DE1303463C2 - Thermoplastische massen zur herstellung von dielektrika - Google Patents

Thermoplastische massen zur herstellung von dielektrika

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DE1303463C2 DE19641303463D DE1303463DA DE1303463C2 DE 1303463 C2 DE1303463 C2 DE 1303463C2 DE 19641303463 D DE19641303463 D DE 19641303463D DE 1303463D A DE1303463D A DE 1303463DA DE 1303463 C2 DE1303463 C2 DE 1303463C2
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Description

25
Die Erfindung betrifft thermoplastische Massen zur Herstellung von Dielektrika aus festen Polyolefinen und Hochspannungsstabilisatoren, insbesondere zur Verwendung als Isolatoren in Hochspannungskabeln.
In der jüngsten Vergangenheit haben synthetische Hochpolymere in zunehmendem Maße Anwendung als Isolierstoffe bei verschiedenen Zweigen der Elektrotechnik gefunden. Insbesondere weirden Polymerisate der Olefine, ζ. B. Polyäthylen und Polypropylen, als Isoliermaterialien für elektrische Kabel und Drähte verwendet, da sie gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen und leicht bearbeitbar sind. Für Hochspannungszwecke war die Verwendung dieser Massen bisher nur innerhalb enger Grenzen möglieh, weil ihre theoretische elektrische Durchbruchsfestigkeit in der Praxis bei weitem nicht erreicht wird.
Man hat vermutet, daß die relativ geringe Durchbruchsfestigkeit der technisch hergestellten Polyolefinisolationen von den zahlreichen kleinen Fremdkörpern und Luftblasen herrührt, die während der Fertigung eingeführt werden und die man bei den technischen Herstellungsverfahren praktisch kaum vermeiden kann. Kleine Teilchen von Fremdkörpern sind z. B. immer in den Kohlenwasserstoffen anwesend. Eine genauere Untersuchung hat nun gezeigt, daß diese kleinen Einschlüsse häufig das Wachsen einer Fehlerstelle in der Isolation auslösen. Das tatsächliche Wachstum solcher Fehlerstellen rührt dabei von Elektronenlawinen her. die durch den Strom in dem Kabel bedingt sind. Die Elektronenlawinen rufen Ionisationen hervor, die anschließend zu einem Durchschlag des Kabels an diesem Einschluß führen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß bestimmteStoff e als Hochspannungsstabilisatoren in Polyolefinen wirken können und einen beträchtlichen Schutz gegen die Auswirkungen der kleinen Unvollkommenheiten in der Isolation bieten, wenn sie der Polyolefin-, insbesondere Polyäthylenisolierung zugesetzt sind. Es wird angenommen, daß die Wirkung dieser Zusätze auf ihrer Fähigkeit zur Absorption energiereicher Elektronen beruht und daß sie hierdurch das Auftreten von Elektronenlawinen, welche zum elektrischen Versagen der Polyolefine führen, verhindern oder verzögern. Es wird ferner angenommen, daß diese Zusätze durch Freigabe der absorbierten Elektronen bei einem niedrigen Energieniveau und unter Ableitung der absorbierten Energie an den Grundstoff in Form von Wärme wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, worauf sie erneut zum Abfangen oder Absorbieren weiterer schneller Elektronen bereit sind und den Zyklus der Stabilisationswirkung wiederhole« können.
Es ist zwar bekannt, Isoliermassen wie Polyolefinen weitere Stoffe, wie z. B. Phenyl-0-naphthylamin, zuzugeben. Diese sollen entweder als Antioxydationsmittel wirken oder, wenn sie flüssigen Polyolefinen zugegeben werden, verhindern, daß das flüssige Dielektrikum mit der Papierunterlage, auf die es aufgebracht wird, chemisch reagiert.
Bevorzugte Spannungsstabilisierende Zusätze sind dagegen solche Stoffe, die einen Durchbrach bis zu den höchsten angelegten Spannungen verhindern. Sehr erwünscht sind solche Stoffe, die als Stabilisatoren wirksam und zugleich im Handel leicht erhältlich sind. Es ist Aufgabe der Erfindung zu fordern, daß die wirksamen Zusätze im allgemeinen folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Eine Elektronenakzeptorgruppe, insbesondere ein stark ungesättigtes Radikal, z. B. ein solches mit einer Bindung wie — NO2, — CO, — CN, Phenyl und polyzyklische Aromaten.
