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Verfahren zur Herstellung von Schichtstoffen aus anorganischem Fasermaterial
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Schichtstoffen, die insbesondere
für die Herstellung von hitzegehärteten, geschichteten, elektrisch isolierenden
anorganischen Bauteilen Verwendung finden, die bei Temperaturen bis zu 500° C eingesetzt
werden können, ohne daß eine Blasen- oder Lunkerbildung erfolgt oder andere Fehler
auftreten.
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Es sind bereits zahlreiche Schichtstoffe für die Verwendung in elektrischen
Isolatoren vorgeschlagen worden. Die in der Elektroindustrie verwendeten Schichtstoffe
müssen aber relativ lange bei hohen Temperaturen, z. B. bei 50J° C und höher, zufriedensteIlend
funktionieren, ohne Blasen zu bilden oder abzusplittern.
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Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung von Schichtstoffen, wobei
eine Vielzahl von Lagen aus anorganischem Fasermaterial mit einer wässerigen Imprägnierungssuspension,
die ein Aluminiumphosphat enthält, imprägniert, getrocknet und durch Anwendung von
Hitze und Druck ausgehärtet werden, wobei erfindungsgemäß eine Imprägnierungssuspension
verwendet wird, die eine Aluminiumverbindung, Phosphorsäure und einen festen, anorganischen,
feinverteilten Füllstoff enthält.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtstoffe
werden zur Herstellung von elektrischen Isolierkörpern und geschichteten Bauteilen
verwendet. So hergestellte Körper sind für einen kontinuierlichen Betrieb bei Temperaturen
bis zu 500° C geeignet, ohne Blasen zu bilden oder abzusplittern.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung soll die Zeichnung dienen.
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F i g. 1 ist eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt,
von einer Apparatur, die für die Herstellung eines Schichtstoffes gemäß der Erfindung
geeignet ist; F i g. 2 ist eine stark vergrößerte Ansicht im Querschnitt eines geschichteten
Bauteiles; F i g. 3 ist eine maßstabgetreue Ansicht eines geschichteten rohrförmigen
Gliedes, und F i g. 4 ist eine maßstabgetreue Ansicht eines Klemmbretts.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Schichtstoffe hergestellt,
indem man zum Imprägnieren einer Vielzahl von Lagen von anorganischem Fasermaterial
eine flüssige Suspension verwendet, die 90 bis 20 Gewichtsteile einer wässerigen
Mischung aus 10 bis 40 Gewichtsprozent Aluminiumphosphat - vorzugsweise 18 bis 23
Gewichtsprozent A11304 und/oder AI"(HP04), und/oder Al(H2P04), -, 10 bis 40 Gewichtsprozent
Phosphorsäure - vorzugsweise 27 bis 31 Gewichtsprozent H31304, H41320? und (HPO3)x
-und die entsprechende Menge Wasser und ferner 10 bis 80 Gewichtsteile des anorganischen
feinverteilten Füllstoffes enthält. Die imprägnierten Folien werden dann aufeinandergelegt,
getrocknet und durch Einwirkung von Hitze und Druck ausgehärtet.
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Für die Herstellung der Schichtstoffe werden Folien aus faserigem
Material, z. B. Glasgewebe, mit der beschriebenen flüssigen Suspension in einem
Imprägnierungsverhältnis von 1,5: 6,0 imprägniert. Der Ausdruck »Imprägnierungsverhältniis«,
wie er in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, bezieht sich auf das Verhältnis
des Gewichtes des unbehandelten Gewebes plus Gewicht der ungetrockneten Suspension,
welche in das Gewebe imprägniert wird, zum Gewicht des unbehandelten Gewebes. Der
Feuchtigkeitsgehalt des imprägnierten Gewebes wird dann auf ungefähr 6 bis 10 Gewichtsprozent
reduziert, wodurch sich die Imprägnierung im wesentlichen trocken anfühlt. Dies
kann leicht erreicht werden entweder in dem man das imprägnierte Gewebe mehrere
Tage an der Luft liegenläßt oder indem man es genügend lange, im allgemeinen 5 bis
15 Minuten, bei 60 bis 100° C hält.
Das trocken scheinende imprägnierte
Gewebe wird dann in mehrere Bahnen geschnitten, welche aufeinandergelegt und in
eine Presse gegeben werden, wo sie bei einem Druck von 3,5 bis 70 km'cm'= und einer
Temperatur von 40 bis l00° C während 5 Minuten bis zu mehreren Stunden vereinigt
werden, je nach der Größe des hergestellten Bauteiles. Der so hergestellte Schichtstoff
wird dann in einem Ofen bei 200 bis 500° C während mehrerer Minuten bis mehrerer
Stunden vollständig ausgehärtet. Temperaturen über 500'- C, z. B. 1000 und
1200= C, können, wenn gewünscht, angewendet werden, jedoch ist eine Temperatur von
500'-'C zufriedenstellend, da dies die Temperatur ist, bei der der fertige Schichtstoff
eingesetzt werden soll.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schichtstoffe
können als Bestandteile in Flugzeugen und in ferngelenkten Geschossen verwendet
werden, z. B. als Röhren- und Raketendüsen. Ferner werden sie auf Grund ihrer hervorragenden
elektrisch isolierenden Eigenschaften z. B. zur Herstellung von Sperrschichtrohren,
Keilen u. dgl. verwendet. Die Bauteile sind für eine längere Verwendung bei Temperaturen
von 500 ' C und höher geeignet.
