DE102019204191A1 - Gießharz, Formstoff daraus, Verwendung dazu und eine elektrische Isolierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Zusammensetzung eines Gießharzes und die Verwendung davon beim heißhärtenden Elektroverguss, wie er beispielsweise bei der Herstellung von Isolationen, beispielsweise für gasisolierte Schaltanlagen, elektrotechnische Bauteile wie Transformatoren, Isolatoren, Kondensatoren, Spulen und Baugruppen eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Formstoff, der aus dem Gießharz erhältlich ist, sowie eine elektrische Isolierung, die diesen Formstoff umfasst und die Verwendung eines derartigen Formstoffes. Insbesondere die Tetramodalität der eingesetzten Mikrofüllstoffe mit den in 10er Potenzen abgestuften mittleren Partikelgrößen führt zu einer hervorragenden Packungsdichte und zeigt überraschend gute Verarbeitbarkeit und Fließverhalten bei höchsten Füllgraden bis zu 95 Gew%. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, derart hochgefüllte und damit hoch-wärmeleitfähige Gießharze in den eingangs genannten Anlagen für Automatisches Druck-Gelierverfahren -ADG- und/oder in einer (Vakuum-)Umlaufgießanlage -UGA- einzusetzen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine neuartige Zusammensetzung eines Gießharzes und die Verwendung davon beim heißhärtenden Elektroverguss, wie er beispielsweise bei der Herstellung von Isolationen, beispielsweise für gasisolierte Schaltanlagen, elektrotechnische Bauteile wie Transformatoren, Isolatoren, Kondensatoren, Spulen und Baugruppen eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Formstoff, der aus dem Gießharz erhältlich ist, sowie eine elektrische Isolierung, die diesen Formstoff umfasst und die Verwendung eines derartigen Formstoffes.
• Derartige Gießharze sind, insbesondere als Epoxidharze, für den Verguss elektrischer oder elektronischer Bauteile bekannt.
• In gasisolierten Schaltanlagen kommt es während des Betriebs zur Erwärmung der stromführenden Teile, der so genannten Hauptstrombahn. Die Wärmeentwicklung resultiert aus der Verlustleistung der Hauptstrombahn aufgrund des Widerstands. Der Widerstand setzt sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen, zum einen aus den Leitungswiderständen der stromführenden Teile selbst, bestimmt durch deren Querschnitt, Länge und Leitmaterial, zum anderen durch die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen verschiedenen Teilen der Hauptstrombahn. Dabei besitzen vor allem nicht feste Kontaktstellen an beweglichen Teilen der Strombahn - z.B. den Kontakten und/oder Kontaktsystemen der Vakuumschaltröhre - hohe Widerstände, die zu hohen lokalen Erwärmungen, den so genannten „hot spots“, führen. Die Erwärmung ist die begrenzende Größe bei der Auslegung der Schaltanlage für einen bestimmten Bemessungsstrom, da bestimmte, durch Normen vorgegebene Temperaturen an stromführenden Bauteilen nicht überschritten werden dürfen. Um die Erwärmung in der Anlage zu minimieren und einen möglichst hohen Bemessungsstrom zu ermöglichen, ist es daher notwendig, zum einen den Widerstand der Hauptstrombahn so gering wie möglich zu halten und zum anderen die Wärmeabfuhr durch die drei Arten des Wärmetransports - Wärmestrahlung, Konvektion und Konduktion - zu maximieren.
• Da die Bauteile unter hoher elektrischer Spannung im Betrieb stehen und ein elektrischer Isolierstoff zur Befestigung an nicht-spannungsführenden Bauteilen benötigt wird, kommen zu festen Isolier-Formstoffen härtbare Gießharzmassen zum Einsatz.
• Gießharze besitzen den Vorteil, dass sie in der Regel preiswert sind und hohe Gestaltungsflexibilität besitzen, weil sie flüssig vergossen, gegebenenfalls auch angeliert werden können und dann in der Form durch geeignete Maßnahmen wie Temperatur und/oder Strahlung zum Duroplasten aushärten.
• Mittel- und hochgefüllte Gießharze auf Epoxidharzbasis für den heißhärtenden Elektroverguss, die bei Temperaturen im Bereich von 80°C bis 200°C aushärten, haben in der Regel eine reaktionsstöchiometrisch korrekt gemischte Flüssigkomponente, die Diepoxidharz, Härter, Flexibilisator, Beschleuniger und Additive umfasst. Die dafür geeigneten Diepoxidharze sind allgemein bekannt, beispielsweise handelt es sich um Diglycidylether-Diepoxidharze, beispielsweise um Bisphenol-A und/oder Bisphenol-F-Epoxidharze und/oder um Novolake.
• Dazu werden Mikrofüllstoffen mit Partikeldurchmessern im Bereich von 0,2-1000 µm eingearbeitet. Diese Mikrofüllstoffe sind oftmals Silizium- und/oder Aluminiumoxid(e). Da gehärtete mittel- und hochgefüllte Harzformkörper als spröde, nichtduktile Werkstoffe mit nur geringen oder keinen linearelastischen Eigenschaften gelten, wird den Formulierungen sehr oft ein nicht unerheblicher Anteil an Flexibilisator von 4-20 Gewichtsteilen, bezogen auf die füllstofffreie Harzmatrix, zugemischt, um die bruchmechanischen Eigenschaften des Werkstoffes zu erhöhen.
• Gießharze werden für elektrische Bauteile, die in Hochspannung/Mittelspannung ab 1 kV, stehen, eingesetzt. Der Verguss bildet beispielsweise die Isolation oder zumindest Teile der Isolation.
• Viele verschiedene Gießharze gehören heute zum Stand der Technik in der Elektroindustrie und übernehmen meist isolierende, stützende oder dichtende Aufgaben. Ebenfalls gehört es zum Stand der Technik, dass metallische oder Kunststoffbauteile mit eingegossen werden. Die Gießharze sind mit mineralischen Füllstoffen, z.B. Quarzmehl und/oder Quarzgut (kristallines und/oder amorphes Siliziumdioxid, SiO₂) oder Aluminiumoxid oder Elektrokorunden gefüllt. Generell ist die Verringerung des Harzanteils, die Harzabmagerung, wünschenswert, weil meist die Füllstoffe billiger sind als das Harz.
• Gängige, kommerziell erhältliche Gießharze erreichen typischerweise Wärmeleitfähigkeiten um 1 W/mK wenn die Viskositäten für einen Serieneinsatz im Automatischen-Druck-Gelier-ADG - Verfahren, und/oder für eine Vakuum-Umlaufgießanlage - UGA- tauglich sind. Ebenfalls weist der gehärtete Formstoff vorteilhafterweise hohe mechanische Festigkeit auf, bei gleichzeitig guten bruchmechanischen Eigenschaften. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Sedimentationsneigung der Füllstoffe im warmen oder heißen Gießharz gering ist, insbesondere für die Verwendung in komplexen Aufbereitungs- und Dosieranlagen und schlussendlich zur Herstellung qualitativ hochwertiger, homogener Formstoffe und Formstoff-Bauteile.
