DE2426862C3 - Verfahren zur Herstellung von flammwidrigen Schichtpreßstoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von flammwidrigen Schichtpreßstoffen

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Description

Hexamethylentetramin in Mengen von 1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Imprägnierlösung, und
zwischen 15 und 35 Gew.-%, bezogen auf die Imprägnierlösung, Ester der Phosphorsäure mit aliphatischen Alkoholen oder Phenolen zusetzt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schichtpreßstoffen mit hoher ■Clammwidrigkeit und einer geringen Nachbrenndauer.
Die Herstellung von Schichtpreßstoffen ist an sich bekannt; sie erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß zuerst cellulosehaltiges Material mit Phenol- und/oder Kresolharzlösungen, die gegebenenfalls Weichmacher und/oder Flammschutzmittel enthalten, imprägniert wird. Das imprägnierte Material wird anschließend getrocknet, wobei das Harz weiterkondensiert. Daraufhin werden mehrere Lagen dieses weiterkondensierten Materials aufeinandergelegt und unter Anwendung von Hitze und Druck zu dem Schichtpreßstoff verpreßt; bei diesem Vorgang härtet das Harz aus.
Das cellulosehaltige Material ist bevorzugt Papier in Form von Bahnen oder Faserlagen. Das cellulosehaltige Material kann jedoch auch in Form von Vliesen vorliegen, es ist auch möglich, es teilweise durch Gewebe, Matten oder Papiere aus synthetischen Stoffen, die ebenfalls Fasern bilden können, oder durch Glasseide oder Glaswolle zu ersetzen. Beispiele für synthetische Stoffe sind Polyester oder Polyamide.
Wenn die Schichtpreßstoffe als Elektroisoiiermaterial, z. B. als Träger für gedruckte Schaltungen, verwendet werden sollen, werden einzelne Lagen mittels eines Heißklebers mit einer Metallfolie, vorzugsweise einer Kupferfolie, belegt. Die Herstellung eines solchen Verbundmaterials erfolgt im allgemeinen gleichzeitig mit dem Vorpressen unter Hitze und Druck.
Für die Anwendung von Schichtpreßstoffen, insbesondere von Hartpapier, in der Elektroindustrie, wie z. B. in Rundfunk- und Fernsehgeräten, ist es von besonderer Wichtigkeit, daß das Hartpapier gleichzeitig gute elektrische Isolationsfähigkeit, hohe mechanische Festigkeit und gute Verarbeitbarkeit zu gedruckten Schaltungen besitzt. Diese mechanischen und elektrischen Eigenschaften müssen folgende Forderungen im allgemeinen einhalten:
a) Isolationswiderstand nach 4 Tagen bei 40° C und 92% relativer Feuchte > 1010 Ω,
b) Biegefestigkeit bei 23°C gemäß DIN 7735 > HOOkp/cm2,
c) Stanzbarkeit bei 23°C gemäß DIN 53 488 Kennwert < 2,5.
Für viele Anwendungen soll das Hartpapier jedoch auch noch möglichst weitgehend flammwidrig sein. Die Prüfung auf Flammwidrigkeit erfolgt heute bei hochqualifizierten Hartpapieren gemäß den von den den Unis derwriter Laboratories, USA, ausgearbeiteten Prüfbestimmungen UL Subject 94, Paragraph 280 A-K. Die Prüfung wird dabei folgendermaßen durchgeführt:
Eine Probe von 12,7 mm Länge wird mit einjv Längsachse senkrecht so eingespannt, daß die Vorderkante 93 mm über der Spitze der Flamme eines Bunsenbrenners von 93 mm Durchmesser hängt. Der Brenner wird auf eine blaue Flamme von 19 mm eingestellt und für eine Dauer von 10 see zentrisch unter das untere Ende der Probe gehalten. Nach dem Entfernen der Flamme wird die Nachbrenn- oder Nachglimmdauer gemessen. Nach vollständigem Erlöschen wird die Probe ein zweites Mal unter den gleichen Bedingungen mit dem Bunsenbrenner beflammt. Auch die zweite Nachbrenn- bzw. Nachglimmdauer wird gemessen.
