DE4417364A1 - Elektrisch isolierende formbare Masse mit feldsteuernder Wirkung, insbesondere für die Anwendung im Mittelspannungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch isolie­ rende, formbare Masse mit feldsteuernder Wirkung, insbe­ sondere für die Anwendung im Mittelspannungsbereich, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Kabelverbindungen und Kabelendan­ schlüssen muß der Leiter des Kabels oder der Kabelader zwangsläufig freigelegt werden. Es ist bekannt, zum Ein­ hüllen einer Verbindung oder eines Endes eines Elektro­ kabels radial schrumpfbare Muffen vorzusehen. Aus der US 4 390 745 ist eine zylindrische Muffe bekanntgeworden, die aus zwei Hülsen aus wärmeschrumpfbarem Material aufgebaut ist. Die erste oder innere Hülse weist eine Isolierschicht auf, an deren Innenseite an mindestens einem Ende ein di­ elektrischer Abschnitt und im Abstand davon ein leitfähi­ ger Abschnitt angeordnet sind. Die zweite oder äußere Hülse weist eine Isolierschicht auf, an deren Außenseite eine halbleitende Schicht aufgebracht ist. Der dielek­ trische Abschnitt an der Innenseite sowie der leitfähige Abschnitt im mittleren Bereich dienen der refraktiven Feldsteuerung, d. h. einer Vergleichmäßigung des elektri­ schen Feldes und Schaffung von elektrophysikalischen Bedingungen, die denen des Kabels gleichen. Aus der DE 39 43 296 ist eine Muffe ähnlichen Aufbaus bekanntgeworden, die jedoch einteilig ist und aus durch aufeinanderfolgen­ des Spritzgießen hergestellten Schichten besteht.

Die letztgenannte bekannte Muffe kann mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand hergestellt werden und ist durch ihre Einteiligkeit sehr gut handhabbar. Gleichwohl besteht sie aus mehreren Schichten, nämlich der isolierenden und der halbleitenden Schicht an der Außenseite sowie mindestens drei Schichtabschnitten für die Feldsteuerung. Aus diesem Grunde läßt sich die bekannte Muffe auch nicht durch das besonders wirtschaftliche Extrudieren fertigen.

Aus der OS 44 12 029 ist bekannt, für die beschriebenen Muffen ein feldsteuerndes Material bereitzustellen. Es besteht aus einem permanent elastischen dielektrischen Basismaterial, in dem fein verteilter Wirkstoff einge­ mischt ist, der aus staubfeinen Partikeln elektrisch pola­ risierbaren Materials geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht. Als Wirkstoff dient Ruß. Außerdem wird ein zu­ sätzlicher Wirkstoff hinzugefügt, der metallisch leitend ist. Hierfür werden u. a. Mikrokügelchen mit einem Durch­ messer von mindestens zwei µm vorgeschlagen. Die Mikro­ kügelchen sind an der Oberfläche leitend und bestehen beispielsweise aus Aluminium. Mit einem derartigen Mate­ rial wird eine relative Dielektrizitätskonstante von 30 bis 300 erhalten. Ein derartiges feldsteuerndes Material ist daher insbesondere für Muffen geeignet, die bei Hoch­ spannungskabeln eingesetzt werden.

Aus US 4 547 312 ist eine elastomere elektrisch leitende Masse bekanntgeworden, die aus einem Elastomer und dem Elastomer zugemischten metallbeschichteten Mikrokügelchen besteht im Durchmesserbereich von 5 µm. Die Mikrokügelchen werden in einem großen Umfang dem Elastomer zugemischt. Der so erhaltene Stoff dient der Beschichtung von Gegen­ ständen, um sie an der Oberfläche leitend zu machen.

Aus der DE 27 30 555 ist bekannt, Isoliermassen an elek­ trischen Kabeln 30 bis 70 Vol.-% Glaskugeln im Durchmes­ serbereich zwischen 0,1 und 5 cm zuzugeben. Die Glaskugeln dienen der Verringerung des Einsatzes aufwendigeren ande­ ren Isoliermaterials, beispielsweise aus Kunststoff.

Aus der EP 0 189 720 ist auch bekanntgeworden, bei Wärme­ isoliermaterial einem Silikonelastomer oder einem Silikon­ harz Mikrohohlkügelchen zuzusetzen.

