DE2260642A1

DE2260642A1 - Elektrische isolation

Info

Publication number: DE2260642A1
Application number: DE2260642A
Authority: DE
Inventors: Robert Walter Smearing
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-12
Publication date: 1973-07-05
Also published as: IT972525B; CH602998A5; FR2164717A1; FR2164717B1; CA977429A; US3778536A

Description

Elektrische Isolation

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Isolation. Insbesondere betrifft sie eine poröse Isolation, wie eine Bodenisolation für elektrische Leiter oder Leiterstäbe, die mit einem Harz imprägniert ist, das dann an Ort und Stelle gehärtet wird.

Es ist bekannt, elektrische Leiter oder .Leiterstäbe zu härten, die aus einer Zahl elektrischer Leiter mit einer äußeren Isolation hergestellt sind, die manchmal als Bodenisolation bezeichnet wird und die typischerweise eine Vielzahl von Schichten aus Glimmerplättchen oder Glimmerpapierisolation umfaßt oder beidem, die üblicherweise mit» einem Schutzband, wie einem Glasgewebe bedeckt ist, um das Abnutzen und das Zerstören der Isolation beim Gebrauch zu vermeiden. Es ist üblich, auf die Leiter- oder Leiterstabreihe eine Vielzahl von Schichten aus Glimmerplättchen oder Glimmer-309827/0738

papierband aufzubringen, deren jedes durch eine Stütze (backer), wie ein Glasgewebe oder ein anderes wärmebeständiges Gewebe, getragen ist φ Dann wird auf die aus Glimmer oder anderem Material bestehende Isolation, die je nach den erforderlichen elektrischen

Isolationseigenschaften eine bestimmte Dicke hat, eine oder mehrere Schichten Glasgewebe gewickelt, welches als Schutz dient, und das Ganze wird dann mit einem Harzmittel imprägniert, das an Ort und Stelle gehärtet wird, um die endgültige Bodenisolation zu ergeben. Nach einem Verfahren wird der Stab in einem Tank angeordnet, der dann evakuiert wird und das Harz wird unter Vakuum eingeführt. Dann wendet man Atmosphärendruck an und läßt den Stab sich vollsaugen. Schließlich erhöht man den Druck für eine be- ; stimmte Zeit und verringert ihn wieder auf atmosphärischen Druck.: Danach' entfernt man den Stab, läßt ihn abtropfen und erhitzt, i um cBs Harz zu härten.

Obwohl das obige Verfahren zur Schaffung einer elektrischen Isolation für Leiterstäbe in mancher Hinsicht brauchbar ist, hat es doch zusammen mit anderen Verfahren, bei denen der Leiterstab in das Harz eingetaucht wird und dann unter Anwendung von Wärme oder Wärme und Druck gehärtet wird, den Nachteil, daß eine beträchtUchje Menge des Harzes vor oder während des Härtens vom Stab abläuft und in vielen Fällen erfordert dies eine zweite Harzbehandlung vor dem Härten, um eine ausreichende Harztränkung zu haben und demgemäß eine ausreichende elektrische Isolationsfähigkeit. Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen zu schaffen, durch die der Harzgehalt des in das Harz eingetauchten Stabes erhöht wird und die in vielen Fällen die Notwendigkeit einer mehrmaligen Harzbehandlung vermeiden.

Kurz gesagt, wird der Harzgehalt der porösen Isolation eines Leitecustabes oder eines Leiters erfindungsgemäß dadurch erhöht, daß man In dem äußeren Teil, wie einem Schutzband, einen zusätzlichen Harzhärtungsbeschleuniger vorsieht, der das Harz im äußeren Bereich rascher zum Härten bringt und dadurch eine undurchdringliche Umhüllung schafft, welche den Verlust des Harzes nach außen

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vermeidet und eine langsame eingestellte Härtung des Harzes im i inneren Bereich der Isolation ermöglicht. j

Nachfolgend soll die Erfindung näher beschrieben werden, wobei weitere Aufgaben und Vorteile erkennbar werden.

Im lahmen der vorliegenden Erfindung kann jedes Harz verwendet werden, cas bei Verwendung von Härtungsbeschleunigern relativ rasch Ifirtet, Typisch für solche Materialien sind Epoxyharze, die 1,2-Epoxygruppen enthalten, sowie einen Phenolbeschleuniger in Mangen zwischen 0,1 und 15 Gew.-JS des Epoxyharzes, der ein Härtungsmittel in Form eines organischen Titanates in Mengen zwischen 0,05 und 10 Gew.-% vom Epoxyharz enthält« Die Konzentration des phenolischen Beschleunigers oder des organischen Titanats, die mit einem speziellen Harz verwendet wird, kann variiert werden, um die Härtungsgeschwindigkeit. des Harzes zu ändern.

