CH320087A - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isoliermaterials und nach diesem Verfahren erhaltenes elektrisches Isoliermaterial - Google Patents

Description

  Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isoliermaterials und nach diesem Verfahren  erhaltenes elektrisches Isoliermaterial    Die vorliegende Erfindung betrifft ein  Verfahren zur Herstellung eines elektrischen  Isoliermaterials aus einem biegsamen     anor-          ganisehen    Fasermaterial sowie das gemäss die  sem Verfahren erhaltene Isoliermaterial.

   Das  erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ist  dadurch gekennzeichnet, dass man ein bieg  sames anorganisches Fasermaterial mit einer  Lösung eines     Acrylatpolymers    tränkt und  dass man hierauf das so imprägnierte Faser  material mit einer teilweise kondensierten Mi  schung aus einem     epoxygruppenhaltigen          Äthoxylinharz    und einem sauren ungesättig  ten     polymerisierbaren    Polyester behandelt.  



  Das so erhaltene Isoliermaterial ist gekenn  zeichnet durch ein biegsames anorganisches       Faseiniaterial,    das als     Imprägnierungsmittel     ein     AerTlatpolymer    enthält, und durch einen  mindestens an der Oberfläche des genannten  Fasermaterials vorhandenen Überzug, der  ans einer     teilweise    kondensierten Mischung  eines     Äthoxylinharzes    und eines sauren, un  gesättigten     polymerisierbaren    Polyesters be  steht.  



  Dieses     3Iaterial    eignet sieh insbesondere  für die Isolation von     Spulendrähten,    wozu  Drähte für     Statoren    und Rotoren von dynamo  elektrischen     Maschinen    gehören.     Spulendrähte     umfassen Leiter der verschiedensten     Quer-          sehnittsformen,    also nicht nur runde und qua-         dratisehe    Leiterquerschnitte, sondern auch  Leiter von flach rechteckigem Querschnitt  aller möglichen Breiten und Dicken. Bei  spielsweise können solche Leiter eine Breite  von 12,7 mm und eine Dicke von 1,6 mm auf  weisen.

   Die Isolation von     Spulendrähten    muss  hervorragend gute mechanische und Isolations  eigenschaften besitzen, wobei es     erwünscht    ist,  dass die elektrische Isolation möglichst gerin  gen Raum in einer     Spulenwicklung    bean  sprucht.  



  Isolierte elektrische Leiter, wie Spulen  drähte, werden in grossem Umfang gebraucht,  aber die bisher bekannten weisen Nachteile  in physikalischer und elektrischer Hinsicht  auf, besonders bei grösseren     Rechteekabmessun-          gen.    Hierfür wurde bisher Asbest verwendet,  sowohl als flockige Fasern in Form von  Strängen wie auch als Gespinst und als Garn.  In jeder dieser Formen wurde der Asbest auf  den Draht aufgewickelt und diese Umhüllung  dann mit einem Isoliermittel getränkt. Die aus  Asbeststrängen bestehende Umwicklung führt  zu erheblichen Wandstärken an den flachen  Teilen von winkligen Leitern, dabei aber an  Ecken und Kanten nur relativ dünne Isolier  schichten ergebend.

   Die Umhüllung mit Asbest  gespinsten ist oft. uneben, knotig und von  zu grosser Wandstärke für gewisse Anwen  dungen, bei denen die Isolation möglichst ge  ringen Raum beanspruchen sollte. Derart iso-           lierter    Draht hält die Beanspruchungen beim  Biegen und Verdrehen, wie sie bei manchen  Konstruktionen auftreten, nicht ohne Schädi  gung aus.  



  Da kein bisher bekanntes Isoliermaterial  alle in     physikalischer    und chemischer Hin  sicht erforderlichen Eigenschaften in dem er  wünschten Ausmass besitzt, bezweckt die     z        or-          liegende    Erfindung, ein Isoliermaterial zu ver  schaffen, das diesen Anforderungen besser ge  nügt.  



