Ein- oder mehradrige isolierte, elektrische Leitungen und Verfahren zu deren Herstellung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein- und mehradrige iso­lierte, elektrische Leitungen, insbesondere solche mit einer extrudierten, vernetzten, wärmebeständigen, flamm­widrigen Isolation bzw. einem solchen Schutzmantel und einer vorzugsweise im elektrostatischen Pulverbeschich­tungsverfahren aufgebrachten äusseren Schutzschicht zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen flüssige Medien und mechanische Beanspruchungen.

[0002] Im CH-Patent 664.230 ist eine isolierte elek­trische Leitung beschrieben, deren innere Isolation aus halogenfreiem, vernetztem Polyolefin-Copolymer und deren äussere Schutzschicht aus einem Polyamid oder einem thermoplastischen halogenfreien Polyesterelastomer oder einem halogenfreien aromatischen Polyäther besteht. Diese äussere Schutzschicht wird im Extrusionsverfahren aufge­bracht. Eine innige Verbindung der inneren Isolations- mit der äusseren Schutzschicht besteht nicht. Dies führt zur Faltenbildung der Schutzschicht, wenn die fertige Leitung um kleine Biegeradien gebogen wird, besonders bei Leitungsdurchmessern grösser als 5 mm.

[0003] Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten doppelschichtig extrudierten Isolationen, näm­lich die mangelnde Haftung zwischen der inneren und äusse­ren Isolationsschicht sowie Faltenbildung der äusseren Schicht bei Biegung um scharfe Kanten, zu beheben. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Schichten mitein­ander verschmolzen werden, z.B. indem die äussere Schicht im elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren aufge­bracht und unmittelbar danach durch Hitzeeinwirkung, z.B. im Durchlaufofen aufgeschmolzen wird. Dabei entsteht eine innige Verbindung der äusseren Schutzschicht mit der inne­ren Isolationsschicht, die nur durch Zerstörung einer der beiden Schichten gelöst werden kann. Die Schutzschicht­dicke beträgt im allgemeinen 0,05 bis 0,2 mm. Das elek­trostatische Pulverbeschichtungsverfahren wurde bisher zum Beschichten von blanken Metallteilen angewendet, unter anderem auch zum Beschichten von Metalldrähten als Korrosionsschutz. Das Aufschmelzen bzw. Aushärten der Pulverschicht erfolgt dabei durch die durch Vorheizen vor dem Beschichten im Werkstück gespeicherte Eigenwärme oder durch Nachheizen des mit Pulver beschichteten Werkstückes Je nach Zusammensetzung des Pulvers liegen die Schmelz- bzw. Härtetemperaturen zwischen 100 und 300°C.

[0004] Gegenstand dieser Erfindung ist eine Leitung, wie in den Patentansprüchen 1 bis 8 definiert. Die ein- und mehradrigen elektrischen Leitungen bestehen aus kunststoffisolierten metallischen Leitern. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zu deren Her­stellung nach dem Pulverbeschichtungsverfahren, wie in Patentanspruch 9 definiert.

[0005] Ein Beschichten bereits isolierter, metallischer Leiter nach dem elektrostatischen Pulverbeschichtungsver­fahren stellt hohe Anforderungen an das Isoliermaterial bezüglich Wärme- und Formbeständigkeit. Dieses muss kurz­zeitig Temperaturen zwischen 100 und 300°C ohne Beein­trächtigung der mechanischen und elektrischen Eigenschaf­ten aushalten. Thermoplastische Isoliermaterialien sind für dieses Verfahren nicht geeignet.

[0006] Bei den bevorzugt für die innere Isolations­schicht verwendeten Isoliermaterialien handelt es sich um strahlenvernetzte Kunststoffe aus hitzebeständigem Polyolefin-Copolymer, z.B. "Radox" 125 und "Radox" 155. Für "Radox" 125 beträgt die Dauer-Temperaturbeständigkeit (20'000 h) 120°C und die kurzzeitige Temperaturbeständig­keit (5 bis 10 s) 260°C. Für "Radox" 155 liegen diese Werte bei 135°C bzw. 280°C ("Radox" ist das eingetragene Warenzeichen der Fa. Huber & Suhner AG. für strahlenver­netzte flammwidrige Polyolefin-Copolymere).

