KR20130125835A - 전기 절연성 수지 시트 - Google Patents

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신페이 야쿠와
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 내열성 및 절연성이 우수하고, 또한 외력을 가하여 소정의 형상으로 변형시킨 후, 외력을 제거하여도 소정의 형상을 유지할 수 있는 전기 절연성 수지 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 공공률이 10 내지 60%이며, 23℃에서 5% 신장되어 10분간 유지한 때의 응력 완화율이 20% 이상이며, 또한 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상이다.

Description

전기 절연성 수지 시트{ELECTRICALLY INSULATING RESIN SHEET}
본 발명은 전기 절연성 수지 시트, 특히 모터 코일의 전기 절연체로서 이용되는 전기 절연성 수지 시트에 관한 것이다.
모터, 발전기 및 트랜스 등의 기기에 있어서는, 대지(對地) 절연체(슬롯, 스페이서, 웨지 등), 층간 절연체(코일층간 등), 및 도체 절연체 등의 절연체로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름이 가장 자주 사용되고 있다. 특히, 고압 교류 모터, 산업용 직류 모터 및 발전기 등의 기기에 있어서는, 고전압화, 대용량화 및 소형 경량화의 경향 때문에 내열성의 요구가 높아지고 있고, 절연체로서 H종(種) 랭크의 폴리이미드(PI), 폴리설폰(PSF), 폴리에터설폰(PES), 폴리에터이미드(PEI), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 및 폴리에터에터케톤(PEEK) 등의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 필름이 사용되고 있다.
모터의 코일선 사이, 또는 모터의 코일선과 철심 사이의 절연에 이용되는 절연체로서, 모터용 전기 절연성 수지 시트가 알려져 있다. 당해 전기 절연성 수지 시트는, 부착하는 대상물의 형상에 대응시키기 위해서, 굽힘 등의 변형이 가해진 상태로 사용되는 경우가 있다.
예컨대, 특허문헌 1에서는, 되접혀진 절연 필름의 단부의 휨을 저감시키기 위해서, 절연 필름의 단부에, 되접는 선으로부터 수직 방향으로 절단된 절단부를 설치하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 절연 필름에 절단부를 설치한 경우에는, 절단부에서의 절연성 저하가 염려된다.
또한, 종래의 절연 필름은, 부착하는 대상물의 형상에 대응된 형상에 외력을 가하여 변형시켜도, 그 후, 외력을 제거하면 당해 형상을 유지할 수 없다. 그 때문에, 부착하는 대상물의 형상에 대응되도록 절연 필름을 부착하는 경우에는, 우선 절연 필름을 대상물의 형상에 대응되도록 변형시키고, 그 후, 변형 상태를 지그 등으로 유지하면서 대상물에 절연 필름을 부착할 필요가 있다.
그러나, 상기 부착 방법의 경우, 대상물의 형상에 따라서는 지그 등이 방해가 되어, 대상물에 절연 필름을 부착하기 어려워진다. 또한, 부착 작업에 막대한 시간이 필요하기 때문에, 작업 효율이 저하된다는 문제도 있다. 또한, 부착 정밀도(부착 위치 등의 정밀도)가 저하된다는 문제도 있다.
일본 특허공개 제2003-9447호 공보
본 발명은 상기 문제점에 비추어 이루어진 것이며, 내열성 및 절연성이 우수하고, 또한 외력을 가하여 소정의 형상으로 변형시킨 후, 외력을 제거하여도 소정의 형상을 유지할 수 있는 전기 절연성 수지 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 공공(空孔)률이 10 내지 60%이며, 23℃에서 5% 신장되어 10분간 유지한 때의 응력 완화율이 20% 이상이며, 또한 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상인 전기 절연성 수지 시트에 관한 것이다.
H종 내열성을 갖는 전기 절연성 수지 시트를 수득하기 위해서는, 원료인 수지(폴리머)의 유리전이온도(Tg)가 높고, 주쇄 골격이 강직할 것이 필요하다. 또한, 전기 절연성 수지 시트의 절연성을 유지하기 위해서는 어느 정도의 두께가 필요하다. 그 때문에, 내열성 및 절연성이 높은 종래의 전기 절연성 수지 시트는, 굽히기 어렵고, 또한 굽혔다고 하여도 원래의 형상으로 되돌아가기 쉽다고 생각된다.
본 발명자들은, 시트의 공공률을 10 내지 60%로 조정하고, 추가로 23℃에서 5% 신장시켜 10분간 유지한 때의 응력 완화율을 20% 이상으로 함으로써, 내열성 및 절연성을 저하시킴이 없이, 외력을 제거하여도 소정의 형상을 유지할 수 있는 전기 절연성 수지 시트가 수득된다는 것을 발견해냈다.
시트의 공공률이 10% 미만인 경우에는, 시트의 강성이 높아지기 때문에, 시트를 굽히기 어려워지거나, 굽혔다고 하여도 외력을 제거하면 원래의 형상으로 되돌아가기 쉬워진다. 그 때문에, 대상물에 절연 필름을 부착하기 어려워지거나, 부착 정밀도가 저하된다. 또한, 비유전율을 내리기 어려워진다. 한편, 시트의 공공률이 60%를 초과하는 경우에는, 시트의 절연성이 현저히 저하될 우려가 있다.
또한, 응력 완화율이 20% 미만인 경우는, 굽혔을 때의 응력이 충분히 완화되지 않기 때문에, 외력을 제거하면 원래의 형상으로 되돌아가기 쉬워진다. 그 때문에, 대상물에 절연 필름을 부착하기 어려워지거나, 부착 정밀도가 저하된다.
