EP3688063A1 - Imprägnierharzmischung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an impregnating resin mixture and its use
- the insulation system in high voltage devices e.g. Engines or generators, the task of electrically insulating components such as wires, coils or rods permanently against each other and electrically isolate against the stator core or the environment.
- the insulation is usually done in such a way that the conductor to be insulated with an insulating tape, e.g. Mica tape that is wrapped so that the effects of
- an insulating tape eg mica tape
- a mica paper which has often been prepared from a mica pulp (containing muscovite and phlogopite) by means of a binder, with a solid carrier tape, such as fabric, nonwoven or film of eg glass, rock wool, polyester or polyimide glued by means of an adhesive.
- the adhesives used are resin compositions which have a high strength at room temperature to ensure the mica and support bonding and which at elevated temperatures (60 ° C-150 ° C) become liquid. This ensures its application as a liquid adhesive at elevated temperature or in admixture with a volatile solvent.
- the adhesive After cooling or removal of the solvent, the adhesive is in a solid but flexible form and thus allows safe wrapping of the conductive part with the mica tape at Room temperature, wherein the adhesive properties of the adhesive prevent delamination of the mica paper comes from the substrate.
- the adhesive contains an epoxy resin as a resin component, which is well suited for this purpose due to its conductivity characteristics.
- the adhesive has an accelerator component which serves to initiate the curing process of the subsequently applied impregnating resin based on epoxy resin (eg anhydride curing), with only specifically selected accelerators being suitable for this, since premature curing on the mica tape, for example during storage of the Mica tape or during the impregnation had to be avoided.
- This composite is then impregnated with an impregnating resin, preferably in a vacuum pressure impregnation (VPI) process.
- an impregnating resin preferably in a vacuum pressure impregnation (VPI) process.
- VPI vacuum pressure impregnation
- Epoxy Resin Based Carboxylic Anhydrides e.g. Hexahydrophthalic anhydride (HHPA) or methylhexahydrophthalic anhydride (MHHPA), which in turn are suspected to be harmful to health, so this from the
- an impregnating resin mixture having the following composition: a) at least one epoxy resin component selected from the group of
- impregnating resin mixture contains no carboxylic acid anhydrides.
- the impregnating resin mixture according to the invention exhibits a low viscosity, which is required in particular for the VPI process and which is comparable with impregnating resin mixtures containing carboxylic anhydrides and good storage stability.
- glass transition temperatures> 120 ° C can be achieved, whereby a premature start of cure is avoided in the impregnating.
- epoxy resins one or more components selected from the group of the bisphenol A and / or F based polyepoxides and those prepared therefrom
- Advancement resins based on epoxidized halogenated bisphenols and / or epoxidized novolaks and / or polyepoxide esters based on phthalic acid, hexahydrophthalic acid or based on terephthalic acid, epoxidized
- resin components e.g. epoxidized phenol novolaks (condensation product of phenol and, for example, formaldehyde and / or glyoxal), epoxidized cresol novolaks, bisphenol A based polyepoxides (eg also bisphenol A product and tetraglycidylmethylenediamine), epoxidized halogenated bisphenols (e.g. Polyepoxides based on tetrabromobisphenol A) and / or polyepoxides based on bisphenol F and / or epoxidized novolak and / or epoxy resins based on
- Triglycidyl isocyanurates used as cyclic epoxy resins.
- cyclic epoxy resins the diepoxides of cycloaliphatic esters of dicarboxylic acids, e.g.
- the epoxy equivalent of all these resins is preferably 100 to 2000 g / eq.
- the impregnating resin mixture according to the invention contains lactones.
- Epoxy resin blends containing lactones are known in the art.
- US 3,294,743 and US 3,382,210 disclose corresponding mixtures.
- the mixtures disclosed therein contain as a curing catalyst
- Carboxylic anhydrides and / or BF 3 CompJexe have been found that the Use of BF3 complexes in the VPI process is not suitable because it cures at lower temperatures and thus already in the impregnating bath. Furthermore, should be dispensed with the use of carboxylic anhydrides for the above reasons.
- lactones are meant heterocyclic compounds which contain within the molecule an ester bond, i. H. an oxygen bridge directly at the same
- the lactones also include derivatives whose lactone ring is unsaturated or contains other heteroatoms.
- Preferably used lactone is the ⁇ -caprolactone due to its commercial availability.
- the lactones act at a concentration of 2 to 30 wt.% In the
- Copolymerization built into the polymer network and thus can not develop volatile polluted substances.
- the impregnating resin mixture according to the invention contains from 2 to 30% by weight of lactones. At ⁇ 2% by weight, the viscosity for processing is still too high, at proportions> 30% by weight of lactone is the
- TG Glass transition temperature of the mixture too low.
- Particularly preferred is the use of 5 to 20 wt.% Lactone, since in this case an optimal adjustment between viscosity and glass transition temperature of the mixture and also the vapor pressure of the lactone is achieved.