[0007] Isolationsschichten aus solchen Materialien wurden bisher im Extrusionsverfahren auf den metalli­schen Leiter aufgebracht. Es lassen sich jedoch auch Isolationsschichten aus hitzebeständigen, organischen oder anorganischen Materialien, z.B. mit Glimmer be­schichtetem Glasgewebe, als Bänder im Wickelverfahren auf die metallischen Leiter aufbringen und anschliessend im elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren mit einer Schutzschicht bedecken.

[0008] Als Kunststoffe für die Bildung einer Schutz­schicht im Sinne der Erfindung haben sich folgende Mate­rialien als besonders geeignet erwiesen:
- Polyamid 6.6, d.h. Polyhexamethylenadipamid
- Polyamid 11, d.h. Polyundecanamid
- Polyamid 12, d.h. Polylaurinlactam
- Polyurethan
- Polyvinylidenfluorid
- Polyätheräthylketon
- Epoxydharze
- Polyesterharze.

[0009] Die innere Isolationsschicht wird in der Regel in einer Schichtdicke von 0,2 bis 3 mm aufgebracht, wäh­rend die äussere Schicht relativ dünn in einer Dicke von vorzugsweise 0,05 bis 0,15 mm aufgebracht wird.

[0010] Für die vorliegende Erfindung haben sich fol­gende Kombinationen von innerer und äusserer Schicht als besonders geeignet erwiesen.
"Radox" 125 + PA11 einadrige Leitung
"Radox" 125 + PA11 mehradrige Leitung
"Radox" 155 + PVDF einadrige Leitung
Glas/Glimmer + PEEK einadrige Leitung

Beispiel 1

[0011] Einadrige Leitung, Isolation aus "Radox" 125, beschichtet mit PA11. Eine Kupferlitze aus 50 Einzel­drähten von 0,25 mm Durchmesser mit einem Gesamtquer­schnitt von 2,5 mm² und einem Durchmesser von 2,1 mm wurde im Extrusionsverfahren auf bekannte Art mit einer inneren Isolationsschicht aus mit bis zu ca. 50 % mit Aluminiumoxydtrihydrat gefüllten "Radox" 125-Copolymer ("Radox" 125 ist die Bezeichnung der Firma Huber & Suhner AG. für strahlenvernetzte, halogenfreie Polyolefin-­Copolymere) versehen, so dass der Aussendurchmesser der isolierten Leitung 3,6 mm betrug. Die Isolationsschicht wurde dann durch Einwirkung energiereicher Elektronen­strahlen mit einer Dosis von 5 bis 20 Mrad vernetzt. Auf die so erhaltene elektrische Leitung wurde im elektro­statischen Beschichtungsverfahren eine Pulverschicht aus Polyamid 11 (z.B. "Rilsan B" Lieferant Atochem) aufgebracht und diese Schicht unmittelbar anschliessend durch Temperatureinwirkung von ca. 200°C während 5 bis 10 Sekunden auf die innere Isolationsschicht aufge­schmolzen. Der Aussendurchmesser, der auf diese Art doppelschichtig isolierten Leitung betrug 3,7 mm.

[0012] Die erhaltene doppelschichtig isolierte Lei­tung wurde während 72 Stunden in Mineralöl des Typs ASTM Nr. 2 bei einer Temperatur von 100°C und in Diesel­öl bei einer Temperatur von 70°C während 168 Stunden ge­lagert. Anschliessend wurde die Leitung einer Wickel­prüfung um einen Metalldorn, dessen Durchmesser dem dreifachen Leitungsdurchmesser entsprach, unterzogen, ohne, dass die Proben eine Veränderung aufwiesen. Im weiteren wurde die doppelschichtige Leitung auf ihre Widerstandsfähig­keit gegen die Einwirkung von Wasser mit einer Tempera­tur von 75°C gemäss der Publikation ICEA-S-68 geprüft (ICEA = Insulated Cable Engineers Association, USA) wobei alle verlangten elektrischen Eigenschaftswerte eingehalten wurden.

