TWI617444B - Guanamine-polytetrafluoroethylene composite sheet, method for producing the same, and high frequency machine using the same - Google Patents

Guanamine-polytetrafluoroethylene composite sheet, method for producing the same, and high frequency machine using the same Download PDF

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Abstract

本發明係提供一種醯胺-聚四氟乙烯複合片，其係由：薄片，其包含醯胺纖條體與醯胺短纖維；及聚四氟乙烯之層，其在該薄片之面的方向形成層狀，且經燒成加工者，其特徵為該醯胺-聚四氟乙烯複合片之空隙率為30%以上且厚度為150μm以下。

Description

醯胺-聚四氟乙烯複合片、其製造方法及使用該複合片之高頻機器
本發明係關於一種新穎醯胺-聚四氟乙烯複合片，其機械特性、電絕緣性、介電特性、液體浸染性等優異，適合作為高溫時使用或者高頻機器的絕緣構件之作動。
在處理高頻信號之變頻器(inverter)、印刷基板、移動體無線通信等之高頻機器，為了進行高頻信號之轉換，則在絕緣構件中，有必要減小以下式所示之介電損失(熱損失)P的發生。因此，吾人要求具有低介電率及低介電耗損角正切(low dielectric loss tangent)之絕緣構件。
P=E2×tanδ×2πf×ε0×εr×S/d (W)
在此，E為電壓、tanδ為物質之介電耗損角正切、f為頻率、ε0為真空之介電率、εr為物質之介電率(介電常數)、S為電極之面積、d為電極間隔。
一方面，在高頻信號之轉換，雖一般使用半導體，不過近年來開發碳化矽、氮化鎵等之高溫作動功率半導體極為盛行，因此產生針對半導體開關電路之使用條件等開發出合適的變化特性或等級等之需求。
但是，在絕緣構件，近年來於高頻機器之日益高效率化、大容量化及小型化，卻未必能夠充分對應。
在要求高效率及大容量的發電機、電動機、變頻器、轉換器(converter)、印刷基板等高頻機器之絕緣構件，被認為有必要同時滿足下列四種特性：1)低介電率及低介電耗損角正切(低介電性)、2)高耐電壓、3)具有機械強度，及4)自動變速箱油(automatic transmission fluid；ATF)等潤滑劑予以充分地浸染(impregnation)
尤其是，吾人認為在高溫狀態下滿足上述四種特性者，於得使功率半導體在高溫作動仍有效之特性得以充分發揮此點上具有極為重要之意義。
本發明之目的係提供一種低介電絕緣片，在高溫可使用、或者可耐受作動之高頻機器之高效率化‧大容量化者。
本發明人等鑑於此等狀況，欲開發出可耐受高頻機器之高效率化‧大容量化的低介電絕緣片，一再進行戮力研討，結果達成本發明。
在第一態樣，本發明係提供一種醯胺-聚四氟乙烯複合片，其係由：薄片，其包含醯胺纖條體及醯胺短纖維；及聚四氟乙烯之層，其在該薄片之面的方向形成層狀，且經燒成加工者，其特徵為該醯胺-聚四氟乙烯複合片，空隙率為30%以上且厚度為150μm以下。
在第二態樣，本發明係提供第一態樣記載之醯胺-聚四氟乙烯複合片，測定頻率增加時，200℃之介電率及介電耗損角正切傾向於減少。
在第三態樣，本發明係提供第一態樣或第二態樣記載之醯胺 -聚四氟乙烯複合片，其100℃之介電率與25℃之介電率之比，或200℃之介電率與25℃之介電率之比為0.9至1.1。
在第四態樣，本發明係提供一種第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片之製造方法，該方法係以濕式抄製法，自醯胺纖條體及醯胺短纖維製作的薄片上，將塗佈有聚四氟乙烯之微粒分散體的薄片予以壓延加工後，再進行燒成加工。
在第五態樣，本發明係提供一種高頻機器，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
在第六態樣，本發明係提供一種發電機，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
在第七態樣，本發明係提供一種電動機，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
在第八態樣，本發明係提供一種變頻器，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
在第九態樣，本發明係提供一種轉換器，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
在第十態樣，本發明係提供一種印刷基板，其使用第一至第三態樣中任一態樣之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
(醯胺)
