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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glimmer-Verbundmaterial und dessen Verwendung.
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Glimmer wird aufgrund seiner hervorragenden elektrisch isolierenden Eigenschaften bei elektrischen Maschinen, beispielsweise bei rotierenden Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren, zu Isolationszwecken eingesetzt. Dazu wird aus dem in der Natur vorkommenden mineralischen Glimmer zunächst ein Zwischenprodukt in Form des sogenannten Glimmerpapiers hergestellt. Es besteht aus vielen feinen Glimmer-Plättchen oder -Schuppen, die versetzt an- und übereinander anliegen, so dass eine dünne Lage nach Art einer Papierbahn gebildet ist. Das Glimmerpapier hat nur eine geringe mechanische Stabilität und Zerreißfestigkeit. Deshalb wird es zu stabileren Glimmerbändern weiter verarbeitet, indem es auf eine Trägerbahn aufgebracht wird. Hierbei kommen mehrkomponentige Bindemittelsysteme zum Einsatz, die neben einem Kaschierkleber zusätzlich auch einen Beschleuniger enthalten können. Die Harze vieler derzeit gängiger Bindemittelsysteme werden, insbesondere, wenn sie gleichzeitig einen Beschleuniger enthalten, mit der Zeit spröde, wodurch sich die Biegbarkeit der Glimmerbänder verschlechtert. Die Lagerfähigkeit solcher Glimmerbänder ist also begrenzt.
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In der
EP 0 660 336 A2 wird ein Glimmer-Verbundmaterial beschrieben, das eine Thermoplastmatrix mit eingelagerten Glimmer-Plättchen sowie ein Trägermaterial umfasst. Der Anteil der eingelagerten Glimmer-Plättchen bewegt sich zwischen 10 und etwas mehr als 50 Gewichtsprozent.
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Auch in der
EP 0 836 204 A1 wird ein Glimmer-Verbundmaterial beschrieben, das einen Schichtaufbau aus einer glimmer- und thermoplasthaltigen Bahn und einer Trägerbahn umfasst.
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Die
WO 2003/093372 A1 beschreibt unter anderem das Vermischen eines Pigments mit einem Polyamid in Wasser und das nachfolgende Trennen und Trocknen.
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Die
DE 600 16 228 T2 beschreibt Glimmerverbundmaterialien aus Glimmer und Thermoplasten.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Glimmer-Verbundmaterials mit verbesserter Lagerstabilität und verbesserten mechanischen Eigenschaften anzugeben, und das Glimmer- Verbundmaterial zu verwenden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einer Verwendung nach Anspruch 4.
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Die bei dem Glimmer-Verbundmaterial zusätzlich vorgesehenen thermoplastischen Kunststoffanteile verleihen eine höhere Haftwirkung zwischen den insbesondere in Plättchen- oder Schuppenform vorliegenden Glimmer-Partikeln. Insbesondere sind die Bereiche mit den Kunststoffanteilen in etwa gleichmäßig zwischen den Glimmer-Partikeln und innerhalb der Bahn verteilt. Aufgrund der durch die Kunststoffanteile hervorgerufenen Haftwirkung hat die Bahn bei ansonsten vergleichbarem Verhalten eine deutlich höhere mechanische Stabilität, Zerreißfestigkeit und auch Biegbarkeit als herkömmliches Glimmerpapier. Insbesondere erlaubt die gute mechanische Flexibilität auch eine direkte Weiterverarbeitung. So kann ein die Bahn umfassendes Glimmer-Verbundmaterial aufgrund der durch die Thermoplastanteile verbesserten mechanischen Eigenschaften ohne Träger zur Isolations-Bewicklung von elektrischen Maschinen verwendet werden. Das ansonsten übliche Aufbringen auf eine zusätzliche Trägerbahn kann zumindest bei manchen Anwendungen komplett entfallen.
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Weiterhin kann eine beim Stand der Technik durch die Versprödung der verwendeten Bindemittelsysteme hervorgerufene Begrenzung der Lagerungsfähigkeit prinzipiell nicht auftreten, da kein reaktives Bindemittelsystem zum Aufkaschieren einer Trägerbahn vorgesehen ist.
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Ein ohne Trägerbahn realisiertes Glimmer-Verbundmaterial zeichnet sich außerdem durch eine sehr geringe Dicke aus. Ein die Bahn umfassendes Glimmer-Verbundmaterial ist deutlich dünner als ein herkömmliches Glimmerband, das aus einem Schichtverbund eines herkömmlichen Glimmerpapiers, eines Bindemittelsystems und eines geeigneten Trägers besteht.
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Ein Gewichtsanteil aller innerhalb der Bahn enthaltenen thermoplastischen Kunststoffanteile beträgt bezogen auf das Gesamtgewicht der Bahn höchstens 10%. Der Anteil an Glimmer-Partikeln überwiegt die thermoplastischen Kunststoffanteile also insbesondere deutlich, so dass ein durch den Glimmer bedingtes hohes Isolationsvermögen gegeben ist. Außerdem treten bei Kunststoffanteilen mit diesem geringen Mengenanteil keine größeren zusammenhängenden Materialteilbereiche aus Kunststoff auf.
