WO1995011272A1 - Halogenfreie harzmischung, ein diese harzmischung enthaltendes, selbstverlöschendes prepreg sowie dessen verwendung - Google Patents

Halogenfreie harzmischung, ein diese harzmischung enthaltendes, selbstverlöschendes prepreg sowie dessen verwendung Download PDF

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    • C08L63/00—Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins

Definitions

  • Halo ⁇ enzyme resin mixture a self-extinguishing prepreg containing this resin mixture and its use
  • the invention relates to a halogen-free resin mixture based on an epoxy resin, a hardener, a flame retardant and additives, a self-extinguishing prepreg comprising this resin mixture and its advantageous use.
  • flame retardants such as magnesium hydroxide and zinc carbonate, which are known to form no corrosive decomposition products in the event of a fire.
  • flame retardants such as magnesium hydroxide and zinc carbonate, which are known to form no corrosive decomposition products in the event of a fire.
  • Half-parts (prepregs) based on a resin of the type mentioned at the beginning using these flame retardants either do not meet the high requirements with regard to fire resistance or do not give rise to laminates with high long-term temperature resistance (greater than or equal to heat class F).
  • prepregs of the type mentioned at the outset with regard to their use An essential criterion for their use are the adhesive properties create.
  • prepregs half-parts represent essential connecting elements between the individual machine parts and between the materials used, a stable connection between the individual machine parts or materials being intended to be achieved.
  • the object of the invention is therefore to provide a halogen-free resin mixture of the type mentioned at the outset, which makes it possible to provide a half part (prepreg) which does not have the known disadvantages such as the release of corrosive or toxic compounds in the event of a fire and nevertheless has a high resistance to fire and permanent temperature and has good adhesive properties.
  • a halogen-free resin mixture consisting of a) 20-60% by weight epoxy resin b) 20-60% by weight phenolic novolak hardener c) 5-65% by weight zinc borate as flame retardant and d) 0-30% by weight Additives suggested.
  • This resin mixture advantageously contains as epoxy resin one based on an epoxidized phenol novolak or cresol novolak.
  • the invention further relates to a self-extinguishing prepreg with a resin application of 40-200%, which by applying a halogen-free resin mixture consisting of a) 20-60% by weight epoxy resin b) 20-60% by weight phenolic novolak hardener c) 5-65% by weight. % Zinc borate as flame retardant and d) 0-30% by weight of additives can be produced on flat carrier materials.
  • this prepreg contain a resin application of 40 to 140%.
  • Glass fibers, aramid fibers and acrylic fibers have proven to be particularly advantageous as the carrier materials used. These are advantageously used in the form of a scrim, fabric or fleece.
  • the carrier material can consist of a plastic film.
  • the prepreg has an epoxy resin based on an epoxidized phenol novolak or cresol novolak.
  • the prepreg according to the invention is advantageously used as insulation material in electrical machines and converters.
  • An impregnation resin mixture according to the invention has the following formulation:
  • Zinc borate 100 g An aerosil in an amount of 2 g and an accelerator, for example benzyldimethylamine, in an amount of 0.2 g are used as additives.
  • the above-mentioned formulation components are applied in the form of an acetonic suspension to a glass filament fabric (200 g / m 2 ) and dried in a vertical dryer at temperatures up to 170 ° C. (preparation of prepreg A).
  • the fire test was carried out on a laminate which was produced from eight layers of prepregs A to C by pressing at elevated temperature, most of the resins used having been cured.
  • Measurement method 2 was carried out on the uncured prepregs A to C according to NEMA LI 1-11.11.
  • the permanent temperature resistance was tested on a 3 mm thick laminate, which was produced from 16 layers of the prepregs by hot pressing, in accordance with IEC 243.
  • the test criterion is the bending strength according to DIN 7735 at room temperature.
  • the tensile shear strength was measured on composites, each consisting of prepregs A to C, which were pressed on both sides with 0.4 mm thick, untreated copper plates, at room temperature.
  • a comparison of the values given in the table shows that the prepreg A according to the invention has better properties with regard to fire resistance, namely class A, and better long-term temperature resistance, namely> 155 ° C., than prepregs B and C known from the prior art , where Prepreg B has magnesium hydroxide as a flame retardant and Prepreg C has zinc carbonate as a flame retardant.
  • the measured values relating to the tensile shear strength show that the prepreg A according to the invention can be bonded at least as well as similar, non-flame-retardant prepregs and is better bondable than the known, flame-retardant prepregs B and C.
  • the prepreg A according to the invention is self-extinguishing and is therefore suitable for use as insulation material in electrical machines and converters, for example in transformers.
  • the dielectric strength serves as an essential test criterion for this purpose. This is usually measured on a layer of the hardened prepreg according to IEC 243. A dielectric strength of greater than 30 kV / mm was determined. This test value corresponds to the requirements placed on insulation materials for electrical machines and transformers such as transformers.

