DE2638763A1 - Verfahren zur herstellung von wickeldraehten durch extrusion von thermoplasten - Google Patents

Verfahren zur herstellung von wickeldraehten durch extrusion von thermoplasten

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Description

-.fn (f.
Maillefer S.A. 1024 Ecublens / Schweiz
Route du Bois
Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten
Lackisolierte Wickeldrähte, sogenannte Lackdrähte, kommen in grossem Umfange im Elektromaschinenbau, Transformatorenbau und in der Elektronik zum Einsatz.
Das Leitermetall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, ist mit einer dünnen, jedoch mechanisch und thermisch äusserst widerstandsfähigen Kunstharzlackschicht isoliert.
Die Herstellung derartiger Lackdrähte erfolgt auf sogen. Drahtlackiermaschinen durch mehrfaches kontinuierliches Auftragen eines Drahtlackes, d.h. im Prinzip der Lösung eines organischen. Kunstharzes in einem Lösemittel, auf den Metalldraht. Um einen glatten, blasen- und lösungsmittelfreien Lackfilm zu erzielen, muss die Anzahl der Lackaufträge soweit wie möglich erhöht und dabei die Schichtstärke des Einzelauftrages dünn gehalten werden,
Im allgemeinen werden 6-10 Einzelaufträge getätigt; die er-
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forderlichen Schichtstärken sind dabei sehr stark durchmesserabhä,ngig. Für einfach. Cl L) isolierte Kupferrunddrähte von 1 mm Durchmesser ist nach DIN 46435 beispielsweise eine Isolierschicht von 15-34 μ vorgesehen.
Der jedem Lackauftrag nachfolgende Einbrennprozess bewirkt ein Verdampfen der Lösemittel und die Härtung des Lackfilms. Die anfallenden Lösemitteldämpfe werden durch einen Ventilator aus der Einbrennkammer entfernt.
Die Einbrenntemperatur liegt bei diesem. Prozess zwischen 300 und 550° C und ist abhängig von der Lackbasis, dem Drahtdurchmesser, der Kammerlänge und der Abzugsgeschwindigkeit.
Lacklösungen gemäss dem Stand der Technik enthalten Festkörpergehalte im Bereich von ca. 20 bis ca. 40 %, d.h. der Anteil an zu verdampfenden Lösemitteln beträgt 6 0-80 %. Bei Erhöhung des Festkörpergehaltes resultieren verarbeitungstechnisch ungünstige, weil zu hochviskose Lacklösungen. .
Als Lösemittel für die gängigen Drahtlacke kommen wegen ihrer grossen Lösekraft, ihres verlauffördernden hohen Siedebereiches und nicht zuletzt wegen Ihrer Preiswürdigkeit vorzugsweise die aus Stein- oder Braunkohlenteer gewonnenen isomeren Kresol- und Xylenolgemische im Verschnitt mit aromatischen Kohlenwasserstoffen .zum Einsatz; bei einigen speziellen Drahtlacken werden auch N-Methylpyrrolidon und Dimethylformamid verwendet.
Der oben skizzierte Stand der Technik bei der Herstellung lackisolierter Wickeldrähte muss ganz offensichtlich als unbefriedigend bezeichnet werden.
Das Aufbringen einer Vielzahl von sehr dünnen Einzelaufträgen erfordert einen hohen technischen Aufwand* und muss sich negativ
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auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirken.
Die zwecks Erzielung optimaler Lackdrahteigenschaften unbedingt notwendige vollständige Entfernung der Lösemittel aus dem Reaktionsraum ist nur unter hohem Energieaufwand möglich.
Der parallel hierzu ablaufende Härtungsprozess - bei den meisten Drahtlackharzen eine unter Abspaltung flüchtiger Kondensationsprodukte stattfindende Vernetzung - erfordert infolge der Notwendigkeit, wirtschaftlich vertretbare Abzugsgeschwindigkeiten zu erreichen, ebenfalls grosse Energiemengen.
Trotz dieses beträchtlichen Aufwandes sind die auf gängigen Maschinen erzielbaren Abzugsgeschwindigkeiten - beispielsweise bei 1 mm Kupferdrähten 25 m/min - vergleichsweise gering.