Aus der DE 32 26 380 ist bekanntgeworden, zum Einhüllen einer Kabelverbindung oder eines Endes eines Elektrokabels in das Isoliermaterial eine Vielzahl von elektrodenbilden­ den Kugeln verteilt anzuordnen. Zu diesem Zweck werden Schichten aus Isoliermaterial verwendet, die mit leitenden Kügelchen im Durchmesserbereich von 0,5 bis 10 mm versehen werden. Auf diese Weise wird dem Isoliermaterial eine feldsteuernde Eigenschaft verliehen.

Wegen der verhältnismäßig großen Kugeln kann die erhaltene Masse nicht als homogen betrachtet werden. Es ist außerdem schwierig, die relativ großen Kugeln gleichmäßig in der elastomeren Matrix zu verteilen. Daher wird in der erwähn­ ten Druckschrift beschrieben, in Streifen aus Kunststoff­ material in gleichmäßiger Verteilung Kugeln einzuführen und den Streifen dann anschließend um die Kabelverbindung herum zu winden. Dieses Verfahren ist jedoch relativ auf­ wendig und führt nicht in jedem Fall zu den erwünschten elektrophysikalischen Eigenschaften im Hinblick auf die Feldsteuerung. Ferner besteht Gefahr, daß die isolierenden Eigenschaften leiden.

Aus US 5 232 775 ist bekanntgeworden, metallbeschichtete Kügelchen, z. B. Glashohlkügelchen einem polymeren Harz zu­ zumischen. Dadurch wird eine halbleitende, antistatisch wirkende Zusammensetzung erhalten.

Aus US 4 618 525 und US 4 579 882 ist bekannt, metallbe­ schichtete Glashohlkügelchen im Durchmesserbereich von 5 bis 100 µm in die Klebschicht eines haftklebenden Klebe­ bands einzubringen, um die optischen Eigenschaften des Klebebandes zu beeinflussen.

Aus US 4 579 882 ist bekanntgeworden, in ein Matrixmate­ rial aus einem Polymer metallbeschichtetes Pulver aus an­ organischem Material einzumischen. Die erhaltene Substanz dient z. B. zum Beschichten von Gegenständen, damit sie eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Wellen er­ halten.

Alle zuletzt beschriebenen Zusammensetzungen haben keine elektrisch isolierenden Eigenschaften, die sie für die An­ wendung bei höheren Spannungen geeignet sein lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch isolierende, formbare Masse mit feldsteuernder Wirkung, insbesondere für die Anwendung im Mittelspannungsbereich, zu schaffen, die verhältnismäßig gute Isoliereigenschaften mit der feldsteuernden Wirkung vereinigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Masse besteht aus einer Matrix aus dielektrischem Kunststoff und einem Anteil von Mikrokügel­ chen, die insgesamt oder an der Oberfläche elektrisch lei­ tend sind.

Die Mikrokügelchen sind annähernd homogen verteilt, so daß sie sich nicht berühren, vielmehr einen gleichmäßigen Ab­ stand voneinander haben. Dann wirkt der Kunststoff ausrei­ chend isolierend und die erhaltene Masse stellt einen Iso­ lator dar, der jedoch aufgrund der Einmischung der leiten­ den Kügelchen eine signifikante Dielektrizitätskonstante von 3 oder größer erhält.

Die auf diese Weise erhaltene Masse weist eine relative Dielektrizitätskonstante von 3 oder < 3 auf sowie eine Durchschlagfestigkeit von mindestens 5 kV/mm.

Es hat sich gezeigt, daß eine relative Dielektrizitätskon­ stante von 3 und größer bei ausreichender Durchschlag­ festigkeit von über 5 kV/mm erhalten wird, wenn sich der Anteil der Mikrohohlkügelchen in dem Bereich von 2 bis 10 Vol.-%, bezogen auf das Matrixmaterial, bewegt.