또한, 상기 전기 절연성 수지 시트는, 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상일 것이 필요하다. 전기 절연성 수지 시트의 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상이면, 모터 등의 기기의 절연 부재로서 사용했을 때에, 서지 전압에 의한 절연 파괴를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 전기 절연성 수지 시트는, 평균 기포 직경이 10㎛ 이하인 다공 구조체인 것이 바람직하다. 평균 기포 직경이 10㎛를 초과하면, 시트의 강도가 저하되어 굽힐 때에 균열이 발생하여, 절연성이 손상될 우려가 있다. 또한, 비유전율을 낮게 하는 것이 어려워지거나, 기계적 강도가 저하되는 경향이 있다.
또한, 상기 전기 절연성 수지 시트는, 주파수 1GHz에서의 비유전율이 2.5 이하인 것이 바람직하다. 비유전율이 2.5 이하이면, 모터 등의 기기의 절연 부재로서 사용했을 때에, 절연 파괴의 초기 현상인 부분 방전 개시 전압을 충분히 올릴 수 있기 때문에, 서지 전압에 의한 절연 파괴를 효과적으로 방지할 수 있다. 비유전율이 2.5를 초과하면 부분 방전 개시 전압을 충분히 올릴 수 없다.
또한, 상기 전기 절연성 수지 시트는, 유리전이온도가 150℃ 이상인 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 열가소성 수지는 가소성을 갖기 때문에 다공 구조체의 형성에 유리하다. 또한, 열가소성 수지의 유리전이온도가 150℃ 이상이면, H종 내열성을 갖는 전기 절연성 수지 시트를 수득할 수 있다.
또한, 전기 절연성 수지 시트의 원료인 열가소성 수지는, 인장 파단 응력이 50MPa 이상이며, 또한 인장 탄성률이 1000MPa 이상인 것이 바람직하다. 그것에 의하여, 굽힘 가공 시에 접은 금 부분에서의 균열을 방지할 수 있다.
상기 열가소성 수지는, 폴리에터이미드, 폴리에터설폰 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 이들 수지는, 고온 시의 치수 안정성이 우수하고, 장기간의 내구성도 우수하다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 모터 코일의 전기 절연체로서 적합하게 이용된다.
또한, 본 발명은 상기 전기 절연성 수지 시트의 적어도 편면에 시트재가 적층되어 있는 전기 절연성 적층 시트에 관한 것이다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 내열성 및 절연성이 우수할 뿐만 아니라, 외력을 가하여 소정의 형상으로 변형시킨 후, 외력을 제거하여도 소정의 형상을 유지할 수 있다. 그 때문에, 전기 절연성 수지 시트를 대상물의 형상에 대응하도록 변형시키는 것(굽히는 것 등)이 가능하고, 게다가 그 변형 상태를 유지할 수 있기 때문에, 전기 절연성 수지 시트를 지그 등으로 유지함이 없이 대상물에 용이하고 정밀도 좋게 부착할 수 있다.
도 1은 각도 30°로 굽힌 금속판(모터의 전기 절연성 수지 시트를 부착하는 부분을 모방한 형상)의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트의 원료인 수지는 특별히 한정되지 않지만, 열가소성 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 열가소성 수지는, 내열성의 관점에서 유리전이온도가 150℃ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 유리전이온도가 180℃ 이상인 것이다. 이러한 열가소성 수지로서는, 예컨대 폴리아마이드, 폴리카보네이트, 폴리뷰틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리알릴레이트, 폴리설폰, 폴리에터설폰, 폴리에터에터케톤, 폴리아마이드이미드, 폴리이미드, 액정 폴리머 및 폴리에터이미드 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이들 중, 고온 시의 치수 안정성이 우수하고, 장기간의 내구성도 우수한 폴리에터이미드, 폴리에터설폰 또는 이들의 혼합물을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 폴리에터이미드는, 다이아미노 화합물과, 2,2',3,3'-테트라카복시다이페닐렌에터 2무수물과 같은 방향족 비스에터 무수물의 탈수 폐환 반응에 의해 수득될 수 있지만, 시판품, 예컨대 울템 수지(SABIC사제), 스페리오 수지(미쓰비시수지사제) 등을 이용하여도 좋다.
다이아미노 화합물로서는, 예컨대 m-페닐렌다이아민, p-페닐렌다이아민, 3,4'-다이아미노다이페닐에터, 4,4'-다이아미노다이페닐에터, 4,4'-다이아미노다이페닐설폰, 3,3'-다이아미노다이페닐설폰, 2,2-비스(4-아미노페녹시페닐)프로페인, 2,2-비스(4-아미노페녹시페닐)헥사플루오로프로페인, 1,3-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 1,4-비스(4-아미노페녹시)벤젠, 2,4-다이아미노톨루엔, 2,6-다이아미노톨루엔, 다이아미노다이페닐메테인, 4,4'-다이아미노-2,2-다이메틸바이페닐, 2,2-비스(트라이플루오로메틸)-4,4'-다이아미노바이페닐 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 이용하여도 좋다.
상기 폴리에터설폰은, 다이클로로다이페닐설폰과 다이하이드록시다이페닐설폰의 칼륨염의 축중합 반응에 의해 수득할 수 있지만, 시판품, 예컨대 울트라손 E 시리즈(BASF사제), 라델 A 시리즈(솔베이사제) 등을 이용하여도 좋다.
