DE102009008464A1

DE102009008464A1 - Gießharzsystem für Isolierstoffe in Schaltanlagen

Info

Publication number: DE102009008464A1
Application number: DE102009008464A
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr. Swiatkowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-12
Also published as: MX2011007853A; CA2751825A1; CN102317344A; WO2010091922A1; AU2010213031B2; UA104751C2; KR20110124225A; AU2010213031A1; US8349937B2; RU2011137434A; EP2396361A1; BRPI1008333A2; US20110313103A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Isolierharz für Schaltanlagen auf Glycidylesterbasis, enthaltend Methylnadicanhydrid / hydriertes Methylnadicanhydrid als Härter und ein N-substituiertes Imidazol als Beschleuniger. Außerdem ist blättchenförmiges Aluminiumoxid als Füllstoff beigefügt. Das Harz weist eine substantiell erhöhte Glasübergangstemperatur auf bei gleichzeitig hohem mechanischem Niveau und ist sehr trackingbeständig. Es eignet sich als Gießharz in GIL-Anlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Isolierharzen für Schaltanlagen, insbesondere solchen Isolierharzen, die als Gießharze für „gas isolated lines” (GIL) zum Einsatz kommen
Bei elektrischen Schaltanlagen spielt – insbesondere bei kompakter Bauweise – der Isolierstoff eine wichtige Rolle.
Bei diesen Isolierstoffen, die meist in der Form von Gießharzen eingesetzt werden ist eine hohe Glasübergangstemperatur von Vorteil, gleichzeitig bestehen aber auch häufig hohe Anforderungen an günstigen mechanischen Eigenschaften, hoher Feldstärke u. gutem Trackingverhalten. Insbesondere bei GIL ist das Trackingverhalten ein oftmals entscheidender Parameter; weitere Anforderungen sind hohe Berstwerte sowie – wenn möglich eine gute Resistenz gegenüber Zersetzungsprodukten von Gasen wie SF₆.
Es stellt sich somit die Aufgabe, alternativ zu den bestehenden Lösungen ein Isolierharz für Schaltanlagen zu schaffen, bei dem eine erhöhte Glasübergangstemperatur bei gleichzeitig guten oder sogar verbesserten sonstigen Eigenschaften aufgefunden wird, insbesondere hinsichtlich der Trackingbeständigkeit.
Diese Aufgabe wird durch ein Isolierharz gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung gelöst. Demgemäß wird ein Isolierharz auf Glycidylesterbasis für Isolierstoffe in Schaltanlagen vorgeschlagen, aufgebaut auf den Ausgangsstoffen umfassend

