DE1589828A1

DE1589828A1 - Elektrischer Kondensator

Info

Publication number: DE1589828A1
Application number: DE19671589828
Authority: DE
Inventors: Eustance John Walker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-05-19
Filing date: 1967-05-18
Publication date: 1970-05-06
Also published as: BR6789244D0; FR1523736A; NL6706626A; GB1164738A; JPS4615055B1; CH491483A

Description

Dr. ErhGrf Ziegler ^P AALt^₀, _{36 69D 2784}

Patentanwalt 6 Frankfurf/Main 1 "³⁶-^69D"²⁷⁸⁴

Frankfurt/Main 1 Postfach 3011
Postfach 3011

General Electric Company, 1 River Road, SChenectady, N.Y.,USA

Elektrischer Kondensator

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kondensator, der. ein Kunstharz-Dielektrikum aufweist, welches aus hochmolekularem Polydiphenylphenylenäther besteht. Es ist bekannt, daß' ein Kondensator-Dielektrikum mit niedrigem Zerstreuungsfaktor und hoher Dielektrizitätskonstante sehr erwünscht ist, damit Energieverluste, Wärmeentwicklung und physikalischer Verfall möglichst zurückgedrängt werden. Die üblichen Materialien für ein Kondensator-Dielektrikum, die bei normalen Betriebstemperaturen einen niedrigen Zerstreuungsfaktor aufweisen, behalten im allgemeinen diese Eigenschaft bei Temperaturen über 100⁰C nicht bei. Ein Kondensator-Dielek_rtrikum aus synthetischen Harzen, die wegen anderer günstiger physikalischer und elektrischer Merkmale häufig verwendet werden, unterliegt einer zusätzlichen Beschränkung hinsichtlich der Temperatur. Diese Beschränkung beruht auf den Erweichungs- und Schmelztemperaturen der Kunstharze, durch welche diese bekannten Kondensator-Dielektrika gewöhnlieh auf

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Temperaturen unter 200⁰C beschränkt werden. Bezeichnend für diese und weitere Probleme ist die Tatsache, daß bekannte Kunstharz-Dielektrika dazu neigen, unter wechselnden Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Frequenz in ihren elektrischer Merkmalen unbeständig zu sein, und vorzeitiges Versagen bei hohen Temperaturen der mit solchen Materialien ausgerüsteten Kondensatoren ist nicht ungewöhnlich· Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hochmolekulares Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 als feste, dielektrische Zwischenlage in einem Metallfolienelektroden besitzenden, elektrischen Kondensator verwendet. Die Kondensatorelektroden können aber auch aus Metallblechen oder aus metallischen Überzügen auf dem festen, dielektrischen Zwischenmaterial bestehen. Selbstverständlich fallen in den Rahmen der Erfindung auch Kondensatoren mit dielektrischen Zwischenlagen, die aus einer Kombination von hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 mit anderen Materialien bestehen.

Figur 1 zeigt einen elektrischen Kondensator, der ein verbessertes Dielektrikum gemäß der Erfindung enthält.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsfona eines elektrisch?» Kondensators mit dem verbesserten Dielektrikum.

Figur 3 zeigt eine weitere Form eines elektrischen Kondensators mit dem verbesserten dielektrischen Material.

Figur 4 gibt graphisch den Zusammenhang zwischen Zerstreuungsfaktor .und Temperatur in Kondensatoren wieder, die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.

Figur 5 ist eine graphisohe Darstellung des Zusammenhangs zwischen Zerstreuungsfaktor und Frequenz in Kondensatoren, die gemäß der Erfindung konstruiert sind·

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Figur 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazität bei verschiedenen Temperaturen von Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Wickelkondensator, bestehend aus einem Paar von umeinander gewickelten Elektrodenfolien 1 und 2 aus geeigneten Metallen, wie Aluminium, die voneinander durch getrennte Filme 3 und 4 aus dielektrischem Zwischenmaterial ab- ' gesondert sind. Gemäß der Erfindung besteht das dielektrische Zwischenmaterial aus hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4. Anschlußklemmen 5 und 6 sind mit der jeweiligen Folienelektrode 1 oder 2 elektrisch verbunden und ragen an einander entgegengesetzten Seiten aus dem gewickelten Kondensator.

