Verfahren zur Herstellung von isolierten Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten und Thermoplaste zur Ausführung desselben

Abstract

 Zweck der Erfindung ist es, auf besonders wirtschaftliche Weise isolierte elektrische Drähte herzustellen, die bezüglich ihrer Eigenschaften und ihrer Funktion mit den lackisolierten Wickeldrähten vergleichbar sind und somit für den Einsatz im Elektromaschinenbau, im Transformatorenbau sowie in der Elektronik geeignet sind.
Entsprechende Wickeldrähte, die den Anforderungen der Deutschen Norm DIN 46435 entsprechen, werden in einem wirtschaftlichen Extrusionsverfahren erhalten, wenn als Material teilkristalline thermoplastische araliphatische Polyamide mit Kristallitschmelzpunkten von mindestens 280°C und mit Viskositätszahlen von vorzugsweise mindestens 0,5 verwendet werden.
Das thermoplastische Polyamid wird im Extruder geschmolzen, anschließend im Extruderkopf auf und um den Draht gepreßt und bildet dann einen festsitzenden Überzug, ohne daß eine Nachbehandlung erforderlich wird.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von isolierten Wickeldrähten durch Extrusion von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten und zur Ausführung des Verfahrens besonders geeignete Thermoplaste.

[0002] Lackisolierte Wickeldrähte, sogenannte "Laokdrähte", 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, d.h. im Prinzip der Lösung eines organischen Kunstharzes in einem Lösemittel, auf den Metalldraht.

[0005] Um einen glatten, blasen- und lösungsmittelfreien Lackfilm zu erzielen, muß die Anzahl der Lackaufträge soweit wie möglich erhöht und dabei die Schichtstärke des Einzelauftrages dünn gehalten werden.

[0006] Im allgemeinen werden 6 - 10 Einzelaufträge getätigt, die erforderlichen Schichtstärken sind dabei sehr stark durchmesserabhängig. Für einfach (1 L) isolierte Kupferrunddrähte von 1 mm Durchmesser ist nach DIN 46435 beispielsweise eine Isolierschicht von 15 - 34 g vorgesehen.

[0007] Der jedem Lackauftrag nachfolgende Einbrennprozeß bewirkt ein Verdampfen der Lösemittel und die Härtung des Lackfilms. Die anfallenden Lösemitteldämpfe werden durch einen Ventilator aus der Einbrennkammer entfernt. Die Einbrenntemperatur liegt bei diesem Prozeß zwischen 300 und 550°C und ist abhängig von der Lackbasis, dem Drahtdurchmesser, der Kammerlänge und der Abzugsgeschwindigkeit.

[0008] Lacklösungen gemäß dem Stand der Technik enthalten Festkörpergehalte im Bereich von ca. 20 bis ca. 40 %, d.h. der Anteil an zu verdampfenden Lösemitteln beträgt 60 - 80 %. Bei Erhöhung des Festkörpergehaltes resultieren verarbeitungstechnisch ungünstige, weil zu hochviskose Lacklösungen.

[0009] Als Lösemittel für die gängigen Drahtlacke kommen wegen ihrer großen Lösekraft, ihres verlauffördernden hohen Siedebereiches und nicht zuletzt wegen ihrer Preiswürdigkeit vorzugsweise die aus Stein- oder Braunkohlenteer gewonnenen isomeren Kresol- und Xylenolgemische im Verschnitt mit aromatischen Kohlenwasserstoffen zum Einsatz, bei einigen speziellen Drahtlacken werden auch N-Methylpyrolidon und Dimethylformamid verwendet.

[0010] Der oben skizzierte Stand der Technik bei der Herstellung lackisolierter Wickeldrähte muß ganz offensichtlich als unbefriedigend bezeichnet werden.

[0011] Das Aufbringen einer Vielzahl von sehr dünnen Einzelaufträgen erfordert einen hohen technischen Aufwand und muß sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirken.

[0012] Die zwecks Erzielung optimaler Lackdrahteigenschaften unbedingt notwendige vollständige Entfernung der Lösemittel aus dem Reaktionsraum ist nur unter hohem Energieaufwand möglich.

[0013] Der parallel hierzu ablaufende Härtungsprozeß - bei den meisten Drahtlaokharzen eine unter Abspaltung flüchtiger Kondensationsprodukte stattfindende Vernetzung - erfordert infolge der Notwendigkeit, wirtschaftlich vertretbare Abzugsgeschwindigkeiten zu erreichen, ebenfalls große Energiemengen.

