DE19903137A1 - Backlack - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Backlack mit einem thermoplastischen Polymer. Er zeichnet sich dadurch aus, daß der Lack ein Vernetzungsmittel umfaßt, das unter Wärmeeinwirkung eine chemische Vernetzung des thermoplastischen Polymers bewirkt. Ferner ist ein Draht mit einer äußeren Beschichtung aus einem derartigen Backlack beschrieben.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Backlack, insbesondere für die Beschichtung
eines Drahtes, mit einem thermoplastischen Polymer sowie auf einen Draht, der mit
einem derartigen Lack beschichtet ist.
Backlacke lassen sich in flüssigem Zustand auf die Oberfläche von Substraten
aufbringen und ermöglichen nach dem Aushärten deren Verklebung durch Erhitzung.
Von Bedeutung sind speziell Backlackdrähte, die aus einem elektrischen Leiter und
einer äußeren Schicht aus einem Backlack bestehen, zwischen denen sich in der
Regel eine oder mehrere elektrisch isolierende Lackschichten befinden.
Backlackdrähte dienen insbesondere zur Herstellung von Spulen, etwa als
Wicklungen von Motoren, Elektromagneten oder Ablenkspulen für Bildschirme. Dabei
werden die geformten Wicklungen mit Hilfe der Backlackschicht durch Erwärmung
untereinander verklebt, so daß eine Verschmelzung zu einem mechanisch festen
Verbund erfolgt.
Im Stande der Technik besteht der Backlack aus einem thermoplastischen Polymer,
das zum Aufbringen auf das Substrat in einem Lösungsmittel gelöst ist. Nach dem
Aufbringen des Lackes durchläuft das Substrat im allgemeinen zur Trocknung einen
Ofen. Meist wird der Backlack in mehreren Durchläufen schichtweise aufgebracht und
jeweils nachfolgend getrocknet.
Einen derartigen Backlack beschreibt die Druckschrift US 4,420,535. Seine Basis ist
ein aromatisch-aliphatisches Random-Copolyamid mit der Struktureinheit
Dabei ist AL der divalente Kohlenwasserstoffrest einer unsubstituierten aliphatischen
Dicarboxylsäure mit bevorzugt 6 bis 36 Kohlenstoffatomen. AL ist in der Regel (CH2)x,
wobei x von 4 bis 34, vorzugsweise 6 bis 12 beträgt. Alternativ kann AL der
Kohlenwasserstoffrest einer ungesättigten Dicarboxylsäure sein. R ist Tolyl, Phenyl
oder
wobei F entweder O, CH2 oder SO2 ist. Denkbar ist, daß zumindest ein Teil von R
cycloaliphatisch ist, z. B. Cyclohexen. Ar ist p-Phenyl. y beträgt zwischen 35% und
80%, vorzugsweise etwa 65%, z zwischen 65% und 20%, bevorzugt etwa 35% der
Struktureinheiten. Die Herstellung des Copolyamides erfolgt auf im Stande der
Technik bekannte Weise, etwa durch Reaktion von Dicarboxylsäuren mit
Diisocyanaten und/oder Diaminen in einem Lösungsmittel, etwa N-Methyl-2-Pyrrolidon
(NMP). Das Aufbringen des Polyamids als Backlack wird in der Regel gleichfalls in
einem Lösemittel auf Amidbasis wie NMP oder einer Mischung von NMP mit
aromatischen Kohlenwasserstoffen vorgenommen.
Mit derartigen Backlacken beschichtete Drähte haben sich für Wicklungen der
Statoren von Elektromotoren bewährt. Hingegen erweisen sie sich für die Wicklungen
von Rotoren als unzureichend, da die Lacke bei höherer Temperartur erweichen.
Entsprechende Spulen sind bei den Betriebstemperarturen von z. T. über 155°C und
unter den Fliehkräften von Motoren, deren Umdrehungszahl häufig im Bereich einiger
10.000 Umdrehungen pro Minute liegt, nicht ausreichend stabil. Aus diesem Grund ist
es im Stande der Technik üblich, Rotoren von Elektromotoren mit einem flüssigen
Duroplast zu tränken, das nachfolgend erhärtet. Diese Vorgehensweise ist jedoch im
Vergleich zur Verklebung backlackbeschichteter Drähte aufwendig und zudem mit der
Emission gesundheitsgefährdender Stoffe verbunden.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Backlack zu
entwickeln, der auch bei hohen Temperaturen kraftbelastbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lack ein
Vernetzungsmittel umfaßt, das unter Wärmeeinwirkung eine chemische Vernetzung
des thermoplastischen Polymers bewirkt.
