DE2533017B2

DE2533017B2 - Aus einem Faservlies bestehendes elektrisches Isoliermaterial

Info

Publication number: DE2533017B2
Application number: DE2533017A
Authority: DE
Inventors: Gary Chester Framingham Anderson; Loyd George Sherborn Kasbo
Original assignee: Kendall Co
Current assignee: Kendall Co
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1975-07-24
Publication date: 1978-11-16
Also published as: NL175741C; DE2533017A1; FR2303884A1; ZA753720B; JPS51109371A; FR2303884B1; GB1457488A; NL7507028A; US3956561A; CA1044088A; AR204955A1

Description

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 und für die Herstellung von Schalttafeln, stellen keine selbsttragenden manipulierbaren Gebilde von ausreichender Festigkeit dar, um sie unmittelbar an elektrischen Teilen anbringen zu können. Derartige Materialien werden daher allgemein auf einem Trägermaterial befestigt, ζ. B. auf Glasleinen, einem Faservlies oder Spezialpapier.

Das Trägermaterial muß als erste Forderung einen hoher Grad von Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Abbau und gegen Längung oder Deformation unter der Beanspruchung besitzen, die während der Anbringung des Isoliermaterials und während des Gebrauchs der Gerätschaft auftritt und die im allgemeinen hohe Temperaturen einschließt Wenn das Trägermaterial sich unter geringen oder mäßigen 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 Glasfaserieinen mit Hilfe eines Epoxyharzes befestigt ist

Ähnliche Erscheinungen treten in den bekannten Fällen airf, in denen das primäre Isoliermaterial aus einem Streifen aus Kunststoffüm, z. B. einem Polyäthylentherephthalat besteht Die guten elektrischen Eigenschaften solcher Filme sind unglücklicherweise 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 werden. Jedoch besitzen die bekannten Faservliese mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften, z. B. die bekannten für elektrische Isolierschichten verwendeten Faservliese aus thermoplastischen aromatischen Polyamidfasern sowie die gebundenen Faservliese, die aus Polyesterfasern bestehen und durch andere Polyesterfasern mit einer geringeren Erweichungstemperatur verbunden sind, keine ausreichende Querfestigkeit pro Längeneinheit ihrer Dicke. Um die erwünschte Größe der Querfestigkeit zu erreichen, muß die Dicke und damit das Gewicht eines solchen Faservlieses auf ein unerwünschtes Maß vergrößert 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 Widerstandsfähigkeit gegen Abbau- und Festigkeitsverluste bei hohen Temperaturen und eine Stabilität in den Abmessungen bedeutet

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Trägermaterial für eine elektrische Isolierschicht zu schaffen, das im vorgenannten Sinne eine hohe thermische Stabilität und eine verhältnismäßig geringe Dicke besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst indem das Faservlies gemäß der Erfindung nach Gewichtsteilen überwiegend aus nicht schmelzbaren Aramid-Fasern besteht, die durch einen kleinen Gewichtsanteil bildende thermopla stische Polyamidfasern gebunden sind.

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 erfindungsgemäße Faservlies sogenannte Aramid-Fasern, die aus einem Polysophthalamid eines Metaphenylendiamids bestehen und von der Firma Du Pont unter dem Handelsnamen NOMEX vertrieben werden. Aramid-Fasern, die sich auflösen, ohne zu schmelzen, wenn sie auf etwa 370° C erhitzt werden, sind für Anwendungsfälle geeignet, bei denen die elektrischen Gerätschaften bei 180° C keinerlei Veränderungen aufweisen dürfen. In der Gestalt von NOMEX-Papier haben sie für eine VHfalt 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 Querfestigkeit pro Längeneinheit ihrer Dicke und in ihrer Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Abbau und sind allgemein nicht stabil, wenn sie auf 180° C erhitzt werden. Diese Temperatur ist diejenige, die bei einem Standardtest für die Dauerhaltbarkeit der Isolierung verwendet wird.

Wenn jedoch ein größerer Teil von Aramid-Fasern mit einem kleineren Teil von Polyamidfasern in einem kardierten Gebilde gemischt wird und das erhaltene is Vlies einer Behandlung unterworfen wird, die zum Ziel hat, daß die Polyamidfasern die Aramidfasern binden, d.h. einer Kalandrierung unter Wärme oder einer Pressung in einer heißen Presse, dann ergibt sich eine äußerst auffällige und unerwartete Vergrößerung der Querfestigkeit des erhaltenen Faservlieses mit einer gleichzeitigen Vermehrung der thermischen Stabilität im Vergleich zu Faservliesen, wie sie bisher bekannt sind. Diese Stabilität kennzeichnet sich 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 nach den in den USA gültigen Normen die Kraft in Pfund (= 0,496 kg), die notwendig ist, um einen Streifen des Vlieses von 1 Zoll (= 2,54 cm) Breite zu zerreißea Da die Festigkeit eines Vlieses von seiner Dicke abhängt bzw. dem Gewicht pro Flächeneinheit, ist es in den USA üblich, die Festigkeit in genormter Weise anzugeben, d. h. in Pfund (= 0,496 kg) pro Zoll (= 2^4 cm) Breite pro Unze (= 31,1 g) Gewicht pro Quadratyard (= 0,836 m²). Die entsprechende Zahl wird erhalten, wenn man die absolute Reißfestigkeit durch das Gewicht in Unzen pro Quadratyard dividiert