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Abstract

Es werden eine halogenfreie Harzmischung bestehend aus: (a) 20-60 Gew. % Epoxyharz, (b) 20-60 Gew. % phenolischer Novolakhärter, (c) 5-65 Gew. % Zinkborat als Flammschutzmittel und (d) 0-30 Gew. % Zusatzstoffen sowie ein selbstverlöschendes Prepreg mit einem Harzauftrag von 40-200 %, herstellbar durch Aufbringen dieser Harzmischung auf flächige Trägermaterialien, angegeben. Dieses selbstverlöschende Prepreg eignet sich vorteilhafterweise für die Verwendung als Isolationsmaterial für elektrische Maschinen und Umformer.

Description

Haloσenfreie Harzmischung, ein diese Harzmischung enthaltendes, selbstverlöschendes Prepreg sowie dessen Verwendung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine halogenfreie Harzmischung auf Basis eines Epoxyharzes, eines Härters, eines Flammschutzmittels sowie Zusatzstoffen, ein diese Harzmischung aufweisendes, selbstverlö¬ schendes Prepreg sowie dessen vorteilhafte Verwendung.
Stand der Technik
Aus der EP-A-365784 ist es bekannt, Harzmischungen auf Basis eines Epoxyharzes mit Flammschutzmitteln zu versetzen, um die unter Verwendung dieser Harzmischungen hergestellten Halbteile (Prepregs) für deren weitere Verwendung brandbeständig zu machen. Als Flammschutzmittel werden halogenfreie Phosphor- und StickstoffVerbindungen vorgeschlagen. Diese Flammschutzmittel haben jedoch den Nachteil, daß sie sich im Brandfall in korrosive und zum Teil toxische Verbindungen wie Stickoxide und Phosphorsäurederivate zersetzen, welche bei der Verwendung des Halbteiles insbesondere im Maschinenbau Korrosionsschäden an den Maschinenteilen hervorrufen.
Ferner ist der Einsatz von Flammschutzmitteln wie Magnesium¬ hydroxid und Zinkcarbonat möglich, von denen es bekannt ist, daß sie im Brandfall keine korrosiven Zersetzungsprodukte bilden. Halbteile (Prepregs) auf Basis eines Harzes der eingangs genann¬ ten Art unter Einsatz dieser Flammschutzmittel erfüllen entweder nicht die hohen Anforderungen hinsichtlich der Brandbestän¬ digkeit oder ergeben bei der Aushärtung keine Laminate mit hoher Dauertemperaturbeständigkeit (größer gleich Wärmeklasse F) .
Ferner werden an Prepregs der eingangs genannten Art hohe Anfor¬ derungen hinsichtlich ihrer Verwendung gestellt. Ein wesent¬ liches Kriterium für deren Verwendung sind die Verklebeeigen- schaften. Insbesondere- im Maschinenbau stellen derartige Halb¬ teile (Prepregs) wesentliche Verbindungselemente zwischen den einzelnen Maschinenteilen sowie zwischen den eingesetzten Werkstoffen dar, wobei eine stabile Verbindung zwischen den einzelnen Maschinenteilen beziehungsweise Werkstoffen erzielt werden soll.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine halogenfreie Harzmischung der eingangs genannten Gattung anzugeben, welche die Bereitstellung eines Halbteiles (Prepreg) ermöglicht, das die bekannten Nachteile wie die Freisetzung korrosiver bzw. toxischer Verbindungen im Brandfall nicht aufweist und dennoch eine hohe Brand- und Dauertemperaturbeständigkeit sowie gute Verklebeeigenschaften aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine halogenfreie Harzmischung bestehend aus a) 20 - 60 Gew.% Epoxyharz b) 20 - 60 Gew.% phenolischer Novolakhärter c) 5 - 65 Gew.% Zinkborat als Flammschutzmittel und d) 0 - 30 Gew.% Zusatzstoffen vorgeschlagen.
