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Die Erfindung betrifft elektrische Bauteile, insbesondere Sensoren, IC's, Chips, Leiterplatten, Widerstände, Wicklungen elektrischer Maschinen, Kondensatoren und Leistungselektronik, mit einer darauf angeordneten selbstheilenden Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung gemäß Hauptanspruch 1.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer entsprechenden selbstheilenden Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung zur Selbstheilung einer Beschichtung nach elektrischem Durchschlag, insbesondere die Verwendung zur Selbstheilung in der Beschichtung entstandener mechanischer Beschädigungen, wie beispielsweise Kratzer und Mikrorisse.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils mit einer darauf angeordneten selbstheilenden Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Selbstheilung eines elektrischen Bauteils nach elektrischem Durchschlag.
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Verbesserung beim Erwärmungs- bzw. Entwärmungsverhalten in Stand der Technik:
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Hier stellen die Inhaltsstoffe der Beschichtung bzw. bei größeren Schichtdicken die Ummantelungen eine Begrenzung im Sinne der dauerhaft nutzbaren Temperaturbereiche im Einsatz dar. So ermöglichen die gängigen, oft organisch basierten Beschichtungen aus Kupferdrahtlack oder Silikonummantelungen einen Einsatz bis ca. 180 °C bzw. ca. 230 °C (Isolierstoffklasse H oder höher). Kurzzeitige Überschreitungen (Schock) dieser Maximalwerte sind zwar teilweise möglich, führen aber bei längerem Einsatz zu einer meist dauerhaften thermischen Schädigung des Isolationsmaterials und damit zu einer signifikanten Reduzierung der Isolationseigenschaften und deutlichen Steigerung des Ausfallrisikos. Weiterhin besteht bei konventionellen Lacken das Risiko der lokalen Schichtdickenreduktion bei Erwärmung in Kombination mit mechanischem Druck auf den Spulenkörper durch die Einbausituation. Diese Schichtdickenreduktion führt an den auftretenden Stellen zur Reduktion der Isolationsfähigkeit und erhöht ebenfalls das Ausfallrisiko.
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Nachteilig wirken sich zudem in den meisten Fällen die notwendigen Dicken der Schutzbeschichtung aus, die regelmäßig mehr als 0,1 mm betragen. Dies gilt insbesondere für die thermische Erwärmung (schlechter Wärmetransport) wie auch die maximal mögliche Bauraumausnutzung. Differenziert werden die Schichtdicken zusätzlich nach dem Grad der Verschmutzung im Betrieb z.B. durch Betauung. Die Verschmutzungsgrade 1-4 geben an, wie hoch die elektrische Leitfähigkeit der Verschmutzung und wie lange eben solche Verschmutzung auf der Oberfläche der betrachteten Isolation lastet. Dabei gilt, je höher der Verschmutzungsgrad, desto höher die notwendige Isolationsschichtdicke. Weiterhin erreichen viele Beschichtungsstoffe erst mit erhöhten Schichtdicken die geforderten Durchschlagsfestigkeiten gegen elektrische Spannungen (inklusive Sicherheitsaufschlag, typische Anforderungen nach VDE: (Einsatzsspannung + 1000V)*2).
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Im Folgenden werden die wichtigsten bzw. gängigsten Isolationsstoffe im Stand der Technik kurz zusammengefasst:
- - Ummantelung, z.B. von Drähten, mit Silikon (teilweise mit Glasfasergewebe):
- Einsatz meist bis 200 °C - Schock bis 230 °C, Spannungswerte bis 700 V - Spitzenspannungsprüfung bis 2,5 kV (Dickenabhängigkeit der Seele) bei ca. 1,5 mm Isolationsschichtdicke (3,5 V/µm).
- - Kupferdrahtlack-Isolation - Drahtlacke sind häufig auf Aramidbasis:
- Aramide, auch Polyaramide oder aromatische Polyamide genannt, sind Polyamide, bei denen die Amidgruppen an aromatischen Gruppen gebunden sind. Aramide zählen zu den Flüssigkristallpolymeren (FKP). Die wichtigsten Typen sind Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPTA, Handelsnamen: Kevlar, Twaron) und Poly(m-phenylenisophthalamid) (PMPI, Handelsnamen: Nomex, Teijinconex). „Drahtlacke sind Lösungen von Polymeren in meist kresolischen Lösemittelgemischen. Alle Drahtlacke werden auf speziellen Drahtlackiermaschinen lackiert und bei 300 - 600 °C eingebrannt. Dabei werden die Lösemittel verdampft und katalytisch verbrannt. Die Wärme wird zum Beheizen der Anlage benutzt. Die Polymere vernetzen und es bilden sich unlösliche Filme. Beim Löten von - auch bereits mit einer Klinge oder Schmirgelpapier abisoliertem - Kupferlackdraht können geringe Mengen hochgiftiges Toluol-2,4-diisocyanat freigesetzt werden, daher ist an gewerblichen Arbeitsplätzen eine Absauganlage erforderlich. Um glatte, konzentrische und porenfreie Filme zu erhalten, werden Lackdrähte üblicherweise zwischen 6 und 20 Mal lackiert und eingebrannt. Als Faustregel gilt, dass der Lackfilm ca. 10 % des Gewichtes des Kupferlackdrahtes ausmacht. Der dadurch steigende Durchmesser wird als Zunahme bezeichnet.“ - Quelle ist: https://de.wikipedia.org/wiki/Kupferlackdraht.
