DE69005195T2

DE69005195T2 - Feines, harzsättigbares Papier aus aromatischem Polyamid und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69005195T2
Application number: DE69005195T
Authority: DE
Inventors: William John Sullivan
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2010-05-26
Also published as: CA2017556A1; US4992141A; EP0400494B1; JP2931845B2; DE69005195D1; EP0400494A1; JPH0369692A; CA2017556C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft synthetische nichtgewebte Blattstrukturen, und insbesondere betrifft sie ein dünnes harzgesättigtes Poly(metaphenylenisophthalamid)-Papier und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Eine Art von Isolierung für die Wicklungen in Elektromotoren ist eine laminierte Struktur aus Polyesterfolie, die sandwichartig zwischen zwei Schichten aus harzimprägniertem nichtgewebtem Polyesterstoff liegt. Bei einigen Anwendungen kann dieses Material nicht den hohen Temperaturen standhalten, die in Motor-Wicklungen auftreten. Demgemäß ist es für solche Anwendungen wünschenswert, ein hitzebeständiges Blatt oder Laminat mit ähnlichen elektrischen Isolationseigenschaften zu verwenden.
Während bekannte Poly(metaphenylenisophthalamid)-Papiere, wie die, die unter dem Handelsnamen NOMEX von E.I. du Pont de Nemours & Company verkauft werden, für viele elektrische Anwendungen geeignet sind, weisen sie nur bis zu einem begrenzten Ausmaß eine Harz-Sättigungsfähigkeit auf. Für einige Anwendungen ist ein Harz-sättigungsfähiges, hitzebeständiges Isolationspapier gewünscht, z.B. wo für elektrische Motoren eine glatte Oberfläche bei hitzebeständigen Isolationspapieren wünschenswert ist. Ein Harz-sättigungsfähiges hitzebeständiges elektrisch isolierendes Blattmaterial, das aus einem Gemisch von aromatischen Polyamid-Fasern hergestellt wird, ist in der US-A-4 029 835 beschrieben. Wenn es durch ein maschinelles Papierherstellungsverfahren mit einem geneigten Drahtsieb hergestellt wird, besitzt das Blatt ein Flächengewicht von 50 g/cm² und eine Dicke von 50 um.
Ferner werden für Kopiermaschinen Blätter oder Papiere, die Silikonöle absorbieren können, zur Verwendung in Reinigungswalzen benötigt. Des weiteren wird auch ein dünnes Papier mit geringem Flächengewicht, das auch Harzsättigungsfähig ist, häufig für elektrische Motoren und andere Anwendungen gewünscht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird eine nichtgewebte, biegsame Blattstruktur bereitgestellt, bestehend im wesentlichen aus einem vermischten Gemisch aus etwa 55 bis etwa 75 Gew.-.% kurzen Fasern aus Poly(metaphenylenisophthalamid) und etwa 25 bis etwa 45 Gew.-% Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid). Die erfindungsgemäßen Blattstrukturen besitzen ein Flächengewicht zwischen etwa 10 und etwa 25 g/m² und eine Dicke zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; m (etwa 25 bis etwa 45 um). Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung besteht die Blattstruktur im wesentlichen aus etwa 60 bis etwa 70 Gew.-% kurzen Fasern aus Poly(metaphenylenisophthalamid) und etwa 30 bis etwa 40 % Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid).
