ТЕРМИЧЕСКИ АКТИВИРУЕМОЕ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩЕЕ КЛЕЕВОЕ ПОКРЫТИЕ
THERMALLY ACTIVATED QUICK-SETTING ADHESIVE COATING

Данное изобретение относится к термически активируемому клеевому составу для применения в способе получения пакета металлических листов из склеенных вместе компонентов из листового металла; применению клеевого состава в способе получения пакета металлических листов из склеенных вместе компонентов из листового металла; способу получения пакета металлических листов из склеенных вместе компонентов из листового металла; компоненту из листового металла, покрытому клеевым составом; и сердечнику статора или ротора, содержащему один или более таких компонентов из листового металла.
На эффективность электродвигателя влияет множество его компонентов, общий принцип действия которых позволяет преобразовывать электрическую энергию в кинетическую энергию. Такие компоненты содержат пластинчатые пакеты, посредством которых передается энергия. Например, пластинчатые пакеты используются в качестве деталей статоров и/или роторов электродвигателей. Пластинчатые пакеты изготавливаются из множества очень тонких листов из электротехнической стали. Листы из электротехнической стали обладают превосходными свойствами с точки зрения проводимости и усиления магнитных полей. Отдельные пластины изолированы друг от друга и оказывают решающее влияние на эффективность электродвигателя. Здесь важными влияющими факторами являются состав и отсутствие напряжения металлических листов, величина их электрического сопротивления и целостность изоляции. Эти влияющие факторы в значительной степени определяются способом, в частности, поверхностным или точечным связыванием металлических листов друг с другом, а также качеством обработки, например, заусенцами от штамповки.
В области электротехники термин «шихтовка» относится к соединению отдельных металлических листов, так называемых пластин, с образованием пакета. Пакет представляет собой упорядоченную стопку множества металлических листов, которые неподвижно соединяются друг с другом. Такой пакет металлических листов заменяет массивный железный сердечник. Соединение металлических листов с образованием пакета осуществляется, например, с помощью винтового соединения или посредством зажимов, установленных на внешней стороне пакета. Такие соединители позволяют разобрать соединение, но, как правило, такие соединительные средства оказывают отрицательное влияние на характеристики электрической машины, например, из-за возникновения электрического короткого замыкания в месте установки соединительных средств или возмущенного магнитного поля.
Другим известным способом соединения является сварка. Во время сварки металлические листы термически соединяются в одно целое. Штампованные и пакетированные пластины зажимаются в устройстве и соединяются по внешнему радиусу посредством множества сварных швов, ориентированных перпендикулярно к плоскости пластин. Однако при сварке повреждаются пластины и их изоляционный слой, что может привести к увеличению потерь на вихревые токи или повлиять на магнитное поле. Хотя свобода в выборе конструкции при использовании сварочныого шва практически не ограничена, но пакет, изготовленный таким образом, уже нельзя разделить без разрушения.
Как одноэтапный способ известна так называемая «блокировка». При блокировке лист из электротехнической стали выштамповывается из исходного материала, помещается в пакет и соединяется с пакетом за один ход машины. Когда лист выштамповывается и/или укладывается или фиксируется, в листе из электротехнической стали выполняются механические соединители, которые взаимодействуют с соединителями соседних листов из электротехнической стали. Такие соединители представляют собой выступы, также называемые кулачками или выпуклостями, которые выбиваются в листе из электротехнической стали. Так как изоляционное покрытие в области деформации может повредиться, нельзя исключать риск возникновения короткого замыкания. Кроме того, соединение ограничивает конструкционные варианты, а также влияет на магнитное поле из-за использования локальных соединительных средств.
Также хорошо известным является факт использования в качестве соединительных средств клеящих материалов. Одним из видов склеивания является использование так называемых эмалей горячей сушки, как описано, например, в DE 35 03 019 C2 и DE 38 29 068 С1. Сырьевой материал, практически бесконечная полоса из листового металла, обычно покрывается эмалью горячей сушки. После отделения отдельных пластин от полосы из листового металла, покрытой эмалью горячей сушки, пластины выравнивают относительно друг друга и укладывают друг на друга, образуя таким образом пакет. Затем такой пакет неподвижных металлических листов нагревают до температуры реакции эмали горячей сушки в течение определенного периода времени, обычно от 30 до 150 минут. Температура реакции обычно составляет от 150 °С до 250 °С. Во время нагревания к пакету прикладывается давление от 2 до 6 Ньютонов на квадратный миллиметр (от 2 до 6 МПа). Затем следует фаза охлаждения, которая длится до 60 минут. Хотя использование эмали горячей сушки позволяет обеспечить устойчивое соединение по всей площади поверхности отдельных пластин без повреждения металлической конструкции или изоляционного слоя, однако процессы горячей сушки и охлаждения очень трудоемки и поэтому их сложно интегрировать в непрерывное массовое производство.
