DE2533017A1 - Aus einem faservlies bestehendes elektrisches isoliermaterial - Google Patents
Aus einem faservlies bestehendes elektrisches isoliermaterialInfo
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Description
7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348
21. Juli 1975
pÄf-c Telefon
rti- DJ Stuttgart (0711) 356539
35 96 19 Telex 07256610 sniru
Telegramme Patentschutz Esslingenneckar
THE KENDALL COMPANY,
95 West Street,
Walpole, Massachusetts, U. S. A.
Aus einem Faservlies bestehendes elektrisches
Isoliermaterial
Isoliermaterial
Die Erfindung betrifft ein aus einem Faservlies bestehendes
elektrisches Isoliermaterial.
Die hauptsächlich bekannten elektrischen Isoliermaterialien z.B. Lacküberzüge, Kunstharze und Glimmer#die zur Isolierung
von elektrischen Gerätschaften verwendet werden, z.B. von AnkerwicKLungen, für die Schlitzauskleidung von Generatoren
für die Herstellung von Schalttafein,stellen keine selbsttragenden
manipulierbaren Gebilde von ausreichender Festigkeit darein sie unmittelbar an elektrischen Teilen anbringen
zu können. Derartige Materialien werden daher allgemein auf einem Trägermaterial befestigt z.B. auf Glasleinen, einem
Faservlies oder Spezialpapier.
Das Trägermaterial muss als erste Forderung einen hohen Grad von Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Abbau
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und gegen Längung oder Deformation unter der Beanspruchung
besitzen, die während der Anbringung des Isoliermateripls
und während des Gebrauchs der Gerätschaft auftritt und die im allgemeinen hohe Temperaturen einschließt. Wenn das
Trägermaterial sich unter geringen oder massigen Beanspruchungen streckt oder deformiert, kann das nicht elastische
primäre Isoliermaterial Risse erhalten, die zu einer elektrischen Ableitung und zu einem Verlust an Isoliereigenschaften
führen.
Das ist insbesondere der Fall, wenn das primäre Isoliermaterial aus Glimmer besteht,der wegen seiner besonderen
Kombination von elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften an/sich höchst erwünscht ist. Eine bekannte
Ausführungsform einer Primärisolierung besteht aus einem
Glimmerpapier, das aus natürlichem Glimmer hergestellt ist, der fein zerkleinert worden ist und aus dem sodann ein
Papiermaterial aus sich überlappenden, horizontal geschichteten Plättchen erzeugt worden ist. Die sich*überlappenden
Glimmerplättchen stellen ein ausgezeichnetes Isoliermittel dar, solange die gegenseitige Überlappung
aufrechterhalten bleibt. Derartige Glimmerpapiere .besitzen
jedoch nur eine geringe Festigkeit und werden im allgemeinen auf einem starken Trägermaterial befestigt, z.B. Glasfaserleinen/und
zwar mit Hilfe eines Kunstharzes, wobei z.B. das Glimmerpapier an dem Glasfaserleinen mit Hilfe eines
Epoxyharzes befestigt ist.
Ähnliche Erscheinungen treten in den bekannten Fällen auf, in denen das primäre Isoliermaterial aus einem Streifen
aus Kunststoff ilm; z.B. einem Polyäthylentherephthalati>besteht.
Die guten elektrischen Eigenschaften solcher Filme sind un-
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glücklicherweise mit geringen Zerreißfestigkeiten verbunden: In vielen Anwendungsfällen ist es daher allgemeine
Praxis, den Film durch einen Kleber mit einem Faservlies zu verbinden, dessen Fasercharakter die Zerreißfestigkeit
des Films erhöht.
Mit der dauernden Forderung nach elektrischen Teilen, die einen ganz geringen Raum einnehmen, läuft die Forderung
nach Stoffen einher, die zu Isoliermaterialien großer Wirksamkeit und kleiner Stärke verarbeitet werden können.
