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Dauerelastischer dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung
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elektrischer Felder, sowie seine Verwendung in Feldsteuerungselementen
Die Erfindung betrifft einen dauerelastischen dielektrischen Werkstoff zur Beeinflussung
elektrischer Felder in Starkstrom-und Hochspannungsanlagen, enthaltend ein dielektrisches
dauerelastisches Ausgangsmaterial, insbesondere auf Basis von Silikonkautschuk oder
Polyäthylen oder EPDM (Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat), mit einem die relative
Dielektrizitätszahl erhöhenden Gehalt eines fein verteilten Wirkmaterials.
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Eine Darstellung des allgemeinen Standes der Technik bezüglich Feldsteuerung
findet sich z.B. in der DE-OS 28 21 017.
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Werkstoffe der oben angegebenen Art sind beispielsweise aus der US-PS
4,053,702 bekannt. Sie enthalten als Wirkmaterial
Titandioxid. Dieser
bekannte Werkstoff ermöglicht unter anderem die Herstellung von dauerelastischen
Feldsteuerungselementen bestirLmter geometrischer Gestalt, die am Einsatzort - meist
Kabelgarnituren - einfach elastisch nachgebend aufgeschoben werden können Sie sitzen
dann infolge ihrer Elastizität spaltfrei auf Dieser feste und spielfreie Sitz bleibt
infolge der dauerelastischen igenschaften huber sehr lange Zeiträume, beispielsweise
viele Jahre erhalten, insbesondere auch huber die übliche Lebensdauer Starkstromtechnischer
Anlagen Das Anbringen solcher dauerelastischer Feldsteuerungselemente erfordert
weniger Fachkenntnisse und Geschicklichkeit als das Anbringen anderer Feldsteuerungseinrichtungen
wie z.B. das Montieren metallischer Feldsteuerungstrichter, das spaltfreie Herumwickeln
von Bändern aus feldsteuerndem Materials das Vergieren oder Modellieren und anschließende
Härten von fließfähigen bzw. formbaren Massen mit feldsteuernden Eigenschaften am
Einsatzort, usw. Werkstoffe der eingangs beschriebenen Art haben somit in der Technik
der Feldsteuerung bei Starkstrom- und Hochspannungsanlagen einen beträchtlichen
Fortschritt ermöglicht. Die eingangs beschriebenen Werkstoffe wirken zusammen mit
Kabelisolierstoffen niedrigerer Dielektrizitätszahl auf elektrische Felder rn Sinne
einer Refraiction ein. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß für die Herstellung
feldsteuernder Einrichtungen auch andere Werkstoffe bekannt sind, die in der FIauptsache
-esistiv wirken; sie enthalten elektrisch leitende oder halbleitende Wirkmaterialien,
die dem Werkstoff eine genfAnschte (meist spannungsabhängige) elektrische Leitfähigkeit
verleihen (US-PS 3,673,305, US-PS 3,666,876). Dabei ist durch die Einlagerung der
Teilchen aus elektrisch leitendem oder halbleitendem
Wirkmaterial
auch die relative Dielektrizitätszahl erhöht; sie kann z. B. bis 11 betragen (US-PS
3,666,876). Bei elastischen Werkstoffen mit resistiver Feldsteuerung kann jedoch
der funktionsbedingt ständig fließende Wirkstrom allmählich Veränderungen der elektrischen
Leitfähigkeit und ein vorzeitiges Altern des Werkstoffes hervorrufen. Es ind deshalb
für dauerelastische Werkstoffe andere Wirkungsweisen vorzuziehen, insbesondere die
refraktive Wirkungsweise, die auch bei dem Werkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung
vorliegt. Es versteht sich, daß dafür eine verhltnismßig'hohe relative Dielektrizitätszahl
des Werkstoffs gewünscht wird. Es ist deshalb naheliegend, als Wirkmaterial für
Werkstoffe mit refraktiver Feldsteuerwirkung Stoffe mit möglichst hoher relativer
Dielektrizitätszahl zu verwenden, beispielsweise das schon erwähnte Titandioxid,
aber auch andere bekannte Stoffe sehr hoher relativer Dielektrizitätszahl, beispielsweise
Bariumtitanat, Die Verwendung derartiger Werkstoffe als Wirkmaterial für refraktiv
feldsteuernde Werkstoffe ist seit langem bekannt, wobei freilich der Forderung nach
Dauerelastizität keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet wurde (US-PS 3,673,305,
US-PS 3,823,334, US-PS 3,287,489). Es hat sich Jabeijedo gezeigt, daß auch bei Verwendung
von Wirkmaterialiet sehr hoher relativer Dielektrizitätszahl, z. B. Bariumtitanat
mit relativen Dielektrizitätszahlen #r # 10 000, die relative Dielektrizitätszahl
des Werkstoffes nicht huber etwa 25 getrieben werden kann, wenn der Werkstoff die
dauerelastischen Eigenschaften des verwendeten Ausgangsmaterials behalten soll.
