DE2619491A1

DE2619491A1 - Polymerbeschichteter waermeisolierter elektrischer leiter und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE2619491A1
Application number: DE19762619491
Authority: DE
Inventors: John Alan Jukes; Philip Anthony Mcgettigan
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1975-05-05
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2310619A1; JPS51134886A; US4131690A; IT1059246B; NL7604586A; SE7605097L; GB1539392A; ES447588A1; US4142019A; SE430832B; FR2310619B1

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den JS,MAH^97fi N 2084

NORTHERN TELECOM LIMITED

16OO Dorchester Boulevard West

Montreal, Quebec, Canada

Polymerbeschichteter wärmeisolierter elektrischer Leiter und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung bezieht sich auf isolierte drahtförmige Leiter sowie auf die Herstellung derselben.

In Anbetracht der erheblichen Zunahme der Zahl der Fernsprechteilnehmer in Großstädten kommt es zu einer überfüllung der Verteilerstellen bzw. Verteilerkästen in den Schaltzentralen bzw. Fernsprechämtern, wobei die Erweiterungsmöglichkeiten begrenzt sind. Dieses Problem könnte gemildert werden, wenn der Durchmesser der in den Kästen angewandten Verbindungsdrähte bei gleichzeitiger Neukonzeption der Kästen verringert werden könnte. Zur Zeit verfügbare isolierte drahtförmige Leiter von geringerem Durchmesser werden jedoch den physikalischen und elektrischen Anforderungen nicht gerecht, zu denen gute Verbindungs-

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DR. G. MANITZ · D1PL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL-INO. W. G R A M IC O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7 2

TEL. <089> 22 42 II. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25, TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECK: MÜNCHEN 77Ο62 -

eigenschaften der umhüllten Drähte bei Lot- oder Klemmverbindung, gute Festigkeit in Längsrichtung, eine geringe Oberflächenreibung, geringe Federeigenschaften, gute Abstreifbarkeit und geringe Entflammbarkeit gehören zusammen mit einer möglichst geringen Abgabe von toxischen Gasen, einer guten Abrieb- und Schneidfestigkeit sowie Wärmeresistenz bei Kontakt mit Lötkolben.

Ziel der Erfindung sind daher isolierte Leiterdrähte von geringem Durchmesser, die für Verteilerkasten von Telefonschaltzentralen geeignet sind sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Drähte.

In der allgemeinsten Form besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung von isolierten Leitern mit geringem Durchmesser, das eine elektrostatische Abscheidung von pulverförmigem Polymermaterial auf einem mit einer Schicht von Wärmeisoliermaterial beschichteten Leiter, Erwärmung desselben von außen her zum Aufschmelzen des Polymermaterials unter Bildung einer äußeren Isolierschicht sowie die Abkühlung des polymerbeschichteten Leiters umfaßt.

Das Wärmeisoliermaterial wird vorzugsweise durch Holzfaserbrei bzw. technischen Zellstoff gebildet und das Polymermaterial durch Nylon (Polyamid). Ferner umfaßt das Verfahren vorzugsweise einen Verfahrensschritt der Beschichtung des drahtförmigen Leiters mit dem Wärmeisoliermaterial.

Der auf diese Weise erhältliche isolierte elektrische Leiter gemäß der Erfindung umfaßt einen (elektrischleitenden) Kern, eine innere Wärmeisoliermaterialbeschichtung auf dem Kern und eine äußere Beschichtung oder Hülle von verschmolzenem Polymermaterial. Wärmeisoliermaterial und Polymermaterial sind wiederum vorzugsweise technischer Zellstoff und Nylon.

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AusfUhrungsbeispiele für die Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen schematisch:

Fig. 1 ' ein Fließbild für eine Anlage zur Herstellung eines isolierten Leiters;

Fig. 2 den Querschnitt eines in der Anlage gemäß Fig. 1 erzeugten isolierten Leiters;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Ofen in Richtung der Schnittlinie 3-3 von Fig. 1;.

Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer weiteren Produktionsanlage in Fließbilddarstellung wie bei Fig. 1;

Fig. 5 den Querschnitt eines in einer Anlage gemäß Fig. 4 erzeugten isolierten Leiters und

Fig. 6 einen Schnitt durch den in Fig. 4 gezeigten Ofen längs der Linie 6-6 von Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 wird ein fortlaufender Strang eines blanken elektrischleitenden Drahtes 10 (mit echematischem Querschnitt A) von einer Vorratsspule 12 abgewickelt und in einen Faserbreitrog 14 geführt, wo er um eine Trommel bzw. Zylinderform 16 läuft, die teilweise in die Faserbreiflüssigkeit 18 eintaucht. Der aus dem Trog 14 kommende Draht ist in eine bandförmige Beschichtung 20 aus Faserbrei-Isoliermasse eingebettet, wie durch den schematischen Querschnitt B angedeutet ist. Der so beschichtete Draht 10 läuft durch einen Glättstock 22 zwischen Elementen oder Schuhen hindurch, die vom Motor 26 zu einer ⁿKoaxialrotation¹¹ angetritben werden, wodurch die Seitenteile der bandförmigen Beschichtung 20 um den Draht herum_gefaltet werden unter Aus-

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bildung einer ringförmigen Isoliermassehülle 28. Der faserbrei-isolierte Drahtstrang 30 hat dann einen Querschnitt C.

Vom Glättstock 22 her gelangt der faserbrei-isolierte Draht 30 in Längsrichtung durch einen Trockenofen 31 und von dort in eine Elektrostatikkammer 32, in welcher er kontinuierlich durch eine Wolke von elektrischgeladenen Teilchen 34 von Polymermaterial bewegt wird. Der über die Vorratsspule 12 geerdete Draht 10 zieht Teilchen 34 an, die elektrostatisch an der Isolation 28 des Stranges 30 haften. In der Elektrostatikkammer 32 befindet sich eine Wirbelschicht 36 von Teilchen 34, die durch einen Vibrator 38 in Bewegung versetzt werden. Die Teilchen 34 werden von einem durch Pfeile 39 angedeuteten Luftstrom aufwärts-.bewegt, der durch Passieren einer auf einem geeigneten Gleichspannungspotential gehaltenen Hochspannungselektrode 40 ionisiert und dann durch eine poröse Platte 42 unter der Wirbelschicht 36 geschickt wird. Eine für diese Zwecke geeignete Elektrostatikkammer 32 wird von Electrostatic Equipment Corporation, New Haven, U.S.A. als Modell 400B vertrieben.

Die Stärke der am Strang 30 haftenden Beschichtung aus geladenen Teilchen 34 wird durch eine Anzahl von Parametern beherrscht, zu denen das Potential der Aufladungselektrode 40, die Geschwindigkeit des durch die Kammer 32 bewegten Stranges 30, die Länge der Kammer, die Lage des Stranges relativ zur Wirbelschicht 36 bzw. Platte 42 und die Eigenart der Teilchen selbst,wie beispielsweise ihre Größe und die Dielektrizitätskonstante des angewandten Materials, gehören. Durch die Isolation 28 aus Fasermasse auf dem Strang 30 wird die Anziehung der Teilchen 34 durch den Strang nicht verhindert, Jedoch beeinflußt die Stärke der Isolation die Aufschichtung der Teilchen in dem Sinne, daß stärkere Teil-

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chenaufSchichtungen dort verursacht werden, wo die Isolation dünner ist, so daß eine Tendenz in Richtung auf einen einheitlicheren Außendurchmesser des Stranges "besteht. Die resultierende sanfte Wellung vermindert in der Tat den Reibungskoeffizienten gegenüber einer entsprechenden ebenen Oberfläche oder einer stärker gewellten Oberfläche. Ferner kommt es mit zunehmender Anhäufung von Teilchen 34 auf dem Strang 30 zur Ausbildung stärkerer Rückstoßkräfte gegenüber weiteren zusätzlichen Teilchen, so daß die Aufschichtungsstärke der Teilchen einer Selbstbegrenzung unterliegt. Neben der Stärke der Isolation 28 ist ihre durch Feuchtigkeitsgehalt und Dichte beeinflußte Dielektrizitätskonstante ein zusätzlicher Parameter, der die Aufschichtung der Teilchen 34 auf dem Strang 30 bestimmt. Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Polymermaterialien sind Nylon (Polyamid), Polypropylen, Polyurethan und HALAR (letzteres basiert auf Äthylen-Chlortrifluoräthylen und wird von Allied Chemical Corporation vertrieben).