- - Polyesterimid - Siehe auch Kapton (kurzzeitig für Belastungen bis ca. 400 °C, sonst max. ca. 250 °C) neben weiteren verschieden modifizierten Polyimiden. Die Folien haben eine Durchschlagsfestigkeit im Bereich von 180 V/µm - Foliendicke ist typischerweise ~0,1 mm. Folien sind aber aufgrund ihrer relativen Starre und im Falle von hohen Biegeradien wegen einer begrenzten Rissdehnung für viele 3-D-Geometrien nicht geeignet.
- - Feinglimmer:
- Beispielsweise K-Therm AS-M 600 / 800: Bis 800 °C kurzzeitig und 700 °C dauerhaft Durchschlagsfestigkeit ca. 20 kV/mm (20 V/µm) - Nachteile sind große produktionstechnische Schichtdicken von 0,5 - 75 mm - Aufbau aus mit Silikonharz imprägniertem Glimmerpapier unter hohem Druck und Temperatur hergestellt. Es sind somit Hochtemperaturschichtpressstoffe mit vergleichsweise hoher Schichtdicke.
- - Polvaryletherketone (PAEK):
- „Polyetherketone (kurz PEK) sind Polymere, in deren molekularen Rückgrat abwechselnd Keton- und Etherfunktionalitäten vorkommen. Am gebräuchlichsten sind Polyaryletherketone (PAEK), bei denen sich zwischen den funktionellen Gruppen jeweils eine in (1,4)-Position verknüpfte Arylgruppe befindet“. Sie sind beständig gegen viele Chemikalien und bis ca. 250 °C und bis ~ 20 kV/mm (20 V/µm) Durchschlagsfestigkeit dauerhaft einsetzbar. Für ausreichende Isolationswerte wird aber eine hohe Schichtdicke benötigt.
- - Isolierpapier Klasse H - 180 °C:
- Beispiel Nomex, ein synthetisches aromatisches Polyamidpolymer (Aramid); siehe auch oben zur Kupferdrahtlack-Isolation. Es ist kurzzeitig auf 18 bis 40 kV/mm (18-40 V/µm) belastbar, aber ab 220 °C in normaler Raumluft kommt es zur Verbrennung.
- - Isolierpapier Klasse B - 130 °C:
- Beispielsweise Mylar, eine flexible Polyesterfolie auf Basis Polyethylenterephthalat. Es handelt sich um eine biaxial orientierte Polyester-Folie (BO-PET, PET-BO) und ist eine Folie aus Polyethylenterephthalat, die besondere Eigenschaften durch ein Reckverfahren erhält, d.h. die Folien können in einer Richtung längs oder quer (monoaxial) oder in beiden Richtungen (biaxial) gereckt werden. BO-PET zeichnet sich vor allem durch hohe Zugfestigkeit, chemische, mechanische und thermische Stabilität sowie Transparenz aus. BO-PET ist ein guter elektrischer Isolator, zeigt eine geringe Wasseraufnahme (0,3 %). Wegen der hohen Zugfestigkeit können sehr leichte Folien aus BO-PET hergestellt werden. Typisch sind 10 bis 11 g/m2, aber auch 2,2 g/m2 sind möglich. Die Folien werden unter verschiedenen Markennamen im Handel angeboten, unter anderem Hostaphan, Mylar und Melinex. Die Durchschlagspannung von Isolierpapier Klasse B - 130 °C liegt bei etwa 40-150 V/µm.
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Die kommerziell verfügbaren, zumeist organisch basierten Isolationsbeschichtungen zeigten bislang keine selbstheilenden Eigenschaften nach einem Spannungsdurchschlag (Teilentladung) oder einem anderen, insbesondere mechanischen Beschädigungsereignis (Kratzer, Mikrorisse), wobei zusätzlich nur eine thermische Belastungsgrenze von ≤ 210 °C erreicht wird. Die vorliegende Erfindung zielt somit darauf ab, elektrische Bauteile mit einer darauf angeordneten selbstheilenden Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung bereitzustellen, die den gängigen kommerziell verfügbaren, elektrisch isolierenden Beschichtungsvarianten des Standes insbesondere in den zuvor genannten Eigenschaften klar und eindeutig überlegen sind.
