DE2428860B2

DE2428860B2 - Elektrisches Isoliermaterial

Info

Publication number: DE2428860B2
Application number: DE19742428860
Authority: DE
Inventors: Takashi Takatsuki Suzuki; Akio Suita Tomago
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1973-06-15
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1980-08-14
Also published as: GB1482182A; FR2233355B1; FR2233355A1; DE2428860C3; JPS5345920B2; CA1035522A; DE2428860A1; JPS5016098A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isoliermaterial aus einem porösen Hochpolymer, das ein elektrisch isolierendes Material enthält, mit dem Poren in dem Polymer gefüllt sind. w

Als Isolatoren mit hoher elektrischer Isolationsleistung für Kabel, Widerstände und andere Einsatzzwekke wird häutig ein mit Isolatoröl imprägniertes Ceilulosepapier verwendet Zum Ersatz für dieses Isolatormaterial sind in Reihe von Isolationsmaterialien v, mit niedrigem dielektrischem Verlust und hoher dielektrischer Spannungsfestigkeit bekannt geworden. Einer der bekannten Isolatoren ist eine mit Isolatoröl getränkte Polymerisatfolie. Der Nachteil dieser Folie liegt darin, dall es außerordentlich schwierig ist, das V) Folienlaminat mit dem Isolatoröl zu tränken. Durch die beim Tränken im öl auftretenden mechanischen Spannungen an der Polymerisatfolie bilden sich in dieser leicht Risse aus. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist versucht worden, die Kunststoffolie auf derbem v> kräftigem Papier zu laminieren.

Diese Laminate weisen jedoch nicht mehr die günstigen, außerordentlich niedrigen dielektrischen Verlustwerte der nichtlaminierten Kunststoffolie auf. Weiterhin wurden zu dem genannten Zweck eine w> Vielzahl synthetischer Papiere vorgeschlagen und geprüft Es hat sich jedoch gezeigt, daß keines der bekannten Isolationsmaterialien das herkömmliche, mit Isoiationsöl getränkte Ceilulosepapier hinsichtlich seiner ausgezeichneten Verlusteigenschaften und seiner b5 ausgesprochen hohen dielektrischen Spannungsfestigkeit übertrifft

Entsprechende Versuche und Fehlschläge sind auch

aus anderen Gebieten der Technik bekannt Für die Herstellung von Klebstoffbändern, schmiermittelgetränkten Folien oder feuchtigksitsundurchlässigem atmendem Verpackungsmaterial ist es beispielsweise noch nicht gelungen, klassische Cellulosepapiere zu ersetzen. Versuche mit synthetischen Papieren haben nicht zum gewünschten Erfolg geführt

Aus der DE-OS 2217 795 ist eine dielektrische Isolierfolie, bestehend aus einer mit einer dielektrischen Flüssigkeit imprägnierten, wärmegeschrumpften, offenzelligen mikroporösen Polymerfolie mit bestimmten Parametern, bekannt, nichts aber über deren Durchschlagfestigkeiten.

In Anbetracht dieses Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Isoliermaterial zu schaffen, das die bekannten getränkten oder imprägnierten Kombinationsstrukturen auf Cellulosepapierbasis unter Beibehaltung oder Verbesserung der charakteristischen Kenndaten ersetzen kann, insbesondere die mit Isoiationsöl getränkten Isolatormaterialien durch ein Polymerisatmaterial zu ersetzen, das mindestens die gleiche dielektrische Spannungsfestigkeit und die gleich geringen dielektrischen Verluste wie das herkömmliche Material aufweist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das elektrische Isoliermaterial der eingangs genannten Art gelöst, das sich durch ein biaxial ausgerichtetes poröses Hochpolymer-Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl abgeflachter Mikroporen, die in Schichten oder schichtartig übereinanderliegend das gesamte Material durchziehen, auszeichnet