- the impregnating resin mixture according to the invention contains the
- BCl 3 and / or BCl 3 complexes have the advantages, in particular with regard to other boron halide complexes known from the prior art, such as BF 3 compounds, that they have a sufficient latency.
- BF 3 compounds boron halide complexes known from the prior art, such as BF 3 compounds.
- the reactivity of, for example, BF 3 compounds is too high, in particular for the VPI process, so that the usual temperatures prevailing there would lead to the impregnation bath becomes unstable and a uniform impregnation process is disturbed due to incipient hardening in the impregnating bath.
- imidazoles have the advantage that they can advantageously be low and thus efficiently metered (preferably between 0.2 and 4% by weight) and nevertheless bring about an excellent glass transition temperature (Tg), which corresponds to the
- Cured resin gives the desired network density.
- Unsubstituted or substituted alkyl or else phenylimidazoles can be used as imidazoles. Examples which may be mentioned are 2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, the use of unsubstituted 2-phenylimidazole being particularly preferred.
- the concentration of BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound from the group of imidazoles is preferably from 0.2 to 8% by weight, again preferably from BCl 3 and / or BCl 3 complexes from 0.5 to 6 Wt.%, And - as already mentioned, especially with imidazoles preferred - 0.2 and 4 wt.% Based on the sum of
- Epoxy resin components The concentration depends on the combination of the epoxy resin components used and the selection of BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound from the group of imidazoles.
- the impregnating resin mixture according to the invention may optionally contain other additives, e.g. Processing aids or wetting agents used to control surface tension.
- processing aids or wetting agents used to control surface tension.
- hardening ingredients such as e.g. Polyols such as Polypropyleneglycole for flexibilization but wholly on the
- the advantage of the impregnating resin mixture according to the invention is that the viscosity is optimally adjusted by the addition of the lactone acting as a reactive diluent although resin and a hardening component are present in the blend at processing temperatures of 40 to 80 ° C. At the same time, it was possible to dispense with the use of hazardous substances such as carboxylic anhydrides. It is thus a stable at higher temperatures
- the impregnating resin mixture according to the invention should preferably be used for the insulation of medium and high-voltage devices, in particular generators and motors. It can generally be for any
- Impregnation method are used, however, the use in the VPI method is preferred.
- the impregnating resin mixture according to the invention is used as impregnating resin, wherein the conductor to be insulated can be wrapped with or without insulating tape.
- the impregnating resin mixture according to the invention for coating fibers, fabrics, layers, knitted fabrics and. ⁇ .
- From organic or inorganic materials, such as aramid, polyamide, polyester, glass, stone, metal or carbon for the production of corresponding composites in various processes such as RTM, SMC, filament winding is used for example in the
- Impregnating resin mixture for producing an insulation of a conductor to be insulated for a method comprising the following steps is used:
- composition comprising at least one epoxy resin component or novolak, the novolak having a molecular weight of from 250 to 1000 g / mol, and b ) BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound selected from the group of imidazoles and c) optionally contains further additives,
- Impregnating resin mixture comprising the following constituents: d) at least one epoxy resin component selected from the group of the bisphenol A and / or F-based polyepoxides and advancement resins prepared therefrom, based on epoxidized halogenated bisphenols and / or epoxidized novolaks and / or polyepoxide esters on the basis of phthalic acid, hexahydrophthalic acid or based on terephthalic acid, epoxidized polyaddition products of dicyclopentadiene and phenol or cycloaliphatic compounds, e) as reactive diluent 2 to 30 wt.% Lactones based on the sum of the epoxy resin components and f) optionally further additives, wherein the composition of the insulating tape and the
- Impregnating resin mixture has no carboxylic acid anhydrides.
- the composition used according to the invention for the method is used as an adhesive between the non-conductive material, preferably mica, on the reinforcing layer, ie the carrier tape, which is preferably formed from a woven, knitted fabric or film made of glass and / or rock wool and / or polyimides and / or polyester and / or quartz applied in a conventional manner by means of spraying, brushing or doctoring.
- the insulating tape contains 5 to 20 wt.% Of the composition based on the total mass (carrier tape, non-conductive material, adhesive).
- the epoxy resins used for the insulating tape composition are known from the prior art, which in turn preferably already for the
- Impregnating resin mixture mentioned polymers namely one or more
- Epoxy resin components selected from the group of the polyepoxides based on bisphenol A and / or F and advancement resins produced therefrom, based on epoxidized halogenated bisphenols and / or epoxidized novolaks and / or polyepoxide esters based on phthalic acid, hexahydrophthalic acid or on the basis of Terephthalic acid, epoxidized polyaddition products of dicyclopentadiene and phenol or cycloaliphatic compounds can be used.
- novolaks instead of epoxy resin components for the production of the mica tape.
- These are known from the prior art. They are prepared by condensation of a substituted or unsubstituted phenol with an aldehyde, wherein the obtained novolak a
- novolaks used according to the invention are e.g. under the name Bakelite * PH 8505 (product of Hexion GmbH).
