DE3008264C2

DE3008264C2 - Dauerelastischer dielektrischer Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder, sowie seine Verwendung in Feldsteuerungselementen

Info

Publication number: DE3008264C2
Application number: DE19803008264
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing.(grad.) 2000 Hamburg Kehr; Manfred Ing.(grad.) 2153 Neu Wulmstorf Viebranz
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1980-03-04
Filing date: 1980-03-04
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE3008264A1; CA1145926A

Description

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: Die Erfindung betrifft einen dauerelastischen dielektrischen Werkstoff zur Beeinflussung elektrischer Felder in Starkstrom- und Hochspannungsanlagen, enthaltend ein dielektrisches dauerelastisches Aus- _M gangsmaterial, insbesondere auf Basis von Silikonkautschuk oder Polyäthylen ode·. EPDM CEthylen-Propylen-Mischpoiymerisat), mit einem die relative Dieiektrizitätszahl erhöhenden Gehalt eines fein verteilten Wirkmaterials.

Eine Darstellung des allgemeinen Standes der Technik bezüglich Feldsteuerung findet sich z. B. in der DE-OS 28 21 017.

Werkstoffe der oben angegebenen Art sind beispielsweise aus der US-PS 40 53 702 bekannt. Sie enthalten 3,, als Wirkmaterial Titandioxid. Dieser bekannte Werkstoff ermöglicht unter anderem die Herstellung von dauerelastischen Feldsteuerungselementen bestimmter geometrischer Gestalt, die am Einsatzort — meist Kabelgarnituren - eintach elastisch nachgebend aufgeschoben werden können. Sie sitzen dann infolge ihrer Elastizität spaltfrei auf. Dieser feste und spielfreie Sitz bleibt infolge der dauerelastischen Eigenschaften über sehr lange Zeiträume, beispielsweise viele Jahre enthalten, insbesondere auch über die übliche Lebensdauer starkstromtechnischer Anlagen. Das Anbringen solcher dauerelastischen Feldsteuerungselemente erfordert weniger Fachkenntnisse und Geschicklichkeit als das Anbringen anderer Feldsteuerungseinrichtungen wie z. B. das Montieren metallischer Feldsteuerungstrichter, das spaltfreie Herumwickeln von Bändern aus feldsteuerndem Material, das Vergießen oder Modellieren und anschließende Härten von fließfähigen bzw. formbaren Massen mit feldsteuernden Eigenschaften am F.insatzort. usw. Werkstoffe der eingangs beschriebenen Art haben somit ^;n der Technik der Feldsteuerung bei Starkstrom- und Hochspannungsanlagen einen beträchtlichen Fortschritt ermöglicht. Die eingangs beschriebenen Werkstoffe wirken zusammen mit Kabelisolierstoffen niedrigerer Dielektrizitätszahl auf elektrische Felder im Sinne einer Refraktion ein. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß für die Herstellung feldstciiernder Einrichtungen auch andere Werkstoffe bekannt sind, die in der Hauptsache resistiv wirken; sie enthalten elektrisch leitende oder halbleiten- w de Wirkmaterialien, die dem Werkstoff eine gewünschte (meist spannungsabhängige) elektrische Leitfähigkeit verleihen (US-PS 36 73 305, US-PS 36 66 876). Dabei ist durch die Einlagerung der Teilchen aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Wirkmaterial auch die relative Dielektrizitätszahl erhöht; sie kann z. B. bis 11 betragen (US-PS 36 06 876). Bei elastischen Werkstoffen mit resistiver Feldsteuerung kann jedoch der funktionsbedingt ständig fließende Wirkstrom allmählich Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit und ein vorzeitiges Altern des Werkstoffs hervorrufen. Es sind deshalb für dauerelastische Werkstoffe ande.-e Wirkungsweisen vorzuziehen, insbesondere die refraktive Wirkungsweise, die auch bei dem Werkstoff gemäß drr voHiegenden Erfindung vorliegt. Es versieht sich, daß dafür eine verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätszahl des Werkstoffs gewünscht wird. Es ist deshalb naheliegend, als Wirkmaterial für Werkstoffe mit refraktiver Feldsteuerwirkung Stoffe mit möglichst hoher relativer Dielektnzitätszahl zu verwenden, beispielsweise das schon erwähnte Titandioxid, aber auch anders bekannte Stoffe sehr hoher relativer Dielektrizitätszahl, beispielsweise Bariumtitanat. Die Verwendung derartiger Werkstoffe als Wirkmaterial für refraktiv feldsteuernde Werkstoffe ist seit langem bekannt, wobei freilich der Forderung nach Dauerelastizität keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet wurde (US-PS 36 73 305. US-PS 38 23 334. US-PS 32 87 489). Es hat sk-'h dabei jedoch gezeigt, daß auch bei Verwendung von Wirkmaterialien ^iiir hoher relativer Dielektrizitätszahl. z. B. Bariumtitanat mit relativen Dielektrizitätszahlen ε_Γ« 10 000, die relative Dielektrizitätszahl des Werkstoffs nicht über etwa 25 getrieben werden kann, wenn der Werkstoff die dauerelastischen Eigenschaften des verwendeten Ausgangsmaterials behalten soll. Der Grund dafür liegt darin, daß in derartigen Substanzgemischen die Dielektrizitätszahl Er_m„ des Gemischs sich nicht nach einer additiven, sondern nach einer Ioganthmischen Mischungsformel aus den Dielaktrizitätszahlen e_m der Mischungsbestandteile errechnet:

worin X_n der Volumeiianteil und t_ra die relative Dielektrizitätszahl des Bestandteils η sind. 3o zeigt diese Formel speziell, daß man bei einem Werkstoff aus 2 Bestandteilen, nämlich

Bestandteil 1: Elastomeres Ausgangsmatenal Bestandteil 2:

Bariumtitanat mit £r« 10 000,

einen Anteil von etwa 35 Volumen-% oder ca. 75 Gew.-°/o (Dichte des Bariumtitanats etwa 5,96g/cm^J, Dichte des Silikongummis etwa 123 g/cm³) Bariumtit?- nat verwenden müßte, u.n eine relative Dielektrizitäts-Zf hl /O;i etwa 50 des Werkstoffs zu erhalten. Bei derartig hohen Anteilen des Wirkmaterials sind jedoch die elastischen Eigenschaften des Werkstoff.) unzureichend, um daraus praktisch brauchbare dauerelastische, spaltfrei aufsitzende Feldsteuerungselemente herstellen zu können. Sowohl die Elastizität selbst als auch die zeitliche Beständigkeit einer einmal in dem Werkstoff hergestellten elastischen Spannung (die sogenannte Dauer-Rückstellkraft) sind ungenügend. Allgemein galt für den Stand der Technik (z. B. US-PS 40 53 702), daß man dauerelastische Werkstoffe der eingangs angegebenen An pur bis zi¹ relativen Dielektrizitätszahlen bis zu etwa 25 herstellen konnte, selbst wenn man die bekannten Wirkmaterialien mit sehr hohen relativen

Dielektrizitätszahlen verwendete.

Dabei ist die Dauerelastizität von dielektrischen Werkstoffen für die technische Praxis nur dann sicher einzugrenzen, wenn Prüfergebnisse des Druckverformungs-Restes nach DlN 53 517 auch nach einer beschleunigenden Alterung von 7:2 Stunden bei 150° C immer unter 35% liegen und die Shore-A-Härte nach DIN 53 505 kleiner als 65 ist. Werden diese Festlegungen für dauerelastische Werkstoffe überschritten, so ist keine Gewähr für eine ausreichende Dauerelastizität gegeben.

Alle bekanntgemachten Problernlösungen, bei denen Werkstoffe eine höhere relative Dielektrizitätszahl als 25 aufweisen, erfüllten nicht das wichtige Kriterium der Dauerelastizität.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen für hochwirksame refraktive Feldsteuerung in Starkstrom- und Hochspannungsanlagen geeigneten dielektrischen Hanerelastixchen Werkstoff anzugeben.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem Werkstoff der eingangs angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er als Wirkmaterial stark strukturierte staubfeine Teilchen eines elektrisch polarisationsfähigen Materials in einem Massengehalt von bis zu etwa 350 g pro kg Ausgangsmaterial und einen die Feldverteilung und dadurch die Spannungsfestigkeit bei für Stoßwellen typischen hohen Frequenzen verbessernden Gehalt eines Zusatz-Wirkmaterials in Form fein verteilter metallisch leidender Teilchen enthält, derart, daß die relative Dielektrizitätszahl bei üblichen Netzfrequenzen wie beispielsweise 50 Hz wesentlich mehr als 30, bis zu etwa 300, und bei Hochfrequenz (z. B. 10⁵ Hz) noch mindestens etwa 20 beträgt.

Der erfindungsgemäße Werkstoff nutzt die Tatsache aus, daß man bei Wirkmaterialien wie Ruß. die stark strukturierte oder zerklüftete staubfeine polarisationsfähige Teilchen aufweisen, einen verhältnismäßig engen Bereich mittlerer Massengehalte im Ausgangsmaterial finden kann, in dem noch keine störende elektrische Leitfähigkeit, aber eine verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätszahl bei noch voll zufriedenstellenden dauerelastischen Eigenschaften gegeben ist, und daß dabei durch das metallisch leitende Zusatz-Wirkmaterial die für Starkstrom- und Hochspannungsanlagen geforderte Stoßspar.nungsfestigkeit sichergestellt werden kann. Es ist überraschend, daß auf diese Weise doch dauerelastische Isolierstoffe hergestellt werden können, die wesentlich höhere relative Dielektrizitätszahlen aufweisen als es bisher bei Verwendung bekannter Wirkmaterialien mh einer eigenen sehr hohen relativen Dielektrizitätszahl möglich war, und die für Starkstrom- und Hochspannungsanlagen geforderte Stoßspannungsfestigkeit aufweisen.

