Verfahren zum Isolieren eines elektrischen Leiters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isolieren eines elektrischen Leiters mit einer gegen Wärme- und Nuklearstrahlung beständigen Isolation. Ein solches Verfahren ist besonders nützlich für die Isolation der Wicklung von Fokussierungs- und Ablenkmagneten in Kathodenstrahlröhren oder in Elementarbeschleunigern.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Isolieren eines elektrischen Leiters mit einer wärme- und strahlungsbeständigen Isolation ist dadurch gekennzeichnet, dass man den Leiter mit einem elektrisch nichtleitenden anorganischen Stützgewebe und mit einem Imprägnier-Gemisch aus einem wärmehärtbaren Kunstharz-Bindemittel und einem in einem Bindemittel dispergierten anorganischen strahlungsbeständigen Füllstoff umgibt und anschliessend erwärmt, um das Kunstharz zu härten.
Ein derart isolierter Leiter behält seine elektrische und mechanische Festigkeit gegenüber einer mehrere hundertmal grösseren Strahlungsdosis, verglichen mit Leitern,.
die auf bekannte Weise isoliert wurden. Dies hängt wahrscheinlich zusammen mit dem verhältnismässig hohen Anteil der Imprägnierung an anorganischem Füllmaterial, sowie dem Fehlen von Gaseinschlüssen und flüchtigen Stoffen im erfindungsgemässen Isolierstoff, bedingt durch dessen Herstellungsverfahren.
Es gibt verschiedene bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens. So kann ein Spuldraht mit dem trockenen Stützgewebe umhüllt und dann imprägniert werden mit dem Imprägniergemisch in geschlossenen Formen oder Halterungen. Nach einer zweiten Ausführungsform wird das Imprägniergemisch der Leiteroberfläche und dem Glasfasergewebe einverleibt, während die Leitungsdrähte umhüllt werden und anschliessend wird das Ganze in geeignete Formen gesetzt und ausgehärtet. Die Formen haben bewegliche Seitenwände, womit ein allseits gleichförmiger Druck auf die Spule ausgeübt werden kann. Die Formen und Spulen werden vorgeheizt auf die lmprägnierungstemperatur für das Harz.
Der dabei anzuwendende Unterdruck beträgt im allgemeinen weniger als 1 Torr. Die besten Ergebnisse, z. B. mit Epoxyharzen, erreicht man bei einem Vakuum von 0,4 bis 0,6 Torr. Das Harzsystem wird vorgeheizt, um die Viskosität zu vermindern, und es wird gründlich entgast unter Vakuum vor der Imprägnierung. Nach einer dritten Ausführungsform, genannt B-Stufenprozess, werden Bänder aus Stützgewebe erst mit z. B. 25 bis 35 Prozent Imprägniergemisch beladen und bis zur Weiterverarbeitung kühl gelagert. Beim Gebrauch werden sie dann um den Leiter gewickelt und anschliessend gehärtet.
Die Herstellung des für die letztgenannte Ausführungsart verwendeten Isoliermaterials weist zweckmässig folgende Schritte auf: Das Erwärmen eines Kunstharzes bis zur Erreichung einer niedrigen Viskosität, das anschliessende Beimischen von anorganischem strahlungsbeständigem Füllstoff, bis dessen gleichmässige Suspension erreicht ist, Reinigung der Oberfläche eines anorganischen Stützgewebes durch Erhitzen und/oder chemische Behandlung und Imprägnieren des Stützgewebes mit der Mischung aus Kunstharz und Füllstoff. Dabei wird der Kunststoff z. B. auf etwa 60 bis 80 "C erwärmt, um seine Viskosität zu vermindern. Dann wird das organische Bindemittel, beladen mit dem anorganischen Füllstoff, zugemischt, bis eine gleichmässige Mischung erreicht ist.
Ein befriedigendes Imprägniergemisch wird erhalten durch Zugabe von etwa 100 bis 120 Gewichtsteilen anorganischem Material zu 100 Gewichtsteilen organischem Füllstoff. Dieser Mischungsbereich ergibt ein Optimum an Strahlungsbeständigkeit des fertigen Isolierstoffes, wobei je nach dem technischen Herstellungsgang und der zulässigen Viskosität jedoch abweichende Beigaben des Füllstoffes zweckmässig sein können, z. B. zwischen 80 und 150 Gewichtsteilen.
Aus solchen Mischungsverhältnissen von Füll- und Bindematerial zur Imprägnierung der Oberfläche des Glasfasergewebes ergibt sich eine vorteilhafte gleichmässige Beladung des Gewebes mit Imprägniermaterial, wenn ein hinreichend feinkörniger Füllstoff verwendet wird. Katalysatoren zum Vernetzen des organischen Bindemittels, beispielsweise organische Peroxyde oder alkalische Zusätze, wie Amine für Epoxyharze, werden den Mischungen beigegeben. Die Katalysatoren können auch verwendet werden zur vorübergehenden Verminderung der Viskosität des Kunststoffes. Auch kann ein thixotropes Material verwendet werden, um die Suspension des Füllstoffes in der Mischung während der Herstellung zu stabilisieren. Anorganische Füllstoffe vermindern an sich den mechanischen Zusammenhalt der Mischung.
