EP1284938A1 - Kunststoffmasse, verwendung der kunststoffmasse und erzeugnis mit der kunststoffmasse - Google Patents

Kunststoffmasse, verwendung der kunststoffmasse und erzeugnis mit der kunststoffmasse

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EP1284938A1
EP1284938A1 EP01931437A EP01931437A EP1284938A1 EP 1284938 A1 EP1284938 A1 EP 1284938A1 EP 01931437 A EP01931437 A EP 01931437A EP 01931437 A EP01931437 A EP 01931437A EP 1284938 A1 EP1284938 A1 EP 1284938A1
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EP
European Patent Office
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glass
ceramic
starting compound
ceramic material
cable
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EP01931437A
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English (en)
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Tobias Erny
Gabriele Preu
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • the invention relates to a plastics material with at least one organic starting compound of at least one ceramic material and at least one inorganic starting compound of the ceramic material.
  • Plastic mass is presented a use of the plastic mass and a product with the plastic mass.
  • a plastic mass of the type mentioned is for example from P. Greil et al. in Advanced Composit Materials, 2n Int.
  • the plastic mass is used to manufacture a ceramic material.
  • the plastic mass can be ceramized and acts as a preliminary stage of the ceramic material.
  • the plastic mass contains an organic and inorganic starting material of the ceramic material.
  • the ceramic material is formed by thermal decomposition (pyrolysis) of the plastic mass at a temperature in the range between 800 ° C and 1200 ° C.
  • a base material of the plastic mass, from which the plastic mass essentially consists, is a polyorganosiloxane (polysiloxane, silicone, [R 2 (SiO)] x ).
  • the polyorganosiloxane is the organic starting compound of the ceramic material.
  • Powdered titanium is contained in the base material. Titan is the inorganic
  • a composition of the plastic mass and a temperature at which the pyrolysis is carried out different ceramic materials are formed.
  • silicon carbide (SiC), titanium silicide (TiSi, Ti 5 Si 3 ) and / or silicon dioxide (Si0 2 ) can occur as the ceramic material.
  • a metal boride such as tantalum boride (TaB 2 ), for example, it can be achieved that almost no shrinkage occurs during the pyrolysis.
  • a dimension of a ceramic body made of the ceramic material after pyrolysis essentially corresponds to a dimension of a plastic body made of the ceramic mass before pyrolysis.
  • a flame-retardant, ceramizable plastic mass is known.
  • the plastic compound is used as the cable sheathing of a cable and ensures that the cable is maintained in the event of a fire in the cable or a fire in the vicinity of the cable. Due to a temperature increase triggered by the fire, the plastic mass pyrolyses.
  • the ceramic material that forms ensures electrical insulation of a cable core of the cable.
  • the base material of the plastic mass is a polyorganosiloxane, which functions as the organic starting compound of the ceramic material.
  • Aluminum oxide (A1 2 0 3 ) is added to the base material as the inorganic starting compound of the ceramic material.
  • the ceramic material formed by pyrolysis at a temperature of up to 1200 ° C. is, for example, mullite (A1 2 0 3 x Si0 2 ).
  • the mullite is formed, as described above, over a porous, amorphous basic structure made of silicon dioxide.
  • the pyrolysis of the ceramic mass creates a porous structure with the ceramic material. Because of the porous structure, a composite of the cable core and the ceramic material enveloping the cable core, which arises during or after a cable fire, can only be exposed to a low mechanical load. The bond can be permanently damaged by the mechanical load, so that maintaining the function of the cable in the event of thermal and mechanical load is a problem. To avoid this problem, the cable is mechanically reinforced using a reinforcing fabric.
  • the reinforcement fabric consists of a non-combustible, mineral material.
  • a plastic mass is specified, with at least one organic starting compound of at least one ceramic material and at least one inorganic starting compound of the ceramic material.
  • the plastic mass is characterized in that at least one glass material is present to form a glass ceramic having the ceramic material.
  • the use of the plastic mass for the production of a glass ceramic is specified.
  • the plastic mass acts as a preliminary stage of the ceramic material or glass ceramic.
  • Glass ceramics are mainly produced by pyrolysis of the ceramic mass.
  • the glass ceramic is the structure with the ceramic material.
  • a property of the structure, for example the mechanical resilience, can be set very variably by a glass portion of the glass ceramic become.
  • the glass ceramic leads to the fact that the mechanical resilience is given without reinforcing fabric. It is advantageously ensured that the glass material is not volatile at the temperature at which the pyrolysis takes place and is available for the formation of the glass ceramic.
  • the viscosity of the glass material in the form of glass is so low that it does not flow out of the ceramic mass.
  • an electrotechnical product is specified with the plastic mass.
  • the plastic mass is used for electrical insulation of the product.
  • the plastic mass and the electrotechnical product are a composite.
  • the product is a cable and the plastic compound is a cable sheathing of the cable.
  • the pyrolysis of the plastic mass which can be used, for example, in the event of a cable fire, creates a glass ceramic which takes over the function of the plastic mass.
  • the glass ceramic serves for the electrical insulation of the electrotechnical
  • This product can be a single component, for example a capacitor, or an entire electrical circuit.
  • the ceramic material or glass ceramic is formed at a temperature of, for example, 800 ° C. to 1200 ° C. This leads to the pyrolysis of the organic and / or inorganic starting compound of the ceramic material, a reactive intermediate (reactive intermediate) being formed. In the further course, the reactive intermediate stage becomes a kind of sintering the ceramic material is formed. In particular, several ceramic materials can occur.
