Verfahren zur Herstellung von faserstoffhaltigen, zu elektrischen Isolationszwecken bestimmten Materialien. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Herstellung von fasers,toffhalti- gen, zu elektrischen Isolationszwecken. be stimmten Materialien, bei welchem faser- stoffhaltig.e Materialien, wie z. B. Papier, Gewebe, Garn, Schnur, Band, Naturseide, Kunstseide und dergleichen mit Styrol be handelt werden, um die Eigenschaften solcher Stoffe noch weiter zu verbessern.
Es sind verschiedene Verfahren zur Be handlung von faserstoffähalichen Isolier materialien bekannt. Nach einem dieser be kannten Verfahren wird ein rollenförmig aufgewickelter Papierstreifen zuerst mit monomerem Styrol, mit oder ohne Zusatz eines plastisch machenden Mittels, im prägniert, worauf das monomere Styrol in einem geschlossenen Kessel polymerisiert wird. Nach erfolgter Polymerisation wird das.
Papier, solange das polymerisierte Styrol noch plastisch ist, bei erhöhter Temperatur abgewickelt, worauf der Stoff in einem weiteren Vorgang von überschüssigem Poly styrol befreit wird, um die faserige Struktur ,der Oberfläche wieder herzustellen. Danach wird das Material, vorzugsweise nach erfolg ter Kalandrierung und weiterer Behandlung mit einem ;geeigneten Lösungsmittel, wieder in Form einer Rolle aufgewickelt, um bei seiner weiteren Verwendung wieder nach Bedarf abgewickelt zu werden.
Obwohl dieses Verfahren in vielen Fällen als zufriedenstellend angesehen, werden darf, machen es; jedoch die hohen Anforderungen,; die die modernen elektrischen Apparate an die Qualität der zur Verwendung kommenden Isolierstoffe stellen, notwendig, die Eigen- sehaftendieser Stoffe noch über die durch die bekannten Verfahren gegebenen Möglich keiten hinaus zu vervollkommnen.
Bei der Handhabung der durch die be kannten Verfahren hergestellten Isolierstoffe hat es sich gezeigt, dass der Stoff, nachdem er im Anschluss an die Polvmerisation und schichtweise Aufwicklung Vin Form einer Rolle bis, auf etwa Zimmertemperatur ab <B>5</B> gekühlt worden ist, nur dann in der Rollen form verwendbar ist ohne Gefahr, dass die aufeinanderliegenden Schichten des imprä gnierten Materials zusammenkleben,
wenn die Temperatur nicht über 60 Celsius gesteigert wird. Die Tatsache, dass das in Übereinstim mung mit den bisher bekannten Verfahren hergestellte Isoliermaterial bereits bei etwa 60 Celsius klebrig wird, ist in vielen Fällen ein erheblicher Nachteil, beispielsweise bei der Vorbearbeitung von für Kabelisolation vorgesehenen Isoliermitteln, da es in vielen Fällen erforderlich ist, den imprägnierten Faserstoff einem nachträglichen Troelznungs- prozess zu unterziehen.
Dies lässt sich jedoch in der Praxis kaum durchführen, wenn man die Zeit. berücksichtigt, die für den Trock- nungsprozess erforderlich ist, wenn die Tein- pera.tur nicht bis auf etwa 1.20 gesteigert wird. Würde anderseits die Temperatur bis zu dieser Höhe bei den bisher bekannten Isoliermaterialien gesteigert, so würden die aufeina-nderliegenden Schichten. des Materials zusammenkleben.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass eine Feuchtigkeitsaufnahme von seiten des imprägnierten Faserstoffes fast un vermeidlich ist, wenn man bedenkt, dass das Material in jedem Fall wenigstens für eine kurze Zeit der Luft ausgesetzt werden muss. Daraus folgt, dass eine Nachtrocknung fast immer erforderlich ist.
Ein weiterer Nachtseil der nach den bisher bekannten Verfahren leergestellten Isolier stoffe besteht darin, dass sich eine ungleich- förmige Schicht,des Polymers auf der Ober fläche des Faserstoffes bildet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das rollenförmig auf gewickelte Material bei erhöhter Temperatur aufgewickelt wird, -,vobei das Polystyrol eine zähe, dickflüssige Masse ist., die sich punkt- förmig auf der Fläche anhäuft, wenn die. einzelnen Schichten des Faserstoffes wieder voneinander getrennt werden.