[0014] Trotz dieses beträchtlichen Aufwandes sind die auf gängigen Maschinen erzielbaren Abzugsgeschwindigkeiten - beispielsweise bei 1 mm Kupferdrähten 25 m/min. - vergleichsweise gering.

[0015] Die Gefährlichkeit der in Drahtlacken verwendeten kresolischen und sonstigen Lösemittel bei Berührung mit der Haut und bei Einatmung der Dämpfe wird durch folgende Daten für die vorzugsweise verwendeten Kresole und Xylenole dokumentiert:

Maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) lt. deutsch. Kommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe, 1977: 5 ppm bzw. ₂₂ mg/m³.

[0016] Deutsche Verordnung über gefährliche Arbeitsstoffe vom 8.9.1975: Klasse I b, d.h. giftig und mit Totenkopf zu kennzeichnen auch in Abmischungen mit anderen Lösungsmitteln bis auf einen Kresol- bzw. Xylenolgehalt von 1 %. Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) vom 28.8.74: Klasse I, d.h. die max. erlaubte Emission von Kresolen bzw. Xylenolen beträgt lediglich 20 mg/m Abluft.

[0017] Zur Erfüllung der behördlichen Vorschriften, d.h. zur Vermeidung von Gesundheitsgefährdung sind also aufwendige Sicherheitsvorkehrungen notwendig.

[0018] Bei den dem üblichen Stand der Technik entsprechenden Lackdrahtmaschinen werden die Lösemitteldämpfe wie erwähnt durch einen Ventilator aus der Einbrennkammer entfernt. Die Installation von Verbrennungskatalysatoren, durch welche ein Großteil der aus der Einbrennkammer anfallendon Lösemitteldämpfe vernichtet wird, führt zu einer beträchtlichen finanziellen Belastung und damit zur Verteuerung des Endproduktes.

[0019] Zur Überwindung der aus der Verwendung von Lösemitteln resultierenden Schwierigkeiten wurde bereits der Vorschlag gemacht, wäßrige Systeme zum Einsatz zu bringen.

[0020] Sowohl die Verwendung von Drahtlack-Dispersionen (DT-OS 2351078) als auch die von in Wasser gelösten Drahtlackharzen (DT-OS 1720321 und DT-OS 2605790) beinhalten jedoch die Problematik der äußerst energieaufwendigen Verdampfung großer Wassermengen, deren vollständige Entfernung zum Erhalt einer funktionsfähigen Lackdrahtisolation zwingend notwendig ist.

[0021] Zudem werden die oben geschilderten Umweltprobleme durch die bei wäßrigen Systemen bekanntlich bestehende Not- . wendigkeit der Modifizierung mit wechselnden Mengen organischer Hilfsmittel, wie z.B. hochsiedenden, als Verlaufsmittel fungierenden Lösemitteln, Dispergier-und gegebenenfalls Verdickungsmitteln sowie vor allem durch organische, die Wasserlöslichkeit vermittelnde Amine allenfalls abgemildert.

[0022] Vorgeschlagen worden ist weiterhin ein Verfahren zur Isolierung von elektrischen Leitern mit Harzschmelzen, .speziell von härtbaren Polyesterimiden (DT-OS 2135157 und DT-OS 2401027).

[0023] Die Verarbeitung von Schmelzen derart reaktiver Harze bei den zur Diskussion stehenden Temperaturen ist jedoch problematisch im Hinblick auf deren Lagerfähigkeit.

[0024] Die nach diesem Verfahren erreichbaren Abzugsgeschwindigkeiten sind außerdem keinesfalls höher, vorzugsweise sogar erheblich niedriger als die konventioneller Lacke.

[0025] In einer älteren Anmeldung (vergl. z.B. DT-OS 2638763) wurde - u.a. von der Anmelderin - bereits ein Verfahren zur Herstellung von sogenannten lackisolierten Wickeldrähten durch Extrusion von Thermoplasten vorgeschlagen, das durch den Einsatz von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten mit Kristallitschmelzpunkten oberhalb 170°C, vorzugsweise oberhalb 250°C, gekennzeichnet ist.

