Материал изоляционной ленты, способ его изготовления и применение

Изобретение относится к материалу изоляционной ленты, к способу его изготовления и применения, в частности для изготовления электроизоляционной бумаги, такой как слюдяная бумага, которая содержится в теплопроводных изоляционных лентах, которые используются, например, в высоковольтной изоляции. Материал изоляционной ленты имеет армирование волокном посредством ткани, причем ячейки ткани заполнены - предпочтительно теплопроводным - композитом на основе частиц. Изобретение обеспечивает повышение теплопроводности волокнистого композита. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к материалу изоляционной ленты, в частности для производства электроизоляционной бумаги, такой как слюдяная (микалентная) бумага, которая содержится в теплопроводных изоляционных лентах, которые используются, например, в высоковольтной изоляции.

Теплопроводные изоляционные ленты используются, например, как основные изоляторы для защиты от скачков напряжения и/или пробоев в электродвигателях, высоковольтных машинах и/или (высоковольтных) генераторах.

Электрические машины, например двигатели и генераторы, имеют электрические проводники, электрическую изоляцию и пакет железа статора. Изоляция имеет целью изолировать проводники один от другого, от пакета железа статора и от окружающей среды. При механической или термической нагрузке при работе машины, в граничных плоскостях между изоляцией и проводником или между изоляцией и пакетом железа статора могут образовываться полости, в которых могут быть образовываться искры из-за частичных электрических разрядов. Из-за искр в изоляции могут образовываться так называемые "Treeing" (древовидные) -каналы. Как следствие, "Treeing"-каналы могут вызвать электрический пробой через изоляцию. Барьер против частичного разряда реализуется за счет использования слюды в изоляции, которая имеет высокую стойкость к частичным разрядам. Слюда используется в виде пластинчатых (чешуйчатых) частиц слюды с обычным размером частиц от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров, причем частицы слюды перерабатываются в слюдяную бумагу.

При изготовлении слюдяной бумаги чешуйчатые частицы слюды располагаются слоями, так что частицы по существу располагаются параллельно друг другу, причем лежащие непосредственно друг над другом частицы слюды перекрываются с образованием контактных поверхностей. Между контактными поверхностями создаются, как следствие сил ван-дер-Ваальса и водородных мостиковых связей, взаимодействия, которые придают слюдяной бумаге высокую механическую нагрузочную способность и тем самым стабильную форму.

При изготовлении изоляции слюдяная бумага наматывается вокруг проводника, который должен быть изолирован, и пропитывается смолой. Затем композит из смолы и слюдяной бумаги отверждают. Дополнительно, слюдяная бумага может быть нанесена на ткань-подложку из стекла или полиэфира, причем ткань-подложка придает слюдяной бумаге дополнительную стабильность. Клей соединяет ткань-подложку и слюдяную бумагу в слюдяную ленту. Во избежание высоких температур в проводнике при работе машины тепло должно отводиться от проводника в окружающую среду. Теплопроводность слюдяной бумаги составляет всего лишь примерно от 0,2 до 0,25 Вт/мК при комнатной температуре, в результате чего теплоотвод от электрического проводника затруднен.

Улучшение теплопроводности могло бы быть достигнуто как за счет уменьшения толщины изоляции, так и за счет улучшенной теплопроводности изоляции. Известно применение чешуйчатых частиц оксида алюминия вместо чешуйчатых частиц слюды, причем оксид алюминия с теплопроводностью примерно от 25 до 40 Вт/мК имеет значительно более высокую теплопроводность, чем слюда.

Известны изоляционные ленты, которые включают в себя ткань и слюду, причем клей соединяет оба компонента с образованием слюдяной защитной ленты.

За счет комбинации неорганических и полимерных материалов, в общем случае, первоначально высокая теплопроводность неорганической слюды уменьшается. Теплопроводность обычно используемой пропитанной эпоксидными смолами слюдяной ленты со стеклотканью или полиэфирной тканью в качестве материала подложки составляет примерно от 0,2 до 0,25 Вт/мК при комнатной температуре, а теплопроводность чистой слюды, напротив, составляет примерно 0,5 Вт/мК.

