CN101604562A - 含纳米填料的漆包线 - Google Patents

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CN101604562A CNA2008101111805A CN200810111180A CN101604562A CN 101604562 A CN101604562 A CN 101604562A CN A2008101111805 A CNA2008101111805 A CN A2008101111805A CN 200810111180 A CN200810111180 A CN 200810111180A CN 101604562 A CN101604562 A CN 101604562A
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方沧泽
许联崇
向性一
钟瀚扬
吕亭宜
许志玮
陈俊宏
邱荣焜
沈尚慧
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Abstract

一种含纳米填料的漆包线，包括一金属导线以及一层以上外覆于该金属导线上的绝缘涂料层，其中至少一层是含有纳米填料，该纳米填料是为一改质二氧化硅浆料且包含二氧化硅、有机溶剂以及有机硅烷偶联剂。本发明利用有机硅烷偶联剂可提高纳米填料的密着性及分散性，并同时维持漆包线的绝缘涂料的原有机械性能，此外亦可降低漆包线的材料与制造成本。

Description

含纳米填料的漆包线
技术领域
本发明涉及一种漆包线，尤其涉及一种含纳米填料的漆包线，其是使用具有高分散度的含二氧化硅纳米填料的漆包线。
背景技术
高分子材料常借由添加无机填料来补强材料性质与增加新功能性，材料的补强效果通常与无机填料的粒径大小以及在高分子材料中的分散度有关。填料粒径越小，分散效果越好，材料补强效果越佳。
自1987年日本丰田中央研究所发表纳米黏土/尼龙6复合材料以来，纳米填料在高分子材料的应用已成为现今热门研究方向之一。应用方向包括将纳米填料应用于纳米橡胶复合材料，以提升耐磨、阻气等特性，或发展新型非卤素阻燃材料；以及应用于人造纤维中，发展抗菌防臭、抗老化、弹性补强、具紫外线遮蔽或是可吸收红外线等机能性纤维；而在涂料产业中，纳米填料亦被用来发展耐候性佳、耐磨耐刮、防污自洁、吸收电磁波等功能性涂料。
虽然纳米填料在电线电缆已有许多应用实例，在漆包线工艺中借由金属氧化物的加入来提高绝缘涂料的耐电晕性(或称抗突波特性)，也已是公开技术，但因纳米级金属填料容易聚集成微米/次微米等级，若无法有效处理纳米填料的团聚问题，将造成纳米填料在绝缘涂料中的兼容性与分散性变差，导致应用受限，也因此在漆包线市场上罕有量产实例。
美国第4493873、4503124、4537804、4546041号专利提及一般绝缘涂料中加入重量比为15％-35％的氧化铝粒子，其粒径要求为100nm以下，利用高速剪切方式将氧化铝粒子与绝缘涂料混合后，可用以制造具耐电晕特性的漆包线，但若要获得较佳的外观及性能，则必须使用2阶段涂布法。
美国第5917155号与第6056995号专利提到，每100份绝缘涂料加入10-50份粒径为5-250nm的氧化铝，并添加少量二氧化钛作为着色剂，可制备具耐电晕特性的漆包线，但需以三层复合涂布方式，将改质涂料应用于中间层。
中国台湾专利公告第412754号与第481804号专利同样利用氧化铝微粒的添加来提升漆包线的抗突波性能，由于氧化铝有α型及γ型两种主要晶形，文献中特别指出将α型及γ型氧化铝依特定比例并用，可获得较佳的结果。
美国第6100474号专利提出将二氧化硅及氧化铬一同添加于聚酰亚胺涂料中作为面漆，再以一般聚酯涂料作为底层制作漆包线，可增进抗高压、高频的效果，其中二氧化硅的比表面积限定为250-550m2/g。
前述文献数据皆是利用金属氧化物的添加来改善漆包线绝缘涂料的抗突波性能，并同样以高剪切力搅拌或碾磨方式直接将填料混入涂料中。然而纳米微粒具有高表面性能，非常容易再次团聚，而且直接添加于高固含量及高黏度绝缘涂料中，更是难以达到均匀分散，因此填料在涂料中易有沉淀分层现象，除了造成涂料改质后稳定度变差，不易长期保存之外，更会使漆包线机械性能下降，漆膜附着力变差，以至于无法直接应用。故在前述文献中，皆必须以二层或三层涂布方式，借由使用不含纳米填料的一般绝缘涂料作为底漆或面漆，来维持漆包线原有的外观、密着性、耐温及耐磨等基本特性。