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Die
DE 10 2012 218447 A1 beschreibt eine Isolationseinrichtung für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen einer intrinsisch selbstheilenden Isolationseinrichtung einer elektrischen Maschine sowie weiterhin ein Verfahren zum intrinsischen Selbstheilen einer Isolationseinrichtung einer elektrischen Maschine. Hierbei weist die Isolationseinrichtung wenigstens eine auf einer Oberfläche der Isolationseinrichtung angeordnete erste derart ausgebildete Polymerschicht auf, dass sie bei einer definierten Temperatur, die oberhalb einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine liegt, rückfließt und sich neu vernetzt. Die erste Polymerschicht ist z.B. Polyurethan. Wenigstens eine zweite Polymerschicht kann über der ersten Polymerschicht angeordnet sein, wobei die zweite Polymerschicht weiterhin mehrere übereinander angeordnete Schichten von wenigstens einem Material aus der Gruppe THEIC-Polyester, THEIC-Polyesterimid, Polyimid, Polyamid, Polyamidimid aufweisen kann.
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Die
DE 10 2010 054779 A1 beschreibt die Entwicklung von Isolierumhüllungen für elektrische Leiter, insbesondere für Kupferleiter, die in Elektromotoren verwendet werden. Die Isolierumhüllungen beinhalten verkapselte chemische Spezies, die in der Lage sind, eine elektrisch isolierende Beschichtung auf einem Draht zu erneuern, falls die ursprünglich aufgebrachte Beschichtung eingeschnitten oder gebrochen ist oder auf sonstige Weise einen Schaden erleidet, der ihr Isoliervermögen herabsetzt. Beschrieben wird ein Verfahren zum Bilden einer selbstheilenden elektrischen Isolierbeschichtung auf einer Länge eines Magnetdrahtes zur Verwendung in einer elektrischen Vorrichtung, wobei der Magnetdraht zum Formen und Anordnen auf einem Tragelement der Vorrichtung vorgesehen ist und eine Fläche aufweist, die gegen eine weitere Fläche entlang der Länge des Magnetdrahtes oder gegen die Fläche eines weiteren Magnetdrahtes angeordnet werden soll. Dabei umfasst das Verfahren, dass diese Flächen eines jeden Magnetdrahtes mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material beschichtet werden, wobei das Material derart zusammengesetzt ist, dass es eine kontinuierliche elektrische Isolierschicht bildet, die sich gemeinsam mit der Fläche des Magnetdrahtes erstreckt, das isolierende Material ferner Kapseln aus einem Vorläufermaterial der elektrischen Isolierung umfasst und die Kapseln kleiner als die Dicke der Isolierschicht und in einer Menge vorhanden sind, um Vorläufermaterial der elektrischen Isolierung freizusetzen, wo sich später in einem Abschnitt der Isolierschicht ein Riss bilden kann. Sodann wird der Magnetdraht zur Anordnung in der elektrischen Vorrichtung geformt, wobei das Formen eine mechanische Beanspruchung an einer Stelle in der Isolierschicht verursacht und die Kapseln derart zusammengesetzt sind, dass sie an einer Beanspruchungsstelle, an der sich ein Riss in der Isolierschicht bildet und die ihren elektrischen Widerstand an solch einer Stelle reduziert, zerreißen und Vorläufermaterial freisetzen.
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Weiterhin ist die Selbstheilungseigenschaft, die vorzugsweise in einem polymeren Netzwerk stattfindet, für bestimmte Molekülklassen auf Basis von dimeren und trimeren Fettsäuren bereits in der
WO 2006/087475 A1 beschrieben. So offenbart die
WO 2006/087475 A1 Materialien mit kautschukartiger Elastizität, die Moleküle mit einer Masse zwischen 9 und 9000 g/mol umfassen, wobei alle oder ein Teil der Moleküle mindestens drei auch als assoziative Gruppen bekannte Gruppen aufweisen, die mittels nichtkovalenter Wechselwirkungen assoziieren können. Das beschriebene Material, welches nicht-polymerisierte und nicht-chemisch vernetzte kleine Moleküle umfasst, weist kautschukartige Elastizitätseigenschaften auf. In einer Ausführungsform weist das beschriebene Material bei Umgebungstemperatur eine kautschukähnliche Elastizität auf. Oberhalb einer bestimmten Temperatur fließt das Material wie eine einfache Flüssigkeit. Das Material ist thermoreversibel, d.h. ein Material mit gummiartiger Elastizität kann wiederholt durch Kühlung erhalten werden. Zusätzlich umfasst das beschriebene Material ein selbstheilendes Material, das potentiell recycelbar ist, was bei einem chemisch vernetzten Elastomer nicht der Fall ist. In einer Ausführungsform des beschriebenen Materials tragen die das Material bildenden Moleküle assoziative Gruppen der Formel (F),
worin A Sauerstoff, Schwefel oder NH bedeutet, wobei die Kohlenstoffatome der Formel (F) substituiert sein können. A bedeutet vorzugsweise Sauerstoff. Vorteilhafterweise umfasst das Material (i) Moleküle mit mindestens 3 assoziativen Gruppen und (ii) Moleküle mit einer einzigen assoziativen Gruppe. Vorzugsweise werden die Moleküle der
WO 2006/087475 A1 aus Fettsäurederivaten erhalten.
