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Composés flexibles à base de mica
Cette invention concerne les matières isolantes, et en particulier, les lamelles de mica associées à un liant.
L'industrie électrique a besoin de matières isolantes comprenant des lamelles de mica et un élément flexible ne durcissant pas avec le temps, de façon que la matière isolante reste pratiquement flexible sans qu'il y ait durcissement avec le temps, aussi bien lors du stockage de la matière que lors de l'utilisation ultérieure. Les isolants flexibles à base de mica conviennent spécialement à la fabrication de bandelettes et rubans. De plus, le mica, lié à un élément toujours flexible peut, lorsqu'il est appliqué sur des pièces, répartir les efforts mécaniques mieux qu'un isolant rigide et résiste donc
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mieux aux sollicitations physiques. En outre, avec un isolant de mica flexible,on évite la fissuration, les ondulations, la contraction et autres phénomènes semblables inhérents à certains isolants de mica rigides en mica.
D'invention produit un isolant de mica relativement flexible, au moyen d'un liant comprenant du goudron de pin ayant subi un traitement thermique.
L'invention a aussi comme caractéristique le traitement thermique de goudron de pin pour la préparation d'une compo- sition adhésive convenant particulièrement comme liant pour le mica.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée suivante de plusieurs formes d'exécution, repré- sentées à titre d'exemple dans le dessin annexé.
La. figure 1 est une vue agrandie d'une coupe verticale d'un isolant de mica;
La figure 2 est une vue agrandie d'une coupe verticale d'une variante ;
La. figure 3 est une vue agrandie d'une coupe verticale d'une autre variante; et
La figure 4 est une vue en perspective d'une encoche d'induit.
L'invention repose sur la constatation que l'on peut obtenir un isolant de mica ayant une flexibilité pratiquement permanente, en liant du mica au moyen de goudron de pin ayant subi un traitement thermique. Un tel goudron de pin est produit par la distillation complète de bois de pin donnant un mélange de diverses matières volatiles; ce mélange, subis- sant ensuite un raffinage donne comme dernière matière vola- tile, le goudron de pin. Celui-ci distille entre 200 C et
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400 C suivant le procédé employé. Le poids spécifique du goudron de pin varie entre 1,03 et 1,07.
Ce produit peut être défini comme étant du goudron de pin brut, puisqu'il consiste en une composition variable, d'odeur caractéristique, comprenant des constituants bitumineux, des huiles légères et d'autres ingrédients volatils. Le goudron de pin brut commercial ne convient pas comme liant pour le mica. Il ne fait pas adhérer les lamelles de mica entre elles. Des lamelles de mica traitées avec du goudron de pin brut se détachent les unes des autres. Le goudron de pin brut ne convient pas pour d'autres raisons encore, telles que sa composition'variable et ses carac- téristiques électriques irrégulières.
On a trouvé qu'un traitement thermique du goudron de pin brut à une température de l'ordre de 225 C, de préférence entre 200 C et 250 C, pendant 3 à 8 heures, lui fait perdre environ un tiers de son poids en huiles et 'autres matières volatiles, la matière restante formant un corps plus homogène qui possède des caractéristiques nouvelles et insoupçonnées d'adhérer parfaitement aux lamelles de mica: Le traiteraent thermique de cette matière à une température notablement plus élevée, telle que 300 C, rend le goudron de pin de nouveau inutilisable par décomposition pyrolitique. Le traitement thermique transforme complètement les propriétés du goudron de pin en ce qui concerne l'adhérence au mica et les carac- téristiques d'isolement électrique.
De plus, ce traitement thermique rend le goudron de pin beaucoup plus stable de sorte qu'il ne se détériore ni ne durcit en vieillissant et conserve pratiquement une flexibilité permanente. Il n'est, en outre, plus soluble dans les huiles, telles que l'huile de transfor- mateur. Ci-après, le terme "goudron de pin ayant subi un traitement thermique" est employé pour le goudron de pin brut
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ayant subi un traitement thermique à la température susmention- née pendant un temps suffisant pour éliminer toutes les huiles et autres matières volatiles. Le traitement thermique se fait à l'air libre. Si 1'on utilise des récipients fermés raccordés à. une pompe à vide, on obtient le même produit en un temps moindre ou à des températures plus basses.
