DE10003587A1

DE10003587A1 - Exdrudierter Polytetrafluorethylen-Schaum

Info

Publication number: DE10003587A1
Application number: DE10003587A
Authority: DE
Inventors: Armin Steurer
Original assignee: Dyneon GmbH
Current assignee: Dyneon GmbH
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-09
Also published as: EP1252006A1; DE60102893T2; JP2004500261A; ATE264737T1; CA2398856A1; AU2001236516A1; DE60102893D1; WO2001054879A1; DE60102893T9; EP1252006B1

Abstract

Es wird die Herstellung, Verarbeitung und Verwendung von schaumhaltigem Polytetrafluorethylen beschrieben. Die Extrusion von Polytetrafluorethylen mit einem Schaumbildner führt zu einem Produkt, das in der Elektroindustrie, in der chemischen Industrie oder im Apparate- und Anlagenbau eingesetzt werden kann. Der Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist die Einfachheit, mit der das Produkt hergestellt werden kann. Mögliche Einsatzgebiete sind Kabel, Koaxialkabel, Dichtungen, Filter, Siebe, Membranen, Absorptionsmittel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Coaxialkabel für den Hochfrequenzbereich und die Herstellung von Polytetrafluorethylen(PTFE)-Schaum, insbesondere als Kabelisolierung, Dielektrikum oder Dichtungsformteil.

Kabelisolierungen sollen eine möglichst kleine Dielektrizitätszahl ε_r und einen möglichst kleinen Verlustfaktor tanδ aufweisen.

Diese Anforderungen werden besonders gut von PTFE erfüllt. Ein weiterer sehr bedeutsamer Vorteil von PTFE-Kabelisolierungen ist, daß sie im Vergleich zu Polyvinylchlorid, Polyethylen oder Polypropylen nicht brennbar sind.

Die Kabelherstellung erfolgt im allgemeinen durch Pastenextrusion gemäß "Verarbeitungsbroschüre PTFE, ®Hostaflon Kunststoffe der Hoechst AG, Dezember 1986". Dabei wird die Paste jedoch nicht thermoplastisch verarbeitet. Zur weiteren Verbesserung der elektrischen Eigenschaften wird gemäß JP-B 42-13560 und US-A-4 187 390 vorgeschlagen, der Pastenextrusion ein Streckverfahren anzuschließen. Aufgrund der Struktur der verstreckten Bänder lassen sich Luft enthaltende Kabelummantelungen herstellen, weshalb deren Dichte gegenüber herkömmlichem PTFE erniedrigt ist. Entsprechend sind die elektrischen Eigenschaften verbessert. Dann sind jedoch vier Verfahrensschritte erforderlich, und zwar Strang extrudieren, Strang kalandrieren, Band recken und Band um einen Draht wickeln. Deshalb ist dieses Verfahren kostspielig und zeitaufwendig.

Zur weiteren Verringerung der Dichte wird nach JP-B 57-30059 vorgeschlagen, bis zu 15 Gew.-% Schaumbildner zuzugeben. Hier wurde ein nicht thermoplastisch verarbeitbarer Kunststoff (PTFE) geschäumt. Überlicherweise werden nur thermoplastisch verarbeitbare Materialien physikalisch oder chemisch geschäumt.

Das Verfahren mit einem zusätzlichen Schaumbildungsverfahren ist noch aufwendiger.

Darüber hinaus schlägt JP-A 11-124458 Schäumen von Suspensionsware vor, die erst geschält werden muß, bevor sie als Band gewickelt werden kann. Dieses Verfahren ist ebenfalls aufwendig.

Nach WO-A-91/12123 wird ein vereinfachtes Verfahren bereitgestellt. Die PTFE-Paste wird auf Draht extrudiert und anschließend verstreckt. Nachteilig ist jedoch, daß die Kabelisolierung nicht am Draht haftet und die Isolierung mangels Formstabilität bei geringen mechanischen Belastungen deformiert wird, zum Beispiel beim nicht ganz vorsichtigen Anfassen. Die Formstabilität kann zwar durch Sintern erhöht werden, aber dies führt zu anderen Nachteilen, zum Beispiel Nivellierung der elektrischen Eigenschaften, Schrumpf- und Elastizitätsverlust.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren bereitzustellen, bei dem poröses PTFE zu Koaxialkabeln mit ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften verarbeitet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß PTFE zusammen mit einem Schäumungsmittel extrudiert wird und das Schäumungsmittel 20 bis 100 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile PTFE beträgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Extrudieren wird ein PTFE-Schaum mit einer Dichte von höchstens 1,3 g/cm³ bereitgestellt, der ohne umständliches Wickeln einen elektrischen Leiter isoliert. Das neu entwickelte Verfahren beinhaltet lediglich ein trockenes Mischen von PTFE, Schaumbildner und Gleitmittel. Ansonsten ist der Verarbeitungsprozeß identisch mit der bekannten Kabelextrusion für Pasten-PTFE.