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Vor dem Hintergrund des beschriebenen Standes der Technik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Bauteil mit Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung anzugeben, das eine Vielzahl der oben beschriebenen Nachteile überwindet. Insbesondere war es gewünscht, dass das elektrische Bauteil mit Lackbeschichtung mit elektrischer Isolationswirkung passive und aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile mit einer darauf angeordneten selbstheilenden Lackbeschichtung mit einbezieht, verhältnismäßig kostengünstig ist, eine gute Fähigkeit zur Selbstheilung, insbesondere zur Selbstheilung einer Beschichtung nach elektrischem Durchschlag und/oder von in einer Beschichtung entstandener mechanischer Beschädigungen, wie beispielsweise von Kratzer und Mikrorissen, gewährleisten kann, auch bei verhältnismäßig hohen Temperaturen noch immer über eine gute Durchschlagsfestigkeit verfügt und/oder einen guten Schutz gegen mechanische, chemische und/oder physikalische Belastungen darstellt. Ferner sollte das passive elektrische Bauteil bevorzugt in Bezug auf sein Schichtsystem flexibel bleiben, sodass gewisse Verformungen nach Aufbringen des Schichtsystems möglich sind, ohne dass es zu Einbußen in den gewünschten Wirkungen kommt.
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Gelöst wird diese Aufgabe im Allgemeinen durch ein elektrisches Bauteil mit Lackbeschichtung, insbesondere durch passive und aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile, wobei die Lackbeschichtung Polyharnstoff- oder Polyaspartics-basiert ist und wobei die Beschichtung mit einer Verbindung der Formel (I) (Selbstheilungsmoleküle)
modifiziert wurde, wobei
X unabhängig von den gegebenenfalls anderen X jeweils eine S, O oder NH-Gruppe bedeutet,
und
(i) R1 und R2 unabhängig voneinander jeweils eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen bedeuten oder R1 und R2 gemeinsam einen cycloheteroaliphatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Atomen bilden, wobei R2 unabhängig auch H bedeuten kann, und R3 wie nachfolgend unter (ii) definiert ist, oder
(ii) R2 wie vorstehend unter (i) definiert ist, und R1 und R3 unabhängig voneinander jeweils eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen oder eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen, die einen cycloheteroaliphatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Atomen umfasst, darstellt, und wobei R1 und/oder R3 unabhängig voneinander jeweils wenigstens ein funktionalisierendes Element umfassen oder damit modifiziertsind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Doppelbindung, Dreifachbindung, OH-, NH
2-, NH-, CONH-, COOH-, NCO-, Thioisocyanat-, Aldehyd-, Urethan-, Harnstoff-, Imin-, Sulfo-, Sulfino-, Sulfeno-, Mercapto-, Oxim-, Imino-, Hydrazino-, Halogen- und Nitrosylgruppe;
und
n = 1, 2 oder 3 ist,
wobei der Anteil der modifizierenden Verbindung bezogen auf das Gesamtgewicht der Lackbeschichtung als Festkörper 2 - 30 Gew-% beträgt.
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In einer bevorzugten Variante betrifft die Erfindung ein elektrisches Bauteil wobei in Formel (I) n=1 ist.
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In einer weiteren bevorzugten Variante betrifft die Erfindung ein vorstehend genanntes erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil, wobei in Formel (I) R1 und R2 gemeinsam einen Ring mit fünf Atomen bilden, wobei R1 und R2 über eine Etylengruppe miteinander verbunden sind.
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Die Begriffe „Polyharnstoff‟ und „Polyaspartate“ (Polyasparaginsäureester, Polyaspartics, kurz oft auch Asparaginester genannt) werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils in der dem Fachmann allgemein bekannten Bedeutung verwendet.
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Ferner betrifft die Erfindung in einer weiteren bevorzugten Variante ein vorstehend genanntes erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil, wobei die Lackbeschichtung eine Dicke von 0,1 bis 150µm, bevorzugt 1 bis 50µm, besonders bevorzugt 5 bis 50µm besitzt.
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Schließlich betrifft die Erfindung in einer weiteren bevorzugten Variante ein vorstehend genanntes erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil, wobei die Lackbeschichtung über eine elektrische Durchschlagfestigkeit von 10 - 300 V/µm, bevorzugt 20-200 V/µm, wobei jeweils als unterer Grenzwert 50V/µm weiter bevorzugt ist, verfügt.
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Unter dem Begriff „Lack“ bzw. „Lackbeschichtung“ wird vom Fachmann ein flüssiger oder auch pulverförmiger Beschichtungsstoff, der auf ein Substrat, z.B. auf einen Gegenstand, aufgetragen wird und durch chemische oder physikalische Vorgänge (zum Beispiel Verdampfen eines Lösungsmittels) zu einem durchgehenden, festen Film aufgebaut wird. Lacke bestehen in der Regel aus Bindemitteln, Füllstoffen, Pigmenten, Lösemitteln, Harzen und/oder Acrylaten und Additiven, die dem einschlägigen Fachmann jeweils bekannt sind. Die Hauptaufgaben von Lacken sind insbesondere: Schutz (schützende Wirkung, z. B. Schutzanstrich, Schutzlacke); Dekoration (optische Wirkung, z. B. ein bestimmter Farbeffekt); und Funktion (besondere Oberflächeneigenschaften, z. B. veränderte elektrische Leitfähigkeit). Ein „Isolationslack“ ist hierbei ein „Lack“ bzw. „Lackbeschichtung“, wodurch gegen eine elektrische Leitfähigkeit abgeschirmt wird, also eine elektrisch isolierende Umhüllung bzw. Beschichtung, um eine elektrische Isolierung zu erzielen und/oder zu unterstützen.