- Impregnating resin mixture located epoxy resin can be used.
- the composition of the insulating tape for the inventive use BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound selected from the group of imidazoles, preferably 1 to 30 wt.%, Again preferably 3 to 30 wt.%, Based on the mass of the epoxy resin component or of the novolak.
- Compounds cause the start of the homopolymerization of the impregnating resin mixture and accelerate the curing process of all impregnated layers, whereby the curing time can be optimized.
- composition of the insulating tape may optionally contain further additives, such as e.g. Processing aids (e.g., solvents such as e.g.
- the composition advantageously contains by way of example 50-90% by weight of an epoxy resin component or a novolak, 1-30% by weight of BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound selected from the group of imidazoles and 0-49% by weight. % other additives, based on the total mass of all components of the
- the insulating tape coated with the composition is wound around the conductor to be insulated.
- Impregnating process soaked in the heated (about 40-80 ° C) impregnating resin mixture the a) at least one epoxy resin selected from the group of polyepoxides based on bisphenol A and / or F and advancement resins produced therefrom, based on epoxidized
- Epoxy resin component, lactones and additives are also used.
- the combination of the insulating tape comprising at least one epoxy resin component or a novolak and BCl 3 and / or BCl 3 complexes and / or a compound selected from the group of imidazoles with the impregnating resin, the at least one Epoxidharzkomponente and as Reaktiwerschreibner 2 to 30
- Wt.% Lactones contains, for a process for the preparation for the isolation of a conductor can be dispensed with the use of health hazardous carboxylic acid anhydrides.
- the impregnating resin mixture has the desired viscosity and latency to ensure a good impregnation of the wound with the insulating tape conductor.
- step (III) is carried out under vacuum (VPI method), whereby an almost complete impregnation of the composite of the wound with insulating tape conductor is ensured with the impregnating resin mixture. After impregnation usually completes a cure in one
- Drying oven in a temperature range of 80 oC to 180 oC, depending on the impregnating resin used.
- Table 2 shows that the viscosity of the mixture at 40 ° C with BF 3 -lsopropylamin within 7 days increases significantly more than the viscosity of the mixture at 40 ° C with BCl 3 - dimethyloctylamine.
- impregnating resin mixtures with BCl 3 -dimethyloctylamine have a significantly lower viscosity over a long period of time than mixtures with BF 3 -isopropylamine, which, although containing resin and hardener, brings about an advantage in terms of storage stability of the impregnating resin mixture.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Imprägnierharzmischung und deren Verwendung, insbesondere zur Isolation von elektrischer» Bauteilen. Um geeignete Mischungen bereitzustellen, die insbesondere bei der Herstellung der Isolation von Mittel- und Hochspannungsvorrichtungen im VPI-Verfahren eingesetzt, den Einsatz üblicher Härter, insbesondere Carbonsäureanhydride, vermeiden, wird eine Imprägnierharzmischung mit folgender Zusammensetzung vorgeschlagen: a) zumindest eine Epoxidharikomponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergesteilte Advancementharze, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen, b) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der Epoxidharzkomponenten, c) BCI3 und/oder BCI3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole und d) ggf. weitere Zusatzstoffe enthält, wobei die Imprägnierharzmischung keine Carbonsäurenanhydride enthält.
Description
Imprägnierharzmischung
Die Erfindung betrifft eine imprägnierharzmischung und deren Verwendung,
insbesondere zur Isolation von elektrischen Bauteilen.
Das Isoliersystem in Hochspannungsvorrichtungen, wie z.B. Motoren oder Generatoren, hat die Aufgabe, elektrisch leitende Bestandteile wie Drähte, Spulen oder Stäbe dauerhaft gegeneinander und gegen das Ständerblechpaket oder die Umgebung elektrisch zu isolieren.
Die Isolierung erfolgt in der Regel in der Art, dass der zu isolierende Leiter mit einem Isolierband, z.B. Glimmerband, umwickelt wird, damit den Auswirkungen von
Teilentladungen die aufgrund von lawinenartigen Ladungswanderungen auftreten, die letztendlich zum elektrischen Durchschlag des Isolators führen können, entgegengewirkt wird.
