DE102008049888A1

DE102008049888A1 - Vergussmasse zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen und Verfahren zum Verfüllen der Zwischenräume

Info

Publication number: DE102008049888A1
Application number: DE200810049888
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Zapf
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: DE102008049888B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vergussmasse zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen und ein Verfahren zum Verfüllen der Zwischenräume zwischen den Magnetsystemen und den Ummantelungen. Die Vergussmasse besteht aus einer mehrkomponentigen lösemittelfreien Epoxidharzabmischung und einem Epoxidharzhärter auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine, wobei die Epoxidharzabmischung mit dem Epoxidharzhärter bei Raumtemperturen aushärten kann. Dabei weist die Epoxidharzabmischung eine Pump- und Gießfähigkeit auf und besitzt in den Polymerketten chemisch eingebaute, die Harzmatrix flexibilisierende Epoxidharzgruppen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vergussmasse zwischen einem Magnetsystem und einer Ummantelung desselben, insbesondere eine Vergussmasse für ein Magnetsystem eines gesinterten Seltenerdmagnetstoffes oder eines polymergebundenen Seltenerdmagneten mit duroplastischem Bindemittel zwischen Magnetpulverkörnern oder für ein Magnetsystems mit Paketlamellen und elektrisch isolierenden Klebstoffzwischenschichten.
Magnetsysteme für elektromechanische Maschinen, Generatoren, wie Wind- und Wasserkraftwerke, Motoren, Kupplungen, Linearmotoren und andere Systeme auf der Basis von hartmagnetischen Seltenerdmagneten werden nach dem Verpressen der Magnetpulver und dem Aushärten des duroplastischen Bindemittels oder auf der Basis von weichmagnetischen Werkstoffen nach dem Aufkleben bzw. Zusammenkleben der Magnete in Form von Paketlamellen zu einem Magnetsystem mit elektrisch isolierenden Klebstoffzwischenschichten häufig zusätzlich vergossen. Dabei werden die Spalte zwischen den Magnetsystemen und einer möglichen Ummantelung oder einer Bandage oder eines Gehäuse aufgefüllt, um damit die Systemkomponenten vor Korrosion zu schützen.
Für diese Aufgabe werden Verguss- oder Tränkmassen benötigt, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Insbesondere müssen die Vergussmassen in der Lage sein, mechanische Spannungen innerhalb des Vergusses aufzunehmen. Diese Spannungen treten infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien für das Magnetmaterial und das Ummantelungsmaterial, sowie das Mate rial der Vergussmassen auf. Dabei kann eine Vergussmasse durch ihre Härtungsschrumpfung relativ hohe Spannungen induzieren. Manche innere Spannungen sind besonders bei Nd-Fe-B-Magnete bestückten Systemen wegen des negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des hartmagnetischen Materials besonders groß und haben deshalb erheblichen Einfluss auf die Stabilität der vergossenen Systeme.
Eine Folge von Verspannungen und ungenügendem Spannungsabbau in der Vergussmasse sind Risse im Verguss zur Ummantelung oder zum Magnetsystem hin oder gar Risse in das Magnetmaterial hinein. Derartige Fehlstellen führen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Stabilität des Systems sowie einer Beeinträchtigung des Korrosionsschutzes. Die Vergussmasse muss eine intensive Haftung sowohl auf dem Magnetmaterial des Magnetsystems, als auch auf dem Material der Ummantelung oder eines Trägerteils, beispielsweise aus Stahl aufweisen. Auch die Scherfestigkeit zwischen den einzelnen Verbundpartnern und der Vergussmasse muss ausreichend hoch sein, um die oben erwähnte Rissbildung zu vermeiden.
Die ausgewählte Vergussmasse sollte Temperaturwechsel zwischen –40°C und +100°C im Betrieb überstehen können, ohne zu reißen oder zu verspröden. Die Vergussmasse muss auch für Großsysteme, wie Wind- und Wasserkraftgeneratoren, für die eine Ofenaushärtung zu aufwändig und zu teuer ist, geeignet sein und sollte bereits bei Raumtemperatur aushärten können. Außerdem muss die vorbereitete Masse mit Härter eine ausreichende Verarbeitungszeit bzw. Topfzeit zulassen, um auch Großsysteme sicher mit der Vergussmasse füllen zu können, bevor die Vernetzung zu einem Duroplast einsetzt.
Schließlich soll die noch nicht ausgehärtete Vergussmasse weder das Bindemittel zwischen verpressten hartmagnetischen Magnetpulverkörnern noch die Klebstoffzwischenschichten zwischen weichmagnetischen Paketlamellen beschädigen, anläsen oder angreifen.
Aus dem Stand der Technik sind dazu dünnflüssige Gießharzsysteme auf der Basis Biphenol-A und/oder Biphenol-F mit konventionellen aliphatischen oder cycloaliphatischen Aminhärtern bekannt. Diese führen jedoch zu relativ harten Massen, die im Temperaturwechseltest Probleme bereiten und zur Rissbildung neigen. Eine Zugabe von Weichmachern zu solchen Systemen schwächt jedoch den inneren Verbund und setzt die innere Festigkeit der ausgehärteten Harze und die Haftung zu den verbundenen Komponenten herab.
