WO2014146901A1 - Nanokomposit mit elektrischen felder gradierenden nanopatikeln, verfahren zu seiner herstellung und dessen verwendung - Google Patents

Abstract

Nanokomposit mit halbleitenden Nanopatikeln Gegenstand der Erfindung ist ein Nanokomposit (15) mit Graphen und Graphenoxid enthaltenden Nanostrukturen (14), die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff wie Zellulosefasern (16a, 16b) verteilt sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung dieses Nanokomposits als Isolationsmaterial für einen Transformator und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nanostrukturen Teilbereiche aus Graphen und Teilbereiche aus Graphenoxid aufweisen. Hierdurch lässt sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits in geeigneter Weise verändern, so dass er z. B. im Bereich von Ö1 liegt, und ein Verbund aus Ö1 und dem Nanokomposit als elektrische Isolation eine verbesserte Durchschlagfestigkeit für den Fall einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung aufweist. Gleichzeitig bleibt vorteilhaft das Isolationsvermögen bei einer Beaufschlagung mit einer Wechselspannung unverändert gut.

Description

Beschreibung / Description

Nanokomposit mit elektrischen Felder gradierenden

Nanopatikeln, Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Ver- wendung

Die Erfindung betrifft einen Nanokomposit mit elektrischen Felder gradierenden Nanopartikeln, die in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff verteilt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung dieses Nanokomposits. Zuletzt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Nanokomposits.

Es ist bekannt, dass Nanokomposite als feldgradierendes Mate- rial verwendet werden können, wenn es darum geht, Spitzen bei der Ausbildung von elektrischen Feldern, beispielsweise an der Isolation elektrischer Leiter, zu verringern. Gemäß der WO 2004/038735 AI kann hierzu beispielsweise ein Material, bestehend aus einem Polymer, verwendet werden. In diesem wird ein Füllstoff verteilt, dessen Partikel Nanopartikel sind, also einen mittleren Durchmesser von höchstens 100 nm in wenigstens einer Dimension ihrer Ausdehnung aufweisen. Gemäß der US 2007/0199729 AI sind für derartige Nanopartikel u. a. halbleitende Materialien einsetzbar, deren Bandabschnitt in einem Bereich von 0 eV und 5 eV liegt. Mittels der eingesetzten Nanopartikel, die beispielsweise aus ZnO bestehen können, lässt sich der elektrische Widerstand des Nanokomposits ein^¬ stellen. Wird bei der Zumischung der Nanopartikel ein bestimmter Anteil des Volumens überschritten, der je nach Größe der Nanopartikel bei 10 bis 20 Vol-% liegt, so verringert sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits spürbar, wobei sich auf diese Weise die elektrische Leitfähigkeit des Nanokomposits einstellen und an die geforderten Bedingungen anpassen lässt. Insbesondere lässt ich ein spezifischer Wi- derstand in einer Größenordnung von 10¹² Qm einstellen. Dieser vergleichsweise hohe elektrische Widerstand führt bei ei^¬ ner Beanspruchung eines elektrischen Bauteils, welches mit dem Nanokomposit beschichtet ist, dazu, dass bei Anliegen ei- ner Gleichspannung ein gewisser Verluststrom hingenommen werden muss. Erreicht wird allerdings ein Abfall der Feldstärke über den Nanokomposit , welcher eine gleichmäßigere Verteilung des Potentials zur Folge hat und damit auch das entstehende elektrische Feld in geeigneter Weise gradiert. Hierdurch kön^¬ nen die entstehenden Feldspitzen verringert werden, wodurch vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit gesteigert wird.

Bei einer Beanspruchung des elektrischen Leiters mit einer Wechselspannung entsteht ebenfalls ein feldgradierender Effekt, der allerdings einem anderen Mechanismus folgt. Die feldschwächende Wirkung des Nanokomposits hängt hierbei von der Permittivität des Nanokomposits ab, wobei die

Permittivität ε ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materi^¬ als für elektrische Felder ist. Die Permittivität wird auch als Dielektrizitätskonstante bzeichnet, wobei im Folgenden der Begriff „Permittivität" verwendet werden soll. Als rela^¬ tive Permittivität bezeichnet man das durch die

Permittivitätszahl ε_Γ = ε/εο bezeichnete Verhältnis der

Permittivität ε eines Stoffes zur elektrischen Feldkonstante So, welche die Permittivität des Vakuums angibt. Je höher die relative Permittivität ist, desto größer ist auch der

feischwächende Effekt des eingesetzten Stoffes im Verhältnis zum Vakuum. Im Folgenden werden nur die Permittivitätszahlen der zum Einsatz kommenden Stoffe behandelt.