Der GruNd dafür liegt darin, daß in derartigen Substanzgemischen die Dielektrizitätszahl
£rmix des Gemischs sich nicht nach einer additiven, sondern nach einer logarithmischen
Mischungsformel
aus den Dielektrizitätszahlen # rn der Mischungsbestandteile errechnet:
worin Xn der Volumenanteil und # rn die relative Dielektrizitätszahl des Bestandteils
n sind. So zeigt diese Formel speziell, daß man bei einem Werkstoff aus 2 Bestandteilen,
nämlich Bestandteil 1: Elastomeres Ausgangsmaterial mit #r # 3 , Bestandteil 2:
Bariumtitanat mit #r # 10 000 , einez Anteil von etwa 35 Volumen-% oder ca. 75 Gew.-%
(Dichte des 3 Bariumtitanats etwa 5,96 g/cm , Dichte des Silikongummis etwa 1,23
g/cm3) Bariumtitanat verwenden müßte, um eine relative Dielektrizitätszahl von etwa
50 des Werkstoffs zu erhalten. Bei derartig hohen Anteilen des Wirkmaterials sind
jedoch die elastischen Eigenschaften des Werkstoffs unzureichend, um daraus praktisch
brauchbare dauerelastische, spaltfrei aufsitzende Feldsteuerungselemente herstellen
zu können. Sowohl die Elastizität selbst als auch die zeitliche Beständigkeit einer
einmal in dem Werkstoff hergestellten elastischen Spannung (die sogenannte Dauer-Rückstellkraft)
sind ungenügend. Allgemein galt für den Stand der Techeik (z.BZ US-PS 4,053,702),
daß man dauerelastische Werkstoffe der eingangs angegebenen Art
nur
bis zu relativen Dielektrizitätszahlen bis zu etwa 25 herstellen konnte, selbst
wenn man die bekannten Wirkmaterialien mit sehr hohen relativen Dielektrizitätszahlen
verwendete. ~ Dabei ist die DauerelastizitEt von dielektrischen Werkstoffen für
die technische Praxis nur dann sicher einzugrenzen, wenn Prüfergebnisse des Druckverformungs-Restes
nach DIN 53 517 auch nach einer beschleunigenden Alterung von 72 Stunden bei 1500C
immer unter 35 % liegen und die Shore-A-Härte nach DIN 53 505 kleiner als 65 ist.
Werden diese Festlegungen für dauerelastische Werkstoffe überschritten, so ist keine
Gewähr für eine ausreichende Dauerelastizität gegeben.
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Alle bekanntgemachten Problemlösungen, bei denen Werkstoffe eine höhere
relative Dielektrizitätszahl als 25 aufweisen, erfüllten nicht das wichtige Kriterium
der Dauerelastizität.
