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(11) | EP 0 030 717 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren zur Herstellung von Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten |
| (57) Zweck der Erfindung ist es, Zweischichtlackdrähte, d.h. Wickeldrähte mit zwei Isolierschichten
aus unterschiedlichen Materialien, auf besonders wirtschaftliche Weise herzustellen. Entsprechende Wickeldrähte mit zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Materialien werden erhalten, wenn auf einen mittels bekannter Drahtlacke oder Drahtlackharze bzw. auf einen durch Extrusionsbeschichtung mit teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Polykondensaten isolierten elektrischen Leiter eine zweite Schicht durch Extrusion eines thermoplastichen Kunststoffes in einem Arbeitsgang derart aufgebracht wird, daß die Gesamtschichtstärke beider Isolierschichten den Anforderungen der Deutschen Norm DIN 46435 entspricht. Für die zweite Schicht sind als thermoplastische Kunststoffe bevorzugt teilkristalline oder amorphe Polyamide oder Polyvinylacetate verwendbar. Eine Nachbehandlung der im Extrusionsverfahren isolierten Drähte ist in keinem Fall erforderlich. Solche Zweischichtlackdrähte kommen im Elektromaschinenbau und in der Elektronik zum Einsatz und gestatten, daß die damit hergestellten Wicklungen durch Wärme oder Lösungsmittelbehandlung ohne Mithilfe von Imprägnierlakken oder -harzen miteinander verbacken. |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Vickeldrähten mit zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Materialien, sogenannten Zweischichtlackdrähten.
[0002] Lackisolierte Wickeldrähte sind in der Deutschen Norm DIN 46435 von April 1977 genau charakterisiert. Sie kommen in großem Umfang im Elektromaschinenbau, Transformatorenbau und in der Elektronik zum Einsatz.
[0003] Das Leitermetall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, ist mit einer dünnen, jedoch mechanisch und thermisch äußerst widerstandsfähigen Kunstharzlackschicht isoliert.
[0004] Die Herstellung derartiger Lackdrähte erfolgt auf Drahtlackiermaschinen durch mehrfaches kontinuierliches Auftragen eines Drahtlackes auf den Metalldraht. Außer den lösungsmittelhaltigen Drahtlacken werden zur Drahtlackierung auch Drahtlackharz-Schmelzen oder -Dispersionen sowie wässrige Lösungen von Drahtlackharzen eingesetzt.
[0005] Alle diese bekannten Verfahren sind durch die damit erreichbaren verhältnismässig niedrigen Abzugsgeschwindigkeiten jedoch recht arbeits- und zeitaufwendig.
[0006] Aus der Kabelindustrie ist seit langem die Extrusion von Thermoplasten zur dickwandigen Ummantelung elektrischer Leiterbündel sowie zur Herstellung von Leitungsdrähten bekannt.
[0007] In der Deutschen Auslegeschrift 2 638 763 wird bereits ein Verfahren zur Herstellung von lackisolierten Wickeldrähten durch Extrusion von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten mit Kristallitschmelzpunkten oberhalb 170°C, vorzugsweise oberhalb 250°C, beschrieben.
[0008] Diese unter Mitwirkung der Anmelderin getätigte ältere Anmeldung leistet einen entscheidenden Beitrag zur Überwindung des Vorurteils, die Erzielung derart dünner Isolierschichten, wie sie laut DIN 46435 gefordert werden, sei im Extrusionsverfahren nicht möglich.
[0009] Das Verfahren gemäß der älteren Anmeldung und aller Folgeanmeldungen hat den großen Vorteil, daß keine Nachbehandlung - etwa ein Nachstrecken oder eine Härtungsreaktion - erforderlich ist, was eine beträchtliche Zeit-und Energieeinsparung zur Folge hat.
[0010] Für spezielle Anwendungen in der Elektrotechnik, z.B. im Elektromaschinenbau und in der Unterhaltungselektronik, besteht nun ein Bedürfnis, auf die vorhandene Isolation eine weitere Schicht eines andersartigen Polymeren aufzubringen, um den erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitungssicherheit solcher Wickeldrähte zu genügen oder spezielle Effekte zu erzielen. Dazu gehören die Erhöhung der Oberflächenhärte und der Abriebfestigkeit sowie die Eigenschaft der isolierten Drähte, nach dem Wickeln durch Wärme oder Lösungsmittelbehandlung miteinander zu verkleben.