[0026] Dieses Verfahren leistet einen entscheidenden Beitrag zur Überwindung der den bekannten Stand der Technik eindeutig belastenden Nachteile:

1. Da die nach diesem Verfahren zur Anwendung kommenden teilkristallinen Thermoplasten keinerlei Lösemittel oder sonstige toxische Substanzen enthalten, entfallen die aufwendigen Verbrennungsvorrichtungen und sonstigen zur Vermeidung von Gesundheitsgefährdung erforderlichen Maßnahmen. Dieses Verfahren ist also eindeutig umweltfreundlicher als die bisher angewendeten Verfahren. Die infolge des Wegfalls von Lösemittelverdampfung eintretende Energieeinsparung trägt außerdem entacheidend zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.

2. Die laut DIN 46435 vorgesehene Isolierschicht kann in einem Arbeitsgang aufgebracht werden. Vorteilhafterweise gilt dies auch für doppelt (2 L)-isolierte Drähte, bei denen nach DIN 46435 für Kupferrunddrähte von 1 mm Durchmesser beispielsweise eine Isolierschicht von 30 - 47 µ vorgesehen ist. Das Verfahren ist also diesbezüglich gegenüber den bisher angewandten Verfahren (6 - 10 Durchzüge) eindeutig bevorzugt.

3. Da verfahrensgemäß Thermoplaste zum Einsatz kommen, entfällt die bei den bisher angewandten Verfahren notwendige Härtungsreaktion, was wiederum eine beträchtliche Energieeinsparung zur Folge hat.

4. Als Konsequenz aus allen vorgenannten Punkten ergibt sich eine eindeutige und entscheidende Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit und damit der Wirtschaftlichkeit bei der Beschichtung von Leiterdrähten.

[0027] Bei 1 mm Kupferrunddrähten sind beispielsweise Geschwindigkeiten bis zu 500 m/min durchaus praktikabel, gegenüber dem herkömmlichen Verfahren läßt sich also die Geschwindigkeit problemlos um den Faktor 20 erhöhen.

[0028] Vor Einreichung der obengenannten älteren Anmeldung fand die Extrusion von Thermoplasten ausschließlich Anwendung in der Kabelindustrie zur dickwandigen Ummantolung elektrischer Leiterbündel sowie zur Herstellung von Leitungsdrähten.

[0029] In den Beispielen obengenannter Anmeldung werden die Extrusionsbedingungen für Polyäthylenterephthalat, 6,6-Polyamid sowie Polyphenylensulfid sowie die Eigenschaften der entsprechenden Wickeldrähte beschrieben.

[0030] Darüber hinaus wird auch im Text auf die prinzipielle Eignung araliphatischer Polyamide aus aromatischen Dicarbonsäuren bzw. deren funktionellen Derivaten und unverzweigten aliphatischen diprimären Diaminen bzw. entsprechenden aliphatischen Dicarbonsäuren und aromatischen Diaminen hingewiesen, z.B. auf Polyamide aus Terephthalsäure und Hexamethylendiamin (1,6), Terephthalsäure und Äthylendiamin, Terephthalsäure und Nonamethylendiamin (1,9), Terephthalsäure und Decamethylendiamin (1,10), Adipinsäure und p-Phenylendiamin.

[0031] Derartige Polyamide weisen zwar die für die vorgesehene Anwendung erwünschten hohen Schmelzpunkte auf, jedoch ist die Spanne zwischen Schmelzpunkt und Zersetzungspunkt zu eng. In den meisten Fällen findet sogar schon während des Schmelzvorganges eine Zersetzung statt, d.h. die genannten Polymeren sind nicht unzersetzt schmelzbar. Es liegt auf der Hand, daß in solchen Fällen eine Verarbeitung durch "thermische Umformung" unmöglich bzw. der Verarbeitungsspielraum zu knapp ist.

[0032] Es wird in obengenannter Anmeldung bereits vorgeschlagen, im Falle sehr hochschmelzender Thermoplasten eine Auflockerung des kristallinen Gefüges und damit eine Herabsetzung des Schmelzpunktes durch Cokondensation mit Monomeren anderer Struktur durchzuführen.