  • the ceramic material is part of the glass ceramic. In addition to the ceramic material, the glass ceramic has a glass phase.
  • the organic starting compound and / or the inorganic starting compound and / or the glass material each act as a reactive filler of the plastic compound.
  • the organic starting compound is in particular an organometallic compound.
  • the organic starting compound is an organosilicon polymer such as polysilane, polycarbosilane, polysilazane or polyorganosiloxane.
  • a mixture of different polymers or a copolymer of different organometallic and non-organometallic monomers is also conceivable.
  • the organic starting compound can be polymerized or monomeric. Monomer means that the organic starting compound is uncrosslinked and polymerizes that the organic starting compound is partially or completely crosslinked.
  • the starting compound can form the base material of the plastic mass. It is also conceivable that the organic starting compound is an admixture of the base material of the plastic mass. It is also conceivable as an admixture that the organic starting compound is an organometallic salt or an organometallic complex.
  • the inorganic starting compound can already be in a reactive form.
  • the inorganic starting compound can be present as a salt or even as a ceramic material.
  • the inorganic starting compound is aluminum oxide or silicon carbide (SiC). It is also conceivable that, as with organic
  • a reactive intermediate is formed from the inorganic starting compound by supplying energy is, which reacts with the organic starting compound or the reactive intermediate from the pyrolysis of the organic starting compound.
  • the inorganic starting compound is aluminum hydroxide (Al (OH) 3).
  • Al (OH) 3 aluminum hydroxide
  • the inorganic starting compound is an organometallic salt.
  • the organometallic salt can thus act as an organic and / or inorganic starting compound.
  • a structure that only has the ceramic material can be highly porous.
  • a glass material is added to the plastic mass. The glass material is used to form a
  • the task of the glass material is to bring about a compression of the starting compounds and / or of intermediate products of the ceramic material by viscous flow even at a temperature below a formation temperature of the ceramic material.
  • the glass material can be present directly as glass. It is also conceivable that the glass material is a glass precursor from which the glass is formed during the pyrolysis of the plastic mass.
  • the glass precursor for forming the glass is, for example, an alkali or alkaline earth carbonate, a corresponding hydroxide or similar compounds. By increasing the temperature, a corresponding oxide is formed from a carbonate or hydroxide, which serves to form the glass or a glass phase of the glass ceramic.
  • the organic starting compound is a polyorganosiloxane. Pyrolysis produces silicon dioxide, for example, as a reactive intermediate. If aluminum oxide is the inorganic starting compound, pyrolysis forms the Ceramic mass in a kind of sintering from the silicon dioxide and the aluminum oxide a ceramic material in the form of an aluminum or aluminum silicate.
  • the aluminum silicate is, for example, mullite.
  • the glass material and / or the glass ceramic has a glass with a glass point (glass temperature) Tg which is higher than a decomposition temperature Tz of the organic starting compound of the ceramic material.
  • Tg glass point
  • Tz decomposition temperature
  • the glass material is, for example, a borosilicate glass with a glass point of approx. 560 ° C.
  • the organic starting compound in the form of a polyorganosiloxane has, for example, a decomposition temperature Tz of below 500 ° C.
  • the ceramic material and / or the glass ceramic has a larger specific volume and / or a larger coefficient of thermal expansion in a certain temperature range than the organic and / or inorganic starting compound of the ceramic material.
  • the basic consideration here is that the pyrolysis of a plastic is often associated with a volume contraction.
  • the volume contraction leads to an internal mechanical load, for example of the combination of cable core and cable sheathing.
  • the contraction of volume is counteracted by the formation of the ceramic material, which is associated with a volume expansion.
  • the internal mechanical load is reduced.
  • An additional advantage is obtained when the ceramic material has a high coefficient of thermal expansion. For example, increasing the temperature of kyanite can lead to a volume change of up to 14%.
  • the ceramic material and / or the inorganic starting compound of the ceramic material and / or the glass material have at least one substance which is selected from the group aluminum, barium, boron, carbon, calcium,
  • the inorganic starting compound is present in particular as an oxide. It is also conceivable that the inorganic starting compound is present as carbonate or hydroxide and is only converted into the oxidic form by the addition of energy (temperature increase). For example, the reaction of the carbonate into an oxide is endothermic. The reaction is accelerated by the supply of energy. As a result, energy is drawn from an overall system consisting of pyrolyzing plastic mass and, for example, from cable core.
  • the inorganic starting compound and the glass material are an inorganic phase of the plastic mass.
  • a proportion of the glass material in the inorganic phase is 10 vol% to 50 vol% inclusive.
  • the glass material has the inorganic starting compound of the ceramic material. It is conceivable, for example, that the inorganic starting compound is embedded in glass. The glass material thus directly participates in the formation of the ceramic material.
  • the glass material is a powder.
  • the glass material is a powder made of glass. Powder has a large reactive surface available for the formation of the glass ceramic. In addition, it can be relatively easily distributed homogeneously in the plastic mass. The pyrolysis of this plastic mass creates a homogeneous glass ceramic. Ceramic phases and glass phases of the glass ceramic are homogeneously distributed.
  • the ceramic material is a silicate.