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung dünner Harz-sättigungsfähiger Poly (metaphenylenisophthalamid)-Papiere wird eine wäßrige Aufschlämmung hergestellt, die Feststoffe enthält, die im wesentlichen bestehen aus etwa 55 bis 75 Gew.-% kurzen Poly(metaphenylenisophthalamid)-Fasern und etwa 25 bis etwa 45 Gew.-% Poly(metaphenylenisophthalamid)-Fibriden mit einer Konzentration an Feststoffen in der Aufschlämmung zwischen etwa 0,005 und etwa 0,02 Gew.-%. Aus der Aufschlämmung wird ein nasses Blatt geformt, indem eine Papiermaschine mit geneigtem Drahtsieb verwendet wird, so daß das nasse Blatt nach dem Trocknen ein Flächengewicht zwischen etwa 10 und etwa 25 g/m² aufweist. Das nasse Blatt wird getrocknet und zwischen mindestens einer Walze mit harter Oberflächen und mindestens einer elastischen deformierbaren Walze kalandriert, um Papier mit einer Dicke zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; m (etwa 25 bis etwa 45 um) herzustellen. Während des Kalandrierens wird die Walze mit der harten Oberfläche auf etwa 150 ºC, vorzugsweise zwischen etwa 150 ºC und etwa 260 ºC, erhitzt.
Gemäß einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kalandrieren durchgeführt unter Verwendung einer Walze mit harter Oberfläche, die einen Durchmesser zwischen etwa 25 und etwa 60 cm aufweist und einer elastischen Walze, die einen Durchmesser zwischen etwa 50 und etwa 90 cm aufweist. Die Spaltdrücke liegen zwischen etwa 160 bis 360 kg pro cm.
Die erfindungsgemäße Blattstruktur wird aus kurzen Fasern (Flöckchenmaterial) und Poly(metaphenylenisophthalamid)- Fibriden (MPD-I) hergestellt. Geeignetes Flöckchenmaterial und Fibride zur Verwendung bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Papieren können gemäß den in der US-A- 3 756 908 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, die hier als Referenz angegeben ist. Typischerweise wird Flöckchenmaterial mit hohem Modulus, wie in der US-A-3 756 908 beschrieben, verwendet. Vorzugsweise weisen die kurzen Fasern des Flöckchens eine Länge von weniger als etwa 1,3 cm (0,5 in.) auf. Typischerweise ist für MPD-I- Fasern mit 2,2 dtex (2,2 denier) eine besonders geeignete Länge etwa 0,69 cm (0,27 in.).
Das Flöckchenmaterial und die Fibride aus Poly(metaphenylenisophthalamid) werden zusammen in das Papier eingemischt, wobei die Fibride als Bindemittel dienen. Nach der Imprägnierung mit Harz, liefert das Flöckchenmaterial in den Papieren hauptsächlich die Festigkeit der in Verwendung befindlichen imprägnierten Papiere. Die erfindungsgemäßen Papiere werden aus etwa 55 bis etwa 75 Gew.-% Flöckchen-material, vorzugsweise etwa 60 bis etwa 70 Gew.-%, hergestellt. Die erfindungsgemäßen Papiere werden aus etwa 25 bis etwa 45 Gew.-% Fibriden, vorzugsweise etwa 30 bis 40 %, hergestellt.
Bei Papieren, die gut geeignet sind, um als Isolation in Elektromotor-Wicklungen und für weitere elektrische Anwendungen zu dienen und um eine gute Harz- Sättigungsfähigkeit aufzuweisen, besitzen die erfindungsgemäßen Blätter ein Flächengewicht, das im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 25 g/m² liegt, und eine Dicke, die im Bereich zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; m (etwa 25 bis etwa 45 um) liegt.