Bei einem Isolierband (z.B. Glimmerband) wird ein Glimmerpapier, das häufig aus einer Glimmerpulpe (enthaltend Muskovit und Phlogopit) mittels eines Bindemittels hergestellt worden ist, mit einem festen Trägerband, wie z.B. Gewebe, Vlies oder Folie aus z.B. Glas, Steinwolle, Polyester oder Polyimid mittels eines Klebers verklebt. Als Kleber werden Harzzusammensetzungen verwendet, die bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit aufweisen, um die Verbindung von Glimmer und Träger sicher zu stellen und die bei erhöhten Temperaturen (60 ºC-150 ºC) in einen flüssigen Zustand übergehen. Dies gewährleistet dessen Aufbringung als flüssigen Klebstoff bei erhöhter Temperatur oder im Gemisch mit einem leichtflüchtigen Lösungsmittel. Nach Abkühlung oder Abzug des Lösungsmittels liegt der Kleber in fester aber dennoch flexibler Form vor und ermöglicht so eine sichere Umwicklung des leitenden Teils mit dem Glimmerband bei
Raumtemperatur, wobei die Klebeigenschaften des Klebers verhindern, dass es zur Delaminierung des Glimmerpapiers vom Trägermaterial kommt. In der Regel enthält der Kleber als Harzkomponente ein Epoxidharz, was aufgrund seiner Leitfähigkeitskenndaten hierfür gut geeignet ist. Weiterhin weist der Kleber eine Beschleunigerkomponente auf, die dazu dient, den Aushärtungsprozess des anschließend applizierten Imprägnierharzes auf Epoxidharzbasis in Gang zu setzen (z.B. Anhydridhärtung), wobei nur gezielt ausgewählte Beschleuniger hierfür geeignet waren, da eine vorzeitige Aushärtung auf dem Glimmerband z.B. während der Lagerung des Glimmerbandes oder während des Imprägnierprozesses vermieden werden musste.
Dieser Verbund wird dann mit einem Imprägnierharz durchtränkt, vorzugsweise in einem Vakuum-Druck-Imprägnierungs-Prozess (VPI-Prozess). Als Imprägnierharz werden - wie schon erwähnt · vorrangig Harze auf Epoxidharzbasis verwendet, da bei diesen auf zusätzliche Lösungsmittel verzichtet werden kann. Außerdem besitzen diese eine gute Vakuumfestigkeit, geringe Volumenschwindung und eine hohe Haftfestigkeit zum
Glimmerband. Damit das Epoxidharz eine dem, insbesondere dem VPI-Prozess angepasste Viskosität aufweist, wird es im Imprägnierbehälter bei Temperaturen von z.B. 60 'C bis 80 ºC gehalten. Das erfordert allerdings einen Härter- der sich in Mischung mit der Epoxidharzkomponente im Imprägnierbehälter befindet - der bei diesen
Temperaturen noch nicht reaktiv ist, sondern erst bei deutlich höheren Temperaturen des Aushärtungsprozesses (> 120 °C). Des Weiteren muss der Härter auch einen kurzen Imprägnierzyklus und einen geringen Abtropfverlust nach dem Imprägniervorgang gewährleisten. Von daher eignen sich als Härter für das Imprägnierharz auf
Epoxiddharzbasis Carbonsäureanhydride, wie z.B. Hexahydrophthalsäureanhydrid (HHPA) oder Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (MHHPA), die aber wiederum in Verdacht stehen, gesundheitsschädigend zu sein, so dass diese aus dem
Produktionsprozess zu eliminieren sind.
Es ist daher Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, geeignete Mischungen
bereitzustellen, die insbesondere bei der Herstellung der Isolation von Mittel- und Hochspannungsvorrichtungen im VPI-Verfahren eingesetzt, den Einsatz üblicher Härter, insbesondere Carbonsäureanhydride, vermeidet.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Imprägnierharzmischung mit folgender Zusammensetzung: a) zumindest eine Epoxidharzkomponente ausgewählt aus der Gruppe der
Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellte Advancementharze, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure,
epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen,
b) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der
Epoxidharzkomponenten
c) BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der
Gruppe der Imidazole und
d) ggf. weitere Zusatzstoffe enthält,
wobei die Imprägnierharzmischung keine Carbonsäurenanhydride enthält.
Überraschenderweise zeigt die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung eine - insbesondere für den VPI-Prozess erforderliche - geringe Viskosität, die vergleichbar mit Carbonsäureanhydriden enthaltende imprägnierharzmischungen ist und eine gute Lagerstabilität. Außerdem können Glasüberganstemperaturen > 120°C erreicht werden, wodurch ein vorzeitiger Härtungsbeginn im Imprägnierbad vermieden wird.
Als Epoxidharze können eine oder mehrere Komponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellten
Advancementharzen, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidierte
Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen
Verbindungen verwendet werden.
So werden als Harzkomponenten z.B. epoxidierte Phenolnovolake (Kondensationsprodukt aus Phenol und z. B. Formaldehyd und/oder Glyoxal), epoxidierte Kresolnovolake, Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol-A (z. B. auch Produkt aus Bisphenol A und Tetraglycidylmethylendiamin), epoxidierte halogenierte Bisphenole (z. B. Polyepoxide auf der Basis von Tetrabrombisphenol-A) und/oder Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol-F und/oder epoxidierter Novolak und/oder Epoxidharze auf der Basis von
Triglycidylisocyanurate verwendet. Als cyclische Epoxidharze seien die Diepoxide von cycloaliphatischen Estern von Dicarbonsäuren wie z.B.
Hexahydrophthalsäurediglycidylester.
Das Epoxidäquivalent all dieser Harze beträgt vorzugsweise 100 bis 2000 g/Äquiv.