Aus H.J. Salavagione et al . „Graphene-Based Polymer Nanocom- posites", in „Physics and Applications of Graphene - Experi^¬ ments", InTech, 2011 wird beschrieben, dass Polymer-Komposite mit Graphen hergestellt werden können. Unter anderem wird auch die Verwendung von Graphenoxid untersucht, wobei an der Perkolationsschwelle eine sprunghafte Änderung des spezifi^¬ schen Widerstands um 8 bis 9 Größenordnungen zu verzeichnen ist. Dies bedeutet, dass beim Einsatz von Graphenoxid in Polymeren in diesem Bereich des spezifischen Widerstands eine sehr empfindliche Reaktion des einzustellenden spezifischen Widerstands auf nur geringe Konzentrationsschwankungen zu erwarten ist. I. Jung, „Tunable Electrical Conductivity of Individual

Graphene Oxide Sheets Reduced at „Low" Temperatures" , Ameri^¬ can Chemical Society, veröffentlicht im Internet am

01.11.2008, beschreibt weiterhin die Möglichkeit, dass

Graphenoxid unter bestimmten Bedingungen zu Graphen reduziert werden kann. Durch diese Maßnahme lässt sich auch der spezifische Widerstand der erhaltenen Strukturen beeinflussen. Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Nanokomposit der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass sich dieses vergleichsweise gut zum Einsatz als feldgradierendes Material eignet. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Verwendung und ein Herstellungsverfahren für ein solches Material anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Nanokomposit erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nanopartikel Teilbe^¬ reiche aus Graphenoxid und Teilbereiche aus Graphen aufwei- sen. Die so entstehenden Sturukturen sollen im Folgenden auch als Graphen (oxid) bezeichnet werden, was zu Ausdruch bringen soll, dass die Nanopartikel sowohl aus Graphen als auch aus Graphenoxid gebildet sind. Diese Maßnahme dient vorteilhaft dazu, dass der spezifische Widerstand des erfindungsgemäßen Nanokomposits durch Auswahl eines geeigneten Reduktionsgrades des Graphenoxids der spezifischen Widerstand des

Nanokomposits gezielt beeinflusst werden kann. Wünschenswert ist beispielsweise die Einstellung eines spezifischen Widerstandes in der Größenordnung von 10¹² Gm, wobei dieser mit einem Befüllungsgrad an Nanopartikeln von weniger als 5 Vol-% bevorzugt weniger als 3 Vol-% erreicht werden soll. Die che^¬ mische Reduktion (im Folgenden kurz als Reduktion bezeichnet) des Graphenoxids kann wie durch I. Jung et al . beschrieben erfolgen. Eine solche Reduktion der Nanopartikel kann bevor- zugt vor der Zugabe in den Nanokomoposit erfolgen. Durch Re^¬ duktion des Graphenoxids kann der spezifische Widerstand der Nanostrukturen auf einen geeignetem Wert abgesenkt werden. Durch die teilweise Reduktion der Nanopartikel aus Graphenoxid entstehen vorteilhaft sozusagen zwei Freiheits^¬ grade zur Beeinflussung der Leitfähigkeit des erfindungsgemä^¬ ßen Nanokomposits . Die eine Möglichkeit besteht darin, den Füllgrad an Nanopartikeln in dem Nanokomposit zu verändern. Dabei sinkt der spezifische Widerstand mit steigender Kon^¬ zentration an Nanopartikeln in der Matrix des elektrisch isolierenden Isolierstoffes. Die zweite Möglichkeit liegt in der erfindungsgemäßen teilweisen Reduktion der Nanopartikel, wo- bei dies den spezifischen Widerstand der Nanopartikel vermin^¬ dert, so dass diese bei gleicher Konzentration im