Der Strang 30 mit anhaftenden Teilchen 34 gelangt nach Verlassen der Elektrostatikkammer 32 in einen Heizofen 50, wo er fortlaufend zwischen einem Paar von Prallplatten 51 hindurchläuft, die vor Wärmestrahlungselementen 52 zum Aufschmelzen der Polymermaterialteilchen und zur Härtung der geschmolzenen Teilchen montiert sind; auf diese Weise entsteht eine zweite Isolierschicht 54 unter Bildung eines drahtförmigen Leiters 56,wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, hat der Heizofen 50 drei Stufen bzw. Bereiche. Die Gestaltung des Ofens 50 wird durch das die Teilchen bildende spezielle Polymermaterial, die Durchlaufgeschwindigkeit des Stranges 30 und die Länge des Ofens bestimmt. Der Heizprozeß muß derart sein, daß die Teilchen 34 vollständig miteinander verschmelzen unter Bildung einer glatten Oberfläche und Elimenierung jeglicher Nadellöcher sowie Blasen von eingefangener Luftj jedoch soll die Viskosität nicht derart verändert werden, daß es zu einem Herabfließen

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des Polymermaterials unter Bildung einer Schicht mit ovalem oder tropfenförmigem Querschnitt oder zu einer Zersetzung des Polymeren kommt.

Nach dem Austritt aus dem Ofen 50 wird der drahtförmige Leiter 56 durch ein Kühlbad 60 geschickt, wo er abgeschreckt bzw. abgekühlt wird. Die Geschwindigkeit, mit der das Polymermaterial abgekühlt wird, kann die Qualität der Schicht 54 beeinflussen; so werden beispielsweise im Falle von Nylon bei einer raschen Abkühlung kleinere Kristalle gebildet, wodurch die Schicht 54 flexibler wird, während eine langsamere Abkühlung zu größeren Kristallen führt, die die Schicht 54 abriebfester machen.

Nach Durchgang durch das Kühlbad 60 läuft der fertige Leiterdraht 56 über eine Spillwinde 70,und er wird dann auf eine Aufnahmespule 72 für den Versand aufgewickelt.

Es darf daraufhingewiesen werden, daß Versuche, Polymermaterial wie Nylon über Wärmeisolationsmaterial wie Fasermaterial zu extrudieren, wegen der Schwierigkeiten bezüglich der Erzielung einer dünnen, lochfreien und gleichmäßigen Beschichtung mit Polymermaterial keine befriedigenden Ergebnisse liefern.

Obgleich Holzfasermasse bzw. Holzschliff (wood pulp) bevorzugt zur Bildung der wärmeisolierenden Schicht 28 benutzt wird, können auch andere geeignete Materialien,wie Papier, angewandt werden.

Bei einem speziellen Beispiel zur Herstellung eines isolierten Leiters gemäß der Erfindung wurde Kupferdraht zur Bildung eines Leiters 56 mit einer inneren Schicht von Holzfasermasse sowie einer Außenschicht aus Nylon beschichtet. Ein Draht 10 aus "22 Gauge" verzinntem Kupfer mit 25 % mini-