Andere dünnflüssige, flexibilisierte Epoxidharzmassen, wie sie für Fußbodenanwendungen bekannt und im Einsatz sind, enthalten jedoch hohe Anteile an Lösungsmitteln, wie beispielsweise Benzylalkohole, die in geschlossenen Systemen, wie in einem verkapselten Generatorrotor, zur Unter- oder Anlösung der Bindemittel oder der Klebstoffzwischenschichten von Magnetsystemen führen können. Außerdem reagieren solche dünnflüssigen Harze in der Regel sehr schnell, sodass die erreichbaren Topfzeiten nicht ausreichend sind, um Großsysteme sicher zu füllen, sodass eine Verarbeitung in Verbindung mit großen Maschinen und großen Magnetsystemen schwierig bis unmöglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vergussmasse zu schaffen, die zum Verfüllen zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen geeignet ist und die oben aufgeführten Forderungen erfüllt, bzw. die Nachteile bekannter dünnflüssiger Gießharzsysteme mit ihren Lösemittelabmischungen überwindet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verfüllen von Zwischenräumen zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vergussmasse zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen und ein Verfahren zum Verfüllen der Zwischenräume zwischen den Magnetsystemen und den Ummantelungen angegeben. Das Magnetsystem weist insbesondere einen Seltenerdmagnetstoff mit duroplastischem Bindemittel zwischen Magnetpulverkörnern oder Paketlamellen mit elektrisch isolierenden Klebstoffzwischenschichten auf. Die Vergussmasse besteht aus einer mehrkomponentigen, lösemittelfreien Epoxidharzabmischung und einem Epoxidharzhärter auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine, wobei die Epoxidharzabmischung mit dem Epoxidharzhärter bei Raumtemperatur aushärten kann.
Dabei weist die Epoxidharzabmischung eine Pump- und Gießfähigkeit auf und besitzt in den Polymerketten chemisch eingebaute, die Harzmatrix flexibilisierende Epoxidharzgruppen. Eine derartige Vergussmasse hat den Vorteil, dass sie die oben aufgeführten Erfordernisse erfüllt und gleichzeitig die Nachteile im Stand der Technik überwindet. Durch die niedrigviskose Epoxidharzabmischung wird sichergestellt, dass die Vergussmasse für Ihre Verarbeitung dünnflüssig genug ist, um ihre Pumpfähigkeit zu garantieren.
Die erfindungsgemäße Vergussmasse dringt dabei selbst noch in Zwischenräume von kleiner 100 μm zwischen den Magneten und ihren Ummantelungen ein und füllt diese sicher durch entsprechende Kapillarwirkung auf. Aufgrund der chemisch eingebauten flexibilisierenden funktionellen Gruppen in der Epoxidharzabmischung wird sichergestellt, dass die Vergussmasse nach einem Aushärten bei Raumtemperatur eine Harzmatrix mit hoher Flexibilisierung ausbildet. Diese sorgt dafür, dass die Vergussmasse ein elastisches Verhalten aufweist, aber gleichzeitig auch reißfest genug ist, um sowohl die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der drei Komponenten des Verbundes, nämlich Magnetmaterial, Verbundsmasse und Ummantelung auszugleichen und Spannungen aufzunehmen, ohne eine Rissbildung zu verursachen, selbst wenn die Vergussmasse nach dem Aushärten Betriebstemperaturen T_B zwischen –40°C ≤ T_B ≤ 100°C im Betrieb ausgesetzt ist. Sogar negative thermische Ausdehnungskoeffizienten, wie sie bei einem Seltenerdmagnetwerkstoff auftreten, können durch die hohe Flexibilisierung der erfindungsgemäßen Vergussmasse ausgeglichen werden.
Vorzugsweise weist die Epoxidharzabmischung eine Gesamtviskosität v_A von v_A < 800 mPa·s auf. Diese niedrige Viskosität gewährleistet eine ausreichende Dünnflüssigkeit, die es ermöglicht, selbst in Spalten kleiner 100 μm noch einzudringen und diese voll auszufüllen. Dabei, wie oben erwähnt, können Kapillarkräfte aufgrund einer hohen Benetzungsfähigkeit der Vergussmasse auf den unterschiedlichen Oberflächen dieses Auffüllen geringer Spalten noch unterstützen. Diese niedrige Viskosität der Epoxidharzabmischung kann selbst nach hinzufügen des erfindungsgemäßen Epoxidharzhärters auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine bei Raumtemperatur noch für Topfzeiten größer als 1 Stunde aufrecht erhalten werden. Somit gewährleistet diese erfindungsgemäße Vergussmasse eine ausreichend hohe Bearbeitungszeit, so dass selbst Zwischenräume in großvolumigen Magnetsystemen mit Ummantelungen beispielsweise von Großgeneratoren und Großmaschinen sicher mit der Vergussmasse aufgefüllt werden können.