• Stand der Technik sind auch Gießharze, die hohe Wärmeleitfähigkeiten erreichen durch einen extrem hohen Füllstoffgehalt, beispielsweise aus Aluminiumoxid, mit teilweise eingesetzten Partikelgrößen bis 3000µm, jedoch besitzen derartige Harze schlechte bruchmechanische Eigenschafen, weisen hohe Viskositäten auf und sind beispielsweise für Spaltvergüsse untauglich, wodurch die Serientauglichkeit der entsprechenden Gießharze verhindert ist.
• Formstoffe aus derartigen Gießharzen tragen somit einen Teil bei, um die Verlustleistung an den Behälter oder andere kühlere Anlagenbereiche abzuführen, jedoch ist die absolut abgeführte Verlustwärme aufgrund der schlechten Formstoffwärmeleitfähigkeit gering.
• Es gibt verschiedene Ansätze, um die Abwärme in kühlere Anlagenbereiche zu leiten, wie beispielsweise Erhöhung des Leitungsquerschnitts der Hauptstrombahn und/oder das Schaffen größerer innerer Gasräume, wodurch das Gasvolumen und die Kühloberfläche verbessert werden. Dabei wird zusätzlicher Bauraum und/oder zusätzliches Material erforderlich.
• Die bekannten Maßnahmen benötigen jedoch meist merklich mehr Bauraum, verursachen zusätzliche Materialkosten, Montageaufwand und können in Summe recht wenig Verlustwärme aus dem metallisch gekapselten Behälter leiten.
• Die kommerziell erhältlichen Gießharze haben eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit. Diese beträgt oft nur 1W/mK oder weniger.
• Deshalb findet der Wärmeaustausch in den betroffenen Isolationen primär über Konvektion und/oder Wärmestrahlung statt, weil die Wärmeabfuhr über die Wärmeleitfähigkeit des isolierenden Harzes zu gering ist. Dabei wäre die Wärmeabfuhr in kühlere Anlagenbereiche über die Wärmeleitung innerhalb der Isolation, insbesondere der Formstoffe, sehr effizient.
• Durch die Zugabe von Mikrofüllstoff, insbesondere wärmeleitfähiger Partikel, kann die Wärmeleitfähigkeit eines Formstoffes gezielt erhöht werden. Jedoch ist die Menge an zugesetzten Mikrofüllstoffpartikel nicht beliebig variierbar.
• Im industriellen Umfeld mit hohen Jahresdurchsätzen bei der Gießharz-Massenverarbeitung ist man auf die Verwendung von so genannten Vergussanlagen, beispielsweise für den VakuumVerguss, angewiesen. Der Markt dafür ist weltweit auf wenige Anlagenanbieter beschränkt und die maximal erlaubte Verarbeitungsviskositäten der darin prozessierbaren Gießharze, insbesondere für den Elektroverguss, beispielsweise den heißhärtbaren Elektroverguss, sind stark beschränkt. So ist die maximale dynamische Verarbeitungsviskosität oftmals mit weniger als 20 Pascalsekunden, als 20 Pa*s, angegeben. Das verbietet die Verarbeitung von so genannten hochgefüllten Pasten, also Pasten mit einem Füllgrad an Mikrofüllstoffen von über 70 Vol%, insbesondere über 80 Vol%, nicht mehr erlaubt.
• Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gießharz eingangs genannter Art zur Verfügung zu stellen, damit durch den Verguss des Gießharzes in industriell-etablierten Verarbeitungsprozessen Formstoffe für Isolationen nach erfolgter Härtung erhältlich sind, die Wärme, beispielsweise von hot spots, innerhalb der Formstoffe ableiten und verteilen. Dadurch soll es möglich sein, die Verlustwärme von der Hauptstrombahn durch eine elektrisch isolierende Vergussmasse mit gesteigerter Formstoffwärmeleitfähigkeit an die metallische Kapselung einer gasisolierten Schaltanlage zu leiten. Innerhalb der metallischen Kapselung verteilt sich die Verlustwärme per Wärmeleitung und die Kapselung wirkt als Kühlkörper durch die große Oberfläche. So wird mit wenig Aufwand die Wärme an die Umgebung abgeführt.
• Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gießharz zur Verfügung zu stellen, das bei Verarbeitungstemperaturen im unteren Bereich von 50°C bis 90 °C, eher noch 60°C bis 70°C, eine fließende, insbesondere freiwillig fließende, Gießharzmasse mit einer Verarbeitungsviskosität von kleiner/gleich 20 Pa*s, insbesondere kleiner/gleich 17 Pa*s, und ganz besonders bevorzugt von kleiner/gleich 15 Pa*s, im Scherratenbereich von 0.1 bis 100 1/s, ergibt. Besonders bevorzugt ist eine Nullscherviskosität im Scherratenbereich von 0.01 - 0.1 1/s kleiner 10 Pa*s.
• Als „freiwillig fließend“ wird ein Zustand bezeichnet, in dem das Harz ohne Druckunterschiede sich Flüssigkeits-analog verteilt.
• Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Gießharz, zumindest zwei Komponenten A) und B) umfassend, wobei Komponente A) eine Flüssigkomponente und Komponente B) ein Mikrofüllstoff ist und die
• - Komponente A) ein Harz auf Epoxidharzbasis umfasst sowie dazugehörigen Härter, Härtungskatalysator und sonstige Additive und die
• - Komponente B) in einer Menge von 70 Gew% bis 98 Gew%, bezogen auf die Gießharzmasse und/oder den durch Härtung daraus gebildeten Formstoff, Partikel mit mittleren durchschnittlichen Durchmessern D₅₀ im Bereich von 2 bis 400µm aus Metalloxiden, Metallnitriden, wie Bornitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid, umfasst, wobei
• - der Mikrofüllstoff zumindest in drei Füllstofffraktionen an sphärisch geformten Füllstoffpartikel vorliegt. Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Formstoff, erhältlich durch Härtung eines derartigen Gießharzes, sowie eine elektrische Isolation, die einen derartigen Formstoff umfasst. Schließlich ist noch die Verwendung eines derartigen Gießharzes zur Herstellung einer Isolation Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
• Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch eine geeignete Kombination an zumindest drei verschieden großen Mikrofüllstofffraktionen eine Fließfähigkeit des Gießharzes ergibt, die überraschend hohe Füllgrade mit wärmeleitfähigen Füllstoffen, bei Erhalt der Verarbeitungseigenschaften des Gießharzes erlaubt.
• Vorteilhafterweise liegt die trockene Komponente B im Gießharz im Bereich von 70 Gew% bis 98 Gew%, insbesondere im Bereich von 75 Gew% bis 95 Gew%, insbesondere Im Bereich von 85 Gew% bis 90 Gew%, bezogen auf die verarbeitbare Gießharzmasse, alle Nanofüllstoffe, Harz- und Härteranteile, Katalysatoren und Additive umfassend, vor.