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Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung betrifft ein vorstehend genanntes erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil, wobei das Bauteil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sensoren, IC's, Chips, Leiterplatten, Widerstände, Wicklungen elektrischer Maschinen, Kondensatoren, Spulenund Leistungselektronik.
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Die Begriffe und „Sensoren“, „IC's“ (Integrated Circuit, Integrierter Schaltkreis), „Chips“, „Leiterplatten“, „Widerstände“, „Wicklungen elektrischer Maschinen“, „Kondensatoren“ und „Leistungselektronik“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils in der dem Fachmann allgemein bekannten Bedeutung verwendet.
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Grundsätzlich ist anzumerken, dass die erfindungsgemäß einzusetzende Lackbeschichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung selbstverständlich nicht die einzige Beschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils sein muss. So können die erfindungsgemäßen Bauteile auch zwischen dem eigentlichen elektrischen Bauteil und der erfindungsgemäß einzusetzende Beschichtung eine oder mehrere weitere Beschichtungen wie z.B. eine Eloxierung oder einen weiteren Lack besitzen. Eine entsprechende Beschichtung kann im Sinne der vorliegenden Erfindung auch auf dem erfindungsgemäß einzusetzenden Lack vorhanden sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass im erfindungsgemäßen Bauteil eine Beschichtung aus mehreren Lagen, die ggfs. auch alle Lack sein können, vorhanden ist, wobei wenigstens eine dieser Lagen dem erfindungsgemäß einzusetzenden Lack entspricht. Ferner ist anzumerken, dass die in diesem Text beschriebenen einzelne erfindungsgemäßen Ausgestaltungsformen bzw. Varianten in weiteren bevorzugten Ausgestaltungsformen miteinander kombiniert werden können. Die Kombination von den bevorzugten Varianten führt hierbei im Regelfall zu einem weiter verbessertem Ergebnis im Sinne der Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass das in Kombination mit einer Polyharnstoff- oder Polyaspartics-basierten Lackbeschichtung, wobei die Beschichtung mit einer Verbindung der Formel (I) modifiziert wurde, die Möglichkeit eröffnet wurde, ein vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil mit Lackbeschichtung, umfassend sowohl ein passives als auch aktives elektrisches Bauteil und insbesondere passive als auch aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile, bereitzustellen, die sich gegenüber den gängigen elektrisch isolierenden, selbstheilenden Beschichtungsvarianten des Standes der Technik hinsichtlich der Fähigkeit, Qualität und Nachhaltigkeit zur Selbstheilung als eindeutig überlegen erweisen.
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Unter dem Begriff „Selbstheilung“ wird im Rahmen der Erfindung in einem Aspekt die Fähigkeit einer Lackbeschichtung bzw. eines Isolationslacks verstanden, sich eigenständig, also insbesondere ohne aufwändigen äußeren Eingriff wie z.B. Reparatureingriff, von Beschädigungen, insbesondere nach elektrischem Durchschlag und/oder von Beschädigungen nach mechanischer Einwirkung, wie beispielsweise von Kratzer und Mikrorissen, befreien und die entsprechenden Funktionen und Eigenschaften einer Lackbeschichtung bzw. eines Isolationslacks wiederherstellen zu können. Insbesondere bedeutet „ohne aufwendigen äußeren Eingriff im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass die Selbstheilung durch Wärme eintritt, insbesondere durch solche Wärme, die das elektrische Bauteil oder umgebende Bauteil im Betrieb selbst erzeugt. Alternativ oder zusätzlich bedeutet „ohne aufwendigen äußeren Eingriff auch, dass die Selbstheilung durch die Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft eintritt.
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In einem weiteren Aspekt wird im Rahmen der Erfindung unter dem Begriff „Selbstheilung“ die Fähigkeit von Polymeren in einer Lackbeschichtung bzw. in einem Isolationslack verstanden, sich eigenständig, also insbesondere ohne aufwändigen äußeren Eingriff wie z.B. Reparatureingriff, von molekularen, mikroskopischen und/oder makroskopischen Beschädigungen, autonom und/oder mittels eines externen Stimulus von Beschädigungen insbesondere nach elektrischem Durchschlag und/oder von mechanischen Beschädigungen, wie beispielsweise Kratzer und Mikrorisse, befreien und die entsprechenden Funktionen und Eigenschaften des Polymers in einer Lackbeschichtung bzw. in einem Isolationslack unter Wiederherstellung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Polymers wiederherstellen zu können. Grundsätzlich gilt zur Definition „ohne aufwendigen äußeren Eingriff“ aus dem vorgehenden Absatz. Mit unter der Definition ist aber auch umfasst, dass als externer Stimulus die Luftfeuchtigkeit (gezielt) erhöht wird oder (gezielt) Wärme zugeführt wird, um den Selbstheilungsprozess auszulösen und/oder zu unterstützen.
