WO2014147072A1 - Vergussmasse, verwendung der vergussmasse und thermisch gehärteter komposit erhältlich aus der vergussmasse - Google Patents

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WO2014147072A1
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particle diameter
fraction
filler fraction
range
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André GRÜBEL
Matthias ÜBLER
Jürgen Huber
Bernhard Klaussner
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a potting compound, a use of the potting compound, and a thermally cured composite obtainable from the potting compound.
  • Electrical machines that convert electricity into mechanical energy to produce rotating and / or translational motion typically consist of a fixed stator and a rotating rotor.
  • the stator is often traversed with grooves in which mutually insulated, specially interconnected, metallic conductors (usually copper conductors) in the form of stacked turns (so-called. Form coils) are introduced, which by energizing a circulating in the circle, the centrally mounted rotor penetrating Induce magnetic field.
  • the drawn from the so-called coil fish form coil is wound manually or automatically or semi-automatically in defined overlap with mica paper on train and fixed.
  • These so prepared coils are manually inserted into the grooves, fixed, electrically connected by soldering and the whole stator in a so-called Global-VPI process with a thermally highly stressable impregnating resin (usually based on polyester and / or silicone) impregnated as possible without defects and then cured with heat, creating a mica tape resin composite as the main insulation.
  • This composite material is characterized by a high continuous ⁇ use temperature and currently, considered as an overall system, a permissible use under "thermal class H" conditions according to the requirements of IEC 60034-18-31 and -32.
  • WO 97/11831 A1 describes a process for extruding a thermoplastic material into a complex mold, which is preferably a stator bar, wherein (a) the complex shape having a length and more than one side is fed into a center bore of a die, the center bore having a configuration sufficient to move the die along the complex shape (b) extruding at least one thermoplastic material through the die so as to deposit it simultaneously on each side of the complex die; and (c) moving the die along the entire length of the complex die.
  • DE 696 01 623 T2 relates to a method for producing an electric motor in which a rotor assembly is constructed on a rotor shaft, wherein the rotor assembly has La ⁇ ger, which are arranged near the ends of the rotor shaft; a stator stator assembly is formed by assembling a stack of stator laminations with stator poles; isolating the stator poles and winding the stator poles with stator windings; the intermediate stator is inserted into a mold ⁇ holding device, having an inner cavity which is shaped so that it defines a rear end ⁇ cap for the stator assembly and a mandrel projecting through the center of the intermediate stator, to form a central bore ; the stator assembly is injection molded under pressure into the mold holder by injecting molten thermoplastic resin, thereby forcing the molten plastic into the intermediate stator assembly to embed the stator windings, fill internal cavities, and fill the mold cavity Fill molds of a rear end cap; the assembly is cooled
  • an electric machine which has a plurality of winding wires, wherein the winding ⁇ wires with at least one applied in the predeterminable layer thickness insulating layer pore-free ⁇ layers are coated, the insulating layer of at least one thermoplastic and / or high temperature thermoplastic is, the Ther ⁇ Moplast and / or high temperature thermoplastic has a good bond to impregnation, the thermoplastic and / or high temperature thermoplastics, an amorphous or partially crystalline
  • Has structure and / or fillers are admixed.
  • WO 2001/48897 Al describes a method for producing high-quality insulation on a conductor or conductor bundle of rotating electrical machines, in which inner corona, insulation andparticularlyglimmschutz be applied with respective layer thicknesses of ⁇ 0.2 mm in successive immersion in a vortex sinter , The sintering and the curing are carried out at temperatures of about 200 ° C, so that materials can be used, wel ⁇ che meet the demands made on the isolation of such conductors or conductor bundles of rotating electrical machines requirements.
  • a faultlessness of the individual layers is ensured by the manufacturing process, in particular by the selected layer thickness of the Ein ⁇ zellagen so that no partial discharges may occur that would otherwise lead to damage to the insulation.
  • WO 2001/48895 A1 has a method for producing a high-quality insulation for conductors or conductor bundles, wherein a conductor or conductor bundle to be coated is mounted on a turning and holding device, an insulation with a desired layer thickness profile on the preheated conductor or Conductor bundles by means of a spray gun arranged on an adjustable positioning unit. is introduced, wherein in the applying a combinatorial ⁇ ned movement of spray gun and conductor or conductor bundle by means of the moving part and the turn and Garvorrich ⁇ processing or a movement of the spray gun alone is effected either by means of the traversing unit, and the deposited layers are cured.
  • the Ver ⁇ drive for producing the magnetic coil for an electromagnetic rotor comprises a) providing a magnetic coil comprising a plurality of layers of copper bars; b) coating the plurality of layers of the magnetic coil with a powder resin having a dielectric strength of at least about
  • DE 100 23 207 A1 describes a method for applying the main insulation of Spulenurformen, in particular for stator windings, wherein the Spulenurform has a rectangular cross-section and the main insulation consists of elastomer. In a preferred manner, the jacket is made with a silicone elastomer.
  • DE 100 23 208 A1 has a method for applying the
  • Main insulation of conductor bars to the object in particular of conductor bars for stator windings, wherein the conductor bars have a rectangular cross-section.
  • a finite conductor bar is placed in an injection mold centering the conductor bar in the injection mold such that a cavity for receiving an insulating material remains between the conductor bar and the injection mold, and the cavity is filled with an elastomer to form the main insulation.
  • DE 10 2008 003 784 A1 describes a method and a device for casting stators for electric motors with internal runners.
  • the device comprises an axis of rotation, a driving means for rotationally driving the rotation axis and attached to the axis of rotation ⁇ brought holding means for longitudinal axial clamping a stator.
  • the stator is clamped in the holding device and set for the casting with flowable potting compound by means of the drive device in rotation.
  • the method is based on that the stator is rotated about its longitudinal axis during and / or after the introduction of flowable potting compound in such a way that the potting compound is cavity-filling and evenly distributed during the Rotationsgussvorgangs. This makes it possible to completely shed egg ⁇ nen stator without a subsequent stator through hole must be attached.
  • the potting compound reliably fills the stator winding and cavities and forms a smooth surface facing the rotor.
  • Forming winding heads which are embedded in a potting compound, insbesonde ⁇ re resin, wherein the laminated core has at its ra ⁇ dial outer region at least one axially extending Ausneh ⁇ tion with a circumferentially closed contour up.
  • a molding compound with a Harzkompo ⁇ component wherein the resin component is a mixture of at least one bisphenol diglycidyl ether, at least one constitutional isomers of diphenylmethane diisocyanate or a mixture of a plurality of structural isomers of diphenylmethane diisocyanate and homologues having 3, 4 or more phenyl groups, wherein the proportion of Bisphenol diglycidyl ether on the resin component 7 wt .-% to 30 wt .-%, preferably
  • 9 wt .-% to 27 wt .-% is, as well as a reaction accelerator with a content of 0.5 wt .-% to 15 wt .-%, preferably 3 wt .-% to 10 wt .-%, based on the weight of the filler-free resin component.
  • the sealing compound is characterized in that it includes a filler component, wherein the proportion of the filling ⁇ material component in the total weight of the sealing compound 50 wt .-% to 95 wt .-%, preferably 60 wt .-% to 90 wt .-%, particularly preferably 60% by weight to 80% by weight, and the filler component comprises a first filler fraction, wherein the first filler fraction is native and / or epoxy-functional, amorphous fused silica having a mean particle diameter value in the range of 10 nm to 1000 ⁇ m, and
  • the filler component comprises at least one second Golfstofffrak ⁇ tion, wherein the second filler fraction is selected from at least one member of the group consisting of native amorphous fused silica, epoxy-functionalized amorphous fused silica, quartz powder, alumina, dolomite, chalk, Glasper ⁇ len, boron nitride, wollastonite, zeolite, and polysiloxane ym with egg ⁇ nem value for the mean particle diameter in the range of 10 nm to 1000,
  • mean particle diameter of the second filler fraction is smaller by at least a factor of 2.5 than the mean particle diameter of the first filler fraction.
  • LCTE linear coefficient of thermal expansion
  • the dynamic processing viscosities of the prepolymers potting compound is at 80 ° C advantageously below about 1000 cp and 1 Pa * s.
  • Herge ⁇ presented molding materials have exceptionally good part ⁇ discharge resistance, high contact resistances, low Water absorption capacity, high rigidity, acceptable fracture mechanics and thermophysical properties as well as excellent hydrolysis properties.
  • the potting compound contains as bisphenol diglycidyl ether
  • Bisphenol A diglycidyl ether bisphenol F diglycidyl ether or a mixture thereof.
  • a finished potting compound should have a dynamic viscosity in the range of 1000 mPa ⁇ s ("milliPascal seconds") or lower at about 80 ° C.
  • Such a viscosity range can be achieved in a particularly advantageous manner by using bisphenol F diglycidyl ether or a mixture of bisphenol F diglycidyl ether with bisphenol A diglycidyl ether.
  • the mean particle diameter of the first filler fraction has a value in the range from 1 .mu.m to 1000 .mu.m.
  • the average particle diameter of the second filler fraction has a value from the range of 1 ym to 1000 ym comprising, it is smaller in accordance with an advantageous wide Erbil ⁇ dung to the invention by a factor of 2.5 to 15 than the average particle diameter of the first filler fraction ,
  • Casting compound produced shaped body, which is very desirable in the context of the present invention.
  • the first te and the second filler fraction in a range of 80 vol .-% to 20 vol .-% up to 60 vol .-% to 40 vol .-% enthal ⁇ th, wherein the first filler fraction in the filler component with the higher specified Vol. -% - Share is included.
  • the filler component of the sealing compound at least one third filler fraction to the third filler fraction is selected from at least one of ⁇ member of the group consisting of native amorphous fused silica, epoxy-functionalized amorphous fused silica, alumina, zeolite, and polysiloxane having a Value for the average particle diameter from the range of 10 nm to 1000 ym, wherein the mean particle diameter of the third filler fraction is at least a factor of 2.5 smaller than the mean particle diameter of the second filler fraction.
  • ge ⁇ means that the factor within the permissible ranges of values for the average particle diameter of any value, ie 2.5 or greater can accept.
  • the average particle diameter of the third filler fraction has a value in the range from 1 .mu.m to 1000 .mu.m, the average particle diameter of the third filler fraction is smaller by a factor of 2.5 to 15 than that of the average particle diameter the second filler fraction.
  • a packing coefficient-optimized filling ⁇ fuel fraction with a packing coefficient of up to more than 75 vol .-% can, preferably more than 77 vol .-%, particularly forthcoming more than 80% by volume (as determined by Lee ID, Journal of Paint Technology 42, No. 550 (1970), 579). The higher the degree of filling of the potting compound, the stiffer and more resistant to fracture becomes the composite produced from it.
  • the potting compound can be used as a reaction accelerator at least one catalytically active compound and / or a (sensitive and / or latent-acting) accelerator having a content of 0.5 wt .-% to 15 wt .-%, preferably 3 wt .-% to 10 wt .-%, based on the weight of the filler-free resin component added.
  • the present invention also encompasses the use of the potting compound according to the invention for potting a stator coil and / or a winding head for an electrical machine.
  • the present invention comprises a thermally cured composite obtainable from a potting compound according to the invention by polymerizing the resin component contained in the potting compound.
  • the present invention includes, inter alia, a molding compound comprising a resin component containing a mixture of at least one bisphenol diglycidyl ether and at least one constitutional isomers of diphenylmethane diisocyanate or a mixture of several Konstituti ⁇ onsisomeren of diphenylmethane diisocyanate and homologues having 3, 4 and more phenyl groups, wherein the proportion of bisphenol diglycidyl ether on the resin component is 7 wt .-% to 30 wt .-%, preferably 9 wt .-% to 27 wt .-%, and a reaction onsbevant with a content of 0.5 wt .-% to 15 wt .-%, preferably 3 wt .-% to 10 wt .-%, based on the weight of the filler-free resin component includes.
  • Bisphenol A diglycidyl ether bisphenol F diglycidyl ether or a mixture thereof.
  • Diphenylmethanediisocyanate are chemical compounds from the group of aromatic isocyanates Diphenylmethane diisocyanates are a mixture of several constitutional isomers, which differ in the position of the isocyanate groups.
  • Technical diphenylmethane diisocyanate also referred to as PMDI or Polymeric MDI is a mixture of 30 to 80% MDI and homologues with 3, 4 and more phenyl groups with decreasing concentration with increasing the chain length. Also PMDI can be used in the resin component of it ⁇ inventive sealing compound.
  • the filler ⁇ free resin component contains a proportion of bisphenol Diglycidy- ether to the filler-free resin component in the range of 7 wt .-% to 30 wt .-%, preferably 9 wt .-% to 27 wt .-%.
