibitierten Transformatorenöl bis auf einen Luftraum von ungefähr 150/0 des Gesamtvolumens gefüllt. Dieser Luftraum wurde mit trockener Luft von Atmosphärendruck gefüllt und das 0Rohr dann mit einem Sauerstoffgebläse zugeschmolzen. Das verschlossenne, das behandelte Papier, den überzogenen Kupferdraht, die Kupferfolie und das Transformatorenöl enthaltende Glasrohr wurde 5 Tage lang in einem Ofen mit 1700C gebracht. Nach dieser Zeit wurden sowohl die in der Wärme gealterte Probe als auch die Kontrollstücke auf die verbliebene Zugfestigkeit hin untersucht. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
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<tb>
<tb>
Gewichtsprozente <SEP> Stunden <SEP> der <SEP> Prozentualer <SEP> An-Relative
<tb> der <SEP> Zutaten <SEP> in <SEP> der <SEP> Alterung <SEP> bei <SEP> teil <SEP> der <SEP> Original-Zugfestigkeit
<tb> wässerigen <SEP> Lösung <SEP> 1700C <SEP> zugfestigkeit
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 100
<tb> 0 <SEP> (Kontrolle) <SEP> 120 <SEP> 68 <SEP> 100
<tb> 100 <SEP> Morpholin
<tb> (ohne <SEP> Wasser) <SEP> 120 <SEP> 68, <SEP> 1 <SEP> 129, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 2, <SEP> 5 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 79,8 <SEP> 117, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 25 <SEP> kationische <SEP> Stärke
<tb> 5, <SEP> 0 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 88, <SEP> 2 <SEP> 129, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2, <SEP> 5 <SEP> kationische <SEP> Stärke
<tb> 5, <SEP> 0 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 89, <SEP> 5 <SEP> 131, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2, <SEP> 5 <SEP> Protein
<tb> 5, <SEP> 0 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 99, <SEP> 7 <SEP> 146,
<SEP> 5 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 25 <SEP> Protein
<tb> 1, <SEP> 25 <SEP> m-Kresol
<tb> 5, <SEP> 0 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 96. <SEP> 5 <SEP> 143, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 2, <SEP> 5 <SEP> Protein
<tb> 0, <SEP> 2 <SEP> p-Aminophenol <SEP>
<tb> 5,0 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 107, <SEP> 6 <SEP> 158, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 25 <SEP> Protein
<tb> 0, <SEP> 50 <SEP> Acetyl-p-Aminophenol <SEP>
<tb> 10 <SEP> Morpholin <SEP> 120 <SEP> 112, <SEP> 5 <SEP> 165, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 2, <SEP> 5 <SEP> Protein
<tb> 0, <SEP> 5 <SEP> Actyl-p-Aminophenol <SEP>
<tb>
Die obige Tabelle zeigt klar die Verbesserung der thermischen Alterungswerte der erfindungsgemäss behandelten Zellulosefasern.
Nach der Feststellung der verbesserten thermischen Eigenschaften des behandelten Papiers wurden Versuche über die Verträglichkeit des behandelten Materials mit den andern Elementen des Transformators durchgeführt, Diese Versuche zeigten klar, dass die Durchschlagsfestigkeit des Isolierpapiers durch die Behandlung nicht beeinflusst wird, und dass der Säurewert und der Feuchtigkeitsgehalt des zusammen mit dem behandelten Isoliermaterial benutzten Öls geringer war als der von Öl, das mit unverändertem Hartpapier verwendet wurde. Ferner zeigten Untersuchungen der Grenzflächenspannungen, die mit Ölen durchgeführt wurden, dass das behandelte Material keinen Einfluss auf seine Grenzflächenwerte hatte. Daraus ergibt sich, dass das Behandlungsmaterial das Öl nicht verunreinigt, und dass es nicht durch das Öl aus dem Papier herausgelöst wird.
Der Hauptvorteil bei der Benutzung von erfindungsgemäss behandelten Zelluloseisoliermaterialien in Transformatoren vom dargestellten Typ besteht darin, dass es die nutzbare Lebensdauer des Geräts bei einer gegebenen Transformatorlast verlängert. Anderseits erlaubt diese Isolation, bei einem Gerät gegebener Grösse eine höhere Belastung und höhere Temperatur.
Wenn die Erfindung ausführlich am Beispiel der Behandlung von Zellulosematerialien für Isolierzwecke erläutert wurde, so schliesst dies nicht aus, dass die Erfindung auch für die Stabilisierung von andern Zellulosefasermaterialien anwendbar ist.
Wenn auch nur eine Anwendungsmöglichkeit dargestellt und beschrieben wurde, gibt sie dem Fachmann vielerlei Abwandlung-un Änderungsmöglichkeiten an die Hand, die demzufolge unter den Erfindungsgedanken und damit in den Rahmen der Erfindung fallen.