Dem kann entgegengewirkt werden durch den Zusatz von Netzmitteln, wodurch die mechanische Festigkeit des Isoliermaterials besser wird als ohne Füllstoffe. Wenn insbesondere die Wicklungsdrähte eines Magneten isoliert werden sollen, empfiehlt es sich, das Glasfasergewebe chemisch zu behandeln und zu erhitzen, bevor es um den Draht gewickelt wird, und dann erst die Mischung aus Bindemittel und Füllstoff einzuverleiben. Zweckmässig erfolgt die Einverleibung unter Vakuum. Durch anschliessende Belastung mit dem atmosphärischen Druck wird die Mischung gleichmässig in das Stützgewebe verteilt ohne dass unimprägnierte Gewebeteile oder Gaseinschlüsse oder flüchtige Stoffe in der aufgebrachten Imprägnierung zurückbleiben. Dadurch wird die Strahlungsbeständigkeit vergrössert.
Das Einverleiben der Imprägnierung in das Stützgewebe und auf die Leiteroberfläche kann geschehen durch Aufsprühen oder Bürsten. Dabei wird der Leitungsdraht zweckmässig nacheinander erwärmt und einem Vakuum ausgesetzt, um eine gleichmässige und vollständige Verteilung der Imprägnierung auf das Stützgewebe und die Drahtoberfläche zu erhalten.
Der anorganische Füllstoff wird im allgemeinen in körniger Form verwendet, beispielsweise als Pulver. Das Stützgewebe kann aus anorganischen isolierenden Fasern bestehen, wie Fiberglas , welches verhältnismässig unempfindlich ist gegen Beta- und Gammastrahlen, denen der Isolierstoff in Linearbeschleunigern hauptsächlich ausgesetzt ist. Das angewendete Glasgewebe kann unterschiedliche Dichte haben, je nach dem gewünschten Typ des Isolierstoffes und der benötigten Verstärkung.
Ein für diese Anwendung geeignetes Fiberglas -Gewebe ist Tonerde-Borsilikat, verhältnismässig frei von Soda, bekannt unter der Bezeichnung E-Glas . Wenn ein Glas von hoher Bruchlast gewünscht wird, kann der als S-Glas bekannte Typ benutzt werden. Das Glasgewebe ist vollkommen elastisch und verhält sich bis zum Bruch entsprechend dem Hookschen Gesetz. Der Faserbruch tritt ein bei einer Dehnung von etwa 3,5 ovo höchstens.
Diese Eigenschaften, wie auch das mechanische, thermische und elektrische Verhalten von Glasfasern machen ein solches Glasfasergewebe sehr geeignet als Stützgewebe für die vorliegende Erfindung. Wie bereits erwähnt, können je nach dem gewünschten Isolationstyp Glasfasergewebe von unterschiedlicher Dichte verwendet werden.
Gewebe mit Leinenbindung, worin der Faden abwechselnd nach oben und unten verläuft, und Lenonbindung, worin die beiden Kettfäden je um einen Schussfaden verdrillt sind, werden bevorzugt angewendet gegenüber kettenstarken oder verschiedenen anderen Gewebtypen. Jedoch kann auch richtungsorientiertes Gewebematerial benutzt werden in Schichtungen von unterschiedlichem gegenseitigem Orientierungswinkel, um bestimmte Verhältnisse von Zugfestigkeit in bestimmten Richtungen zu erhalten.
Das grosse Verhältnis von Oberfläche vom Volumen des Stützgewebes bietet Chemikalien eine grosse Angriffsfläche, und die Glasfasern sind sehr hygroskopisch. Im allgemeinen werden die Glasfasern auf der Oberfläche mit Stärkeöl geschlichtet, was die Haftfähigkeit des organischen Bindemittels vermindern würde. Daher wird das Fasermaterial mit Vorteil in einem Durchlaufofen, z. B. auf etwa 570 "C erwärmt oder chargenweise, in eingerolltem Zustand, in ähnlicher Weise in Luft erhitzt. Im letzteren Falle ist eine Erwärmung auf etwa 360 "C während 24 bis 48 Stunden ausreichend und verhindert eine übermässige, zusätzliche Aufheizung durch das Abbrennen der bei der Glasfaserherstellung aufgebrachten Stärke-Ölschichte.
Durch diese Warmreinigung vermindert sich im allgemeinen die Zugfestigkeit der Glasfasern um 40 bis 50 %.
Um die ursprüngliche Festigkeit wieder herzustellen und die Affinität zum Bindemittel zu vergrössern, werden die Glasfasern an der Oberfläche chemisch vergütet und/oder in Chromatlösungen getaucht. Die Oberflächenvergütung wird durch Tauchen oder anderes Auftragen des Vergütungsmittels erreicht, wonach eine Trocknung bei solcher Temperatur erfolgt, dass Wasser oder Lösungsmittel verdampfen. Die besten Vergütungsmittel sind Silane und ferner Kunstharze, bekannt unter den Handelsnamen Volan und Garan . Diese chemische Vergütung nach der Wärmereinigung bringt die Zugfestigkeit der Glasfasern auf etwa 75 bis 80 /o des ursprünglichen Wertes.
Chrom- und Silanverbindungen binden die Hydroxylgruppen des Glases, wodurch eine feste Bindung erhalten wird, nachdem das Restwasser abgedampft ist. Während des nachfolgenden Auftragens von organischem Kunstharz als Bindemittel werden diese aktiven Zusätze an der Oberfläche mit den organischen Gruppen des Harzes vernetzt.
Volan A ist ein komplexes Chromchlorid (Methacrylatchromchlorid), das zu etwa 0,13 Gewichtsprozent an der Oberfläche der durch Erhitzen gereinigten Glasfasern absorbiert wird.