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Die vorliegende Erfindung geht. von der Aufgabe aus, einen für hochwirksame
refraktive Feldsteuerung in Starkstrom- und Hochspannungsanlagen geeigneten dielektrischen
dauerelastischen Werkstoff anzugeben.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem Werkstoff der
eingangs angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Wirkmaterial stark
strukturierte staubfeine Teilchen eines elektrisch polarisationsfähigen Materials
wie Ruß
aufweist in einer Konzentration, bei der im Bereich üblicher
Netzfrequenzen, wie beispielsweise 50 Hz, folgende Eigenschaften des Werkstoffs
in Kombination vorliegen: a) Der spezifische elektrische Durchgangswiderstand hat
wenigstens einen Mindestwert, der für Zwecke der elektrischen Isolierung noch ausreicht,
b) die relative Dielektrizitätszahl beträgt wesentlich mehr als 30, bis zu etwa
300, c) der dielektrische Verlustfaktor beträgt höchstens etwa 1,5, und daß durch
einen Gehalt eines Zusatz-Wirkmaterials in Form fein verteilter metallisch leitender
Teilchen die Feldverteilung.und dadurch die Spannungsfestigkeit bei für Stoßwellen
typischen hohen Frequenzen verbessert sind und die relative Dielektrizitätszahl
bei Hochfrequenz (z.B. 105 Hz) noch auf mindestens etwa 20 gehalten ist.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff nutzt die Tatsache aus, daß man bei
Wirkmaterialien wie Ruß, die stark strukturierte oder zerisliiftete staubfeine polare
tionsfähige Teilchen aufweisen, einen verhältnismäßig engen Bereich mittlerer Konzentrationen
im Ausgangsmaterial finden kann, in dem noch keine störende elektrische Leitfähigkeit,
aber eine verhältnismäßig hohe
relative Dielektrizitätszahl bei
noch voll zufriedenstellenden dauerelastischen Eigenschaften gegeben ist, und daß
dabei durch das metallisch leitende Zusatz-Wirkmaterial die für Starkstrom- und
Hochspannungsanlagen geforderte Stoßspannungsfestigkeit s;chergestellt werden kann.
Es ist überraschend, daß auf diese Weise doch dauerelastische Isolierstoffe hergestellt
werden können, die wesentlich höhere relative Dielektrizitätszahlen aufweisen als
es bisher bei Verwendung bekannter Wirkmaterialien mit einer eigenen sehr hohen
relativen Dielektrizitätszahl möglich war, und die für Starkstrom- und Hochspannungsanlagen
geforderte Stoß spannungsfestigkeit aufweisen.
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Es ist zwar bekannt, daß die relative Dielektrizitätszahl eines Isolierstoffs
durch Einbau fein verteilter Teilchen aus elektrisch leitendem oder halbleitendem
Material erhöht werden kann, wobei zu hohe Konzentrationen solcher Teilchen vermieden
werden müssen, weil sie dem Werkstoff eine zu hohe, für die Verwendung als Isoliermaterial
ungeeignete spezifische elektrische Leitfähigkeit verleihen, doch wurde dazu angegeben,
daß durch Zusatz von fein verteiltem Titandioxid oder Ruß die relative Dielektrizitätszahl
von natürlichem oder synthetischem Gummi auf Werte von 10 bis etwa 25 angehoben
werden könne, und daß man zweckmäßigerweise Titandioxid zu verwenden habe, weil
dieses Material geringere nachteilige Auswirkungen auf die Durchschlagfestigkeit
und den spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand habe (US-PS 3,287,489); diese
Angabe stimmt mit der anderweitig (US-PS 4,053,702) angegebenen bekannten Lehre
überein, daß man elastomere Werkstoffe der angegebenen Art mit Titandioxid, Titanaten
und
dergleichen als Wirkmaterial nur bis zu einer relativen Dielektrizitätszahl des
Werkstoffs von etwa 25 herstellen könne und dass beispielsweise eine relative Dielektrizitätszahl
von wenigstens 50 bei elastomeren Werkstoffen nicht erreichbar sei.