  • Anat (groups) content (NCO content) in an advantageous manner Be ⁇ range between 15 wt .-% to 30 wt .-%, preferably 19 wt .-% to 27 wt .-% ( determined according to 2011-0506601-95D).
  • reaction accelerator any suitable compound or mixture of compounds by which the crosslinking reaction for forming a composite can be accelerated can be used. All compounds or mixtures of compounds can be used as a reaction accelerator, therefore, which are known as suitable catalysts or Accelerat ⁇ niger (reactive curing agent) for the crosslinking reaction.
  • suitable catalysts or Accelerat ⁇ niger (reactive curing agent) for the crosslinking reaction Tertiary amines and imidazoles are known as suitable catalytically active compounds. Examples of tertiary amines are tetramethylethylenediamine, dimethyloctylamine,
  • Suitable imidazoles are, for example, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 1,2-dimethylimidazole, 1, 2, 4, 5-tetramethylimidazole, 1-benzyl-2-phenylimidazole, 2-undecylimidazole, 2-heptadecylimidazole, 2-ethyl-4- methylimidazole, 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole, 1-cyanoethyl-2-phenylimidazole and 1- (4,6-diamino-s-triazinyl-2-ethyl) -2-phenylimidazole.
  • onium salts preferably onium salts with N or P as the central atom.
  • onium salts are: tetraethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, octyltrimethylammonium bromide,
  • Benzyltrimethylammonium chloride tetrabutylphosphonium bromide, N-ethylmorpholinium bromide, 2-ethyl-4-methylimidazolium bromide, N-ethylmorpholinium tetraphenylborate, 1, 2-dimethylimidazolium tetraphenylborate and
  • Tetrabutylammonium tetraphenylborate Tetrabutylammonium tetraphenylborate.
  • Suitable reactive curing agents are, for example, those based on one or more (aliphatic, cycloaliphatic, heterocyclic) amine derivatives having two or more primary and / or secondary amine groups, such as one or more
  • Polyamine s
  • modified polyamine s
  • polyamidoamine s
  • amine reaction accelerators e.g., based on tertiary amines
  • amine reaction accelerators are used for instant gelation or latent catalysts. This allows gelation at temperatures between 60 ° C and 120 ° C (eg at 60 ° C, 65 ° C, 70 ° C, 75 ° C, 80 ° C, 85 ° C, 90 ° C, 95 ° C , 100 ° C, 105 ° C, 110 ° C, 115 ° C, 201 ° C).
  • latent (curing) catalysts are meant those which ensure a sufficient service life at low temperatures.
  • catalysts also referred to as latent reaction accelerators
  • addition complexes of boron trihalides are suitable with tertiary amines and imidazoles, eg.
  • arylaliphatic radicals which may be in pairs of heterocyclic rings. Also suitable are the analogous complexes of boron trifluoride of the formula
  • BF 3 • NR 1 R 2 R 3 where R 1 , R 2 and R 3 have the abovementioned Be ⁇ meanings.
  • suitable tertiary amides ne of the BF 3 and BCl 3 complexes are octyldimethylamine and dimethylbenzylamine.
  • N-methylmorpholine N-ethylmorpholine, 1, 2-dimethylimidazole and l-benzyl-2-phenylimidazole are suitable for the formation of BCI3- and / or BF 3 complexes.
  • An extension of the service life can also be achieved if tertiary amines or imidazoles are used as latent catalysts ⁇ ren, which are deactivated by the addition of electron acceptors.
  • Suitable electron acceptors are, for example, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, 2, 3-dichloro-5,6-dicyanobenzoquinone and 2, 3, 5, 6-tetrachlorobenzoquinone.
  • Blendurkat 3-4523 (contains dibenzylmethylamine; Bayer AG) as commercially available examples of suitable Reakti ⁇ onsbevanter mentioned Blendurkat 901 K may be mentioned here 33rd
  • the reaction accelerator may preferably be incorporated at a level of from 0.5% to 15%, preferably from 3% to 10% by weight, based on the weight of the filler-free resin component.
  • the filler-free Harzkompo ⁇ nente is thus preferably from 7 wt .-% to 30 wt .-%, preferably 9 wt .-% to 27 wt .-% bisphenol-diglycidyl ether, 0.5 wt .-% to 15 wt. %, preferably 3 wt .-% to 10 wt .-% reaction accelerator, and 55 wt -.% To 92.5 wt. ⁇ 6 of at least one constitutional isomer of
  • the potting compound of the invention comprises a filler component, wherein the proportion of the filler component in the total weight of the potting compound 50 wt .-% to 95 wt .-%, preferably 60 wt .-% to 90 wt .-%, particularly preferably
  • the filler be ⁇ tains a first filler fraction, the first filler material fraction native and / or epoxy-functionalized, amor ⁇ PHEs fused silica with a value for the mean
  • Particle diameter is in the range of 10 nm to 1000 ym.
  • the first filler fraction thus has an average particle diameter (d 5 o%) selected from a value comprised in the range of 10 nm to 100 ym.
  • the lower limit of the stated range may also be 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm or 1000 nm.
  • the upper limit of angege ⁇ surrounded region may also ym 900, 800 ym, 700 microns, 600 ym, 500 ym, 400 ym, 300 ym, 200 ym or 100 ym amount.
  • the ranges encompassed by the present invention can be formed by a combination of any of the lower and any of the upper limits given.
  • epoxy-functionalized amorphous silica is preferred.
  • a filler is prepared by the oxide surface of the filler particles ⁇ is saturated with a coupling reagent to Epoxysilanbasis.
  • the surface of the filler ⁇ particles covalently reacts with the Silanteil of the coupling reagent.
  • the result is usually a free, pointing away from the surface of the filler oxirane per Kupplungsmole ⁇ kül.
  • These oxirane units can then react with the (P) MDI.
  • the filler particles disperse significantly better into the resin.
  • LCTE linear thermal expansions
  • LCTE which corresponds to that of steel, ie about 12 ppm / ° C, ideal. Since the unfilled polymer usually has a LCTE of 60-100 ppm / ° C ⁇ , a filler having a particularly low LCTE must be ⁇ be introduced. Commercial and cheap fillers are quartz. A distinction is made here between crystalline quartz (so-called quartz powder) and amorphous quartz (fused silica, fused silica). The latter has an LCTE of 0.6 ppm / ° C, while quartz flour 12-14 ppm / ° C. Are you, for example, 61 wt.
  • the invention provides for advantageously combining two or three filler fractions having different particle diameters.
  • fillers are combined with one another in such a way that a filler fraction of smaller diameter fills the gussets of a type which is larger in the particle diameter.
  • the average particle diameter of the first, second and third filler fraction lies in the microscale range, ie has a value in the range from 1 .mu.m to 1000 .mu.m
  • a filler particle diameter optimization is advantageous. It is therefore provided according to an advantageous development of the invention that in the case of a bimodal filler component, wherein the first and second filler fraction each have a value for the average particle diameter from the range of 1 ym to 1000 ym, the average particle diameter of the particles of the second Filler fraction by a factor of 2.5 to 15 is smaller than the average particle ⁇ diameter of the first Grestofffr syndrome.
  • the mean particle diameter of the second filler fraction is preferably smaller by a factor of 6-8 (factor 6, 7 or 8) than the mean particle diameter of the first filler fraction.
  • filler particle diameter is achieved when the filler component contains the first and second filler fractions in a range of from 80% by volume to 20% by volume to 60% by volume to 40% by volume, with the first Filler fraction in the filler component with the higher specified vol. -% - Share is included.
  • Such a powder mixture could then at ⁇ example as 61 wt .-% strength in admixture 39 wt .-% filler material ⁇ clear resin matrix disperse, wherein nied- significantly complicated viscosities would be obtained than with a monomodal filler.
  • the casting compound according to the invention a third filler fraction having a value for the average particle diameter from the range of 10 nm to 1000 ym, preferably 100 nm to 150 ym.
  • a trimodal (three-component) filler component is realized.
  • the third filler fraction s a value for the mean particle diameter in the range of 1 ym to 1000 ym, it is advantageous when the mitt ⁇ sized particle diameter of the third filler fraction by a factor of 2.5 to 15, preferably the factor 6-8 (factor 6, 7 or 8) is smaller than the mean particle diameter of the second filler fraction.
  • a filling Material particle diameter optimization be advantageous in which the average particle diameter of the second filler component by a factor of 2.5 to 15 (preferably by a factor of 6 to 8) is smaller than the average particle diameter of the first Grestofffr syndrome, and the average particle diameter of the third filler third by a factor of 2.5 to 15 (preferably by a factor of 6 to 8) is smaller than the mean ⁇ re particle diameter of the second filler fraction.
  • each of the filler fractions should have an average particle diameter in the range from 1 .mu.m to 1000 .mu.m
  • powders with suitable mean particle diameters are selected for the individual filler components.
  • a first filler fraction having a mean particle diameter must be selected by dividing by the factor for the second filler ⁇ fraction remains a value of at least 1 ym for the mean particle diameter.
  • the average particle diameters for a trimodal filler component must be chosen.
  • a mean particle diameter of not smaller than 6.25 ym can be selected.
  • a trimodal filler filling the first ⁇ material fraction is preferably in a range of 60 vol .-% to 80 vol .-% in the filler component included.
  • the second and third filler fraction are present in their total with up to 100 vol .-% missing share.
  • the trimodal filler component may be about 70% by volume of a powder having a mean particle diameter of 700 ⁇ m, about 21% by volume of a powder having a mean particle diameter of 100 ⁇ m powder and about
  • Another example of a trimodal filler may comprise about 67 vol .-% of a powder having an average Parti ⁇ kel penmesser of 105 ym, about 10 vol .-% of a powder having an average particle diameter of about 38 .mu.m and about 23 vol .-% of a Powder with a mean particle diameter of 1.4 ym included.
  • the mean particle diameter of the first filler fraction is in the range of 1 ⁇ m and 1000 ⁇ m
  • the second or third filler fraction has particles with a mean particle diameter in the nanoscale range, that is in the range from 10 nm to 999 nm, 10 nm to 900 nm, 10 nm to
  • 800 nm, 20 nm to 700 nm, 20 nm to 600 nm, 20 nm to 500 nm, 20 nm to 400 nm, 20 nm to 300 nm, 20 nm to 200 nm or 20 nm to 100 nm, is basically not a particle diameter Server optimization required.
  • the mean particle diameter of "nanoparticles" in the specified range and given size ratio can be chosen practically arbitrary, since nanoparticles always fit in the gussets of the larger particles, ie by the addition of nanoparticles can always be achieved a lowering of the viscosity.
  • powder fractions always have a certain particle size distribution, so that the proportions can vary depending on the powder fractions used.
  • a total together it is desirable to provide a packing coefficient-optimized te filler component with a packing coefficient min ⁇ least 77 vol .-%, preferably of more than 80 vol .-% (ermit ⁇ telt by Lee ID; Journal of Paint Technology 42, no. 550 (1970), 579). The higher the degree of filling of the powder mixture, the stiffer and more resistant to fracture the Automatkomposit.
  • the second filler fraction and the third filler fraction may each be selected from any suitable powder or powder mixture.
  • the second filler fraction is selected from at least one member of the group consisting of native amorphous fused silica, epoxy-functionalized amorphous fused silica, quartz flour, alumina, dolomite, chalk, glass beads, boron nitride, wollastonite (acicular), zeolite and polysiloxane, and is the third filler fraction selected from at least a member of the group consisting of native amorphous fused silica, epoxy-functionalized amorphous fused silica, alumina, zeolite and polysiloxane.
  • amorphous native or epoxy-functional fused silica is preferred.
  • the use of one or more zeolites in the second and / or third filler fraction is also advantageous. It is possible to use expansive fillers (such as e.g.
  • Fused silica with thermally contracting fillers (such as zeolites).
  • thermally contracting fillers such as zeolites.
  • the inventors of the present invention were able to produce epoxy resin composites having an LCTE of about 16 ppm / ° C, which corresponds to the expansion of copper, through a combination of one or more thermally contracting fillers and one or more thermally expanding fillers. As a result, the risk of cracking due to thermal shock can be significantly reduced or even eliminated.
  • a temperature-stable polymeric filling ⁇ material is used as the second and / or third filler fraction, for example a temperature-stable polysiloxane in powder form.
  • the viscosity of the mixture decreases and at the same time the fracture resistance of the finished composite ⁇ increased.
  • the reason could be that the relatively "soft" polysiloxane particles (compared to other, “harder” particles) have a positive effect on the crack resistance.
  • an addition amount of about 0.1 wt% to 15 wt%, preferably 1 wt% to 10 wt% based on the total mass of the filler component may be sufficient.
