11. Fachtagung Elektroisoliersysteme 2004 - ELANTAS

Einführung
Anwendung von Lackdrähten
Dr. Peter Mühlenbrock
Leiter Drahtlackentwicklung
Beck Electrical Insulation GmbH
Hamburg
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Seit 100 Jahren besteht die Firma Beck. Schon zu Beginn war ein entscheidendes
Thema die Isolation von Drähten. Bis zum heutigen Stand der Lackdrähte war es
jedoch ein weiter Weg. Noch im Jahre 1952 beschreibt Fritz Raskop in seinem Buch
„Isolierlacke“ den damaligen Stand als Zeit des Umbruchs: „Für den fortschrittlich
eingestellten Elektromaschinenbauer hat der Lackdraht schon seit vielen Jahren
einen große Bedeutung. Indessen waren die Ansichten der Fachleute über die
Zuverlässigkeit dieses Werkstoffes in Bezug auf die Herstellung von ruhenden und
umlaufenden Wicklungen im Elektromaschinenbau bisher nicht einheitlich“.
Heute, nach weiteren 50 Jahren Entwicklung und Anwendung von Lackdrähten kann
festgehalten werden, dass Kupferlackdrähte ein Schlüsselrohstoff für die industrielle
Fertigung sind. Der Umsatz, den ein Land mit Lackdrähten macht, ist eine direkte
Kennzahl für den industriellen Standard des Landes.
Das Automobil, dessen Verbreitung heute ebenfalls eine vergleichbarer Kenngröße
für den industriellen Standard darstellt, ist ebenfalls vor kurzer Zeit 100 Jahre alte
geworden. Beide Entwicklungen sind eng miteinander verzahnt, auch wenn die
Entwicklung der Lackdrähte eher im Hintergrund und nicht so spektakulär verläuft wie
oft im Bereich des Automobils.
Ein Meilenstein stellt die industrielle Fertigung des Ford T-Modells dar, der „Tin
Lizzie“, der „eisernen zuverlässigen Dienstmagd“.
Bild 1: Fords T-Modell „Tin-Lizzie“

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Das „Bordnetz“ enthielt eine 6 V Batterie, eine Schwungrad-Lichtmaschine und eine
Magnetzündung nebst den für die Beleuchtung notwendigen Verkabelungen.
Drahtisolierlacke nach heutigem Verständnis wurden nicht verwendet.
Das Automobil erlebte seit dieser Zeit eine stürmische Entwicklung, deren Ende noch
nicht abzusehen ist und die eng mit Drahtlacken verbunden ist. Thema des heutigen
Vortrages anlässlich des 100 jährigen Bestehens der Firma Beck ist eine Übersicht
und ein Ausblick über die zahlreichen Anwendungen von Drahtisolierlacken.
Zahlreiche dieser Entwicklungen und Anwendungen wurden und werden maßgeblich
durch die Firmen der Altana Electrical Insulation GmbH geprägt. Dies sind für den
Bereich Drahtlack:
- Beck Electrical Insulation GmbH (Center R&D Wire Enamel), Deutschland
- Beck India Ltd., Indien
- Deatech s.r.l., Italien
- The P.D. George Company, USA
- TongLing SIVA Insulating Materials Co. Ltd., China
- Wiedeking GmbH, Deutschland
Die folgende Übersicht gibt nur einen Teil des Produktportfolios aus dem Bereich der
Drahtlacke wieder. Außer den Anforderungen, welche durch verschiedene Standards
wie ASTM, IEC oder JIS gesetzt werden, werden zahllose und weit anspruchsvollere
Anforderungen durch unsere Kunden weltweit gesetzt und erfüllt.
Anwendungen von Drahtlacken
Drahtisolierlacke müssen die verschiedensten Anforderungen erfüllen. Dies sind
neben der elektrischen Isolation in erster Linie Anforderungen an die mechanische
und thermische Stabilität. d.h.:
- Flexibilität
- Leichte Verarbeitbarkeit / Wickelbarkeit
- Lötbarkeit
- Kratzfestigkeit
- Kompatibilität mit der Sekundärisolation
- Hohe thermische Beständigkeit
- Langzeitstabilität
- Hohe Produktivität
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden die Aktivitäten der Primär- und der
Sekundärisolation innerhalb der Altana Electrical Insulation gebündelt. Darüber
hinaus arbeiten wir mit allen namhaften Herstellern von Lackiermaschinen wie
Aumann, MAG oder SICME zusammen. So werden heute Lackiergeschwindigkeiten
von über 1500 m/min (Feinstdraht mit einem Durchmesser von 50 µm, VxD = 75)
oder von über 200 m/min (Durchmesser 0,8 mm, VxD = 150-200, Vertikale /
Horizontale Anordnung) mit Altana Wire Enamels in der regulären Produktion
erreicht.