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Es sind ferner feldsteuernde Werkstoffe bekannt, die Ruß als Füllstoff
zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs (US-PS 2,515,798,
US-PS 3,349,164) oder als Wirkmaterial zum Erzielen einer gewünschten elektrischen
Leitfähigkeit (US-PS 3,673,305) enthalten, doch finden sich im Zusammenhang damit
keine Hinweise im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff hat eine grundsätzlich sehr einfache
Zusammensetzung und kann mit geringstem Aufwand hergestellt werden. Er vereinigt
in sich gute dauerelastische Eigenschaften, gute chemische Beständigkeit, gutes
elektrisches Isoliervermögen,vol] genügende elektrische Durchschlags- und Stoßspannungsfestigkeit
und bisher bei dauerelastischen Werkstoffen nicht für möglich aehaltene hohe Werte
der relativen Dielektrizitätszahl. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann somit insbesondere
mit großem Vorteil in Feldstnuerungselementen verwendet werden, die dann im Vergleich
zu Elementen aus vorbekannten refraktiven Werkstoffe geringerer relativer Dielektrizitätszahlen
erheblich kleinere Abmessungen haben können; ein solches Feldsteuerelement, z. B.
in Form eines elastisch aufschiebbaren Fon. örpers wie einer Hülse, ist in seinen
elektrischen Eigenschaften und seiner geometrischen Form ent sprechend der gewünschten
Veränderung eines an seinem Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes ausgebildet,
wobei - je nach der Stärke des elektrischen Feldes - ein Bestandteil aus elektrisch
leitfähigem
elastischem Material zur elektrischen Kontaktierung mit einer Abschirmung des Kabels
in das Feldsteuerungselement eingefügt sein kann.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff hat vorzugsweise eine relative DielektrizitXtszahl
zwischen etwa 50 und 150 im Niederfrequenzbereich (z.B. 50 Hz) und von mindestens
noch etwa 20 bei Hochfrequenz (z.B. 105 Hz). In diesen Bereichen sind besonders
gute dauerelastische Eigenschaften bei gutem elektrischem Isoliervermögen vorhanden.
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Die Wirksamkeit der erfindungsgemäß verwendeten Wirkmaterialien aus
stark strukturierten oder zerklüfteten staubfeinen polarisationsfähigen Teilchen
ist von der Morphologie der Teilchen abhängig; in Ausgestaltung der Erfindung ist
es deshalb zweckmäßig, für die Herstellung des Werkstoffs die zu verwendende Konzentration
an Wirkmaterial dadurch zu bestimmen, daß man für jede gegebene einheitlich beschaffene
Charge des Wirkmaterials mehrere Versuchswerkstoffe mit verschiedenen Gehalten an
Wirkmaterial herstellt, von diesen Versuchswerkstoffen bei Niederfrequenz (z.BW
50 Hz) jeweils die relative Dielektrizitätszahl # r und den spezifischen elektrischen
Durchgangswiderstandf bestimmt und diejenige Konzentration des Wirkmaterials festlegt,
bei der ein gewünschtes Wertepaar g P vorliegt. Insbesondere ist es zweckmäßig,
diejenige Konzentration als optimal zu bestimmen, bei der man in der Funktion log
#r = f (log# ) in einem mittleren Bereich liegt, in dem der Absolutwert der Steigung
höher ist als in den
beiderseits benachbarten Bereichen. Auf diese
Weise kann man für jede Charge eines makroskopisch einheitlich beschaffenen Wirkmaterials
die geeigneten Konzentrationen und insbesondere auch die optimalen Konzentrationen
im Ausgangsmaterial ermitteln.
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Es hat sich gezeigt, daß bei dem bevorzugten Wirkmaterial, nämlich
Ruß, die im Handel erhältlichen Qualitäten sehr verschiedene Wirksamkeiten im Sinn
der vorliegenden Erfindung zeigen; so kann die optimale Konzentration bei 3 Gewichtsteilen,
aber auch bei-30 Gewichtsteilen Ruß pro 100 Gewichtsteilen Ausgangsmaterial liegen.
Die Lehre, für jede makroskopisch einheitlich beschaffene Charge eines Wirkmaterials
die zu verwendenden Konzentrationen getrennt zu bestimmen, stellt somit einen wesentlichen
Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar.