  • the inventive molding compound can be a fused silica for example, in an advantageous manner as the first filler fraction, preferably an epoxy-functionalized fused silica, with ei ⁇ nem value for the mean particle diameter of the loading range from 100 ym to 200 ym, as the second filler fraction is a polysiloxane powder having an Value for the average particle diameter from the range of 30 ym to 65 ym, and as a third filler fraction a fused silica, preferably an epoxy-functional fused silica, be used with a value for the average particle diameter in the range of 12 ym to 25 ym.
  • the first filler fraction (fused quartz, preferably an epoxy-functionalized fused silica, with a value for the mean particle diameter in the range of 100 ym to 200 ym) with a proportion of about 60 vol .-% to 70 vol .-%
  • the second filler fraction (polysiloxane powder having a value for the mean particle diameter from the range of 30 ym to 65 ym) in a proportion of about 5 vol .-% to 10 vol.
  • a multimodal filling ⁇ material component comprises at least a first filler fraction native and / or epoxy-functionalized amorphous fused silica, and as a second filler fraction is a member selected from the group consisting of native amorphous fused silica, epoxyfunk- tionalinstrumentem amorphous fused silica, quartz powder, alumina, dolomite, Chalk, glass beads, boron nitride and wollastonite.
  • the particles in the first and second filler fractions preferably have a substantially spherical (globular) form.
  • SILBOND 126 EST is Quarzwerke GmbH.
  • This epoxy-functionalized quartz powder has an upper grain size d 95 % of 94 ym and a mean grain size dso % of 22 ym.
  • the multi-modal filler component according to this example comprises a third filler fraction comprising polysiloxane particles having a particle diameter of about 100 nm to 150 ⁇ m.
  • the third filler fraction may also be formed from such a micro-scale and a nanoscale portion.
  • the proportion of the polysiloxane filler fraction in the total amount of the filler component is according to this preferred example between 0.1 wt .-% and 15 wt .-%, preferably between 1 wt .-% and 10 wt .-%, more preferably between 1 wt .-% and 5 wt .-%.
  • the multimodal filler component according to this preferred example has a maximum packing coefficient (determined by Lee ID) of 77 vol.% Or higher, about 78 vol.%, 79 vol.%, 80 vol.%, 81 vol. %, 82 vol.% Or 83 vol.%.
  • the proportion of the filler component in the total amount of potting compound is in this preferred example of 60 wt .-% to 80 wt .-%.
  • polysiloxane particles to the resin component can be accomplished in any suitable manner. For example, with the help of one or more epoxy batches
  • deagglomerated polysiloxane particles are introduced.
  • suitable example of this is mentioned KANE ACE ® MX 960 from Kaneka Texas Corporation.
  • polysiloxane particles may suitably be accomplished by incorporation of dry polysiloxane powder.
  • suitable example is the impact-modified additive is RES IN MODIFIER 4-7081 ® DOW CORNING Corporation mentioned.
  • thermoset test pieces sattgel ⁇ ben appearance The specimens were examined for electrical, fracture and thermomechanical characteristics. The results are shown in the table below.
  • Prepolymer encapsulants with different filler content were characterized viscometrically by Searle geometry at 80 ° C. The dynamic viscosities of these quartz-filled, prepolymeric potting compounds are shown in the figure.
  • the usable for the inventive molding compound resin ⁇ components, curing components and fillers are either commercially available or can be easily prepared even by mixing appropriate commercially available starting materials by a skilled artisan.
  • Thermal class H / 200 ° C (thermal class N) materials are known to the person skilled in the art and have been used for a long time to prepare highly heat-resistant laminate composites, in particular in traction machines. These include, for example, the additive-crosslinking, thermosetting silicone resins and / or polyester resins for the mentioned impregnation and impregnation applications. These materials have the disadvantage that they are not tempering ⁇ bar in thick layers without generating cracks. Polyester resins, for example, show pronounced brittleness due to their reaction shrinkage and are therefore only usable for drizzling and impregnation of mica laminates.
  • Silicone resins are characterized by the fact that they possess na ⁇ hezu no reaction shrinkage. Due to the high thermal expansion, however, they are unusable for the casting of large components. For acceptable gelling Tempe ⁇ temperatures are to be applied of at least 160 ° C, followed by a 12 to 16 hour curing period. When cooled to room temperature, the encapsulated insulation shrinks to considerable extent according to the zugrun ⁇ de roofing, thermal expansion coefficient. Since silicone resins also have only low resistance to fracture mechanics, this process of cooling at steps and edges, eg at the groove exit or end winding area, leads to mechanical stresses which lead to the material being torn off and thus render the insulation at the field-concentrated part electrically unusable.
  • filler-enriched silicone resins have (linear) thermal expansion coefficients LCTE in the range of
  • thermosetting silicone resin with 50% by weight amorphous fused silica (LCTE about 0.6 ppm / ° C) in the cured state still shows a total LCTE of about 100 ppm / ° C. With a stator slot length of 500 mm, this corresponds to a thermal contraction of approx. 8 mm.
  • the LCTE values are much higher for the same filler loading, so that filling ratios of 80% by weight and / or higher are required for comparable composite expansions.
  • an in Tempe ⁇ ratur Scheme is the formulation of 60 to 80 ° C very good castable prepolymer provided that can be used as a sealing compound for a round and / or flat wire form coil Statorvollverguß in electrical machinery and after the thermal Curing represents an insulation material that has a classification in the thermal class 200 ° C according to IEC
  • a composite is re ⁇ alrote by the casting compound according to the invention, which has a glass transition temperature of 250 ° C or higher with low thermal expansion and is thus prevented that when heated to typical Be ⁇ operating temperatures (short-term up to 270 ° C) of the encapsulation - NEN, electrical machine, the dimensional stability of Isolati ⁇ onstechnikstoffs is lost. This is particularly important for ensuring the gap between Statornutausgang and rotor to avoid contacts during operation.
  • the potted coils must be permanently embedded to form an optimal, magnetic field at a defined distance of about 0.85 mm to the laminated core.
  • a potting compound which comprises a mixture of epoxy resins based on
  • formulations can be contacted with generally nitrogen-based reaction accelerators, in particular based on tertiary amines and / or latent catalysts for the reaction, with highly heat-resistant Formstof ⁇ fe result. Due to the relatively high content of filler, the thermal expansion of the cured composites with LCTE values of 30 ppm / ° C or less is very low, the dynamic processing viscosities of the prepolymers
  • Such prepared molding materials possess extraordinary part ⁇ discharge resistance, high volume resistance, low water absorption, high stiffness, acceptable fracture-mechanical and thermo-physical property characteristics such as excellent hydrolysis ⁇ .
  • the present invention provides a new and advantageous thermally cured composite obtainable from a potting compound according to the invention by polymerizing the resin component contained in the potting compound. Due to the invention available, thermally hardened ⁇ th composite new and advantageous electrical Ma ⁇ machines can be provided, which have at their stator and / or its end winding one invention shown SEN, thermally cured composite.

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Abstract

Vergussmasse, Verwendung der Vergussmasse und thermisch gehärteter Komposit erhältlich aus der Vergussmasse Die Erfindung betrifft eine Vergussmasse mit einer Harzkomponente enthaltend eine Mischung aus wenigstens einem Bisphenol-Diglycidylether, wenigstens einem Konstitutionsisomeren von Diphenylmethandiisocyanat oder einem Gemisch von mehreren Konstitutionsisomeren von Diphenylmethandiisocyanat und Homologen mit 3, 4 und mehr Phenylgruppen, wobei die Vergussmasse eine Füllstoffkomponente mit einer ersten Füllstofffraktion beinhaltet, wobei die erste Füllstofffraktion natives und/oder epoxyfunktionalisiertes amorphes Quarzgut mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 µm ist, und die Füllstoffkomponente wenigstens eine zweite Füllstofffraktion aufweist, wobei die zweite Füllstofffraktion ausgewählt ist aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Quarzmehl, Aluminiumoxid, Dolomit, Kreide, Glasperlen, Bornitrid, Wollastonit, Zeolith und Polysiloxan mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 µm, wobei der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion um wenigstens den Faktor 2,5 kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion..

Description

Beschreibung
Vergussmasse, Verwendung der Vergussmasse und thermisch ge¬ härteter Komposit erhältlich aus der Vergussmasse
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vergussmasse, eine Verwendung der Vergussmasse, sowie einen thermisch gehärteten Komposit erhältlich aus der Vergussmasse. Elektrische Maschinen, die der Umwandlung von Strom in mechanische Energie zur Erzeugung rotierender und/oder translatorischer Bewegung dienen ( "elektromechanischer Wandler"), bestehen in aller Regel aus einem fixem Stator und einem darin rotierendem Rotor. Der Stator ist dabei oftmals mit Nuten durchzogen, in denen zueinander isolierte, speziell miteinander verschaltete, metallische Leiter (meist Kupferleiter) in Form von gestapelten Windungen (sog. Formspulen) eingebracht sind, die durch Bestromung ein im Kreis umlaufendes, den zentral gelagerten Rotor durchdringendes Magnetfeld induzieren.
Durch Abstoßungskräfte des Rotormagnetfeldes vom Statormag¬ netfeld wird Drehbewegungsenergie hervorgerufen, die zum An¬ trieb verwendet werden kann. Da der Stator, der für gewöhnlich aus speziell gestanzten und gestapelten Elektroblechen aufgebaut ist, auf Erdpotential liegt, die Leiter in den Nu¬ ten jedoch aktiv mit Potentialen bis in den Kilovoltbereich hinein angesteuert werden, muss eine Isolierung zwischen den gestapelten Kupferspulen und dem sog. Blechpaket ausgebildet werden, die zum einen gegen elektrische Durchschläge resis- tent ist, zum anderen jedoch auch mechanischen Beanspruchungen standhält.
Für Bahnmaschinen ist eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren avisiert und dementsprechend muss die Isolierung elektrischen Teilentladungsbeanspruchungen sowie thermomechanischen Belastungen standhalten, um der Bildung von Rissen und Erosionskanälen elektrischen und/oder mechanischen Ursprungs entgegen- zuwirken, die zu Kurzschlüssen führen und die Maschine unbrauchbar machen würden.
Um eine teilentladungsbeständige und mechanisch beanspruchba- re Isolation um die aufeinander gestapelten Teilleiter der
Formspulen zu realisieren, bedient man sich oftmals einer Umwicklung des später in den Nuten eingelegten Leiterbündelteils mit teilentladungsresistenten Glimmerbändern. Dazu wird die aus dem sog. Spulenfisch gezogene Formspule händisch oder auch automatisiert bzw. teilautomatisiert in definiertem Überlapp mit Glimmerpapier auf Zug umsponnen und fixiert. Diese so präparierten Spulen werden manuell in die Nuten ein- gepasst, fixiert, elektrisch durch Löten verschaltet und der ganze Stator in einem sog. Global-VPI-Prozess mit einem ther- misch hoch beanspruchbaren Tränkharz (meist auf Polyester- und/oder Silikonbasis) möglichst fehlstellenfrei imprägniert und anschließend unter Wärmezufuhr ausgehärtet, wodurch ein Glimmerband-Harz-Komposit als Hauptisolation entsteht. Dieser Verbundwerkstoff zeichnet sich durch eine hohe Dauer¬ gebrauchstemperatur aus und bietet derzeit, als Gesamtsystem betrachtet, eine zulässige Verwendung unter "Wärmeklasse H"-Bedingungen gemäß den Anforderungen der IEC 60034-18-31 und -32.
Das Umwickeln der Teilleiterstapel sowie das nachträgliche Imprägnieren mit Tränkharz sowie die lange, thermische Här¬ tungsphase bei hohen Temperaturen zur Ausbildung der Glimmer- band-Leiter-Komposite ist ein langwieriger, bisweilen fehler- behafteter und teurer Prozess.
Die Umgehung dieses Nachteils des Stands der Technik ist seit langem und gegenwärtig noch das Ziel ausgedehnter Forschungs¬ und Entwicklungsvorhaben, die bereits einige technische Lö- sungsansätze hervorgebracht haben. beschreibt die WO 97/11831 AI ein Verfahren zum Extrudie- eines thermoplastischen Materials auf eine komplexe Form, bei der es sich bevorzugter Weise um einen Statorstab handelt, wobei (a) die komplexe Form mit einer Länge und mehr als einer Seite in eine Mittelbohrung eines Gesenks zugeführt wird, wobei die Mittelbohrung eine ausreichende Konfiguration aufweist, um das Gesenk entlang der komplexen Form bewegen zu können, (b) wenigstens ein thermoplastisches Material durch das Gesenk extrudiert wird, so dass es gleichzeitig auf jede Seite der komplexen Form abgeschieden wird und (c) das Gesenk entlang der gesamten Länge der komplexen Form bewegt wird.