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maler Dehnung und einem mittleren Durchmesser von 0,642 mm wurde von der Spule 12 herkommend durch den Trog 14 mit Holzfaserbrei sowie durch den Glättstock 22 geschickt, wobei eine Schicht 28 mit einer Stärke von etwa 0,114 mm aufgebracht wurde unter Bildung eines Stranges 30 mit einem Außendurchmesser von 0,863 mm. Danach wurde der Strang durch die Elektrostatikkammer, und zwar speziell das oben erwähnte Modell 400B der Electrostatic Equipment Corporation geleitet, die mit hellem Nylonpulver von einer mittleren Korngröße im Bereich von 60 bis 80 μ bei einer maximalen Größe von 100 /U beschickt wurde. Ein solches Nylonpulver wird von den Chemischen Werken Hüls AG unter der Bezeichnung HÜLS Nylon 12 Pulver X1891 vertrieben. Dabei wurde ein Pulverruhepegel von 2,54-3,81 cm aufrechterhalten und der Strang 30 mit etwa 18,3 m/min etwa 2,54 cm über und parallel zu dem Pulverpegel bewegt. Ein Strom trockener Luft von 35,2 g/ cm (0.5 psi) wurde nach Aufladung bei 40 kV in die Wirbelschicht aus Nylonpulver geschickt, wobei die Einheit mit 50 % des Maximalwertes in Vibration versetzt wurde. Der aus der Kammer 32 herauskommende Strang 30 wurde durch einen Ofen 50 von 4,57 m Länge geschickt, der in drei gleiche Stufen (mit "Calrod"-Heizelementen 52) mit Temperaturen von 315,6⁰C, 260⁰C und 26O⁰C (in der genannten Reihenfolge) unterteilt war. Der aus dem Ofen 50 austretende Leiter 56 wurde in das etwa 38,1 cm vom Ofenausgang entfernte Kühlbad 60 mit einem Trog von etwa 38,1 cm Länge mit fließendem Wasser von einer Temperatur von etwa 1,7°C geleitet. Der endgültige Außendurchmesser des Leiters 56 lag bei 1,093 mm.

Vorzugsweise wird der Leiter flammverzögernd gemacht, was durch Zumischen eines geeigneten flammverzögernden Mittels in granulärer Form zu den Polymermaterialteilchen erreicht werden kann. Die Pulverform des zuzumisehenden Mittels muß dabei die richtige Teilchengröße und -dichte für

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eine ordentliche Vermischung mit dem Polymerpulver haben. Um jedoch einen solchen flammverzögernden Leiter zu erzeugen, müssen zwei Polymermaterialschichten aufgebracht werden, um die geforderten Eigenschaften von Dehnung und Abriebfestigkeit zu erzielen. Die Flammverzögerungseigenschaften werden durch die Stärke und Zusammensetzung der inneren Polymermaterialschicht kontrolliert, während die Eigenschaften der Dehnung und Abriebfestigkeit durch die Stärke und thermische Behandlung der äußeren Polymermaterialschicht kontrolliert werden. Wie in den Figuren 4 bis 6 gezeigt wird, werden für die Herstellung solcher Leiter eine zusätzliche Elektrostatikkammer 80 und ein zusätzlicher Heizofen 82 in die Produktionsanlage gemäß Fig. 1 zwischen den Ofen 31 und die Elektrostatikkammer 32 eingefügt. Der aus dem Ofen 31 austretende fasermaterialisolierte Drahtstrang 30 läuft dann durch die Elektrostatikkammer 80 vom gleichen Typ wie die Kammer 32, die mit einer Mischung von gepulvertem flammverzögernden Mittel und gepulvertem Polymermaterial beschickt wird. Der aus der Kammer 80 kommende Strang 30 gelangt dann in den Ofen 82, in dem die Schicht der anhaftenden Teilchen unter Bildung einer Zwischenschicht 84 aus flammverzögerndem Polymermaterial,wie in Fig. 5 gezeigt ist, geschmolzen wird. Wie Fig. 6 zeigt, kann der Ofen 82 Quarzheizelemente aufweisen. Der Strang gelangt vom Ofen 82 in die .Elektrostatikkammer 32 und wird dann weiterbehandelt,wie an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde, d.h. unter Bildung einer Aussenschicht 86 von Polymermaterial,wie in Fig. 5 angedeutet ist, wobei das flammverzögernde Mittel etwas von der Zwischenschicht 84 in die Außenschicht 86 diffundiert.