Es ist zwar bekannt daß die relative Dielektrizitätszahl eines Isolierstoffs durch Einbau fein verteilter Teilchen aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Material erhöht werden kann, wobei zu hohe Massengehalte solcher Teilchen vermieden werden müssen, weil sie dem Werkstoff eine zu hohe, für die Verwendung als Isoliermaterial ungeeignete spezifische elektrische Leitfähigkeit verleihen, doch wurde dazu angegeben, daß durch Zusatz von fein verteiltem Titandioxid oder Ruß die relative Dielektrizitätszahl von natürlichem oder synthetischem Gummi auf Werte von 10 bis etwa 25 angehoben werden könne, und daß man zweckmäßigerweise Titandioxid zu verwenden habe, weil dieses Material geringere nachteilige Auswirkungen auf die Durchschlagfestigkeit und den spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand habe (US-PS 32 87 489); diese Angabe stimmt mit der anderweitig (US-PS 40 53 702) angegebenen bekannten Lehre überein, daß man elastomere Werkstoffe der angegebenen Art mit Titandioxid, Titanaten und dergleichen als Wirkmaterial nur bis zu einer relativen Dielektrizitätszahl des Werkstoffs von etwa 25 herstellen könne und daß beispielsweise eine relative Dielektrizitätszahl von wenigstens 50 bei elastomeren Werkstoffen nicht erreichbar sei.

Es sind ferner feldsteuernde Werkstoffe bekannt, die Ruß als Füllstoff zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs (US-PS 35 15 798. US-PS 33 49 164) oder als Wirkmaterial zum Erzielen einer gewünschten elektrischen Leitfähigkeit (US-PS 36 73 305) enthalten, doch finden sich im Zusammenhang damit keine Hinweise im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Der erfindungsgemäße Werkstoff hat eine grundsätzlich sehr einfache Zusammensetzung und kann mit geringstem Aufwand hergestellt werden. Er vereinigt in sich gute dauerelastische Eigenschaften, gute schemische Beständigkeit, gutes elektrisches Isoliervermögen, voll genügende elektrische Durchschlags- und Stoßspannungsfestigkeit und bisher bei dauerelastischen Werkstoffen nicht für möglich gehaltene hohe Werte der relation Dielektrizitätszahl. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann somit insbesondere mit großem Vorteil in Feldsteuerungselementen verwendet werden, die dann im Vergleich zu Elementen aus vorbekannten refraktiven Werkstoffen geringerer relativer Dielektrizitätszahlen erheblich kleinere Abmessungen haben können; ein solches Feldsteuerelement, z. B. in Form eines elastisch aufschiebbaren Formkörpers wie einer Hülse, ist in seinen elektrischen Eigenschaften und seiner geometrischen Form entsprechend der gewünschten Veränderung eines an seinem Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes ausgebildet, wobei — je nach der Stärke des elektrischen Feldes - ein Bestandteil aus elektrisch leitfähigem elastischem Material zur elektrischen Kontaktierung mit einer Abschirmung des Kabels in das Feldsteuerungselement eingefügt sein kann.

Der erfindungsgemäße Werkstoff hat vorzugsweise eine relative Dielektrizitätszahl zwischen etwa 50 und 150 im Niederfrequenzbereich (z. B. 50 Hz). In diesem Bereich sind besonders gute dauerelastische Eigenschaften bei gutem elektrischem Isoliervermögen vorhanden.

Die Wirksamkeit der erfindungsgemäß verwendeten Wirkmaterialien aus stark strukturierten oder zerklüfteten staubfeinen polarisationsfähigen Teilchen ist von der Morphologie der Teilchen abhängig; in Ausgestaltung der Erfindung ist es deshalb zweckmäßig, für die Herstellung des Werkstoffs den zu verwendenden Massengehalt an Wirkmaterial dadurch zu bestimmen, daß man für jede gegebene einheitlich beschaffene Charge des Wirkmaterials mehrere Versuchswerkstoffe mit verschiedenen Gehalten an Wirkmaterial hergestellt von diesen Versuchswerkstoffen bei Niederfrequenz (z. B. 50 Hz) jeweils die relative Dielektrizitätszahl e_r und den spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ρ bestimmt und denjenigen Massengehalt des Wirkmaterials festlegt, bei dem ein gewünschtes Wertepaar ε_Λ ρ vorliegt Insbesondere ist es zweckmäßig, denjenigen Massengehait als optimal zu bestimmen, bei dem man in der Funktion log ε_Γ=/(logo) in einem mittleren Bereich liegt in dem der Absolutwert der

Steigung höher ist als in den beiderseits benachbarten Bereichen. Auf diese Weise kann man für jede Charge eii.cs, makroskopisch einheitlich beschaffenen Wirkmaterials die geeigneten Massengehalte und insbesondere auch die optimalen Massengehalte im Ausgangsmaterial ermitteln.

