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WO2021058500A1 - Trockener, syntaktischer schaum als elektrisch isolierendes material - Google Patents

Trockener, syntaktischer schaum als elektrisch isolierendes material Download PDF

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Publication number
WO2021058500A1
WO2021058500A1 PCT/EP2020/076462 EP2020076462W WO2021058500A1 WO 2021058500 A1 WO2021058500 A1 WO 2021058500A1 EP 2020076462 W EP2020076462 W EP 2020076462W WO 2021058500 A1 WO2021058500 A1 WO 2021058500A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hollow microspheres
heat
mixture
dry
expandable
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/076462
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Seifert
Diego MACHETTI
Sven Schumann
Marvin Bendig
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
Priority to US17/762,744 priority Critical patent/US12087470B2/en
Priority to EP20780143.2A priority patent/EP4034590A1/de
Priority to CN202080066707.6A priority patent/CN114521200B/zh
Publication of WO2021058500A1 publication Critical patent/WO2021058500A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/56—Insulating bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/0061—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof characterized by the use of several polymeric components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/22—After-treatment of expandable particles; Forming foamed products
    • C08J9/228—Forming foamed products
    • C08J9/232—Forming foamed products by sintering expandable particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/32—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof from compositions containing microballoons, e.g. syntactic foams
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B19/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing insulators or insulating bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2203/00—Foams characterized by the expanding agent
    • C08J2203/22—Expandable microspheres, e.g. Expancel®

Definitions

  • the present invention relates to an insulating device comprising an insulator body having a chamber and an electrically insulating material in the chamber, the electrically insulating material comprising a dry, syntactic foam.
  • the present invention also relates to the use of a dry, syntactic foam as an electrically insulating material and a method for producing an electrical insulating device, comprising (a) the provision of an insulator body which has a chamber, (bl) either the provision of a mixture of at least heat-expandable Polymer-based hollow microspheres in the expanded state and heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state,
  • Electrically insulating materials or dielectrics can basically be divided into three groups, namely according to their physical state into gases, liquids and solids. In particular, these materials must meet the requirement that no electrical breakdown occurs under operating conditions, i.e. that the electrical load to which they are exposed is below their critical electrical load
  • Dielectric strength lies. While solid dielectrics have the highest electrical breakdown strengths, they also have the highest densities. This leads to great mechanical stresses and thus to increased handling costs. In principle, the same applies to liquid dielectrics, the dielectric strength of liquids generally being lower than that of solids. If a low density is required, gases are usually used as electrically insulating materials, although their dielectric strength is even lower. The use of liquids and gases has the additional disadvantage that they can leak or escape in the event of a leak. However, this problem does not occur with solid dielectrics. So-called air-insulated hollow-core insulators are often used in high-voltage technology, for example in transformer stations. Originally, ceramic-based hollow core insulators were used; meanwhile, hollow core composite insulators are increasingly being used.
  • the cavities of these hollow core insulators are usually filled with nitrogen (N2) or sulfur hexafluoride (SF ß ) as an electrically insulating material.
  • N2 nitrogen
  • SF ß sulfur hexafluoride
  • the use of these gaseous dielectrics requires a sophisticated monitoring system in order to detect any leaks in the hollow-core insulator during operation. In addition, it must be ensured that the insulator is permanently gas-tight.
  • the fluorine-containing compound sulfur hexafluoride is considered to be one of the strongest greenhouse gases and for this reason is also extremely questionable ecologically.
  • the dielectric filling gas cannot simply be replaced by another electrically insulating material, since due to the large dimensions of high-voltage insulators (with a length of up to 10 m) the use of a conventional solid dielectric would lead to an extremely high total weight of the insulator, which would not be practical for common applications.
  • the object of the present invention is to provide an electrical insulating device with an electrically insulating material which has the advantages of solid dielectrics (namely the lack of risk of leakage through a leak and the good dielectric properties) with those of gaseous dielectrics (namely the low weight) connects. This object is achieved by the embodiments characterized in the claims.
  • an electrical insulating device comprising an insulator body having a chamber, and an electrically insulating material in the chamber, the electrically insulating material comprising a dry, syntactic foam.
  • the present invention relates to the use of dry, syntactic foams as an ultra-light filler in hollow-core insulators.
  • dry, syntactic foams are known in the prior art; Their dielectric properties and thus their suitability as electrically insulating materials have now been discovered for the first time and surprisingly.
  • the figures show the following:
  • FIG. 1 shows a method for producing a composite insulator according to the invention.
  • FIG. 2 shows a circuit for breakdown voltage measurements to determine the electrical breakdown strength.
  • FIG. 3 shows a photographic image (top view) of an unfilled ring made of glass fiber reinforced plastic and a ring filled with a dry, syntactic foam.
  • the present invention relates to an electrical insulating device.
  • This can have any suitable shape and configuration. According to the invention, it is preferably an insulating device for high-voltage applications.
  • the insulating device can be, for example, a hollow core insulator (for example for applications in substations) or an insulator for high-voltage pylons.
  • Suitable hollow core insulators include, in particular, composite insulators, porcelain insulators and hybrid insulators.
  • the electrical insulating device is in the form of a composite insulator or in the form of an arm of a high voltage pylon.
  • the electrical insulation device comprises an insulator body which has a chamber.
  • the insulator body is thus a hollow body.
  • This can consist of any material suitable for the intended application as an insulating device.
  • the insulator body consists of a material selected from composite materials, porcelain and combinations thereof.
  • the composite material is particularly preferably a glass fiber reinforced plastic (GRP).
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • the insulator body can have any shape suitable for the respective application.
  • the insulator body is preferably in the form of a hollow tube or in the form of a hollow rod.
  • the tube or rod can be of any suitable cross-section.
  • the insulator body can be, for example, a conical hollow tube with a diameter that is offset over the length or that is rotationally symmetrical or not rotationally symmetrical.
  • the insulator body can, however, also have a simple round cross-section (that is, it can be in the form of a cylinder) or else have a rectangular or square cross-section.
  • the insulator body is a tube made of a composite material or of porcelain.
  • the insulator body is particularly preferably a tube made from a glass fiber reinforced plastic.
  • This tube can be produced in a suitable manner by methods known to the person skilled in the art, for example by dipping glass fibers into a suitable resin and then winding them up to form a hollow tube.
  • the electrical insulating device according to the invention can optionally also comprise further components, for example flanges and / or metallic fittings at the respective ends of the insulating device or the insulator body.
  • These flanges and fittings are preferably corrosion-resistant and can for example consist of steel, aluminum or an aluminum alloy.
  • the flanges or fittings can optionally include ventilation openings that can optionally be closed. Air can escape through this during the expansion process of the heat-expandable hollow microspheres if this expansion is carried out directly in the insulator body.
  • the electrical insulating device according to the invention can furthermore comprise a housing or a casing, for example made of plastic or silicone, in order to protect the electrical insulating device.
  • Corresponding housings are known in the prior art. Any gap between the end fitting and the housing or the casing can optionally be sealed with a suitable sealant in order to prevent moisture from penetrating the insulator body in order to ensure a long service life of the electrical insulating device. Suitable sealants include, for example, tracking resistant polyurethane.
  • the electrical insulating device additionally comprises flanges at the two ends of the insulator body, at least one flange being a closable one Has ventilation opening, and a silicone housing which is arranged around the insulator body.
  • the electrical insulating device further comprises an electrically insulating material in the chamber of the insulator body.
  • the insulator body is made of an electrically insulating material.
  • This electrically insulating material comprises a dry, syntactic foam.
  • the electrically insulating material can optionally also comprise further electrically insulating materials, such as nitrogen (N2) or sulfur hexafluoride (SF ⁇ ).
  • the electrically insulating material consists of the dry, syntactic foam, ie no further electrically insulating materials are contained in addition to the dry, syntactic foam.
  • the chamber of the insulator body can have any suitable degree of filling.
  • the chamber of the insulator body is essentially completely filled with the dry, syntactic foam, ie the degree of filling of the chamber is at least 95% by volume.
  • a dry, syntactic foam (also referred to as “dry syntactic foam” (DSF) in the prior art) is understood to mean a material made up of heat-expandable hollow microspheres
  • the heat-expandable hollow microspheres comprise a polymer shell and, at least prior to expansion, enclose a gas with a low boiling point.
  • the gas is preferably an alkane gas, for example isopentane or isobutene.
  • the syntactic foam used according to the invention does not contain a liquid polymer matrix in which the hollow microspheres are embedded, and for this reason is referred to as dry, syntactic foam.
  • dry, syntactic foams and their production are known in the prior art, for example from US Pat. No. 6,593,381 B2.
  • the dry syntactic foam is obtainable by first providing a mixture of thermally expandable polymer-based microspheres that have already been expanded and heat-expandable, polymer-based microspheres that have not yet been expanded.
  • the term “heat-expandable hollow microspheres” thus includes hollow microspheres that have already been expanded and hollow microspheres that have not yet been expanded.
  • This mixture is then heated to a temperature in the range from 50.degree. C. to 200.degree. C., preferably in the range from 100.degree. C. to 180.degree. C., more preferably in the range from 125.degree. C. to 175.degree.
