Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isoliermaterials und nach diesem Verfahren erhaltenes elektrisches Isoliermaterial Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isoliermaterials aus einem biegsamen anor- ganisehen Fasermaterial sowie das gemäss die sem Verfahren erhaltene Isoliermaterial.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein bieg sames anorganisches Fasermaterial mit einer Lösung eines Acrylatpolymers tränkt und dass man hierauf das so imprägnierte Faser material mit einer teilweise kondensierten Mi schung aus einem epoxygruppenhaltigen Äthoxylinharz und einem sauren ungesättig ten polymerisierbaren Polyester behandelt.
Das so erhaltene Isoliermaterial ist gekenn zeichnet durch ein biegsames anorganisches Faseiniaterial, das als Imprägnierungsmittel ein AerTlatpolymer enthält, und durch einen mindestens an der Oberfläche des genannten Fasermaterials vorhandenen Überzug, der ans einer teilweise kondensierten Mischung eines Äthoxylinharzes und eines sauren, un gesättigten polymerisierbaren Polyesters be steht.
Dieses 3Iaterial eignet sieh insbesondere für die Isolation von Spulendrähten, wozu Drähte für Statoren und Rotoren von dynamo elektrischen Maschinen gehören. Spulendrähte umfassen Leiter der verschiedensten Quer- sehnittsformen, also nicht nur runde und qua- dratisehe Leiterquerschnitte, sondern auch Leiter von flach rechteckigem Querschnitt aller möglichen Breiten und Dicken. Bei spielsweise können solche Leiter eine Breite von 12,7 mm und eine Dicke von 1,6 mm auf weisen.
Die Isolation von Spulendrähten muss hervorragend gute mechanische und Isolations eigenschaften besitzen, wobei es erwünscht ist, dass die elektrische Isolation möglichst gerin gen Raum in einer Spulenwicklung bean sprucht.
Isolierte elektrische Leiter, wie Spulen drähte, werden in grossem Umfang gebraucht, aber die bisher bekannten weisen Nachteile in physikalischer und elektrischer Hinsicht auf, besonders bei grösseren Rechteekabmessun- gen. Hierfür wurde bisher Asbest verwendet, sowohl als flockige Fasern in Form von Strängen wie auch als Gespinst und als Garn. In jeder dieser Formen wurde der Asbest auf den Draht aufgewickelt und diese Umhüllung dann mit einem Isoliermittel getränkt. Die aus Asbeststrängen bestehende Umwicklung führt zu erheblichen Wandstärken an den flachen Teilen von winkligen Leitern, dabei aber an Ecken und Kanten nur relativ dünne Isolier schichten ergebend.
Die Umhüllung mit Asbest gespinsten ist oft. uneben, knotig und von zu grosser Wandstärke für gewisse Anwen dungen, bei denen die Isolation möglichst ge ringen Raum beanspruchen sollte. Derart iso- lierter Draht hält die Beanspruchungen beim Biegen und Verdrehen, wie sie bei manchen Konstruktionen auftreten, nicht ohne Schädi gung aus.
Da kein bisher bekanntes Isoliermaterial alle in physikalischer und chemischer Hin sicht erforderlichen Eigenschaften in dem er wünschten Ausmass besitzt, bezweckt die z or- liegende Erfindung, ein Isoliermaterial zu ver schaffen, das diesen Anforderungen besser ge nügt.
Die Isolierung des Leiters wird zweck mässig so durchgeführt, indem der Leiter mit dem erfindungsgemäss erhaltenen Isolier material in Bandform umwickelt wird, worauf die teilweise kondensierte -Kthoxylinha.rz- inischung im Laufe der Zeit zu einem zähen, festen und anhaftenden Überzug durch wei tere Polymerisation aushärtet, in welchem Überzug die einzelnen Bestandteile so voll ständig ineinander aufgehen können, dass die Wirkung eines einheitlichen Überzuges erzielt wird, der die Kombination der gewünschten Eigenschaften bezüglich Hitzebeständigkeit, Festigkeit gegen Abnützung, Biegsamkeit und geringen Raumbedarf aufweist.