  Die Isolierung des Leiters wird zweck  mässig so     durchgeführt,    indem der Leiter  mit dem erfindungsgemäss erhaltenen Isolier  material in Bandform umwickelt wird, worauf  die teilweise     kondensierte        -Kthoxylinha.rz-          inischung    im Laufe der Zeit zu einem zähen,  festen und anhaftenden Überzug durch wei  tere     Polymerisation    aushärtet, in welchem  Überzug die einzelnen Bestandteile so voll  ständig ineinander aufgehen können, dass die  Wirkung eines einheitlichen Überzuges erzielt       wird,    der die Kombination der gewünschten  Eigenschaften bezüglich Hitzebeständigkeit,  Festigkeit gegen Abnützung, Biegsamkeit und  geringen Raumbedarf aufweist.  



  Das für das Isoliermaterial verwendete  biegsame Fasermaterial besteht entweder voll  ständig oder grösstenteils aus anorganischen  hitzebeständigen Fasern, wie beispielsweise  Asbest, Glasgespinst, Quarzgespinst oder der  gleichen. Blattartiges Material, aus kolloidalem  Ton und Asbest bestehend, wie beispielsweise  im _USA-Patent     Nr.2493604    beschrieben, kann  auch verwendet werden, ebenso eine Kom  bination derartiger     Materialien.    Vorzuzie  hen ist blattförmiges Asbestmaterial genügend  geringer Dicke und hoher Güte. Gewöhnlich  ist es vorteilhaft, derartige anorganische Ge  webe mit einer geringen     Menge    von Stärke in  wässriger Lösung zu tränken und zu trocknen,  bevor die Behandlung mit     Aerylatpolymeren     durchgeführt wird.

   Eine kleine Menge von  Stärke, etwa eineinhalb bis zweieinhalb Pro  zent an fester Stärke in der anorganischen       TJnterlage,    verringert die     Hitzebeständigkeit     nicht. merklich. Die Stärke verbessert aber    die physikalischen Eigenschaften des anorgani  schen blattförmigen Materials, insbesondere  für die nachfolgenden     Tränkungsmassnahmen.     



  Das zweckmässig mit Stärke versteifte  anorganische, vorteilhaft band- oder     blatt-          förmige        Fasermaterial    wird zuerst mit einer  Lösung eines Acryl     lpolymers    getränkt und im  prägniert, das dem anorganischen Faser  material Festigkeit und Biegsamkeit verleiht,  sowie seine     Isolationsfähigkeit    und     dielektri-          sehen        Eigenschaften        verbessert.    Das Trän  kungsmittel     (Acrylatpolymerlösung)    darf  nicht bereits bei einer Temperatur hart und  spröde werden,

   bei welcher sieh die     Bewiek-          lung    bzw. der Draht verfestigt, da die Draht  isolation im Endzustand ein     \Umdrehen    und  beliebiges Biegen. zulassen muss.     Acr;vlatpoly-          mere    sind thermoplastisch, und deshalb sind  deren Lösungen, insbesondere solche von     Co-          polymeren    von Derivaten der     Aerylsäure,    ge  eignete     Tränkungsmittel    mit den erwünschten  Eigenschaften.

   Beispielsweise wird ein     Co-          polymer    aus     ',#Iethylaerylat    und     Äthylacrylat          verwendet,        mit        einem        Gehalt        von        50        bis        90 ,#l#        @     Ä     thylacrylat    und 50 bis 10%     Methylacrclat,

       jedoch vorzugsweise mit einer Zusammenset  zung innerhalb der Grenzen von 70 bis 90 ö       Äthy1acrylat    und 30 bis     7.0 /p        Methylacrylat,     die     copolymerisiert    sind. Ein geeignetes Ma  terial für diesen Zweck ist ein von der      Resi-          nous        Products        Company     unter der Marken  bezeichnung      Acryloid    C-5  auf den Markt  gebrachtes Harz.

   Das     Acrylatpolymer    wird als  Lösung in einem zweckmässig leicht.     verdampf-          baren        Lösungsmittel,    beispielsweise     Toluol,     verwendet, wobei ein     Feststoffgehalt    von     20p/,     zweckmässig ist. Das getränkte Fasermaterial  wird durch Erhitzen vom Lösungsmittel be  freit. Normalerweise sollte die Unterlage,  nach Beseitigung des Lösungsmittels, einen       ('rehalt    von 20 bis     23p/,    an festen Harzen auf  weisen.  