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Um hohe Anforderungen an Beschichtungssysteme zu erfüllen, rückten in den letzten Jahren immer mehr innovative und neuartige Polymersysteme in den Fokus moderner Forschung und Industrie - die selbstheilenden Lacke. Die Konzeptionierung von selbstheilenden Beschichtungen bzw. Lacken kann hierbei grob in drei Bereiche unterteilt werden, den Reflow-Effekt, die intrinsische Selbstheilung und extrinsische Selbstheilung.
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Der Reflow-Effekt zielt darauf ab sehr feine Kratzer und Mikrorisse auf z.B. Autodecklacken, hervorgerufen durch z.B. Sandkörner zwischen den Bürstenfasern einer Waschstraße, auszugleichen. Dieser Effekt kann über die Anpassung der Glasübergangstemperatur Tg auf 50-60 °C erzielt werden. Beim Überschreiten dieses Glasübergangstemperaturbereichs durch thermische Energie, wie Sonneneinstrahlung, wird die Beweglichkeit des Polymernetzwerks erhöht, sodass das Polymer in einen viskoelastischen Zustand übergehen kann. Durch die Erweichung des Materials können kleine Deformationen und feine Kratzer verfließen. Der Nachteil des Reflow-Effekts besteht darin, dass er von den viskoelastischen Eigenschaften des Polymers abhängt und somit hinsichtlich der Auswahl geeigneter selbstheilender Polymere Einschränkungen bestehen.
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Unter „extrinsischer Selbstheilung“ versteht man Selbstheilungsverfahren, bei denen ein in Kapseln oder Hohlfasern eingebettetes Selbstheilungsreagenz eingesetzt wird. Nach einer Beschädigung tritt das Selbstheilungsreagenz aus den Kapseln bzw. Hohlfasern aus, um die Selbstheilung zu bewirken. Ein gravierender Nachteil der extrinsischen Selbstheilung besteht darin, dass die Selbstheilung nur einmal möglich, die Erzielung nachhaltiger Selbstheilungseffekte also nicht oder zumindest nur eingeschränkt möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einer bevorzugten Variante die intrinsische Selbstheilung. Unter „intrinsischer Selbstheilung“ wird erfindungsgemäß somit ein Selbstheilungsverfahren verstanden, bei dem die Selbstheilung in der Polymermatrix über reversible Bindungen bewirkt wird. Diese reversiblen Bindungen können hierbei kovalente Bindungssysteme (z.B. Diels-Alder) oder nicht-kovalente Bindungssysteme (z.B. über Wasserstoffbrücken) sein. Ein Vorteil der intrinsischen Selbstheilung besteht darin, dass die Selbstheilung wiederholbar, ist und somit auch nachhaltige Selbstheilungseffekte erzielt werden können. Neben der Reversibilität wird die intrinsische Selbstheilung in einer Lackbeschichtung erfindungsgemäß geprägt durch Effekte der Moleküldynamik, Amorphizität und/oder Funktionalität der erfindungsgemäß zur Modifizierung der Beschichtung vorgeschlagenen Verbindung der Formel (I).
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Die vorliegende Erfindung betrifft hierbei in einer bevorzugten Variante ein elektrisches Bauteil mit Lackbeschichtung, die ein Isolationslack ist mit selbstheilender Wirkung auf Basis von schwach kovalent vernetzten Systemen mit einer hohen Anzahl an schwachen physikalischen Wechselwirkungen, die oberhalb der Glasübergangstemperatur des Materials dynamisch sind.
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Bei diesem Material ist aus chemischen (kovalenten) und physikalischen Bindungen in ein Netzwerk aufgebaut, das seine Topologie durch thermisch und/oder Feuchteaktivierte Wasserstoff bindungsaustauschreaktionen verändern kann. Dieses Verhalten eröffnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung neue Möglichkeiten in der Selbstheilung von Lackbeschichtungen, die erfindungsgemäß mit einer Verbindung der Formel (I) modifiziert wurden, für Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke für ein elektrisches Bauteil, insbesondere für passive und aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile.
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Erfindungsgemäß mit einer Verbindung der Formel (I) modifizierte Polyharnstoff- oder Polyaspartics-basierte Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke für ein elektrisches Bauteil, insbesondere für passive und aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile, mit selbstheilender Wirkung auf Basis von kovalenten Systemen mit schwachen Wechselwirkungen, zeichnen sich dadurch aus, dass die Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke in einer bevorzugten Variante Imidazolidin-Gruppen (H-Brücken), Amid-Funktionalitäten (H-Brücken), Carbonsäure-Gruppen (Umesterung), und/oder Dien-Strukturen (Diels-Alder) beinhalten, und in einer weiteren bevorzugten Variante dadurch, dass die Lackbeschichtung bzw. der Isolationslack über einen äußeren Trigger wie insbesondere Temperatur, Feuchte, Druck und/oder (z.B. UV-Strahlung) partiell erweicht und ausheilt.
