DE1117678B

DE1117678B - Verfahren zur Herstellung eines Isolierbandes fuer elektrische Isolierungen

Info

Publication number: DE1117678B
Application number: DEP18095A
Authority: DE
Inventors: Reuben Thomas Fields
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1956-03-08
Filing date: 1957-03-06
Publication date: 1961-11-23
Also published as: GB852248A; US2946710A; FR1170279A

Description

Verfahren zur Herstellung eines Isolierbandes für elektrische Isölierungen Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Isolierbandes aus Polytetrafluoräthylen für elektrische Isolierungen, welches bei einfachem Andrücken festklebt.
Polytetrafluoräthylen besitzt zwar außergewöhnliche elektrische Eigenschaften, wie eine hohe Durchschlagsfestigkeit und einen niedrigen Verlustfaktor; wurde aber bisher zur Isolierung elektrischer Leiter in Form eines Bandes nur in sehr beschränktem Umfang verwendet. Außer den äußerst wertvollen Eigenschaften der niedrigen Dielektrizitätskonstante, hohen Durchschlagsfestigkeit, Feuchtigkeitsabstoßung und chemischen Inertheit besitzt aber Polytetrafluoräthylen außerdem die Eigenschaft, nicht zu kleben. Deshalb ist es sehr schwierig, ein spiralförmig um. einen elektrischen Leiter gewickeltes Band festzulegen, da keines der üblichen Klebmittel das Polymerenband bindet. Außerdem bilden sich beim Umwickeln des Leiters mit dem Band Lücken und Hohlräume, die im Betrieb bestimmte elektrische Phänomene; wie Koronaentladungen, verursachen. Durch diese Koronaentladungen wird das Polymere zersetzt, und es tritt ein Versagen der Isolierung auf. Die Aufbringung inerter Wachse und flüssiger oder halbflüssiger Harze während des Umwickelns des Leiters mit dem Polytetrafluoräthylenband, durch welche alle freien Stellen ausgefüllt werden sollen, kann die mangelhafte Isolierung zwar etwas verbessern, stellt jedoch keine brauchbare Lösung des Problems dar. Da diese Füllstoffe nicht an das Polymerenband gebunden werden können, werden die Lagen des Bandes nicht an Ort und Stelle gehalten, ist die Isolierung voluminös und kann die vorteilhafte hohe Temperaturbeständigkeit des Polytetrafluoräthylens nur zu einem kleinen Teil zur Geltung kommen.
Klebbänder mit Trägern aus Polytetrafluoräthylenband sind bekannt. Es ist aber schwierig, die Klebschicht hierauf zum Haften zu bringen.
Diese Schwierigkeit wird bei einem Herstellungsverfahren eines Isolierbandes für elektrische Isolierungen, bestehend aus einem Trägerfilm aus Polytetrafluoräthylen, der auf einer oder beiden Flächen mit einer Schicht eines härtbaren Harzes versehen ist, dadurch vermieden, daß gemäß der Erfindung eine oder beide Flächen des Trägerfilms mit einer Lösung eines Alkali- oder Erdalkalimetalls in einem nichtmetallischen, inerten Lösungsmittel, wie wasserfreiem Ammoniak, und anschließendes Behandeln mit einem Oxydationsmittel vorpräpariert werden. Durch diese Behandlung bildet sich ein dunkelgefärbter Überzug, der leicht an einem klebenden Harz haftet und die Isoliereigenschaften des Polytetrafluoräthylenbandes nicht merklich beeinträchtigt.
In den Zeichnungen sind drei Ausführungsformen des erfindungsgemäß hergestellten Isolierbandes inm Querschnitt dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Isolierband mit vorpräparierter Oberfläche und auf diese aufgebrachtem ungehäxtetem hitzehärtbarem Harz an der Ober- und Unterseite, Fig. 2 ein Isolierband; das sowohl an der Ober- als auch Unterseite eine vorpräparerte Oberfläche aufweist, wobei jedoch das hitzehärtbare Harz nur auf einer Seite aufgebracht ist, und Fig. 3 ein Isolierband; welches eine vorpräparierte Oberfläche und einen Überzug aus hitzehärtbarem Harz nur auf einer Seite aufweist.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsgut verwendete nicht vorpräparierte Band kann nach den verschiedensten bekannten Methoden erhalten werden. So kann das Band beispielsweise von einem festen Polytetrafluoräthylenzylinder geschnitten werden, der durch Formpressung von Polytetrafluoräthylenpulver hergestellt wurde, oder durch Strangpressen von Polytetrafluoräthylenin Gegenwart eines Kohlenwasserstoffgleitmittels bei Raumtemperatur, anschließende Verflüchtigung des Gleitmittels und Sinterung des Polymeren erhalten werden. Andere Verfahren bestehen in der Kalanderung von Polytetrafluoräthylenpulver und anschließenden Sinterung desselben. Die gemäß der Erfindung vorgesehene Vorpräparierung der Polytetrafluoräthylenoberfläche wird durch Reaktion zwischen dem