Glimmerpapier kann in Verbindung mit dem Glasfasergewebe angewendet werden, um das Stützmaterial des Isolierstoffes zu bilden. Kleine Glimmersplitter, 0,1 bis 4 mm lang und 4 Mikron dick, werden z. B. zu einen Vlies verarbeitet, oder gemahlener Glimmer wird an Glasfasergewebe gebunden mit einem organischen Harz. aus welchem Bauelement dann ein geschichtetes Stützgewebe zusammengesetzt werden kann. Glimmerpapier und Glimmervlies haben ausgezeichnete elektrische Festigkeitswerte und ihre Imprägnierung mit organischem Harz gelingt verhältnismässig leicht.
Die verschiedenen Glimmermaterialien werden im allgemeinen an das Fi berglas Gewebe mit sehr wenig Bindemittel angebracht, beispielsweise in der Grössenordnung von 3 010. Glimmer Glas-Bänder können auch hergestellt werden mit B-gestuften Harzen, beispielsweise polymerisiertem Harz mit 25 bis 30 Gewichtsprozent Bindemittel. Wenn diese Bänder trocken sind, bilden die Überlappungsbereiche zwischen den Glimmerstückchen Hohlräume, die das Imprägnieren mit organischem Bindemittel erleichtern. In den trockenen Bändern ergeben die Hohlräume zwischen den Glimmerplättchen 25 Volumenprozent, welche mit dem organischen Harz als Bindemittel ausgefüllt werden.
Das Bindemittel wird im allgemeinen erhitzt und entsprechend der Abnahme seiner Viskosität, dann gleichmässig über das Band fliessen gelassen, wobei es die Hohlkörper ausfüllt und so einen kompakten Isolierkörper um den Leiter bilden kann.
Verschiedene vernetzbare Kunstharze können als Bindemittel verwendet werden, beispielsweise Epoxyharze, Polyesterharze und Silikonharze, sowie sämtliche Duroplaste.
Zu den vorerwähnten Epoxy- und Polyesterharzen gehören die zahlreichen Kopolymere und Mischungen mit Laminierharzen. Solche Mischungen haben ausgezeichnete physikalische Eigenschaften und werden in grossem Umfang in verschiedenen Formen für Magnetspulenkörper und als lmprägnierungsmittel verwendet.
Epoxyharze sind Reaktionsprodukte aus Epichlorhydrin mit einem Diphenol, wie Bisphenol-A. Es sind lineare vernetzbare Polymere, wozu Netzmittel gehören wie Diamine oder Säureanhydride. Die Epoxygruppe wird geöff net durch eine Kondensationsreaktion, und anschliessend wird die Vernetzung erhalten, ohne dass flüchtige Nebenp dukte entstehen. Epoxyharze schwinden dabei wenig, etwa um 0,5 bis 1,0 /o, und haben ohne Füllmittel eine niedrige
Viskosität, bei der während des Imprägnierens vorzugs weise angewendeten Temperatur von etwa 50 bis 100 "C, sowie im Endzustand eine Zugfestigkeit von etwa 900 kp je cm2. Sie haben eine sehr gute Affinität zu den Glasfa sern. Die Vernetzungsdauer liegt im allgemeinen zwischen einer Stunde und mehreren Tagen.
Es gibt Epoxyharze, die bei Zimmertemperatur aushärten, aber die bei höherer Temperatur aushärtenden Typen haben im allgemeinen bessere physikalische Eigenschaften und Strahlungsbestän digkeit. Ihr Temperaturgang kann demjenigen des metalli schen Leiters angeglichen werden durch Einverleibung ge eigneter anorganischer Füllstoffe. Vernetzte Epoxyharze sind im allgmeinen hart, zäh und widerstandsfähig gegen
Chemikalien. Diese Zähigkeit und Beständigkeit von Epo xyharzen gibt der Isolation grössere Ermüdungsbeständig keit als die bekannten geschichteten Polyester und Sili kone ohne Füllstoff. Epoxyharze ohne Füllstoff können als
Isoliermaterial verwendet werden bei Temperaturen zwi schen -100 C bis +200 "C. Gefüllte Epoxyharze haben einen Verwendungsbereich bis 269 "C, ohne Beschädigung.
Polyesterharze sind mehrbasige organische Säuren, verestert mit Polyalkoholen. Die vorteilhaftesten Harze sind fest, ungesättigt und angewendet als Lösungen in un gesättigten Monomeren. Die Polymerisation setzt keine flüchtigen Bestandteile frei und erfordert nicht die An wendung von Pressen wie bei Phenolharzen. Solche unge sättigten Polyester haben ausgezeichnete physikalische
Eigenschaften für die Isolation von Wicklungsdrähten. Polyesterharze zum Vergiessen sind flüssig, oder für die Spulenisolation im B-Zustand.
Sie vertragen Betriebstempera turen bis 200 "C. Der Schwund von Polyestern ist im Vergleich zu derjenigen von Epoxyharzen recht hoch. etwa 5-8 /0. Der grosse Wärmeausdehnungskoeffizient (7-10 x
10 4 cm/cm/je C) von Polyester kann vermindert werden durch Zufügung mineralischer Füllstoffe. Nachträgliches Vernetzen verbessert die Temperaturbeständigkeit. Polyesterharze härten schon in Minuten aus, bei einer Imprägnierungstemperatur von 60 "C. Bei Zimmertemperatur ist die Viskosität von Polyesterharzen recht hoch und erschwert eine gleichmässige Imprägnierung des Stützgewebes. Eine entsprechende lmprägnierungstechnik ist notwendig, um gute Verfahrensprodukte zu erhalten.