[0011] Im allgemeinen geschieht das in der Weise, daß als Grundisolierung ein Lack aus einem härtbaren wärmebeständigen Harz - wie z.B. Terephthalsäurepolyester-oder Polyesterimid-Harz - verwendet wird, der in üblichen Lackieranlagen mehrmals auf den Draht aufgetragen und dann eingebrannt wird.
[0012] Anschließend oder auch in einem Arbeitsgang wird dann als zweite Schicht ein Lack aus einem weiteren, vorzugsweise linearen Polymeren - wie z.B. Polyamid, Polyvinylacetal, Polyester, Polyamidimid - nach dem gleichen Ver-fahren auf den Leiter aufgetragen.
[0013] Nachteilig bei diesem Verfahren ist die oft geringe Löslichkeit der vorzugsweise verwendeten linearen Polykondensate, so daß diese Lacke nur sehr geringe Festkörpergehalte aufweisen und aggressive Lösungsmittel erfordern, die beim Lackieren die Grundisolierung des Leiters nachteilig beeinflussen können.
[0014] Es wurde nun ein neues vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Zweischichtlackdrähten gefunden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einen mittels bekannter Drahtlacke oder Drahtlackharze bzw. auf einen durch Extrusionsbeschichtung mit teilkristallinen oder amorphen thermoplastischen Polykondensaten isolierten elektrischen Leiter eine zweite Schicht eines thermoplastisch Kunststoffes derart aufgebracht wird, daß die Gesamtschichtstärke beider Isolierschichten den Anforderungen der Deutschen Norm DIN 46435 genügt.
[0015] Für die Grundisolierung des elektrischen Leiters sind alle üblichen und bekannten Drahtlacke bzw. Drahtlackharze geeignet, die zur Herstellung von wärmestabilen Wickeldrähten der Typen M, W 155 und W 180 gemäß der Deutschen Norm DIN 46416, Teil 1, 4 und 5 verwendet werden. Dies sind insbesondere Drahtlacke bzw. Drahtlackharze auf der Basis von Terephthalsäurepolyester,
[0016] Polyesterimid, Polyamidimid und Polyimid. Die Drahtlackharze können in organischen Lösungsmitteln oder in Wasser gelöst oder dispergiert sein, oder aber aus der Schmelze aufgetragen werden.
[0017] Für die durch Extrusionsbeschichtung hergestellte Grundisolierung des elektrischen Leiters sind die teilkristallinen thermoplastischen Polykondensate der DE-AS 2 638 763 - wie z.B. lineare Polyester und Polyamide - und die amorphen Polyäthersulfone bzw. teilkristallinen Polyätherketone der Folgeanmeldungen geeignet. Diese Polykondensate können ggf. in Mischung mit Farbstoffen, Pigmenten, Füllstoffen und sonstigen Hilfsmitteln eingesetzt werden.
[0018] In diesem Fall ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens darin zu sehen, daß für die zweite Schicht thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden, deren Erweichungspunkte niedriger liegen als die der Polykondensate der ersten Schicht.
[0019] Für die erfindungsgemäß durch Extrusion aufzutragende zweite Isolationsschicht sind im Prinzip zwar alle extrudierbaren thermoplastischen Kunststoffe geeignet - wobei gegebenenfalls zur Verbesserung der Haftung zwischen den beiden Isolationsschichten die Applizierung eines Haftvermittlers auf die Grundschicht oder auch eine zwischenzeitliche Erwärmung des isolierten Drahtes angebracht sein kann - in der Praxis beschränkt man sich jedoch auf solche Polymere, die entweder durch Erwärmung oder durch leicht flüchtige Lösungsmittel verbackbar sind oder die den bereits isolierten wärmebeständigen Lackdraht in seinen mechanischen Eigenschaften - wie Oberflächenhärte, Abrieb oder Elastizität - verbessern. Besonders bevorzugt sind teilkristalline oder amorphe Polyamide.
[0020] Als teilkristalline Polyamide kommen z.B. durch Polykondensation aus aliphatischen Dicarbonsäuren und aliphatischen Diaminen hergestellte 6,6-Polyamide, 6,lo-Polyamide u.a. in Frage, weiterhin die aus den Lactamen oder ω -Aminocarbonsäuren gebildeten 6-Polyamide, 11-Polyamide, 12-Polyamide u.a.