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Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, scheint die Verbindung der Formel (I) in damit modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke für ein elektrisches Bauteil in der Lage zu sein, entstandene Beschädigungen, insbesondere nach elektrischem Durchschlag und/oder nach mechanischen Beschädigungen, wie beispielsweise Kratzer und Mikrorisse, effektiv zu heilen oder wenigstens erheblich einzuschränken, sodass in einem erheblichen Umfang eine Leistungswiederherstellung und ggf. Leistungssteigerung im Falle von Belastungen der Schutzwirkungen der modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke auf dem aktiven oder passiven elektrischen Bauteil erreicht wird.
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Für eine erfindungsgemäß mit einer Verbindung der Formel (I) modifizierte Lackbeschichtung bzw. Isolationslack für ein elektrisches Bauteil, insbesondere für passive und aktive elektronische und elektrotechnische Baugruppen bzw. Bauteile, mit selbstheilender Wirkung können die selbstheilenden erfindungsgemäß modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke mit einem begrenzten apparativen Aufwand z.B. über eine IR-Analyse, DSC, DMA oder XPS charakterisiert und nachgewiesen werden.
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Darüber hinaus kann zum Nachweis der selbstheilenden erfindungsgemäß modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke, der Lack analog zum beschriebenen Vorgehen in der Versuchsdurchführung der Beispiele durch einen elektrischen Durchschlag beschädigt und anschließend die über Messung der Regeneration der Spanungsdurchschlagsfestigkeit des Materials beispielsweise nach thermischer Behandlung, oder auch anderweitiger erfindungsgemäß geeigneter Behandlung, nachgewiesen werden.
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Die Erfindung betrifft somit in einer bevorzugten Variante einen Schutzlack, wie dieser vorstehend definiert ist, mit elektrischer Isolationswirkung für elektronische und elektrotechnische Bauteile mit selbstreparierenden Eigenschaften von molekularen, mikroskopischen (Mikrorisse) und makroskopischen Beschädigungen und/oder nach Spannungsdurchschlägen durch spannungsinduzierte Überbelastung oder andere Formen der Überlastung mit z.B. einer Teilentladung (Corona-Entladung).
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Die erfindungsgemäß, z.B. vorzugsweise kovalent, integrierten Verbindungen der Formel (I) (Selbstheilungsmoleküle) - ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen - fungieren im polymeren Netzwerk als Wasserstoff-Brücken-Donatoren und -Akzeptoren und schaffen darüber ein über Wasserstoffbrückenbindungen physikalisch wechselwirkendes supramolekulares Netzwerk im Polymernetzwerk.
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Nach einem Beschädigungsereignis durch z.B. einen Kratzer, Mikrorisse oder einem Spannungsdurchschlag kann die Beschädigung über einen Trigger (z.B. Temperatur, UV-Licht, Druck, Luftfeuchte), der zu einer Erhöhung der Moleküldynamik führt, geheilt werden (siehe 1). Durch die gesteigerte Moleküldynamik sind die Öffnung der physikalischen Wechselwirkungen und die Neubildung der Wasserstoffbrückenbindung an anderer Stelle begünstigt, was so zu einer Heilung der Beschädigung führt. 1a: Sternenförmige Beschädigung des selbstheilenden Lackes mit einer Trockenschichtdicke von 40 µm über eine Erichsentiefung auf einem Aluminiumblech. 1b: Selbstheilung der Beschädigung bei 120 °C nach 60 Sekunden.
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Ein wichtiges Kriterium - ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen - für den Selbstheilungsprozess in einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Anwesenheit von Luftfeuchte. Wassermoleküle sind in der Lage sich in der polymeren Netzwerkstruktur dispers einzulagern und die Wasserstoffbrückenbindungen der Selbstheilungsmoleküle der vorliegenden Erfindung so nachhaltig zu stören, dass die Netzwerkdichte herabgesenkt wird und die Steifigkeit des Materials abnimmt. Dieser Umstand kann auch als reversibler Weichmachereffekt beschrieben werden und führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Moleküldynamik und somit zu einer Begünstigung der Selbstheilung durch Netzwerkneubildungsprozesse. Wird dem System das Wasser aus der Luftfeuchte entzogen (thermisch oder über Unterdruck) so regenerieren sich sofort die Wasserstoffbrückenbindungen und die Steifigkeit des Materials erreicht wieder seinen Ursprungswert. Aus diesem Grund kann - ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen - von reversiblem Weichmachereffekt bei Anwesenheit einer Verbindung der Formel (I) in damit modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke für ein elektrisches Bauteil gesprochen werden. Es muss hervorgehoben werden, dass dieser erfindungsgemäß erstmalig aufgefundene reversible Weichmachereffekt von Luftfeuchte auf die Selbstheilungseigenschaften eines mit einer Verbindung der Formel (I) modifizierten polymeren Materials und speziell von mit einer Verbindung der Formel (I) modifizierten Lackbeschichtungen bzw. Isolationslacke für ein elektrisches Bauteil bisher im Stand der Technik nicht erwähnt wurden.