[0033] Beispielsweise kann bei sehr hochschmelzenden oder nicht ohne Zersetzung schmelzenden araliphatischen Polyamiden ein Teil der unverzweigten aliphatischen diprimären Diamine durch lineare aliphatische Diamine mit Seitengruppen, z.B. ein Teil des Hexamethylendiamin (1,6) durch Trimethylhexamethylendiamin, oder ein Teil der aromatischen durch aliphatische Dicarbonsäuren ersetzt werden.

[0034] Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, spezielle Polykondensate für das Extrusionsverfahren zu entwickeln, mit denen die oben geschilderten Nachteile vermieden werden können.

[0035] Es wurde gefunden, -und das war weder durch den Stand der Technik nahegelegt,noch in irgendeiner Weise voraus- zusehen,- daß das Verfahren zur Herstellung isolierter Wickeldrähte durch Extrusion von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten zu besonders günstigen Ergebnissen führt, wenn araliphatische Polyamide mit Kristallitschmelzpunkten von mindestens 280° und Viskositätszahlen von vorzugsweise mindestens 0,5 aus Terephthalsäure oder deren zur Amidbildung fähigen funktionellen Derivaten, Hexamethylendiamin und Isophorondiamin im Molverhältnis Dicarbonsäure zu Gesamtdiamin von 1:1 bis 1:1.1 mit Isophorondiamingehalten von mindestens 5 Mol % -bezogen auf Gesamtmol an Diamin- verwendet werden.

[0036] Die Viskositätszahl (auch unter dem Ausdruck reduzierte Viskosität bekannt, in der angelsächsischen Literatur als "viscosity number" oder "reduced specific viscosity" bezeichnet) ist durch folgende Beziehung definiert:

η = Auslaufzeit der Polymerlösung in sec.

η° = Auslaufzeit des Lösemittels in sec.

c = Konzentration der Polymerlösung in g/100 ml

[0037] Die Synthese derartiger Polyamide, auf die hier kein Schutzanspruch erhoben wird, erfolgt in Anlehnung an allgemein bekannte Technologien zur Polyamidherstellung.

[0038] Zwecks Erhalts höhermolekularer Produkte ist die möglichst genaue Einhaltung eines Molverhältnisses Dicarbonsäure : Diamin von 1 : 1 notwendig. Zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Polyamide werden also für 100 Mol Terephthalsäure 100 Mol Diamin - d.h. die Summe aus Hexamethylendiamin und Isophorondiamin - benötigt.

[0039] Prinzipiell ist jedes Molverhältnis von Hexamethylendiamin zu Isophorondiamin möglich. Da der Schmelzpunkt mit steigendem Isophorondiaminanteil jedoch sinkt - (das reine Polyamid aus Terephthalsäure und Isophorondiamin weist einen Schmelzpunkt von 270 - 280°C auf) - ist für solche Wickeldrähte, für die hohe Erweichungstemperaturen (nach DIN 46453) gefordert werden, eine Beschränkung des Isophorondiamingehalts auf möglichst niedrige, jedoch noch eine einwandfreie Verarbeitungsspanne garantierende Werte ratsam. So weisen beispielsweise Lackdrähte, die aus dem in Beispiel 1 beschriebenen Polyamid mit 12 Mol % Isophorondiamin - bezogen auf die Gesamtmenge an Diamin - mit einem Schmelzpunkt von 340 - 350°C hergestellt wurden, Erweichungstemperaturen (nach DIN 46453, auch "Wärmedruck" genannt) von 265 - 275°C auf, ein Wert, welcher nach DIN 46416, Teil 4, noch eine Zuordnung zum Typ W 155 (Temperaturindex 155) rechtfertigt. Ein solches Produkt läßt sich auf dem Extruder noch gut verarbeiten, da erst ab 385°C merkliche Zersetzung beginnt.

[0040] Erhöht man dagegen den Isophorondiamin-Gehalt auf 20 Mol%, bezogen auf die Gesamtmenge an Diamin, so sinkt der Schmelzpunkt des Polyamids bereits auf 310 - 320°C.

[0041] Auch ein solches Polyamid kann durchaus mit Vorteil zum Einsatz kommen, allerdings weisen die hiermit hergestellten Lackdrähte einen niedrigeren Temperaturindex auf.

[0042] Die Frage nach einer Limitierung des Isophorondiamin-Gehaltes läßt sich also nicht generell beantworten. Lediglich im speziellen Fall der Einsatzmöglichkeit für Lackdrähte des Typs W 155 (Temperaturindex 155) sollte der Isophoron-Gehalt auf max. 15 Mol% beschränkt bleiben.

