DE2149888A1 - Polymerisatband fuer Isolierzwecke - Google Patents

Polymerisatband fuer Isolierzwecke

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DE2149888A1 DE19712149888 DE2149888A DE2149888A1 DE 2149888 A1 DE2149888 A1 DE 2149888A1 DE 19712149888 DE19712149888 DE 19712149888 DE 2149888 A DE2149888 A DE 2149888A DE 2149888 A1 DE2149888 A1 DE 2149888A1
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Description

DR.-ING. WALTER ABITZ Ätönchen. 6- Oktober 1971
DB. DIETER F. MORF DR. HANS-A. BRAUNS
Postanschrift / Postal Address 8 München 86, Postfach 860109 fatentanwähe 2149888 ffenzenauerstraße 28
Telefon 483225 und 486415 Telegramme: Chemindus München Telex: (0)523992
AD-4573
E.I. DU PONO? DE NEMOURS AHD COMPAM 10-fch and Market Streets, Wilmington, Delaware 19 898, V.St.A,
Polymerisatband für Isolierzwecke
Die Erfindung betrifft Polymerisatfolien, die ein Oberflächenmuster aufweisen und an ihrer Oberfläche aktiviert worden sind.
Die Behandlung von Perfluorkohlenstoffpolymerisatfolien durch elektrostatische Entladung, um ihre Oberfläche anhaftend zu machen, ist aus der USA-Patentschrift 3 296 011 bekannt. Das ■ Prägen von Polycarbonatband, um den Reibungskoeffizienten herabzusetzen und das Eindringen von Öl zu ermöglichen, ist aus der USA-Patentschrift 3 105 872 bekannt.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, dass man durch Kombinieren dieser beiden Behandlungen eine Polymerisatfolie er- ' hält, die sich besonders für aus Polymerisatband und Öl bestehende Isolationen eignet. Demgemäss stellt die Erfindung eine Polymerisatfolie zur Verfügung, die sowohl ein Oberflächenmu-
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ster aufweist als auch an ihren Oberflächen aktiviert worden, ist. Das Oberflächenmuster ermöglicht das Eindringen von Öl . zwischen die Schichten des aus der Folie bestehenden Bandes unter Verdrängung sämtlicher Luftblasen zu dem Zweck, eine elektrische Isolation herzustellen. Die Oberflächenaktivierung der Polymerisatfolie erhöht die Affinität zwischen öl und Polymerisatfolie und führt zu einer verbesserten elektrischen Leistung bei der Isolation.
Das Polymerisat, aus dem die Folie besteht, kann jedes beliebige Polymerisat sein, welches die für den jeweiligen Anwendungszweck erforderlichen elektrischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweist. So soll das Polymerisat z.B. eine solche mechanische Festigkeit haben, dass es die Verarbeitung zu der Isolation und die Verwendung als solche aushält. Das Polymerisat soll ferner eine solche Wärmebeständigkeit und einen so hohen Schmelzpunkt aufweisen, dass es den bei der Anwendung auftretenden Temperaturen standhält. Was die elektrischen Eigenschaften anbelangt, ist das Polymerisat ein Dielektrikum, dessen Grad von elektrischer Nichtleitereigenschaft von der Spannungsbelastung abhängt, der es wider-? stehen muss. Beispiele für Polymerisate, aus denen die Folie hergestellt werden kann, sind Fluorkohlenstoffpolymerisate, deren Polymerisatkette im wesentlichen aus Kohlenstoffatomen oder Ithergruppen besteht, und bei denen das Verhältnis der Fluoratome in der Kette zu den Kohlenstoffatomen der Kette im Mittel mindestens 1:1 und gewöhnlich mindestens 1,5:1 beträgt. Beispiele für solche Fluorkohlenstoffpolymerisate sind Polymerisate des Monochlortrifluoräthylens und des Tetrafluoräthylens, wie Polymonochlortrifluoräthylen, Polytetrafluoräthylen, und die Copolymerisate des Tetrafluoräthylens, die weniger als 35 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymerisats, an einer oder mehreren Einheiten von copolymerisierbaren Monomeren enthalten, wie Einheiten von Äthylen, Äthylen und Hexafluoraceton gemäss der USA-Patentschrift
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3 342 777, Äthylen und anderen Viny!monomeren gemäss der deutschen Offenlegungsschrift 1 957 963, Hexafluorpropylen gemäss den USA-Patentschriften 3 085 083 und 2 946 763, höheren Perfluoralkanen, wie denjenigen, die 4 "bis 10 Kohlenstoff atome enthalten, Perfluor-(alkylvinyläthern), wie Perfluor-(äthyl- oder -propylvinyläther) gemäss der USA-Patentschrift 3 123 123, Perfluor-(2-methylen-4-methyl-1,3-dioxolan) gemäss der USA-Patentschrift 3 308 107 und von hochgradig fluorsubstituierten Monomeren, die ein einziges Wasserstoffatom enthalten, welches den fluorkohlenstoffCharakter des Copolymerisats nicht ändert, z.B. 2-Hydroperfluoralkenen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, wie 2-Hydropentafluorpropen, von <^-Hydroperfluoralkenen mit 3 "bis 10 Kohlenstoffatomen und von OJ-Hydroperfluor-(alkylvinyläthern), hei denen die Alkylgruppe 1 "bis 5 Kohlenstoffatome aufweist.