  Nach der Imprägnierung ist das     blatt-          förmige    Material aus Asbest. oder andern an  organischen Stoffen zwar in bezug auf Festig  keit, Biegsamkeit und     dielektrischen    Eigen  schaften verbessert, aber nicht so zäh und           versehleissfest,-    wie gewünscht. Zur     I,rIan-          gung    dieser Eigenschaften wird es dann mit       einer    teilweise kondensierten Mischung     beban-          delt,        uni    einen Überzug darauf auszubilden.

    Diese     Mischung    wurde bereitet. aus einem       rltlioxylinharz    und einem sauren, ungesättig  ten,     polynierisierbaren    Polyester, worauf eine  teilweise Kondensation erfolgt. Dieses Gemisch  ist,     warmliärtbar    und hitzebeständig.

   Ein     sol-          ehes        -.Material,    das in dem USA - Patent  Nr.     \_'691007    beschrieben ist, stellt ein teil  weise kondensiertes Produkt dar, erhalten ans       (lein    Zusammenwirken einer Mischung von  Bestandteilen, erstens umfassend einen sauren       polymerisierbaren    Polyester, der also eine freie       Carboxyl-Gruppe    enthält und z.

   B. durch       1Tuisetzung    eines zweiwertigen Alkohols,     bei-          spielsweise        X.thylenglycol,    mit einer     a,ss-unge-          sätt.igten        Dicarbonsäure    oder deren     Anhy    drill  (z.

   B.     Maleinsäureanhydrid)    erhalten wurde,  und zweitens umfassend ein komplexes       Epoxyd-Harz,    das ein     Polyäther-Derivat    einer  polyfunktionellen organischen Verbindung       uuifasst,    beispielsweise eines mehrwertigen  Alkohols oder Phenols, und das     Epoxy-Grup-          pen    enthält. Dieses zwischenkondensierte Ge  misch, dessen Bestandteile nur teilweise mit  einander reagiert haben, ist in einem löslichen  und schmelzbaren Zustand. Weitere Konden  sation mittels Wärmebehandlung überführt  das beschriebene Harzgemisch in ein unlös  liches,     unschmelzbares,    durch Wärme ausge  härtetes Material.

   Im folgenden wird dieses  teilweise     kondensierte    Gemisch der Kürze hal  ber als      A-pIarz     bezeichnet.  



  Gemäss einer bevorzugten Ausführungs  form des erfindungsgemässen Verfahrens kann  ein weiterer Harzüberzug über den ersten,  ans     A-Harz    gebildeten Überzug auf das Iso  liermaterial aufgebracht werden. Dieser  zweite Harzüberzug unterscheidet sich physi  kalisch vom zuerst aufgebrachten Überzug  dadurch,     da.ss    er bis zum festen Aggregatzu  stand kondensiert ist und daher fein pulveri  siert werden kann.

   Wie weiter     ausgeführt.,     kann er als Staub oder Pulver auf das enten  liegende, in gelöster Form benützte     A-11arz     aufgebracht werden,    Dieses zweite äusserlich aufgebrachte pul  verförmige Harz kann im allgemeinen ein teil  weise kondensiertes festes Produkt sein, das  erhalten wird durch Kondensation einer Mi  schung von Bestandteilen, erstens umfassend  einen sauren Polyester von niedrigem Mole  kulargewicht, der also freie     Carboxyl-Gruppen     enthält und das Reaktionsprodukt eines mehr  wertigen Alkohols, beispielsweise Glyzerin mit  einer     niehtpolymerisierbaren        Dicarbonsäure     oder deren     Anhy    drill,

   beispielsweise mit       Phthalsäure    oder     Phthalsäureanhydrid    ist, und  zweitens umfassend ein komplexes     Epoxyd-          Harz,    das ein     Polyäther-Derivat    einer poly  funktionellen organischen Verbindung um  fasst, beispielsweise eines mehrwertigen Alko  hols oder Phenols, und das     Epoxy-Gruppen     enthält. Diese ebenen beschriebenen zwischen  kondensierten Produkte (die der Kürze halber  weiterhin als      B-Harz     bezeichnet werden)  sind in der     USA-Patentschrift        Nr.2683131.     genauer dargelegt.  



