DE102010022523B4

DE102010022523B4 - Gradientenspule mit in einer Vergussmasse vergossenen Spulenwicklungen

Info

Publication number: DE102010022523B4
Application number: DE102010022523.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Huber; Lothar Schön; Matthias Übler
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: DE102010022523A1; US20130169277A1; WO2011151153A1; US9074108B2

Abstract

Gradientenspule umfassend eine Vielzahl einzelner Spulenwicklungen (2) aus Spulenleitern (3), wobei die Spulenwicklungen (2) in einer Vergussmasse vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse aus einer Trägermatrix (8), in welcher wenigstens ein Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln (10) sowie ein weiterer Füllstoff aus anorganischen Partikeln (9) verteilt ist, besteht, wobei in die Trägermatrix (8) wenigstens ein als Flammschutzmittel dienender Füllstoff (11) aus Partikeln aus Al(OH)3, Mg(OH)2, Sb2O3 ist und/oder aus bromierten und/oder chlorierten Verbindungen, halogenhaltigen und/oder halogenfreien phosphororganischen Verbindungen eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspule umfassend eine Vielzahl einzelner Spulenwicklungen aus Spulenleitern, wobei die Spulenleiter in einer Vergussmasse vergossen sind.
Großvolumige Gradientenspulen eines Magnetresonanzgeräts bestehen in der Regel aus drei Teilspulen zur Erzeugung magnetischer Feldgradienten in den drei Raumrichtungen (X, Y, Z). Dabei ist es bekannt, die X- und Y-Spulen als so genannte Sattelspulen auszubilden, die Z-Spule ist mittels einer Umfangswicklung realisiert. Die einzelnen Spulen können sowohl aus gebündelten einzelnen Leitern aufgebaut werden, es ist aber auch möglich, dass in eine elektrisch leitfähige Platte, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium mit einem geeigneten Verfahren Trennstrukturen herausgearbeitet werden und das verbleibende Material die Spulenwicklung bildet. Die nach den verschiedenen Verfahren hergestellten Spulenwicklungen werden im Weiteren mit einer elektrisch isolierenden Trägerplatte verbunden und in einem formgebenden Schritt beispielsweise als Halbzylindermantel ausgebildet. Die einzelnen Spulenlagen werden nacheinander auf einem zylindrischen Dorn montiert. Weitere Bestandteile des Spulenaufbaus sind üblicherweise Isolations- und Verstärkungslagen, eine oder mehrere Kühllagen, z. B. bestehend aus Kunststoffschläuchen, durch welche ein Kühlmedium wie z. B. Wasser strömt, sowie gegebenenfalls so genannte Shim-Spulen. Weitere den Spulenaufbau bildende Lagen sind etwa Sekundärwicklungen, die zur Abschirmung des von den Primärspulen erzeugten Magnetfelds nach außen dienen.
Im Weiteren wird der komplette Spulenaufbau mit einem Gießharz zum Beispiel auf Epoxidharzbasis vergossen, wobei darauf zu achten ist, dass alle Leiterzwischenräume lunker- und blasenfrei imprägniert werden. Das Gießharz, welches gleichermaßen auch als Vergussmasse bezeichnet werden kann, muss dazu ein breites Eigenschaftsspektrum aufweisen. Dazu zählt beispielsweise eine niedrige Viskosität bei der Verarbeitung, sodass alle Leiterzwischenräume komplett, das heißt frei von Lunkern oder Blasen imprägniert werden, einen hohen E-Modul, um eine hohe Gesamtsteifigkeit und somit eine positionsgenaue Festlegung der Einzelwicklungen zu gewährleisten. Das Gießharz sollte gut wärmeleitend sein, um einen effektiven Wärmetransport von den Leiterstrukturen zur Kühllage zu ermöglichen. Gleichermaßen sollte es eine hohe Wärmeformbeständigkeit aufweisen, welche sich in einer hohen Glasübergangstemperatur widerspiegelt, sodass im Einsatztemperaturbereich ein möglichst konstantes Eigenschaftsprofil erreichbar ist. Gleichzeitig sollte das Gießharz einen niedrigen, möglichst dem der weiteren verwendeten Materialien (Kupferleiter, Isolationslagen) ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzen, um mechanische Spannungen und dadurch eine vereinfachte Rissbildung, welche zu Rissen und Ablösungen im Spulenverband bei Erwärmung sowohl im Betrieb als auch bei der Abkühlung von der Härtungstemperatur führen kann, zu verhindern. In diesem Zusammenhang ist auch eine hohe Rissbeständigkeit, welche sich in einem hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktor K_Ic äußert, verbunden mit einer hohen kritischen Bruchenergie G_Ic zu nennen. Weiterhin sind eine hohe Teilentladungsfestigkeit, ein niedriger dielektrischer Verlustfaktor, Flammschutz, sowie wirtschaftliche Aspekte anzuführen.