A titre d'exemple,un goudron de pin moyennement distillé a été traité à 225 C pendant 6 heures. Pendant ce temps, il a perdu environ 35% de son poids en huiles et autres matières volatiles. La viscosité du goudron de pin, après traitement thermiqueétait de l'odre de 40 à 70 poises.Un produit ayant, après traitement thermique, une viscosité entre 10 et 100 poises peut convenir à la réalisation de l'invention.
Le goudron de pin fortement distillée après quatre heures à 225 C, convient comme liant pour le mica après avoir perdu moins de 30% en poids de matières volatiles. Le goudron de pin faiblement distillé contient le plus de ma- tières volatiles et demande donc le traitement thermique le plus long.
Le goudron de pin, après traitement thermique, est dissous dans un solvant volatil de façon à produire une solution de concentration entre 15% et 50% suivant les exigences. Une solution à 35% de goudron de pin traité thermiquement, dans de l'alcool éthylique, a donné de très bons résultats pour le traitement des lamelles de mica. D'au- tres solvants convenables sont l'acétone, le toluène et,le xylène. On peut employer également des mélanges de solvants.
Pour traiter des lamelles de mica appliquées sur un fond de papier ou d'étoffe, des solutions contenant 40 à 50% de goudron de pin traité thermiquement se sont montrées avanta- geuses, ces solutions imprégnant l'étoffe ou le papier,et
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, et -le goudron de pin traité thermiquement remplit mieux que les interstices/des solutions plus diluées.
Pour préparer une feuille composée uniquement de la- melles de mica et d'adhésif de goudron de pin traité thermiquement, le procédé suivant s'est avéré satisfaisant. On laisse tomber de haut des lamelles de mica sur une grille mobile, de façon que les lamelles soient réparties uniformément sur la grille mobile en une couche d'environ dix millièmes de pouce (0,25 mm) d'épaisseur, au moyen d'un appareil courant bien connu. Les lamelles de mica sont ensuite aspergées d'une solution de 35% de goudron de pin traité thermiquement, dans de l'alcool éthy- lique. De cette manière on applique approximativement 15 parties en poids de goudron de pin traité thermiquement à
85 parties en poids de lamelles de mica.
Cet isolant est ensuite mis au four et chauffé pendant quelques minutes à une tempéra- ture d'environ 100 C, pour évaporer le solvant consistant en alcool éthylique. Deux couches d'isolant de mica séché sont superposées et cet empilage est garni sur chacune de ses faces de lamelles de mica sec non traité pour empêcher le collage.
L'empilage est ensuite soumis à une compression d'environ 5 livres par pouce carré (0,35 kg/cm) dans une presse chauffée à la température de 140 C pendant dix minutes. On produit ainsi une feuille d'isolant de mica d'une épaisseur de vingt millièmes de pouce (0,5 mm). Cette feuille s'est avérée très flexible et très homogène par l'adhérence due au goudron de pin traité thermiquement. Il faut appliquer avec les doigts une pression importante pour que les lamelles de mica de la feuille glissent les unes sur les autres.
La figure 1 du dessin montre une coupe verticale agrandie d'une feuille .d'isolant de mica 10 préparé de cettemanière et comprenant les lamelles 1
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de mica 12 liées par le goudron de pin 14 traite thermiquement.
En soumettant cette feuille à des essais standards, on. a trouvé des propriétés électriques suivantes :
Contrainte diélectrique courte : 290 kilovolts/cm.
736 volts/millième de pouce.
Résistance d'isolement : infinité de mégohms
Résistance à l'arc : 184 secondes.
Facteur de puissance en % :
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<tb> 25 C <SEP> 50 C <SEP> 100 C
<tb>
<tb> 1.000 <SEP> volts <SEP> 2,53 <SEP> 3,20 <SEP> 12,53
<tb>
<tb> 1.500 <SEP> " <SEP> 2,20 <SEP> 3,10 <SEP> 12,53
<tb>
<tb> 2.000 <SEP> " <SEP> 1,93 <SEP> 3,23 <SEP> 13,10
<tb>
Pour obtenir uh isola.nt au mica ayant plus de raideur que celui réalisé au moyen, du goudron de pin traité
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t4ermiQuement seul, sans toutefois être rigide, on peut du poids ajouter jusqu'à 10%/de goudron de pin, un durcisseur choisi dans le groupe comprenant la gomme laque, les résines d'alkydes et le résidu du bitume de bois de pin soumis à 1-'extraction par un solvant.