[0021] Als amorphe Polyamide sind z.B. geeignet:
Ein aus Terephthalsäure bzw. Dimethylterephthalat und Trimethylhexamethylendiamin (Gemisch aus 2,2,4 und 2,4,4-Isomeren) hergestelltes transparentes Polyamid, weiterhin ein Mischpolyamid aus 3 Komponenten auf der Grundlage von Caprolactam, Hexamethylendiamin/ Adipinsäure und p,p'-Diaminodicyclohexylmethan/ Adipinsäure sowie weitere glasklare Mischpolyamide auf der Grundlage mehrerer Komponenten mit Glastemperaturen zwischen 100 und 200°C.
[0022] Vor allem gewisse Polyamide als zweite Schicht haben - wie aus einigen Beispielen ersichtlich - die vorteilhafte Eigenschaft, bereits bei mäßig erhöhten Temperaturen zu verfließen und die beispielsweise im Elektromaschinenbau und in der Unterhaltungselektronik eingesetzten Wicklungen bzw. Spulen fest zu verbacken, das den Einsatz der sonst üblichen Tränklacke bzw. Tränkharze überflüssig macht.
[0023] Weiterhin einsetzbar sind z.B. Polyvinylacetale für die zweite Schicht. Innerhalb dieser Stoffklasse besonders bevorzugt sind Polyvinylbutyrale wegen ihrer Quellbarkeit in leicht flüchtigen Lösungsmitteln, z.B. Alkoholen, die als Alternative zum vorgenannten thermischen Verbacken eine Verfestigung der Spulen durch Lösungsmitteleinwirkung zuläßt.
[0024] Besonders geeignet für dieses Anwendungsgebiet sind Polyvinylbutyrale mit Butyralisierungsgraden von 70 - 80 % und durchschnittlichen Molekulargewichten von 30 000 - 200 000.
[0025] Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß auch Polymere eingesetzt werden können, die nur schwer oder gar nicht in üblichen Lösungsmitteln löslich sind.
[0026] Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Schweizer Patentanmeldung CH 8446/76 "Extrusionsanlagen zur Fertigung von Wickeldrähten" beschrieben.
[0027] Im Fall der Herstellung der Grund- und der Deckschicht im Extrusionsverfahren wird entweder auf ein und demselben Extruder ein bereits mit einer Grundisolation der beschriebenen Art versehener Draht anschließend mit der zweiten Schicht versehen oder aber es werden im Tandemverfahren unter Verwendung von zwei hintereinandergeschalteten Extrudern beide Schichten in einem Arbeitsgang aufgetragen.
[0028] In den folgenden Beispielen werden die Verarbeitungsbedingungen für die einzelnen Polymersysteme sowie einige Eigenschaften der gefertigten Wickeldrähte bei Benutzung der in der Schweizer Patentanmeldung CH 8446/76 beschriebenen Fertigungseinrichtung angegeben.
[0029] In den Beispielen 1 bis 4 kam weichgeglühter Kupferrunddraht von 0,6 mm Durchmesser zum Einsatz, der über eine Abspulvorrichtung zunächst eine Vorheizstrecke und nach Passieren der Beschichtungszone im Extruderkopf eine Abstreiferdüse, die die Schichtstärke reguliert, durchlief. Nach Passieren einer Kühlstrecke wurde der beschichtete Draht aufgespult. Anschließend wurde die zweite Schicht aufgetragen.
[0030] Die angegebenen Extrudertemperaturen beziehen sich jeweils auf die Strecke vom Einlauf bis zur Düse. Die drei letzten Temperaturangaben gelten für das Düsensystem.
Beispiel 1:
[0031] Beschichtungsmaterial:
1. Schicht: Polyäthylenterephthalat pigmentiert mit 8 % Titandioxid
2. Schicht: 12-Polyamid (Polymeres aus Laurinlactam, Schmelzpunkt ca. 180°C)
[0032] Verarbeitungsbedingungen:
Extrusionstemperatur:
1. Schicht: 240/250/260/270/270/280°C
2. Schicht: 165/180/180/190/200/220°C
Abzugsgeschwindigkeit:
1. Schicht 200 m/min
2. Schicht 200 m/min
Schichtstärke (Durchmesserzunahme)
1. Schicht 34 µm
2. Schicht 30 µm
[0033] Eigenschaften der Wickeldrähte:
Härte B Erweichungstemperatur: 245°C Die hohe Elastizität und gute Haftung der Beschichtung wird dadurch dokumentiert, daß nach Dehnen des Drahtes bis zum Bruch (23%) eine Wickellocke um den einfachen Drahtdurchmesser (0,6 mm) noch rissfrei war.