Die DE 696 01 623 T2 hat ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors zum Gegenstand, bei dem eine Rotorbaugruppe auf einer Rotorwelle aufgebaut wird, wobei die Rotorbaugruppe La¬ ger aufweist, die nahe den Enden der Rotorwelle angeordnet sind; eine Zwischenstatorbaugruppe durch Zusammensetzen eines Stapels von Statorblechen mit Statorpolen geformt wird; die Statorpole isoliert und die Statorpole mit Statorwicklungen bewickelt werden; die Zwischenstatorbaugruppe in eine Form¬ haltevorrichtung eingesetzt wird, die einen inneren Hohlraum aufweist, der so geformt ist, dass er eine hintere Abschluss¬ kappe für die Statorbaugruppe und einen Dorn definiert, der durch die Mitte der Zwischenstatorbaugruppe vorsteht, um eine zentrale Bohrung zu bilden; die Statorbaugruppe nach dem Vor- formling durch Einspritzen von geschmolzenem thermoplasti- schem Harz unter Druck in die Formhaltevorrichtung spritzge- gosssen wird, wodurch der geschmolzene Kunststoff in die Zwischenstatorbaugruppe gepresst wird, um die Statorwicklun¬ gen einzubetten, innere Hohlräume zu füllen und den Formhohlraum zum Formen einer hinteren Anschlusskappe zu füllen; die Baugruppe abgekühlt wird, um den geschmolzenen Kunststoff zu einer Kunststoffmasse erstarren zu lassen, wobei die Kunst¬ stoffmasse sich bis zu der geformten Abschlusskappe erstreckt und diese einschließt; durch spanendes Bearbeiten eine Durch¬ gangsbohrung durch die Mitte der formgepressten Statorbau- gruppe angebracht wird, um eine konzentrische Bohrung für die Rotorbaugruppe herzustellen, wobei die Bohrung außerdem Montageflächen zur Aufnahme der Lager der Rotorbaugruppe erzeugt; und die Rotorbaugruppe in die Statorbaugruppe durch Einsetzen der Rotorbaugruppe in die Durchgangsbohrung eingebaut wird und das Rotorlager mit den Montageflächen in Eingriff gebracht wird. Aus der DE 197 48 529 AI ist eine elektrische Maschine be¬ kannt, die mehrere Wickeldrähte aufweist, wobei die Wickel¬ drähte mit mindestens einer im Extrusionsverfahren in vorgebbarer Schichtdicke aufgebrachten Isolierschicht porenfrei be¬ schichtet sind, die Isolierschicht aus wenigstens einem Ther- moplast und/oder Hochtemperaturthermoplast besteht, der Ther¬ moplast und/oder Hochtemperaturthermoplast eine gute Bindung zu Imprägniermitteln aufweist, der Thermoplast und/oder Hochtemperaturthermoplast eine amorphe oder teilkristalline
Struktur aufweist und/oder ihm Füllstoffe beigemischt sind.
Die WO 2001/48897 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung auf einem Leiter oder Leiterbündel von rotierenden elektrischen Maschinen, bei dem in aufeinanderfolgenden Tauchdurchgängen in einem Wirbelsinter- becken Innenglimmschutz , Isolierung und Außenglimmschutz mit jeweiligen Lagendicken von <0,2 mm aufgebracht werden. Das Sintern sowie die Aushärtung erfolgen mit Temperaturen von ca. 200°C, so dass Materialien verwendet werden können, wel¬ che die an die Isolierung derartiger Leiter oder Leiterbündel von rotierenden elektrischen Maschinen gestellten Anforderungen erfüllen. Darüber hinaus ist durch das Herstellungsverfahren, insbesondere durch die gewählte Schichtdicke der Ein¬ zellagen eine Fehlerfreiheit der Einzellagen gewährleistet, so dass keine Teilentladungen auftreten können, die ansonsten zu einer Beschädigung der Isolierung führen würden.
Die WO 2001/48895 AI hat ein Verfahren zur Herstellung einer hochwertigen Isolierung für Leiter oder Leiterbündel zum Gegenstand, wobei ein zu beschichtender Leiter oder Leiterbün- del auf einer Dreh- und Haltevorrichtung montiert wird, eine Isolierung mit einem gewünschten Schichtdickenprofil auf den vorgeheizten Leiter oder Leiterbündel mittels einer auf einer einstellbaren Verfahreinheit angeordneten Sprühpistole aufge- bracht wird, wobei bei dem Aufbringen entweder eine kombi¬ nierte Bewegung von Sprühpistole und Leiter oder Leiterbündel mittels der Verfahreinheit sowie der Dreh- und Haltevorrich¬ tung oder eine alleinige Bewegung der Sprühpistole mittels der Verfahreinheit erfolgt, und die aufgebrachten Schichten nachgehärtet werden. Mittels dieses Sprühsinterverfahrens ist es möglich, Innenglimmschutz , Isolierung und Außenglimmschutz auf Leitern oder Leiterbündeln aufzubringen, bei denen aufgrund eines sehr geringen Fehlstellengehalts der Isolierung und ihrer härenten Resistenz gegen Teilentladungen auf die Verwendung von Wickelverfahren mit Glas/Glimmerbändern verzichtet werden kann. Dadurch entfällt die Verwendung aufwendiger Spezialgeräte und es werden wesentliche Verkürzungen bei den Durchlaufzeiten möglich.
Aus der WO 2001/82449 AI sind Magnetspulen für einen elektro¬ magnetischen Rotor bekannt, die mehrere Windungen aufweisen, die alle im Wesentlichen vollständig mit einem Pulverharz beschichtet sind, das eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit im Bereich von wenigstens 1000-1500 v/mil aufweist. Das Ver¬ fahren zum Herstellen der Magnetspule für einen elektromagnetischen Rotor umfasst a) Bereitstellen einer Magnetspule, die mehrere Lagen an Kupferstäben aufweist; b) Beschichten der mehreren Lagen der Magnetspule mit einem Pulverharz, das eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit von wenigstens etwa
1000-1500 v/mil aufweist; und c) Aushärten des Pulverharzes.
Die DE 100 23 207 AI beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen der Hauptisolierung von Spulenurformen, insbesondere für Statorwicklungen, wobei die Spulenurform einen rechteckigen Querschnitt aufweist und die Hauptisolierung aus Elastomer besteht. In bevorzugter Weise erfolgt hierbei die Ummantelung mit einem Silikonelastomer. Die DE 100 23 208 AI hat ein Verfahren zum Aufbringen der
Hauptisolierung von Leiterstäben zum Gegenstand, insbesondere von Leiterstäben für Statorwicklungen, wobei die Leiterstäbe einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Bei dem Verfahren wird ein endlicher Leiterstab in eine Spritzgussform eingebracht, der Leiterstab in der Spritzgussform zentriert, so dass zwischen Leiterstab und Spritzgussform ein Hohlraum zur Aufnahme eines Isoliermaterials verbleibt, und der Hohlraum mit einem Elastomer zur Ausbildung der Hauptisolierung aufgefüllt.
Die DE 10 2008 003 784 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verguss von Statoren für Elektromotoren mit innenliegenden Läufern. Hierbei umfasst die Vorrichtung eine Rotationsachse, eine Antriebseinrichtung zum drehenden Antrieb der Rotationsachse und eine an der Rotationsachse ange¬ brachte Halteeinrichtung zum längsaxialen Einspannen eines Stators. Zum Verguss wird der Stator in die Halteeinrichtung eingespannt und für den Verguss mit fließfähiger Vergussmasse mittels der Antriebseinrichtung in Rotation versetzt. Das Verfahren beruht darauf, dass der Stator um seine Längsachse während und/oder nach dem Einbringen von fließfähiger Vergussmasse so in Rotation versetzt wird, dass die Vergussmasse während des Rotationsgussvorgangs hohlraumausfüllend und gleichmäßig verteilt wird. Hierdurch wird es ermöglicht, ei¬ nen Stator voll zu vergießen, ohne dass eine nachträgliche Statordurchgangsbohrung angebracht werden muss. Daneben ergibt sich der Vorteil, dass die Vergussmasse die Statorwick- lung und Hohlräume zuverlässig ausfüllt und eine glatte dem Rotor zugewandte Oberfläche ausbildet.
Und aus der EP 2 113 991 AI ist ein Blechpaket eines Stators einer dynamoelektrischen Maschine mit in Nuten angeordneten Wicklungen bekannt, die an den Stirnseiten des Blechpakets
Wickelköpfe ausbilden, die in einer Vergussmasse, insbesonde¬ re Harz eingebettet sind, wobei das Blechpaket an seinem ra¬ dial äußeren Bereich zumindest eine axial verlaufende Ausneh¬ mung mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen Kontur auf- weist.
Als Vergussmasse wird gemäß der EP 2 113 991 AI ein thermisch härtbares Epoxidharz mit darin dispergierter Füllstofffrakti- on beschrieben, die eine Wärmeklasseeinstufung "F" nach IEC 60034-18-21 aufweist. Elektrische Maschinen, insbesondere für Bahnanwendungen, müssen jedoch stetig harscheren thermischen und mechanischen Anforderungen genügen.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vergussmasse für Statorvollvergüsse zur Verfügung zu stellen, die als Prepolymer lunkerfrei und dünnflüssig vergießbar ist und im ausgehärteten Zustand eine vergleichbare und/oder höhere thermische Dauergebrauchstemperatur aufweist als der Stand der Technik, dabei teilentladungsresistent über lange Zeit¬ räume ist und ein hervorragendes thermo- sowie bruchmechani¬ sches Eigenschaftsportfolio besitzt. Diese Aufgaben werden gelöst durch die Vergussmasse gemäß An¬ spruch 1, die Verwendung der Vergussmasse gemäß Anspruch 9, sowie das thermisch gehärtete Komposit gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Vergussmasse mit einer Harzkompo¬ nente vorgeschlagen, wobei die Harzkomponente eine Mischung aus wenigstens einem Bisphenol-Diglycidylether, wenigstens einem Konstitutionsisomeren von Diphenylmethandiisocyanat oder einem Gemisch von mehreren Konstitutionsisomeren von Diphenylmethandiisocyanat und Homologen mit 3, 4 und mehr Phenylgruppen, wobei der Anteil von Bisphenol-Diglycidylether an der Harzkomponente 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt
9 Gew.-% bis 27 Gew.-% beträgt, sowie einen Reaktionsbe- schleuniger mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der füllstofffreien Harzkomponente enthält.
Die Vergussmasse ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Füllstoffkomponente beinhaltet, wobei der Anteil der Füll¬ stoffkomponente am Gesamtgewicht der Vergussmasse 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 Gew.-% bis 80 Gew.-% beträgt, und die Füllstoff- komponente eine erste Füllstofffraktion beinhaltet, wobei die erste Füllstofffraktion natives und/oder epoxyfunktionali- siertes, amorphes Quarzgut mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym ist, und
die Füllstoffkomponente wenigstens eine zweite Füllstofffrak¬ tion aufweist, wobei die zweite Füllstofffraktion ausgewählt ist aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Quarzmehl, Aluminiumoxid, Dolomit, Kreide, Glasper¬ len, Bornitrid, Wollastonit, Zeolith und Polysiloxan mit ei¬ nem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym,
wobei der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstoff- fraktion um wenigstens den Faktor 2,5 kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion .
Mit der erfindungsgemäßen Vergussmasse können gehärtete Kom- posite hergestellt werden, die aufgrund des relativ hohen An- teils an amorphem Quarzgut eine sehr geringe thermische Aus¬ dehnung mit LCTE-Werten (LCTE = „linear coefficient of thermal expansion") von 30 ppm/°C oder weniger aufweisen. Die dynamische Verarbeitungsviskositäten der prepolymeren Vergussmasse beträgt bei 80°C vorteilhafter Weise unterhalb ca. 1000 cp bzw. 1 Pa*s. Aus der erfindungsgemäßen Vergussmasse herge¬ stellte Formstoffe besitzen eine außerordentlich gute Teil¬ entladungsresistenz, hohe Durchgangswiderstände, geringes Wasseraufnahmevermögen, hohe Steifigkeiten, akzeptable bruchmechanische und thermophysikalische Eigenschaftskennwerte so- wie ausgezeichnete Hydrolyseeigenschaften.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Vergussmasse als Bisphenol-Diglycidylether
Bisphenol-A-Diglycidylether, Bisphenol-F-Diglycidylether oder eine Mischung davon.