Таким образом, современная конфигурация системы и связанный с ней производственный процесс, хотя и хорошо подходят, чтобы обеспечить достаточно стойкое электроизоляционное действие, однако теплоотводу от электрического проводника будут препятствовать теплоизолирующие свойств композиционного материала.

Из документа EP 11164882, на который настоящим дается ссылка во всей его полноте и раскрытие которого является частью настоящего описания, известен способ изготовления пористого композита на основе частиц на электроизоляционной бумаге, включающий в себя следующие этапы: смешивание дисперсии из чешуйчатых частиц, флюида-основы и агента функционализации (функциональных групп), который распределен во флюиде-основе и в дисперсии имеет массовую долю, которая по отношению к массовой доле частиц соответствует заранее определенному массовому отношению; создание осадка путем седиментации дисперсии, за счет чего чешуйчатые частицы располагаются по существу слоями плоско-параллельно в осадке; удаление флюида-основы из осадка; введение энергии в осадок, чтобы преодолеть энергию активации той химической реакции агента функционализации с частицами, которая при связывании частиц через агент функционализации из осадка образует композит на основе частиц, причем массовое отношение предварительно определяется таким образом, что композит на основе частиц имеет пористую структуру. Образованное таким способом связывание частиц усиливает взаимодействия частиц между собой, так что предпочтительным образом композит на основе частиц имеет прочность, достаточную для изготовления бумаги.

Недостатком этого способа является то, что хотя посредством способа фильтрации изготавливается лента слюды-оксида алюминия, однако она невыгодным образом соединяется с повышающей прочность волокнистой подложкой, причем используется клей, который, как правило, заполняет ячейки упрочняющего волокнистого композита. Посредством полимерного заполнения ячеек волокнистого композита нетеплопроводным полимером теплопроводность всей системы ограничивается.

Поэтому задачей настоящего изобретения является ориентировать расположение чешуйчатых теплопроводных частиц в волокнистом композите, в частности ориентировать параллельно, так что в волокнистом композите образуются пути теплопроводности.

Решением этой задачи и предметом настоящего изобретения является материал изоляционной ленты, включающий в себя композит на основе частиц и ткань, причем промежутки ткани заполнены композитом на основе частиц. Кроме того, предметом изобретения является способ изготовления изоляционной ленты с наполнителем, включающий в себя следующие этапы способа: смешивание дисперсии из чешуйчатых частиц с флюидом-основой; создание осадка путем седиментации дисперсии, за счет чего чешуйчатые частицы располагаются по существу слоями плоско-параллельно в осадке; введение ткани в осадок и удаление флюида-основы из осадка. Кроме того, предметом изобретения является применение материала изоляционной ленты для изготовления изоляции для защиты от перенапряжений и/или пробоев в электродвигателях, высоковольтном оборудовании и/или (высоковольтных) генераторах.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения ткань выполнена в виде сетки, так что в сетчатой структуре имеются ячейки.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения изобретения композит на основе частиц включает в себя чешуйчатые частицы, особенно предпочтительно с аспектным отношением по меньшей мере 50, то есть отношение длины чешуек к толщине чешуек составляет по меньшей мере 50.

В соответствии с еще одной формой выполнения чешуйчатые частицы композита на основе частиц являются хорошо теплопроводными.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения способа при смешивании дисперсии из чешуйчатых частиц с флюидом-основой добавляют агент функционализации, который распределен в флюиде-основе и в котором дисперсия имеет массовую долю, которая по отношению к массовой доле частиц соответствует предварительно определенному массовому отношению.

Перед смешиванием дисперсии частицы предпочтительно образуются с по существу мономолекулярным тонким слоем на поверхности частиц, причем тонкий слой создается из другого агента функционализации. Химическая реакция для связывания частиц осуществляется между тонким слоем и агентом функционализации.