L m diese Schwierigkeit bei den nach den bisher be- kannten Verfahren hergestellten Isolierstof fen zu vermeiden und um somit eine gleich förmige Schiebt zu erlangen, muss ein Über <I>en</I> von Polystyrol entfernt und,die Ober.. flache des Faserstoffes geglättet werden. Durch die entstandenen Schwierigkeiten ist das Anwenden solcher Isoliermittel zum Teil beschränkt..
Aus diesem Grunde sind in letzter Zeit Versuche gemacht worden, um die Art und die Menge des dem Styrol zu geführten plastisch machenden Mittels näher zu untersuchen, um zu einem Kompromiss zwischen den Vorteilen, die bei der Abwick lung des Materials gewonnen worden sind, und den Nachteilen, die durch das gegen seitige Anhaften der einzelnen aufeinander gewickelten Schichten entstehen, zu kommen. Obwohl durch diese Massnahme ein Vorteil erzielt worden ist, sind jedoch die wesent lichen Schwierigkeiten nicht Überwunden.
Versuche in dieser Richtung haben ge zeigt, dass die bisher entstandenen Schwie rigkeiten insllesondere auf die hohe Poly- inerisationstemperatsur von 120 zurückzufüh ren sind. bei der das Polymerisationsprodukt aus relativ kleinen Molekülen besteht.
Diese Polyurerisationstemperatur ist von ausser- ordentlicher Wichligkeit, wenn es sieh um finit mononierem Styrol behandelte Faser stoffe handelt, da sowohl die physikalischen als auch die elektrischen Eigenschaften des Endproduktes eines mit einem Polymer im- prägnierten Faserstoffes wesentlich durch die Pol yillerisationstemperatur verändert werden und,
da bessere Eigenschaften mit Hilfe einer niedrigeren Polymerisationstemperatur er- reielit werden können. Das vorliegende Verfahren. zur Herstel- hrng von faserstoffhaltigen, zu elektrischen Isolationszwecken bestimmten flächenförmi- gen Materialien, insbesondere in Platten- oder Streifenform, ist dadurch gekennzeich net,
dass ein faserstoffhaltiges flächenförmi- ges Material finit nionomerem Styrol oder einer monomeres Styrol enthaltenden Mi schung imprägniert wird, worauf das Styrol mindestens zum grössten Teil bei einer Tem- peratur unter<B>100'</B> Celsius polymerisiert wird, um eine feinkörnige Schicht aus Poly styrol auf der Oberfläche des Materials zu bilden, die die Eigenschaft hat, ohne klebrig zu werden,
bis auf eine Temperatur von 120 erhitzt werden zu können.
Beispielsweise wird das Verfahren .derart ausgeführt, dass Idas faserstoffhaltige Ma terial zuerst getrocknet und dann zwecks Im prägnierung in monomeres Styrol oder eine monomeres. Styrol enthaltende Mischung ein getaucht wird, worauf das styrolgetränkte Material in Form einer schichtweise auf gewickelten Rollte in einen drehbaren Be hälter gebracht wird,
in dem das Styrol unter idauemder Drehung des Behälters bei einer Temperatur unter 100 Celsius poly merisiert wird.
Abgesehen von den oben gekennzeichne ten Vorteilen besitzt das nach dem. erfin dungsgemässen Verfahren hergestellte Isolier material .den weiteren Vorteil, dass die Durch schlagsfestigkeit etwa zwei- bis dreimal höher ist als bei den mit polymerisiertem Styrol nach,den bisher bekannten Verfahren imprägnierten Papierstreifen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, wenn monomeres Styrol mit Odem nach-dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Fasermaterial zu sammengebracht wird,
eine aus dem mono meren und dem polymeren Material. be stehende Mischung von grösserer Viskosität. erzielt wird al@ durch das bei hoher Tempe ratur erzielte Poilymer. Dieses Merkmal ist von besonderer Bedeutung bei der Herstellung von Trennwänden in Starkstromkabeln oder bei der Isolation von Kabellängen. Ein wei terer Vorteil des. erfindungsgemässen Ver fahrens ist der, dass, die Schwierigkeit,
die auf Grund der Entwicklung von exothermi- scher Wärme während der Polymerisatiou entsteht, verkleinert wird, was insbesondere bei der Handhabung von grösseren Rollen von Isoliermaterial von Wichtigkeit ist.