Die in dem hitzehärtbaren Harz der vorliegenden Erfindung verwendbaren Epoxyharze können solche Epoxyharze mit 1,2-Epoxygruppen oder Mischungen solcher Harze, wie angegeben, sein und sie um fassen beispielsweise cycloaliphatische Epoxyharze, wie 3,4-Epoxycyclohexylmethy1-(3,4-epoxy)-cyclohexänearboxylat (das unter dem Handelsnamen ERL 4221 von der Union Carbide Plastics Co. vertrieben wird oder unter der Bezeichnung Araldite CY 179 V)n Ciba Products Company), Bis(3,4-epoxyT6-methylcyclohexylmethyl)-adipat (das vertrieben wird unter den Handelsnamen ERL 4289 von der Union Carbide Plastics Company oder unter Araldite CY 179 von der Ciba Products Company), Vlnylcyclohexendioxyd (hergestellt von der Union Carbide Plastics Company und vertrieben inter der Bezeichnung ERL 4206), Eis(2,3-epoxycyclopentyl)ätherharze (vertrieben unter der Handelsbezeichnung ERL 4205 durch die Union Carbide Plastics Co.), 2-(3,4-Epoxy)cyclohexyl-5,5-spiro(3,4-epoxy)-cyclohexan-m-dioxan (das unter dem Handelsnamen Araldite CY 175 durch die Ciba Products Co. ver-

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trieben wird)_f GIycidylather von Polyphenolepoxyharzen» wie flüssige oder feste Bisphenol-A-Diglycidyl-ätherepbxharze (wie sie unter den Handelsbezeichnungen Epon 826, 828, 830» 1001» 1002, 1004 usw. von der Shell Chemical Co. vertrieben werden), Phenole ' Formaldehyd-Novolak-Polyglycidyl-ätherepoxyharze (wie sie unter den Handelsbezeichnungen DEN 431, 438 und 439 durch die Dow j Chemical Co. vertrieben werden), Epoxycresol-Novolake (wie sie unter den Handelsbezeichnungen ECN 1235, 1273» 1280 und 1299 von der Ciba Products Co. vertrieben werden), Resorcin-Qlycidyläther (wie ERE 1359» hergestellt von der Ciba Products Co·), Tefcraglycidoxy-Tetraphenyläthan (Epon 1031» hergestellt durch die Shell Chemical Co.), Olycidylesterepoxyharze, wie Diglycidylphthalat (ED-566I der Celanese Resins Co.), Diglycidyl-Tetrahydrophthalat (Araldite CY I82, der Ciba Products Co.) und Diglyeldylhexahydrophthalat (Araldite CY 183 der Ciba Products Co. oder ED-5662 der i Celanese Resins Co.) und entflammungshemmendeEpoxyharze, wie halogenhaltige Biephenol-A-Diglycidyl-ätherepoxyharze (z.B. DER · 542 und 511, die Bromgehalte von 44 bis 48 bzw. 18 bis 20 % auf- ! ; weisen und von der Dow Chemical Co. hergestellt werden).

Die vorgenannten Epoxyharze sind bekannt und z. B. in den folgen* den US-Patentschriften 2 324 483, 2 444 333, 2 494 295, 2 500 und 2 511 913 beschrieben. Darüber hinaus ist es häufig von Vorteil, Mischungen dieser Epoxyharze anzuwenden, z.B. ein Glycidyl-

j ätherepoxyharz, wie Epon 828 mit einem cycloaliphatischen Epoxy-' harz, wie ERL 4221, um die Härtungsgeschwindigkeit des hitzehärt- ! baren Harzes einzustellen. Die Härter der vorliegenden Erfindung sind nicht nur wirksam mit verschiedenen Epoxyharzen und Mischunger) von Epoxyharzen,sondern sie sind auch in Mischungen wirksam, die reaktionsfähige und nicht reaktionsfähige EpoxyVerdünner, Epoxyflexibilisatoren und Füllstoffe enthalten. Während die bekannten Epoxyharzhärter nur mit einer ausgewählten Gruppe von Epoxyharzen wirksam sind, sind die Epacyharzhärter der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, wirsam für die Vernetzung aller Arten von Epoxyharzen*