• Zum Nachweis einer Patentverletzung können REM-Aufnahmen der Füllstoffeinzelfraktionen sowie der Gesamtfüllstoffpulvermischung dienen. Wird der ausgehärtete Formstoff - beispielsweise durch Segmentieren einer ausgebauten Gießharzkomponente nach Abflammen mit einer Propan-/Butangasflamme in einem Aluminiumoxidtiegel und anschließendem Einmuffeln - vom organischen Harzanteil befreit, kann vom verbleibenden Füllstoffrückstand eine Korngrößenverteilung aufgenommen werden, siehe 18 bis 21.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Mikrofüllstoff in einer Kombination zumindest dreier unterschiedlicher Füllstofffraktionen vor, wobei diese Füllstofffraktionen sich zumindest hinsichtlich ihres mittleren Partikeldurchmessers dso unterscheiden, so dass es eine „feine“ Mikrofüllstofffraktion, eine „mittlere“ Füllstofffraktion und eine „grobe“ Füllstofffraktion gibt. Dabei ist bevorzugt, dass die jeweilige Differenz im Bereich einer 10er Potenz liegt, also
• - die feine Füllstofffraktion F einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich 1 bis 10 µm, bevorzugt 2µm bis 5µm, hat,
• - die mittlere Füllstofffraktion M einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich 15µm bis 95µm, bevorzugt 30µm bis 50µm, hat und
• - die grobe Füllstofffraktion G einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich 150µm bis 500µm hat und bevorzugt aufgeteilt ist in zwei grobe Fraktionen G1 und G2 wobei
• - G1 einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich 150µm bis 290µm, insbesondere von 180µm bis 260µm hat und
• - G2 einen mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich 260µm bis 400µm, insbesondere von 280µm bis 380µm, hat.
• Beispielsweise liegen die Partikel zumindest einer, insbesondere aber aller, Füllstofffraktionen sphärisch, das heißt kugelförmig, vor.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Material der Fraktionen F, M und G1 Aluminiumoxid und das Material der Fraktion G2 hexagonales Bornitrid in sphärischer Form. Die jeweiligen Fraktionen liegen bevorzugt monomodal vor und die Materialien haben einen möglichst hohen Reinheitsgrad.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Gießharz, das im Bereich von 110°C bis 140°C zu einem elektrisch isolierenden Formstoff heißhärtet. Dabei ist es insbesondere wünschenswert, wenn der gehärtete Formstoff, die Isolation, eine Wärmeleitfähigkeit von 3 bis 5,5 W/mK im Bereich von 40°C bis 160°C hat.
• Zur zusätzlichen Erhöhung der Fließfähigkeit werden dem Gießharz nach einer vorteilhaften Ausführungsform noch zusätzlich sphärische Nanopartikel mit mittleren Partikeldurchmessern d₅₀ von 30nm bis 200nm, insbesondere von 50nm bis 190nm, bevorzugt von 70nm bis 170nm und insbesondere bevorzugt von 80nm bis 140nm, beigemengt.
• Dadurch kann die Packungsdichte nach Lee nochmal auf Werte von über 80 Vol%, insbesondere von über 82 Vol% und ganz bevorzugt von über 83 Vol% bei Erhalt der Fließfähigkeit zur Verarbeitung in den eingangs genannten Anlagen, angehoben werden.
• Bevorzugt sind die sphärischen Nanopartikel aus weichem, polymerem Material, gegebenenfalls mit einer Beschichtung.
• Besonders bevorzugt liegen die Nanopartikel separiert in der Gießharzmatrix vor.
• Insbesondere bevorzugt liegen sie in einem Gewichtsanteil an der gesamten Gießharzmatrix von unter 5 Gew%, bevorzugt von unter 3 Gew% und insbesondere bevorzugt von unter 1 Gew% vor.
• Diese Nano-Füllstoffpartikel wirken in der Komponente B, der Füllstoffkomponente, als Kugellager für die feineren, mittleren und gröberen Mikrofüllstoffpartikel und erhöhen deren Fließfähigkeit.
• Der nanopartikuläre Füllstoff liegt insbesondere bevorzugt in Form weicher Nanopartikel vor, also Partikel in Nanogröße, die gummiartig sind. Diese Partikel können auch einen gummiartigen Kern mit einer Beschichtung oder einer Schale aufweisen, wobei die Schale beispielsweise zur besseren Einarbeitbarkeit der Nanopartikel in die Harzmatrix aber auch insbesondere dazu dient, dass die Nanopartikel in der Harzmatrix so weit wie möglich dispergiert vorliegen. Eine Agglomeration der Nanopartikel wäre nachteilig, weil sie die Wirkung der Nanopartikel neutralisiert und die Funktion der Nanopartikel innerhalb der gesamten Füllstofffraktion verschlechtert. Dispergierte Nanopartikel üben eine Art Kugellagerwirkung auf die größeren Mikrofüllstoffpartikel aus, wodurch diese fließfähiger werden und damit der mögliche Füllstoffgehalt der Gießharzmasse bei noch möglicher Verarbeitbarkeit in den eingangs genannten Anlagen gesteigert werden kann.
• Gleichzeitig verbessern die duktilen Nanopartikel das bruchmechanische Eigenschaftsportfolio des Formstoffes.
• Vorteilhafterweise sind zumindest eine, insbesondere aber alle, Füllstofffraktionen aus kugelförmigen, sphärischen Partikeln.
• Weil die sphärische Partikelmorphologie in diesem Zusammenhang als essenziell erkannt wurde, wird im Folgenden die Sphärizität Ψ näher erläutert. $$\Psi =\frac{{\pi }^{\frac{1}{3}}{\left(6V_p\right)}^{\frac{2}{3}}}{A_p}$$

  

  mit
• • V_p dem Volumen und
• • A_p der Oberfläche der Partikel,
wird hier gemäß einer Veröffentlichung von H. Wadell, „Volume, Shape and Roundness of Quartz Particles", in J. Geol. 43(3), Seiten 250 bis 280 aus dem Jahre 1935, verstanden, die auch diesem Begriff in der Wikipedia zugrunde gelegt wird.
• Dies bedeutet, dass „Sphärizität“ das Verhältnis der Oberfläche einer perfekten Kugel gleichen Volumens im Vergleich zur Oberfläche des betrachteten Partikels angibt.
• Als besonders geeignet haben sich bei den hier bevorzugten Mikrofüllstoffen Partikel erwiesen, deren Sphärizität im Bereich von
  Ψ = 0.9 bis 1.0,
  insbesondere von
  Ψ = 0.91 bis 1.0,
  besonders bevorzugt im Bereich von
  Ψ = 0.94 bis 1.0
  liegt.