Das für das Isoliermaterial verwendete biegsame Fasermaterial besteht entweder voll ständig oder grösstenteils aus anorganischen hitzebeständigen Fasern, wie beispielsweise Asbest, Glasgespinst, Quarzgespinst oder der gleichen. Blattartiges Material, aus kolloidalem Ton und Asbest bestehend, wie beispielsweise im _USA-Patent Nr.2493604 beschrieben, kann auch verwendet werden, ebenso eine Kom bination derartiger Materialien. Vorzuzie hen ist blattförmiges Asbestmaterial genügend geringer Dicke und hoher Güte. Gewöhnlich ist es vorteilhaft, derartige anorganische Ge webe mit einer geringen Menge von Stärke in wässriger Lösung zu tränken und zu trocknen, bevor die Behandlung mit Aerylatpolymeren durchgeführt wird.
Eine kleine Menge von Stärke, etwa eineinhalb bis zweieinhalb Pro zent an fester Stärke in der anorganischen TJnterlage, verringert die Hitzebeständigkeit nicht. merklich. Die Stärke verbessert aber die physikalischen Eigenschaften des anorgani schen blattförmigen Materials, insbesondere für die nachfolgenden Tränkungsmassnahmen.
Das zweckmässig mit Stärke versteifte anorganische, vorteilhaft band- oder blatt- förmige Fasermaterial wird zuerst mit einer Lösung eines Acryl lpolymers getränkt und im prägniert, das dem anorganischen Faser material Festigkeit und Biegsamkeit verleiht, sowie seine Isolationsfähigkeit und dielektri- sehen Eigenschaften verbessert. Das Trän kungsmittel (Acrylatpolymerlösung) darf nicht bereits bei einer Temperatur hart und spröde werden,
bei welcher sieh die Bewiek- lung bzw. der Draht verfestigt, da die Draht isolation im Endzustand ein \Umdrehen und beliebiges Biegen. zulassen muss. Acr;vlatpoly- mere sind thermoplastisch, und deshalb sind deren Lösungen, insbesondere solche von Co- polymeren von Derivaten der Aerylsäure, ge eignete Tränkungsmittel mit den erwünschten Eigenschaften.
Beispielsweise wird ein Co- polymer aus ',#Iethylaerylat und Äthylacrylat verwendet, mit einem Gehalt von 50 bis 90 ,#l# @ Ä thylacrylat und 50 bis 10% Methylacrclat,
jedoch vorzugsweise mit einer Zusammenset zung innerhalb der Grenzen von 70 bis 90 ö Äthy1acrylat und 30 bis 7.0 /p Methylacrylat, die copolymerisiert sind. Ein geeignetes Ma terial für diesen Zweck ist ein von der Resi- nous Products Company unter der Marken bezeichnung Acryloid C-5 auf den Markt gebrachtes Harz.
Das Acrylatpolymer wird als Lösung in einem zweckmässig leicht. verdampf- baren Lösungsmittel, beispielsweise Toluol, verwendet, wobei ein Feststoffgehalt von 20p/, zweckmässig ist. Das getränkte Fasermaterial wird durch Erhitzen vom Lösungsmittel be freit. Normalerweise sollte die Unterlage, nach Beseitigung des Lösungsmittels, einen ('rehalt von 20 bis 23p/, an festen Harzen auf weisen.
Nach der Imprägnierung ist das blatt- förmige Material aus Asbest. oder andern an organischen Stoffen zwar in bezug auf Festig keit, Biegsamkeit und dielektrischen Eigen schaften verbessert, aber nicht so zäh und versehleissfest,- wie gewünscht. Zur I,rIan- gung dieser Eigenschaften wird es dann mit einer teilweise kondensierten Mischung beban- delt, uni einen Überzug darauf auszubilden.
Diese Mischung wurde bereitet. aus einem rltlioxylinharz und einem sauren, ungesättig ten, polynierisierbaren Polyester, worauf eine teilweise Kondensation erfolgt. Dieses Gemisch ist, warmliärtbar und hitzebeständig.