Es hat sich gezeigt, daß bei dem bevorzugten Wirkrnaterial, nämlich Ruß, die im Handel erhältlichen QualitVin sehr verschiedene Wirksamkeiten im Sinn der vorliegenden Erfindung zeigen; so kann der optimale Massengehalt bei 30 Gramm aber auch bei 300 Gramm Ruß pro Kilogramm AusgangsmaVirial liegen. Da der Massengehalt an Ruß nicht größer als etwa 350 Gramm pro Kilogramm Ausgangsmaterial ist, werden die dauerelastischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials nicht störend beeinträchtigt. Überraschenderweise können schon mit diesen verhältnismäßig niedrigen Ruß-Massengehalten optimale Eigenschaften hinsichtlich Dielektrizitätszahl und spezifischem Widerstand „-,!«,ι. ,„β,-Λβη nrfpncirhtlirh wirWpn Her Ruß und das Zusatz-Wirkmaterial synergistisch zusammen.

Der Mindestwert des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes des erfindungsgemäßen Werkstoffs soll bei etwa IO⁶ Ohm ■ cm liegen, damit der Werkstoff noch als Isoliermaterial angesehen werden kann; vorzugsweise liegt der Mindestwert bei etwa 10⁸OhITi · cm.

Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich ferner dadurch aus, daß er in der Regel einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes aufweist. Anders gesagt: Der Temr .Taturkoeffizient des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes liegt im Temperaturbereich von etwa 0- 100^C mindestens bei etwa 0. Das bietet den bekannten Vorteil, daß mit zunehmender Erwärmung des Werkstoffs die durch Wirkströme bedingten Verlustanteile kleiner werden; das wirkt einer unerwünschten Aufheizung entgegen. Vorzugsweise beträgt der Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes im Temperaturbereich von etwa 0-100⁰C etwa +0,01 pro Grad C. Noch vorteilhafter sind die gleichfalls möglichen Werte zwischen etwa +0,02 und +0.2 im Bereich üblicher Betriebstemperaturen von etwa 50 bis 100⁰C.

Der dielektrische Verlustfaktor des erfindungsgemäßen Werkstoffs beträgt bei Niederfrequenz und bei Hochfrequenz (z.B. 10⁵Hz) in dem angegebenen Bereich von relativen Dielektrizitätszahlen höchstens etwa 1,5, in dem Bereich der vorzugsweise verwendeten relativen Dielektrizitätszahlen höchstens etwa 1. Das ist für die beabsichtigte Verwendung in Feldsteuerungselementen für Starkstrom- und Hochspannungsanlagen voll ausreichend.

Es hat sich gezeigt, daß durch die metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials (im folgenden auch kurz »Leihmaterial« genannt; solche Teilchen sind an sich aus der DE-OS 28 21 017 bekannt) die Belastbarkeit und die Feldsteuerungswirkung bei hohen Frequenzen, wia sie insbesondere bei Belastungen durch Stoßwellen oder Blitzeinschläge in Hochspannungsleitungen auftreten können, stark verbessert werden. Insbesondere haben Versuche mit Stoßspannungs-Beanspruchungen von 1,2/50 μβ Dauer gezeigt, daß durch einen Gehalt an Zusatz-Wirkmaterial in Form metallisch leitender plättchenförmiger Teilchen die Beständigkeit gegen derartige Impulse um bis zu 100% gesteigert werden kann. Die metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials können einfach aus Aluminium bestehen, das sehr leicht in Form dünner Plättchen oder Flocken hergestellt werden kann und in dieser Form im Handel erhältlich ist.

Die fein verteilten metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials können auch andere geometrische Formen als die von Plättchen haben. Besonders günstig für die dauerelastischen Eigenschaften des Werkstoffs sind Kügelchen. Dabei genügt es, wenn die Kügelchen nur oberflächlich metallisch leiten; das

ίο ermöglicht die Verwendung von spezifisch leichten Kunststoff-Kügelchen mit Oberflächen-Metallisierung. Für die Größe der Kügelchen gilt das für Plättchen gesagte entsprechend; d. h„ daß die leitende Oberiläche mit der gleich wirksamer plättchenförmiger Teilchen vergleichbar sein soll. Daraus ergibt sich, daß für die

besonders ins Auge gefaßten Anwendungen die Kügelchen einen Durchmesser von mindestens 2 μπι habensollen.