본 발명에서 이용하는 열가소성 수지는, 인장 파단 응력이 50MPa 이상이며, 또한 인장 탄성률이 1000MPa 이상인 것이 바람직하다. 인장 파단 응력은 80MPa 이상인 것이 보다 바람직하고, 특히 바람직하게는 100MPa 이상(통상 200MPa 이하)이다. 인장 탄성률은 2000MPa 이상인 것이 보다 바람직하고, 특히 바람직하게는 3000MPa 이상(통상 5000MPa 이하)이다.
전기 절연성 수지 시트는, 수지 외에 여러가지의 첨가제를 포함하고 있어도 좋다. 첨가제의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 점착 부여 수지, 난연제, 산화 방지제, 무기 필러, 기포 핵제, 결정 핵제, 열 안정제, 광 안정제, 자외선 흡수제, 가소제, 윤활제, 안료, 가교제, 가교 조제 및 실레인 커플링제 등의 일반적인 플라스틱용 첨가제를 들 수 있다. 이들 첨가제는, 수지 조성물 100중량부에 대하여, 예컨대 0.1 내지 5중량부 이용할 수 있다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 수지 및 임의의 첨가제를 포함하는 수지 조성물을 다공질화함으로써 수득할 수 있다. 다공질화하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 기계적으로 구멍을 내는 방법, 열 또는 광에 의해서 수지를 분해하는 방법, 화학 발포법, 물리 발포법 등을 들 수 있다. 낮은 비유전율의 전기 절연성 수지 시트를 수득하기 위해서는, 미세 기포를 높은 공공률로 균일하게 형성하는 것이 필요하여, 그를 위해서는 (1) 비반응성 가스에 의해 발포시키는 방법, 또는 (2) 수지 중에 상 분리된 상 분리화제를 추출하는 방법 중 어느 것이 바람직하다. 이들 방법은, 화학 발포법의 경우에 이용되는 발포제에 기인하는 반응 잔사가 잔류하지 않고, 또한 기포가 독립 기포 구조로 되기 때문에, 흡습 등에 의한 전기 특성의 변동이 일어나기 어렵다는 이점이 있다.
이하, 상기 (1) 비반응성 가스에 의해 발포시키는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 예컨대 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물에 비반응성 가스를 가압 하에서 함침시키고(가스 함침 공정), 가스 함침 후에 압력을 감소시켜 열가소성 수지 조성물을 발포시킴(발포 공정)으로써 제조할 수 있다.
가스 함침 공정에서 이용하는 비반응성 가스로서는, 예컨대 이산화탄소, 질소 가스, 공기 등을 들 수 있다. 이들 가스는, 단독으로 사용하여도 좋고, 혼합하고 사용하여도 좋다. 이들 중, 열가소성 수지에의 함침량이 많고, 함침 속도도 빠른 이산화탄소의 사용이 바람직하다.
비반응성 가스를 함침시킬 때의 온도 및 압력은, 비반응성 가스의 종류, 열가소성 수지 또는 열가소성 수지 조성물의 종류, 및 목적으로 하는 전기 절연성 수지 시트의 평균 기포 직경 및 공공률에 의해서 적절히 조정할 필요가 있다. 예컨대, 비반응성 가스로서 이산화탄소를 이용하고, 열가소성 수지로서 폴리에터이미드를 이용한 경우에서, 평균 기포 직경이 10㎛ 이하, 공공률이 10 내지 60%인 전기 절연성 수지 시트를 제조하기 위해서는, 온도 및 압력은, 통상 20 내지 230℃, 7.3 내지 100MPa이며, 바람직하게는 25 내지 200℃, 10 내지 50MPa이다.
또한, 열가소성 수지 중으로의 비반응성 가스의 함침 속도를 빠르게 한다는 관점에서, 상기 비반응성 가스는 초임계 상태인 것이 바람직하다. 예컨대, 이산화탄소의 경우, 임계 온도가 31℃, 임계 압력이 7.4MPa이며, 온도 31℃ 이상, 압력 7.4MPa 이상의 초임계 상태로 하면, 열가소성 수지에의 이산화탄소의 용해도가 현저히 증대하여, 고농도의 혼입이 가능해진다. 또한, 초임계 상태로 가스를 함침시키면 열가소성 수지 중의 가스 농도가 높기 때문에, 급격히 압력을 강하시키면, 기포핵이 다량으로 발생하며, 그 기포핵이 성장하여 이루어지는 기포의 밀도가 커져, 매우 미세한 기포를 수득할 수 있다.
발포 공정은, 상기 가스 함침 공정 후에 압력을 감소시켜 열가소성 수지 조성물을 발포시키는 공정이다. 압력을 감소시킴으로써, 열가소성 수지 조성물 중에 기포핵이 다량으로 발생한다. 압력을 감소시키는 정도(감압 속도)는 특별히 제한되지 않지만, 5 내지 400MPa/초 정도이다.
발포 공정에 의해 기포핵이 형성된 다공 구조체를 150℃ 이상의 온도에서 가열하는 가열 공정을 설치하여도 좋다. 기포핵이 생긴 다공 구조체를 가열함으로써, 기포핵이 성장하고 기포가 형성된다. 가열 온도는 180℃ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 200℃ 이상이다. 가열 온도가 150℃ 미만에서는, 공공률이 높은 다공 구조체를 수득하기 어려운 경우가 있다. 또, 가열 공정 후에는, 다공 구조체를 급냉하여 기포의 성장을 방지하거나, 기포 형상을 고정시켜도 좋다.
상기 가스 함침 공정 및 발포 공정은, 배치 방식 또는 연속 방식의 어느 방식으로 행하여도 좋다.