  • the silicate is selected from the group of andalusite, celsian, cordierite, kyanite, mullite and / or sillimanite. These silicates are formed at temperatures from 1000 ° C to 1200 ° C from silicon dioxide, the decomposition product of polyorganosiloxane, and aluminum oxide. The silicates have a larger specific volume than silicon dioxide and aluminum oxide. There is a volume expansion when the silicates are formed. It is also conceivable that at a certain temperature a phase change from one ceramic material to another ceramic material takes place. This phase change can be associated with an increase in volume.
  • a (reactive) filler can also be contained in the ceramic mass, for example to reduce thermal
  • Such a filler is, for example, SiC and / or A1N. These fillers are characterized by a high coefficient of thermal conductivity.
  • the glass phase of the glass ceramic or the glass material for forming the glass ceramic is an essential component for the high mechanical strength of the structure. Before the ceramic material is formed, the starting material and / or the intermediate products of the ceramic material are compressed by viscous flow through the glass material.
  • the composition of the plastic mass can be chosen so that there is no significant change in volume during pyrolysis (zero shrinkage).
  • the volume contraction in the pyrolysis of the base material of the plastic mass is compensated for by the volume expansion in the formation of the ceramic material.
  • the plastic mass can be used as FRNC (Flame Retardant Non Corrosive) cable sheathing due to the mechanical and electrical properties of the glass ceramic that can be produced from the plastic mass.
  • FRNC Flume Retardant Non Corrosive
  • Figure 2 shows a section of a glass ceramic, which was made from 5 of the plastic mass.
  • Figure 3 shows a cross section of an electrical product with the plastic mass.
  • the plastic mass 1 has an organic compound
  • Starting compound 2 of at least one ceramic material 5 at least one inorganic starting compound 3 of ceramic material 5 and a glass material 4.
  • the glass material 4 serves to form the glass ceramic 6 with the
  • the ceramic mass 1 consists of 40 vol.% Of an organic phase 10 and 60 vol.% Of an inorganic phase 11.
  • the organic phase 10 consists of cross-linked
  • Dimethylpolysiloxane ([(CH 3 ) 2 (SiO)] x ).
  • Dimethylpolysiloxane is the base material of the ceramic mass 1 and at the same time the organic starting compound 2 of the ceramic material 5. It has a decomposition temperature Tz of less than 500 ° C.
  • the inorganic phase 11 has the following composition:
  • the borosilicate glass is the glass material 4. It has a glass point Tg of approximately 560 ° C. Silicon carbide, Aluminiumhydrox 'id and alumina are the inorganic
  • the inorganic starting compounds 3 are ground in an attritor grinding with acetone for three hours. Zirconium oxide balls are used as grinding media.
  • a powder mixture is formed from the inorganic starting compounds 3 and the glass material 4, which is dried.
  • the powder mixture is made using a double Z kneader mixed with uncrosslinked or partially crosslinked dimethylpolysiloxane with a Shore hardness of 45 to form a homogeneous mixture.
  • the plastic mass 1 is formed in a radical polymerization reaction with the aid of dicumyl peroxide as a catalyst.
  • the plastic mass 1 is used to manufacture a glass ceramic
  • the ceramic mass is heated to 1100 ° C. With pyrolysis of the plastic mass 1 or under
  • the glass ceramic 6 has the following ceramic materials 5: mullite, sillimanite and silicon dioxide.
  • the plastic mass 1 is alternatively used as electrical insulation of an electrical product in the form of a cable core 8.
  • the mixture of uncrosslinked dimethylpolysiloxane 2 and powder mixture of inorganic starting compounds 3 and glass material 4 is extruded onto the cable core 8 and crosslinked.
  • the cable 7 with the cable sheath 9 is formed from the plastic compound 1 of the cable core 8.
  • the cable 7 is used as an FRNC cable.
  • the cable sheathing 9 can be ceramic-bonded to the glass ceramic 6 while maintaining its function up to 1150 ° C.
  • Ceramicizing the plastic mass 1 leads to a glass ceramic 6, which has sufficient electrical insulation and mechanical strength. An additional aging of the composite of glass ceramic 6 and cable core 8 at 1150 ° C does not result in any further change in weight.
  • Glass ceramic 6 has the above-mentioned ceramic materials

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kunststoffmasse (1) mit mindestens einer organischen Ausgangsverbindung (2) mindestens eines keramischen Werkstoffs (5) und mindestens einer anorganischen Ausgangsverbindung (3) des keramischen Werkstoffs (5). Die Keramikmasse weist ein Glasmaterial (4) auf. Durch Pyrolyse der Kunststoffmasse ensteht eine elektrisch isolierende Glaskeramik (6) mit relativ hoher mechanischer Belastbarkeit. Die Kunststoffmasse wird als Kabelummantelung einer Kabelader eingesetzt. Mit Hilfe der Kabelummantelung ist ein Funktionserhalt des Kabels im Falle eines Brandes des Kabels gesichert.

Description

Beschreibung
Kunststoffmasse, Verwendung der Kunststoffmasse und Erzeugnis mit der Kunststoffmasse
Die Erfindung betrifft eine Kunststoffinasse mit mindestens einer organischen Ausgangsverbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einer anorganischen Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs. Neben der
Kunststoffmasse wird eine Verwendung der Kunststoffmasse und ein Erzeugnis mit der Kunststoffmasse vorgestellt.