Ein sol- ehes -.Material, das in dem USA - Patent Nr. \_'691007 beschrieben ist, stellt ein teil weise kondensiertes Produkt dar, erhalten ans (lein Zusammenwirken einer Mischung von Bestandteilen, erstens umfassend einen sauren polymerisierbaren Polyester, der also eine freie Carboxyl-Gruppe enthält und z.
B. durch 1Tuisetzung eines zweiwertigen Alkohols, bei- spielsweise X.thylenglycol, mit einer a,ss-unge- sätt.igten Dicarbonsäure oder deren Anhy drill (z.
B. Maleinsäureanhydrid) erhalten wurde, und zweitens umfassend ein komplexes Epoxyd-Harz, das ein Polyäther-Derivat einer polyfunktionellen organischen Verbindung uuifasst, beispielsweise eines mehrwertigen Alkohols oder Phenols, und das Epoxy-Grup- pen enthält. Dieses zwischenkondensierte Ge misch, dessen Bestandteile nur teilweise mit einander reagiert haben, ist in einem löslichen und schmelzbaren Zustand. Weitere Konden sation mittels Wärmebehandlung überführt das beschriebene Harzgemisch in ein unlös liches, unschmelzbares, durch Wärme ausge härtetes Material.
Im folgenden wird dieses teilweise kondensierte Gemisch der Kürze hal ber als A-pIarz bezeichnet.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungs form des erfindungsgemässen Verfahrens kann ein weiterer Harzüberzug über den ersten, ans A-Harz gebildeten Überzug auf das Iso liermaterial aufgebracht werden. Dieser zweite Harzüberzug unterscheidet sich physi kalisch vom zuerst aufgebrachten Überzug dadurch, da.ss er bis zum festen Aggregatzu stand kondensiert ist und daher fein pulveri siert werden kann.
Wie weiter ausgeführt., kann er als Staub oder Pulver auf das enten liegende, in gelöster Form benützte A-11arz aufgebracht werden, Dieses zweite äusserlich aufgebrachte pul verförmige Harz kann im allgemeinen ein teil weise kondensiertes festes Produkt sein, das erhalten wird durch Kondensation einer Mi schung von Bestandteilen, erstens umfassend einen sauren Polyester von niedrigem Mole kulargewicht, der also freie Carboxyl-Gruppen enthält und das Reaktionsprodukt eines mehr wertigen Alkohols, beispielsweise Glyzerin mit einer niehtpolymerisierbaren Dicarbonsäure oder deren Anhy drill,
beispielsweise mit Phthalsäure oder Phthalsäureanhydrid ist, und zweitens umfassend ein komplexes Epoxyd- Harz, das ein Polyäther-Derivat einer poly funktionellen organischen Verbindung um fasst, beispielsweise eines mehrwertigen Alko hols oder Phenols, und das Epoxy-Gruppen enthält. Diese ebenen beschriebenen zwischen kondensierten Produkte (die der Kürze halber weiterhin als B-Harz bezeichnet werden) sind in der USA-Patentschrift Nr.2683131. genauer dargelegt.
Ohne einen besonderen Schutz neigen auf einanderfolgende und anliegende Lagen eines mit A-Harz in teilweise ausgehärtetem Zu stand überzogenen Bandes bei Rollen (aufge rolltem Vorrat an Band) in einem gewissen Masse zum Aneinanderkleben, was auch zu einigen Schwierigkeiten durch das Ankleben beim Aufbringen auf die Leiter durch Wickel maschinen führt.
Das B-Harz ist im teilweise kondensier ten Zustand hart und spröde und so geartet, dass es fein pulverisiert vorliegt. Als Pulver kann das B-Harz auf den vorher erzeugten A-Harz-Überzug aufgebracht werden, wo es festklebt. Das B-Harz vereinigt sich mit dem daruntergelegenen A-Harz, wenn das auf einen Leiter gewickelte Band der Wärmebehand lung unter Druck unterzogen wird. Das B-Harz hat einen Erweichungspunkt in der Gegend von 130 C und weist im erweichten oder geschmolzenen Zustand gute Klebefähig keit auf.
Der äussere Überzug aus B-Harz verhindert somit. nicht nur das unerwünschte Festkleben des Bandes auf den Vorratsrollen, sondern verbessert auch die Eigenschaften der kombinierten Isolation nach erfolgter A<B>u</B>f- wieklung auf einen Leiter und dortiger Ver festigung durch Anwendung von Wärme und Druck.
