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Zur Verwendung als elektrisches Isolierteil in Nachbarschaft von
elektrischen Lichtbögen bestimmtes wärmegehärtetes Kunstharzpreßteil Die Erfindung
bezieht sich auf wärmegehärtete Kunstharzpreßteile, die zur Verwendung als elektrische
Isolierung in unmittelbarer Nachbarschaft elektrischer Lichtbögen bestimmt sind,
insbesondere auf isolierende Gehäuseteile zur Aufnahme und Halterung von Schaltern
und ähnlichen elektrischen Geräten.
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Eine bekannte Art des Versagens von Schaltergehäusen aus Kunstharzpreßmassen
ergibt sich aus Kriechstrecken oder leitenden Wegen, die sich zwischen zwei Punkten
ausbilden, die hohen Spannungsbeanspruchungen z. B. beim Ziehen des Lichtbogens
bei der Trennung der Schalterkontakte unterworfen werden. Das Preßmassengehäuse
verkohlt, wenn es wiederholt Lichtbögen ausgesetzt wird. Die auf der Oberfläche
des Gehäuses gebildete Kohle bildet einen Weg, entlang dessen der Lichtbogen wandern
kann, wobei er die Isoliereigenschaften des Gehäuse herabsetzt oder zerstört.
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Prüfbedingungen wurden entwickelt und werden zur Zeit angewandt,
um die Widerstandsfähigkeit verschiedener Arten von Harzzusammensetzungen gegen
diese Art von Beschädigungen zu bestimmen. Eine Prüfmethode für diese Eigenschaft
von Lichtbogen- und Kriechstromfestigkeit ist in denASTM-Normen D 495-48T festgelegt.
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Es gibt verschiedene Stoffe, die eine verhältnismäßig hohe Widerstandsfestigkeit
gegen Lichtbögen und Kriechstrombildung besitzen, wie sie durch diese Prüfmethode
ermittelt wird. Zum Beispiel wird in der Literatur angeführt, daß die Lichtbogenfestigkeit
gepreßter Melaminformaldehydharze etwa 100 bis 180 Sekunden, abhängig von der Art
und dem Anteil der verwendeten Füllstoffe, beträgt. Das bedeutet, daß Melamin-Formaldehyd-Preßteile
einem Lichtbogen unter den festgelegten Prüfbedingungen für etwa 100 bis 180 Sekunden
ausgesetzt werden können, bevor ein niedriger Widerstand oder ein Kriechweg auf
der Oberfläche gebildet wird. Weiter gibt die Literatur an, daß Harnstoff-Formaldehyd-Harze
eine Lichtbogenfestigkeit von 100 bis 150 Sekunden entsprechend den angewandten
Füllstoffen und ihrem Mischungsverhältnis mit dem Harnstoff-Formaldehyd-Harz besitzen.
Phenolharze andererseits haben nur äußerst niedrige Lichtbogenfestigkeitswerte,
die im allgemeinen zwischen 5 Sekunden bei Verwendung organischer Füllstoffe, bis
zu etwa 16 Sekunden in Verbindung mit mineralischen Füllstoffen schwanken.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Lichtbogenfestigkeitseigenschaften
von Phenolharzen durch Einbringen bestimmter Anteile von ausgewählten, nichtleitenden,
festen anorganischen Füllstoffen von bestimmter Teilchengröße zu verbessern. Dieser
Vorschlag sieht vor, in lichtbogenfesten Kunstharzpreßmassen auf Basis eines härtbaren
Phenol-Aldehyd-Harzes mit einem anorganischen feuerfesten Füllstoff kIeiner Teilchengröße
in Mengen von 3 bis 30°lQ, bezogen auf die Gesamtmasse, einen Füllstoff mit einer
Teilchengröße von nicht mehr als 5 Mikron zu verwenden. Die Lichtbogenfestigkeitswerte
eines so modifizierten Phenolaldehydharzes werden bis zu einem solchen Wert gesteigert,
daß es die vorerwähnte ASTM-Prüfung befriedigend durchlaufen kann.