Unter anderem können folgende Harzkomponenten verwendet werden:
z.B. Polyepoxide auf Basis von Bisphenol A (z. B Epikote® 162 oder 828) und/oder Bisphenol F (z. B. Epikote* 158 oder 862) sowie Gemische daraus, cycloaliphatische Epoxidharze (z.B. Epikote · 760 - Produkte erhältlich bei Hexion Inc.)
Des Werteren enthält die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung Lactone.
Epoxidharzmischungen, die Lactone enthalten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbaren die US 3,294,743 und US 3,382,210 entsprechende Mischungen. Allerdings enthalten die dort offenbarten Mischungen als Härtungskatalysator
Carbonsäureanhydride und/oder BF3-KompJexe und es hat sich herausgestellt, dass die
Verwendung von BF3-Komplexen im VPI-Verfahren nicht geeignet ist, da es schon bei geringeren Temperaturen und somit schon im imprägnierbad aushärtet. Weiterhin soll auf die Verwendung von Carbonsäureanhydriden aus oben besagten Gründen verzichtet werden.
Unter Lactonen werden heterocyclische Verbindungen verstanden, die innerhalb des Moleküls eine Esterbindung, d. h. eine Sauerstoffbrücke direkt am selben
Kohlenstoff atom einer Carbonylgruppe aufweisen. Zu den Lactonen werden auch Derivate gezählt, deren Lactonring ungesättigt ist oder weitere Heteroatome enthält.
Übliche Vertreter der Stoffgruppe sind:
Bevorzugt verwendetes Lacton ist aufgrund der kommerziellen Verfügbarkeit das ε- Caprolacton.
Die Lactone wirken bei einer Konzentration von 2 bis 30 Gew.% in der
erfindungsgemäßen Mischung als Reaktiwerdünner, d.h. sie werden durch
Copolymerisation in das Polymernetzwerk eingebaut und es können somit keine flüchtigen umweltbelasteten Stoffe entstehen.
Bezogen auf die Menge aller Epoxidharzkomponenten enthält die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung 2 bis 30 Gew.% Lactone. Bei < 2 Gew.% ist die Viskosität zur Verarbeitung noch zu hoch, bei Anteilen > 30 Gew.% Lacton wird die
Glasübergangstemperatur (TG) der Mischung zu niedrig. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von 5 bis 20 Gew.% Lacton, da hierbei eine optimale Einstellung zwischen Viskosität und Glasübergangstemperatur der Mischung und auch dem Dampfdruck des Lactons erreicht wird.
Des Weiteren enthält die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung den die
Homopolymerisation der Epoxidharzkomponente(n) begünstigen Katalysator BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung aus der Gruppe der Imidazole. Die Verwendung von BCl3 und/oder BCl3-Komplexen hat insbesondere in Hinblick auf den Stand der Technik bekannten anderen Borhalogenid-Komplexen, wie BF3-Verbindungen, den Vorteile, dass sie eine ausreichende Latenz besitzen. Die Reaktivität von z.B. BF3- Verbindungen ist insbesondere für das VPI-Verfahren zu hoch, so dass die dort herrschenden üblichen Temperaturen dazu führen würden, dass das Imprägnierbad
instabil wird und ein gleichmäßiger Imprägnierprozess aufgrund beginnender Aushärtung im Imprägnierbad gestört wird.
Imidazole bringen insbesondere den Vorteil mit sich, dass sie vorteilhafterweise niedrig und damit effizient dosiert (bevorzugt zwischen 0,2 und 4 Gew.%) werden können und dennoch eine hervorragende Glasübergangstemperatur (TG) bewirken, die dem
ausgehärteten Harz die gewünschte Netzwerkdichte verleiht. Als Imidazole können unsubstituierte oder substituierte Alkyl - oder auch Phenylimidazole verwendet werden. Als Beispiele seien 2-Methylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol genannt, wobei besonders bevorzugt die Verwendung von unsubstituierten 2-Phenylimidazol ist.
Die Konzentration an BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung aus der Gruppe der Imidazole beträgt vorzugsweise 0,2 bis 8 Gew.%, wiederum bevorzugt bei BCl3 und/oder BCl3-Komplexe 0,5 bis 6 Gew.%, und - wie bereits erwähnt besonders bei Imidazolen bevorzugt - 0,2 und 4 Gew.% bezogen auf die Summe der
Epoxidharzkomponenten. Die Konzentration ist abhängig von der Kombination der verwendeten Epoxidharzkomponenten und der Auswahl von BCl3 und/oder BCl3- Komplexe und/oder eine Verbindung aus der Gruppe der Imidazole.