2. Eine Elektronendonatorgruppe, insbesondere eine solche, die ein übertragbares Proton enthält; solche sind z. B. Aminoradikale und niedrige Alkylradikale mit bis zu 8 Kohlenstoffatomen, ζ. B. — NH2 und — CH3.
3. Potentielle Wasserstoffbindung zwischen der Akzeptor- und der Donatorgruppe durch ein übertragbares Proton, z. B. derart, daß die Akzeptor- und Donatorgruppe in Orthosteilung zueinander angeordnet sind, etwa auf einem Benzoiring.
4. Umkehrbarkeit der Protonenübertragung zwischen der Akzeptor- und der Donatorgruppe, wie z. B. in der Ketoenol-Tautometrie.
5. Solche Strukturen und Bindungen zwischen den Akzeptor- und Donatorgruppen, welche die Übertragung von Ladung und Energie begünstigen, wie z. B. eine ebene oder nahezu ebene Struktur eines geschlossenen Systems von abwechselnden Einzel- und Doppelbindungen, z. B. die Ringstruktur eines aromatischen Stoffes.
6. Angemessene Größe und Komplexität des Systems zur Eignung für den Elekitroneneinfang und die nachfolgende Energieableilung, ohn? daß dabei ein irreversibler Bruch von Bindungen eintritt.
7. Angemessene Löslichkeit des Zusatzes in dem Isoliermaterial zur Erzeugung einer hinreichenden Anzahl von Zentren für das Einfangen schädlicher Verunreinigungen, wie z. B. des Sauerstoffs und der sich im elektrischen Feld bewegenden Elektronen.
Die relativen Elektronen-Affinitäten der atomaren Anlagerungsstellen sind von der Größenordnung des Chlors, welches größer als Sauerstoff ist. Sauerstoff ist seinerseits größer als Stickstoff, welches wiederum größer als Kohlenstoff ist. Die Akzeptorgruppen haben Elektronenaffinitäten in der Größenordnung derjenigen von — NO2. welche größer als bei — CN sind, die ihrerseits größer als bei >C = O sind und
3 4
diese wiederum größer als bei Phenyl. Die relativen Da das Mengenverhältnis der Zusätze, d.h. der Hoch-
Elektronendonatorstärken von Gruppen wie Spannungsstabilisatoren, welche für eine wesentliche
Verbesserung der Spannungsstabilität von Polyäthylen
N(CH3)2 benötigt werden, zwischen 0,1 und 10%, vorzugsweise
5 zwüchen 0,2 und 5% liegen, bezogen auf die Gesind größer als bei — NH2, welche größer als bei wichtsmenge des Polyäthylens, so ist ein wichtiges — CH3 sind, und diese wiederum größer als bei Phenyl. Kriterium eines speziellen Zusatzes seine Löslichkeit Die Hammet-Sigma und Sigma (+)-Werte sind ein in Polyäthylen, die wenigstens 0,1 Gewichtsprozent grobes Maß der relativen Akzeptor- und Donator- und vorzugsweise 0,2°/„ oder größer sein sollte. Die eigenschaften der Atome und Gruppen. Diese Sigma- ίο Hinzufügung solcher stabilisierenden Zusätze über werte sind bereits bestimmt und tabelliert worden, ihre Löslichkeit hinaus verursacht ihre Kristallisation insbesondere durch P. R. Wells, Chemical-Reviews, in dem Polyäthylen, wodurch die gesamte Struktur S. 171 bis 219, April 1963, (s. Tabellen auf den S. 181 wegen der Erzeugung physikalischer Unstetigkeiten und 189 dieses Aufsatzes). geschwächt wird; ein Überschuß ist daher zu ver-
Die erfindungsgeraäßen thermoplastischen Massen i5 meiden. Die Hinzufügung von 0,5 Gewichtsprozent zur Herstellung von Dielektrika aus Polyolefinen und des Zusatzes zu Polyäthylen bewirkt die Bildung einer Spannungsstabilisatoren sind daher aus festen Poly- besonders günstigen isolierenden Masse, welche sich olefinen hergestellt und enthalten als Hochspannungs- zur Verwendung in Leistungskabeln für hohe Spanstabilisatoren 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf nungen eignet.