• Die Sphärizität lässt sich durch optische Methoden, z.B. durch eine Reihe verkippter REM/ESEM-Bilder von auf Probeträgern aufgeklebten Pulvern, z.B. aus Veraschungsrückständen und/oder durch computergestützte Bildanalyse grundsätzlich quantitativ bestimmen. Ein dazu geeignetes, auf dem Markt erhältliches, Messgerät ist beispielsweise das Gerät: horibaPSA300, siehe dazu auch
  www.horiba.com/scientific/products/particlecharacterization/particle-shape-analysis/details/psa300-604
• Der Anteil an Partikel im Füllstoff, die diesen Anforderungen an Sphärizität genügen, sollte möglichst hoch sein, insbesondere sollte er über 80%, bevorzugt über 90% und insbesondere über 95%, liegen.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt der Mikrofüllstoff in einer Kombination von vier Partikelfraktionen vor. Dabei ist es insbesondere im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit von Vorteil, wenn als vierte Mikrofüllstofffraktion eine Füllstofffraktion mit groben Partikeln vorliegt.
• Vorzugsweise liegt der Mikrofüllstoff in vier Fraktionen vor, wobei
• - eine feine Füllstofffraktion mit Partikel mit dso kleiner 15 µm,
• - eine mittlere Füllstofffraktion mit Partikel mit dso im Bereich zwischen 20µm und 120µm und
• - zwei grobe Füllstofffraktionen mit Partikel mit dso im Bereich 150µm bis 600µm.
• In 1 ist eine Graphik einer entsprechenden Korngrößenverteilung gezeigt, die vier Peaks bei entsprechendem Partikeldurchmesser zeigt. 2 bis 5 zeigen jeweils Graphiken der einzelnen Füllstofffraktionen und von Partikelgrößenverteilung beispielhafter und bevorzugter Füllstofffraktionen, dabei zeigt
• 2 ein Beispiel für eine feine Füllstofffraktion mit dso im Bereich zwischen 3µm bis 6µm, insbesondere im Bereich zwischen 4µm und 5µm,
• 3 ein Beispiel für eine mittlere Füllstofffraktion mit dso im Bereich zwischen 25 µm bis 60µm, insbesondere im Bereich zwischen 35µm und 45µm,
• 4 ein Beispiel für eine erste grobe Füllstofffraktion mit d₅₀ im Bereich zwischen 180µm bis 290µm, insbesondere im Bereich zwischen 220µm bis 270µm und
• 5 ein Beispiel für eine zweite grobe Füllstofffraktion mit d₅₀ im Bereich zwischen 310µm bis 420µm, insbesondere zwischen 320µm bis 370µm.
• Der mittlere Partikeldurchmesser dso wurde vorliegend mittels Lichtstreuung über ein Gerät „Malvern Mastersizer 2000“ gemessen.
• Materialseitig werden Füllstoffe mit ausreichender, besser noch guter oder hervorragender Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, die in Pulverform sphärische Mikropartikel bilden. In den 6 und 7 abgebildet ist eine sphärische Nitrid-Verbindung, wärmeleitfähiges Bornitrid, das in dieser beispielhaften Ausführungsform als sphärisches hexagonales Bornitrid, eingesetzt wird. Weitere geeignete Materialien sind neben Nitriden wie Bornitrid auch Oxide wie Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid, jeweils in verschiedenen Modifikationen und/oder Kristallformen. Ebenso denkbar sind Füllstoffmaterialien wie Aluminiumnitrid, kubisches Bornitrid (cBN), Siliziumdioxid, Dolomite und/oder Magnesiumoxid, alle vorgenannten Verbindungen in beliebigen Modifikationen sowie beliebige Gemische daraus.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden zur Verbesserung der mechanischen Kennwerte im allgemeinen und/oder auch zur besseren Dispergierbarkeit in epoxidischen Harzmatrices die Mikrofüllstoffpulver, also beispielsweise das Aluminiumoxidpulver der drei oder vier Füllstofffraktionen Fein -F-, Mittel -M- und Grob 1 -G1- und gegebenenfalls Grob 2 -G2-noch oberflächlich behandelt.
• Beispielsweise können die Partikel beschichtet oder teilweise beschichtet vorliegen, wobei insbesondere eine Beschichtung mit Molekülen, die den Epoxidharzmolekülen ähnliche funktionelle Gruppen, also beispielsweise Oxirangruppen tragen, eingesetzt wird. Ein Beispiel für eine als geeignet erwiesene Beschichtung ist eine Beschichtung mit Silan, das Oxirangruppen hat, beispielsweise dem 3-(Gycidyloxypropyl)-trimethoxysilan. Ein derartiger Füllstoff mit funktionalisiertem Silan partiell oberflächenbeschichteten Partikeln ist dem Fachmann als EST „Epoxy Silane-Treatment“-Variante, bekannt.
• Der Volumenanteil des sphärischen hexagonalen Bornitridpulvers liegt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung unter 7 Volumen%, bevorzugt unter 5 Vol% und insbesondere bevorzugt unter 5 Vol%.
• 6 zeigt eine REM-Aufnahme mit der Auflösung bis zu 500µm einer Reinfraktion eines Beispiels für die zweite grobe Mikrofüllstoff-Partikelfraktion gemäß vorliegender Erfindung. 7 zeigt eine REM-Aufnahme mit der Auflösung bis zu 200µm, so dass nur ein einzelner sphärischer Bornitrid-Partikel der gröberen Fraktion abgebildet ist.
• Die vierkomponentige Füllstoffabmischung führt zu einer besonders gut packenden Füllstoffgesamtfraktion mit einer Füllstofffraktion-Raumausfüllung von größer 70%, insbesondere größer 75% und besonders bevorzugt größer 80%.
• Die Füllstoffgesamtfraktion-Raumausfüllung wird durch den so genannten Packungskoeffizienten nach Lee ϕ_max,Lee angegeben. Dieser beschreibt, wieviel Raum einer Pulverschüttung durch Partikel belegt ist und wieviel davon als luftgefüllter Freiraum verbleibt. Beispielsweise entspricht eine Packungsdichte von 74% einer kubisch-flächenzentrierten Kugelpackung - auch fcc - abgekürzt, 68% Packungsdichte entspricht einer kubischinnenzentrierten Packung (bcc) eines perfekt monomodalen Pulvers, bei dem alle Partikel einen definierten Durchmesser besitzen.
• Die sphärischen Aluminiumoxide der drei bis vier Mikrofüllstofffraktionen F, M, G1 und G2 lassen sich sowohl als Einzelfraktionen per REM-Aufnahmen als auch im Gemisch nachweisen. Beispielsweise sind die Füllstofffraktionen F, M und G1 aus Aluminiumoxid und die gröbste G2- Füllstofffraktion aus Bornitrid.
• Die Nanopartikel werden bevorzugt als Masterbatches, die im Harz dispergiert vorliegen, eingesetzt und sind daher auf den in den Figuren gezeigten Harz-freien REM-Aufnahmen nicht vorhanden.
• Das dispergierende Harz, das die zumindest trimodale, bevorzugt aber tetramodale Füllstofffraktion aufnimmt, hat selbst nur einen Volumenanteil im Gießharz, also der gesamten, prepolymeren Gießharzmasse, von bevorzugt 25 Vol% bis 40 Vol%, insbesondere von 27 Vol% bis 37 Vol% und besonders bevorzugt von 30 bis 33 Vol%, bei 20°C bis 25 °C, letzteres entsprechend ca. 10Gew.-% bis 14Gew.-%.
