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Die Herstellung von Gießharztransformatoren ist herkömmlich bekannt und kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. So ist es möglich Draht (z. B. Kupfer) in Verbindung mit Glasfäden zur Herstellung eines Spulenkörpers aufzuwickeln. Auch ist bekannt, eine Bandwicklung mit Kunststofffolien als Lagenisolation vorzunehmen. Die Einbettung des Spulenkörpers in der Vergussmasse erfolgt unter Vakuum, damit eine optimale Imprägnierung der Drahtspule gewährleistet wird, um Spannungsdurchschläge zu verhindern. Anschließend wird die Gießharzmasse in der Regel unter Temperatureinwirkung ausgehärtet.
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Es ist seit Jahren Stand der Technik, als Vergussmasse für die Isolation von elektrischen Bauteilen, insbesondere Hochspannungstransformatoren, Gießharzmassen auf der Basis von Epoxidharzen zu verwenden. Diese Gießharze zeichnen sich zum einen durch eine hohe elektrische Festigkeit aus und zum anderen besitzen sie im ausgehärteten Zustand eine hohe mechanische Stabilität.
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Um die behördlich vorgeschriebenen Brandtests zu bestehen, beispielsweise den F1-Test nach DIN EN 60076-1, müssen dem Gießharz in Abhängigkeit der Fertigungstechnik häufig Flammschutzmittel zugegeben werden. Hierbei zeigen sich jedoch verschiedenste Nachteile.
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Flammschutzmittel in flüssiger Form wirken in der Regel als Weichmacher, wodurch die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Gießharzes verschlechtert werden. Werden Flammschutzmittel in fester Form dem Gießharz zugesetzt, treten beim Vergießen im Vakuum durch die im Gießharz befindlichen Festigkeitsträger (z. B. Glasfasern) oder durch die Drahtwicklungen des Transformators selbst, Filtrationserscheinungen auf, so dass das Flammschutzmittel im Gießharz inhomogen verteilt ist, wodurch keine zuverlässige Nichtentflammbarkeit des Materials gewährleistet ist. Durch eine Inhomogenität der Vergussmasse können außerdem Teilentladungen stattfinden, die letztendlich zum Spannungsdurchschlag der Isolation führen können. Dieses Phänomen tritt unabhängig von den bekannten Arten der Herstellung des Transformators auf.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zu finden, mit Epoxidharz vergossene, insbesondere elektrische Bauteile bereitzustellen, wobei die Gießharze den Anforderungen an Flammfestigkeit genügen gleichzeitig aber keine Einbußen in der mechanischen oder elektrischen Festigkeit mit sich bringen.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass bei der Herstellung der Bauteile eine bei Raumtemperatur selbstklebende Folie verwendet wird, die ein Phenoxyharz mit einem molaren Gewicht von 30000 bis 65000 g/mol, ein Epoxidharz und ein Flammschutzmittel enthält.
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Durch die Verwendung einer selbstklebenden Folie, wird das Flammschutzmittel gezielt an einer definierten Stelle im Harzsystem des Bauteils unkompliziert eingebracht. Es wird erst freigesetzt, wenn die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und umgebende Harzmatrix dies ermöglichen. So vermischen sich idealerweise die Harzkomponenten bei vorhandener Kompatibilität der Folienzusammensetzung homogen mit denen der umgebenden Matrix (bevorzugt auf Epoxidharzbasis) und das Flammschutzmittel verbleibt in örtlicher Nähe des Auftragungsortes der Folie. So kann die erfindungsgemäße Folie für Anwendungen bei denen gezielte Anforderungen an die Flammbeständigkeit bestehen, wie z. B. in Faserverbundbauteilen für z. B. Luft- und Raumfahrttechnik oder aber auch für Anwendungen z. B. im Baubereich eingesetzt werden.
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Bevorzugt wird die erfindungsgemäße selbstklebende Folie bei der Herstellung von vergossenen, insbesondere elektrische Bauteilen, verwendet. Beim Vergießen der Gießharzmasse kann das Flammschutzmittel nicht mehr durch feste Bestandteile des zu vergießenden Bauteils (z. B. Drahtspule eines Gießharztransformators, Glasfasermatten) ausfiltriert werden, da es zu dem Zeitpunkt des Vergusses in der Folie eingebunden vorliegt. Unter Temperaturerhöhung, insbesondere bei der Härtung des Gießharzes, werden die Harzkomponenten der Folienzusammensetzung in das Gießharzsystem aufgenommen.