  • the dry, syntactic foam is thus obtainable by foaming a mixture of at least heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the expanded state and heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state.
  • the already expanded microspheres form a matrix in which the not yet expanded microspheres are embedded.
  • a uniform expansion of the as yet unexpanded hollow microspheres can be achieved, which leads to a foam with a uniform material distribution and an ordered pore structure.
  • the pore sizes of the foam can be precisely adjusted in this way, and for this reason the foam is referred to as syntactic foam.
  • the dry, syntactic foam can also be obtained by foaming a mixture of at least two types of heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state, the at least two types of heat-expandable hollow microspheres having different temperature ranges for expansion.
  • a mixture of already expanded and not yet expanded hollow microspheres is used, but at least two different types
  • Hollow microspheres For example, a first type of hollow microspheres can be expandable in a temperature range from 50.degree. C. to 120.degree. C., while a second type of hollow microspheres can be expanded at a higher temperature of more than 120.degree. If a mixture of these two types of hollow microspheres is initially heated to a temperature in the range from 50 ° C to 120 ° C, preferably in the range from 80 ° C to 100 ° C, only the first type of hollow microspheres is initially expanded, which is then called Matrix is used for the second type of hollow microspheres. This second type of hollow microspheres is then expanded in a second step by a heat treatment at a temperature of more than 120.degree.
  • hollow microspheres preferably at a temperature in the range from 130.degree. C. to 160.degree.
  • more than two types of hollow microspheres can also be used. It is also possible to combine the two methods mentioned above. So can For example, a mixture of two types of hollow microspheres that have already been expanded can be used together with two types of hollow microspheres that have not yet been expanded.
  • the properties of the dry, syntactic foam can be adjusted in a suitable manner by a suitable choice of the type and the mixing ratio of the hollow microspheres.
  • Suitable dry, syntactic foams and hollow microspheres for their production are known in the prior art and are commercially available.
  • exemplary hollow microspheres which are marketed by the company Nouryon under the trade name Expancel ®. These are available both in expanded form (Expancel ® DE (“dry, expanded”)) and in non-expanded form (Expancel ® DU (“dry, unexpanded”)) in various sizes and densities.
  • Suitable non-expanded hollow microspheres are, for example, those with the designations 031 DU 40 (bulk density 0.4134 g / cm 3 ), 551 DU 40 (bulk density 0.5543 g / cm 3 ), 920 DE 40 (bulk density 0.4633 g / cm 3 ), 920 DE 80 (bulk density 0.4937 g / cm 3 ) and 461 DU 40 (bulk density 0.4553 g / cm 3 ), the bulk density in the context of the present invention being defined as the mass of the powder material of the hollow microspheres which fills a certain volume.
  • Suitable expanded hollow microspheres are, for example, 551 DET 40 d25 (bulk density 0.0125 g / cm 3 ) and 920 DET 40 d25 (bulk density 0.0146 g / cm 3 ).
  • the non-expanded hollow microspheres thus have about 50 times
  • the density of the electrically insulating material can be adjusted in a suitable manner by choosing suitable heat-expandable hollow microspheres.
  • the electrically insulating material has a density of 0.01 g / cm 3 to 0.6 g / cm 3 , particularly preferably 0.05 g / cm 3 to 0.5 g / cm 3 , even more preferably in the range from 0.1 to 0.2 g / cm 3 . These densities can be achieved without at the same time significantly impairing the electrical properties of the electrically insulating material.
  • the electrical breakdown strength (also referred to as dielectric strength) of the electrically insulating material can also be adjusted in a suitable manner by choosing appropriate heat-expandable hollow microspheres. According to a preferred embodiment of the present invention, this is 5 kV / mm to 60 kV / mm, particularly preferably 10 kV / mm to 50 kV / mm and very particularly preferably 30 kV / mm to 40 kV / mm (measured in accordance with the IEC 60243 standard -1 “Electric strength of insulating materials, 2014, with electrodes embedded in the material).
  • the electrically insulating material preferably has the lowest possible water absorption capacity, since the dry, syntactic foam could otherwise absorb too much moisture during use, which would lead to an increase in the weight of the electrical insulating device and a reduction in the dielectric strength.
  • the dry, syntactic foam has a water absorption capacity of no more than 4 vol%, measured by immersing a sample of the foam in distilled water for 2 weeks at 50 ° C, particularly preferably no more than 1 vol %.
  • further measures can be taken to avoid water absorption by the dry, syntactic foam during use, in particular suitable sealing of the insulator body.
  • the heat-expandable hollow microspheres and the material of the insulator body are selected in such a way that they are temperature-compatible. This must be taken into account in particular if the insulator body comprises a composite material.
  • the glass transition temperature (T g ) of the polymer from which the shell of the hollow microspheres is formed is at least 20 ° C., preferably at least 30 ° C., below the glass transition temperature of the polymer of the composite material.
  • hollow microspheres based on polymers with a glass transition temperature of less than 110 ° C are preferred for an insulator body made of fiberglass reinforced plastic with a glass transition temperature of 130 ° C, such as Nouryon Expancel ® 461 DU 40 (T g 100 ° C), Nouryon Expancel ® 031 DU 40 (T g 95 ° C) or Nouryon Expancel ® 551 DU 40 (T g 100 ° C).
  • the present invention relates to a composite insulator, comprising a hollow tube made of glass fiber reinforced plastic, a dry, syntactic foam as the electrically insulating material
  • conventional gaseous electrically insulating materials in electrical insulating devices can be replaced by dry, syntactic foams, which likewise have a low density and thus enable the production of electrical insulating devices with low weight, and which at the same time avoid the disadvantages of gaseous electrically insulating materials.
  • dry, syntactic foams used as electrically insulating material according to the invention adhere well to the material of the insulator body, so that no additional adhesive is required. Good adhesion is given in particular when the insulator body consists of a composite material (in particular of glass fiber reinforced plastic).
  • the dry, syntactic foams used according to the invention as electrically insulating material also have the further advantages that they are good and easy to manufacture and process, non-toxic and, from an ecological point of view, less harmful than the conventionally used sulfur hexafluoride.
  • it is preferably an insulating device for high-voltage applications.
  • the insulating device can be, for example, a hollow core insulator (for example for applications in substations) or an insulator for high-voltage pylons.
  • Suitable hollow core insulators include, in particular, composite insulators, porcelain insulators and hybrid insulators.
  • the electrical insulating device is in the form of a composite insulator.
  • the electrical insulating device is in the form of an arm of a high-voltage pylon.
  • This application has the advantage that, on the one hand, weight savings can be achieved for the arms of high-voltage pylons.
  • the power cables can be attached to the arm of the high-voltage pylon either directly or via metallic fittings. In this way, additional insulation can be dispensed with, which enormously simplifies the construction of the power pole.
  • the present invention also relates to the use of a dry, syntactic foam as an electrically insulating material.
  • the dry, syntactic foam is preferably used as a filling in a hollow body made of composite material or of porcelain.
  • the hollow body is preferably in the form of a tube.
  • the preferred composite material is a glass fiber reinforced plastic.
  • the dry, syntactic foam is used as an electrically insulating material in high-voltage applications, for example as a composite insulator or as the arm of a high-voltage pylon.
  • the present invention also relates to a method for producing an electrical insulating device, comprising the following steps:
  • an insulator body is first provided which has a chamber. This is therefore a hollow body.
  • This insulator body can be any suitable insulator body, as already described above.
  • step (b) of the method according to the invention a mixture of heat-expandable hollow microspheres based on polymers is provided.
  • a mixture of at least heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the expanded state and heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state can be provided.
  • heat-expandable hollow microspheres are known in the prior art and are commercially available available.
  • exemplary hollow microspheres which are marketed by the company Nouryon under the trade name Expancel ®. These are available both in expanded form (Expancel ® DE ("dry, expanded")) and in non-expanded form (Expancel ® DU ("dry, unexpanded”)) in various sizes and densities.
  • Suitable non-expanded hollow microspheres are, for example, those with the designations 031 DU 40 (bulk density 0.4134 g / cm 3 ), 551 DU 40 (bulk density 0.5543 g / cm 3 ), 920 DE 40 (bulk density 0.4633 g / cm 3 ), 920 DE 80 (bulk density 0.4937 g / cm 3 ) and 461 DU 40 (bulk density 0.4553 g / cm 3 ), the bulk density in the context of the present invention being defined as the mass of the powder material of the hollow microspheres which fills a certain volume.
  • Suitable expanded hollow microspheres are, for example, 551 DET 40 d25 (bulk density 0.0125 g / cm 3 ) and 920 DET 40 d25 (bulk density 0.0146 g / cm 3 ).
  • the unexpanded hollow microspheres thus have about 50 times the bulk density of the expanded hollow microspheres.
  • the mass contribution of the expanded or non-expanded microspheres i.e. the ratio of the masses of the two types of microspheres
  • the mass contribution of the expanded or non-expanded microspheres can then be calculated as a function of the target density of the dry, syntactic foam.