Üblicherweise werden als Vergussmasse, speziell für großvolumige Spulen, thermisch aushärtende Gießharze auf Epoxidharzbasis verwendet. Die Vergussmasse enthält dabei typischerweise ca. 65 Gew.% Füllstoff, beispielsweise in Form von Quarzmehl-, Aluminiumoxid- oder Wollastonit-Mikropartikeln. Es handelt sich dabei um Mikropartikel, das heißt die Partikelgröße liegt im Mikrometerbereich.
EP 1 850 145 A2 offenbart eine Vergussmasse bzw. eine mit einer Vergussmasse vergossene magnetische Spule, dabei enthält die Vergussmasse mikropartikuläre Füllstoffe sowie anorganische Nanopartikel. Eine derart zusammengesetzte Vergussmasse weist sehr gute Rissbeständigkeiten basierend auf der Kombination eines sehr hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_Ic mit einer sehr hohen kritischen Bruchenergie G_Ic auf. Die dort eingesetzten Füllstoffe bewirken teils positive Veränderungen der ausgehärteten Vergussmasse wie etwa die Wärmeformbeständigkeit, Risszähigkeit, Wärmeleitfähigkeit sowie wirtschaftliche Aspekte betreffend. Es wäre sonach wünschenswert, einen möglichst hohen Füllstoffgehalt zu realisieren. Hinsichtlich des Flammschutzes sind dort keine Angaben enthalten, es handelt sich nicht um eine schwer entflammbare, nanopartikuläre Vergussmasse.
Bekanntermaßen wird durch hohe Füllstoffgehalte das Fließverhalten der aufbereiteten Vergussmasse erheblich verschlechtert. Des Weiteren hat die Art des Füllstoffes einen bedeutenden Einfluss auf eine tatsächliche Erhöhung der Risszähigkeit. Diese wird beispielsweise durch das aus Flammschutzgründen häufig zugegebene Aluminiumoxid-Trihydrat Al(OH)₃, kurz ATH, ebenfalls verschlechtert. Zudem bewirkt eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur der als Trägermatrix dienenden Basisharzmischung ebenfalls eine Verschlechterung der Risszähigkeit. Ganz grundsätzlich neigen Füllstoffe außerdem zur Sedimentation bzw. Filtration insbesondere an den zur Verstärkung eingesetzten Glasgewebelagen. Sonach stellt eine bestimmte Vergussharzzusammensetzung immer einen Kompromiss zwischen den geforderten Eigenschaften dar.
Bezüglich des Flammschutzes ist dem Stand der Technik keine zufrieden stellende Lösung unter Berücksichtigung der vorweg genannten Eigenschaften zu entnehmen.
Aus DE 103 45 139 A1 ist ein härtbares Reaktionsharzsystem bekannt, insbesondere in Form einer Vergussmasse. Diese weist neben einer Trägermatrix aus einem Epoxidharz einen ersten Füllstoff aus dispergierten Polymerpartikeln sowie einen weiteren anorganischen Füllstoff auf, die jeweils in Nanopartikelform vorliegen können.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gradientenspule anzugeben, deren Spulenwicklungen in einer Vergussmasse mit hervorragenden mechanischen und rheologischen Eigenschaften, welche zusätzlich die Möglichkeit eines Flammschutzes bietet, vergossen sind.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vergussmasse aus einer Trägermatrix, in welcher wenigstens ein Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln sowie ein weiterer Füllstoff aus anorganischen Partikeln verteilt ist, besteht, wobei in die Trägermatrix wenigstens ein als Flammschutzmittel dienender Füllstoff aus Partikeln als Al(OH)₃, Mg(OH)₂, Sb₂O₃ ist und/oder aus bromierten und/oder chlorierten Verbindungen, halogenhaltigen und/oder halogenfreien phosphororganischen Verbindungen eingebracht ist.
Die erfindungsgemäß verwendete Vergussmasse besteht aus einer an sich bekannten thermisch aushärtbaren Trägermatrix, beispielsweise aus einem Epoxidharz und führt somit nach erfolgtem Aushärten grundsätzlich zu einem Formteil mit vergleichsweise guten mechanischen Eigenschaften. Der Härtevorgang der Trägermatrix kann durch Zugabe eines geeigneten Härtemittels beispielsweise in Form spezieller Amine beschleunigt bzw. gesteuert werden.
Die Trägermatrix ist ein disperses System, das heißt in der Trägermatrix sind Füllstoffe verteilt. Erfindungsgemäß befinden sich in der Trägermatrix vorzugsweise homogen verteilte bzw. gut dispergierte, als erste Füllstoffe zu bezeichnende polymere Nanopartikel („p-nano”).