Die Herstellung ganz dünner Glasfaserstoffe ist teuer und',
umständlich, so daß bei der Erzeugung dünner, erschwinglicher Trägermaterialien für elektrische Isolierschichten Faservliese
mehr und mehr verwendet v/erden. Jedoch besitzen die bekannten Faservliese mit den erforderlichen elektrischen
Eigenschaften sowie die gebundenen Faservliese die aus
Polyesterfasern bestehen und durch andere Polyesterfasern
mit einer geringeren Erweichungstemperatur verbunden sind, keine ausreichende Schubfestigkeit pro Längeneinheit ihrer
Dicke. Um die erwünschte Größe der Schubfestigkeit zu erreichen, muss die Dicke und damit das Gewicht eines solchen
Faservlieses auf ein unerwünschtes Maß vergröflart werden.
Zusätzlich zu seiner geringen Dicke muss das Faservlies jedoch noch eine Eigenschaft besitzen, die als "große
thermische Stabilität" bezeichnet werden kann, was ein hohes Maß an Widerstandsfühigkeit gegen Abbau-und Festigkeistverlust
bei hoheniTemperaturen und eine Stabilität in
den Abmessungen bedeutet.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäss, ein Trägermaterial
für eine elektrische Isolierschicht zu schaffen, daß im vorgenannten Sinne eine hohe thermische Stabilität und eine
verhältnismässig geringe Dicke besitzt.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem das Faservlies gemäss der Erfindung nach Gewichtsteilen vorwiegend aus nicht
schmelzbaren Aramid-Fasern besteht, die durch einen kleineren Gewichtsanteil bildende thermoplastische
Polyamidfasern gebunden sind, derart, daß das Faservlies
bei 26o°C eine Schrumpfung von weniger als 5 % in der Längs- und Querrichtung aufweist und hohe Widerstandsfähigkeit
gegen thermischen Abbau besitzt.
Zusätzlich zu dem oben erläuterten Erfordernis der Festigkeit ist es erwünscht, daß die Fasern des Trägermaterials
zum Zwecke ihrer Brauchbarkeit bei hohen Temperaturen nicht bei den hohen Temperaturen schmelzen,
sich erweichen oder abbauen, die bei beschleunigten Alterungsversuchen verwendet werden. Aus diesem Grunde
enthält das Faservlies gemäss der Erfindung sogenannte Aramid-Fasern, die aus einem Polysophthalamid eines
Metaphenylendiamids bestehen und von der Firma du Pont unter dem Handelsnamen NOMEX vertrieben werden. Aramidfasern,
die sich auflösen.ohne zu schmelzen, wenn sie auf
etwa 37o C erhitzt werden, sind für Anwendungsfälle geeignet;
bei denen die elektrischen Gerätschaften bei 18o C
keinerlei Veränderungen aufweisen dürfen. In der Gesalt von NOMEX -Papier haben sie für eine Vielfalt von .elektrischen
Gerätschaften Anwendung gefunden. Jedoch fehlt den kurzen
Fasern.die bei einigen Arten dieses Papiers verwendet werden, der Abriebwiderstand von Faservliesen. Es ist daher
ein anderweitiger Versuch gemacht worden, ein Faservlies aus einem'gekrempelten Band aus einem Gemisch von NOMEX-Fasern
und hitzeempfindlichen Bindefasern zu erzeugen, z.B. unverzogenen Polyesterfasern, und das gekrempelte Erzeugnis
einer heißen Kalanderbearbeitung zu unterziehen. Die auf diese Weise hergestellten Vliese sind jedoch mangelhaft
mit Bezug auf die Schubfestigkeit pro Längeneinheit ihrer Dicke und in ihrer Widerstandsfähigkeit gegen thermischen
Abbau und sin4 allgemein nicht stabil, wenn sie au/ 18o C
R Π 9 R " (i / 0 6 3 8
erhitzt werden. Diese Temperatur ist diejenige, die bei einem Standarttest für die Dauerhaltbarkeit der
Isolierung verwendet wird.