Durch die chemische Vernetzung des thermoplastischen Polymers, das die Basis des
Backlackes bildet, steigt dessen Wiedererweichungstemperatur erheblich an.
Insbesondere ist es möglich, daß die Wiedererweichungstemperatur größer als die
Temperatur zur Verbackung des Lackes ist. In der Folge bleibt die mechanische
Belastbarkeit des Backlackes auch bei Temperaturen im Bereich der
Verbackungstemperatur erhalten, während im Stande der Technik gebräuchliche
Backlacke bei einer derartigen Temperatur grundsätzlich erweichen.
Von entscheidender Bedeutung ist, daß das Vernetzungsmittel beim Aufbringen und
Härten des Backlackes, insbesondere beim Austreiben eines Lösungsmittels in einem
Ofen, nicht oder allenfalls zum Teil reagiert. Ansonsten wird die zur Verklebung von
Substraten notwendige Wiedererweichung des Backlackes behindert. Der Anteil des
Vernetzungsmittels am Backlack ist zweckmäßig gering. Bevorzugt ist ein Anteil bis
etwa 30 Gewichtsprozent, insbesondere um 20 Gewichtsprozent bezogen auf das
thermoplastische Polymer.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Backlackes besteht darin, daß sich
seine Eigenschaften beim Aufbringen und Trocknen nicht wesentlich von
herkömmlichen Backlacken unterscheiden. Insbesondere sind zur Herstellung von
Backlackdrähten gebräuchliche Lackiermaschinen und -öfen einsetzbar. Zudem
zeigen die Lacke eine gute Lackierfähigkeit bei unveränderten Kosten. Die
verbesserte Festigkeit bei Temperaturen oberhalb von 150°C ermöglichen es
erstmals, Backlacke auch zur Stabilisierung der Wicklungen von Rotoren einzusetzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das Vernetzungsmittel
miteinander reaktionsfähige Monomere, von denen zumindest ein Monomer mit dem
thermoplastischen Polymer reaktionsfähig ist. Die Reaktion der Monomere
untereinander und mit dem Polymer erfolgt unter der Wärmeeinwirkung bei der
Backtemperatur des Lackes. Vorzugsweise ist zumindest eines der Monomere ein
Edukt des thermoplastischen Polymers bzw. reagiert bei der Vernetzung zu einer
seiner Struktureinheiten. Um die Verarbeitung zu erleichtern wird vorgeschlagen, daß
das Vernetzungsmittel ein Lösungsmittel für die Monomere und das thermoplastische
Polymer enthält.
Nach dem Aufbringen des Backlackes auf das Substrat erfolgt seine Trocknung in
aller Regel für einige Sekunden in einem Ofen bei einer Temperatur zwischen etwa
300 und 400°C. Um weiterhin gebräuchliche Öfen nutzen zu können, ist es von
Vorteil, wenn die Vernetzungsdauer des Vernetzungsmittels bei der
Trocknungstemperatur groß gegen die Trocknungszeit des Backlackes ist.
Als thermoplastische Polymere haben sich Polyamide bewährt, insbesondere
Copolyamide, wie sie in der Einleitung beschrieben sind. Zu ihrer Herstellung wird
bevorzugt eine Mischung von Diisocyanaten verwendet, in der das molare Verhältnis
von Toluoldiisocyanat (TDI) zu 4,4' Methylendi(phenylisocyanat) (MDI) zwischen 50 : 50
und 100 : 0, vorzugsweise um 60 : 40 beträgt. Ein besonderer Vorteil von Backlacken
auf Polyamidbasis ist ihre gute chemische Beständigkeit, speziell die geringe
Löslichkeit in Lösungsmitteln wie Benzin und Öl.
Eine besonders große Festigkeit des Backlackes bei hohen Temperaturen läßt sich
erreichen, indem das Polyamid auf oben beschriebene Weise aus aromatischen und
aliphatischen Struktureinheiten aufgebaut ist. Bewährt haben sich insbesondere
molare Verhältnisse aliphatischer zu aromatischer Struktureinheiten von 60 : 40 bis
50 : 50 Molprozent, vorzugsweise etwa 56 : 44 Molprozent. Während im Stande der
Technik bekannte Copolyamide bei diesen Mischungsverhältnissen eine erhebliche
Abnahme der Wärmefestigkeit gegenüber dem erreichbaren Maximalwert aufweisen,
zeigen erfindungsgemäß vernetzte Polymere bei diesem Verhältnis eine gesteigerte
Wärmefestigkeit. Auch bei im Stande der Technik gebräuchlichen Copolyamiden mit
abweichenden Verhältnissen läßt sich jedoch die Wärmefestigkeit durch eine
erfindungsgemäße Vernetzung steigern.