Um die Durchschlagsfestigkeit des erfindungsgemä-

■m Ben Werkstoffs zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, ein von dem Aiisgangsmaterial verschiedenes Isoliermaterial als weiteres Zusatz-Wirkmaterial in fein verteilter Form als plättchenförmige Teilchen zuzumischen (an sich aus der DE-OS 28 21017 bekannt).

Dadurch wird die Konzentration an Brücken aus sich direkt berührenden Teilchen des Wirkmaterials und/oder eines metallisch leitenden Zusatz-Wirkmaterials stark herabgesetzt. Vorzugsweise hat das als weiteres Zusatz-Wirkmaterial verwendete Isoliermaterial eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit als das Ausgangsmaterial; dadurch wird die Durchschlagsfestigkeit des Werkstoffs erhöht. Wenn das als weiteres Zusatz-Wirkmaterial verwendete Isoliermaterial die refraktive Wirkung des Werkstoffs nicht beeinträchtigen, sondern allenfalls erhöhen soll, verwendet man zweckmäßigerweise ein Isoliermaterial, dessen relative Dielektrizitätszahl mindestens gleich der des Ausgangsmaterials ist. Ein als weiteres Zusatz-Wirkmaterial besonders gut geeignetes Isoliermaterial ist Glimmer, der von Natur aus Plättchenstruktur hat. Auch bei Verwendung des vom Ausgangsmaterial verschiedenen Isoliermaterials gelten die in Anspruch 1 angegebenen Randbedingungen.

Die Größe der Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials ist von Bedeutung für die dielektrische Homogenität des Werkstoffs, bezogen auf die Abmessungen der bei dem jeweiligen Anwendungsfall verwendeten Bauteile am und im Werkstoff. Bei den für Wechselspannungen ab etwa 3 kV zweckmäßigen Abmessungen und. Oberschlagstrecken können bei Leitmaterial aus plättchenförmigen Teilchen die Teilchen eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etwa 5 bis 75 μπι haben; ein günstiger mittlerer Bereich ist f.O bis 40 μπι. Die Dicke der plattenförmigen Teilchen sollte höchstens etwa ein Zehntel der Querabrnessung betragen, damit der Charakter eines Plättchens, gewahrt bleibt Entsprechendes gilt natürlich auch für !Plättchen aus Isoliermaterial; es leuchtet ein, daß sie insbesondere hinsichtlich ihrer Querabmessung auch etwas größer sein dürfen als Plättchen aus Leitmaterial.

Besonders vorteilhaft ist es, daß, wie aus der DE-OS 28 21 017 an sich bekannt, plättchenförmige metallisch leitende Teilchen nicht in bestimmten Richtungen orientiert sein müssen, sondern mit im wesentlichen zufallsbestimmter Orientierung ihrer Orientierung ihrer Plättchenebenen verteilt sein können; dadurch sind bei der Herstellung und Verarbeitung von erfindungsgemäßen Werkstoffen mit plättchenförmigem Zusatz-Wirk-

material besondere die Plättchen orientierende Arbeitsgänge wie Walzen, Aufstrichen und dergleichen nichi erforderlich, und der Werkstoff kann ohne weiteres auch durch Gießen, Spritzgießen und dergleichen und anschließendes Formhärten unmittelbar in bestimmten geometrischen Konfigurationen erhalten werden.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann in ähnlich einfacher Wet: ζ wie das Ausgangsmaterial hergestellt werden, in dem man eine zu dem Ausgangsmaterial erhärtbare flüssige oder plastische oder fließfähige oder spritzgießbare Ausgangsmasse mit dem Wirkmaterial, dem metallisch leitenden Zusatz-Wirkmaterial und gegebenenfalls den weiteren Zusatz-Wirkmaterialien vermischt und die so erhaltene Werkstoffmasse zu dem dauerelastischen Werkstoff erhärtet, beispielsweise durch Kalt- oder Heißvulkanisieren. Das Erhärten kann in Formen erfolgen, so daß unmittelbar dauerelastische Formkörper gewünschter Gestalt erhalten werden können, die direkt als Feldsteuerungselemente geeignet sind.