Vorzugsweise ist eine der Komponenten der mehrkomponentigen, lösemittelfreien Epoxidharzabmischung ein difunktionelles, flüssiges Epoxidharz vom Typ Biphenol-A oder Biphenol-F oder Abmischungen derselben mit einem mittleren Molekulargewicht G_d von G_d < 700 g/mol. Dieses niedrige Molekulargewicht begrenzt einerseits die Länge der miteinander reagierenden Polymerketten und setzt die Viskosität v_d herab, die für diese difunktionelle, flüssige Epoxydharzkomponent zwischen 5.000 mPa·s ≤ v_d ≤ 15.000 mPa·s liegt, wobei diese Komponente einen Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 20 Gew.-% ≤ m_d ≤ 70 Gew.-% aufweist. Dabei wird ein Epoxidgehalt E_d zwischen 4 Eq/kg ≤ E_d ≤ 6 Eq/kg begrenzt.
Typischerweise wird für diese difunktionelle, flüssige Epoxidharzkomponente eine Viskosität v_d von 10.000 mPa·s und ein Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung mit Härter zwischen 40 Gew.-% ≤ m_d ≤ 50 Gew.-% eingehalten.
Weiterhin ist es vorgesehen, für die erfindungsgemäße Epoxidharzabmischung einen monofunktionellen Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₈ ≤ C_x ≤ C₂₀ als weitere Komponente zuzumischen. Mit dieser Komponente, die eine Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 50 mPa·s aufweist, wird die vergleichsweise höhere Viskosität der difunktionellen, flüssigen Epoxidharzkomponente deutlich herabgesetzt, und ein Epoxidgehalt E_m zwischen 2,5 Eq/kg ≤ E_m ≤ 5,5 Eq/kg mit einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung mit Härter zwischen 5 Gew.-% ≤ m_m ≤ 20 Gew.-% vorgesehen. Neben der Herabsetzung der Viskosität der Epoxidharzabmischung erreicht man mit dieser monofunktionellen Alkylglycidylether-Komponente eine Auflockerung der Polymermatrix, die chemisch eingebaut eine Flexibilisierung der späteren ausgehärteten Harzmatrix unterstützen. Außerdem wird eine verbesserte Benetzung der Werkstücke durch die langen aliphatischen Molekülketten unterstützt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese zweite Komponente der Epoxidharzabmischung auf Kohlenstoffketten von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₁₀ ≤ C_x ≤ C₁₆ eingeengt und die Viskosität v_m auf einen Bereich zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 10 mPa·s vermindert. Auch der Epoxidgehalt E_m kann auf 3 Eq/kg ≤ E_m ≤ 4 Eq/kg eingeschränkt werden, so dass vorzugsweise ein Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 8 Gew.-% ≤ m_m ≤ 12 Gew.-% ausreicht.
Als dritte Komponente wird der Epoxidharzabmischung ein bifunktionelles Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl mit einer Viskosität v_b zwischen 10.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 40.000 mPa·s zugemischt. Der Epoxidgehalt E_b dieser dritten Komponente wird zwischen 2,0 Eq/kg ≤ E_b ≤ 4,0 Eq/kg eingestellt, wobei das bifunktionelle, flüssige Epoxidharz einen Massenanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 10 Gew.-% ≤ m_b ≤ 80 Gew.-% aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das bifunktionelle Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl eine Viskosität v_b zwischen 20.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 30.000 mPa·s auf, einen Epoxidgehalt E_b zwischen 2,2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 3,5 Eq/kg und einen Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 30 Gew.-% ≤ m_b ≤ 50 Gew.-% auf.
Bei einer Epoxidharzabmischung mit den oberen drei Komponenten wird ein derart dünnflüssiges, mehrkomponentiges Epoxidharzgemisch erreicht, dass die gemeinsame oder die Gesamtviskosität zwischen 10.000 mPa·s ≤ v_A ≤ 40.000 eingehalten werden kann. Darüber hinaus ist mit einer derartigen Epoxidharzabmischung die Voraussetzung erreicht, eine Flexibilisierung der Harzmatrix über chemisch in die Polymerketten eingebaute flexibilisierende, funktionelle Gruppen erfolgen kann. Darüber hinaus enthalten die erfindungsgemäßen Harze Komponenten mit guter Haftung und Benetzungsfähigkeit zu den Systemoberflächen, beispielsweise aus Stahl-Magnet-Material. Die fertiggestellte Abmischung mit diesen neuen Harzkomponenten ist derart dosiert, dass sie eine Pump- und Gießfähigkeit sicherstellt. Die Topfzeit wird hingegen durch den im folgenden offenbarten Epoxidharzhärter beeinflusst und mitbestimmt.
Erst mit der Zumischung eines Epoxidharzhärters zu der oben ausgeführten Epoxidharzabmischung ist die Vergussmasse verarbeitungsbereit und weist eine Topfzeit t_T größer als 1 Stunde auf. Diese Topfzeit t_T und eine Viskosität v_A ≤ 800 mPa·s ist ausreichend, um die flüssige Vergussmasse aus Epoxidharzabmischung und Epoxidharzhärter in die Zwischenräume zwischen den Magnetsystemen und ihren Ummantelungen einzufüllen. Dabei können selbst Zwischenräume und Spalte kleiner 100 μm aufgefüllt werden.