Die Beurteilung erfolgt nach drei Hauptklassen (SB, HB und V), wobei die Klasse SB die geringsten Anforderungen stellt und die Klasse V, die in die Unterklassen Vl und VO aufgeteilt ist, die höchsten Anforderungen stellt. Hartpapier, das der Klasse VO entspricht, muß im Mittel eine Nachbrenndauer von 5 see oder weniger besitzen, wobei der Maximalwert 10 see nicht überschreiten darf. Bei der Klasse Vl muß das Mittel der Nachbrenndauer < 25 see betragen, wobei der Maximalwert einer Prüfung 30 see nicht überschreiten darf.
Material, das den Bedingungen der Klasse Vl entspricht, bietet einen guten passiven Brandschutz für elektrische Geräte, bei denen im Störungsfall der Isolierstoff entzündet werden kann.
Die Brandklassen Vl und VO konnten jedoch bis jetzt nur durch Verwendung von Epoxidharzen, die mit Glasmatten oder Glasgeweben verstärkt sind, erhalten werden.
Diese mineralischen Verstärkungen bereiten jedoch Schwierigkeiten bei der mechanischen Verarbeitung, da sich daraus hergestellte Hartpapiere weniger gut stanzen lassen und einen höheren Werkzeugverschleiß bedingen.
Wenn Cellulosepapier als Verstärkungsmaterial verwendet wird, lassen sich auch Phenol- und/oder Kresolharze als Imprägniermittel verwenden; jedoch müssen diese durch den Zusatz von Flammschutzmitteln flammwidrig gemacht werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß sich nur wenige bekannte Flammschutzmittel für diesen Zweck eignen, weil die meisten bekannten Flammschutzmittel Nachteile in der Verarbeitung des Hartpapiers nach sich ziehen oder die elektrischen Eigenschaften verschlechtern.
Die zusätzliche Verwendung von Flammschutzmitteln, von denen sich Pentabromdiphenyläther und/oder andere Bromierungsprodukte des Diphenyläthers als besonders wirksam erwiesen haben, bringt aber den Nachteil mit sich, daß diese Produkte in einem gesonderten Arbeitsgang dem Harz oder dem Weichmacher
untergemischt werden müssen.
Ein weiterer Nachteil bei der Herstellung der bisher bekannten, hochwertigen Hartpapiere besteht darin, daß zur Erzielung der obengenannten guten mechanischen Verarbeitbarkeit das cellulosehaitige Material 5 bzw. das Verstärkungsmaterial einer Vor- und Nachimprägnierung unterzogen werden muß. Dabei wird zweckmäßigerweise für die Vorimprägnierung eine Kresolharz- und für die Nachimprägnierung eine Phenolresolharzlösung verwendet ι ο
Es wurde nun gefunden, daß man Hartpapiere der Klasse V-O erhalten kann, wenn man die Imprägnierung mit einer Phenolresolharzlösung durchführt, die 50 bis 80 Gew.-°/o eines ammoniakalisch kondensierten wäßrigen Phenolresolharzes mit einem Feststoffgehalt von 65 bis 80 Gew.-% und mit einer durch Gelchromatographie bestimmten Molekulargewichtsverteilung, die durch einen Anteil von 20 bis 26% an Dimeren, 6 bis 12% an Trimeren und Tetrameren und 24 bis 36% an Pentameren und G'igomeren, ausgedrückt in Flächen-Prozent, charakterisiert ist, Hexameihyfentetrarnin in Mengen von 1 bis 15 Gew.-% und Ester der Phosphorsäure mit aliphatischen Alkoholen oder Phenolen in Mengen zwischen 45 und 35 Gew.-%, bezogen auf die Imprägnierlösung, enthält
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt gegenüber den bisher bekannten Verfahren der Schichtstoffherstellung den weiteren Vorteil, daß die Aushärtezeit erheblich kurzer als bei den bisher angewendeten Verfahren ist Die Verkürzung der Aushärtezeit beträgt etwa 10 bis 30%, bezogen auf vergleichbare Herstellungsbedingungen der bisher bekannten Hartpapiere. Die Aushärtezeit liegt zwischen 30 und 90 min bei Anwendung einer Temperatur von 130 bis 1800C und einem Druck von 70 bis 180 kp/cm2.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Phenolresolharze sind an sich bekannte Produkte. Charakteristisch für die einzusetzenden Harze ist ihre Molekulargewichtsverteilung, die mit Hilfe der Gelchromatographie (GPC) bestimmt wird.