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Der Härter für die Epoxyharzimprägnierung besteht im allgemeinen ' aus einer Mischung eines organischen Titanate und eines pheno- ] lischen Beschleunigers, worin der phenolische Beschleuniger in Mengen von weniger als 15 Gew.-% des Epoxyharzes vorhanden ist. j Zu den im Rahmen der vorliegenden Erfindung wirksamen phenolischen Beschleunigern gehören z. B. Bisphenol-A (das ist 2,2-Bis : (^-hydroxyphenyDpropan), Pyrogallol, Dihydroxydiphenyle, wie ! o-,m- und p-Hydroxybenzaldehyde (wie Salicylaldehyd), Brenzkate- , chin, Resorcin, Hydrochinon und Phenol-Formaldehyd- und Resorcin-: Formaldehyd-Kondensate. Beispiele anderer phenolischer Beschleu- : niger, die geeigneterweise für die Harzimprägnierung verwendet werden können, umfassen auch halogenierte Phenole, wie o-, m- ; und p-Chlorphenole oder -Bromphenole und o-,m- und p-Nitrophenole. Der phenolische Beschleuniger ist vorteilhaft in Konzentrationen zwischen 0,1 und 15 Gew.-% des Epoxyharzes vorhanden, wobei optir-' male Härtungsgeschwindigkeiten mit Phenolbeschleuniger-Konzentrationen zwischen 0,5 und 10 Gew.-% des Epoxyharzes erhalten wurden. Im allgemeinen kann die Härtungsgeschwindigkeit des Epoxyharzes durch Variation des Gew~.-£-Anteils des phenolischen Beschleunigers, der zusammen mit dem Epoxyharz verwendet wird, geändert werden durch eine Änderung der Kombination phenolischer Beschleuniger-Epoxyharz. Z.B. kann die Härtungsgeschwindigkeit vor ERL 4221-Titanat-Bisphenol-A-Lösungen beträchtlich erhöht werden,. indem/einen Phenol-Formaldehyd-Novolak-Beschleuniger anstelle des Bisphenols-A-Beschleunigers einsetzt. Ähnlich kann man durch Ersetzen des Phenol-Formaldehyd-Novolaks in der ERL 4221-Titanat-Novolak-LÖsung durch Brenzkatechin die Härtungsgeschwindigkeit merklich vergrößern. Innerhalb dieser aus Epoxyharz, Titanat und phenolischem Beschleuniger bestehenden Mischung kann die Härtungsgeschwindigkeit im allgemeinen dadurch erhöht werden, daß man den relativen Gehalt an phenolischem Beschleuniger erhöht. Durch Ersetzen des cycloaliphatischen Epoxyharzes ERL 4221 durch ein Digylcidylätherepoxyharz,wie Epon 828, wird die Härtungsgeschwindigkeit verringert. Obwohl die Härtungsgeschwindigkeit in einem weiten Bereich.variiert werden, kann, sind

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die gehärteten Harze zähe Festkörper mit ausgezeichneten elektrischen isolierenden Eigenschaften.

Das zum Epoxyharz hinzugefügte organische Titanat unterstützt den phenolischen Beschleuniger bei der einstellbaren Härtung des Epoxyharzes, insbesondere dann, wenn ein Chelat-Titanat, wie Acetylacetonat-Titanat, Lactat-Titanat, Triäthanolamin-Titanat, Polyhydroxystearat-Titanat, ein Glycolat-Titanat (z.B. Tetraoctylenglycol-Titanat, das etwa 7,Q% Titan enthält und unter der Handelsbezeichnung Tyzor OO von E.I. DuPoat de Nemours and Co. vertrieben wird oder Di-n-butylhexylenglycol-Titanat), oder eiV Chelat, das mit einem stickstoffhaltigen Polymer stabilisiert ist (wie z.B. Tyzor WR, vertrieben von der E.I. DuPont de Nemours and Co.). Bei der Verwendung von Chelat-Titanaten kann das hitzehärtbare Harz in Bereichen verwendet werden, die einen wesentlichen Wassergehalt in der Atmosphäre aufweisen. Wird das hitzehärtbare Harz in einer Atmosphäre angewendet, die im wesentlichen keine Feuchtigkeit aufweist, dann können auch nicht-chelierte Titanate als Epoxyharzhärt.er verwendet werden, wie Tetraisopropyl-Titanat, Tetrabutyl-Titanat, polymerisiertes Tetrabutyl-Titanat und Tetrakis-(2-äthylhexyl)-Titanat. Chelat-Titanate, wie Acetylacetonat-Titanati Tetraoctylenglycol-Titanat und Di-nbutylhexylenglycol-Titanat sind jedoch als Epoxyharzhärter bevorzugt, um eine homogene Mischung zu schaffen, während sie gegen Hydrolysieren unter Feuchtigkeit beständig sind. Im allgemeinen sollte das ausgewählte Titanat in der Mischung in einer Konzentration zwischen 0,05 und 10 Gew.-2 des Epoxyharzes vorhanden sein, wobei optimale Härtungsgeschwindiskeiten im allgemeinen erhalten wurden, wenn Tltanatkonzentrationen zwischen

