DE2202436A1

DE2202436A1 - Beschichtetes Papier zur elektrischen Isolierung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2202436A1
Application number: DE19722202436
Authority: DE
Inventors: Mathews John H; Kurt Suter
Original assignee: Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Corp
Priority date: 1971-04-05
Filing date: 1972-01-19
Publication date: 1972-10-12
Also published as: GB1381331A; FR2131954A1; US3903352A; FI58703C; FR2131954B1; DE2202436C2; IT955154B; JPS5522886B1; FI58703B

Description

K 15 P Io

XIi-IBERLY-CLARK CORPORATION, lieenah, Wisconsin, USA 22 02 A

Beschichtetes Papier zur elektrischen Isolierung und Verfahren

zu seiner Herstellung.

Die Erfindung betrifft Papier, und zwar speziell solches, das zur Elektroisolierung verwendet wird.

Papier j das zur Verwendung bei elektrischen Isolieraufgaben bestimmt ist, bei denen hohe dielektrische Durchschlagfestigkeiten erforderlich sind, wie z.B. bei Kondensatoren, wird auf Fourdrinier-Papiermaschinen hergestellt, wobei ein besonders gereinigter, sehr stark gerührter, nach dein Sulfatverfahren aus Holz hergestellter Papierbrei (Kraft wood pulp) benutzt wird. Ein solches Papier hat im wesentlichen einen filmähnlichen Charakter, d.h., es ist praktisch frei von Löchern und inneren Ilohlstellen, und es zeigt eine extrem niedrige Durchlässigkeit für Flüssigkeiten. Anders jedoch als bei Filmen, aie aus homogenen Systemen hergestellt v/erden, wie s.3. Zellopnan- und gegossene oder extrudierte Kunststoffilme, ist die Oberfläche von Kondensatorpapier im mikroskopischen Bereich rauh oder "zackig^. Diese mikroskopische Rauhheit ist ein bedeutender Verteil bei der Verwendung des Papiers zur elektrischen Isolierung, da sie Durchgänge für die Zugabe von flüssigen l!.iprü;;niei'":ittel zv/lachen die Isolationsschichten schafft. Falls jeuoch ;:v;ei Mikroskopische "Täler¹¹ auf einander gegenüberliegenden Seiter ..es Fapiora zufällig an derselben Stelle auftreten, dann ergibt sich ein dünner Fleck, der einen Punkt mit geringer Dii-lektrisiV-Lt and

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möglichem dielektrischem Versagen darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dielektrische Durchschlagfestigkeit von zur Elektroisolierung verwendetem Papier zu vergrößern, ohne jedoch dabei seine Dicke zu erhöhen. Bei einer Verwendung als dielektrische Zwischenscnicht in einem Kondensator ist es wichtig, aas Papier dünn zu halten, da es bekannt ist, daß die Kapazität um so grüber ist, je kleiner der dielektrische Abstand zwischen den elektroden eines Kondensators ist. Der Vorteil einer Papierisolierung mit maximaler dielektrischer Durchschlagfestigkeit bei minimaler Dicke ist nicht auf Kondensatoren beschränkt, sondern ganz allgemein bei der Herstellung von elektrischen Geräten nutzbringend einzusetzen. Als Beispiel sei nur die Möglichkeit angegeben, die Größe eines Transformators zu reduzieren, ohne jedoch seine Fähigkeit zur Leistungsaufnahme zu verringern, indem dieses Papier um die Drähte gewickelt wird, die die Windungen des Transformators bilden.

Die Erfindung basiert auf der Peststellung, αab die Aufbringung von verdünnten Lösungen gewisser wasserlöslicher, fii::.bilacnaer Polymere auf die Papieroberfläche einen betr"c!itl iciicri Anstieg der dielektrischen durchschlagfestigkeit des Papiers gewirkt. Ss hat sich z.B. herausgestellt, daß eins .^schichtung, die aas Papiergewicht pro Einheitsfliiche um weniger als ¹I^ erhöht, die dielektrische Durchscnlagfeouigkeit bio .;,u 2ji ernünti. kann. Anders ausgedrückt: aas verbesserte Papier mit eir.e.a ecüui/n:ut;;n

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Gesamtgewicht, das sowohl die Fasern als auch die Oberflächenbeschichtung nach dieser Erfindung umfaßt, hat eine höhere dielektrische Durchschlagfestigkeit als konventionelles Papier mit demselben Gewicht, das vollständig aus Fasern besteht.

Dieses vollkommen unerwartete Ergebnis bei so geringen Mengen von lieschiehtungsmaterial deutet vermutlich an, daß die Polymerlösung dazu neigt, sich in den ''Tälern¹¹ in der Papieroberfläche zu konzentrieren; falls das zutrifft, ist disser -'IUVellierungs¹-Effekt nicht so, daß die Rauhheit der Oberfläche soweit reduziert wird, um einen wesentlichen Einfluß auf die Imprägnierung der Papierisolierur.g mit flüssigen Dielektrika auszuüben.

Deshalb muß das Papier nach der Erfindung von dem sogenannten lackierten Isolier- oder Kondensatorpapier unterschieden werden, bei dem die Oberfläche des Papiers kontinuierlich mit einem Material beschichtet wird, wodurch sich die effektive Dicke des ursprünglichen Papiere erhöht.