Polytetrafluoräthylen und - einem gelösten Alkali- oder Erdalkalimetall erhalten. Bei dieser Umsetzung bildet sich ein gefärbter überzug, durch den die Oberfläche verklebt werden kann, ohne daß die elektrischen Eigenschaften des Polymerenbandes tnerklicL beeinträchtigt -werden. Es ist erforderlich, daß das Metall als solches- gelöst ist und sich nicht in ionischer Form in Lösung befindet. Lösungsmittel für Alkali- und Erdalkahmetalle sind stark basische Verbindungen, wie Ammoniak oder Pyridin. Eine bevorzugte Lösung zu dieser Oberflächenbehandlung des Bandes ist beispielsweise eine Lösung von Natrium in flüssigem Ammoniak. Die Art des erhaltenen Überzuges wurde zwar noch nicht bestimmt, es wurde jedoch gefunden, daß alle Alkalimetalle und - in etwas geringerem Maße - alle Erdalkalimetalle diesen Überzug ergeben, wenn sie in Form einer Lösung in einem nichtmetallischen Lösungsmittel mit Polytetrafluoräthylen in Kontakt gebracht werden. Der Überzug bildet sich rasch innerhalb weniger Sekunden und kann mit konzentrierten wie auch verdünnten Lösungen des Metalls erhalten werden. Das in dieser Weise behandelte Polytetrafluoräthylenband wird von jeglichen Reaktionsprodukten freigewaschen, die am Band anhaften könnten, und dann mit einem Oxydationsmittel behandelt. Das Oxydationsmittel entfernt allen freien Kohlenstoff, der sich während der Oberflächenbehandlung bildet. Die Anwesenheit freien Kohlenstoffs in dem Isolierband beeinträchtigt seine elektrischen Eigenschaften. Solcher Kohlenstoff bildet sich durch zu starke Umsetzung zwischen dem Polytetrafluoräthylen und dem gelösten Metall. Ein bevorzugtes Oxydationsmittel ist 20°/oige wäßrige Salpetersäure.
Das vorpräparierte Polytetrafluoräthylenband wird gewaschen und getrocknet und dann mit einem nichtgehärteten vernetzbaren Harz überzogen. Man kann die verschiedensten vernetzbaren Harze verwenden, vorzugsweise jedoch wählt man Harze, welche durch Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des Kristallschmelzpunktes des Polytetrafluoräthylens gehärtet werden können und welche in gehärtetem Zustand eine hohe Temperaturbeständigkeit besitzen. Beispiele für bevorzugte Harze dieser Art sind Siliconkautschuk, Polyesterharze und Epoxyharze. Elastomere und hitzehärtbare Harze haften im allgemeinen an der modifizierten Polytetrafluoräthylenfläche außerordentlich gut. Das nichtgehärtete Harz wird auf die vorpräparierte Polytetrafluoräthylenfläche in Form einer klebrigen, viskosen Flüssigkeit nach üblichen Methoden aufgebracht. Die aufzubringende Menge des hitzehärtbaren Harzes kann in einem weiten Bereich schwanken; im allgemeinen genügt ein Überzug von 2,5 bis 13 Mikron. Die Dicke des Harzüberzuges kann leicht an Hand der Viskosität des Harzes oder der Harzlösung gelenkt werden.
Das erhaltene Isolierband kann zur späteren Verwendung auf einer Spule aufgerollt werden. Nach dem spiralförmigen Umwickeln eines Leiters mit dem Isolierband wird der isolierte Leiter erhitzt, bis das Harz gehärtet ist. Der spiralförmig umwickelte Leiter kann auch vor dem Härten zu einer Spule gewickelt werden, da die Isolierung fest anhaftet und elastisch ist, und dann gehärtet werden, wodurch man eine feste Spule erhält. Die erhaltene Isolierung ist fest mit dem Leiter verbunden und weist keinerlei Fehlerstellen auf; es ist keinerlei weiteres Befestigungsmittel erforderlich, um sie fest am Leiter zu halten. Je nach der Art des verwendeten Klebharzes erhält man eine starre oder elastische Isolierung.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Beispiel 1 Stranggepreßtes Polytetrafluoräthylenband von 9.,3 cm Breite und 0,102 mm Dicke wird in ein Gefäß eingeführt, das eine Lösung von 20g Natrium in 2000g flüssigem Ammoniak enthält. Bei einer Verweilzeit in der Lösung von 20 Sekunden bildet sich auf der Oberfläche des Bandes ein dunkelbrauner Überzug. Das überzogene Band wird in Alkohol gewaschen; dann -durch heiße wäßrige 200/aige Salpetersäure geleitet, hierauf mit Wasser gewaschen und getrocknet. Das getrocknete Band wird dann durch ein Gefäß geführt, das eine Lösung eines Siliconlacks in Toluol enthält. Die verwendete Polymerenlösung hatte eine Viskosität von etwa 30 cP, wodurch auf dem Band ein Überzug von 13 Mikron Dicke erhalten wurde. Das flüchtige Lösungsmittel wird verdampft und das erhaltene klebrige Band auf einem Dorn aufgewickelt.