Eine andere Form eines Kondensators zeigt Figur 2. Der dort dargestellte Kondensator besteht aus einem Paar umeinander gewickelter Filme 7 und 8 aus einem Dielektrikum. Die Filme 7 und 8 sind ähnlich den dielektrischen Filmen 3 und 4 von Figur 1, weisen jedoch metallisierte Beläge 9, bezw. 10 auf, die als Kondensatorelektroden anstelle der Elektrodenfolien 1 und 2 in Figur 1 dienen. Wie die Figur ze φ, ist entlang der Kante und an' einem Ende jeder der beiden Dielektrikumfilme und 8 ein Rand aus nichtaetallisiertem Zwischenmaterial freigelassen. Indem man den Kondensator so zusammenbaut, daß die nichtmetallisierten Kanten eines jeden dielektrischen Films an einander entgegengesetzten Seiten Enden des gewickelten Kondensators zu liegen kommen, wird die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität

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vermieden. Da jede der Elektoden an je einem Ende des gewickelten Kondensators offen liegt, wird auch der elektrische Kontakt mit den Elektroden erleichtert. Die Anschlußklemmen 11 und 12 eind mit den Kanten der metallisierten Beläge über eine Metallverbindung 13, die durch Aufsprühen von Metall (schoopieren), Anlöten oder auf andere bekannte Weise hergestellt ist, elektrisch verbunden.

Figur 3 zeigt einen Kondensatoraufbau, bei welchem ein gewickelter Kondensatorteil 14, entsprechend den gewickelten Teilen in Figur 1 und 2, in ein Gehäuse 15 eingeschlossen ist, das eine dielektrische Flüssigkeit, wie Mineralöl, polymerisierte Butene, Rizinusöl, Silikonöl oder ein anderes geeignetes Kondensator-Imprägniermaterial enthält. Ein Paar von Anzapfbügeln 17 und 18, die innerhalb des Kondensatorteile mit Elektroden von unterschiedlicher Polarität verbunden sind, ist an Aussenklemmen 19 und 20, die in geeigneter Weise auf dem Deckel des Gehäuses angebracht sind, angeschlossen.

Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen in der Kombination eines dielektrischen Films aus hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 mit einem separaten Streifen aus einem zweiten dielektrischen Material, wie Packpapier oder Glimmerpapier. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein herkömmliches dielektrisches Kondensator-Zwischenmaterial, wie Packpapier, Glasgewebe, Asbest oder Textilgewebe mit hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 imprägniert oder überzogen. Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können durch Einarbeiten von

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verschiedenen Füllstoffen, wie feinverteilt em Aluminiunoxyd oder Kieselsäuremehl, in das aus Poly-2,6-diphenylpehylenäther-1,4 bestehende Kondensator-Dielektrikum modifiziert werden·

In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die elektrischen Kondensatoren ein Dielektrikum, das aus zweiachsig orientiertem hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 besteht. Diese Verbindung hat die folgende Strukturformel:

wobei η mindestens 100 beträgt» Unter zweiachsiger Orientierung versteht man eine orientierte Kristallstruktur, bei welcher Kristalle vorwiegend senkrecht zur Ebene des dielektrischen Films angeordnet sind.

Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 und Verfahren zur Herstellung dieses Materials sind bereits bekannt«, Zm nachfolgenden Beispiel ist beschrieben, wie das erfindungsgemäß zu verwendende Kondensator-Dielektrikummaterial hergestellt werden kann.

