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Glimmerstreifen bzw. Glimmerblatt und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung befasst sich mit der elektrischen Isolation und bezieht sich insbesondere auf
Glimmerstreifen für die elektrische Isolierung von elektrischen Leitern sowie auf die Herstellung solcher
Glimmerstreifen.
Glimmerstreifen oder Glimmerblätter werden durch Bindung einzelner Glimmerflocken (manchmal auch als Glimmerflitter bezeichnet) oder eines Glimmerpapiers mittels eines harzartigen
Bindemittels an ein Unterlagsmaterial erzeugt. Geeignete Unterlagsmaterialien können Glasgewebe,
Seide, Gewebe aus synthetischen Fasern oder Gemische solcher Materialien sein.
Als Harzbindemittel für die Erzeugung von Glimmerstreifen oder-blättern sind schon phenolische
Harze verwendet worden, die jedoch beim Härten 3 bis 7% an unerwünschten flüchtigen Produkten liefern können.
Zur Isolierung eines elektrischen Leiters wird ein Glimmerstreifen oder ein Glimmerblatt um den elektrischen Leiter gewickelt und dann einer Vakuumbehandlung unterworfen, um Feuchtigkeit, Gase oder andere nachteilig wirkende flüchtige Materialien zu entfernen. Der Glimmerstreifen bzw. das Glimmerblatt wird dann, häufig unter Druck, mit einem Isolierharz imprägniert. Nachfolgend wird, wenn wärmehärtende Harze verwendet werden, der elektrische Leiter, der mit dem mittels Isolierharz imprägnierten Glimmerstreifen bzw. Glimmerblatt umhüllt ist, einer Wärmebehandlung unterzogen, um irgendwelche noch zurückgebliebene nachteilig wirkende flüchtige Materialien zu beseitigen und die Harze zu härten.
Wenn bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren keine sehr sorgfältige Überwachung und Kontrolle durchgeführt wird, bleiben oft schädliche flüchtige Materialien in dem Glimmerstreifen bzw. - blatt zurück, was zur Bildung von Gasräumen und zum Niederschlagen von Wasser führt. Das Vorhandensein von Gasräumen führt zu einem stetigen Anstieg des Verlustfaktors bei zunehmenden Spannungen, wogegen, wenn der Glimmerstreifen bzw. das Glimmerblatt mit in festem Zustande befindlichem Isolierharz imprägniert wird, die Änderung des Verlustfaktors bei Änderung der Spannung nach oben bis Erreichung der Betriebsspannung des elektrischen Leiters unbedeutend bleibt.
Es sind schon Harzbindemittel verwendet worden, welche in einem solchen Ausmass zur Reaktion gebracht wurden, dass sie wirklich keine nachteiligen flüchtigen Materialien enthalten. Diese Harzbindemittel weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie eine verhältnismässig kurze "Lagerdauer", nämlich ein sehr kurzes Lagerungsvermögen besitzen, was bedeutet, dass sie innerhalb einer relativ kurzen Zeit nach ihrer Erzeugung verwendet werden müssen, ehe noch ihr Bindevermögen gemindert wird. Es ist bekannt, dass derartige Harzbindemittel eine Lagerdauer von ungefähr 3 Monaten besitzen, die auf 6 Monate erstreckt werden kann, wenn das Harzbindemittel in einer Kühlanlage aufbewahrt wird.
Harzbindemittel mit einer relativ kurzen Lagerdauer sind nachteilig, weil es zur Erleichterung der Handhabung und Erzeugung oft wünschenswert ist, das Unterlagsmaterial mit dem Harzbindemittel
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vorzuimprägnieren, bevor noch Glimmerflocken oder Glimmerpapier zur Herstellung des
Glimmerstreifens oder Glimmerblattes auf die Unterlage aufgetragen wird. Im Falle, dass der
Glimmerstreifen oder das Glimmerblatt aus Glimmerpapier hergestellt wird, kann das vorimprägnierte
Unterlagsmaterial in der Wärme bis zu einem Zustande behandelt werden, in welchem die Gelierung des
Harzbindemittels auftritt, d. h. bis das Harzbindemittel bis zu einer solchen Stufe teilweise gehärtet ist, bei welcher es nachfolgend durch weiteres Erhitzen erweicht werden kann.