Es stehen naturgemäß eine große Anzahl von Substanzen zur Verfügung, die sowohl wasserlöslich als auch filmbildend sind. Um jedoch bei dieser Erfindung verwendet werden zu können, muß das Material in den flüssigen Dielektrika unlöslich sein, die üblicherweise zur Imprägnierung der Papierisolierung benutzt werden, wie z.B. chlorierte Dipheny!verbindungen, Mineralöl,

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i weiterhin darf es selbst keinen zu großen Anstieg des dielektrischen Verlustfaktors des Papiers verursachen; und es darf praktisch keine Alkalimetalle enthalten, da die Anwesenheit solcher Metalle den Leistungsfaktor des Papiers erhöht. Da es sich herausgestellt hat, daß alle sonst geeigneten Materialien zu große Mengen Natrium enthalten, wurde ein kommerziell verwendbarer Prozess entwickelt, um die Alkalimetalle aus bestimmten, möglicherweise verwendbaren, wasserlöslichen, filmbildenden Materialien zu entfernen; die Anforderungen dieses Prozesses definieren und begrenzen die Materialien, die, über die oben zusammengestellten Kriterien hinaus, verwendet werden können.

Zur Erfüllung dieser Aufgabe muß das filmbildende Material innerhalb eines Temperaturbereichs in V/asser unlöslich sein, sich aber in einem anderen Temperaturbereich lösen. Zur Vereinfachung des Verfahrens sollten diese beiden Temperaturbereiche nach einer bevorzugten Ausführungsform unterhalb von loo liegen, ohne daß dieses jedoch wesentlich ist. Unter dem Begriff "unlöslich" soll verstanden werden, daß das Material nicht stark aufquellen (gelieren) oder klebrig werden darf, sondern es für Wasser durchlässig bleiben muß, so daß die Diffusion von Ionen aus der festen in die Wasserphase stattfinden kann. Materialien mit dieser kritischen Charakteristik ermöglichen es, die Alkalimetalle leicht zu entfernen, indem man sie einfach

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mit Wasser von geringem Alkalimetallgehalt wäscht, wobei man die Temperatur in dem Bereich hält, in dem keine Auflösung auftreten kann. Die Wirksamkeit des Waschprozesses wird verbessert, wenn man sehr geringe Mengen von "harmlosen" Kationen, wie z.B. Wasserstoffionen oder Erdalkaliionen, zu dem Waschwasser hinzufügt. Diese Kationen beeinträchtigen die elektrischen Eigenschaften des filmbildenen Materials nicht, wie es bei den Alkalimetallionen der Fall ist, und sie dienen dazu, die Alkalimetallionen in den Kationen-Austausch-Stellen in dem Material zu ersetzen, wodurch man nicht so stark zu waschen braucht, um die erwünschte Reduzierung des Alkalimetallgehalts zu erreichen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Kationen in den ersten Stufen des Waschprozesses zuzugeben, indem man Magnesiumsulfat oder Schwefelsäure in einer Menge, die ungefähr o,ol bis o,l Gewichtsprozent Wasser entspricht, zu dem Waschwasser hinzufügt. Der Waschprozess wird weiterhin dadurch erleichtert, daß das zu waschende Material in feinverteilter Form vorliegt (Verhältnis Oberfläche/Volumen hoch), so daß die Diffusionsrate der Ionen aus der festen in die flüssige Phase groß ist.

Das Waschen kann mit Hilfe eines der bekannten Verfahren zum Auswaschen feinverteilter Feststoffe durchgeführt werden; als Beispiele sollen hier erwähnt werden wiederholtes Dispergieren, Absetzen und Dekantieren einer Charge, kontinuierliches Waschen und Zentrifugaldekantation, sowie Gegenstromwaschen mit

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Drehfiltern. Bei allen diesen Techniken muß jedoch die Extraktion fortgesetzt werden, bis der Alkalimetallgehalt des filmbildenden Materials, der in einem typischen Beispiel vor dem Waschen ungefähr looo ppm(=Teile pro Million) betragen wird, auf nicht mehr als ungefähr 2oo ppm reduziert worden ist, wobei er nach einer bevorzugten Ausführungsform nicht mehr als ungefähr 2o ppm betragen soll. Nachdem das "waschen bei einer Temperatur, bei der die Unlöslichkeit des Materials sichergestellt ist, beendet worden ist, wird das Material in der gewünschten Viassermenge dispergiert, wobei das V/asser praktisch keine Alkalimetalle enthält- dann wird die Temperatur, wie es gerade erforderlich ist, entweder erhöht oder auf einen Punkt in dem Temperaturbereich gesenkt, in dem die Löslichkeit einsetzt. Nach Beendigung der Auflösung kann eine etwa erforderliche Einstellung der Konzentration und der Endtemperatur durchgeführt werden, wonach die Lösung bei der Herstellung des verbesserten Papiers eingesetzt werden kann.

Vier Materialien, die die oben zusammengestellten Kriterien für die Brauchbarkeit erfüllen, sind Methylzellulose, Stärke, Polyvinylalkohol und Protein.