Weitere Beispiele für Polymerisate, aus denen das land bestehen kann, sind Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen und Poly-4-methylpenten, Polysulfone, die im wesentlichen aus wiederkehrenden Einheiten der Formel
bestehen, Polyphenylenoxide, die im wesentlichen aus wiederkehrenden Einheiten der Formel
bestehen, und Polycarbonate, die im wesentlichen aus wiederkehrenden Einheiten der Formel
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bestehen, und Polyäthylenterephthalat.
Wenn die Folie als Primärisola-fcion von elektrischen Kabeln in Form einer Bandumwicklung verwendet werden soll, weist das Polymerisat, aus dem das Band "besteht, vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von nicht mehr als 4,0 und einen Verlustfaktor von nicht mehr als 0,002 auf. Dabei wird die Dielektrizitätskonstante, falls nichts anderes angegeben ist, bei 2Q° 0 und der Verlustfaktor, falls nichts anderes angegeben ist, bei 100° G und einer Spannungsbelastung von 394)0 V/mrni bestimmt. Vorzugsweise ist die Dielektrizitätskonstante des Polymerisats nicht grosser als 3,0 und der Verlustfaktor nicht grosser als 0,001. Für andere elektrische Anwendungszwecke, wie Kondensatoren, kann das Polymerisat eine höhere Dielektrizitätskonstante haben, um das elektrische Speichervermögen zu begünstigen. Aus diesen Polymerisaten können.Folien hergestellt und gegebenenfalls auf bekannte Weise orientiert werden. Typischerweise sind die Folien 0,025 bis 0,381 mm dick.
Dann wird die Folie an der Oberfläche mit einem Muster versehen und der Oberflächenaktivierung unterworfen. Es ist auch möglich, die Folie nach einem Giessverfahren oder nach einem Verformungsverfahren, wie es in der USA-Patentschrift 3 515 778 beschrieben ist, bereits von vornherein mit einem Muster auf einer oder beiden Seiten herzustellen und sie dann der Oberflächenaktivierung zu unterwerfen. Die Folie kann durch Zurechtschneiden in verschiedene Formen gebracht werden} die vorteilhafteste Form besteht aus Streifen, die vor oder nach der Durchführung der nachstehend beschriebenen Behandlungen) als Band für aus Band und öl bestehende Isolationen verwendet werden können.