在本發明，醯胺係指醯胺鍵之60%以上直接鍵結於芳香環的線狀高分子化合物(芳香族聚醯胺)之意。以此種醯胺而言，有例如聚間伸苯異酞醯胺及其共聚物、聚對伸苯對酞醯胺及其共聚物、聚(對伸苯基)-共聚(3,4'-二苯醚)對酞醯胺等。該等醯胺，例如藉由使用異酞酸鹽化物及間苯二胺的先前已知的界面聚合法、溶液聚合法等，並可在工業上製造，可取得市售品，但並未限定於此。在該等醯胺中，以聚間伸苯異酞醯胺為例，其具備良好的成型加工性、熱黏結性、難燃性、抗熱性等特性之點，可適當使用。
(醯胺纖條體)
在本發明，醯胺纖條體係指具有抄紙性之薄膜狀醯胺微粒，亦稱為醯胺紙漿(參照日本特公昭35-11851號公報、日本特公昭37-5732號公報等)。
醯胺纖條體，與通常之木材紙漿相同，實施散解、打漿處理，且使用作為抄紙原料已廣為周知，在基於保持適合於抄紙的品質之目的，可實施所謂打漿處理。該打漿處理，可藉由圓盤式精磨機、攪打機(beater)、可獲致其他機械式切斷作用的抄紙原料處理機器來實施。在此操作，纖條體之形態變化，可以日本工業規格P8121規定之濾水度試驗方法(打漿度)進行監視。在本發明，實施打漿處理後之醯胺纖條體之濾水度，較佳為在10cm3至300cm3(加拿大打漿度(JISP8121))之範圍內。在較該範圍更大的濾水度之纖條體，可能降低由其所成形之多熱性電絕緣片材料之強度。一方面，若欲獲得較10cm3更小的濾水度，則減小投入機械動力的利用效率，又，多為每單位時間之處理量變少，更進一步地，因纖條體之微細化過度進行，故 易於招致黏著劑功能降低。因此，若欲獲得此種較10cm3更小的濾水度，則無法確認格外之優點。
(醯胺短纖維)
醯胺短纖維係將醯胺作為材料之纖維予以切斷之物，以此種纖維而言，有例如可取得帝人股份有限公司之「Teijin Conex(註冊商標)」、杜邦公司之「Nomex(註冊商標)」等商品名，但並非限定於該等纖維。
醯胺短纖維之長度，一般是1mm以上小於50mm，較佳為可自2至10mm之範圍內選擇。短纖維之長度較1mm更小時，薄片材料之力學特性降低，另一方面，50mm以上之物，在以濕式法之製造醯胺紙時，易由於「糾結(entanglement)」、「成束(bundling)」等原因而造成易於發生缺陷之結果。
(醯胺片)
本發明，醯胺片係指，主要由前述醯胺纖條體及醯胺短纖維所構成之片狀物，較佳為具有在30至180μm範圍內之厚度。更進一步地，醯胺片，較佳為在10g/m2至140g/m2之範圍內，特佳為具有10g/m2至70g/m2範圍內之基重(garmmage)。在此，醯胺纖條體及醯胺短纖維之混合比率可為任意，不過較佳為醯胺纖條體/醯胺短纖維之比率(質量比)為1/9至9/1，更佳為2/8至8/2，但並非限定於該範圍。
醯胺片，一般係將前述的醯胺纖條體與醯胺短纖維混合後，予以薄片化之方法來製造。具體言之，可適用例如：將上述醯胺纖條體及醯胺短纖維經乾式摻合後，利用氣流形成薄片之方法；將醯胺纖條體及醯胺短纖維在液體介質中經分散混合後，在液體透過性之支持體中，例如網 或帶上排出，予以薄片化，除去液體並予以乾燥之方法等，不過在該等方法中可適當選擇將水作為介質使用之濕式抄製法。
濕式抄製法，將至少含有醯胺纖條體、醯胺短纖維的單一或混合物之水性漿液，送液至抄紙機並予以分散後，藉由脫水、搾水(water-squeezing)及乾燥操作，而捲繞作為薄片為一般之方法。以抄紙機而言，可利用長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機及組合該等的組合式抄紙機等。在以組合式抄紙機製造之情形，藉由將調配比率不同之漿液予以薄片成形，合而為一，則可獲得包含複數層的複合體薄片。在抄製時，可依照需要使用提高分散性劑、消泡劑、增強紙力劑等之添加劑。
(聚四氟乙烯)
在本發明，聚四氟乙烯係指四氟乙烯之聚合物，且僅包含氟原子及碳原子之氟樹脂(氟化碳樹脂)。在本發明，如後述較佳為使用聚四氟乙烯之微粒的水性分散(aqueous dispersion)體，以此種水性分散體而言，有可取得例如三井‧杜邦氟化學股份有限公司之「PTFE31-JR」、大金股份有限公司之「Polyflon(註冊商標)PTFED系列」等商品名之物，但並非限定於該等。
(醯胺-聚四氟乙烯複合片)
本發明之醯胺-聚四氟乙烯複合片，例如以濕式抄製法自醯胺纖條體及醯胺短纖維所製作的醯胺片上，塗佈了聚四氟乙烯之微粒分散體的薄片，經壓延加工後，再燒成加工較佳。壓延加工前之複合片厚度，較佳為35至260μm，但並無限定於此。
以在醯胺片上塗布聚四氟乙烯之微粒分散體之方法而言，可無限制地使用各式各樣的習知方法，較佳為以塗佈機，在上述醯胺片上塗 佈聚四氟乙烯微粒之分散體，並在醯胺片之面的方向形成層狀之聚四氟乙烯之層。上述塗佈機係選自棒塗佈機、輥塗佈機、背塗佈機(reverse coater)、凹版印刷塗佈機、刀塗佈機及氣刀塗佈機之群組。上述塗佈加工可依照任意之順序進行複數次。
如上述方式所得之醯胺-聚四氟乙烯複合片，係在一對輥間，實施以高溫高壓進行熱壓之所謂壓延加工，而提高機械強度，並控制空隙率及厚度。熱壓之條件，例如使用金屬製輥之情形，較佳為在溫度270至370℃、線壓50至200kg/cm之範圍內。特佳為溫度280至330℃、線壓60至120kg/cm之範圍內。溫度較270℃更低時強度無法充分提昇，較370℃高時，會有複合片易於黏貼於輥表面而斷裂之情形。上述壓延加工可以任意之順序進行複數次。