Zellulosemethyläther werden in den USA von der Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen "Methocel^!I hergestellt. Diese Stoffe erhält man entweder aus Baumwoll-linters oder Holz-Papier-

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brei; sie stehen in weiten Bereichen der Viskosität und des Methoxylationsgrades zur Verfügung. Bevorzugt werden Arten verwendet, deren Viskositäten zwischen Io und 25 Zentipoise {2% wässrige Lösung, 2o°C) und deren Substitutionsgrade zwischen 1,6¹J und 1,92 liegen. Diese Art Methylzellulose ist in organischen Lösungsmitteln unlöslich und hat die ungewöhnliche Eigenschaft, in heißem Wasser unlöslich zu sein, sich jedoch in kaltem Wasser schnell zu lösen. Dementsprechend wird der v/aschprozess mit diesem Material bei einer Temperatur von ungefähr öo°C durchgeführt, und der Brei der gewaschenen Methylzellulose wird dann auf 0°C bis lo°C abgekühlt, um eine gelfreie Lösung zu erhalten. Nachdem sich die Methylzellulose gelöst hat, wird die Löslichkeit beibehalten, wenn man die Temperatur der Lösung bis auf ungefähr 35°C erhöht; dabei wird jedoch die Viskosität der Lösung verringert. Die günstigste Temperatur für das Aufbringen auf das Papier liegt bei ungefähr 3o°C.

Als besonders gut zu verwendende Stärken haben sich die oxydierten und chemisch substituierten Arten herausgestellt; als Beispiel seien die oxyäthylierte Stärke, die azetylierte Stärke, usw. angegeben, aie üblicherweise als Oberflächenkleister und Überzugbinder bei der Herstellung von Druck-und Schreibpapier benutzt werden. Durch Enzyme umgewandelte Perlstärken können ebenfalls verwendet werden; sie sind jedoch weniger geeignet,

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und die Rheologie ihrer Lösungen ist weniger wünschenswert als die der auf chemischem Wege modifizierten Stärken. Diese Stärken werden üblicherweise aus Mais hergestellt, sie können auch aus Kartoffeln, MiIo (Thespesia populnea), Tapioka, usw. Gemacht werden. Die Arten mit niedrigen bzw. mittleren Viskositäten werden bevorzugt, wobei die Viskositäten unterhalb von ungefähr 2oo Zentipoise (IoJS wässrige Lösung, 2o C) liegen sollen. Diese Stärken sind in kaltem oder warmem Viarr.er unlöslich, lösen sich jedoch, wenn sie 2o bis 3o Minuten bei ungefähr 90 C gekocht werden. Wenn sie sich einmal gelöst haben, bleiben die Stärken auch beim Abkühlen in Lösung, und zum Aufbringen auf das Papier kann die Temperatur der Lösung gesenkt werden. Die günstigste Temperatur für das Aufbringen kann zwischen ungefähr -}o C und '^:}o C liegen, und zwar in Abhängigkeit von eier Konzentration der Losung und der Viskosität der Stärxe.

Polyvinylalkohol steht in Arten zur Verfügung, die über den gesamten Temperaturbereich zwischen 0⁰C und loo°C in V/asser löslich sind; bevorzugt wird jedoch der sogenannte "vollständig hydrolysierte" Typ verwendet, bei dem ungefähr 98% oder mehr der ursprünglichen Azetylgruppen durch Hydrolyse entfernt worden sind. Diese Art Polyvinylalkohol ähnelt in ihren Löslichkeitscharakteristiken der Stärke, d.h., er ist in Wasser bei mäßigen Temperaturen unlöslich, löst sich jedoch beim Kochen auf 3o°, und zwar in Abhängigkeit vom Molekulargewicht und der Anzahl der

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restlichen Azetylgruppen. Bevorzugt werden die Substanzen, deren Viskositäten zwischen ungefähr 25 und 125 Zentipoise (4& wässrige Lösung, 2o°C) liegen.Bei niedrigeren Werten der "Viskosität oder des Hydrolysationsgrades kann etwas Empfindlichkeit gegenüber kaltem Wasser auftreten, wodurch der Waschprozess erschwert werden kann.

Protein für die Verwendung in als Dielektrikum dienendem Papier kann aus jeder beliebigen Grundsubstanz hergestellt werden, solange es nur in einer Form vorliegt, die das für das Waschen erforderliche Löslichkeitsverhalten zeigt. Ein bevorzugtes Material ist gereinigtes Sojabohnenprotein, das üblicherweise unter dem Namen "AlphaProtein" bekannt ist. Dabei ist wiederum die Version dieses Materials, die eine geringe Viskosität hat, am besten geeignet. Im Gegensatz zu den übrigen drei oben beschriebenen Materialien erfordert Protein die Zugabe von Ammoniumhydroxyd, um einen pH-Wert von ungefähr 8 bis 9 einzustellen, sowie Erwärmen auf ungefähr 5o C oder mehr, um Löslichkeit zu erreichen.

Alle vier dieser wasserlöslichen, filmbildenden Materialien sind ungefähr gleich in ihrer Fähigkeit, die elektrische Durchschlagfestigkeit von Isolierpapieren zu erhöhen. Polyvinylalkohol und Protein erhöhen jedoch den Verlustfaktor des behandelten Papiers um einen kleinen Betrag, und aus diesem

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Grund sind diese beiden Stoffe weniger geeignet als Methylzellulose und Stärke, wenn man sie z.B. bei der Herstellung von Kondensatoren verwenden will, bei denen diese Eigenschaft der elektrischen Isolierung kritisch ist.

über die Erhöhung der elektrischen Durchschlagfestigkeit des Papiers hinaus hat Methylzellulose noch eine ganz besondere Fähigkeit, Coronaentladungen zu unterdrücken und die Lebensdauer des als Dielektrikum dienenden Papiers bei erhöhten Temperaturen und hoher elektrischer Beanspruchung zu verlängern. Das verbesserte Verhalten von Kondensatoren, die ein Dielektrikum enthalten, das aus mit Methylzellulose behandeltem Papier besteht, wird später genauer diskutiert werden.