Wenn jedoch ein größerer Teil von Aramidfasern mit einem kleineren Teil von Polyamidfasern in einem
kardierten Gebilde gemischt wird und das erhaltene Vlies einer Behandlung unterworfen wird, die zum Ziel
hat, daß die Polyamidfasern die Aramidfasern binde^
d.h. einer Kalandrieren? unter Wärme oder einer Pressung
in einer heißen Presse, dann ergibt sich eine äußerst auffällige und unerwartete Vergrößerung der Schubfestigkeit
des erhaltenen Faservlieses mit einer gleichzeitigen Vermehrung der thermischen Stabilität im Vergleich zu Faservliesen
wie sie bisher bekannt sind. Diese Stabilität kennzeichnet üich nicht nur durch eine geringere Schrumpfung
sondern auch durch die Widerstandsfähigkeit gegen Ausbeulen
und ebenes Verziehen. Dieses Ergebnis war auch im Hinblick auf die Festigkeitseigenschaften der verwendeten Bindepolyamidfasern
keineswegs ohne weiteres zu erwarten, denn die in Gramm pro denier angegebenen Festigkeiten der Fasern
unterscheiden sich nur unbedeutend beim Vergleich zwischen Polyester, Polypropylen und Polyamid während die Reißfestigkeit
eines unter Verwendung von Bindepolyamidfasern hergestellten Faservlieses ein Vielfaches derjenigen von
bisher bekannten Faservliesen ist wie aus den folgenden Versuchsergebnissen hervorgeht. In diesen sind die Anteile
der Fasern als Gewichtsteile zu verstehen.
Beim Testen von Faservliesen in Hinsicht auf ihre Reißfestigkeit wird ein Streifen des Vlieses zwischen den
Backen einer Prüfmaschine eingeklemmt die auf das Vlies einen Zug ausüben, bis es bricht. Die absolute Festigkeit
ist die Kraft in Pfund die notwendig ist, um einen Streifen des Vlieses von 1 Zoll Breite zu zerreißen. Da die
ι Ä
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Festigkeit eines Vlieses von seiner Dicke abhängt bzw. dem Gewicht pro Flächeneinheit, ist es üblich, die
Festigkeit in genormter Weise anzugeben, d.h. in Pfund pro Zoll Breite pro Unze Gewicht pro Quadratyard. Die
entsprechende Zahl wird erhalten, wenn man die absolute Reißfestigkeit durch das Gewicht in Unzen pro Quadratyard
dividiert.
Eine Mischung von 80 % 2 denier-NOMEX-Fasern mit
einer Länge von 2 Zoll und 2o % 3 denier-Nylon 6-Fasern
mit einer Länge von 1,5 Zoll wurde durch eine Texti-1-karde
hindurchgeführt.um ein Vlies mit vorherrschend parallelen Fasern zu erzeugen, die gleichmässig über die
Länge, Breite und Dicke des Vlieses verteilt waren, das o,81 Unzen/Quadratyard wog.
Das Vlies wurde sodann heiß kalandriert mit Hilfe eines Dreiwalzen-Stahl-Baumwoll-Stahl-Kalanders; wobei die
Stahlwalzen auf etwa 24o°C erhitzt wurden und das Vlies durch beide Klemmstellen in einer S-Figur hindurchlief.
Der auf das Vlies ausgeübte Druck betrug I000 Pfund pro
Zoll ßfeite der Kleiranstelle.
Das erzeugte dünne nachgiebige Faservlies war 2,1MiI dick
und besass eine absolute Reißfestigkeit von 2o Pfund in der Längsrichtung und 5,ο Pfund in der senkrechten Richtung
pro Zoll Breite des Streifens was mit Hilfe einer Instron-Prüfmaschine
festgestellt wurde. Die Normfestigkeit in Pfund pro Zoll der Streifenbreite pro Unze Gewicht pro
Quadratyard war 22,7 Pfund j η der Längsrichtung und 5,7 Pfund in der senkrechten Richtung.
Wenn die normale in senkrechter Richtung bestehende Reißfestigkeit
durch die Dicke von 2,1 Mil dividiert wird, wird eine Größe von 2,7 Pfund pro Mil der Dicke errechnet.