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Der Mindestwert des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes
des erfindungsgemäßen Werkstoffs soll bei etwa 106 Ohm.cm liegen, damit der Werkstoff
noch als Isoliermaterial angesehen werden kann; vorzugsweise liegt der Mindestwert
bei etwa 108 Ohm.cm.
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-Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich ferner dadurch aus,
daß er in der Regel einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen
Durchgangswiderstandes aufweist, Anders gesagt: Der Temperaturkoeffizient des spezifischen
elektrischen Durchgangswiderstandes liegt im Temperaturbereich von etwa 0-1000 mindestens
bei etwa 0. Das bietet den bekannten Vorteil, daß mit zunehmender Erwärmung des
Werkstoff 5 die durch Wirkströme bedingten Verlustanteile kleiner werden; das wirkt
einer unerwünschten Aufheizung entgegen. Vorzugsweise beträgt der Temperaturkoeffizient
des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes im Temperaturbereich von etwa
0-1000 C etwa+0,01 pro Grad C.
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Der dielektrische Verlustfaktor des erfindungsgemäBen Werkstoffs beträgt
bei Niederfrequenz und bei Hochfrequenz (z.B. 105 Hz) in dem angegebenen Bereich
von relativen Dielektrizitätszahlen höchstens etwa 1,5, in dem Bereich der vorzugsweise
verwendeten relativen Dielektriztitätszahlen-höchstens etwa 1. Das ist für die beabsichtigte
Verwendung in Feldsteuerungselementen für Starkstrom- und Hochspannungsanlagen voll
ausreichend.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die metallisch leitenden Teilchen des
Zusatz-Wirkmaterials (im folgenden auch kurz "Leitmaterialt' genannt; solche Teilchen
sind an sich aus der DE-OS 28 21 017 bekannt) die Belastbarkeit und die Feldsteuerungswirkung
bei hohen Frequenzen, wie sie insbesondere bei Belastungn durch Stoßwellen oder
Blitzeinschläge in Hochspannungsleitungen auftreten können, stark verbessert werden.
Insbesondere haben Versuche mit Stoßspannungs-Beanspruchungen von 1,2/50 as Dauer
gezeigt, daß durch einen Gehalt an Zusatz-Wirkmaterial in Form metallisch leitender
plättchenförmiger Teilchen die Beständigkeit gegen derartige Impulse um bis zu 100
% gesteigert werden kann. Die metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials
können einfach aus Aluminium bestehen, das sehr leicht in Form dünner Plättchen
oder Flocken hergestellt werden kann und in dieser Form im Handel erhältlich ist.
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Die fein verteilten metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials
können auch andere geometrische Formen als die von Plättchen haben. Besonders günstig
für die dauerelastischen Einschaften des Werkstoffs sind Kügelchen. Dabei genügt
es, enn die Kügelchen nur oberflächlich metallisch leiten; das ermöglicht die Verwendung
von spezifisch leichten Kunststoff-Kügelchen mit Oberflächen-Metallisierung. Für
die Größe der Kügelchen gilt das für Plättchen gesagte entsprechend; d.h., daß die
leitende Oberfläche mit der gleich wirksamer plättchenförmiger Teilchen vergleichbar
sein soll. Daraus ergibt sich, daß für die besonders ins Auge gefaßten Anwendungen
die Kügelchen einen Durchmesser von mindestens 2m haben sollen.