Um eine gleichmässig feine Verteilung des Styrols. zu unterstützen, ist es zweck mässig, gegebene Längen de Faserstoffes zu trocknen und dann dns getrocknete Material vor der Behandlung mit Styrol zu einer Rolle aufzuwickeln, da sonst durch die nach dem Trocknen einsetzende Schrumpfung eine Ungleichmässigkeit hervorgerufen wenden könnte.
Wird das Material in dies-er Weise behandelt, so ist die Fläche des Faserstoffes nach der Behandlung mit dem Styrol nach der Polymerisation und erfolgter Trennung als eine feinkörnige Schicht vorhanden, idie feinem Glaspapier ähnelt, und die Stärke des Fasermaterials ist durch die feinkörnige Fläche des Polymerisationsmaterials von etwa 0,025 mm Stärke erhöht.
Wie bereits oben erwähnt, ist es in diesem Falle nicht erforderlich, die Oberfläche des Faser- materials zu glätten, jedoch wird vorzugs weise eine galandrierung vorgenommen, wo durch Ungleichmässigkeiten, die in der Ober fläche vorhanden sein mögen, abgeglättet werden. In vielen Fällen, beispielsweise wenn das Fasermaterial für Kabelverbindungen benutzt werden soll, ist die Art der fertigen Oberfläche von geringerer Bedeutung, so dass die ursprüngliche Fläche genügend und in vielen Fällen ,sogar zweckmässig ist.
Es ist leicht verständlich, dass, obschon ,die Behandlung des Fasermaterials in Rollen- form, besonders wenn es sich um Papier streifen handelt, aus Gründen der leichten Handhabung vorzuziehen ist, auch. in Form von Platten oder Bahnen behandelt werden kann.
Ferner können einzelne Lagen von Faserstoff, die wie beschrieben behandelt worden sind, aufeinandergeschichtet und, bei spielsweise zur Beseitigung von Feuchtigkeit, der so. gebildete Stapel bis etwa 120 Celsius, vorzugsweise im Vakuum, erwärmt werden, ohne dass die einzelnen Lagen aneinander- kleben.
Bei einer beispielsweisen Ausführung,des erfindungsgemässen Behandlungsverfahrens wird eine Papierrolle in gewöhnlicher Weise, ,das; heisst unter Vakuum, getrocknet, worauf sie in einen Kessel gebracht wird, in dem mit Monoamylnaphthalin plastisch gemachtes Styrol enthalten ist. Aus diesem Bad soll die Rolle vorsichtig und stramm auf einen Dorn aufgewickelt werden.
Während des Imp-rä- gnierens muss genauestens darauf geachtet werden, dass das Papier genügend lange Zeit in dem Styrol bleibt, um vollkommen im prägniert zu werden. Es muss auch dafür besorgt werden, dass keine oder nur wenig Luft in dem Papier übrig bleibt, und dass die Papierlaben möglichst dicht aneinander auf gewickelt werden.
Somit kann das Papier in einem Styrolbad abgewickelt und wieder aufgewickelt werden, wobei es zweckmässig ist, entweder ein Bad von ungefähr 1 m Länge zwischen der Stelle des Abwickelns und der Stelle des Aufwickelns anzuordnen, oder das Papier unter Vakuum wieder auf zuwickeln. Anderseits kann das Papier ausserhalb des Styrolbades abgewickelt und dann in dem Styrolbad wieder aufgewickelt werden.
Während des Aufwickelns soll zwischen die letzten Lagen mit Styrol imprägniertes Gewebe gelegt werden, worauf die Rolle in einen zylinderförmigen drehbaren Behälter #ele--t wird dessen Innendurehmesser rak- el <B>5</B> fisch bleich gross ist wie der Aussendurch messer der Rolle, so dass die Rolle satt an der Innen-,vandung des Zylinders anliegt.
Bevor die Rolle in den Behälter eingeführt wird, soll ein Überschuss von Styrol Gele genheit haben, abzulaufen. Glättungswalzen können, falls erwünscht, benutzt werden, um diesen Styrolüberschuss während des Wickelvorganges auszuscheiden, wenn dieser Vorgang in einem Vakuumgefäss durch geführt wird.
In dem sich drehenden Behäl ter soll jedoch ein kleiner Überschuss an Styrol vorhanden sein, damit die Polymeri- sa.tion in einer Atmosphäre von Styroldampf durchgeführt wird. Vor Beginn der Polyme t' soll der Behälter evakuiert werden, um l-iiekständige Luft zu entfernen, worauf der Behälter, wie bereits beschrieben, mit Styroldämpfen gefüllt wird.
