TY - BOOK

T1 - Neue Isolationsharze für die Hochspannungstechnik

AU - Wanner, Andrea Johanna

N1 - gesperrt bis 22-05-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Durch die weltweit zunehmenden Anforderungen an duromere Kunststoffe als Isolationsmaterialien in der Elektrotechnik ist es notwendig, die Belastbarkeit dieser Materialien, vor allem hinsichtlich der thermischen, mechanischen und elektrischen Performance zu erhöhen. Dies kann durch verbesserte Wärmeableitung aus dem Material, sowie durch Erhöhung der Glasübergangstemperatur (Tg) oder Steigerung der Beständigkeit gegen Teil- und Corona-Entladungen geschehen. Ein möglicher Ansatz, um die notwendigen Eigenschaftsverbesserung zu erreichen, ist der Einsatz von nanoskaligen Füllstoffen, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und gute Isolationseigenschaften besitzen. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgte die Entwicklung und Charakterisierung von Nanocompositen (NC), die abgestimmt auf industrielle Prozesse wie die Vakuum-Druck-Imprägnierung (VPI) und den Pultrusionsprozess, als Isolationsmaterialien eingesetzt werden können. Als Füllstoffe wurden kommerziell erhältliche Silica, Aluminiumoxid und Bornitrid NP verwendet, die mit unterschiedlichen Füllstoffgehalten und mit variabler Modifizierung eingesetzt wurden. Zunächst wurde die Modifizierung von ausgewählten NP durchgeführt, die durch eine umfassende Analytik verifiziert wurde. Gleichzeitig erfolgte die Untersuchung des eingesetzten Harz/Härter Systems hinsichtlich äußerer Einflüsse. Hierbei wurde ein deutlicher Einfluss von Feuchtigkeit auf die Vernetzungsreaktion festgestellt. Weiterhin sind die Harz/Härter Stöchiometrie, die Härtungstemperatur und die Art des verwendeten Beschleunigers bei der Optimierung von Produkteigenschaften zu berücksichtigen. Da die Viskosität und die Lagerstabilität von nicht gehärteten Dispersionen ein entscheidendes Kriterium für die Einsetzbarkeit im späteren Prozess darstellen, wurden diese Parameter in Abhängigkeit des Füllstoffgehalts, des Partikeltyps und der Modifizierung betrachtet. Die Lagerstabilität wird durch Wechselwirkung von Additiven oder Modifizierungsreagenzien mit der Harzmatrix signifikant beeinflusst. Nach der Härtung war bei den NC ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit vor allem bei Füllstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verzeichnen. Die Zunahme der thermischen Leitfähigkeit war hierbei unabhängig von der Modifizierung der eingesetzten NP. Jedoch wird die Tg der gehärteten NC von der Modifizierung der Partikel beeinflusst. Während nicht kovalent gebundene Reagenzien und Additive ein Absinken der Tg bewirken, wurde für nicht funktionalisierte NP ein Anstieg beobachtet. Dieser Effekt spiegelte sich auch in der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften wider. Die relative Permittivität konnte aufgrund der höheren Netzwerkdichte durch den Einsatz von nanoskaligen Silica und Aluminiumoxid NP verringert werden. Hinsichtlich des elektrischen Verlustfaktors (tan δ) war festzustellen, dass durch die Zugabe von Silica NP der tan δ bei niedrigen Temperaturen aufgrund der Volumenleitfähigkeit erhöht wurde, während Aluminiumoxid NC hinsichtlich des elektrischen Verlustfaktors niedrigere Werte als das ungefüllte Harz System zeigten. Im weiteren Verlauf konnte gezeigt werden, dass die Beständigkeit gegen Corona Entladungen auf der Oberfläche der NC durch die Anwesenheit von NP signifikant verbessert werden konnte. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte der Einsatz ausgewählte Dispersionen im VPI Versuch und im Pultrusionsprozess. Hierbei wurden die zuvor erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit und der Tg der NC in Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt und von der Modifizierung bestätigt. Die Verteilung der NP in den NC wurde mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Hierbei wurde eine homogene Verteilung der NP ohne Agglomeration festgestellt. Somit konnte im Rahmen dieser Dissertation die Anwendbarkeit von NP als Füllstoffe zur Verbesserung der Eigenschaften von Isolationsmaterialien im Hochspannungsbereich gezeigt werden.