Ein derartiges, mit partiell gehärtetem Harzbindemittel imprägniertes Unterlagsmaterial ist jedoch ungeeignet für die Herstellung von Glimmerstreifen oder Glimmerblättern aus Glimmerflocken, denn das Harzbindemittel soll in einem klebrigen Zustande vorliegen, wenn die Glimmerflocken auf das mit dem Harzbindemittel überzogene
Unterlagsmaterial aufgebracht werden, um so die Glimmerflocken in ihrer Lage in bezug auf das
Unterlagsmaterial festzuhalten, während der Glimmerstreifen bzw. das Glimmerblatt vor dem endgültigen Härten um den Leiter herumgewickelt wird.
Weiters ist es oft unzweckmässig, den
Glimmerstreifen bzw. das Glimmerblatt auf den elektrischen Leiter als Isoliermaterial kurz nach der
Herstellung dieses Materials aufzubringen, wogegen es bevorzugt wird, Glimmerstreifen bzw. -blätter zu erzeugen und vorrätig zu halten, bis sie im Bedarfsfall zur Isolierung eines elektrischen Leiters benötigt werden. Vorteilhaft sind derartige Glimmerstreifen oder-blätter, die für späteren Gebrauch aufbewahrt werden, einer Wärmebehandlung bis zur Erreichung eines Gelierungszustandes des Harzbindemittels unterworfen worden. Das gelierte Harzbindemittel eines solchen aus Glimmerflocken erzeugten
Glimmerstreifens oder Glimmerblattes wird dann vor der Verwendung durch weiteres Erhitzen weichgemacht.
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Harzbindemittels zur Bindung von Glimmerflocken oder Glimmerpapier an ein Unterlagsmaterial, wobei das Harz im wesentlichen keine flüchtigen Materialien einschliesst, d. h. weniger als 0, 5% flüchtige Materialien und vorzugsweise weniger als 0, 25%, und welches Harz im nicht gehärteten Zustande über wesentlich längere Zeitabschnitte gelagert werden kann, als dies bei den bisher bekannten Harzbindemitteln möglich war.
Gemäss der Erfindung enthält das Harzbindemittel, mittels welchem Glimmer in Form von Glimmerflocken oder Glimmerpapier an ein Unterlagsmaterial unter Bildung eines Glimmerstreifens oder Glimmerblattes gebunden wird, ein Epoxy-Phenolharz, das in einem solchen Ausmass vorkondensiert wurde, dass nur kleine Mengen an flüchtigem Material während der Gelierung und im wesentlichen keine solchen Materialien während des Härtens des Harzbindemittels freigesetzt werden. Zum Zwecke des Aufbringens des Epoxy-Phenolharzes auf das Unterlagsmaterial wird es vorerst in einem Gemisch von zwei Lösungsmitteln aufgelöst, die voneinander verschiedene Siedepunkte aufweisen.
Das erfindungsgemäss eingesetzte Harzbindemittel weist gegenüber bekannten Bindemitteln wesentliche Vorteile auf. So ist in der USA-Patentschrift Nr. 2, 707, 204 ein Kunstharzgemisch aus einem sauren Polyesterharz und einem Äthoxylinharz beschrieben, das zum Verbinden von Glimmer und Unterlagsmaterial dienen kann. Da aber Athoxylinharze bei niedrigen Temperaturen von Natur aus spröde, bei höheren Temperaturen aber zu wenig fest sind, ist die Wahl eines geeigneten Polyesterharzes zur Erzielung eines brauchbaren Kunstharzgemisches von entscheidender Bedeutung. Das erfindungsgemässe Harzbindemittel ist wesentlich biegsamer als das Polyester-Äthoxylin-Gemisch und behält diese Eigenschaft über einen viel grösseren Temperaturbereich bei.
Diese Biegsamkeit ist besonders wichtig, weil der Glimmerstreifen um den elektrischen Leiter gewickelt werden muss. Das erfindungsgemässe Harzbindemittel hat ausserdem eine grössere Bruchdehnung.
