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Isoliermaterial für elektrische HQchfrequenzleiter Zur Verwendung
als elektrische Isolierstoffe sind häufig Zelluloseester vorgeschlagen worden, und
zwar sowohl in Form von Geflechten, die aus derartigen Estern gesponnen sind, als
auch in Form von natürlicher Zellulose, wie z. B. Baumwolle oder Papier, die teilweise
esterifiziert worden ist.
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Die teilweise Esterifizierung von Baumwolle und Papier bis zur Monoazetatstufe
oder in manchen Fällen bis zur Diazetatstufe ist bereits bekannt. Derartige teilweise
esterifizierte Stoffe haben bei Messung mit Gleichstrom im trockenen Zustand einen
etwas höheren elektrischen Widerstand und im feuchten Zustand einen sehr beträchtlich
höheren elektrischen Widerstand gegenüber dem Widerstand der entsprechenden nicht
esterifizierten Zellulosestoffe.
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Zellulose, die bis zur Monoacylstufe esterifiziert worden ist, zeigte
im feuchten Zustand bei der Messung mit Gleichstrom niederer Frequenzen eine große
Verbesserung des Leistungsfaktors. Diese Verbesserung nahm jedoch mit steigender
Frequenz schnell ab, wie es aus der folgenden Tabelle zu ersehen ist, die den Leistungsfaktor
verschiedener Zellulosearten bei verschiedenen Frequenzen angibt. Alle Beispiele
beziehen
sich auf Zellulosegarne mit 6o °/° Feuchtigkeit und einer
Temperatur von 25'C.
| 5o Hz 40o Hz 80o Hz iooo Hz |
| Gewaschene |
| Baumwolle....... 0,29o o,ioo o,o8o o,o7o |
| Azetylierte Baum- |
| wolle mit 29 °/° ge- |
| bundener Essig- |
| säure ........... 0,024 0,015 0,009 0,009 |
| Azetylierte Baum- |
| wolle mit 55 °/p ge- |
| bundener Essig- |
| säure ........... 0,017 o,oo8 o,oo6 0;0055 |
Es ist zu beachten, daß die Verbesserung des Leistungsfaktors von Baumwolle mit
55)/, gebundener Essigsäure gegenüber der Baumwolle mit 29 °/° gebundener Essigsäure
bei iooo Hz viel geringer ist als bei 5o Hz, so daß man annehmen muß, daß bei Hochfrequenzen
nur geringe oder überhaupt keine Verbesserung gegenüber der ursprünglichen gut ausgewaschenen
Zellulose erzielt wird.
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Im trockenen Zustand ergab sich die Verbesserung, die durch teilweise
Esterifizierung für niedrige Frequenzen im Leistungsfaktor erzielt wurde, als so
klein, daß sie meist in den Bereich der Meßgenauigkeit fällt, und sie konnte lediglich
durch Bestimmung des Mittelwertes einer Anzahl von Versuchen mit Bestimmtheit festgestellt
werden.
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Dies ergibt sich aus der folgenden Tabelle, die den Leistungsfaktor
im trockenen Zustand angibt:
| 5ö Hz 40o Hz 80o Hz iooo Hz |
| Gewaschene |
| Baumwolle....... 0,0034 0,005 o,oo6 o,oo6 |
| Baumwolle mit 29 °/° |
| gebundener Essig- |
| säure ........... 0,003 0,005 0,005 0,0055 |
| Baumwolle mit 55 °/° |
| gebundener Essig- |
| säure ...:....:.. 0,003 0,004 0;005 0;005 |
Diese Werte bestärken den Eindruck, daß im trockenen Zustand für hohe Frequenzen
durch eine hochgradige Azetylierung überhaupt keine Verbesserung des Leistungsfaktors
zu erzielen ist.
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Die Zunahme des elektrischen Gleichstromwiderstandes, die durch Esterifizierung
der Zellulose bis über die Diacylstufe hervorgerufen wird, ist im allgemeinen nicht
groß genug, um die Durchführung des Prozesses in diesem Maße zu rechtfertigen. In
besonderen Fällen haben jedoch die höheren Werte für den Gleichstromwiderstand in
feuchtem Zustande, die durch Esterifizierung bis über die Diacylstufe erzielt werden
können, dazu geführt, daß diese Prozesse sogar bis zur Stufe der vollen Esterifizierung
durchgeführt werden. Für diese Prozesse ist es nötig, dem Bad ein inertes Lösungsmittel,
wie z. B. Toluol, zur Vermeidung einer übermäßigen Aufschwellung des Materials und
Schwächung des Garns zuzusetzen.