  • the expanded hollow microspheres are preferably placed in a suitable vessel and then the non-expanded hollow microspheres are added. In this way, the non-expanded ones are directly embedded
  • Hollow microspheres in the already expanded hollow microspheres can then be mixed together in order to achieve a uniform distribution of the two types of hollow microspheres.
  • This mixing can be carried out in a suitable mixing device for a suitable duration of, for example, 1 to 20 minutes, preferably in the range from 10 to 15 minutes.
  • the mixing can be carried out directly in the container in which the foaming takes place in step (c), for example directly in the chamber of the insulator body or in a separate expansion mold.
  • a mixture of at least two types of heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state, which have different temperature ranges for the expansion, is provided.
  • step (b) More than two types of hollow microspheres can of course also be used in step (b). It is also possible to combine the two alternatives (bl) and (b2) mentioned above. For example, a mixture of two types of already expanded microspheres can be used together with two types of unexpanded microspheres.
  • step (c) of the method according to the invention the mixture of heat-expandable hollow microspheres is then foamed by heat treatment at a temperature in the range from 50 ° C. to 200 ° C. with the formation of a dry, syntactic foam as an electrically insulating material.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres is either poured into the chamber of the insulator body and foamed there, or the mixture of heat-expandable hollow microspheres is first foamed and the dry, syntactic foam obtained is poured into the chamber of the insulator body.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres is first foamed outside the chamber, this can be done, for example, in a suitable expansion form.
  • This preferably has the same shape as the chamber of the insulator body into which the dry, syntactic foam is then filled.
  • the expansion mold preferably contains a non-stick coating, for example made of PTFE, in order to prevent the foam from adhering to the expansion mold and being difficult to remove therefrom.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres is poured into the chamber and foamed there.
  • This direct filling of the mixture into the chamber of the insulator body is advantageous because in this way one process step less is required, namely the transfer of the dry, syntactic foam from the expansion mold into the insulator body.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres is foamed in the chamber, better adhesion of the foam to the walls of the chamber of the insulator body can be achieved.
  • the heating takes place, for example, in a suitable oven.
  • the foaming takes place at a temperature in the range from 50 ° C to 200 ° C.
  • the foaming is carried out at a temperature in the range from 100.degree. C. to 180.degree. C., preferably at a temperature in the range from 125.degree. C. to 175.degree.
  • the expansion or foaming temperature is preferably a function of the glass transition temperature of the polymer from which the shell of the hollow microspheres are made (Tmin). as well as the temperature at which the hollow microspheres reach their maximum expansion volume (Tmax).
  • Tmin glass transition temperature of the polymer from which the shell of the hollow microspheres are made
  • Tmax temperature at which the hollow microspheres reach their maximum expansion volume
  • the expansion or foaming temperature is preferably between Tmin and Tmax, particularly preferably around (T m in +
  • the foaming can take place at a constant temperature. However, it is also possible to increase the temperature continuously or gradually during foaming until the temperature ranges mentioned above are reached. If, for example, according to alternative (b2), a mixture of at least two types of heat-expandable polymer-based hollow microspheres in the non-expanded state, which have different temperature ranges for the expansion, is used, for example a first type of hollow microspheres can be used in a temperature range of 50 ° C be expandable up to 120 ° C, while a second type of hollow microspheres is expandable at a higher temperature of more than 120 ° C.
  • a mixture of these two types of hollow microspheres is initially heated to a temperature in the range from 50 ° C to 120 ° C, preferably in the range from 80 ° C to 100 ° C, only the first type of hollow microspheres is initially expanded, which is then called Matrix is used for the second type of hollow microspheres.
  • This second type of hollow microspheres is then expanded in a second step by a heat treatment at a temperature of more than 120.degree. C., preferably at a temperature in the range from 130.degree. C. to 160.degree.
  • the duration of the foaming or the heat treatment can be selected in a suitable manner by the person skilled in the art.
  • the heat treatment can take place for a duration in the range from 15 minutes to 4 hours, preferably for a duration in the range from 1 to 3 hours.
  • the final size of the hollow microspheres and thus the density of the dry, syntactic foam can be set by choosing the temperature and the duration for the heat treatment for foaming the heat-expandable hollow microspheres.
  • step (c) is divided into a first substep (cl) and a second substep (c2).
  • step (cl) the mixture of heat-expandable hollow microspheres, which is formed according to alternative (bl) and / or alternative (b2), is in a first expansion stage by a heat treatment at a temperature in the range from 50 ° C to 200 ° C for a defined duration foamed to form a pre-expanded mixture of heat-expandable hollow microspheres.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres is not complete, ie not yet up to
  • the desired density of the dry, syntactic foam expands, but only until a desired, “pre-expanded” state of the hollow microspheres is reached. This is preferably achieved at a density of the mixture in the range from 0.01 g / cm 3 to 0.9 g / cm 3 .
  • the state of the hollow microspheres can be set by choosing the temperature and the duration for the heat treatment of the first expansion stage.
  • the heat treatment of the first expansion stage can preferably take place in a suitable oven at a temperature in the range from 100 ° C. to 175 ° C. for a duration in the range from 15 minutes to 2 hours.
  • the foaming of the mixture of heat-expandable hollow microspheres in sub-step (cl) takes place in at least one suitable expansion mold, which has at least a smaller volume than the chamber of the insulator body, in such a way that individual structural components consisting of the mixture of hollow microspheres are formed in a pre-expanded state.
  • the structural components can be designed, for example, as disks with a thickness in a range from 2 cm to 50 cm and with a diameter smaller than or equal to the diameter of the chamber of the insulator body.
  • step (c2) the pre-expanded mixture of heat-expandable hollow microspheres is foamed in a second expansion stage by repeated heat treatment at a temperature in the range from 50 ° C to 200 ° C for a specified period with the formation of a dry, syntactic foam as an electrically insulating material.
  • the individual structural components are placed in the chamber of the insulator body or in a suitable expansion mold.
  • the dry, syntactic foam preferably has a density of 0.01 g / cm3 to 0.6 g / cm3, preferably from 0.05 g / cm3 to 0.5 g / cm3.
  • the state of the hollow microspheres can be set by choosing the heat treatment and the duration for the heat treatment of the second expansion stage.
  • the heat treatment of the second expansion stage can again be carried out in a suitable oven at a desired temperature, preferably 100.degree. C. to 175.degree.
  • hot air can be used in the second expansion step, which is introduced into the chamber of the insulating body or into the expansion mold and flows through the structural components.
  • the structural components preferably have holes for this purpose, so that the air can circulate even better.
  • the duration of the heat treatment of the second expansion stage is preferably in the range from 15 minutes to 5 hours.
  • the division of the foaming of the mixture into two expansion stages offers the advantage that, on the one hand, the density of the dry, syntactic foam can be adjusted even better, and, on the other hand, a particularly uniform material distribution of the electrically insulating material can be achieved.
  • cavities that comprise larger volumes can also be filled with foam without any problems in this way. Because with large accumulations of the hollow microspheres it can happen that the heat does not reach the core, i.e. the innermost area of the cavity volume, and therefore the hollow microspheres do not expand or do not expand completely in these areas of the cavity. This is counteracted by expansion in two stages and by foaming in individual structural components.
  • the method according to the invention also comprises a step (d) of a vacuum treatment after step (c) of foaming.
  • This vacuum treatment is advantageous in order to remove remaining air in order to enable further foaming of the hollow microspheres or to complete the foaming.
  • a vacuum is any pressure of less than 200 mbar.
  • the pressure during the vacuum treatment is preferably less than 100 mbar, more preferably less than 20 mbar.
  • the duration of the vacuum treatment can be, for example, 1 minute to 1 hour, preferably 10 to 30 minutes.
  • the vacuum treatment is preferably carried out at an elevated temperature in order to enable further expansion of the hollow microspheres.
  • the vacuum treatment is preferably carried out in the same temperature range as defined above for the foaming in step (c), it being possible for the temperatures in steps (c) and (d) to be the same or different.
  • the vacuum treatment at a temperature of not higher is particularly preferred as (T m + T m ax) / 2 is performed, where T m in the glass transition temperature of the polymer and T m ax in which the hollow microspheres reach its maximum expansion volume, the temperature, indicating .
  • no adhesive is used to connect the electrically insulating material to the insulator body.
  • An adhesive can be dispensed with in particular if the foaming of the mixture of heat-expandable hollow microspheres takes place directly in the chamber of the insulator body.
  • a composite insulator according to the invention can be produced, for example, in accordance with the process steps shown in FIG.
  • a tube made of glass fiber reinforced plastic 1 is provided.
  • the two ends of the tube 1 are provided with an open flange 2 or with a flange 3 with a cover with a ventilation opening 4. This can be done by customary methods known in the prior art, such as gluing, for example.
  • the at least one vent opening is used to allow gas or air to escape during the expansion step.
  • a silicone housing 5 is attached around the tube 1.
  • the silicone housing can also be produced by customary methods known to those skilled in the art, such as, for example, by molding or by extrusion.
  • the mixture of heat-expandable hollow microspheres 6 is then filled into tube 1 through the open flange 2.