Die Füllstoffe beeinflussen das Eigenschaftsspektrum der Vergussmasse respektive des nach Aushärten der Vergussmasse entstandenen Formteils, insbesondere die mechanischen Eigenschaften betreffend, in positiver Weise. So führt die Zugabe polymerer Nanopartikel zu einer erheblichen Verbesserung der die Rissbeständigkeit kennzeichnenden Parameter, das heißt des kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_Ic sowie der kritischen Bruchenergie G_Ic. Durch Zugabe polymerer Nanopartikel können diese die Rissbeständigkeit definierenden Parameter gegenüber Vergussmassen, welche alleine mit anorganischen Partikeln befüllt sind, deutlich verbessert werden.
Darüber hinaus wird das Fließverhalten, das heißt die rheologischen Eigenschaften aufgrund der geringen Partikelgröße der zugegebenen polymeren Nanopartikel nicht negativ beeinflusst. Die Vergussmasse ist insofern ausgesprochen fließfähig.
Daneben minimieren nanopartikuläre Füllstoffe Filtrations- und Sedimentationseffekte, sie dringen also in enge Spalten oder in bereits mit Geweben befüllte Bereiche, wonach es in diesen Bereichen zu erhöhten Füllstoffkonzentrationen kommen kann, was bei dem sehr komplexen mehrlagigen Spulenaufbau eine verbesserte Eigenschaftsanpassung, insbesondere betreffend die zahlreichen Grenzflächen von großem Vorteil ist. Zusätzlich ist eine homogenere Verteilung der Füllstoffe innerhalb der Trägermatrix begünstigt, was gleichfalls reproduzierbare Eigenschaften der Vergussmasse und somit eine gleich bleibende Qualität dieser sicherstellt. Auch die Haftung an benetzten Grenzflächen ist durch den Einsatz polymerer Nanopartikel verbessert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäß verwendete Vergussmasse auch hinsichtlich des Flammschutzes hervorragende Eigenschaften auf, da in der Trägermatrix wenigstens ein als zweiter Füllstoff zu bezeichnender, als Flammschutzmittel dienender Füllstoff eingebracht ist. Dies gilt trotz der in der Trägermatrix enthaltenen polymeren Nanopartikel, welche bei isolierter Betrachtung bedingt durch deren große spezifische Oberfläche zu schlechteren Schwerbrennbarkeitseinstufungen führen. Die Vergussmasse weist jedoch in dem die Brennbarkeit von Kunststoffen betreffenden Brandklassenstandard bzw. der Schwerbrennbarkeitseinstufung UL 94 V bzw. UL 94 V-0 auf. Der an sich bekannte, sich negativ auf die übrigen Eigenschaften wie etwa das Rissverhalten auswirkende Einfluss von Flammschutzmitteln wird durch deren Kombination mit den polymeren Nanopartikeln reduziert bzw. aufgehoben. Gegebenenfalls kann es sogar zu einer Eigenschaftsverbesserung kommen, worauf später noch eingegangen wird.
Zusammengefasst weist die Vergussmasse ein den oben gemachten Anforderungen entsprechendes Eigenschaftsprofil, insbesondere bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften, das heißt insbesondere der Rissbeständigkeit auch bei vergleichsweise hoher Glasübergangstemperatur auf, ist ausgesprochen fließfähig und schwer entflammbar bzw. schlecht brennbar bzw. selbst verlöschend. Die Vergussmasse ist einer bisher unbekannten Materialklasse auf dem Gebiet schwer entflammbarer, risszäher Reaktionsharzsystem bzw. Reaktionsharzformstoffe zugehörig.
Diese Eigenschaftsverbesserungen der Vergussmasse bzw. eines daraus gebildeten Formteils betreffen nicht allein die im Einsatztemperaturbereich etwa einer Gradientenspule auftretenden Systembelastungen, sondern erlauben gleichfalls die Erschließung neuer Produktinnovationen zum Beispiel hinsichtlich kompakterer Bauformen, Funktionsintegration oder Leistungssteigerung sowie neuer Einsatzbereiche durch den besonderen Sicherheitsaspekt im Brandfall.
Der als Flammschutz dienende Füllstoff besteht aus Partikeln aus Aluminiumoxid-Trihydrat (Al(OH)₃), Magnesiumdihydroxid (Mg(OH)₂), Antimontrioxid (Sb₂O₃) und/oder aus bromierten und/oder chlorierten Verbindungen, halogenhaltigen und/oder halogenfreien phosphororganischen Verbindungen. Diese, die Ausbreitung von Bränden einschränkenden, verlangsamenden oder verhindernden Stoffe können sowohl auf physikalischen, wie beispielsweise des durch Verdampfen von chemisch gebundenem Wasser, als auch chemischen Wirkungsweisen, wie beispielsweise des unter dem Begriff Intumeszenz bekannten Prinzips, wonach durch Aufschäumen eines Flammschutzmittels eine die Zufuhr von Sauerstoff hindernde Isolierungsschicht gebildet wird, beruhen. Selbstverständlich sind auch andere als die hier lediglich beispielhaft angeführten als Flammschutz dienenden Partikel und Verbindungen einsetzbar.
