DE2458037A1 - Hochtemperaturbestaendiger vliesstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• Hochtemperaturbeständiger Vliesstoff und Verfahren zu seiner Herstellung.
• Die Erfindung betrifft einen hochtemperaturbeständigen Vliesstoff aus gebundenen synthetischen Stapel- und/oder Endlosfasern und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• Der Vliesstoff zeichnet sich durch eine besonders gute Dauertemperaturbeständigkeit aus, wie sie für zahlreiche Anforderungen, z.B. auf dem Elektro-Isolationssektor erwünscht ist.
• Es ist bekannt, Vliesstoffe auf dem Elektro-Isolationssektor, z.B. als Trägermaterial filr Isolationsharze einzusetzen.
• Dazu werden üblicherweise Vliesstoffe verwendet, die aus loog Polyesterfasern bestehen. Diese werden zur späteren Weiterverarbeitung in Form von sogenannten Prepregs eingesetzt. Dies bedeutet, daß sie mit einem reaktiven Isolationsharz, meist auf Basis von Epoxiden und Polyimiden, getränkt werden und das Harz durch eine Wärmebehandlung in den sogenannten B-Zustand überführt wird. In diesem Zustand ist das Harz noch nicht vollständig ausgehärtet.
• Die vollständige Aushärtung erfolgt erst nach Einbau z.B. in einen Transformator oder einen Elektromotor.
• Es kann aber auch sein, daß der Vliesstoff ohne vorherige Tränkung verarbeitet wird und erst danach zur Erzielung der Isolationseigenschaften mit einem der vorstehend genannten Harze beträufelt wird. Solange beim späteren 0 Betrieb Dauertemperaturen von maximal 165 C nicht überschritten werden, sind solche Vliesstoffe in Kombination mit Isolierharzen mit großer Sicherheit als Isolatorenmaterial verwendbar.
• Die steigenden Anforderungen auf dem Elektroisolationssektor machen die Suche nach geeigneten Isolationsmaterialien höherer Beständigkeit, insbesondere höhere Dauerteinperaturbeständigkeit notwendig. Es müssen in steigendem Maße Isolationsmaterialien verarbeitet werden, die gegen Dauertemperaturen bis zu 250 cc beständig sind.
• Die Beständigkeit gegen kurzfristige Temperatureinwirkungen soll dabei noch höher liegen, zweckmäßig bis zu einem 0 Bereich von etwa 350° C. Innerhalb des vorstehend angegebenen Temperaturbereiches sind z.B. Feinstglasgewebe und Papiere auf Basis von Polyarylamiden einsetzbar. Derartige Produkte sind jedoch meist nicht in dem erforderlichen Maße gleichmäßig strukturiert und oft zuzüglich zu dick.
• eben der erhöhten Temperaturbeständigkeit sind auch geringe Dicken unter 200 xU, vorzugsweise von etwa 30 bis 80/u -erwünscht. Um eine optimale Isolierung auch bei Hochspannungen zu garantieren, soll das Isolationsharz sehr gleichmäßig von dem als Träger dienenden Vliesstoff aufgenommez werden. Dies ist bei den bisher bekannten Materialien nicht der Fall. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hochtemperaturbeständiges und dabei dünnes gebundenes Vlies von sehr gleichmäßiger Porosität zu entwickeln.