das Polyolefin, an Verbindungen mit einer Elektronen- ao Ferner ist eine solche Natur der Zusätze erwünscht, akzeptor- und einer Elektronendonatorgruppe in daß sie von dem Polyäthylen ohne Zersetzung desForm von 2,4-6-Tri, 2,4- oder 2,6-Dinitrotoluol, selben ode. Verflüchtigung des spannungsstabilisiereno-Nitro-anilin, -anisol oder -biphenyl, 2-Nitro- oder den Zusatzes aufgenommen werden können. Da für 2,6-Dinitroanilin, Anthranilonitril, Chloranil, o-Nitro- eine erfolgreiche Mischung von Polyäthylenen mit toluol, l-Fluoro-2-nitrobenzol oder Di-p-methoxy- 25 anderen Stoffen Temperaturen von 150 bis 205°C erdiphenylamin oder Mischungen derselben oder Mi- forderlich sind, sollten die Spannungsstabilisierenden schungen derselben mit Diphenylamin oder Mi- Zusätze vorzugsweise flüssig sein und in diesem schungen von Diphenylamin mit mindestens einem der Temperaturbereich einen niedrigen Dampfdruck Stoffe m-Dinitrobenzol, m-Nitroanilin, p-Nitroanilin. haben. Demgemäß sollten die Schmelzpunkte der m-Nitrotoluol, p-Nitrotoluol, o-Nitroohlorbenzol oder 30 Stabilisatoren unter 260 C und die Siedepunkte p-Nitrochlorbenzol. oberhalb etwa 150 C liegen.
Alle genannten Stoffe rufen, wenn auch in unter- Die folgenden Beispiele dienen dazu, die Erhöhung
schiedlichem Maße, den gewünschten Effekt hervor. der Spannungsfestigkeit zu erläutern, welche durch die
Die Zusätze sind besonders bei Polyäthylen niedriger Verwendung der erfindungsgemäß ausgewählten Sta-Dichte wirksam; dieses hat gewöhnlich eine Dichte 35 bilisatoren erzielt wird, ohne jedoch die Erfindung zu von etwa 0,92 bis 0,95 und einen Schemelzindex beschränken, zwischen 0,2 und 2,0. Insbesondere beziehen wir uns B e i s d i e 1 I
auf feste Polymere von Äthyl, die nach dem Hochdruck-
verfahren hergestellt worden sind. Die Erfindung wird Eine Anzahl von Tests, die in Tabelle I aufgeführt
nachfolgend unter Bezugnahme auf solche Polyäthy- 40 sind, wurde durchgeführt, um sich von der langzeilene näher beschrieben: sie wird jedoch nicht auf die tigen Spannungsstabilität bei verschiedenen Prüf-Verwendung bei solchen Polyäthylenen beschränkt spannungen in festen Dielektriken zu vergewissern, angesehen, da die Zusätze für den gewünschten die aus einer Zusammensetzung mit Polyäthylen be-Zweck ebenfalls bei Niederdruckpolyäthylenen (hoher steheniPolyäthylenspezifischesGewichtO^jSchmelz-Dichte) und bei anderen Polyolefinen wirksam sind, 45 index 0,3; mit Spuren eines handelsüblichen Oxyz. B. Polypropylen; das letztere Material ist allerdings dationsschutzmittels). Für jeden Zusatzstoff wurde wegen seiner geringen Biegsamkeit für Kabelisolatio- eine Reihe von acht Proben geprüft. Die erste Probennen nicht allgemein verwendbar. Das Polyäthylen, serie bestand aus Polyäthylen ohne spannungsstabiliwelches nach der vorliegenden Erfindung stabilisiert sierende Zusätze. Die weiteren untersuchten Mischunist, kann natürlich kleinere Mengen der üblichen Zu- 50 gen enthielten Polyäthylen und 0,5 Gewichtsprozent Sätze, Hilfsstoffe und Füllstoffe enthalten, die ge- eines Spannungsstabilisierenden Zusatzes (Ausnahmen wohnlich bei Polyäthylen verwendet werden, wie z. B. sind markiert). Sämtliche mii Zusätzen versehene Ruß, Pigmente, Antioxydantien, Wärmestabilisatoren Proben wurden durch Mischen in einer Heißknetan- und Schutzstoffe gegen Ozonangriff. Die Zusätze der lage bei einer Temperatur zwischen 163 und 2040C vorliegenden Erfindung sind außerdem nützlich für 55 hergestellt und waren hinsichtlich Abmessungen und die Erhöhung der Spannungsstabilität von Polyäthylen Gestalt identisch.