Nanokomposit zu einer stärkeren Verringerung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits beitragen. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise geforderte maximale Füllgrade an Nanopartikeln im Nanokomposit eingehalten werden, damit dieses den mechanischen Anforderungen des Anwendungsfalls genügt. Außerdem kann die Modifikation (durch partielle Reduktion) der Nanopartikel gezielt dazu genutzt werden, dass sich der spezifische Widerstand des Nanokomposits bei einer stei- genden Konzentration an Nanopartikeln in der Matrix des Isolierstoffes nicht sprunghaft, sondern über einen gewissen Konzentrationsbereich kontinuierlich verändert. Hierdurch ist vorteilhaft eine genauere Einstellung des spezifischen Widerstandes des Nanokomposits möglich, da vermieden wird, dass fertigungsbedingte, vergleichsweise geringe Schwankungen bei der Konzentration der Nanopartikel in der Matrix des Isolierstoffes zu großen Abweichungen von dem gewünschten spezifischen Widerstand des Nanokomposits führen. Als Nanopartikel sollen im Sinne der Erfindung Partikel ver^¬ standen werden, deren Ausdehnung zumindest in einer Raumdimension < 100 nm ist. Bei Graphen und Graphenoxid liegt die Dicke der Strukturen bei < 100 nm, während ihre Länge und Breite durchaus auch im Bereich von mehreren ym liegen kann. Allerdings ist das Erreichen einer Perkolationsschwelle bei möglichst kleinem Füllungsgrad lediglich das verhältnismäßig große Aspektverhältnis ausschlaggebend, d. h., dass eine Aus^¬ dehnung zumindest in einer Raumdimension von weniger als 100 nm ausreicht, um auch bei kleinen Füllungsgraden bereits eine Perkolation hervorzurufen. Die plättchenförmigen Nanopartikel des Graphen (oxids) (auch als Nanoflakes bezeichnet) sind da^¬ her sphärischen Nanopartikeln vorzuziehen.

Die zur Erhöhung der Leitfähigkeit notwendigen, vergleichs^¬ weise geringen Füllgrade an Nanopartikeln haben den großen Vorteil, dass der Nanokomposit seine mechanischen Eigenschaf^¬ ten weitgehend beibehält, da die Nanopartikel den Matrixwerk- Stoff wegen ihres geringen Gehaltes nur wenig stören. Im Vergleich zu der Verwendung von sphärischen Nanopartikeln wie ZnO oder SiC mit einem höheren Gehalt, wie sie gemäß der WO 2004/038735 AI und US 2007/0199729 AI vorgeschlagen werden, lässt sich daher ein wesentlich stabilerer Nanokomposit er- zeugen. Dies ist beispielsweise dann von besonderem Vorteil, wenn der Nanokomposit im betreffenden Anwendungsfall einer mechanischen Beanspruchung unterworfen ist. Dies können beispielsweise die Schwingungen einer Maschine oder eines Trans^¬ formators sein. Auch kann bei einer Verwendung in elektri- sehen Maschinen der Nanokomposit einer Zentrifugalkraft aus^¬ gesetzt sein. In diesen Anwendungen führt der erfindungsgemä^¬ ße Nanokomposit vorteilhaft dazu, dass die aus dem

Nanokomposit erzeugten Bauteile, wie z. B. Isolierungen, über eine längere Betriebsdauer hinweg ihre Aufgabe zuverlässig erfüllen können.

Durch die Verwendung von Graphen (oxid) lassen sich bei der Verwendung des erhaltenen Nanokomposits als feldgradierendes Material überdies folgende Vorteile erzielen.

Graphen (oxid) weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Damit kann der Nanokomposit neben seiner Eigenschaft als feldgradierendes Material gleichzeitig eine zuverlässige Wär^¬ meabfuhr von elektrischen Leistungsbauteilen wie beispiels- weise Transformatoren gewährleisten.

Das Einbringen von Graphen in diese Isolatormaterialien zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Nanokomposits ändert die Permittivität des Nanokomposits im Vergleich zum massiven Isolatormaterial nicht oder nur wenig, wodurch eine Fluktua^¬ tion der Feldstärke im Inneren des Nanokomposits klein gehal^¬ ten werden kann. Diese tritt, wie bereits erwähnt, bei einer Überbeanspruchung der zu isolierenden Baugruppe mit einer

Wechselspannung auf und kann zu unerwünschten Teilentladungen führen, die letztendlich die Isolation zerstören.

