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Papierartige Bahnen für die elektrische Isolierung Die Erfindung betrifft
die Verwendung von überzogenen, papierartigen Bahnen mit hoher mechanischer Festigkeit,
hohem elektrischem Widerstand und hoher Lösungsmittelbeständigkeit für die elektrische
Isolierung.
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Es ist bekannt, natürliche oder synthetische Fasern zu Vliesen oder
anderen Fasermatten zu verarbeiten und diese dann mit Bindemitteln auf Kunstharzbasis
der verschiedensten Zusammensetzung zu binden. Die Eigenschaften dieser Gebilde
befriedigten nicht immer, wenn hohe mechanische Festigkeit, Abriebfestigkeit, elektrischer
Widerstand und Beständigkeit gegen Fette, Öle und organische Lösungsmittel verlangt
wurden.
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Es ist bekannt, papierartige Bahnen mit amidgruppenhaltigen Polymerisaten
zu tränken, welche außerdem die eine oder die andere der erfindungsgemäß verwendeten
Komponenten enthalten können; dadurch soll eine bessere Haltbarkeit der hergestellten
Produkte gewährleistet werden.
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Ferner ist es bekannt, Dispersionen von Terpolymerisaten herzustellen,
die in ihrem strukturellen Aufbau den erfindungsgemäß verwendeten ternären Polymerisaten
ähneln. Hierdurch ist die Lehre gegeben, daß man Gewebe mit diesen Bindemitteln
beschichten oder die Bindemittel als Füllappreturen auf Geweben verwenden kann.
Dagegen sind überzogene papierartige Bahnen aus Vliesen, welche das betreffende
ternäre Bindemittel in der erfindungsgemäß angegebenen speziellen quantitativen
Zusammensetzung enthalten, zur Verwendung für die elektrische Isolierung nicht bekannt.
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Erfindungsgemäß werden überzogene, papierartige Bahnen mit hoher mechanischer
Festigkeit, hohem elektrischem Widerstand und hoher Lösungsmittelbeständigkeit für
die elektrische Isolierung verwendet, welche aus einer Masse unregelmäßig angeordneter
Fasern aus Polyäthylenterephthalat, Superpolyamiden, Polyacrylsäurenitril, Holzschliff
und bzw. oder Mineralfasern bestehen, die durch ein bekanntes ternäres Bindemittel
des Polymerisatproduktes aus nachfolgendem Monomeren in an sich bekannter Weise
durch und durch gebunden und mit diesem Bindemittel überzogen worden sind: (A) Acrylsäurenitril,
(B) Acrylsäure, Methacrylsäure, ca-Äthylacrylsäure, Phenylacrylsäure, Crotonsäure,
Itaconsäure, Glutaconsäure oder Maleinsäure, (C) einem Ester der Säuren nach (B)
mit einem gesättigten, aliphatischen, einwertigen Alkohol mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen,
wobei (A) und (C) im Verhältnis von etwa 30:70 bis 60:40 vorliegen, (B) etwa 1,5
bis 15% des Gesamtgewichts des Monomergemisches ausmacht, das Verhältnis von Bindemittel
zu Fasern etwa 1:1,5 bis 1:19 beträgt und wobei der Oberflächenbezug hitzereaktives
Phenolformaldehydharz enthält.
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Sehr gute Papierbahnen bestehen aus einem Faserblatt aus Holzschliff
oder Superpolyamiden, die mit einem Mischpolymeren aus 35 % Acrylsäurenitril, 60
% Acrylsäurebutylester und 5 % Methacrylsäure gebunden sind.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Isolierung erfolgt
im allgemeinen derart, daß zunächst eine Faserbahn hergestellt wird, die man dann
mit einer wäßrigen Dispersion des Bindemittels imprägniert, trocknet und anschließend
unter Anwendung von Hitze und Druck verfestigt.
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Nach einer besonderen Ausführungsform werden Papierfolien derart hergestellt,
daß zunächst die Fasern mit einer wäßrigen Dispersion oberflächenaktiver Substanzen
behandelt, dann zu einer Papierfolie verformt, getrocknet und mit dem Bindemittel
imprägniert werden, worauf der Überschuß an Bindemittel ablaufen gelassen, die imprägnierte
Folie getrocknet und unter gleichzeitiger Anwendung von Hitze und Druck verfestigt
wird.