• Erfindungsgemäß wird ein hochtemperaturbeständiger Vliesstoff aus gebundenen synthetischen Stapel- und/oder Endlosfasern vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stapel- und/oder Endlosfasern aus einem bis zu etwa 3500 C temperaturbeständigen und bei wenigstens 200 bis 2500 C dauerbeständigen Polyarylamid, Polyarylimid, Polyarylester und/oder Polyarylanhydrid bestehen, die mit einem ebenfalls bei wenigstens 200 bis 2500 C dauertemperaturbeständigen Bindemittel versehen sind, dessen Zusammensetzung derjenigen der Fasern entspricht. Fasern und Bindemittel bestimmen somit in ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften, insbesondere auch in ihrer Temperaturbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen sehr weitgehend überein Als besonders geeignet haben sich Polyarylamide erwiesen, die durch Kondensation aus Isophthalsäure und m - Phenylen - Diamin erhalten werden und bis zu etwa 35 0 C gegenüber kurzzeitigen Temperatureinwirkungen beständig sind. Die Dauertemperaturbeständigkeit liegt dabei sicher im Bereich von etwa 200 bis 250° C. Hierbei sind insbesondere solche Polyarylamide zweckmäßig, deren Molekulargewicht innerhalb des Bereichs von etwa 20 000 bis 70 ooo liegt. Das Bindemittel weist im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung auf. Fasern und Bindemittel passen sich somit hinsichtlich ihrer Eigenschaften in optimaler Weise aneinander und an die gestellten Anforderungen an.
• Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vliesstoffe erfolgt derart, daß zunächst in an sich bekannter Weise auf trockenem oder nassem Wege ein Vlies aus den hochtemperaturbeständigen Fasern abgelegt wird, das dann mit der Lösung oder Dispersion des hinsichtlich seiner Zusammensetzung den Fasern angepaßten Bindemittels versetzt wird. Das Bindemittel wird anschließend durch Ausfällen oder durch Koagulation abgeschieden und thermisch gehärtet, wobei der so gebildete Vliesstoff zweckmäßig durch Kalandrieren nachbehandelt wird. Das Bindemittel kann nach einem weiteren ebenfalls als zweckmäßig erachteten Verfahren auf das lose Vlies aufgedruckt und dann unter Anwendung von Hitze und Druck ausgehärtet werden. Druck und Temperatur sind während der Verdichtung so einzustellen, daß die kristalline Struktur von Fasern und Bindemitteln erhalten bleiben. Beide Parameter sind gegebenenfalls anhand von einfachen Vorversuchen zu ermitteln.
• Bei der Abscheidung des Bindemittels durch Ausfällen oder Koagulieren wird das mit dem Bindemittel imprägnierte Vlies durch ein Wasserbad geführt oder der Einwirkung eines solchen Lösungsmittels ausgesetzt, das die Abscheidung oder Koagulation des Bindemittels bewirkt.
• Auch hier läßt sich die optimale Temperatur bzw. das optimale Lösungsmittel gegebenenfalls in Abhängigkeit von der eingesetzten Faserart durch geeignete Vorversuche ermitteln.
• Vliesstoffe sehr hoher Festigkeit erhält man durch Imprägnieren oder Tränken eines Vlieses aus Polyarylamidstapelfasern mit der Lösung aus vergleichbaren Polyarylamiden. Um die Bindung der Einzelfasern zu erzielen ist es nötig, das verwendete Lösungsmittel in möglichst schonender Weise zu entfernen. Beim VerdamDfen des Lösungsmittels könnte beispielsweise eine Schädigung der Polyarylamidfasern durch das verdamDfende Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur eintreten, wobei die Verwendung des Vliesstoffes als Isolationsmaterial eingeschränkt würde. Es hat sich deshalb als zweckmS erwiesen, das in der beschriebenen Art vorgebundene Vlies in ein Fällbad, z.B. ein Wasserbad, einzufilhren.
• Es hat sich gezeigt, daß die sonst sehr reaktionsträgen Folyarylamidfasern durch das im Wasser ausfallende Polyarylamid als Bindemittel so gut gebunden werden, daß Festigkeiten resultieren, die ein mehrfaches dessen betragen, was sonst bei bisher üblichen Vliesstoffen entsprechender Gewichtsklassen bekannt ist. Das in dem System Lösungsmittel und Wasser ausfallende Polyarylamid schlägt sich auf den Fasern nieder und bewirkt die Bindung.
