CH433468A - Stabilisiertes Cellulosematerial - Google Patents

Description

  Stabilisiertes     Cellulosematerial            Cellulosematerialien,    wie z. B. Papier, Baumwoll  gewebe, Baumwollband,     Pressplatten    und     Holz    werden  schon lange in der Elektroindustrie zur Isolierung der  verschiedensten Teile von elektrischen Apparaten ver  wendet. Solche Materialien sind insbesondere auf Grund  ihrer wirtschaftlichen Vorteile     im    Vergleich zu anderen  verfügbaren Materialien     ein    günstiges     Ausgangsmaterial     für elektrische Isolationen.

   Ferner besitzt die     Cellulose-          isolation    hinreichende physikalische Eigenschaften und  anfangs eine zufriedenstellende     dielekbrische    Festigkeit.  



       Cellulosematerialien    verschlechtern sich jedoch  schnell bei Temperaturen über 100  C, wenn sie in  Berührung mit Luft sind, und diese Verschlechterung  ist noch viel ausgeprägter in Gegenwart eines flüssigen       Dielektrkums.    Sowohl die physikalischen als auch die  elektrischen Eigenschaften werden     beeinflusst.    Das Er  gebnis ist, dass die Isolation schnell ihre elektrisch iso  lierende Festigkeit verliert und ihre verbliebene mecha  nische Festigkeit wird schnell     zerstreut.     



  Die elektrischen und thermischen     Eigenschaften    von       Cellulosematerialien    wie z. B. Papier, Baumwollgewebe,  Baumwollband und Holz verschlechtern sich schnell bei  Temperaturen über 100  C, wenn sie in Kontakt mit  Luft oder einem     flüssigen        Dielektrikum    sind. So bei  spielsweise behält Papier, nachdem es nur einige Wochen  in hochgereinigtes     Transformatorenöl    bei 120 - 150  C  eingetaucht war, nur ein paar Prozent seiner ursprüng  lichen     dielektrischen    Festigkeit und praktisch nichts von  seiner ursprünglichen Zerreissfestigkeit. Im allgemeinen  kann eine Lage von frischem elektrischem Kraft-Papier  mehrere 100mal gebogen werden, bevor es bricht.

    Jedoch bricht es bereits, nachdem es nur ein paar  Tage in     Transformatorenöl    bei 150  C eingetaucht war  an den Stellen, wo es doppelt gefalzt war. Für diese  Fälle ist im     einzelnen    angegeben worden, dass in elek  trischen     Apparaten,    welche eine     Celluloseisolation    ent  halten, die herrschenden Arbeitstemperaturen 105  C  nicht übersteigen sollten.  



  Die     Erfindung    betrifft ein     stabilisieres    Cellulose-    material, das nicht nur eine verbesserte thermische  Stabilität aufweist, sondern überraschenderweise einer  Isolation auch hervorragende     elektrische        Eigenschaften     verleiht. Die günstigen Eigenschaften     treten    nicht nur  in Gegenwart eines flüssigen     Dielektrikums    auf, sondern  werden ebenso erhalten, wenn die Isolation in Luft  oder in einem anderen Gas verwendet wird. So stabi  lisierte     Cellulosematerialien    werden deshalb mit ganz  besonderem Vorteil zur Isolierung von elektrischen  Apparaten und Bauteilen     verwendet.     



  Das erfindungsgemäss stabilisierte     Cellulosematerial     ist dadurch     gekennzeichnet,    dass es als Stabilisator  0,02-10     Gew.%,    bezogen auf das Gewicht des     Cellu-          losematerials,    mindestens einer stickstoffhaltigen orga  nischen Verbindung mit mindestens einer     Nitrilgruppe     enthält.  



  Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher  erläutert:       Fig.    1 ist eine graphische Zeichnung, in welcher       Mullens        Berstfestigkeit    gegen     die    Alterung, gemessen  in Tagen, von stabilisiertem und nichtstabilisiertem  Kraft-Papier in     Transformatoröl    bei 150  C     aufgetragen     ist. Die Kurve A gilt für     Kraft-Papier,    welchem keine  stabilisierenden Verbindungen zugesetzt wurden.

   Die  Kurve B zeigt die     Alterungsbeständigkeit    von     Kraft-          Papier,    dem     erfindungsgemäss        Succinonitril    zugesetzt  wurde.  



       Fig.    2 ist     eine    graphische Darstellung der     dielek-          trischen    Festigkeit, welche stabilisiertes und nichtstabi  lisiertes Kraft-Papier gealtert in     Transformatorenöl    bei  150  C     zurückbehält.    Die Kurve A gilt für unbehan  deltes Kraft-Papier, die Kurve B für Kraft-Papier, dem       erfindungsgemäss        Succinonitril    zugesetzt wurde und die  Kurve C für Kraft-Papier, dem     erfingungsgemäss          Dicyandiamid    und     Succinonitril    zugesetzt wurden.  



       Fig.    3 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise im  Schnitt, eines     Tansformatorkernes,    welcher mit der       Celluloseisolation    gemäss der     Erfindung    isoliert ist.

        Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich,  die Zeit des     Verweilens    sehr zu erhöhen, wobei die       dielektrische    Festigkeit und die mechanische     Festigkeit     der     Celluloseisolation    bei erhöhter Temperatur sowohl  in Gasen als auch in einem     flüssigen        Dielektrikum    er  halten bleibt.     .Erfindungsgemäss    wird eine     Cellulose    in  der Isolation verwendet, die mindestens eine stickstoff  haltige organische Verbindung mit einer oder mehreren       Nitrilgruppen    gleichmässig und überall in den Zwischen  lagen verteilt enthält.

   Von den Verbindungen wird nur  wenig     verwendet.    Durch ihre Gegenwart werden aber  der     Celluloseisolation    sehr verbesserte physikalische und  elektrische Eigenschaften verliehen.    Geeignete     Nitrile    entsprechen der     allgemeinen    Formel         X-R-CN       worin R ein     Alkyl-,        Alkoxy-,        Alkoxyalkanrest,    ein aro  matischer oder substituierter     aromatischer    Rest und  X H oder     -CN    sein kann.

   Besonders geeignet sind       Nitrile,    deren     Substituenten        hydrophil    sind, so dass sie  in Wasser     löslich    sind und relativ unlöslich in Öl.       Dinitrile    erwiesen sich als besonders vorteilhaft. Be  sonders geeignete stickstoffhaltige Verbindungen sind  ferner     Cyanoverbindungen    wie z.

   B.     Butylnitril,        Octyl-          nitril,        Isooctylnitril,        Adiponitril,        Malononitril,        Isophthalo-          nitril,        Succinonitril,        p-Aminobenzonitril,

          ss-Äthoxy-          propionitril    und     Benzylnitril    sowie die einfachen     Sub-          stitutionsprodukte    dieser Verbindungen enthaltend bei  spielsweise     Alkylgruppen    an dem     Benzolring    der aro  matischen Verbindungen.  



  Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die       dielektrische    Festigkeit von Papier oder einem anderen       Cellulosematerial    beispielsweise vulkanisierte Hartfaser,  welches erfindungsgemäss mit     einer    oder mehreren der  oben erwähnten Verbindungen behandelt ist und in  eine     dielektrische    Flüssigkeit, beispielsweise in ein     Koh-          lenwasserstofföl    oder in chloriertes     Diphenyl    eingetaucht  worden ist, nicht nur besser ist als das gleiche unbe  handelte Papier, sondern auch die Temperaturbeständig  keit steigt.