Eine Kunststoffmasse der genannten Art ist beispielsweise aus P. Greil et al . in Advanced Composit Materials, 2n Int.
Ceram. Sei. And Technol. Congress, Orlando, 1990, Seite 43- 49, und aus DE 39 26 077 AI bekannt. Die Kunststoffmasse wird zur Herstellung eines keramischen Werkstoffs verwendet. Die Kunststoffmasse ist keramisierbar und fungiert als Vorstufe des keramischen Werkstoffs. Die Kunststoffmasse enthält ein organisches und anorganisches Ausgangsmaterial des keramischen Werkstoffs. Durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) der Kunststoffmasse bei einer Temperatur aus dem Bereich zwischen 800°C und 1200°C wird der keramische Werkstoff gebildet. Ein Basismaterial der Kunststoffmasse, aus dem die Kunststoffmasse im Wesentlichen besteht, ist ein Polyorganosiloxan (Polysiloxan, Silicon, [R2(SiO)]x). Das Polyorganosiloxan ist die organische AusgangsVerbindung des keramischen Werkstoffs. In dem Basismaterial ist pulverförmiges Titan enthalten. Titan ist die anorganische
Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs. Durch Pyrolyse der Kunststoffmasse entsteht beispielsweise der keramische Werkstoff Titankarbid (TiC) . Dabei wird zunächst ein mehr oder weniger poröses, amorphes Grundgerüst (Matrix) aus Siliziumdioxid (Si02) und/oder Siliziumoxikarbid (SiOxCγ) gebildet. Im weiteren Verlauf findet eine Art Sintern satt, wobei beispielsweise aus Siliziumoxikarbid und Titan der keramischen Werkstoff Titankarbid gebildet wird.
In Abhängigkeit von einer Zusammensetzung der Kunststoffmasse und einer Temperatur, bei der die Pyrolyse durchgeführt wird, kommt es zur Bildung unterschiedlicher keramischer Werkstoffe. Neben Titankarbid können als keramischer Werkstoff Siliziumkarbid (SiC) , Titansilizid (TiSi, Ti5Si3) und/oder Siliziumdioxid (Si02) auftreten. Durch Zugabe beipielsweise eines Metallborids wie Tantalborid (TaB2) kann erreicht werden, dass es im Verlauf der Pyrolyse zu nahezu keiner Schwindung (zero shrinkage) kommt. Ein Ausmaß eines Keramikkörpers aus dem keramischen Werkstoff nach der Pyrolyse entspricht im Wesentlichen einem Ausmaß eines Kunststoffkörpers aus der Keramikmasse vor der Pyrolyse.
Aus EP 0 708 455 AI ist eine flammwidrige, keramisierbare Kunststoffmasse bekannt. Die Kunststoffmasse wird als Kabelummantelung eines Kabels eingesetzt und bewirkt eine Funktionserhaltung des Kabels im Falle eines Brandes des Kabels oder eines Brandes in einer Umgebung des Kabels. Aufgrund einer durch den Brand ausgelösten Temperaturerhöhung kommt es zur Pyrolyse der Kunststoffmasse. Der sich dabei bildende keramische Werkstoff sichert eine elektrische Isolierung einer Kabelader des Kabels. Das Basismaterial der Kunststoffmasse ist ein Polyorganosiloxan, das als organische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs fungiert. Als anorganische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs ist dem Basismaterial Aluminiumoxid (A1203) beigemengt. Der durch die Pyrolyse bei einer Temperatur von bis zu 1200°C gebildete keramische Werkstoff ist beispielsweise Mullit (A1203 x Si02) . Die Bildung des Mullits erfolgt, wie oben beschrieben, über ein poröses, amorphes Grundgerüst aus Siliziumdioxid.
Aufgrund der verwendeten organischen und anorganischen Ausgangsverbindungen und aufgrund einer Bildungsweise des keramischen Werkstoffs entsteht bei der Pyrolyse der Keramikmasse ein poröses Gefüge mit dem keramischen Werkstoff. Aufgrund des porösen Gefüges ist ein während oder nach einem Kabelbrand entstehender Verbund aus der Kabelader und dem die Kabelader umhüllenden keramischen Werkstoff nur einer geringen mechanischen Belastung aussetzbar. Der Verbund kann durch die mechanische Belastung nachhaltig geschädigt werden, so dass eine Funktionserhaltung des Kabels bei thermischer und mechanischer Belastung ein Problem darstellt. Um dieses Problem zu umgehen, ist das Kabel mit Hilfe eines Verstärkungsgewebes mechanisch verstärkt. Das Verstärkungsgewebe besteht aus einem nicht brennbaren, mineralischen Werkstoff.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kunststoffmasse anzugeben, die bei Pyrolyse der Kunststoffmasse ein Gefüge mit einem keramischen Werkstoff bildet, das eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte mechanische Belastbarkeit aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kunststoffmasse angegeben, mit mindestens einer organischen Ausgangsverbindung mindestens eines keramischen Werkstoffs und mindestens einer anorganischen AusgangsVerbindung des keramischen Werkstoffs. Die Kunststoffmasse ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Glasmaterial zur Bildung einer den keramischen Werkstoff aufweisenden Glaskeramik vorhanden ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der Kunststoffmasse zur Herstellung einer Glaskeramik angegeben. Die Kunststoffmasse fungiert als Vorstufe des keramischen Werkstoffs beziehungsweise der Glaskeramik. Die Herstellung der Glaskeramik erfolgt vornehmlich durch Pyrolyse der Keramikmasse. Die Glaskeramik ist das Gefüge mit dem keramischen Werkstoff. Eine Eigenschaft des Gefüges, beispielsweise die mechanische Belastbarkeit, kann durch einen Glasanteil der Glaskeramik sehr variabel eingestellt werden. Die Glaskeramik führt dazu, dass die mechanische Belastbarkeit ohne Verstärkungsgewebe gegeben ist. Dabei ist vorteilhaft dafür gesorgt, dass das Glasmaterial bei der Temperatur, bei der die Pyrolyse statt findet, nicht flüchtig ist und zur Bildung der Glaskeramik zur Verfügung steht.