Der Erfindung liegt die unerwartete und überraschende Feststellung der Beziehung zwischen den Eigenschaften des mit dem elektrisch isolierenden Material getränkten porösen Kunststoffmaterials und der geometrischen Struktur der Mikroporen im porösen Kunststoff zugrunde. So ist beispielsweise die dielektrische Durchschlagfestigkeit eines mit Isolatoröl getränkten porösen Kunststoffs von der Art der Herstellung des porösen Kunststoffs und der Art der dadurch hergestellten Porenstruktur abhängig. Eine mit Isolatoröl getränkte poröse Polymerisatstruktur mit einer ganz bestimmten vorgegebenen Ausbildung und Anordnung der Mikroporen, nämlich der Anordnung und Ausbildung, wie sie erfindungsgemäß beansprucht werdet·, weist beispielsweise eine vollkommen unerwartet hohe dielektrische Spannungsfestigkeit auf. Diese Grundlage der Erfindung ist deshalb so überraschend, da die Porengeometrie und Porenverteilung der Erfindung von der in herkömmlichen Cellulosepapieren vorliegenden Struktur wesentlich abweicht In den Cellulosepapieren sind Fasern der unterschiedlichsten geometrischen Abmessungen in komplizierter statistischer Weise miteinander verbunden und überkreuzt, wobei ein Maximum der Dichteverteilung der Faserüberschneidungen in Richtung der Schichtdicke des Papiers gesehen in einer Mittelebene liegt, während die Dichte der Überschneidungspunkte der Fasern in Richtung auf beide Hauptoberflächen des Papiers kontinuierlich abnimmt Eine solche Struktur wurde aufgrund der experimentellen Erfahrungen vom Fachmann bislang als optimal angesehen. Im Gegensatz dazu entspricht die Struktur des porösen Materials der Erfindung mehr der Struktur eines Laminats aus sehr vielen außerordentlich dünnen porösen Folien mit im wesentlichen konstanter Leerraumdichteverteilung in Richtung der Schichtdicke des in der Regel bahnförmig oder folienförmig ausgebildeten Materials der Erfindung.

Hervorragendes Isoliermaterial vird erhalten, wenn die solcherart ausgebildete Kunststoffstruktur der Erfindung unter Ausfüllung der abgeflachten, lagenartigen Mikroporen mit einem elektrisch isolierenden Material getränkt wird. Als Dielektrikum können dabei 5 gasförmige, flüssige oder feinpulvrige Dielektrika eingesetzt werden. Neben dielektrischen Gasen werden insbesondere verflüssigte Gase und Wachse bevorzugt Der mit dielektrischen Gasen, dielektrischen verflüssigten Gasen oder dielektrischen Wachsen hergestellte elektrische Isolator weist eine dielektrische Spannungsfestigkeit auf, die derjenigen eines mit Isolatoröl getränkten porösen Materials zumindest entspricht, in der Regel aber weit überlegen ist

Die Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit den 1 s Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Beispiel des porösen Isoliermaterials der Erfindung,

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des porösen Isoliermaterials der Erfindung,

Fig.3 eine elektronenmikroskopische Mikrophotographie der Oberfläche eines Isoliermaterials der Erfindung und

Fig.4 eine elektronenmikroskopische Mikrophoto- r> graphie eines Querschnitts durch ein solches Isoliermaterial.

Die in den Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung gezeigten Ausführungsbeispiele der Struktur der Erfindung zeigen die dünnen Polymerisatlagen 1 bzw. 1', «1 zwischen denen die" stark abgeflachten, ebenfalls fast lagenartig ausgebildeten Mikroporen 3 und 3' liegen. Die einzelnen Mikroporen sind untereinander und durch die Oberfläche hindurch mit der Umgebung durch öffnungen oder Kanäle 2 bzw. 2' verbunden. Übe.· ihre r> Seitenflächenbereiche oder Kantenbereiche 4 bzw. 4' sind die übereinanderliegenden dünnen Polymerisatlagen oder Polymerisatfilme fest und einstückig miteinander verbunden.