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Beispiel

Dieses Beispiel erläutert die Anwendung einer azeotropen Destillation zur Entfernung des Wassers unter Rückführug des kondensierenden Lösungsmittels in das Reaktionsgemisch. Ein 500 ml-Dreihalsrundkolben wurde mit einem abgedichteten, mechanischen Rührer, Thermometer, geheiztem Einlaßtrichter, einem Sauerstoffeinlaßrohr und einem RückflußkUhler ausgerüstet, der an seinem unteren Ende einen Wasserauskreiser (Dean-Stark-Kühlfalle) zum Auffangen des Wassers besaß, während das Lösungsmittel in das Reaktionsgefäß zurücklaufen könnt·· Die Verbindungen zwischen dem Reaktor und der Kühlfalle wurden mit elektrischem Heizband erwärmt, um eine vorzeitige Kondensation der verdampften Flüssigkeiten zu verhüten. Eine Lösung aus 50 g 2,6-Diphenylphenol, 0,07 g Kupfer(l)-Bromid und 0,07 g Ν,Ν,Η»,N'-Tetramethyläthylendiamin in 75 ml Benzol wurde unter einer Stickstoffatmosphäre bei 60 bis 70⁰C zubereitet· Diese Lösung wurde in den Zugabetrichter übergeführt und während einer Zeit von 27 Hinuten tropfenweise zu 175 ml auf 65⁰C erhitztem Benzol in dem Reaktonskolben gegeben· Sauerstoff wurde während der Zugabe und 105 min. lang nach vollendeter Zugabe mit einer Geschwindigkeit von 500 ccm/min durch das Reaktionsgemisch geleitet· Das viskose Reaktionsgemisch wurde mit 250 ml Benzol verdünnt, zentrifugiert, und die klare überstehende Lösung zu 1500 ml Methanol gegeben. Das ausgefallene Polymerisat wurde filtriert, gewaschen und über Nacht bei 105⁰C getrocknet, wobei 46,1 g Polymerisat mit einer grundmolaren Viskosität bei 30⁰C von 1,0 erhalten wurden·

CRiSINAL !NGPE

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In ähnlicher Weise wurden 30 g 2,6-Diphenyl^Bnol, 0,22 g CuBr und 0,4 g Cyclohexylamin, sowie 50 ml Benzol während 22 Minuten zu 100 ml Benzol gegeben und weitere 2 Stunden umgesetzt· Es wurden 27»7 g eines Polymerisats mit einer grundmolaren Viskosität bei 30⁰C von 0,3 erhalten. In einem anderen Versuch wurden in einem kleineren Reaktionskolben" 5»0 g 2,6-Diphenylphenol, in 30 ml o-Dichlorbenzol gelöst, wahrend 1 2 Minuten zu einer Lösung von 0,07 g CuBr und 0,1.7 g p-Methan-1,3-diamin in 100 ml o-Dichlorbenzol gegeben, wobei eine Temperatur zwisehen 90 und 95⁰C eingehalten wurde. Nach 2 1/2 Stunden Umsetzung wurde das Polymerisat zunächst durch Eingiessen in Methanol ausgefällt und dann aus einer Chloroformlösung dirch Eingieesen in Methanol umgefällt. Die Ausbeute betrug 4,3 g eines Polymerisats mit einr grundmolaren Viskosität bei 30⁰C von 0,32.

Bei einer Wiederholung dieses Verfahrens wurde aus einer 20 Gew.^igen Lösung von Poly(2,6-Diphenylphenylenäther-1,4) mit einer grundmolaren Viskosität von 0,4 ein Film hergestellt. Die Lösung wurde auf einer Gießoberfläche ausgebreitet und das Lösungsmittel verdampfen gelassen. Eine Reihe von Filmen wurde auf diese Weise hergestellt. Einige wurden zweiachsig orientiert, andere wurden nur in einer Richtung orientiert. Die Filme wurden 20 Sekunden auf 220⁰C vorerhitzt. Für die zweiachsige Orientierung wurden die Filme auf das Zweifache ihrer ursprünglichen Hauptdimensionen gereckt· Die nur in einer Richtung orientierten Filme wurden auf das Dreifache der ursprüglichen Dimensionen gereckt. Ein Film