Vorzugsweise weist der Epoxidharzhärter ein lineares, langkettiges, primäres Diamin oder ein Polyetherdiamin mit einer Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C₈ ≤ C_y ≤ C₂₀ auf. Einerseits sorgt diese Kettenlänge für eine flexibilisierte Vernetzung der Polymerketten der Epoxidharzabmischung und andererseits wird sichergestellt, dass keine zu kurzen Kettenlängen des Epoxidharzbinders zu einer engen Vernetzung der Polymerketten der Epoxidharzabmischung und damit zu einer relativ harten ausgehärteten Vergussmasse führen. Vorzugsweise werden deshalb als Epoxidharzhärter langkettige primäre alipfatische Diamine und Polyetherdiamine mit einer Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C₁₀ ≤ C_y ≤ C₁₆ eingesetzt. Dabei ist es von Vorteil, als Epoxidharzhärter primäre Diamine einzusetzen, die der Formel H₂N-(CH₂)_n-NH₂ mit n zwischen 8 ≤ n ≤ 18 genügen. Für die Epoxidhärtung können auch Polyetherdiamine mit den Formeln H₂N-(CH₂)₃-(OCH₂-CH₂)_n-(CH₂)-NH₂ mit n zwischen 1 ≤ n ≤ 4 oder H₂N-(CH₂)₃-O-(CH₂)_n-O-(CH₂)₃-NH₂ mit n zwischen 2 ≤ n ≤ 10 besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
Mögliche Vertreter für primäre Diamine als Epoxidharzhärter sind 1,10-Decandiamin oder ein 4,7-Dioxadecan-1,10-diamin. Weiterhin ist es möglich, in die Vergussmasse zusätzliche Additive aus der Gruppe Haftvermittler, Organosilane, Farbstoffe, Entschäumer, rheologische Additive, Füllstoffe oder Pigmente einzufügen. Bevorzugt sind jedoch Füllstoffe in der Vergussmasse weitgehend zu vermeiden, wenn es darum geht, äußerst enge Spalte mit der Vergussmasse aufzufüllen.
Ein Verfahren zum Verfüllen von Zwischenräumen zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird vorzugsweise entweder ein Magnetsystem aus verpressten Magnetpulvern eines Seltenerdmagnetwerkstoffs mit duroplastischem Bindemittel oder ein Magnetsystem mit Paketlamellen und elektrisch isolierenden klebenden Zwischenschichten bereitgestellt. Anschließend wird das Magnetsystem in der Ummantelung positioniert, wobei Zwischenräume entstehen, die entsprechend aufzufüllen sind.
Dazu wird eine mehrkomponentige, lösemittelfreie Epoxidharzflüssigkeit zusammengemischt, wobei in die Polymerketten der Epoxidharzabmischung flexibilisierende funktionelle Gruppen chemisch eingebaut werden. Danach erfolgt ein Zumischen eines Epoxidharzhärters auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine zu der Epoxidharzabmischung. Nun kann mit Hilfe dieser Epoxidharzvergussmasse das Auffüllen der Zwischenräume zwischen Magnetsystem und Ummantelung innerhalb einer zeitlich begrenzten Topfzeit durchgeführt werden. Danach folgt ein Aushärten der Vergussmasse bei Raumtemperatur zu einer flexibilisierten Harzmatrix.
Beim Auffüllen der Zwischenräume benetzt die mehr komponentige, lösemittelfreie Epoxidharzflüssigkeit mit Epoxidharzhärter das Magnetsystem und die Ummantelung, ohne das Bindemittel oder die Klebstoffschichten der Magnetsysteme anzulösen. Damit wird erreicht, dass Fehlstellen, die durch Lösemittel enthaltende Epoxidharzmischungen an dem Bindemittel oder den Zwischenschichten entstehen, vermieden werden. Insbesondere Großsysteme für Generatoren und Motoren können mit dieser Vergussmasse aufgefüllt werden, zumal die Topfzeit t_T > 1 h ist, so dass eine ausreichende Verarbeitungszeit vorgegeben wird und die Viskosität mit v_A < 800 mPa·s äußerst niedrig einstellbar ist.
Beim Mischen der Epoxidharzabmischung wird ein difunktionelles, flüssiges Epoxidharz vom Typ Biphenol-A oder Biphenol-F oder Abmischungen derselben mit einem mittleren Molekulargewicht G_d von G_d 700 g/mol verarbeitet. Vorzugsweise kann als difunktionelles, flüssiges Epoxidharz ein Epoxidharz mit einer Viskosität v_d zwischen 5.000 mPa·s ≤ v_d ≤ 15.000 mPa·s sowie einem Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 20 Gew.-% ≤ m_d ≤ 50 Gew.-% zugemischt werden.
Als weitere Komponente wird in die Epoxidharzabmischung ein monofunktionelles Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₈ ≤ C_x ≤ C₂₀, bei einer Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 50 mPa·s mit einem Epoxidgehalt E_d zwischen 2,5 Eq/kg ≤ E_d ≤ 5,5 Eq/kg und einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 5 Gew.-% ≤ m_m ≤ 20 Gew.-% eingebracht.