• Die 8 bis 17 zeigen ESEM-Aufnahmen, die mit einem Hitachi, Typ S-4800 II durchgeführt wurden. Sie zeigen Kryobruchflächen eines gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung bereiteten Formstoffes.
• 8 zeigt in einer Aufnahme mit Auflösung bis 500µm eine Bruchflächen-Übersicht, in der hauptsächlich die Bornitrid-Fraktion G2 sowie eine Aluminiumoxidfraktion M zu erkennen ist. In 8 ist ein Bereich rechteckig eingezeichnet, der in vergrößerter Auflösung in 9 zu sehen ist.
• So zeigt die 9 dann die Detailansicht mit Auflösung bis 100µm des in 8 eingezeichneten Ausschnitts. Zu erkennen ist die Bornitrid-Fraktion G2-Grenzfläche, sowie die Aluminiumoxidfraktionen M und F.
• Nach diesem Vergrößerungs - Schema zeigen die 10 bis 15 Aufnahmen von einer Auflösung mit 500µm bis herunter zu einer Auflösung von 500nm.
• 10 zeigt in einer Auflösung bis 500µm die Aluminiumoxidfraktionen M und F sowie die sie umgebende gehärtete, abgelöste Harzmatrix.
  11 zeigt das Detail aus 10 wie eingezeichnet, in einer Auflösung bis zu 100µm.
  12 zeigt eine Auflösung bis zu 3µm, in der nur noch Partikel der feinen Mikrofüllstofffraktionen „F“ ganz abgebildet sind, aber dafür bereits die in der abgelösten Harzmatrix dispergierten Nanopartikel zu erkennen sind.
  13 und 14 zeigen eine Auflösung bis zu 1µm oder 1000nm, wobei die Partikel der feinen Mikrofüllstoff-Fraktion nicht mehr ganz ins Bild passen, dafür aber klar die Nanopartikel erkennbar sind.
  15 schließlich zeigt eine Aufnahme mit Auflösung bis zu 500nm, bei der Harz- und eindispergierte Nanopartikel erkennbar sind.
  16 zeigt Aufnahmen der gleichen Probe aber mit einer alternativen Kamera, einer CamScan CS44 REM. Zu erkennen ist in 16 mit einer Auflösung von ca. 120 µm die großen Partikel, die sphärische Aluminiumoxidpartikel der mittleren Mikrofüllstofffraktion M zeigen und die kleinen Kügelchen, die sphärische Aluminiumoxidpartikel der feinen Mikrofüllstofffraktion F zeigen.
  In 17 ist bei einer Auflösung bis zu ca. 6 mm die grobe Mikrofüllstofffraktion G2 als große Partikel und die zweite grobe Mikrofüllstofffraktion G1 als kleine Partikel erkennbar.
• 18 zeigt die Partikelgrößenverteilung des Glührückstands einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Komponente B in Form einer tetramodalen Mikrofüllstofffraktion. Ein Nachweis der unverändert vorliegenden Komponente B nach Entfernen der Komponente A, der Harzkomponente. Zum Vergleich wurde die Komponente B dieses Ausführungsbeispiels nochmal frisch zusammengesetzt und deren Partikelgrößenverteilungs-Profil ist in 19 zu sehen.
• 20, 21 zeigen analog zu den 18 und 19 vergleichbare Aufnahmen eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung einmal - 20 - den Veraschungsrückstand eines Formstoffes gemäß dieses Ausführungsbeispiels und 21 das Profilbild der trockenen Mikrofüllstoff-Komponente B des gleichen Ausführungsbeispiels zum Vergleich.
• Die Probe der 20 und 21 sind wie folgt zusammengesetzt:
• 87 bis 89 Gew% tetramodaler Mikro-Gesamtfüllstoff, verteilt auf die Größenfraktionen F, M, G1 und G2, die Fraktionen F, M und G1 aus Aluminiumoxid und G2 aus Bornitrid ca. 1 Gew% im Harz dispergierte Nanopartikel ca. 10 Gew% Harzmatrix mit Härter und Katalysator
• Insbesondere umfasst ein Ausführungsbeispiel 88,1 Gew% tetramodalen Mikro-Gesamtfüllstoff und
• 0,76 Gew% elastomere dispergierte Nanopartikeln in einem Epoxidharz-Phthalsäureanhydrid-Gemisch mit
• 0.05 Gew% tertiär-aminischem Katalysator.
• Die Formstoffkennwerte dieses Ausführungsbeispiels wurden bestimmt und die Werte in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1:

  Kennwert	Einheit	Wert	Bemerkung	Norm	Gerät
  Elastizitätsmodul E	MPa	2647B ± 373	23°C	DIN EN ISO 176	ZwicklRoell zwicki Z2.5 TN
  Biegefestigkeit σe	MP6	95 ± 6	23°C	DIN EN ISO 176	Zwick/Roell zwicki Z2.5 TN
  Bruchdehnung εe	%	0,35 ± 0,03	23°C	DIN EN ISO 17B	ZwickRoell zwicki Z2.5 TN
  Kritischer Spannungsintensitätsfaktor Klc	MPa mk	3,17 ± 0,04	23°C	ASTM E 399-90	Zwick/Roell zwicki Z2.5 TN
  Kritische Energlefreisetzungsrale Glc	J/m2	344 ± 9	23°C	ASTM E 399-90	Zwlck/Roell zwickl Z2.5 TN
  Linearer, thermischer Ausdehnungskoeffizient α	µm/m-K	13,5	-40 bis 80℃	DIN EN ISO 11 359-2	TA instruments Q400
  Wärmeleitfähigkeit λ	w/m-K	4,4	40 bis 140°C	ASTM E 1461	Nelzsch LFA 447
  Glasübergangsbereich Tg	℃	120	halbe Höhe	DIN EN ISO 11357-1	TA DSC Q100

• Zum Nachweis der enthaltenen Mikrofüllstoffe wurde der fertige Formstoff in einem feuerfesten Tiegel mit ca. 5 g Formstoff als Einwaage, durch Abflammen mit einer Propan-/Butangasflamme und anschließendem Einmuffeln vom organischen Harz- und Nanopartikel-Anteil befreit. Das wird als „Veraschung“ bezeichnet, der erhaltene Harzfreie Rückstand als „Glührückstand“.
• Durch das Veraschen wurde vorliegend ein Gewichtsverlust der Probe um ca. 12% festgestellt. Demnach war der Anteil an nicht brennbarem Mikrofüllstoff - Komponente B im Formstoff ca. 88Gew%.
• Dieser Rückstand wurde händisch zermörsert und eine Korngrößenverteilung mit 2min Ultraschallbehandlung (20µm Wellenlänge) zur Deagglomeration aufgenommen.