Bei einer bandförmigen Folie kann das Oberflächenmuster aus jedem beliebigen sichtbaren Muster auf einer oder beiden Seiten des Bandes bestehen. Vorzugsweise weist das Muster eine Vielzahl von Rillen auf, die sich von mindestens einem Rand
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des Bandes nach innen erstrecken. Dies erleichtert das Eindringen von öl vom Rande des Bandes her, wenn das Band zur ■ Herstellung einer Isolation aus Band und öl verwendet wird. Ein Beispiel für ein solches Muster ist in Fig. 2 der USA-Patentschrift 5 077 150 dargestellt; dieses Muster besteht aus einer Vielzahl von parallelen Rillen auf einer Oberfläche des Bandes, die mit beiden Achsen des Bandes einen Winkel bilden. Ein anderes Beispiel für ein Muster ist in Fig. 3 der USA-Patentschrift 3 263 020 abgebildet; dieses Muster besteht aus quer verlaufenden Einkerbungen auf einer Oberfläche des Bandes. Ein weiteres Beispiel für ein geeignetes Muster findet sich in Pig. 2 und 3 der USA-Patentschrift 3 105 872; es besteht aus regellos angeordneten Bergen und Tälern, wobei die Berge der einen Bandseite auf der anderen Seite Täler bilden und umgekehrt, und die !Haler regellose Kanäle über die Breite des Bandes hinweg bilden. Ein anderes geeignetes Muster ist in Mg. 3 und 4 der USA-Patentschrift. 3 430 116 dargestellt und besteht aus einander schneidenden Rillen auf einer Seite des Bandes und entsprechenden, einander schneidenden Rippen auf der anderen Seite des Bandes. Alle diese Muster können erfindungsgemäss verwendet und nach den in den genannten Patentschriften beschriebenen Methoden erzeugt werden. Die gleichen Methoden sind auch zur Herstellung des Musters in einer Folie anwendbar, die nachträglich zu einem Band zerschnitten wird.
Ein anderes, erfindungsgemäss verwendbares Muster sind quer verlaufende Rippen auf einer Seite des Bandes, die 0,25 mm breit und 0,05 mm hoch sind und in Mittenabständen von 2,54 mm voneinander stehen. Band (oder Folie) mit diesem Muster lässt sich nach der USA-Patentschrift 3 515 778 herstellen.
Man kann jede beliebige Methode zur Oberflächenaktivierung des Polymerisatbandes anwenden. Eine Methode zur Oberflächenaktivierung des Polymerisatbandes besteht darin, die Oberfläche des Bandes (auf beiden Seiten) chemisch anzuätzen, z.B» nach
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dem Verfahren der USA-Patentschriften 2 789 063 und 2 809 130, wobei das Ätzen mit Batrium bevorzugt wird. Das chemische Anätzen erfolgt durch Behandeln der Bandoberfläche mit einer lösung eines Alkalimetalls in einer Verbindung, wie flüssigem Ammoniak, oder mit einer Lösung eines Alkali-Polyarylkohlenwasserstoffs, wie Naphthalinnatrium, in Dimethylglykoläther, bei einer Temperatur, bei der eine Umsetzung zwischen dem Alkalimetall und dem Polymerisat des Bandes stattfindet, und für eine Zeitdauer, die die Ätzung auf die Oberfläche des Bandes beschränkt. Im allgemeinen ist die Bandoberfläche bereits nach einer Behandlung mit der Ätzlösung von wenigen Sekunden genügend angeätzt, und das Oberflächenmuster, das das Band vor der Ätzbehandlung aufwies, ist noch erkennbar.
Eine aüdere Methode zur Oberflächenaktivierung dies Polymerisatbandes besteht darin, die Bandoberfläche der Einwirkung elektrostatischer Entladungen auszusetzen, z.B. nach dem Verfahren der USA-Patentschrift 3 296 011 unter Bedingungen, unter denen bei der Entladung eine Koronabildung stattfindet und die Bandoberflächen der Einwirkung dieser Korona ausgesetzt werden. Zu diesem Zweck leitet man das Band zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität hindurch, die in einem Abstand von etwa 0,38 bis 6,35 mm voneinander stehen, und legt in Gegenwart von Luft oder einer inerten Atmosphäre oder eines Gemisches aus einem inerten Gas und einer flüchtigen organischen Verbindung, wie Methacrylsäureglycidylester, eine Wechselstromspannung von 10 000 bis 30 000 V an die Hochspannungselektrode bei einer Frequenz von 300 000 bis 500 000 Hz an. Die Einwirkungszeit der elektrostatischen Entladung auf das Band richtet sich nach den angewandten Bedingungen und dem Polymerisat, aus dem das Band besteht. Im allgemeinen reichen Einwirkungszeiten von 1 bis 120 Sekunden aus.
Eine andere Methode zur Oberflächenaktivierung des Polymeric satbandes ist die "CASING"-Behändlung (Vernetzung durch aktivierte Formen von inerten Gasen) des Bandes nach dem Verfah-
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ren, das von H. Schonhorn, 1\ Ryan und R. Hansen in "Surface Treatment of Polypropylene for Adhesive Bonding", J. Adhesion, Band 2, Seite 93-99 (April 1970) "beschrieben ist.