Um auch dünne Spalte fehlerfrei vergießen zu können, ist es erforderlich, dass die Vergussmasse ein gewisses Viskositäts- niveau unterschreitet. Vorteilhafter Weise sollte daher eine fertige Vergussmasse bei ca. 80°C eine dynamische Viskosität im Bereich von 1000 mPa*s („MilliPascalSekunden" ) oder niedriger aufweisen. Ein solcher Viskositätsbereich kann in be- sonders vorteilhafter Weise durch Verwendung von Bisphenol-F- Diglycidylether oder einer Mischung von Bisphenol-F-Diglyci- dylether mit Bisphenol-A-Diglycidylether erreicht werden.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym auf.
Für den Fall, dass der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist, ist er gemäß einer vorteilhaften Weiterbil¬ dung der Erfindung um den Faktor 2,5 bis 15 kleiner als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion .
Durch das Kombinieren von zwei Füllstofffraktionen mit unter- schiedlichen Partikeldurchmessern, d.h. der Verwendung einer wenigstens bimodalen ( zweikomponentigen) Füllstoffmischung, derart, dass eine im Durchmesser kleiner angelegte Füllstoff¬ fraktion die „Hohlräume" (Zwickel) einer im Partikeldurchmesser größer dimensionierten Füllstofffraktion ausfüllt, kann die Viskosität der Vergussmasse im Vergleich zu einer monomodalen (einkomponentigen) Füllstoffmischung reduziert werden, da das sonst in Zwickeln befindliche prepolymere Harz der Dispersion zur Verfügung steht und damit deren Zähigkeit abnimmt. Es können hierdurch Werte für die dynamische Visko- sität von deutlich unter 1000 mPa*s erreicht werden, wodurch auch ein höherer Gesamtfüllstoffanteil in der erfindungsgemä¬ ßen Vergussmasse möglich ist. Umso höher der Gesamtfüllstoff- anteil ist, umso kleinere LCTE-Werte weisen die aus der
Vergussmasse hergestellten Formkörper auf, was im Sinne der vorliegenden Erfindung sehr wünschenswert ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der Füllstoffkomponente der Vergussmasse die ers- te und die zweite Füllstofffraktion in einem Bereich von 80 Vol.-% zu 20 Vol.-% bis zu 60 Vol.-% zu 40 Vol.-% enthal¬ ten, wobei die erste Füllstofffraktion in der Füllstoffkompo- nente mit dem höheren angegebenen Vol . -%-Anteil enthalten ist. Durch eine Füllstoffpartikel-Durchmesseroptimierung im oben angegebenen Bereich kann eine besonders starke Reduzie¬ rung der Viskosität der Vergussmasse erreicht werden.
Gemäß einer noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Füllstoffkomponente der Vergussmasse wenigstens eine dritte Füllstofffraktion auf wobei die dritte Füllstofffraktion ausgewählt ist aus wenigstens einem Mit¬ glied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Aluminiumoxid, Zeolith und Polysiloxan mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym, wobei der mittlere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion um wenigstens den Faktor 2,5 kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion .
Sofern in der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck „wenigstens den Faktor 2,5 kleiner" verwendet wird, so ist hiermit ge¬ meint, dass der Faktor innerhalb der zulässigen Wertebereiche für die mittleren Partikeldurchmesser jeden beliebigen Wert, d.h. 2,5 oder größer annehmen kann.
Weist der mittlere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym auf, ist gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der mittlere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion um den Faktor 2,5 bis 15 kleiner ist als der der mittleren Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion . Mit einer trimodalen Füllstoffmischung kann in besonders vorteilhafter Weise eine packungskoeffizient-optimierte Füll¬ stofffraktion mit einem Packungskoeffizient von bis zu mehr als 75 Vol.-%, bevorzugt mehr als 77 Vol.-%, besonders bevor- zugt mehr als 80 Vol.-% (ermittelt nach Lee I.D.; Journal of Paint Technology 42, Nr. 550 (1970), 579) erreicht werden. Je höher der Füllgrad der Vergussmasse ist, desto steifer und bruchresistenter wird der aus ihr herstellbare Komposit.
In der Vergussmasse kann als eine Reaktionsbeschleuniger wenigstens eine katalytisch wirkende Verbindung und/oder ein (sensibler und/oder latent wirkender) Beschleuniger mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der füllstofffreien Harzkomponente beigemengt sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vergussmasse zum Verguss einer Statorspule und/oder eines Wickelkopfs für eine elektrische Maschine.
Weiter ist von der vorliegenden Erfindung ein thermisch gehärteter Komposit umfasst, der erhältlich ist aus einer erfindungsgemäßen Vergussmasse durch Polymerisieren der in der Vergussmasse enthaltenen Harzkomponente.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand weiterer ergänzender Ausführungen sowie anhand eines exemplarischen Beispiels noch näher erläutert.
Wie oben bereits erwähnt, umfasst die vorliegende Erfindung unter anderem eine Vergussmasse, die eine Harzkomponente, die eine Mischung aus wenigstens einem Bisphenol-Diglycidylether und wenigstens einem Konstitutionsisomeren von Diphenyl- methandiisocyanat oder einem Gemisch von mehreren Konstituti¬ onsisomeren von Diphenylmethandiisocyanat und Homologen mit 3, 4 und mehr Phenylgruppen, wobei der Anteil von Bisphenol- Diglycidylether an der Harzkomponente 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 9 Gew.-% bis 27 Gew.-% beträgt, und einen Reakti- onsbeschleuniger mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.- %, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der füllstofffreien Harzkomponente beinhaltet. Es sind verschiedene Bisphenol-Diglycidylether bekannt. Diese Diglycidylether sind - wie aus dem Namen bereits ersichtlich ist - abgeleitet von einem Bisphenol mit der allgemeinen For¬ mel HO-C6H5-R2C-C6H5-OH, wobei unterschiedliche Reste R vor- handen sein können. Bei Bisphenol-A-Diglycidylether ist R jeweils eine -CH3-Gruppe, bei Bisphenol-F-Diglycidylether ist R jeweils ein -H-Rest. An Stelle der endständigen Wasserstoff- Atome der -OH-Gruppen von Bisphenol enthalten die Bisphenol- Diglycidylether jeweils eine Oxiran-Gruppe (Epoxid) .
Erfindungsgemäß können grundsätzlich alle Bisphenol-Digly- cidylether-Derivate verwendet werden, bevorzugt jedoch
Bisphenol-A-Diglycidylether, Bisphenol-F-Diglycidylether oder eine Mischung davon.
Wenn anstatt von Bisphenol-A-Diglycidylether Bisphenol-F- Diglycidylether oder eine Mischung aus Bisphenol-A-Diglyci¬ dylether und Bisphenol-F-Diglycidylether verwendet wird, hat dies den Vorteil, dass die Mischung bedeutend dünnflüssiger ist als mit Bisphenol-A-Diglycidylether allein. Um auch dünne Spalte fehlerfrei vergießen können, sollte - wie oben bereits erwähnt - eine fertige Mischung bei ca. 80 °C eine dynamische Viskosität im Bereich von 1000 mPa*s („MilliPascalSekunden" ) oder niedriger aufweisen. Dies ist mit der oben erwähnten Verwendung von Bisphenol-F-Diglycidylether oder einer Mischung aus Bisphenol-A-Diglycidylether und Bisphenol-F-Diglycidylether leichter möglich, als mit Bisphenol-A-Diglycidylether allein. Diphenylmethandiisocyanate (MDI) sind chemische Verbindungen aus der Gruppe der aromatischen Isocyanate. Im Normalfall stellen Diphenylmethandiisocyanate ein Gemisch von mehreren Konstitutionsisomeren dar, die sich in der Position der Iso- cyanatgruppen unterscheiden. Technisches Diphenylmethandi- isocyanat (auch als PMDI oder Polymeres MDI bezeichnet) ist eine Mischung aus 30 bis 80 % MDI und Homologen mit 3, 4 und mehr Phenylgruppen mit abnehmender Konzentration bei steigen- der Kettenlänge. Auch PMDI kann in der Harzkomponente der er¬ findungsgemäßen Vergussmasse verwendet werden.
Für die erfindungsgemäße Vergussmasse ist insbesondere das Epoxid- zu Isocyanatverhältnis von Bedeutung, um stabile Kom- posite zu erhalten. Erfindungsgemäß enthält die füllstoff¬ freie Harzkomponente einen Anteil von Bisphenol-Diglycidy- lether an der füllstofffreien Harzkomponente im Bereich von 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 9 Gew.-% bis 27 Gew.-%.
In der füllstofffreien Harzkomponente beträgt der Isocy- anat (gruppen) gehalt (NCO-Gehalt) vorteilhafter Weise im Be¬ reich zwischen 15 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 19 Gew.-% bis 27 Gew.-% (bestimmt gemäß 2011-0506601-95D) .
Als Reaktionsbeschleuniger kann jede geeignete Verbindung oder eine Mischung von Verbindungen verwendet werden, durch die die Vernetzungsreaktion zur Ausbildung eines Komposits beschleunigt werden kann. Als Reaktionsbeschleuniger können daher alle Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen verwendet werden, die als geeignete Katalysatoren oder Beschleu¬ niger (Reaktivhärter) für die Vernetzungsreaktion bekannt sind . Als geeignete katalytisch wirkende Verbindungen sind etwa tertiäre Amine und Imidazole bekannt. Beispiele für tertiäre Amine sind Tetramethylethylendiamin, Dimethyloctylamin,
Dimethylaminoethanol , Dimethylbenzylamin, Dibenzylmethylamin, 2, 4, 6-Tris (dimethylaminomethyl ) phenol , N, N ' - Tetramethyldiaminodiphenylmethan, N, ' -Dimethylpiperazin, N- Methylmorpholin, N-Methylpiperidin, N-Ethylpyrrolidin, 1,4- Diazabicyclo (2 , 2 , 2 ) -octan und Chinoline. Geeignete Imidazole sind beispielsweise 1-Methylimidazol, 2-Methylimidazol, 1,2- Dimethylimidazol , 1 , 2 , 4 , 5-Tetramethylimidazol , l-Benzyl-2- phenylimidazol , 2-Undecylimidazol, 2-Heptadecylimidazol, 2- Ethyl-4-methylimidazol , l-Cyanoethyl-2-ethyl-4- methylimidazol , l-Cyanoethyl-2-phenylimidazol und l-(4,6- Diamino-s-triazinyl-2-ethyl) -2-phenylimidazol . Als Härtungskatalysatoren eignen sich ferner Oniumsalze, bevorzugt Oniumsalze mit N oder P als Zentralatom. Beispiele für verwendbare Oniumsalze sind: Tetraethylammoniumchlorid, Tetraethylammoniumbromid, Octyltrimethylammoniumbromid,
Benzyltrimethylammoniumchlorid, Tetrabutylphosphoniumbromid, N-Ethylmorpholiniumbromid, 2-Ethyl-4-methylimidazoliumbromid, N-Ethylmorpholiniumtetraphenylborat , 1, 2- Dimethylimidazoliumtetraphenylborat und
Tetrabutylammoniumtetraphenylborat .
Bekannte Reaktivhärter sind etwa solche auf Basis von einem oder mehreren (aliphatischen, cycloaliphatischen, heterocyc- lischen) Aminderivaten mit zwei oder mehr primären und/oder sekundären Amingruppen, wie etwa ein oder mehrere
Polyamin(e), modifizierte (s) Polyamin(e), Polyamidoamin (e) .
Bevorzugt werden aminische Reaktionsbeschleuniger (z.B. auf Basis tertiärer Amine) zur sofortigen Gelierung oder latente Katalysatoren verwendet. Hiermit kann die Gelierung bei Tem- peraturen zwischen 60°C und 120°C (z.B. bei 60°C, 65°C, 70°C, 75°C, 80°C, 85°C, 90°C, 95°C, 100°C, 105°C, 110°C, 115°C, 201°C) initiiert werden.
Unter latenten (Härtungs ) Katalysatoren versteht man solche, die bei niederen Temperaturen eine ausreichende Gebrauchsdau¬ er gewährleisten. Als derartige Katalysatoren, die auch als latente Reaktionsbeschleuniger bezeichnet werden, eignen sich beispielsweise Additionskomplexe von Bortrihalogeniden mit tertiären Aminen und Imidazolen, bspw. die in der Auslege- schrift DE 26 55 367 beschriebenen Additionskomplexe von Bortrichlorid und tertiären Aminen der allgemeinen Formel BC13•NR1R2R3, in der R1, R2 und R3 gleiche oder verschiedene aliphatische, aromatische, heterocyclische oder
arylaliphatische Reste sind, die paarweise auch Bestandteil von heterocyclischen Ringen sein können. Geeignet sind auch die analogen Komplexe des Bortrifluorids der Formel
BF3•NR1R2R3 , wobei R1, R2 und R3 die vorstehend angegebene Be¬ deutung haben. Spezielle Beispiele für geeignete tertäre Ami- ne der BF3- und BCl3-Komplexe sind Octyldimethylamin und Dimethylbenzylamin .