  • the mass fractions for the at least two types of heat-expandable hollow microspheres are first determined and weighed separately. Then the at least two types of heat-expandable hollow microspheres are mixed with one another and filled into the insulator body. In the last step, the
  • Flange 2 is provided with a cover 7, which can optionally also have a ventilation opening 7, and the mixture of heat-expandable hollow microspheres 6 is expanded by heat treatment of the entire device to form the dry, syntactic foam in tube 1.
  • This heat treatment is preferably carried out in an oven. It is preferred that the insulator body is filled with the heat-expandable hollow microspheres only after the pipe made of glass fiber reinforced plastic and the silicone housing have been manufactured, since the temperatures required for vulcanization of the silicone rubber could otherwise damage or destroy the hollow microspheres.
  • This example concerns the production of a dry, syntactic foam in an expanded form.
  • two spherical electrodes with a diameter of 12 mm each were arranged at a distance of 1 mm.
  • the electrodes were fixed in their position by means of suitable spacers.
  • the electrical breakdown strength was determined by using a circuit for breakdown voltage measurements according to FIG.
  • the input voltage was controlled via a step transformer.
  • a 320 k ⁇ resistor was placed in series with the sample to limit the short circuit current.
  • the voltage was measured with a capacitive voltage divider.
  • the peak breakdown voltage is, h is the Schwaiger factor of the electrode arrangement and g is the gap between the two electrodes:
  • This example concerns the production of a dry, syntactic foam directly in an insulator body.
  • Type Expancel ® 551 DU 40 (16.1 vol%, bulk density of 0.5543 g / cm 3) having a bulk density of 0.1 g / cm 3 was made at a temperature of 120 ° C directly into a cylindrical or annular insulator body glass fiber reinforced polymer with an inner diameter of 120 mm and a height of 20 mm for a period of 2 hours. The cylinder was closed at both ends with a PTFE plate during the expansion.
  • FIG. 3 shows a photographic image of the unfilled insulator body on the left and a photographic image of the insulator body filled with the dry, syntactic foam on the right.
  • the cylindrical insulator body did not show any deformation. This shows that the expansion pressure is below the critical value that could cause plastic or mechanical deformation of the insulator body. Accordingly, foaming can be easily performed directly inside the insulator body.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend (a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist, (bl) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, (b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und (c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.

Description

Trockener, syntaktischer Schaum als elektrisch isolierendes Material
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend (a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist, (bl) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand,
(b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und (c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.
Elektrisch isolierende Materialien bzw. Dielektrika können grundsätzlich in drei Gruppen unterteilt werden, nämlich gemäß ihrem Aggregatzustand in Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe. Diese Materialien müssen insbesondere die Voraussetzung erfüllen, dass unter Betriebsbedingungen kein elektrischer Durchschlag stattfindet, d.h. dass die elektrische Belastung, der sie ausgesetzt sind, unter ihrer kritischen elektrischen
Durchschlagsfestigkeit liegt. Während feste Dielektrika die höchsten elektrischen Durchschlagsfestigkeiten aufweisen, haben diese aber auch die höchsten Dichten. Dies führt zu großen mechanischen Beanspruchungen und damit zu erhöhten Handhabungskosten. Das Gleiche gilt im Prinzip auch für flüssige Dielektrika, wobei die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Flüssigkeiten im Allgemeinen geringer als die von Feststoffen ist. Wenn eine geringe Dichte benötigt wird, werden üblicherweise Gase als elektrisch isolierende Materialien verwendet, wenngleich deren elektrische Durchschlagsfestigkeit noch geringer ist. Die Verwendung von Flüssigkeiten und Gasen hat den zusätzlichen Nachteil, dass diese bei einem Leck auslaufen bzw. entweichen können. Dieses Problem tritt bei festen Dielektrika hingegen nicht auf. In der Hochspannungstechnik kommen häufig sogenannte Luft-isolierte Hohlkemisolatoren zum Einsatz, beispielsweise in Umspannstationen. Dabei wurden ursprünglich im Wesentlichen Hohlkemisolatoren auf Keramikbasis eingesetzt; mittlerweile werden vermehrt Hohlkem- Verbundisolatoren verwendet. Die Hohlräume dieser Hohlkemisolatoren sind üblicherweise mit Stickstoff (N2) oder Schwefelhexafluorid (SFß) als elektrisch isolierendem Material gefüllt. Die Verwendung dieser gasförmigen Dielektrika erfordert aber ein ausgeklügeltes Überwachungssystem, um etwaige Lecks in dem Hohlkemisolator im Betrieb festzustellen. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass der Isolator dauerhaft gasdicht ist. Ferner gilt die fluorhaltige Verbindung Schwefelhexafluorid als eines der stärksten Treibhausgase und ist aus diesem Grund auch ökologisch äußerst bedenklich. Das dielektrische Füllgas kann allerdings nicht einfach durch ein anderes elektrisch isolierendes Material ersetzt werden, da aufgrund der großen Dimensionen von Hochspannungsisolatoren (mit einer Länge von bis zu 10 m) die Verwendung eines üblichen festen Dielektrikums zu einem extrem hohen Gesamtgewicht des Isolators führen würde, was für die üblichen Anwendungen nicht praktikabel wäre.
Um diesen Widersprach aufzulösen, wurde die Verwendung von dielektrischen Schäumen vorgeschlagen. In der Dissertation ,ßinsatz von elastischen syntaktischen Schäumen in der Hochspannungstechnik ‘ von M. Keßler, RWTH Aachen, 2010, werden syntaktische Schäume beschrieben, die aus einer Silikonmatrix mit eingebrachten gasgefüllten Mikrohohlkugeln bestehen. Diese syntaktischen Schäume auf Basis eines Silikongels bieten den Vorteil von geringeren Dichten (im Bereich von etwa 0.7 bis 1 g/cm3) im Vergleich zu anderen festen Matrixsystemen. EP 2203 522 Al beschreibt eine elektrische Isoliervorrichtung, die eine Kammer mit einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei das elektrisch isolierende Material ein Gel auf Silikonbasis als Matrix sowie Mikrohohlkugeln in der Matrix umfasst. Allerdings können bei diesen syntaktischen
Schäumen aufgrund einer hohen Mischviskosität nur Füllgrade für die Mikrohohlkugeln von bis zu 50Vol% erreicht werden, so dass noch geringere Dichten nicht erreicht werden konnten. Darüber hinaus liegen die dielektrischen Eigenschaften (insbesondere die Durchschlagsfestigkeit) in der gleichen Größenordnung wie die des reinen Silikongels. Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Isoliervorrichtung mit einem elektrisch isolierenden Material bereitzustellen, welches die Vorteile von festen Dielektrika (nämlich das mangelnde Risiko eines Austritts durch ein Leck und die guten dielektrischen Eigenschaften) mit denen von gasförmigen Dielektrika (nämlich das geringe Gewicht) verbindet. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere wird erfindungsgemäß eine elektrische Isoliervorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass trockene, syntaktische Schäume als elektrisch isolierende Materialien mit einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit und gleichzeitig verhältnismäßig geringen Dichte verwendet werden können. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung trockener, syntaktischer Schäume als Ultraleichtfüllstoff in Hohlkemisolatoren. Entsprechende trockene, syntaktische Schäume sind zwar im Stand der Technik bekannt; ihre dielektrischen Eigenschaften und somit ihre Eignung als elektrisch isolierende Materialien wurden nun aber erstmalig und überraschend festgestellt. Die F iguren zeigen das F olgende :
Figur 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen V erbundisolators .