Задачей данного изобретения является усовершенствование способа получения пакетов металлических листов таким образом, чтобы сделать возможным их массовое производство в больших количествах и с коротким производственным циклом.
Эта задача решается в первом аспекте посредством термически активируемого клеевого состава, содержащего:
- 100 массовых частей эпоксидной смолы;
- от 4 до 8 массовых частей скрытого отверждающего агента; и
- от 4 до 10 массовых частей скрытого ускорителя;
а также применения его в способе получения пакета металлических листов из склеенных вместе компонентов из листового металла.
Термин «скрытый отверждающий агент» относится к веществу, которое используется для отверждения эпоксидной смолы, но которое сначала необходимо активировать путем передачи химической или тепловой энергии.
Соответственно, термин «скрытый ускоритель» относится к веществу, которое используется для ускорения отверждения эпоксидной смолы отверждающим агентом и, аналогично, которое сначала необходимо активировать путем передачи химической или тепловой энергии.
Крайне важно, чтобы клеящий материал представлял собой термически активируемый клеящий материал. Он окончательно отверждается только после того, как компоненты из листового металла будут соединены, но может быть активирован на различных этапах обработки и, таким образом, может быть переведен в клеящее состояние. Таким образом обеспечивается хронологическое и/или пространственное разделение отдельных функций. Нанесение клеящего материала на один из двух компонентов выполняют на первом этапе способа. После этого клеящий материал сушат и отверждают таким образом, чтобы он больше не имел клеевой поверхности.
Клеевой состав согласно изобретению обеспечивает чрезвычайно короткое время активации, например, 0,5-1 секунду и чрезвычайно короткое время отверждения, например, максимум 5 секунд. Кроме того, клеевой состав согласно изобретению отличается высокой температурной стабильностью, например, 190 °C, а также высокими изоляционными свойствами и устойчивостью к старению.
Клеевой состав согласно изобретению представляет собой многокомпонентный клеящий материал, который содержит, в частности, компонент эпоксидной смолы, отверждающий агент и ускоритель.
Первый компонент образован одной или более эпоксидными смолами, имеющими более одной эпоксидной группы, из которых, предпочтительно, по меньшей мере одна эпоксидная смола имеет точку размягчения
>50 °C.
Эпоксидные смолы могут быть алифатическими, циклоалифатическими или ароматическими эпоксидными смолами. Алифатические эпоксидные смолы содержат компоненты, которые имеют как алифатическую группу, так и по меньшей мере две группы эпоксидных смол.
Примерами алифатических эпоксидных смол могут быть диглицидиловый эфир бутандиола, диглицидиловый эфир гександиола, диоксид диметилпентана, диоксид бутадиена, диглицидиловый эфир диэтиленгликоля.
Циклоалифатические эпоксидные смолы представляют собой, например, 3-циклогексенилметил-3-циклогексилкарбоксилированный пероксид, 3,4-эпоксициклогексилалкил-3',4'-эпоксициклогексанкарбоксилат, 3,4-эпокси-6-метилциклогексилметил-3',4'-эпокси-6- метилциклогексанкарбоксилат, диоксид винилциклогексана, бис(3,4-эпоксициклогексилметил)адипат, диоксид дициклопентадиена, 1,2-эпокси-6-(2,3-эпоксипропокси)гексагидро-4,7-метаноиндан.
Ароматические эпоксидные смолы представляют собой, например, эпоксидные смолы бисфенола А, эпоксидные смолы бисфенола F, эпоксидные смолы фенол-новолака, эпоксидные смолы крезол-новолака, эпоксидные смолы бифенила, эпоксидные смолы бифенола, эпоксидные смолы 4,4'-бифенила, диоксид дивинилбензола, 2- глицидилфенилглицидиловый эфир, тетраглицидилметилендианилин.
В предпочтительном варианте реализации данного изобретения эпоксидная смола представляет собой водную дисперсию эпоксидной смолы бисфенола А.