Beispielsweise ist eine Viskosität des Glasmaterials in Form von Glas so niedrig, dass es nicht aus der Keramikmasse fließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrotechnisches Erzeugnis mit der Kunststoffmasse angegeben. Die Kunststoffmasse dient einer elektrischen Isolierung des Erzeugnisses. Die Kunststoffmasse und das elektrotechnische Erzeugnis sind ein Verbund. Insbesondere ist dabei das Erzeugnis ein Kabel und die Kunststoffmasse eine Kabelummantelung des Kabels. Durch die Pyrolyse der Kunststoffmasse, die beispielsweise im Falle eine Brandes des Kabels einsetzen kann, entsteht eine Glaskeramik, die die Funktion der Kunststoffmasse übernimmt. Die Glaskeramik dient der elektrischen Isolierung des elektrotechnischen
Erzeugnisses. Dadurch, dass die Glaskeramik mechanisch belastbar ist, ist auch eine mechanische Stabilität des Verbundes aus elektrotechnischem Erzeugnis und elektrischer Isolierung sichergestellt. Im Übrigen ist jedes elektrotechnische Erzeugnis vorstellbar, dessen
Funktionserhaltung auch im Falle eines Brandes sicher gestellt sein muss. Diese Erzeugnis kann ein einzelnes Bauteil, beispielsweise ein Kondensator, oder auch eine ganze elektrische Schaltung sein.
Bei einer Temperatur von beispielsweise 800°C bis 1200°C wird der keramische Werkstoff beziehungsweise die Glaskeramik gebildet. Dabei kommt es zur Pyrolyse der organischen und/oder anorganischen AusgangsVerbindung des keramischen Werkstoffs, wobei eine reaktive Zwischenstufe (reaktives Zwischenprodukt) gebildet wird. Aus der reaktiven Zwischenstufe wird im weiteren Verlauf in einer Art Sinterung der keramische Werkstoff gebildet. Dabei können insbesondere mehrere keramische Werkstoffe auftreten. Der keramische Werkstoff ist ein Bestandteil der Glaskeramik. Die Glaskeramik weist neben dem keramischen Werkstoff eine Glasphase auf.
Die organische Ausgangsverbindung und/oder die anorganische Ausgangsverbindung und/oder das Glasmaterial fungieren jeweils als reaktiver Füllstoff der Kunststoffmasse. Die organische Ausgangs erbindung ist insbesondere eine metallorganische Verbindung. Beispielsweise ist die organische Ausgangsverbindung ein siliziumorganisches Polymer wie Polysilan, Polycarbosilan, Polysilazan oder Polyorganosiloxan. Denkbar ist auch eine Gemenge verschiedener Polymere oder ein Copolymerisat aus verschiedenen metallorganischen und nicht-metallorganischen Monomeren. Die organische Ausgangsverbindung kann polymerisiert oder monomer vorliegen. Monomer bedeutet, dass die organische Ausgangsverbindung unvernetzt, und polymerisiert, dass die organische AusgangsVerbindung teil- oder vollständig vernetzt ist. Die organische
Ausgangsverbindung kann das Basismaterial der Kunststoffmasse bilden. Denkbar ist auch, dass die organische Ausgangsverbindung eine Beimengung des Basismaterials der Kunststoffmasse ist. Als Beimengung ist insbesondere auch denkbar, dass die organische Ausgangsverbindung ein metallorganisches Salz oder ein metallorganischer Komplex ist.
Die anorganische Ausgangsverbindung kann bereits in einer reaktiven Form vorliegen. Die anorganische AusgangsVerbindung kann als Salz oder selbst als keramischer Werkstoff vorliegen. Beispielsweise ist die anorganische Ausgangsverbindung Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid (SiC) . Denkbar ist auch, dass, wie bei der organischen
Ausgangsverbindung, aus der anorganischen Ausgangsverbindung durch Zufuhr von Energie eine reaktive Zwischenstufe gebildet wird, die mit der organischen Ausgangs erbindung oder der reaktiven Zwischenstufe aus der Pyrolyse der organischen Ausgangsverbindung reagiert. Beispielsweise ist die anorganische Ausgangsverbindung Aluminiumhydroxid (AI (OH) 3) . Durch Energiezufuhr entsteht aus Aluminiumhydroxid unter Abspaltung von Wasser Aluminiumoxid. Denkbar ist auch, dass die anorganische Ausgangsverbindung ein metallorganisches Salz ist. Das metallorganische Salz kann somit als organische und/oder anorganische Ausgangsverbindung wirken.