über eine lange Zeitperiode, wobei das Polyäthylen Jede der Proben wurde bei Raumtemperatur einer
zweckmäßig kleinere Mengen von gummiartißen gleichförmigen Wechselspannung unterworfen und Polymeren und Copolymeren solcher Olefine, wie z. B. auf Hinweise für einen Hochspannungsdurchbruch Isobutylen und Isopren, enthalten. Außerdem können 60 nach dem Nadeltest geprüft. Der Nadeltest ist in dem die Zusätze bei Polyäthylen benutzt werden, das einer Aufsatz »An Accelerated Screening Test for PolyVernetzung unterworfen wurde, wobei z.B. ein Per- ethylene High-Voltage Insulation«, AIEE Transactions oxydkatalysator, etwa Dicumylperoxyd, 2,5-bis-(Ter- Paper No 62-54 (1962), von D. W. K i t c h i η und tiärbiitylperoxyd); 2,5-Dimethylhexan; 2,5-Dimethyl- O. S. P r a 11 beschrieben.
2,5-(tertiärbutylperoxy)-hexan-3; usw., oder eine Be- 65 Bei diesem Prüfverfahren wird ein »Standarddefekt« strahlung der Stärke von 10 bis 15 Megarad mit dazu benutzt, um die relative elektrische Festigkeit zu Kobalt 60 (Gammastrahlen) oder mit einem Linearbe- bestimmen und die Lebensdauer der Isolation unter schleuniger (Betastrahlen) angewendet werden kann. Spannung anzuzeigen; dies geschieht durch Beobach-
tung der Anzeichen für Verästelungen eines charakteristischen Merkmals, das allgemein als eine Vorstufe des elektrischen Durchschlags ansehen wird. Der »Standarddefekt« besteht aus einer unter vorgeschriebenen Bedingungen in eine Probe von Polyäthylen eingebetteten Nadel. Die Blöcke werden so angeordnet, daß die Nadelspitzen sich immer im gleichen Abstand (4 Zoll) von einer ebenen geerdeten "Elektrode befinden, und die Probe wird durch Anlegen einer Spannung zwischen die Nadel und die Erdungselektrode während einer Stunde belastet. Danach wird die Probe unter einem Mikroskop bei 25facher Vergrößerung auf erkennbare Verästelung als Anzeichen des elektrischen Versagens untersucht. Ein sichtbarer Schaden wird als Versagen gezählt. Diejenige Spannung, bei der vier von den acht gleichen Probestücken im Laufe einer Stunde Verästelungen zeigen, wird die charakteristische 1-Stunden-Spannung genannt.
Es hat sich gezeigt, daß der Nadeltest gut mit den Ergebnissen des Lebensdauertests bei Drähten übereinstimmt. Dies gilt für Polyäthylen mit spannungsstabilisierenden Zusätzen sowohl als auch für die üblichen Polyäthylenzusammensetzungen.
Tabelle 1
Zusatzstoffe
5|
0 \
2!
O ; 3
5,8
3 '' 1
3 ;
7 I 7 O j 2
5 i
Keine
2% 2,4,6-Trinitrotoluol ..
Ortho-methylanisol
2-Nitro-diphenyiamin ....
2,4-Dinitroanisol 0
2-Methoxy-4-nitroanilin ... 0 4-Methoxy-2-nitroanilin ... 0 2,4-DinitrodiphenyIamin .
Ortho-nitroanisol
Chloranil
2,6-Dinitrotoluol
2,4-Dinitrotoluol (techn.) .
2,4-Dinitrotoluol (techn.)
wiederholt
Orthonitrodiphenyl
2,4-Dinitrochlorbenzol ...
