DE2409655B2

DE2409655B2 - Verfahren zum umkleiden von elektrischen leitern aus aluminium

Info

Publication number: DE2409655B2
Application number: DE19742409655
Authority: DE
Inventors: Robert L.; Spoo Bruce H.; St. Paul Minn. Burns (V.StA.)
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1974-02-28
Publication date: 1976-10-28
Also published as: JPS5411514B2; IT1003628B; BE811720A; FR2220083A1; JPS502083A; DE2409655A1

Description

oder

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sind und L und Li für zweiwertige Verbindungsgruppen stehen, von denen bis zu 50% —O—Gruppen und der Rest — SCVGruppen sind, wobei im Polymer stets beide Gruppentypen vorhanden und unmittelbar an die Kerne Ar und Αη gebunden sind, jedoch mit der Maßgabe, daß an einen Kern nie mehr als eine einzige —O-Verbindungsgruppe gebunden ist.

50

55

60

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Aluminium bestehende Leiter für den elektrischen Strom, insbesondere Drähte, Bänder und dergleichen aus Aluminium, mit einer isolierenden wärmebeständigen Umhüllung aus gut haftendem Kunststoff zu versehen.

Als Kunststoff bieten sich für diesen Zweck polymerisierte Polyaryläthersulfone an, die in der Literatur schon mehrfach beschrieben sind (siehe z. B. GB-PS 10 60 546, 10 16 245 und 11 22 192 sowie BE-PS 6 39 634 und Vogel in Journ. of Polymer ScL, Band 8 [1970], A-I,S.2035 ff.)-

Neben ausgezeichneter Wärmestabilität, guter Festigkeit und Zähigkeit haben die Polyarylsulfonpolymeren bekanntlich auch gute elektrische Isoüereigenschaften und wurden daher, wie die bereits erwähnte GB-PS 10 60 546 zeigt, schon als Umhüllung für elektrische Leitungen vorgeschlagen. Gewisse Copolymerisate des Polyarylsulfontyps sind bekannt für ihre außergewöhnliche Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Durchschlagen und haben sich, wie aus der GB-PS 11 63 332 hervorgeht, in Standardversuchen zur Feststellung dieser Eigenschaften, selbst bei höherer Temperatur, bewährt.

Mehreren der obenerwähnten Literaturstellen lassen sich Hinweise darauf entnehmen, daß es zweckmäßig sein könnte, Drähte oder elektrische Leitungen aus Kupfer oder Aluminium zwecks Isolierung mit Polyary!- sulfonpolymeren zu umhüllen. Soweit jedoch derartige Umhüllungen vorbeschrieben sind, ist den Vorveröffentlichungen stets zu entnehmen, daß dafür Drahtemaillacke oder Firnisse verwendet wurden, bei denen das in einem geeigneten Lösungsmittel gelöste Polymer durch Tauchen oder Aufspritzen auf die Drahtoberfläche aufgebracht wird, so daß eine Molekularorientierung des Polymerisates nicht möglich war.

Während für das Umkleiden von Kupferdrähten Polyarylsulfonpolymere auf Grund ihrer besonders guten dielektrischen Eigenschaften schon in Betracht gezogen wurden (siehe z.B. GB-PS 1122 192), hat inzwischen die Praxis gezeigt, daß sich die Umhüllung von durch diese Polymeren isolierten Kupferdrähten, wenn sie bei höherer Temperatur einem Alterungsprozeß unterworfen werden, weitgehend zersetzt. Nach einer gewissen Zeit wird dabei das Polymer spröde und erleidet eine Vernetzung, selbst wenn der Polymerüberzug während des Beschichtens orientiert wurde. Diese Zersetzung drückt sich aus durch einen Anstieg der (relativen Lösungs-)Viskosität; außerdem wird das Polymer bei längerem Erhitzen teilweise oder ganz unlöslich in Lösungsmitteln, z. B. in Dimethylformamid. Wenn dann der Draht gebogen wird, treten in der Umhüllung Sprünge auf, wodurch selbstverständlich die elektrische Isolierung illusorisch wird.