Die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung kann ggf. weitere Zusatzstoffe, wie z.B. Verabeitungshilfsmittel oder Netzmittel, die zur Steuerung der Oberflächenspannung dienen, enthalten. Bevorzugt ist die Zugabe von härtend wirkenden Bestandteilen wie z.B. Polyole wie Polypropyleneglycole zur Flexibilisierung wobei aber gänzlich auf die
Verwendung von Anhydriden im Imprägnierharz verzichtet werden soll.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Imprägnierharzmischung zumindest enthaltend eine Epoxidharzkomponente, ein Lacton und BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole, besteht darin, dass durch den Zusatz des als Reaktivverdünner wirkenden Lactons die Viskosität optimal eingestellt werden konnte, obwohl Harz und eine härtend wirkende Komponente in der Mischung bei Verarbeitungstemperaturen von 40 bis 80 °C vorhanden sind. Gleichzeitig konnte auf die Verwendung von gesundheitlich bedenklichen Stoffen, wie Carbonsäureanhydride verzichtet werden. Es wird somit eine bei höheren Temperaturen stabile
Imprägnierharzmischung für verschiedene Anwendungen verarbeitungsbereit zur
Verfügung gestellt.
Die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung soll - wie bereits erwähnt - bevorzugt zur Isolation von Mittel- und Hochspannungsvorrichtungen, insbesondere Generatoren und Motoren verwendet werden. Dabei kann sie generell für jegliche
Imprägnierungsverfahren eingesetzt werden, jedoch ist die Verwendung im VPI- Verfahren bevorzugt. Dabei wird die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung als Tränkharz eingesetzt, wobei der zu isolierende Leiter mit oder ohne Isolierband umwickelt sein kann.
Generell ist es aber auch möglich, dass die erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung zur Beschichtung von Fasern, Geweben, Gelegen, Gewirken u. ä. aus organischen oder anorganischen Materialien, wie z.B. Aramid, Polyamid, Polyester, Glas, Stein, Metall oder Carbon zur Herstellung von entsprechenden Verbundwerkstoffen in verschiedenen Verfahren wie RTM, SMC, Filament Winding zur Anwendung kommt z.B. in der
Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik oder in Windkraftanlagen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass eine
Imprägnierharzmischung zur Herstellung einer Isolation eines zu isolierenden Leiters für ein Verfahren folgende Schritte enthaltend, verwendet wird:
(I) Bereitstellen eines Isolierbandes welches ein nichtleitendes Material und eine Verstärkungsschicht umfasst, die mittels einer Zusammensetzung miteinander verklebt sind, wobei die Zusammensetzung a) zumindest eine Epoxidharzkomponente oder einen Novolak, wobei der Novolak ein Molekulargewicht von 250 bis 1000 g/mol aufweist sowie b) BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole sowie c) ggf. weitere Zusatzstoffe enthält,
(II) Umwickeln des elektrischen Leiters mit dem Isolierband und
(III) Imprägnieren des um den Leiter gewickelten Isolierbandes mit einer
Imprägnierharzmischung folgende Bestandteile umfassend: d) zumindest eine Epoxidharzkomponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellte Advancementharze, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxldester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen, e) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der Epoxidharzkomponenten und f) ggf. weitere Zusatzstoffe enthält, wobei die Zusammensetzung des Isolierbandes und die
Imprägnierharzmischung keine Carbonsäureanhydride aufweist.
Die für das Verfahren erfindungsgemäß verwendete Zusammensetzung wird als Kleber zwischen dem nichtleitenden Material, bevorzugt Glimmer, auf die Verstärkungsschicht, also das Trägerband, was vorzugsweise gebildet aus einem Gewebe, Gewirk, Vlies oder Folie aus Glas und/oder Steinwolle und/oder Polyimide und/oder Polyester und/oder Quarz in herkömmlicher Art und Weise mittels Spritzen, Streichen oder Rakeln aufgebracht. Es entsteht ein flächenmäßig durchtränkter Verbund aus ein- oder mehrseitig mit Verstärkungslagen beschichtetem Glimmerpapier. Vorzugsweise enthält das Isolierband 5 bis 20 Gew.% der Zusammensetzung bezogen auf die Gesamtmasse (Trägerband, nichtleitendes Material, Kleber).
Die für die Isolierband-Zusammensetzung verwendeten Epoxidharze sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei bevorzugt wiederum die bereits für die
Imprägnierharzmischung genannten Polymere, nämlich ein oder mehrere
Epoxidharzkomponenten ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellten Advancementharzen, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthaisäure, epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen verwendet werden können.