Ferner ist in der Trägermatrix zusätzlich wenigstens ein Füllstoff aus anorganischen Partikeln, insbesondere Mikorpartikeln verteilt. Diese können, soweit vorhanden als dritter Füllstoff bezeichnet werden. Dabei ist es denkbar, dass die polymeren Nanopartikel einen Teil der anorganischen Partikel ersetzen, woraus unter Voraussetzung einer gleichbleibenden Füllstoffmenge verglichen mit bekannten Vergussmassen eine Reduzierung der Viskosität der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse folgt. Mit anderen Worten sind die polymeren Nanopartikel additiv oder substitutiv zugebbar. Falls die ursprüngliche Viskosität ausreichend ist, kann der Gehalt an anorganischen Partikeln entsprechend erhöht werden. Damit wird bei der Vergussmasse eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit sowie eine Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten erreicht. Durch die in der Vergussmasse enthaltenen polymeren Nanopartikel wird selbst durch die Zugabe anorganischer Partikel das Fließverhalten nicht negativ beeinflusst.
Die anorganischen Partikel bestehen bevorzugt aus Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Calciummagnesiumdicarbonat (CaMg(CO₃)₂) und/oder Titandioxid (TiO₂) und/oder Bornitrid (BN) und/oder Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und/oder Eisen(II,III)-oxid (Fe₃O₄) und/oder Zinkoxid (ZnO) und/oder Siliziumcarbid (SiC) und/oder synthetischen Keramiken und/oder Zeolithen und/oder Kreide und/oder Talkum (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) und/oder Wollastonit (CaSiO₃) und/oder rein kohlenstoffbasierten Partikeln. Ersichtlich sind sowohl Reinstoffe als auch Mischungen der Genannten möglich. Selbstverständlich ist auch der Einsatz anderer anorganischer Partikel denkbar, da es sich vorstehend nur um eine beispielhafte Aufzählung handelt.
Die polymeren Nanopartikel können beispielsweise aus Polybutadien und/oder Polystyrol und/oder Polysilan und/oder Polysiloxan und/oder Elastomeren und/oder Thermoplasten und/oder Hybridmaterialien gebildet sein oder diese beinhalten. Letzteres ist insbesondere bei Partikeln mit einem so genannten Core-Shell-Aufbau, das heißt aus einem Kern eines ersten Stoffs und einer diesen umgebenden Hülle eines zweiten Stoffs bestehenden Partikeln von Bedeutung. Wiederum ist es möglich sowohl polymere Nanopartikel eines einzigen Stoffs als auch unterschiedliche polymere Nanopartikel aus wenigstens zwei unterschiedlichen Stoffen zu verwenden. Gleichfalls ist die genannte Aufzählung nicht abschließend, es können grundsätzlich alle Arten von polymeren, also im Wesentlichen organischen Nanopartikeln verwendet werden.
Die anorganischen Partikel können zu wenigstens einem Teil als Nanopartikel vorliegen. Die Verwendung anorganischer Nanopartikel ermöglicht die gezielte Einstellung weiterer Parameter der Vergussmasse. Sonach kann diese sowohl polymere, das heißt organische Nanopartikel als auch wenigstens zu einem Teil anorganische Nanopartikel, mithin also nanopartikuläre Mischungen aus organischen und anorganischen Partikeln enthalten.
Wie erwähnt können die polymeren Nanopartikel sortenrein aus einem Material oder Core-Shell-Partikel sein. Gleiches gilt für die anorganischen Nanopartikel soweit vorhanden. Core-Shell-Partikel bieten die Möglichkeit, verschiedene Funktionalitäten zu kombinieren und die Eigenschaften z. B. durch Zusammensetzung, Dicke des Kerns und der Hülle sowie Partikelgröße gezielt zu beeinflussen. Diese sonach auch als Hybridpartikel zu verstehenden Stoffe werden regelmäßig über eine so genannte Heterokoagulation hergestellt. Dabei wird der kleinere Partikel chemisch oder physikalisch an die Oberfläche des größeren gebunden. Derart synthetisierte Core-Shell-Partikel besitzen grundsätzlich einen Kern, der völlig andere Eigenschaften aufweist als die Hülle, was zu einer gezielten Darstellung funktionalisierter Materialien führt.
In Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, dass die polymeren Nanopartikel und/oder die anorganischen Partikel eine Oberflächenfunktionalisierung, insbesondere mittels einer Silanisierung aufweisen. Eine Oberflächenfunktionalisierung kann der Verträglichkeit der verschiedenen in der Trägermatrix enthaltenen Füllstoffe zuträglich sein bzw. diese herstellen. Gleiches gilt für die Verträglichkeit der Füllstoffe mit der Trägermatrix. Möglich ist auch, dass die Funktionalisierung der Dispergierung beispielsweise bedingt durch sterisch oder elektro-statisch abstoßende Effekte förderlich ist. Hierbei hat sich eine Silanisierung bewährt, wenngleich diese nur als Beispiel angeführt ist.