Die erfindungsgemäßen Papiere können im allgemeinen gemäß der Beschreibung der US-A-3 756 908 hergestellt werden, jedoch werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr verdünnte wäßrige Flöckchen-/Fibrid-Ausgangsmaterialien zur Herstellung eines nassen Blattes verwendet, das nach dem Trocknen ein Flächengewicht von etwa 10 bis etwa 25 g/m² aufweist. Eine konzentriertere Flöckchen-Aufschlämmung und eine konzentriertere Aufschlämmung aus Fibriden können vermischt und weiter verdünnt werden, um die verdünnten Ausgangsmaterialien mit Konzentrationen der Feststoffe in den Ausgangsmaterialien zwischen etwa 0,005 und etwa 0,02 Gew.-% herzustellen. Die verdünnten Ausgangsmaterialien werden zu einem nassen Blatt geformt, indem eine Papiermaschine mit einem geneigten Drahtsieb verwendet wird, das die hohen Volumina an Verdünnungswasser (6-30 m3/min. pro m Breite) (40-200 gal/min pro inch Breite) handhaben kann, die benötigt werden, um eine gute Faserdispersion in den sehr leichtgewichtigen Blättern beizubehalten. Eine Papiermaschine mit "geneigtem" Drahtsieb, wie sie bei dieser Anmeldung verwendet wird, soll als Papiermaschine mit einem "flachen" Drahtsieb bei einem Winkel von etwa 10 º zur Horizontalen oder mehr oder als zylindrische Walzen-Tauchform bezeichnet werden, um sehr verdünnte Vorratsmaterialien zu handhaben. Eine geeignete Apparatur besteht beispielsweise aus einem breiten Drahtsieb "ROTOFORMER", das beschrieben wird in TAPPI, Proceedings for the 1987 Nonwovens Conference (S. 179-182) und das von Sandy Hill Corporation of Hudson Falls, New York, käuflich erhältlich ist. Das nasse Blatt kann entwässert und getrocknet werden, wie beschrieben in der US-A-3 756 908.
Das so geformte Papier wird heiß kalandriert, um die Dicke zu verringern und seine Zugfestigkeit zu verbessern. Es werden mindestens eine Walze mit harter Oberfläche und mindestens eine elastische deformierbare Walze verwendet, um das Papier bis zu einer Dicke zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; m (etwa 24 und etwa 45 um) zu kalandrieren. Käuflich erhältliche "Stoffkalander" mit einer nicht erwärmten, etwas deformierbaren und elastischen Walze, wie einer mit Baumwolle gefüllten Walze und einer erwärmten Stahlwalze, sind zum Kalandrieren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Das Kalandrieren auf diese Weise verringert das Risiko einer Schädigung oder eines Brechens des Papiers während des Kalandrierens. Während des Kalandrierens wird die Walze mit der harten Oberfläche (Stahl) auf über etwa 150 ºC, mit einer Temperatur bis zu der maximalen Temperatur, die mit einer solchen käuflich erhältlichen Apparatur erreichbar ist, erhitzt, wobei z.B. 260 ºC bevorzugt werden.
Gemäß einem erfindungsgemäßen bevorzugten Verfahren wird das Kalandrieren mit einer Walze mit harter Oberfläche mit einem Durchmesser zwischen etwa 25 bis etwa 60 cm und einer elastischen Walze mit einem Durchmesser zwischen etwa 50 und etwa 90 cm durchgeführt. Die Spaltdrücke bei dem bevorzugten Verfahren liegen zwischen etwa 160 bis 360 kg pro cm.
Die erfindungsgemäßen Papiere weisen eine Kombination von Eigenschaften auf, die sie besonders geeignet macht für die elektrische Isolierung, wie bei Motor-Wicklungen, einer Ummantelung für Draht oder für weitere elektrische Isolierungsanwendungen und in Reinigungswalzen für Kopiermaschinen. Die erfindungsgemäßen Papiere können gleichermaßen wie die bekannten Materialien für solche Anwendungen verwendet werden, was den Fachleuten klar ist. Die Papiere sind leichtgewichtig, dünn und können leicht mit Harzen oder Silikonölen imprägniert werden. Die Harz- Imprägnier-fähigkeit der Papiere mit Epoxyharzen ist der der leichtestgewichtigen MPD-I-Papiere, die käuflich erhältlich sind, überlegen.