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Um dieses Ziel unter Beibehaltung höchster Qualitätsmaßstäbe zu erreichen, werden
umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Das folgende Bild verdeutlicht sehr
anschaulich, wie ein Lackdraht aufgebaut ist.
Bild 2: Aufbau eines PEI-PAI-Lackdraht.
Sehr gut zu erkennen sind die einzelnen Schichten, die aus der Auftragung in 12
oder mehr Durchzügen resultiert. Diese Schichtstruktur verleiht dem Lackdraht seine
sehr guten Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und mechanischer
Beanspruchbarkeit. Ebenfalls zu erkennen sind zwei Schichten Overcoat, einem
Polyamidimid. Diese Schichten sind im Gegensatz zu dem Basecoat, einem
Polyesterimid, fest miteinander verschmolzen (Im Bild rechts oben).
Folgende Drahtlacktypen stehen für die vielfältigen Aufgaben zur Verfügung:
Polyvinylformal (Wire Enamel Klasse A):
Polyvinylformal (PVF) ist ein Kondensationsprodukt aus Formaldehyd und
hydrolysiertem Polyvinylacetat. Das Polymer enthält Vinylformal, Vinylalkohol und
Vinylacetatgruppen.
Dieser Lack zeigt eine sehr gute Haftung, eine sehr gute Beständigkeit gegen
mechanische Einflüsse und eine sehr gute Wickelfähigkeit. Typische Anwendungen
sind Motorenwicklungen und trocken- sowie ölgefüllte Transformatoren. Die sehr
gute Haftung erlaubt die Verwendung als Primer im Bereich hoher Durchmesser oder
in Flachdrahtanwendungen. Aufgrund der geringen thermischen Beständigkeit wird
dieses Produkt nur noch in geringem Umfang verwendet.

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Typische Produkte sind der Deaflex der Firma DeaTech und Formvar C 8359 der
Firma P.D. George.
Polyurethan (Wire Enamel Klasse A – H):
Polyurethane (PUR) sind in Lacke auf Basis phenol- oder kresolblockierter
Isocyanate in Kombination mit Polyestern oder Polyesterimiden. Während des
Einbrennprozesses werden die geschützten Isocyanatgruppen deblockiert und mit
dem Polyester / Polyesterimid verknüpft. Da dieser Prozeß schon bei einer relativ
geringen Temperatur von ca. 160°C vollständig verläuft und keine Kondensation oder
Umesterung im letzten Schritt wie im Fall der Polyester / Polyesterimide notwendig
ist, können mit Polyurethanen ungleich höhere Lackiergeschwindigkeiten und
Oberflächenqualitäten erreicht werden.
Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Polyurethane ergeben sich durch die
Lötbarkeit. Dies sind kleine Motoren, Spulen und Transformatoren im Bereich der
elektronischen Anwendungen, bei denen eine sehr hohe thermische Beständigkeit
nicht notwendig ist. Polyurethane wie der Wire Enamel 1380 stehen als Lacke der
Klasse H in Konkurrenz mit den lötbaren Polyesterimiden, da sie ein vergleichbares
Eigenschaftsprofil aufweisen. Damit ist der Übergang zwischen den Polyurethanen
und den Polyestern / Polyesterimiden fließend.
Typische Produkte sind der Polyurethan 1380 der Firma Wiedeking und der Tongsold
215 der Firma TongLing Siva.
Polyamid (Wire Enamel Klasse A – B):
Nylon 6,6 als dem wichtigsten Vertreter der Polyamide (PA) entsteht durch
Kondensation von Adipinsäure mit Hexamethylendiamin. Dieser Rohstoff wird in
verschiedenen Variationen verwendet und findet unter anderem auch Verwendung
als Backlack.
Dieser Werkstoff zeigt ebenfalls eine sehr gute Wickelbarkeit, mechanische
Widerstandskraft und eine gute Lösungsmittelbeständigkeit. In der Regel wird Nylon
als Topcoat auf Polyestern, Polyesterimiden oder auf Polyurethanen verwendet, um
Gleitfähigkeit, chemische Beständigkeit oder die Hitzeschockeigenschaften zu
verbessern. Diese Systeme werden in schnellaufenden Motoren und in
Transformatorenwicklungen verwendet.
Typische Produkte sind die Versionen Nylon A bis Nylon C von P.D. George und
Deamid 454 der Firma DeaTech.
Polyester (Wire Enamel Klasse F – 200)
Polyester (PES) sind Kondensationsprodukte aus polyfunktionellen Alkoholen und
polyfunktionellen Carbonsäuren. Durch Verwendung von THEIC (tris-2-Hydroxyethyl
Isocyanurat) als dreifachem Alkohol erhält man Polyester mit hoher thermischer
Beständigkeit. Neben einer sehr guten dielektrischen Wirkung weisen diese Lacke
einen sehr hohen Wiedererweichungspunkt und eine hohe Beständigkeit gegenüber
Freon auf, d.h. diese Systeme eignen sich sehr gut für Kühlaggregate sowie
allgemein für Motoren und Transformatoren.