  Ohne einen besonderen Schutz neigen auf  einanderfolgende und anliegende Lagen eines  mit     A-Harz    in     teilweise    ausgehärtetem Zu  stand überzogenen Bandes bei Rollen (aufge  rolltem Vorrat an Band) in einem gewissen  Masse zum     Aneinanderkleben,    was auch zu  einigen     Schwierigkeiten    durch das Ankleben  beim Aufbringen auf die Leiter durch Wickel  maschinen führt.  



  Das     B-Harz    ist im teilweise kondensier  ten Zustand hart und spröde und so geartet,  dass es fein pulverisiert vorliegt. Als Pulver  kann das     B-Harz    auf den vorher erzeugten       A-Harz-Überzug    aufgebracht werden, wo es  festklebt. Das     B-Harz    vereinigt sich mit dem       daruntergelegenen        A-Harz,    wenn das auf einen  Leiter gewickelte Band der Wärmebehand  lung unter Druck unterzogen wird. Das       B-Harz    hat einen     Erweichungspunkt    in der  Gegend von 130  C und weist im erweichten  oder geschmolzenen Zustand gute Klebefähig  keit auf.

   Der äussere Überzug aus     B-Harz     verhindert somit. nicht nur das     unerwünschte     Festkleben des Bandes auf den Vorratsrollen,  sondern verbessert auch die Eigenschaften der  kombinierten Isolation nach erfolgter A<B>u</B>f-           wieklung    auf einen Leiter und dortiger Ver  festigung durch Anwendung von Wärme und  Druck.  



  Das erfindungsgemässe Verfahren sei an  Hand folgenden Beispiels näher erläutert       EinalsGrundlagedienendes        Asbestblattwird     zuerst mit einer 2%igen Stärkelösung imprä  gniert und nach Trocknen mit einer Lösung  eines     Copolymers    getränkt, das durch     Copoly-          merisation    eines Gemisches aus 80%     Äthyl-          acrylat    und 20%     Methylacrylat    erhalten  wurde.

   Hierauf wird das so imprägnierte  Asbestmaterial mit einem teilweise konden  sierten     Produkt    aus einem     Äthoxylinharz    und  einem sauren     polymerisierbaren    Polyester  imprägniert und beschichtet. Das hierfür ver  wendete     Äthoxylinharz    ist ein im Handel er  hältliches Harz, das von der Shell     Company     unter der Markenbezeichnung  Egon 1064   auf den Markt gebracht wird. Dieses     Epoxyd-          harz    besitzt. ein     Epoxydäquivalent    von 300 bis  375, ein ungefähres     Veresterungsäquivalent     von 105 und einen Schmelzpunkt von 40 bis  45  C.

   Der verwendete Polyester     wurde    durch       Umsetzling    von 1     Mol        Maleinsäureanhy        drid     mit 1     Mol        Äthylenglykol    erhalten. Der daraus  gewonnene Polyester besass eine Säurezahl von  95.

   Das teilweise kondensierte Produkt ent  stand durch Erhitzen von 20 Teilen dieses  Polyesters mit 30 Teilen des     Epoxydharzes     unter Zusatz von 0,01 Teilen     Chinon    als       Polymerisationsinhibitor.    Das so erhaltene  Gemisch     ist    nur teilweise kondensiert und wird  in gelöstem oder     geschmolzenem    Zustand auf  das     Asbestfaserblatt    einwirken gelassen.  



  Das so erzeugte Isoliermaterial in     Blatt-          oder    Bandform kann auf den zu isolierenden  Leiter nach Überziehen des letzteren mit einer  geeigneten     warmhärtbaren    Masse aufgebraucht  werden.  