Eine Mischung von 80% 2-denier-NOM EX-Fasern mit einer Länge von 2 Zoll (= 50,8 mm) und 20% 3-denier-Nylon 6-Fasern mit einer Länge von 1,5 Zoll (= 38,1 mm) wurde durch eine Textilkarde hindurchgeführt, um ein Vlies mit vorherrschend parallelen Fasern zu erzeugen, die gleichmäßig über die Länge, Breite und Dicke des Mieses verteilt waren, das 0,81 Unzen/Quadratyard (= 27 g/m²) wog.

Das Vlies wurde sodann heiß kalandiert mit Hilfe eines Dreiwalzen-Stahl-Baumwoll-Stahl-Kalanders, wobei die Stahlwalzen auf etwa 240° C erhitzt wurden und das Vlies durch beide Klemmstellen in einer S-Figur hindurchlief. Der auf das Vlies ausgeübte Druck betrug 1000 Pfund pro Zoll (= 178,6 kg/cm) Breite der Klemmstelle.

Das erzeugte dünne nachgiebige Faservlies war 2,1 MiI (=0,053 mm) dick und besaß eine absolute Reißfestigkeit von 20 Pfund (= 9,1 kg) in der Längsrichtung und 5,0 Pfund (=23 kg) in der Querrichtung pro Zoll (= 2^4 cm) Breite des Streifens, was mit Hilfe einer Instrom-Prüfmaschine festgestellt wurde. Die Normfestigkeit in Pfund (= 0,496 kg) pro Zoll (= 2£4 cm) der Streifenbreite pro Unze (= 31,1 g) Gewicht pro Quadratyard (= 0,836 m²) war 22,7 Pfund (= 103 kg) in der Längsrichtung und 5,7 Pfund (= 2^9 kg) in der Querrichtung.

Wenn die normale in der Querrichtung bestehende Reißfestigkeit durch die Dicke von 2,1 Mil (= 0,053 mm) dividiert wird, wird eine Größe von 2,7 Pfund (= 1,225 kg) pro Mil (= 0,025 mm)der Dicke errechnet

Bei einem gleichartigen Versuch wurde die Mischung von 80% NOMEX-Fasern und 20% Nylon 6-Fasern durch eine Mischung von 80% NOMEX-Fasern und 20% unverzogenen Polyesterfasern ersetzt Die Kalandrierung wurde bei einem Druck von 1000 Pfund pro Zoll (= 178,6 kg pro cm) der Klemmlinie und Stahlwalzentemperaturen von etwa 205⁰C durchgeführt, um dem etwas niedrigeren Erweichungspunkt der Polyesterfasern Rechnung zu tragen.

Das kalandrierte Faservlies hatte eine Dicke von 2,5 Mil (= 0,064 mm) und ein Gewicht von 1,43 Unzen pro Quadratyard (=48,7 g/m²) und besaß eine absolute Zerreißfestigkeit von 13,9 Pfund (=631 kg) pro Zoll (= 2,54 crn) Breite in der Längsrichtung und 1,40 Pfund (= 0,64 kg) in der Querrichtung. Die genormten Zerreißfestigkeiten wurden mit 9,8 Pfund (= 4,44 kg) in der Längsrichtung und 0,99 Pfund (= 0,45 kg) in der Querrichtung errechnet Die Zerreißfestigkeit in der Querrichtung betrug demgemäß 0,4 Pfund (= 0,18 kg) pro Mil (= 0,025 mm) 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 171⁰C aufgeheizt. Das erzeugte Vlies hatte ein Gewicht von 0,77 Unzen pro Quadratyard (=29,2 g/m²) und war 3,0 Mil (=0,075 mm) dick. Die Zerreißfestigkeiten betrugen 14,3 Pfund (=6,49 kg) pro Zoll (= 2,54 cm) in der Längsrichtung und 0,79 Pfund (= 0,35 kg) in der Querrichtung. Die Zerreißfestigkeit in der Querrichtung betrug 0,26 Pfund (= 0,12 kg) pro Mil (= 0,025 mm) 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 (= 35,6 cm) von Faservliesen von repräsentativen 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.

Wenn ein Faservlies von 80% NOMEX-Fasern und 20% Fasern aus einem aus einem Copolymer zusammengesetzten Polyamid, das von der Firma Du Pont unter dem Handelsnamen QIANA in den Handel gebracht wird, auf diese Weise auf etwa 177° C erhitzt wurde, betrug die Schrumpfung 0,4% in der Längsrichtung und null in der Querrichtung. Ein Faservlies von vergleichbarem Gewicht, das aus 80% NOMEX-Fasern und 20% unverzogenen Polyesterfasern bestand, ergab, nachdem es unter den gleichen Bedingungen erhitzt worden war, eine Schrumpfung von 1,6% in der Bearbeitungsrichtung und null in der Querrichtung.