Vorzugsweise wird jedoch der monofunktionelle Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₁₀ ≤ C_x ≤ C₁₆ und einer Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 10 mPa·s zugemischt. Dabei kann ein eingeschränkter Bereich für den Epoxidgehalt E_d zwischen 3 Eq/kg ≤ E_d ≤ 4 Eq/kg mit einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 8 Gew.-% ≤ m_m ≤ 12 Gew.-% vorgesehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Epoxidharzabmischung ein bifunktionelles Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl mit einer Viskosität v_b zwischen 1.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 4.000 mPa·s zugegeben. Der Epoxidgehalt E_b liegt zwischen 2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 4 Eq/kg und der Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung ist zwischen 10 Gew.-% ≤ m_b ≤ 80 Gew.-%. Ein bevorzugter engerer Bereich für das Zumischen der bifunktionellen Epoxidharzkomponente auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl wird bei einer Viskosität v_b zwischen 2.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 3.000 mPa·s eingestellt und es wird ein Epoxidgehalt E_b zwischen 2,2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 3,5 Eq/kg eingehalten.
Dabei ist der Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 30 Gew.-% ≤ m_b ≤ 50 Gew.-%.
Nachdem eine derartige Epoxidharzabmischung gemischt und vorbereitet ist, kann nun der Epoxidharzhärter, in einer Zusammensetzung; wie sie bereits oben im Detail beschrieben wurde, zugesetzt werden, sodass an dieser Stelle die unterschiedlichen möglichen erfindungsgemäßen Zusammenstetzungen des Epoxidharzhärters nicht erneut diskutiert werden. Es folgen vielmehr nun Ausführungsbeispiele für Vergussmassen, die sich in Testreihen bewährt haben und die deutliche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Vergussmassen zeigen.
Erstes Ausführungsbeispiel einer Vergussmasse
Dazu wird als Komponente A eine Epoxidharzabmischung hergestellt aus 20 Gewichtsanteilen eines difunktionellen Biphenol-A Harzes mit einem Epoxidwert von 5,25 Eq/kg und einem mittlerem Molekulargewicht G_m von G_m < 700 g/mol und 10 Gewichtsanteile mit einer Polymerkettenlänge von C₁₂ bis C₁₄ aus einem Alkylglycidylether. Als dritter Anteil dieser Epoxidharzabmischung werden 50 Gewichtsanteile eines bifunktionellen epoxidierten Cashew Nussschalenöls mit einem Epoxidwert von 2,5 Eq/kg hinzugemischt.
Als Komponente B wird ein Epoxidharzhärter mit 18 Gewichtsanteilen eines 1,10-Decandiamins in 4,7-Dioxadecan-1,10-Diamin mit 4:6 Masseanteilen zugesetzt. Die beiden Komponenten A und B werden vereinigt und gründlich gemischt. Die Masse weist eine Viskosität von 500 mPa·s bei 23°C auf. Anschließend erfolgt der Verguss bei 23°C innerhalb von 60 Minuten. Nach 48 Stunden bei Raumtemperatur ist schließlich die Vergussmasse ausgehärtet und weist eine hoch flexibilisierte Harzmatrix auf.
Zweites Ausführungsbeispiel zur Herstellung einer Vergussmasse
In diesem Fall wird als Komponente A eine Epoxidharzabmischung aus 40 Gewichtsanteilen eines difunktionellen Biphenol-A-Harzes mit einem Epoxidwert von 2,25 Eq/kg und einem mittleren Molekulargewicht G_m von < 700 g/mol mit 15 Gewichtsanteilen einer Polymerkette C₁₂ bis C₁₄ eines Alkylglycidylethers gemischt. Diesem Gemisch werden 20 Gewichtsanteile eines bifunktionellen epoxidierten Cashew Nussschalenöls mit einem Epoxidwert von 3 Eq/kg zugemischt.
Für einen Epoxidharzhärter werden Komponente A als Komponente B 17 Gewichtanteile eines 4,9-Dioxadodecane-1,12-Diamin zugegeben. Die Komponenten A und B werden wie oben vereinigt und gründlich gemischt. Die Masse weist eine Viskosität von 350 mPa·s bei 23°C auf. Anschließend erfolgt der Verguss bei 23°C innerhalb von 60 Minuten. Nach 48 Stunden bei Raumtemperatur ist die Vergussmasse schließlich ausgehärtet und weist eine flexibilisierte Harzmatrix auf.
Aufbau und Ergebnis von Temperaturwechseltests
Mit dem Aufbau für Temperaturwechseltests kann überprüft werden, ob die Vergussmasse Temperaturwechsel zwischen –40°C und +100°C ohne Rissbildung oder Brüchigkeit übersteht. Dazu werden auf eine 15 mm dicke Eisenplatte der Abmessungen 148 × 98 mm zentriert 4 Md-Fe-B Magnete der Abmessungen einer Länge 50 mm × Breite 40 mm × Höhe 30 mm unter Beachtung der Magnetisierungsrichtung mit Loctite 326/Aktivator 7649 bei einer Klebefläche von 50 mm × 40 mm aufgeklebt. Der Abstand zwischen den Magneten beträgt jeweils 0,1 mm. Die geklebte Eisenplatte wird in eine Dose der Abmessungen 150 mm × 100 mm und der Höhe 70 mm gegeben. Die Dose wird nun mit Gießharz des zweiten Ausführungsbeispiels aufgefüllt, so dass das Gießharz die Magnete komplett abdeckt und diese zirka 15 mm überdeckt. Gleichzeitig wird ein Vergleichsversuch mit einer dünnflüssigen Standard Tränk- und Vergussmasse, wie sie im Handel erhältlich ist, bei einer Viskosität von 4 mPa·s aufgebaut.