Ce dernier résidu se trouve dans le commerce sous le nom de "Vinsol". Des exemples de résines
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c'al'ydes convenables sont le glycrol-phtalate, le glycol- maléate et le pentaerythritmaléate-phtalate. Lorsqu'on ajoute environ 5% d'un de ces durcisseurs, l'isolant de,mica produit ainsi est nettement plus rigide tout en restant bien flexible. Il faut appliquer avec les doigts une pression à peu près double pour faire glisser les lamelles de mica les unes sur les autres, par rapport à la pression nécessaire pour faire
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glisser les micas liés seulement par du goudron de pin traité thermiquement.
. Une feuille épaisse de vingt millièmes de pouce (0,5 mm) composée de lamelles de mica liées par 15% en poids d'une composition ayant 95% en poids de goudron de pin traité et 5% de résine "Vinsol" à l'essai, a donné les résultats sui- vants:
Courte contrainte diélectrique : 287 Kilovolts/cm2
730 volts/millième de pouce.
Résistance d'isolement : infinité de mégohms.
Résistance à l'arc : 210 secondes.
Facteur de puissance en % :
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<tb> 25 C <SEP> 50 C <SEP> 100 C
<tb>
<tb> 1. <SEP> 000 <SEP> volts <SEP> 2,30 <SEP> 2,60 <SEP> 8,07
<tb>
<tb> 1. <SEP> 500 <SEP> volts <SEP> 1.93 <SEP> 2,60 <SEP> 8,13
<tb>
<tb> 2.000 <SEP> volts <SEP> 1,83 <SEP> 2,60 <SEP> 8,33
<tb>
Dans la préparation de fines bandelettes et de rubans minces avec de l'isolant de mica lié par du goudron de pin traité thermiquement, il est bon d'employer un fond de matière fibreuse pour assurer la résistance à l'abrasion et à la desquamation, particulièrement dans la production de matières extrêmement minces d'une épaisseur de l'ordre de quatre millièmes de pouce (0,1 mm). Des matières de renforcement fi- breuses convenables sont le papier de cordes, le papier à ciment, le cambric, le tissu de fibres de verre, le papier d'asbeste et la toile d'asbeste.
Un ruban en mica flexible se prépare comme suit :
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Dans l'exemple de la figure 2 du dessin,l'isolant 20 comprend un papier de, cordes 22 d'une épaisseur d'un millième de pouce (0,025 mm) recouvert d'une couche 24 épaisse de deux millièmes de pouce (0,05 mm)de lamelles de mica 26, ces la- ;elles étant ensuite aspergées d'une solution à 40% de goudron de pin traité thermiquement seul ou avec une petite quantité de durcisseur, comme dit ci-dessus. 28 désigne le liant présent dans l'isolant après séchage. Après que le solvant a été évaporée une feuille 30 épaisse d'un millième de pouce (0,025 mm) de papier de cordes semblable à la feuille inférieure 22 est ap- pliquée sur les lamelles de mica.
En comprimant à une pression d'environ 5 livres par pouce carré (0,35 kg/cm2) et en appli- quant un traitement thermique, pendant la compression., à une température de l'ordre de 125 C pendant quelques minutes, on obtient une matière 20 extrêmement flexible. La feuille iso- lante ainsi produite peut être coupée en bandelettes de largeur convenable quelconque. Ces bandelettes ont été stockées pendant, un an sans qu'il y ait eu de changement appréciable dans la flexibilité.
La figure 3 représente une autre forme d'isolant complexe 32 comprenant une couche de lamelles de mica 34 liées par du goudron de pin traité thermiquement 36 et des couches inférieu- re et supérieure de toile de verre 38 et 40.
Comme le montre la figure 4., un'fourreau pour encoche d'induit 50 peut être fabriqué en combinant une armature extérieu- re 52 de papier fort (fish paper) et les lamelles de mica en une couche 54 d'épaisseur convenable et en imprégnant les la- .^.?elles de mica de goudron de pin traité thermiquement, en ajoutant de préférence de 5% à 10% d'un des durcisseurs sus- mentionnés. Après séchage de la matière composée à une tempéra-
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ture d'environ 100 C, les lamelles de mica peuvent être re- couvertes d'une mince toile de fibres de verre 56 contre le frottement.
