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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Seit mehr als 40 Jahren ist Polyesterfolie in der Elektrotechnik ein etablierter, leistungsfähiger Isolierwerkstoff. Die verfügbaren Materialstärken reichen von etwa 4 µm bis in Bereiche von fast 1 mm. Hervorragende chemische, thermische und elektrische Merkmale überzeugen in zahllosen Anwendungen.
Benötigte man dagegen eine zum Beispiel höher thermisch belastbare Folie, kam oft nur der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen wie Polyimid-(PI-)Folien in Frage. Zwar sind die Leistungsdaten solcher PI-Folien beeindruckend, doch ist der Preis für die Folien durch das aufwändigere Herstellverfahren auch deutlich höher. Nicht jede Anwendung verträgt diesen erhöhten Preis - insbesondere nicht, wenn größere Mengen der Isolationsfolie benötigt werden.
Die Lücke zwischen diesen beiden altbekannten Werkstoffen schließt PEN. Der chemischen Struktur nach ist Polyethylennaphthalat sehr eng mit dem Polyethylentherephthalat (PET, Polyester) verwandt. PEN unterscheidet sich von PET hauptsächlich durch eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg), eine größere mechanische Festigkeit und eine gute Hydrolysebeständigkeit. Von der Haptik und Transparenz unterscheidet sind PEN von PET dagegen weniger.
Die höhere Glasübergangstemperatur erlaubt den Einsatz der Folie in Anwendungen, die Klasse-F(155 °C-)Materialien erfordern. Zusammen mit der besseren Hydrolyse-, Chemikalien- und UV-Beständigkeit hat mit der PEN-Folie ein Werkstoff Einzug gehalten, der unter anderem von Elektromotorherstellern geschätzt wird.
Im Rahmen von Effizienzsteigerung und Kosteneinsparung werden immer mehr Motoren und Generatoren in kleineren Baugrößen und bei möglichst maximaler Nennlast betrieben. Einher geht damit eine höhere Wärmebelastung, sodass immer häufiger auf Wärmeklasse F ausgewichen werden muss. Zusammen mit dem sehr häufig im Motorenbau eingesetzten Aramid-Papier erhöht man mit PEN in Mehrschichtlaminaten die Leistungsreserven.
Den eigentlichen Vorteil spielt PEN aber im Transformatorenbau aus. Als Zwischenlagenisolation kann man für die Wärmeklasse B die bekannte Polyesterfolie verwenden. Beim Bau eines Transformators der Wärmeklasse F musste man insbesondere im nicht getränkten Spulenaufbau bis vor einigen Jahren auf Polyimidfolien ausweichen, was die Konstruktion durchaus erheblich verteuerte.
Diese Lücke schließt die PEN-Folie und bietet damit einen kostengünstigeren Weg, Klasse-F-Spulen und -Übertrager zu bauen.
Die Hersteller von Klebebändern auf Basis von PEN verwenden meist den bereits auf der PET-Folie verwendeten Klebstoff, sofern der die erhöhte Dauergebrauchstemperatur verträgt. Auf diese Weise können altbekannte Komponenten eingesetzt werden, die dann zum Beispiel im Sealed Tube-Test nach UL 1446 zu keinem unerwarteten Ergebnis bei den Tests führen. Eine Adoption von PEN-basierenden Klebebändern in bestehende Elektroisoliersysteme (EIS) ist auf diese Weise kostengünstig und mit geringem Risiko möglich.
Ein weiterer Anwendungsbereich für PEN-Folien ist die Herstellung von flexiblen gedruckten Schaltungen (FPC). Die größere Dimensionsstabilität bei den Herstellungs- und Weiterverarbeitungsschritten ermöglicht feinere Strukturen und eine geringere Ausschussquote. Durch die höhere Glasübergangstemperatur und die größere mechanische Festigkeit dehnt sich die Folie zum Beispiel bei Lötprozessen weniger aus. Dies bedeutet für gedruckte Leiterbahnen einen erheblichen Vorteil. Es gibt auch Varianten der Folie, die einen besonders geringen Schrumpf aufweisen, was Folienverwerfungen und Lageungenauigkeiten vermeidet.
Sehr dünne Folien aus PEN werden eingesetzt im Kondensatorbau. Die hohe Durchschlagsfestigkeit und die höhere Wärmebeständigkeit ermöglichen Kondensatoren geringerer Baugröße und höherer Spannungs- und Wärmeklassen.
In der Normenreihe IEC 60674 wird für Folien wie Polyester oder PEN die Halbierung der Spannungsfestigkeit gegenüber dem Ausgangswert als End-Life-Kriterium verwendet. Da dieser Zeitpunkt im Wesentlichen von der Einsatztemperatur abhängt, könnte man bei gleichem Temperatureinsatz von zum Beispiel 80 °C auch von einer Verwendungsdauerverlängerung reden.
Zurzeit findet PEN ein verstärktes Interesse bei den Herstellern von Komponenten für die Automobilindustrie, insbesondere im Rahmen der E-Mobilität. Die höhere Medienbeständigkeit spielt dabei eine besonders große Rolle - allerdings dämpft auch hier der signifikant höhere Preis gegenüber der Polyesterfolie die Einsatzfreudigkeit bei den Entwicklungsingenieuren.
Zurzeit gibt es für PEN-Folien nur einen Hersteller sowie eine überschaubare Variantenanzahl. Die Folie ist klassifiziert mit einer Brennbarkeitsstufe von UL 94 VTM-2 und erreicht einen Relative Thermal Index (RTI) = 180 °C (mechanisch), 160 °C (elektrisch).
In der Norm IEC 60674-3-8 werden die PEN-Folien anhand der für die Elektrotechnik benötigten Daten für die allgemeine Anwendung spezifiziert. Teil 1 der Norm beschreibt allgemein die Anforderungen an elektrische Isolierfolien, während in Teil 2 die Messmethoden dazu und in Teil 3 die materialspezifischen Vorgaben an die mindestens zu erreichenden Eigenschaften definiert werden. Durch diese Standardisierung des Materials ist nun ein normkonformer Einsatz in Konstruktionen der Elektrotechnik erleichtert worden.
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