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Günstig ist eine Variante, bei der die Bahn porös ist. Die Poren dienen insbesondere zur Aufnahme eines Imprägnierharzes, mit dem eine aus dem Glimmer-Verbundmaterial hergestellte Isolationsbewicklung einer elektrischen Maschine getränkt wird. Dies erfolgt im Zuge eines Vakuum-Druck-Imprägnier-Verfahrens (= VPI-Verfahrens). Das Glimmer-Verbundmaterial hat also bevorzugt eine Restporosität, die groß genug ist, um die erforderliche Menge an Imprägnierharz aufnehmen zu können.
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Weiterhin können die thermoplastischen Kunststoffanteile innerhalb der Bahn vorzugsweise eine Vielzahl separater Materialteilbereiche bilden. Insbesondere sind diese Materialteilbereiche untereinander nicht verbunden. Die Bahn weist bevorzugt keine durchgehende Thermoplast-Schicht auf. Vielmehr bilden die thermoplastischen Kunststoffanteile insbesondere voneinander unabhängige Materialinseln innerhalb der Bahn. Dadurch wird die für die Tränkung mit dem Imprägnierharz erforderliche Porosität gewährleistet. Das Harz kann dann die Bahn praktisch vollständig durchtränken. Es gibt keine Bereiche, die durch große zusammenhängende Kunststoffzonen vor dem Imprägnierharz abgeschottet wären.
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Bei einer weiteren günstigen Ausgestaltung umfassen die thermoplastischen Kunststoffanteile z. B. ein Polyphenylensulfid (PPS), ein Polyetheretherketon (PEEK) oder ein Polyimid. Insbesondere können sie auch aus einem dieser genannten Kunststoffe bestehen. Andere Thermoplaste sind ebenfalls möglich. Der Kunststoff wird auch nach den Temperaturanforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls ausgewählt. Auf diese Weise können Glimmer-Verbundmaterialien für verschiedene Temperaturbeanspruchungen realisiert werden.
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Je nach verwendetem thermoplastischen Kunststoff lassen sich problemlos die Wärmeklassen F, H und bei Bedarf 200 abdecken. Die hier maßgeblichen Wärmeklassen für die Isolierung elektrotechnischer Betriebsmittel sind in der IEC 60085 definiert. Je nach Wärmeklasse der elektrischen Maschine erstreckt sich der Anwendungstemperaturbereich von einem insbesondere in der Bahntechnik maßgeblichen Minimalwert von –40°C bis zu einem Maximalwert von 130°C (Klasse B), von 155°C (Klasse F), von 180°C (Klasse H) oder von 200°C (Klasse 200). Auch noch höhere Temperaturwerte sind grundsätzlich möglich.
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Von den genannten Thermoplasten eignet sich ein Polyphenylensulfid insbesondere für die Wärmeklasse F, also bis zu einer Temperatur von etwa 155°C, sehr gut. Ein Polyetheretherketon eignet sich insbesondere für die Wärmeklasse H, also bis zu einer Temperatur von etwa 180°C bis 200°C, sehr gut. Ein Polyimid ist dagegen insbesondere für die Wärmeklasse 200, also bis zu einer Temperatur von etwa 200°C bis 220°C, sehr gut geeignet.
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Bei einer weiteren Variante, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist die erste Bahn mit einem Träger in Form einer zweiten Bahn verbunden ist. Dadurch kann die mechanische Stabilität weiter verbessert werden, falls dies für manche Anwendungsfälle gefordert sein sollte. Die zweite Bahn ist insbesondere eine Trägerbahn aus einem Vlies, einer (Kunststoff-)Folie oder einem Glasgewebe. Sie ist auf die erste Bahn kaschiert oder geklebt. Das dabei verwendete Bindemittelsystem ist verglichen mit den derzeit gängigen Bindemittelsystemen zur Verbindung eines herkömmlichen Glimmerpapiers mit einer Trägerbahn einfacher. Insbesondere können wegen der in der ersten Bahn vorhandenen Kunststoffanteile einige der bei den bislang verwendeten Bindemittelsystem vorhandenen Komponenten weggelassen werden. Insbesondere kann ein Bindemittelanteil, mittels dessen die erste Bahn mit dem Träger zusammengeklebt wird, im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden.