Bei der Herstellung von Reaktionsprodukten durch Umsetzung von Methylolgruppen enthaltenden Phenolharzen mit Epoxyharzen gemäss der österr. Patentschrift Nr. 203215 ist es sehr schwierig, diese chemische Reaktion zur Gewinnung eines nur teilweise umgesetzten Epoxy-Phenolharzes zu verwenden, das zum Verbinden von Glimmer und Unterlagsmaterial geeignet sein soll. Dies ist deshalb so schwierig, weil der Bereich für die angestrebte Teilumsetzung äusserst klein ist. Diese muss genau im richtigen Zeitpunkt abgebrochen werden, denn sonst wäre die Reaktion bereits zu weit fortgeschritten und das erhaltene Material als Bindemittel nicht mehr brauchbar ; bei nicht weit genug fortgeschrittener Reaktion würde das Material noch einen unerwünscht hohen Anteil flüchtiger Bestandteile enthalten.
Die Herstellung des erfindungsgemässen Harzbindemittels ist viel einfacher durchführbar und auch viel wirksamer, weil die Kontrolle der Vorkondensationsstufe für die Phenolharzkomponente nicht annähernd so kritisch ist.
Auch das Verfahren nach der deutschen Auslegeschrift 1191107, das die Herstellung von gehärteten, porenfreien Überzügen aus Epoxy-Phenolharzen z. B. auf Eisenbleche betrifft, wäre für den erfindungsgemässen Zweck nicht geeignet. Das Problem, wie man den Einschluss flüchtiger Materialien in
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einem Glimmerstreifen oder Glimmerblatt vermeiden kann, tritt bei dem bekannten Verfahren gar nicht auf, weil ja dort nicht beabsichtigt ist, Glimmer, der das Entweichen flüchtiger Materialien verhindern könnte, an Eisenblech zu binden.
Eine nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels näher beschrieben.
Ein Glasgewebe, das eine Stärke von 0, 025 mm haben kann, wird mit einem Harzbindemittel überzogen. Das Harzbindemittel ist ein Epoxy- Phenolharz, das ungefähr 25 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 30 Grew.-% an Phenolharz enthält. Vor der Vereinigung mit dem Epoxyharz unter Bildung des Epoxy-Phenolharzes wurde die Phenolharzkomponente des Epoxy-Phenolharzes einer
Vorkondensation in einem solchen Ausmass unterworfen, dass der Hauptanteil der unerwünschten flüchtigen Produkte, die normalerweise beim Härten des Epoxy-Phenolharzes freigesetzt würden, nun vor der Vereinigung des Phenolharzes mit dem Epoxyharz freigesetzt werden, so dass nur sehr geringe
Mengen an flüchtigem Material (beispielsweise nicht mehr als 0, 5% und vorzugsweise weniger als 0, 25%)
während der Gelierung und im wesentlichen keine während der Härtung des Harzbindemittels freigesetzt werden. Zum Zwecke der Vorkondensation der Phenolharzkomponente wird die
Kesselreaktion, mittels der das Phenolharz erzeugt wird, während einer längeren Zeit bei einer höheren
Temperatur ausgeführt als normal ist, so dass Wasser freigegeben wird. Diese Erstreckung des normalen
Prozesses muss sehr sorgfältig geregelt werden, um ein Festwerden des entstehenden Phenolharzes zu vermeiden. Zum Zwecke des Aufbringens des Epoxy-Phenolharzes auf das Glasgewebe wird das Harz in einem Gemisch von Methyläthylketon und Methylisobutylketon aufgelöst, wobei der
Methyläthylketongehalt zwischen 40 und 60 Gew.-% liegen kann und vorzugsweise ungefähr 50 Gew.-% beträgt. Vorteilhaft ist der Gehalt der Lösung an Epoxy-Phenolharz ungefähr 10 Gew.-%.
Die Lösung des Epoxy-Phenolharzes in Methyläthylketon und Methylisobutylketon kann durch Aufsprühen,
Auftragen mit einer Bürste oder mit einer Walze oder durch irgendwelche andere gebräuchliche Mittel aufgebracht werden. Sodann werden Glimmerflocken, die eine typische Grösse von je 6, 5-19, 4 cm (1-3 Quadratzoll) haben, auf das mit dem Harz überzogene Glasgewebe aufgelegt. Diese Flocken sind üblicherweise sehr dünn (beispielsweise 0, 0178 mm = 0, 0007 Zoll Stärke), zumal gefunden wurde, dass dadurch die Flocken um Kanten gebogen werden können ohne zu brechen.