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Erfindungsgemäß werden in der Imprägnierungssuspension Aluminiumphosphate
benutzt, wobei sich der Ausdruck »Aluminiumphosphate« nicht nur auf Aluminium-ortho-phosphat
AIP04, sondern auch auf Aluminium-monohydrogen-phosphat AI2(HPO@a und auf Aluminium-dihydrogen-phosphat
Al(H.eP04)3 bezieht und auch auf Mischungen von zwei oder mehreren hiervon.
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Phosphorsäure, wie sie in der Imprägnierungssuspension der vorliegenden
Erfindung angewendet wird, schließt nicht nur ortho-Phosphorsäure der Formel H.4PO4
(85°/0"g), sondern auch pyro-Phosphorsäure@ der Formel H,1 P207 und meta-Phosphorsäure
der Formel (HPO.)t ein. Die letzteren zwei Säuren bilden ortho-Phosphorsäure zurück,
wenn sie in Wasser angewendet werden.
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Für die Verwendung bei Temperaturen von 500'- C und höher geeignete
zufriedenstellende Schichtstoffe werden nicht erhalten, wenn das anorganische Fasermaterial
nur mit einem wässerigen Gemisch von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure imprägniert
wird. Es maß vielmehr ein fester anorganischer feinverteilter Füllstoff in die Imprägnierungsmasse
eingearbeitet werden. Wie wichtig die Gegenwart von Füllstoff ist, zeigt sich daran,
daß ein herkömmlicher Schichtstoff, der keinen anorganischen Füllstoff enthält,
während oder nach der Warmhärtung rissig wird. Der Mechanismus, nach welchem sich
diese Füllstoffe mit der wässerigen Mischung von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure
verbinden oder reagieren, ist zur Zeit noch nicht aufgeklärt. Jedoch zeigen Schichtstoffe,
welche den Füllstoff' nicht enthalten, eine geringe Hitzeschockbeständigkeit und
eine geringe mechanische Schlagfestigkeit. Ferner werden in Abwesenheit von anorganischem
Füllstoff die Schichtstoffe so feuchtigkeitsempfindlich, daß sie Wasser absorbieren,
wobei die Bindung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten zerstört wird, wodurch
der Schichtstoff bröcklig wird, was die Isoliereigenschaften des geschichteten Bauteiles
meist vollständig zerstört.
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Geeignete anorganische Füllstoffe, die zusammen mit der wässerigen
Mischung von Aluminiumphosphat und Phosphorsäure gemäß der Erfindung verwendet werden.
sind die Oxyde und Silicate von Calcium, Barium, Magnesium, Cadmium. Aluminium,
Zink, Blei und Titan. Diese Füllstoffe können allein oder im Gemisch von zwei oder
mehreren angewendet werden. Der Füllstoff kann zusammen mit den anderen Komponenten
der flüssigen Imprägnierungssuspension in Mengen von 10 bis 80 Gewichtsprozent angewendet
werden. Die Teilchen sollen eine durchschnittliche Größe von 5 bis 150 Mikron
haben, vorzugsweise 5 bis 75 Mikron. Wenn die Partikelchen kleiner als 5 Mikron
sind, wird die Imprägnierung für eine bequeme Verarbeitung in den kommerziellen
Apparaten zu thixotrop.
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Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Schichtstoffen gemäß
der Erfindung ist schematisch in F i g. 1. der Zeichnung dargestellt. Hier zeigt
10 eine Rolle eines anorganischen Fasermaterials, aufgewickelt auf eine Rolle 12.
Das anorganische faserige Material kann aus Glasgewebe, Glaspapier, Glasmatte, Asbestgewebe.
Asbestpapier, Asbestmatte, Quarzmatte und Mischungen von zwei oder mehreren anorganischen
Fasern bestehen.