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Die Bedingungen dieser Prüfung fordern bei 121/2 kV einen auf maximal
40 Milliampere beschränkten Strom.
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Für viele elektrotechnische Anwendungen sind die in der ASTM-Vorschrift
angegebenen niedrigen Stromwerte ungeeignet, um voll und eindeutig zwischen Isolierstoffen
zu unterscheiden, die im Normalbetrieb Lichtbögen hoher Leistung standhalten müssen.
Aus diesem Grunde wurde eine neuere und schärfere Prüfmethode entwickelt, die nachstehend
im einzelnen beschrieben wird, um die Isoliereigenschaften von Stoffen zu bestimmen,
die Hochleistungslichtbögen ausgesetzt werden sollen. Diese nicht zum Gegenstand
der Erfindung gehörige neu entwickelte Prüfmethode, die als Hochleistungsbogen-
oder Schmelzdrahtprüfung bezeichnet werden kann, verwendet einen Strom von 500 Ampere
bei 500 V zwischen den Elektroden, wobei der Strom eingangs durch einen 1,27 cm
langen Kupferdraht von etwa 0,5 mm Durchmesser gezogen wird, der auf die Oberfläche
des zu untersuchenden Stoffes aufgelegt wird, und der in etwa 0,1 Sekunden abschmilzt
und einen kurzen Lichtbogen zwischen den Elektroden ergibt. Die Elektroden werden
nach 1I,Sekunden wieder erregt, und wenn der zu untersuchende Stoff den Strom leitet,
wird der Stoff als für Anwendungszwecke, bei denen Leistungsbögen auftreten können,
ungeeignet angesehen Eine Wiederholung der Prüfung
in Abständen
von 30 Sekunden an der gleichen Stelle wird im allgemeinen alle organischen Stoffe
zu einem eventuellen Versagen bringen. Die Anzahl der Prüfungen, bevor der Stoff
leitend wird, ist ein Maß für seine relative Lichtbogenfestigkeit. Die Prüfung soll
nachstehend im einzelnen geschildert werden.
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Obzwar Melamin-Formaldehyd-Harze und Harnstoff-Formaldehyd-Harze
und sogar Phenol-Formaldehyd-Harzmassen, die entsprechend dem vorerwähnten älteren
Vorschlag unter Verwendung von Füllstoffen mit einer Teilchengröße unter 5 Mikron
hergestellt wurden, imstande sind, den ASTM-Piüfungen für eine Dauer von mehr als
180 Sekunden zu widerstehen, versagen sie bei der Hochleistungsbogen- oder Schmelzdrahtprüfung
bestenfalls nach wenigen Wiederholungen.
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Bisher wurden verschiedene Versuche gemacht, um die Lichtbogenfestigkeitseigenschaften
von Preßteilen aus organischen Stoffen zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden auf
die Oberfläche der organischen Teile an den Stellen, an denen Lichtbogen gezogen
werden, Überzüge verschiedener Art aufgebracht.- Ebenso wurden in Schalterteilen
mechanische Mittel, wie Lichtbogenkammern, vorgesehen. Während solche Versuche mit
unterschiedlichem Erfolg bezüglich der Verbesserung der Lichtbogenfestigkeitseigenschaften
der Preßteile gemacht wurden, haben sie auch den unerwünschten Effekt der Erhöhung
der Kosten des fertigen Teiles.