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Bei der Flüssigkeit, die gemäß Anspruch 1 eingesetzt wird, kann es sich insbesondere um Wasser handeln. Dies erleichtert den Fertigungsprozess. Die Durchmischung der Suspension trägt dazu bei, dass die thermoplastischen Kunststoffanteile in dem herzustellenden Glimmer-Verbundmaterial vorzugsweise fein und möglichst gleichmäßig verteilt sind. Der in die Suspension eingebrachte pulverförmige thermoplastische Kunststoff hat eine Pulverkorngröße im Bereich zwischen 0,5-mal bis 2-mal, vorzugsweise zwischen 1-mal bis 1,5-mal, einer mittleren Dicke der Glimmer-Partikel. Dadurch ergibt sich zum einen eine gute Haftwirkung zwischen den mittels des Kunststoffs verbundenen Glimmer-Partikeln und zum anderen sind die nach der Erwärmung entstehenden Kunststoff-Materialinseln klein genug, um eine ausreichende Porosität zu gewährleisten. Das Entziehen der Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise mittels einer Sieb-Filterung. Es kann aber auch ein Verdampfungsprozess vorgesehen sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Vorteilhafterweise lässt sich die Größe der im hergestellten Glimmer-Verbundmaterial eingebetteten Kunststoff-Materialinseln durch die Teilchengröße des der Flüssigkeit zugesetzten pulverförmigen thermoplastischen Kunststoffs steuern.
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Darüber hinaus ist eine Variante des Verfahrens besonders günstig, bei der während des Flüssigkeitsentzugs eine Schüttel- oder Rührbewegung vorgenommen wird. Dadurch wird ein guter Durchmischungszustand der Glimmer-Partikel und des pulverförmigen thermoplastischen Kunststoffs während dieses Prozessschrittes und als Folge davon auch im herzustellenden Endprodukt erreicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Rohmaterial auf mindestens 130°C, insbesondere auf mindestens 150°C, erwärmt. Die Erwärmung reicht zumindest bis in die Nähe der Erweichungstemperatur oder des Schmelzpunkts des jeweils eingesetzten thermoplastischen Kunststoffs. Die Erwärmung erfolgt im Zusammenhang mit einem Kalandrierprozess, bei dem das Rohmaterial in eine dünne bahnartige Form vergleichbar der einer Folien- oder Papierbahn gebracht wird, soweit dies nicht bereits während des Flüssigkeitsentzugs erfolgt ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes einlagiges thermoplasthaltiges Glimmer-Verbundmaterial in einer Querschnittsdarstellung und
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2 ein mehrlagiges, nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines thermoplasthaltigen Glimmer-Verbundmaterials in einer Querschnittsdarstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Glimmer-Verbundmaterials 1 gezeigt, das neben plättchenförmigen Glimmer-Partikeln 2 auch thermoplastische Kunststoffanteile 3 umfasst. Die Glimmer-Partikel 2 und die Kunststoffanteile 3 sind gut durchmischt. Die Kunststoffanteile 3 sind fein verteilt als nicht zusammenhängende Kunststoffinseln zwischen den Glimmer-Partikeln 2 eingebaut. Es handelt sich also um einen Materialverbund, der eine dünne Lage in Form einer glimmer- und thermoplasthaltigen Bahn umfasst.
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Die thermoplastischen Kunststoffanteile 3 sind während des Herstellungsprozesses erweicht oder aufgeschmolzen worden. Im weichen Zustand passt sich der Kunststoff an die jeweils umgebenden Glimmer-Partikel 2 an. Die thermoplastischen Kunststoffanteile 3 behalten diese an die Glimmer-Partikel 2 angepasste Form auch nach Abschluss des Abkühlvorgangs in dem hergestellten Endprodukt, also in dem Glimmer-Verbundmaterial 1, bei.
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Die eingebauten thermoplastischen Kunststoffanteile 3 erhöhen die mechanische Stabilität und die Flexibilität des Glimmer-Verbundmaterials 1, so dass es in der in 1 gezeigten Form – also ohne einen zusätzlichen Träger – unmittelbar zu Isolationszwecken weiter verarbeitet werden kann. Das Glimmer-Verbundmaterial 1 kann direkt zur Herstellung einer Isolationsbewicklung für einen Elektromotor oder einen elektrischen Generator verwendet werden. Das Glimmer-Verbundmaterial 1 hat Poren 4, so dass es mit einem Imprägnierharz getränkt werden kann.
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Der Glimmer-Anteil ist mit etwa 95 Gewichtsprozenten deutlich größer als der Thermoplastanteil. Die thermoplastischen Kunststoffanteile 3 bestehen beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus einem PEEK-Kunststoff, wodurch eine besonders hohe Temperaturstabilität bis zu Temperaturen von über 200°C erreicht wird.
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In 2 ist ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Glimmer-Verbundmaterials 5 gezeigt, das mehrlagig aufgebaut ist. Es enthält als isolierende Hauptkomponente eine erste Lage in Form einer Bahn 6, die im Wesentlichen gleich der glimmer- und thermoplasthaltigen Bahn des in 1 gezeigten Glimmer-Verbundmaterials 1 ist. Zusätzlich ist eine weitere Lage in Form einer Trägerbahn 7 vorgesehen, die mittels eines Bindemittelsystems 8, im Ausführungsbeispiel mittels eines einfachen Klebers, aufkaschiert ist. Die Trägerbahn 7 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Vlies. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 verbessert der Thermoplastgehalt der ersten Bahn 6 die mechanischen Eigenschaften.