为克服金属氧化物填料在高黏度绝缘涂料中不易分散的缺点，中国发明专利申请号第01111926.8号专利提出溶胶状态的纳米级氧化锆、氧化铝、以及二氧化硅填料的应用。将20份以上的纳米填料先分散于各式溶剂是统，形成纳米溶胶后，再添加至绝缘涂料中，制备具抗局部放电性能的漆包线。虽有效改善了外观及可绕性，但摩擦系数却不理想，必须再涂布润滑型面漆，否则会造成后续绕线加工制程困难。
为将微小颗粒物均匀分散至连续相中得到稳定的悬浮体，常会借由分散剂的使用来达到目的。分散剂一般是指表面活性剂，主要是用在防止微粒于连续相中产生絮凝，可使分散体处于稳定状态。纳米填料的分散原理与分散剂的应用是一门复杂的研究，而分散剂在涂料上的使用亦具有选择性，至今尚未有能够适用于各种分散体系的分散助剂，因此如何正确选用合适的分散剂，是纳米填料于绝缘涂料的应用是否成功的重要关键。中国台湾专利公告第412754号专利中虽然提到可添加分散剂来防止聚集沉降，可惜却未能提出实际应用事例。
发明内容
有鉴于现有纳米填料在绝缘涂料中的分散技术仍有可改进之处，本发明的目的在于提供一种含纳米填料的漆包线，其是利用具有高分散度的含二氧化硅的纳米填料而提高绝缘涂料的功能性及降低成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
为达成以上的目的，本发明的含纳米填料的漆包线包括：
一金属导线；
一层以上外覆于该金属导线上的绝缘涂料层，其中至少一层是含有纳米填料，该纳米填料为一改质二氧化硅浆料且包含二氧化硅、有机溶剂以及有机硅烷偶联剂。
前述的含纳米填料的漆包线，其中纳米填料包含一重量份的二氧化硅、10-20重量份的有机溶剂以及0.2-0.6重量份的有机硅烷偶联剂。
前述的含纳米填料的漆包线，其中有机硅烷偶联剂具有下列通式的结构：
R1-(CH2)m-X-(CH2)n-Si-(O-R2)3
其中，R1为甲基、氨基、环氧基、乙烯基或甲基丙烯基；R2为氢基、甲基或乙基；X为CH2或O；m为0-1；n为0-3。
前述的含纳米填料的漆包线，其中含有纳米填料的绝缘涂料层中是将含有1重量份二氧化硅的改质二氧化硅浆料加入25-100重量份合成树脂中。
前述的含纳米填料的漆包线，其中有机溶剂为酚类、碳氢溶剂、酰胺类、酯类、酮类、醇类或上述溶剂的组合溶剂。
前述的含纳米填料的漆包线，其中酚类为酚、甲酚或二甲酚，该酰胺类为N-甲基吡咯烷酮(NMP)或N，N-二甲基乙酰胺(DMA)。
前述的含纳米填料的漆包线，其中绝缘涂料层含有合成树脂，该合成树脂为聚酯树脂、聚亚胺酯树脂、聚胺酯树脂、聚酰胺亚胺酯树脂或聚酯亚胺树脂。
前述的含纳米填料的漆包线，其中含有纳米填料的绝缘涂料层中是将含有1重量份二氧化硅的改质二氧化硅浆料加入25-100重量份合成树脂中。
前述的含纳米填料的漆包线，其中二氧化硅的比表面积是为100-500m2/g。
前述的含纳米填料的漆包线，其中主要应用于变频马达。
本发明中为了使改质涂料与金属导线紧密结合，因此利用有机硅烷偶联剂来提高密着性，有机硅烷类偶联剂常应用在溶剂型表面涂料中，增强涂料对金属底材的附着力。将其应用于纳米填料与漆包线绝缘涂料的混合上，一方面用来加强改质涂料的密着性，另一方面借由有机硅烷偶联剂同时具有极性与非极性官能基，可作为表面活性剂使用，让纳米填料在涂料中展现良好的分散效果，经改质后涂料可兼具稳定与密着性，同时维持漆包线原有机械性能。
此外，本发明使用二氧化硅作为改质填料，相较于其它纳米金属氧化物的售价明显具有成本优势，且由于本发明中二氧化硅的分散性佳，因此二氧化硅浆料的用量亦可大幅减少，可为改质后的漆包线带来大幅经济效益。而二氧化硅浆料用量的减少，可使改质后涂料仍维持原有的特性，不需再以其它添加剂来调整涂料的固成分与黏度，亦不需对漆包线原有制程进行变更，兼具使用与操作上的便利性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一较佳实施例的剖面图。
图2是本发明另一较佳实施例的剖面图。
图3是本发明再一较佳实施例的剖面图。
图中标号说明：
10金属导线            10A金属导线
10B金属导线