Des Weiteren ist es möglich anstelle von Epoxidharzkomponenten Novolake für die Herstellung des Glimmerbandes zu verwenden. Diese sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden hergestellt durch Kondensation eines substituierten oder unsubstituierten Phenol mit einem Aldehyd, wobei der erhaltene Novolak ein
Molekulargewicht von 250 bis 1000 g/mol (gemessen entsprechend DIN 55672-1) aufweist. So werden bevorzugt einkernige substituierte oder unsubstituierten Phenole (z.B. Phenol, Kresole und/oder p-tert. Butylphenol) mit Aldehyden (bevorzugt
Formaldehyd) im Sauren umgesetzt. Diese Verbindungen sind einfach verfügbar. Die am häufigsten verwendeten Katalysatoren für die saure Kondensation sind Oxalsäure, Salzsäure, p-Toluolsulfonsäure, Phosphorsäure und Schwefelsäure, Typische
Molverhältnisse im Reaktionsansatz liegen hier bei 0,75 - 0,85 mol Formaldehyd zu 1 mol Phenol (F/P = 0,75 - 0,85). Die Kondensation wird abgebrochen, wenn ein
Molekulargewicht von 250 bis 1000 g/mol, bevorzugt 250 bis 500 g/mol, erreicht wurde, da dadurch die Viskosität der Zusammensetzung die zur Aufbringung auf das Trägerband eine wichtige Rolle spielt, optimal eingestellt werden kann.
Kommerziell erhältlich sind die erfindungsgemäß verwendeten Novolake z.B. unter dem Namen Bakelite*PH 8505 (Produkt der Hexion GmbH).
Die Verwendung von Novoiaken hat den Vorteil, dass diese einerseits als Kleber für das Glimmerband wirken und andererseits als härtende Komponente für das in der
Imprägnierharzmischung befindliche Epoxidharz verwendet werden können.
Weiterhin enthält die Zusammensetzung des Isolierbandes für die erfindungsgemäße Verwendung BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole, bevorzugt 1 bis 30 Gew.%, wiederum bevorzugt 3 - 30 Gew.%, bezogen auf die Masse der Epoxidharzkomponente bzw. des Novolaks. Diese
Verbindungen bewirken den Start der Homopolymerisation der Imprägnierharzmischung und beschleunigen den Härtungsvorgang aller durchtränkten Schichten, wodurch die Aushärtungszeit optimiert werden kann.
Als weiteren Bestandteil kann die Zusammensetzung des Isolierbandes gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe wie z.B. Verarbeitungshilfsmittel (z.B. Lösungsmittel wie z.B.
Methylethylketon), Haftvermittler (z.B. Silane) oder auch Netzmittel aufweisen. Diese Zusatzstoffe wirken sich positiv auf die Herstellung und Eigenschaften des Isolierbandes aus. So enthält die Zusammensetzung vorteilhafterweise beispielhaft 50 - 90 Gew.% eine Epoxidharzkomponente oder einen Novolak, 1 - 30 Gew.% BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole und 0-49 Gew.% weitere Zusatzstoffe, bezogen auf die gesamte Masse aller Komponenten der
Zusammensetzung.
Bei dieser erfindungsgemäßen Verwendung wird das mit der Zusammensetzung beschichtete Isolierband um den zu isolierenden Leiter gewickelt. Während des
Imprägniervorganges durchtränkt die erwärmte (ca. 40-80 °C) Imprägnierharzmischung, die a) zumindest eine Epoxidharzkomponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellte Advancementharze, auf der Basis von epoxidierten
halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen b) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der Epoxidharzkomponenten c) ggf. weitere Zusatzstoffe, jedoch keine Carbonsäureanhydride enthält, den mit dem Isolierband umwickelten Leiter.
Dabei kommen die bereits oben für die Imprägnierharzmischung erwähnten bevorzugten Ausgestaltungen hinsichtlich der Auswahl und der Konzentration der
Epoxidharzkomponente, Lactonen und Zusatzstoffe ebenfalls zum Einsatz.
Durch die Kombination des Isolierbandes, das zumindest eine Epoxidharzkomponente oder einen Novolak und BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole aufweist mit der Imprägnierharzmischung, die zumindest eine Epoxidharzkomponente und als Reaktiwerdünner 2 bis 30
Gew.% Lactone enthält, für ein Verfahren zur Herstellung zur Isolation eines Leiters kann auf die Verwendung von gesundheitlich bedenklichen Carbonsäureanhydriden verzichtet werden. Außerdem besitzt die Imprägnierharzmischung die gewünschte Viskosität und Latenz, um eine gute Durchtränkung des mit dem Isolierband umwickelten Leiters zu gewährleisten.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Imprägnierung im Schritt (III) unter Vakuum erfolgt (VPI-Verfahren), wodurch eine nahezu vollständige Durchtränkung des Verbundes aus dem mit Isolierband umwickelten Leiter mit der Imprägnierharzmischung gewährleistet wird. Nach der Imprägnierung schließt sich in der Regel eine Aushärtung in einem
Trockenofen in einem Temperaturbereich von 80 ºC bis 180 ºC, je nach verwendetem Imprägnierharz, an.
Anhand eines Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.
Zur Herstellung der Imprägnierharzmischung werden 25 Gewichtsteile Epikote* Resin 162 und 75 Gewichtsteile Epikote* Resin 158 mit 15 Gewichtsteilen E-Caprolacton versetzt und homogenisiert. Die so erhaltene Mischung wird mit der entsprechenden Menge an Katalysator Trif luoro(isopropylamine)boron (BF3-lsopropylamin) oder
Trichlorodimethyloctylaminboron (BCl3- Dimethyloctylamin) versetzt und die
Glasübergangstemperatur (IEC 61006) in Abhängigkeit von der Konzentration ermittelt.