Diese Harzmischung enthält vorteilhafterweise als Epoxyharz eines auf Basis eines epoxidierten Phenolnovolaks oder Kresolnovolaks.
Ferner betrifft die Erfindung ein selbstverlöschendes Prepreg mit einem Harzauftrag von 40 - 200 %, welches durch Aufbringen einer halogenfreien Harzmischung bestehend aus a) 20 - 60 Gew.% Epoxyharz b) 20 - 60 Gew.% phenolischer Novolakhärter c) 5 - 65 Gew.% Zinkborat als Flammschutzmittel und d) 0 - 30 Gew.% Zusatzstoffen auf flächige Trägermaterialien herstellbar ist.
Ferner wird vorgeschlagen, daß dieses Prepreg einen Harzauftrag von 40 bis 140 % enthält.
Als eingesetzte Trägermaterialien haben sich als besonders vor¬ teilhaft Glasfasern, Aramidfasern und Acrylfasern erwiesen. Diese werden vorteilhafterweise in Form eines Geleges, Gewebes oder Vlieses eingesetzt.
Ferner kann das Trägermaterial aus einer Kunststoffolie bestehen.
Besonders gute Eigenschaften des Prepregs werden dadurch erreicht, daß es als Epoxyharz eines auf Basis eines epoxi- dierten Phenolnovolaks oder Kresolnovolaks aufweist.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Prepreg als Isola¬ tionsmaterial in elektrischen Maschinen und Umformern einge¬ setzt.
Ein Weg zur Ausführung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Imprägnierharzmischung weist folgende Rezeptur auf:
Hauptkomponente Menge
Epoxynovolak/Festharzgehalt 75% 118 g phenolischer Novolakhärter/
Festharzgehalt 65% 203 g
Zinkborat 100 g Als Zusatzstoffe werden ein Aerosil in einem Ausmaß von 2 g und ein Beschleuniger, beispielsweise Benzyldimethylamin, in einer Menge von 0,2 g eingesetzt.
Die obengenannten Rezepturkomponenten werden in Form einer ace- tonischen Suspension auf ein Glasfilamentgewebe (200 g/m2) aufgebracht und in einem vertikalen Trockner bei Temperaturen bis 170°C getrocknet (Herstellung des Prepregs A) .
Anstelle des oben eingesetzten Zinkborates werden nunmehr in derselben Menge folgende Flammschutzmittel eingesetzt: Magne¬ siumhydroxid (Prepreg B), Zinkcarbonat (Prepreg C) .
In der folgenden Tabelle werden Ergebnisse von Vergleichs¬ versuchen betreffend das erfindungsgemäße Prepreg A und die aus dem Stand der Technik bekannten Prepregs B und C gegenüber¬ gestellt.
Tabelle
Prepreg A B C
Brandbeständigkeit
Meßmethode 1 o l Vl
Meßmethode 2 Klasse A Klasse B Klasse B
Dauertemperatur¬ beständigkeit > 155°C < 155°C <
155°C
Verklebeeingeschaften 3.2 2.2 2.7 gemessen an der Zugscherfestigkeit [N/mm2] Die in der Tabelle angegebenen Werte hinsichtlich der Brandbe¬ ständigkeit wurden wie folgt ermittelt:
Gemäß Meßmethode 1 wurde die Brandprüfung an einem Laminat durchgeführt, welches aus acht Lagen der Prepregs A bis C durch Verpressen bei erhöhter Temperatur hergestellt wurde, wobei die eingesetzten Harze zum größten Teil ausgehärtet wurden.
Die Meßmethode 2 wurde an den nicht ausgehärteten Prepregs A bis C nach NEMA LI 1-11.11 durchgeführt.
Die Dauertemperaturbeständigkeit wurde an einem 3 mm dicken Laminat, welches aus 16 Lagen der Prepregs durch Heißverpressen hergestellt wurde, nach IEC 243 geprüft. Das Prüfkriterium ist die Biegefestigkeit nach DIN 7735 bei Raumtemperatur.