Als Matrixmaterial kommt nach einer Ausgestaltung der Er­ findung Silikongummi, insbesondere flüssiges Silikongummi in Frage. Es sind jedoch die unterschiedlichsten anderen Matrixmaterialien anwendbar, zum Beispiel Acrylester- Kautschuk (ANM), Celluloseacetat (CA), Epoxid (EP), Ni­ trilkautschuke (NBR/NCR), Polyamide (PA), Polyarylat (PAR), Polycarbonat (PC), Polyimid (PI), Styrol-Butadien- Kautschuk (SBR), Silikon (SI) oder Vinylacetat (VAC). Wesentlich ist, daß das Matrixmaterial gut formbar ist durch bekannte Formprozesse, wie Extrudieren oder Spritz­ gießen. Wesentlich ist auch, daß die Beschaffenheit des Matrixmaterials derart ist, daß die Kügelchen während eines derartigen Formprozesses nicht zerstört werden.

Der Durchmesserbereich der Kügelchen bewegt sich zwischen 10 und 500 µm. Vorzugsweise liegt die Durchmesservertei­ lung nach einer Ausgestaltung der Erfindung zwischen 10 und 90 µm, wobei eine Verteilung von 30 bis 60 µm bevor­ zugt ist. Die sehr kleinen Kügelchen lassen sich sehr gut mit herkömmlichen Kunststoff-Formverfahren verarbeiten und ermöglichen eine gute homogene Verteilung im Formkörper.

Die Mikrokügelchen können zum Beispiel aus Metall sein. Vorzugsweise werden jedoch Glaskügelchen verwendet, ins­ besondere Glashohlkügelchen, wie sie etwa aus "Scotch Light Glass Bubbles Mikroglashohlkugeln" Produkt-Informa­ tion und Spezifikation 3M vom 1.1.1993 bekanntgeworden sind. Sie werden aus alkaliarmem Borosilikatglas gefertigt und sind chemisch inaktiv. Sie haben eine Kornverteilung von 96% in der Größenordnung von 20 bis 120 µm und von 60% in der Größenordnung von 40 bis 80 µm. Bei der Verwendung von Metallkügelchen ist die Leitfähigkeit automatisch ge­ geben. Bei Verwendung von Glaskügelchen ist hingegen eine Oberflächenbeschichtung mit Metall obligatorisch. Sie kann zum Beispiel aus Aluminium, Nickel, Silber oder derglei­ chen bestehen. Die metallische Beschichtung kann so dünn wie möglich gewählt werden, da ein signifikanter Strom nicht auftritt. So wird beispielsweise eine Beschichtung mit einer Dicke von 0,01 µm vorgenommen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, die Kügelchen mit einer Isolierschicht zu versehen. Dies gilt für Metallkügelchen und mit Metall beschichteten Glaskügelchen gleichermaßen. In diesem Fall wirkt sich dann das Berühren einzelner Kügelchen für den gewünschten Isolationseffekt nicht besonders ungünstig aus. Eine der­ artige Schicht kann sogar noch dünner sein als die Metall­ beschichtung der Glaskügelchen und zum Beispiel 0,004 µm Dicke aufweisen. Als bevorzugtes Material für die Be­ schichtung dient solches, daß mit dem Metall bzw. der Me­ tallschicht kompatibel ist, also keine chemische Reaktion bewirkt und außerdem ausreichend haftet. So kann zum Bei­ spiel als Metallbeschichtung Aluminium und als isolierende Beschichtung ein Aluminiumsuboxid verwendet werden.

Die Beschichtung der nicht leitfähigen Glaskügelchen mit Metall kann mit herkömmlichen Technologien, wie Plasma­ sprühverfahren durchgeführt werden.

Wie bereits erwähnt, sind verschiedenste Kunststoffe als Matrixmaterial einsetzbar. Insbesondere bei der Verwendung von Glashohlkügelchen ist wesentlich, daß diese während des Formverfahrens nicht brechen. Daher erweist sich ins­ besondere Flüssigsilikongummi als besonders vorteilhaft, weil seine Viskosität nicht zu hoch ist. Eine zu hohe Vis­ kosität könnte zu einem Brechen der Kügelchen führen und außerdem verhindern, daß die Kügelchen sich während des Mischprozesses gleichmäßig verteilen.