Das wasserlösliche, filmbildende Material kann mit einer der üblicherweise benutzten Techniken für das Beschichten oder die Oberflächenbehandlung von Papier auf das Papier aufgebracht werden; dazu gehören z.B. das Beschichten mit der Sizepresse, das Rakel-Streichverfahren, das Walzenauftragverfahren, das Walzenauftragverfahren mit Luftpinsel oder Luftbürste, usw. Aus ökonomischen Gründen wird das Material auf der Papiermaschine aufgebracht, es muß jedoch nicht der Fall sein.

Das Beschichtungsmaterial kann entweder nur auf eine Seite oder auf beide Seiten des Papiers aufgebracht werden. Im

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allgemeinen wird eine Behandlung beider Seiten bevorzugt, um eine möglichst große Wirkung der Behandlung zu erreichen und um Kräuselprobleme zu vermeiden. In Spezialfallen, wie z.B. bei der Herstellung von Kondensatorpapier für die Vakuumrnetallisierung, ist es jedoch vorteilhaft, nur auf einer Seite des Papiers eine besonders starke Behandlung durchsu-Pühren, un eine maximale Giättung der zu metf-llicierenden Ober fläche zu erreichen, wobei nan die andere 5eriie ^:iaackic^: läßt, am ein leichtes Eindringen aer flüssig.tr, s::ii rHqrAerr^jx ,-el in die Windungen des Kondensators zu ermöglichen.

Die für die Behandlung der Oberfläche nötige Menge, die man für das Erreichen einer wesentlichen Verbesserung der elektrischen Durchschlagfestigkeit verwenden mui·. betr&r-t v:-si:3 "Stens 2%_} i,ezo;:en auf das Trockengewicht des fi'eaariten J.-- '.rif/r^ts des behandelten Papiers. Die i.ia>:L"ial auf^uci\.v.ze:~~ .■€■ klenge viird nur durch die mechanischen Schwieri^-ieiten des Aufbringeiis und des Trocknens begrenzt, aber es hat sich als nicht vorteilhaft oder praktisch herausgestellt, Mengen von mehr als ungefähr ±5% des Gesamtgewichts des behandelten Papiers aufzubringen, wobei der bevorzugte Bereich zwischen ungefähr 3£ bis ungefähr lo£ liegt.

Die folgenden Beispiele erläutern, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, und welche Ziele man damit erreicht.

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Beispiel I

Methylzellulose mit einem Substitutionsgrad von 1,64 bis 1,92 wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren gewaschen, bis ihr Natriumgehalt auf 12 ppm reduziert war. Anschließend wurde sie in Wasser gelöst, um unter Kühlung auf 5°C eine 4-gewichtsprozentige Lösung zu bilden. Diese Lösung hatte bei 2o°C eine Viskosität von ungefähr 12o Zentipoise. Die Lösung wurde mit Hilfe einer konventionellen Sizepresse, die sich auf der Papiermaschine befand, auf ein Netz aus Kondensatorgewebe aufgebracht. Das Grundgewicht des sich daraus ergebenden behandelten Papierproduktes wurde so eingestellt, daß man das gleiche Gewicht erhielt, wie es vor der Aufbringung der Methylzelluloselösung gemessen wurde. Sowohl das behandelte als auch das unbehandelte Papier wurde hochkalandriert, und zwar auf eine Dicke von o,ol27 mm und eine Dichte von l,o g/cm .

Es stellte sich heraus, daß das reguläre Kondensatorgewebe,

das ein Grundgewicht von 12,98 g/m und eine Dicke von o,ol29 nun hatte, eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 60630 V/mm zeigte, wenn es nach der ASTM-Vorschrift D-2o2-7o getestet wurde. Das behandelte Papier mit einem Trockengrundgewicht von 12,98 g/m , von dem 3,8 % aus Methylzellulose bestand, und mit einer Dicke von o,ol27 mm, hatte eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 7283ο V/mm.

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Beispiel'II

Behandeltes Papier wurde nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren hergestellt mit dem Unterschied, daß eine 3,8 gewichtsprozentige Lösung von Methylzellulose dazu benutzt wurde, ein Papier zu beschichten, das nach dem Hochkalandrieren eine Dicke von o,olo2 mm hatte. Das vor dem Beschichten hergestellte Papier hatte ein Grundgewicht von

lo,3 g/m , eine Dicke von o,olo4 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 69680 V/mm. Das beschichtete Papier,

p das ebenfalls ein Grundgewicht von lo,3 g/m , von dem 3,7% aus Methylzellulose bestand, und eine Dicke von o,olo2 mm hatte, zeigte eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 81890 V/mm.

Das beschichtete und das unbeschichtete Papier wurden weiterhin dazu benutzt, um konventionelle, mit Askarel imprägnierte 5,0 ,uP Kondensatoren herzustellen, die bis zum Versagen mit Gleichspannung beansprucht wurden. Jeder Kondensator wurde hergestellt, indem man aus Metallfolien bestehende, jeweils mit Papier abwechselnde Elektroden, aufwickelte, den aufgewickelten Körper in ein Gehäuse legte und das Gehäuse evakuierte; anschließend wurde es mit Askarel gefüllt. Die mit dem regulären, unbehandelten Papier hergestellten Kondensatoren zeigten eine mittlere Durchschlagspannung von I690 V Gleichstrom, während

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die aus dem behandelten Papier hergestellten Einheiten eine mittlere Durchschlagspannung von 2l4o V Gleichstrom hatten.