Второй компонент образован одним или более веществами, используемыми для отверждения эпоксидной смолы, которые, предпочтительно, подвергаются реакциям отверждения с эпоксидными смолами клеевого состава при температурах в диапазоне от 80 °С до 200 °С.
3
Отверждающие агенты могут содержать дициандиамиды, производные азиридина, производные триазина, имидазолины, имидазолы, о-толилбигуанид, циклические амидины, органические гексафторантимонаты или гексафторфосфатные соединения или комплексы амина с BF. Соединения могут использоваться отдельно или в комбинации.
Примеры включают: 2-метилимидазол, 2-ундецилимидазол, 2-гептадецилимидазол, 1,2-диметилимидазол, 2-этил-4-метилимидазол, 2-фенилимидазл, 2-фенил-4-метилимидазол, 1-бензил-2-метилимидазол, 1- бензил-2-фенилимидазол, 1-цианоэтил-2-метилимидазол, 1-цианоэтил-2-ундецилимидазол, 1-цианоэтил-2-этил-4-метилимидазол, 1-цианоэтил-2-фенилимидазол, 1-цианоэтил-2-ундецилимидазолиум тримеллитат, 1-цианоэтил-2-фенилимидазолиум тримеллитат, 2,4-диамино-6-[2'-метилимидазолил-(1')]-этил-s-триазин, 2,4-диамино-6-[2'ундецилимидазолил-(1')]-этил-s-триазин, 2,4-диамино-6-[2'-этил-4'-метилимидазолил-(1')]-этил-s-2,4-диамино-6-[2-метилимидазолил-(1')]-этил-s-триазин, 2-фенилимидазол, 2-фенил-4,5-дигидроксиметилимидазол, 2-фенил-4-метил-5-гидроксиметилимидазол, 2,3-дигидро-1Н-пирроло[1,2-а]бензимидазол, (1-додецил-2-метил-3-бензил)имидазолиум хлорид, 2-метилимидазолин, 2-фенилимидазолин, 2,4-диамино-6-винил-1,3,5-триазин, аддукт 2,4-диамино-6-винил-1,3,5-триазинизоциановой кислоты, 2,4-диамино-6-метакрилоилоксиэтил-1,3,5-триазин, аддукт 2,4-диамино-6-метакрилоилоксиэтил-1,3,5-триазинизоциановой кислоты, 1,3,5-триазин, 2,4-диамино-6-метил-1,3,5-триазин, 2,4-диамино-6-нонил-1,3,5-триазин, 2,4-диамино-6-фенил-1,3,5-триазин, 2,4-диметокси-6-метил-1,3,5-триазин, 2,4-диметокси-6-фенил-1,3,5-триазин, 2-амино-4,6-диметил- 1,3,5-триазин, 2-амино-4-диметиламино-6-метил-1,3,5-триазин, 2-амино-4-этокси-6-метил-1,3,5-триазин, 2-амино-4-этил-6- метокси-1,3,5-триазин, 2-амино-4-метокси-6-метил-1,3,5-триазин, 2-амино-4-метил-6-фенил-1,3,5-триазин, 2-хлор-4,6-диметокси-1,3,5-триазин, 2-этиламино-4-метокси-6-метил-1,3,5-триазин, 1-о-толилбигуанид.
3
В предпочтительном варианте реализации данного изобретения отверждающий агент содержит: дициандиамид, имидазол, комплекс амина BF или их комбинацию.
Третий компонент образован одним или более ускорителями, которые ускоряют реакцию между эпоксидной смолой и отверждающим агентом.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения ускоритель содержит производное мочевины и/или имидазол.
Клеевой состав согласно изобретению также может содержать дополнительные компоненты.
В предпочтительном варианте реализации изобретения клеевой состав согласно изобретению содержит от 2 до 12 массовых частей одной или более антикоррозионных добавок, выбранных из группы, состоящей из молибдат-фосфатов цинка-алюминия и полифосфатов стронция-алюминия.
Другими антикоррозийными добавками, которые могут быть использованы согласно изобретению, являются: фосфаты цинка, фосфаты алюминия, ортофосфаты цинка-алюминия, молибдат-ортофосфаты цинка, гидроортофосфаты кальция, силикаты фосфата цинка-стронция, полифосфаты цинка-алюминия, полифосфаты кальция-алюминия, силикаты фосфата кальция-стронция-алюминия-цинка, оксиаминофосфатные соли, соли цинка или железная слюдка.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения клеевой состав согласно изобретению содержит от 5 до 15 массовых частей одной или более изоляционных добавок, выбранных из группы, состоящей из каолина и слюды.