如上述，經壓延加工的複合片，藉由在高溫予以燒成加工，予以低介電化，而可製作在高溫可使用或者可耐受作動之高頻機器之高效率化‧大容量化的低介電絕緣片。本發明中燒成加工係將複合片之至少單面與氣體接觸之狀態實施為佳。自兩面以加熱體壓制而加壓時，在370℃以上時，則黏貼於加壓體，因此製造困難。以具體方法而言，則有通過燒成爐、在烤爐中加熱及在加熱輥中接觸單面之方法等，但並非限制於該等方法。又，為了有效率的進行連續地製造，在上述壓延加工之後進行連續的燒成加工較佳。燒成溫度，較佳為370至410℃，更佳為395至405℃。若燒成溫度較410℃更高時，會有醯胺片劣化之可能性。又，燒成溫度較370℃更低之情形，則會有複合片之介電率及介電耗損角正切變高之情形。較佳之燒成時間為3秒以上15分鐘以內，特佳為5秒以上10分鐘以內，但並非限 定於此。燒成時間短時，則燒成無法充分進行，會有介電率及介電耗損角正切變高之情形，時間過長時，則產生薄片劣化，會有發生機械強度降低等問題之情形。經燒成加工的複合片之空隙率為30%以上，因提高自動變速箱油等液體之浸染性較佳。又，因高頻機器之小型化‧輕量化，故厚度150μm以下較佳。
本發明之醯胺-聚四氟乙烯複合片，較佳為相對於測定頻率增加時，200℃之介電率及介電耗損角正切顯示傾向減少之複合片。又，本發明之醯胺-聚四氟乙烯複合片，較佳為100℃之介電率與25℃之介電率之比或200℃之介電率與25℃之介電率之比為0.9至1.1。
本發明之醯胺-聚四氟乙烯複合片，作為發電機、電動機、變頻器、轉換器、印刷基板等高頻機器之絕緣構件可適當使用。
茲就本發明，列舉實施例說明如下。此外，該等實施例，係以實施例說明本發明之內容者，並無任何限定本發明之內容。
[實施例]
(測定方法)
(1)長度加權平均纖維長
使用Op Test Equipment公司製Fiber Quality Analyzer，就約4000個微粒，測定長度加權平均纖維長。
(2)基重、厚度之測定
按照JIS C2300-2實施。
(3)密度之計算
以基重÷厚度計算。
(4)空隙率之計算
醯胺、聚四氟乙烯之真比重(true specific gravity)各自以1.38、2.17計算。
(5)拉伸強度之測定
Tensilon拉伸試驗機以寬15mm、夾盤間隔50mm、拉伸速度50mm/分鐘實施。
(6)介電率、介電耗損角正切
依照JIS K6911實施。
(7)絕緣破壞電壓(breakdown voltage)
依照ASTM D149，藉由以電極徑51mm之交流所致直升壓法來實施。
(8)哥雷(Gurley)透氣度
使用JIS P8117所規定的哥雷透氣度測定器，測量使100cc(0.1dm3)的空氣通過具有外徑28.6mm之圓孔夾板(clamp plate)所壓入的薄片試料(面積642mm2)之時間(秒)。
(實施例1至4)
(原料調製)
使用日本特開昭52-15621號公報記載之以定子與轉子之組合所構成紙漿微粒之製造裝置(濕式沈澱機)，來製造聚間伸苯異酞醯胺之纖條體。將此以散解機(disintegrator)、打漿機處理，使長度加權平均纖維長調節成0.9mm。所得醯胺纖條體之濾水度為90cm3。
一方面，將杜邦公司製的間芳香族醯胺Nomex(註冊商標)，單絲纖度2丹尼)切斷成長度6mm(以下記載為「醯胺短纖維」)。
(醯胺片之製造)
將已調製的醯胺纖條體與醯胺短纖維，在各自之水中分散， 製成漿液。將該等漿液予以混合，以使纖條體與醯胺短纖維成為1/1之調配比率(重量比)，以Tappi式手工機(剖面積625cm2)，製作片狀物，獲得厚度約144μm之醯胺片。
(醯胺-聚四氟乙烯複合片之製造)
在上述醯胺片上，以刀塗佈機，塗佈三井‧杜邦氟化學股份有限公司製之「PTFE31-JR」(聚四氟乙烯)，在120℃以烤爐乾燥1小時。更進一步地，塗佈聚四氟乙烯，在120℃以烤爐乾燥1小時。複合片全體厚度為約147μm。在複合片以表1所示條件予以壓延加工後，藉由連續的將單面與高溫輥接觸，而實施燒成加工，獲得複合片。如此所得之醯胺-聚四氟乙烯複合片之主要特性值如表1、表2所示。
實施例之醯胺-聚四氟乙烯複合片，因介電率及介電耗損角正切值均低，厚度小，絕緣破壞電壓、強度、空隙率、透氣度充分地高，故使用作為高頻機器之絕緣構件的絕緣片極為有用。更進一步地，隨著在200℃使頻率增高，而使介電率及介電耗損角正切值進一步傾向於降低，故在高溫可使用或者高頻規格之作動，例如：在作為以高頻變頻器啟動之電動機般之高頻機器的絕緣片，特別有用。
[表2]
(比較例1至3)
(醯胺-聚四氟乙烯複合片之製造)
與實施例相同，在醯胺片上以刀塗佈機塗佈三井‧杜邦氟化學股份有限公司製之「PTFE31-JR」，在120℃以烤爐乾燥1小時。進一步，塗佈聚四氟乙烯，於120℃以烤爐乾燥1小時。將複合片以表3所示條件予以壓延加工、熱壓面壓製加工、燒成加工。如此所得之醯胺-聚四氟乙烯複合片之主要特性值如表3所示。
比較例1及2之複合片，介電耗損角正切值高，尤其是25℃及100℃之60Hz及1kHz之介電耗損角正切值高，又，吾人認為比較例3之複合片，因厚度大，強度亦小，絕緣破壞電壓亦低，故對於可耐受高頻機器之高效率化‧大容量化的低介電絕緣片而言，並不充分。