0,2 und 5 Gew.-K des Epoxyharzes verwendet wurden. >

j Das Harz,der phenolische Beschleuniger und das Titanat, die für j das zum Imprägnieren verwendete hitzhärtbare Harz ausgewählt werden, können in jeder üblichen Weise vermischt werden. Ein ! flüssiger phenolischer Beschleuniger kann in dem Epoxyharz oder j

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in dem Titanat entweder bei Raum- oder bei erhöhter Temperatur '■ aufgelöst werden. Ein fester phenolischer Beschleuniger in pul- ' verisierter Form kann auch in dem Epoxyharz bei Raumtemperatur ι durch fortgesetzte Bewegung aufgelöst werden, bevor ; man mit dem ausgewählten Titanat vermischt oder es kann ein _; flüssiges Konzentrat hergestellt werden durch Auflösen des pul- ; verisierten Phenols in einem Teil des Epoxyharzes bei Temperaturen zwischen 150 und l60°C, woraufhin die flüssige Lösung mit^; dem Rest des Epoxyharzes vermischt wird. Man kann den festen
phenolischen Beschleuniger auch in dem Titanat bei Temperaturen
von 100 bis l60 C auflösen_f woraufhin die Mischung aus pheno- ^: lischem Beschleuniger und Titanat zu dem Epoxyharz hinzugegeben
wird, um die Härtung zu bewirken.

Es wurde festgestellt, daß die Verwendung eines phenolischen [ Novolak-Härtungsbeschleunigers mit etwa H bis 8 funktionellen ; Gruppen im äußeren Bereich der porösen Isolation, wie in dem
Schutzbandgewebβ, eine rasche Härtung des äußeren Teiles der ; Harz-imprägnierten Isolation/ gemäß der vorliegenden Erfindung
bewirkt. Phenolische Novolake sind sehr leicht herzustellen.

Sie können z. B. durch Erhitzen von 100 Teilen Phenol, 70 Teileni Formalin und etwa 0,3 Gewichtsteilen 5"LJiormaler Chlorwasser- j stoffsäure am Rückfluß hergestellt werden. Nach etwa 2 Stunden | ist das Wasser abdestilliert und die Temperatur auf etwa 150°C ! angestiegen, bis die gewünschte Zahl der funktionellen Gruppen , (functionality) erhalten ist. Das Material wird dann rasch ab- j gekühlt und ergibt ein glasartiges brüchiges Material. Zu den j phenolischen Novolaken, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung! brauchbar sind, gehört ein Novolak mit der Funktionalität 6 bis
7, der von der Union Carbide hergestellt und unter der Bezeichnung BXRW-2756 vertrieben wird. Ebenfalls brauchbar ist ί ein Phenolnovolak mit A bis 5 funktionellen Gruppen, der von ; der Ashland Chemical hergestellt und unter der Bezeichnung 1 EP-322IG-14-3 vertrieben wird. Dem Fachmann sind weitere Phenol-; Novolake bekannt.

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Im Gegensatz zu diesen brauchbaren Materialien wurde festgestellt, daß Resorcin, das ein Härtungsbeschleuniger für das imprägnierende Grundharz ist, im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht brauchbar ist, da es im Harzmaterial löslich ist und nicht an Ort und Stelle bleibt, um dort selektiv rascher das Harz im äußeren Bereich der Isolation zu härten. Gleicherweise wurde festgestellt, daß solche Materialien, wie Epoxy-Novolake, z.B. DEN-439 der Dow Chemical Ca wader allein noch in Verbindung mit anderen typischen Beschleunigern, wie Resorcin, brauchbar sind.