Beide Aufbauten für diesen Temperaturwechseltest werden einem Temperaturwechseltestzyklus zwischen –40°C und +100°C ausgesetzt. Ein Zyklus wird für 1 h/–40°C und 1 h/+100°C mit jeweils einer Stunde Aufheizen bzw. Abkühlen durchgeführt. Ein kompletter Zyklus dauert somit 4 Stunden und es werden 6 Zyklen pro Tag durchgeführt. Der gesamte Test läuft über 2 Wochen. Dies entspricht 84 Testzyklen.
Dabei zeigte bereits nach 2 Tagen die Standardmasse Spannungsrisse und war von Spannungsrissen durchsetzt. Die erfindungsgemäße Vergussmasse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigte keinerlei Schäden oder Risse. Auch die Haftung sowohl auf dem Eisen, als auch auf den Magneten war einwandfrei, selbst nach den 84 Zyklen.
Zum Nachweis dieser Ergebnisse und Ermittlung ihrer Scherfestigkeit wurden die Testaufbauten anschließend aufgeschnitten und Scherproben zwischen Magnet und Magnet der Abmessungen 40 mm × 30 mm herausgearbeitet. Von diesen Proben wurde die Druckscherfestigkeit bestimmt und es ergab sich für alle gemessenen Scherfestigkeitswerte der erfindungsgemäßen Verbundmasse eine Größenordnung zwischen 10 und 15 N/mm². Eine Beur teilung der Klebespalte ergab, dass der Bruch bei den Scherfestigkeitsversuchen im Gießharz kohäsiv erfolgte und alle Klebespalte von 0,1 mm Dicke perfekt und blasenfrei mit Harz aufgefüllt waren.
Ermittlung der Topfzeit
Dazu wurde 1 kg einer Masse aus difunktionellem, flüssigem Epoxidharz mit einem mittleren Molekulargewicht < 700 g/mol und einer Epoxidzahl von 4 bis 6 Eq/kg sowie einer Viskosität von 5.000 bis 15.000 mPa·s des Typs Biphenol-A oder Biphenol-F oder Abmischungen hiervon mit 100 g Glycidylether einer Kohlenstoffkette von C₁₂ bis C₁₄ mit einer Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 50 mPa·s, einem Epoxidgehalt E_m zwischen 2,5 Eq/kg ≤ E_m ≤ 5,5 Eq/kg mit einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 5 Gew.-% ≤ m_m ≤ 20 Gew.-% gemischt und 300 g bifunktionelles Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl mit einer Viskosität v_b zwischen 1.**000 mPa·s ≤ v_b ≤ 4.**000 mPa·s, einem Epoxidgehalt E_b zwischen 2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 4 Eq/kg und mit einem Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 10 Gew.-% ≤ m_b ≤ 80 Gew.-% zugegeben.
Dieser Epoxidharzabmischung mit den drei genannten Komponenten werden 200 g Epoxidharzhärter aus 4,7,10-Trioxatridecan-1,13-Diamin bei 23°C zugemischt. Die Temperatur steigt mit zunehmender Reaktionsdauer langsam an, während die Viskosität absinkt. Nach Erreichen einer Temperatur von ca. 60°C, nach etwa 80 Minuten, steigen Temperatur und Viskosität spontan innerhalb weniger Minuten rapid an. Die Masse härtet somit spontan aus und erreicht eine Temperatur von 120°C. Aus der gewonnenen Zeit-Temperatur-Kurve wird schließlich eine Topfzeit von 75 Minuten für diese Vergussmasse ermittelt.
Scherversuche
Mit der für die Topfzeit eingesetzten Zusammensetzung der Vergussmasse werden Scherfestigkeitsproben aus Eisenplatten bzw. Stahlplatten der Abmessungen 50 mm × 30 mm × 5 mm mit Nd-Fe-B Dauermagneten der Abmessungen mit einem Durchmesser von 90 mm × einer Dicke 3 mm als Ronden aufgebaut. Je 5 dieser Proben werden bei Raumtemperatur abgeschert. Die Scherfestigkeit liegt bei der Eisen-Magnet-Verklebung bei 14 bis 16 N/mm², bei der Edelstahl-Magnet-Verklebung bei 12 bis 15 N/mm². Dabei ist das Bruchverhalten, wie bereits oben für die Scherversuche beschrieben, stets kohäsiv.