Die Gefährlichkeit der in Drahtlacken verwendeten kresolischen und sonstigen Lösungsmittel bei Berührung mit der Haut und bei Einatmung der Dämpfe wird durch folgende Daten für die vorzugsweise verwendeten Kresole und Xylenole dokumentiert:
Maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) It. Kommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe, 1975 : 5 ppm. Verordnung über gefährliche Arbeitsstoffe vom 8.9.1975 : Klasse I b,
d.h. giftig und mit Totenkopf zu kennzeichnen auch in Abmischungen mit anderen Lösungsmitteln bis auf einen Kresol- bzw. Xylenol-Gehalt von 1 %.
Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) vom 28.8.74 :
Klasse I, d.h. die max. erlaubte Emission von Kresolen bzw. XyIe-
20 mg/m3 Abluft.
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nolen beträgt lediglich 20 mg/m Abluft.
Zur Erfüllung der behördlichen Vorschriften, d.h· zur Vermeidung von Gesundheitsgefährdungen sind also aufwendige Sicherheit svorkehrungen notwendig.
Bei den dem üblichen Stand der Technik entsprechenden Lackdrahtmaschinen werden die Lösemitteldämpfe wie erwähnt durch einen Ventilator aus der Einbrennkammer entfernt. Die Installation von Verbrennungskatalysatoren, durch welche ein Grossteil der aus der Einbrennkammer anfallenden Lösemitteldämpfe vernichtet wird, führt zu einer beträchtlichen finanziellen Belastung und damit zu Verteuerung des Endproduktes.
Die Tatsache, dass die Verbrennungsgase in modernen Katalytik-Umluftöfen zur Vorwärmung ausgenutzt werden, deckt zwar einen Teil, aber keineswegs die gesamten, durch die Verwendung von Lösungsmitteln, auch durch deren Lagerung und Transport, zusätzlich entstehende Kosten.
Zudem ist anzunehmen, dass die störungsanfälligen und die obgenannten behördlichen Vorschriften nur bei optimaler Wartung erfüllenden katalytischen Nachverbrennungsanlagen im Laufe der Zeit durch wirksamere aber auch noch wesentlich aufwendigere thermische Nachverbrennungsanlagen ersetzt werden müssen.
Zur Ueberwindung der aus der Verwendung von Lösungsmitteln resultierenden Schwierigkeiten wurde bereits der Vorschlag gemacht, wässrige Systeme zum Einsatz zu bringen.
Sowohl die Verwendung von Drahtlack-Dispersionen (siehe z.B. OS 2351078) als auch die von in Wasser gelösten Drahtlackharzen ( OS 1720321) beinhalten jedoch die Problematik der äusserst energieaufwendigen Verdampfung grosser Wassermengen, deren vollständige Entfernung zum Erhalt einer funktionsfähigen Lackdrahtisolation zwingend notwendig ist.
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Zudem werden die oben geschilderten Umweltprobleme durch, die bei wässrigen Systemen bekanntlich bestehende Notwendigkeit der Modifizierung mit wechselnden Mengen organischer Hilfsmittel, wie z.B. hochsiedenden, als Verlaufsmittel fungierenden Lösungsmitteln, Dispergier- und gegebenenfalls Verdickungsmitteln sowie vor allem durch organische, die Wasserlöslichkeit vermittelnde Amine allenfalls abgemildert.
Vorgeschlagen worden ist weiterhin ein Verfahren zur Isolierung von elektrischen Leitern mit Harzschmelzen, speziell von härtbaren Polyesterimiden (DOS 2135157 + 2401027).
Die Verarbeitung von Schmelzen derart reaktiver Harze bei den zur Diskussion stehenden Temperaturen ist jedoch problematisch im Hinblick auf deren Lagerfähigkeit.
Die nach diesem Verfahren erreichbaren Abzugsgeschwindigkeiten sind ausserdem keinesfalls höher, vorzugsweise sogar erheblich niedriger als die konventioneller Lacke.