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Bevorzugt ist, wenn die Folienzusammensetzung bezogen auf alle Harzkomponenten 5 bis 25 Gew.%, bevorzugt 10 bis 20 Gew.%, Phenoxyharz und 95 bis 75 Gew.%, bevorzugt 90 bis 80 Gew.%, Epoxidharz enthält. Durch diese Zusammensetzung wird eine Folie mit guten Drapiereigenschaften und optimaler Klebwirkung erzielt.
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Als Epoxidharzkomponente für die Folienzusammensetzung soll bevorzugt ein Epoxidharz ausgewählt aus einem Diglycidylether eines Biphenols, Bisphenols, alkylsubstituierte Biphenole, alkylsubstituierte Bisphenole, phenol- oder alkylsubstituierte Bisphenole-Aldehyd-Novolak-Harze, ungesättigte alkylierte Phenole oder alkylsubstituierte Phenolharze oder cycloaliphatische Epoxidester zum Einsatz kommen. Diese Harze sind aufgrund ihrer Reaktivität und Viskosität von Vorteil. Vorteilhafterweise wird Bisphenol A-diglycidylether mit einem Epoxidäquivalent von 185 bis 250 verwendet. Hierbei handelt es sich um ein bei Rautemperatur flüssiges Epoxidharz was, die selbstklebenden Eigenschaften der Folienzusammensetzung verstärkt und somit diese Funktion weiter sicherstellt.
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Als Phenoxyharz mit einem molaren Gewicht von 30000 bis 65000 g/mol wird bevorzugt – aufgrund der großtechnischen Verfügbarkeit – ein Advancementharz eines Bisphenol A-glycidylether umgesetzt mit Bisphenol A verwendet.
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Die Folienzusammensetzung weist bevorzugt 10 bis 30 Gew.% Flammschutzmittel bezogen auf alle Komponenten der Zusammensetzung auf. Bei Anteilen < 10 Gew.% kann die Flammfestigkeit nicht im ausreichendem Maße positiv beeinflusst werden. Bei Anteilen > 30 Gew.% ist die Folie nicht mehr ausreichend drapierbar bzw. brüchig und fest.
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Für die erfindungsgemäße Folienzusammensetzung können aus dem Stand der Technik bekannte Verbindungen als Flammschutzmittel verwendet werden. Insbesondere soll das Flammschutzmittel ausgewählt sein aus Natriumpolyphosphat, Ammoniumpolyphosphat, Aluminiumtrihydroxid, Magnesiumhydroxid, phosphacyclischen Substanzen (DOPO) und/oder mikrogekapseltem roten Phosphor. Das sind Verbindungen mit getestet guter Flammschutzwirkung und sie sind großtechnisch verfügbar.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Folienzusammensetzung noch weitere Komponenten wie z. B. Verarbeitungshilfsmittel wie Entgasungsadditive, Netzmittel, Talkum oder auch Pigmente, Verstärkungsmaterialien wie z. B. Glaskurzfasern enthalten. Auch ist es denkbar, weitere Komponenten der selbstklebenden Folie zuzugeben, die dann gezielt in bestimmten Bereichen eines Bauteils freigegeben werden und die Eigenschaften des Bauteils optimieren können. Beispielhaft seien an dieser Stelle Silane genannt, die die Hydrophobie der Bauteiloberfläche positiv beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Folienzusammensetzung kann auf herkömmliche Art und Weise hergestellt werden und zu einer Folie geformt werden:
Die einzelnen Komponenten werden aus Dosiereinrichtungen in ein Mischaggregat, z. B. Kokneter, Walzenstuhl, vorzugsweise Extruder, eingespeist und homogenisiert. Die das Mischaggregat verlassende Planware (Temperatur ca. 70–90°C) wird auf ein oder beidseitig mit z. B. Silikon, Wachs oder Teflon beschichteten Papier oder Folie transportiert und mittels Walzen auf eine Schichtdicke von 0,5 bis 1,2 mm gebracht. Anschließend kann die gefertigte erfindungsgemäße Folie aufgerollt werden und steht somit zur weiteren Anwendung bedarfsgerecht vor Ort bei der Herstellung des Produktes zur Verfügung.