Die Zugscherfestigkeit wurde an Verbunden, bestehend jeweils aus den Prepregs A bis C, welche beidseitig mit 0,4 mm dicken, unbe- handelten Kupferplatten verpreßt wurden, bei Raumtemperatur gemessen.
Beim Vergleich der in der Tabelle angegebenen Werte zeigt es sich, daß das erfindungsgemäße Prepreg A bessere Eigenschaften hinsichtlich Brandbeständigkeit, nämlich Klasse A, sowie eine bessere Dauertemperaturbeständigkeit, nämlich > 155°C aufweist, als die aus dem Stand der Technik bekannten Prepregs B und C, wobei Prepreg B als Flammschutzmittel Magnesiumhydroxid und Prepreg C als Flammschutzmittel Zinkcarbonat aufweist. Die Meßwerte betreffend die Zugscherfestigkeit zeigen, daß das erfindungsgemäße Prepreg A mindestens so gut verklebbar wie ähnliche, nicht flammgeschützte Prepregs und besser verklebbar ist als die bekannten, flammgeschützten Prepregs B und C. Gewerbliche Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße Prepreg A ist selbstverlöschend und eignet sich daher für die Verwendung als Isolationsmaterial in elek¬ trischen Maschinen und Umformern, beispielsweise in Transforma¬ toren. Als wesentliches Prüfkriterium für diesen Verwendungs¬ zweck dient die Durchschlagsfestigkeit. Diese wird üblicherweise an einer Lage des ausgehärteten Prepregs nach IEC 243 gemessen. Dabei wurde eine Durchschlagsfestigkeit von größer 30 kV/mm ermittelt. Dieser Prüfwert entspricht den Anforderungen, welche an Isolationsmaterialien für elektrische Maschinen und Umformern wie Transformatoren gestellt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Halogenfreie Harzmischung bestehend aus a) 20 - 60 Gew.% Epoxyharz b) 20 - 60 Gew.% phenolischer Novolakhärter c) 5 - 65 Gew.% Zinkborat als Flammschutzmittel und d) 0 - 30 Gew.% Zusatzstoffen.
2. Harzmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxyharz eines auf Basis eines epoxidierten Phenol- novolaks ist.
3. Harzmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxyharz eines auf Basis eines epoxidierten Kresol- novolaks ist.
4. Selbstverlöschendes Prepreg mit einem Harzauftrag von 40 - 200 %, herstellbar durch Aufbringen einer halogenfreien Harzmischung bestehend aus a) 20 - 60 Gew.% Epoxyharz b) 20 - 60 Gew.% phenolischer Novolakhärter c) 5 - 65 Gew.% Zinkborat als Flammschutzmittel und d) 0 - 30 Gew.% Zusatzstoffen auf flächige Trägermaterialien.
5. Prepreg nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzauftrag 40 bis 140 % beträgt.
6. Prepreg nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus Glasfasern und/oder Aramid- und/oder Acrylfasern besteht.
7. Prepreg nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Trägermaterialien in Form eines Geleges, Gewebes oder Vlieses angeordnet sind.
8. Prepreg nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus einer Kunststoffolie besteht.
9. Prepreg nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Epoxyharz eines auf Basis eines epoxidierten Phenolnovolaks ist.
10. Prepreg nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Epoxyharz eines auf Basis eines epoxi¬ dierten Kresolnovolaks ist.
11. Verwendung eines Prepregs nach einem der Ansprüche 4 bis 10 als Isolationsmaterial für elektrische Maschinen und Umformer.
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