Strukturen der beschriebenen Art werden erhalten, wenn man Polymerisate durch Strecken unter bestimmten Bedingungen bleibend ausrichtet. Zur Herstellung der porösen Kunststoffstrukturen werden zwei Verfahren bevorzugt, jedoch ist der Erfindungsgegenstand nicht auf nach diesen beiden Herstellungsverfahren -n erhaltenes Isoliermaterial beschränkt, da sich der Erfindungsgedanke in der Struktur und ihrer Anwendung selbst manifestiert:

(1) Der Kunststoff wird durch Schmelzextrusion oder ϊ< > Vergießen aus der Schmelze oder ein anderes Verfahren ausgeformt. Durch geeignete Mittel wird eine feine Phasentrennung herbeigeführt, vorbereitet oder eingeleitet. Dieser Kunststoff wird dann bei relativ niedriger Temperatur in der Weise ^r>^r> kräftig gestreckt, daß der Kunststoff durch das Verformen wolkig wird. Dadurch wird, gegebenenfalls unter Zusatz an sich bekannter Hilfsmittel, eine außerordentlich feine Phasentrennung unter Bildung der Struktur der gewünschten Art erzeugt. w>

(2) Der Kunststoff wird in der zuvor beschriebenen Weise extrudiert, gegossen, geblasen oder anderweitig verformt und bei relativ niedriger Temperatur kräftig mit einem relativ niedrigen Streckverhältnis gestreckt. Dabei wird eine Folie mit feinen ¹^ Rissen erhalten. Diese Folie wird anschließend auf eine Temperatur erwärmt, bei der sie leicht unter einer nicht allzu hohen Zugspannung gestreckt werden kann. Bei dieser Temperatur wird die Folie nach zwei Richtungen verstreckt

Die in F i g. i schematisch gezeigte Struktur der Erfindung wird durch das Verfahren (2) erhalten, während die in F i g. 2 gezeigte Struktur der Erfindung durch das zuvor beschriebene Verfahren (1) erhalten wird. In diesen Strukturen weist der Kunststoff eine ebene Ausrichtung auf. Diese Art der planaren Orientierung ist das Ergebnis einer Kombination der beispielsweise durch die Schmelzextrusion verursachten Ausrichtung oder durch das Vergießen der Schmelze verursachten Ausrichtung mit der durch das Strecken verursachten bzw. erzeugten Ausrichtung. Die stark abgeflachten Poren sind angenähert ebenenparallel zueinander in Dickenrichtung aufeinanderfolgend angeordnet Die diese Poren miteinander verbindenden Kanäle sind Spuren sowohl eines Interphasen- als auch eines Intraphasenmikrobruches, der beim Strecken eines Polymerisats auftritt, in dem eine Phasentrennung bzw. eine Mikrophasentrennung stattgefunden hat.

In den porösen Kunststoffstrukturen der Erfindung haben die einzelnen dünnen Polymerisatlagen oder Polymerisatlamellen eine Dicke von etwa 50 μιη oder weniger. Die Dicke der einzelnen abgeflachten Poren beträgt etwa 10 μιη oder weniger. Der mittlere Durchmesser der abgeflachten Poren beträgt in der Hauptebene etwa 100 μιη oder weniger. Die Fläche der Verbindungskanäl? oder Verbindungslöcher oder Verbindungsrisse in den dünnen Polymerisatlamellen beträgt etwa 50% oder weniger der Fläche der Lamelle. Die Porosität des porösen Polymerisats liegt im Bereich von 5 — 80%. Die zuvor genannten Grenzwerte können in einfacher Weise durch die Wahl des Materials und der speziellen Herstellungsbedingungen des porösen Polymerisats eingestellt werden.