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Wie bereits erwähnt ist die erfindungsgemäße Folienzusammensetzung zur Einbettung und damit zur Herstellung von Produkten geeignet, die vorzugsweise eine Epoxidharzbasis aufweisen. Generell ist es aber auch möglich die Folie in andere kompatible Harzsysteme einzubetten, wobei Harze z. B. auf Basis von Polyurethan oder Polyester denkbar wären.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die erfindungsgemäße Folienzusammensetzung zur Herstellung von Isoliermaterialien für elektrische leitende Bauteile, Transformatoren, insbesondere Gießharztransformatoren verwendet wird.
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Der Aufbau und die Herstellung von Gießharztransformatoren erfolgt in üblicher Art und Weise, wobei die bei Raumtemperatur selbstklebende Folie mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bevorzugt entweder als letzte Schicht auf die Drahtspule, die wiederum auch z. B. Glasfäden oder weitere Schichten enthalten kann, gewickelt wird oder in unmittelbarer Nähe der Drahtspule (z. B. an der Form) aufgebracht bzw. eingebettet wird. Die Herstellung und Homogenisierung der Gießharzmasse kann z. B. in üblicher Weise mit Hilfe bekannter Mischaggregate und Verfahren erfolgen.
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Besonders bevorzugt ist, wenn zur Herstellung der Gießharztransformatoren ein Gießharz verwendet wird, wobei die Gießharzmasse bezogen auf 100 Teile Harz (z. B. Epoxidharze auf Basis von modifizierten Bisphenol A/Bisphenol F-Harzen) folgende Bestandteile enthält:
75 bis 85 Teile zumindest eines Härters (z. B. ausgewählt aus Anhydriden, wie z. B. modifiziertes Methyltetrahydrophthalsäureanhydrid)
0,5 bis 3,4 Teile zumindest eines Beschleunigers (z. B. ausgewählt auf Basis von tertiären Aminen und deren Salze, wie z. B. Benzyltributylammoniumchlorid)
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Zur Imprägnierung der Spule, die eine Wicklung aus mehreren Lagen umfasst, von denen jede aus mehr als einer Windung eines elektrisch leitenden Fasermaterials oder folienartigen Materials mit einem elektrisch isolierenden draht- oder folienartigen Material besteht, wird diese gegebenenfalls nach vorheriger Erwärmung, in eine Form eingefügt. Durch das Einbringen der erfindungsgemäßen bei Raumtemperatur selbstklebenden Folie kann, je nach Ort an der die Folie angebracht wird (z. B. in und/oder an der gewickelten Spule und/oder der Form), gezielt die flammhemmende Eigenschaft in das System eingebracht werden. In der Regel wird die Form evakuiert und es erfolgt das Einbringen der härtbaren Gießharzmasse mittels Vakuumvergusses. Unter Vakuum (ca. 5 bis 10 mbar) wird die Masse in die Form eingebracht und anschließend bei Umgebungsdruck und einer Temperatur von 60 bis 130°C erfolgt in einem mehrstufigen Prozess die Aushärtung der Vergussmasse.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden:
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1. Herstellung der Folie mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung:
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184 g EPIKOTETM 834 (Harz der Momentive Specialty Chemicals Inc., Advancementharz aus Bisphenol A diglycidether und Bisphenol A im Verhältnis 92,16: 8,24) werden mit 20.5 g Phenoxyharz PKHH der Firma Inchem Phenoxy Resin, Corp. Rock Hill, SC, USA und 44 g Ammoniumpolyphosphat in einem Doppelschneckenextruder gemischt. Diese Mischung wird bei 80°C auf silikonbeschichtetes Papier flächenförmig ausgezogen. Die Oberseite der Folie wird ebenfalls mit silikonbeschichtetes Papier abgedeckt, um Verunreinigungen zu vermeiden und das Handling der bei Raumtemperatur klebrigen Folie zu verbessern. Über ein weiteres Walzenpaar wird die Schichtdicke der Folie auf 0,6 mm gebracht. Die so hergestellte Folie mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird als Rollenware aufgewickelt und kann bedarfsgerecht vor Ort bei der Herstellung des Gießharztransformators bereitgestellt werden.