Figur 2 zeigt eine Schaltung für Durchschlagsspannungsmessungen zur Bestimmung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Figur 3 zeigt eine fotografische Abbildung (Aufsicht) eines ungefüllten sowie eines mit einem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllten Rings aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Isoliervorrichtung. Diese kann jede geeignete Form und Ausgestaltung haben. Vorzugsweise handelt es sich erfindungsgemäß um eine Isoliervorrichtung für Hochspannungsanwendungen. Die Isoliervorrichtung kann beispielsweise ein Hohlkemisolator (zum Beispiel für Anwendungen in Umspannwerken) oder ein Isolator für Hochspannungsmasten sein. Geeignete Hohlkemisolatoren schließen insbesondere Verbundisolatoren, Porzellanisolatoren und Hybridisolatoren ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Verbundisolators oder in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts vor.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung umfasst einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist. Bei dem Isolatorkörper handelt es sich somit um einen Hohlkörper. Dieser kann aus jedwedem, für die vorgesehene Anwendung als Isoliervorrichtung geeigneten Material bestehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Isolatorkörper aus einem Material, ausgewählt aus Verbundwerkstoffen, Porzellan und Kombinationen davon. Bei dem Verbundwerkstoff handelt es sich besonders bevorzugt um einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK). Der Isolatorkörper kann jedwede für die jeweilige Anwendung geeignete Form aufweisen. Vorzugsweise liegt der Isolatorkörpers in der Form eines Hohlrohres oder in der Form eines hohlen Stabes vor. Das Rohr oder der Stab kann jedweden geeigneten Querschnitt aufweisen. Der Isolatorkörper kann beispielsweise ein konisches, im Durchmesser über die Länge abgesetztes bzw. rotationssymmetrisches oder nicht-rotationssymmetrisches Hohlrohr sein. Der Isolatorkörper kann aber auch einen einfachen runden Querschnitt aufweisen (also in der Form eines Zylinders vorliegen) oder aber einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Isolatorkörper ein Rohr aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan. Besonders bevorzugt ist der Isolatorkörper ein Rohr aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Dieses Rohr kann in geeigneter Weise durch dem Fachmann bekannte Verfahren hergestellt werden, beispielsweise indem Glasfasern in ein entsprechendes Harz getaucht und dann zu einem Hohlrohr aufgewickelt werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung kann neben dem Isolatorkörper gegebenenfalls noch weitere Komponenten umfassen, beispielsweise Flansche und/oder metallische Armaturen an den jeweiligen Enden der Isoliervorrichtung bzw. des Isolatorkörpers. Diese Flansche und Armaturen sind vorzugsweise korrosionsfest und können zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die Flansche oder Armaturen können gegebenenfalls Belüftungsöffnungen umfassen, die optional verschließbar sind. Durch diese kann Luft während des Expansionsprozesses der wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweichen, falls diese Expansion direkt in dem Isolatorkörper durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung kann ferner ein Gehäuse oder eine Ummantelung umfassen, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Silikon, um die elektrische Isoliervorrichtung zu schützen. Entsprechende Gehäuse sind im Stand der Technik bekannt. Ein etwaiger Spalt zwischen Endarmatur und dem Gehäuse bzw. der Ummantelung kann gegebenenfalls mit einem geeigneten Dichtungsmittel abgedichtet werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu dem Isolatorkörper zu verhindern, um so eine hohe Lebensdauer der elektrischen Isoliervorrichtung zu gewährleisten. Geeignete Dichtungsmittel umfassen beispielsweise kriechstromfestes Polyurethan. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrische Isoliervorrichtung zusätzlich Flansche an den beiden Enden des Isolatorkörpers, wobei mindestens ein Flansch eine verschließbare Belüftungsöffiiung aufweist, sowie ein Silikongehäuse, welches um den Isolatorkörper angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung umfasst ferner ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer des Isolatorkörpers. In anderen Worten ist der Isolatorkörper mit einem elektrisch isolierenden Material gefällt. Dieses elektrisch isolierende Material umfasst einen trockenen, syntaktischen Schaum. Das elektrisch isolierende Material kann neben dem trockenen syntaktischen Schaum gegebenenfalls noch weitere elektrisch isolierende Materialien umfassen, wie beispielsweise Stickstoff (N2) oder Schwefelhexafluorid (SFÖ). Gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung besteht das elektrisch isolierende Material aus dem trockenen, syntaktischen Schaum, d.h. neben dem trockenen, syntaktischen Schaum sind keine weiteren elektrisch isolierenden Materialien enthalten. Die Kammer des Isolatorkörpers kann jedweden geeigneten Füllgrad aufweisen. Beispielsweise sind mindestens 70 Vol% der Kammer mit dem elektrisch isolierenden Material gefällt, vorzugsweise mindestens 90 Vol%. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausfährungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kammer des Isolatorkörpers im Wesentlichen vollständig mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllt, d.h. der Füllgrad der Kammer beträgt mindestens 95 Vol%.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem trockenen, syntaktischen Schaum (im Stand der Technik auch als „dry syntactic foam“ (DSF) bezeichnet) ein Material verstanden, welches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf
Polymerbasis, die durch Erwärmen zumindest teilweise expandiert worden sind, besteht. Die wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln umfassen eine Polymerschale und schließen zumindest vor der Expansion ein Gas mit einem niedrigen Siedepunkt ein. Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Alkangas, beispielsweise Isopentan oder Isobuten. Der erfindungsgemäß verwendete syntaktische Schaum enthält im Gegensatz zu herkömmlichen syntaktischen Schäumen keine flüssige Polymermatrix, in welche die Mikrohohlkugeln eingebettet werden, und wird aus diesem Grund als trockener, syntaktischer Schaum bezeichnet. Entsprechende trockene, syntaktische Schäume sowie deren Herstellung sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus US 6,593,381 B2.
Der trockene, syntaktische Schaum ist erhältlich, indem zunächst ein Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis, die bereits expandiert worden sind, und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis, die noch nicht expandiert worden sind, bereitgestellt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff „wärmeexpandierbare Mikrohohlkugeln“ somit bereits expandierte Mikrohohlkugeln als auch noch nicht expandierte Mikrohohlkugeln ein. Dieses Gemisch wird dann auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 100°C bis 180°C, noch bevorzugter im Bereich von 125°C bis 175°C erwärmt. Dadurch steigt der Gasdruck in den noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln und die Polymerschale der Mikrohohlkugeln wird plastisch deformiert, sobald die entsprechende Glasübergangstemperatur erreicht worden ist. Dadurch wird eine signifikante Vergrößerung des Sphärenvolumens, also ein Aufschäumen des Materials bewirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der trockene, syntaktische Schaum somit durch Aufschäumen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich ist.
Dabei bilden die bereits expandierten Mikrohohlkugeln eine Matrix, in welche die noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln eingebettet werden. Auf diese Weise kann mit der Wärmebehandlung (d.h. mit dem Aufschäumen) eine gleichförmige Expansion der noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln erreicht werden, was zu einem Schaum mit einer gleichförmigen Materialverteilung und einer geordneten Porenstruktur führt. Insbesondere lassen sich auf diese Weise die Porengrößen des Schaums genau einstellen, und aus diesem Grund wird der Schaum als syntaktischer Schaum bezeichnet.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der trockene, syntaktische Schaum auch durch Aufschäumen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich, wobei die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen. In diesem Fall wird also nicht ein Gemisch aus bereits expandierten und noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet, sondern zumindest zwei unterschiedliche Arten an
Mikrohohlkugeln. So kann beispielsweise eine erste Art an Mikrohohlkugeln in einem Temperaturbereich von 50°C bis 120°C expandierbar sein, während eine zweite Art an Mikrohohlkugeln bei einer höheren Temperatur von mehr als 120°C expandierbar ist. Wird ein Gemisch aus diesen beiden Arten an Mikrohohlkugeln zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 120°C, vorzugweise im Bereich von 80°C bis 100°C erwärmt, wird zunächst nur die erste Art an Mikrohohlkugeln expandiert, welche dann als Matrix für die zweite Art an Mikrohohlkugeln dient. Diese zweite Art an Mikrohohlkugeln wird dann in einem zweiten Schritt durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 120°C expandiert, vorzugweise bei einer Temperatur im Bereich von 130°C bis 160°C. Es können aber auch mehr als zwei Arten an Mikrohohlkugeln verwendet werden. Es ist auch möglich, die beiden vorstehend genannten Methoden zu kombinieren. So kann beispielsweise ein Gemisch aus zwei Arten an bereits expandierten Mikrohohlkugeln zusammen mit zwei Arten an noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet werden.
Durch geeignete Wahl der Art und des Mischungsverhältnisses der Mikrohohlkugeln können die Eigenschaften des trockenen, syntaktischen Schaums in geeigneter Art und Weise eingestellt werden.
Geeignete trockene, syntaktische Schäume sowie Mikrohohlkugeln zu deren Herstellung sind im Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich. In diesem Zusammenhang wird exemplarisch auf Mikrohohlkugeln verwiesen, die von der Firma Nouryon unter dem Handelsnamen Expancel® vertrieben werden. Diese sind sowohl in expandierter Form (Expancel® DE („dry, expanded“)) als auch in nicht-expandierter Form (Expancel® DU („dry, unexpanded“)) in verschiedenen Größen und Dichten erhältlich. Geeignete nicht- expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise die mit den Bezeichnungen 031 DU 40 (Schüttdichte 0,4134 g/cm3), 551 DU 40 (Schüttdichte 0,5543 g/cm3), 920 DE 40 (Schüttdichte 0,4633 g/cm3), 920 DE 80 (Schüttdichte 0,4937 g/cm3) und 461 DU 40 (Schüttdichte 0,4553 g/cm3), wobei die Schüttdichte im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die Masse des Pulvermaterials der Mikrohohlkugeln definiert wird, die ein bestimmtes Volumen füllt. Geeignete expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise 551 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0125 g/cm3) und 920 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0146 g/cm3). Die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln weisen somit etwa die 50-fache
Schüttdichte der expandierten Mikrohohlkugeln auf.
Die Dichte des elektrisch isolierenden Materials kann in geeigneter Weise durch Wahl geeigneter wärmeexpandierbarer Mikrohohlkugeln eingestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das elektrisch isolierende Material eine Dichte von 0,01 g/cm3 bis 0,6 g/cm3, besonders bevorzugt von 0,05 g/cm3 bis 0.5 g/cm3, noch bevorzugter im Bereich von 0,1 bis 0,2 g/cm3 auf. Diese Dichten können erreicht werden, ohne gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften des elektrisch isolierenden Materials signifikant zu beeinträchtigen.