Fs wurde nunmehr erkannt, daß man dann eine dauerhafte Isolierung des elektrischen Aluminiumleitermaterials erreichen kann, wenn man den draht- oder bandförmigen Leiter mit einem aus einem Extruder austretenden polymerisierten Polyaryläthersulfon lunkerfrei umhüllt und dem Polymerisat durch Verstrecken der Hülle in Längsrichtung auf die Hälfte ihres Querschnitts oder weniger eine Molekularorieniierung verleiht.

Im Gegensatz zu dem Versagen von mit Arylsulfonpolymeren umhüllten Kupferdraht nach Alterung in der Wärme bleiben Aluminiumdrähte, die so isoliert sind, auch nach dem Altern in der Wärme im wesentlichen unverändert. Wenn man gemäß dem vorliegenden Verfahren das Polymer gleichzeitig mit der Extrusion über den Draht durch Verstrecken derart orientiert, daß die Vernetzungsfläche im Verhältnis von mindestens 2 : 1 reduziert wird, kann man dem isolierenden Überzug eine hochgradige Flexibilität erteilen, die auch nach dem Altern in der Wärme bestehen bleibt. Außerdem behält der Polymerüberzug seine ursprüngliche Löslichkeilseigenschaflen.

Bei den erfindungsgemäß erhältlichen elektrisch Isolierten Aluminiumleitern ist die Isolation sehr flexibel, äußerst widerstandsfähig gegen Durchschlagen bei hohen Temperaturen und stabil und wird selbst bei längerer Einwirkung von relativ hohen Temperaturen nicht zersetzt. Das Ergebnis der erfindungsgemäßen Arbeitsweise ist völlig überraschend, insbesondere im Hinblick auf das unbefriedigende Verhalten von Kupferdraht, der mit dem gleichen Polymer überzogen ist.

Bei Durchführung des Verfahrens werden die Aluminiumleiter dadurch umhüllt, daß man das Polyaryläthersulfon in geschmolzenem Zustand über ihre Oberfläche extrudiert. Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu eine Querkopf-Ziehform und wärmt den Draht vor. Der Draht durchläuft die Querkopf-Ziehform im rechten Winkel zur Fließrichtung der Polymerschmelze. Beim Eintreten in den Querkopf wird der Draht einem Unterdruck ausgesetzt, und wenn er dann aus dem Querkopf austritt wird die Polymerschmelze rund um den Draht herum extrudiert, so daß sie eine kontinuierliche, lunkerfreie Umhüllung bildet. Der Unterdruck wirkt sich dahin aus, daß die Umhüllung der Drahtoberfläche dicht anhaftet. Nachdem der Draht den Querkopf durchlaufen hat, wird die Polymerhülle derart verstreckt, daß ihre Querschnittsfläche des Polymers mindestens im Verhältnis von 2 :1 verkleinert wird. Hierbei wird das Polymer molekularorientiert. An geeigneter Stelle hinter dem Querkopf wird das Polymer dann »abgeschreckt« oder gehärtet, z. B. indem man etwender Luft oder Wasser darüber leitet.

Der mit der Kunststoffhülle versehene Draht wird über geeignete Walzen und, je nachdem, Aufwindeinrichtungen geleitet.

Der erfindungsgemäß umhülüe Aluminiumdraht ist weich und biegsam und mit einer isolierenden Hülle versehen, die gute dielektrische Eigenschaften aufweist und konzentrisch und gleichmäßig aufgebracht ist. Auf Grund seiner guten Biegsamkeit und Dehnbarkeit kann der Draht über einen relativ geringen Radius gebogen werden, ohne daß die Hülle springt.

