DE2428860C3 - Elektrisches Isoliermaterial - Google Patents
Elektrisches IsoliermaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Isoliermaterial aus einem porösen Hochpolymer, das ein elektrisch
isolierendes Material enthält, mit dem Poren in dem Polymer gefüllt sind.
Als Isolatoren mit hoher elektrischer Isolationsleistung für Kabel, Widerstände und andere Einsatzzwekke
wird häufig ein mit Isolatoröl imprägniertes Cellulosepapier verwendet. Zum Ersatz für dieses
Isolatormaterial sind in Reihe von Isolationsmaterialien mit niedrigem dielektrischem Verlust und hoher
dielektrischer Spannungsfestigkeit bekannt geworden. Einer der bekannten Isolatoren ist eine mit Isolatoröl
getränkte Polymerisatfolie. Der Nachteil dieser Folie liegt darin, daß es außerordentlich schwierig ist, das
Folienlaminat mit dem Isolatoröl zu tränken. Durch die beim Tränken im Öl auftretenden mechanischen
Spannungen an der Polymerisatfolie bilden sich in dieser leicht Risse aus. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist
versucht worden, die Kunststoffolie auf derbem kräftigem Papier zu laminieren.
Diese Laminate weisen jedoch nicht mehr die günstigen, außerordentlich niedrigen dielektrischen
Verlustwerte der nichtlaminierten Kunststoffolie auf. Weiterhin wurden zu dem genannten Zweck eine
Vielzahl synthetischer Papiere vorgeschlagen und geprüft. Es hat sich jedoch gezeigt, daß keines der
bekannten Isolationsmaterialien das herkömmliche, mit Isolationsöl getränkte Cellulosepapier hinsichtlich seiner
ausgezeichneten Verlusteigenschaften und seiner ausgesprochen hohen dielektrischen Spannungsfestigkeit
übertrifft.
Entsprechende Versuche und Fehlschläge sind auch aus anderen Gebieten der Technik bekannt Für die
Herstellung von Klebstoffbändern, schmiermittelgetränkten Folien oder feuchtigkeitsunduichlässigem
atmendem Verpackungsmaterial ist es beispielsweise noch nicht gelungen, klassische Cellulosepapiere zu
ersetzen. Versuche mit synthetischen Papieren haben nicht zum gewünschten Erfolg geführt.
Aus der DE-OS 22 17 795 ist eine dielektrische Isolierfolie, bestehend aus einer mit einer dielektrischen
ίο Flüssigkeit imprägnierten, wärmegeschrumpften, offenzelligen
mikroporösen Polymerfolie mit bestimmten Parametern, bekannt, nichts aber über deren Durchschlagfestigkeiten.
In Anbetracht dieses Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches
Isoliermaterial zu schaffen, das die bekannten getränkten oder imprägnierten Kombinationsstrukturen auf
Cellulosepapierbasis unter Beibehaltung oder Verbesserung der charakteristischen Kenndaten ersetzen kann,
insbesondere die mit Isolationsöl getränkten Isolatormaterialien durch ein Polymerisatmaterial zu ersetzen,
das mindestens die gleiche dielektrische Spannungsfestigkeit und die gleich geringen dielektrischen Verluste
wie das herkömmliche Material aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das elektrische Isoliermaterial der eingangs genannten Art
gelöst, das sich durch ein biaxial ausgerichtetes poröses Hochpolymer-Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl
abgeflachter Mikroporen, die in Schichten oder
3d schichtartig übereinanderliegend das gesamte Material
durchziehen, auszeichnet.