Auch Morpholinverbindungen und Imidazole, insbesondere N- Methylmorpholin . N-Ethylmorpholin, 1 , 2-Dimethylimidazol und l-Benzyl-2-phenylimidazol, sind zur Bildung von BCI3- und/ oder BF3-Komplexen geeignet. Eine Verlängerung der Gebrauchsdauer kann auch erreicht werden, wenn als latente Katalysato¬ ren tertiäre Amine oder Imidazole verwendet werden, die durch Zusatz von Elektronenakzeptoren deaktiviert sind. Geeignete Elektronenakzeptoren sind beispielsweise 7,7,8,8- Tetracyanochinodimethan, 2, 3-Dichlor-5, 6-dicyanobenzochinon und 2, 3, 5, 6-Tetrachlorbenzochinon . Als kommerziell erhältliche Beispiele für geeignete Reakti¬ onsbeschleuniger seien hier erwähnt Blendurkat 901 K 33 (la¬ tenter Katalysator; Bayer AG) und Blendurkat 3-4523 (enthält Dibenzylmethylamin; Bayer AG) . Der Reaktionsbeschleuniger kann in bevorzugter Weise mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der füllstofffreien Harzkomponente beigemengt sein. Die füllstofffreie Harzkompo¬ nente setzt sich somit bevorzugt aus 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 9 Gew.-% bis 27 Gew.-% Bisphenol-Diglycidylether, 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% Reaktionsbeschleuniger, sowie 55 Gew. -% bis 92,5 Gew . ~6 von wenigstens einem Konstitutionsisomeren von
Diphenylmethandiisocyanat zusammen. Hierbei werden die Antei- le der einzelnen Komponenten der füllstofffreien Harzkomponente jeweils so gewählt, dass sich 100 Gew.-% ergeben.
Weiter beinhaltet die erfindungsgemäße Vergussmasse eine Füllstoffkomponente, wobei der Anteil der Füllstoffkomponente am Gesamtgewicht der Vergussmasse 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt
60 Gew.-% bis 80 Gew.-% beträgt. Die Füllstoffkomponente be¬ inhaltet eine erste Füllstofffraktion, wobei die erste Füll- stofffraktion natives und/oder epoxyfunktionalisiertes , amor¬ phes Quarzgut mit einem Wert für den mittleren
Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym ist .
Die erste Füllstofffraktion hat somit einen mittleren Partikeldurchmesser (d5o%) der ausgewählt ist aus einem Wert, der von dem Bereich von 10 nm bis 100 ym umfasst ist. Der untere Grenzwert des angegebenen Bereichs kann auch 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm oder 1000 nm betragen. Der obere Grenzwert des angege¬ benen Bereichs kann auch 900 ym, 800 ym, 700 ym, 600 ym, 500 ym, 400 ym, 300 ym, 200 ym oder 100 ym betragen. Die von der vorliegenden Erfindung umfassten Bereiche können gebildet werden durch eine Kombination von einem beliebigen der angegebenen unteren und einem beliebigen der angegebenen oberen Grenzwerte .
Als erste Füllstofffraktion ist epoxyfunktionalisiertes , amorphes Quarzgut bevorzugt. Ein derartiger Füllstoff wird hergestellt, indem die oxidische Oberfläche der Füllstoff¬ teilchen mit einem Kupplungsreagenz auf Epoxysilanbasis abgesättigt wird. Dabei reagiert die Oberfläche der Füllstoff¬ teilchen kovalent mit den Silanteil des Kupplungsreagenz. Es resultiert in der Regel eine freie, von der Oberfläche der Füllstoffteilchen wegweisende Oxiraneinheit je Kupplungsmole¬ kül. Diese Oxiraneinheiten können dann mit dem (P)MDI reagieren. Hierdurch erfolgt eine gute Anbindung an das Harz und es verbessert sich im Vergleich zur Verwendung von nicht-ge- coateten Füllstoffteilchen die Bruchfestigkeit des fertigen Komposits erheblich. Auch dispergieren die Füllstoffteilchen bedeutend besser ins Harz. Um besonders geringe lineare thermische Ausdehnungen (LCTE = „linear coefficient of thermal expansion") im gehärteten Kompositzustand zu realisieren, muss dem prepolymeren Gemenge ein oder mehrere Füllstoffe zugegeben werden und zwar ideal- erweise so viel, dass man thermische Ausdehnungen erreicht, die dem einzugießendem Teil nahekommen.
Beim Vergießen eines Blechpakets eines elektromechanischen Wandlers wäre somit ein LCTE, der demjenigen von Stahl entspricht, also ca. 12 ppm/°C, ideal. Da das füllstofffreie Polymerisat üblicherweise einen LCTE von 60-100 ppm/°C auf¬ weist, muss ein Füllstoff mit besonders geringem LCTE einge¬ bracht werden. Handelsübliche und dabei preiswerte Füllstoffe sind Quarze. Hierbei unterscheidet man zwischen kristallinem Quarz (sog. Quarzmehl) und amorphen Quarz (Quarzgut, Fused Silica) . Letzteres hat einen LCTE von 0,6 ppm/°C, Quarzmehl dagegen 12-14 ppm/°C. Gibt man beispielsweise 61 Gew . ~6 amor phen Quarz bezogen auf die dann füllstoffhaltige Formulierung zu, erhält man einen Komposit-LCTE von 25 ppm/°C, was bedeu¬ tend weniger ist, als ein üblicherweise mit 66 Gew.-% Quarz¬ mehl gefülltes Epoxid/Anhydrid-System, das als Referenz für eine typische Vergussmasse angesehen werden kann, wobei die¬ ses jedoch nur die Wärmeklasse-Einstufung F aufweist, also eine Dauergebrauchstemperatur von 155°C. Demgegenüber weist ein aus der erfindungsgemäßen Vergussmasse hergestellter Kom- posit die Wärmeklasse-Einstufung H auf, also eine Dauerge¬ brauchstemperatur von 180-200°C. Zur noch weiteren Absenkung des LCTE-Werts ist es aber nicht möglich, einfach den Füllstoffanteil an der fertigen Mischung über den oben angegebenen Bereich hinaus zu erhöhen. Wie bereits mehrfach erwähnt, muss beim Verguss nämlich ein gewis¬ ses Viskositätsniveau unterschritten werden, damit auch dünne Spalte fehlerfrei vergossen werden können. Hierbei sollte ei¬ ne fertige Mischung bei ca. 80°C eine dynamische Viskosität im Bereich von 1000 mPa*s („MilliPascalSekunden" ) aufweisen.
Durch einen zu hohen monomodalen Füllstoffanteil würde diese dynamische Viskosität bei ca. 80°C nicht mehr erreicht wer¬ den. Zwar könnte man in diesem Fall die Verarbeitungstempera¬ tur erhöhen, dies ist aber aufgrund der sich dadurch verkürzenden Gelzeit nicht wünschenswert. -
Vor diesem Hintergrund ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwei oder drei Füllstofffraktionen mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern in vorteilhafter Weise zu kombinieren. Hierbei werden Füllstoffe derart miteinander kombiniert, dass eine im Durchmesser kleiner angelegte Füllstofffraktion die Zwickel einer im Partikeldurchmesser größer dimensionierten Art ausfüllt. Mittels einer solchen Packungskoeffizient-Optimierung können deutlich reduzierte Viskositäten erzielt werden, weil das sonst in Zwickeln befindliche prepolymere Harz der Dis- persion zur Verfügung steht und damit die Zähigkeit abnimmt.
Liegt der mittlere Partikeldurchmesser der ersten, zweiten und dritten Füllstofffraktion im mikroskaligen Bereich, weist also einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym auf, ist eine Füllstoffpartikel-Durchmesseroptimierungen vorteilhaft. Daher ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass im Fall einer bimodalen Füllstoffkompo- nente, wobei die erste und zweite Füllstofffraktion jeweils einen Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweisen, der mittlere Partikeldurchmesser der Teilchen der zweiten Füllstofffraktion um den Faktor 2,5 bis 15 kleiner ist als der mittlere Partikel¬ durchmesser der ersten Füllstofffraktion . Hierbei ist der der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion bevorzugt um den Faktor 6-8 (Faktor 6, 7 oder 8) kleiner als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion .
Eine weitere Optimierung der Füllstoffpartikeldurchmesser wird erreicht, wenn die Füllstoffkomponente die erste und die zweite Füllstofffraktion in einem Bereich von 80 Vol.-% zu 20 Vol.-% bis zu 60 Vol.-% zu 40 Vol.-% enthält, wobei die erste Füllstofffraktion in der Füllstoffkomponente mit dem höheren angegebenen Vol . -%-Anteil enthalten ist.
Dies soll anhand eines vorteilhaften Beispiels erläutert wer¬ den. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass in einer bi¬ modalen ( zweikomponentigen) Füllstoffmischung ein Partikel- durchmesserverhältnis von 1:7 und ein Anteil der Füllstoff¬ fraktionen von 70 Vol.-% zu 30 Vol.-% dem Optimum nahekommt, ergäbe sich eine Füllstoffmischung von z.B. aus einem Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 700 ym mit 70 Vol . -%-Anteil und einem Pulver mit einem mittleren Partikel¬ durchmesser von 100 ym, das im Füllstoffverbünd 30 Vol-%. einnimmt. Eine derartige Pulvermischung könnte man dann bei¬ spielsweise als 61 Gew.-%ige Beimengung in 39 Gew.-% füll¬ stofffreier Harzmatrix dispergieren, wobei signifikant nied- rigere Viskositäten erhalten würden als bei einem monomodalen Füllstoff .
Da die Viskosität bei einer bimodalen Füllstoffmischung im Vergleich zur monomodalen Mischung bei ca. 80 °C deutlich un- ter besagten 1000 mPa*s liegt, wäre sogar ein höherer Gesamt¬ füllstoffanteil möglich, z.B. 65 Gew.-%, wodurch der LCTE weiter sinken würde, etwa auf ca. 20 ppm/°C.
Ein noch weitere Optimierung der Vergussmasse wird erreicht, wenn, wie dies gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, die erfindungsgemäße Vergussmasse eine dritte Füllstofffraktion mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym, bevorzugt 100 nm bis 150 ym aufweist. Hierdurch wird eine trimodale (dreikomponentige) Füllstoffkomponente realisiert .
Für den Fall, dass die dritte Füllstofffraktionen einen Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist, ist es von Vorteil, wenn der mitt¬ lere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion um den Faktor 2,5 bis 15, bevorzugt um den Faktor 6-8 (Faktor 6, 7 oder 8) kleiner ist als der mittleren Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion .
Bei einer trimodalen Füllstoffkomponente, bei der jede der Füllstofffraktionen einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist, kann somit eine Füll- Stoffpartikel-Durchmesseroptimierung vorteilhaft sein, bei der der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstoffkomponente um den Faktor 2,5 bis 15 (bevorzugt um den Faktor 6 bis 8) kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion, und der mittlere Partikeldurchmes¬ ser der dritten Füllstoffkomponente um den Faktor 2,5 bis 15 (bevorzugt um den Faktor 6 bis 8) kleiner ist als der mittle¬ re Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion . Bei einer bimodalen und einer trimodalen Füllstoffkomponente, bei der jede der Füllstofffraktionen einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweisen soll, ist selbstverständlich darauf zu achten, dass für die einzelnen Füllstoffkomponenten Pulver mit geeigneten mittle- ren Partikeldurchmessern gewählt werden. Bei einer bimodalen Füllstoffkomponente muss beispielsweise in Abhängigkeit von dem Faktor, um den der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion kleiner sein soll als derjenige der ersten Füllstofffraktion eine erste Füllstofffraktion mit ei- nem mittleren Partikeldurchmesser gewählt werden, bei der durch eine Division mit dem Faktor für die zweite Füllstoff¬ fraktion ein Wert von mindestens 1 ym für den mittleren Partikeldurchmesser verbleibt. In ähnlicher Weise müssen die mittleren Partikeldurchmesser für eine trimodale Füllstoff- komponente gewählt werden. Sollen beispielsweise der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion um den Faktor 2,5 kleiner sein als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion, und der mittlere Partikeldurchmes¬ ser der dritten Füllstofffraktion um den Faktor 2,5 kleiner sein als der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion, darf für die erste Füllstofffraktion ein mittlerer Partikeldurchmesser von nicht kleiner als 6,25 ym gewählt werden. Bei einer trimodalen Füllstoffkomponente ist die erste Füll¬ stofffraktion bevorzugt in einem Bereich von 60 Vol.-% bis 80 Vol.-% in der Füllstoffkomponente enthalten. Die zweite und dritte Füllstofffraktion sind in ihrer Summe mit dem sich bis zu 100 Vol.-% fehlenden Anteil vorhanden.