К дисперсии из частиц с по существу мономолекулярным тонким слоем и флюида-основы альтернативно добавляются предпочтительно частицы, которые имеют по существу мономолекулярный тонкий слой, который отличается от тонкого слоя первоначально имевшихся в дисперсии частиц. Химическая реакция для связывания частиц осуществляется между двумя или более различными тонкими слоями.

Частицы предпочтительно выбирают таким образом, что они содержат оксид алюминия. Преимуществом оксида алюминия является его высокая теплопроводность по сравнению со слюдой.

В соответствии с другой предпочтительной формой выполнения способа после удаления флюида-основы из осадка добавляется еще один этап способа, на котором в осадок вводится энергия, чтобы преодолеть энергию активации той химической реакции агента функционализации с частицами, которая при связывании частиц через агент функционализации из осадка образует композит на основе частиц, причем массовое отношение предварительно определяется таким образом, что композит на основе частиц имеет пористую структуру. Подобным образом образованное связывание частиц усиливает взаимодействия частиц между собой, так что предпочтительным образом композит на основе частиц имеет прочность, достаточную для изготовления бумаги, и образует пути теплопроводности.

Агент функционализации предпочтительно выбирается таким образом, что он представляет собой синтетический материал, в частности термопласт. Синтетический материал предпочтительно выбирается таким образом, что он представляет собой полиолефиновый спирт, особенно полиэтиленгликоль или не полностью гидролизованный поливиниловый спирт с молекулярной массой между 1000 и 4000, или полиалкилсилоксан, особенно метокси-терминированный полидиметилсилоксан или силиконовый полиэфир. Кроме того, агент функционализации предпочтительно выбирается таким образом, что он представляет собой алкоксисилан и образует по существу мономолекулярный тонкий слой на поверхности частиц. Алкоксисилан предпочтительно выбирается таким образом, что он имеет эпоксидные кольца, в частности 3-глицидоксипропилтриметоксисилан, или аминогруппы, в частности 3-аминопропилтриэтоксисилан. Кроме того, агент функционализации предпочтительно выбирается таким образом, что он содержит частицы, особенно наночастицы из диоксида кремния, которые несут поверхностные эпоксидные функциональности.

Соответствующий изобретению способ предпочтительно выполняется таким образом, что энергия для преодоления энергии активации в форме тепла и/или излучения подается к осадку с тканью. Кроме того, соответствующий изобретению способ предпочтительно выполняется таким образом, что удаление флюида-основы осуществляется путем фильтрации с последующей подачей тепла. Удаление растворителя путем подачи тепла и подача тепла для преодоления энергии активации предпочтительным образом может осуществляться в одном этапе способа. При этом флюид-основа предпочтительно выбирается таким образом, что он представляет собой воду.

В соответствии с предпочтительной формой выполнения удаление осадка осуществляется после добавления ткани путем фильтрации, так что чешуйчатые частицы всасываются через ткань.

Посредством введения ткани формируется механическое сцепление осадка с тканью. Это не только упрощает процесс изготовления, но и также создает лучшую тепловую связь оксида алюминия с тканью.

Флюид-основа предпочтительно представляет собой растворитель, в котором агент функционализации может растворяться, причем агент функционализации растворен в растворителе. Агент функционализации предпочтительным образом выбирается так, что он образует по существу мономолекулярный тонкий слой на поверхности частиц. Химическая реакция для связывания частиц осуществляется между тонкими слоями. Ткань имеет, по сравнению с чешуйчатыми частицами, например с оксидом алюминия и/или частицами слюды, худшую теплопроводность и поэтому ограничивает общую теплопроводность композита согласно уровню техники. Кроме того, после пропитки согласно уровню техники ячейки в сетке ткани заполняются клеем, так что в этих местах существует сильное препятствие на пути теплового потока. Если теперь путем видоизменения процесса изготовления эти ячейки ткани заполняются теплопроводными частицами, т.е., например, частицами оксида алюминия, то образуются высокотеплопроводные мостики в ячейках ткани или промежутках волокна, так что общая теплопроводность композита возрастает. Испытания показали, что за счет этого общая теплопроводность пропитанного насквозь алюмооксидно-стеклотканного композита увеличивается от 0,4 Вт/мК до 0,48 Вт/мК. Это равносильно увеличению теплопроводности на 20%.