20绝缘涂料层        20A绝缘涂料层
20B绝缘涂料层
30绝缘涂料层        30A绝缘涂料层
40绝缘涂料层
具体实施方式
本发明的较佳实施例包含一金属导线以及一层以上外覆于该金属导线上的绝缘涂料层，其中
该金属导线可为圆型或扁型裸铜线、铜包铝线、铝线以及其它合金金属线；
该一层以上的绝缘涂料层中的至少一层含有纳米填料，该纳米填料为一改质二氧化硅浆料且包含一重量份的二氧化硅、10-20重量份的有机溶剂以及0.2-0.6重量份的有机硅烷偶联剂。
该绝缘涂料层是含有合成树脂，该合成树脂可为聚酯树脂、聚亚胺酯树脂、聚胺酯树脂、聚酰胺亚胺酯树脂或聚酯亚胺树脂。
该二氧化硅的比表面积可为100-500m2/g。
该有机溶剂可为酚类、碳氢溶剂、酰胺类、酯类、酮类、醇类或上述溶剂的组合溶剂，其中该酚类可为酚、甲酚或二甲酚，该酰胺类是可为N-甲基吡咯烷酮(NMP)或N，N-二甲基乙酰胺(DMA)。
该有机硅烷偶联剂具有下列通式的结构：
R1-(CH2)m-X-(CH2)n-Si-(O-R2)3
其中，R1为甲基、氨基、环氧基、乙烯基或甲基丙烯基；R2为氢基、甲基或乙基；X为CH2或O；m为0-1；n为0-3。
该改质二氧化硅浆料是可以下列方式制备：
1.取1重量份二氧化硅加入10-20份有机溶剂，在20-30℃搅拌使其均匀分散于有机溶剂中。
2.加入0.2-0.6重量份有机硅烷偶联剂，调整溶液酸碱度至pH值为2-6之间，在20-40℃下反应3-10小时，得到改质二氧化硅浆料。
该含纳米填料的绝缘涂料是以下列方式制备：将上述改质二氧化硅浆料加入25-100重量份合成树脂中，在20-30℃下以均质机搅拌1-2小时，即完成含纳米填料的绝缘涂料。
利用本发明的较佳实施例所完成的漆包线具有良好的机械与绝缘性质，主要可应用于变频马达。
下列实施例用于示范说明本发明。这些实施例不以任何方式意欲限制本发明的范围，但用于指示如何实施本发明的材料及方法。
比较例及实施例的材料与制备方式：
一、使用材料及设备说明：
1.聚酯亚胺涂料：铜陵西瓦公司生产，型号MT533-39，黏度于25℃为2.5帕·秒(Pa·s)，固形份39％。
2.聚酯涂料：福保化学公司生产，型号LITON-3338ST，黏度于30℃为1.7帕·秒，固形份38％。
3.聚酰亚胺涂料：福保化学公司生产，型号NH-AI-32P，黏度于30℃为1.0帕·秒，固形份32％。
4.二氧化硅：Cabot公司生产，型号M-5，比表面积200m2/g，一次粒径为15nm。
5.均质机：德国工KA公司，型号T50，转速4000-10000rpm。
二、比较例与实施例的制备方式：
1.比较例1：
将未添加二氧化硅的聚酯亚胺涂料，单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，涂布条件如下：
涂布方式：眼模
涂布回数：7-10回
线速：20-30公尺/分钟
烘烤炉温：450-520℃
其漆包线成品特性示于表一。
2.比较例2：
取3重量份二氧化硅加入100重量份聚酯亚胺涂料中，以均质机搅拌至均匀分散后，再以三滚筒机混练5回，依比较例1的条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表一。
3.实施例1：
(1)改质二氧化硅浆料制备：
取1重量份二氧化硅，加入10重量份由乙醇、丙酮、甲酚、二甲苯以及其它碳氢溶剂所组成的有机溶剂，在20-30℃下搅拌至均匀分散后，加入0.2重量份3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，并将溶液酸碱度调至pH值为6，于20-40℃下反应3小时，得到改质二氧化硅浆料。
(2)含纳米填料的漆包线制作：
将上述改质二氧化硅浆料加入100重量份聚酯亚胺涂料中，以均质机搅拌至均匀分散后，依比较例1条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表一。
4.实施例2：
(1)改质二氧化硅浆料制备：
取2重量份二氧化硅，加入30重量份由乙醇、丙酮、甲酚、二甲苯、及其它碳氢溶剂所组成的有机溶剂，在20-30℃下搅拌至均匀分散后，加入0.8重量份3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，并将溶液酸碱度调至pH值为5，于20-40℃下反应5小时，得到改质二氧化硅浆料。
