Anwendungsorientierte Modifikation syntaktischer Schäume zum Einsatz in Hochspannungsisoliersystemen

Kurzfassung

Syntaktischer Schaum ist ein Verbundmaterial aus einer Polymermatrix und Mikrohohlkugeln. Durch die Schaumstruktur weist das Material eine geringere Dichte als herkömmliche Polymere auf und wird eingesetzt, wenn eine besonders leichte Bauweise gefordert ist. Der aktuelle Kenntnisstand zeigt, dass sich syntaktischer Schaum potentiell für den Einsatz bei Hochspannungsbelastung eignet. Ziel der Arbeit ist die grundlegende Analyse verschiedener Modifikationen des Materials in Hinblick auf die praktikable Anwendbarkeit in Isoliersystemen der Hochspannungstechnik. Hierzu wird das Materialverhalten bei der Herstellung und im Betrieb bestimmt. Mittels geeigneter Modifikationen werden eine verbesserte Verarbeitbarkeit, verbesserte elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften sowie eine verringerte Feuchteaufnahme geschaffen. Der Fokus liegt auf einer Modifikation der inneren Grenzflächen zwischen Mikrohohlkugeln und Epoxidharz, die über eine Silanbeschichtung der Mikrohohlkugeln erzielt wird, und einer Modifikation der Matrixstruktur, die über den Zusatz von SiO2 Nanopartikeln erzielt wird. Mikrohohlkugelfüllgrade von 40 Vol.-% und mehr führen bei der Herstellung zu einem starken Anstieg der Mischviskosität der flüssigen Gießmasse. Die Folge sind Lufteinschlüsse, die zu verschlechterten elektrischen und mechanischen Kennwerten und einer verkürzen Lebensdauer des Materials führen können. Rheometrische Messungen zeigen, dass die Mischviskosität sowohl über Silanisierung der Mikrohohlkugeln als auch über den Zusatz eines geringen Anteils an Nanopartikeln signifikant verringert werden kann. Die Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften zeigen einen positiven Einfluss der Silanisierung der Mikrohohlkugeln auf die Kurzzeitspannungsfestigkeit bei Wechsel- und Gleichspannung sowie das elektrische Alterungsverhalten des syntaktischen Schaums. Die Nanopartikel zeigen keine negativen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften. Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften zeigen eine höhere Festigkeit des Materials bei Silanisierung der Mikrohohlkugeln und bestätigen eine verbesserte Bindung zum umgebenden Epoxidharz. Der Zusatz von Nanopartikeln führt teilweise zu einer Verschlechterung der mechanischen Kennwerte.