Der mittlere Durchmesser der polymeren Nanopartikel sowie gegebenenfalls der anorganischen Nanopartikel ist ≤ 1000 nm, insbesondere ≤ 100 nm. Dies gilt grundsätzlich für jedwede Partikelform, das heißt beispielsweise sphärisch, faserförmig oder plättchenartig geformte Nanopartikel, wobei selbstverständlich bei faserförmigen oder plättchenartigen Nanopartikeln nicht der Durchmesser, sondern deren Länge ≤ 1000 nm, insbesondere ≤ 100 nm ist.
Der Gehalt an polymeren Nanopartikeln beträgt bevorzugt ≤ 20 Gew.%, vorzugsweise ≤ 10 Gew.%, der Gehalt an der als Flammschutzmittel dienenden Partikeln ≤ 80 Gew.%, vorzugsweise ≤ 30 Gew.%. Sofern auch anorganische Nanopartikel verwendet werden, sollte der Gesamtgehalt an Nanopartikeln ≤ 30 Gew.% betragen, bevorzugt sollte der Gesamtgehalt an Nanopartikeln ≤ 10 Gew.% nicht übersteigen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Spule im Schnitt;
2 ein Diagramm zur Darstellung des Viskositätsverlaufs über der Scherrate einer erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse B sowie einer üblichen, mikropartikuläre Füllstoffe enthaltenden Vergussmasse A.
1 zeigt eine Gradientenspule 1, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Spulenwicklungen 2 aus Spulenleitern 3, die vorliegend beispielhaft einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen. Aus Darstellungsgründen sind die Spulenleiter 3 vergrößert dargestellt. Die Spulenleiter 3 umfassen einen das leitende Material enthaltenden Kern 4 sowie eine diesen umgebende Isolation 5 beispielsweise in Form einer Lack- oder Thermoplastschicht bzw. einem Kunststofffadengeflecht. Die Spulenwicklungen 2 sind hinreichend dicht gewickelt, demnach sind die hier gezeigten Zwischenräume 6 zwischen den einzelnen vertikalen und horizontalen Leiterlagen allein aus Gründen der Übersichtlichkeit vergrößert dargestellt und entsprechen nicht einer tatsächlichen Anordnung, das heißt die Zwischenräume 6 sind regelmäßig deutlich kleiner. Zudem enthält eine solche Gradientenspule 1 üblicherweise zusätzliche Lagen, wie etwa eine Kühllage aus Kühlmittelleitungen, die hier jedoch nicht dargestellt sind, im Idealfall jedoch gleichermaßen vergossen werden. Die Spulenwicklungen 2 sind mit einer Vergussmasse 7 vergossen bzw. mit dieser imprägniert, sodass die Spulenwicklungen 2 vollständig in der Vergussmasse 7 eingebettet sind.
Die Vergussmasse 7 besteht aus einer Trägermatrix 8, beispielsweise einem modifizierten Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A. Selbstverständlich können auch andere Reaktionsharze mit einem ähnlichen Eigenschaftsspektrum als Trägermatrix 8 verwendet werden. In der Trägermatrix 8 sind Füllstoffe aus anorganischen Mikropartikeln 9 sowie Füllstoffe aus polymeren Nanopartikeln 10 homogen und in guter Dispergierung verteilt. Die anorganischen Mikropartikel 9, wovon zumindest ein Teil auch als Nanopartikel vorliegen kann, bestehen beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) und/oder Calciummagnesiumdicarbonat (CaMg(CO₃)₂) und/oder Titandioxid (TiO₂) und/oder Bornitrid (BN) und/oder Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und/oder Eisen(II,III)-oxid (Fe₃O₄) und/oder Zinkoxid (ZnO) und/oder Siliziumcarbid (SiC) und/oder synthetischen Keramiken und/oder Zeolithen und/oder Kreide und/oder Talkum (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) und/oder Wollastonit (CaSiO₃) und/oder rein kohlenstoffbasierten Partikeln, wobei beliebige Mischungen aus den Genannten möglich sind.
Die polymeren Nanopartikel 10 bestehen beispielsweise aus Polybutadien und/oder Polystyrol und/oder Polysilan und/oder Polysiloxan und/oder Elastomeren und/oder Thermoplasten und/oder Hybridmaterialien oder beinhalten diese. Letzteres ist insbesondere dann gegeben, wenn es sich bei den polymeren Nanopartikeln 10 um so genannte Core-Shell-Partikel handelt, also Partikel, welche einen Kern aus einem ersten Material und eine diesen umgebende Hülle aus einem zweiten Material aufweisen. Im Falle von in der Trägermatrix 8 vorhandenen anorganischen Nanopartikeln können diese zumindest zum Teil ebenfalls als Core-Shell-Partikel gebildet sein.