E_b: Epoxidgehalt des bifunktionellen Epoxidharzes
E_d: Epoxidgehalt des difunktionellen Epoxidharzes
E_m: Epoxidgehalt des monofunktionellen Alkylglycidylether
C_x: Kohlenstoffatome in einer Polymerkette
C_y: Kohlenstoffatome in einer Polymerkette
m_b: Masseanteil des bifunktionellen Epoxidharzes
m_d: Masseanteil difunktionelles flüssiges Epoxidharz
m_m: Masseanteil des monofunktionelle Alkylglycidylether
G_d: Molekulargewicht
n: ganzzahliges Vielfaches
t_T: Topfzeit der Epoxidharzabmischung mit Härter
V_A: Viskosität der Epoxidharzabmischung mit Härter
V_b: Viskosität des bifunktionellen Epoxidharzes
V_d: Viskosität des difunktionellen Epoxidharzes
V_m: Viskosität des monofunktionellen Alkylglycidylethers

Claims

Vergussmasse zwischen einem Magnetsystem und einer Ummantelung desselben, insbesondere eine Vergussmasse für ein Magnetsystem eines gesinterten Seltenerdmagnetstoffes oder eines polymergebundenen Seltenerdmagneten mit duroplastischem Bindemittel zwischen Magnetpulverkörnern oder für ein Magnetsystems mit Paketlamellen und elektrisch isolierenden Klebstoffzwischenschichten, wobei die Vergussmasse eine mehrkomponentige lösemittelfreie Epoxidharzabmischung und einen Epoxidharzhärter auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine zur Raumtemperaturaushärtung aufweist, und wobei die Epoxidharzabmischung eine Pump- und Gießfähigkeit besitzt und in den Polymerketten chemisch eingebaute, die Harzmatrix flexibilisierende Epoxidharzgruppen aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 1, wobei die Epoxidharzabmischung eine Viskosität v_A von v_A < 800 mPa·s während einer Topfzeit t_T von t_T > 1 h aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Epoxidharzabmischung ein difunktionelles flüssiges Epoxidharz vom Typ Biphenol-A oder Biphenol-F oder Abmischungen derselben mit einem mittleren Molekulargewicht G_d von G_d < 700 g/mol aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 3, wobei das difunktionelle flüssige Epoxidharz einen Epoxidgehalt E_d zwischen 4 Eq/kg ≤ E_d ≤ 6 Eq/kg, und eine Viskosität v_d zwischen 5.000 mPa·s ≤ v_d ≤ 15.000 mPa·s mit einem Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 20 Gew.-% ≤ m_d ≤ 70 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 4, wobei das difunktionelle flüssige Epoxidharz eine Viskosität v_d typischerweise von v_d = 10.000 mPa·s und einen Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 40 Gew.-% ≤ m_d ≤ 50 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Epoxidharzabmischung einen monofunktionellen Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₈ ≤ C_x ≤ C₂₀, eine Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 50 mPa·s, einen Epoxidgehalt E_m zwischen 2,5 Eq/kg ≤ E_m ≤ 5,5 Eq/kg mit einem Masseanteil mm an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 5 Gew.-% ≤ m_m ≤ 20 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 6, wobei der monofunktionelle Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₁₀ ≤ C_x ≤ C₁₆, eine Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 10 mPa·s, einen Epoxidgehalt E_m zwischen 3 Eq/kg ≤ E_m ≤ 4 Eq/kg mit einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 8 Gew.-% ≤ m_m ≤ 12 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Epoxidharzabmischung ein bifunktionelles Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl mit einer Viskosität v_b zwischen 1.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 4.000 mPa·s, einem Epoxidgehalt E_b zwischen 2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 4 Eq/kg und mit einem Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 10 Gew.-% ≤ m_b ≤ 80 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 8, wobei der bifunktionelle Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl eine Viskosität v_b zwischen 2.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 3.000 mPa·s, einem Epoxidgehalt E_b zwischen 2,2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 3,5 Eq/kg und mit einem Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 30 Gew.-% ≤ m_b ≤ 50 Gew.-% aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Epoxidharzhärter ein lineares langkettiges primäres Diamin oder ein Polyetherdiamin mit einer Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C8 ≤ C_y ≤ C₂₀ aufweist.
Vergussmasse nach Anspruch 10, wobei der Epoxidharzhärter eine Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C₁₀ ≤ C_y ≤ C₁₆ aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Epoxidharzhärter Diamine der Formel H₂N-(CH₂)_n-NH₂ mit n zwischen 6 ≤ n ≤ 18 ausweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Epoxidharzhärter Polyetherdiamine der Formeln H₂N-(CH₂)₃-(OCH₂-CH₂)_n-(CH₂)_n-NH₂ mit n zwischen 1 ≤ n ≤ 4 oder H₂N-(CH₂)₃-O-(CH₂)_n-O-(CH₂)₃-NH₂ mit n zwischen 2 ≤ n ≤ 10 aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Epoxidharzhärter ein 1,10-Decandiamin oder ein 4,7-Dioxadecan-1,10-diamin aufweist.
Vergussmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Vergussmasse zusätzlich ein Additiv aus der Gruppe Haftvermittler, Organosilane, Farbstoffe, Entschäumer, rheologische Additive, Füllstoffe oder Pigmente aufweist.