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Aus historischen Gründen wird dieser Lack zusammen mit einem Overcoat
(Polyamidimid) in großem Umfang in Nordamerika eingesetzt. In Europa hat sich
hingegen die Technologie auf Basis der Polyesterimide durchgesetzt.
Typische Produkte sind der Terester C 966 und der Terebec SL 225 der Firma Beck
India.
Polyesterimide (Wire Enamel Klasse H – 220)
Polyesterimide (PEI) werden analog zu den Polyestern, jedoch unter weiterer
Umsetzung mit einem aromatischen Diamin hergestellt. Das dabei entstehende
Zwischenprodukt, die Diimiddicarbonsäure, steht für die exzellente mechanische und
thermische Stabilität dieser Lackgruppe. Anders als im Fall der Polyester ist in der
Regel keine zusätzliche Beschichtung notwendig, um einen TI > 200 °C zu erreichen.
Ein Overcoat kann wie im Fall der Polyester angewendet werden, um eine zusätzlich
erhöhte Beständigkeit gegen Chemikalien, speziell die Hydrolyse durch Wasser, oder
eine verbesserte Verarbeitbarkeit zu erreichen.
Typische Produkte sind der Deatherm E 661 und der Terebec MT 533 von DeaTech.
Letzterer wird neben dem Terebec TR 543 auch von Beck India hergestellt.
Ebenfalls zu den Polyesterimden gehören die bedingt lötbaren Systeme. Diese
Systeme sind THEIC-frei und sind bei Temperaturen von 470°C lötbar.
Typische Produkte sind der Deatherm S 904 von DeaTech oder der Terasod A 357 H
von P.D. George.
Polyamidimid (Wire Enamel Klasse > 220)
Polyamidimide (PAI) werden in großem Umfang in Nordamerika in Kombination mit
Polyestern verwendet, um zum einen die thermische Beständigkeit zu erhöhen (TI >
200°C) und um die mechanische und chemische Beständigkeit zu verbessern. Eine
sehr wichtige Funktion übernehmen in diesem Fall Polyamidimide mit internem
Gleitmittel, die die Verarbeitbarkeit zusätzlich verbessern. Ebenfalls wird die
Beständigkeit des Systems gegen Lösungsmittel und gegen Freon deutlich
verbessert.
Typische Produkte sind der Deatherm I 720 von DeaTech oder der Tritherm A 981
von P.D. George.
Backlacke
Backlacke (Bondcoat, BC) werden als Topcoat auf einen Basecoat (Polyurethan oder
Polyesterimid / Polyester) im gleichen oder in einem getrennten Ofen aufgebracht.
Die wichtigste Aufgabe von Backlacken ist die dauerhafte Verbackung und
Formgebung von Wicklungen. Damit stehen diese Lacke in direktem Wettbewerb mit
Tränk- oder Vergussmassen. Ein Vorteil der Backlacke besteht in der schnellen und
einfachen Verbackung der Drähte miteinander. Nachteilig sind die im Fall der rein
thermoplastischen Systeme niedrigen Wiedererweichungstemperaturen und die in
der Regel niedrigeren Verbackungskräfte. Demgegenüber verzeichnen diese