Beispiele

In den folgenden Beispielen wurden Fibride und Flöckchenmaterial (mit "hohem Modulus"), wie in der US-A-3 756 908 beschrieben, hergestellt. Die Verhältnisse und Prozentangaben in den Beispielen beziehen sich auf das Gewichte sofern nicht anders angegeben. Die Papier- Eigenschaften sind nach einem 4stündigen Konditionieren bei etwa 55 % relativer Feuchtigkeit und 18 ºC angegeben. Die Papierdicke wurde bestimmt, indem sie unter Anwendung eines TMI-Analog-Bank-Mikrometers (Testing Machines Inc., Amityville, Long Island, N.Y.) Serien 49-60, mit einem Fuß von einem Durchmesser von 0,635 cm (1/4 in.) und einem Amboßdruck von 172 kPa (1,75 kg pro sq cm; 25 psi) gemessen wurde.

Beispiel 1

Das in Tabelle 1 beschriebene handgeschöpfte Blatt wurde in einer Labor-Blattform zum Handschöpfen geformt und mit einem Epoxyharz imprägniert, indem die folgenden Verfahren angewendet wurden.
Aufschlämmungen von raffinierten Fasern und Flockenmaterial einer Länge von 0,69 cm (0,27 in.) wurden mit einem Flockenmaterial/Faserverhältnis von 55/45 zu einer Gesamtkonzentration an Feststoffen von etwa 0,01 Gew..-% hergestellt und in der Form zu einem Blatt von 21,6 x 21,6 cm (8 1/2 in. x 8 1/2 in.) geformt. Das Blatt wurde abgetropft, aus der Form genommen, abgetupft und auf einer Heizplatte von Noble und Wood (Modell F 10) getrocknet.
Das so geformte Papier wurde mit einem Spaltdruck von 2000 lb/in (357 kg/cm) in dem Spalt kalandriert, der von einer erhitzten Stahlwalze (260 ºC) mit einem Durchmesser von 50,8 cm und einer nicht erhitzten Baumwolle-gefüllten Walze eines Durchmessers von 81,3 cm gebildet wurde. Die Kalandergeschwindigkeit betrug 5 yd/min (4,6 m/min).
Zur Harzimprägnierung wurde das kalandrierte Papier auf 19,1 x 19,1 cm (7 1/2 in. x 7 1/2 in.) zurechtgeschnitten, gewogen und die Papierdicke gemessen. Ein 2,5 cm (1 in.) breites Kartonstück wurde zur Identifizierung und zur Erleichterung der Handhabung der nassen Probe auf die Probe geheftet. Eine Lösung aus Epoxyharz wurde hergestellt, indem folgendes vermischt wurde:
100 g RSM-1212-BH 60 Epoxyharz von Shell;
100 g Methylethylketon; und
0,12 g 2-Methylimidazol-Katalysator (Eastman Kodak).
Die gemischte Harzlösung wurde in eine Eintauchwanne gegossen, die ein Walzenmesser enthielt. Die Probe wurde unter dem Walzenmesser angeordnet und dann um das Messer durch die Harzlösung gezogen. Die imprägnierte Probe wurde 5 Minuten lang vertikal aufgehängt, damit das überschüssige Harz abtropfte. Die Probe wurde dann 3 Minuten lang in einem Laborofen bei 149 ºC bis 163 ºC getrocknet. Die Ränder und das Kartonstück wurden abgeschnitten. Das Gewicht und die Fläche der Probe wurden gemessen, und aus diesen Messungen wurde zusammen mit dem Gewicht und der Fläche der unimprägnierten Ausgangsprobe der Prozentsatz der Harzaufnahme berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabele I gezeigt.

Beispiele 2-4

In Tabelle 1 beschriebene maschinell geformte Papiere wurden hergestellt, indem die folgenden Verfahren verwendet wurden. Die Harzimprägnierung erfolgte gemäß denselben Verfahren wie bei Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgezeigt.
Die Flöckchenfasern mit einer Länge von 0,27 in. (0,69 cm) wurden zu einer verdünnten Aufschlämmung der raffinierten Fibride gegeben, um drei Aufschlämmungen mit einer Gesamtkonzentration an Feststoffen von etwa 0,13 % herzustellen. Das Gewichtsverhältnis von Flöckchen zu Fibriden in den Aufschlämmungen wurde für die in Tabelle I angegebenen Papiere auf die entsprechenden Konzentrationen von 70/30, 60/40 und 59/41 eingestellt. Die Aufschlämmungen wurden gerührt, um das Flöckchenmaterial und die Fibride gut dispergiert zu halten.
Jede vermischte Flöckchen/Fibrid-Aufschlämmung wurde dann mit entweder frischem Wasser oder "weißem Recycling-Wasser" auf eine Konzentration von etwa 0,01 % verdünnt und in den Kopf-Behälter eines "ROTOFORMERS" mit einem breiten Drahtsieb von 71,1 cm (28 in.), hergestellt von Sandy Hill Corporation, Hudson Falls, New York, gepumpt. Das nasse leichtgewichtige Blatt wurde dann von dem formenden Drahtsieb auf eine Nasspresse übergeführt, um seinen Wassergehalt zu verringern und wurde dann auf eine Reihe von dampfbeheizten Trocknergefäßen übergeführt, die auf eine Maximaltemperatur von 166 ºC aufgeheizt worden waren. Das Papier wurde auf mindestens 95 % Feststoffe getrocknet und zu einer Rolle aufgewickelt.
Das so geformte Papier wurde heißkalandriert, um seine Dicke zu verringern und seine Zugfestigkeit zu verbessern. Die maschinell geformten Papiere der Beispiele 2-4 wurden unter denselben Bedingungen wie die handgeschöpften Blätter kalandriert, außer daß die Kalandergeschwindigkeit 25 yd/min (22,9 m/min) anstelle 5 yd/min (4,6 m/min) betrug.