   Die     dielektrische        Festigkeit        steigt    ebenfalls  und erreicht einen Spitzenwert bei einer Temperatur  von 125-150  C und auch höher. Bei unbehandeltem  Papier beginnt die     dielektrische    Festigkeit schnell zu  sinken, bereits bei einer Temperatur von 25-50  C  unter der Temperatur, bei welcher die     Spitze    der dir  elektrischen Festigkeit des behandelten Papiers liegt.  



  Der Leistungsfaktor einer behandelten     Cellulose-          isolation    eingetaucht in ein flüssiges     Dielektrikum    ist  geringer als jener eines ähnlichen Papiers, welches nicht  so behandelt worden ist. Dies gilt für einen weiten  Bereich. Ferner kommen     Reduktionsmittel    vor, wenn  das flüssige     Dielektrikum    ein Öl ist, welches     Oxydations-          inhibitoren    enthält, wie z. B.     alkylierte        Phenole,    z. B.

         p-tert.        Buylphenol    und     Dibutyl-p-Kresol    in Mengen  von     0,01-4    % oder mehr. Das behandelte Papier scheint  durch das Vorhandensein solcher     Inhibitoren    günstig  beeinflusst zu werden. Eine     synergistisch    zusammen  wirkende Verbesserung findet statt, wenn das     nitril-          behandelte    Papier damit in Kontakt ist.  



  So war der Leistungsfaktor eines gereinigten     nicht-          inhibitierten    Kohlenwasserstofföls mit darin eingetauch  tem Kraft-Papier ursprünglich 0,008 % und die Farbe    1   gemäss der     Lovibond-Skala.    Nach einem Jahr bei  95  C war der Leistungsfaktor 0,29 % und die Farbe   5+ . Wenn das Öl     inhibiert    war und das Kraft-    Papier unbehandelt, so     war    nach einem Jahr bei 95  C  der Leistungsfaktor 0,36 % und die Farbe  5- .  



  Bei Kraft-Papier, das gemäss der Erfindung mit       Nitrilen    behandelt war, war nach einem Jahr bei 95  C  die Farbe ungefähr  31/2  und der     Leistungsfaktor     0,1-0,05.  



  Die angeführten Vorteile werden erreicht, wenn die  chemisch stabilisierenden Verbindungen in der     Cellulose-          Isolation    in einer Gesamtmenge von ungefähr 0,02 bis  10     GewA    zugegen sind, bezogen auf das Gewicht des       Cellulosematerials.    Weniger als 0,02 % von einer oder  von mehreren der Verbindungen verliehen der     Cellulose-          isolation    keine bemerkenswerte Verbesserung hinsicht  lich der     elektrischen    Isolation oder der mechanischen  Festigkeit bei der Alterung bei erhöhten Temperaturen  oder bei Aussetzung erhöhten Temperaturen.

   Die Ge  genwart von mehr als etwa 10 % der Verbindung ist  unwirtschaftlich und erhöht nicht den Grad der Ver  besserung, welcher mit 10 % erhalten wird. Innerhalb  des erwähnten Bereiches erwies es     sich    als besonders  günstig, 1-5     GewA    der stickstoffhaltigen Verbindung  zu verwenden. Es wurde gefunden,     d@ass    diese Menge  in der     Celluloseisolation    die thermische Stabilität der  elektrischen     Celluloseisolation    ganz     wesentlich    verbes  sern.  



  Ferner müssen die stabilisierende Verbindung bzw.  Verbindungen in wesentlich gleicher Verteilung und  überall gleichmässig zugegen sein, um eine     Cellulose-          isolation    mit optimaler Wirkung zu erhalten. Diese For  derung ist leicht zu erfüllen, da alle in Frage kommen  den erfindungsgemäss verwendeten stabilisierenden Ver  bindungen leicht wasserlöslich und im wesentlichen     öl-          unlöslich    sind. Um die guten     dielektrischen    Eigenschaf  ten und hohe Festigkeit zu erhalten, ist es erforderlich,  dass die stabilisierenden Verbindungen fest und stabil  mit den     Cellulosefasern    verbunden sind.