Als Materialien für den elektrisch isolierenden Isolierstoff kommen als Polymer beispielsweise Thermoplaste in Betracht, wie z. B. Polyethylen, Polystyrol oder PVC . Als Polymere kön^¬ nen auch Elastomere, Silikone und Harze (Naturharze und

Kunstharze) ausgewählt werden. Wird als Isolierstoff ein Zellulosematerial mit Zellulosefasern ausgewählt, so ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses als Papier oder Pressspan hergestellt wird. Dieses Papier kann mit den Nanopartikeln imprägniert sein. Als Imprägnierung ist im weitesten Sinne eine Verbindung zwischen den Fasern des Zellulosematerials und den Nanopartikeln zu verstehen. Beispielsweise können die BNNT Nanopartikel an die Fasern des Zellulosematerials ange^¬ lagert werden, was während der Papierherstellung erfolgen kann. Eine Imprägnierung kann aber auch derart erfolgen, dass die BNNT Nanopartikel bei der Papierherstellung zugegeben werden und nach dem Trockenprozess des Papiers in den durch die Fasern des Zellulosematerials gebildeten Zwischenräumen eingeschlossen werden.

Vorzugsweise ist der Isolierstoff ein Zellulosematerial ent^¬ haltendes Papier oder Holzprodukt. Das Zellulosematerial bil- det den Rohstoff für das Papier. Als Papier soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung im weitesten Sinne jedes Produkt aus dem Zellulosematerial verstanden werden. Insbesondere sind hiermit dünnere Papierbögen oder auch dickere Pappe oder Karton zu verstehen. Es können auch dreidimensionale Struktu- ren aus Pappmache hergestellt werden, die dann als Papierpro^¬ dukt zu verstehen sind. Das Zellulosematerial kann auch als Holzprodukt verwendet werden. Unter einem Holzprodukt im Sinne der Erfindung ist eine Weiterverarbeitung des Rohstoffes Holz von miteinander verklebten Holzkomponenten zu verstehen. Insbesondere kann es sich dabei um Pressspan handeln, wobei dieser insbesondere als Blockspan ausgeführt ist. Außerdem können Laminate herge^¬ stellt werden, indem dünne Holzschichten miteinander verklebt werden (Sperrholz) . Erfindungsgemäß können die Nanopartikel in den Kleber zum Fügen des Pressspans bzw. der Holzlage ein- gebracht werden.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Nanokomposits be^¬ steht darin, dass dieses als Isolationsmaterial für einen Transformator verwendet wird. In Transformatoren müssen die stromführenden Teile, wie beispielsweise die Spulen, vonei^¬ nander elektrisch isoliert werden. Dabei kommen beispielsweise bei Hochspannungstransformatoren Ölfüllungen zum Einsatz, in die zusätzlich Wände aus mit dem Öl getränktem Papier oder auch Pressspanplatten eingebracht werden. Die so entstehende Isolation muss sowohl beim Betrieb des Transformators durch Beaufschlagen mit einer Wechselspannung als auch beispielsweise bei Störungen des Betriebs mit einer Gleichspannung die elektrische Isolation gewährleisten. Wird als Isolationsmate^¬ rial der erfindungsgemäße Komposit eingesetzt, so können so- wohl bei Beaufschlagung des Transformators mit einer Wechsel^¬ spannung als auch mit einer Gleichspannung ausreichende elektrische Isolationseigenschaften sichergestellt werden. Dies wird dasurch sichergestellt, dass das Graphen (oxid) die Permittivitätszahl s_Comp im Vergleich zur Permittivitätszahl ε_ρ des unbehandelten Papiers kaum oder nicht verändert. Daher kann die Isolation des Transformators unter Anwendung des Nanokomposits in ähnlicher Weise ausgelegt werden, wie dies mit den unbehandelten Papieren möglich ist. Gleichzeitig lassen sich aber die Isolationseigenschaften der Kombination aus Öl und Papier im Falle der Beaufschlagung mit einer Gleichspannung verbessern. Hierbei sind die spezifischen Widerstände von Bedeutung, die bei Öl (po) bei 10¹² Qm und bei un^¬ behandeltem Papier (p_p) das Tausendfache betragen. Durch Ein- bringen der Nanopartikel aus Graphen (oxid) mit einer höheren spezifischen Leitfähigkeit von p_c (beeinflusst eventuell durch eine geeignete chemische Reduktion der Nanopartikel) lässt sich der spezifische Widerstand des erfindungsgemäßen Nanokomposits beispielsweise in Form eines imprägnierten Pa^¬ piers ( Pcomp) ebenfalls bei 10¹² Qm einstellen. Hierdurch wird die Spannungsbelastung bei einer Beaufschlagung mit einer Gleichspannung gleichmäßig auf das Öl und das Papier ver^¬ teilt, wodurch Spannungsspitzen und daraus resultierende Durchschläge vermieden werden.