• Vergleichend dazu wurde die tetramodale Mikrofüllstofffraktion Komponente B aus den Einzelpulvern gemäß Beispiel 3 - siehe unten - neu bereitet und analog zum Veraschungsrückstand die zugrundeliegende Korngrößenverteilung bestimmt. Die Ergebnisse sind in den 20 und 21 gezeigt.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden vier verschiedene Mikrofüllstofffraktionen bevorzugt in folgendem Verhältnis zueinander in Komponente B vermischt:
• - eine feine Fraktion „F“ mit einem Gewichtsanteil von 25 Gew% bis 45 Gew%, bevorzugt 30 Gew% bis 40 Gew%
• - eine mittlere Fraktion „M“ mit einem Gewichtsanteil von 35 Gew% bis 55 Gew%
• - eine grobe Fraktion „G1“ mit einem Gewichtsanteil von 5Gew% bis 25 Gew% bevorzugt 10Gew% bis 20 Gew% und
• - eine zweite grobe Fraktion „G2“ mit einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 10 Gew%, bevorzugt 1 bis 5 Gew% und insbesondere bevorzugt von 2 bis 3 Gew%.
• Die Gewichtsanteile der 4 Fraktionen ergeben zusammen 100 % Gewichtsanteil an Komponente B.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Füllstofffraktion G2, die mit den größten Partikeln, beispielsweise mit einem mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 300 bis 350µm ein Nitrid, beispielsweise ein Bornitrid, in entweder kubischer oder hexagonaler Modifikation.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Füllstofffraktion G1, mit einem mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 180µm bis 260µm ein Oxid, beispielsweise ein Aluminiumoxid oder ein Magnesiumoxid.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Füllstofffraktion M, mit einem mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 30µm bis 50µm ein Oxid, beispielsweise ein Aluminiumoxid oder ein Magnesiumoxid.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Füllstofffraktion F, mit einem mittleren Partikeldurchmesser dso im Bereich von 2µm bis 5µm ein Oxid, beispielsweise ein Aluminiumoxid oder ein Magnesiumoxid.
• Eine oder mindestens zwei Füllstofffraktionen umfassen bevorzugt separierte, sinterstegfreie, sphärische Aluminiumoxidfüllstoffe mit einer Reinheit größer 90%, bevorzugt größer 96% und insbesondere bevorzugt größer 98%.
• Beispiel
• 35,1 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 46,8 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 15,0 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 3,1 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Beispiel
• 38,3 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 43,7 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 16,2 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 1,8 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Beispiel
• 36,7 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 44,0 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 17,0 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 2,3 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Beispiel
• 32,3 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 49,5 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 14 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 4,2 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Beispiel
• 35,2 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 43,6 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 18,0 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 3,2 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Beispiel
• 36,7 Gew.-% „F“ feine, sphärische Füllstofffraktion
• 44,0 Gew.-% „M“ mittlere, sphärische Füllstofffraktion
• 16,3 Gew.-% „G1“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• 3,0 Gew.-% „G2“ grobe, sphärische Füllstofffraktion
• Mit derartigen Füllstofffraktionen können Wärmeleitfähigkeiten von 3.5 bis 5.5 W/mK im Bereich 40°C bis 160°C erreicht werden.
• Die Beispiele liefern nach Aushärtung des Gießharzes bei ca. 120°C bis 180°C Formstoffe. Diese Formstoffe wurden auf folgende, eindeutig nach internationalen Normen bestimmbare, Eigenschaftskennwerten hin optimiert:
• - Formstoffwärmeleitfähigkeit λ von 3.5 bis 5.5 W/m-K, bevorzugt 3.75-5.25 W/mK, am bevorzugtesten 4-5 W/mK über einen Temperaturbereich von 40-140°C, gemessen nach ASTM E 1451,
• - Glasübergangsbereich Tg von 115-135°C, gemessen gemäß DIN EN ISO 11357-1 nach Auswertung der halben Höhe bei einer Heizrate von 10 K/min,
• - Biegefestigkeit σ_B bei 20-25°C von 70-120 MPa, bevorzugt 80-115 MPa, am bevorzugtesten 90-110 MPa, gemessen nach DIN EN ISO 178 bei 2 mm/min Traversengeschwindigkeit,
• - Biegefestigkeit σ_B bei 80°C von 50-100 MPa, bevorzugt 60-90 MPa, am bevorzugtesten 70-80 MPa, gemessen nach DIN EN ISO 178 bei 2 mm/min Traversengeschwindigkeit,
• - Biegefestigkeit σ_B bei 105°C von 40-90 MPa, bevorzugt 50-80 MPa, am bevorzugtesten 60-70 MPa, gemessen nach DIN EN ISO 178 bei 2 mm/min Traversengeschwindigkeit,
• - Biegefestigkeit σ_B bei 115°C von 30-80 MPa, bevorzugt 40-70 MPa, am bevorzugtesten 50-60 MPa, gemessen nach DIN EN ISO 178 bei 2 mm/min Traversengeschwindigkeit,
• - (Biege-)Elastizitätsmodul E bei 20-25°C von 15000-30000 MPa, bevorzugt 17000-28000 MPa, am bevorzugtesten 18000-27000 MPa, gemessen nach DIN EN ISO 178,
• - (Biege-)Bruchdehnung ε_B von 0.2-0.8%, bevorzugt 0.3-0.7%, am bevorzugtesten 0.35-0.4% bei 20-25°C, gemessen nach DIN EN ISO 178,
• - spezifische Dichte von 2.5-3.5 g/cm³, bevorzugt 2.75-3.25 g/cm³, am bevorzugtesten von 2.8-3.1 g/cm³ bei 20-25°C, gemessen mittels Heliumgaspyknometrie,
• - spezifische Wärmekapazität C_P von 0.6-1.4 J/(gK), bevorzugt 0.7-1.3 J/(gK), am bevorzugtesten 0.8-1.2 J/(gK) im Bereich von 40-160°C, gemessen mittels differenzkalorimetrischer Analyse bei einer Heizrate von 10 K/min nach ISO 11357-4,
• - Querkontraktionszahl v - auch als Poisson's Ratio bezeichnet -, bei 20-25°C von 0.1-0.4, bevorzugt 0.15-0.35, am bevorzugtesten 0.25-0.3,
• - kritischer Spannungsintensitätsfaktor/Rißzähigkeit K_IC, gemessen bei 20-25°C mittels Double Torsion-Prüfkörper in Anlehnung an ASTM E 399, von 2-4 MPa*m^1/2, bevorzugt 2.5-3.5 MPa*m^1/2, am bevorzugtesten 2.7-3.3 MPa*m^1/2, wobei die kritische Bruchenergiefreisetzungsrate $$G_{\text{I}c}=\frac{K_{IC}^2\left(1-v^2\right)}{E}$$
  
  gemessen bei 20-25°C mittels Double Torsion-Prüfkörper, größer 200 J/m², bevorzugt größer 250 J/m², am bevorzugtesten größer 300 J/m² ist, und schließlich
• - lineare, thermische Werkstoffausdehnung α unterhalb des Glasübergangbereiches Tg 5-25 µm/(mK), bevorzugt 7-20 µm/(mK), am bevorzugtesten 10-15 µm/(mK), gemessen nach DIN EN ISO 11359-2.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen der Mikrofüllstofffraktionen als trockene Mischungen und im Formstoff vorliegend sowie schließlich auch nach Veraschung des Harzes wieder als Pulver.