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Mit der Fortentwicklung der Übertragung von immer höheren Frequenzen
über elektrische Kabel wurde es nötig, elektrische Isolierstoffe zu benutzen, die
bei höheren Frequenzen, als sie bisher in Betracht j kamen, einen hohen elektrischen
Widerstand und einen niedrigen Leistungsfaktor besitzen. Erst in neuerer Zeit konnten
Messungen des Wechselstromwiderstandes und des Leistungsfaktors bei höheren Frequenzen
als i-kHz, insbesondere an Garnen mit Genauigkeit, ausgeführt werden.
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Gemäß der Erfindung wird für einen elektrischen Leiter zur Übertragung
von Frequenzen von io kHz und darüber, die Gleichströmen oder Wechselströmen niedrigerer
Frequenz überlagert sein können, ein Isoliermaterial verwendet, das aus natürlicher
Zellulose besteht, die bis zur Diacylstufe oder darüber hinaus esterifiziert worden
ist, ohne daß die Zugfestigkeit beeinträchtigt wird, so daß das Material in der
gebräuchlichen Weise auf dem Leiter aufgebracht werden kann, wobei natürlich Zellülosestoffe,
die ohne Verlust an Zugfestigkeit in vollem Maße esterifiziert worden sind, enthalten
sind.
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Für den Zweck der Erfindung sind die einzigen in Frage kommenden Zelluloseester
die der Karboxyl-Säuren mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen, da diese Ester als geeignet
befunden wurden. Die Erfindung richtet sich jedoch auch auf gemischte Zelluloseester
dieser Säuren.
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Die Durchführung der Messungen des elektrischen Widerstandes und des
Leistungsfaktors bei hohen Frequenzen haben die vorher aufgestellten Vermutungen
über das Verhalten der geringer esterifizierten Zellulosen bei hohen Frequenzen
bestätigt. Es zeigte sich jedoch,. daß Zelluloseester der Karboxylsäuren mit 2 bis
5 Kohlenstoffatomen, die durch Esterifizierüng von natürlicher Zellulose bis zur
Diacylstufe und darüber hinaus ohne merkliche Schwächung der Fasern hergestellt
wurden, sehr niedrige Leistungsfaktoren für höhere Frequenzen besitzen und daß die
Zunahme des Leistungsfaktors mit der Frequenz gegenüber der der geringer esterifizierten
Stoffe klein ist. Der Leistungsfaktor von azetyliertem Baumwollgarn mit 55 °/° gebundener
Essigsäure steigt beispielsweise bei gewöhnlicher Luftfeuchtigkeit von
0,0055 bei i kHz auf o,oo8 bei i ooo kHz an, während der Leistungsfaktor
von azetyliertem Baumwollgarn mit 290/, gebundener Essigsäure unter ähnlichen Bedingungen
von o,oog bei i kHz auf 0,015 bei i ooo kHz ansteigt. Überdies ergab sich im Gegensatz
zu den früheren Erfahrungen mit geringerem Essigsäuregehalt sogar im trockenen Zustand
eine große Verbesserung des Leistungsfaktors bei i oöo kHz durch Esterifizierung
der Baumwolle auf einen Essigsäuregehalt von 55 °/° und darüber. Der Leistungsfaktor
von azetyliertem Baumwollgarn mit 29 °/° gebundener Essigsäure beträgt also in trockenem
Zustand 0;0i3 für i ooö kHz, während der von azetyliertem Baum-Essigsäuregehalt
nur 0,005 ist. Ferner ist im trockenen Zustand der Leistungsfaktor von auf
55 °/° azetylierter Baumwolle zwischen i kHz uud iooo kHz nahezu konstant, da er
über diesen weiten Frequenzbereich lediglich von 0,0045 auf 0,0055
ansteigt.
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Führt man die Azetylierung noch weiter bis zu einem Essigsäuregehalt
von 6ö bis 62 °/°, so kann ein noch niedrigerer Leistungsfaktor und eine
flachere Charakteristik für die Frequenz in Abhängigkeit
vom Leistungsfaktor
erzielt werden. Es ergeben sich Werte von 0,004 bei i kHz und 0,0043 bei i ooo kHz.
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Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für koaxiales Kabel zur
Übertragung sehr breiter Frequenzbänder und insbesondere für Kabel nach den britischen
Patentschriften 417 929 und 447 313, bei denen der oder die Abstandhalter
erfindungsgemäß aus natürlicher Zellulose bestehen, die bis zur Diacylstufe oder
darüber hinaus esterifiziert ist. Durch die Verwendung eines derartigen Materials
für den Abstandhalter ist es möglich, die obere Grenze des mit ausreichender Güte
übertragenen Frequenzbandes bei dieser Kabeltype gegenüber den Kabeln, bei denen
geringer esterifizierte Zellulose als Abstandhalter verwendet wird, zu erhöhen.