Die erfindungsgemäße Masse ist insbesondere geeignet für isolierende Schichten von Umhüllungsmuffen für Kabelver­ bindungen und Kabelanschlüsse, bei der gleichzeitig eine feldsteuernde Wirkung erwünscht ist. Es versteht sich, daß sie auch für andere Anwendungszwecke mit ähnlichen Anfor­ derungen geeignet ist.

Es wurden Versuche angestellt mit einer erfindungsgemäßen Masse, die aus Silikongummi als Matrixmaterial und metal­ lisch beschichteten Glashohlkugeln besteht. Das spezifische Gewicht der Glashohlkügelchen ist 0,6. Die hydrostatische Druckfestigkeit ist 700 N/cm². Die Größenverteilung der Kügelchen ist wie folgt:

Siebgröße (µm)
Durchsatz in %
88
100
62	93,7 @	44	73,7 @	31	50,5 @	22	30,5 @	16	15,8 @	11	7,4 @	7,8	2,1 @	5,5	0,0

Die Glashohlkügelchen sind mit Aluminium in der Dicke von 100 Angström beschichtet, während das Aluminiumoxid eine Dicke von 40 Angström hat.

Aus einer beigefügten Tabelle ist das Verhältnis von spe­ zifischem Durchgangswiderstand, Durchschlagsfestigkeit, relativer dielektrischer Konstanten und Verlustfaktor im Verhältnis zum Volumenanteil der Glaskügelchen aufgetra­ gen. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß der spezifische Durchgangswiderstand oberhalb von 2 Vol.-% stabil ist und einen Wert in der Größe von 6·10¹³ Ωcm erreicht. Die Durchschlagsfestigkeit bewegt sich im Bereich von 18 kV/mm, welche sich insbesondere für Mittelspannungen als durchaus ausreichend erweist. Der Verlustfaktor bewegt sich um 0,0001. Bei einem Volumenanteil von 2% ist die relative Dielektrizitätskonstante bereits etwas über 3, während sie bei 10% Volumenanteil 4 beträgt. Diese Konstante reicht aus, um bei zufriedenstellender Isolierung auch eine Feld­ steuerung vornehmen zu können.

Es sei noch erwähnt, daß das Flüssigsilikongummi aus "Der Fortschritt in der Formteilfertigung Elastosil LR" der Firma Wacker von Oktober 1989 bekanntgeworden ist.

Claims (12)

1. Elektrisch isolierende, formbare Masse mit feldbeein­ flussender Wirkung, insbesondere für die Anwendung im Mittelspannungsbereich, mit einer Matrix aus dielektri­ schem Kunststoff und einem Anteil von insgesamt oder an der Oberfläche elektrisch leitenden Mikrokügelchen mit einer Durchmesserverteilung von 10 bis 500 µm, die gleichmäßig verteilt in das Matrixmaterial eingemischt sind, wobei die Mischung

• a) eine relative Dielektrizitätskonstante von gleich oder < 3 und
• b) eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 5 kV/mm aufweist.

2. Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Dielektrizitätskonstante zwischen 3 und 10 liegt, vorzugsweise zwischen 3 und 4.

3. Masse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit mindestens 10 kV/mm ist.

4. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verlustfaktor < 0,01, vorzugsweise < 0,001 ist.

5. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchmesser der Kügelchen sich um nicht mehr als eine Größenordnung unterscheiden.

6. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchmesserverteilung zwischen 10 und 90 µm liegt, vorzugsweise zwischen 30 und 60 µm.

7. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Metallkügelchen vorgesehen sind oder mit einem Metall beschichtete Glaskügelchen, vorzugsweise Glashohlkügelchen.

8. Masse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Aluminium, Nickel, Silber usw. besteht, mit vorzugsweise einer Dicke von etwa 0,01 µm.

9. Masse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen mit einer dünnen Isolierschicht be­ schichtet sind, vorzugsweise mit einem Aluminiumsuboxid, vorzugsweise mit einer Dicke der Beschichtung von etwa 0,004 µm.

10. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anteil an Mikrokügelchen zwischen etwa 2 bis 20 Vol.-% beträgt, bezogen auf das Matrix­ material.

11. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Matrixmaterial Silikongummit vorgesehen ist, vorzugsweise Flüssigsilikongummi.

12. Formteil, hergestellt aus der Masse nach einem der An­ sprüche 1 bis 11.