Claims (11)

  1. 一種醯胺-聚四氟乙烯複合片，其係由：薄片，其包含醯胺纖條體及醯胺短纖維，該醯胺纖條體/醯胺短纖維之質量比率為1/9至9/1；及聚四氟乙烯之層，其係在該薄片之面的方向形成層狀，且經370℃至410℃的燒成加工者，其特徵為：該醯胺-聚四氟乙烯複合片之空隙率為30%以上且厚度為150μm以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片，其中測定頻率增加時，200℃之介電率及介電耗損角正切傾向於減少。
  3. 如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片，其中100℃之介電率與25℃之介電率之比為0.9至1.1。
  4. 如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片，其中200℃之介電率與25℃之介電率之比為0.9至1.1。
  5. 一種如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片之製造方法，其中以濕式抄製法，自醯胺纖條體及醯胺短纖維製作的薄片上，將塗佈有聚四氟乙烯之微粒分散體的薄片予以壓延加工後，再進行燒成加工。
  6. 一種高頻機器，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
  7. 一種發電機，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
  8. 一種電動機，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
  9. 一種變頻器，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
  10. 一種轉換器，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
  11. 一種印刷基板，其係使用如申請專利範圍第1項之醯胺-聚四氟乙烯複合片作為絕緣構件。
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