-
Isolierung von elektrischen Maschinen, Bauelementen oder Apparaten
aus ausgehärteten Epoxydharzmassen Die Erfindung befaßt sich mit der Isolierung
von elektrischen Maschinen, Bauelementen oder Apparaten aus ausgehärteten Epoxydharzmassen.
An sich ist die Verwendung von Epoxydharzen als Lackharze, Klebharze oder Gießharze
vor allem für Isolierzwecke in der Elektrotechnik bekannt. So werden solche Harze
beispielsweise zum Herstellen von Isolatoren, zum Verkleben von Dynamoblechen, zur
Wicklungsisolierung oder auch zum Herstellen von Schichtpreßstoffen benutzt.
-
Es ist bekannt, Epoxydharzvorprodukte mit Aminhärtern oder Säureanhydridhärtern
zu härten. Dies bringt jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich. So sind zwar Aminhärter,
wie beispielsweise das Diäthylentriamin oder das Dimethylamin, sehr wirksame Härter
für Polyglycidyläther, dieses Harzhärtergemisch muß aber in einer verhältnismäßig
kurzen Zeit nach der Zugabe des Härters verarbeitet werden. Nicht verarbeitete Harzhärtermischungen
müssen beseitigt werden, damit ein Aushärten im Mischgefäß vermieden wird. Außerdem
ist ein großer Teil der zum Härten von Epoxydharzen verwendeten Amine toxisch, verursacht
Hautkrankheiten und hat mitunter auch einen äußerst unangenehmen Geruch.
-
Säureanhydridhärter, wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanhydrid,
liefern zwar Harzhärtermischungen mit relativ langen Topfzeiten, nachteilig ist
aber, daß diese Harzhärtermischungen nur sehr langsam aushärten. Außerdem können
die Säureanhydridhärter den Epoxydharzvorprodukten nur bei erhöhten Temperaturen
beigemischt werden, da nur dann eine völlige Lösung der Säureanhydridhärter in den
Epoxydharzvorprodukten erreicht wird. Beim anschließenden Abkühlen fallen dann häufig
Teile des Härters aus.
-
Weiterhin ist ein Lack auf der Basis eines Epoxydharzes bekannt, für
den als Härter Komplexverbindungen verwendet werden, die durch die Reaktion von
Alkylendiaminen mit Titansäureestern entstehen. Durch die Wechselwirkung der Titansäureestergruppierungen
mit den freien Hydroxylgruppen des Epoxydharzes entstehen jedoch freie Alkohole,
die die Herabsetzung der mechanischen Festigkeit und der Wärmestandfestigkeit und
ein Ansteigen der elektrischen Leitfähigkeit zur Folge haben. Harzhärtergemische
auf dieser Basis sind daher für die Isolierung elektrischer Maschinen, Bauelemente
oder Apparate ungeeignet.
-
Weiterhin sind als Härter für Epoxydverbindungen Aluminium-Stickstoff-Verbindungen
bekannt, die bei Aushärttemperaturen von 180 bis 200°C Aushärtzeiten von einer Stunde
und länger ergeben. Infolge dieser geringen Aushärtgeschwindigkeiten eignen sich
diese als Lackharze verwendeten Systeme im allgemeinen ebenfalls nicht zur Isolierung
elektrischer Maschinen, Bauelemente oder Apparate.
-
Die Erfindung benutzt demgegenüber Harzhärtergemische, durch die die
erwähnten Nachteile bei der Isolierung elektrischer Maschinen, Bauelemente oder
Apparate vermieden werden. Gemäß der Erfindung wird ein Gemisch aus Epoxydharzen
und Aluminiumalkoholaten von Alkylolaminen in einer die Epoxydharze härtenden Menge
verwendet. Diese Harzhärtermischung wird nach der durch die Art der Isolierung bedingten
Formgebung, beispielsweise nach dem Aufbringen auf eine Unterlage, nach dem Verkleben,
Imprägnieren, Vergießen od. dgl., gegebenenfalls unter Zusatz von Füllmaterial in
der Wärme ausgehärtet. Vorteilhafterweise wählt man den Anteil des als Härter zugesetzten
Aluminiumalkoholates von Alkylolaminen zu 2 bis 20%.