Das erfindungsgemässe Verfahren sei an Hand folgenden Beispiels näher erläutert EinalsGrundlagedienendes Asbestblattwird zuerst mit einer 2%igen Stärkelösung imprä gniert und nach Trocknen mit einer Lösung eines Copolymers getränkt, das durch Copoly- merisation eines Gemisches aus 80% Äthyl- acrylat und 20% Methylacrylat erhalten wurde.
Hierauf wird das so imprägnierte Asbestmaterial mit einem teilweise konden sierten Produkt aus einem Äthoxylinharz und einem sauren polymerisierbaren Polyester imprägniert und beschichtet. Das hierfür ver wendete Äthoxylinharz ist ein im Handel er hältliches Harz, das von der Shell Company unter der Markenbezeichnung Egon 1064 auf den Markt gebracht wird. Dieses Epoxyd- harz besitzt. ein Epoxydäquivalent von 300 bis 375, ein ungefähres Veresterungsäquivalent von 105 und einen Schmelzpunkt von 40 bis 45 C.
Der verwendete Polyester wurde durch Umsetzling von 1 Mol Maleinsäureanhy drid mit 1 Mol Äthylenglykol erhalten. Der daraus gewonnene Polyester besass eine Säurezahl von 95.
Das teilweise kondensierte Produkt ent stand durch Erhitzen von 20 Teilen dieses Polyesters mit 30 Teilen des Epoxydharzes unter Zusatz von 0,01 Teilen Chinon als Polymerisationsinhibitor. Das so erhaltene Gemisch ist nur teilweise kondensiert und wird in gelöstem oder geschmolzenem Zustand auf das Asbestfaserblatt einwirken gelassen.
Das so erzeugte Isoliermaterial in Blatt- oder Bandform kann auf den zu isolierenden Leiter nach Überziehen des letzteren mit einer geeigneten warmhärtbaren Masse aufgebraucht werden.
Nach dem Aufwickeln des Isoliermaterials auf den Leiter wird auf die Aussenfläche des ersteren ein weiterer Überzug in Form eines pulverförmigen Harzes aufgetragen, das ebenfalls ein Reaktionsprodukt zwischen einem oben beschriebenen Epoxydharz und einem sauren Polyester ist. In diesem Falle jedoch wurde der verwendete Polyester hergestellt durch Umsetzen von 10 Mol Phthalsäureanhy- drid mit 3,6 Mol Glyzerin. Auf diese Weise ; erhält man einen Ester mit einer Säurezahl von etwa 354.
Das pulverförmige, als äusserer Überzug dienende Harzgemisch wird erhalten durch Umsetzung von 32% des wie oben her gestellten Glyzerylphthalats mit 68 O des: Epoxydharzes.
Die Verwendung des erfindungsgemässen Isoliermaterials für die Isolierung von elek trischen Leitern ist nachstehend an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben, von denen Fig. 1. einen Teil eines elektrischen Leiters in perspektivischer und vergrösserter Wieder gabe darstellt, der mit einem erfindungsgemäss hergestellten Isoliermaterial versehen ist und Fig. 2 einen Teil einer aus derart isoliertem Draht geformten Spule in einer beispielsweisen Ausführungsform darstellt.
Die Pig. 1 zeigt, stark vergrössert, ein Stück eines rechteckigen Spulendrahtes 1. Vor dem Aufbringen des erfindungsgemäss herge stellten, als Isolierung dienenden Faserbandes 2 wird der Leiter 1 mit einem geeigneten hitze beständigen Klebmittel 6 überzogen, z. B. mit einem Klebmittel auf Phenolharzbasis, Vinyl- harzbasis, Polyesterharzbasis oder Epoxyd- harzbasis entsprechend dem oben beschrie benen A-Harz.
Als besonders geeignet hat sich ein Klebmittel erwiesen, das aus einer Lösung verschiedener Harze besteht., darunter Styrol, Polyv inylaeetat und ein Dipropy len- glycol.-maleat-adipat-polyester, die ferner noch einen Peroxy dkatalysator enthält. Das erfin dungsgemäss hergestellte Faserband 2 wird dann in der in Fig.1 erläuterten Weise als überlapptes Band auf den Leiter aufgewickelt.