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Demgegenüber bestehen bei einem zur Verwendung als elektrisches Isolierteil
in Nachbarschaft von elektrischen Lichtbögen bestimmten wärmegehärteten Kunstharzpreßteil,
enthaltend etwa 30 bis 97 Gewichtsprozent eines wärmehärtenden Dicyandiamid-Aldehyd-Harzes
und 70 bis 301o innig eingemischter Füllstoffe, die zumindest zum Teil aus feinzerteilten,
nichtleitenden, anorganischen festen Teilchen bestehen, gemäß der Erfindung mindestens
3 Gewichtsprozent der Füllstoffe, bezogen auf die Gesamtmasse des Preßteiles, aus
festen, anorganischen, nichtleitenden Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße
von nicht mehr als 5 Mikron.
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Die Isoliereigenschaften von Preßharzteilen, die in Übereinstimmung
mit der Erfindung hergestellt werden, sind derart, daß das Anbringen von Schutzüberzügen
und der Einbau von Lichtbogenkammern oder ähnlichen Bogenlöschvorrichtungen unterbleiben
kann, wodurch eine wesentliche Herabsetzung der Kosten erzielt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
solcher Preßteile.
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Beispiele von nichtleitenden, anorganischen festen Stoffen mit einer
Teilchengröße von 0,05 bis 5 Mikron, die für die Anwendung für die Zwecke der Erfindung
geeignet sind, sind Kieselsäure, anorganische Silikate einschließlich Zirkonsilikat,
K alziumsilikat und Aluminiumsilikat, Zirkonoxyd, Aluminiumoxyd, Calciumcarbonat
und Bornitrid.
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Befriedigende Preßteile wurden hergestellt aus 97 bis 30 Gewichtsprozent
Dicyandiamid-Aldehyd-Harz, Rest gleich 3 bis 70 Gewichtsprozent des feinverteilten
anorganischen Stoffes. Im allgemeinen ist die Lichtbogen festigkeit des fertigen
Preßteiles um so höher, je kleiner die Teilchengröße des hochschmelzenden anorganischen
Füllstoffes und je größer die verwendete Füllstoffmenge für das Harz ist. Hochschmelzende
Füllstoffe in großer Menge, insbesondere 750!o und mehr des Gesamtgewichtes des
Teiles, machten das Preßteil äußerst spröde und bruchanfällig. Der Zusatz anderer
Füllstoffe in Mengen bis zu 120 Gewichtsprozent des Dicyandiamid-Aldehyd-Harzes
kann zur Erzielung höherer Festigkeit und Dichte vorgesehen werden. Beispiele geeigneter
zusätzlicher Füllstoffe für diese Zwecke umfassen zerhackte, gemahlene, mazerierte
oder auf andere Weise feinzerteilte
Faserstoffe, wie Asbest, Wollastonit, Glasfasern,
Baumwollbatist, Baumwollrupfen, Leinen oder Holzmehl. Die Mischungen können gewöhnlich
ein Formschmiermittel und einen Farbstoff enthalten.
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Zur Herstellung von Mischungen, die gemäß der Erfindung zu gehärteten
Teilen verpreßt werden sollen, wird zunächst in an sich bekannter Weise ein Dicyandiamid-Aldehyd-Harz
in Mischungsverhältnissen und unter Bedingungen zur Erzielung eines sogenannten
Novolaks hergestellt. Der Anteil an Aldehyd wird so bemessen, daß etwa 0,5 bis 0,86
Mol Aldehyd je Mol Dicyandiamid verwendet werden; vorzugsweise wird der Aldehyd
in einer Menge von 0,8 Mol je Mol Dicyandiamid verwendet und dann zur - Erzielung
einer Wärmehärtbarkeit zusätzliche Mengen von Aldehyd oder Methylen abgebenden Stoffen
in solchen Mengen zugesetzt, daß das Verhältnis von Dicyandiamid zu Aldehyd in dem
Harz mindestens auf 1:1 gebracht wird.
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Neben der Verwendung von Formaldehyd als Härtemittel können andere
Formaldehydquellen, wie Paraformaldehyd, Furfuraldehyd, Acetaldehyd und Hexamethyltetramin,
angewendet werden.
