Warum PEN-Folie - Ihre Bedeutung für die Elektrotechnik

CMC Klebetechnik GmbH, Herr Gerald Friederici

Seit mehr als 40 Jahren ist Polyesterfolie in der Elektrotechnik ein etablierter, leistungsfähiger Isolierwerkstoff. Die verfügbaren Materialstärken reichen von ca. 0,4 µm bis in Bereiche von fast 1 mm. Hervorragende chemische, thermische und elektrische Merkmale überzeugen in zahllosen Anwendungen. Warum braucht man dann überhaupt PEN-Folie?

Polyethylennaphtalat (PEN, TEONEX®) ist ähnlich wie Polyethylenterephthalat (PET, z.B. Mylar®, Hostaphan®) eine Kunststofffolie, die in den Standardstärken 25µm und 50µmhoch transparent ist. Sie verbindet hohe mechanische Festigkeit mit guter chemischer Beständigkeit. Insofern sind beide Folien, PET und PEN sehr vergleichbar. Beide Folienarten werden bei der Herstellung biaxial verstreckt, was eine hohe Dimensionsstabilität und Reissfestigkeit ergibt.

Benötigt man jedoch eine höher thermisch belastbare Folie, kam in der Vergangenheit oft nur der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen wie Polyimid (PI, Kapton®) Folien in Frage. Zwar sind die Leistungsdaten solcher PI-Folien beeindruckend, doch ist der Preis für die Folien durch das aufwändigere Herstellverfahren eben 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 Polyethylenterephthalat (PET, Polyester) verwandt. PEN unterscheidet sich von PET hauptsächlich durch eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg), eine größere mechanische Festigkeit und eine gute Hydrolysebeständigkeit (geringe Wasseraufnahme)

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 u.a. von Elektromotorherstellern geschätzt wird. 

Motorenbau

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, so dass immer häufiger auf Wärmeklasse F ausgewichen werden muss. Zusammen mit dem sehr häufig im Motorenbau eingesetzten Aramid-Papier (z.B. Nomex® von DuPont) erhöht man mit PEN die Leistungsreserven in Mehrschichtlaminaten.

Transformatoren und Spulen

Den eigentlichen Vorteil spielt PEN aber im Transformatorenbau aus. Als Zwischenlagenisolation verwenden viele Hersteller für die Wärmeklasse B die bekannten Polyesterfolien. Jedoch musste man beim Bau eines Transformators der Wärmeklasse F (insbesondere im nicht getränkten Spulenaufbau) bis vor einigen Jahren auf Polyimid-Folien 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.

Ein weiterer Anwendungsbereich für PEN-Folien ist die Herstellung von flexiblen gedruckten Schaltungen (FPC). Die größere Dimensionsstabilität bei den Herstellungs- und Weiterverarbeitungsschritten gegenüber biaxial gereckter Polyesterfolie ermöglicht feinere Strukturen und eine geringere Ausschussquote. Durch die höhere Glasübergangstemperatur und die größere mechanische Festigkeit dehnt sich die Folie z.B. 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.

Anwendungstechnik

Gerald Friederici

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Gerald Friederici

Tel.: +49 6233 872 356

E-Mail: friederici (at) cmc.de

Polyethylennaphtalat (PEN, TEONEX®)









Klebebänder aus PEN-Folien

CMC Klebetechnik stellt aus PEN Folien Hochleistungsklebebänder her. Beschichtet mit leistungsfähigen Lösemittel-Acrylatklebstoffen gibt es Versionen als reine Folienklebebänder sowie Laminate mit Glasgewebe (extrem hohe Reißfestigkeit bei guter Spannungsfestigkeit). Auch Sonderanfertigungen sind möglich.

Polyethylennaphtalat (PEN, TEONEX®)

Standardstärken: 25µm und 50µm

hoch transparent

hohe Dimensionsstabilität und Reissfestigkeit

höhere Glasübergangstemperatur (Tg) als PET

gute Hydrolysebeständigkeit (geringe Wasseraufnahme)

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 als End-of-Life-Kriterium die Halbierung der Spannungsfestigkeit gegenüber dem Ausgangswert verwendet. Da die Reduktion der Spannungsfestigkeit im Wesentlichen von der Einsatztemperatur abhängt, entspricht die höhere zulässige Einsatztemperatur indirekt auch einer erheblichen Lebensdauerverlängerung.

PEN-Folien werden von Toyobo Film Solutions vertrieben. PEN-Folien sind klassifiziert mit einer Brennbarkeitsstufe von UL 94 VTM-2 und erreichen einen Relative Thermal Index (RTI) = 180°C (mechanisch), 160°C (elektrisch), was der Klasse F (155°C) entspricht. Die Folie hat einen cti-Wert von 400 -600V (PLC 1, Materialgruppe II). Alle weiteren Anforderungen an PEN-Folien für die Elektrotechnik werden in der IEC 60674-3-8:2017 beschrieben.


Gegenüberstellung PET – PEN

MerkmalPENPET
Schrumpf (150°C/30 min)
0,4 %1,5 %
Hydrolysebeständigkeit (120°C, 100% relH), Zeit bis 60% der Anfangsdehnung
200 Std.50 Std.
Dauergebrauchstemperatur (RTI)
155°C130°C (105°C lt. UL-Listung)
Durchgangswiderstand
10e17 Ohm10e18 Ohm
CTI, Comperative Tracking Index
400-600 (Materialgruppe II)
400-600 (Materialgruppe II)
UL94VTM-2VTM-2
Durchschlagsspannung (25µm)
300 kV/mm280 kV/mm
Verlustfaktor (1GHz)
0,0050,008