-
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß die verwendete Harzhärtermischung
eine lange Lagerfähigkeit bei Zimmertemperatur aufweist, ohne auszuhärten. Bei Erwärmung
härtet die Harzhärtermischung hingegen in verhältnismäßig kurzer Zeit zu einem festen,
unlöslichen Harz aus. Infolge der
günstigen elektrischen und mechanischen
Eigenschaften dieses ausgehärteten Harzes eignet sich diese Harzhärtermischung vorzüglich
zum Herstellen von Isolatoren, zur Wicklungsisolierung mit oder ohne Glimmer, zum
Verkleben von Dynamoblechen und zum Herstellen von Schichtpreßstoffen, wie sie beispielsweise
zur isolierenden Auskleidung von Schalterkammern oder auch als Unterlage für gedruckte
Schaltungen verwendet werden.
-
Gegebenenfalls kann der Harzhärtermischung Füllmaterial in Form von
feinverteilten Festkörpern, wie beispielsweise Quarzmehl, Titandioxyd, Glaswolle,
Holzmehl, Glimmer, Graphit oder Calciumsilikat, zugesetzt werden.
-
Als geeignete Epoxydharzvorprodukte lassen sich Epoxydverbindungen
verwenden, die beispielsweise in bekannter Weise durch Umsetzen mindestens eines
mehrwertigen Phenols oder eines mehrwertigen Alkoholes mit wenigstens einem Epihalogenhydrin
in einem alkalischen Medium gewonnen werden. Besonders geeignet hierfür sind Phenole,
die wenigstens zwei phenolische Hydroxylgruppen pro Molekül aufweisen. Insbesondere
empfiehlt sich die Verwendung von mehrkernigen Phenolen, deren Phenolkerne durch
Kohlenstoffbrücken verbunden sind, wie beispielsweise 4,4=Dioxydiphenyl-2,2-propan
(Bisphenol A) oder 4,4'-Dioxydiphenyl-methylmethan (Bisphenol F). Diesen mehrkernigen
Phenolen können auch mehrkernige Phenole zugesetzt werden, deren Phenolkerne durch
Schwefelbrücken verbunden sind, wie beispielsweise 4,4'-Dioxydiphenylsulfon. Für
die Herstellung von Polyglycidyläthern geeignete mehrwertige Alkohole sind Glycerin,
Glykol, Propylenglykol und 1,5-Pentandiol.
-
Im allgemeinen wird man bei der Herstellung eines polymeren Epoxydharzvorproduktes
das Epichlorhydrin vorziehen. Es können jedoch auch dessen Homologe, beispielsweise
Epibromhydrin, verwendet werden.
-
Die polymeren Epoxydharzvorprodukte, insbesondere die Polyglycidyläther
des zweiwertigen Phenols, die im Rahmen der Erfindung brauchbar sind, haben eine
1,2-Epoxyäquivalenz, die größer als 1.0 ist. Unter 1,2-Epoxyäquivalenz ist hierbei
die mittlere Anzahl von 1,2-Epoxydgruppen
pro Molekül des Epoxydharzvorproduktes zu verstehen.
-
Neben den in bekannter Weise gewonnenen Bisphenol-A-Glycidyläthern
lassen sich aber auch Novolak-Glycidyläther vorzüglich im Rahmen der Erfindung verwenden.
Solche Novolak-Glycidyläther werden bekanntlich durch Umsetzen eines Epihalogenhydrins
mit dem Novolakharz eines Aldehyds und einem einwertigen, einkernigen Alkyiphenol,
dessen Alkylgruppe mindestens 4 Kohlenstoffatome enthält, gewonnen. Das Novolakharz
enthält dann im Mittel etwa drei bis zwölf phenolische Hydroxylgruppen pro Molekül.
Unter Npvolakharz ist also ein schmelzbares Phenolaldehydharz zu verstehen, das
durch Umsetzen mindestens eines Phenols mit wenigstens einem Aldehyd im Verhältnis
1 Mol Phenol zu etwa 0,5 bis 0,85 Mol Aldehyd in Gegenwart eines Säurekatalysators
gewonnen wird. Obgleich im allgemeinen ein Novolakharz des Formaldehyds bevorzugt
wird, können auch Novolakharze anderer Aldehyde, wie beispielsweise des Acetaldehyds,
des Chloralaldehyds, des Butyraldehyds oder des Furfuraldehyds, verwendet werden.