Der Erfindung liegt die unerwartete und überraschende Feststellung der Beziehung zwischen den Eigenschaften
des mit dem elektrisch isolierenden Material
si getränkten porösen Kunststoffmaterials und der geometrischen
Struktur der Mikroporen im porösen Kunststoff zugrunde. So ist beispielsweise die dielektrische
Durchschlagfestigkeit eines mit Isolatoröl getränkten porösen Kunststoffs von der Art der Herstellung des
porösen Kunststoffs und der Art der dadurch hergestellten Porenstruktur abhängig. Eine mit Isolatoröl
getränkte poröse Polymerisatstruktur mit einer ganz bestimmten vorgegebenen Ausbildung und Anordnung
der Mikroporen, nämlich der Anordnung und Ausbildung, wie sie erfindungsgemäß beansprucht werden,
weist beispielsweise eine vollkommen unerwartet hohe dielektrische Spannungsfestigkeit auf. Diese Grundlage
der Erfindung ist deshalb so überraschend, da die Porengeometrie und Porenverteilung der Erfindung von
w der in herkömmlichen Cellulosepapieren vorliegenden
Struktur wesentlich abweicht. In den Cellulosepapieren sind Fasern der unterschiedlichsten geometrischen
Abmessungen in komplizierter statistischer Weise miteinander verbunden und überkreuzt, wobei ein
« Maximum der Dichteverteilung der Faserüberschneidungen
in Richtung der Schichtdicke des Papiers gesehen in einer Mittelebene liegt, während die Dichte
der Überschneidungspunkte der Fasern in Richtung auf beide Hauptoberflächen des Papiers kontinuierlich
Wi abnimmt. Eine solche Struktur wurde aufgrund der
experimentellen Erfahrungen vom Fachmann bislang als optimal angesehen. Im Gegensatz dazu entspricht
die Struktur des porösen Materials der Erfindung mehr der Struktur eines Laminats aus sehr vielen außerorts
dentlich dünnen porösen Folien mit im wesentlichen konstanter Leerraumdichteverteilung in Richtung der
Schichtdicke des in der Regel bahnförmig oder folienförmig ausgebildeten Materials der Erfindung.
Hervorragendes Isotiermaterial wird erhalten, wenn
die solcherart ausgebildete Kunststoffstruktur der Erfindung unter Ausfüllung der abgeflachten, lagenartigen
Mikroporen mit einem elektrisch isolierenden Material getränkt wird. Als Dielektrikum können dabei >
gasförmige, flüssige oder feinpuJvrige Dielektrika eingesetzt werden. Neben dielektrischen Gasen werden
insbesondere verflüssigte Gase und Wachse bevorzugt Der mit dielektrischen Gasen, dielektrischtn verflüssigten
Gasen oder dielektrischen Wachsen hergestellte κι elektrisch; Isolator weist eint dielektrische Spannungsfestigkeit auf, die derjenigen eines mit Isolatoröl
getränkten porösen Materials zumindest entspricht, in der Regel aber weit überlegen ist
Die Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit den ι >
Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Beispiel des porösen Isoliermaterials der Erfindung,
F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispitl des porösen
Isoliermaterials der Erfindung,
Fig.3 eine elektronenmikroskopische Mikrophotographie
der Oberfläche eines Isoliermaterials der Erfindung und
Fig.4 eine elektronenmikroskopische Mikrophoto- r>
graphie eines Querschnitts durch ein solches Isoliermaterial.
Die in den Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung
gezeigten Ausführungsbeispiele der Struktur der Erfindung zeigen die dünnen Polymerisatlagen 1 bzw. Γ, «1
zwischen denen die stark abgeflachten, ebenfall? fast lagenartig ausgebildeten Mikroporen 3 und 3' liegen.
Die einzelnen Mikroporen sind untereinander und durch die Oberfläche hindurch mit der Umgebung durch
Öffnungen oder Kanäle 2 bzw. 2' verbunden. Über ihre r> Seitenflächenbereiche oder Kantenbereiche 4 bzw. 4'
sind die übereinanderliegenden dünnen Polymerisatlagen oder Polymerisatfilme fest und einstückig miteinander
verbunden.