Beispiel III

Behandeltes Papier wurde nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren hergestellt mit dem Unterschied, daß hydroxyäthylierte Stärke vorbereitet wurde, indem man sie nach dem oben beschriebenen Verfahren auf einen Natriumgehalt von Io ppm wusch und dann durch Erwärmen auf 9° C für 3° Minuten in Wasser löste, um eine 8-gewichtsprozentige Lösung herzustellen.

Die Temperatur der Lösung wurde vor der Aufbringung auf das Papier auf 5o°C eingestellt; bei dieser Temperatur betrug die Viskosität 65 Zentipoise. Vor der Aufbringung der Stärkelösung

hatte das hergestellte Papier ein Grundgewicht von 9>3 und eine Dicke von o,olo2 mm; seine dielektrische Durchschlagfestigkeit betrug 5984ο V/mm. Das behandelte Papier hatte ein

2 trockenes Grundgewicht von Io,o5 g/m , von dem 1,%% aus Stärke bestand, eine Dicke von o,olo2 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 7992o V/mm.

Konventionelle 5jO ,uF Kondensatoren, die mit Askarel imprägniert waren, wie es bereits oben beschrieben worden ist, wurden sowohl aus dem behandelten als auch aus dem unbehandelten Papier hergestellt und elektrisch bis zum Versagen beansprucht.

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Die Einheiten aus dem unbehandelten Papier hatten eine mittlere Durchschlagspannung von l6oo V Gleichstrom, während die unter Verwendung des behandelten Papiers gemachten Einheiten eine mittlere Durchschlagspannung von 19I0 V Gleichstrom zeigten.

Beispiel IV

Behandeltes Papier wurde nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei man nach der Methode aus Beispiel III hydroxyäthylierte Stärke benutzte.

Das vor der Aufbringung dieser Lösung hergestellte Papier hatte

ρ
ein Grundgewicht von 12,25 g/m , eine Dicke von o,ol27 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 537^o V/mm. Das

ρ behandelte Papier hatte ein trockenes Grundgewicht von 12,5 g/m , von dem 7,7% aus Stärke bestand, eine Dicke von o,ol27 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 73o3a V/mm.

Beispiel V

Behandeltes Papier wurde nach dem in Seispiel I beschriebenen Verfahren hergestellt mit dem Unterschied, daß eine 7-gewiehtsprozentige Lösung aus Alphaprotein verwendet wurde. Diese 72-ige Lösung wurde, wie oben beschrieben, bereitet, indem sie bis auf einen Natriumgehalt von 14 ppm gewaschen und anschließend Ammoniumhydroxyd dazu benutzt wurde, die Lösung auf

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einen pH-Wert zwischen 3 und 9 zu bringen; dann wurde sie auf 6o C erwärmt. Das vor der Aufbringung dieser Lösung hergestellte Papier hatte ein Grundgewicht von Io,o g/m , eine Dicke von o,olo7 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 63780 V/mm. Das behandelte Papier hatte ein trockenes Grundgewicht von lo,o g/m , von dem 6,5 % aus Protein bestand, eine Dicke von o,olo7 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 77160 V/mm.

Konventionelle, mit Askarel imprägnierte 5,0 ,uF Kondensatoren wurden, wie oben beschrieben, aus diesem Papier hergestellt. Die aus dem unbehandelten Papier gemachten Einheiten hatten eine mittlere Durchschlagspannung von 23^o V Gleichstrom; die aus dem behandelten Papier gemachten Einheiten hatten eine mittlere Durchschlagspannung von 2650 V Gleichstrom.

Beispiel VI

Reguläres Kondensatorgewebe wurde unter Verwendung einer außerhalb der Papiermaschine angebrachten Walzenauftragmaschine und einer Lösung aus ^Mvollhydrolysiertem" Polyvinylalkohol behandelt. Die Lösung wurde vorher durch V/aschen auf einen Natriumgehalt von 8 ppm und Erwärmen auf 90⁰C hergestellt. Die sich dadurch ergebende Lösung hatte eine Viskosität von 35 Zentipoise (2o°C) und eine Konzentration von 3,9 Gew.%

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Peststoffen. Das unbehandelte Papier hatte ein trockenes Grundgewicht von Io,5 g/m , eine Dicke von o,ol27 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 7oo8o V/mm. Das 1,8$ Polyvinylalkohol enthaltende behandelte Papier hatte eine Dicke von o,ol27 mm und eine dielektrische Durchschlagfestigkeit von 76770 V/mm.

Bei allen oben zusammengestellten Beispielen waren das Grundgewicht und die Dicke des beschichteten Papiers praktisch gleich dem Grundgewicht und der Dicke des unbeschichteten Musters. Trotzdem war in jedem Fall die dielektrische Durchschlagfestigkeit der beschichteten Probe höher als die dielektrische Durchschlagfestigkeit der unbeschichteten Blätter. Daraus ergibt sich, daß bei der Herstellung beschichteter und unbeschichteter Blätter mit der gleichen dielektrischen Durchschlagfestigkeit die beschichteten Blätter dünner sein würden als die unbeschichteten Blätter.