Beispielsweise ist bei einer bestimmten koaxialen Kabeltype, die mit azetylierter
Baumwolle mit 29 °/o gebundener Essigsäure isoliert ist, die Dämpfung für eine Frequenz
von 2,5 kHz 0,5 Neper/km. Wenn ein Isoliermaterial aus azetylierter Baumwolle
mit 55 °/o gebundener Essigsäure verwendet wird, beträgt die Dämpfung für diese
Frequenz 0,42 Neper/km.
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Bei der Herstellung von hoch esterifizierten Zellulosen haben verschiedene
Katalysatoren verschiedene Einwirkungen auf die elektrischen Isolationseigenschaften
des Endproduktes. Diese Einwirkungen sind jedoch nicht von so großer Bedeutung für
die Eigenschaften gegenüber Wechselstrom im trocknenen oder mäßig feuchten Zustand
wie gegenüber dem Widerstand für Gleichstrom. Für manche Zwecke ist es jedoch erwünscht,
als Isoliermaterial für elektrische Kabel einen Stoff zu benutzen, der nicht nur
einen hohen elektrischen Widerstand und niedrigen Leistungsfaktor für Wechselstrom,
sondern auch .einen hohen elektrischen Widerstand für Gleichstrom im feuchten Zustand
besitzt. Zu diesem Zweck müssen zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen beim Esterifizierungsprozeß
berücksichtigt werden. Insbesondere wurde festgestellt, daß, wenn Schwefelsäure
als Katalysator verwendet wird, nicht nur eine Abnahme der Zugfestigkeit des esterifizierten
Materials auftritt, sondern daß auch der Gleichstromwiderstand im feuchten Zustand
sehr viel niedriger ist als bei ähnlichem Material, bei dessen Herstellung ein Zinkchloridkatalysator
verwendet wurde. Der Leistungsfaktor für trockenen und mäßig feuchten Zustand ist
andererseits dem des Materials, bei dem Zinkchlorid als Katalysator verwendet wurde,
gleich. Bei hoher Feuchtigkeit wird jedoch auch der Leistungsfaktor ungünstig beeinflußt,
und es ist deshalb unter diesen Bedingungen zweckmäßig, daß möglichst kein Material
benutzt wird, bei dem Schwefelsäure als Katalysator verwendet wurde. Beispiel i
Die Zusammensetzung des Bades zur Präparierung der Isolierstoffe für die erfindungsgemäßen
elektrischen Leiter kann folgendermaßen sein: 500/, Toluol, Petroleum oder
ein anderes inertes Lösungsmittel, 250/, Essigsäure-Anhydrid, 2o0/, Essigsäure,
5 °/a Zinkchlorid.
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Die Zellulose muß in dieses Bad für eine ausreichend lange Zeit eingetaucht
werden, damit der gewünschte Grad der Esterifizierung eintreten kann. Diese Zeit
beträgt ungefähr 40 Stunden bei einer Temperatur von 4o bis 5o° für Baumwolle. Hierbei
ergibt sich ein Material mit einem Essigsäuregehalt von ungefähr 55 °/o. Danach
wird das azetylierte Garn aus der Azetylierungsmischung herausgenommen, sorgfältig
getrocknet und gewaschen. Beispiel 2 Baumwollgarn oder ein anderes Baumwollmaterial,
das durch Schlagen und Bleichen gereinigt ist, wird sorgfältig gewaschen, dann bis
auf einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr i bis 2 °/o getrocknet und für 2 Stunden
bei 40° in Essigsäure mit 2 °/o Wassergehalt eingetaucht. Dann wird es herausgenommen,
bis auf 6o °/o der anhaftenden Flüssigkeit ausgedrückt und in folgendes Bad getaucht:
65 °/o Benzin, Petroleum oder ein anderes inertes Lösungsmittel, 15°/0 Essigsäure-Anhydrid,
15 °/o Eisessig, 5 °/o wasserfreies Zinkchlorid.
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Die Azetylierung wird so durchgeführt, daß man die Azetylierungsflüssigkeit
bei einer Temperatur von 40° für 25 Stunden durch das Zellulosematerial zirkulieren
läßt. Bei der Verwendung von gereinigtem Baumwollgarn ergibt sich dann ein Essigsäuregehalt
von 5611/0. Nach dieser Zeit wird das azetylierte Garn sorgfältig ausgewaschen,
wobei der Grad des Auswaschens durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit des
Waschwassers bestimmt wird. Dann wird es entwässert und bei ungefähr 9o° getrocknet.