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von 0,015 mm Dicke, der zweiachsig orientiert worden war, besaß eine Reißfestigkeit bei Raumtemperatur von 626 kg/cm , während ein FiI m von 0,0246 mm Sicke, der in nur einer Richtung gereokt worden war, eine Reißfestigkeit von 661 kg/cm , gemessen in der Richtung, in der der Film gereckt worden war, besaß. Ein 0,027 mm dicker Film, der zweiachsig orientiert worden war, hatte bei 20O⁰C eine Reißfestigkeit von 130 kg/cm², und ein 0,0185 mm dicker Film, der nur in einer Richtung orientiert worden war, besaß bei dieser Temperatur eine Reißfestigkeit von 123 kg/cm . Wie vorstehend bereits angedeutet wurde, können die Harzprodukte zu selbsttragenden Filmen extrudiert oder aus Lösungen gegossen werden, oder können direkt auf eine Kondensatorelektrode aufgetragen werden· In Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen ist das Material entweder amorph oder kristallin. Im kristallinen Zustand ist PoIy-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 zäher und dehnbarer und kann, wie bereits beschreiben, nach einer der bekannten Zweiachsig-Orientierungsmethoden zu einem beständigen und gleichförmigen Material behandelt werden, das für den gewünschten Anwendungszweck als ein Dielektrikum für einen elektrischen Kondensator gut geeignet ist.

Ein Kondensator-Dielektrikum aus Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 ist durch eine Dielektrizitätskonstante von etwa 3»1 bis 3f2 und eine Umwandlungstemperatur zweiter Ordnung von 230 bis 250⁰C gekennzeichnet. Zu den anderen ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften dieses Materials gehören seine große mechanische Retigkeit und ein hoher Erweichungspunkt, insbesondere bei der zweiachsig orientierten Form des Materials. Insbesondere zeigt ein Kondensator-Dielektrikum aus Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 ein hohes Maß an thermischer Beständigkeit und gute Beständigkeit gegen chemischen Abbau.
Diese Kombination von Eigenschaften, die die erfind-

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dungsgemässen Kondensator-Dielektrika besonders zur Verwendung in heisser Umgebung in Gegenwart von Luft und Wasserdampf geeignet macht, ist zumindest teilweise auf die völlig aromatische Struktur von Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 zurückzuführen« In ihrer kristallinen Form zeigen diese Kondensator-Dielektrika auch eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen den Angriff von Lösungsmitteln,,

Einige der verbesserten Eigenschaften, die elektrische Kondensatoren durch die Verwendung von Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 als Dielektrikum erlangen, sind aus den Versuchsergebnissen der Figur 4» 5 und 6 ersichtlich, die ia nachfolgenden diskutiert werden sollen.

Figur 4 erläutert die Beständigkeit des Zerstreuungsfaktors innerhalb eines breiten Temperaturbereichs in Kondensatoren, die ein Dielektrikum aus Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 besitzen. Die Kurve A zeigt die Änderung des Zerstreuungsfaktors mit der Temperatur in einem Kondensator, der ein PoIy-2,6-diphenylphenylenäther-1,4-Dielektrikum enthält, und der von 25 auf 24O⁰C erhitzt worden ist. Derselbe, im ersten Test verwendete Kondensator, der durch die Kurve A wiedergegeben ist, wurde anschliessend erneut getestet, indem er wiederum von 25 auf etwa 200⁰C erhitzt wurde. Bei dem Wiederholungstest wurde, wie es Kurve B wiedergibt, wiederum ein Zerstreuungsfaktor beobachtet, der bis über 200⁰C weitgehend konstant blieb. Der plötzliche Knick in der Kurve B und die anschiiessende Abnahme des Zerstreuungsfaktors oberhalb 24O⁰C hängt vermutlich mit dem Durchgang des dielektrischen Materials durch die Glasumwandlungstemperatur zusammen. Es ist auch bemerkenswert, daß für eine ,gegebene Temperatur der Zerstreu-

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ungsfaktor beim Wiederholungsversuch, der durch die Kurve B wiedergegeben wird, kleiner let als beim ersten, durch Kurve A wiedergegebenen Versuch. Diese Erscheinung wird auf die Eliminierung von restlichem Lösungsmittel bei« Erhitzen während des ersten Versuches zurückgeführt.