Eine weitere Lösung der angegebenen Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erreicht. Danach ist erfindungs^¬ gemäß vorgesehen, dass die Nanopartikel aus Graphenoxid ge- bildet werden, wobei Teilbereiche des Graphenoxids zu Graphen reduziert werden. Hierdurch wird die oben bereits beschriebe^¬ ne Nanostruktur geschaffen, welche zur Einstellung des spezifischen Widerstands in den Nanokomposit gegeben werden kann. Zu diesem Zweck werden die Nanopartikel in den elektrischen Isolierstoff eingebracht. Die Vorzüge des so hergestellten Nanokomposits sind oben bereits eingehend erläutert worden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als elektrischer Isolier^¬ stoff ein Zellulosematerial aus Zellulosefasern hergestellt wird, wobei die Nanopartikel der Zellulose-Pulpe zugeführt und in dieser verteilt werden. Auf diesem Wege lässt sich vorteilhaft ein erfindungsgemäßer Nanokomposit herstellen, der in an sich bekannter Weise die Verfahren zur Papierherstellung nutzbar machen kann. Es lassen sich Papiere, dickere Pappen sowie Halbzeuge für Pressspan herstellen, wobei diese Materialien bevorzugt im Transformatorbau zum Einsatz kommen können .

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende

Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

Figur 1 und 2 schematisch Beispiele für Graphenoxid und

teilweise reduziertes Gaphen (oxid) , wobei letzteres in einem Ausführungsbeispiel des er^¬ findungsgemäßen Nanokomposits Verwendung finden kann, als dreidimensionale Ansicht, Figur 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfin^¬ dungsgemäßen Nanokomposits, bestehend aus Zellulosefasern und Graphen (oxid) , in dreidi^¬ mensionaler Ansicht und Figur 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Verwendung des Nanokomposits als Transformator-Isolation im Schnitt.

Die Figuren 1 und 2 zeigen stark vereinfachte und ausschnitt- hafte Darstellungen von Graphenoxid sowie teilweise reduzier^¬ tem Graphenoxid, also Graphen (oxid) . In Figur 1 ist eine Na- nostruktur dargestellt, die die Eigenschaften von Graphenoxid 11 aufweist. Zu erkennen sind angelagerte Gruppen R, bei de^¬ nen es sich um Carbonylgruppen und Carboxylgruppen handelt. Diese sind für ein Eigenschaftsprofil von Graphenoxid verant^¬ wortlich, wie es bei I. Jung (siehe vorstehend) beschrieben wird. Die Gruppen R können sich auf der Unterseite oder der Oberseite der flächig ausgebildeten Graphenstruktur befinden. Schematisch dargestellt ist aber auch, dass die Gruppen R in einer Fehlstelle 13 des Verbundes aus Kohlenstoffatomen lie^¬ gen können.

In Figur 2 ist dargestellt, dass ein Teil der Nanostruktur als Graphen 12 vorliegt. In diesem Teil lässt sich die Struk- tur des Graphens 12 auch genau erkennen. Es wird durch Kohlenstoffatome gebildet, die jeweils drei benachbarte Kohlen^¬ stoffatome aufweisen, wodurch sechseckige Ringe entstehen, die einem Wabenmuster gleichen. Die Struktur gemäß Figur 2 mit Teilbereichen aus Graphenoxid 11 und Teilbereichen aus Graphen 12 wird hier als Graphen (oxid) 14 bezeichnet.