Die Oberflächenaktivieiningsbehandlungen brauchen nur auf einer Seite des Bandes vorgenommen zu werden, werden aber meist auf beiden Seiten des Bandes durchgeführt. Auch die I*olie, die später auf Bandform zur echtgeschnitten wird, kann diesen Behandlungen unterworfen werden:.
Das mit dem Oberflächenmuster versehene und oberflächenaktivierte Band kann zur Herstellung einer aus Polymerisatband ttnd öl bestehenden Isolation nach herkömmlichen Verfahren verwendet werden. Bei einem elektrischen Kabel wird die Isolation z.B. hergestellt, indem man das Band spiralförmig in vielen Schichten, z.B. 100 Schichten, um den inneren Leiter des Kabels herumwickelt und dann die äusserste Schicht der Isolation mit dem äusseren Leiter umgibt. Dann wird das Kabel unter Vakuum gesetzt, um sämtliche Luft aus der Isolation zu entfernen, worauf man ein dielektrisches öl, wie Siliconöl, Polybutenöl oder Mineralöl, zusetzt, um alle noch verbleibenden Luftblasen zu verdrängen. Das Muster auf der Oberfläche bzw. den Oberflächen des Bandes erleichtert das vollständige Eindringen des Öls in und zwischen die Schichten der Bandwicklung. Bei der nachfolgenden Verwendung des Kabel*, bewirkt die Oberflächenaktivierung des Bandes ein verbessertes elektrisches Verhalten des Kabels, das sich darin kundtut, dass der Verlustfaktor der Isolation bei langzeitiger Verwendung niedriger ist, als wenn man die Oberflächenaktivierung fortlässt. Diese Verbesserung beruht auf der verbesserten Affinität des Öls für das Polymerisatband infolge der Oberflächenaktivierung des letzteren. Um die Neigung des Bandes zu vermindern, bei der Herstellung der Isolation aus Band und öl Runzeln zu entwickeln, kann man das Band zuvor mit dielektrischem Öl beschichten und es in diesem Zustande zum Umwickeln verwenden.
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Das oben beschriebene gerippte Band mit einer Gesamtdieke von 0,13 mm kanm z.B. nach dem folgenden Verfahren an seinen Oberflächen aktiviert werden:
Das aus einem Copolymerisat aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen (mit einem Gehalt an Hexafluorpropyleneinheiten von 16 Gewichtsprozent) bestehende Band wird auf seinen beiden Oberflächen geinäss Beispiel 1 der USA-Patentschrift 3 296 011 der Einwirkung einer elektrostatischen Entladung unterworfen. Die so erzeugte Oberflächenaktivierung macht sich daran bemerkbar, dass der Ausbreitungskoeffizient von
Polybutenöl auf dem Band von ursprünglich -14,2 Erg/cm durch
die Oberflächenaktivierung auf -1,2 Erg/cm zunimmt.
Bänder aus Polyäthylen, Polycarbonat oder Polyäthylenterephthalat werden nach dem folgenden Verfahren unter Verwendung der nachstehend beschriebenen Vorrichtung der Einwirkung von elektrostatischen Entladungen ausgesetzt:
Die Vorrichtung besteht aus einer Basiselektrode in Form einer waagerechten Trommel aus rostfreiem Stahl von 11,1 cm Durchmesser und 25,4 cm Länge, die um ihre Achse drehbar gelagert ist. Die Basiselektrode ist mit einer in engem Kontakt mit ihr stehenden dielektrischen Schicht aus einem Copolymerisat aus Hexafluorpropylen und Tetrafluoräthylen von 0,51 mm Dicke beschichtet. Eine 15,2 cm lange Hochspannungselektrode ist waagerecht parallel zur Achse der Basiselektrode so angeordnet, dass sie eine 6,35 mm breite flache Seitenfläche der Basiselektrode darbietet. Die Seitenfläche der Hochspannungselektrode ist von der dielektrischen Deckschicht durch einen 1 mm breiten Spalt getrennt. Die zu behandelnde Polymerisatfolie (ein kurzes Stück Band) wird straff über die dielektrische Deckschicht gespannt und die Trommel so in Umdrehung versetzt, dass die lolie mit einer Geschwindigkeit von 3,34 m/min an der Hochspannungselektrode vorbeigeführt wird. Dabei wird zwischen den Elektroden eine Wechselstrom-
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Spannung von 6500 V und einer Frequenz von 10 000 Hz angelegt, die zu einer Koronabildung zwischen der Hochspannungselektrode und der Folie führt. Die Folie wird auf jeder Seite dreimal in einer Luftatmosphäre zwischen den Elektroden hindurchgeführt. Die Oberflächenaktivierung des Polyäthylens ist daran bemerkbar, dass sich sein Ausbreitungskoeffizient für Polybutenöl von -0,8 Erg/cm bis zur spontanen Ausbreitung des Polybutenöls über die Polymerisatoberflache erhöht. Für Polycarbonat und Polybutenöl erhöht sich der Ausbreitungskoeffizient von -0,6 auf -0,3 Erg/cm . Für Polyäthylenterephthalat und Polybutenöl erhöht sich der Ausbreitungskoeffizient von -1,1 Erg/cm bis zur spontanen Ausbreitung des Öls auf der Poiyäthylenterephthalatfolie.