• Nach dem Entfernen des Wassers und eventuell vorhandener restlicher Lösungsmittelmengen wird der Vliesstoff zwischen heißen Kalanderwalzen geglättet. Dabei findet die Umwandlung des ausgefallenen amorphen Polyar«!lamids in den kristallinen Zustand statt. Gleichzeitig wird durch den Kalandrierprozeß die für eine optimale und gleichmäßige Harzaufnahme notwendige Struktur geschaffen. Es ist möglich, statt Wasser zur Ausf'Ilung auch andere, mit dem verwendeten Lösungsmittel mischbare Flüssigkeiten oder Lösungsmittel zu verwenden.
• Beispiel li Man bereitet eine Lösung aus 87,5 r Dimethylformamid (DMF), 2,5 g LiCl und lo g Folyarylamid mit einem MG von ca.
• 50.ooo beständig bis ca. 350° C.
• Das mitverwendete LiCl dient als Katalysator während des Löseprozesses; mit DMF allein würde man lediglich eine leichte Quellung des Polyarylamids erreichen. Mit dieser Lösung-wird ein Vlies aus 30 g/m2 Polyarylamidfasern getränkt. Der Titer der verwendeten Fasern ist 1,7 dtx und die Schnittlänge 50 mm. Die Naßaufnahme beträgt 500 %, so daß sich nach der Trocknung ein Endgewicht von 45 g/m2 bei Verwendung einer 10%gen Lösung ergibt. Das so getränkte Vlies wird sofort nach der Imprägnierung in ein Wasserbad gefahren. Dabei fällt das Polyarylamid aus der Lösung aus und schlägt sich auf den Fasern nieder. Das DMF geht zusammen mit dem zur Lösung als Katalysator verwendeten LiCl in das Wasserbad. Bei Anwendung eines Gegenstromverfahrens kann so aus dem vorgebundenen Vlies das Lösungsmittel DMF und LiCl vollständig ausgewaschen werden. Dies ist für die spätere Verwendung als Isolationsmaterial sehr wichtig. Im weiteren Fortgang des Verfahrens wird das Wasser abgequetscht und durch Trocknung das Restwasser entfernt. Dabei erhält man ein relativ voluminöses, sehr offenporiges und steifes Material, das in vielen Fällen bereits in dieser Form verwendet werden kann. Beim Kalandrieren bei 2000C erfolgt die bereits erwähnte Umwandlung vom amorphen in den kristallinen Zustand und man erhält anschließend den für die Anwendung als Isolationsmaterial geeigneten Vliesstoff sehr gleichmäßiger Dicke und Porosität. Die Dicke beträgt bei 2 einem Endgewicht von 45 g/m ca. So bis 55 /u.
• Beispiel 2: Analog zu Beispiel 1 kann die Bindung des Faservlieses auch durch Aufdrucken oder Aufsprühen der Polyarylamidlösung erfolgen. Dabei muß auf die zur Verarbeitung günstige Viskosität, die durch die Mnzentration des gelösten Polyarylamids gesteuert werden kann, geachtet werden.
• Die weitere Abarbeitung entspricht dem Beispiel 1.
• Dabei können je nachdem ob gesprüht oder bedruckt wird, Vliesstoffe verschiedener Porosität erhalten werden.
• Beispiel 3: Statt in Wasser kann auch in Trichloräthylen (Tri) oder anderen mit DMF mischbaren Lösungsmitteln ausgefällt werden.
• In allen Fällen ist es wichtig, daß das DMF und LiCl aus dem Vlies entfernt wird. Die Struktur der erhaltenen Vliese kann je nach Ausfällungsmedium etwas verschieden sein.
• Verwendet man mit Wasser nicht mischbare Lösungsmittel, z.B. Trichloräthylen, so befindet sich das LiC1 in dem System DMF - Tri - LiCl im DMF. Leitet man dieses Gemisch durch Wasser, so kann das Tri freigesetzt und wieder dem Prozeß zugeführt werden. Vom Gemisch Wasser - DMF- LiC1 wird das Wasser abdestilliert und das im Rückstand verbleibende DMF + LiC1 im Kreislauf wieder zur Auflösung neuen Polyarylamids verwendet.