Die elektrische Durchschlagsfestigkeit (auch als dielektrische Stärke bezeichnet) des elektrisch isolierenden Materials kann ebenfalls in geeigneter Weise durch Wahl entsprechender wärmeexpandierbarer Mikrohohlkugeln eingestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt diese 5 kV/mm bis 60 kV/mm, besonders bevorzugt 10 kV/mm bis 50 kV/mm und ganz besonders bevorzugt 30 kV/mm bis 40 kV/mm (gemessen gemäß dem Standard IEC 60243-1 „Electric strength of insulating materials, 2014, mit in das Material eingebetteten Elektroden). Das elektrisch isolierende Material hat vorzugsweise eine möglichst geringe Wasseraufhahmekapazität, da der trockene, syntaktische Schaum sonst in Gebrauch zu viel Feuchtigkeit aufhehmen könnte, was zu einer Gewichtserhöhung der elektrischen Isoliervorrichtung sowie zu einer Verminderung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit führen würde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der trockene, syntaktische Schaum eine Wasseraufhahmekapazität von nicht mehr als 4 Vol% auf, gemessen durch Eintauchen einer Probe des Schaums in destilliertes Wasser für 2 Wochen bei 50°C, besonders bevorzugt von nicht mehr als 1 Vol%. Darüber hinaus können weitere Maßnahmen getroffen werden, um eine Wasseraufnahme durch den trockenen, syntaktischen Schaum im Gebrauch zu vermeiden, insbesondere ein geeignetes Abdichten des Isolatorkörpers.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln sowie das Material des Isolatorkörpers derart gewählt, dass diese temperaturkompatibel sind. Dies ist insbesondere dann zu beachten, wenn der Isolatorkörper einen Verbundwerkstoff umfasst. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Glasübergangstemperatur (Tg) des Polymers, aus dem die Schale der Mikrohohlkugeln gebildet ist, mindestens 20°C, vorzugsweise mindestens 30°C, unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers des Verbundwerkstoffes liegt. Folglich sind für einen Isolatorkörper aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einer Glasübergangstemperatur von 130°C insbesondere Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 110°C bevorzugt, wie beispielsweise Nouryon Expancel®461 DU 40 (Tg 100°C), Nouryon Expancel® 031 DU 40 (Tg 95°C) oder Nouryon Expancel® 551 DU 40 (Tg 100°C).
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbundisolator, umfassend ein Hohlrohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff, einen trockenen, syntaktischen Schaum als elektrisch isolierendes Material als
Füllung in dem Hohlrohr,
- Flansche an den beiden Enden des Hohlrohrs, wobei mindestens ein Flansch eine verschließbare Belüfhmgsöffnung aufweist, und ein Silikongehäuse, welches um das Hohlrohr herum angeordnet ist.
Zusammenfassend können erfindungsgemäß herkömmliche gasförmige elektrisch isolierende Materialien in elektrischen Isoliervorrichtungen durch trockene, syntaktische Schäume ersetzt werden, welche ebenfalls eine geringe Dichte aufweisen und somit die Herstellung von elektrischen Isoliervorrichtungen mit geringem Gewicht ermöglichen, und welche gleichzeitig die Nachteile gasförmiger elektrisch isolierender Materialien vermeiden. Es hat sich weiterhin überraschenderweise gezeigt, dass die erfindungsgemäß als elektrisch isolierendes Material verwendeten trockenen, syntaktischen Schäume eine gute Anhaftung an das Material des Isolatorkörpers aufweisen, so dass kein zusätzliches Haftmittel benötigt wird. Eine gute Anhaftung ist insbesondere gegeben, wenn der Isolatorkörper aus einem Verbundwerkstoff (insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff) besteht. Ebenso ist eine gute Anhaftung gegenüber Aluminium und anderen Metallen gegeben, die beispielsweise als Materialien für die Armaturen und/oder Flansche an den jeweiligen Enden des Isolatorkörpers bzw. der elektrischen Isoliervorrichtung zum Einsatz kommen können. Die erfindungsgemäß als elektrisch isolierendes Material verwendeten trockenen, syntaktischen Schäume weisen zudem die weiteren Vorteile auf, dass sie gut und einfach herzustellen und zu verarbeiten sind, nicht toxisch sowie aus ökologischer Sicht unbedenklicher als das herkömmlich verwendete Schwefelhexafluorid sind. Vorzugsweise handelt es sich erfindungsgemäß um eine Isoliervorrichtung für Hochspannungsanwendungen. Die Isoliervorrichtung kann beispielsweise ein Hohlkemisolator (zum Beispiel für Anwendungen in Umspannwerken) oder ein Isolator für Hochspannungsmasten sein. Geeignete Hohlkemisolatoren schließen insbesondere Verbundisolatoren, Porzellanisolatoren und Hybridisolatoren ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Verbundisolators vor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts vor. Diese Anwendung hat den Vorteil, dass zum einen eine Gewichtserspamis bei den Armen von Hochspannungsmasten erreicht werden kann. Zum anderen können die Stromkabel aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des trockenen, syntaktischen Schaums in dem Isolatorkörper direkt oder über metallische Armaturen an dem Arm des Hochspannungsmasts befestigt werden. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Isolation verzichtet werden, was den Aufbau des Strommasts enorm vereinfacht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material. Vorzugsweise wird dabei der trockene, syntaktische Schaum als Füllung in einem Hohlkörper aus Verbundwerkstoff oder aus Porzellan verwendet. Vorzugsweise hat der Hohlkörper die Form eines Rohrs. Bevorzugter Verbundwerkstoff ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Gemäß einer bevorzugten Ausfährungsform wird der trockene, syntaktische Schaum als elektrisch isolierendes Material Hochspannungsanwendungen, beispielsweise als Verbundisolator oder als Arm eines Hochspannungsmasts, verwendet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
(a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist,
(bl) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand,
(b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und
(c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefiillt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Isolatorkörper bereitgestellt, der eine Kammer aufweist. Bei diesem handelt es sich somit um einen Hohlkörper. Dieser Isolatorkörper kann jedweder geeignete Isolatorkörper sein, wie vorstehend bereits beschrieben.
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis bereitgestellt.
Dazu kann gemäß einer ersten Alternative (bl) ein Gemisch zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand bereitgestellt werden. Wie vorstehend bereits beschrieben, sind derartige wärmeexpandierbare Mikrohohlkugeln im Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich. In diesem Zusammenhang wird exemplarisch auf Mikrohohlkugeln verwiesen, die von der Firma Nouryon unter dem Handelsnamen Expancel® vertrieben werden. Diese sind sowohl in expandierter Form (Expancel® DE („dry, expanded“)) als auch in nicht- expandierter Form (Expancel® DU („dry, unexpanded“)) in verschiedenen Größen und Dichten erhältlich. Geeignete nicht-expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise die mit den Bezeichnungen 031 DU 40 (Schüttdichte 0,4134 g/cm3), 551 DU 40 (Schüttdichte 0,5543 g/cm3), 920 DE 40 (Schüttdichte 0,4633 g/cm3), 920 DE 80 (Schüttdichte 0,4937 g/cm3) und 461 DU 40 (Schüttdichte 0,4553 g/cm3), wobei die Schüttdichte im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die Masse des Pulvermaterials der Mikrohohlkugeln definiert wird, die ein bestimmtes Volumen füllt. Geeignete expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise 551 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0125 g/cm3) und 920 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0146 g/cm3). Die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln weisen somit etwa die 50-fache Schüttdichte der expandierten Mikrohohlkugeln auf.
Unter Berücksichtigung der gemessenen Schüttdichten kann dann der Massenbeitrag der expandierten bzw. der nicht-expandierten Mikrohohlkugeln (also das Verhältnis der Massen der beiden Arten an Mikrohohlkugeln) in Abhängigkeit von der Zieldichte des trockenen, syntaktischen Schaums berechnet werden.
Zur Herstellung des Gemisches werden vorzugsweise die expandierten Mikrohohlkugeln in einem geeigneten Gefäß vorgelegt und dann die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln zugegeben. Auf diese Weise erfolgt direkt eine Einbettung der nicht-expandierten
Mikrohohlkugeln in den bereits expandierten Mikrohohlkugeln. Die Mikrohohlkugeln können dann miteinander vermischt werden, um eine gleichförmige Verteilung der beiden Arten an Mikrohohlkugeln zu erreichen. Dieses Durchmischen kann in einer geeigneten Mischvorrichtung für eine geeignete Dauer von beispielsweise 1 bis 20 Minuten, vorzugweise im Bereich von 10 bis 15 durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Durchmischen direkt in dem Behälter durchgeführt werden, in welchem in Schritt (c) das Aufschäumen erfolgt, also beispielsweise direkt in der Kammer des Isolatorkörpers oder in einer separaten Expansionsform.
Gemäß einer zweiten Alternative (b2) wird ein Gemisch aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, bereitgestellt.
Es können in Schritt (b) selbstverständlich auch mehr als zwei Arten an Mikrohohlkugeln verwendet werden. Es ist auch möglich, die beiden vorstehend genannten Alternativen (bl) und (b2) zu kombinieren. So kann beispielsweise ein Gemisch aus zwei Arten an bereits expandierten Mikrohohlkugeln zusammen mit zwei Arten an noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet werden.