Strukturen der beschriebenen Art werden erhalten, wenn man Polymerisate durch Strecken unter bestimmten
Bedingungen bleibend ausrichtet. Zur Herstellung der porösen Kunststoffstrukturen werden zwei Verfahren
bevorzugt, jedoch ist der Erfindungsgegenstand nicht auf nach diesen beiden Herstellungsverfahren 4>
erhaltenes Isoliermaterial beschränkt, da sich der Erfindungsgedanke in der Struktur und ihrer Anwendung
selbst manifestiert:
(1) Der Kunststoff wird durch Schmelzextrusion oder >o
Vergießen aus der Schmelze oder ein anderes Verfahren ausgeformt. Durch geeignete Mittel
wird eine feine Phasentrennung herbeigeführt, vorbereitet oder eingeleitet. Dieser Kunststoff wird
dann bei relativ niedriger Temperatur in der Weise v> kräftig gestreckt, daß der Kunststoff durch das
Verformen wolkig wird. Dadurch wird, gegebenenfalls unter Zusatz an sich bekannter Hilfsmittel, eine
außerordentlich feine Phasentrennung unter Bildung der Struktur der gewünschten Art erzeugt. w>
(2) Der Kunststoff wird ·■ l'...t zuvor beschriebenen
Weise extrudiert, gegossen, geblasen oder anderweitig verformt und bei relativ niedriger Temperatur
kräftig mit einem relativ niedrigen Streckverhältnis gestreckt. Dabei wird eine Folie mit feinen «>5
Rissen erhalten. Diese Folie wird anschließend auf eine Temperatur erwärmt, bei der sie leicht unter
einer nicht allzu hohen Zugspannung gestreckt werden kann. Bei dieser Temperatur wird die Folie
nach zwei Richtungen verstreckt.
Die in F i g. 1 schematisch gezeigte Struktur der Erfindung wird durch das Verfahren (2) erhalten,
während die in F i g. 2 gezeigte Struktur der Erfindung durch das zuvor beschriebene Verfahren (1) erhallen
wird. In diesen Strukturen weist der Kunststoff eine ebene Ausrichtung auf. Diese An der planaren
Orientierung ist das Ergebnis einer Kombination der beispielsweise durch die Schmelzextrusion verursachten
Ausrichtung oder durch das Vergießen der Schmelze verursachten Ausrichtung mit der durch das Strecken
verursachten bzw. erzeugten Ausrichtung. Die stark abgeflachten Poren sind angenähert ebenenparallel
zueinander in Dickenrichtung aufeinanderfolgend angeordnet Die diese Poren miteinander verbindenden
Kanäle sind Spuren sowohl eines Interphasen- als auch eines Intraphasenmikrobruches, der beim Strecken
eines Polymerisats auftritt, in dem eine Phasentrennung bzw. eine Mikrophasentrennung stattgefunden hat.
In den porösen Kunststoffstrukturen der Erfindung haben die einzelnen dünnen Polymerisatlagen oder
Polymerisatlamellen eine Dicke von etwa 50 μπι oder
weniger. Die Dicke der einzelnen abgeflachten Poren beträgt etwa 10 μπι oder weniger. Der mittlere
Durchmesser der abgeflachten Poren beträgt in der Hauptebene etwa 100 μΐη oder weniger. Die Fläche der
Verbindungskanäle oder Verbindungslöcher oder Verbindungsrisse in den dünnen Polymerisatlamellen
beträgt etwa 50% oder weniger der Fläche der Lamelle. Die Porosität des porösen Polymerisats liegt im Bereich
von 5 — 80%. Die zuvor genannten Grenzwerte können in einfacher Weise durch die Wahl des Materials und der
speziellen Herstellungsbedingungen des porösen Polymerisats eingestellt werden.
Als Polymerisat können an sich bekannte herkömmliche Thermoplaste verwendet werden, vorzugsweise die
folgenden: Polyolefine, wie beispielsweise Polyäthylen oder Polypropylen; Polyester, wie beispielsweise Polyethylenterephthalat
oder Polyäthylennaphthalat; Polyamide, wie beispielsweise Polyamid-6 oder Polyamid-12;
Polyvinylverbindungen, wie beispielsweise Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid oder Polyvinylalkohol; Polyvinylidenhalogenide,
wie beispielsweise Polyvinylidenchlorid oder Polyvinylidenfluorid; Polystyrol; Polycarbonate
oder Polysulfone sowie Copolymerisate der Monomeren, aus denen diese Polymerisate herstellbar
sind, mit einem oder mehreren anderen Monomeren.