Die Ermittlung der GPC-Diagramme wird mit dem Gerät »Waters ALC 100« mit 6 Stück Styragel-Säulen (IG4. \03, 102. 60, 60 Ä) durchgeführt. Die Messungen erfoigten bei Raumtemperatur mit Tetrahydrofuran als Lösungsmittel.
Die GPC-Diagramme zeigen eine Reihe von sich teilweise überlagernden Einzelpeaks, denen auf Grunti von Eichmessungen Molekülsorten charakteristischer Größe zugeordnet werden können. Um die ungefähren Mengenverhältnisse der gefundenen Moieküisorien anzugeben, wurden die entsprechenden Peakgrößen aus den Diagrammen als Flächenprozent-Werte abgeschätzt.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Phenolresolharze dürfen die einzelnen Molekülsorten, die durch ihre Peaks gekennzeichnet sind, innerhalb der folgenden Anteile an Flächenprozenten enthalten:
Molekülgröße Ä
11 14
32-34
40-48
Flächenprozent
bevorzugt
15-2
17-22
6-14
7-13
5-10
6-9
2-6 3-5
20-26
21-24
2-12
7-11
22-36 23-25
Nach den Untersuchungen von M. Duval, B. Bloch und S. Kohn in Journal of Appl. Polym. Science, Vol. 16, S. 1585 bis 1602 (1972), sind die Peaks mit den Molekülgrößen 11 — 17,5 den monomeren Produkten (wobei der Peak bei 11Ä dem freien Phenol zukommt), der Peak bei 24 den dimeren Produkten, der bei 32—34 den trimeren und tetrameren Produkten zuzuordnen. Der Rest besteht aus pentameren und höheren oligomeren Phenolformaldehyd-Verbindungen.
Harze mit solcher Molgewichtsverteilung werden z. B. von der Firma Bakelite-Gesellschaft mbH, Letmathe, unter dem Handelsnamen VL 6514 N vertrieben. Weitere Kenndaten der einzusetzenden Harze sind die folgenden: Feststoff gehalt 65 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 70 bis 78 Gew.-%, Wasserverdünnbarkeit 1 :0,1 bis 0,3, Gehalt an freiem Phenol (bezogen auf die Lösung) 15 bis 24%, Gehalt an freiem Formaldehyd (bezogen auf die Lösung) 0,8 bis 2,0%, Gelierzeit bei 130°C (Blockmcthode) 10 bis 13 Minuten, Viskosität 500 bis 5000 cP, vorzugsweise 1500 bis 4000 cP.
Die Imprägnierlösung enthält weiterhin einen Weichmacher, der die obengenannte Flammwidrigkeit und eine gute Stanzbarkeit des Schichtpreßstoffes mit sich bringt. Der Anteil des Weichmachers in der Imprägnierlösung liegt zwischen 15 und 25 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Imprägnierlösung, wenn 94 V-I gewünscht wird und zwischen 25 und 35 Gew.-%, wenn Brandklasse 94 V-O gewünscht wird.