Das geschäumte PTFE ist weitgehend spannungsfrei, so daß es sich unter Hitzeeinwirkung dimensionsstabil weiterverarbeiten läßt.

Weiterhin ist das geschäumte PTFE flexibel und formstabil. Als Dielektrikum haftet es am Leiter. Solche Schäume sind grundsätzlich auch als Siebe, Filter, Membranen oder Adsorptionsmittel verwendbar. Sie eignen sich auch als Dichtungen, insbesondere zwischen harten spröden Flanschen, die Unebenheiten aufweisen und bei starkem Aneinanderpressen zerspringen würden, wie zum Beispiel Keramikflansche oder Emaille. Dichtungen können als Platten, Ringe, Stränge oder in sonstiger Form bereitgestellt werden.

Als Schäumungsmittel eignen sich Substanzen, die oberhalb der Extrusionstemperatur sublimieren, verdampfen oder die flüchtige Abbauprodukte bilden.

Insbesondere kommen folgende Produktfamilien in Frage: Azoverbindungen, zum Beispiel Azodicarbonamid und Mischungen mit Weichmachern oder Peroxiden und Sulfohydrazide; Carbonate, zum Beispiel Natrium-, Ammonium- und Hydrogencarbonate, Hirschhornsalze; Hydrazine, zum Beispiel Trihydrazinotriazin, 4,4'-Oxybis(benzolsulfohydrazid), Diphenylsulfon-3,3'-disulfohydrazid; Tetrazole, zum Beispiel 5-Phenyltetrazol; Benzoxazine, zum Beispiel Isatosäureanhydrid; Semicarbazide, zum Beispiel p-Toluylensulfonylsemicarbazid.

Herstellung eines Dielektrikums für Koaxialkabel

Pastenmaterial, zum Beispiel ®Dyneon TF oder TFM-Typen (TF 2071), wird mit dem Schäumungsbildner, der vorher auf die gewünschte Korngröße gemahlen wurde, gemischt und mit Gleitmittel versehen. Anschließend wird diese Mischung gerollt und zu einer Puppe oder Kerze gepreßt. Die Puppe wird mit einem Stempelextruder durch eine Düse gedrückt, in deren Mitte ein Draht mitläuft. Anschließend wird das PTFE bei einer geeigneten Temperatur getrocknet, die abhängig vom verwendeten Gleitmittel und Schaumbildner ist. Exemplarisch ist ein Extrusionsfall beschrieben.

Die Dicke der Isolierung läßt sich über die Abzugsgeschwindigkeit regulieren. Vorzugsweise liegt die Dielektrizitätszahl ε_r unter 1,6 und der Verlustfaktor tanδ unter 2 . 10^-4.

Weitere vorteilhafte Ausführungen Oberflächlich verschlossenes Dielektrikum

Offenporiges PTFE wird durch kurzzeitiges oberflächliches Sintern zu einem oberflächlich geschlossenporigem PTFE umgewandelt. Dadurch ist das Dielektrikum im Koaxialkabel vor Verschmutzung, Stäuben und flüssigen Substanzen ausreichend geschützt, um langfristig keine Qualitätseinbußen hinnehmen zu müssen. Das Halbzeug ist weitgehend dimensionsstabil.

Erhöhung der Stabilität des Dielektrikums

Das Dielektrikum aus PTFE-Schaum kann gesintert werden. Hierbei schrumpft der Durchmesser des Dielektrikums leicht. Erreichbare elektrische Werte sind:

- Dielektrizitätszahl ε_r von 1,7 oder geringer,
- Verlustfaktor tanδ von 2 . 10^-4 oder geringer.

Diese Werte werden gewöhnlich bei ungesinterten PTFE-Materialien erhalten. Hier handelt es sich aber um einen gesinterten Schaum.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen verdeutlicht.