Verzinnbarkeit: bei 375°C in Lötzinn 60/40: 3,5 s bei 420°C " 60/40: 2,0 s
Durchschlagsspannung (nach DIN 46453), Teil 1, Abs. 13.2.2.): 5,0 kV
Verbackungstemperatur (nach DIN 46453, Teil 1, Abs. 18.2.1.) 200°C
Wiedererweichungstemperatur (nach DIN 46453, Teil 1, Abs. 18.2.2.) 130°C
Beispiel 2:
[0034] Beschichtungsmaterial:
1. Schicht: Polyäthersulfon der Formel
2. Schicht: 12-Polyamid (wie Beispiel 1)
[0035] Verarbeitungsbedingungen:
Extrusionstemperatur:
1. Schicht: 315/340/350/340/350/370°C
2. Schicht: 165/180/180/190/200/220°C
Abzugsgeschwindigkeit:
1. Schicht: 200 m/min
2. Schicht: 200 m/min
Schichtstärke (Durchmesserzunahme):
1. Schicht: 42 µm
2. Schicht: 38 µm
also Gesamtdurchmesserzunahme 80 µm.
Beispiel 3:
[0037] Beschichtungsmaterial
1. Schicht: Polyätherketon der summarischen Formel
2. Schicht: 12-Polyamid (s. Beispiel 1)
[0038] Verarbeitungsbedingungen:
Extrusionstemperaturen:
1. Schicht: 390/410/420/420/420/440°C
2. Schicht: 165/180/180/190/200/220°C
[0040] Schichtstärke (Durchmesserzunahme):
1. Schicht: 42 µm
2. Schicht: 36 µm
also Gesamtdurchmesserzunahme 78 µm
Beispiel 4:
[0042] Beschichtungsmaterial
1. Schicht: Polyäthylenterephthalat pigmentiert mit 8% Titandioxid
2. Schicht: Polyvinylbutyral, mittleres Molekulargewicht ca. 100 000
[0043] Verarbeitungsbedingungen:
Extrusionstemperaturen:
1. Schicht: 240/230/260/270/270/280°C
2. Schicht: 120/160/180/170/170/190°C
Abzugsgeschwindigkeit:
1. Schicht: 200 m/min
2. Schicht: 100 m/min
Schichtstärke (Durchmesserzunahme)
1. Schicht: 44 µm
2. Schicht: 22 µm
also Gesamtdurchmesserzunahme: 66 µm
[0044] Eigenschaften der Wickeldrähte:
Härte H Wickellocke über den einfachen Drahtdurchmesser nach 20% Vordehnung des Drahtes ohne Risse
[0045] Verbackungstest:
2 Drahtenden werden ohne sich zu berühren 5 Sekunden in Lösungsmittel getaucht und anschließend aneinandergepresst. Beim Auseinanderziehen wird die Verklebung der Drähte beurteilt.
Bei Verwendung von Äthanol oder Methanol war die Verklebung ausgezeichnet.
Beispiel 5:
[0046] Zum Einsatz kam ein mit einem Drahtlack auf Polyesterimidbasis nach üblichen Methoden isolierter gleitmittelfreier Kupferdraht mit einem Nenndurchmesser von 0,95 mm des Typs W 155/ W 180. Der Gesamtdurchmesser des isolierten Drahtes betrug 1,005 mm. Die Schichtstärke (Durchmesserzunahme) der ersten Isolationsschicht betrug also 55 µm.
Beispiel 6:
[0050] Zum Einsatz kam ein mit einem Drahtlack auf Polyesterimidbasis nach üblichen Methoden isolierter gleitmittelfreier Kupferdraht mit einem Nenndurchmesser von 0,40 mm. Der Gesamtdurchmesser des isolierten Drahtes betrug 0,430 mm. Die Durchmesserzunahme durch die Grundisolierung betrug also 30 µm.