Die Wärmestabilität der dielektrischen Umhüllung auf dem Aluminiumdraht ist, wie gefunden wurde, wesentlich höher als diejenige einer identischen dielektrischen Umhüllung auf Kupferdraht. Zum Vergleich wurden Proben von Aluminium- und Kupferdrähten, die durch Extrusion mit dem gleichen Polyarylsulfon umkleidet worden waren, 750 Stunden bei 26O⁰C in einem beschleunigten Versuch gealtert. Es wurde gefunden, daß die relative Lösungsviskosität der Kunstharzumhüllung auf dem Aluminiumdraht sich nicht geändert hatte. Dagegen war die Umhüllung auf dem Kupferdrahl durch die Wärmebehandlung zersetzt worden und ihre relative Lösungsviskosilät war angestiegen, was ein Anzeichen für eine Vernetzung und/oder eine andere chemische Änderung ist. Die Löslichkeit der Umhüllung in Dimethylacetamid war zurückgegangen und ebenso ihre Widerstandsfähigkeit gegen die Bildung von Rissen oder Sprüngen beim Biegen des Drahtes. Die Umhüllungen auf Kupferdraht neigten dazu, beim Biegen in einzelne Stücke zu zerbrechen und waren wesentlich spröder und bröckeliger als diejenigen auf dem Aluminiumdrahi.

Für Zwecke der Erfindung kann jeder beliebige Aluminiumdraht verwendet werden, wie er in der Technik für Aluminiumleitungen gebräuchlich ist. Das Aufbringen einer Grundschicht ist nicht notwendig, obgleich ein solcher Primer gegebenenfalls verwendet u erden kann. Das zum Ziehen verwendete Schmiermittel wird entfernt, jedoch ist keine andere Oberflächenbehandlung notwendig.

Unter den für Zwecke der Erfindung zu /erwendenden Polyaryläthersulfonpolymeren sind diejenigen bevorzugt, die dargestellt werden können durch die allgemeine Formel:

—(Ar — L—At₁L₁)—

worin Ar und An zweiwertige aromatische Gruppen, vorzugsweise Reste von Benzol, Naphthalin, Diphenyl, Diphenyläther, Dibenzofuran, Fluoren, Anthracen u. dgl. sind und L und Li zweiwertige Zwischengruppen, z. B.

— O— und -SO₂—Gruppen bedeuten (die Polymeren haben sowohl Sauerstoff wie Sulfongruppen als Verbindungsgruppen). Derartige Polymere entsprechen denjenigen, die in der BE-PS 6 39 634 und der GB-PS 10 60 546 umfassend beschrieben sind. Die relative Viskosität in Lösung der Polymeren kann 0,3 bis 2,0 betragen, wobei eine Viskosität von 0,35 bis 1,5 bevorzugt ist. Die Lösungsviskosität wird gemessen an Ig Polymer/100 ml Lösungsmittel. Für Zwecke der Erfindung eignen sich besonders Polyaryläthersulfonpolymere und -copolymere, die gegen Zersetzung in de·- Wärme stabilisiert sind, z. B. durch Behandlung mit Alkali- oder Erdalkalimetall, wie beschrieben in der US-PS 33 93 181.

Zweckmäßig ist es, wenn die Polymeren in ihrer Hauptkette (in ihrem »Rückgrat«) Einheiten aufweisen, die ihnen einen gewissen Grad von Kristallinität verleihen. Dies ist z. B. der Fall, wenn in der Hauptkette !•iphenyleinheiten vorhanden sind, von denen etwa 25% (proportional) eine für diesen Zweck ausreichende Menge darstellen.

So ist z. B. ein Copolymer aus Biphenyläthersulfon und Diphenyläthersulfon zur Umhüllung von Aluminiumdrähten besonders geeignet, wobei diejenigen Polymeren bevorzugt sind, bei denen das Verhältnis von Biphenyl- zu Diphenyläthereinheiten in der Hauptkette zwischen etwa 55 :45 und 70 : 30 liegt.

In die Polyaryläthersulfone können vor ihrer Verwendung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drähte mit Kunststoffhülle die auf diesem Gebiet üblichen Füll- oder Färbemittel, Pigmente u. dgl. eingearbeitet werden. Für mehrsträngige isolierte Leiter, bei denen die einzelnen Drähte unterscheidbar sein müssen, muß man natürlich verschiedene Färbungen verwenden.