   Nur so werden  die hier zuerst beschriebenen Vorteile erreicht, ins  besondere wenn die Isolation in ein flüssiges     Dielektri-          kum,    z. B. Öl, während der Verwendung eingetaucht  ist. Wenn beispielsweise die stabilisierenden     Materialien     in dem     Dielektrikum    nur suspendiert sind, verstreicht  ein     grosser    Zeitraum bevor die Stabilisatoren die     Cellu-          loseisolation    durchdringen und die maximale Wirksam  keit entfalten.

   Dies war der Fall mit     Harnstoff    oder       ähnlichen    Materialien, welche in der     US-Patentschrift     Nr. 2 722 561 angegeben sind. Hier werden die stabi  lisierenden Verbindungen als trockenes Pulver der Iso  lation, beispielsweise einer     Transformatorspule,        zugesezt     während des Wickelns. Die Vorteile der vorliegenden  Erfindung werden so nicht     erreicht.     



  Da die erfindungsgemäss verwendeten stabilisierend  wirkenden Verbindungen     (Nitrile)    einen geeigneten Grad  an Löslichkeit in Wasser oder     Wasser-Alkohol-Mischun-          gen    haben, können sie mit Vorteil in solchen Lösungen  verwendet werden, um die     Celluloseisolation    während  der Herstellung vollständig zu durchdringen. Im Fall  einer Papier- oder     Pressplattenisolation    kann die Ein  arbeitung der Verbindung bzw. Verbindungen leicht in  der Papiermühle erfolgen. Papier     wird    im allgemeinen  entweder sauf der     Fourdriniermaschine    oder auf der       Rundsiebpappenmaschine    hergestellt.

   Nach jedem Ver  fahren wird die aus den verfilzten     Cellulosefasern    ge  bildete endlose Bahn von dem Sieb auf ein Band zum  Trocknen geleitet. Die endlose Bahn wird durch     einen     Trockner geleitet, welcher eine Anzahl von dampfge  heizten Rollen     enthält.    Dann kann sie, falls gewünscht,  zwischen     Kalanderwalzen    geleitet werden, um     ihr        eine         besondere Oberflächenausrüstung oder Dichte zu ver  leihen und zuletzt wird sie für Lagerung und Versand  aufgerollt. Im allgemeinen ist der Trockner aufgeteilt,  so dass die Papierbahn im ersten Teil teilweise und im  zweiten vollkommen getrocknet wird.

   Zwischen den zwei  geheizten Walzen ist meist ein Tank angeordnet mit  Ausrüstungsmaterial für das Papier.  



  Vorzugsweise sind die stabilisierenden Verbindun  gen in wässeriger Lösung zugegen. Sie werden in dem       herkömmlichen        Zurichtungstank    zugegeben. Das teil  weise getrocknete Papier wird     durch    die wässerige Ni  trillösung von geeigneter Konzentration geleitet. Es ad  sorbiert eine spezifische Menge der stabilisierenden Ver  bindung. Nach dieser Behandlung passiert das Papier  den zweiten Teil des Trockners. Die Temperatur der  Trockenwalzen ist so geregelt, dass man einen genügen  den     Trocknungsgrad    erreich und ein späteres Kleben  des behandelten Papiers auf den     Kalanderwalzen    aus  scheidet.

   Das Verfahren kann sowohl im     Fourdrinier     als auch in     Rundsiebpappenmaschinen    durchgeführt  werden.  



  Das resultierende getrocknete Papier enthält die  stabilisierende Verbindung gleichmässig und innig ver  teilt in allen Faserzwischenräumen. Weil, wie im Fall  von     Succinonitril,    die Wasserlöslichkeit der stabilisie-         renden    Verbindung ansteigt mit der Temperatur des  Wassers, kann es wünschenswert sein, die Lösung zu       erwärmen    und zu sättigen, so dass die Konzentration  von     Succinonitril    hoch ist, wodurch erreicht wird, dass  das Papier eine bestimmte Menge der Verbindung pas  siert. Im allgemeinen sind Temperaturen von 60-90  C  angemessen.  