Damit der Novolak-Glycidyläther eine ausreichende Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln,
wie beispielsweise in gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hat, ist es
wesentlich, daß das Novolakharz aus einem Alkylphenol gewonnen wird, dessen Alkylgruppe
4 bis 18 Kohlenstoffatome enthält. Die Alkylgruppe kann eine gerade Kette sein.
Im allgemeinen wird man jedoch den Novolak eines Phenols bevorzugen, das eine verzweigte
substituierte Alkylkette hat. Beispiele für Alkylphenole, die vorteilhafterweise
für die Herstellung des Novolak-Glycidyläthers verwendet werden können, sind: Butylphenol,
tert.Butylphenol, tert.Ainylphenol, Hexylphenol, 2-Athylhexylphenol, Diisobutylphenol,
Nonyphenol, Isononylphenol, Decylphenol, Dodecylphenol, Isododecylphenol, 3-Pentadecylphenol
u. dgl. Es empfiehlt sich, p-Alkylphenole zu verwenden. Aber auch o-Alkylphenole
und Mischungen von p-Alkylphenolen mit o-Alkylphenolen, deren Alkylgruppen mindestens
4 Kohlenstoffatome enthalten, sind geeignet.
-
Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Aluminiumalkoholate von Alkylolaminen,
für deren Herstellung kein Schutz beansprucht wird, werden durch Umsetzen eines
Alkylolamins und einer Aluminiumverbindung, wie beispielsweise Aluminiumisopropylat,
gewonnen. Nach der Entfernung der entstehenden Nebenprodukte erhält man ein Alkylolaminaluminat.
-
Die verwendeten Alkylolamine, auch als Aminalkohole bezeichnet, können
aus der Gruppe der Mono-, Di- oder Trialkylolamine ausgewählt werden, bei denen
die an das Stickstoffatom gebundenen Radikale wenigstens ein Alkylolradikal enthalten.
Gegebenenfalls sind an das Stickstoffatom noch Alkylradikale, Cycloalkylradikale
und/oder Arylradikale gebunden.
-
Beispiele von geeigneten Alkylolaminen sind Monoäthanoiamin, Monoisopropanolamin,
N,N-Diäthyläthanolamin, N,N-Diphenoläthanolamin, N,N-Dimethylisopropanolamin, Diäthanolamin,
Diisopropanolamin, N-Methyldiäthanolamin, N-Phenyldiäthanolamin, N-Methyldiisopropanolamin.
Triäthanolamin und Triisopropanolamin.
-
Zur Herstellung von Aluminiumalkoholaten von Alkylolaminen kann man
beispielsweise so vorgehen, daß man mindestens ein Alkylolamin mit Aluminiumisopropylat
im Verhältnis von 1 : 1 bis 3 : 1 auf eine Temperatur von 70 bis 120'C so lange
erhitzt, bis der bei der Umsetzung als Nebenprodukt entstehende Isopropylalkohol
restlos abdestilliert ist. Als Umsetzungsprodukt erhält man dann ein Alkylolaminaluminat.
-
Gegebenenfalls können bei der Herstellung des Alkylolaminaluminates
0,2 bis 2,2 Mol eines Glykols, beispielsweise Propylenglykol, zugegeben werden.
-
Wenn die Umsetzung lediglich durch die Mischung eines Alkylolamins
mit Aluminiumisopropylat erfolgt, ist das erhaltene Aluininiuinalkoholat flüssig.
Wird die Umsetzung hingegen unter Zusatz eines Glykols durchgeführt, beispielsweise
unter Zusatz von Propylenglykol, ist das Umsetzungsprodukt ein fester Stoff.
Zur
Herstellung eines Aluminiumalkoholates von Alkylolaminen kann man auch so vorgehen,
daß man ein Alkylolamin und Aluminiumisopropylat im Verhältnis von 1 : 1 bis 3 :
1 im Überschuß mit Toluol umsetzt. Die Bestandteile werden hierbei im Rückfluß auf
etwa 82°C erhitzt, bis der als Nebenprodukt entstehende Isopropylalkohol so weit
abdestilliert ist, daß sich ein azeotropisches Gemisch von 79% Isopropylalkohol
und 21% Toluol ergibt. Das Aluminiumalkoholat des Alkylolamins fällt dann als weißes
Pulver in kristalliner Form aus. Es wird in Toluol gewaschen und durch Erwärmung
getrocknet.