Es kann entweder eine einzelne Lage von Flocken verwendet werden, um Glimmerstreifen bzw.
Glimmerblätter zu erzeugen, oder auch eine beliebige Anzahl von Lagen aus Glimmerflocken mit dazwischenliegenden Schichten der Harzbindemittel-Lösung. Gewünschtenfalls kann ein Deckanstrich der Harzbindemittel-Lösung aufgebracht werden und anschliessend eine Deckschicht aus Glasgewebe bzw. Glastuch. Ausserdem können auch eine oder mehrere Zwischenschichten aus Glasgewebe benutzt werden.
Wahlweise kann an Stelle von Glimmerflocken Glimmerpapier zur Herstellung der Glimmerstreifen bzw. Glimmerblätter verwendet werden, wobei der für das Glimmerpapier verwendete Glimmer eine viel kleinere Teilchengrösse als Glimmerflocken aufweist, beispielsweise eine Oberfläche von 1 mm2 und weniger bis zu Staubgrösse.
Obgleich die Harzbindemittel-Lösung auf das Glasgewebe in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebracht werden kann, wird es bevorzugt, das Glasgewebe mit einer Harzbindemittel-Lösung vorzuimprägnieren, wobei dieses Harzbindemittel vorzugsweise bis zu einer solchen Stufe wärmebehandelt wird, bei welcher der Gehalt der Lösung an Methyläthylketon und Methylisobutylketon beseitigt und das zurückbleibende Epoxy-Phenolharz teilweise bis zu einer Stufe gehärtet ist, in welcher es nachfolgend durch weiteres Erhitzen noch weichgemacht werden kann. Der Epoxy-Phenolharzgehalt der Lösung beträgt in diesem Falle vorzugsweise ungefähr 30 Gew.-%.
Das Glimmerpapier wird dann an dem vorimprägnierten oder mit der Harzbindemittel-Lösung bestrichenen Glasgewebe angebracht, beispielsweise dadurch, dass der Glimmerpapierstreifen bzw. das Glimmerpapierblatt und das Glasgewebe zwischen einem Paar von beheizten Druckwalzen hindurchgeführt wird, um eine feste Bindung des Glimmerstreifens bzw. des Glimmerblattes zu erhalten.
Ebenso wie bei dem aus Glimmerflocken erzeugten Glimmerstreifen bzw. Glimmerblatt können auch mehrere Lagen Glimmerpapier unter Einlage von Zwischenschichten aus der HarzbindemittelLösung aufeinander gelegt und gewünschtenfalls mit einer abschliessenden Lage eines Glasgewebes versehen werden. Weiters können auch ein oder mehrere Zwischenlagen aus Glasgewebe, wie vorstehend angegeben, benutzt werden. Alle diese Lagen aus Glimmerpapier und Glasgewebe können zwischen dem Paar von beheizten Druckwalzen gleichzeitig hindurchgeführt werden. Wird ein mit Harzbindemittel vorimprägniertes Glasgewebe verwendet, so wird mittels der durch die beheizten Druckwalzen zugeführten Wärme das teilweise gehärtete Epoxy-Phenolharzbindemittel erweicht.
Glimmerstreifen oder Glimmerblätter, die in dieser Weise aus Glimmerflocken oder Glimmerpapier
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erzeugt wurden, können zur Isolierung eines einzelnen Leiters oder eines Paketes von Leitern benutzt werden ; beispielsweise kann ein Kupferleiter mit einer Lage des Streifens oder Blattes unter halber überlappung umwickelt werden und mit gleichartigen Leitern unter Bildung eines Leiterpaketes nebeneinander gesetzt werden, wobei dieses Paket mit zwölf Lagen des Streifens bzw. Blattes unter halber überlappung umgeben wird.