[0043] Ein mit 8 Mol% Isophorondiamin hergestelltes Polyamid weist einen Schmelzpunkt von 365 - 370°C auf. Ab 380°C beginnt merkliche Zersetzung, das Produkt ist also noch gerade verarbeitbar. Mit weiter abnehmendem Isophorondiamin-Gehalt wird die Spanne zwischen Schmelz- und Zersetzungspunkt immer enger und die Schwierigkeiten werden größer.

[0044] Um den Zersetzungsgrad während des Aufschmelzprozesses so niedrig wie möglich zu halten, ist eine kurze Verweilzeit der Harzschmelze im Extruder geboten. Jedoch sind Polyamide mit Isophorondiamin-Gehalten von unter 5 Mol%- bezogen auf die Gesamtmenge an Diamin-auch unter Ausschöpfung aller technologischen Möglichkeiten nicht mehr sinnvoll zu verarbeiten.

[0045] Es sei noch erwähnt, daß für die neuen im Extrusionsverfahren isolierten Wickeldrähte z.Z. keine speziellen Prüfvorschriften vorliegen. Die Prüfung erfolgt daher gemäß DIN 46453 für lackisolierte Wickeldrähte, zumal die im Extrusionsverfahren isolierten Wickeldrähte für die gleichen Anwendungsgebiete wie erstere zum Einsatz kommen.

Beispiel:

[0046] Ein feinkörniges Polyamid aus Terephthalsäure, Hexamethylendiamin (1) und Isophorondiamin (2) im Molverhältnis (1) zu (2) von 88 : 12 und im Molverhältnis Terephthalsäure zu Gesamtdiamin von 1 : 1, mit einer reduzierten Viskosität (η_red) von O,8 und einem Schmelzbereich von 340 - 350°C wurde in den Einfüllstutzen eines in der DT-OS 2728883 im Detail beschriebenen Extruders eingegeben.

[0047] Die Extrudertemperaturen vom Einlauf bis zur Düse betrugen 290°C/ 310°C/ 325°C/ 350°C/ 360°C.

[0048] Diese Temperaturen betreffen die verschiedenen Heizzonen in der Extruderschnecke mit abgestufter Heizleistung. Dadurch wird das thermoplastische Material langsam auf die Endtemperatur gebracht.

[0049] Zum Einsatz gelangte weichgeglühte. Kupferdraht von 0,6 mm Durchmesser, der über eine Absfulvorrichtung zunächst eine Vorheizstrecke und nach Passeren der Beschichtungszone im Extruderkopf eine Abstreferdüse, die die Schichtstärke reguliert, durchlief.

[0050] Nach Passieren einer Kühlstrecke wurde der beschicht Draht aufgespult, die Abzugsgeschwindigkeit betrug 210 m/min.

[0051] Die aufgetragene Gesamtschichtstärke betrug 60 µ und entsprach somit Grad 2 nach DIN 46435 vom April 1977.

[0052] Eigenschaften des Wickeldrahtes

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von isolierten Wickeldrähten durch Extrusion von teilkristallinen thermoplastischen Polykondensaten, dadurch gekennzeichnet, daß araliphatische Polyamide mit Kristallitschmelzpunkten von mindestens 280°C und Viskositätszahlen von mindestens 0,5 aus Terephthalsäure oder deren zur Amidbildung fähigen funktionellen Derivaten, Hexamethylendiamin und Isophorondiamin im Molverhältnis Dicarbonsäure zu Gesamtdiamin von 1 : 1 bis 1 : 1,1 mit Isophorondiamin-Gehalten von mindestens 5 Mol% - bezogen auf Gesamtmol an Diamin - verwendet werden.

2. Teilkristalline thermoplastische araliphatische Polyamide für das Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Terephthalsäure oder deren zur Amidbildung IShigen funktionellen Derivaten, Hexamethylendiamin und lesphorondiamin im Molverhältnis Dicarbonsäure zu Gesamtetamin von 1 : 1 bis 1 : 1,1 mit Isophorondiamin-Gehaltes von mindestens 5 Mol% - bezogen auf Gesamtmol an Diamin- hergestellt worden sind und daß sie Kristallitschmelzpunkte von mindeste 280°C und Viskositätszahlen von mindestens 0,5 besitzen.