-
Die gemäß der Erfindung verwendeten Härter werden in kaltem Zustand
mit dem Epoxydharzvorprodukt in einer Gewichtsmenge von 2 bis 20 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gewicht des Epoxydharzvorproduktes, gemischt. Ist das Epoxydharzvorprodukt
flüssig, so brauchen die beiden Komponenten nur physikalisch gemischt zu werden.
Ist hingegen das Epoxydharzvorprodukt ein fester Stoff, so muß man ihn beispielsweise
zunächst bis zum Schmelzpunkt erhitzen und dann den Härter zugeben. Man kann die
im festen Zustand befindlichen Epoxydharzvorprodukte aber auch in geeigneten Lösungsmitteln,
beispielsweise in Glykolmonoäthyläther, Methylisobutylketon oder Toluol, lösen und
dann den Härter zugeben. Wenn ein Härter verwendet wird, der sich in festem Zustand
befindet, erfolgt der Zusatz zu dem Epoxydharzvorprodukt dadurch, daß man das Epoxydharzvorprodukt
erhitzt und die festen Härterkristalle in dem erhitzten Harz löst.
-
Zur Erläuterung der Erfindung seien einige Beispiele angeführt. Die
Beispiele 1 bis 4 erläutern die Herstellung von Aluminiumalkoholaten von Alkylolaminen,
während die Beispiele 5 bis 8 im Rahmen der Erfindung einsetzbare Harzhärtermischungen
zum Inhalt haben. Beispiel 1 102 Teile (0,5 Mol) Aluminiumisopropylat u-t 149,2
Teile (1,0 Mol) Triäthanolamin werden in ein Reaktionsgefäß eingefüllt, das mit
einem Thermometer, einem Rührwerk und einer Destillationsapparatur ausgerüstet ist.
Die beiden Bestandteile werden etwa 2 Stunden lang auf eine Temperatur von 88 bis
106°C erhitzt. Während dieser Zeit destilliert der entstehende Isopropylalkohol
ab. Nach Abschluß der Erhitzungsperiode bleibt im Reaktionskessel ein Aluminiumalkoholat
als klare viskose Flüssigkeit mit folgender Strukturformel zurück:
Beispiel 2 102 Teile (0,5 Mol) Aluminiumisopropylat und 74,6 Teile (0,5 Mol) Triäthanolamin
werden in ein Reaktionsgefäß eingefüllt, das mit einem Thermometer, einem Rührwerk
und einer Destillationsapparatur ausgerüstet ist. Die beiden Bestandteile werden
etwa 31/2 Stunden lang auf eine Temperatur von 77 bis 81°C erhitzt. Während dieser
Zeit destillieren 74,0 cm3 Isopropylalkohol aus dem Reaktionsgefäß ab. Das erhaltene
Produkt ist ein Aluminiumalkoholat desTriäthanolamins mit folgender Strukturformel
Beispiel 3 51 Teile (0,25 Mol) Aluminiumisopropylat und 26,3 Teile (0,25 Mol) Diäthanolamin
werden in ein Reaktionsgefäß eingefüllt, das mit einem Thermometer, einem Rührwerk
und einer Destillationsapparatur ausgerüstet ist. Die beiden Bestandteile werden
etwa 2 Stunden lang auf ungefähr 88 bis 106°C erhitzt. Während dieser Zeit destillieren
24 cm3 Isopropylalkohol ab. Dann werden 19 Teile (0,25 Mol) Propylenglykol in das
Reaktionsgefäß eingefüllt und die Reaktion etwa 30 Minuten lang bei einer Temperatur
von 94 bis 96°C fortgesetzt. Während dieser Zeit destillieren etwa 18 cm3 Isopropylalkohol
ab. Das im Reaktionsgefäß verbleibende Umsetzungsprodukt ist sehr viskos. Es werden
ihm 19,6 Teile Diäthylenglykol zugeführt. Die Mischung wird dann etwa 11/2 Stunden
lang auf ungefähr 155'C erhitzt. Während dieses letzten Zeitraumes destillieren
etwa 14 cm3 Isopropylenalkohol ab. Das im Gefäß zurückbleibende Produkt wird dann
gekühlt und ergibt ein festes, hartes, klares Aluminiumalkoholat des Diäthanolamins.