Der umwickelte Leiter wird dann in einen Autoklaven eingebracht und darin evakuiert, wonach der Gehalt der Harzbindemittel-Lösung an Methyläthylketon und Methylisobutylketon aus dem durch
Beschichten statt durch Vorimprägnieren des Glasgewebes gebildeten Glimmerstreifen bzw.
Glimmerblatt freigesetzt wird.
Die Menge an aufgebrachtem Harzbindemittel wird so geregelt, dass der Gewichtsanteil an Epoxy-Phenolharz in dem entstehenden Glimmerstreifen bzw. Glimmerblatt aus Glimmerflocken, sobald einmal die Lösungsmittel Methyläthylketon und Methylisobutylketon beseitigt worden sind, ungefähr
10% beträgt, wogegen dieser Gehalt in dem aus Glimmerpapier erhaltenen Glimmerstreifen bzw.
Glimmerblatt etwas geringer ist und beispielsweise zwischen 5 und 7% liegt. Der Streifen wird dann mit einem geeigneten flüssigen Harz, beispielsweise einem Epoxyharz oder Polyesterharz während einer geeigneten Zeitspanne, z. B. während einer Stunde, imprägniert. Wahlweise kann der Streifen bzw. das Blatt mit der in der österr. Patentschrift Nr. 259066 beschriebenen harzartigen Substanz imprägniert werden, die ein Gemisch aus Bisphenol A-Epoxyharz und einem oder mehreren cycloaliphatischen Harzen darstellt. Das Harz kann unter der Wirkung seiner Schwere von einem oben offenen Behälter innerhalb des Autoklaven zugeführt werden.
An Stelle des Vakuums wird dann während einer geeigneten Zeitspanne, z. B. 6 Stunden Überdruck angewendet, um eine durchgreifende Imprägnierung des Glimmerstreifens bzw.
Glimmerblattes durch das Harz herbeizuführen.
Der umwickelte Leiter wird dann aus dem Autoklaven herausgenommen, in eine geeignete Dimensionierungsvorrichtung gebracht, um ihn auf die gewünschte Grösse zu formen, und schliesslich in einen Ofen in der Dimensionierungsvorrichtung gebracht und während genügend langer Zeit erhitzt, um das Harzbindemittel und das Imprägnierharz zu härten.
Wahlweise kann auch der umhüllte Leiter aus dem Autoklaven herausgenommen und in eine geeignete Presse eingeführt werden, um ihn auf die gewünschte Grösse zusammenzupressen, worauf er schliesslich in einen in der Presse befindlichen Ofen gebracht und genügend lange erhitzt wird, um das Harzbindemittel und das Imprägnierharz auszuhärten.
Die Lösung des Harzbindemittels enthält vorteilhaft einen Farbstoff. Die bevorzugte Harzbindemittel-Lösung für das Auftragen eines Anstriches ist das Produkt "X83/261" der Firma Ciba (ARL) Ltd. Die bevorzugte Harzbindemittel-Lösung für das Aufbringen durch Vorimprägnierung ist das Produkt "X83/275" der Firma Ciba (ARL) Ltd.
Die Harzbindemittel-Lösung kann durch Auflösen des Epoxy-Phenolharzes in einem beliebigen Gemisch von zwei geeigneten Lösungsmitteln, die voneinander verschiedene Siedepunkte haben, erhalten werden, also auch unter Verwendung anderer Lösungsmittel als das vorstehend beschriebene Gemisch von Methyläthylketon und Methylisobutylketon. Es werden Lösungsmittel mit voneinander verschiedenen Siedepunkten verwendet, so dass sie in verschiedenen Stufen des Warmbehandlungsvorganges freigesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Glimmerstreifen bzw. Glimmerblatt für die elektrische Isolierung, beispielsweise in Form einer Umwicklung eines elektrischen Leiters, aus Glimmer, der mittels eines Harzbindemittels an ein
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Epoxy-Phenolharz, bestehend aus einem Gemisch eines Epoxyharzes mit einem Phenolharz, ist, wobei das Phenolharz in einem solchen Ausmass vorkondensiert ist, dass nur kleine Mengen an flüchtigem Material während der Gelierung und im wesentlichen keine solchen Materialien während des Härtens des Harzbindemittels freisetzbar sind.
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