Bei bestimmten Rußsorten, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, d. h. schon in ger.ngen Konzentrationen eine starke Erhöhung der relativen Dielektrizitätszahl bewirken, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, den Ruß in einer möglichst niedrigviskosen Phase des Herstellungsvorganges einzuführen. Die Dispergierung des Rußes ist dann gleichmäßiger.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 bis 5 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Eigenschaften von Proben, die wie unten angegeben mit dem Wirkmaterial Ruß Typ N 754 gefertigt worden sind,

Fig.6 bis 9 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Eigenschaften erfindungsgemäßer Werkstoffe, die ein Zusatz-Wirkmaterial in Form von leitfähigen Plättchen enthalten, und

F i g. 10 ein Diagramm zur Erläuterung erfindungsgemäßer Werkstoffe, die wie unten angegeben mit dem Ausgangsmaterial Silikonkautschuk und dem Wirkmaterial Ruß Typ N 762 gefertigt wurden.

Beispiele

Jeweils 100 Gewichtsteile Silikonkautschuk-Ausgangsmasse vom Typ S 2351 der Firma Dow Corning wurden mit verschiedenen Gewichtsteilen Ruß der Sorte N 754 der Firma Columbian Carbon Company, New York, und verschiedenen Gewichtsteilen Aluminiumplättchen der Sorte Nr. 4-501 der Firma Reynolds Metals Company, Richmond, Va- USA, vermischt.

Die Gemische wurden jeweils mit 0,4 Gewichtsteilen des Katalysators Dicumylperoxid (Typ Dicup R der Firma Herkules) vermischt und in Formen zu dauerelastischen Probekörpern von etwa 3 mm Dicke ausgehärtet

F i g. 1 zeigt in einem Diagramm den auch für die erfindungsgemäßen Werkstoffe grundsätzlich geltenden Zusammenhang zwischen den Logarithmen der relativen Dielektrizitätszahl und des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes für verschiedene Anteile Ruß ohne weitere Zusatzstoffe. Man erkennt, daß in dem mittleren Bereich der Kurve bei dem gezeigten Rußanteil als Parameter, wo der Absolutwert der Steigung höher ist als in den Nachbarbereichen ( = Extremwert der ersten Ableitung) verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätszahlen bei noch sehr hohen spezifischen Durchgangswiderständen vorliegen, so z. R. Fr=- ^O bei ρ · 10'° Dem. Erst ab ε_Γ= 200 beginnt der spezifische elektrische Durchgangswiderstand auf Werte zu fallen, die für die Verwendung als Isolierstoff kritisch sind; der gut nutzbare Bereich erstreckt sich etwa bis Er= 150.

F i g. 2 zeigt, daß bei höheren Frequenzen die relative Dielektrizitätszahl verhältnismäßig stark abnimmt.
F i g. 3 zeigt, daß der Verlustfaktor erwartungsgemäß

ίο mit steigendem Anteil Ruß zunimmt; die Abhängigkeit von der Frequenz ist dagegen weniger stark ausgeprägt.

Fig.4 zeigt — ähnlich wie Fig. 1 — die Beziehung

zwischen der relativen Dielektrizitätszahl e_r(bei 50 Hz) und dem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ρ bei zunehmendem Anteil des Wirkmaterials Ruß (Typι Ν 754).

F i g. 5 zeigt die Abhängigkeit der spezifische.; Gleichstrom-Leitfähigkeit (reziprok zum spez. Durchgangswiderstand) von der Feldstärke bei verschiedenen Temperaturen für eine Probe mit 32ö g Ruß Typ N 754 pro kg Ausgangsmaterial.

Fig.6 zeigt am Beispiel eines erfindungsgemäßen Werkstoffs mit 320 g Ruß Typ N 754 und 100 g Aluminiumplättchen Typ 4-501 (REYNOLDS) pro kg Ausgangsmaterial, daß durch die metallisch leitenden Teilchen des Zusatz-Wirkmaterials die Gleichstromleitfähigkeit nicht störend erhöht wird; es gilt im wesentlichen die gleiche Abhängigkeit vom Wirkmaterial-Gehalt wie in F i g. 5. Beide Figuren weisen darüber hinaus einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Durchgangswiderstandes nach, der in dem

Bereich üblicher Betriebstemperaturen von etwa 50 bis 100⁰C Werte zwischen etwa +0,02 und +0,2 annimmt.

Fig. 7 zeigt den Verlustfaktor tan δ und die

Dielektrizitätszahl e_rin Abhängigkeit von der Frequenz f bei unterschiedlichen Temperaturen für Werkstoffe mit 320 g Ruß Typ N 754 und 100 g Aluminiumplättchen Typ 4 — 501 pro kg Ausgangsmaterial. Man erkennt, daß es ohne weiteres möglich ist, den Verlustfaktor bei Raumtemperatur auf Werte von höchstens etwa 1 einzustellen, und zwar bei Niederfrequenz wie auch bei Hochfrequenz, und daß die relative DieleL.rizitätszahl auch bei erhöhter Temperatur noch zwischen etwa 50 und 100 im Niederfrequenzbereich (z. B. bei 50 Hz) und mindestens eiwa bei 20 im Hochfrequenzbereich (z. B. bei ΙΟ'Hz)liegt.