a) ein Material enthaltend Methylnadicanhydrid und/oder hydriertes Methylnadicanhydrid
b) ein Material enthaltend ein Imidazol der folgenden Struktur:
wobei R1 ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl; R², R³, R⁴ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl wobei bei geeigneten Resten eine oder mehrere nicht-benachbarte CH2-Gruppen unabhängig voneinander durch -O-, -S-, -NH-, -NR°-, -SiR°R°°-, -CO-, -COO-, -OCO-, -OCO-O-, -SO2-, -CN, -S-CO-, -CO-S-, -CY1=CY2 oder -C≡C- ersetzt sein können und zwar derart, dass O und/oder S Atome nicht direkt miteinander verbunden sind, ebenfalls optional mit Aryl- oder Heteroaryl bevorzugt enthaltend 1 bis 30 C Atome ersetzt sind (endständige CH3-Gruppen werden wie CH2-Gruppen im Sinne von CH2-H verstanden, R° und R°° = Alkyl)
c) einen Füllstoff enthaltend blättchenförmiges Aluminiumoxid Allgemeine Gruppendefinition: Innerhalb der Beschreibung und den Ansprüchen werden allgemeine Gruppen, wie z. B. Alkyl, Alkoxy, Aryl etc. beansprucht und beschrieben. Wenn nicht anders beschrieben, werden bevorzugt die folgenden Gruppen innerhalb der allgemein beschriebenen Gruppen im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet: Alkyl: lineare und verzweigte C1-C8-Alkyle, langkettige Alkyle: lineare und verzweigte C5-C20 Alkyle Alkenyl: C2-C6-alkenyl; cycloalkyl: C3-C8-cycloalkyl; Alkylen: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend methylene; 1,1-ethylene; 1,2-ethylene; 1,1-propylidene; 1,2-propylene; 1,3-propylene; 2,2-propylidene; butan-2-ol-1,4-diyl; propan-2-ol-1,3-diyl; 1,4-butylene; cyclohexane-1,1-diyl; cyclohexan-1,2-diyl; cyclohexan-1,3-diyl; cyclohexan-1,4-diyl; cyclopentane-1,1-diyl; cyclopentan-1,2-diyl; und cyclopentan-1,3-diyl, vinyl, cyanoethyl, undecyl, hydroxymethyl Aryl: ausgewählt aus Aromaten mit einem Molekulargewicht unter 300 Da Halogenalkyl: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend mono, di, tri-, poly und perhalogenierte lineare und verzweigte C1-C8-alkyl Soweit nicht anders erwähnt, sind die folgenden Gruppen mehr bevorzugte Gruppen innerhalb der allgemeinen Gruppendefinition: Alkyl: lineare und verzweigte C1-C6-alkyl, insbesondere Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl; Aryl: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend: Phenyl; Biphenyl; Naphthalenyl; Anthracenyl; Phenanthrenyl, Benzyl Überraschend hat sich herausgestellt daß bei Vorhandensein der beiden Komponenten durch eine Art synergistische Wirkung bei vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindungen Isolierharze erhalten werden können, die eine gegenüber den bisherigen Lösungen stark erhöhte Glasübergangstemperatur aufweisen bei gleichzeitig sehr hohen sonstigen Eigenschaften wie Trackingbeständigkeit oder Berstwert.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Isolierharz” insbesondere ein (bevorzugt niederviskoses) Gießharzsystem auf Basis von Epoxidharz u. Anhydridkomponente mit kontrollierter Reaktivität.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Schaltanlagen” insbesondere Anlagen für die Nieder, Mittel- u. Hochspannung.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung beinhaltet und/oder umfasst der Term „Glycidylesterbasis” insbesondere daß als eine Ausgangskomponente – insbesondere Hauptkomponente – Glycidylesterharz verwendet wird. Dabei können alle im Stand der Technik bekannten Harze Verwendung finden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst der Term „aufgebaut auf den Ausgangskomponente(n)” insbesondere, daß das Isolierharz aus dieser/diesen Komponente(n) hergestellt wird.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst der Term „Methylnadicanhydrid” insbesondere die folgende Verbindung:
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet und/oder umfasst der Term „Aluminiumoxid” insbesondere ein Material, welches zu ≥95% (Gew-%), bevorzugt ≥98% sowie am meisten bevorzugt ≥99% aus Aluminiumoxid besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis des Materials a) zum Material b) (in Gew/Gew) von ≥50:1 bis ≤300:1. Dies hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, da so die Glasübergangstemperatur oftmals nochmals erhöht werden kann.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Materials a) zum Material b)(in Gew/Gew) von ≥100:1 bis ≤250:1, noch bevorzugt ≥150:1 bis ≤220:1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil des Materials a) im Harz (in Gew/Gew Glycidylesterbasis) von ≥0.8:1 bis ≤1:1. Auch dies hat sich für die Erhöhung der Glasübergangstemperatur oftmals als vorteilhaft erwiesen.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Materials a) zum Material a) im Harz (in Gew/Gew Glycidylesterbasis) von ≥0.85:1 bis ≤0.98:1, noch bevorzugt ≥0.92 bis ≤0.97:1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil des Materials b) im Harz (in Gew/Gew Glycidylesterbasis) von ≥0.01:1 bis ≤0.1:1, noch bevorzugt ≥0.02:1 bis ≤0.09:1 sowie am meisten bevorzugt 0.04:1 bis ≤0.07:1
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Komponente b) ausgewählt aus der Gruppe enthaltend 1-Methylimidazol, 1-Ethylimidazol, 1-Propylimidazol, 1-Isopropylimidazol, 1,2 Dimethylimidazo1,2-Ethyl-4-Ethylimidazol, Imidazol, 1-Benzyl-2-Phenylimidazol, 1-Vinylimidazol, 2-Methylimidazol, 2-Heptadecylimidazol sowie Mischungen daraus.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil des Füllstoffes c) im Harz (in Gew/Gew der Gesamtmischung) von ≥50% bis ≤100%. Bevorzugt sind ≥65%, noch bevorzugt ≥70%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der d₅₀ des Füllstoffs c) von ≥2 μm bis ≤6 μm.
Dies hat sich in der Praxis bewährt, da so die Berstfestigkeit oftmals noch erhöht werden kann. Noch bevorzugt sind ≥3 μm bis ≤5 μm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Isolierharz in einem Härtungsverfahren umfassend einen Härtungsschritt bei ≥140°C, bevorzugt ≥150°C und einer Härtungsdauer von ≥12 h, bevorzugt ≥14 h sowie am meisten bevorzugt ≥16 h hergestellt.
Der Verguß erfolgt bevorzugt im Vakuum.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf ein Isolierteil enthaltend ein Isolierharz gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt ist das Isolierteil Teil einer GIL-Anlage.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf die Verwendung eines Harzsystems auf Glycidylesterbasis, aufgebaut auf den Ausgangskomponenten enthaltend