• Vergleichend wurden REM-Aufnahmen der trockenen Füllstofffraktionen vor der Einarbeitung ins Gießharz und nach Veraschung der Harzkomponente des Formstoffes nacheinander abgebildet und Partikelgrößen vermessen. Die beiden jeweils zu vergleichenden Abbildungen der Mikrofüllstoff-Partikelgrößenverteilungen, sind in den 18 bis 21 zu sehen. Die zu vergleichenden Figuren, also 18 und 19 einerseits und 20 und 21 andererseits, zeigen zwar Abweichungen, aber diese sind in dem Ausmaß zu erwarten.
• Grundsätzlich kann der Fachmann aber in der Veraschungsprobe, also dem Glührückstand die Partikelfraktionen, deren mengenmäßige Verteilung und natürlich auch deren Material bestimmen. Auffällig ist die Übereinstimmung im Profil, die im Zweifel den Nachweis liefert, dass eine tetramodale Mikrofüllstoffmischung mit den hier erstmals als besonders geeignet für die Füllung von Gießharzsystemen vorgestellten Fraktionen F, M G1 und G2 vorliegt. Mit Sicherheit lässt sich so die Tetramodalität der unveraschten und veraschten Mikrofüllstofffraktionen erkennen und auch der Vergleich der d₁₀-, d₅₀- und d₉₀-Werte erlaubt eine Identifikation der verwendeten Mikrofüllstofffraktionen.
• Die 22 bis 31 zeigen REM-Aufnahmen beispielhafter Mikrofüllstoff - Einzelfraktionen, sowie REM Aufnahmen von Glührückständen der Mikrofüllstoff-Gesamtfraktion nach Einbettung in die Harzmatrix, Aushärten zum Formstoff und Entfernung der Harzmatrix durch Veraschung als möglichen Nachweis der Mikrofüllstofffraktionen im Formstoff, der festen Isolierung.
• 22 zeigt die 100-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Aluminiumoxid der Mikrofüllstofffraktion „F“.
  23 zeigt die 1000-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Aluminiumoxid der Mikrofüllstofffraktion „F“.
  24 zeigt die 100-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Aluminiumoxid der Mikrofüllstofffraktion „M“.
  25 zeigt die 1000-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Aluminiumoxid der Mikrofüllstofffraktion „M“.
  26 zeigt die 100-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Aluminiumoxid der Mikrofüllstofffraktion „G1“.
  27 zeigt die 100-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Bornitrids der Mikrofüllstofffraktion „G2“.
  28 zeigt die 1000-fache Vergrößerung eines nichtveraschten Bornitrids der Mikrofüllstofffraktion „G2“.
  29 bis 31 zeigen die 20-, 100- und 1000-fache Vergrößerung des veraschten Glührückstandes eines Formstoffes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der die Einzelfraktionen, wie in 22 bis 28 beinhaltet hatte.
• Zudem wurde der Veraschungsrückstand im REM untersucht und es konnten folgende Rückschlüsse auf die verwendeten Mikrofüllstofffraktionen gezogen werden:
  32 bis 44 zeigen ESEM-Aufnahmen des Veraschungsrückstandes eines Formstoffes mit einer Komponente B, dem Mikrofüllstoff gemäß dem Beispiel 3.
• 32 zeigt eine ESEM-Aufnahme des Veraschungsrückstandes der Probe mit der Skala - also Bildkantenlänge - 1 mm.
  33 zeigt eine Vergrößerung aus 32 mit der Skala 500µm.
  34 zeigt eine weitere Vergrößerung in einer Skala von 100µm, hier sind die Fraktionen F, M und G2, letzteres in Form von Bornitrid-Plättchen, die sphärische G2 - Partikel bilden.
  Die 36 und 37 zeigen in großer Vergrößerung, die Skala beträgt hier 5µm und 2µm, die Fraktion F des Veraschungsrückstandes.
  38 zeigt im Maßstab „Kantenlänge des Bildes entspricht 10µm“, vorliegend auch als „Skala 10µm“ bezeichnet, die Fraktion F und abgelöste Bornitrid-Plättchen der Fraktion G2 des Veraschungsrückstandes.
  39 zeigt mit Skala 400µm die Fraktionen F, M, G1 und G2 des Veraschungsrückstandes.
  40 zeigt mit Skala 100µm die Fraktionen F, M, auf der Oberfläche eines G2-Partikels.
  41 zeigt in Skala 50µm die Fraktionen F und M auf G2 -Bornitrid
  42 zeigt in Skala 10µm die Fraktionen F und M auf G2 Bornitrid-Plättchen.
  43 zeigt in Skala 20µm die Fraktionen F und M auf G2 Bornitrid-Plättchen.
  44 zeigt in Skala 10µm die Fraktion F.
• 45 bis 56 zeigen REM-Bilder der unveraschten, nativen Mikrofüllstofffraktionen.
• 45 zeigt in Skala 1 mm die Mikrofüllstofffraktionen gemäß Beispiel 3 vor der Einarbeitung ins Gießharz.
  46 und 48 zeigen Vergrößerungen aus der 45 in Skala 500µm. Sichtbar sind die Füllstofffraktionen F, M, G1 und G2.
  47 zeigt eine weitere Vergrößerung auf die Skala 100µm, zu erkennen sind Partikel der Füllstofffraktionen F und M auf G1.
  49 zeigt wieder im Maßstab 100µm die unveraschten Füllstofffraktionen F, M auf G1.
  50 zeigt in der Skala 10µm die Füllstofffraktionen F und M auf G2
  51 zeigt in der Skala 5 µm die Füllstofffraktion F auf G2.
  52 zeigt auf der Skala 10µm die Füllstofffraktion F und M auf G2, G2 liegt in Form von Bornitrid-Plättchen vor.
  53 die gleiche Ansicht wie 52, allerdings in der Skala von 50µm.
  54 zeigt auf einer Skala von 5µm die F-Füllstofffraktion auf der G2- Oberfläche.
  55 macht auf einer Skala von 10µm Partikel der Füllstofffraktionen F und M auf Bornitrid-Plättchen der G2-Füllstofffraktion sichtbar.
  56 schließlich zeigt auf einer Skala von 50µm Partikel der Füllstofffraktionen F, M auf G2.
• Die hier als bevorzugt vorgeschlagenen Füllstoffe sind großteils wasser-unempfindlich im Vergleich zu Aluminiumnitrid und reagieren auch nicht mit dem Isoliergas SF₆ oder alternativen Isoliergasen. Durch den Einsatz der Gießharze nach der Erfindung ist es möglich, eine extrem kompakte Bauweise einer Schaltanlage im Bereich der Mittel- und Hochspannungsanwendungen zu realisieren, da bestehende Bauteile aus weniger wärmeleitfähigen Formstoffen durch die vorgeschlagenen hochwärmeleitfähigen Formstoffe ersetzt werden können.