Wie eingangs beschrieben, kann ein Gefüge, das nur den keramischen Werkstoff aufweist, hoch porös sein. Um eine ausreichende mechanische Stabilität des Gefüges zu gewährleisten, ist der Kunststoffmasse ein Glasmaterial beigemengt. Das Glasmaterial dient der Bildung einer
Glaskeramik mit dem keramischen Werkstoff. Das Glasmaterial hat die Aufgabe, bereits bei einer Temperatur unter einer Bildungstemperatur des keramischen Werkstoffs eine Verdichtung der Ausgangsverbindungen und/oder von Zwischenprodukten des keramischen Werkstoffs durch viskoses Fließen zu bewirken.
Das Glasmaterial kann direkt als Glas vorliegen. Denkbar ist aber auch, dass das Glasmaterial eine Glasvorstufe ist, aus der während der Pyrolyse der Kunststoffmasse das Glas gebildet wird. Die Glasvorstufe zur Bildung des Glases ist beispielsweise ein Alkali- oder Erdalkalicarbonat, ein entsprechendes Hydroxid oder ähnliche Verbindungen. Durch Temperaturerhöhung wird aus einem Carbonat oder Hydroxid ein entsprechendes Oxid gebildet, das der Bildung des Glases bzw. einer Glasphase der Glaskeramik dient.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die organische Ausgangs erbindung ein Polyorganosiloxan. Durch Pyrolyse entsteht als reaktive Zwischenstufe beispielsweise Siliziumdioxid. Ist Aluminiumoxid die anorganische Ausgangsverbindung, bildet sich bei der Pyrolyse der Keramikmasse in einer Art Sinterung aus dem Siliziumdioxid und dem Aluminiumoxid ein keramischer Werkstoff in Form eines Alumo- oder Aluminiumsilikats. Das Aluminiumsilikat ist beispielsweise Mullit.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Glasmaterial und/oder die Glaskeramik ein Glas auf mit einem Glaspunkt (Glastemperatur) Tg, der höher ist als eine Zersetzungstemperatur Tz der organischen Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs. Bei einer Temperatur über dem Glaspunkt ist das Glas viskoelastisch und bei einer Temperatur unter dem Glaspunkt sprödelastisch. Das Glasmaterial ist beispielsweise ein Borosilikatglas mit einem Glaspunkt von ca. 560°C. Die organische Ausgangsverbindung in Form eines Polyorganosiloxans hat beispielsweise eine Zersetzungstemperatur Tz von unter 500 °C.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der keramische Werkstoff und/oder die Glaskeramik in einem bestimmen Temperaturbereich ein größeres spezifisches Volumen und/oder einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, als die organische und/oder anorganische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs. Die grundlegende Überlegung dabei ist, dass vielfach die Pyrolyse eines Kunststoffs mit einer Volumenkontraktion verbunden ist. Die Volumenkontraktion führt zu einer inneren mechanischen Belastung beispielsweise des Verbundes aus Kabelader und Kabelummantelung. Der Volumenkontraktion wirkt die Bildung des keramischen Werkstoffs entgegen, die mit einer Volumenexpansion verbunden ist. Die innere mechanische Belastung wird reduziert. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dann, wenn der keramische Werkstoff einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Beispielsweise kann es durch Temperaturerhöhung bei Kyanit zu einer Volumenänderung von bis zu 14% kommen. Dies trägt zu einer zusätzlichen Stabilisierung des Verbundes aus Kabelader und Kabelummantelung bzw. der Isolierung der Kabelader bei. Insbesondere weisen der keramische Werkstoff und/oder die anorganische AusgangsVerbindung des keramischen Werkstoffs und/oder das Glasmaterial zumindest einen Stoff auf, der aus der Gruppe Aluminium, Barium, Bor, Kohlenstoff, Kalzium,
Kalium, Magnesium, Natrium, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium und/oder Zirkon ausgewählt ist. Die anorganische AusgangsVerbindung liegt dabei insbesondere als Oxid vor. Denkbar ist auch, dass die anorganische Ausgangsverbindung als Carbonat oder Hydroxid vorliegt und durch Zufuhr von Energie (Temperaturerhöhung) erst in die oxidische Form überführt wird. Beispielsweise verläuft die Reaktion des Carbonats in ein Oxid endotherm. Die Reaktion wird durch Zufuhr von Energie beschleunigt. Dadurch wird einem Gesamtsystem, bestehend aus pyrolysierender Kunststoffmasse und beispielsweise aus Kabelader, Energie entnommen. Eine Beimengung eines Carbonats oder Hydroxids, das jeweils nicht notwendigerweise an der Bildung des keramischen Werkstoffs beteiligt sein uss, hat zudem den Vorteil, dass in einem Niedertemperaturbereich, also einem Bereich unterhalb der Temperatur, bei der keramische Werkstoff gebildet wird, die Brennbarkeit der Kunststoffmasse reduziert und damit die thermische Stabilität der Kabelummantelung erhöht werden kann.