  Um deutlicher die mit der Erfindung     erreichten    Vor  teile zu zeigen, werden die folgenden Beispiele an  gegeben.  



  In jedem Beispiel wurden 3     GewA    der stabili  sierenden Verbindung zum Kraft-Papier während seiner  Herstellung     hinzugefügt.    In allen Beispielen war das  Papier 0,75 mm dick und hatte eine Dichte von     un-          gefähr    1. Jedes der     Papiermuster    wurde mit lackier  tem Draht zu einer Spule gewickelt und in einen Tank,  der mit     Transformatorenöl        gefüllt    war, gegeben. Es  wurde genügend     Strom        durch    die Spule geleitet, um  Temperaturen von 140  C zu erzeugen.

   Die Spule wurde  nach 7 Tagen entfernt und an jedem Muster des ge  alterten Papiers eine     Mullens-Berstfestigkeitsprüfung     durchgeführt. In der folgenden Tabelle     sind    die Werte  für die     Mullens-Berstfestigkeit    vor und nach der     Prü-          fungangegeben.     
EMI0003.0027     
  
    Stabilisierungsmittel <SEP> Mullens <SEP> Mullens <SEP> Zurückbehaltene <SEP> Berstfestigkeit <SEP> in <SEP> <B>0/0</B>
<tb>  vorher <SEP> nachher <SEP> (Retention)
<tb>  keines <SEP> <B>(100%</B> <SEP> Kraft) <SEP> 73 <SEP> 18 <SEP> 24,6
<tb>  Succinonitril <SEP> 52 <SEP> 50 <SEP> 96-h
<tb>  p-Aminobenzonitril <SEP> 65 <SEP> 59 <SEP> 91
<tb>  ss-Äthoxypropionitril <SEP> 61 <SEP> 54 <SEP> 90
<tb>  ss,

  ssl-Iminodipropionitril <SEP> 58 <SEP> 58 <SEP> 100
<tb>  Diäthylaminoacetonnitril <SEP> 64 <SEP> 55 <SEP> 86
<tb>  a-Hydtroxyisobutyronitril <SEP> 59 <SEP> 50 <SEP> 85       Aus den vorhergehenden physikalischen Daten ist  ersichtlich, dass das Kraft-Papier, welches kein stabi  lisierendes Mittel enthält, nur 24,6 % seiner ursprüng  lichen     Berstfestigkeit    behält. Die     Nitrile    verleihen dem  behandelten Kraft-Papier solche Beständigkeit gegen     Al-          terung,    dass das behandelte Papier 85 % oder mehr  seiner ursprünglichen     Berstfestigkeit    hat.

   Aus     Fig.    1,  in der die Ergebnisse von anderen ähnlichen Testen an  gef'ü'hrt sind, sieht man, dass sogar nach     28-tägiger    Al  terung, durch Tauchen in Öl, das mit     Succinonitril    be  handelte Papier annähernd 80 % seiner ursprünglichen       Berstfestigkeit    behielt, während das unbehandelte     Kraft-          Papier    nur ungefähr 3 % behielt.  



  Teste wurden von der     dielektrischen    Festigkeit des  mit;     Nitril    behandelten Papiers gemacht. Aus     Fig.    2 ist  ersichtlich, dass die mit     Nitril    behandelten Kraft-Papiere  stark erhöhte     dielektrische    Festigkeit mit steigenden  Temperaturen besitzen im Vergleich zu einem unbehan  delten Kraft-Papier.  