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2. Herstellung eines Gießharztransformators:
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100 kg EPIKOTETM Resin 845 (Harz der Momentive Specialty Chemicals Inc., epoxidiertes Harz auf Basis von modifiziertem Bisphenol A/Bisphenol F) werden mit 2 kg eines Füllstoffs gemischt und auf 75°C unter Vakuum 2 bis 3 h vorgewärmt. Separat dazu werden 82 kg EPIKURETM Curing Agent 845 und 1,8 kg EPIKURETM Catalyst 100 (tert. Aminhärter und Anhydridkatalysator der Momentive Specialty Chemicals Inc.) bei 65°C unter Vakuum 2 bis 3 h erwärmt. Beide Mischungen werden bei 70°C unter Vakuum (2–3 mbar) in einem statischen Mischer miteinander gemischt. Die Mischung wird in einer separaten Gießkammer in eine vorgeheizte Form, die eine Spule ummantelt mit der in 1 hergestellten Folie enthält, eingebracht. Bei einer Temperatur von 75°C und unter Vakuum (2–3 mbar) wird die Mischung anfangs getrocknet und bei 8–10 mbar schließlich vergossen. Die Aushärtung des Verbundes erfolgt in einem Ofen bei 85°C 10 h, 100°C 4,5 h und 120°C 4,5 h. Anschließend kann der Gießharztransformator bei 85 bis 90°C entformt werden.
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In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse des Brandtestes UL 94 aufgeführt.
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Der UL 94-Test ist eine Standardmethode zur Bestimmung der Entflammbarkeit von Kunststoffen. Dabei wird die Zeit der Löschung bzw. Verbreiterung einer Flamme an einer gezündeten Probe bestimmt. Die UL 94-Prüfung erfolgt in Abstimmung mit den Normen IEC 60707, 60695-11-10 und 60695-11-20 und ISO 9772 und 9773.
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Folgende Kriterien gelten für die Einstufung der Kunststoffe (Tabelle 1): Tabelle 1
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Der Test wurde an Normstabproben (13 mm × 4 mm) durchgeführt.
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Hierfür wurden im Labormaßstab 100 g EPIKOTETM Resin 845 mit 82 g EPIKURETM Curing Agent 845 und 1,8 g EPIKURETM Catalyst 100 gemischt und unter den angegebenen Bedingungen gehärtet.
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Bei Material (1) wurde zusätzlich eine Folie um den Normstab gewickelt, die hergestellt wurde aus 184 g EPIKOTE
TM 834, 20.5 g Phenoxyharz PKHH und 44 g Ammoniumpolyphosphat. Material (2) ist die Vergleichsprobe ohne Folie. Die aufgeführten Zeiten entsprechen der Nachbrenndauer. Tabelle 2
| Prüfart: | Brennbarkeitsprüfung nach UL 94 |
| Material (1): | EP 845 + EK 845 + EKcat100 + Flammschutzfolie [Epikote 834 + Phenoxyharz PKHH + Ammoniumpolyphosphat] |
| Material (2): | EP 845 + EK 845 + EKcat100 + ohne Flammschutzfolie |
| Härtung: | 4 h 80°C – 12 h 130°C |
Material (1)
| Probe | Breite [mm] | Dicke [mm] | 1. Beflammung Zeit [s] | 2. Beflammung Zeit [s] | 3. Beflammung Zeit [s] |
| 1 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 3 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 13 | 4 | 0 | 0 | 0 |
Material (2)
| Probe | Breite [mm] | Dicke [mm] | 1. Beflammung Zeit (t1) [s] | 2. Beflammung Zeit (t2) [s] | 3. Beflammung Zeit (t3) [s] |
| 1 | 13 | 4 | >30 | >30 | >30 |
| 2 | 13 | 4 | >30 | >30 | >30 |
| 3 | 13 | 4 | >30 | >30 | >30 |
| 4 | 13 | 4 | >30 | >30 | >30 |
| 5 | 13 | 4 | >30 | >30 | >30 |
Einstufung:
| Material (1): | Einstufung nach V-0 |
| Material (2): | Keine Einstufung nach UL 94 möglich! |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60076-1 [0003]
- Normen IEC 60707 [0025]
- 60695-11-10 [0025]
- 60695-11-20 [0025]
- ISO 9772 [0025]
- 9773 [0025]