Bei der Prüfung von elektrischen Teilen auf ihre

Widerstandsfähigkeit gegen die Beanspruchung in der Praxis ist es jedoch allgemein üblich, die Teile Temperaturen von über 230 bis 29O⁰C auszusetzen und sie dann auf ihren Ausfall bei d°r verwendeten Spannung zu prüfen. Unter diesen Bedingungen wird jedoch die bezeichnete Überlegenheit der Faservliese gemäß der Erfindung augenscheinlich. Wenn der obige Versuch bei 240⁰C und bei 300° C wiederholt wurde, zeigte das NOMEX-Polyamidvlies eine Schrumpfung von 0,5% sowohl in der Längs- als auch in der Querrichtung bei 240° C und von 3,1% in der Längsrichtung und 2,4% in der Querrichtung bei 300⁰C Das verglichene NOMEX-Polyestervlies schrumpfte in der Längsrichtung um 13,5% und in der Querrichtung um 83% bei 240°C und erlitt einen nahezu vollständigen Verlust seiner Zerreißfestigkeit bei 300⁰C Darüber hinaus beulte sich das NOMEX-Polyestervlies aus und rollte sich zusammen, wenn es einer Temperatur von 300°C ausgesetzt wurde, während das NOMEX-Polyamidvlies glatt und eben blieb.

Zur weiteren Sichtbarmachung des überlegenen Verhaltens bei hohen Temperaturen wurde ein 80% NOMEX-/20% unverzogenes Polyester-Faservlies, das 1,1 Unze pro Quadratyard (= 37,2 g/m²) wog, und ein 80% NOMEX-/20% QIAMA-Faservlies, das eine Unze pro Quadratyard (=38,8 g/m²) wog, miteinander verglichen. Streifen von 1 Zoll (= 2,54 cm) Breite von jedem Vlies wurden in einem Ofen aufgehängt und mit einem Gewicht von 500 g belastet, das am unteren Rand des Streifens befestigt wurde. Die Temperatur des Ofens wurde sodann allmählich mit Schritten νυη 10° vergrößert. Das NOMEX-Polyester-Vlies brach bei 168° C, während das NOMEX-QIANA-Vlies bei 320° C der oberen Temperaturgrenze des Testes, noch nicht gebrochen war.

Die Stabilität des QIANA-gebundenen Faservlieses

Lei 320⁰C ist unerwartet im Hinblick auf die Tatsache, daß der Erweichungspunkt von QIANA-Fasern in der Literatur mit 230° und der Schmelzpunkt aiii 272° C angegeben wird, und auch im Hinblick darauf, daß die Faservliese, bei denen QIANA-Fasern als Bindefasern

ίο verwendet werden, durch Heißkalandern des NOMEX-

QIAN A-Faserbandes bei 248 bis 258° C erzeugt werden. Die Eigenschaften des Faservlieses gemäß der Erfindung sind im wesentlichen die gleichen, wenn die Bindefasern aus Nylon 6 (PoIycaprolactamX Nylon 66

ι s (ein Polyamid, das durch Kondensation von Hexamethylendiamin mit Adipinsäure) oder QLANA (das gemäß der Literatur ein Polyamid-Copolymer aus Dodecanidiosäure, Isophthalsäure und Methylen-bis-Cydohexyldiamin ist) bestehen. Alle diese Faservliese, die aus einem größeren Gewichtsanteil vor NOMEX-(Arainid-) Fasern bestehen, die durch einen kleineren Gewichtsanteil von Polyamidbindefasern gebunden sind, zeichnen sich durch eine hohe Querfestigkeit pro Längeneinheit der Dicke aus, eine Schrumpfung von weniger als 5% sowie durch eine Beibehaltung der Zerreißfestigkeit bei 260⁰C wie auch durch die Beibehaltung ihrer ebenen Beschaffenheit

Der Anteil der thermoplastischen Polyamidbindefasern in dem Faservlies liegt vorzugsweise zwischen 10

3d und 40 Gewichtsprozent und ist jeweils abhängig von der gewünschten Größe des Gewichts und der Zerreißfestigkeit des Faservlieses.

Claims

Patentansprüche:

1. Aus einem Faservlies bestehendes Trägermaterial für eine elektrische Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies nach s Gewichtsteilen überwiegend aus nicht schmelzbaren Aramidfasern besteht, die durch einen kleineren Gewichtsanteil bildende thermoplastische Polyamidfasern gebunden sind.

2. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Polyamidfasern in dem Faservlies einen Gewichtsanteil zwischen 10 und 40% haben.

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, Isophthalsäure und Methylen-bis-Cyclohexyldiamin bestehen.

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