Die genannten Homopolymerisate und Copolymerisate können einzeln oder in Kombination zu zweien
oder mehreren, auch im Gemisch mit verschiedenen Kautschukarten, Füllstoffen und bzw. oder Additiven,
verwendet werden.
Die beschriebene poröse Kunststoffstruktur dient der Herstellung von Isoliermaterial zu elektrischen Zwekken.
Dazu werden die Poren der Kunststoffstruktur mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt. Als
Isolierendes Material kann dabei praktisch jedes Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand
von 1 χ 1013 Ohm-cm oder darüber bei der
jeweiligen Einsatztemperatur des porösen Isoliermaterials verwendet werden. Das verwendete isolierende
Material darf lediglich den porösen Kunststoff nicht lösen oder anderweitig nachteilig angreifen.
Vorzugsweise werden folgende isolierende Stoffe verwendet: gasförmige Dielektrika, wie beispielsweise
Schwefelhexafluorid oder die Freone; verschiedene
Mineralöle; synthetische Öle, wie beispielsweise Alkylbenzole oder Polyisobutylen; verschiedene Wachse;
thermisch härtbare Harze, die nach Imprägnierverfahren in die poröse Kunststoffstruktur eingebracht
werden können, beispielsweise Epoxidharze oder r, ungesättigte Polyesterharze; verflüssigte Gase, wie
beispielsweise ilüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium.
Zur Herstellung von Klebmaterial können die Poren des Kunststoffs mit Klebstoffzusammensetzungen gefüllt
werden, beispielsweise mit Naturkautschuk und in bzw. oder synthetischem Kautschuk, vorzugsweise im
Gemisch mit Naturharzen, mit Naturharzderivaten, Kohlenwasserstoffharzen oder anderen an sich bekannten
Klebstoffmischungen.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung wird darin gesehen, wenn die Kiebstotfmischungen, mit
denen die poröse Kunststoffslruktur getränkt ist, den genannten Isolationsbedingungen genügen. Es werden
dabei selbstklebende Isolationsbänder oder -folien erhalten.
Zum Füllen des porösen Materials mit den elektrisch isolierenden Substanzen können an sich bekannte
Verfahren zum Imprägnieren angewendet werden. Dabei kann sich der elektrisch isolierende Stoff selbst im
flüssigen Zustand befinden oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst vorliegen. Daneben kann jedoch
auch statt der Imprägnierverfahren ein einstufiges Verfahren angewendet werden, bei dem beispielsweise
das zur Herstellung des porösen Polymerisats verwendete Material mit einem elektrisch isolierenden Stoff jo
gemischt und in einem einzigen Arbeitsgang 2U der porösen Polymerisatstruktur verarbeitet wird, die in
ihren Poren das isolierende Material eingeschlossen enthält.
Das poröse Kunststoffisolationsmaterial der Erfin- r> dung zeigt eine dielektrische Durchschlagfestigkeit, die
der Durchschlagfestigkeit von Isolationspapieren auf der Basis herkömmlicher Cellulosepapiere mit gleicher
Porosität zumindest vergleichbar, in der Regel überlegen ist. Das Kunststoffmaterial weist zusätzlich
gegenüber dem herkömmlichen Cellulosematerial eine deutlich überlegene Impulsfestigkeit auf.
100 Gewichtsteile eines isotaktischen Polypropylens und 20 Gew.-Teile eines Polyäthylens geringer Dichte
werden in der Schmelze miteinander vermischt und durch eine Matrize mit flacher öffnung ausgeformt. Die
erhaltene Folie wird in einer Richtung bei Raumtemperatur auf das l,2fache ihrer ursprünglichen Länge
gestreckt. Anschließend wird unter Spannung auf 1400C erwärmt. Bei 140°C wird biaxial verstreckt, so daß die
durch das Verstrecken erhaltene Fläche das 3 χ 3fache der ursprünglichen Länge beträgt. Die dabei erhaltene
Folie ist porös. Rasterelektronenmikroskopische Mikrophotographien sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt. In
der Fig.3 ist eine Oberflächenaufnahme und in der F i g. 4 ein Schnitt schräg zur Dicke der Folie gezeigt.