Согласно изобретению изоляционная добавка представляет собой вещество, обладающее электроизолирующим эффектом.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения клеевой состав согласно изобретению содержит от 0,2 до 8 массовых частей поглощающих добавок, выбранных из группы, состоящей из сажи и оксидов железа.
Согласно изобретению поглощающая добавка представляет собой вещество, которое поглощает тепловое излучение.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения клеевой состав согласно изобретению содержит одну или более добавок, выбранных из группы, состоящей из наполнителей, диспергаторов и пленкообразующих агентов.
Примеры диспергаторов включают: поверхностно-активные вещества, полианионы и фосфаты.
Примеры пленкообразующих агентов включают: сложные эфиры, смесь спирта с эфиром и гликоли.
Клеевые компоненты предпочтительно выбирают таким образом, чтобы для смешивания можно было выбирать температуры в диапазоне 20-30 °С, не вызывая отверждение клеящего материала в результате процесса смешивания. Нанесенный клеящий материал стабилен во время хранения при комнатной температуре в течение нескольких месяцев и может впоследствии быть отвержден за очень короткий период времени путем нагревания до температур более 100 °C, например, до 150°C или 180 °C.
Если к клеевому составу не добавляют растворитель или диспергатор, клевой состав можно наносить, например, в виде так называемого «реакционноспособного термоплавкого клея». Чтобы перевести термоплавкий клей в жидкое состояние, перед нанесением его необходимо нагреть до температуры плавления. Температура плавления реакционноспособных термоплавких клеев обычно находится в диапазоне от 60°C до 100 °C. После этого реакция протекает при температурах в диапазоне от 150°C до 180 °С.
Особенно предпочтительный вариант клеящего материала основан на водных дисперсиях эпоксидной смолы. Они по существу содержат по меньшей мере вышеупомянутые вещества, то есть 100 массовых частей эпоксидной смолы; от 4 до 8 массовых частей скрытого отверждающего агента; и от 4 до 10 массовых частей скрытого ускорителя.
При необходимости, водную дисперсию разбавляют водой до такой степени, чтобы ее можно было наносить слоем нужной толщины на металлический лист, который должен иметь предварительное покрытие, нанесенное посредством напыления, окраски и других способов. После нанесения воду выпаривают таким образом, что клеевой слой становится сухим и не клейким при 20 °С, но при этом остается термически активируемым.
Понятно, что все упомянутые компоненты также могут быть растворены в органических растворителях. Тем не менее, такой вариант не является предпочтительным, поскольку с точки зрения экологии необходимо уменьшать использование органических растворителей и, кроме того, компоненты, которые реагируют друг с другом, присутствуют в виде раствора и поэтому могут вступать в реакцию друг с другом уже находясь в приготовленном составе. С другой стороны, в водной дисперсии компоненты присутствуют отдельно в виде дисперсных частиц, что приводит к особенно хорошей стабильности при хранении препарата.
В альтернативном варианте, клеевые смеси также могут находиться в виде порошков. Такие порошки спекают на металлическом листе с использованием способов нанесения порошковых покрытий, известных из предшествующего уровня техники. Образующийся слой, в свою очередь, термически активируется после получения композита с помощью дополнительного металлического листа.
После предварительного покрытия металлического листа термически активируемым клеевым составом или клеящим материалом, который предпочтительно не является клейким («не имеет липкости») при 20 °C, компонент, который имеет такой клеевой слой, соединяется с противоположной клеевой поверхностью другого компонента на этапе способа, который является последующим в хронологическом порядке и/или пространственно. По меньшей мере один из металлических листов предварительно покрывают клеевым слоем и соединяют по меньшей мере два металлических листа.
Клеящий материал отверждается до, во время и/или после соединения путем нагревания клеевого слоя до температуры, достаточно высокой, чтобы обеспечить необходимую химическую реакцию между эпоксидной смолой, отвердителем и ускорителем.
Чрезвычайно короткое время активации и отверждения клеевого состава согласно изобретению позволяет активировать клеящий материал еще до соединения пакета металлических листов, благодаря чему он начинает отверждаться уже во время соединения. Это экономит время и, таким образом, позволяет получать пакеты металлических листов при высоких скоростях цикла.