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Bei eineia gleichartigen Versuch wurde die Mischung von
80 % NOMEX-Fasern und 2o % Kylon 6-Fasern durch eine
Mischung von 80 % NOMEX-Fasern und 2o % unverzogenen Polyesterfasern ersetzt. Die Kalancfcierung wurde bei einem
Druck von I000 Pfund pro Zoll der Kleminlinie und Stahlwalzentemperaturen
von etwa 2o5 C durchgeführt um dem etwas niedrigeren Erweichungspunkt der Polyesterfasern
Rechnung zu tragen.
Das kalandrierte Faservlies hactf eine Dicke von 2,5 Mil
und ein Gewicht von 1,43 Unzen pro Quadratyard und besass eine absolute Zerreißfestigkeit von 13,9 Pfund
pro Zoll Breite in der Längsrichtung und 1,4o Pfund in der senkrechten Richtung. Die genormten Zerreißfestigkeiten
wurden mit 9,8 Pfund in der Längsrichtung und 0,9 9 Pfund
in der senkrechten Richtung errechnet. Die Zerreißfestigkeit
in der Senkrechten betrug demgemäß 0,4 Pfund pro
Mil der Dicke.
Bei einem dritten Parallelversuch wurde eine Mischung aus 75 % NOMEX-Fasern und 25 % 3 denier-Polypropylenfasern
verwendet, und die Kalanderwalzen wurden auf etwa 171 C
aufgeheitzt. Das erzeugte Vlies hatte ein Gewicht von o,77 Unzen pro Quadratyard und war 3,ο Mil dick. Die
Zerreißfestigkeiten betrugen 14,3 Pfund pro Zoll in der
Längsrichtung und o,7 9 Pfund in der Senkrechten. Die Zerreißfestigkeiten in der Senkrechten betrug o,26 Pfund
pro Mil der Dicke des Vlieses.
Um ein Maß für die Stabilität des Vlieses gegen Dimensionsveränderungen
bei hohen Temperaturen zu erhalten, wurden quadratische Stücke von 14 Zoll von Faservliesen
von räpresentativen Mustern des Materials ausgeschnitten und die quadratischen Stücke in einem erhitzten Ofen fünf
Minuten lang aufgehängt, sie wurden sodann herausgenommen,
abgekühlt und das Maß der Schrumpfung festgestellt.
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Wenn ein Faservlies von 80 % NOMEX-Fasern und 2o %
Fasern aus einem &&& einem Copolymer zusnuuuorujfjiit-t ζ I:on Polyamid,
das von der Firma du Pont unter dem Handelnamen QIANA in den Handel gebracht wird, auf diese Weise auf etwa
177°C erhitzt wurde, betrug die Schrumpfung o,4-l in der
Längsrichtung und Null in der senkrechten Richtung. Ein
Faservlies von vergleichbarem Gewicht das aus 80 % NOMEX-Fasern und 2o % unverzogenen Polyesterfasern bestand ergab,
nachdem es unter den gleichen Bedingungen erhitzt worden war, eine Schrumpfhung von 1,6 % in der Bearbeitungsrichtung und 1^uIl in der senrechten Richtung.
Bei der Prüfung von elektrischen Teilen auf ihiB Widerstandsfähigkeit
gegen die Beanspruchung in der Praxis ist es jedoch allgemein üblich, die Teile Temperaturen von über
23o bis 29o C auszusetzen und sie dann auf ihren Ausfall bei der verv/endeten Spannung zu prüfen. Unter diesen Bedingungen
wird jedoch die bezeichnete Überlegenheit der Faservliese gemäss der Erfindung augenscheinlich. Wenn der
obige Versuch bei 24o°C und bei 3oo°C wiederholt wurde, zeigte das NOMEX-Polyamidvlies eine Schrumpfung von o,5 %
sowohl in der Längs- als auch in der senkrechten Richtung bei 24o°C und von 3,1 % in der Längsrichtung und
2,4 % in der senkrechten Richtung bei 3oo C. Das verglichene NOMEX-Polyestervlies schrumpfte in der Längsrichtung
um Ί'3,5 % und in der senkrechten Richtung um 8,3 %
bei 24o°C und erlitt einen nahezu vollständigen Verlust seiner Zerreißfestigkeit bei 3oo°C. Darüberhinaus beulte
sich das NOMEX-Polyestervlies aus und rollte sich zusammen, wenn es einer Temperatur von 3oo C ausgesetzt wurde, während
das NOMEX-Polyamidvlies glatt und eben blieb.