  Nach dem Aufwickeln des Isoliermaterials  auf den Leiter wird auf die Aussenfläche  des ersteren ein weiterer Überzug in Form  eines pulverförmigen Harzes aufgetragen, das  ebenfalls ein Reaktionsprodukt zwischen einem  oben beschriebenen     Epoxydharz    und einem  sauren Polyester ist. In diesem Falle jedoch       wurde    der verwendete Polyester hergestellt    durch Umsetzen von 10     Mol        Phthalsäureanhy-          drid    mit 3,6     Mol    Glyzerin. Auf diese Weise ;  erhält man einen Ester mit einer Säurezahl  von etwa 354.

   Das pulverförmige, als äusserer  Überzug dienende Harzgemisch wird erhalten  durch Umsetzung von 32% des wie oben her  gestellten     Glyzerylphthalats    mit     68 O    des:       Epoxydharzes.     



  Die Verwendung des erfindungsgemässen  Isoliermaterials für die Isolierung von elek  trischen Leitern ist nachstehend an Hand der       Fig.    1 und 2 beschrieben, von denen       Fig.    1. einen Teil eines elektrischen Leiters  in perspektivischer und vergrösserter Wieder  gabe darstellt, der mit einem erfindungsgemäss  hergestellten Isoliermaterial versehen ist und       Fig.    2 einen Teil einer aus derart isoliertem  Draht geformten Spule in einer beispielsweisen       Ausführungsform    darstellt.  



  Die     Pig.    1 zeigt, stark vergrössert,     ein     Stück eines rechteckigen     Spulendrahtes    1. Vor  dem Aufbringen des erfindungsgemäss herge  stellten, als Isolierung dienenden Faserbandes  2 wird der Leiter 1 mit einem geeigneten hitze  beständigen Klebmittel 6 überzogen, z.     B.    mit  einem Klebmittel auf     Phenolharzbasis,        Vinyl-          harzbasis,        Polyesterharzbasis    oder     Epoxyd-          harzbasis    entsprechend dem oben beschrie  benen A-Harz.

   Als besonders geeignet hat  sich ein Klebmittel erwiesen, das aus einer  Lösung verschiedener Harze besteht., darunter       Styrol,        Polyv        inylaeetat    und ein     Dipropy        len-          glycol.-maleat-adipat-polyester,    die ferner noch  einen     Peroxy        dkatalysator    enthält. Das erfin  dungsgemäss hergestellte Faserband 2 wird  dann in der in     Fig.1    erläuterten Weise als  überlapptes Band auf den Leiter aufgewickelt.  



  Die     Fig.1    zeigt einen Teil der Gewebe  Unterlage 3 aus getränkten anorganischen Fa  sern von dem der Überzug 4 aus     warmhärt-          barem        A-Harz    entfernt ist. Der äussere Über  zug 5 aus pulverisiertem     B-Harz    ist durch  eine     Punktierung    angedeutet, ebenso das Kleb  mittel 6 auf der Oberfläche des Leiters 1. In  gewissen Fällen kann eine Mehrzahl überein  anderliegender Lagen des beschriebenen Ban  des um den Leiter gewickelt werden.

        Der umwickelte Leiter, der jeden ge  wünschten Querschnitt runder oder eckiger  Form     @iiifweiscnkann,    wird dann einer     Wärme-          behandlung    unter Druck unterzogen. Dabei  schmilzt das A-Harz, verklebt dadurch     be-          naehbarte    Lagen von Bandwindungen und  härtet bei     Weitererhitzen    unter     Polyrneri-          sation    bis zum     niehtsehmelzbaren,        unlösliehen          Zustand,    wodurch benachbarte Bandlagen fest       miteinander    verbunden werden.

   Normaler  weise wird eine     Temperatur    von etwa. 200  bis 250  C und ein Druck von ungefähr  0,07 bis 0,21     kg(em2    ausreichen, wobei jeweils       Erwä        rnrung    und Druck abhängen von den  Abmessungen des isolierten Leiters. Gleich  zeitig     verbinden    sich die A- und     B-Ha.r7schieh-          ten    fest miteinander.

   Als Ergebnis der Wärme  behandlung, die in manchen     Fällen    ein- oder  mehrfach wiederholt wird, sind die     Bewick-          lungen    derart     verfestigt,    dass sie im     wesent-          liehen    nicht mehr als einzelne Wicklungen er  scheinen.