Соответственно, данное изобретение также относится к способу получения пакета металлических листов из склеенных вместе компонентов из листового металла, причем по меньшей мере два компонента из листового металла соединяются с клеевым слоем между ними для образования композитного тела, при этом указанный способ характеризуется тем, что в качестве клеящего материала используется клеевой состав, который описан в данном документе и который термически активируется до или во время соединения.
Таким образом, согласно изобретению обеспечивается способ получения пакета металлических листов, изготовленного из множества металлических листов, уложенных сверху друг на друга, в котором листы из электротехнической стали могут выштамповываться непосредственно перед или во время укладки. Использование сырьевого материала, который имеет покрытие, содержащее клеящий материал согласно изобретению по меньшей мере на одной стороне, а также возможность выполнять штамповку, шихтовку и соединение на этапе работы, позволяет массово производить пакеты металлических листов в больших количествах и с коротким производственным циклом.
В предпочтительном варианте реализации способа согласно изобретению один из компонентов из листового металла покрывается клеевым составом до того, как будет выполнено соединение для образования композитного тела, причем клеевой состав застывает, но не отверждается, до того, как будет выполнено соединение для образования композитного тела, в результате чего свободная поверхность клеевого слоя не обладает клеящим свойством.
В другом предпочтительном варианте реализации способа согласно изобретению термическая активация выполняется посредством инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение позволяет сократить время активации до, предпочтительно, менее чем 0,5 секунды, например 0,3 секунды. Кроме того, использование инфракрасного излучения экономически выгодно и не требует больших затрат на оборудование и электроэнергию.
Объектом настоящего изобретения также является компонент из листового металла, покрытый описанным ранее клеевым составом.
В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения компонент из листового металла представляет собой стальной лист.
Компоненты из листового металла, полученные способом согласно изобретению, описанному в данном документе, особенно подходят для применения в сердечниках статора или ротора.
Соответственно, еще одним объектом настоящего изобретения является сердечник статора или ротора, содержащий один или более описанных ранее компонентов из листового металла.
Настоящее изобретение описывается более подробно со ссылкой на последующие примеры.
Примеры
Эксперименты проводились с двумя продуктами, изготовленными согласно изобретению (примеры 1 и 2), и двумя сопоставимыми продуктами известного уровня техники (Voltatex 1175W от Axalta и Dispercoll U 8755 от Bayer Materials Science).
Условия эксперимента:
Клеящий материал наносили на лист из электротехнической стали толщиной 0,3 мм;
Толщина слоя после процесса сушки: 5-6 мкм;
Геометрия образца: 25 мм x 100 мм;
Испытание прочности соединения внахлестку при сдвиге согласно DIN EN 1465;
Длина нахлеста: 12,5 мм;
Соединение образцов в горячем прессе: 200 °C, 1 с (см. пример 1),
или соединение образцов с помощью ближнего ИК излучения (0,3 с) (см. пример 2).
<b>Обозначение клеящего материала:</b>
Эмаль горячей сушки(Voltatex1175W)
Полиуретановая дисперсия(DispercollU8755)
Пример 1
Пример 2
EpiRez 5108-W-60(эпоксидная смолабисфенола А)
100 частей
100 частей
Dyhard 100 SF (дициандиамид)
6 частей
6 частей
Dyhard URAcc57 (производное мочевины)
8 частей
8 частей
Heucophos SAPP (гидрат полифосфата алюминия-стронция)
8 частей
8 частей
Каолин
-
-
15 частей
15 частей
Оксид железа
-
-
-
2 части
<b>Результаты:</b>
Способ соединения
Горячий пресс, 200 °C, 1 с
Горячий пресс,200 °C, 1 с
Горячий пресс,200 °C, 1 с
Ближнее ИК излучение,0,3 с,соединение при комн. темп.
Прочность соединения внахлестку при сдвиге
0,5 МПа
1,7 МПа
6,1 МПа
6,3 МПа
Прочность соединения внахлестку при сдвигепри 190 °C
0 МПа
0 МПа
2,1 МПа
1,2 МПа
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что клеевой состав согласно изобретению обеспечивает прочность соединения внахлестку при сдвиге полученного композита из листового металла, которую нельзя достигнуть с помощью клеевых составов известного уровня техники при том же времени активации.