F i g. 8 zeigt, daß bei einem Werkstoff mit 320 g Ruß (Typ N 754) pro kg Ausgangsmaterial durch den Gehalt an Zusatz-Wirkmaterial (hier i 00 g Aluminiumplättchen der angegebenen Art) eine wesentliche Erhöhung der relativen Dielektrizitätszahl bei 50 Hz von etwa 250 auf etwa 400 eintritt und bei Hochfrequenz (z. B. 10⁵ Hz) die relative Dielektrizitätszahl auf Werten über etwa 25 gehalten wird.

Fig.9 zeigt, daß diese Erhöhung der relativen Dielektrizitätszahl mit einer nur unwesentlichen Erhöhung des Verlustfaktors einhergeht.

Fig. 10 zeigt in gleicher Darstellung wie Fig.4 die Eigenschaften eines mit anderen Materialien erhaltenen

Werkstoffe. Als Ausgangsmaterial wird Silikonkautschuk Typ 101/30 der Firma Wacker-Chemie. Müncncn, verwendet, als Wirkmaterial Ruß der Sorte N 762 der Firma Columbian Carbon Company, und als Zusatz-Wirkmaterial die schon beschriebenen Aluminiumplättchen der Firma Reynolds. Es wurden jeweils !00 Gewichtsteile des erwähnten Ausgangsmaterials mit 5 Gewichtsteilen der Aluminiumplättchen, verschiedenen Mengen des Rußes und mit jeweils 1,5 Gewichtsteilen

der crvahnten Katalysators Dicumylperoxid »Dicup 40C« vermischt, in Formen gegeben und ausgehärtet. Man erkennt aus Fig. 10, daß grundsätzlich das gleiche Verhalten "oriiegt wie bei den Werkstoffen nach den Fig. 1 -9, daß aber die erste Ableitung der Funktion log ρ =/(log Er), Parameter: Konzentration des Wirkmaterials. ihr Extremum bei einem anderen, nämlich niedrigeren Massengehalt an Ruß erreicht als in F i g. 4. Für die vorliegende Erfindung scheint nach derzeitiger Erkenntnis vor alle:.; bedeutungsvoll zu sein, daß die Teilchen des Wirkmaterials eine im Verhältnis zu ihrer Masse große Oberfläche aufweisen und der Verschiebung elektrischer Ladungen einen gewissen Widerstand entgegensetzen. Es ist denkbar, daß andere Wirkmaterialien, die Eigenschaften ähnlich wie Ruß haben, zu

ähnlichen oder vielleicht sogar besseren Ergebnissen führen wie Ruß; die vorliegende Erfindung gibt derr Fachmann eine Anweisung, wie er Stoffe, die vermutzlich als Wirkmaterialien geeignet sind, auf ihre Wirksamkeit /u prüfe hai. Falls für Wirkmaterialien Kennzahlen bekannt sind, die die Struktur der Materialteilchen kennzeichnen und nach den hier angegebenen Bewertungskriterien auch als Kennzeichnung für die Wirksamkeit für die vorliegende Erfindung brauchbar sind, kann es genügen, für die Nachbestellung von im Handel erhältlichen Sorten geeigneter Wirkmaterialien einfach derartige Kenngrößen zu verwenden. In den obigen Beispielen sind die Rußsorten durch die ASTM-Bezeichnungen nach US-Norm charakterisiert, unter denen sie auc^h im Handel erhältlich sind.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dauerelastischer dielektrischer Werkstoff, dessen spezifischer elektrischer Durchgangswiderstand bei Raumtemperatur mindestens etwa 10*Ω·αη beträgt, zur Beeinflussung elektrischer Felder in Starkstrom- und Hochspannungsanlagen, enthaltend ein dielektrisches dauerelastisches Ausgangsmaterial, insbesondere auf Basis Silikonkautschuk oder Polyethylen oder EPDM (Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat), mit einem die relative Dielektrizitätszahl erhöhenden Gehalt eines fein verteilten Wirkmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß er als Wirkmaterial stark strukturierte staubfeine Teilchen eines schach leitenden, elektrisch polarisationsfähigen Materials in einem Massengehalt von bis zu etwa 350 g pro kg Ausgangsmaterial und einen die Feldverteilung und dadurch die Spannung<*estigkeit bei für Stoßwellen typischen hohen Frequenzen verbessernden Gehalt eines Zusatz-Wirkmaterials in Form fein verteilter metallisch leitender Teilchen enthält, derart, daß die relative Dielektrizitätszahl bei üblichen Netzfrequenzen wie beispielsweise 50 Hz wesentlich mehr als 30, bis zu etwa 300, und bei Hochfrequenz (z. B.