Weiterhin kann man den oben zusammengestellten Beispielen entnehmen, daß die wegen der Aufbringung der Beschichtung eintretende Erhöhung der dielektrischen Durchschlagfestigkeit des beschichteten Papiers, ausgedrückt in Prozenten, größer ist als das prozentuale Anwachsen des Gewichts, wie es sich aus der Beschichtung ergibt. Dieser Sachverhalt wird in den folgenden Beispielen noch deutlicher klargestellt:

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Beispiel VII

Behandeltes Papier wurde unter Verwendung einer 15~prozentigen Lösung aus azetylierter Stärke, die nach dem in Beispiel III angegebenen Verfahren präpariert worden war, hergestellt. Diese Lösung wurde auf 5o C erwärmt und dann mit Hilfe der Sizepresse der Papiermaschine auf Kondensatorpapier aufgebracht, das mit einem Grundgewicht von lo,17 g/m hergestellt wurde. Das Grundgewicht des sich dadurch ergebenden behandelten Er-Zeugnisses betrug 11,3 g/m · Mach der Herstellung einer ausreichenden Menge von behandeltem Papier wurde die Stärkelösung abgetrennt j anschließend wurde die Menge der Zellulosefasern in dem Blatt erhöht, so daß sich ein Grundgewicht von 11,39 g/m einstellte.

Die sich dadurch ergebenden drei verschiedenen Kondensatorpapiere wurden hochkalandriert und nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren getestet; der einzige Unterschied bestand darin, daß zwei Lagen eines jeden Papiers unter Verwendung von kontinuierlich steigender Wechselspannung bis zum Versagen beansprucht wurden. Das ursprüngliche Papier mit einem Grundgewicht von lo,17 g/m und einer Dicke von o,olo2 mm hatte eine mittlere Durchschlagspannung (2 Blatt) von 1285 V V.'echselstrom.

2 Das behandelte Papier hatte ein Grundgewicht von 11,3 g/m , von dem 13 % aus Stärke bestand, eine Dicke von o,oll4 mm und eine

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mittlere Durchschlagspannung von I850 V Wechselstrom. Dadurch ergibt sich im Vergleich mit dem ursprünglichen Papier eine Erhöhung der Durchschlagspannung bei einer ll#-igen

Erhöhung des Grundgewichts. Das letzte Papier hatte ein Grundgewicht von 11,39 g/m ₃ das vollständig aus Zellulosefasern bestand, eine Dicke von o,oll4 mm und eine mittlere Durchschlagspannung von 1^5o V Uechselstrom. Daraus ergibt sich im Vergleich mit dem ursprünglichen Papier ein 12p-iges Anwachsen der Durchschlagspannung bei einem 12^-igen Anwachsen des Grundgewichts·

Beispiel VIII

Behandeltes Papier wurde unter Verwendung einer 4£-igen Lösung aus Methylzellulose₃ wie in Beispiel I beschrieben, hergestellt. Die Lösung aus Methylzellulose wurde auf Kondensatorpapier mit einem Grundgewicht von 8,9M g/m aufgebracht.

Das Grundgewicht des behandelten Papiers betrug 9,3 g/m · !lach Herstellung einer ausreichenden Menge des behandelten Papiers wurde die Behandlung beendet, und die Menge an Zellulosefasern

2 wurde erhöht, um das Grundgewicht auf 3,3 g/m zu bringen.

Die so hergestellten drei Papiere wurden hochkalandriert, und die elektrische Durchschlagspannung von zwei Lagen eines jeden Papiers \vurde unter Verwendung von wechselspannung bestimmt. Das ursprüngliche Papier mit einem Grundgewicht von 8,9*1 g/m"

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und einer Dicke von 0,00889 mm hatte eine mittlere Durchschlagspannung (zwei Blatt) von I030 V Wechselstrom. Das

ρ behandelte Papier hatte ein Grundgewicht von 9,3 g/m , eine Dicke von 0,0091^ mm und eine mittlere Durchschlagspannung von 1270 V. Daraus ergibt sich im Vergleich mit dem ursprünglichen Papier eine 23%-ige Erhöhung der Durchschlagspannung bei einer 4%-igen Erhöhung des Grundgewichts. Das dritte Papier hatte ein Grundgewicht von 9,3 g/m , das vollständig aus Zellulosefasern bestand, eine Dicke von o,oo91^ mm und eine mittlere Durchschlagspannung von I080 V. Daraus ergibt sich im Vergleich mit dem ursprünglichen Papier eine 5$-ige Erhöhung der Durchschlagspannung bei einer 4^-igen Erhöhung des Grundgewichtes.

Aus den beiliegenden Zeichnungen sind weitere Vorteile der Erfindung ersichtlich.

In diesen zeigen:

Fig. 1 die elektrischen Durchschlagspannungen von unbehandeltem Isolierpapier und nach der Erfindung behandeltem Papier;

Fig. 2 die Lebensdauer von Kondensatoren, die einmal mit behandeltem, einmal mit unbehandeltem Papier hergestellt wurden;

Fig. 3 die Verlustfaktoren von behandeltem und unbehandeltem

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Papier; und

Pig. 4 den Widerstand gegen Coronaentladung bei Kondensatoren, die aus unbehandeltem Papier bzw. aus Papier hergestellt wurden, das mit Methylzellulose beschichtet war.

Pig. 1 gibt die elektrischen Durchschlagspannungen für Paare von Kondensatorblattgeweben an, deren Dicken im Bereich zwischen o,oo762 mm und o,ol27 mm liegen. In Kurve I ist für konventionelles Papier die elektrische Durchschlagspannung über der Dicke aufgetragen; Kurve II stellt die gleiche Beziehung für Papier dar, das nach der Erfindung mit einer 4-gewichtsprozentigen Lösung aus Methylzellulose beschichtet ist. Die Durchschlagsproben wurden mit einer Wechselspannung von 60 Hertz durchgeführt, wobei der in A.S.T.M. D-149-64 beschriebene Apparat verwendet wurde.