Mit diesem Band wird dann ein Kupferdraht isoliert, indem man es spiralförmig um den Leiter wickelt und sich dabei immer um etwa 75 % überlappen läßt, bis vier Bandlagen aufgebracht sind. Das Band haftet leicht am Leiter und an sich selbst an und kann dicht. gewickelt werden, ohne daß eine Verschiebung auftritt. Der isolierte Leiter wird dann 8 Stunden auf 200° C erhitzt, um das Siliconharz zu härten. Man erhält eine dichtgewickelte, fest am Leiter sitzende Isolierung. Der Leiter wurde längere Zeit mit 31,5 kV/mm belastet, wobei kein Versagen der Isolierung auftrat. -- Beispiel 2 Polytetrafluoräthylenband von 10,2 cm Breite und 0,102 mm Dicke wird gemäß Beispiel 1 mit einer Lösung von Natrium in flüssigem Ammoniak und dann mit 200%iger Salpetersäure behandelt. Das entstehende Band wird auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht eines im Handel erhältlichen Epoxyharzes behandelt, das ein Polymeres eines Bis-phenols und Epichlorhydrin sein kann. Das Band wird in sechs Lagen auf einen nichtbehandelten Polytetrafluoräthylenzylinder aufgewickelt. Das gesamte Gebilde wird dann 12 Stunden in einem Ofen auf eine Temperatur von 65 bis 80° C erhitzt. Die sechs Lagen sind zwar gut miteinander verbunden und bilden ein hartes und steifes Rohr, aber das Band haftet an dem nicht vorpräparierten Polytetrafluoräthylenzylinder nicht an und kann abgestreift werden. Das so erhaltene gehärtete Band hält eine Spannung von 15 kV aus, die quer zur Wandung 10 Stunden lang angelegt wird.
Beispiel 3 Man wiederholt Beispiel 2 unter Verwendung eines handelsüblichen Polyesterharzes als Bindemittel, das z. B. ein Mischpolymeres von Maleinsäure, Äthylenglykol und Styrol sein kann. Das bei- Härten des Polyesterharzes erhaltene Rohr kann einer Spannung von 15 kV ausgesetzt werden, ohne daß ein Versagen auftritt.
Das erfindungsgemäß hergestellte Polytetra$uoräthylenklebeband stellt eine sehr gute Isolierung für elektrische Leiter dar. Es besitzt außergewöhnliche dielektrische Eigenschaften. Die Lagen der Isolierung lösen sich nicht, sondern sind fest miteinander und mit dem metallischen Leiter verbunden. Die Isolierung kann elastisch oder starr ausgebildet werden, je nachdem, welches elastomere oder hitzehärtbare Harz verwendet wird. Andere Vorteile sind die leichte Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Bandes. Das Band läßt sich durch einfaches Andrücken festkleben und haftet vor der Härtung leicht an dem metallischen Leiter und an sich selbst. Zur Aufbringung des Bandes als Isolierung auf Drähte und Kabel können die üblichen Drahtwickehnaschinen verwendet werden. Es sind keinerlei zusätzliche Umflechtungen oder Verstärkungsmittel erforderlich. Wenn erwünscht, können aber solche Verstärkungsmittel, wie beispielsweise Glasfasern, verwendet werden. Ferner können zur Herstellung der erfindungsgemäßen Klebebänder Glasgewebe verwendet werden, die mit kontinuierlichen Schichten von Polytetrafluoräthylen überzogen sind. Auf Grund des leichten Anhaftens kann das Band von Hand aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäß hergestellte Klebeband stellt eine gute Isolierung für elektrische Leiter dar, wie sie in Magnetspulen, Motoren, Generatoren, Transformatoren, Widerständen, Kabeln, Heizschlangen, Schaltteilen und elektrischen Regelgeräten vorliegen. Das Band kann jede beliebige Breite haben. Die Isolierung widersteht außerordentlich hohen und tiefen Temperaturen ohne elektrisches oder mechanisches Versagen. Sie hält . strenge Wetter- und Feuchtigkeitsbedingungen und die Einwirkung korrodierend wirkender Chemikalien aus.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Isolierbandes für elektrische Isolierungen, bestehend aus einem Trägerfilm aus Polytetrafluoräthylen, der auf einer oder beiden Flächen mit einer Schicht eines härtbaren Harzes versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Flächen des Trägerfilms durch Behandeln mit einer Lösung eines Alkali- oder Erdalkalimetalls in einem inerten, nichtmetallischen Lösungsmittel, wie wasserfreiem Ammoniak; und anschließendes Behandeln mit einem Oxydationsmittel vorpräpariert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxydationsmittel 20o/oige wäßrige Salpetersäure verwendet wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als härtbares Harz ein Siliconharz, ein hitzehärtbares Epoxyharz oder ein hitzehärtbares Polyesterharz verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 808 599; britische Patentschrift Nr. 680 657; Zeitschrift »Kunststoffe«, -1946 -Heft 4, S. 80; Zeitschrift »E u. M<, 1953, Heft 20; S. 471/472