In einer besonderen Ausgestaltung sind die anorganische AusgangsVerbindung und das Glasmaterial eine anorganische Phase der Kunststoffmasse. Ein Anteil des Glasmaterials an der anorganischen Phase ist einschließlich 10 Vol.% bis einschließlich 50 Vol.%.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Glasmaterial die anorganische Ausgangsverbindung des keramischen Werkstoffs auf. Denkbar ist beispielsweise, dass die anorganische Ausgangsverbindung in Glas eingelagert ist. Das Glasmaterial nimmt somit direkt an der Bildung des keramischen Werkstoffs teil. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Glasmaterial ein Pulver. Insbesondere ist das Glasmaterial ein Pulver aus Glas. Pulver weist eine große, zur die Bildung der Glaskeramik zur Verfügung stehende, reaktive Oberfläche auf. Außerdem kann es relativ einfach in der Kunststoffmasse homogen verteilt werden. Durch Pyrolyse dieser Kunststoffmasse entsteht eine homogene Glaskeramik. Keramische Phasen und Glasphasen der Glaskeramik liegen homogen verteilt vor.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der keramische Werkstoff ein Silikat. Insbesondere ist das Silikat aus der Gruppe Andalusit, Celsian, Cordierit, Kyanit, Mullit und/oder Sillimanit ausgewählt. Diese Silikate werden bei Temperaturen von 1000°C bis zu 1200°C aus Siliziumdioxid, dem Zersetzungsprodukt von Polyorganosiloxan, und Aluminiumoxid gebildet. Die Silikate weisen ein größeres spezifisches Volumen auf, als Siliziumdioxid und Aluminiumoxid. Es kommt bei der Bildung der Silikate zu einer Volumenexpansion. Zudem ist denkbar, dass bei einer bestimmten Temperatur eine Phasenumwandlung von einem keramischen Werkstoff in einer anderen keramischen Werkstoff stattfindet. Diese Phasenumwandlung kann mit einer Volumenvergrößerung verbunden sein.
Neben der organischen Ausgangsverbindung, der anorganischen AusgangsVerbindung und dem Glasmaterial kann auch ein (reaktiver) Füllstoff in der Keramikmasse enthalten sein, der beispielsweise zu einer Verminderung einer thermischen
Belastung des Verbundes aus Kabelummantelung und Kabelader im Brandfall führt. Ein derartiger Füllstoff ist beispielsweise SiC und/oder A1N. Diese Füllstoffe zeichnen sich durch einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aus.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wichtige Vorteile: • Aufgrund der Zusammensetzung der Kunststoffmasse ist bei der Pyrolyse der Kunststoffmasse eine Glaskeramik (Gefüge) zugänglich, das einer relativ hohen mechanischen Belastung aussetzbar ist.
• Wesentlicher Bestandteil für die hohe mechanische Belastbarkeit des Gefüges ist die Glasphase der Glaskeramik beziehungsweise das Glasmaterial zur Bildung der Glaskeramik. Vor der Bildung des keramischen Werkstoffs findet durch das Glasmaterial eine Verdichtung der Ausgangsverbindungen und/oder der Zwischenprodukte des keramischen Werkstoffs durch viskoses Fließen statt.
• Die Zusammensetzung der Kunststoffmasse kann dabei so gewählt werden, dass es während der Pyrolyse in der Summe zu keiner wesentlichen Volumenänderung kommt (zero shrinkage) . Die Volumenkontraktion bei der Pyrolyse des Basismaterials der Kunststoffmasse wird durch die Volumenexpansion bei der Bildung des keramischen Werkstoffs ausgeglichen.
• Die Kunststoffmasse kann aufgrund der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der aus der Kunststoffmasse herstellbaren Glaskeramik als FRNC (Flame Retardant Non Corrosive) Kabelummantelung verwendet werden. Im Falle eines Brandes, bei dem beispielsweise über 1000°C auftreten können, ist die Funktionserhaltung des Kabels gesichert.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Kunststoffmasse, die Verwendung der Kunststoffmasse und ein elektrotechnisches Erzeugnis mit der Kunststoffmasse näher beschrieben. Die zugehörigen Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Kunststoffmasse.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer Glaskeramik, die aus 5 der Kunststoffmasse hergestellt wurde.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines elektrotechnisches Erzeugnis mit der Kunststoffmasse.
10 Die Kunststoffmasse 1 verfügt über eine organischen
Ausgangsverbindung 2 mindestens eines keramischen Werkstoffs 5, mindestens eine anorganische Ausgangsverbindung 3 des keramischen Werkstoffs 5 und ein Glasmaterial 4. Das Glasmaterial 4 dient der Bildung der Glaskeramik 6 mit dem
1.5 keramischen Werkstoff 5.
Die Keramikmasse 1 besteht zu 40 Vol.% aus einer organischen Phase 10 und zu 60 Vol.% aus einer anorganischen Phase 11. Die organische Phase 10 besteht aus vernetztem
20 Dimethylpolysiloxan ( [ (CH3) 2 (SiO) ]x) . Dimethylpolysiloxan ist das Basismaterial der Keramikmasse 1 und gleichzeitig die organische Ausgangsverbindung 2 des keramischen Werkstoffs 5. Es hat eine Zersetzungstemperatur Tz von unter 500°C. Die anorganische Phase 11 weist folgende Zusammensetzung auf:
25 Siliziumkarbid (20 Vol.%), Aluminiumhydroxid (30 Vol.%),
Aluminiumoxid (20 Vol.%) und Borosilikatglas (30 Nol . % ) . Das Borosilikatglas ist das Glasmaterial 4. Es hat einen Glaspunkt Tg von etwa 560°C. Siliziumkarbid, Aluminiumhydrox'id und Aluminiumoxid sind die anorganischen