Beispiel 4 204,2 Teile (1 Mol) Aluminiumisopropylat, 149,2 Teile (1 Mol) Triäthanolamin
und 422 Teile Toluol werden in ein Reaktionsgefäß eingefüllt, das mit einem Thermometer,
einem Rührwerk und einer Destillationsapparatur ausgerüstet ist. Die Mischung wird
im Rückfluß etwa 2 Stunden lang auf etwa 82°C erhitzt. Während dieser Zeit destillieren
etwa 369 g eines azeotropischen Gemisches, das aus 79% Isopropylalkohol und 21%
Toluol besteht, aus dem Reaktionsgefäß ab. Nach etwa 2 Stunden fallen im Reaktionsgefäß
weiße Kristalle Abis. Die Umsetzung wird für etwa 20 Minuten fo, tgesetzt, damit
man sicher ist, daß der als Nebenprodukt entstehende Isopropylalkohol restlos entfernt
ist. Die ausgefallenen Kristalle werden aus dem Reaktionsgefäß herausgenommen, mit
Toluol gewaschen, gefiltert und dann bei etwa 100°C 2 Stunden lang getrocknet. Die
getrockneten Kristalle sind ein Aluminiumalkoholat des Triäthanolamins.
Beispiel
5 5 Teile des Aluminiumalkoholates des Triäthanolamins, das nach dem im Beispiel
2 beschriebenen Verfahren hergestellt ist, werden in kaltem Zustand mit 100 Teilen
eines flüssigen Polyglycidyläthers verrührt, der in bekannter Weise durch Umsetzen
von 5 Teilen Epichlorhydrin mit 1 Teil Bisphenol A und 10,2 Teilen Natronlauge gewonnen
wurde. Die Mischung wird in drei gleiche Teile geteilt und die Gelierungszeit bei
verschiedenen Temperaturen gemessen. Hierbei ergeben sich folgende Resultate:
| Temperaturen Gelierungszeit |
| (°C) (Stunden) |
| 100 24 |
| 135 3 |
| 150 0,75 |
Die Topfzeit einer solchen Harzhärtermischung betrug bei Zimmertemperatur (20°C)
4 Monate.
-
Beispiel 6 Das Verfahren nach Beispie15 wird unter Verwendung von
10 Teilen des Aluminiumalkoholates des Triäthanolamins nach Beispiel 2 und 100 Teilen
des im Beispiel 5 verwendeten flüssigen Polyglycidyläthers wiederholt. Die Harzhärtermischung
wird wiederum in drei Teile geteilt und die Gelierungszeit der Mischung bei verschiedenen
Temperaturen gemessen. Es ergeben sich folgende Resultate:
| Temperaturen Gelierungszeit |
| (° C) (Stunden) |
| 100 3 |
| 135 0,75 |
| 150 0,25 |
Die Topfzeit der Harzhärtermischung wurde bei Zimmertemperatur (20°C) auf 5 Wochen
bestimmt. Beispiel ? 10 Teile des Aluminiumalkoholates des Diäthanolamins, das nach
dem im Beispiel 3 beschriebenen Verfahren hergestellt ist, werden in 100 Teilen
des im Beispiel 5 ebenfalls verwendeten flüssigen Polyglycidyläthers durch Erhitzen
und Umrühren aufgelöst. Die Harzhärtermischung wird dann in drei Teile geteilt und
die Gelierungszeit der Mischung bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Es ergeben
sich folgende Resultate:
| Temperaturen Gelierungszeit |
| (°C) (Stunden) |
| 100 24 |
| 135 4 |
| 150 0,5 |
Beispiel 8 10 Teile des Aluminiumalkoholates des Triäthanolamins, das nach dem im
Beispiel4 beschriebenen Verfahren hergestellt ist, werden durch Erhitzen und Umrühren
in 100 Teilen eines Epoxydnovolakharzes gelöst, das in bekannter Weise durch Umsetzen
von 328 Teilen Novolakharz (Kondensationsprodukt von paratertiärem Butylphenol und
Formaldehyd), 920 Teilen Epichlorhydrin, 5 Teilen Wasser und 82 Teilen Natriumhydroxyd
gewonnen wurde. Die Harzhärtermischung wird in drei Teile geteilt und die Gelierungszeit
der Mischung bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Es ergeben sich folgende Resultate:
| Temperaturen Gelierungszeit |
| (°C) (Stunden) |
| 100 3 |
| 135 1,25 |
| 150 0,33 |