Soweit hier von -x-olefinischen Carbonsäuren die Rede ist,
handelt es sich um ungesättigte Carbonsäuren mit endständiger olefinischer Doppelbindung.
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Durch das Verhältnis von acrylsäurenitril zu den Estern der ca-olefinisch
ungesättigten Carbonsäuren wird die mechanische Festigkeit, die Beständigkeit gegenüber
Lösungsmitteln, die Außenbeständigkeit und die Biegsamkeit des Endproduktes eingestellt.
Der Gehalt an a-olefinischen Carbonsäuren im Mischpolymerisat stabilisiert die Dispersion
gegen Koagulieren und verbessert gleichzeitig die Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln.
Die Ester der a-olefmischen Carbonsäuren fördern auch die Vereinigung der Einzelteilchen
des Polymeren.
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Papierartige Erzeugnisse, die natürlich eine höhere Biegsamkeit besitzen
müssen als starre Gebilde, erfordern: Alkylester aus einwertigen aliphatischen Alkoholen
mit 8 bis 12 Kohlenstoffatomen, wenn für den Acrylsäurenitrilbestandteil des Mischpolymeri-Bates
die oberen Gewichtsgrenzen gewählt werden.
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Andererseits wählt man am besten für geschmeidigere Papierblätter
die niederen Gewichtsmengen an Acrylsäurenitril und die oberen Mengen an Estern
im Mischpolymerisat, wobei jedoch die Ester aus einwertigen alphatischen Alkoholen
mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen erhalten werden. Auch Mischungen von Estern mit Alkoholen
einer durchschnittlichen Kohlenstoffzahl von 4 bis 8 sind möglich. Als allgemeine
Regel kann es angesehen werden, daß man um: so höhere Kohlenstoffzahlen in den Veresterungsalkoholen
wählt, je höher der Gehalt an Acryls:äurenitril im Bindemittel ist, falls geschmeidige
Polymere gewünscht werden und umgekehrt.
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In den nachfolgenden Beispielen sind elektrische Isolierungen auf
der Basis von Polyterephthalsäureglykolestern, Polyamiden, Polyacrylsäurenitril
und Glasfasergewebe wiedergegeben. Es lassen sich jedoch auch andere synthetische
Fasern, wie beispielsweise Viskose, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluoräthylen:
und Polyurethan einsetzen. Auch die Verwendung von natürlichen Fasern, wie Baumwolle
und Jute, ist möglich. Darüber hinaus können auch Mischungen von Fasern eingesetzt
werden, wie Mischungen von Superpolyamid und Viskose, Holzschliff und Cellulose
usw. Auch die Mischung natürlicher und synthetischer Fasern ist möglich. Beispiel:
Holzschliff und Superpolyamide.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachstehenden Beispielen
beschrieben, wobei alle Prozentzahlen und Teile, soweit nicht ausdrücklich etwas
anderes angegeben ist, als Gewichtsprozent bzw. Gewichtsteile anzusehen sind. Beispiel
1 Nach der in der USA: Patentschrift 2451915 beschriebenen Arbeitsweise wurden auf
einem Buresh-Rando-Webber Bahnen aus Polyterephthalsäureglykolesterfasem hergestellt,
von denen drei aufeinandergelegt wurden. Gewicht der Bahn: 152,5 g/m2; Fadenfeinheit:
3 Denier; Fadenlänge: 3,81 cm. Die aufeinandergelegten Bahnen wurden miteinander
vernäht, indem sie sechsmal durch einen Webstuhl geführt wurden. Jedesmal wechselte
man die Seite der Faserbahn, von der die Nadeln auf das Gewebe trafen. Die vernähte
Bahn wurde mit der nachstehend angegebenen Imprägniermasse getränkt. Die Imprägniermasse
wurde mit Hilfe von Walzen auf jede Seite aufgetragen, wobei nach jedem Aufbringen
getrocknet wurde.