Vergleichsbeispiele 1-2

Käuflich erhältliches T-412-Papier mit 38,1 x 10&supmin;&sup6; m (1,5 mil) (nominal) und T-410-Papier mit 50,8 x 10&supmin;&sup6; m (2,0 mil) (nominal) von "NOMEX" (E.I. du Pont de Nemours & Company) wurden gemäß denselben Verfahren wie in Beispiel 1 mit Harz imprägniert. Die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgezeigt. TABELLE I Beispiel Nr. Verhältnis Flöckchenmaterial/Fibride Flächengewicht oz/sq yd (g/m²) Dicke mil (um)*) Dichte g/cc Harzaufnahme Gew.-% Beispiel handgeschöpftes Papier maschinell

Claims

1. Ungewebte, biegsame Blattstruktur, bestehend im wesentlichen aus einem vermengten Gemisch aus etwa 55 bis etwa 75 Gew.-% kurzen Fasern aus Poly(metaphenyleniso-phthalamid) und etwa 25 bis etwa 45 Gew.-% Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid), wobei die genannte Blattstruktur ein Flächengewicht zwischen etwa 10 und etwa 25 g/m² und eine Dicke zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; in (etwa 25 und etwa 45 um) aufweist.

2. Blattstruktur nach Anspruch 1, bestehend im wesentlichen aus etwa 60 bis etwa 70 Gew.-% kurzen Fasern aus Poly(metaphenylenisophthalamid) und etwa 30 bis etwa 40 % Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid).

3. Blattstruktur nach Anspruch 1, bei der die genannten kurzen Fasern eine Länge van weniger als etwa 2,5 cm aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung eines dünnen, mit Harz sättigungsfähigen Poly(metaphenylenisophthalamid)-Papiers, umfassend:

Herstellen einer wäßrigen Aufschlämmung, die Feststoffe enthält, die im wesentlichen besehen aus 55 bis etwa 75 Gew.-% kurzen Fasern aus Poly(metaphenylenisophthalamid) und etwa 25 bis etwa 45 Gew.-% Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid), wobei die genannte Aufschlämmung eine Konzentration an Feststoffen zwischen etwa 0,005 und etwa 0,2 Gew.-% aufweist;

Formen eines nassen Blattes aus der genannten Aufschlämmung unter Verwendung einer papiermaschine, die ein schräggestelltes Langsieb aufweist, wobei das genannte nasse Blatt, wenn es trocken ist, ein Flächengewicht zwischen etwa 10 und etwa 25 g/m² aufweist;

Trocknen des genannten nassen Blattes; und

Kalandrieren des genannten trockenen Blattes zwischen mindestens einer Walze mit harter Oberfläche und mindestens einer elastischen deformierbaren Walze, um ein Papier herzustellen, das eine Dicke zwischen etwa 25 und etwa 45 x 10&supmin;&sup6; m (etwa 25 und etwa 45 um) aufweist, wobei die genannte Walze mit harter Oberfläche auf über etwa 150 ºC aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das genannte Kalandrieren durchgeführt wird mit der genannten Walze mit harter Oberfläche, die einen Durchmesser zwischen etwa 20 und etwa 60 cm aufweist, und mit der genannten elastischen Walze, die einen Durchmesser zwischen etwa 50 und etwa 90 cm aufweist, und bei einem Spaltdruck zwischen etwa 160 bis 360 kg pro cm.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die genannte Walze mit harter Oberfläche aufgeheizt wird auf eine Temperatur zwischen etwa 150 º und etwa 260 ºC.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die genannten Feststoffe in der genannten Aufschlämmung bestehen im wesentlichen aus etwa 60 bis etwa 70 Gew.-% kurzen Fasern aus Poly(metaphenylenisophthalamid) und etwa 30 bis etwa 40 % Fibriden aus Poly(metaphenylenisophthalamid).

8. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die genannten kurzen Fasern eine Länge von weniger als 2,5 cm aufweisen.