Die mittlere Dicke der Folie beträgt 25 μιτι.
Ein Stapel von zehn der so erhaltenen Folien wird zwischen zwei kreisrunde flache Elektroden gelegt. Die
Elektroden haben einen Durchmesser von 30 mm. Anschließend wird mit einem Mineralöl unter Vakuum
imprägniert. Die erhaltene poröse Polymerisatstruktur wird auf ihre dielektrische Spannungsfestigkeit untersucht.
Die Impulsfestigkeit der Struktur beträgt 250 V/μΐη. Die kurzfristige Durchschlagfestigkeit im
Wechselfeld beträgt 150 V/μΐτι. Im Wechselfeld liegt die
Durchlagfestigkeit am Rand der V-T-Kennlinie bei 70 ν/μπι.
Beispiele 2-8
In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise werden aus verschiedenen Kunststoffen weitere poröse Polymerisatstrukturen
hergestellt und vermessen. Das Beispiel 8 ist ein Vergleichsbeispiel und gibt die Werte für ein
herkömmliches Kabelisolationspapier nach dem Stand der Technik wieder. Die erhaltenen Ergebnisse sind in
der Tabelle I zusammengefaßt Die in der Tabelle angegebenen Herstellungsverfahren (1) bzw. (2) sind die
zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren.
Beisp.
Nr. |
Strukturpolymerisat | (Gew.- Teile) |
Herstel
lungs verfahren |
Isolatormaterial |
lmpuls-
durclv schlag festigkeit (V/μΐη) |
Kurzzeit-
Wechselfeld- durchschlag- festigkeit (V/μιη) |
2 | Polystyrol Polyäthylen geringer Dichte |
100
100 |
0) | Mineralöl | 250 | 195 |
3 | Polystyrol Polyäthylen geringer Dichte |
100 50 |
(2) | SF6 | 200 | 160 |
4 | Isotaktisches Polypropylen Äthylen-Propylen-Copolymerisat |
100 5 |
(1) | Alkylbenzol | 250 | 200 |
5 | hochdichtes Polyäthylen Äthylen-Vinyiacetat- Copolymerisat |
100 10 |
(2) | flüssiges N2 | 200 | 160 |
6 | Polycarbonat Styrol-Butadien-Copolymerisat |
100 20 |
0) | Mineralöl | 190 | 150 |
7 | Polysulfon Polystyrol |
100 10 |
(2) | Paraffinwachs F. 95°C |
350 | 250 |
8 | Kabelisolationspapier | - - | Mineralöl | 140 | 70 | |
Hierzu 2 Blatt | Zeichnungen |
Claims (7)
1. Elektrisches Isoliermaterial aus einem porösen Hochpolymer, das ein elektrisch isolierendes Material
enthält, mit dem Poren in dem Polymer gefüllt sind, gekennzeichnet durch ein biaxial
ausgerichtetes poröses Hochpolymer-Kunststoffmaterial mit einer Vielzahl abgeflachter Mikroporen,
die in Schichten oder schichtartig übereinanderliegend das gesamte Material durchziehen.
2. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch ein gasförmiges Dielektrikum als elektrisch isolierendes Material.
3. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Isolatoröl als elektrisch isolierendes
Material.
4. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Isolationswachs als elektrisch isolierendes
Material.
5. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein verflüssigtes, elektrisch isolierendes
Gas als elektrisch isolierendes Material.
6. Isoliermaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein thermisch härtbares Harz als elektrisch
isolierendes Material.
7. Isoliermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpolymere
ein Polyolefin, ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyvinylhalogenid, ein Polyvinylalkohol, ein Polyvinylidenhalogenid,
ein Polystyrol, ein Polycarbonat und bzw. oder ein Polysulfon ist.
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