(2)含纳米填料的漆包线制作：
将上述改质二氧化硅浆料加入100重量份聚酯亚胺涂料中，以均质机搅拌至均匀分散后，依比较例1条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表一。
5.实施例3：
(1)改质二氧化硅浆料制备：
取3重量份二氧化硅，加入50重量份由乙醇、丙酮、甲酚、二甲苯、及其它碳氢溶剂所组成的有机溶剂，在20-30℃下搅拌至均匀分散后，加入1.5重量份3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，并将溶液酸碱度调至pH值为5，于20-40℃下反应8小时，得到改质二氧化硅浆料。
(2)含纳米填料的漆包线制作：
将上述改质二氧化硅浆料加入100重量份聚酯亚胺涂料中，以均质机搅拌至均匀分散后，依比较例1条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表一。
表一：各比较例与实施例的成品特性
性能测试(1)   比较例1   比较例2   实施例1   实施例2   实施例3
  外观   良   稍粗   良   良   良
  密着性   良   良   良   良   良
  伸长率(％)   32.8   33.8   33.6   34.7   36.3
  摩擦系数   0.05   0.075   0.05   0.055   0.05
  单向耐磨   952   866   960   996   1040
  往复耐磨   48   68   84   216   272
  耐热冲击   OK   10破6   OK   OK   OK
  耐软化温度(℃) 337 359 340 364 373
  绝缘破坏电压(kV) 7.11 10.77 8.29 9.98 12.90
  抗突波寿命(min)(2) 6 256 16 66 575
注：(1)各项性能测试是依NEMA MW-30C标准进行评估。
(2)漆包线样品先依绝缘破坏电压测试的对绞法制作对绞试片，再置于连接变频器的恒温炉中，于195℃下测试绝缘破坏时间。变频器输出电压为520V、主频60Hz、载波15kHz、正弦方波载波电压峰值为1.4kV。
表一结果显示，使用已添加改质二氧化硅浆料的绝缘涂料制作漆包线，在耐磨性、耐软化温度、绝缘破坏电压、以及抗突波寿命等皆有明显提升，且二氧化硅先经改质后再与绝缘涂料混合，其兼容性佳，不会破坏涂料原有特性，即使仅以单层涂布，亦能展现良好性能。而相较下，二氧化硅未经改质直接添加于绝缘涂料中，因兼容性差，即使在部分特性仍有补强效果，但耐磨耗表现与耐热冲击却明显下降。
6.比较例3：
将未添加二氧化硅的聚酯涂料，依比较例1条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表二。
7.实施例4：
将3重量份二氧化硅与100重量份聚酯涂料中按实施例3步骤依序制备含纳米填料的绝缘涂料，再依比较1条件单层涂布于线径0.50mm铜材上制作线样，其成品特性示于表二。
表二：比较例与实施例的成品特性
  性能测试(3)   比较例3   实施例4
  外观   良   良
  密着性   良   良
  伸长率(％)   31.3   36.5
  摩擦系数   0.05   0.05
  单向耐磨   822   870
  往复耐磨   66   104
  耐热冲击(A)(4)   OK   OK
  耐热冲击(B)(5)   10破6   10破1
  耐软化温度(℃)   314   328
  绝缘破坏电压(kV)   8.02   10.43
  抗突波寿命(min)(2)   11   94
注：(3)各项性能测试是依NEMA MW-5C标准进行评估。
(4)依CNS 2183标准，将漆包线试片卷绕3倍径，于150℃下加热1小时进行测试评估。
(5)依NEMA MW-5C标准，将漆包线试片拉伸20％后卷绕3倍径，于175℃下加热0.5小时进行测试评估。
表二结果同样显示，添加经改质二氧化硅后，漆包线在各项特性皆有明显提升，即使以单层涂布，亦可展现良好性能。