Im Sinne der obigen Angaben bedeutet eine Erhöhung des Ausbreitungskoeffizienten, dass er kleinere negative numerische Werte annimmt (was einer höheren Affinität entspricht). Ausbreitungskoeffizienten von Null und positive Werte des Ausbreitungskoeffizienten liegen vor, wenn sich das öl spontan auf der Polymerisatoberfläche ausbreitet.
Das gerippte Band aus Polytetrafluoräthylen wird chemisch angeätzt, indem es 5 Sekunden bei Raumtemperatur in eine 2-prozentige Lösung von 1-Methylnaphthalinnatrium in Tetrahydrofuran getaucht wird. Dadurch erhöht sich die Oberfläohenaktivitat des Bandes, gemessen an seinem Ausbreitungskoeffizienten, von -10,1 auf -1,0 Erg/cm ·
Das im letzten Absatz beschriebene Verfahren wird mit geripptem Band aus einem Copolymerisat aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen mit dem Unterschied durchgeführt, dass die Ätzbehandlung 60 Sekunden dauert. Hierdurch erhöht sich der Ausbreitungskoeffizient von -14,2 auf -0,3 Erg/cm2.
Ähnliche Ergebnisse erhält man mit Bändern oder Folien aus anderen Polymerisaten und mit anderen Oberflächenmustern.
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Torzugsweise wird die Oberflächenaktivierung des Polymerisats so durchgeführt, dass seine Affinität für das Öl um mindestens 20 £ über die natürliche Affinität (die Affinität des unbehandelten Polymerisats) für das öl erhöht wird, berechnet aus der Gleichung :
ο _ S (anfänglich) - S (nach Oberflächenaktivierung) „
& ■"- S (anfänglich) X
worin S den Ausbreitungskoeffizienten in Erg/cm bedeutet.
Der Wert von S kann aus der Gleichung S = γ^ · (cos θ - 1) berechnet werden, in der γ^ die Oberflächenspannung des Öls in
Erg/cm und cos θ den Kontaktwinkel bedeutet, den ein Tropfen des Öls auf der Polymerisatoberfläche bildet.
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Claims (8)

  1. E.I. du Pont de Nemours 6. Oktober I97I
    and Company ' AD-4573
    Patentansprüche
    J Polymerisafband für Isolierzwecke, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Oberflächenmuster versehen und an der Oberfläche aktiviert ist.
  2. 2. Polymerisatband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster eine Vielzahl von Rillen aufweist, die
    sich von mindestens einem Rand des Bandes über mindestens eine Oberfläche desselben erstrecken.
  3. 3. Polymerisatband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster eine Vielzahl von Rippen enthält, die sich quer über die Oberfläche des Bandes erstrecken.
  4. #. Polymerisatband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Pluorkohlenstoffpolymerisat besteht.
  5. 5. Polymerisatband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Polytetrafluoräthylen besteht.
  6. 6. Polymerisatband nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Oopolymerisat des Tetrafluoräthylens
    besteht.
  7. 7. Polymerisatband nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Oopolymerisat aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen besteht.
    - 11 -
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  8. 8. Polyaerisatband nach Anspruch. 1* dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Polyolefin besteht.
    9· Polymer!eatband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einen Polycarbonat besteht.
    - 12 -
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DE19712149888 1970-10-09 1971-10-06 Polymerisatband fuer Isolierzwecke Pending DE2149888A1 (de)

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