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Systeme keinen Abtropfverlust und sind einfach und sicher in der Anwendung. Der
typische Markt dieser Systeme ist daher der Bereich für Schnelllaufende Pumpen,
Motoren und Bildschirmröhren, da in diesen Fällen keine hohe thermische
Beanspruchung auftritt. Entsprechend werden Backlacke in über 75% der
Anwendungen in einem Durchmesserbereich unter 0,40 mm verwendet.
Unter dem Begriff „Backlacke“ werden verschiedene Systeme angeboten, welche
zum Teil schon beschrieben worden sind. Allen gemein ist ein thermoplastisches
Verhalten, da der Backlack direkt nach dem Einbrennprozess nicht vernetzen darf.
Umgekehrt ist genau ein solches Verhalten nach dem Verbacken auf dem
Probekörper erwünscht, um ein „thermosetting“ zu erreichen, d.h. die Erreichung
einer höheren Wiedererweichungstemperatur als die Verbackungstemperatur.
Neueste Entwicklungen auf diesem Gebiet zeigen, dass dieses Verhalten erreicht
werden kann.
Basis: Klasse: Markt- Verwendung: Marktanteil:trend:
Polyvinylbutyral 105 2% Feindraht
Spezialanwendungen
/ Fallend
Epoxy 130 5% Flachdräte Konstant
Polyester 130 0% Nordamerika Konstant
Aliphatische PA 155 30% Kleine Motoren Steigend
Aromatische PA 180 60% Verschiedene Motoren Stark steigend
Thermosetting
bondcoat
Tabelle 1: Übersicht Backlacke
> 200 3% Für hohe thermische
Beständigkeit.
Steigend, hoher
Bedarf.
Eine neueste Entwicklung, UV-Backlacke mit einer Verbackungstemperatur von 190-
200°C, zeigen ein sehr gutes „thermosetting“, d.h. die Wiedererweichungstemperatur
liegt um bis zu 40°C höher.
Typische Produkte sind der Deamelt 380 und Bondall 1539 von DeaTech und der
Bondall 1542 der Firma Beck India.
Spezialanwendungen:
Polyimid: Polyimide (PI) haben die höchste thermische und chemische
Beständigkeit. Auf Grund des hohen Preises, der schwierigen Applikation und der
aufwendigen Verarbeitung (mechanische Entfernung notwendig) eignet sich dieses
Material in erster Linie für Spezialandwendungen, bei denen die bisher geschilderten
Systeme nicht ausreichend sind. Dies sind insbesondere Anwendungen in der
Luftfahrttechnik oder im militärischen Bereich.
Typische Produkte sind der Ultratherm von P.D. George oder der Polyimide von
DeaTech.

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Gleitmittel: Verschiedene Systeme zur externen bzw. nachträglichen Auftragung von
Gleitmitteln sind auf dem Markt. Gelöste Systeme auf Basis natürlicher oder
synthetischer Wachse haben den Vorteil einer sehr guten Dosierbarkeit, jedoch den
Nachteil eines sehr hohen Lösungsmittelanteils (>98%), welcher erheblich zur VOC-
Belastung beiträgt. Aktuelle lösungsmittelfreie Systeme haben dagegen den Nachteil
einer schlechten Dosierbarkeit, womit im Fall einer Über- oder Unterdosierung der
gewünschte Effekt verloren geht. Daher werden spezielle Gleitmittel als interne als
interne Gleitmittel in Polyamidimiden und in Backlacken angewendet, um die
Verarbeitung dieser Systeme zu vereinfachen.
Typische Systeme wie Lubricant 848 von DeaTech oder Lubricant B 3691 der Firma
P.D. George basieren auf Paraffin-Wachsen oder im Fall der Dealube-Typen auf
synthetischen Gleitmitteln.
In der Übersicht ergeben sich folgende typische Anwendungen:
Auto- Haus- Multi- Motor / Elektro KraftLicht- Luftf./
motive Halt media Transf. Mediz. werketechnik Militär
PVF x x
PUR X x x x
PA X x x x x
PES X x x x x x x
PEI X x
PAI X x x x x x x x
BC x x
Other X x x x x x x x
Tabelle 2: Übersicht Anwendungen von Drahtlacken.
Der Verbrauch von ca. 55.000 MT an Drahtlacken in Europa stellt sich für das Jahr
2003 wie folgt dar:
Transformatoren
20%
Industrieantriebe
5%
Kraftwerktechnik
15%
Handwerk
3%
Multimedia
2%
Automotive
15%
Kompressoren
15%
Haushalt
25%
Bild 2: Verbrauch an Drahtlacken und Aufteilung nach Verwendung in Europa, 2003.

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Ein sehr schönes Beispiel für die Anwendungsvielfalt und für das Potential der
Drahtlacke zeigt das letzte Bild. Auch wenn noch nicht alle Zweifel für den
„fortschrittlich eingestellten Elektromaschinenbauer“ ausgeräumt sein mögen, zeigt
dieses Beispiel doch die „rasante“ Entwicklung seit der Vorstellung der „Tin Lizzie“,
die ohne die stetige Entwicklung der Drahtlacke nicht möglich gewesen wäre.
Bild 3: Anwendung von Lackdrähten im Bereich Automotive.