Silikonharze sind alle organischen Silikate,grundsätz- lich organische Silane (SiH4) und deren Derivate oder organische Siloxane (RCSO4 (2) Die abschliessende Polymerisation wird erreicht durch Kondensation der Silanol Gruppen. Silikonharze können biegsam bis steif sein. Für Spulenisolation in Verbindung mit einem Glasfasergerüst wird der steife Typ des Silikonharzes bevorzugt. Der Vorteil dieses Materials ist die grosse Beständigkeit seiner physikalischen und elektrischen Eigenschaften auch nach langer Erhitzung auf Temperaturen bis 200 "C und mehr, während die mechanische Festigkeit geringer ist. Silikonharze sind auch beständig gegen Beanspruchung durch Koronaentlandung, Chemikalien, Feuchtigkeit und Kernstrahlung.
An körnigen anorganischen Füllstoffen schliesslich werden vorzugsweise verwendet Aluminiumoxyd, gemahlenes Glas, Zirkon, Zirkonerde, Magnesiumoxyd, Glimmerund Kieselerde. Die bevorzugte Korngrösse des Füllmaterials beträgt 10 bis 20 Mikron. Die Suspensionsbeständigkeit des Füllmaterials hängt ab von seiner Korngrösse und -gestalt, seiner Dichte, der Viskosität, der Suspension, und dem pH-Wert des Systems. Die meisten Füllstoffe von 10 bis 20 Mikron bleiben in Suspension ohne den Zusatz von thixotropem Material. Zur Erzielung einer optimalen Mischbarkeit der vorerwähnten Materialien kann jedoch kolloidal verteilte Kieselsäure, mit organischem Überzug aus Material. bekannt unter dem Handelsnamen Cab-o sil , im Verhältnis von einem bis drei Gewichtsprozenten des Harzes bei der Herstellung der Mischung zugesetzt werden.
Das thixotrope Material vergrössert etwas die Viskosität der Mischung, hält jedoch den Füllstoff in Suspension.
Mineralische Füllstoffe im duroplastischen Kunststoff vermindern im allgemeinen dessen mechanische Festigkeit, die aber vergrössert werden kann durch Zusatz eines Netzmittels, etwa des unter dem Handelsnamen Dow Corning Z-60/40 bekannten Produktes. Ein Zusatz von einem bis zwei Gewichtsprozenten zum Epoxyharz verbessert die mechanische Festigkeit mit der Kieselsäure-Füllung über den ohne solche Füllung erzielbaren Wert hinaus.
Präparation I
Handelsübliches Kunstharz DER332LC und Katalysator MPDA , MDA mit Al2O;Füllmaterial, 100 bis 120 Gewichtsteilen von DER332-LC -Härtemittel, und ein thixotropes Material, beispielsweise Cab-o-sil , ein Gewichts-Teil Epoxyharz, wurde verwendet zur Herstellung des lmprägniergemisches.
DER332LC ist ein Diglycidiläther von Bisphenol A mit einem Epoxy-Äquivalent von 175. Es hat grosse Reinheit, enthält praktisch keine aliphatischen Ketten und sehr wenig Chlor im Glycidyläther. Reinheit und insbesondere der geringe Chlorgehalt mögen wichtig sein für die Strahlungsbeständigkeit, denn bekanntlich neigt das Chlor zur Bildung langlebiger freier Radikale bei Bestrahlung, was zur Verschlechterung der elektrischen Isolationseigenschaften beitragen kann. Das Bindemittel kristallisiert häufig bei Zimmertemperatur und wird flüssig bei Erwärmung auf 60 bis 70 "C. Der Katalysator MPDA und MDA wird benutzt als Aushärtungsmittel für das Bindemittel DER332LC , im Mischungsverhältnis von etwa 40 bis 60 Gewichts-Teilen MPDA zu MDA . 18 bis 19 Gewichts Teile dieses Härtemittels werden auf 100 Teile des Bindemittels DER332 gegeben.
Die Mischung sollte unter einer Temperatur von 60 bis 65 "C bereitet werden. Die aromatischen Amine plastifizieren die Mischung und ermöglichen einen grösseren Füllungsanteil. Das Härtungsmittel vermindert die Viskosität der Mischung, verglichen mit derjenigen des Harzes. Eine Tonerdefüllung von 100 Gew.-0/o des Systems aus Epoxyharz und Härtemittel ergibt eine Viskosität von etwa 850 cP bei 60 "C. Der Zusatz von einem Gewichts-Teil Cab-o-sil zum Epoxy-System vergrössert die Viskosität auf etwa 920 cP; Cap-o-sil ist kolloidales SiO2, hergestellt in heissem Gas durch Dampfhydrolyse aus Silikonen. Es wirkt thixotropisch, ebenso verdickend und gelatinierend.
Präparation II Stycast 2850 FT ist ein modifizierter und mit Mineralfüllung versehener Diglycidyläther von Bisphenol A mit einem Epoxyd-Äquivalent-Gewicht von ungefähr 190. Er enthält sehr wenig Chlor in den Seitenketten und ist hitzebeständig bis 175 "C. Er wird angemacht mit Tonerde-µ LW0/oTonerde-Füllung von 130 bis 140 Gew.-0/o, bezogen auf 100 Teile des 2850FT . Wegen der grossen Viskosität des Systems kann Stycast 2850 FT benutzt werden als Giessharz oder im vorstehend beschriebenen Nasswickelverfahren. Erwärmung auf 40 "C vermindert die Viskosität auf 12000 cP. Bei 60 "C ist seine Viskosität noch höher als 8000 cP.