| Polymerisationsprodukt aus Gewichts- |
| 63 Teilen Acrylsäurenitril, teile |
| 32 Teilen Acrylsäurebutylester, |
| 5 Teilen Methacrylsäure sowie als |
| Polymerisationserreger |
| 0,1 Teil Natriumbisulfit, |
| 0,35 Teile Kaliumpersulfat und als |
| Dispersionsmittel |
| 0,75 Teile Natriumsalz der Schwefelsäure- |
| ester einer Mischung von lang- |
| kettigen Alkoholen, vorwiegend |
| Laurylalkohol, |
| 200,0 Teile Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 28,8 |
| Wäßrige Dispersion eines hitzereaktiven Phe- |
| nol-Formaldehyd-Harzes mit 33 % Fest- |
| stoffen ................................ 3,2 |
| Wasser .................................. 68,0 |
| 100,0 |
Die zur Imprägnierung verwendete Zubereitung war durch eine in üblicher Weise erfolgte
Polymerisation der Monomeren hergestellt. Der wäßrige Polymerisationseinsatz wurde
2 Stunden lang oder bis zur Beendigung der Polymerisation auf einer Temperatur von
etwa 60° C gehalten. Die Polymerisation kann zwar auch bei Raumtemperatur oder bei
einer der Rückflußtemperatur des Polymerisationseinsatzes entsprechenden Temperatur
ausgeführt werden. Jedoch arbeitet man vorzugsweise bei etwa 60° C. Nach Beendigung
der Polymerisation wurde die erhitzte wäßrige Dispersion noch von verbliebenen Resten
an Monomeren durch Blasen mit Luft befreit.
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Die imprägnierte Bahn wurde 10 Minuten lang bei 138° C getrocknet.
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Trockengewicht des aufgebrachten Imprägniermittels . . . . . . . .
. . . . . 373 g/m2 Gesamttrockengewicht der imprägnierten Bahn . . . . . . . . .
. . . . . . . . 525 g/m2 Dicke .......................... 2,54 mm Eine flache Bahn
der trockenen Fasermasse von 2,54 mm Dicke wurde zwischen Folien aus Polyterephthalsäureglykolestern
etwa 5 Minuten lang bei Temperaturen von etwa 260° C einem Druck von 43 kg/cm2 ausgesetzt.
Nach dem Pressen war die Dicke auf 0,38 mm zurückgegangen. Die dielektrische Festigkeit
betrug 1000 Volt/25 Mikron Dicke. Das Erzeugnis eignete sich zur Herstellung von
Isolierplatten für Kollektoren elektrischer Maschinen wie Motoren und Generatoren.
Beispiel 2 Papierisolierfolien wurden wie folgt hergestellt: Die Polyamidfasern
wurden zu einer Fadeneinheit von 1,5 Denier gestreckt und während des Streckens
mit einem aus der nachstehenden Mischung erhaltenen Salz überzogen: Oberflächenaktive
Substanzen, wie Laurylpyridiniumchlorid und das Natriumsalz des schwefelsauren Esters
einer Mischung von langkettigen Alkoholen, vorwiegend Laurylalkohol.
Die
überzogenen Polyamidfasern wurden in 0,63 cm lange Stapelfasern geschnitten und
zu einem Blatt verformt. Die Verformung erfolgte durch Anrühren eines 0,05%igen
wäßrigen Faserbreies, der auf einer Laboratoriumspapiermaschine zu Blättern mit
einem Gewicht von 0,058 g/cm2 ausgeformt wurde. Der wäßrige Schlamm wurde hierbei
auf ein Sieb gegossen, wo das Wasser ablaufen konnte, so daß ein verfilztes Blatt
anfiel, das getrocknet und durch Eintauchen in die nachstehende Imprägniermischung
imprägniert wurde:
| Gewichts- |
| teile |
| Polymeres aus 35 Teilen Acrylsäurenitril, |
| 60 Teilen Acrylsäurebutylester und 5 Tei- |
| len Methacrylsäure sowie die Polymeri- |
| sationserreger und Benetzungsmittel des |
| Beispiels 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 5,0 |
| Wasser .................................. 95,0 |
| 100,0 |
Das überschüssige Imprägniermittel wurde abtropfengelassen und das Wasser auf der
imprägnierten Folie durch schnelles Trocknen verdampft. Das trockene imprägnierte
Blatt wurde 1 Minute lang bei 150° C einem Druck von 28 kg/cm2 unterworfen. Anstatt
durch Pressen können auch durch Walzen in Kalandern weiche Papierblätter erhalten
werden. Charakteristische Daten des Endproduktes: Fasergewicht . . . . . . . . .