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Um die Durchschlagsfestigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffs zu
erhöhen, kann es zweckmäßig sein, ein von dem Ausganasmaterial verschiedenes Isoliermaterial
als weiteres Zusatz-Wirkmaterial in fein verteilter Form als plättchenförmige Teilchen
zuzumischen (an sich aus der DE-OS 28 21 017 bekannt). Dadurch wird die Konzentration
an Brücken aus sich direkt berührenden Teilchen des Wirkmaterials und/oder eines
metallisch leitenden Zusatz-Wirkmaterials stark heraboesetzt. Vorzugsweise hat das
als weiteres Zusatz-Wirkmaterial verwendete Isoliermateria-l eine höhere elektrische
Durchschlagsfestigkeit als das Ausgangsmaterial; dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit
des Werkstoffs erhöht. Wenn das als weiteres Zusatz-Wirkmaterial verwendete Isoliermaterial
die refraktive Wirkung des Werkstoffs nicht beeinträchtigen, sondern allenfalls
erhöhen soll, verwendet man zweckmäßigerweise ein Isoliermaterial, dessen relative
Dielektrizitätszahl mindestens gleich der des Ausgangsmaterials ist. Ein als weiteres
Zusatz-Wirkmaterial besonders gut geeignetes Isoliermaterial ist Glimmer, der von
Natur aus Plättchenstruktur hat. Auch bei Verwendung des vom Ausganasmaterial verschiedenen
Isoliermaterials gelten die in Anspruch 1 angegebenen Randbedingungen.
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Die Größe der Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials ist von Bedeutung
für die dielektrische Homogenität des Werkstoffs, bezogen auf die Abmessungen der
bei dem jeweiligen Anwendungsfall
verwendeten Bauteile am und
im Werkstoff. Bei den für Wechselspannungen ab etwa 3 kV zweckmäßigen Abmessungen
und Uberschlagstrecken können bei Leitmaterial aus plättchenförmigen Teilchen die
Teilchen eine quer zu i=er Dicke gemessene Querabmessung von etwa 5 bis 75 ßm haben;
einfigünstiger mittlerer Bereich ist 10 bis 40 ßm. Die Dicke der plättchenförmigen
Teilchen sollte höchstens etwa ein Zehntel der Querabmessung betragen, damit der
Charakter eines Plättchens gewahrt bleibt. Entsprechendes gilt natürlich auch für
Plättchen aus Isoliermaterial; es leuchtet ein, daß sie insbesondere hinsichtlich
ihrer Querabmessung auch etwas größer sein dürfen als Plättchen aus Leitmaterial.
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Besonders vorteilhaft ist es, daß, wie aus der DE-OS 28 21 017 an
sich bekannt, plättchenförmige metallisch leitende Teilchen nicht in bestimmten
Richtungen orientiert sein müssen, sondern mit im wesentlichen zufallsbestimmter
Orientierung ihrer Orientierung ihrer Plättchenebenen verteilt sein können; dadurch
sind bei der Herstellung und Verarbeitung von erfindungsgemäßen Werkstoffen mit
plättchenförmigem Zusatz-Wirkmaterial besondere die Plättchen orientierende Arbeitsgänge
wie Warzen, Aufstrichen und dergleichen nicht erforderlich, und der Werkstoff kann
ohne weiteres auch durch Gießen, Spritzgießen und dergleichen und anschließendes
~rrmhärten unmittelbar in bestimmten geometrischen Konfigurationen erhalten werden.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff kann in ähnlich einfacher Weise wie
das Ausgangsmaterial hergestellt werden, indem man eine zu dem Ausgangsmaterial
erhärtbare flüssige oder plastische oder fließfähige oder spritzgießbare Ausgangsmasse
mit dem Wirkmaterial, dem metallisch leitenden Zusatz-Wirkmaterial und gegebenenfalls
den weiteren Zusatz-Wirkmaterialien vermischt und die so erhaltene Werkstoffmasse
zu dem dauerelastischen Werkstoff erhärtet, beispielsweise durch Kalt- oder Heißvulkanisieren.
Das Erhärten kann in Formen erfolgen, so daß unmittelbar dauerelastische Formkörper
gewünschter Gestalt erhalten werden können, die direkt als Feldsteuerungselemente
geeignet sind.
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Bei bestimmten Rußsorten, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung
besonders geeignet sind, d.h. schon in geringen Konzentrationen eine starke Erhöhung
der relativen Dielektrizitätszahl bewirken, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt,
den Ruß in einer möglichst niedrigviskosen Phase des Herstellungsvorganges einzuführen.