Pig. 2 stellt graphisch die Fähigkeit des hier beschriebenen, behandelten Papiers dar, Widerstand gegen die schädlichen Auswirkungen von hoher elektrischer Beanspruchung zu leisten. Konventionelle o,5 /UP Kondensatoren wurden hergestellt, indem jeweils 2 Lagen Kondensatorpapier als Dielektrikum verwendet wurden. Dabei kamen drei verschiedene Kondensatorpapiere zum Einsatz. Zwei der ausgewählten Papiere bestanden aus regulärem Kondensatorgewebe von exzellenter kommerzieller Qualität, während das dritte Papier nach dem in den Beispielen beschriebenen

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Prozess unter Verwendung einer 'f-gewichtsprozentigen Methylzelluloselösung behandelt wurde. Die Kondensatoren wurden gleichzeitig in einem üblichen Gefäß nach den bekannten Methoden mit unmodifiziertem Askarel imprägniert. iiach der Imprägnierung wurden die Einheiten zur Prüfung der elektrischen Beanspruchung verdrahtet und in ein Schutzgehäuse zur Feststellung der Lebensdauer gestellt. Sämtliche Einheiten wurden gleichzeitig mit 800 V Wechselstrom belastet, und zwar solange, bis alle versagt hatten. Die Zeiten bis zum Versagen wurden für alle Einheiten registriert und sind in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 3 erläutert die Auswirkung der oben in den Beispielen beschriebenen Behandlungen auf den Verlustfaktor von trockenem Papier. Die übereinanderliegenden, mit den Zahlen 1,11 und III versehenen Kurven stellen typische Werte dar, die man bei Kondensatorpapieren, die mit ^^-iger Methylzelluloselösung bzw. 8ä-iger Stärkelösung behandelt wurden, sowie bei unbehandelten Kondensatorpapieren findet. Die übereinanderliegenden Kurven IV und V stellen Vierte dar, die man bei Kondensatorpapieren erhält, die mit Losungen von 3,3,2-igem Polyvinylalkohol und 7/5-igem Alphaprotein behandelt wurden. Es wird darauf hingewiesen, daß die Oberflächenbeschichtung mit Methylzeliulose und Stärke nach der Erfindung Keinen Einfluß auf den Verlustfaktor hat.

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Fig. U stellt die einzigartige Fähigkeit von Papieren, die mit Methylzellulose behandelt werden, dar, Coronaentladungen von Kondensatoren, die hohen Spannungen unterworfen werden, zu unterdrücken.

In Fig. 4 zeigen die Kurven 1,11 und III die Auswirkung der elektrischen Beanspruchung auf den Verlustfaktor von regulärem Kondensatorpapier, absorbierendem, additivem Kondensatorpapier, bzw. mit Methylzellulose behandeltem Papier.

Als Kondensatoren fanden konventionelle, mit Askarel imprägnierte l,o ,uF Einheiten Verwendung, wobei zwei Blatt o,olo2 mm dickes Papier als dielektrisches Material benutzt wurden. Kurve I (reguläres Kondensatorpapier) zeigt die typische Abhängigkeit des Verlustfaktors von Kondensatoren von der Beanspruchung. Die anfangs hohen Vierte des Verlustfaktors werden durch Bewegungen von ionischen Unreinheiten verursacht, die sich in kleinen Mengen in der zum Imprägnieren dienenden flüssigen Phase der Kondensatoren befinden und sich bei Anwendung der Viechseistrombeanspruchung bewegen. Bei Erhöhung der Beanspruchung erhöht sich die Bewegungsrate der ionischen Bewegungen, und der sich daraus ergebende Verlustfaktor ist niedriger. Kurve I in Fig. H zeigt, daß der niedrigste Viert des Verlustfaktors für mit konventionellem Kondensatorpapier hergestellte Kondensatoren im bereich zwischen Il8lo V/mm una 1575o V/mm auftritt. Wenn bei regulärem Papier die V/echselstrombeanspruchung über 1575° V/mm hinaus

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erhöht wird, wird ein Wachsen des Verlustfaktors beobachtet, das andeutet, daß das Dielektrikum der Beanspruchung nicht mehr ausreichend standhalten kann, und daß in kleinen Bereichen Coronaentladung eintritt; als Folge davon werden bei den elektrischen Entladungen noch mehr ionische Unreinheiten erzeugt. Im weiteren Verlauf dieses Prozesses steigt der Verlustfaktor mit einer ständig größer werdenden Geschwindigkeit.

Ebenfalls in Fig. 4 stellt Kurve II das neuere, kommerziell verwendete "additive" Kondensatorpapier dar, das nach den amerikanischen Patentschriften 3 o9o 7o5, 3 48o 847 und 3 555 hergestellt wurde. Bei diesen Papieren handelt es sich um konventionelle Kondensatorpapiere, in die in geringen Prozentzahlen feinverteilte, aus Mineralien bestehende Adsorbenten eingebaut worden sind. Diese Materialien haben die beabsichtigte Wirkung, mit Hilfe von adsorptiven Kräften die oben erwähnten ionischen Unreinheiten aus dem flüssigen Dielektrikum zu beseitigen und zu halten, so daß sie aus der flüssigen Phase eines Kondensators entfernt werden und sich nicht mehr bewegen können, wenn eine niedrige Wechselstrombeanspruchung angewandt wird. Das ist die Erklärung für die flache Form von Kurve II. Dieser nutzbringende Reinigungseffekt verhindert jedoch nicht elektrische Entladungen, die bei Beanspruchungen über 1575o V/mm auftreten. Während also der Verlustfaktor von mit additivem Papier hergestellten Kondensatoren im Bereich geringer Beanspruchung nicht von der Beanspruchung abhängt, und obwohl man eine

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"Reinigung" der flüssigen Phase eines Kondensators beobachtet, gibt es kaum einen Anhaltspunkt dafür, daß man von den additiven Papieren Widerstand gegen Coronaentladungen erwarten kann.