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Das Fasermaterial 10, z. B. Glasgewebe, wird abgewickelt von der Rolle
12 über eine Rolle 14 und unter eine Rolle 16 geleitet. die in einem Trog 18, der
eine flüssige Imprägnierungssuspension 20 enthält, aufgehängt ist. Die Suspension
kann z. B. enthalten: 50 Teile einer wässerigen Mischung, die 15 Gewichtsprozent
Aluminiumphosphat, 35 Gewichtsprozent Phosphorsäure und die entsprechende Menge
Wasser enthält, in der 5:i Teile des Füllstoffes suspendiert sind. Dieser ist zusammengesetzt
aus gleichen Mengen Calciumsilicut und Aluminiumoxyd. wobei jeder Füllstoff eine
durchschnittliche TeiLhengröße vo1 10 bis 15 Mikron hat.
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Das Gewebe 10 wird imprägniert mit der Suspension 20 in dem Trog ?
8 in einem Imprägnierungsverhältnis von s.5 : 6,0.
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Das impriignierte Gewebe 22 wird dann durch einen Ofen oder einen
Trockenturm 24 geleitet, der mit einer genügenden AnzühlHeizelemente 26 versehen
ist, um der. Feuchtigkoitsgehalt des imprägnierten Gewebes 22 auf ungefähr f; bis
10 °,'a zu reduzieren, wobei sich das Gewebe 28 nach Verlassen des Turmes trocken
anfühlt. Das getrocknete Gewebe 28 wird über die Rollen 39 und 32 und unter
eine Rolle 34 geleitet und wird dann zur Aufbewahrung auf eine Rolle 36 gewickelt.
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Für die Herstellung eines Schichtstoffes gemäß der Erfindung wird
das imprägnierte Glasgewebe 28 von der Rolle 36 abgenommen und in Folien von bestimmtem
Format geschnitten. Mehrere der genannten Folien werden dann aufeinandergelegt und
teilweise in einer Presse bei geeigneter Wärme und Druck gehärtet. Dies kann bequem
ausgeführt werden, indem man die auf einandergelegten Folien einem Druck von 3,5
bis 70 kg cm= während ungefähr 5 Minuten bis zu mhreren Stunden und einer Temperatur
von !0 bis 1002C aussetzt. Im allgemeinen sollen geschichtete Körper,
ungefähr 12,7 mm dick und 77.5 cm= groß, einem Druck von ungefähr 3.5 kg'cm'= bei
einer Temperatur von etwa 70 bis 80" C während einer Stunde ausgesetzt werden.
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Der teilweise geartete Schichtstoff wird dann aus der Presse genommen
und durch Einbringen in einen Ofen hitzegehärtet, wobei die Temperatur langsam von
200 auf 500 = C gesteigert wird und noch so
lange hierauf
gehalten wird, bis im wesentlichen alle Spuren an freiem Wasser entfernt sind. Schichtstoffe,
ungefähr 12,7 mm dick, können in einem solchen Ofen entweder allein oder
in Stapeln von fünfzehn oder mehr gehärtet werden. In letzterem Fall ist es vorzuziehen,
perforierte Metallplatten zwischen die geschichteten Teile in den Stapeln zu schieben,
um ein starkes Werfen der Teile zu verhüten. Die Hitzehärtung in dem Ofen erfordert
ungefähr drei Stunden, um ein zufriedenstellendes Bauteil zu erhalten.
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F i g. 2 zeigt einen Querschnitt einer Längsseite einer Schichtatoffplatte
38, zusammengesetzt aus vielen Lagen des imprägnierten Glasgewebes 28.
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Es ist ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung, daß das
imprägnierte Gewebe 28 auf einen Dorn gewickelt werden kann unter Bildung von Röhren
gewünschter Größe und Form. Solche Rohre werden hitzegehärtet, indem man die gewickelten
Rohre mit dem noch unversehrten Dorn in einen Ofen einbringt und hitzehärtet in
der Weise, wie es bereits oben bei der Herstellung von Schichtstoffplatten beschrieben
worden ist. Die Gegenstände können auch viereckig, sechseckig, achteckig sein oder
irgendeinen anderen Querschnitt haben.
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In F i g. 3 ist eine Ansicht eines zylindrischen Rohres 40 gezeigt,
welches gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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Es ist ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung,
daß das imprägnierte Glasgewebe 28 in kleinere Partikelchen zerkleinert werden kann,
z. B. durch Zerhacken, Schneiden, Mahlen od. dgl. Dieses zerkleinerte Material kann
dann in Strangpreßformen oder Preßwerkzeugen der verschiedensten Typen gepreßt und
schließlich wärmegehärtet werden, wie dies oben beschrieben ist, um Gegenstände
von komplizierter Form herzustellen.
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F i g. 4 ist eine Ansicht einer Reihenklemme 50, die auf diese Weise
hergestellt ist. Die Rippen 52 und die Unterlage 54 werden vorzugsweise im ganzen
gepreßt, und dann werden die Löcher 56 gebohrt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schichtstoffe haben
neben ausgezeichneten elektrisch isolierenden Eigenschaften hervorragende physikalische
Eigenschaften. Sie sind besonders geeignet für die Verwendung in Transformatoren,
z. B. als Sperrschichtrohre, Keile u. dgl.