Die Dispergierung des Rußes ist dann gleichmäßiger.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen: Figuren 1 bis 5 verschiedene Diagramme zur Erläutern der
Eigenschaften von Proben, die wie unten angegeben mit dem Wirkmaterial Ruß Typ N
754 gefertigt worden sind, Fig. 6 bis 9 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der
Eigenschaften erfindungsgemäßer Werkstoffe, die ein Zusatz-Wirkmaterial in Form
von leitfähigen Plättchen enthalten, und Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung erfindungsgemäßer
Werkstoffe, die wie unten angegeben mit dem Ausgangsmaterial Silikonkautschuk und
dem Wirkmaterial Ruß Typ N762 gefertigt wurden.
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Beispiele Jeweils 100 Gewichtsteile Silikonkautschuk-Ausgangsmasse
vom Typ S 2351 der Firma Dow Corning wurden mit verschiedenen Gewichtsteilen Ruß
der Sorte N 754 der Firma Columbian Carbon Company, New York, und verschiedenen
Gewichtsteilen Aluminiumplättchen der Sorte Nr. 4-501 der Firma Reynolds Metals
Company, Richmond, Va., USA, vermischt.
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Die Gemische wurden jeweils mit 0,4 Gewichtsteilen des Katalysators
Dicumylperoxid (Typ Dicup R der Firma Herkules) vermischt und in Formen zu dauerelastischen
Probekörpern von etwa 3 mm Dicke ausgehärtet.
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Fig. 1 zeigt in einem Diagramm den auch für die erfindungsgemäßen
Werkstoffe grundsätzlich geltenden Zusammenhang zwischen den Logarithmen der relativen
Dielektrizitätszahl und des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes für
verschiedene Anteile Ruß ohne weitere Zusatzstoffe. Man erkennt, daß in dem mittleren
Bereich der Kurve bei dem gezeigten Rußanteil als Parameter, wo der Absolutwert
der Steigung höher ist als in den Nachbarbereichen (= Extremwert der ersten Ableitung)
verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätszahlen bei noch sehr hohen spezifischen
Durchgangswiderständen vorliegen, so z.B.
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£r = 5° bei 9 = 1 lot cm. Erst ab £r = 200 beginnt der spezifische
elektrische Durchgangswiderstand auf Werte zu fallen, die für die Verwendung als
Isolierstoff kritisch sind; der gut nutzbare Bereich erstreckt sich etwa bis zur
= 150.
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Fig. 2 zeigt, daß bei höheren Frequenzen die relative Dielektrizitätszahl
verhältnismäßig stark abnimmt.
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Fig. 3 zeigt, daß der Verlustfaktor erwartungsgemäß mit steigendem
Anteil Ruß zunimmt; die Abhängigkeit von der Frequenz ist dagegen weniger stark
ausgeprägt.
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rflig. 4 zeigt - ähnlich wie Fig. 1 - die Beziehung zwischen der relativen
Dielektrizitätszahl (bei 50 Hz) und dem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand
g bei zunehmendem Anteil des Wirkmaterials Ruß (Typ N 754).
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der-spezifischen Gleichstrom-Leitfähigkeit
(reziprok zum spez. Durchgangswiderstand) von der Feldstärke bei verschiedenen Temperaturen
für eine Probe mit 32 phr Ruß Typ N 754.
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Fig. 6 zeigt am Beispiel eines erfindungsgemäßen Werkstoffs mit 32
phr Ruß Typ N 754 und 10 phr Aluminiumplättchen Typ 4-501 (REYNOLDS), daß durch
die metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials die Gleichstromleitfähigkeit
nicht störend erhöht wird; es gilt im wesentlichen die gleiche Abhängigkeit vom
Wirkmaterial-Gehalt wie in Fig. 5.
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Beide Figuren weisen darübe4hinaus den positiven Temperaturkoeffizienten
des spezifischen Durchgangswiderstandes nach.