a) ein Material enthaltend Methylnadicanhydrid und/oder hydriertes Methylnadicanhydrid
b) ein Material enthaltend ein Imidazol der folgenden Struktur: wobei R1 ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl; R², R³, R⁴ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl wobei bei geeigneten Resten eine oder mehrere nicht-benachbarte CH2-Gruppen unabhängig voneinander durch -O-, -S-, -NH-, -NR°-, -SiR°R°°-, -CO-, -COO-, -OCO-, -OCO-O-, -SO2-, -S-CO-, -CO-S-, -CY1=CY2 oder -C≡C- ersetzt sein können und zwar derart, dass O und/oder S Atome nicht direkt miteinander verbunden sind, ebenfalls optional mit Aryl- oder Heteroaryl bevorzugt enthaltend 1 bis 30 C Atome ersetzt sind (endständige CH3-Gruppen werden wie CH2-Gruppen im Sinne von CH2-H verstanden, R° und R°° = Alkyl)
c) einen Füllstoff enthaltend blättchenförmiges Aluminiumoxid. als Isoliersystem für Schaltanlagen.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Beispiele.
BEISPIEL I
Die vorliegende Erfindung wird – rein illustrativ und nicht beschränkend – anhand des vorliegenden erfindungsgemäßen Beispiels I untersucht. Dabei wurde ein Harz hergestellt, aufgebaut aus den folgenden Komponenten:

Komponente rel. Gewichtsanteil

Glycidylesterharz 100

Methylnadicanhydrid 95

1-Methylimidazol 0.5

Aluminiumoxid, d₅₀ = 4 μm blättchenformig 70 (bezogen auf die Gesamtmischung)
Das Harz wurde 2 h bei 80°C, danach 2 h bei 100°C, nachfolgend 1 h bei 130°C sowie abschließend 16 h bei 150°C gehärtet.
Weiterhin wurden drei (nicht erfindungsgemäße) Vergleichsharze hergestellt.
Vergleichsbeispiel I:
Im Vergleichsbeispiel I wurde als Füllstoff statt Aluminiumoxid Dolomit mit einem d₅₀-Wert von 21 μm gewählt. Die Herstellungsbedingungen waren ansonsten gleich.
Vergleichsbeispiel II:
Im Vergleichsbeispiel II wurde als Füllstoff statt blättchenförmiges Aluminiumoxid kugelförmiges Aluminium mit einem d₅₀-Wert von 5 μm gewählt. Die Herstellungsbedingungen waren ansonsten gleich.
Vergleichsbeispiel III:
Im Vergleichsbeispiel III wurde als Füllstoff statt Aluminiumoxid Edelkorund mit einem d₅₀-Wert von 4 μm gewählt. Die Herstellungsbedingungen waren ansonsten gleich.

In einem Test wurden zum einen die Zugfestigkeit [ISO 527-4], die Martenstemperatur sowie der Berstwert (Abdrücken mit Wasser) ermittelt

Harz	Zugfestigkeit	Martens (°C)	Berstwert
Vergleichsbeispiel I	50 N/mm²	139	Sollwert nicht gehalten
Vergleichsbeispiel II	50 N/mm²	140	Sollwert nicht gehalten
Vergleichsbeispiel III	70 N/mm²	140	Sollwert gehalten
Beispiel I	80 N/mm²	150	Sollwert gehalten