   Der sieh ergebende Überzug hat gute       dielektrisclie    Eigenschaften, hohe Verschleiss  festig     ;keit    und Hitzebeständigkeit und kann  unbeschränkte Zeit. bei etwa 150  C betrieben       werden.    Er ist. vorwiegend einheitlich in sei  ner     Dieke    und ohne Neigung zur Bildung       zri        dieker    oder zu dünner Stellen.

   Die ge  ringe Dicke und Einheitlichkeit hat. bei einer       Windung    oder Spule gemäss     Fig.    2 zur Folge,  dass     dieselbe        geringere    Gesamtabmessungen  aufweist und mehr Windungen pro Raumein  heit     ernröglieht.    Bei der Entwicklung     elektri-          seher    Apparate kann auf diese Weise mehr  Kupfer, also eine grössere Anzahl Leiter pro       Einheit    des     Spulenquerschnittes    untergebracht  werden, was eine Erhöhung des Wirkungs  rades ergibt.  



       Fig.2    zeigt die Biegung s- und Verdre  hungsbeanspruchung, welcher der Wirkungs  draht bei der     Spulenherstellung        ausgesetzt     ist. Es ist     üblieh,    wie in     Fig.2    dargestellt,  in den meisten Fällen die einzelnen Drähte  mit starker Krümmung zu einer     Kröpfung    7  zu formen, an Stelle dieselben in flacher Weise  zu verlegen: Die scharfen Biegungen bewir  ken bedeutende Beanspruchungen der Isola  tion, ergeben jedoch bei einer Isolation ge-         mäss    der vorliegenden Erfindung keine De  schä.digung.  



  Mit dem     erfindungsgemässen    Isolations  material kann also eine Isolation auf einem  elektrischen Leiter hergestellt werden, die ein  heitlieh ist, fest haftet und     wid rstandsfähig     ist     -egen    Abscheuern, Verrutschen oder an  dere Beschädigungen beim Biegen, Verdrillen,  Kröpfen oder Bewegen. Diese Isolation besitzt  einen besonders hohen Grad von Hitzebestän  digkeit, weitgehende Feuchtigkeitsfestigkeit  und gute     dielektrische    Werte. Diese Vorteile  werden mit verringerter Isolationsdicke er  zielt, wodurch derart verbesserte, Drähte ge  ringeren Wicklungsraum beanspruchen, was  seinerseits zu einem besseren Wirkungsgrad  der mit solchem Draht ausgerüsteten elektri  schen Apparaturen führt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung eines elek trischen Isoliermaterials, dadurch gekennzeich net, dass man ein biegsames anorganisches Fa sermaterial mit einer Lösung eines Acrylat- polymers tränkt, und dass man hierauf das so imprägnierte Fasermaterial mit einer teil weise kondensierten Mischung aus einem epoxygruppenhaltigen Äthoxylinharz und einem sauren ungesättigten polymerisierbaren Polyester behandelt.

   II. Elektrisches Isoliermaterial, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein biegsames anorgani sches Fasermaterial, das als Imprä.gnierungs- mittel ein Acrylatpolymer enthält und durch einen mindestens an der Oberfläche des ge nannten Fasermaterials vorhandenen Über zug, der aus einer teilweise kondensierten Mi schung eines Äthoxylinharzes und eines sau sen ungesättigten polymerisierbaren Poly esters besteht. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass das verwendete Acrylatpolymer aus 50 bis 90% Äthylacrylat und 10 bis 50<B>%</B> Methylacrylat zusammenge setzt ist. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, da.ss der genannte saure ungesättigte polymerisierbare Polyester das Reaktionsprodukt eines zweiwertigen Alkohols mit einer a,ss-iingesättigten Dicarbonsäure oder mit dem Anhydrid einer solchen Säure ist. 3.

   Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass man das mit der teilweise kondensierten behandelte Fasermaterial zwecks Bildung eines zweiten Überzuges noch mit, einem festen teilweise kondensierten Gemisch eines Epoxydharzes und eines sauren gesättigten Polyesters be handelt, welch letzterer erhalten wurde durch Unisetzung eines mehrwertigen Alkohols mit einer nicht polymerisierbaren Dicarbonsäure oder deren Anhydrid.