AB - Durch die weltweit zunehmenden Anforderungen an duromere Kunststoffe als Isolationsmaterialien in der Elektrotechnik ist es notwendig, die Belastbarkeit dieser Materialien, vor allem hinsichtlich der thermischen, mechanischen und elektrischen Performance zu erhöhen. Dies kann durch verbesserte Wärmeableitung aus dem Material, sowie durch Erhöhung der Glasübergangstemperatur (Tg) oder Steigerung der Beständigkeit gegen Teil- und Corona-Entladungen geschehen. Ein möglicher Ansatz, um die notwendigen Eigenschaftsverbesserung zu erreichen, ist der Einsatz von nanoskaligen Füllstoffen, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und gute Isolationseigenschaften besitzen. Im Rahmen dieser Dissertation erfolgte die Entwicklung und Charakterisierung von Nanocompositen (NC), die abgestimmt auf industrielle Prozesse wie die Vakuum-Druck-Imprägnierung (VPI) und den Pultrusionsprozess, als Isolationsmaterialien eingesetzt werden können. Als Füllstoffe wurden kommerziell erhältliche Silica, Aluminiumoxid und Bornitrid NP verwendet, die mit unterschiedlichen Füllstoffgehalten und mit variabler Modifizierung eingesetzt wurden. Zunächst wurde die Modifizierung von ausgewählten NP durchgeführt, die durch eine umfassende Analytik verifiziert wurde. Gleichzeitig erfolgte die Untersuchung des eingesetzten Harz/Härter Systems hinsichtlich äußerer Einflüsse. Hierbei wurde ein deutlicher Einfluss von Feuchtigkeit auf die Vernetzungsreaktion festgestellt. Weiterhin sind die Harz/Härter Stöchiometrie, die Härtungstemperatur und die Art des verwendeten Beschleunigers bei der Optimierung von Produkteigenschaften zu berücksichtigen. Da die Viskosität und die Lagerstabilität von nicht gehärteten Dispersionen ein entscheidendes Kriterium für die Einsetzbarkeit im späteren Prozess darstellen, wurden diese Parameter in Abhängigkeit des Füllstoffgehalts, des Partikeltyps und der Modifizierung betrachtet. Die Lagerstabilität wird durch Wechselwirkung von Additiven oder Modifizierungsreagenzien mit der Harzmatrix signifikant beeinflusst. Nach der Härtung war bei den NC ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit vor allem bei Füllstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verzeichnen. Die Zunahme der thermischen Leitfähigkeit war hierbei unabhängig von der Modifizierung der eingesetzten NP. Jedoch wird die Tg der gehärteten NC von der Modifizierung der Partikel beeinflusst. Während nicht kovalent gebundene Reagenzien und Additive ein Absinken der Tg bewirken, wurde für nicht funktionalisierte NP ein Anstieg beobachtet. Dieser Effekt spiegelte sich auch in der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften wider. Die relative Permittivität konnte aufgrund der höheren Netzwerkdichte durch den Einsatz von nanoskaligen Silica und Aluminiumoxid NP verringert werden. Hinsichtlich des elektrischen Verlustfaktors (tan δ) war festzustellen, dass durch die Zugabe von Silica NP der tan δ bei niedrigen Temperaturen aufgrund der Volumenleitfähigkeit erhöht wurde, während Aluminiumoxid NC hinsichtlich des elektrischen Verlustfaktors niedrigere Werte als das ungefüllte Harz System zeigten. Im weiteren Verlauf konnte gezeigt werden, dass die Beständigkeit gegen Corona Entladungen auf der Oberfläche der NC durch die Anwesenheit von NP signifikant verbessert werden konnte. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte der Einsatz ausgewählte Dispersionen im VPI Versuch und im Pultrusionsprozess. Hierbei wurden die zuvor erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit und der Tg der NC in Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt und von der Modifizierung bestätigt. Die Verteilung der NP in den NC wurde mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Hierbei wurde eine homogene Verteilung der NP ohne Agglomeration festgestellt. Somit konnte im Rahmen dieser Dissertation die Anwendbarkeit von NP als Füllstoffe zur Verbesserung der Eigenschaften von Isolationsmaterialien im Hochspannungsbereich gezeigt werden.

KW - Nanopartikel

KW - Epoxy-Anhydrid Harze

KW - Nanokomposite

KW - Modifizierung von Nanopartikeln

KW - thermische Leitfähigkeit

KW - Permittivität

KW - elektrischer Verlustfaktor

KW - Pultrusionsprozess

KW - Vakuum Druck Imprägnierung

KW - Nanoparticles

KW - Nanocomposites

KW - Epoxy-anhydride thermosets

KW - thermal conductivity

KW - dielectric characterization

KW - Pultrusion process

KW - Vacuum pressure impregnation

M3 - Dissertation

ER -