Während der Poly merisation, die vor zugsweise zwischen<B>90'</B> und<B>100'</B> Celsius durchgeführt wird, soll der Behälter rotieren, um ein ungleiches Ablaufen des Styrols zu vermeiden, jedoch 'ist nur eine sehr langsame Drehung erforderlich.
Die Zeitkurve der Polymerisation des Styrols ist zunächst sehr steil, biegt jedoch dann scharf ab und verläuft fast parallel mit der Zeitabszisse, das heisst sie verläuft asymptotisch. Mit.
andern Worten, die Poly- merisation beginnt und wird schnell fort- gesetzt bis zu etwa 80 bis 85 % dieses worauf die Polymerisation sehr schnell abnimmt.
Es ist nicht immer zweck mässig, das Papier aus dem Behälter bereits dann zu entfernen, wenn 15 % des Imprägnie- rungsmittels noch nicht polymerisiert sind. Deshalb kann die Temperatur für kurze Zeit bis über 100 Celsius erhöht werden, um die Polymerisation fast 100%ig zu machen.
Diese Temperaturerhöhung hat keinen Ein fluss auf die Eigenschaften des Isolier materials, @da diese bereits in den vorher gehenden Stadien oder Polymerisation unter <B>100%</B> festgelegt worden sind, und dient lediglich dazu, die letzte Stufe der Polyme- risation, die sonst eine erhebliche Zeit erfor dert, zu beschleunigen.
Es ist jedoch nicht erwünscht, die Polymerisation vollständig durchzuführen, da ein gewisser Betrag des monomeren Styrols als plastisch machendes Mittel sieh als, sehr zweckmässig erwiesen hat. Nach erfolgter Polymerisation wird das Papier aus dein Behälter entfernt und in einem Ofen bei etwa 180 Celsius ab gewickelt, wobei die imprägnierten Gewebe streifen den Anfang der Abwicklung unter stützen.
Die Eigenschaften des nach dem erfin dungsgemässen Verfahren behandelten Isolier- niaterials sollen na.ehstehend näher betrachtet werden. Ein Papier von mittlerer Dichte und einer Stärke von etwa 0,13 mm ist bei Zimmertemperatur vollkommen biegsam und kann ohne Schwierigkeiten entweder zu einer Rolle oder sonstwie aufeinandergesehichtet werden.
Die Dehnung beträgt 2,5 % gegen über 2,7 bis 3 % bei einem nicht behandel ten Papier, während die Zugfestigkeit etwa <B>50%</B> höher als bei nicht behandeltem Pa pier .ist. Nicht nur unmittelbar nach, sondern auch im Verlauf der Zeit, während der das erfin dungsgemäss behandelte Isoliermaterial der Atmosphäre von 50/10 Feuchtigkeit aus gesetzt war, wurde idie Durchschlagsfestig keit gemessen. Nachdem das, Material 24 Stunden dieser feuchten Atmosphäre aus gesetzt war, wurde keine merkbare Verän derung dieser Werte beobachtet.
Die wäh rend dieser Zeit gefundenen Werte sind wie folgt: normale Stärke des Papiers 0,125 mm nach der Behandlung mit Styrol 0,185 mm (Mittelwert) mittlere Durchschlagsfestigkeit einer einzigen Lage 7,7 kV mittlere Durchschlagsfestigkeit, nachdem das Material. eine Woche lang der Luft aus gesetzt war 6,5 kV. Der Leistungsfaktor bei 50 Hz wurde an einem einzölligen' erfindungsgemäss behandel ten Papierstreifen festgestellt, dessen Fläche nicht kalandriert worden war, und der fort laufend der Luft ausgesetzt war.
Die hierbei erzielten Ergebnisse gehen aus der Tabelle 1 hervor:
EMI0005.0014
<I>Tabelle <SEP> 1:</I>
<tb> Zeit <SEP> in <SEP> Leistungsfaktor <SEP> bei <SEP> 50 <SEP> Hz <SEP> Relative
<tb> Stunden <SEP> (Zimmertemperatur) <SEP> Feuchtigkeit
<tb> in <SEP> <B>/</B>o
<tb> 0 <SEP> 0,0020 <SEP> 50
<tb> 1 <SEP> 0,0056 <SEP> 50
<tb> 2 <SEP> 0,0082 <SEP> 50
<tb> 3 <SEP> 0,0120 <SEP> 50
<tb> 4 <SEP> 0,0156 <SEP> 50
<tb> 5 <SEP> 0,0198 <SEP> 50. Nach Beendigung der in der Tabelle 1 gezeigten Versuche wurden die Streifen unter Vakuum bei einer Temperatur von 120' .ge setzt, um festzustellen, ab diese Streifen nachgetrocknet werden können.