. . . . . . . . 0,0562 g/cm2 Bindemittelgewicht . . . . . . . . . . . . 0,0252 g/cm2
GesamttrockengewichtdesBlattes 0,0814 g/cm2 Dicke........................ 178 Mikron
Zugfestigkeit eines 15-mm-Streifens
....... 4008 g Bruchdehnung ................
19,5% Zerreißfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . 571 g Knickfestigkeit . . .
. . . . . . . . . . . . . 7,56 kg/cm2 Beispiel 3 Nach der im Beispiel 2 beschriebenen
Arbeitsweise wurde ein Papierblatt hergestellt, jedoch an Stelle der Polyamidfasern
solche aus Polytorephthalsäureglykolestern verwendet. Diese Fasern wurden mit der
oberflächenaktiven Substanz des Beispiels 2 während des Streckens auf eine Fadenfeinheit
von 3,0 Denier überzogen. Die Fasern wurden zu Stapelfasern von 0,63 cm Länge zerschnitten
und in Wasser zu einer Konzentration von 0,05 % aufgeschlämmt. Mit Hilfe einer Laboratoriumspapiermaschine
wurde ein Blatt geformt, daß nach dem Trocknen und Imprägnieren mit der im Beispiel
2 angegebenen Zubereitung getrocknet und 30 Sekunden bei 150° C einem Druck von
28 kgjcm2 ausgesetzt wurde.
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Charakteristische Daten des Endproduktes: Fasergewicht . . . . . .
. . . . . . . . . . 0,054 g/cm-' Bindemittelgewicht . . . . . . . . . . . . 0,027
g/cm2 Gesamttrockengewicht des Papiers .................... 0,081 g/cm2 Dicke........................
165 Mikron Zugfestigkeit eines 15-mm-Streifens ....... 4528 g Bruchdehnung
. . . . . . . . . . . . . . . . 19,5110 Zerreißfestigkeit . . . . . . . . . . .
. . . 450 g Knickfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 6,30 kg/cm2 Die Daten
für Zug-, Zerreiß- und Knickfestigkeit der Beispiele 2 und 3 wurden nach den durch
die Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 155 East 44 th Street,
New York 17, N. Y., veröffentlichten Methoden bestimmt (Knickfestigkeit von Papier:
T 403 M-53; Zugfestigkeit von Papier und Pappe: T 404 M-50; innere Zerreißfestigkeit
von Papier: T 414 M-49). Beispiel 4 Es wurde eine nicht verwebte Glasfaserbahn mit
einem Gewicht von 0,122 g/cm2 mit dem im Beispiel 2 angegebenen Polymeren imprägniert.
Das Imprägnieren erfolgte mit Hilfe von Abquetschwalzen mit einem Walzenabstand
von 1,7 Mikron. Die imprägnierte Bahn wurde bei etwa 107° C 1/2 Stunde lang getrocknet.
Verhältnis von Bindemittel zu Faser: 1,0: 1,6.
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Die imprägnierte Bahn wurde bei etwa 204° C etwa 10 Minuten lang einem
Druck von etwa 10,5 atm ausgesetzt. Es wurde ein starres, etwa 1,145 mm dickes Erzeugnis
erhalten. Bevorzugte Anwendungsgebiete: Isolierplatten für Kollektoren elektrischer
Maschinen, elektrisches Isoliermaterial. Beispiel 5 Aus Polyacrylsäurenitrilfasern
von 0,63 cm Länge und einer Fadenfeinheit von 3 Denier wurde in an sich bekannter
Weise zunächst eine 0,2 Gewichtsprozent Papierbrei enthaltende wäßrige Dispersion
hergestellt. Der wäßrige Schlamm wurde auf ein Papiermaschinensieb gegossen, wobei
das Wasser durch das Sieb abtropfte und ein mattenartiges Papierfaserblatt zurückließ.