Das zugehörige Netzmittel ist Katalysator 11 , mit ungefähr 4 Gewichts-Teilen vom Harz. Katalysator 11 ist ein aromatisches Amin in eutektischer Mischung mit Metaphenylendiamin als dem überwiegenden Bestandteil.
Präparation III
Glasfaserverstärktes DER332 und BF3MEA , ungefüllt und gefüllt mit Al203 (10 bis 20 Mikron) in Konzentration von 100 bis 120 Gewichts-Teilen des Epoxysystems, sowie Cab-o-sil , ein Gewichts-Teil vom Epoxysystem. Die Komponenten DER332 und Cab-o-sil sind ähnlich denjenigen in Präparation I und werden daher nicht nochmals erläutert.
Der BF3-Anteil beträgt 61 /0. Drei Gewichts-Teile BF3MEA wurden auf hundert Teile Epoxyharz DER332 gegeben. Ein zweistufiger Härtungsprozess wurde durchgeführt bei 80 "C während vier Stunden, nach Härten bei 160 "C zwölf Stunden lang. BF3MEA enthält ein aliphatisches Amin, wird jedoch benutzt wegen seiner günstigen übrigen Eigenschaften wie langer Härtezeit von mehreren Tagen bei Zimmertemperatur sowie grosser Hitzebeständigkeit von 149 bis 180 C. So kann es benutzt werden mit vielen verschiedenen Epoxyharzen. Es hat auch gute Beständigkeit gegen chemische Aggression, sowie gute elektrische Eigenschaften. Das BF3MEA Epoxyharz härtet durch Zersetzung des BF3-Komplexes, der bei etwa 80 "C einsetzt.
Ein verminderter BF3-Gehalt von 1 Ges % des Epoxyharzes kann die Lebensdauer dieses Bindemittels gegenüber Strahlungsbelastung erheblich verlängern, erfordert jedoch mehr Zeit für das Aushärten.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, den Anteil an Aminen in der Mischung so weit zu begrenzen, dass die gewünschten Aushärtungseigenschaften noch erreicht werden Beispiel IV
Glasfaserverstärktes DER332LC und Epon-Z gefüllt mit Al2O3, Maschendichte 900, 100 Teile auf 100 Gewichts-Teile des DER332LC -Härtungssystems.
Das Material DER332LC ist beschrieben in Präparation 1. Epon-Z ist ein modifiziertes aromatisches Polyamin und enthält annähernd 50 Gewichts-Teile des Nachhärtungsmittels Metaphenylendiamin (MPDA). Das System härtet unter stöchiometrischer Reaktion zwischen dem Amin und dem Epoxyharz, bis alle primären und sekundären Aminwasserstoffatome verbraucht sind. Dann hat das Amin als tert. Amin immer noch die Fähigkeit, das Epoxyharz katalytisch zu härten. 17 bis 19 Gewichts-Teile von Epon-Z werden auf 100 Teile des DER332LC gegeben. Epon-Z ist eine Flüssigkeit und kann Kristalle während der Lagerung bei Zimmertemperatur bilden, die aber durch leichtes Erwärmen vor der Verwendung verschwinden. DER332 und Epon-Z haben eine niedrige Viskosität von weniger als 100 cP bei Giesstemperatur.
Epon-Z hat ausgezeichnete chemische Beständigkeit, grosse Temperaturfestigkeit und bleibt giessfähig drei Stunden bei 45 "C. Kleine Gussstücke werden vorgehärtet bei 80 "C während zweier Stunden, alsdann ebensolange nachgehärtet bei 150 "C. Grosse Gussstücke und geschichtete Isolierkörper werden geliert bei Zimmertemperatur und während 12 Stunden gehärtet bei 80"-100 "C.
Präparation V
Glasfaser-verstärkte Mischung aus Epon 828 und 1031 , gefüllt mit Al203, Maschendichte 900, 100 Teile auf 100 Gewichts-Teile des Epon 828/1031 , lieferbar durch Shell Chemical Company.
Eine giessfähige Imprägnierung von niedriger Viskosität und guter Verarbeitbarkeit wird erhalten mit einer Mischung aus Epon 1031 und 828 im Verhältnis 1:1. Die Mischung ist temperaturbeständig bis 127 "C und hat bei Zimmertemperatur eine Druckfestigkeit von 1450 kp/cm2.
Epon 1031 ist ein festes Harz von grosser Widerstandsfähigkeit und besteht aus einer Mischung von Isomeren und Homologen. Zum Ausgleich seiner schwierigen Verarbeitbarkeit und hohen Viskosität wird es gemischt mit Epon 828 . Dies ist ein hellfarbiges Epichlorhydrinbisphenol, A-Type von niedrigem Molekulargewicht. Das aromatische Härtungsmittel zum Epon 1031/828 war eine Mischung aus Nadic -Methylanhydrid (NMA) und Benzyldimethylamin (BDMA). NMA mit einer Konzentration von 80 Gew.-0/o und BDMA mit einer Konzentration von 0,5 bis 1,0 Gewichts-Teilen auf 100 Teile Epon 1031/828 wurden verwendet als Katalysator und Beschleuniger. Giessfähigkeit bei Raumtemperatur 10 bis 12 Stunden. Vorhärtung bei 60 "C zwei bis vier Stunden; Nachhärtung bei 1500 vier bis sechs Stunden.