Ein Teil der in der Trägermatrix 8 enthaltenen Partikel, das heißt der anorganischen Mikro- und/oder Nanopartikel 9 sowie der polymeren Nanopartikel 10 können beispielsweise mit einer Oberflächensilanisierung versehen sein, welche unter anderem einer guten Dispergierung der Partikel in der Trägermatrix 8 zuträglich ist, respektive die Ausbildung von Agglomeraten hindert. Die mittlere Partikelgröße der in die Trägermatrix 8 eingebrachten polymeren, sowie gegebenenfalls anorganischen Nanopartikel liegt zwischen 0,5 nm und 1000 nm, bevorzugt jedoch unterhalb 100 nm. Selbstverständlich können unterschiedlich große Nanopartikel in der Trägermatrix 8 enthalten sein. Die Morphologie der Nanopartikel ist weitgehend beliebig, das heißt es sind unterschiedliche Formen wie etwa sphärisch, länglich, etc. möglich. Vorteilhaft sollte die maximale Konzentration der zugemischten Nanopartikel 20 Gew.% nicht überschreiten, besonders bevorzugt liegt deren Konzentration unterhalb 10 Gew.%.
In der Trägermatrix 8 enthalten sind ferner als Flammschutz dienende Füllstoffpartikel 11, welche beispielsweise aus Aluminiumoxid-Trihydrat (Al(OH₃)), Magnesiumdihydroxid (Mg(OH)₂), Antimontrioxid (Sb₂O₃) und/oder aus bromierten und/oder chlorierten Verbindungen, halogenhaltigen und/oder halogenfreien phosphororganischen Verbindungen gebildet sind. Sonach ist die Vergussmasse 7 schwer entflammbar und wiest eine Schwerbrennbarkeitseinstufung nach UL 94 V-0 auf.
Die Vergussmasse 7 weist ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Eigenschaftsprofil auf, insbesondere ist die Rissbeständigkeit bei praktisch unveränderter Glasübergangstemperatur sowie die Haftung an benetzten Grenzflächen signifikant verbessert. Der bekannte, negative Einfluss von Flammschutzmitteln beispielsweise auf mechanische Eigenschaften wie etwa das Rissverhalten, ist durch die Verwendung von Core-Shell-Nanopartikeln reduziert bzw. aufgehoben. Die Vergussmasse 7 zeichnet sich im Wesentlichen als schwer brennbares bzw. schwer entflammbares, risszähes sowie extrem fließfähiges Reaktionsharzsystem aus. Diese erhebliche Eigenschaftsverbesserung ist im Wesentlichen auf die Verwendung polymerer Nanopartikel 10 zurückzuführen, welche auch bei wirtschaftlicher Betrachtung keinen Nachteil bedeutet, da die polymeren Nanopartikel 10 nur in vergleichsweise geringen Konzentrationen eingesetzt werden und so wenn überhaupt nur zu einer moderaten Preiserhöhung der Vergussmasse 7 beitragen. Weiterhin bietet die Verbesserung des Fließverhaltens durch die Verwendung polymerer Nanopartikel 10 die Möglichkeit, den Gesamtfüllstoffgehalt in der Trägermatrix 8 zu erhöhen und damit das Eigenschaftsprofil dieser bei sinkenden Gesamtkosten zu optimieren. Der Einsatz von Nanopartikeln, das heißt, insbesondere polymeren Nanopartikeln 10, reduziert bzw. schließt nachteilhafte Filtrations- bzw. Sedimentationseffekte aus. Die Nanopartikel gelangen gemeinsam mit der Trägermatrix 8 in sämtliche Zwischenräume und verteilen sich dort weitgehend homogen.
Nachfolgende Tabelle enthält verschiedene Eigenschaftskennwerte von in der zweiten Spalte von rechts dargestellten, mit „A” überschriebenen ausgehärteten Probekörpern (Referenzkörpern), gebildet aus einer Vergussmasse bestehend aus einem modifizierten Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A als Harzkomponente der Trägermatrix enthaltend 66 Gew.% mikropartikuläres, mit einer Oberflächensilanisierung modifiziertes Siliziumoxid (SiO₂) mit einer mittleren Partikelgröße von D50 = 20 μm, welchen in der rechten Spalte Eigenschaftskennwerte von mit „B” überschriebenen Probekörpern gebildet aus einer beispielhaften Zusammensetzung einer erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse gegenüberstehen. Die Trägermatrix der Vergussmasse besteht gleichfalls aus einem modifizierten Epoxidharz auf Basis von Bisphenol-A als Harzkomponente, enthält allerdings nur 52 Gew.% mikropartikuläres Siliziumoxid (SiO₂), da ein Teil dessen durch polymere Nanopartikel in Form von sphärischen Core-Shell-Nanopartikeln auf Basis von Polybutadien mit einer Partikelgröße ≤ 100 nm sowie dem Flammschutzmittel Aluminiumoxid-Trihydrat Al(OH)₃ (52 Gew.%), kurz ATH, mit einer mittleren Partikelgröße von D50 = 20 μm ersetzt wurde, sodass die Vergussmasse respektive die aus dieser hergestellten Probekörper einen Gesamtfüllstoffgehalt von ca. 66 Gew.% aufweisen.