Als Polymerisat können an sich bekannte herkömmliche Thermoplaste verwendet werden, vorzugsweise die folgenden: Polyolefine, wie beispielsweise Polyäthylen oder Polypropylen; Polyester, wie beispielsweise Polyethylenterephthalat oder Polyäthylennaphthalat; Polyamide, wie beispielsweise Polyamid-6 oder Polyamid-12; Polyvinylverbindungen, wie beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid oder Polyvinylalkohol; Polyvinylidenhalogenide, wie beispielsweise Polyvinylidenchlorid oder Polyvinylidenfluorid; Polystyrol; Polycarbonate oder Polysulfone sowie Copolymerisate der Monomeren, aus denen diese Polymerisate herstellbar sind, mit einem oder mehreren anderen Monomeren.

Die genannten Homopolymerisate und Copolymerisate können einzeln oder in Kombination zu zweien oder mehreren, auch im Gemisch mit verschiedenen Kautschukarten, Füllstoffen und bzw. oder Additiven, verwendet werden.

Die beschriebene poröse Kunststoffstruktur dient der Herstellung von Isoliermaterial zu elektrischen Zwekken. Dazu werden die Poren der Kunststoffstruktur mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt. Als Isolierendes Material kann dabei praktisch jedes Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von IxIO¹³ Ohm-cm oder darüber bei der jeweiligen Einsatztemperatur des porösen Isoliermaterials verwendet werden. Das verwendete isolierende Material darf lediglich den porösen Kunststoff nicht lösen oder anderweitig nachteilig angreifen.

Vorzugsweise werden folgende isolierende Stoffe verwendet: gasförmige Dielektrika, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid oder die Freone; verschiedene

Mineralöle; synthetische öle, wie beispielsweise Alkylbenzole oder Polyisobutylen; verschiedene Wachse; thermisch härtbare Harze, die nach Imprägnierverfahren in die poröse Kunststoffstruktur eingebracht werden können, beispielsweise Epoxidharze oder ungesättigte Polyesterharze; verflüssigte Gase, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium. Zur Herstellung von Klebmaterial können die Poren des Kunststoffs mit Klebstoffzusammensetzungen gefüllt werden, beispielsweise mit Naturkautschuk und bzw. oder synthetischem Kautschuk, vorzugsweise im Gemisch mit Naturharzen, mit Naturharzderivaten, Kohlenwasserstoffharzen oder anderen an sich bekannten Klebstoffmischungen.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung wird darin gesehen, wenn die Klebstoffmischungen, mit denen die poröse Kunststoffstruktur getränkt ist, den genannten Isolationsbedingungen genügen. Es werden dabei selbstklebende Isolationsbänder oder -folien erhalten.

Zum Füllen des porösen Materials mit den elektrisch isolierenden Substanzen können an sich bekannte Verfahren zum Imprägnieren angewendet werden. Dabei kann sich der elektrisch isolierende Stoff selbst im flüssigen Zustand befinden oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst vorliegen. Daneben kann jedoch auch statt der Imprägnierverfahren ein einstufiges Verfahren angewendet werden, bei dem beispielsweise das zur Herstellung des porösen Polymerisats verwendete Material mit einem elektrisch isolierenden Stoff gemischt und in einem einzigen Arbeitsgang zu der porösen Polymerisatstruktur verarbeitet wird, die in ihren Poren das isolierende Material eingeschlossen enthält

Das poröse Kunststoffisolationsmaterial der Erfindung zeigt eine dielektrische Durchschlagfestigkeit, die der Durchschlagfestigkeit von Isolationspapieren auf der Basis herkömmlicher Cellulosepapiere mit gleicher Porosität zumindest vergleichbar, in der Regel überlegen ist. Das Kunststoffmaterial weist zusätzlich ao gegenüber dem herkömmlichen Cellulosematerial eine deutlich überlegene Impulsfestigkeit auf.