Das Graphen (oxid) 14 gemäß Figur 1 und 2 kann wie in Figur 3 dargestellt zu einem Nanokomposit 15 verarbeitet werden. Die^¬ ser besteht aus Zellulosefasern 16a, 16b die als Papier hergestellt wurden. Das Papier ist mit dem Graphen (oxid) 14 im^¬ prägniert. Eine Imprägnierung mit dem Graphen (oxid) 14 läuft so ab, dass das Graphen (oxid) 14 auf der Zellulosefaser 16a angelagert wird. Die Perkolationsschwelle wird dadurch er^¬ reicht, dass auf der Oberfläche der Zellulosefaser 16a genü^¬ gend Graphen (oxid) 14 vorliegt, dass dieses ein Netzwerk auf der Oberfläche der Zellulosefaser 16a bildet. Alternativ kann Graphen (oxid) 14 auch in den Zwischenräumen 17 zwischen verschiedenen Zellulosefasern 16a, 16b eingeschlossen werden. Hierbei entsteht in dem Zwischenräumen 16 ein dreidimensionales Netzwerk von Graphen (oxid) 14 , wobei die Konzentration des Graphen (oxid) 14 genügend hoch sein muss, um die Perkolationsschwelle, also die Ausbildung eines geschlos^¬ senen Netzwerkes zu erreichen.

Die beiden Mechanismen einer Imprägnierung des Papiers mit Graphen (oxid) 14 ist gemeinsam in Figur 3 dargestellt. Diese Mechanismen können einzeln oder auch gemeinsam zur Anwendung kommen .

Eine elektrische Isolierung 18 gemäß Figur 4 besteht aus meh^¬ reren Lagen aus Papier 19, zwischen denen Ölschichten 20 lie- gen. Auch die Papiere 19 sind mit Öl getränkt, was in Figur 4 nicht näher dargestellt ist. Dafür ist in Figur 4 innerhalb der Papiere die Imprägnierung mit Graphen (oxid) 14 im Schitt zu erkennen. Die gemäß Figur 4 dargestellte Isolierung umgibt beispielsweise in einem Transformator (nicht dargestellt) die dort zum Einsatz kommenden Wicklungen, die nach außen und zueinander elektrisch isoliert werden müssen. Die elektrische Isolation eines Transformators muss im Be^¬ triebsfall bei Anliegen einer Wechselspannung elektrische Durchbrüche verhindern. In diesem Fall ist das Isolationsverhalten der Isolierung von der Permittivität der Komponenten der Isolierung abhängig. Für Öl liegt die Permittivitätszahl ε₀ ungefähr bei 2, für das Papier ε_ρ bei 4. Bei einer Bean^¬ spruchung der Isolation mit einer Wechselspannung ergibt sich daher für die Belastung der einzelnen Isolationskomponenten, dass die am Öl anliegende Spannung U₀ ungefähr doppelt so hoch ist, wie die am Papier anliegende Spannung U_p. Wird der erfindungsgemäße Nanokomposit verwendet, bei dem das Papier 19 in der in Figur 4 dargestellten Weise mit Graphen (oxid) 14 imprägniert ist, so beeinflusset das Graphen (oxid) 14 die Spannungsverteilung in der erfindungsgemäßen Isolation nicht oder zumindestend nur unwesentlich, da die Permittivitätszahl s_c ähnlich ausgeprägt ist und daher die Permittivität s_Comp des imprägnierten Papiers auch bei ungefähr 4 liegt. Damit ist auch bei der erfindungsgemäßen Isolation die am Öl angreifende Spannung U₀ ungefähr doppelt so groß wie die am Nanokomposit (Papier) anliegende Spannung U_COmp ·

Treten Störfälle am Transformator auf, so kann auch die

Durchschlagfestigkeit der Isolation bei Anliegen von Gleichspannungen von Bedeutung sein. Die Verteilung der anliegenden Spannung auf die einzelnen Isolationsbestandteile ist dann allerdings nicht mehr von der Permittivität abhängig, sondern vom spezifischen Widerstand der einzelnen Komponenten. Der spezifische Widerstand p₀ von Öl liegt bei 10¹² Gm. Demgegen^¬ über ist p_p von Papier um drei Größenordnungen höher und liegt bei 10¹⁵ Gm. Dies bewirkt, dass bei Anliegen einer Gleichspannung die Spannung am Öl U₀ das Tausendfache der Spannung am Papier U_p beträgt. Diese Ungleichgewicht birgt die Gefahr, dass es bei einer Beaufschlagung der Isolation mit einer Gleichspannung zu Durchschlägen im Öl kommt und die elektrische Isolation versagt.