[0013] Der Abriebtest nach der deutschen Norm VG 95218, Teil 2, mit einer 0,3 mm dicken Klinge, belastet mit 0,6 kg ergab bei 1000 Abriebhüben eine Abriebtiefe von 0,2 gegenüber 0,5 bei der nicht mit PA11 beschichteten Leitung.

[0014] Die Anforderungen der Flammwidrigkeitsprüfung nach der IEC-Publikation 332-1 wurde von der beschichte­ten Leitung sicher erfüllt.

Beispiel 2

[0015] Mehradrige Leitung, Mantel aus "Radox" 125, beschichtet mit PA11.

[0016] Zwölf mit "Radox" 125 isolierte Kupferlitzen (1,0 mm²) wurden als drei Viererbündel verseilt und mit einem extrudierten Schutzmantel aus "Radox" 125, Mantelwandicke 1,5 mm, umgeben. Der Leitungsdurchmesser betrug 15,5 mm. Der Schutzmantel wurde dann durch Ein­wirkung energiereicher Strahlung mit einer Dosis von 5 bis 20 Mrad vernetzt. Auf die so ummantelte mehradrige Leitung wurde im elektrostatischen Beschichtungsverfah­ren eine Pulverschicht aus Polyamid 11 ("Rilsan B", Lieferant Atochem) aufgebracht und diese Schicht unmit­telbar anschliessend durch Temperatureinwirkung von 220°C während 5 bis 10 Sekunden auf die Mantelschicht aus "Radox" 125 aufgeschmolzen. Der Aussendurchmesser der auf diese Art beschichteten Leitung betrug 15,7 mm. Nach Lagerung in Mineralöl und Dieselöl, wie im Beispiel 1 beschrieben, zeigte die Leitung keine Veränderungen.

[0017] Die Wasserbeständigkeitsanforderung bei 75°C, geprüft nach ICEA-S-68 wurde erfüllt.

[0018] Die Flexibilität der beschichteten Leitung unterschied sich nur unwesentlich von der unbeschichte­ten Leitung, wenn nach der deutschen Norm VG 95218, Teil 2, geprüft wurde.

[0019] Der Abriebtest, wie in Beispiel 1 beschrie­ben, zeigte nach 500 Hüben eine Abriebtiefe von 0,2 mm gegenüber 0,5 mm bei der nicht mit PA11 beschichteten Leitung.

[0020] Beim Biegen der Leitung um einen Radius von fünfmal dem Leitungsdurchmesser blieb die Oberfläche der Schutzschicht glatt und ohne Faltenbildung.

Beispiel 3

[0021] Einadrige Leitung, Isolation aus "Radox" 155, beschichtet mit PVDF.

[0022] Eine Kupferlitze aus fünzig Einzeldrähten von 0,25 mm Durchmesser und einem Gesamtquerschnitt von 2,5 mm² und einem Durchmesser von 2,1 mm wurde im Extru­sionsverfahren auf bekannte Art mit einer inneren Isola­tionsschicht aus mit halogenhaltigem Flammwidrigkeits­system gefülltem "Radox" 155-Copolymer ("Radox" 155 ist die Bezeichnung der Firma Huber & Suhner AG. für strah­lenvernetzte Polyolefin-Copolymere der Wärmeklasse F) versehen, so dass der Aussendurchmesser der isolierten Leitung 3,6 mm betrug. Die Isolationsschicht wurde dann durch Einwirkung energiereicher Elektronenstrahlen mit einer Dosis von 5 bis 20 Mrad vernetzt. Auf die so erhal­tene elektrische Leitung wurde im elektrostatischen Beschichtungsverfahren eine Pulverschicht aus Polyvinyli­denfluorid (z.B. "Kynar", Lieferant Pennwalt Corporation) aufgebracht und diese Schicht unmittelbar anschliessend durch Temperatureinwirkung von 280°C während 5 bis 10 Sekunden auf die innere Schicht aufgeschmolzen. Der Aus­sendurchmesser der Leitung betrug 3,7 mm.

[0023] Die doppelschichtig isolierte Leitung wurde, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, im Mineral- und Dieselöl gelagert ohne Beeinträchtigung der Eigen­schaften.