• Das Gießharz ermöglicht eine Kostenreduktion, da viele interne Kühlkörper der Schaltanlage entfallen durch die Kühlung mit den hochwärmeleitenden Formstoffen. Schließlich ermöglicht der hochwärmeleitfähige Formstoff auch eine Steigerung der Stromratings und liefert damit einen enormen Wettbewerbsvorteil.
• Die vorliegende Erfindung offenbart erstmals ein universell einsetzbares, im Vakuumverguss beispielsweise bei 70°C sehr fließfähiges, Gießharz, das nach Polymerisation dielektrisch isolierende, hoch wärmeleitfähige und rissunempfindliche Formstoffe ergibt. Die trockenen, ein zu dispergierender Füllstoffe sind jeweils bevorzugt monomodal in ihrer Korngrößenverteilung und insbesondere bevorzugt sphärisch geformt. Insbesondere die Tetramodalität der eingesetzten Mikrofüllstoffe mit den in 10er Potenzen abgestuften mittleren Partikelgrößen führt zu einer hervorragenden Packungsdichte und zeigt überraschend gute Verarbeitbarkeit und Fließverhalten bei höchsten Füllgraden bis zu 95 Gew.-%, insbesondere bis zu 90 Gew.-%, äquivalent in Volumenanteilen von 65 Vol% bis 72 Vol%. Durch die Erfindung ist es erstmals möglich, derart hochgefüllte und damit hoch-wärmeleitfähige Gießharze in den eingangs genannten Anlagen für Automatisches Druck-Gelierverfahren -ADG- und/oder in einer (Vakuum-)Umlaufgießanlage -UGA- einzusetzen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• H. Wadell, „Volume, Shape and Roundness of Quartz Particles“, in J. Geol. 43(3), Seiten 250 bis 280 aus dem Jahre 1935 [0039]
• DIN EN ISO 176 [0065]
• DIN EN ISO 17B [0065]
• DIN EN ISO 11 359-2 [0065, 0078]
• DIN EN ISO 11357-1 [0065]
• DIN EN ISO 178 [0078]

Claims (23)

1. Gießharz, zumindest zwei Komponenten A) und B) umfassend, wobei Komponente A) eine Flüssigkomponente und Komponente B) ein Mikrofüllstoff ist und die - Komponente A) ein Harz auf Epoxidharzbasis umfasst sowie dazugehörigen Härter, Härtungskatalysator und sonstige Additive und die - Komponente B) in einer Menge von 70 Gew% bis 98 Gew%, bezogen auf die gesamte Gießharzmasse und/oder den daraus durch Härtung gebildeten Formstoff, Partikel mit mittleren durchschnittlichen Durchmessern D₅₀ im Bereich von 0,1 bis 400µm aus Metalloxiden, Metallnitriden, wie Bornitrid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid, umfasst, wobei - der Mikrofüllstoff zumindest in drei Füllstofffraktionen als sphärisch geformte Füllstoffpartikel vorliegt.
2. Gießharz nach Anspruch 1, wobei die Komponente B vier Füllstofffraktionen, die sich hinsichtlich ihrer mittleren Partikelgröße dso unterscheiden, umfasst.
3. Gießharz nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in der Komponente A Nanopartikel mit Partikelgrößen von 50nm bis 200nm vorliegen.
4. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine feine Mikrofüllstofffraktion „F“ vorliegt, deren Partikel eine mittleren Partikelgröße dso im Bereich von 1µm bis 10µm haben.
5. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine mittlere Mikrofüllstofffraktion „M“ vorliegt, deren Partikel eine mittleren Partikelgröße dso im Bereich von 15µm bis 95µm haben.
6. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine oder zumindest zwei grobe Mikrofüllstofffraktionen „G“ vorliegen, deren Partikel eine mittleren Partikelgröße D₅₀ im Bereich von 150µm bis 500µm aufweisen.
7. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine feine Mikrofüllstofffraktion „F“ vorliegt, deren Partikel aus Aluminiumoxid Al₂O₃ sind.
8. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine mittlere Mikrofüllstofffraktion „M“ vorliegt, deren Partikel aus Aluminiumoxid Al₂O₃ sind.
9. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine grobe Mikrofüllstofffraktion „G1“ oder „G2“ vorliegt, deren Partikel aus Aluminiumoxid Al₂O₃ sind.
10. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B eine grobe Mikrofüllstofffraktion „G1“ oder „G2“ vorliegt, deren Partikel aus Bornitrid BN sind.
11. Gießharz nach Anspruch 10, wobei in der Komponente B eine grobe Mikrofüllstofffraktion „G1“ oder „G2“ vorliegt, deren Partikel aus hexagonalem Bornitrid BN sind.
12. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente A ein Masterbatch eines Epoxidharzes mit hochdispers verteilten Nanofüllstoffen vorliegt.
13. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B sphärische Mikrofüllstoff- Partikel vorliegen, deren Sphärizität Ψ im Bereich von Ψ = 0.9 bis 1.0 liegt.
14. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B Mikrofüllstoff-Partikel aus Aluminiumoxid, Bornitrid, Magnesiumoxid, Siliciumoxid, Dolomit, jeweils in beliebigen Modifikationen und/oder Gemischen vorliegend, umfasst sind.
15. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B Mikrofüllstoff-Partikel vorliegen, die zumindest zum Teil beschichtet sind.
16. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B die feine Mikrofüllstofffraktion „F“ in einer Menge von 25 Gew% bis 45 Gew% vorliegt, bezogen auf Komponente B, den Mikrofüllstoff.
17. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B die mittlere Mikrofüllstofffraktion „M“ in einer Menge von 35 Gew% bis 55 Gew% vorliegt, bezogen auf Komponente B, den Mikrofüllstoff.
18. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B die grobe Mikrofüllstofffraktion „G“ in einer Menge von 5 Gew% bis 25 Gew% vorliegt, bezogen auf Komponente B, den Mikrofüllstoff.
19. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B die grobe Mikrofüllstofffraktion „G“ eine erste grobe Mikrofüllstoffraktion „G1“ aufweist, die in einer Menge von 5 Gew% bis 25 Gew% vorliegt, bezogen auf Komponente B, den Mikrofüllstoff.
20. Gießharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Komponente B die grobe Mikrofüllstofffraktion „G“ eine zweite grobe Mikrofüllstoffraktion „G2“ aufweist, die in einer Menge von 0,1 Gew% bis 10 Gew% vorliegt, bezogen auf Komponente B, den Mikrofüllstoff.
21. Formstoff, erhältlich durch Härtung eines Gießharzes nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
22. Elektrische Isolation, insbesondere für gasisolierte Schaltanlagen, mit einem Formstoff nach Anspruch 21.
23. Verwendung eines Gießharzes nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder eines Formstoffes nach Anspruch 21 zur Herstellung einer Isolation einer elektrischen Schaltanlage im Mittel- oder Hochspannungsbereich.

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