30 Ausgangsverbindungen 3 des keramischen Werkstoffs 5.
Zur Herstellung der Keramikmasse 1 werden die anorganischen Ausgangsverbindungen 3 in einer Attritormahlung mit Aceton drei Stunden gemahlen. Als Mahlmedium fungieren Zirkonoxid- 35 Kugeln. Es entsteht eine Pulvermischung aus den anorganischen Ausgangs erbindungen 3 und dem Glasmaterial 4, die getrocknet wird. Die Pulvermischung wird mittels eines Doppel-Z-Kneters mit unvernetztem beziehungsweise teilvernetztem Dimethylpolysiloxan einer Shore-Härte 45 zu einem homogenen Gemenge vermischt. In einer radikalischen Polymerisationsreaktion wird unter Zuhilfenahme von Dicumylperoxid als Katalysator aus dem Gemenge die Kunststoffmasse 1 gebildet.
Die Kunststoffmasse 1 wird zur Herstellung einer Glaskeramik
4 verwendet. Dabei wird die Keramikmasse auf 1100°C erhitzt. Unter Pyrolyse der Kunststoffmasse 1 beziehungsweise unter
Pyrolyse der organischen Ausgangsverbindung 2 und nachfolgender Sinterung bildet sich die Glaskeramik 6. Die Glaskeramik 6 weist folgende keramische Werkstoffe 5 auf: Mullit, Sillimanit und Siliziumdioxid.
Die Kunststoffmasse 1 wird alternativ dazu als elektrische Isolierung eines elektrotechnischen Erzeugnisses in Form einer Kabelader 8 verwendet. Dazu wird das Gemenge aus unvernetztem Dimethylpolysiloxan 2 und Pulvermischung aus anorganischen Ausgangsverbindungen 3 und Glasmaterial 4 auf die Kabelader 8 extrudiert und vernetzt. Es entsteht das Kabel 7 mit der Kabelummantelung 9 aus der Kunststoffmasse 1 der Kabelader 8. Das Kabel 7 wird als FRNC-Kabel eingesetzt. Die Kabelummantelung 9 lässt sich unter Funktionserhaltung bis 1150°C formstabil zur Glaskeramik 6 keramisieren. Das
Keramisieren der Kunststoffmasse 1 führt zu einer Glaskeramik 6, die eine ausreichende elektrische Isolierfähigkeit und mechanische Belastbarkeit aufweist. Eine zusätzliche Auslagerung des Verbundes aus Glaskeramik 6 und Kabelader 8 bei 1150°C ergibt keine weitere Gewichtsveränderung. Die
Glaskeramik 6 weist die oben genannten keramischen Werkstoffe
5 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Kunststoffmasse (1) mit mindestens einer organischen Ausgangsverbindung (2) mindestens eines keramischen Werkstoffs (5) und mindesten einer anorganischen Ausgangsverbindung (3) des keramischen Werkstoffs (5), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Glasmaterial (4) zur Bildung einer den keramischen Werkstoff (5) aufweisenden Glaskeramik (6) vorhanden ist.
2. Kunststoffmasse nach Anspruch 1, wobei die organische Ausgangsverbindung (2) ein Polyorganosiloxan aufweist.
3. Kunststoffmasse Anspruch 1 oder 2, wobei das Glasmaterial (4) und/oder die Glaskeramik (6) ein Glas aufweist mit einem Glaspunkt Tg, der höher ist als eine Zersetzungstemperatur Tz der organischen AusgangsVerbindung (2) des keramischen Werkstoffs (5) .
4. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der keramische Werkstoff (5) und/oder die Glaskeramik (6) in einem bestimmten Temperaturbereich ein größeres spezifisches Volumen und/oder einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, als die organische (2) und/oder die anorganische Ausgangsverbindung (3) des keramischen Werkstoffs (5) .
5. Kunststoffmasse einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der keramische Werkstoff (5) und/oder die anorganische AusgangsVerbindung (3) des keramischen Werkstoffs (5) und/oder das Glasmaterial (4) zumindest einen Stoff aufweist, der aus der Gruppe AI, Ba, B, C, Ca, K, Mg, Na, N, 0, Si und/oder Zr ausgewählt ist.
6. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die anorganische Ausgangsverbindung (3) und das Glasmaterial (4) eine anorganische Phase (11) der Kunststoffmasse (1) sind und ein Anteil des Glasmaterials (4) an der anorganischen Phase (11) einschließlich 10 Vol.% bis einschließlich 50 Vol.% ist.
7. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Glasmaterial (4) die anorganische AusgangsVerbindung (3) des keramischen Werkstoffs (5) aufweist.
8. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Glasmaterial (4) ein Pulver ist.
9. Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der keramische Werkstoff (5) ein Silikat ist.
10. Kunststoffmasse nach Anspruch 9, wobei das Silikat aus der Gruppe Andalusit, Celsian, Cristoballit, Cordierit, Kyanit, Mullit und/oder Sillimanit ausgewählt ist.
11. Verwendung der Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung einer Glaskeramik (6) .
12. Elektrotechnisches Erzeugnis mit einer Kunststoffmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur elektrischen Isolierung des Erzeugnisses.
13. Erzeugnis nach Anspruch 12, wobei das Erzeugnis eine Kabelader (8) eines Kabels (7) und die Kunststoffmasse (1) eine Kabelummantelung (9) des Kabels (7) ist.
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