Kurve III stellt die "Wirkung der elektrischen Beanspruchung auf den Verlustfaktor von Kondensatoren dar, die unter Verwendung des nach der Erfindung mit Methylzellulose behandelten Papiers hergestellt wurden. Man kann feststellen, daß von einem etwas erhöhten Anfangswert des Verlustfaktors die Kurve rasch auf den niedrigsten Wert des Verlustfaktors bei ungefähr II8I0 V/mm fällt. Ein Anwachsen der Beanspruchung bis zu 19680 V/mm bewirkt keinen Anstieg des Verlustfaktors; auch bei extremer Beanspruchung von 315oo V/mm und darüber wächst der Verlustfaktor nur wenig an.

Die Erfindung ist nur in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden, und zwar anhand eines Beispiels; an der Erfindung können viele Veränderungen vorgenommen werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Es versteht sich deshalb von selbst, daß die Erfindung nicht auf irgendeine spezifische Gestalt oder Ausführungsform beschränkt ist, es sei denn, solche Einschränkungen wären in den anschließenden Patentansprüchen enthalten.

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Claims

Patentansprüche

1. Papier zur Elektroisolierung mit einer Oberflächenbeschichtung, die aus einem in den flüssigen Dielektrika, wie z.B. chlorierte Dipheny!verbindungen und Mineralöl, unlöslichen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das praktisch keine Alkalimetalle enthaltende Beschichtungsmaterial in einem Temperaturbereich in Wasser unlöslich, jedoch in einem anderen Temperaturbereich in Wasser löslich ist, daß es etwa 2% bis 15% des Gesamtgewichtes des beschichteten Papiers ausmacht, wobei das beschichtete Papier dünner als sonst identisches, unbeschichtetes Papier mit der gleichen dielektrischen Durchschlagfestigkeit ist, und daß das beschichtete Papier ein prozentuales Anwachsen der dielektrischen Durchschlagfestigkeit zeigt, das größer als die prozentuale Erhöhung seines Gewichtes durch die Aufbringung der Schicht ist.

2. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Oberfläche des Papiers beschichtet ist.

3. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen des Papiers beschichtet sind.

4. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial nicht mehr als 2oo ppm Alkalimetalle enthält.

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5. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Beschichtungsmaterial nicht mehr als 2o ppm Alkalimetalle enthält.

6. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 3 bis lo£ des Gesamtgewichtes des beschichteten Papiers ausmacht.

7· Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Methylaellulose ist.

8. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine 23-ige wässrige Lösung der Methylzellulose bei 2o°C eine Viskosität von ungefähr Io bis 25 Zentipoise und einen Substitutionsgrad zwischen 1,64 und 1,92 hat.

9. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Stärke ist.

10. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 9₃ dadurch gekennzeichnet, daß eine lo;I-ige wässrige Lösung der Stärke bei 2o°C eine Viskosität hat, die niedriger als ungefähr 2oo Zentipoise ist.

11. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Polyvinylalkohol ist.

12. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyvinylalkohol vollständig hydrolisiert ist, und daß eine 4^-ige wässrige Lösung des Polyvinylalkohol bei 2o°C eine Zähigkeit zwischen ungefähr 25 und 125 Zentipoise hat.

13. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial Protein ist.

14. Papier zur Elektroisolierung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Protein Alphaprotein ist.

15. Verfahren zur Herstellung von Papier zur Elektroisolierung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) das Schaffen eines Materials, das in den flüssigen Dielektrika, wie z.B. chlorierte Diphenylverbindungen und Mineralöl, unlöslich ist, wobei das Material in einem ersten Temperaturbereich in Wasser löslich, in einem zweiten Temperaturbereich jedoch in Wasser unlöslich ist,

(b) das Waschen des Materials in V/asser im zweiten Temperaturbereich, um praktisch alle Alkalimetalle aus dem Material zu entfernen,

(c) das Auflösen des gewaschenen Materials im ersten Temperaturbereich in Wasser, um eine wässrige Lösung herzustellen, und

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(d) das Beschichten der Oberfläche eines Papiergewebes für die Elektroisolierung mit der wässrigen Lösung, so daß das Beschichtungsmaterial zwischen 2% und 15$ des gesamten Trockengewichtes des beschichteten Papiers ausmacht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahrensschritt (b) Kationen zu dem Waschwasser hinzugefügt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen zugegeben werden, indem man Magnesiumsulfat oder Schwefelsäure in einer Menge von ungefähr o,ol bis o,l Gewichtsprozent Waschwassers hinzufügt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material vor dem Waschen feinverteilt wird.

19· Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschen nach Verfahrensschritt (b) solange durchgeführt wird, bis der Alkalimetallgehalt des Materials auf nicht mehr als 2oo ppm reduziert worden ist.

2o. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschen nach Verfahrensschritt (b) solange durchgeführt wird, bis der Alkalimetallgehalt des Materials auf nicht mehr als ppm reduziert worden ist.

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