Ein zweiter Kondensator, der durch die Kurve C und Ώ erläutert wird, wurde ebenfalls getestet. Dieser zweite Kondensator unterschied sich von dem ersten Kondensator dadurch, daß das Dielektrikum des zweiten Kondensators vor dem Einbau in den Kondensator behandelt worden war, um dem Material eine zweiachsig orientierte Kristallstruktur zu verleihen.

Kurve C von Figur 4 zeigt den Zerstreuungsfaktor eines von 25 bis 23O°O erhitzten elektrischen Kondensators, der ein Kondensator-Dielektrikum aus zweiachsig orientiertem hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 enthält. Auch hier wurde nur eine sehr geringe Zunahme des Zerstreuungsfaktors oberhalb 200⁰C beobachtet. Bei einem anschliessenden Versuch mit dem gleichen Kondensator wurde ein Zerstreuungsfaktor/Temperatur-Verhältnis erhalten, wie es in Kurve D graphisch dargestellt ist. Wie aus dem durch die Kurve D wiedergegebenen Test ersichtlich ist, ist der Zerstreuungsfaktor in dem untersuchten Temperaturbereich äusserst beständig. Bei einem Vergleich des Zerstreuungsfaktors des zweiten Kondensators beim ersten und beim Wiederholungsversuch, der durch die Kurve C, bezw. die Kurve D wiedergegeben ist, erkennt man, daß der Zerstreuungsfaktor beim Wiederholungeversuch im gesamten Temperaturbereich etwas niedriger war als beim ersten Versuch.

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Dies ist, genau so wie bei dem Versuch mit dem ein nicht orientiert es Dielektrikum besitzenden Kondensator,auf die Entfernung von restlichem Lösungsmittel während des ersten Versuches zurückzuführen.

Figur 5 erläutert graphisch den Zusammenhang zwischen Zerstreuungsfaktor und Frequenz in einem Bereich von 60 bis 100 000 Hertz bei einem Kondensator, der als Dielektrikum hochmolekulares Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 enthält. Kurve E gibt das Zerstreuungsfaktor/Frequenz-Verhältnis bei 25⁰C eines Kondensators wieder, der ein Dielektrikum aus hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1_f4 aufweist. Die Ergebnisse eines ähnlichen Versuchs bei 145⁰C sind in Kurve F wiedergegeben. Ein Kondensator-Dielektrikum aus zweiachsig orientiertem hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 wurde in dem bei 3O⁰C getesteten Kondensator verwendet, dessen Zerstreuungsfaktor/Frequenz-Verhältiis durch Kurve Q wiedergegeben wird. Bei allen diesen Versuchen wurde eine geringe Abnahme des Zerstreuungsfaktors mit zunehmender Frequenz beobachtet.

In Figur 6 ist die Änderung der Kapazität bei Änderung der Temperatur im Bereich von 25 bis 200°C für einen Kondensator dargestellt, der ein Dielektrikum aus zweiachsig orientiertem hochmolekularem Poly-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 enthält. Aus dieser Kurve geht hervor, daß die Kapazitätsabnahme, wenn man den Wert bei 25⁰C zu 10Oji festlegt, beim Anheben der Kondensatortemperatur auf 200⁰C, etwas mehr als 5# ausmacht.

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Claims

Π.J Elektrischer Kondensator, der ein Paar von durch ein Dielektrikum voneinander getrennten Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet* daß das Dielektrikum hochmolekulares Poly-2,6-diphenylphenylenäther-i,4 enthält.
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden aus einem metallischen Belag auf diesem Dielektrikum besteht.
3. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einer Zusammensetzung besteht, die neben Poly-2,6-diphenylphenylenäther-i,4 ein flüssiges Dielektrikum enthält.
4. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einer Zusammensetzung besteht, die neben Poly-2,6-diphenylphenylenäther-i,4 ein poröses dielektrisches Streifenmaterial enthält.
5. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1

bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er den hochmolekularen PoIy-2,6-diphenylphenylenäther-1,4 in Form eines zweiachsig orientierten Films enthält.
6. Elektrischer Kondensator nach einem der Ansprüche 1

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus gewickelten Metallfolien bestehen, die durch das Dielektrikum voneinander getrennt sind.

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