Die Dicke des als Dielektrikum aufgebrachten Filmes hängt ab von der elektrischen Belastung, die zu erwarten ist. So werden beispielsweise für eine Spannung in der Größenordnung von 120 Volt bei 60 Hz bis zu 15 000 Volt Überzüge von 0,05 bis 0,4 mm verwendet.

Die Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Drähte mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, die wie übliche aufgespult waren, wurden auf die Abspulungseinrichtung einer Drahtbeschichtungseinrichtung aufgebracht, bei der an einem Extruder mit Davis-Standard-Schnecke ein zur Drahtbeschichtung geeigneter Querkopf angebracht war. Die Schnecke hatte ein Kompressionsverhältnis von 3,5 :1 und ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von 24 :1. Der verwendete Düsenkopf halte einen Eingangswinkel von 35° und die Abquelschlänge der Düsenspitze betrug 8,2 mm. Vor Eintritt in den Querkopf lief der Draht durch eine Vorheizeinrichtung und seine Laufrichtung

¹I

war rechtwinkelig zu der Fließrichtung des Polymers. An der Eintrittsstelle des Drahies in den Querkopf wurde der Normaldruck mit Hilfe einer mechanischen Vakuumpumpe auf etwa 0,05 bis 0,95 Atmosphären Verringert und unter diesen Bedingungen wurde das geschmolzene Polymer derart extrudiert, duß es um den Draht herum eine kontinuierliche, lunkerfreie Umhüllung bildete. Während des Austrittes des Drahtes aus dem Querkopf wurde die Polymerhülie auf einen dünneren Querschnitt verstreckt, derart, daß die QuerschniitsflUche im Verhältnis von mindestens 2 :1 verringert wurde; an dieser Stelle wurde das Polymer abgeschreckt. Um ein Reißen des Überzugs zu verhindern, wurde das Verstreckverhältnis der Laufgeschwindigkeit des Drahtes angepaßt. Bei einer Geschwindigkeit von 90 m/min sollte; das Verstreckverttältnis etwa 7 :1 nicht überschreiten und beträgt normalerweise nicht mehr als etwa 3 :1 bis 5 :1.

Für die Schnecke wurden mehrere Laufgeschwindigkeiten angewandt und der Extruder war ausgerüstet mit Heizeinrichtungen in drei Zonen, die sich von der

Tabelle

Eintrittsstelle des Polymers bis zur Austrittsstelle erstrecken. Die Umhüllung wurde auf den Draht mit verschiedenen Geschwindigkeiten aufgebracht, die bis zu 90 m/min oder mehr betrugen, und die Dicke des Polymers wurde nach Verlassen des Querkopfs im Verhältnis von 3:1 oder 2:1 verstreckt. Zum Vorheizen des Drahtes wurden verschiedene Temperaturen angewendet und die Abquetschzone wurde ebenfalls auf einer vorgewählten Temperatur gehalten mit Hilfe eines Luft- oder Wasserstromes, der auf den umhüllten Draht gerichtet war.

Als Polymer wurde ein Polyaryläthersulfon verwendet, das im wesentlichen gemäß Beispiel 2 der US-PS 33 93 181 hergestellt worden war und eine relative Viskosität in Dimethylformamid von 0,43 hatte. Der 7>Wert des Polymers war 288° C.

In der Tabelle sind Umhüllungen von verschiedenen Aluminium- und Kupferdrähten sowie die angewandten Bedingungen aufgeführt. Es wurden in allen Fällen flexible Umhüllungen erhalten, die zweckmäßige dielektrische Eigenschaften aufwiesen.

Beispiel

12 3 4

Aluminium
Drahlnummcr

Nr. 10 Nr. 10 mehr- 1.5-3 mm*) Al strän-

Nr.