배치 방식에 의하면, 예컨대 이하와 같이 하여 전기 절연성 수지 시트(다공 구조체)를 제조할 수 있다. 즉, 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물을 단축 압출기, 2축 압출기 등의 압출기를 사용하여 압출함으로써, 열가소성 수지를 기재 수지로서 포함하는 시트가 형성된다. 또는, 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물을, 롤러, 캠, 니더, 반바리형 등의 날개를 설치한 혼련기를 사용하여 균일하게 혼련해 두고, 열판의 프레스 등을 이용하여 소정의 두께로 프레스 성형함으로써, 열가소성 수지를 기재 수지로서 포함하는 시트가 형성된다. 이렇게 해서 수득되는 미발포 시트를 고압 용기 중에 넣고, 이산화탄소, 질소 또는 공기 등의 비반응성 가스를 주입하여, 상기 미발포 시트 중에 비반응성 가스를 함침시킨다. 충분히 비반응성 가스를 함침시킨 시점에서 압력을 해방하여(통상, 대기압까지), 기재 수지 중에 기포핵을 발생시킨다. 그리고, 이 기포핵을 가열함으로써 기포를 성장시킨 후, 냉수 등으로 급격히 냉각하여, 기포의 성장을 방지하거나, 형상을 고정함으로써 전기 절연성 수지 시트가 수득된다.
한편, 연속 방식에 의하면, 예컨대 열가소성 수지를 포함하는 열가소성 수지 조성물을 단축 압출기, 2축 압출기 등의 압출기를 사용하여 혼련하면서 비반응성 가스를 주입하여, 충분히 비반응성 가스를 수지 중에 함침시킨 후, 압출함으로써 압력을 해방(통상, 대기압까지)하여 기포핵을 발생시킨다. 그리고, 가열함으로써 기포를 성장시킨 후, 냉수 등으로 급격히 냉각하여, 기포의 성장을 방지하거나, 형상을 고정화함으로써 전기 절연성 수지 시트가 수득된다.
이하, 상기 (2) 수지 중에 상 분리된 상 분리화제를 추출하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 예컨대 열가소성 수지와, 당해 열가소성 수지의 경화체와 상 분리되는 상 분리화제를 포함하는 열가소성 수지 조성물을 기판 상에 도포하고, 경화시켜 마이크로상 분리 구조를 갖는 열가소성 수지 시트를 제작하고, 상기 열가소성 수지 시트로부터 상 분리화제를 제거함으로써 제조할 수 있다.
마이크로상 분리 구조의 비연속상을 구성하는 상 분리화제는, 열가소성 수지와 혼합한 경우에 상용성이며, 또한 당해 수지의 경화체와 상 분리되는 화합물이다. 단, 열가소성 수지와 상 분리되는 화합물이어도, 적당한 매체(예컨대 유기 용제)를 가함으로써, 균일 상태(균일 용액)가 되는 것은 사용 가능하다.
이러한 상 분리화제로서는, 예컨대 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등의 폴리알킬렌글리콜; 상기 폴리알킬렌글리콜의 편말단 또는 양말단 메틸 봉쇄물, 또는 편말단 또는 양말단 (메트)아크릴레이트 봉쇄물; 우레탄 프리폴리머; 페녹시폴리에틸렌글리콜(메트)아크릴레이트, ε-카프로락톤(메트)아크릴레이트, 트라이메틸올프로페인트라이(메트)아크릴레이트, 다이펜타에리트리톨헥사(메트)아크릴레이트, 우레탄(메트)아크릴레이트, 에폭시(메트)아크릴레이트, 올리고에스터(메트)아크릴레이트 등의 (메트)아크릴레이트계 화합물 등을 들 수 있다. 이들은 1종을 단독으로 이용하여도 좋고, 2종 이상을 혼합하여 사용하여도 좋다.
상 분리화제를 이용하면 미소한 마이크로상 분리 구조를 형성할 수 있기 때문에, 전기 절연성 수지 시트의 평균 기포 직경을 10㎛ 이하로 할 수 있다.
상 분리화제의 분자량은 특별히 제한되지 않지만, 이후의 제거 조작이 용이해지기 때문에, 중량 평균 분자량이 100 내지 10000인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100 내지 2000이다. 중량 평균 분자량이 100 미만인 경우에는, 열가소성 수지의 경화체와 상 분리되기 어려워진다. 한편, 중량 평균 분자량이 10000을 초과하면, 마이크로상 분리 구조가 지나치게 커지거나, 열가소성 수지 시트 중으로부터 제거하기 어려워진다.
상 분리화제의 첨가량은, 열가소성 수지의 종류에 따라 적절히 조정할 필요가 있지만, 전기 절연성 수지 시트의 공공률을 10 내지 60%로 하기 위해서는, 통상 열가소성 수지 100중량부에 대하여 10 내지 200중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 100중량부이다. 또한, 전기 절연성 수지 시트의 절연 파괴 전압을 25kV/mm 이상으로 하기 위해서는, 상 분리화제의 첨가량은, 통상 열가소성 수지 100중량부에 대하여 10 내지 80중량부인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 75중량부이다.
이하, 상 분리화제를 이용한 전기 절연성 수지 시트의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 열가소성 수지와 상 분리화제를 포함하는 열가소성 수지 조성물을 기재상에 도포한다.
균일한 열가소성 수지 조성물을 조제하기 위해서, 톨루엔 및 자일렌 등의 방향족 탄화수소; 메탄올, 에탄올 및 아이소프로필알코올 등의 알코올류; 메틸에틸케톤 및 아세톤 등의 케톤류; N-메틸-2-피롤리돈, 다이메틸아세토아마이드 및 다이메틸폼아마이드 등의 아마이드류 등의 유기 용매를 사용하여도 좋다. 유기 용매의 사용량은, 열가소성 수지 100중량부에 대하여 통상 100 내지 500중량부이며, 바람직하게는 200 내지 500중량부이다.
기재는, 평활한 표면을 갖는 것이면 특별히 제한되지 않고, 예컨대 PET, PE 및 PP 등의 플라스틱 필름; 유리판; 스테인레스, 구리 및 알루미늄 등의 금속박을 들 수 있다. 전기 절연성 수지 시트를 연속하여 제조하기 위해서, 벨트상의 기재를 이용하여도 좋다.
열가소성 수지 조성물을 기재상에 도포하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 연속적으로 도포하는 방법으로서는, 예컨대 와이어 바, 키스 코팅 및 그라비어 등을 들 수 있고, 배치로 도포하는 방법으로서는, 예컨대 애플리케이터, 와이어 바 및 나이프 코터 등을 들 수 있다.
다음으로, 기판 상에 도포한 열가소성 수지 조성물을 경화시켜, 상 분리화제가 마이크로상 분리된 열가소성 수지 시트를 제작한다. 마이크로상 분리 구조는, 통상 수지 성분을 바다(海), 상 분리화제를 섬(島)으로 하는 해도(海島) 구조가 된다.
열가소성 수지 조성물이 용매를 포함하지 않는 경우에는, 도포막에 열경화 처리 등의 경화 처리를 실시하여, 도포막 중의 열가소성 수지를 경화시켜 상 분리화제를 불용화한다.
열가소성 수지 조성물이 용매를 포함하는 경우에는, 도포막 중의 용매를 증발(건조)시켜 마이크로상 분리 구조를 형성한 후에 열가소성 수지 성분을 경화시켜도 좋고, 열가소성 수지 성분을 경화시킨 후에 용매를 증발(건조)시켜 마이크로상 분리 구조를 형성하여도 좋다. 용매를 증발(건조)시킬 때의 온도는 특별히 제한되지 않고, 이용한 용매의 종류에 따라 적절히 조정하면 좋지만, 통상 10 내지 250℃이며, 바람직하게는 60 내지 200℃이다.
다음으로, 열가소성 수지 시트로부터 마이크로상 분리된 상 분리화제를 제거하여 전기 절연성 수지 시트를 제작한다. 한편, 상 분리화제를 제거하기 전에 열가소성 수지 시트를 기재로부터 박리해 두어도 좋다.
열가소성 수지 시트로부터 상 분리화제를 제거하는 방법은 특별히 제한되지 않지만, 용제로 추출하는 방법이 바람직하다. 용제는, 상 분리화제에 대하여 양용매(良溶媒)이며, 또한 열가소성 수지의 경화체를 용해하지 않는 것을 이용할 필요가 있고, 예컨대 톨루엔, 에탄올, 아세트산에틸 및 헵테인 등의 유기 용제, 액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소, 초임계 이산화탄소 등을 들 수 있다. 액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소 및 초임계 이산화탄소는, 수지 시트 내에 침투하기 쉽기 때문에 상 분리화제를 효율좋게 제거할 수 있다.
용제로서 액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소를 이용하는 경우에는, 통상 압력 용기를 이용한다. 압력 용기로서는, 예컨대 배치식의 압력 용기, 내압성의 시트 조출(繰出)·권취 장치를 갖는 압력 용기 등을 이용할 수 있다. 압력 용기에는, 통상 펌프, 배관 및 밸브 등에 의해 구성되는 이산화탄소 공급 수단이 설치되어 있다.
액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소로 상 분리화제를 추출할 때의 온도 및 압력은, 이산화탄소의 임계점 이상이면 좋고, 통상 32 내지 230℃, 7.3 내지 100MPa이며, 바람직하게는 40 내지 200℃, 10 내지 50MPa이다.
추출은, 열가소성 수지 시트를 넣은 압력 용기 내에, 액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소를 연속적으로 공급·배출하여 행하여도 좋고, 압력 용기를 폐쇄계(투입한 수지 시트, 액화 이산화탄소, 아임계 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소가 용기 외로 이동하지 않는 상태)로 하여 행하여도 좋다. 초임계 이산화탄소 및 아임계 이산화탄소를 이용한 경우에는, 열가소성 수지 시트의 팽윤이 촉진되고, 또한 불용화된 상 분리화제의 확산 계수의 향상에 의해서 효율적으로 열가소성 수지 시트로부터 상 분리화제가 제거된다. 액화 이산화탄소를 이용한 경우에는, 상기 확산 계수는 저하되지만, 열가소성 수지 시트 내에의 침투성이 향상하기 때문에 효율적으로 수지 시트로부터 상 분리화제가 제거된다.
추출 시간은, 추출 시의 온도, 압력, 상 분리화제의 배합량 및 수지 시트의 두께 등에 의해 적절히 조정할 필요가 있지만, 통상 1 내지 10시간이며, 바람직하게는 2 내지 10시간이다.
한편, 용제로서 유기 용제를 이용하여 추출하는 경우, 대기압 하에서 상 분리화제를 제거할 수 있기 때문에, 액화 이산화탄소 또는 초임계 이산화탄소를 이용하여 추출하는 경우에 비하여 전기 절연성 수지 시트의 변형을 억제할 수 있다. 또한, 추출 시간을 단축할 수도 있다. 또한, 유기 용제 중에 순차로 열가소성 수지 시트를 통과시킴으로써, 연속적으로 상 분리화제의 추출 처리를 행할 수 있다.
유기 용제를 이용한 추출 방법으로서는, 예컨대 유기 용제 중에 열가소성 수지 시트를 침지하는 방법, 열가소성 수지 시트에 유기 용제를 취부(吹付)하는 방법 등을 들 수 있다. 상 분리화제의 제거 효율의 관점에서 침지법이 바람직하다. 또한, 수회에 걸쳐 유기 용제를 교환하거나, 교반하면서 추출함으로써 효율적으로 상 분리화제를 제거할 수 있다.
상 분리화제를 제거한 후에, 수득된 다공 구조체를 건조 처리 등을 하여도 좋다.
상 분리화제로서 가열에 의해 증발 또는 분해할 수 있는 것을 이용한 경우는, 상기 추출 전에, 상 분리화제를 가열하여 증발 또는 분해함으로써 제거하는 방법과 조합할 수도 있다. 상 분리화제를 가열함으로써 증발 또는 분해하는 경우의 가열 온도는, 상 분리화제의 비점, 분해 온도에 따라 적절히 선택할 수 있지만, 일반적으로 100℃이상, 예컨대 100 내지 500℃, 바람직하게는 250 내지 450℃ 정도이다. 증발, 분해 조작은, 상기 상 분리화제의 제거 효율을 높이기 위해, 감압 하(예컨대, 1mmHg 이하)에서 행하는 것이 바람직하다. 증발 또는 분해와 추출 조작을 조합하여 행하기 때문에, 한쪽의 조작으로는 제거할 수 없는 첨가제의 잔사를 다른 조작에 의해 완전히 제거할 수 있어, 비유전율이 매우 낮은 다공 구조체를 수득할 수 있다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 공공률이 10 내지 60%이며, 23℃에서 5% 신장되어 10분간 유지된 때의 응력 완화율이 20% 이상이며, 또한 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상이다. 공공률은 20 내지 55%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 내지 50%이다. 또한, 응력 완화율은 30% 이상인 것이 바람직하다(통상 70% 이하이며, 바람직하게는 50% 이하이다.). 한편, 응력 완화율은, 사용되는 수지, 공공률 및 평균 기포 직경 등을 적절히 조정함으로써 목적 범위로 조정할 수 있다. 또한, 절연 파괴 전압은 30kV/mm 이상인 것이 바람직하다(통상 100kV/mm 이하이며, 바람직하게는 60kV/mm 이하이다.).
또한, 본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 평균 기포 직경이 10㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
또한, 본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 주파수 1GHz에서의 비유전율이 2.5 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.0 이하이다(통상 1.0 이상). 또 비유전율은, 원료인 수지 고유의 비유전율에 의존하지만, 공공률을 높게 함으로써 저유전화하는 것이 가능하다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트의 두께는 60 내지 500㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100 내지 300㎛이다. 두께가 60 내지 500㎛의 범위이면, 모터용 전기 절연성 수지 시트에서 우수한 절연성을 유지할 수 있다. 두께가 60㎛ 미만이면 절연 파괴가 일어나기 쉽고, 500㎛를 초과하면 코일선의 권수(卷數)가 저하되어, 모터 출력이 저하되는 경향이 있다.
본 발명의 전기 절연성 적층 시트는, 상기 전기 절연성 수지 시트의 적어도 편면에 시트재가 적층되어 있는 것이다. 전기 절연성 적층 시트의 형상은 특별히 제한되지 않고, 시트상, 테이프상이어도 좋고, 또는 적절히 필요한 형상으로 타발 가공되어 있어도 좋고, 또는 3차원적인 굽힘 가공이 이루어져 있어도 좋다.
시트재를 설치하는 것에 의해, 전기 절연성 수지 시트에 강도 또는 미끄러짐성을 부여할 수 있다.
시트재로서는, 예컨대 부직포, 종이 또는 필름 등을 들 수 있지만, 전기 절연성 적층 시트의 내열성을 보다 향상시키기 위해서, 부직포, 종이 또는 내열성을 갖는 필름을 이용하는 것이 바람직하다.
시트재의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상 5 내지 100㎛, 바람직하게는 5 내지 50㎛이다. 시트재의 두께가 5㎛ 미만이면, 전기 절연성 수지 시트에 강도를 부여하기 어려워지고, 1OO㎛를 초과하면, 전기 절연성 적층 시트의 두께가 증가되어 코일선의 권수가 저하되어 모터 출력이 저하되거나, 전기 절연성 적층 시트의 비유전율을 낮추기 어려워지는 경향이 있다.
전기 절연성 수지 시트에 시트재를 적층하기 위해서, 접착제 또는 점착제를 이용하여도 좋다. 사용되는 접착제 또는 점착제는 특별히 한정되지 않고, 공지된 것을 이용할 수 있고, 예컨대 에폭시 접착제, 우레탄 접착제 및 아크릴 접착제 등을 들 수 있다.
시트재의 적층면에는, 코로나 처리를 실시할 수 있다. 코로나 처리를 실시함으로써, 시트재와 전기 절연성 수지 시트의 층간 박리를 억제할 수 있다.
실시예
이하에 실시예를 들어 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
〔측정 및 평가 방법〕
(열가소성 수지의 유리전이온도)
실시예 및 비교예에서 이용한 열가소성 수지를 시트상으로 성형하여 열가소성 수지 시트를 수득했다. 그리고, 열가소성 수지 시트를 절단하여, 5mm×80mm의 샘플을 수득했다. 점탄성 시험기(레오메트릭스사제, ARES)를 이용하여 주파수 1Hz에서 인장 변형을 주면서, 인장 모드에서, 온도 영역: 70 내지 230℃, 승온 속도: 5℃/분의 조건에서 샘플의 점탄성을 측정하여, tanδ의 피크 탑 온도를 유리전이온도로 했다.
(열가소성 수지의 인장 파단 응력 및 인장 탄성률)
실시예 및 비교예에서 이용한 열가소성 수지를 시트상으로 성형하여 열가소성 수지 시트를 수득했다. 그리고, 열가소성 수지 시트를 절단하여, 25mm(MD 방향)×150mm의 샘플을 수득했다. 그리고, JlS K7161에 준거하여, 23℃, 인장 속도 200mm/분 및 클램핑 조(clamping jaws)간 거리 50mm의 인장 조건에서 인장 시험을 행하여, 응력-변형 곡선을 수득했다. 한편, 응력 10MPa와 20MPa 사이의 기울기(응력의 차이를 변형의 차이로 나눈 값)를 인장 탄성률(MPa)로 했다.
(공공률)
발포 전의 열가소성 수지 조성물, 및 제작된 전기 절연성 수지 시트의 비중을 비중계(Alfa Mirage사제 「MD-300S」)에 의해 측정하여, 하기 수학식에 의해 산출했다.
공공률(%) = [1-(전기 절연성 수지 시트의 비중/열가소성 수지 조성물의 비중)]×100
(응력 완화율)
제작된 전기 절연성 수지 시트를 절단하여, 15mm(TD 방향)×150mm의 샘플을 수득했다. 그리고, JIS K7161에 준거하여, 하기 조건에서 인장 시험을 행했다. 구체적으로는, 23℃, 인장 속도 200mm/분 및 표선 100mm의 인장 조건에서, 변형이 5%가 되도록 샘플을 신장시키고, 그 때의 하중(초기 응력)을 측정했다. 또한, 상기 상태를 10분간 유지한 때의 하중(완화 후 응력)을 측정했다. 수득된 초기 응력 및 완화 후 응력의 값을 하기 수학식에 대입하여 응력 완화율을 산출했다.
응력 완화율(%) = {(초기 응력-완화 후 응력)/초기 응력}×100
(절연 파괴 전압)
JIS K7161에 준거하여, 승압 속도 1kV/초의 조건에서, 제작된 전기 절연성 수지 시트의 절연 파괴 전압을 측정했다.
(평균 기포 직경)
제작된 전기 절연성 수지 시트를 액체 질소로 냉각하고, 칼날을 이용하여 시트면에 대하여 수직으로 절단하여 샘플을 제작했다. 샘플의 절단면에 Au 증착 처리를 실시하고, 당해 절단면을 주사형 전자 현미경(SEM)(히타치제작소사제 「S-340 ON」)으로 관찰했다. 그 화상을 화상 처리 소프트(미타니상사사제 「WinROOF」)로 2진화 처리하고, 기포부와 수지부로 분리하여 기포의 최대 수직 현장(弦長)을 측정했다. 기포 직경이 큰 쪽으로부터 50개의 기포에 대하여 평균값을 취하여, 평균 기포 직경으로 했다.
(비유전율)
공동 공진기 접동법(空洞 共振器 接動法)에 의해, 주파수 1GHz에서의 복소 유전율을 측정하여, 그의 실수부를 비유전율로 했다. 측정 기기는, 원통 공동 공진기(어질런트·테크놀러지사제 「네트워크 애널라이저 N5230C」, 간토우전자응용개발사제 「공동 공진기 1GHz」)에 의해서, 직사각형상의 샘플(샘플 크기 2mm×70mm 길이)을 이용하여 측정했다.
(열림 각도)
제작된 전기 절연성 수지 시트를 절단하여, 25mm(MD 방향)×100mm의 샘플을 수득했다. 샘플의 TD 방향 중앙부를 두께 방향으로 4MPa에서 5초간 가압하고, 그 후, 샘플을 TD 방향과 직교하는 방향을 따라 180° 굽혔다. 3시간 방치한 후, 디지털 현미경(KEYENCE사제, VHX-100)을 이용하여, 배율 100배로, 샘플의 측방향(두께 방향 및 TD 방향에 직교하는 방향)으로부터 샘플의 열린 각도(°)를 측정했다. 한편, 굽힐 때에 균열이 생긴 경우는 「×」라고 평가했다.
(부착성)
제작된 전기 절연성 수지 시트를 절단하여, 25mm(MD 방향)×100mm의 샘플을 수득했다. 샘플의 TD 방향 중앙부를 두께 방향으로 4MPa에서 5초간 가압하고, 그 후, 샘플을 TD 방향과 직교하는 방향을 따라 180° 굽혔다. 샘플을 3시간 방치한 후, 도 1에 나타내는 각도 30°로 굽힌 금속판(모터의 전기 절연성 수지 시트를 부착하는 부분을 모의한 형상)에 샘플을 위에서 삽입하였다. 삽입 시의 삽입 용이성을 하기 기준으로 평가했다.
○: 용이하게 삽입 가능하다.
×: 삽입 시에 형상을 손으로 유지하다 필요가 있다.
실시예 1
1000ml의 4구 플라스크에, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 667.7g을 가하여 70도로 가열하고, 거기에 폴리에터이미드(PEI) 수지(SABIC Innovative Plastics사제, UItem100O, 유리전이온도: 223℃, 인장 파단 응력: 117MPa, 인장 탄성률: 3138MPa) 250g을 가하고, 5시간 교반하여 PEI 수지 용액을 조제했다.
조제된 PEI 수지 용액에, 중량 평균 분자량 400의 폴리프로필렌글리콜을 PEI 수지 100중량부에 대하여 30중량부 첨가하고, 교반하여 투명한 균일 용액을 조제했다. 당해 균일 용액을 콤마 다이렉트 방식으로 PET 필름 상에 도포하고, 그 후 130℃에서 8분간 가열하여 NMP를 증발 제거하고, 상 분리 구조체를 수득했다. 수득된 상 분리 구조체를 30L의 내압 용기에 넣고, 45℃의 분위기 중에서 이산화탄소를 주입했다. 25MPa로 가압한 후, 압력을 유지한 채로 약 1.8kg/h의 유량으로 이산화탄소를 주입하고, 배기하여 잔존 용매 및 폴리프로필렌글리콜을 추출했다. 추출 조작은 이산화탄소의 총 사용량이 1.8kg이 될 때까지 행했다. 그 후, 분위기 온도를 85℃로 설정하고, 승온시키면서 7.2kg의 이산화탄소를 주입하고, 배기하여 추출 조작을 행하여, 다공 구조체로 이루어지는 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
실시예 2
조제된 PEI 수지 용액에, 중량 평균 분자량 400의 폴리프로필렌글리콜을 PEI 수지 100중량부에 대하여 60중량부 첨가한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
실시예 3
1000ml의 4구 플라스크에, N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 667.7g을 가하여 70도로 가열하고, 거기에 폴리에터설폰(PES) 수지(BASF사제, E2010, 유리전이온도: 225℃, 인장 파단 응력: 68MPa, 인장 탄성률: 2282MPa) 250g을 가하고, 5시간 교반하여 PES 수지 용액을 조제했다.
조제된 PES 수지 용액에, 중량 평균 분자량 400의 폴리프로필렌글리콜을 PES 수지 100중량부에 대하여 35중량부 첨가하고, 교반하여 투명한 균일 용액을 조제했다. 그 후, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
비교예 1
폴리에터이미드(PEI) 수지(SABIC Innovative Plastics사제, UItem1000, 유리전이온도: 223℃, 인장 파단 응력: 117MPa, 인장 탄성률: 3138MPa)를 2축 혼련기(테크노벨사제)에 넣어 350℃에서 용융시키고, 압출 성형하여 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
비교예 2
폴리에터설폰(PES) 수지(BASF사제, E2010, 유리전이온도: 225℃, 인장 파단 응력: 68MPa, 인장 탄성률: 2282MPa)을 2축 혼련기(테크노벨사제)에 넣어 310℃에서 용융시키고, 압출 성형하여 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
비교예 3
조제된 PEI 수지 용액에, 중량 평균 분자량 400의 폴리프로필렌글리콜을 PEI 수지 100중량부에 대하여 75중량부 첨가한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
비교예 4
조제된 PEI 수지 용액에, 중량 평균 분자량 400의 폴리프로필렌글리콜을 PEI 수지 1OO중량부에 대하여 100중량부 첨가한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 전기 절연성 수지 시트를 제작했다.
Figure pct00001
실시예 1 내지 3의 전기 절연성 수지 시트는, 외력을 제거하여도 굽혀진 형상을 충분히 유지할 수 있었다. 그 때문에, 굽혀진 금속판에 용이하게 부착할 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 3의 전기 절연성 수지 시트는, 절연 파괴 전압이 높고, 충분히 만족할 수 있는 절연성을 갖고 있었다. 한편, 비교예 1 및 2의 전기 절연성 수지 시트는 무공(無孔) 구조이며, 외력을 제거하면 굽혀진 형상을 충분히 유지할 수 없었다. 그 때문에, 굽혀진 금속판에 부착할 때에, 굽힌 형상을 손으로 유지할 필요가 있었다. 비교예 3의 전기 절연성 수지 시트는 공공률이 높기 때문에 절연 파괴 전압이 낮고, 절연성이 뒤떨어져 있었다. 비교예 4의 전기 절연성 수지 시트는 공공률이 매우 높기 때문에 굽힐 때에 균열이 발생했다.
본 발명의 전기 절연성 수지 시트는, 절연체로서 이용된다. 특히, 모터, 발전기 및 트랜스 등의 기기에 설치되는 대지 절연체(슬롯, 스페이서, 웨지 등), 층간 절연체(코일층간 등), 및 도체 절연체 등의 절연체로서 적합하게 이용된다.

Claims (8)

  1. 공공률이 10 내지 60%이며, 23℃에서 5% 신장되어 10분간 유지한 때의 응력 완화율이 20% 이상이며, 또한 절연 파괴 전압이 25kV/mm 이상인 전기 절연성 수지 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    평균 기포 직경이 10㎛ 이하인 다공 구조체인 전기 절연성 수지 시트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주파수 1GHz에서의 비유전율이 2.5 이하인 전기 절연성 수지 시트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리전이온도가 150℃ 이상인 열가소성 수지를 포함하는 전기 절연성 수지 시트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 인장 파단 응력이 50MPa 이상이며, 또한 인장 탄성률이 1000MPa 이상인 전기 절연성 수지 시트.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리에터이미드, 폴리에터설폰 또는 이들의 혼합물인 전기 절연성 수지 시트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모터 코일의 전기 절연체로서 사용되는 전기 절연성 수지 시트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 절연성 수지 시트의 적어도 편면에 시트재가 적층되어 있는 전기 절연성 적층 시트.
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