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Auch muss hervorgehoben werden, dass die Affinität von selbstheilenden Lackbeschichtungen bzw. Lacken durch die Zugabe von Mikropartikeln (z.B. Mikrokapseln) und/oder Naturfasern als Additive zu Lackbeschichtungen bzw. zu Lacken unterdrückt werden könnte. Die Erfindung weist somit den großen Vorteil auf, dass - anders als bei Selbstheilung mittels Reflow-Effekt oder extrinsischer Selbstheilung - auf derartige Zugabe von Additiven von Mikropartikeln und/oder Naturfasern verzichtet werden kann. Grundsätzlich ist aber auch eine Kombination der verschiedenen Selbstheilungssysteme denkbar.
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Erfindungsgemäße Anwendungsgebiete für selbstheilende Schutzbeschichtungen der Erfindung, wie diese oben definiert sind, sind passive und aktive elektronische und elektrotechnische Bauteile wie zum Beispiel Sensoren, IC's, Chips, Leiterplatten, Wiederstände, Wicklungen elektrischer Maschinen und Kondensatoren. Insbesondere aufgrund der Temperaturstabilität der Beschichtung ≤ 210 °C eignen sich die erfindungsgemäßen Lacke wie diese oben definiert sind, auch für thermisch stark beanspruchte Einsatzgebiete, z.B. Leistungselektronik.
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Die vorstehend genannten erfindungsgemäßen Anwendungsgebiete sind unter anderem für diese Erfindung von Bedeutung für Verfahren, Halbzeuge und Produkte insbesondere auf den Gebieten, umfassend: Consumer Electronics wie z.B. Fernseher, Computer, Kameras, Mobiltelefone; Weiße Ware; Elektrische Maschinen; und Steuerungselektronik; E-Antriebe (z.B. Spulen und Blechpakete) und Leistungselektronik (z.B. in Bahn und Automobil); und Generatoren (z.B. Windenergie).
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In einer Variante betrifft die Erfindung daher auch die Verwendung einer Lackbeschichtung als selbstheilende Beschichtung für eine Selbstheilung nach elektrischem Durchschlag, wobei die Lackbeschichtung Polyharnstoff- oder Polyaspartics-basiert ist und wobei die Beschichtung mit einer Verbindung der Formel (I)
modifiziert wurde, wobei
X unabhängig von den gegebenenfalls anderen X jeweils eine S, O oder NH-Gruppe bedeutet,
und
- (i) R1 und R2 unabhängig voneinander jeweils eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen bedeuten oder R1 und R2 gemeinsam einen cycloheteroaliphatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Atomen bilden, wobei R2 unabhängig auch H bedeuten kann, und R3 wie nachfolgend unter (ii) definiert ist,
oder
- (ii) R2 wie vorstehend unter (i) definiert ist, und R1 und R3 unabhängig voneinander jeweils eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen oder eine lineare gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffkette mit 1 bis 12 C-Atomen, die einen cycloheteroaliphatischen oder heterocyclischen Ring mit 5 bis 6 Atomen umfasst, darstellt, und wobei R1 und/oder R3 unabhängig voneinander jeweils wenigstens ein funktionalisierendes Element umfassen oder damit modifiziert-sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Doppelbindung, Dreifachbindung, OH-, NH2-, NH-, CONH-, COOH-, NCO-, Thioisocyanat-, Aldehyd-, Urethan-, Harnstoff-, Imin-, Sulfo-, Sulfino-, Sulfeno-, Mercapto-, Oxim-, Imino-, Hydrazino-, Halogen- und Nitrosylgruppe;
und
n = 1, 2 oder 3 ist, wobei der Anteil der modifizierenden Verbindung bezogen auf das Gesamtgewicht der Lackbeschichtung als Festkörper 2 - 30 Gew-% beträgt.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteiles, wie dieses oben bzw. vorstehend erfindungsgemäß definiert ist, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines elektrischen Bauteiles,
- b) Bereitstellen des Materials für eine Lackbeschichtung; wie diese oben bzw. vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Bauteil erfindungsgemäß definiert ist, und
- c) Beschichten des elektrischen Bauteiles mit dem Material für die Lackbeschichtung.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Selbstheilung eines elektrischen Bauteils nach elektrischem Durchschlag, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines elektrischen Bauteils, wie dieses oben bzw. vorstehend erfindungsgemäß definiert ist, das einen elektrischen Durchschlag durch die Lackbeschichtung erlitten hat und
- b) Aussetzten des Lackes wenigstens im Bereich des Durchschlages mit einem Stimulus ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wärme, Feuchtigkeit, Druck und Strahlung, so dass die Selbstheilungskraft der Lackbeschichtung aktiviert wird.