Die Alkoholkomponente des eingesetzten Phosphorsäureesters kann dabei entweder ein einwertiger Alkohol mit 4 bis 18 C-Atomen oder ein mehrwertiger Alkohol mit ebenfalls 4 bis 18 C-Atomen sein. Unter Phenolen sollen sowohl Phenol als auch die ·. erschiedenen Methylphenole und mehrwertige Phenole verstanden werden. Beispiele für solche Weichmacner sind folgende Verbindungen: Tributylphosphat, Tri-(2-äthy!hexyl)-phosphat, Triphenylphosphat, Trikresylphosphat oder Diphenyl-kresylphosphat
Die einzusetzende Phenolresolharzlösung kann auch in einem bekannten Lösungsmittel verdünnt eingesetzt werden. Die entstehende Lösung muß jedoch so gewählt werden, daß sie noch eine gute Imprägnierwirkung für das cellulosehaitige Material ergibt. Nach Möglichkeit soll die Menge eines solchen Lösungsmittels jedoch gering gehalten werden, weil es beim Trocknen wisder verdampft werden muß. Prinzipiell kann bei Verwendung der oben beschriebenen Harze auf die Verwendung eines organischen Lösungsmittels verzichtet werden. Die bisher eingesetzten Harze mußten jedoch unter Mitverwendung eines organischen Lösungsmittels zum Imprägnieren eingesetzt werden, wobei der Anteil des organischen Lösungsmittels an der Imprägnierlösung bis zu 45% betragen konnte. Hieraus ergibt sich ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Herstellung von Schichtpreßstoffen: Das Trocknen des imprägnierten Materials kann erheblich schneller erfolgen, und es sind keine — oder nur klein dimensionierte — Installationen für die Rückgewinnung des Lösungsmit-
65 tels nötig.
Die Herstellung der in der Tabelle genannten Schichtpreßstoffe erfolgte auf folgende Weise: Ein handelsübliches Phenolresolharz mit der angegebenen Mo-
lekulargewichtsverteilung und 75% Festharzgehalt wird mit einer 40gew.-%igen Aufschlämmung von Hexamethylentetramin in Wasser unter Rühren bei Raumtemperatur vermischt Anschließend werden der Weichmacher, Methanol als Lösungsmittel sowie gegebenenfalls das Flammschutzmittel untergemischt. Es entsteht eine klare Lösung, die in dieser Form als Imprägnierlösung verwendet wird.
Diese Imprägnierlösung hat ein so gutes Imprägnierverhalten, da3 selbst schweres Cellulosepapier von z. B. 180g/qm innerhalb vertretbarer Tränkzeiten gut penetriert wird. Das Imprägnierverhalten ist so günstig, daß eine einmalige Imprägnierung genügt, um eine nur geringe Wasseraufnahmefähigkeit (< 44 mg nach 24 Stunden Lagerung in Wasser von 23°C nach DIN 7735) und eine Konstanz der dielektrischen Werte bei Feuchtlagerung des fertigen Schichtstoffes zu erhalten.
In diese Imprägnierlösung wird Natronkraftpapier (180 g/cm2) getaucht. Die Tauchzeit beträgt etwa 30 Sekunden. Die Imprägnierung kann auch durch Beschichten, Aufrakeln oder andere an sich bekannte Verfahren erfolgen. Daraufhin wird das imprägnierte Papier in einem Ofen bei Temperaturen von etwa 17&' C getrocknet und vorkondensiert. Am Auslauf der Imprägniermaschine wird das erhaltene Material zu Bögen geschnitten. Die Bögen haben einen Harzauftrag von 120% Fesiharz-Substanz auf 100% Papier-Substanz. Je sechs dieser Bögen werden zusammengelegt und unter einer Heizpresse 60 Minuten lang unter einem Druck von 100 kp/cm2 auf 165° C erhitzt. Die erhaltenen Laminate hatten eine Nenndicke von 13 mm.
Tabelle
Die Eigenschaften dieser Laminate sind in der Tabelle aufgeführt. Die Beispiele 1 und 3 sind erfindungsgemäße Laminate, während das Beispiel 2 ein Vergleichsprodukt ohne Zusatz von Hexamethylentetramin ist Dieser Vergleich, hauptsächlich zu Beispiel 1, zeigt, daß durch den Zusatz des Hexamethylentetramins die Nachbrenndauer erheblich reduziert werden konnte bei nahezu gleichbleibenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften.