Anhand des folgenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert:

Beispiel

Es wurden 2 Leiterstabreihen gebildet, deren jede 20 Stücke gelackten Kupferdrahtes umfaßte. Ein Leiterstab wurde mit 3 Schichten halb überlappten (one-half-lapped) Glasgewebeschutzband von etwa 18 mm (3/4 inch) Breite und etwa 0,075 mm (3 mils) Dicke umwickelt. Der andere Leiterstab wurde mit 2 Schichten des Schutzbandes und einer zusätzlichen Schicht aus Schutzband bedeckt, die mit einer 10 Gew.-^igen Lösung eines phenolischen Novolak-Härtungsbeschleunigers gewaschen worden war, speziell mit BXRW-2756 von Union Carbide. Etwa 3 Gew.-? des Härtungsbeschleunigers, bezogen auf das Glasgewebe, verblieben auf dem Glas. Im allgemeinen werden etwa 1 bis 5 Gew.-? haften bleibenden Härtungsbeschleunigers bevorzugt. Die beiden Stäbe wurden dann 1 Stunde in einer Epoxyharz-Zusammensetzung getränkt, die 97 Gew.-Teile ERL 4221, 2 Teile Tyzor OG und 1 Teil Bisphenol-A enthielt. Die Stäbe ließ man dann 1 Stunde abtropfen und härtete 4 Stunden bei 150⁰C. Der Gehalt < des Schutzbandes an gehärtetem Harz auf dem Stab mit der äußeren Schicht ohne Katalysator betrug 2,3 g» während der Harzgehalt des Bandes mit der äußeren Katalysatorschicht 2,75 g betrug. Bei 15O⁰C betrug die Gelierungszeit des obigen Harzes ohne phenolischen Novolak-Härtungsbeschleuniger 74,1 Minuten. Unter Verwendung von 10 Gew.-^ Lösung des phenolischen Novolakes, speziell des BXRirf-2756 von Union Carbide, in der äußeren Schutzschiebt wurde die

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Gelierungszeit auf 8,4 Minuten verringert. Wurde anstelle des genannten phenolischen Beschleunigers der 'Beschleuniger EP-32210-14-3 der Ahland Chemical Co. eingesetzt, dann betrug die Gelierungszeit 3,5 Minuten.

Zusätzlich zu einer erhöhten Harzaufnahme von etwa 20 %_t wie oben gezeigt und zusätzlich zu der raschen Gelierungszeit, die eine · Haut über dem äußeren Teil des Stabes bildet und so das Herauslaufen des Harzes während des Härtens vermeidet, behalten die gemäß der vorliegenden Erfindung isolierten Leiterstäbe ihre erwünschten elektrischen Eigenschaften einschließlich des Verlustfaktors. Wurden 2 Schichten aus Glimmerpapierband halb überlappt (half lapped) auf eine gewundene Spule aufgebracht, wobei eine Schicht des halb überlappten unbehandelten Glasgewebeschutzstreifens, wie oben beschrieben, in Harz eingetaucht wurde und dies zweimal mit dem oben genannten Harz erfolgte_s woraufhin man härtete, dann betrug der Verlustfaktor bei 10 V pro O_sO25 mm 0₅83 und der Verlustfaktor bei 100 V pro 0,025 mm betrug 2_S63„ Wurde die Schicht des Schutzbandes, wie oben beschrieben, mit BXRW-2756-Katalysator hergestellt, dann betrug der Verlustfaktor bei 10 V pro 0,025 mm 0,82 und der Verlustfaktor bei 100 V pro 0,025 mm 2,42.

Durch die vorliegende Erfindung werden verbesserte elektrische Isolationen für Leiterstäbe geschaffen, indem durch eine einen

äußere

Härtungsbeschleuniger enthaltende/Schicht der Harzgehalt und die elektrische Isolatiortsfähigkeit der elektrischen Isolation erhöht wird.

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Claims

Patentansprüche

Elektrischer Leiter mit einer harzimprägnierten Isolation und einer äußeren Schutzschicht aus faserförmigem Material, welches mit einem Härtungsbeschleuniger für das Harz bedeckt ist.
2. Paserförmiges Schutzband nach Anspruch 1, geeignet für Harzimprägnierung, gekennzeichnet durch eine Beschichtung aus einem Härtungsbeschleuniger für das Harz auf den Fasern.
3. Faserförmiges Schutzband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Epoxyharz mit 1,2-Epoxygruppen und der Härtungsbeschleuniger ein phenolischer Novolak mit 4 bis 8 funktionellen Gruppen ist.
4. Verfahren zur Erleichterung der Härtung eines harzimprägnierten faserförmigen Bandes, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fasern des Bandes vor dem Imprägnieren mit Harz mit einem Härtungsbeschleuniger für das Harz bedeckt.

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