Beispiel 1 Herstellung eines Kabels

PTFE-Pastenmaterial ®Dyneon TF 2071 wird mit Ammoniumhydrogencarbonat der Firma Merck, Darmstadt, gemischt. Der Schaumbildner wird zuvor auf die Korngröße von 300 µm gemahlen. Mischungen mit 100 Gew.-Teilen PTFE plus 20, 30 und 40 Gew.-Teilen Ammoniumhydrogencarbonat werden hergestellt. Diese Mischungen werden mit einem für die Pastenverarbeitung typischen Benzin, dem Shell Sol 100/140, gemischt. Danach ruht die Mischung über Nacht, damit sich das Benzin gleichmäßig im PTFE verteilt. Anschließend wird die PTFE-Paste samt Schaumbildner und dem Benzin zu einer Kerze mit 100 mm Durchmesser und 30 cm Länge gepreßt, die in einem Stempelextruder durch eine Düse mit einem Durchmesser von 5 mm gedrückt wird. Die Extrusionsgeschwindigkeit beträgt 5 m/min.

Der Stempelextruder hat in der Mitte des Extrusionszylinders einen Dorn, in dem der Draht an die Düsenspitze geführt wird. Der Durchmesser des elektrischen Leiters beträgt 0,75 mm (AWG 22, 7-litzig) und der Durchmesser der Isolierung 5 mm. Die Extrusion verläuft bei einem Reduktionsverhältnis von 100 mit 22 Gew.-Teilen Gleitmittel. Als Gleitmittel wird das gewöhnlich zur Pastenextrusion eingesetzte Benzin Shell Sol 100/140 verwendet. An der Düse umschließt die PTFE-Mischung den Draht und es entsteht eine Kabelummantelung. Dieses Produkt wird bei 160°C getrocknet. Es entweicht das Benzin und das Ammoniumhydrogencarbonat zerfällt in gasförmige niedermolekularere Substanzen, die entweichen. Die Kabelisolierung umschließt den elektrischen Leiter fest. Die Abzugsfestigkeit der PTFE-Isolation vom Draht dieser Kabelisolierung beträgt 4,0 N bei 3 cm nach Siemens Norm SN 54 233 von Januar 1976. Ohne Schaumbildner betragen die Abzugsfestigkeitswerte von nicht gesintertem PTFE circa 6,5 N bei 3 cm und von gesintertem PTFE-Kabelisolierungen circa 8 N bei 3 cm.

Die elektrischen Werte des ungesinterten Schaums betragen bei:

- 20 Gew.-Teile Ammoniumhydrogencarbonat:
ε_r = 1,53 bei 100 MHz,
ε_r= 1,55 bei 15 kHz,
tanδ = 1,7 . 10^-4
- 30 Gew.-Teile Ammoniumhydrogencarbonat:
ε_r = 1,47 bei 100 MHz,
ε_r = 1,49 bei 15 kHz,
tanδ = 9 . 10^-5
- 40 Gew.-Teile Ammoniumhydrogencarbonat:
ε_r = 1,45 ± 0,01 bei 100 MHz,
ε_r = 1,45 bei 15 kHz,
tanδ = 2 . 10^-4

Die Meßgenauigkeit von tanδ liegt in der Größenordnung der Meßwerte.

Das so erhaltene Kabel läßt sich zu einem Koaxialkabel weiterverarbeiten. Dazu wird auf das Kabel eine Abschirmung aufgetragen, eine Schutzhülle aufgebracht, das Kabel auf die gewünschte Größe abgelängt und bei Bedarf mit Steckern versehen.

Beispiel 2 Oberflächlich verschlossenes Dielektrikum

Die Probenvorbereitung, Extrusion und Trocknung verläuft analog zu Beispiel 1. Nach der Trocknung wird die Oberfläche circa 0,5 Minuten bei 360°C gesintert. Der offenporige Schaum wird oberflächlich verschlossen und schützt das Dielektrikum vor Schmutz, Staub und flüssigen Substanzen, um langfristig keine Qualitätseinbußen hinnehmen zu müssen.

Dies wird mit einer Testtinte nachgewiesen. Ein Stück des Dielektrikums wird abgeschnitten, in die Testtinte getaucht und anschließend die überschüssige Tinte abgespült. Es wurde festgestellt, daß im ungesinterten Teil des Dielektrikums die Tinte eingedrungen ist und sich nicht abwaschen läßt. Im gesinterten Teil des Dielektrikums läßt sich die Tinte mühelos abwaschen. Es ist keine Tinte eingedrungen, folglich sind die Poren verschlossen.