• Die Ausfällung kann erreicht werden, solange die Konzentration des DMF im Fällbad 50 - 60 % nicht übersteigt.
• Mit der Konzentration des DMF im Fällbad können auch die Eigenschaften des fertigen Vlieses hinsichtlich Struktur und Porosität beeinflußt werden.
• Beispiel 4: Man bereitet analog Beispiel 1 ein Vlies aus hochtemperaturbeständigen Fasern auf Basis von Polyarylamid, Polyimid Polyesterimid u.ä. und imprägniert, tränkt oder bedruckt dieses mit der Lösung eines hochtemperaturbeständigen Harzes, z.B. einem Polyimidharz, das in einem geeigneten Lösungsmittel z.B. N-Methylpyrrolidon, gelöst ist. Nach Entfernen des Lösungsmittels kann bei höherer Temperatureinwirkung in Verbindung mit einem Kalanderprozeß die Aushärtung des Harzes und damit die Vliesbindung erfolgen. Auch damit können hochtemperaturbeständige Vliese, geeignet für Temperaturen von 1650 bis ca. 3 C, erhalten werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Hochtemperaturbeständiger Vliesstoff aus gebundenen synthetischen Stapel- und/oder Endlosfasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapel- undSoder Endlosfasern aus einem bis etwa 350 C temperaturbeständigen und bei wenigstens 200 bis 2500 C dauertemperaturbeständigen Polyarylamid, Polyarylimid, Polyarylester und/oder Polyarylanhydrid bestehen, die mit einem ebenfalls bei wenigstens 200 bis 25o° C dauertemperaturbeständigen Bindemittel versehen sind, dessen Zusammensetzung derjenigen der Fasern entspricht.

2. Vliesstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Fasern und Bindemittel aus Polyarylamiden mit einem Molekulargewicht von etwa 20.ooo bis 7c.ooo enthält.

3. Vliesstoff nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern und Bindemittel eine im wesentlichen kritalline Struktur aufweisen.

4. Vliesstoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er gleichmäßig etwa 20 bis 300 n dick ist.

5. Vliesstoff nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er bei Dauertemperaturbelastung innerhalb des Bereiches von etwa 200 bis 2500 C noch etwa 60% seiner Reißfestigkeit bei Raumtemperatur aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein in an sich bekannter Weise auf trockenem oder nassem Wege abgelegtes Vlies aus den hochtemperaturbeständigen Fasern mit der Lösung oder Dispersion eines hinsichtlich seiner Zusammensetzung den Fasern entsprechenden Bindemittels versetzt wird und das Bindemittel durch Ausfällen oder durch Koagulation abgeschieden und anschließend thermisch gehärtet und der so gebildete Vlies stoff gegebenenfalls durch Kalandrieren nachbehandelt wird.

7, Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein in an sich bekannter Weise auf trockenem oder nassem Wege abgelegtes Vlies aus den hochtemperaturbeständigen Fasern mit einer geeigneten Dispersion des hinsichtlich seiner Zusammensetzung den Fasern entsprechenden Bindemittels bedruckt wird und das Bindemittel anschließend thermisch gehärtet und der Vliesstoff gegebenenfalls durch Kalandrieren nachbehandelt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung eines in seiner Zusammensetzung den Fasern entsprechenden und bis zu etwa 3500 C temperaturbeständigen Polyarylamids als Bindemittel auf ein loses Vlies aus Polyarylamidfasern aufgetragen und das Bindemittel dann durch Einlaufen lassen des vorgebundenen Vlieses in ein Wasserbad ausgefällt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel mit Hilfe von Trichloräthylen als Fällungsmittel abgeschieden wird.

lo. Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel in einem Fällbad, das bis zu 60 % Dimethylformamid enthält, abgeschieden wird.