La matière composée peut être comprimée, dans une presse chauffée, à 10 livres par pouce carré (0,7 kg/cm2) à une température d'environ 150 C pendant quelques minutes.
La matière, une fois comprimée, peut être coupée et façonnée en fourreaux 50 pour encoches d'induits. Le papier fort 52 constitue une armature relativement rigide qui permet de glisser facilement les fourreaux dans les encoches d'induits de moteurs et génératrices. La toile de verre 56 permet d'introduire facilement les bobinages dans les encoches sans endommager ni faire glisser les lamelles de mica. Le liant flexible du goudron de pin traité thermiquement s'accommode de l'allongement étudie la contraction des conducteurs de la dynamo en cours de service. Les fourreaux d'encoches ne deviennent pas rigides grâce à la flexibilité permanente du goudron de pin traité thermiquement.
Le but poursuivi en comprimant l'isolant'de mica lié au goudron de pin traité thermiquement, est d'assurer une bonne solidité. La presse est chauffée dans le but de dimi- nuer la,viscosité du liant de goudron de pin de façon qu'il se répartisse uniformément sous des pressions modérées de l'ordre de quelques livres par pouce carré (fractions d'un kg/cm2). On peut utiliser évidemment des pressions plus éle- vées, mais elles ne sont pas critiques.
On peut préparer de nombreuses formes d'isolants com- prenant les lamelles de mica et le liant de goudron de pin traité thermiquement suivant l'invention. On peut fabri- quer des isolants à lamelles de mica avec diverses matières de renforcement et de soutien en utilisant le liant de goudron de pin traité thermiquement.
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Flexible mica compounds
This invention relates to insulating materials, and in particular to mica lamellae associated with a binder.
The electrical industry needs insulating materials comprising mica lamellae and a flexible element that does not harden over time, so that the insulating material remains practically flexible without hardening over time, both in storage. of the material only in subsequent use. Flexible mica-based insulators are especially suitable for the production of strips and tapes. In addition, mica, linked to an element that is always flexible, can, when it is applied to parts, distribute mechanical forces better than a rigid insulator and therefore resists
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better to physical demands. In addition, with flexible mica insulation, cracking, rippling, shrinking and the like inherent in some rigid mica mica insulation is avoided.
The invention produces a relatively flexible mica insulation, using a binder comprising heat treated pine tar.
Another feature of the invention is the heat treatment of pine tar for the preparation of an adhesive composition particularly suitable as a binder for mica.
The invention will become clear from the following detailed description of several embodiments, shown by way of example in the accompanying drawing.
Figure 1 is an enlarged view of a vertical section of a mica insulation;
Figure 2 is an enlarged view of a vertical section of a variant;
Figure 3 is an enlarged view of a vertical section of another variant; and
Figure 4 is a perspective view of an armature notch.
The invention is based on the realization that a mica insulation having substantially permanent flexibility can be obtained by bonding mica using heat treated pine tar. Such pine tar is produced by the complete distillation of pine wood giving a mixture of various volatiles; this mixture, then undergoing refining, gives as the last volatile matter, pine tar. This distils between 200 C and
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400 C depending on the process used. The specific gravity of pine tar varies between 1.03 and 1.07.
This product can be defined as being raw pine tar, since it consists of a variable composition, of characteristic odor, comprising bituminous constituents, light oils and other volatile ingredients. Commercial raw pine tar is not suitable as a binder for mica. It does not make the mica strips adhere to each other. Slices of mica treated with raw pine tar stand out from each other. Raw pine tar is not suitable for yet other reasons, such as its variable composition and irregular electrical characteristics.
It has been found that a heat treatment of raw pine tar at a temperature of the order of 225 ° C., preferably between 200 ° C. and 250 ° C., for 3 to 8 hours, causes it to lose approximately one third of its weight in oils. and other volatile materials, the remaining material forming a more homogeneous body which has new and unsuspected characteristics of perfectly adhering to the mica lamellae: The thermal treatment of this material at a significantly higher temperature, such as 300 C, makes the pine tar again unusable by pyrolytic decomposition. The heat treatment completely transforms the properties of pine tar with regard to adhesion to mica and electrical insulation characteristics.