Ein bevorzugtes Vernetzungsmittel, speziell für Polyamide, umfaßt einen
mehrwertigen Alkohol. Bewährt haben sich zweiwertige Alkohole, insbesondere
Propylenglykol oder Dipropylenglykol
HO-CH(CH3)-CH2-O-CH2-CH(CH3)-OH.
Weiterhin umfaßt das Vernetzungsmittel vorzugsweise ein Polyisocyanat, wie es zum
Beispiel auch als Edukt eines Polyamides verwendbar ist.
Zweckmäßig ist der Backlack eine Mischung aus zumindest einem thermoplastischen
Polymer, zumindest einem Vernetzungsmittel und einem oder mehreren
Lösungsmitteln. Für Backlacke auf Basis von Copolyamiden haben sich als
Lösungsmittel beispielsweise NMP oder Mischungen von NMP mit aromatischen
Kohlenwasserstoffen, z. B. Cresol oder Xylol bewährt. Eine derartige Mischung läßt
sich als homogene, lagerbare Flüssigkeit herstellen.
Der beschriebene Backlack ist zur Beschichtung beliebiger Substrate geeignet, die
unter Wärmeeinwirkung verklebt werden sollen. Bevorzugt ist er jedoch zur
Beschichtung von Drähten, etwa aus Kupfer, die beispielsweise zum Wickeln von
Spulen vorgesehen sind.
Vorzugsweise wird der Backlack nicht unmittelbar auf die Oberfläche eines Drahtes,
sondern auf eine innere Isolierung aufgebracht. Auf diese Weise werden
Kurzschlüsse bei der Verbackung ausgeschlossen und die elektrische Isolierung
verbessert. Als innere Isolierung sind gleichfalls Lacke auf Basis von Polymeren,
beispielsweise Polyester, Polyesterimid oder Polyamidimid geeignet. Denkbar ist es,
zwischen der inneren Isolierung und dem Backlack einen Überzug aus weiteren
Lackschichten vorzusehen.
Bevorzugt umfassen sowohl der Backlack als auch eine innere Isolierung sowie ein
ggf. vorhandener Überzug mehrere Schichten. Durch das mehrschichtige Aufbringen
wird die Qualität der Beschichtungen verbessert, insbesondere eine Blasenbildung
beim Entweichen von Lösungsmitteln vermieden.
Im nachfolgenden Beschreibungsteil sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 Querschnitte durch Backlackdrähte,
Fig. 2 Bindungsfestigkeit des Backlacks in Abhängigkeit von der Temperatur.
In Fig. 1 sind schematische, nicht maßstabsgerechte Schnitte durch unterschiedliche
Backlackdrähte wiedergegeben. Im Zentrum befindet sich jeweils ein Leiter (1), etwa
ein Kupferdraht, dessen Durchmesser beispielsweise zwischen 0,1 und 5 mm beträgt.
Der Leiter (1) ist in eine Isolierung (2) eingebettet, die z. B. aus einem Polyesterimid
besteht. Die Dicke der Isolierung (2) beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm.
Zur Anpassung der mechanischen und chemischen Eigenschaften an
unterschiedliche Anforderungen ist es in vielen Fällen zweckmäßig, über der
Isolierung (2) einen Überzug (3) vorzusehen, beispielsweise aus Polyamidimid, der
gleichfalls isolierend wirkt. In der Regel ist die Dicke des Überzugs (3) geringer als die
der darunterliegenden inneren Isolierung (2). Außenseitig weist der Draht eine
Beschichtung mit einem Backlack (4) auf. Er ermöglicht die Verbackung von in einer
Spule aneinander anliegenden Drähten zu einem festen Verbund, indem die Spule
erwärmt wird. Um eine gleichmäßige und hohe Qualität der Beschichtungen zu
erreichen erweist es sich als zweckmäßig, Isolierung (2), Überzug (3) und Backlack
(4) jeweils in mehreren Schichten (5) als Lack aufzubringen.
Basis des Backlackes ist ein Copolyamid, wie es im Stande der Technik bekannt ist.