Verfahren zum Verfüllen von Zwischenräumen zwischen Magnetsystemen und Ummantelungen, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Magnetsystems aus verpresstem Magnetpulver eines Seltenerdmagnetwerkstoff mit duroplastischem Bindemittel oder eines Magnetsystems mit Paketlamellen und elektrisch isolierenden klebenden Zwischenschichten; – Positionieren des Magnetsystems in der Ummantelung; – Mischen einer mehrkomponentigen lösemittelfreien Epoxidharzflüssigkeit, wobei in die Polymerketten der Epoxidharzabmischung flexibilisierende Epoxidharzgruppen chemisch eingebaut werden; – Zumischen eines Epoxidharzhärters auf der Basis aliphatischer Diamine oder Polyetherdiamine zu der Epoxidharzabmischung; – Auffüllen der Zwischenräume zwischen Magnetsystem und Ummantelung mit der Vergussmasse innerhalb einer zeitlich begrenzten Topfzeit; – Aushärten der Vergussmasse bei Raumtemperatur zu einer flexibilisierten Harzmatrix.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die mehrkomponentige lösemittelfreie Epoxidharzflüssigkeit mit Epoxidharzhärter das Magnetsystem und die Ummantelung beim Auffüllen der Zwischenräume intensiv benetzt, ohne die Zwischenschichten zwischen den Paketlamellen anzulösen.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die Epoxidharzabmischung bei einer Viskosität v_A von v_A < 800 mPa·s innerhalb einer Topfzeit t_T von t_T > 1 h verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei beim Mischen der Epoxidharzabmischung ein difunktionelles flüssiges Epoxidharz vom Typ Biphenol-A oder Biphenol-F oder Abmischungen derselben mit einem mittleren Molekulargewicht G_d von G_d < 700 g/mol verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das difunktionelle flüssige Epoxidharz mit einem Epoxidgehalt E_d zwischen 4 Eq/kg ≤ E_d ≤ 6 Eq/kg, und einer Viskosität v_d zwischen 5.000 mPa·s ≤ v_d ≤ 15.000 mPa·s sowie einem Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 20 Gew.-% ≤ m_d ≤ 70 Gew.-% zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das difunktionelle flüssige Epoxidharz typischerweise mit einer Viskosität v_d von v_d = 10.000 mPa·s und einem Masseanteil m_d an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 40 Gew.-% ≤ m_d ≤ 50 Gew.-% zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei in die Epoxidharzabmischung ein monofunktioneller Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₈ ≤ C_x ≤ C₂₀, bei einer Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 50 mPa·s, mit einem Epoxidgehalt E_d zwischen 2,5 Eq/kg ≤ E_d ≤ 5,5 Eq/kg und einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 5 Gew.-% ≤ m_m ≤ 20 Gew.-% eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der monofunktionelle Alkylglycidylether mit einer Kohlenstoffkette von Kohlenstoffatomen C_x zwischen C₁₀ ≤ C_x ≤ C₁₈ und einer Viskosität v_m zwischen 5 mPa·s ≤ v_m ≤ 10 mPa·s, einem Epoxidgehalt E_d zwischen 3 Eq/kg ≤ E_d ≤ 4 Eq/kg mit einem Masseanteil m_m an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 8 Gew.-% ≤ m_m ≤ 12 Gew.-% zu der Epoxidharzabmischung zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei der Epoxidharzabmischung ein bifunktionelles Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl mit einer Viskosität v_b zwischen 1.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 4.000 mPa·s zugegeben wird und ein Epoxidgehalt E_b zwischen 2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 4 Eq/kg erreicht wird, und wobei der Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 10 Gew.-% ≤ m_b ≤ 80 Gew.-% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der bifunktionelle Epoxidharz auf der Basis von epoxidiertem Cashew Nussschalenöl auf eine Viskosität v_b zwischen 2.000 mPa·s ≤ v_b ≤ 3.000 mPa·s eingestellt wird und ein Epoxidgehalt E_b zwischen 2,2 Eq/kg ≤ E_b ≤ 3,5 Eq/kg eingehalten wird, wobei einem Masseanteil m_b an der gesamten Epoxidharzabmischung zwischen 30 Gew.-% ≤ m_b ≤ 50 Gew.-% eingehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei als Epoxidharzhärter ein lineares langkettiges primäres Diamin oder ein Polyetherdiamin mit einer Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C₈ ≤ C_y ≤ C₂₀ eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei ein Epoxidharzhärter mit einer Kettenlänge von Kohlenstoffatomen C_y zwischen C₁₀ ≤ C_y ≤ C₁₆ verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei ein Diamin der Formel H₂N-(CH₂)_n-NH₂ mit n zwischen 6 ≤ n ≤ 18 als Epoxidharzhärter der mehrkomponentigen Epoxidharzabmischung zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, wobei eines der Polyetherdiamine der Formeln H₂N-(CH₂)₃-(OCH₂-CH₂)_n-(CH₂)-NH₂ mit n zwischen 1 ≤ n ≤ 4 oder H₂N-(CH₂)₃-O-(CH₂)_n-O-(CH₂)₃-NH₂ mit n Epoxidharzhärter zwischen 2 ≤ n ≤ 10 der mehrkomponentigen Epoxidharzabmischung zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, wobei als Epoxidharzhärter ein 1,10-Decandiamin oder ein 4,7-Dioxadecan-1,10-diamin zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 30, wobei der Vergussmasse zusätzlich ein Additiv aus der Gruppe Haftvermittler, Organosilane, Farbstoffe, Entschäumer, rheologische Additive, Füllstoffe oder Pigmente zugesetzt wird.