[0024] Der Abriebtest, wie in Beispiel 1 beschrieben, zeigte nach eintausend Hüben eine Abriebtiefe von 0,2 mm gegenüber 0,5 mm bei der nicht mit PVDF-beschichteten Leitung.

[0025] Beim Biegen der Leitung um einen Radius von fünfmal dem Leitungsdurchmesser blieb die Oberfläche der Schutzschicht glatt und ohne Falten.

[0026] Die Flammprüfung nach der IEC-Publikation 332-1 wurde von der beschichteten Leitung sicher erfüllt.

Beispiel 4

[0027] Eine vernickelte Kupferlitze aus sieben Einzel­drähten von 0,673 mm und einem Gesamtquerschnitt von 2,5mm² wurde mit 0, 1 mm dicken, mit Glimmer beschichte­ ten Glasgewebebändern und mit 2 mm Ueberlappung bewickelt. Der Leitungsdurchmesser betrug 2,4 mm. Auf die so erhal­tene Leitung wurde im elektrostatischen Beschichtungs­verfahren eine Pulverschicht aus Polyätheräthylenketon PEEK (Lieferent ICI) aufgebracht und diese Schicht unmit­telbar anschliessend durch Temperatureinwirkung von 340°C auf die Glasgewebebewicklung aufgeschmolzen. Der Aussendurchmesser der Leitung betrug 2,8 mm.

[0028] Die beschichtete Leitung erfüllte die Prüfan­forderungen der folgenden Spezifikationen:
- Medienbeständigkeit nach MIL-W-22759
- Wasserbeständigkeit nach ICEA-S-68
- Flammwidrigkeit nach IEC 332-1 bzw. UL 1581 VW1.

Ansprüche

1. Ein- oder mehradrige isolierte elektrische Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine innere Isolationsschicht aus hitzebeständigem Polymer oder aus anorganischem Material und eine äussere, unlösbar mit der inneren Schicht verbundene Schutzschicht aus einem schwer brennbaren thermoplastischen oder duroplastischen Kunst­stoff aufweist.

2. Leitung nach Patentanspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, dass die äussere Schutzschicht im Pulver­beschichtungsverfahren aufgebracht ist.

3. Leitung nach Patentanspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, dass sie einadrig ist und eine innere extrudierte Isolationsschicht aus hitzebeständigem, strahlenvernetztem Polyolefin-Copolymer und eine äussere Schicht aus schwerbrennbarem thermoplastischem oder duro­plastischem Kunststoff aufweist.

4. Leitung nach Patentanspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, dass sie mehradrig ist und einen Mantel aus einer inneren, extrudierten Schicht aus hitze­beständigem Polyolefin-Copolymer und einer äusseren, im elektrostatischen Pulverbeschichtungsverfahren aufge­brachten Schutzschicht aus einem schwerbrennbaren, thermo­plastischen oder duroplastischen Kunststoff aufweist.

5. Leitung nach Patentanspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, dass die innere Isolationsschicht aus einer oder mehreren Lagen gewickelter Bänder aus mit Glimmer beschichtetem Glasgewebe besteht und die Schutz­schicht vorzugsweise halogenfrei ist.

6. Leitung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Schicht aus Polyhexamethylenadipamid (Polyamid 6.6), Polyundecanamid (Polyamid 11) oder Polylaurinlactam (Polyamid 12) besteht.

7. Leitung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Schicht aus einem aromatischen Polyäther, einem Polyurethan, einem Polyvinylidenfluorid, einem Epoxydharz oder einem Poly­esterharz besteht.

8. Leitung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der äusse­ren Isolationsschicht 0,05 bis 0,15 mm beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Leitung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man einen ein- oder mehrdrahtigen metalli­schen Leiter zuerst mit einer Isolationsschicht aus hitzebeständigem Polymer oder aus anorganischem Material versieht, auf diese Isolationsschicht im Pulverbeschich­tungsverfahren eine äussere Schicht aus einem schwer­brennbaren thermoplastischen oder duroplastischen Kunst­stoff aufbringt und durch Hitzeeinwirkung die äussere Schicht mit der inneren Schicht unlösbar verschmilzt.