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Fig. 7 zeigt den Verlustfaktor- tanb und die Dielektrizitätszahl £
zur in Abhängigkeit von der Frequenz f bei unterschiedlichen Temperaturen für Werkstoffe
mit 32 phr Ruß Typ N 754 und 10 phr Aluminiumplättchen Typ 4-501. Man erkennt, daß
es ohne weiteres möglich ist, den Verlustfaktor bei Raumtemperatur auf Werte von
höchstens etwa 1 einzustellen, und zwar bei Niederfrequenz wie auch bei Hochfrequenz,
und daß die relative Dielektrizitätszahl auch bei erhöhter Temperatur noch zwischen
etwa 50 und 100 im Niederfrequenzbereich (z.B. bei 50 Hz) und mindestens etwa bei
20 im Hochfrequenzbereich (z.B. bei 105 Hz) liegt.
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Fig. 8 zeigt, daß bei einem Werkstoff mit 32 phr Ruß (Typ N 754) durch
den Gehalt an Zusatz-Wirkmaterial (hier 10 phr Aluminiumplättchen der angegebenen
Art) eine wesentliche Erhöhung der relativen Dielektrizitätszahl bei 50 Hz von etwa
250 auf etwa 400 eintritt und bei Hochfrequenz (z.B. 105 Hz) die relative Dielektritätszahl
auf Werten über etwa 25 gehalten wird.
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Fig. 9 zeigt, daß diese Erhöhung der relativen Dielektrizitätszahl
mit einer nur unwesentlichen Erhöhung des Verlustfaktors einhergeht.
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Fig. 10 zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 4 die Eigenschaften
eines mit anderen Materialien erhaltenen Werkstoffes.
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Als Ausgangsmaterial wird Silikonkautschuk Typ 101/30 der Firma Wacker-Chemie,
München, verwendet, als Wirkmaterial Ruß der Sorte N 762 der Firma Columbian Carbon
Company, und als Zusatz-Wirkmaterial die schon beschriebenen Aluminiumplättchen
der Firma Reynolds. Es wurden jeweils 100 Gewichtsteile des erwähnten Ausgangsmaterials
mit 6 Gew chtsteilen der Aluminiumplättchen, verschiedenen Mengen des Rußes und
mit jeweils 1,5 Gewichtsteilen des erwähnten Katalysators Dicumylperoxid W1Dicup
40C" vermischt, in Formen gegeben und ausgehärtet.
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Man erkennt aus Fig. 10, daß grundsätzlich das gleiche Verhalten vorliegt
wie bei den Werkstoffen nach den Fig. 1 - 9, daß aber die ersteAbleitung der Funktion
logp = f(log sr)
Parameter : Konzentration des Wirkmaterials, ihr
Extremum bei einer anderen, nämlich niedrigeren Rußkonzentration erreicht als in
Fig. 4.
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Für die vorliegende Erfindung scheint nach derzeitiger Erkenntnis
vo4allem bedeutungsvoll zu sein, daß die Teilchen des Wirkmaterials eine im Verhältnis
zu ihrer Masse große Oberfläche aufweisen und der Verschiebung elektrischer Ladungen
einen gewissen Widerstand entgegensetzen. Es ist denkbar, daß andere Wirkmaterialien,
die Eigenschaften ähnlich wie Ruß'haben, zu ähnlichen oder vielleicht sogar besseren
Ergebnissen führen wie Ruß; die vorliegende Erfindung gibt dem Fachmann eine Anweisung,
wie er Stoffe, die vermutlich als Wirkmaterialien- geeignet sind, auf ihre Wirksamkeit
zu prüfen hat. Falls für Wirkmaterialien Kennzahlen bekannt sind, die die Struktur
der Materialteilch-en kennzeichnen und nach den hier angegebenen Bewertungskriterien
auch als Kennzeichnung für die Wirksamkeit für die vorliegende Erfindung brauchbar
sind, kann es genügen, für die Nachbestellung von im Handel erhältlichen Sorten
geeigneter Wirkmaterialien einfach derartige Kenngrößen zu verwenden In den obigen
Beispielen sind die Rußsorten durch die ASTM-Bezeichnungen nach US-Norm charakterisiert,
unter denen sie auch im Handel erhältlich sind.
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