Die Fig.1 zeigt einen Teil der Gewebe Unterlage 3 aus getränkten anorganischen Fa sern von dem der Überzug 4 aus warmhärt- barem A-Harz entfernt ist. Der äussere Über zug 5 aus pulverisiertem B-Harz ist durch eine Punktierung angedeutet, ebenso das Kleb mittel 6 auf der Oberfläche des Leiters 1. In gewissen Fällen kann eine Mehrzahl überein anderliegender Lagen des beschriebenen Ban des um den Leiter gewickelt werden.
Der umwickelte Leiter, der jeden ge wünschten Querschnitt runder oder eckiger Form @iiifweiscnkann, wird dann einer Wärme- behandlung unter Druck unterzogen. Dabei schmilzt das A-Harz, verklebt dadurch be- naehbarte Lagen von Bandwindungen und härtet bei Weitererhitzen unter Polyrneri- sation bis zum niehtsehmelzbaren, unlösliehen Zustand, wodurch benachbarte Bandlagen fest miteinander verbunden werden.
Normaler weise wird eine Temperatur von etwa. 200 bis 250 C und ein Druck von ungefähr 0,07 bis 0,21 kg(em2 ausreichen, wobei jeweils Erwä rnrung und Druck abhängen von den Abmessungen des isolierten Leiters. Gleich zeitig verbinden sich die A- und B-Ha.r7schieh- ten fest miteinander.
Als Ergebnis der Wärme behandlung, die in manchen Fällen ein- oder mehrfach wiederholt wird, sind die Bewick- lungen derart verfestigt, dass sie im wesent- liehen nicht mehr als einzelne Wicklungen er scheinen.
Der sieh ergebende Überzug hat gute dielektrisclie Eigenschaften, hohe Verschleiss festig ;keit und Hitzebeständigkeit und kann unbeschränkte Zeit. bei etwa 150 C betrieben werden. Er ist. vorwiegend einheitlich in sei ner Dieke und ohne Neigung zur Bildung zri dieker oder zu dünner Stellen.
Die ge ringe Dicke und Einheitlichkeit hat. bei einer Windung oder Spule gemäss Fig. 2 zur Folge, dass dieselbe geringere Gesamtabmessungen aufweist und mehr Windungen pro Raumein heit ernröglieht. Bei der Entwicklung elektri- seher Apparate kann auf diese Weise mehr Kupfer, also eine grössere Anzahl Leiter pro Einheit des Spulenquerschnittes untergebracht werden, was eine Erhöhung des Wirkungs rades ergibt.
Fig.2 zeigt die Biegung s- und Verdre hungsbeanspruchung, welcher der Wirkungs draht bei der Spulenherstellung ausgesetzt ist. Es ist üblieh, wie in Fig.2 dargestellt, in den meisten Fällen die einzelnen Drähte mit starker Krümmung zu einer Kröpfung 7 zu formen, an Stelle dieselben in flacher Weise zu verlegen: Die scharfen Biegungen bewir ken bedeutende Beanspruchungen der Isola tion, ergeben jedoch bei einer Isolation ge- mäss der vorliegenden Erfindung keine De schä.digung.
Mit dem erfindungsgemässen Isolations material kann also eine Isolation auf einem elektrischen Leiter hergestellt werden, die ein heitlieh ist, fest haftet und wid rstandsfähig ist -egen Abscheuern, Verrutschen oder an dere Beschädigungen beim Biegen, Verdrillen, Kröpfen oder Bewegen. Diese Isolation besitzt einen besonders hohen Grad von Hitzebestän digkeit, weitgehende Feuchtigkeitsfestigkeit und gute dielektrische Werte. Diese Vorteile werden mit verringerter Isolationsdicke er zielt, wodurch derart verbesserte, Drähte ge ringeren Wicklungsraum beanspruchen, was seinerseits zu einem besseren Wirkungsgrad der mit solchem Draht ausgerüsteten elektri schen Apparaturen führt.