Das feuchte Blatt wurde zwischen zwei mit glattem Gummi ausgestatteten Druckwalzen
gepreßt, um das überschüssige Wasser zu entfernen und beiderseits geschmeidige Oberflächen
zu schaffen. Anschließend wurde mit der folgenden Zubereitung imprägniert:
| Gewichts- |
| teile |
| Polymeres aus 35 Teilen Acrylsäurenitril, |
| 60 Teilen Acrylsäurebutylester und 5 Tei- |
| len Methacrylsäure sowie Polymerisations- |
| erreger und Benetzungsmittel nach Bei- |
| spiele ................ ............... 2,5 |
| Wasser .................................. 97,5 |
| 100,0 |
Das Papier enthielt dann 87% Polyacrylsäurenitrilfaser und 13 % des Bindemittels.
Nach dem Kalandern wurde es an der Oberfläche durch zweimaliges Eintauchen in die
nachstehende Zubereitung überzogen:
| Gewichts- |
| prozent |
| Wäßrige Dispersion mit 33% des Polymeren |
| nach Beispiel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 120,0 |
| Wäßrige Dispersion mit 66% eines hitzereak- |
| tiven wasserlöslichen Phenolformaldehyd- |
| harzes................................. 3,0 |
| 28 % Ammoniumhydroxyd . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 |
| Wasser .................................. 34,8 |
| 158,3 |
Die überzogene Papierbahn wurde nach jedem Eintauchen schnell bei 121° C getrocknet.
Das Papier
war mit einer Geschwindigkeit von 0,914 m/Minute durch
die Tauchlösung gezogen worden. Der Papierübergang wurde zwischen umlaufenden Stahlbändern
unter einem Druck von 31/2 kg/cm2 bei 171° C 3 Minuten lang hitzegehärtet.
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Das Endprodukt hatte die nachfolgenden Eigenschaften: 1. Gewichtsangaben
Gesamtgewicht . . . . . . . . . . 152,5 g/m2 Fasergewicht . . . . . . . . . . .
10,8 g/m2 Bindemittelgewicht des Papiers vordemüberziehen 74,0 g/m2 GewichtderÜberzugsmasse
67,7 g/m2 Gesamtgewicht an Polymeren . . . . . . . . . . . . . . . 78,8 g/m2 Gesamtgewicht
der Faser 73,7 g/m2 2. Physikalische Eigenschaften Dielektrische Festigkeit .. 650
V/25,4 Mikron Dicke Zugfestigkeiteines Streifens von 2,54 cm Breite a) Arbeitsrichtung
.... 22,68 kg b) Querrichtung ...... 11,34 kg Faltfestigkeit eines
Streifens von 2,54 cm Breite a) Arbeitsrichtung .... 22,68 kg (brach nicht)
b) Querrichtung ...... 11,34 kg (beim Falten) Zerreißfestigkeit nach Elmendorf
a) Arbeitsrichtung .... 15 Skalenteile b) Querrichtung ...... 10 Skalenteile
Das auf diese Weise hergestellte Papier eignet sich als elektrisches Isoliermaterial,
wenn Kohlenwasserstoffschmieröl und Kühlmittel, wie Chloralkane, Chlorfiuoralkane
und Bromalkane, zugegen sind. Kühlmittel dieser Art bewirken häufig unerwünschte
Kupferüberzüge in Kühlsystemen.
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Das auf der Basis von Polyacrylsäurenitrilfasern, eines Bindemittels
und eines Überzuges aus Polyacrylsäurenitril hergestellte Erzeugnis verhindert diese
störenden Kupferüberzüge, wenn das Kühlmittel und das Öl kontinuierlich oder absatzweise
zugeführt werden. Eine Erklärung für diese Wirkung des polymeren Stoffes kann nicht
gegeben werden.