Es wurde nun ein neues und vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von sogenannten lackisolierten Wickeldrähten entwickelt, welches die Extrusion von Thermoplasten beinhaltet.
Das neue Verfahren zur Herstellung von isolierten Wickeldrähten ist dadurch gekennzeichnet, dass teilkristalline thermoplastische Polykondensate mit Kristallitschmelzpunkten oberhalb 170° C, vorzugsweise oberhalb 250° C, zum Einsatz kommen.
Mit diesem neuen Verfahren werden sämtliche Nachteile, die - wie oben beschrieben - den bekannten Stand der Technik eindeutig belasten, überwunden :
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1. Da die erfindungsgemäss zur Anwendung kommenden teilkristallinen Thermoplasten keinerlei Lösemittel oder sonstige toxische Substanzen enthalten, entfallen die aufwendigen Verbrennungsvorrichtungen und sonstigen zur Vermeidung von Gesundheitsgefährdungen erforderlichen Massnahmen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist also eindeutig umweltfreundlicher als die bisher angewendeten Verfahren. Dies bezieht sich auch auf die infolge des Wegfalles von Lösungsmittelverdampfung eintretende Energieeinsparung, die ausserdem entscheidend zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens beiträgt.
2. Die laut DIN 46435 vorgesehene Isolierschicht kann in einem Arbeitsgang aufgebracht werden. Vorteilhafterv/eise gilt dies auch für doppelt (2 L)-isolierte Drähte, bei denen nach DIN 46435 für Kupferrunddrähte von 1 mm Durchmesser beispielsweise eine Isolierschicht von 30-47 p. vorgesehen ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist also diesbezüglich gegenüber den bisher angewendeten Verfahren (6-10 Durchzüge) eindeutig bevorzugt.
3. Da erfindungsgemäss Thermoplaste zum Einsatz kommen, entfällt die bei den bisher angewendeten Verfahren notwendige Härtungsreaktion, was wiederum eine beträchtliche Energieeinsparung zur Folge hat.
4. Als Konsequenz aus allen vorgenannten Punkten ergibt sich eine eindeutige und entscheidende Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit, .und damit der Wirtschaftlichkeit bei der Beschichtung von Leiterdrähten.
Bei 1 mm Cu-Drähten sind - wie unten im einzelnen beschrieben - beispielsweise Geschwindigkeiten von 500 m/min durchaus praktikabel; gegenüber dem herkömmlichen Verfahren lässt sich also die Geschwindigkeit problemlos auf
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den Faktor 20 erhöhen.
Bisher findet die Extrusion von Thermoplasten ausschliesslich Anwendung in der Kabelindustrie zur dickwandigen Ummantelung elektrischer Leiterbündel sowie zur Herstellung von Leitungsdrähten.
Einem Verfahren zur Herstellung lackisolierter Wickeldrähte durch Extrusion von Thermoplasten stand bisher das Vorurteil entgegen, die Erzielung derart dünner Isolierschichten wie sie laut DIN 46435 gefordert werden, sei nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung leistet einen entscheidenden Beitrag zur üeberwindung dieses· Vorurteils.
Wie aus den Beispielen im einzelnen ersichtlich, ermöglicht dieses neue Verfahren die Herstellung qualitativ einwandfreier Wickeldrähte bei entscheidend verbesserter Wirtschaftlichkeit. Bezüglich der verwendeten Extrusionsvorrichtung wird auf die Anmeldung "Extrusionsanlagen zur Fertigen von Wickeldrähten" vom gleichen Tage verwiesen. (CH 8446/76)
Erfindungsgemäss kommen als Thermoplaste solche mit teilkristalliner Struktur zum Einsatz, deren Kristallitschmelzpunkte oberhalb 170° C vorzugsweise oberhalb 250° C liegen.
Beispiele für derartige Thermoplasten sind :
1. Höhermolekulare lineare Polyester aus aromatischen Dicarbonsäuren und unverzweigten diprimären aliphatischen Diolen, wie z.B.
Polyäthylenterephtalat Polybutylenterephthalat Polyhexylenterephthalat
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- -ar 3
hergestellt aus Terephthalsäure bzw. Dimethylterephthalat bzw- 2,6-Naphthalindicarbonsäure und Athylenglykol, Butandiol-1,4 bzw. Hexandiol-1,6.