Diphenylamin
2-Nitroanilin
3-Nitroanilin
Anthranilonitril
3,5-Dinitroanilin
2,6-Dinitroanilin
l-Fluor-2-nitrobenzol ....
Die hinsichtlich der elektrischen Festigkeit erzielten Verbesserungen durch Hinzufügen kleiner Mengen der stabilisierenden Zusätze der obengezeigten Art spiegeln sich auch bei Versuchen im großen Maßstab in Fabrikationseinrichtungen wieder. Eine Anzahl von Versuchsläufen, bei denen große Längen von polyäthylenisolierten Leistungskabeln für 15 kV hergestellt wurden, deren Polyäthylen Zusätze der obigen Art enthielt, wurden durchgeführt. Die aus den Versuchen mit Proben dieser Produktionsläufe enthaltenen Ergebnisse waren den Ergebnissen ähnlicher Versuche an Kabeln mit üblichem Polyäthylen ohne die spanmingsstabilisierenden Zusätze einheitlich
Anzahl der Fehler
bei acht Proben
in einer Stunde
Prüfspannungen in Kilovolt
18 ; 20 23 i 30 I 40 50 i 60
0 I 3
0 0
6 :
0 j 0 0 0
: 3
o I ο η ο
ο ο ο
' 4 0 0
; 2
0 1 I
7 |3
1
0 0
überlegen. Diese Feststellungen beziehen sich besonders auf Spannungsdauerprüfungen und sind im Falle von besonders langer Dauer am überraschendsten; bei den Dauerprüfungen wird ein Kabel dem 2'/2fachen der normalen Betriebsspannung unterworfen und auf dieser Spannung so lange gehalten, bis ein Versagen eintritt. Die Lebensdauertests erbrachten, daß die Lebensdauer von Polyäthylen mit stabilisierenden Zusätzen um den Faktor 5 oder mehr größer ist als bei ίο unstabilisiertem Polyäthylen.
Beispiel Il
Die Zusätze des Beispiels I erbringen die Ergebnisse dei Spannungsfestigkeit in Polypropylen und PoIyisobutylen, wenn sie diesen in Mengen von V2 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge des verwendeten Polyolefins, zugesetzt werden.
Beispiel JH
Zur Bestimmung des Effektes der Spannungsstabilisierung bei Hinzufügen einer Kombination von Zusätzen wurde dem Polyäthylen der im Beispiel I untersuchten Art V2% einer Mischung von gleichen Teilen von 2,4-Dinitrotoluol und Diphenylamin zugesetzt und das Polyäthylen dem Nadeltest unterworfen. Bei Prüfspannungen von 50 und 60 kV wurden keine Versager festgestellt.
Beispiel IV
Ergänzende Zusätze, die eine ähnliche Spannungsfestigkeit in dem Polyäthylen hervorrufen, wenn sie in äquimolekularen Verhältnissen mit Diphenylamin gemischt werden und ein Gemisch bilden, welches in dem Polyäthylen in Mengen von ungefähr V2 Gewichtsprozent bezogen auf die Polyäthylenmenge enthalten ist, sind die folgenden:
m-Dinitrobenzol
m-Nitroanilin
p-Nitroanilin
m-Nitrotoluol
p-Nitrotoluol
o-Nitrochlorbenzol
p-Nitrochlorbenzol
Beispiele weiterer Zusätze, die erfindungsgemäß als Hochspannungsstabilisatoren verwendet werden können, werden in der folgenden Tabelle gezeigt. Bei jedem Beispiel ist der Zusatzstoff mit Polyäthylen gemischt, welches ein spezifisches Gewicht von 0.92 und einet. Schmelzindex von 0,3 besitzt und eine Spur eines handelsüblichen Oxydationsschutzmittels enthält. Die Mischung erfolgt ebenso wie weiter oben angegeben in einer Heißknetanlage zwischen 163 und 204 C.