Das gesinterte Kabel kann entsprechend Beispiel 1 zum Koaxialkabel weiterverarbeitet werden.

Beispiel 3 Vollständig gesinterter Schaum

Die Probenvorbereitung, Extrusion und Trocknung verläuft analog zu Beispiel 1. Nach der Trocknung wird das Dielektrikum circa 2 bis 5 Minuten bei 360°C (je nach Dicke des Dielektrikums) gesintert. Es entsteht ein geschlossenporiger Schaum und schützt das Dielektrikum vor Schmutz, Staub und flüssigen Substanzen, um langfristig keine Qualitätseinbußen hinnehmen zu müssen.

Das Dielektrikum ist deutlich härter geworden und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen das Kabel mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.

Beispiel 4 Herstellung eines Dichtungsformkörpers

Die Extrusionsvorbereitung verläuft analog zu Beispiel 1. Es wird ein Strang extrudiert, der direkt nach dem Trocknen als Dichtungsschnur eingesetzt werden kann oder weiterverarbeitet wird. Dazu wird der Strang kalandriert, bis die daraus resultierenden Platten die Dicke von 1 bis 2 mm und die Breite von 5 bis 10 cm oder mehr erreichen. Aus den Platten werden die Dichtungen ausgestanzt. Die folgende Tabelle zeigt, welche Porositäten durch verschiedenen Anteile an Schaumbildner erreicht werden. Die linke Spalte beschreibt den Anteil an Schaumbildner. Die mittlere und rechte Spalte zeigen die daraus resultierenden Dichten des PTFE nach zwei unterschiedlichen Meßmethoden. In der mittleren Spalte wird die Dichte über Gewicht und Volumen des Halbzeuges und in der rechten Spalte nach der Auftriebsmethode nach DIN 53479 bestimmt. Entsprechend weisen die Kabelisolierungen gemäß Beispiel 1 vergleichbare Werte auf.

Tabelle

Abb. 1 verdeutlicht die Tabelle und zeigt, das beide Meßmethoden gleich aussagekräftig sind.

Beispiel 5 Siebe, Filter, Membranen

Die Herstellung eines Formteiles in Plattenform nach Beispiel 1 und Beispiel 4 läßt auch den Einsatz als teildurchlässiges Material zu, so daß beispielsweise Feststoffe aus Gasen entfernt werden können.

Beispiel 6

Wählt man einen geeigneten Schaumbildner in Beispiel 1 und verarbeitet nach Beispiel 4, so kann man gezielt Katalysatoren in das Membranmaterial einbringen, die, wie im Beispiel 5, abgetrennte Gase reinigen oder absorbieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Polytetrafluorethylen- Körpern mit einer Dichte von höchstens 1,3 g/cm³, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumbildner enthaltendes Polytetrafluorethylen extrudiert und der Schaumbildner entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumbildner enthaltende Polytetrafluorethylen-Mischung nach dem Extrudieren geschäumt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur oberhalb der Extrusionstemperatur geschäumt wird.

4. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kabeln, insbesondere Koaxialkabel, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leiter mit Schaumbildner enthaltendem Polytetrafluorethylen extrudiert werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polytetrafluorethylen- Schaum gesintert wird.

6. Gesinterter Polytetrafluorethylen-Schaum.

7. Schaumbildner enthaltende Polytetrafluorethylen-Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 100 Gew.-Teile PTFE plus 20 bis 100 Gew.-Teile Schaumbildner aufweist.

8. Polytetrafluorethylen-Schaum, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum eine Dichte von höchstens 1,3 g/cm³ aufweist.

9. Verwendung eines Polytetrafluorethylen-Schaums nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum als Dichtung, Sieb, Filter oder Adsorptionsmittel verwendet wird.

10. Elektrisches Kabel, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel einen extrudierten Polytetrafluorethylen-Schaum aufweist.

11. Elektrisches Kabel, insbesondere nach Anspruch 10, dessen Isolierung aus Polytetrafluorethylen-Schaum besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum an der Oberfläche gesintert ist.

12. Extrudierte Kabel, insbesondere nach den Ansprüchen 10 oder 11, mit einem Verlustfaktor tanδ von maximal 2 . 10^-4 oder einer Dielektrizitätszahl ε_r kleiner 1,7.