Präparation VI
Glasfaserverstärktes Eccoseal W19 und Catalyst 11 , gefüllt mit Also,, Maschenzahl 900, 100 Teile auf 100 Gewichts-Teile des Eccoseal W19 , sowie Cab-o-sil , ein Gewichts-Teil des W19.
Eccoseal W19 ist ein basisches Harz, etwas verschieden vom Stycast 2850 FT . Es wird verwendet in Kombination mit Catalyst 11 . Sechs ihn bis 18 Teile auf 100 Gewichts-Teile des Katalysators werden benutzt mit Wl9 . Die Viskosität eines Wl9 -Systems bei 60 "C ist ungefähr 120 cP: es ist gefüllt mit 100 bis 120 Gewichts Teilen Al,03 und/oder Glaspulver sowie MgO als mineralischem Füllstoff und hat eine Strahlungsbeständigkeit ähnlich dem Epon 828 und Härtemittel Epon-Z .
Präparation VII
Glasfaserverstärktes R-7521 Silicon und Catalyst Dicumylperoxyd mit einer Füllung aus Zirkon-Pulver (Zirkonorthosilikat) 100 Teile auf 100 Gewichts-Teile des R-7521 .
Silicon-Harz R-7521 hat eine Anzahl von Vorzügen für die Spulenisolation. Bei Zimmertemperatur ist seine Viskosität 135 cP, abnehmend auf etwa 80 cP bei 60 "C.
Gefülltes und glasfaserverstärktes R-7521 (gehärtet) ist hart und hat eine Druckfestigkeit von etwa 1600 kglcm2.
R-7521 wird gemischt mit umkristallisiertem Dicumylperoxyd als Netzmittel. Man nimmt 1,5 Gewichts-Teile Härtemittel auf 100 Gewichts-Teile R-7521 und 0,25 Gewichts-Teile Beschleuniger N-Dimethyl-p-toluidin, zu 100 Gewichts-Teilen des R-7521 . 100 Gewichts-Teile R-7521 werden gefüllt mit 100 Teilen Zirkonorthosilikat, bekannt unter dem Handelsnamen Ultrox , Korngrösse 15 bis 20 Mikron.
Das Harz und die Füllung können mit 100 zu 900 Gewichts-Teilen vermischt werden oder der gewünschte Füllungsteil kann in das Harz dispergiert werden. Giessfähigkeit bei 60 "C länger als zwei Wochen. Der Härtungsprozess dauert sechs Stunden bei 150 "C, dann fünf Stunden bei 250 "C, wobei keine flüchtigen Stoffe austreten.
Präparation VIII
Glasfaserverstärkte und mit Mineralfüllung versehene Mischung aus DEN 438 und DER332LC .
Ergibt eine giessfähige leicht verarbeitbare Mischung von guter Viskosität mit grosser Hitzebeständigkeit, sowie ausgezeichneten mechanischen und thermischen Eigenschaften, beim Mischungsverhältnis DEN 438/DER 332 von 1:3 bis 1:4 Gewichts-Teilen.
Die Imprägnierung von Glasfasergewebe mittlerer Maschendichte unter Vakuum kann Hohlräume belassen, Lufttaschen, und das Füllmittel zurückhalten. Oft wird der Spalt zwischen den Leitern nicht von der Harzmischung ausgefüllt, hauptsächlich wegen der Filterwirkung des Glasfasergewebes, das eine Benetzung der Leiteroberfläche durch das Harz zulässt, jedoch seine Füllungskomponente zurückhält. Um eine gleichmässige Imprägnierung zu erreichen, werden die nachfolgend beschriebenen Imprägnierungsverfahren vorgeschlagen: Beispiel 1
Im sogenannten Nasswickelprozess werden die Leiter zuerst gereinigt, beispielsweise mit einer Mischung von Azeton und Trichloräthylen, sandgestrahlt und dann auf etwa 70 "C vorgewärmt. Das Giessharz mit seiner Tonerde-Füllung wird entgast, vorzugsweise 15 Minuten unter einem Vakuum von 0,4 bis 0,6 Torr.
Die Mischung wird auf die Leiteroberfläche gebürstet und gleichzeitig mit Glasfasergewebe von mittlerer oder grosser Maschendichte (Typ 181) umhüllt. Vorzugsweise wird Al2O3 verwendet mit 100 bis 120 Gewichts-Teilen auf das Giessharz. In diesem Fall soll die Giessfähigkeit des angewendeten Epoxyharzes verhältnismässig länger sein, beispielsweise 24 bis 36 Stunden. Dazu wird das Härtemittel BF3MEA beigeben. Nach dem Umhüllen wird die Spule auf etwa 60C unter Vakuum erwärmt, um eine bessere Verteilung des Epoxyharzes zu erreichen. Das Harz sollte dabei nicht härten. Für die Herstellung der Grundisolation wird vorzugsweise Glimmervlies verwendet in Kombination mit Glasfasergewebe, nass um die Spule gehüllt, mit einer Imprägnierung aus Epoxyharz und Tonerde.
Die Spule wird dann vorzugsweise imprägniert mit reinem DER332LC und dem Härtemittel MPDA und MDA , sodann in die gewünschte Form während der Härtungsperiode gepresst. Vor der Imprägnierung wird die Viskosität der Harzmischung bei Imprägnierungstemperatur geprüft, da ein gleichmässiges Vergessen im allgemeinen erreicht wird, wenn die Impräg;1ierung durchgeführt wird bei einer Viskosität unter 1500 cP und einer Temperatur von beispielsweise 60 "C. Die Epoxymischungen werden im allgemeinen zweistufig gehärtet: Vorhärten 4 bis 6 Stunden bei 60 "C und Nachhärten 6 Stunden bei 150 OC.