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Bei der Herstellung von Preßteilen wird eine bestimmte Menge von
Dicyandiamid-Aldehyd-Harz in Pulverform mit der erforderlichen Menge des Härtemittels,
z. B.
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Paraformaldehyd, einem Schmiermittel wie z. B. Calciumstearat, einem
Farbstoff und einem oder mehreren fasrigen Füllstoffen, wie Holzmehl vermischt.
Zu dieser Mischung werden zumindest 3 Gewichtsprozent, berechnet auf das Gesamtgewicht
der Mischung, feinzerteilter, anorganischer fester Teilchen mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von nicht mehr als 5 Mikron zugegeben. Die gesamte Mischung wird dann
sorgfältig vermengt. Abgewogene Mengen werden dann in - eine geeignete Presse eingebracht
und zu Teilen von gewünschter Form und Abmessung bei vorbestimmten Temperaturen
und Drücken gepreßt, bis das Dicyandiamidharz mit dem zugefügten Aldehyd reagiert
und aushärtet. Platten, Rohre, Stangen und andere Isolierteile können auf diese
Weise leicht hergestellt werden. Meßsockel, Spulen- oder Kontaktträger und andere
Apparateteile können aus dieser Masse gepreßt werden.
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Um die durch die Erfindung gegebenen Möglichkeiten klarer zu kennzeichnen,
werden nachstehend einige Beispiele gebracht. Die darin angegebenen Teile sind als
Gewichtsteile zu verstehen, soweit nichts anderes angegeben ist. Die in den folgenden
Beispielen beschriebene Herstellung des Harzes gehört jedoch nicht zum Gegenstand
der Erfindung.
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Beispiel I In ein Reaktionsgefäß wurden 10 Mol (840 Teile) Dicyandiamid,
8 Mol (652 Teile) Formalin (3701,iges Formaldehyd) und 66 Teile Benzol eingebracht
und 45 Minuten am Rückflußkühler auf 70° C gehalten. Nach Entfernung des Benzols
wurde die verbleibende Flüssigkeit für 2all2 Stunden bei 900 C unter Rückfluß erhitzt,
gefolgt von einer Entwässerung unter einem Vakuum von 660 mm bei einer Temperatur
von 55" C. Das so erhaltene thermoplastische Harz wurde in ein geeignetes Gefäß
gefüllt und erhärten lassen. Anschließend wurde es zu Pulver vermahlen und auf heißen
Differentialwalzen mit den nachstehend aufgeführten Zusätzen in den angegebenen
Mengen gewalzt, um eine Preßmasse folgender Zusammensetzung zu erhalten: 33,5 010
Harz, 3,7 01o Hexamethyltetramin, 1,65 01o Calciumstearat, 61,15 Olo Aluminiumsilikatpigment
(durchschnittliche Teilchengröße 0, 5 Mikron).
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Das Pulver wurde in geeignete Formen gefüllt und auf eine Temperatur
von 150 bis 185"C unter einem Druck von 176 at während einer Dauer von 8 Minuten
erhitzt, um Scheiben von 10 cm Durchmesser und 0,32 cm Dicke zu erhalten. Eine Anzahl
dieser Scheiben bestanden eine Überprüfung in Übereinstimmung mit den ASTM-Normen
D 495-48T für 180 Sekunden. Eine andere Anzahl dieser Scheiben wurde der Hochleistungsbogen-
oder Schmelzdrahtprüfung unterzogen, die in dem Aufbringen zweier senkrechter Graphitelektroden
mit einem Durchmesser von 1,27 cm in einem Abstand von 1,27 cm auf der Oberfläche
der Scheiben bestand, wobei die Elektroden untereinander durch einen Kupferdraht
von 0,51 mm Durchmesser verbunden waren. Ein Gleichstrom von 500 Ampere bei 500
V wurde während einer Zeit von 0,1 Sekunden den Elektroden und dem Kupferdraht zugeführt,
der den Draht in dem erzeugten Lichtbogen zum Verdampfen brachte, wobei der Stromfluß
unterbrochen wurde. Nach einer Zeit von 1/2 Sekunden wurde die Spannung wieder auf
die Graphitelektroden gegeben. Ein Strom floß dann nicht mehr zwischen den Elektroden,
was beweist, daß die Oberfläche der gepreßten Scheiben nicht leitend geblieben war.