In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt sodann das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material.
Dazu wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln wird zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt.
Wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst außerhalb der Kammer aufgeschäumt, so kann dies beispielsweise in einer geeigneten Expansionsform erfolgen. Diese hat vorzugsweise die gleiche Form wie die Kammer des Isolatorkörpers, in den der trockene, syntaktische Schaum dann eingefüllt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Form des trockenen, syntaktischen Schaums vor dem Einfüllen in den Isolatorkörper nicht noch zusätzlich angepasst werden muss, beispielsweise durch Zurechtschneiden. Vorzugsweise enthält die Expansionsform eine Antihaftbeschichtung, beispielsweise aus PTFE, um zu verhindern, dass der Schaum an der Expansionsform anhaftet und nur schwierig aus dieser entfernt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in die Kammer eingefüllt und dort aufgeschäumt. Dieses direkte Einfüllen des Gemisches in die Kammer des Isolatorkörpers ist vorteilhaft, weil auf diese Weise ein Verfahrensschritt weniger benötigt wird, nämlich das Überführen des trockenen, syntaktischen Schaums aus der Expansionsform in den Isolatorkörper. Außerdem kann bei dem Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in der Kammer eine bessere Anhaftung des Schaumes an die Wände der Kammer des Isolatorkörpers erreicht werden.
Das Erwärmen erfolgt beispielsweise in einem geeigneten Ofen. Das Aufschäumen erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Aufschäumen bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 125°C bis 175°C, durchgeführt.
Die Expansions- bzw. Aufschäumtemperatur ist vorzugsweise in Abhängigkeit von der Glasübergangstemperatur des Polymers, aus dem die Schale der Mikrohohlkugeln bestehen (Tmin). sowie von der Temperatur, bei der die Mikrohohlkugeln ihr maximales Expansionvolumen erreichen (Tmax), auszuwählen. Vorzugsweise liegt die Expansions- bzw. Aufschäumtemperatur zwischen Tmin und Tmax, besonders bevorzugt bei etwa (Tmin +
Tmax) / 2.
Das Aufschäumen kann bei einer konstanten Temperatur erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Temperatur während des Aufschäumens kontinuierlich oder schrittweise zu erhöhen, bis die vorstehend genannten Temperaturbereiche erreicht werden. Wird beispielsweise gemäß der Alternative (b2) ein Gemisch aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche f r die Expansion aufweisen, verwendet, so kann beispielsweise eine erste Art an Mikrohohlkugeln in einem Temperaturbereich von 50°C bis 120°C expandierbar sein, während eine zweite Art an Mikrohohlkugeln bei einer höheren Temperatur von mehr als 120°C expandierbar ist. Wird ein Gemisch aus diesen beiden Arten an Mikrohohlkugeln zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 120°C, vorzugweise im Bereich von 80°C bis 100°C erwärmt, wird zunächst nur die erste Art an Mikrohohlkugeln expandiert, welche dann als Matrix für die zweite Art an Mikrohohlkugeln dient. Diese zweite Art an Mikrohohlkugeln wird dann in einem zweiten Schritt durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 120°C expandiert, vorzugweise bei einer Temperatur im Bereich von 130°C bis 160°C.
Die Dauer des Aufschäumens bzw. der Wärmebehandlung kann in geeigneter Weise durch den Fachmann gewählt werden. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung für eine Dauer im Bereich von 15 Minuten bis 4 Stunden erfolgen, vorzugsweise für eine Dauer im Bereich von 1 bis 3 Stunden.
Durch die Wahl der Temperatur sowie der Dauer für die Wärmebehandlung zum Aufschäumen der wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln kann die abschließende Größe der Mikrohohlkugeln und damit die Dichte des trockenen, syntaktischen Schaums eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird Schritt (c) in einen ersten Teilschritt (cl) und einen zweiten Teilschritt (c2) unterteilt. In Schritt (cl) wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln, das gemäß Alternative (bl) und/oder Alternative (b2) ausgebildet ist, in einer ersten Expansionsstufe durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C für eine festgelegte Dauer unter Ausbildung eines vorexpandierten Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln aufgeschäumt. Dabei wird in dieser ersten Expansionsstufe das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln nicht vollständig, d. h. noch nicht bis zur gewünschten Dichte des trockenen, syntaktischen Schaums expandiert, sondern nur, bis ein gewünschter, „vorexpandierter“ Zustand der Mikrohohlkugeln erreicht ist. Dieser ist vorzugsweise bei einer Dichte des Gemisches im Bereich von 0,01 g/cm3 bis 0,9 g/cm3 erreicht. Durch die Wahl der Temperatur sowie der Dauer für die Wärmebehandlung der ersten Expansionsstufe kann der Zustand der Mikrohohlkugeln eingestellt werden. Bevorzugt kann die Wärmebehandlung der ersten Expansionsstufe in einem geeigneten Ofen bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 175°C für eine Dauer im Bereich von 15 Minuten bis 2 Stunden erfolgen. Das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in dem Teilschritt (cl) erfolgt in wenigstens einer geeigneten Expansionsform, die zumindest ein kleineres Volumen aufweist als die Kammer des Isolatorkörpers, derart, dass einzelne Strukturbauteile bestehend aus dem Gemisch aus Mikrohohlkugeln in vorexpandiertem Zustand ausgebildet werden. Die Strukturbauteile können beispielsweise als Scheiben von einer Dicke in einem Bereich von 2 cm bis 50 cm und von einem Durchmesser kleiner oder gleich dem Durchmesser der Kammer des Isolatorkörpers ausgebildet sein.
In Schritt (c2) wird das vorexpandierte Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in einer zweiten Expansionsstufe durch nochmalige Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°Cf r eine festgelegte Dauer unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material aufgeschäumt. Dafür werden die einzelnen Strukturbauteile in die Kammer des Isolatorkörpers oder in eine geeignete Expansionsform eingebracht. Bevorzugt weist der trockene, syntaktische Schaum nach der zweiten Expansionsstufe eine Dichte von 0,01 g/cm3 bis 0,6 g/cm3, vorzugsweise von 0,05 g/cm3 bis 0,5 g/cm3, auf. Durch die Wahl der Wärmebehandlung sowie der Dauer für die Wärmebehandlung der zweiten Expansionsstufe kann der Zustand der Mikrohohlkugeln eingestellt werden.
Bevorzugt kann die Wärmebehandlung der zweiten Expansionsstufe wiederum in einem geeigneten Ofen bei einer gewünschten Temperatur, vorzugsweise 100°C bis 175°C, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann in dem zweiten Expansionsschritt heiße Luft zum Einsatz kommen, die in die Kammer des Isolierkörpers oder in die Expansionsform eingebracht wird und die Strukturbauteile durchströmt. Vorzugsweise weisen die Strukturbauteile hierfür Löcher auf, sodass die Luft noch besser durchzirkulieren kann. Die Dauer der Wärmebehandlung der zweiten Expansionsstufe liegt vorzugsweise im Bereich von 15 Minuten bis 5 Stunden. Die Aufteilung des Aufschäumens des Gemisches in zwei Expansionsstufen bietet den Vorteil, dass zum einen die Dichte des trockenen, syntaktischen Schaums noch besser eingestellt werden kann, und zum anderen eine besonders gleichförmige Materialverteilung des elektrisch isolierenden Materials erreicht werden kann. Des Weiteren können auf diese Weise auch Hohlräume, die größere Volumina umfassen, problemlos ausgeschäumt werden. Denn bei großen Anhäufungen der Mikrohohlkugeln kann es Vorkommen, dass die Wärme im Kern, also im innersten Bereich des Hohlraumvolumens nicht ankommt und daher die Mikrohohlkugeln in diesen Bereichen des Hohlraumes nicht oder nicht vollständig expandieren. Dem wird durch die Expansion in zwei Stufen sowie durch das Aufschäumen in einzelnen Strukturbauteilen entgegengewirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Schritt (c) des Aufschäumens noch einen Schritt (d) einer Vakuumbehandlung. Diese Vakuumbehandlung ist vorteilhaft, um verbleibende Luft zu entfernen, um so ein weiteres Aufschäumen der Mikrohohlkugeln zu ermöglichen bzw. um das Aufschäumen zu vervollständigen. Als Vakuum wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Druck von weniger als 200 mbar bezeichnet. Vorzugsweise beträgt der Druck bei der Vakuumbehandlung weniger als 100 mbar, noch bevorzugter weniger als 20 mbar. Die Dauer der Vakuumbehandlung kann beispielsweise 1 Minute bis 1 Stunde betragen, vorzugsweise 10 bis 30 Minuten. Die Vakuumbehandlung wird vorzugsweise bei erhöhter Temperatur durchgeführt, um eine weitere Expansion der Mikrohohlkugeln zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Vakuumbehandlung in dem gleichen Temperaturbereich wie vorstehend für das Aufschäumen in Schritt (c) definiert durchgeführt, wobei die Temperaturen in den Schritten (c) und (d) gleich oder verschieden sein können. Besonders bevorzugt wird die Vakuumbehandlung bei einer Temperatur von nicht höher als (Tmin + Tmax) / 2 durchgeführt, wobei Tmin die Glasübergangstemperatur des Polymers und Tmax die Temperatur, bei der die Mikrohohlkugeln ihr maximales Expansionsvolumen erreichen, angibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Verbindung des elektrisch isolierenden Materials mit dem Isolatorkörper kein Haftmittel verwendet. Auf ein Haftmittel kann insbesondere dann verzichtet werden, wenn das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln direkt in der Kammer des Isolatorkörpers erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 1 näher erläutert, ohne auf dieses beschränkt zu sein. Ein erfindungsgemäßer Verbundisolator kann beispielsweise gemäß den in Figur 1 dargestellten Verfahrensschritten hergestellt werden. Dabei wird in einem ersten Schritt ein Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff 1 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt werden die beiden Enden des Rohrs 1 mit einem offenen Flansch 2 bzw. mit einem Flansch 3 mit einer Abdeckung mit einer Entlüftungsöffnung 4 versehen. Dies kann durch übliche, im Stand der Technik bekannte Verfahren, wie beispielsweise Kleben, erfolgen. Die mindestens eine Entlüftungsöffnung dient dazu, dass Gas bzw. Luft während des Expansionsschrittes entweichen kann. Im nächsten Schritt wird ein Silikongehäuse 5 um das Rohr 1 herum angebracht. Das Silikongehäuse kann ebenfalls durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch Formen oder durch Extrudieren. Danach wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln 6 durch den offenen Flansch 2 in Rohr 1 gefüllt. Dazu werden zunächst die Massenanteile für die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln separat bestimmt und abgewogen. Dann werden die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln miteinander vermischt und in den Isolatorkörper eingefüllt. Im letzten Schritt wird dann auch der