Als mit der Harzkomponente der jeweiligen Vergussmasse reagierende Härtekomponente wurde jeweils ein modifizierter Anhydridhärter auf Basis von Methylhexahydrophtalsäureanhydrid verwendet. Die Aushärtereaktion der Referenz- und Probekörper verlief in einem zweistufigen Härteverfahren, wobei in der ersten Stufe eine Härtung bei 80°C für 8 Stunden und in der zweiten Stufe eine Härtung bei 140°C für 10 Stunden durchgeführt wurde. Zusätzlich wurde ein tertiäres Amin als Beschleuniger verwendet.

Es wurden unterschiedliche Messungen in Anlehnung an oder gemäß ISO-, DIN- oder ASTM-Normen durchgeführt. Die zweite Spalte von rechts gibt die in den jeweiligen Messungen verwendete Probengeometrie an. Soweit möglich wurden Standardabweichungen aus den Messwerten ermittelt. Die Messungen wurden bis auf die Messungen der viskoelastischen Eigenschaften, das heißt des mechanischen Verlustfaktors tanδ, des Speichermoduls E' sowie des Verlustmoduls E'' bei 25°C durchgeführt.

		A	B
Formstoffkennwert	Probengeometrie	66% μ-SiO₂ (μ-Füllstoff)	1,5% polymer-Nano + 12,3% ATH + 52% μ-SiO₂
Thermischer Längenausdehnungskoeffizient α [ppm] (ISO 11359-2)	3 × 3 × 4 mm	34	35
Glasübergang T_G [°C] (ISO 11359-2)	3 × 3 × 4 mm	103	102
Elastizitätsmodul E aus Biegeversuch [MPa] (DIN EN ISO 178) 0,5 mm/min	10 mm × 15 mm × 125 mm	8747 ± 511	8617 ± 266
Biegefestigkeit [MPa] (DIN EN ISO 178) 0,5 mm/min	10 mm × 15 mm × 125 mm	121 ± 9,2	110 ± 6,5
Schlagzähigkeit, ungekerbt [kJ/m²] (DIN EN ISO 179)	10 mm × 15 mm × 125 mm	12 ± 1,2	10 ± 3,1
Mechanischer Verlustfaktor tanδ_mech [–] bei T_G (DIN 65583)	10 mm × 15 mm × 125 mm	2,66·10^–2	4,12·10^–2
Speichermodul E' [MPa] (DIN 65583)	10 mm × 15 mm × 125 mm	8639	7512
Verlustmodul E'' [MPa] (DIN 65583)	10 mm × 15 mm × 125 mm	230	310
Elastizitätsmodul aus Zugversuch [MPa] (DIN EN ISO 527-2)	10 mm × 15 mm × 125 mm	12543 ± 564	10752 ± 247
Zugfestigkeit [MPa] (DIN EN ISO 527-2)	10 mm × 15 mm × 125 mm	76,5 ± 4,9	64,5 ± 6,1
Kritischer Spannungsintensitätsfaktor K_Ic [MPa √m] (in Anlehnung an ASTM E 399, Double Torsion)	80 mm × 40 mm × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	1,90 ± 0,04	2,38 ± 0,05
Kritische Bruchenergie G_Ic [J/m²] (in Anlehnung an ASTM E 399, Double Torsion	80 mm × 40 mm × 4 mm mittig V-Kerbe 60°	337 ± 19	680 ± 31
Brennbarkeit (UL 94)		V-1 (12 mm)	V-0 (12 mm)

Die Messungen des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α sowie der Glasübergangstemperatur T_G ergaben keine merklichen Unterschiede zwischen den Referenz- und den aus der erfindungsgemäßen Vergussmasse gebildeten Probekörpern. Gleiches gilt im Wesentlichen unter Berücksichtigung der Fehlerwerte für den aus Biegeversuch ermittelten E-Modul, die Biegefestigkeit sowie die Schlagzähigkeit (ungekerbt).
Anders verhält es sich bei den die viskoelastischen Eigenschaften betreffenden Messungen der Referenz- sowie der Probekörper, wobei sich eine Zunahme des mechanischen Verlustfaktors tanδ der aus der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse hergestellten Probekörper im Vergleich zu den Referenzkörpern fast um Faktor 2 zeigt. Die Messungen wurden bei der entsprechenden Glasübergangstemperatur durchgeführt. Die Probekörper aus der erfindungsgemäß verwendeten 1,5 Gew.% polymeren Nanopartikel sowie 12,3 Gew.% Flammschutzmittel enthaltenden Vergussmasse liegen hier bei 4,12 × 10^–2, die Referenzkörper aus der lediglich Mikropartikel enthaltenden Vergussmasse liegen bei 2,66 × 10^–2.
Die Messungen aus Zugversuch, das heißt betreffend den E-Modul aus Zugversuch sowie die Zugfestigkeit ergeben niedrigere Werte der Probekörper aus der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse.