In addition, this heat treatment makes pine tar much more stable so that it does not deteriorate or harden as it ages and virtually retains permanent flexibility. Furthermore, it is no longer soluble in oils, such as transformer oil. Hereinafter, the term "heat treated pine tar" is used for raw pine tar.
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heat treated at the above temperature for a time sufficient to remove all oils and other volatiles. The heat treatment is done in the open air. If one uses closed containers connected to. a vacuum pump, the same product is obtained in less time or at lower temperatures.
For example, a moderately distilled pine tar was treated at 225 ° C. for 6 hours. During this time, it lost about 35% of its weight in oils and other volatiles. The viscosity of pine tar, after heat treatment was in the range of 40 to 70 poises. A product having, after heat treatment, a viscosity between 10 and 100 poises may be suitable for carrying out the invention.
Pine tar, highly distilled after four hours at 225 C, is suitable as a binder for mica after having lost less than 30% by weight of volatile matter. Low distilled pine tar contains the most volatile matter and therefore requires the longest heat treatment.
The pine tar, after heat treatment, is dissolved in a volatile solvent so as to produce a solution of concentration between 15% and 50% depending on the requirements. A 35% solution of heat treated pine tar in ethyl alcohol has given very good results for the treatment of mica flakes. Other suitable solvents are acetone, toluene, and xylene. Mixtures of solvents can also be used.
For treating mica flakes applied to a paper or fabric background, solutions containing 40-50% heat-treated pine tar have been found to be advantageous, these solutions permeating the fabric or paper, and
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, and the heat treated pine tar fills better than the interstices / more dilute solutions.
To prepare a sheet composed only of mica foils and heat treated pine tar adhesive, the following process has been found to be satisfactory. Slices of mica are dropped from above onto a movable grid, so that the lamellae are distributed evenly over the movable grid in a layer about ten thousandths of an inch (0.25 mm) thick, using a well-known common device. The mica strips are then sprayed with a solution of 35% heat-treated pine tar in ethyl alcohol. In this way approximately 15 parts by weight of heat-treated pine tar is applied to
85 parts by weight of mica strips.
This insulation is then placed in the oven and heated for a few minutes at a temperature of about 100 ° C., to evaporate the solvent consisting of ethyl alcohol. Two layers of dried mica insulation are superimposed and this stack is lined on each side with strips of untreated dry mica to prevent sticking.
The stack is then subjected to a compression of about 5 pounds per square inch (0.35 kg / cm) in a press heated to the temperature of 140 ° C. for ten minutes. This produced a sheet of mica insulation twenty thousandths of an inch (0.5 mm) thick. This sheet was found to be very flexible and very homogeneous by the adhesion due to the tar from heat-treated pine. Significant pressure must be applied with your fingers so that the mica strips of the sheet slide over each other.
Figure 1 of the drawing shows an enlarged vertical section of a sheet of mica insulation 10 prepared in this way and comprising the lamellae 1
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of mica 12 bound by pine tar 14 heat treated.
By subjecting this sheet to standard tests, we. found the following electrical properties:
Short dielectric stress: 290 kilovolts / cm.
736 volts / thousandth of an inch.
Insulation resistance: infinity of megohms
Arc resistance: 184 seconds.
Power factor in%:
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<tb> 25 C <SEP> 50 C <SEP> 100 C
<tb>
<tb> 1.000 <SEP> volts <SEP> 2.53 <SEP> 3.20 <SEP> 12.53
<tb>
<tb> 1.500 <SEP> "<SEP> 2.20 <SEP> 3.10 <SEP> 12.53
<tb>
<tb> 2.000 <SEP> "<SEP> 1.93 <SEP> 3.23 <SEP> 13.10
<tb>
To obtain a mica isola.nt having more stiffness than that achieved by means, treated pine tar
EMI6.2
T4ermically alone, without however being rigid, up to 10% pine tar can be added by weight, a hardener selected from the group consisting of shellac, alkyd resins and the residue of the pine wood bitumen subjected to 1-extraction with a solvent.