Tab. 1
Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass die Verwendung von BCl3- Dimethyloctylamin zu höheren Glasüberganstemperaturen als der Katalysator BF3-lsopropylamin führt.
Basierend auf diesen Ergebnissen werden von der Mischung mit 5 Gewichtsteiien BF3- Isopropylamin und 4 Gewichtsteilen BCl3- Dimethyloctylamin Lagertests bei 40ºC anhand von Viskositätsmessungen durchgeführt (Tab. 2).
Tab. 2
Tabelle 2 zeigt, dass die Viskosität der Mischung bei 40 ºC mit BF3-lsopropylamin innerhalb von 7 Tagen deutlich stärker ansteigt als die Viskosität der Mischung bei 40 ºC mit BCl3- Dimethyloctylamin.
Aus den Tabellen 1 und 2 wird deutlich, dass Imprägnierharzmischungen mit BCl3- Komplexen Mischungen mit höheren Glasübergangstemperaturen liefern, wodurch diese Mischungen für das VPI-Verfahren geeignet sind. Im Gegensatz dazu ist die Mischung BFr Komplexe enthaltend aufgrund der geringeren Glasübergangstemperatur im VPI- Verfahren nicht anwendbar, da die Imprägnierharzmischung bereits im Imprägnierbad aushärten würde.
Weiterhin weisen Imprägnierharzmischungen mit BCl3- Dimethyloctylamin eine wesentlich geringere Viskosität über einen langen Zeitraum auf als Mischungen mit BF3- Isopropylamin, was - obwohl Harz und Härter enthaltend - einen Vorteil hinsichtlich der Lagerstabilität der Imprägnierharzmischung mit sich bringt.
Claims
1. Imprägnierharzmischung folgende Bestandteile umfassend: a) zumindest eine Epoxidharzkomponente ausgewählt aus der Gruppe der Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergestellte
Advancementharze, auf der Basis von epoxidierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidierte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen,
b) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der
Epoxidharzkomponenten,
c) BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole und
d) ggf. weitere Zusatzstoffe, enthält
wobei die Imprägnierharzmischung keine Carbonsäurenanhydride enthält.
2. Imprägnierharzmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lacton £- Caprolacton verwendet wird.
3. Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Imidazol 2-Phenylimidazol verwendet wird.
4. Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung 0,2 bis 8 Gew.% BCl3 und/oder BCl3- Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der imidazole bezogen auf die Summe der Epoxidharzkomponenten enthält.
5. Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung 5 bis 20 Gew.% Lactone enthält.
6. Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung als weiteren Zusatzstoff Härter, insbesondere Polyole und/oder Amine, enthält.
7. Verwendung der Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zur Isolation von Mittel- und Hochspannungsvorrichtungen, insbesondere Generatoren und Motoren.
8. Verwendung der Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.
9. Verwendung einer Imprägnierharzmischung zur Herstellung einer Isolation eines zu isolierenden Leiters für ein Verfahren folgende Schritte enthaltend:
(I) Bereitstellen eines Isolierbandes welches ein nichtleitendes Material und eine Verstärkungsschicht umfasst, die mittels einer Zusammensetzung miteinander verklebt sind, wobei die Zusammensetzung a) zumindest eine Epoxidharzkomponente oder einen Novolak, wobei der
Novolak ein Molekulargewicht von 250 bis 1000 g/mol aufweist sowie b) BCl3 und/oder BCl3-Komplexe und/oder eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Imidazole sowie c) ggf. weitere Zusatzstoffe enthält,
(II) Umwickeln des elektrischen Leiters mit dem Isolierband und
(III) Imprägnieren des um den Leiter gewickelten Isolierbandes mit einer
Imprägnierharzmischung folgende Bestandteile umfassend: d) zumindest eine Epoxidharzkomponente ausgewählt aus der Gruppe der
Polyepoxide auf der Basis von Bisphenol A und/oder F und daraus hergesteilte Advancementharze, auf der Basis von epoxldierten halogenierten Bisphenolen und/oder epoxidierten Novolaken und/oder Polyepoxidester auf der Basis von Phthalsäure, Hexahydrophthalsäure oder auf der Basis von Terephthalsäure, epoxidterte Polyadditionsprodukte aus Dicyclopentadien und Phenol oder cycloaliphatischen Verbindungen, e) als Reaktiwerdünner 2 bis 30 Gew.% Lactone bezogen auf die Summe der Epoxidharzkomponenten und f) ggf. weitere Zusatzstoffe, enthält, wobei die Zusammensetzung des Isolierbandes und die Imprägnierharzmischung keine Carbonsäurenanhydride aufweist.
10. Verwendung einer Imprägnierharzmischung nach zumindest einem der
vorhergehenden Ansprüche im Vakuum-Druck-Imprägnierungsverfahren.
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