Zur weiteren Sichtbarmachung des überlegenen Verhaltens bei hohen Temperaturen wurde ein 80 % NOMEX- 2o % unverzogener
Polyester-Faservlies, das 1,1 Unze pro Quadratyard wog und ein 80 % NOMEX- 2o % QIANA-Faservlies ,das „eine
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Unze pro Quadratyard wog, miteinander verglichen . Streifenvon 1 Zoll Breite von jedem Vlies wurden in
einem Ofen aufgehängt und mit einem Gewüit von 5oo g
belastet, daß am unteren Rand des Streifens befestigt wurde. Die Temperatur des Ofens wurde sodann allmählich
mit Schritten von 1o° vergrößert. Das NOMEX-Polyester-Vlies
brach bei 1 6 80C, während das NOMEX-QIANA-Vlies bei
32o°C,der oberen Temperaturgrenze des Testes, noch nicht gebrochen war.
Die Stabilität des QIANA-gebundenen Faservlieses bei
32o C ist unerwartet im Hinblick auf die Tatsache, daß der Erweichungspunkt von QIANA-Fasern in der Literatur
mit 23o und der Schmelzpunkt mit 272 C angegeben wird^ und auch im Hinblick darauf, daß die Faservliese bei
denen QIANA-Fasern als Bindefasern verwendet werden; durch
öeißkalanderndes NOMEX-QIANA Faserbandes bei 248 bis 258°C
erzeugt v/erden.
Die Eigenschaften des Faservlieses gemäss der Erfindung sind
ira wesentlichen die gleichen, wenn die Bindefasern aus Nylon 6 (Polycaprolactam), Nylon 66 (ein Polyamid, das
durch Kondensation von Hexamethylendxanim mit Adipinsäure) oder QIANA (das gemäss der Literatur ein Polyamid-Copolymer
aus Dodecanäiosäure, Isophthalsäure und Methylen-"bis-Qyclohexyldiamin
ist). Alle diese Faservliese die aus einem größeren Gewichtsanteil von NOMEX-(Aramid-)Fasern bestehen/
die durch einen kleineren Gewichtsanteil von Polyamidbindefasern gebunden sind, zeichnen sich durch eine hohe Schubfestigkeit
pro Längeneinheit der Dicke aus, eine Schrumpfung von weniger als 5 % sowie durch eine Beibehaltung der
Zerreißfestigkeit bei 26o°C v/ie auch durch die Beibehaltung ihrer ebenen Beschaffenheit.
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- 1ο -
Der Anteil der thermoplastischen Polyamidbindefasern in
dem Faservlies liegt vorzugsweise zwischen 1o und 4o
Gewichtsprozent und ist jeweils abhängig von der gewünschten Größe des Gewichtes und dar Zerreißfestigkeit
des Faservlieses.
- Patentansprüche-
- 11 -
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Claims (3)
1. Aus einem Faservlies bestehendes Trägermaterial für eine elektrische Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet,
daß das Faservlies nach Gewichtsteilen vorwiegend aus nicht schmelzbaren Aramidfasern
besteht, die durch einen kleineren Gewichtsanteil bildende thermoplastische Polyamidfasern gebunden
sind, derart, daß das Faservlies bei 260 C eine Schrumpfung von weniger als 5 % in der Längs- und
in der Tiefenrichtung aufweist und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Abbau besitzt.
2. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Polyamidfasern einen
Gewichtsanteil zwischen 10 und 40 % in dem Faservlies besitzen.
3. Trägermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Polyamidfasern
aus Polycaprolactam oder Polymeren von Hexamethylendiamin und Adipinsäure oder Copolymeren
von Dodecanediosäure, Isophtalsäure und Methylen-bis-Cyclohexyldiamin
bestehen.
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