2. Sogen. Polyarylester, d.h. gleichfalls lineare Polyester aus aromatischen Dicarbonsäuren, vorzugsweise Terephthalsäure^ Terephthalsäurediphenylestern, bzw. Terephthalsäuredichloriden und Diphenolen vorzugsweise ohne aliphatische Substituenten oder Kettensegmente oder aus entsprechenden Oxycarbonsäuren, z.B. Poly-(p-hydroxybenzoate)-
3. Höhermolekulare lineare aliphatische Polyamide aus unverzweigten aliphatis.chen Dicarbonsäuren und unverzweigten aliphatischen diprimären Diaminen, wie z.B.
6, 6-Polyamid (Adipinsäure, Hexamethylendiamin) 6,10-Polyamid (Sebacinsäure, Hexamethylendiamin).
4. Höhermolekulare lineare aliphatische Polyamide aus Lactamen,
z.B.
6- Polyamid (Polycaprolactam)
12- Polyamid (Polylaurinlactam)
5. Höhermolekulare lineare aliphatische Polyamide aus
α ,ω-Aminocarbonsäuren, z.B.
Polyamid 11 (Poly- ω -aminoundecansäureamid).
6. a) Höhermolekulare lineare araliphatisch^ Polyamide aus
aromatischen Dicarbonsäuren bzw. deren funktioneilen Derivaten und unverzweigten aliphatischen diprimären Diaminen bzw. entsprechenden aliphatischen Dicarbonsäuren und aromatischen Diaminen,
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ΊΟ
z.B. Polyamide aus Terephthalsäure und Hexamethylendiamin (1,6)
Terephthalsäure und Aethylendiamin
Terephthalsäure und Nonamethylendiamin Terephthalsäure und Decamethylendiamin Adipinsäure und p-Phenylendiamin
7. Sogenannte Aramide, also Polyamide aus aromatischen Dicarbonsäuren bzw. deren funktioneilen Derivaten und aromatischen Diaminen
z.B.
aus Terephthalsäure und p-Phenylendiamin, Isophthalsäure und m-Phenylendiamin.
8. Schwefelpolymere
wie z.B. Polyphenylensulfid.
Selbstverständlich kommen nur solche hochschmelzenden Polymeren zum Einsatz, die ohne wesentliche Zersetzung erweichen bzw. schmelzen.
Es widerspricht dem erfindungsgemässen Verfahren durchaus nicht, im Falle sehr hochschmelzender Thermoplasten eine Auflockerung des kristallinen Gefüges und damit eine Herabsetzung des Schmelzpunktes durch Cokondensation mit Monomeren anderer Struktur durchzuführen, beispielsweise können bei der Herstellung sehr hochschmelzender reiner Polyarylester Ausgangsstoffe mit aliphatischen Strukturelementen mitverwendet werden. Auch kann beispielsweise bei sehr hochschmelzenden oder nicht ohne Zersetzung schmelzenden araliphatischen Polyamiden ein Teil der unverzweigten aliphatischen diprimären Diamine durch Diamine mit Seitengruppen, z.B. ein Teil des Hexamethylendiamin-(1,6) durch Trimethyihexamethylendiamin oder ein Teil der aromatischen durch aliphatische Dicarbonsäuren ersetzt werden.
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- Kr -
Diese Modifizierungsmöglichkeit ist sinngemäss auf alle vorerwähnten Stoffgruppen anwendbar. Selbstverständlich können zu hochschmelzende Polymere zwecks Herabsetzung des Schmelzpunktes auch mit mehr oder weniger grossen Mengen niedrig schmelzender Thermoplasten abgemischt werden, z.B. das Polyamid aus Terephthalsäure und Hexamethylendiamin mit einem solchen aus Terephthalsäure und Trimethy!hexamethylendiamin, jedoch kommen auch Harze anderer Struktur in Frage sofern sie mit den vorgenannten verträglich sind.