Der Kupferdraht wurde erneuert, der Lichtbogen wiederholt und die Spannung mehrmals
mit einem Abstand von 30 Sekunden zwischen jeder Einschaltung wiederholt. Die in
Übereinstimmung mit dem vorstehenden Beispiel hergestellten Scheiben bildeten bis
zu 60maligen Anschaltens der Spannung nach einer gleichen Anzahl von Verdampfungen
des Drahtes keine leitenden Pfade, wodurch die außerordentlich hohe Lichtbogenfestigkeit
der Scheiben bewiesen wird.
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Dem Dicyandiamid können bestimmte Anteile von Phenol zugesetzt werden,
um das Auswerfen der Preßteile aus der Form zu erleichtern. Die anzuwendende Phenolmenge
schwankt von 0,1 bis zu äquimolekularen Anteilen auf Dicyandiamid. Wichtig ist,
daß ein molarer Überschuß an Dicyandiamid und Phenol gegenüber Aldehyd besteht.
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Nachstehend wird ein Beispiel für die Herstellung von Dicyandiamid-Aldehyd-Harzen
mit einem Gehalt von Phenol gegeben: Beispiel II In ein Reaktionsgefäß wurden 5
Mol (420 Teile) Dicyandiamid, 8 Mol (652 Teile) Formalin (37 01o wäßriges Formaldehyd)
und 60 Teile Benzol während insgesamt 40 Minuten am Rückflußkühler bei 70"C behandelt
und darauf 5 Mol (538 Teile) 850/0eigen wäßrigen Phenols dem methylolierten Dicyandiamid
zugeführt. Nach Abdestillieren wurde die Mischung während 21/2 Stunden bei 95 bis
100"C am Rückflußkühler behandelt. Das abgekühlte und entwässerte Produkt wurde
nach Härtung zu Pulver vermahlen und dann auf heißen Differentialwalzen mit folgenden
Stoffen in den angegebenen Mengen zur Erzielung einer Preßmasse mit folgender Zusammensetzung
gewalzt.
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33,5 °/0 Harz, 3,7 0/o Hexamethylentetramin, 1,65 0/o Calciumstearat,
61,15 0/o Aluminiumsilikatpigment (mittlere Teilchengröße 0,5 Mikron).
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Dieser Stoff wurde zu Scheiben von 10 cm Durchmesser und 0,32 cm
Dicke gepreßt. Bei einer Prüfung nach ASTM-Norm D 495-48T fielen diese Scheiben
für eine Zeit von 188 Sekunden nicht aus. Bei der Prüfung mit der Hochleistungsbogen-
oder Schmelzdrahtprobe entsprechend Beispiel I widerstand eine weitere Anzahl dieser
Scheiben
mehr als 15 Schüssen, bevor ein Strom über ihre Oberfläche floß.
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Beispiel III Unter Verwendung von 8 Mol (672 Teile) Dicyandiamid,
8 Mol (652 Teile) Formalin (37 0/o wäßriges Formaldehyd), 66 Teile Benzol und 2
Mol Phenol wurde entsprechend den früheren Beispielen ein thermoplastisches Harz
hergestelIt, das nach Härtung und Abkühlung zu Pulver gemahlen und auf heißen Differentialwalzen
mit folgenden Stoffen in den angegebenen Verhältnissen gewalzt wurde, um eine Preßmasse
folgender Zusammensetzung zu erhalten: 33,5 0/0 Harz, 3,7 0/o Hexamethylentetramin,
1,65°/o Calciumstearat, 61,150/0 Aluminiumsilikatpigment (mittlere Teilchengröße
0,5 Mikron).