Der molare Anteil seiner aliphatischen zu aromatischen Struktureinheiten beträgt 56%
zu 44%. Als Vernetzungsmittel dient eine Lösung aus folgenden Anteilen:
Dipropylenglykol | 33,03 g, |
Xylol | 2,80 g, |
Desmodur VL | 18,92 g, |
NMP | 17,32 g |
Desmodur VL ist ein Polyisocyanat des Herstellers Bayer, das zu 31,5 Gew.-% aus
Isocyanat besteht. Als Backlack wurde eine homogene Flüssigkeit aus 136 g des
Polyamids, 27,2 g des Vernetzungsmittels und 18,1 g NMP hergestellt. Mit dem Lack
wurde ein Kupferdraht mit einer inneren Isolierung beschichtet.
Fig. 2 zeigt die nach der Norm IEC 851-3 gemessene Bindungsfestigkeit
unterschiedlicher Backlackdrähte in Abhängigkeit von der Temperatur.
Als Vergleichsbeispiel (Kurve 1) diente ein handelsüblicher Backlackdraht des
Herstellers Lacroix & Kress mit der Bezeichnung T 180HR, der mit einem Backlack
aus Polyamid beschichtet ist. Die Backzeit betrug 30 Sekunden bei 200°C. Wie
erkennbar ist, zeigt der Backlack im Bereich bis 130°C eine hohe mechanische
Festigkeit, die jedoch bei höheren Temperaturen rasch abnimmt. Insbesondere
oberhalb von 155°C ist der Draht nicht mehr für mechanische Belastungen geeignet,
wie sie in Rotoren von Motoren auftreten.
Erfindungsgemäßen Backlackdrähte wurden gemäß der Beschreibung hergestellt und
für unterschiedliche Zeiten bei 200°C miteinander verbacken (Probe 2: 30 Sek; Probe
3: 5 Min; Probe 4: 2,5 Min; Probe 5: 20 Min). Während sich im Temperaturbereich bis
130°C lediglich geringe Unterschiede zum Vergleichsbeispiel (Kurve 1) zeigen, ist die
Festigkeit bei höheren Temperaturen, insbesondere zwischen 155 und 200°C deutlich
größer. Bei zunehmender Backdauer steigt die mechanische Festigkeit des
vernetzten Backlackes in diesem Temperaturbereich zudem deutlich an.
Insbesondere wird erreicht, daß die Wiedererweichungstemperatur des Lackes bei
hinreichender Backzeit bis zu 300°C beträgt und somit die Backtemperatur von 200°C
erheblich übersteigt.
Im Ergebnis entsteht ein Backlack von hoher mechanischer Festigkeit bei hohen
Temperaturen sowie damit beschichtete Drähte, die speziell für den Einsatz in den
Rotoren von Motoren gut geeignet sind.
Claims (13)
1. Backlack mit einem thermoplastischen Polymer, dadurch gekennzeichnet, daß
der Lack ein Vernetzungsmittel umfaßt, das unter Wärmeeinwirkung eine
chemische Vernetzung des thermoplastischen Polymers bewirkt.
2. Backlack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel
eine Mischung miteinander reaktionsfähiger Monomere umfaßt, von denen
zumindest ein Monomer mit dem thermoplastischen Polymer reaktionsfähig ist.
3. Backlack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Monomer des
Vernetzungsmittels einer Struktureinheit des thermoplastischen Polymers
entspricht.
4. Backlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vernetzungsdauer groß gegen die Trocknungszeit des Backlacks ist.
5. Backlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das thermoplastische Polymer ein Polyamid ist.
6. Backlack nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid aus
aromatischen und aliphatischen Struktureinheiten aufgebaut ist.
7. Backlack nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis
aliphatischer zu aromatischer Struktureinheiten 60 : 40 bis 50 : 50, vorzugsweise
56 : 44 beträgt.
8. Backlack nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vernetzungsmittel einen mehrwertigen Alkohol umfaßt.
9. Backlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vernetzungsmittel ein Polyisocyanat umfaßt.
10. Backlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Backlack eine Mischung von jeweils einem oder mehreren
thermoplastischen Polymeren, Vernetzungsmitteln und Lösungsmitteln ist.
11. Draht mit einer äußeren Beschichtung aus einem Backlack, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein Backlack (4) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche ist.
12. Draht nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Backlack (4) auf
eine innere Isolierung (2) oder einen auf der Isolierung (2) befindlichen Überzug
(3) aufgebracht ist.
13. Draht nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Backlack (4)
und/oder die innere Isolierung (2) und/oder der Überzug (3) aus mehreren
Schichten (5) besteht.
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