Beispiel 2
Dieses sogenannte Trockenwickelverfahren sieht vor, dass die Spulen zuerst mit trockenem Glasfaserband von mittlerer oder grosser Maschendichte umhüllt werden.
Der umhüllte Leiter wird dann erwärmt auf die Temperatur der Imprägnierungsmischung und in die Form gesetzt.
Die Imprägnierung geschieht vorzugsweise in einer geschlossenen Form ohne seitlichen Druck auf die Wandungen und unter Vakuum, vorzugsweise mit einer Mischung aus DER332LC und Tonerde 100 Gewichts-Teile des Epoxy-Systems, mit dem Härtemittel MPDA/MDA .
Nach der Imprägnierung wird durch die Formwände ein Druck auf die Spulenseiten ausgeübt und die Vorhärtung durchgeführt. Nach dieser Teilhärtung wird eine Grundisolation (Glimmer mit dichtmaschigem Fiberglas-Band auf die Spule gebracht und diese dann unter Vakuum imprägniert mit DER332LC sowie dem Härtemittel MPDA und MDA. Härtung zweistufig erst vier bis sechs Stunden bei 60 "C, dann sechs Stunden bei 150 "C. Die Spulenoberfläche sollte vor Anbringung der Grundisolation gereinigt werden, um eine gute Haftung zu gewährleisten.
Beispiel 3
Nach dem sogenannten B-Stufenprozess wird die Mischung aus organischem Bindemittel und anorganischem Füllstoff bereitet wie vorstehend beschrieben. Dann werden die Bänder oder das Glasfasertuch beladen mit 25 bis 35 0/0 der Harzmischung und danach kühl gelagert bis zur Weiterverarbeitung. Währenddessen werden die Leiter bzw. Spulendrähte gereinigt wie vorstehend beschrieben und die beladenen Bänder werden um den Leiter gehüllt, entsprechend um die pfannkuchenförmigen Spulen aus einer Serie von Leitern. Mylar -Folien, die bei der Härtetemperatur zur Schrumpfung neigen, werden um die Aussenseite der Isolierung gehüllt und die Spule zwischen er wärmte Metallplatten gesetzt, so dass diese die vorerwähnten Formen oder Halterungen bilden, unter Vakuum.
Die Spule wird in die endgültige Form gepresst während des Härtevorgangs.
Erwärmen und Evakuieren der isolierten Spulen vor dieser Druckanwendung durch die Formwandungen verbessert die Gleichmässigkeit der Imprägnierung. Im allgemeinen zeigen glasfaserverstärkte Epoxyharze mit Mineralfüllung die grösste Strahlungsbeständigkeit, verglichen mit anderen organischen Harzen. Systeme mit dem grössten Verhältnis von Epoxyharz zu Härtemittel und reinen aromatischen Aminen als Härtemittel geben die besten Resultate. Ein Überschuss von Epoxyharz stabilisiert das System. Spezifische Epoxysysteme zeigen die besten Resultate mit 100 Teilen DER332LC auf 18 Gewichts-Teile MDA- und MPDA-Härter.
Dieses System, verstärkt mit Glasfasergewebe mittlerer Maschendichte und gefüllt mit Tonerdepulver, behielt 25 bis 30 0/0 seiner ursprünglichen mechanischen Eigenschaften nach Absorbierung einer Strahlungsdosis von 3 x 1014 erg.g I. Das Glasfasertuch ist vorzugsweise vor der Verarbeitung erwärmt und chemisch behandelt worden (mit Volan 4 oder Silanen), um eine möglichst gute Haftung gegenüber der Epoxyimprägnierung zu erhalten. Wenigstens 20 bis 30 /0 des Isolierkörpervolumens sollten durch Glasfasern ausgefüllt sein.
Bevorzugte Füllstoffe für das organische Harz sind reine Tonerdekörner mit einer Korngrösse von maximal 20 Mikron oder Kieselerde oder gemahlenes Glas Beispiel 4 Leiterisolation Organisches Harz mit Bindemittel 23-16 Gewichts-Teile Anorganischer Füllstoff 27-19 Gewichts-Teile Glasfasergewebe 50-65 Gewichts-Teile Grund- oder Hauptisolation Organisches Harz 17-20 Gewichts-Teile Anorganischer Füllstoff 13-15 Gewichts-Teile Glimmervlies 45 Gewichts-Teile Glasfasergewebe 25-20 Gewichts-Teile
Wenn die Verwendung von Glimmer nicht ratsam ist, kann die Grundisolation so ausgeführt sein wie die Leiterisolation. Um möglichst lunkerfreie Güsse zu erzielen, sollte die Viskosität der Mischung aus Epoxyharz, Härtemittel und Füllung 1000 cP nicht überschreiten bei Imprägnierungstemperatur.
Vakuumimprägnierung gibt die besten Resultate in geschlossenen Formen, welche einen gleichförmigen mechanischen Druck auf die Spulenisolierung nach dem Imprägnieren ausüben. Zusätzlich, wenn B-Stufen-Systeme verwendet werden, sollte die Glasfaser beladen werden mit dem Harz und Füllmittel, und vorzugsweise sollte die Spule evakuiert werden nach dem Erwärmen.