7 8

Kupfer

10
Cu-Ag**)

Nr. 10 Nr. 18 Nr. 18 Nr. 18 Nr. 24

Schneckengeschw., Umdr./min	10	10	10	10	30	10	10	30	12	10
Temperaturprofil
Zone 1. C	370	370	370	374	370	370	370	370	357	370
Zone 2. C	370	370	370	377	377	370	370	370	370	377
Zone 3,' C	377	377	377	380	382	377	377	377	377	377
Austritt, C	382	382	382	385	385	382	382	382	388	382
Querkopf, 'C	388	3«8	388	388	399	388	388	399	393	390
Düsenspitze, ⁰C	388	393	388	388	404	388	388	404	400	390
Überzugsdicke, mm	0,15	0,25	0.25	0,15-	0,25	0,37-	0.15 '	0,05	0,20	0,25
				0,25		0,60
Beschichlungsgeschwindigkcit,	15-	15-	15-	23	60-	15-	23	90	50	23
m/min	30	30	30		90	23
Verstreckverhältnis	3: 1	2:1	2:1	2 : 1	2: I	2:1	4:1	10: 1	3 :1	2:1
Vorhciztemp., °C	24	288	260	288	288	288	260	260	260	260
Abschrecktcmp., ⁰C	24	93	24	24	27	24	24	93	24	24
	Luft	Was	Luft	Luft	Was	Luft	Luft	Was	Was	LuFt
		ser			ser			ser	ser

*) Rechteckiger A'luminiumdraht Nr. 10 = 2,588 mm, Nr. 18 = 1,024 mm. **) Kupfer, versilbert Nr. 12 = 2,053 mm. Nr. 24 = 0,5106 mm.

Tests mit dem Draht mit rechteckigem Querschnitt nach dem Beschichten ergaben die folgenden Werte: eingekerbte Verdrehung 2%; Dehnung bei niedriger Belastung 10%; Dehnung beim Verdrehen 29%; Stärke des Dielektrikums 10 bis 13 KV; Dämpfungsfaktor bei 22O'C und 60 Hz: 6,4%. Beim Biegen bzw. Knicken des Drahtes in einem Winkel von 90" und einem Radius von 6 mm zeigte die Umhüllung keine Fehlstellen.

Probestücke eines Aluminiumdrahtes Nr. 10 (2,588 mm dick), der mit einer 0,15 mm dicken Umhüllung aus dem oben 'beschriebenen extfiidierten Polyaryläthersulfon verschen war, und zum Vergleich ein ebenfalls mit einem Überzug von 0,15 mm Dicke versehener Kupferdraht Nr. 10 (s. Tabelle) wurden 750 Stunden bei 260⁰C gehallen. Nach dieser Zeit entsprach die Lösungsviskosität der Umhüllung des Aluminiumdrahtes der Viskosität (0,43) des Überzugs nach Aufbringen; das Polymer war nach wie vor vollkommen löslich in Dimethylacetamid. Dagegen hatte der Überzug auf dem Kupferdraht nach 750 Stünden bei 260°C eine von ursprünglich 0,43 auf 0,48 angestiegene Viskosität. Der Überzug war nur noch zu 80% iii Dimethylacetamid löslich und zeigte beim Biegen des Drahtes in einem Radius von 1,25 cm bereits Risse bzw. fts Bruchstellen.

Claims

'H Patentansprüche:

/Ι
¹ 1. Verfahren zum Umkleiden von aus Aluminium ^bestehenden elektrischen Leitern mit einer wärme-' beständigen Isolierung aus Polyarylsulfonpolymerijsat, dadurch gekennzeichnet, daß man den draht- oder bandförmigen Leiter mit einem aus einem Extruder austretenden polymerisierten PoIyaryläthersulfon lunkerfrei umhüllt und dem Polymerisat durch Verstrecken der Hülle in Längsrichtung auf die Hälfte ihres Querschnitts oder weniger eine Molekularorientierung verleiht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Umhüllung ein lineares thermoplastisches Polymerisat mit einer Grenzviskosität (Intrinsicviskosität) zwischen 0,3 und 2,0 verwendet, das eine Mehrzahl an wiederkehrenden Einheiten der allgemeinen Formel

—f Ar — L — Ar₁ — L₁ i—

enthält, worin Ar und An zweiwertige Gruppen der Struktur: