Teonex® - PEN-Folie

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. Die größte Teil der Standardisolierklebebänder von CMC Klebetechnik basieren auf Polyesterfolien mit entsprechenden Klebstoffbeschichtungen.

Benötigt man jedoch eine höher thermisch belastbare Folie, kam bisher 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 schließen Klebebänder auf Basis der PEN-Folie. 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 sich PEN von PET dagegen weniger. Auch in Bezug auf Klebebändern aus den beiden Materialien finden sich kaum Unterschiede.

Die höhere Glasübergangstemperatur erlaubt jedoch den Einsatz der PEN-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. Höhere Effizienz, kleinere Bauform und Betrieb bei Nennlast erzeugen eine Wärmebelastung, der Materialien wie Nomex oder PEN besser widerstehen können als klassische PET-Folien. Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit im Überlastfall werden deutlich verbessert.

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 Folie ist klassifiziert mit einer Brennbarkeitsstufe von UL 94 VTM-2 und erreicht einen Relative Thermal Index (RTI) = 180 °C (mechanisch), 160 °C (elektrisch).

CMC Klebetechnik verwendet bei 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 Ergebnisse bei den Tests führen. Eine Adoption von PEN-basierenden Klebebändern in bestehende Elektroisoliersysteme (EIS) ist auf diese Weise kostengünstig und mit geringem Risiko möglich.

Zurzeit finden PEN-Folien 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.

Robust, temperaturstabile Polyesterfolien (PET) werden in großen Mengen zum Beispiel als schützendes, transparentes Verpackungsmaterial oder als hochwertige Elektroisolationen verarbeitet. Das höherwertige PEN (Polyethylennaphthalat) erweitert die Möglichkeiten des Massenwerkstoffes nochmals merklich.

Unter den technischen Folien oberhalb von PVC ist Polyesterfolie die am meisten verbreitete. Ca. 60 Millionen Tonnen PET-Folie verlassen jährlich die Werke der Hersteller, allen voran DuPont, Mitsubishi, Toray, Uflex, Garware und viele andere. Polyesterfolien bestechen durch ihre hohe mechanische Festigkeit, ein exzellentes dielektrisches Verhalten und eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 200°C kurzfristig.

Doch in etlichen Anwendungen reichen die erzielbaren Werte nicht aus. So zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit oder der Schrumpf der Folie unter Wärme. Auf der Suche nach einem Alternativwerkstoff findet man etliche eher exotische Werkstoffe, die ihre Hauptanwendung in sehr eng begrenzten Märkten haben. Polymere wie PEEK (Aptiv™), PEI (Ultem®) oder PAI (Torlon®) seinen nur beispielhaft genannt. Auch das recht weit verbreitete Polyimid (Kapton®) wäre ein Kandidat, wenn es um zum Beispiel um erweiterte Einsatztemperaturen geht (-269°C – 350°C). Doch allen Hochleistungswerkstoffen gemein ist, dass sie erheblich teurer sind als die günstige Massenfolien Polyester.

Ende der 80ziger Jahre wurde PEN entwickelt. Das Material gehört wie PC, PAR, PBT und UP zu der Gruppe der Polyesterharze. PEN unterscheidet sich von PET durch eine höhere Dauergebrauchstemperatur (155°C statt 130°C), eine signifikant höhere Gasdichtigkeit und eine noch bessere Chemikalienbeständigkeit. Auch der Abbau durch heißes Wasser (Hydrolyse) ist deutlich langsamer.

PEN-Folien werden von  Toyobo Film Solutions Limited™ (ehemals von Teijin)  hergestellt und unter dem Namen Teonex® verkauft. Diese Folien stellen ein Bindeglied zwischen PET und den Hochleistungsfolien dar. Vor allem auch im Preis. 

In der Elektrotechnik wird Teonex® PEN-Folie vor allem als Kondensatorfolie eingesetzt. Bei Dicken im einstelligen Mikrometerbereich erreicht man mit den Folien eine deutlich höhere erlaubte Dauergebrauchstemperatur wie bei den üblichen PP-Folienkondensatoren. Doch auch in der allgemeinen Elektrotechnik hat PEN mittlerweile einen festen Platz. 

Die immer größere Energiedichte moderner Geräte, Elektromotoren und Transformatoren erfordert eine höhere Temperaturbeständigkeit der Isoliermaterialien. Statt bisher Polyester mit 130°C maximaler Dauergebrauchstemperatur kann man nun PEN einsetzen. Die Teonex®-Folie ist für eine Dauergebrauchstemperatur von 155°C (class F material) spezifiziert. Sie bildet also auch bei der Temperatur ein Bindeglied zwischen der günstigen PET Folie und den teureren Polyimidfolien (Kapton®).

Vergleich wichtiger Eigenschaften zwischen PEN zu PET