Das erfindungsgemäß in das Papier 19 eingebrachte Gra^¬ phen (oxid) 14 wird durch eine gezielte teilweise Reduktion vor der Zugabe in den Komposit mit seinem spezifischen Widerstand so eingestellt, dass der spezifische Widerstand des Papiers p_p herabgesetzt wird. Hierdurch lässt sich für den erfindungsgemäßen Komposit ein spezifische Wiederstand p_COmp ein- stellen, der an den spezifischen Widerstand p₀ angenähert ist und im Idealfall diesem ungefähr entspricht. Bei einem spezifischen Widerstand p_COmp von ungefähr 10¹² Qm liegt die am Öl anliegende Spannung U₀ im Bereich der am Komposit anliegenden Spannung U_COmp , so dass sich ein ausgeglichenes Spannungspro- fil in der Isolation einstellt. Hierdurch wird vorteilhaft die Durchschlagfestigkeit der Isolation verbessert, da sich die Belastung des Öls spürbar verringert.

In Figur 5 ist eine Fertigungsanlage für ein

Cellulosematerial in Form einer Papierbahn 22 gezeigt, welche sich zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfin^¬ dungsgemäßen Verfahrens eignet. Diese Anlage weist einen ers^¬ ten Behälter 23 für einer Dispersion 24 auf, wobei in der Dispersion Graphen (oxid) 14 (vgl. Figur 2) enthalten ist. Außerdem werden aus einem Vorratsbehälter 25 Cellulosefasern 12 in die Dispersion 24 eingerieselt. Auf diese Weise wird in an sich bekannter Art und daher nicht näher dargestellt eine Pulpe mit der Dispersion 24 hergestellt, welche auf einem siebförmigen Laufband 26 abgeschieden wird. Dieses Laufband führt in einen zweiten Behälter 27, wo die Dispersion 24 abtropfen kann, wodurch aus den Cellulosefasern eine bereits teilweise entwässerte Matte entsteht. Die Dispersion wird über eine Pumpe 28 einer Wiederaufbereitungsanlage 29 zuge^¬ führt, wo die erforderliche Konzentration an Graphen (oxid) wieder eingestellt wird. Die aufbereitete Dispersion kann über einen Zufluss 30 dem ersten Behälter 23 zugeführt werden .

Aus dem gewonnenen Cellulosematerial wird im weiteren Verlauf des Verfahrens die Papierbahn 22 hergestellt. Zunächst er^¬ folgt eine weitere Entwässerung über ein Walzenpaar 31, wobei auch die bei diesem Entwässerungsschritt frei werdende Dis^¬ persion in dem Behälter 27 aufgefangen wird. Anschließend passiert die Papierbahn 22 ein nächstes Walzenpaar 32, wobei durch die S-förmige Führung der Papierbahn um das Walzenpaar ein vergleichsweise großer Umschlingungswinkel erreicht wird. Das Walzenpaar wird nämlich über die angedeuteten Heizein- richtungen 33a beheizt, so dass ein Wärmeübergang auf die Pa^¬ pierbahn möglich ist. Hierzu können auch zusätzliche Heizeinrichtungen 33b unterstützend zum Einsatz kommen. Bei dieser Behandlung erfolgt auch eine weitere Entwässerung. Danach kann über eine weitere Zuführvorrichtung 34 nochmals Dispersion auf die Papierbahn aufgebracht werden, wobei die inzwischen weitgehend entwässerte Papierbahn saugfähig genug ist, damit die Cellulosefasern mit der Dispersion getränkt werden können. Anschließend durchläuft die Papierbahn 22 ein weiteres Walzenpaar 35 und wird hierdurch wieder entwässert. Eine weitere Entwässerung wird über ein Walzenpaar 36 erreicht, wobei dieses in der zum Walzenpaar 32 beschriebenen Weise über Heizeinrichtungen 33a, 33b beheizbar ist. Sobald die Papierbahn 22 das Walzenpaar 36 verlässt, ist die Papierbahn weitgehend entwässert. Allerdings enthält diese noch einen Restgehalt an Wasser und wird deswegen einer

Trocknungseinrichtung 37 zugeführt und kann in dieser Trocknungseinrichtung nach Bedarf getrocknet werden.