Das Vergleichsbeispiel 2 zeigt weiterhin, daß die erfindungsgemäße Verfahrensweise eine erheblich höhere Imprägnierleistung ergibt und daß die Schadstoffmenge an FestteiJen erheblich niedriger ist Diese Schadstoffmenge ist die Menge an Festteilchen, die während des Imprägnierens oder des Trocknens in die Abluft immittiert werden. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist demzufolge auch erheblich umweltfreundlicher oder beansprucht kleinere Apparaturen für das Abfangen und/oder Nachverbrennen der Schadstoffe.
Das Beispiel 4 ist ebenfalls ein Vergleichsbeispiel, das unter Verwendung eines Gemiscvss aus Phenolresolharz und Kresolresolharz nach an sich -;ekanntem Doppelimprägnierverfahren hergestellt wurde. Trotz seines hohen Gehaltes an Flammschutzmitteln erfüllt es nicht die Bedingung der Brandschutzklasse V-I.
Wesin aus Gründen der Stanzbarkeit ein Weichmachergehalt von 15 bis 25 Gew.-% eingesetzt wird und im Endprodukt dennoch die Brandklasse V-O gewünscht wird, kann dies durch einen geringen Zusatz von bekannten Flammschutzmitteln bewirkt werden. Das Beispiel 3 dient zur Demonstrierung dieses Sachverhaltes.
Norm
Einheit Beispiel! Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4
Flammklasse
Nachbrenndauer
Isolationswiderstand
Wasseraufnahme
BiegefestigKeit quer
Stanzbarkeit 60° C
Pentabromdiphenyläther
Hexamethylentetramin
Phenolresolharz
(Feststoffgehalt)
Kresolresoiharz
Trikresylphosphat
Methanol
Wasser
N atronkraf tpapier (180 g/cm2)
Imprägnierleistung
Schadstoh'menge Festteile
Schadstoffmenge Lösemittel
Härtzeit
UL Subject 94 — 94 V-O 94 V-I 94 V-O 94HB
UL Subject 94 sec 1-8 5-22 2-9 10-50
DIN 7735 10'°Ω 27 25 24 23
DIN 7735 mg 23 24 25 24
DIN 7735 kp/qcm 1350 1350 1420 1300
DIN 53488 Kennwert 2,0 2,0 2,5 2,0
GT 0 0 5 10
GT 10 0 10 0
GT 60 70 65 24
GT 0 0 0 46
GT 30 30 20 30
GT 5 5 5 100
GT 25 25 25 0
GT 80 80 80 80
kg/Std. 180 100 180 100
kg/Std. 6 10 6 10
kg/S»d. 5 5 5 100
min 60 75 60 80
(GT = Gewichtsteile)

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von flammwidrigen Schichtpreßstoffen durch Imprägnieren von cellulosehaltigen! Material mit einer Lösung, die zu 50 bis 80 Gew.-°/o ein ammoniakalisch kondensiertes wäßriges Phenolresolharz mit einem Feststoffgehalt von 65 bis 80 Gew.-% und folgender durch Gelchromatographie bestimmter Molekulargewichtsverteilung (ausgedrückt in Flächenprozent): Dimere 20 bis 26°/o,Tri- und Tetramere 6 bis 12%, Penta- und OH-gomere 24 bis 36%, Weichmacher und gegebenenfalls Flammschutzmittel enthält, anschließendem Trocknen des imprägnierten Materials unter Vorkondensation des Harzes und darauffolgender Aushärtung von aufeinandergelegten Lagen dieses imprägnierten und vorkondensierten Materials unter Anwendung von Hitze und Druck, dadurch gekennzeichnet, daß man
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8281 Inventor (new situation)

Free format text: FRANZ, ARNOLD KOEPNICK, SIEGFRIED, 5210 TROISDORF, DE

C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: HUELS TROISDORF AG, 5210 TROISDORF, DE