Das erfindungsgemäße Harzsystem hat somit die höchste Zugfestigkeit, die höchste Martenstemperatur sowie erfüllt (mit Vergleichsbeispiel III) die Anforderungen an den Berstwert.
Von allen Harzsystemen wurde ebenfalls das Trackingverhalten untersucht; dabei schnitten alle Harze als ausreichend ab.
Weiterhin wurde die Beständigkeit gegenüber Zersetzungsprodukten von SF₆ [Lagerung über 3 Monate in hochzersetzem SF₆] ermittelt. Hier wurden gute Beständigkeiten nur bei Vergleichsbeispiel I und Beispiel I ermittelt. Bei den restlichen Varianten war die Beständigkeit reduziert, teilweise erheblich.
Man sieht somit die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Isolierharzes, welches als einziges alle Anforderungen erfüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO 527-4 [0033]

Claims

Isolierharz für Isolierstoffe in Schaltanlagen auf Glycidylesterbasis, aufgebaut auf den Ausgangskomponenten umfassend a) ein Material enthaltend Methylnadicanhydrid und/oder hydriertes Methylnadicanhydrid b) ein Material enthaltend ein Imidazol der folgenden Struktur:
wobei R1 ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl; R², R³, R⁴ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl wobei bei geeigneten Resten eine oder mehrere nicht-benachbarte CH2-Gruppen unabhängig voneinander durch -O-, -S-, -NH-, -NR°-, -SiR°R°°-, -CO-, -COO-, -OCO-, -OCO-O-, -SO2-, -S-CO-, -CO-S-, -CY1=CY2 oder -C≡C- ersetzt sein können und zwar derart, dass O und/oder S Atome nicht direkt miteinander verbunden sind, ebenfalls optional mit Aryl- oder Heteroaryl bevorzugt enthaltend 1 bis 30 C Atome ersetzt sind (endständige CH3-Gruppen werden wie CH2-Gruppen im Sinne von CH2-H verstanden, R° und R°° = Alkyl) c) einen Füllstoff enthaltend blättchenförmiges Aluminiumoxid.
Isolierharz nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Materials a) zum Material b) (in Gew/Gew) von ≥50:1 bis ≤300:1 beträgt.
Isolierharz nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil des Materials a) im Harz (in Gew/Gew Glycidylesterbasis) von ≥0.8:1 bis ≤1:1 beträgt.
Isolierharz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anteil des Materials b) im Harz (in Gew/Gew Glycidylesterbasis) von ≥0.01:1 bis ≤0.1:1 beträgt.
Isolierharz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Komponente b) ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend 1-Methylimidazol, 1-Ethylimidazol, 1-Propylimidazol, 1-Isopropylimidazol Imidazol, 2-Methylimidazol, 1,2-Dimethylimidazol,2-Ethyl-4-Ethylimidazol, Imidazol,1-Benzyl-2-Phenylimidazol, 1-Vinylimidazol, 2-Methylimidazol, 2-Heptadecylimidazol, 2-Phenylimidazol sowie Mischungen daraus.
Isolierharz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der d₅₀ des Füllstoffs c) von ≥2 μm bis ≤6 μm beträgt
Isolierteil enthaltend ein Isolierharz nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Isolierteil nach Anspruch 7, wobei das Isolierteil Teil einer GIL-Anlage ist.
Verwendung eines Harzsystems auf Glycidylesterbasis, aufgebaut auf den Ausgangskomponenten enthaltend a) ein Material enthaltend Methylnadicanhydrid und/oder hydriertes Methylnadicanhydrid b) ein Material enthaltend ein Imidazol der folgenden Struktur:
wobei R1 ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl; R², R³, R⁴ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Alkyl, langkettiges Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl, Halogenalkyl, Aryl wobei bei geeigneten Resten eine oder mehrere nicht-benachbarte CH2-Gruppen unabhängig voneinander durch -O-, -S-, -NH-, -NR°-, -SiR°R°°-, -CO-, -COO-, -OCO-, -OCO-O-, CN, -SO2-, -S-CO-, -CO-S-, -CY1=CY2 oder -C≡C- ersetzt sein können und zwar derart, dass O und/oder S Atome nicht direkt miteinander verbunden sind, ebenfalls optional mit Aryl- oder Heteroaryl bevorzugt enthaltend 1 bis 30 C Atome ersetzt sind (endständige CH3-Gruppen werden wie CH2-Gruppen im Sinne von CH2-H verstanden, R° und R°° = Alkyl) c) einen Füllstoff enthaltend blättchenförmiges Aluminiumoxid. als Isolierstoff in elektrischen Schaltanlagen.