The latter residue is found commercially under the name "Vinsol". Examples of resins
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suitable alydes are glycol-phthalate, glycol-maleate and pentaerythritmaleate-phthalate. When about 5% of one of these hardeners is added, the mica insulation produced in this way is markedly more rigid while remaining very flexible. It is necessary to apply with the fingers an approximately double pressure to make slide the mica strips the one on the other, compared to the pressure necessary to make
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slide off the micas bound only by heat-treated pine tar.
. A twenty thousandths of an inch (0.5 mm) thick sheet composed of mica strips bonded by 15% by weight of a composition having 95% by weight of treated pine tar and 5% of "Vinsol" resin. test, gave the following results:
Short dielectric stress: 287 Kilovolts / cm2
730 volts / thousandth of an inch.
Insulation resistance: infinity of megohms.
Arc resistance: 210 seconds.
Power factor in%:
EMI7.1
<tb> 25 C <SEP> 50 C <SEP> 100 C
<tb>
<tb> 1. <SEP> 000 <SEP> volts <SEP> 2.30 <SEP> 2.60 <SEP> 8.07
<tb>
<tb> 1. <SEP> 500 <SEP> volts <SEP> 1.93 <SEP> 2.60 <SEP> 8.13
<tb>
<tb> 2.000 <SEP> volts <SEP> 1.83 <SEP> 2.60 <SEP> 8.33
<tb>
In the preparation of thin strips and thin ribbons with heat-treated pine tar bonded mica insulation, it is good to use a fibrous material background to ensure resistance to abrasion and peeling, particularly in the production of extremely thin materials of the order of four thousandths of an inch (0.1 mm) thick. Suitable fibrous reinforcing materials are cord paper, cement paper, cambric, fiberglass cloth, asbestos paper and asbestos cloth.
A flexible mica tape is prepared as follows:
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In the example of Figure 2 of the drawing, the insulation 20 comprises a paper of ropes 22 one thousandth of an inch (0.025 mm) thick covered with a layer 24 two thousandths of an inch (0 , 05 mm) of 26 mica strips, these being then sprayed with a 40% solution of heat-treated pine tar alone or with a small amount of hardener, as mentioned above. 28 denotes the binder present in the insulation after drying. After the solvent has evaporated a one-thousandth of an inch (0.025 mm) thick sheet of string paper similar to the bottom sheet 22 is applied to the mica slides.
By compressing to a pressure of about 5 pounds per square inch (0.35 kg / cm2) and applying a heat treatment, during compression, at a temperature of the order of 125 C for a few minutes, the obtains an extremely flexible material. The insulation sheet thus produced can be cut into strips of any suitable width. These strips were stored for one year without any appreciable change in flexibility.
Figure 3 shows another form of complex insulation 32 comprising a layer of mica lamellae 34 bonded by heat treated pine tar 36 and bottom and top layers of glass cloth 38 and 40.
As shown in Figure 4, an armature notch sleeve 50 can be made by combining an outer frame 52 of heavy paper (fish paper) and the mica flakes into a layer 54 of suitable thickness and by impregnating the leaves with heat-treated pine tar mica, preferably adding from 5% to 10% of one of the aforementioned hardeners. After drying the compound material at a temperature
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At about 100 ° C, the mica slats can be covered with a thin cloth of glass fibers 56 against friction.
The compound material can be compressed, in a heated press, to 10 pounds per square inch (0.7 kg / cm2) at a temperature of about 150 ° C for a few minutes.
The material, once compressed, can be cut and shaped into sleeves 50 for armature notches. The strong paper 52 constitutes a relatively rigid frame which makes it possible to easily slide the sleeves in the notches of armatures of motors and generators. The glass cloth 56 makes it possible to easily introduce the coils into the notches without damaging or sliding the mica strips. The flexible binder of heat-treated pine tar accommodates elongation and contraction of the dynamo conductors in service. Notch sleeves do not become rigid thanks to the permanent flexibility of heat treated pine tar.
The purpose of compressing the heat-treated pine tar-bonded mica insulation is to ensure good strength. The press is heated in order to reduce the viscosity of the pine tar binder so that it distributes evenly under moderate pressures on the order of a few pounds per square inch (fractions of one kg / cm2 ). Of course, higher pressures can be used, but they are not critical.
Many forms of insulation can be prepared including the mica flakes and the heat treated pine tar binder according to the invention. Mica lamellae insulation can be made with a variety of reinforcing and supporting materials using the heat treated pine tar binder.