Besonders auffällig ist die deutliche Verbesserung des kritischen Spannungsintensitätsfaktors K_Ic sowie insbesondere der kritischen Bruchenergie G_Ic. Der Probekörper aus der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse liegt bei Letzterer im Vergleich zu den Referenzkörpern mit ca. 680 J/m² doppelt so hoch.
Zuletzt sind auch die den Flammschutz bzw. die Brennbarkeit betreffenden Parameter der aus der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse hergestellten Probekörper verbessert. Diese liegt bei UL 94 V-0. Die Referenzkörper werden nach UL 94 V-1 eingestuft.
2 zeigt ein das Fließverhalten beschreibendes Diagramm einer erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse, bestehend aus 52 Gew.% mikropartikulärem Siliziumoxid, 12, 3 Gew.% Aluminiumoxid-Trihydrat sowie 1,5 Gew.% an polymeren Nanopartikeln (weiße Symbole) sowie eine Vergussmasse bestehend aus 53,5 Gew.% mikropartikulärem Siliziumoxid und 12,3 Gew.% Aluminiumoxid-Trihydrat (schwarze Symbole). Beide Vergussmassen weisen sonach einen Gesamtfüllstoffgehalt an 65,5 Gew.% auf. Auf der Koordinate ist die Viskosität η in mPas aufgetragen, die Abszisse beschreibt die Scherrate in s^–1 in einem Scherratenbereich von 0,001 bis 500 in logarithmischer Auftragung. Im Messbereich von 0,01 bis 30 s^–1 kann die Viskosität durch die Zugabe polymerer Nanopartikel deutlich, das heißt in weiten Bereichen um mehr als 30% reduziert werden.
Grundsätzlich zeigen die beiden Fließkurven einen ähnlichen Verlauf ansteigend von einer Scherrate bei 0,01 s^–1 zu einem Peak bei etwa 0,1 s^–1 und danach mit steigender Scherrate abfallend. Die Messtemperatur betrug 50°C, die Messungen wurden mit einem Zylinder-Becher-Setup nach Searle, DIN 53019 durchgeführt.
Grundsätzlich könnte wegen des deutlich besseren Fließverhaltens der erfindungsgemäß verwendeten Vergussmasse der Anteil an anorganischen Mikrofüllstoffen erhöht werden, um die in der Tabelle festgestellte Reduzierung des E-Moduls aus Zugversuch respektive der Zugfestigkeit zu kompensieren.
Durch die Erhöhung des Füllstoffgehalts wird gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit des Formstoffs erhöht und der Ausdehnungskoeffizient reduziert.

Claims

Gradientenspule umfassend eine Vielzahl einzelner Spulenwicklungen (2) aus Spulenleitern (3), wobei die Spulenwicklungen (2) in einer Vergussmasse vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse aus einer Trägermatrix (8), in welcher wenigstens ein Füllstoff aus polymeren Nanopartikeln (10) sowie ein weiterer Füllstoff aus anorganischen Partikeln (9) verteilt ist, besteht, wobei in die Trägermatrix (8) wenigstens ein als Flammschutzmittel dienender Füllstoff (11) aus Partikeln aus Al(OH)₃, Mg(OH)₂, Sb₂O₃ ist und/oder aus bromierten und/oder chlorierten Verbindungen, halogenhaltigen und/oder halogenfreien phosphororganischen Verbindungen eingebracht ist.
Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Partikel (9) aus SiO₂ und/oder Al₂O₃ und/oder AlN und/oder CaMg(CO₃)₂ und/oder TiO₂ und/oder BN und/oder Fe₂O₃ und/oder Fe₃O₄ und/oder ZnO und/oder SiC und/oder synthetischen Keramiken und/oder Zeolithen und/oder Kreide und/oder Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ und/oder CaSiO₃ und/oder rein kohlenstoffbasierten Partikeln bestehen.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Nanopartikel (10) aus Polybutadien und/oder Polystyrol und/oder Polysilan und/oder Polysiloxan und/oder Elastomeren und/oder Thermoplasten und/oder Hybridmaterialien gebildet sind oder diese beinhalten.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der anorganischen Partikel (9) Nanopartikel sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Nanopartikel (10), gegebenenfalls auch die anorganischen Nanopartikel sortenrein aus einem Material oder Core-Shell-Partikel sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymeren Nanopartikel (10) und/oder die anorganischen Partikel (9) eine Oberflächenfunktionalisierung, insbesondere mittels einer Silanisierung aufweisen.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der polymeren Nanopartikel (10) sowie gegebenenfalls der anorganischen Nanopartikel (9) ≤ 1000 nm, insbesondere ≤ 100 nm ist.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an polymeren Nanopartikeln (10) ≤ 20 Gew.%, vorzugsweise ≤ 10 Gew.% sowie der Gehalt an den als Flammschutzmittel dienenden Partikeln (11) ≤ 80 Gew.%, vorzugsweise ≤ 30 Gew.% ist.