Flansch 2 mit einer Abdeckung 7, die optional auch eine Entlüftungsöffnung 7 aufweisen kann, versehen, und das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln 6 durch eine Wärmebehandlung der gesamten Vorrichtung unter Ausbildung des trockenen, syntaktischen Schaums in Rohr 1 expandiert. Diese Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einem Ofen. Es ist bevorzugt, dass das das Befüllen des Isolatorkörpers mit den wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln erst nach der Herstellung des Rohrs aus glasfaserverstärktem Kunststoff sowie des Silikongehäuses erfolgt, da die für die Vulkanisation des Silikonkautschukes erforderliche Temperaturen ansonsten die Mikrohohlkugeln beschädigen bzw. zerstören könnten. Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiele
Beispiel 1:
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines trockenen, syntaktischen Schaums in einer Expansionsform. Ein Gemisch aus expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel® 551 DET 40 d25 (34,7 Vol%; Schüttdichte 0,0125 g/cm3) und nicht-expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel® 551 DU 40 (65,4 Vol%; Schüttdichte 0,5543 g/cm3) mit einer Schüttdichte von 0,2 g/cm3 wurde bei einer Temperatur von 120°C in einer zylindrischen Expansionsform aus Aluminium mit einer PTFE-Innenbeschichtung für eine Dauer von 2 Stunden expandiert.
In der Expansionsform waren ferner zwei sphärische Elektroden mit einem Durchmesser von jeweils 12 mm in einem Abstand von 1 mm angeordnet. Um sicherzustellen, dass dieser Abstand von 1 mm auch nach Durchführen der Expansion noch eingehalten wurde, wurden die Elektroden mittels geeigneter Abstandshalter in ihrer Position fixiert.
Nach der Expansion unter Ausbildung des trockenen, syntaktischen Schaums in der Expansionsform wurde die elektrische Durchschlagsfestigkeit bestimmt, indem eine Schaltung für Durchschlagsspannungsmessungen gemäß Figur 2 verwendet wurde. Die Eingangsspannung wurde dabei über einen Stufentransformator gesteuert. Ein 320 kQ Widerstand wurde in Reihe mit der Probe geschaltet, um den Kurzschlussstrom zu begrenzen. Die Spannung wurde mit einem kapazitiven Spannungsteiler gemessen.
Fünf Proben wurden mit einer Rampenspannung von 1 kV/mm belastet. Die Durchschlagsspannungen wurden mit einem Oszilloskop erfasst, aus dem die Spitzenfeldstärken nach der folgenden Formel berechnet wurden, wobei ÜBD die
Spitzendurchschlagsspannung ist, h der Schwaiger-Faktor der Elektrodenanordnung und g der Spaltabstand zwischen den beiden Elektroden:
« _ ÖßD hßD — -
I] g
Die Messungen ergaben für den trockenen syntaktischen Schaum eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 30.5 kV/mm mit einer Standardabweichung von s = 23%.
Beispiel 2:
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines trockenen, syntaktischen Schaums direkt in einem Isolatorkörper.
Ein Gemisch aus expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel® 551 DET 40 d25 (83,9 Vol%; Schüttdichte 0,0125 g/cm3) und nicht-expandierten Mikrohohlkugeln vom
Typ Expancel® 551 DU 40 (16,1 Vol%; Schüttdichte 0,5543 g/cm3) mit einer Schüttdichte von 0,1 g/cm3 wurde bei einer Temperatur von 120°C direkt in einem zylindrischen bzw. ringförmigen Isolatorkörper aus glasfaserverstärktem Polymer mit einem Innendurchmesser von 120 mm und einer Höhe von 20 mm für eine Dauer von 2 Stunden expandiert. Der Zylinder wurde während der Expansion an beiden Enden mit jeweils einer PTFE-Platte verschlossen. Figur 3 zeigt auf der linken Seite eine fotografische Abbildung des ungefüllten Isolatorkörpers sowie auf der rechten Seite eine fotografische Abbildung des mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllten Isolatorkörpers.
Nach dem Aufschäumen wies der zylindrische Isolatorkörper keinerlei Verformung auf. Dies zeigt, dass der Expansionsdruck unterhalb des kritischen Wertes liegt, der eine plastische oder mechanische Deformation des Isolatorkörpers bewirken könnte. Dementsprechend kann das Aufschäumen ohne weiteres direkt innerhalb des Isolatorkörpers durchgeführt werden.
Man kann Figur 3 weiterhin entnehmen, dass der Schaum homogen und im Wesentlichen frei von Hohlräumen gebildet wurde. Dies zeigt, dass das Aufschäumen homogen erfolgt und zu einer gleichförmigen Materialverteilung führt.
Schließlich zeigte sich auch, dass der nach dem Aufschäumen erhaltene trockene, syntaktische Schaum eine starke Anbindung an das glasfaserverstärktem Polymer des ringförmigen zylindrischen Isolatorkörpers aufwies. Dies zeigt, dass beim Aufschäumen direkt in dem Isolatorkörper kein zusätzliches Haftmittel zum Verbinden des elektrisch leitfähigen Materials mit dem Isolatorkörper benötigt wird.
Bezugszeichenliste
1 Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff 2, 3 Flansch 4, 7 Flansch-Abdeckung mit Entlüftungsöffnung
5 Silikongehäuse
6 Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst.
2. Elektrische Isoliervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Isolatorkörper aus einem Material, ausgewählt aus Verbundwerkstoffen, Porzellan und Kombinationen davon, besteht.
3. Elektrische Isoliervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolatorkörper ein
Rohr aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan ist.
4. Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kammer des Isolatorkörpers im Wesentlichen vollständig mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllt ist.
5. Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der trockene, syntaktische Schaum durch Aufschäumen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht- expandierten Zustand erhältlich ist.
6. Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der trockene, syntaktische Schaum durch Aufschäumen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf
Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich ist, wobei die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen.
7. Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in der Form eines
Verbundisolators oder in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts.
8. Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das elektrisch isolierende Material eine Dichte von 0,01 g/cm3 bis 0,6 g/cm3, vorzugsweise von 0,05 g/cm3 bis 0,5 g/cm3, aufweist.
9. Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material.
10. Verwendung nach Anspruch 9 als Füllung in einem Hohlkörper, vorzugsweise in einem Rohr, aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 in Hochspannungsanwendungen, beispielsweise als Verbundisolator oder als Arm eines Hochspannungsmasts.
12. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
(a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist,
(bl) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand,
(b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht- expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und
(c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Schritt (c) die folgenden Teilschritte (cl) und (c2) umfasst:
(cl) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C für eine festgelegte Dauer unter Ausbildung eines vorexpandierten Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln, (c2) das Aufschäumen des vorexpandierten Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch nochmalige Wärmebehandlung für eine festgelegte Dauer unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in dem Teilschritt
(cl) in wenigstens einer geeigneten Expansionsform, die zumindest ein kleineres Volumen aufweist als die Kammer des Isolatorkörpers, unter Ausbildung einzelner Strukturbauteile aufgeschäumt wird, und in dem Teilschritt (c2) die einzelnen Strukturbauteile in die Kammer des Isolatorkörpers oder in eine geeignete Expansionsform zur nochmaligen
Wärmebehandlung eingebracht werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei zur Verbindung des elektrisch isolierenden Materials mit dem Isolatorkörper kein Haftmittel verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Aufschäumen bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 125°C bis 175°C, durchgeführt wird.
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