Tabelle I Beispiel 1

100 Gewichtsteile eines isotaktischen Polypropylens und 20 Gew.-Teile eines Polyäthylens geringer Dichte werden in der Schmelze miteinander vermischt und durch eine Matrize mit flacher Öffnung ausgeformt. Die erhaltene Folie wird in einer Richtung bei Raumtemperatur auf das l,2fache ihrer ursprünglichen Länge gestreckt. Anschließend wird unter Spannung auf 140⁰C erwärmt. Bei 140⁰C wird biaxial verstreckt, so daß die durch das Verstrecken erhaltene Fläche das 3 χ 3fache der ursprünglichen Länge beträgt. Die dabei erhaltene Folie ist porös. Rasterelektronenmikroskopische Mikrophotographien sind in den Fig.3 und 4 gezeigt In der Fig.3 ist eine Oberflächenaufnahme und in der F i g. 4 ein Schnitt schräg zur Dicke der Folie gezeigt. Die mittlere Dicke der Folie beträgt 25 μπι.

Ein Stapel von zehn der so erhaltenen Folien wird zwischen zwei kreisrunde flache Elektroden gelegt Die Elektroden haben einen Durchmesser von 30 mm. Anschließend wird mit einem Mineralöl unter Vakuum imprägniert Die erhaltene poröse Polymerisatstruktur wird auf ihre dielektrische Spannungsfestigkeit untersucht Die Impulsfestigkeit der Struktur beträgt 250ν/μΐτι. Die kurzfristige Durchschlagfestigkeit im Wechselfeld beträgt 150 V/μηι. Im Wechselfeld liegt die Durchlagfestigkeit am Rand der V-T-Kennlinie bei 70 V/μπι.

Beispiele 2-8

In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise werden aus verschiedenen Kunststoffen weitere poröse Polymerisatstrukturen hergestellt und vermessen. Das Beispiel 8 ist ein Vergleichsbeispiel und gibt die Werte für ein herkömmliches Kabelisolationspapier nach dem Stand der Technik wieder. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengefaßt Die in der Tabelle angegebenen Herstellungsverfahren (1) bzw. (2) sind die zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren.

Beisp. Strukturpolymerisat

(Gew.- Teile)	Herstel lungs verfahren	Isolatormaterial	Impuls- durcli- schlag- festigkeit (V/um)
100 100	Ο)	Mineralöl	250
100 50	(2)	SF₆	200
100 t 5	(1)	Alkylbenzol	250
100 10	(2)	flüssiges N2	200
100 20	0)	Mineralöl	190
100 10	(2)	Paraffinwachs F. 95⁰C	350
	—	Mineralöl	140
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Kurzzeit-Wechselfelddurchschlag- festigkeit

(V/μπι)

2 Polystyrol

Polyäthylen geringer Dichte

3 Polystyrol

Polyäthylen geringer Dichte

4 Isotaktisches Polypropylen
Äthylen-Propylen-Copolymerisat

5 " hochdichtes Polyäthylen

Äthylen-Vinylacetat-Copolymerisat

6 Polycarbönat
Styrol-Butadien-Copolymerisat

7 Polysulfon
Polystyrol

8 Kabelisolationspapier

195
160
200
160

150

250

70

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisches Isoliermaterial aus einem porösen Hochpolymer, das ein elektrisch isolierendes Material enthält, mit dem Poren in dem Polymer gefüllt sind, gekennzeichnet durch ein biaxial ausgerichtetes poröses H och polymer-Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl abgeflachter Mikroporen, die in Schichten oder schichtartig übereinanderliegend das gesamte Material durchziehen.

2. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein gasförmiges Dielektrikum als elektrisch isolierendes Material.

3. isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Isolatoröl als elektrisch isolierendes Material.

4. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Isolationswachs als elektrisch isolierendes Material.

5. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein verflüssigtes, elektrisch isolierendes Gas als elektrisch isolierendes Material.

6. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein thermisch härtbares Harz als elektrisch isolierendes Material.

7. Isoliermaterial nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpolymere ein Polyolefin, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyvinylhalogenide ein Polyvinylalkohol, ein Polyvinylidenhalogenid, ein Polystyrol, ein Polycarbonat und bzw. oder ein Polysulfon ist.