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Andere Füllstoffe als die hier beschriebenen Oxyde und Silicate können
auch in Mengen bis zu ungefähr 30% in die Irnprägnierungssuspension eingearbeitet
werden. Wenn gewünscht, können auch Pigmente und Farbstoffe hinzugefügt werden.
Geeignete Füllstoffe sind z. B. Glimmer, Eisenoxyd, Kieselsäure u. dgl. Diese letzteren
Füllstoffe sollen in feinverteilter Form verwendet werden. Sie können allein oder
in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele veranschaulicht.
Wenn nichts anderes angegeben ist, bedeuten die Teile und Prozente Gewichtsteile
bzw. Gewichtsprozente.
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Beispiel 1 Eine Länge des Glasgewebes läßt man eine flüssige Suspension,
die 50 Teile Caleiumsilicat mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr
50 Mikron und 50 Teile einer wäßrigen Mischung von 20%Aluminiumphosphat, 20%ortho-Phosphorsäure
(85%ig) und 609/o Wasser enthält, passieren. Das Gewebe wird mit der Suspension
in einem Imprägnierungsverhältnis von 2,6:3,0 imprägniert und dann so lange in einen
Ofen gegeben, in dem eine Temperatur von ungefähr 60° C herrscht, bis die im imprägnierten
Gewebe enthaltene Feuchtigkeit auf ungefähr 6'% reduziert ist und das Gewebe sich
trocken anfühlt. Dann wird das Gewebe in sechs Folien geschnitten, je 77,5 cm2 groß.
Die Folien werden dann aufeinandergelegt, und zwar eine auf die andere, und 10 Minuten
in eine Presse bei einem Druck von 14 kg/cm2 und einer Temperatur von l00° C gegeben.
Der Schichtstoff wird dann aus der Presse genommen und in einem Ofen hitzegehärtet.
Die Temperatur in dem Ofen wird allmählich von Raumtemperatur auf ungefähr 250°
C erhöht. Der Schichtstoff wird 30 Minuten bei 250° C gehalten. Die so hergestellte
geschichtete Platte konnte bei Temperaturen von 500° C verwendet werden, ohne Blasen
zu bilden, abzusplittern oder in anderer Weise zu versagen.
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Zufriedenstellende Schichtstoffe werden auch erhalten in Übereinstimmung
mit dem Verfahren, wie es im Beispiel 1 beschrieben ist, indem man Calciumsilicat
durch einen oder mehrere der folgenden Füllstoffe ersetzt, nämlich durch Calciumoxyd,
Bariumoxyd oder Silicat, Magnesiumoxyd oder Silicat, Cadmiumoxyd oder Silicat, Aluminiumoxyd
oder Silicat, Zinkoxyd oder Silicat, Bleioxyd oder Silicat und Titanoxyd oder Silicat.
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Beispiel 2 Asbestpapier läßt man eine flüssige Suspension durchlaufen,
die enthält: 40 Teile einer wässerigen Mischung, enthaltend 15% Aluminiumdihydrogenphosphat,
15 % pyro-Phosphorsäure und 70'% Wasser und 60 Teile eines feinverteilten Füllstoffes,
der aus gleichen Gewichtsteilen Siliciumdioxyd und Aluminiumsilicat mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von 75 Mikron zusammengesetzt ist. Das imprägnierte Asbestpapier passiert
dann einen Ofen, in dem eine Temperatur von 100° C herrscht, mit einer solchen Geschwindigkeit,
daß der Feuchtigkeitsgehalt des imprägnierten Gewebes auf etwa 10 % reduziert wird.
Das Fabrikat fühlt sich trocken an. Das Asbestpapier wird zu einem Rohr geformt,
indem man es auf einen Dorn aufrollt, der einen Durchmesser von 3,81 cm hat. Zunächst
wurde eine Lage Polyäthylenterephthalat auf den Dorn gewickelt, um zu verhüten,
daß das Rohr auf dem Dorn anklebt. Dann wurde genügend imprägniertes Asbestpapier
auf den Dorn aufgewickelt, um ein Rohr zu erzeugen, das einen äußeren Durchmesser
von 5,08 cm hat. Das gewickelte Rohr wurde in einen Ofen gegeben und wärmegehärtet
durch langsames Erhöhen der Temperatur auf 285° C und ungefähr 3 Stunden auf dieser
Temperatur gehalten. Das so hergestellte Rohr war nach dem Entfernen vom Dorn zufriedenstellend,
und es kann vorzugsweise in einem Transformator eingesetzt werden, bei dem hohe
Temperaturen von ungefähr 500° C auftreten können.