请参照图1所示，其是于金属导线10上外覆一添加改质二氧化硅浆料的绝缘涂料层20，以制作具有单层绝缘涂料层的漆包线。请参照图2所示，其是于金属导线10A上外覆一添加改质二氧化硅浆料的绝缘涂料层20A，而后再涂布一层绝缘涂料层30以制作具有双层绝缘涂料层的漆包线。请参照图3所示，其是先于金属导线10B上外覆一绝缘涂料层40，再涂布一添加改质二氧化硅浆料的绝缘涂料层20B，最后再涂布一绝缘涂料层30A以制作具有三层绝缘涂料层的漆包线。
本发明的较佳实施例是使用二氧化硅作为漆包线绝缘涂料填料，选用的二氧化硅一次粒径平均为15纳米(nm)，因此具有高表面能，相当容易团聚成微米等级，在与合成树脂混合前必须先以有机硅烷偶联剂进行分散处理。
本发明的较佳实施例因此将纳米级的二氧化硅粒子与长链端带有甲基、氨基、环氧基、乙烯基或甲基丙烯基的有机硅烷偶联剂一同加入有机溶剂中，在酸性环境下进行反应，形成改质二氧化硅浆料。改质二氧化硅浆料在绝缘涂料中分散度极佳，使用均质机快速搅拌后，即可与涂料均匀混合，并适用于单层及多层涂布。同时因纳米填料分散度佳，每100重量份绝缘涂料中仅需添加1-4重量份二氧化硅即可显现出良好的功能性，而使用单层涂布所制作的漆包线，除了抗突波特性外，包括伸长率、耐磨性、耐软化温度、绝缘破坏电压、耐热冲击特性等亦皆有明显提升。
此外，相较于其它纳米金属氧化物的售价，使用二氧化硅作为改质填料明显具有成本优势，除了材料单价相对便宜许多，用量上亦大幅减少，同时二氧化硅浆料制备过程亦不需复杂或昂贵的设备，可为改质后漆包线带来大幅经济效益。而二氧化硅浆料用量的减少，可使改质后涂料仍维持原有的特性，不需再以其它添加剂来调整涂料的固成分与黏度，亦不需对漆包线原有制程进行变更，兼具使用与操作上的便利性。

Claims (10)

1.一种含纳米填料的漆包线，其特征在于，其包括：
一金属导线；
一层以上外覆于该金属导线上的绝缘涂料层，其中至少一层是含有纳米填料，该纳米填料为一改质二氧化硅浆料且包含二氧化硅、有机溶剂以及有机硅烷偶联剂。
2.根据权利要求1所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述纳米填料包含一重量份的二氧化硅、10-20重量份的有机溶剂以及0.2-0.6重量份的有机硅烷偶联剂。
3.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述有机硅烷偶联剂具有下列通式的结构：
R1-(CH2)m-X-(CH2)n-Si-(O-R2)3
其中，R1为甲基、氨基、环氧基、乙烯基或甲基丙烯基；R2为氢基、甲基或乙基；X为CH2或O；m为0-1；n为0-3。
4.根据权利要求3所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述含有纳米填料的绝缘涂料层中是将含有1重量份二氧化硅的改质二氧化硅浆料加入25-100重量份合成树脂中。
5.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述有机溶剂为酚类、碳氢溶剂、酰胺类、酯类、酮类、醇类或上述溶剂的组合溶剂。
6.根据权利要求5所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述酚类为酚、甲酚或二甲酚，该酰胺类为N-甲基吡咯烷酮(NMP)或N，N-二甲基乙酰胺(DMA)。
7.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述绝缘涂料层含有合成树脂，该合成树脂为聚酯树脂、聚亚胺酯树脂、聚胺酯树脂、聚酰胺亚胺酯树脂或聚酯亚胺树脂。
8.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述含有纳米填料的绝缘涂料层中是将含有1重量份二氧化硅的改质二氧化硅浆料加入25-100重量份合成树脂中。
9.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：所述二氧化硅的比表面积是为100-500m2/g。
10.根据权利要求1或2所述的含纳米填料的漆包线，其特征在于：主要应用于变频马达。
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