Die hierbei erzielten Resultate sind in Tabelle 2 ver zeichnet:
EMI0005.0015
<I>Tabelle <SEP> 2:</I>
<tb> Vakuumtrocknen <SEP> bei <SEP> 120 <SEP> Celsius.
<tb> Zeit <SEP> Leistungsfaktor <SEP> bei <SEP> 50 <SEP> Hz
<tb> in <SEP> Stunden <SEP> (Zimmertemperatur)
<tb> 0 <SEP> 0,087
<tb> 1 <SEP> 0,00215
<tb> 2 <SEP> 0,00187
<tb> 3 <SEP> 0,00174
<tb> 18 <SEP> 0,00134. Diese Ergebnisse zeigen:, dass es in der Tat möglich ist, das erfindungsgemäss be handelte Papier nach einer Feuchtigkeits aufnahme wieder zu trocknen. Ähnliche Er gebnisse wurden auch nach der Kalandrie- rung des, Papiers erzielt.
Aus den Tabellen geht hervor, dass der Leistungsfaktor von 0,002 bei der ur sprünglichen Zimmertemperatur von gleicher Grössenordnung ist wie der Leistungsfaktor 0,00215, der sich nach einstündigem Trock- nungsprozess ergab, und dass der Leistungs faktor nach Tabelle 2 danach im Vergleich zu der ursprünglichen Zahl in der Tabelle 1 günstiger wird.
Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, @dass der ursprüngliche Wert in der Tabelle 1 nicht in der Zeit 0, nachdem das Material der Feuchtigkeit ausgesetzt worden war, gemessen wurde. Jedoch zeigen diese Werte, dass der Leistungsfaktor des wieder getrockneten mit Polystyrol imprä. - gnierten Faserstoffes, zum mindesten ebenso günstig liegt wie der Leistungsfaktor des Faserstoffes vor einer wesentlichen Feuch tigkeitsaufnahme.
Versuche sind mit handelsüblichen Glim- merkondensatoren gemacht worden, wobei der Glimmer durch mit Polystyrol imprägniertes Papier ersetzt worden ist, das bei 120 mit Hilfe von so, dicht wie möglich angezogenen Schrauben gepresst wurde. Ein Grund, die Papiere zu pressen, war der, die Kapazität der Vorrichtung um einen Faktor 1,84 zu er höhen.
Die ersten Versuchsobjekte waren mit Papier versehen und wurden etwa 1 Stunde lang der Luft ausgesetzt. Ein zweiter Satz von Versuchsobjekten wurde mit frischem Papier versehen, welches ebenfalls während 20 Stunden bei 120 in Vakuum getrocknet war.
Die Ergebnisse dieser Versuche zeigt die Tabelle 3:
EMI0006.0002
<I>Tabelle <SEP> 3:</I>
<tb> Frequenz <SEP> in <SEP> Hz <SEP> Leistungsfaktor
<tb> Serie <SEP> 1) <SEP> Serie <SEP> 2)
<tb> 0,05 <SEP> 0,0078 <SEP> 0,0029
<tb> 1 <SEP> 0,0088 <SEP> 0,0032
<tb> 100 <SEP> 0,0173 <SEP> 0,0097
<tb> 10 <SEP> 0,01<B>1</B>0 <SEP> 0,0049
<tb> 1000 <SEP> 0,0320 <SEP> 0,0204 Das in dem vorliegenden Behandlungs verfahren benutzte monomere Styrol wird vorzugsweise mit Hilfe eines plastisch nia.- chenden Mittels plastisch gemacht.
Ein be sonders zweckmässiges plastisch machendes Mittel ist das Monoa.mylnaphtalin in einer Menge von 107o, bezogen auf das Styrol, wobei der Amylrest sich entweder in Alpha- oder in Betastellimg befindet. Das erfin dungsgemäss behandelte Fasermaterial findet als Isolationsmaterial vielfach. Verwendung, beispielsweise zur Isolation von Kabeln, in Kondensatoren, als Kondensatorbuelisen usw.