IO⁵ Hz) noch mindestens etwa 20 beträgt.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Wirkmaterial Ruß ist

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Mindestwert des spezifisch elektrischen Durchgangswiderstandes bei Raumtemperatur etwa 10⁸ Ohm · c «beträgt

4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzej iinet daß der Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstandes im Temperaturbereich von etwa 0 bis 100° C mindestens etwa 0 beträgt

5. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient im Tempe- ralurbereich von etwa 0 bis 100⁰C etwa +0.01 pro Grad Celsius beträgt.

6. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Temperaturkoeffizient im Temperaturbereich von etwa 0 bis 100⁰C etwa zwischen + 0.02 bis + 0.2 pro Grad Celsius beträgt.

7. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine relative Dielektrizitätszahl im Niederfrequenzbereich (z. B. 50 Hz) etwa zwischen 50 und 150 liegt.

8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Niederfrequenz und bei Hochfrequenz (z. B. 10' Hz) sein dielektrischer Verlustfaktor tan ö bei Raumtemperatur höchstens etwa 13 beträgt.

9. Werkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sein dielektrischer Verlustfaktor höchstens etwa t beträgt.

10. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zu- eo satz-Wirkrtiateriäl in Form fein verteilter Kügelchen vorliegt.

11. Werkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen nur oberflächlich metallisch leiten.

12. Werkstoff nach Anspruch 10 oder 11₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen einen Durchmesser von mindestens 2 um haben.

13. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatz- Wirkmaterial in Form fein verteilter Plättchen vorliegt

14. Werkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Plättchen aus Aluminium bestehen.

15. Werkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß er etwa 30 bis 150 Gramm Aluminium-Plättchen pro Kilogramm Ausgangsmateria' enthält

16. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß er ein weiteres Zusatz-Wirkmaterial in Form eines von dem Ausgangsmaterial verschiedenen Isoliermaterial in fein verteiler Form als plättchenförmige Teilchen enthält

17. Werkstoff nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet daß das Isoliermaterial eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit hat als das Ausgangsmaterial.

18. Werkstoff nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet daß das Isoliermaterial eine relative Dielektrizitätszahl hat die mindestens gleich der des Ausgangsmaterials ist

19. Werkstoff nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet daß das Isoliermaterial Glimmer ist

20. Werkstoff sach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß er etwa 50 bis 300 Gramm Glimmer pro Kilogramm Ausgangsmaterial enthält

21. Werkstoff nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet daß die plattenförmigen Teilchen eine quer zu ihrer Dicke gemessene Querabmessung von etwa 5 bis 75 μπι haben.

22. Werkstoff nach Anspruch 21. dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung etwa 10 bis 40 um beträgt

23. Werkstoff nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der plättchenförmigen Teilchen höchstens etwa ein Zehntel ihrer Querabmessung beträgt.

24. Werkstoff nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen mit im wesentlichen zufallsbestimmter Orientierung ihrer Plättchenebenen verteilt sind.

25. Werkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß die Größe der Oberfläche der Kügelchen etwa mit der Größe der Oberfläche gleich wirksamer Plättchen nach einem der Ansprüche 13 bis 15 vergleichbar ist.

26. Verfahren zum Herstellen des Werkstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Bestimmen des zu verwendenden Massengehalts an Wirkmaterial für jede gegebene einheitlich beschaffene Charge des Wirkmaterials mehrere Versuchswerkstoffe mit verschiedenen Gehalten an Wirkmaterial herstellt, von diesen Versuchswerkstoffen jeweils bei Niederfrequenz (z. B. 50 Hz) die relative Dielektrizitätszahl ε_Γ und den spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ρ bestimmt und denjenigen Massenge halt des Wirkmaterials bestimmt, bei der ein gewünschtes Wertepaar e_rund ρ vorliegt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß man denjenigen Massengehalt des Wirkmaterials als optimal bestimmt, bei der man in der Funktion log e_r= ^log ρ) in einem mittleren Bereich liegt, in dem der Absolutwert der Steigung höher ist als in den beiderseits benachbarten

Bereichen.

28. Verwendung des Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 25 in einem Feldsteuerungiselement, zum Beispiel in Form eines elastisch aufschiebbaren Formkörpers wie einer Hülse, das in seinen elektrischen Eigenschaften und seiner geometrischen Form entsprechend des· gewünschten Veränderung eines an seinem Einsatzort bestehenden elektrischen Feldes aucgebildet ist, wobei — je nach der Stärke des elektrischen Feldes — ein Bestandteil aus elektrisch leitfähigem elastischem Material zur elektrischen Kontaktierung mit einer Abschirmung in das Feldsteuerungselement eingefügt sein kann.

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