DER332LC und Härter MPDA/MDA haben eine begrenzte Giesszeit und sind daher geeignet für die Imprägnierung von trockenen Glasfasern unter Vakuum, jedoch nicht so gut geeignet für das Nassumwickeln grosser Spulen, wegen des Anwachsens der Viskosität auf etwa 50 000 cP bei Zimmertemperatur in etwa 24 Stunden.
Wenn eine lange Giessfähigkeit von mehreren Tagen gewünscht und eine geringe Strahlungsbeständigkeit erforderlich ist, werden DER332 und Härter BF3MEA benutzt. Die Mischung des Harzes mit Tonerdefüllung und thioxotropem Material sollte eingestellt werden auf eine Viskosität unter 2000 cP bei 60 "C.
In allen vorerwähnten Fällen ist vorausgesetzt, dass die Harzmischung ein Netzmittel enthält, nämlich Z 6040 und erforderlichenfalls ein thixotropes Mittel wie kolloidale Kieselerde.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zum Isolieren eines elektrischen Leiters mit einer wärme- und strahlungsbeständigen Isolation, da- durch gekennzeichnet, dass man den Leiter mit einem elektrisch nichtleitenden anorganischen Stützgewebe und mit einem Imprägnier-Gemisch aus einem wärmehärtbaren Kunstharz-Bindemittel und einem in diesem Bindemittel dispergierten anorganischen strahlungsbeständigen Füllstoff umgibt und anschliessend erwärmt, um das Kunstharz zu härten.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Leiter getrennt mit dem Imprägniergemisch und dem Stützgewebe umgibt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Leiter zuerst mit dem Stützgewebe umgibt und dieses sodann mit dem Imprägniergemisch tränkt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Leiter mit dem mit dem Imprägniergemisch imprägnierten Stützgewebe umgibt.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein Mischverhältnis des Imprägniergemisches von 100 bis 130 Gewichtsteilen Füllstoff auf 100 Gewichts Teile Bindemittel.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgewebe beschwert ist mit 20 bis 35 Gew.- /o Glimmer.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff Aluminiumoxyd, Glaspulver, Magnesiumoxyd, Zirkon und Zirkonoxyd oder SiO2 mit einer Korngrösse von 10 bis 30 Mikron ist.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägniergemisch einen Gehalt an 1 bis 3 Gewichts-Teilen Netzmittel, bezogen auf 100 Gewichts-Teile Harz, aufweist.
8, Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel reines Epoxyharz ist, mit einer Temperaturbeständigkeit von 1500 bis 220 "C, einem Äquivalentgewicht des Harzes von 175 bis 180, einem niedrigen Halogengehalt, gleichmässigen Gitterbindungen, sowie härtbar mit einem aromatischen Amin.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein ungesättigtes festes Polyesterharz oder festes Silkonharz ist.
10. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von 50 bis 65 Gewichts-Teilen Glasfasergewebe auf 23 bis 16 Gewichts-Teile Bindemittel und 27 bis 19 Gewichts-Teile Füllstoff.
11. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eir Verhältnis von 25 bis 20 Gewichts-Teilen Glasfasergewebe mit 45 Gewichts-Teilen Glimmergehalt auf 17 bis 20 Gewichts-Teile Bindemittel und 13 bis 15 Gewichts-Teile Füllstoff.
12. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberfläche des Stützgewebes durch Erhitzen und Behandeln mit einer Veredelungslösung behandelt.
13. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Imprägnierungsmischung 0,5 bis 1,5 Gewichts-Teile eines thixotropen Materials zugesetzt werden, sowie 0,5 Gewichts-Teile eines Netzmittels.
14. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst vier bis sechs Stunden lang bei einer Temperatur von 60 "C vorgehärtet und sodann sechs Stunden bei 150 "C nachgehärtet wird.
PATENTANSPRUCH 11
Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein warme- härtbares Kunstharz-Bindemittel und einen darin dispergierten anorganischen, strahlungsbeständigen Füllstoff enthält.
UNTERANSPRÜCHE
15. Mittel nach Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein anorganisches Stützgewebe enthält.
16. Mittel nach Unteranspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgewebe ein gegebenenfalls mit Glimmer beschwertes Glasfasergewebe ist.
17. Mittel nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass es 100 bis 130 Gewichts-Teile Füllstoff auf 100 Gewichts-Teile Kunstharzbindemittel enthält.
18. Mittel nach Patentanspruch II oder Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es 1 bis 3 Gewichts Teile thixotropes Material und 1 bis 2 Gewichts-Teile Netzmittel, bezogen auf 100 Gewichts-Teile Harz, enthält.
19. Mittel nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein reines Epoxyharz mit einer Temperaturbeständigkeit von 1500 bis 220 "C, einem Aquivalentgewicht des Harzes von 175 bis 180, einem niedrigen Halogengehalt, gleichmässigen Gitterbindungen, sowie härtbar mit einem aromatischen Amin oder ein ungesättigtes festes Polyesterharz oder ein festes Silikonharz ist.
PATENTANSPRUCH 111
Nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I isolierter elektrischer Leiten
PATENTANSPRUCH IV
Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zur Isolierung von elektrischen Spulen.
UNTERANSPRÜCHE
20. Anwendung nach Patentanspruch IV zur Isolierung von Wicklungen von Fokussierungs- und Ablenkmagneten für Kathodenstrahlröhren.
21. Anwendung nach Patentanspruch IV zur Isolierung von Wicklungen in Elementarteilchen-Beschleunigern.
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