Bei einem speziellen Beispiel für die Herstellung eines flammverzögernden Leiters wurde ein fasermaterialisolierter Drahtstrang 30 zunächst mit einer trockengemischten Teilchenmischung von 12 Gew.% FR-300-BA (Decabromdiphenyloxid von Dow Chemical Company), 6 Gew.% Antimonoxid, 0,4 Gew.% Pigment und 81,6 Gew,% Nylon in etwa 50 μ Dicke elektrosta-

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tisch beschichtet. Nach Schmelzen der ersten Beschichtung durch Hindurchleiten des Stranges durch den Ofen 82 wurde eine zweite Beschichtung mit hellem bzw. klarem Nylon in etwa 63,5 μ Stärke elektrostatisch aufgetragen, die durch Hindurchleiten des Stranges durch den Ofen 50 geschmolzen wurde.

Da im Handel erhältliche flammverzögernde Mittel üblicherweise weiße Pulver sind, müßte pigmentiertes Polymermaterial benutzt werden, wenn speziell gefärbte Leiter gefordert werden, da eine gefärbte Isolierschicht 28 nicht durch die äußere Verbundschicht hindurchscheinen würde.

Es ist klar, daß die Auftragung der inneren Schicht aus wärmeisolierendem Material nicht verfahrensmäßig mit der elektrostatischen Aufbringung der Außenschicht 54 aus Polymermaterial gekoppelt werden muß, sondern der Strang kann vielmehr auf einer Aufnahmespule für eine spätere Verwendung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert werden.

Das gemäß der Erfindung angewandte Polymermaterial kann ein reines Polymeres oder ein Polymeres mit einem geeigneten Zusatz oder geeigneten Zusätzen sein.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines isolierten elektrischen eiters, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte :

elektrostatische bzw. Elektroabscheidung von pulverförmigem Polymermaterial auf dem mit einer Schicht
von wärmeresistentem Material beschichteten drahtförmigen Leiter;

Zuführung von Wärme von außen her zum Leiter zur
Verschmelzung des Polymermaterials unter Bildung einer äußeren Isolationsschicht und

Abkühlung des polymerbeschichteten Leiters.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den
weiteren Verfahrensschritt der Beschichtung des drahtförmigen Leiters mit dem wärmebeständigen Material vor der
Elektroabscheidung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial durch Nylon (Polyamid), vorzugsweise durch Nylonpulver mit einer Teilchengröße im Bereich von 60 bis 100 ^u gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende bzw. wärmeresistente Material durch Holzfasermasse bzw. HoIz-

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schliff gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung von Wärme zum polymerbeschichteten Leiter in mehreren Stufen schrittweise niedrigerer Temperaturen von vorzugsweise 315,6⁰C und 260⁰C erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Leiters durch Abschrecken bzw. direkte Flüssigkeitskühlung, vorzugsweise in Wasser mit einer Temperatur im Bereich von 0,6 bis 2,8⁰C erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Elektroabscheidung einer Mischung von pulverförmigem flammverzögernden Material und pulverförmiger! Polymermaterial auf dem mit einer Schicht von wärmeresistentern Material beschichteten drahtförmigen Leiter und Wärmezufuhr zum Leiter von außen her zur Verschmelzung der Mischung unter Bildung einer Isolierzwischenschicht, wobei die Mischung von Polymermaterial und flammverzögerndem Material vorzugsweise aus 12 Gew.% Decabromdiphenyloxid, 6 Gew.% Antimonoxid und 81,6 Gew.% Nylon sowie 0,4 Gew.% Pigment zusammengesetzt ist.
8. Isolierter elektrischer Leiter mit einem umhüllten leitenden Kern, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle eine innere Schicht von wärmeresistentem Material auf dem Kern und eine Außenschicht von verschmolzenem Polymermaterial umfaßt.

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9. Leiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das wärmeresistente Material durch Holzfasermasse bzw.
Holzschliff gebildet wird.
10. Leiter nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial durch Nylon gebildet wird.
11. Leiter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht aus einer verschmolzenen Mischung von flammverzögerndem Material und Polymermaterial über der wärmeresistenten Schicht, wobei die Zwischenschicht vorzugsweise pigmentiert ist.

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