Alternativ wird das imprägnierte Zellulosematerial nach der ersten Entwässerung durch die Walzen 31 ungetrocknet auf einer Formatwalze aufwickelt und kann so als mehrlagiger Nass^¬ stoff mit typischerweise > 80% Wasseranteil der Weiterverar- beitung zugeführt werden (hier nicht dargestellt) . Dies bein^¬ haltet z.B. das Heißpressen zur Herstellung von Pressboard oder Formteilen zur (teil-) manuellen Herstellung von Bauteilen einer Trafo-Isolation. In allen Fällen beeinflusst die Trocknung und Entwässerung den Anteil an Graphen (oxid) im Komposit und damit den spezifischen Widerstand.

Hierzu ist zu bemerken, dass der spezifische Widerstand p des hergestellten Zellulosematerials 22 nicht nur vom Gehalt an Graphen (oxid) sondern auch vom Restwassergehalt abhängig ist. Soll das Material beispielsweise als elektrische Isolation in einem Transformator verwendet werden, muss diese mit Öl ge^¬ tränkt werden und darf möglichst kein Wasser mehr enthalten. Dies ist durch die anschließende Trocknung in der Trockeneinrichtung 37 sicherzustellen. Die Trocknungseinrichtung 37 kann beispielsweise als Ofen ausgeführt sein. Typischerweise erfolgt eine abschliessende Trocknung nach dem Verbauen des Isolationsmaterials im Trafo.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims

1. Nanokomposit mit elektrischen Felder gradierenden Nanopar- tikeln, die in einem elektrischen Isolierstoff verteilt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die Nanopartikel (14) Teilbereiche aus Graphenoxid (11) und Teilbereiche (12) aus Graphen aufweisen.

2. Nanokomposit nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die Nanopartikel (14) in einer Konzentration in dem Nanokomposit verteilt sind, dass dieser einen spezifischen Widerstand von 10¹² Qm aufweist.

3. Nanokomposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Nanopartikel (14) mit einer Konzentration von höchs^¬ tens 3 Vol-%, bevorzugt höchstens 2 Vol-% in dem Isolierstoff (16a, 16b) verteilt sind.

4. Nanokomposit nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass der Isolierstoff ein Thermoplast, insbesondere Polyethy^¬ len, Polystyrol oder PVC, ein Elastomer, ein Silicon oder ein Harz ist.

5. Nanokomposit nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Isolierstoff (16a, 16b) ein Zellulosefasern enthal- tendes Zellulosematerial ist, wobei dieses mit den Nanoparti- keln (14) imprägniert ist.

6. Nanokomposit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das Graphenoxid hybridisiere Kohlenstoffatome aufweist, die Carboxylgruppen und Carbonylgruppen tragen.

7. Verwendung eines Nanokomposits mit elektrische Felder gra^¬ dierenden Nanopartikeln, wobei

- zur Einstellung der effektiven Leitfähigkeit die in dem Isolierstoff verteilten Nanopartikel (14) zum Teil aus Graphen (12) und zum Teil aus Graphenoxid (11) bestehen und

- die Nanopartikel in einem elektrisch isolierenden Isolierstoff (16a, 16b) verteilt sind,

als Isolationsmaterial für einen Transformator.

8. Verfahren zum Erzeugen eines Nanokomposits mit elektrische Felder gradierenden Nanopartikeln, die in einem elektrischen Isolierstoff verteilt sind,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass,

- die Nanopartikel (14) aus Graphenoxid (11) gebildet wer^¬ den, wobei Teilbereiche des Graphenoxids zu Graphen (12) reduziert werden und

- die Nanopartikel in den elektrischen Isolierstoff eige- bracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass

- als elektrischer Isolierstoff (16a, 16b) ein

Zellulosematerial aus Zellulosefasern hergestellt wird und

- die Nanopartikel in einer Zellulose-Pulpe (12, 24) ver^¬ teilt werden.