Weiterhin kann es sinnvoll sein, obgenannte Thermoplasten zwecks Erzielung bestimmter Effekte geringe Mengen sonstiger Stoffe, vorzugsweise Hilfsstoffe7 zuzumischen.
Beispielsweise kann in einigen Fällen die Mitverwendung verlaufsverbessernder Harze, z.B. Siliconharze, sinnvoll sein.
Da in der Praxis gelegentlich farbige Lackdrähte zum Einsatz kommen, kann auch die Mitverwendung von Farbstoffen bzw. Pigmenten angezeigt sein.
In den folgenden Beispielen werden die Verarbeitungsbedingungen für einige teilkristalline Thermoplasten sowie die Eigenschaften der gefertigten Wickeldrähte bei Benutzung der in der Parallelanmeldung beschriebenen Fertigungseinrichtung genannt.
Zur Erläuterung werden noch folgende Angaben gemacht :
In allen Fällen wurden weichgeglühte Kupferrunddrähte von 1 mm Durchmesser eingesetzt (Beispiel 3:0,6 mm Durchmesser).
Die angegebenen Extrudertemperatüren beziehen sich jeweils auf die Strecke vom Einlauf bis zur Düse (die drei letzten
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- Jrft -
ac O O 7 C *2
Temperaturangaben gelten für das Düsensystem).
Die aufgetragenen Schichtstärken entsprechen i.a. doppelt lackisolierten Drähten (.2 L), die nach konventionellen Verfahren gefertigt besonders kritisch bzgl. Oberflächenbeschaffenheit sind.
Die unter Eigenschaften der Wickeldrähte angegebenen Begriffe "Erweichungstemperatur, Härte und Haftung und Dehnbarkeit beim Verdrillen (Peel Test)" sind definiert in DIN 46453 Blatt 1.
Beispiel 1
Beschichtungsmaterial : Polyäthylenterephthalat (PETP) K-Wert 61 (Eta rel. 1,459)
Schmelzpunkt : DTA 256° C
Verarbeitungsbedingungen
Extrusionstemperatur: 200/ 240/ 270/ 280/ 290/315/ 320° C Abzugsgeschwindigkeit: 20 - 400 m/min Schichtstärke: 32 - 50 μ
Eigenschaften der Wickeldrähte
Härte: 1 bis 2 H
Erweichungstemperatur: 225 - 245° C Peel Test: 190 - 260 UpM
Oberfläche: glatt, weitgehend blasen und verlauf-
störungsfrei
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Beispiel 2
Beschlchtungsmaterial: 6,6-Polyamid
Ultramid A 4 H, BASF Schmelztemperatur 255° C
Verarbeitungsbedingungen
Extrudertemperaturen: 240/ 260/ 280/ 290/
290/ 290° C
Abzugsgeschwindigkeit: 25 - 320 m/min Schichtstärke: 34 - 40 p. Eigenschaften der Wickeldrähte:
Härte 1 H - 3 H
Erweichungstemperatur: 205 - 215° C Peel test 100 - 225 UpM
Oberfläche: Glatt- weitgehend blasen- und
verlaufstörungsfrei.
Beispiel 3:
Beschichtungsmaterial: Polyphenylensulfid (Ryton-Phlipss Petroleum)
Schmelztemperatur (DTA) 2800C
Verarbe itungsbedingungen
Extrudertemperaturen: 240/ 270/ 295/ 315/ 320° c.
Abzugsgeschwindigkeit: 50 - 500 m/min
Schichtstärke: 20 - 25 μ
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AH
Eigenschaften der Wickeldrähte:
Härte H. bis IK
Erweichungstemperatur: 260° C Peel test 100 - 200 UpM
Oberfläche: Glatt, blasen- und verlaufstörungsfrei Durchschlagsspannung: 11,5 kW.
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Claims (1)

  1. PATENANSPRUCK £ Q 4 M / U 4
    Verfahren zur Herstellung von sogenannten lackisolierten Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten, dadurch gekennzeichnet, dass teilkristalline thermoplastische Polykondensate mit Kristallitschmelzpunkten oberhalb 17 0° C, vorzugsweise oberhalb 250° C, zum Einsatz kommen.
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