Beispielsweise kann die trimodale Füllstoffkomponente etwa 70 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 700 ym, etwa 21 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 100 ym-Pulver und etwa
9 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren
Partikeldurchmesser von 14ym enthalten.
Ein weiteres Beispiel für eine trimodale Füllstoffkomponente kann etwa 67 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren Parti¬ keldurchmesser von 105 ym, etwa 10 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 38 ym und etwa 23 Vol.-% eines Pulvers mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,4 ym enthalten.
Liegt der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion im Bereich von 1 ym und 1000 ym und weisen die zwei- te oder dritte Füllstofffraktion Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser im nanoskaligen Bereich auf, also im Bereich von 10 nm bis 999 nm, 10 nm bis 900 nm, 10 nm bis
800 nm, 10 nm bis 700 nm, 10 nm bis 600 nm, 10 nm bis 500 nm,
10 nm bis 400 nm, 10 nm bis 300 nm, 10 nm bis 200 nm, 10 nm bis 100 nm, 20 nm bis 999 nm, 20 nm bis 900 nm, 20 nm bis
800 nm, 20 nm bis 700 nm, 20 nm bis 600 nm, 20 nm bis 500 nm, 20 nm bis 400 nm, 20 nm bis 300 nm, 20 nm bis 200 nm oder 20 nm bis 100 nm, ist grundsätzlich keine Partikeldurchmes¬ seroptimierung erforderlich. Dies bedeutet, dass der mittlere Partikeldurchmesser von „Nanoteilchen" im angegebenen Bereich und angegebenen Größenverhältnis praktisch beliebig gewählt werden kann, da Nanoteilchen immer in die Zwickel der größeren Teilchen passen, d.h. durch die Zugabe von Nanoteilchen kann stets eine Erniedrigung der Viskosität erreicht werden.
Generell ist zu beachten, dass Pulverfraktionen immer eine gewisse Korngrößenverteilung aufweisen, so dass die Anteile je nach verwendeten Pulverfraktionen variieren können. Insge- samt ist es wünschenswert, eine packungskoeffizient-optimier- te Füllstoffkomponente mit einem Packungskoeffizient von min¬ destens 77 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 80 Vol.-% (ermit¬ telt nach Lee I.D.; Journal of Paint Technology 42, Nr. 550 (1970), 579) zu erreichen. Je höher der Füllgrad der Pulvermischung ist, desto steifer und bruchresistenter wird der Ge- samtkomposit .
Während bei einer monomodalen Füllstoffkomponente oftmals ein Packungskoeffizient von nur etwa 65 Vol.-% erreicht werden kann, kann mit einer trimodalen Füllstoffkomponente oftmals ein Packungskoeffizient von 85 Vol.-% und größer erreicht werden . Erfindungsgemäß können die zweite Füllstofffraktion und die dritte Füllstofffraktion jeweils aus jedem geeigneten Pulver oder jeder geeigneten Pulvermischung ausgewählt sein. Die zweite Füllstofffraktion ist ausgewählt aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Quarzmehl, Aluminiumoxid, Dolomit, Kreide, Glasperlen, Bornitrid, Wollastonit (nadeiförmig) , Zeolith und Polysiloxan, und ist die dritte Füllstofffraktion ausgewählt aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxy- funktionalisiertem amorphem Quarzgut, Aluminiumoxid, Zeolith und Polysiloxan.
Von diesen Elementen ist für viele Anwendungsfälle für die zweite und/oder die dritte Füllstofffraktion amorphes natives oder epoxyfunktionalisiertes Quarzgut bevorzugt.
Ebenso ist auch die Verwendung von einem oder mehreren Zeo- lithen in der zweiten und/oder dritten Füllstofffraktion von Vorteil. Es ist möglich, expansive Füllstoffe (wie z.B.
Quarzgut) mit thermisch kontrahierenden Füllstoffen (wie z.B. Zeolithen) zu kombinieren. Hierdurch lässt sich gleichsam die thermische Expansion aufgrund eines thermisch expandierenden Füllstoffs durch die thermische Kontraktion eines thermisch kontrahierenden Füllstoffs zumindest teilweise kompensieren. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konnten durch eine Kombination aus einem oder mehreren thermisch kontrahierenden Füllstoffen und einem oder mehreren thermisch expandierenden Füllstoffen Epoxidharzkomposite herstellen, die einen LCTE von etwa 16 ppm/°C besitzen, was der Ausdehnung von Kupfer entspricht. Hierdurch lässt sich die Gefahr von Rissbildung aufgrund eines thermischen Schocks in erheblichem Maße verringern oder sogar ausschließen.
Wie Versuche ergeben haben, ist es für eine besonders hohe Bruchresistenz von Vorteil, wenn als zweite und/oder dritte Füllstofffraktion ein temperaturstabiles, polymeres Füll¬ stoffmaterial verwendet wird, beispielsweise ein temperatur- stabiles Polysiloxan in Pulverform. Hierdurch sinkt die Viskosität der Mischung und gleichzeitig erhöht sich die Bruch¬ resistenz des fertigen Komposit. Nach der derzeitigen Einschätzung der Erfinder könnte die Ursache hierfür sein, dass die relativ „weichen" Polysiloxan-Partikel (im Vergleich zu anderen, „härteren" Partikeln) sich positiv auf die Rissresistenz auswirken. Um diese positiven Wirkungen von Polysiloxan zu erreichen, kann eine Zugabemenge von etwa 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse der Füllstoffkomponente ausreichend sein.
Für die erfindungsgemäße Vergussmasse können beispielsweise in vorteilhafter Weise als erste Füllstofffraktion ein Quarzgut, bevorzugt ein epoxyfunktionalisiertes Quarzgut, mit ei¬ nem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Be- reich von 100 ym bis 200 ym, als zweite Füllstofffraktion ein Polysiloxan-Pulver mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 30 ym bis 65 ym, und als dritte Füllstofffraktion ein Quarzgut, bevorzugt ein epoxy- funktionalisiertes Quarzgut, mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 12 ym bis 25 ym verwendet werden. Beispielsweise kann bei dem gerade erwähnten Beispiel für ei¬ ne trimodale Füllstoffkomponente für eine erfindungsgemäße Vergussmasse die erste Füllstofffraktion (Quarzgut, bevorzugt ein epoxyfunktionalisiertes Quarzgut, mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 100 ym bis 200 ym) mit einem Anteil von etwa 60 Vol.-% bis 70 Vol.-%, die zweite Füllstofffraktion ( Polysiloxan-Pulver mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 30 ym bis 65 ym) mit einem Anteil von etwa 5 Vol.-% bis 10 Vol.-% und die dritte Füllstofffraktion (Quarzgut, bevor¬ zugt ein epoxyfunktionalisiertes Quarzgut, mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 12 ym bis 25 ym) mit einem Anteil von etwa 20 Vol.-% bis 35 Vol.-% (Summe jeweils 100 Vol.-%) vorhanden sein.
Ein weiteres bevorzugtes Beispiel für eine mehrmodale Füll¬ stoffkomponente umfasst als erste Füllstofffraktion natives und/oder epoxyfunktionalisiertes amorphes Quarzgut, und als zweite Füllstofffraktion wenigstens ein Mitglied aus der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunk- tionalisiertem amorphem Quarzgut, Quarzmehl, Aluminiumoxid, Dolomit, Kreide, Glasperlen, Bornitrid und Wollastonit. Die Teilchen in der ersten und zweiten Füllstofffraktion haben in bevorzugter Weise eine im Wesentlichen sphärische (globulare) Form.
Als kommerziell erhältliches Beispiel, mit dem durch nur ein Produkt die erste und die zweite Füllstofffraktion erhältlich ist, und das somit auch für eine bimodale Füllstoffkomponente geeignet ist, ist SILBOND 126 EST der Quarzwerke GmbH. Dieses epoxyfunktionalisierte Quarzmehl weist eine obere Korngröße d95% von 94 ym und eine mittlere Korngröße dso% von 22 ym auf.
Weiter umfasst die mehrmodale Füllstoffkomponente gemäß die- sem Beispiel eine dritte Füllstofffraktion, die Polysiloxan- Teilchen mit einem Partikeldurchmesser von etwa 100 nm bis 150 ym aufweist. Ein geeignetes Beispiel für eine mikro- skalige dritte Füllstofffraktion sind Polysiloxan-Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 2 ym bis 150 ym ( dso% = 20 bis 40 ym) oder für eine nanoskalige dritte Füllstofffrak- tion im Bereich von etwa 100 nm bis 400 nm ( dso% = 200 nm bis 250 nm) . Die dritte Füllstofffraktion kann auch aus einem derartigen mikroskaligen und einem nanoskaligen Anteil ausgebildet sein.
Der Anteil der Polysiloxan-Füllstofffraktion an der Gesamtmenge der Füllstoffkomponente beträgt gemäß diesem bevorzug- ten Beispiel zwischen 0,1 Gew.-% und 15 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-%.
Die mehrmodale Füllstoffkomponente gemäß diesem bevorzugten Beispiel weist einen maximalen Packungskoeffizienten (bestimmt nach Lee I.D.) von 77 Vol.-% oder höher auf, etwa 78 Vol.-%, 79 Vol.-%, 80 Vol.-%, 81 Vol.-%, 82 Vol.-% oder 83 Vol.-%. Der Anteil der Füllstoffkomponente an der Gesamtmenge der Vergussmasse beträgt bei diesem bevorzugten Beispiel von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%.
Die Zugabe von Polysiloxan-Teilchen zu der Harzkomponente kann auf jede geeignete Weise erfolgen. Beispielsweise können mit Hilfe von einem oder mehreren Epoxidbatches
deagglomerierte Polysiloxan-Teilchen eingebracht werden. Als kommerziell erhältliches, verwendbares Beispiel hierfür sei KANE ACE® MX 960 von Kaneka Texas Corporation erwähnt.
Die Zugabe von Polysiloxan-Teilchen zu der Harzkomponente kann in geeigneter Weise aber auch durch ein Einbringen von trockenem Polysiloxan-Pulver erfolgen. Als kommerziell erhältliches, verwendbares Beispiel hierfür sei das Schlagzäh- additiv RES IN MODIFIER 4-7081® der DOW CORNING Corporation erwähnt . Beispiel :
Einer Mischung aus Bisphenol-A-Diglycidylether und Diphenyl- methandiisocyanat (MDI, Isocyanat-Gehalt ca. 26% Gew . ~6 ) wur de bei 80°C eine Stunde evakuiert, bis das Aufsteigen von gasförmigen Produkten zum Erliegen kam. Sodann wurden
61 Gew.-% amorphes, mikroskalig-dimensioniertes , epoxyfunk- tionalisiertes Quarzgut SILBOND 126 EST (mittlerer Partikel¬ durchmesser ca. 22 ym) unter Rühren eindispergiert und anschließend für eine weitere Stunde unter Rühren entgast. Die- ser Mischung wurden 4 Gew.-% aminischer Beschleuniger (bezogen auf die füllstofffreie Harzmischung) zugegeben, weitere 20 min bei 80 °C unter Vakuum gerührt und sodann Prüfkörper in Werkzeugen gegossen. Dabei wurde zunächst bei 80°C geliert, drei Stunden isotherm gehalten, auf 120°C erhöht und drei Stunden isotherm gehalten, auf 160°C erhöht und drei Stunden isotherm gehalten, sodann auf 205°C erhöht und drei Stunden isotherm gehalten, und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt, um vollständig ausgehärtete Duromer-Prüflinge sattgel¬ ben Erscheinungsbildes zu erhalten. Die Probekörper wurden auf elektrische, bruch- und thermomechanische Kennwerte hin untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt .
Tabelle
EinBestimmungs¬
Eigenschaft Wert
heit methode
Biegeprüfung,
Elastizitäts¬
[MPa] 11228 ± 476 80x4x10 mm3, modul E
2mm/min
Biegeprüfung,
Biegefestig¬
[MPa] 138,4 ± 6,3 80x4x10 mm3, keit omax
2mm/min
Biegeprüfung,
Bruchdehnung smax [%] 1,24 ± 0,06 80x4x10 mm3,
2mm/min
Thermische, TMA, lineare [ppm/ °C] 25 2x2x2 mm3 Kubus, Ausdehnung -50°C bis 250°C
Kritischer
Double Torsion, Spannungsintensi- [MPa -m0-5] 1,81 ± 0,07
80x34x4 mm3 tätsfaktor KIC
Kritische BruchDouble Torsion,
[J/m2] 267 ± 21
energie Gic 80x34x4 mm3 EinBestimmungs¬
Eigenschaft Wert
heit methode
Dichte p, Archimedes
[g/cm3 ] 1,69
Raumtemperatur Auftriebprinzip
Wärmeleitfähig0, 55 - 0, 75 Laserflashanalyse,
[W/m -K]
keit λ (RT) (240°C) 8x8x2 mm3
Glasübergangs-
[°C] -260 DMTA temperatur TG
10200 - 6000
Speichermodul E' [MPa] DMTA
(RT) (250°C)
200 - 300
Verlustmodul E ' ' [MPa] DMTA
(RT) (250°C)
mechanischer
Verlustfaktor [-] 0,05 (250°C) DMTA tan δ
ungekerbt ,
Charpy-Schlagzähig-
[kJ/m2 ] 9,7 ± 4,1 4J-Pendel, keit a
10x15x120 mm3
Durchgangs ider¬
[Ω - cm] 5xl015 1 kV/mm Platte stand nativ
Durchgangs iderstand 14 Tage [Ω - cm] 9xl014 1 kV/mm Platte bei 220°C
Töplertest ,
Teilentladungs-
[mm3 ] 0, 75 ± 0,3 6.5 kV/mm, erosion
poliert
Prepolymere Vergußmassen mit unterschiedlichem Füllstoffgehalt wurden viskosimetrisch mittels Searle-Geometrie bei 80°C charakterisiert. Die dynamischen Viskositäten dieser quarzgefüllten, prepolymeren Vergussmassen sind in der Figur dargestellt .
Die für die erfindungsgemäße Vergussmasse verwendbaren Harz¬ komponenten, Härterkomponenten und Füllstoffe sind entweder kommerziell erhältlich oder können durch Mischen von geeigneten, kommerziell erhältlichen Ausgangskomponenten durch einen Fachmann leicht selbst hergestellt werden.
Wärmeklasse H/200°C (Wärmeklasse N) -Materialien sind dem Fachmann bekannt und dienen seit langem der Bereitung von hochwärmestabilen Laminatkompositen, insbesondere bei Traktionsmaschinen. Dazu zählen etwa die additivvernetzenden, warmhärtenden Silikonharze und/oder Polyesterharze für die genannten Tränk- und Imprägnieranwendungen. Diese Materialien haben den Nachteil, dass sie in dicken Schichten nicht härt¬ bar sind, ohne Risse zu erzeugen. Polyesterharze etwa zeigen aufgrund Ihres Reaktionsschwunds ausgeprägte Sprödigkeit und sind deshalb nur zur Beträufelung und Durchtränkung von Glimmerlaminaten verwendbar.
Silikonharze dagegen zeichnen sich dadurch aus, dass sie na¬ hezu keinen Reaktionsschwund besitzen. Aufgrund der hohen thermischen Ausdehnung sind sie jedoch zum Verguss großer Bauteile unbrauchbar. Für akzeptable Gelierzeiten sind Tempe¬ raturen von mindestens 160°C anzuwenden, gefolgt von einer 12 bis 16-stündigen Härtungsperiode. Bei Abkühlung auf Raumtemperatur schrumpft die vergossene Isolation gemäß des zugrun¬ deliegenden, thermischen Ausdehnungskoeffizienten um beachtliche Maße. Da Silikonharze auch nur geringe bruchmechanische Resistenzen aufweisen, kommt es bei diesem Abkühlvorgang an Stufen und Kanten, z.B. am Nutausgang bzw. Wickelkopfbereich, zu mechanischen Belastungen, die zum Abreißen des Werkstoffes führen und so die Isolation am feldkonzentriertesten Teil elektrisch unbrauchbar machen.
Auch füllstoffangereicherte Silikonharze weisen (lineare) thermische Ausdehnungskoeffizienten LCTE im Bereich von
90-110 ppm/°C auf. So zeigt etwa sogar die Beaufschlagung von additivvernetzendem, wärmehärtendem Silikonharz mit 50 Gew.-% amorphem Quarzgut (engl. Fused Silica mit LCTE ca. 0,6 ppm/°C) im gehärteten Zustand immer noch einen Gesamt-LCTE von ca. 100 ppm/°C. Dies entspricht bei einer Statornutlänge von 500 mm etwa einer thermischen Kontraktion um ca. 8mm. Bei Verwendung anderer Füllstoffe (Quarzmehl, Dolomit, Aluminiumoxid etc.) sind die LCTE-Werte bei gleicher Füllstoffbeladung weitaus höher, sodass für vergleichbare Kompositausdehnungen Füllgrade von 80 Gew.-% und/oder höher nötig sind. Es ist dann mit sehr hohen dynamischen Verarbeitungsviskositäten zu rechnen, die einen Verguss dünnspaltiger Geometrien erschweren können. Durch die vorliegende Erfindung wird hingegen eine im Tempe¬ raturbereich von 60 bis 80 °C sehr gut vergießbare Prepolymer- formulierung zur Verfügung gestellt, die als Vergussmasse für einen Rund- und/oder Flachdrahtformspulen-Statorvollverguß in elektrischen Maschinen eingesetzt werden kann und nach dem thermischen Aushärten einen Isolationswerkstoff darstellt, der eine Einstufung in die Wärmeklasse 200°C nach IEC
60034-18-31 erlaubt, dabei resistent gegen Teilentladungen und widerstandsfähig gegen Rissinitiierung ist. Zusätzlich wird durch die erfindungsgemäße Vergussmasse ein Komposit re¬ alisiert, der eine Glasübergangstemperatur von 250°C oder höher bei gleichzeitig geringer thermischer Ausdehnung aufweist und so verhindert wird, dass bei Erwärmung auf typische Be¬ triebstemperaturen (kurzfristig bis zu 270°C) der vergosse- nen, elektrischen Maschine die Formbeständigkeit des Isolati¬ onswerkstoffs verloren geht. Dies ist insbesondere für das Gewährleisten des Spalts zwischen Statornutausgang und Rotor essentiell, um Kontakte während des Betriebes zu vermeiden. Die vergossenen Spulen müssen zur Ausbildung eines optimalen, magnetischen Feldes in einem definierten Abstand von ca. 0,85 mm zum Blechpaket dauerhaft eingebettet werden.
Die erfindungsgemäß bereitete Vergussmasse erlaubt die Reali¬ sierung eines gehärteten Komposits mit überaus hoher Steifig- keit. Zugleich weist sie eine vorteilhafte Bruchdehnung sowie hohe Bruchspannungskennwerte aus und erlaubt so auch den Verguss komplizierter, großer Bauteilgeometrien, wie sie bei Bahnmaschinenstatoren üblich sind. Erfindungsgemäß wird eine Vergussmasse zur Verfügung ge¬ stellt, die eine Mischungen von Epoxidharzen auf Basis
Bisphenol-A-Diglycidylether und/oder Bisphenol-F-Diglycidy- lether und Isocyanatderivaten des Typs MDI mit einem Gehalt an Bisphenol-Diglycidylether von 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, be- vorzugt 9 Gew.-% bis 27 Gew.-% bezogen auf die füllstofffreie Harzformulierung aufweist, wobei zusätzlich ca. 50 Gew.-% oder mehr einer Füllstoffkomponente bezogen auf die Gesamt¬ masse beigemengt ist, wobei Mischungen aus Füllstofffraktio- nen mit unterschiedlichen mittleren Partikeldurchmessern eingesetzt werden. Diese Formulierungen können mit in der Regel Stickstoffbasierten Reaktionsbeschleunigern, insbesondere auf Basis tertiärer Amine und/oder latenter Katalysatoren, zur Reaktion gebracht werden, wobei hochwärmebeständige Formstof¬ fe resultieren. Aufgrund des relativ hohen Anteils an Füllstoff, ist die thermische Ausdehnung der gehärteten Komposite mit LCTE-Werten von 30 ppm/°C oder weniger sehr gering, die dynamischen Verarbeitungsviskositäten der prepolymeren
Vergussmasse bei 80°C jedoch unterhalb ca. 1000 cp bzw. 1 Pa*s .
Derartig bereitete Formstoffe besitzen außerordentliche Teil¬ entladungsresistenz, hohe Durchgangswiderstände, geringes Wasseraufnahmevermögen, hohe Steifigkeiten, akzeptable bruchmechanische und thermophysikalische Eigenschaftskennwerte so¬ wie ausgezeichnete Hydrolyseeigenschaften.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein neuer und vorteil- hafter, thermisch gehärteter Komposit zur Verfügung gestellt, der erhältlich aus einer erfindungsgemäßen Vergussmasse durch Polymerisieren der in der Vergussmasse enthaltenen Harzkomponente . Aufgrund des erfindungsgemäß erhältlichen, thermisch gehärte¬ ten Komposits können neue und vorteilhafte elektrische Ma¬ schinen zur Verfügung gestellt werden, die im Bereich ihrer Statorspule und/oder ihres Wickelkopfs einen erfindungsgemä¬ ßen, thermisch gehärteten Komposit aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Vergussmasse mit einer Harzkomponente enthaltend eine Mi¬ schung aus wenigstens einem Bisphenol-Diglycidylether, we- nigstens einem Konstitutionsisomeren von Diphenylmethan- diisocyanat oder einem Gemisch von mehreren Konstitutionsiso¬ meren von Diphenylmethandiisocyanat und Homologen mit 3, 4 und mehr Phenylgruppen, wobei der Anteil von Bisphenol- Diglycidylether an der Harzkomponente 7 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 9 Gew.-% bis 27 Gew.-% beträgt, sowie einen Reakti¬ onsbeschleuniger mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% bis
15 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der füllstofffreien Harzkomponente, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vergussmasse eine Füllstoffkomponente beinhaltet, wobei der Anteil der Füll¬ stoffkomponente am Gesamtgewicht der Vergussmasse 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 Gew.-% bis 80 Gew.-% beträgt, und die Füllstoff¬ komponente eine erste Füllstofffraktion beinhaltet, wobei die erste Füllstofffraktion natives und/oder epoxyfunktionali- siertes amorphes Quarzgut mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym ist, und
die Füllstoffkomponente wenigstens eine zweite Füllstofffrak- tion aufweist, wobei die zweite Füllstofffraktion ausgewählt ist aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Quarzmehl, Aluminiumoxid, Dolomit, Kreide, Glasper¬ len, Bornitrid, Wollastonit, Zeolith und Polysiloxan mit ei- nem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym,
wobei der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion um wenigstens den Faktor 2,5 kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion .
2. Vergussmasse gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass sie als Bisphenol-Diglycidylether Bisphenol-A-Diglycidylether, Bisphenol-F-Diglycidylether oder eine Mischung davon enthält.
3. Vergussmasse gemäß Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der mittlere
Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist.
4. Vergussmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist, und um den Faktor 2,5 bis 15 kleiner ist als der mittlere
Partikeldurchmesser der ersten Füllstofffraktion .
5. Vergussmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Füll¬ stoffkomponente die erste und die zweite Füllstofffraktion in einem Bereich von 80 Vol.-% zu 20 Vol.-% bis zu 60 Vol.-% zu 40 Vol.-% enthält, wobei die erste Füllstofffraktion in der Füllstoffkomponente mit dem höheren angegebenen Vol . -%-Anteil enthalten ist.
6. Vergussmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Füll¬ stoffkomponente wenigstens eine dritte Füllstofffraktion auf¬ weist, wobei die dritte Füllstofffraktion ausgewählt ist aus wenigstens einem Mitglied der Gruppe bestehend aus nativem amorphem Quarzgut, epoxyfunktionalisiertem amorphem Quarzgut, Aluminiumoxid, Zeolith und Polysiloxan mit einem Wert für den mittleren Partikeldurchmesser aus dem Bereich von 10 nm bis 1000 ym,
wobei der mittlere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion um wenigstens den Faktor 2,5 kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion .
7. Vergussmasse gemäß Anspruch 6, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass der mittlere Partikeldurchmesser der dritten Füllstofffraktion einen Wert aus dem Bereich von 1 ym bis 1000 ym aufweist und um den Faktor 2,5 bis 15 kleiner ist als der der mittleren
Partikeldurchmesser der zweiten Füllstofffraktion .
8. Vergussmasse gemäß Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Füllstofffrak¬ tion in einem Bereich von 60 Vol.-% bis 80 Vol.-% in der Füllstoffkomponente enthalten ist und die zweite und dritte Füllstofffraktion in ihrer Summe mit dem sich bis zu
100 Vol.-% fehlenden Anteil enthalten sind.
9. Verwendung der Vergussmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Verguss einer Statorspule und/oder eines Wickel- kopfs für eine elektrische Maschine.
10. Thermisch gehärteter Komposit erhältlich aus der
Vergussmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Polyme- risieren der in der Vergussmasse enthaltenen Harzkomponente.
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