  Bei Verwendung des gleichen behandelten Papiers  enthaltend     ungefähr    3 %     Succinonitril    wurde eine       Transformatorspule    gewickelt, wie dies     Fig.    3 zeigt.  10 zeigt das behandelte Kraft-Papier, welches um die  einzelnen Spulen und zwischen die Hoch- und Nieder  spannungsspulen des Transformators gewickelt ist. Die       Transformatorspule    besteht so aus Niederspannungs  spulen 14-16 und Hochspannungsspulen 18, 20 und    22. Sie werden isoliert, indem man eine Lage auf die  andere des behandelten Papiers aufbringt. Die Nieder  spannungsspule 14 wird isoliert mit dem behandelten  Papier durch     lagenweises        Umwickeln    der Isolation 24.

    Die verwendeten elektrischen     Leiter    können aus     lak-          kiertem    Draht bestehen, welcher bis zu Temperaturen  von 250  C nicht     erweicht.    Geeignete Lacke sind       Epoxyharzlacke,        Polyesterharzlacke,    beispielsweise sol  che aus     Isophthalatglykolmaleatharzen,        Siliconen    und       Polyvinylformalphenolharzen.    Die Lacke können direkt  auf Kupferdraht     angewendet    werden oder auf mit Asbest  oder Glasfaser oder anderem faserigen     Material    um  wickeltem Kupferdraht.

   In dem     fertiggestellten    Trans  formator wird ein flüssiges     Dielektrikum    die     Kanäle    26  füllen und auch die Papierisolation     vollständig    durch  dringen. Das Ganze wird     vakuumbehandelt,    um Luft  und Feuchtigkeit aus dem Papier zu entfernen, und die       Spule    wird dann ausgebacken, um irgendwelche Feuchtig  keit vollständig zu entfernen.  



  Durch die     nitrilbehandelte    Isolation der Erfindung  wird der Transformator fester und dichter, weil die  behandelten     Cellulosezwischenlagen    und andere Kom  ponenten weniger als die Hälfte der Dicke bei der  thermischen Alterung verlieren als unbehandelte     Press-          platten,    Kraft-Papier und andere     Cellulosematerialien.     



  Das Papiergewebe oder andere     Celluloseprodukte     können geringe Mengen bis zu 5 % von einem oder      mehreren     für        sich    bereits hitzestabilisierende und die       dielektrische    Festigkeit erhöhende Materialien, wie zum  Beispiel     Melamin    und     Dicyandiamid,    enthalten. Die       Cellulosematerialien    können auch     Harze    oder Binder,  wie z. B.     Polyacrylamid-    und     Melaminaldehydharze,     enthalten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Stabilisiertes Cellulosematerial, das. in Kontakt mit Öl oder Luft ist, dadurch gekennzeichnet, dass es als Stabilisator 0,02-10 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Cellulosematerials, mindestens einer stickstoffhal tigen organischen Verbindung mit mindestens einer Nitrilgruppe enthält.

   II. Verfahren zur Herstellung des stabilisierten Cellulosematerials nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass in. einen Träger aus einem Cellulose- material während der Herstellung der Stabilisator in gleichmässiger Verteilung und stabil eingearbeitet wird. III. Verwendung der nach Patentanspruch II stabili sierten Cellulosematerialien zum Isolieren von elektri schen Geräten. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Stabilisiertes Cellulosematerial nach Patentan spruch I, gekennzeichnet durch den Gehalt mindestens eines Mononitrils. 2. Stabilisiertes Cellulosematerial nach Patentan spruch I, gekennzeichnet durch den Gehalt mindestens eines Dinitrils. 3.

   Stabilisiertes Cellulosematerial nach Patentan spruch I, gekennzeichnet durch den Gehalt mindestens eines Nitrils der allgemeinen Formel X-R-CN worin R einen Alkyl-, Alkoxyalkanrest oder einen aro matischen oder substituierten aromatischen Rest be deutet und X H oder -CN. 4. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass die stabilisierend wirkende Verbin dung gelöst in Wasser auf den Träger aufgebracht wird. 5.

   Verwendung der stabilisierten Cellulosemateria- lien nach Patentanspruch III in Transformatoren.