o-Nitroariilin
o-Nitroto'üol
2,4-Dinitroanilin
55 Bei
spiel
6s Zusatz Gewichtsteile
5 ix des Zusatzes
pro 100 Teile
6o V X Phenyl-A-Naphthylamin Polyäthylen
VI Diphenylamin 2
VlI Phenyl-/9-naphthylamin 0.1
VIII N.N'-Diphenyl-para-pheny- 5
lendiamin 5
Benzidin
Diparamenthoxy-diphenyl- 10
amin
Die in der obigen Tabelle und allen anderen Beispielen beschriebenen Polyäthylenmischungen können als Dielektrikum in üblicher Weise durch Extrusion auf einem Draht angebracht werden. Zusätzlich können die Polyäthylengemische noch vernetzende Katalysatoren enthalten, so daß das extrudierte Erzeugnis ein vernetztes Polyäthylen ist; außerdem kann das extrudierte Erzeugnis durch Bestrahlung vernetzt werden. Man kann den Zusammensetzungen noch Ruß in kleinen Mengen hinzufügen. Eine solche Mischung dient zur Ummantelung isolierter Kabel. Andererseits kann Ruß auch in größeren Mengen hinzugefügt werden, so daß die Polyäthylenmischung als Halbleitermaterial verwendbar ist.
Vergleichsbeispiel
Zum Vergleich der erfindungsgemäß verwendeten Hochspannungsstabilisatoren mit der Vergleichssubstanz Phenyl-ß-naphthylamin wurde Polyäthylen, das mit 0,25 °/o Phenyl-ß-naphthylamin bzw. einem der in der folgenden Tabelle aufgeführten eifindungsgemäßen Hochspannungsstabilisatoren versetzt war, dem im Beispiel 1 beschriebenen Nadeltest unterworfen. Als Abstand der Nadelspitze von der ebenen geerdeten Elektrode wurde eine Entfernung von 7,3 cm (27/BZoll) gewählt. Die Zusatzmengen an Stabilisator wurden so gewählt, daß ein Überschuß über die lösliche Menge vermieden wurde. Die Ergebnisse des Versuchs sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tabelle II
Anzahl
der Fehler bei
sechs Proben
Zusatzstoffe Prüfspannungen
in Kilovolt
101I 151, 20',30
0,25% Phenyl-0-naphthylamin I ι
0 i 5 ! 6 6
0,25 % 2,4-Dinitrotoluol 0 ! —' 3 6
0,25 % o-nitrobiphenyl 0 i 1 ' 6 ■ 6
0,25 °/0 2-nitrodiphenylamin 0 ; 3 ' 5 6
Aus den Versuchsergebnissen geht hervor, daß die erfindungsgemäß verwendeten Hochspannungsstabilisatoren dem Zusatzstoff Phenyl-/?-naphthylamin überlegen sind. Insbesondere wies bei einer Spannung von 15 Kilovolt und sechs Proben die Vergleichssubstanz fünf Fehler auf, während das Polyäthylen mit o-Nitrobiphenyl lediglich einen Fehler und mit 2-Nitrodiphenylamin drei Fehler zeigte. Bei 20 Kilovolt Spanas nung wies das Polyäthylen mit der Vergleichssubstan? bei sechs Proben sechs Fehler auf, während das Polyäthylen mit 2,4-Dinitrotoluol lediglich drei Fehlei zeigte.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Thermoplastische Massen zur Herstellung von Dielektrika aus PolyoMuen und Hochspannungsstabilisatoren, insbesondere für Hochspannungskabel, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus festen Polyolefinen hergestellt sind und als Hochspannungsstabilisatoren 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Polyolefin, an Verbindungen mit einer Elektronenakzeptor- und einer Elektronendonatorgruppe in Form von 2,4,6-Tri-, 2,4- oder 2,6-Dinitrotoluol, o-Nitroanilin, -anisol oder -biphenyl, 2-Nitro- oder 2,6-Dinitroanilin, Anthranilonitril, Chloranil, o-Nitrotoluol, 1-Fluor-2-nitrobenzol, 2-Nitro-, 2,4-Dinitro- oder Dip-Methoxydiphenylamin oder Mischungen derselben oder Mischungen derselben mit Diphenylamin oder Mischungen von Diphenylamin mit mindestens einem der Stoffe m-Dinitrobenzol, m-Nitranilin, p-Nitranilin, m-Nitrotoluol, p-Nitrotoluol, o-Nitrochlorbenzol oder p-Nitrochlorbenzol enthalten.
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