В дальнейшем изобретение поясняется более подробно с помощью двух фигур, которые схематично показывают предпочтительную форму выполнения изобретения:

На фиг. 1 показаны снимки в растровом электронном микроскопе алюмооксидно-стекловолокнистого материала, который был изготовлен в соответствии с изобретением.

Можно видеть структурированную по форме сетки ткань с образованием ячеек, причем ячейки заполнены чешуйчатыми частицами.

Фиг. 2 показывает фрагмент фиг. 1, причем можно видеть заполненную ячейку сетчатой ткани.

Показанные ячейки согласно уровню техники заполняются клеящим веществом, которое, как правило, плохо проводит тепло, потому что связывание между чешуйчатыми частицами и тканью осуществляется только после изготовления - предпочтительно пористого - композита на основе частиц согласно EP 11164882 посредством добавления сетчатой ткани и клея.

Изобретение относится к материалу изоляционной ленты, к способу его изготовления и применения, в частности для изготовления электроизоляционной бумаги, такой как слюдяная бумага, которая содержится в теплопроводных изоляционных лентах, которые используются, например, в высоковольтной изоляции. Материал изоляционной ленты имеет армирование волокном посредством ткани, причем ячейки ткани заполнены - предпочтительно теплопроводным - композитом на основе частиц.

1. Материал изоляционной ленты, изготавливаемый способом, включающим в себя смешивание дисперсии из чешуйчатых частиц с флюидом-основой; создание осадка путем седиментации дисперсии, за счет чего чешуйчатые частицы располагаются по существу слоями плоскопараллельно в осадке; введение ткани в осадок и удаления флюида-основы из осадка.

2. Материал изоляционной ленты по п. 1, причем ткань имеет сетчатую структуру.

3. Материал изоляционной ленты по п. 1, причем ткань включает в себя стекловолокна.

4. Материал изоляционной ленты по п. 1, причем частицы композита на основе частиц имеют аспектное отношение больше/равное 50.

5. Материал изоляционной ленты по п. 1, причем композит на основе частиц включает в себя хорошо теплопроводные частицы.

6. Материал изоляционной ленты по п. 5, причем композит на основе частиц включает в себя частицы оксида алюминия.

7. Материал изоляционной ленты по п. 1, причем композит на основе частиц включает в себя агент функционализации.

8. Способ изготовления изоляционной ленты с наполнителем, включающий в себя следующие этапы способа:

смешивание дисперсии из чешуйчатых частиц с флюидом-основой;

создание осадка путем седиментации дисперсии, за счет чего чешуйчатые частицы располагаются по существу слоями плоскопараллельно в осадке;

введение ткани в осадок и

удаление флюида-основы из осадка.

9. Способ по п. 8, причем удаление флюида-основы из осадка осуществляют по меньшей мере частично путем фильтрации.

10. Способ по п. 8, причем в смесь из дисперсии и флюида-основы дополнительно добавляют агент функционализации.

11. Способ по п. 8, включающий в себя после удаления флюида-основы из осадка дополнительный этап способа, на котором в осадок вводят энергию для преодоления энергии активации химической реакции агента функционализации с частицами, так что при связывании частиц через агент функционализации из осадка образуется композит на основе частиц.

12. Применение материала изоляционной ленты по любому из пп. 1-7 для изготовления изоляции для защиты от перенапряжений и/или пробоев в электродвигателях, высоковольтном оборудовании и/или (высоковольтных) генераторах.