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Das Pulver wurde in geeignete Formen gefüllt und auf eine Temperatur
von 150 bis 185"C unter einem Druck von 176 at während 8 Minuten erhitzt, um Scheiben
von 10 cm bei 0,32 cm Dicke zu erhalten. Eine Anzahl der so hergestellten Scheiben
hielten der Prüfung nach ASTM-Standard D 495-48T während 193 Sekunden stand. Eine
weitere Anzahl dieser Scheiben widerstanden der im Beispiel I beschriebenen Hochleistungslichtbogen-
oder Schmelzdrahtprüfung für mehr als 60 Wiederholungen ohne Auftreten eines Oberflächenstromes
auf den Scheiben.
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Beispiel IV Ein aus 8 Mol (672 Teile) Dicyandiamid, 2 Mol (220 Teile)
850/0eigen wäßrigen Phenols und 8 Mol (652 Teile) Formalin (370/0ges wäßriges Formaldehyd)
hergestelltes Harz wurde nach Härtung und Vermahlung auf heißen Differentialwalzen
mit den folgenden Stoffen in den angegebenen Verhältnissen verwalzt: 35,0 0/o Harz,
2,5 0/o Hexamethylentetramin, 1,5 0/o Calciumstearat, 30,5 0/o Baumwollflocken,
30,5 0/o Aluminiumsilikatpigment (mittlere Teilchengröße 0,5 Mikron) Diese Mischung
wurde in Formen gefüllt und auf eine Temperatur von 150 bis 185"C unter einem Druck
von 176 at während 8 Minuten erhitzt, um Scheiben von 10 cm Durchmesser und 0,32
cm Dicke zu erhalten. Eine Anzahl dieser Scheiben widerstand der Prüfung nach ASTM-Norm
D 495-48T während 185 Sekunden, eine weitere Anzahl dieser Scheiben wurde der im
Beispiel I beschriebenen Hochleistungslichtbogen- oder Schmelzdrahtprüfung unterworfen.
Diese Scheiben widerstanden zweiundfünfzig aufeinanderfolgenden Spannungsproben,
bevor ein Oberflächenstrom über sie zustande kam.
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Bei einem Schalter, dessen Gehäuse unter Verwendung einer der vorbeschriebenen
Preßmassen erzeugt wurde, ist die Bildung oder Abscheidung von Kohle auf der Oberfläche
der Preßharzteile vermieden, so daß Kriechströme infolge der zwischen den Kontakten
erzeugten Lichtbögen nicht auftreten können. Durch die Verwendung der beschriebenen
Kunstharzpreßteile können somit verhältnismäßig billige Schalter und ähnliche elektrische
Teile hergestellt werden, da ein besonderer Schutzüberzug der Oberflächen, Lichtbogenkammern
und andere Bogenlöschmittel nicht erforderlich werden. Der Fortfall solcher
Teile
ergibt eine merkliche Herabsetzung der Herstellungskosten des Gerätes.
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PATENTANSPRCHE: 1. Zur Verwendung als elektrisches Isolierteil in
Nachbarschaft von elektrischen Lichtbögen bestimmtes wärmegehärtetes Iiunstharzpreßteil,
enthaltend etwa 30 bis 97 Gewichtsprozent eines wärmehärtenden Dicyandiamid-Aldehyd-Harzes
und 70 bis 30/o innig eingemischter Füllstoffe, die zumindest zum Teil aus feinzerteilten,
nichtleitenden, anorganischen festen Teilchen bestehen, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens 3 Gewichtsprozent der Füllstoffe, bezogen auf die Gesamtmasse des
Preßteiles, aus festen, anorganischen, nichtleitenden Teilchen mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von nicht mehr als 5 Mikron bestehen.