CN107636226A - 芳纶纸及其制备方法 - Google Patents

Abstract

芳纶纸，其由混合物形成，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，所述芳纶纸具有满足下述不等式(1)和(2)的沉析纤维含量和厚度：40≤[FB]≤90(1)；[厚度]/([短纤维的纤维直径]×2)≤1.25(2)；式中，[FB]为芳纶纸中的沉析纤维的含量(重量%)。

Description

芳纶纸及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐热性高的电气绝缘材料。更详细而言，涉及薄且强度高的芳纶纸。

背景技术

开发了由可赋予纸改善的强度和/或热稳定性的高性能材料制备的纸。例如，芳纶纸为由芳族聚酰胺制成的合成纸，由于其优异的耐热性、耐燃性、电气绝缘性、韧性和柔性，而被用作电气绝缘材料和飞机蜂窝结构用基材。在这些材料中，含有DuPont(美国)的Nomex(注册商标)纤维而成的纸通过在水中混合聚(间苯二甲酰间苯二胺)短纤维和沉析纤维，接着将混合而得的浆粕抄纸，然后进行压光加工来制备。已知甚至在高温中，该纸仍然在具有高强度和高韧性的同时，具有优异的电气绝缘性。

近年来，由于变压器、电动机等需要绝缘材料的设备的小型化、轻量化，进一步要求耐热性高且薄的绝缘材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供耐热性高且薄的电气绝缘片材。

本发明的目的还在于，提供上述电气绝缘片材的制备方法。

本发明人鉴于上述情况，为了开发应对变压器、电动机等的小型化、轻量化的耐热性高且薄的绝缘材料，进行了深入研究，结果达成本发明。

即，在第一实施方式中，本发明提供芳纶纸，其由混合物形成，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维(fibrid)和短纤维的混合物，所述芳纶纸具有满足下述不等式(1)和(2)的沉析纤维含量和厚度：

40≤[FB]≤90 (1)

[厚度]/([短纤维的纤维直径]×2)≤1.25 (2)

式中，[FB]为芳纶纸中的沉析纤维的含量(重量%)。

另外，在第二实施方式中，本发明提供第一实施方式所述的芳纶纸的制备方法，其包括在至少一对发热体间夹持由混合物形成的芳纶纸进行热压加工，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，且使用上述发热体的热压加工后的上述芳纶纸的收缩率为3%以下。

此外，在第三实施方式中，本发明提供第一实施方式所述的芳纶纸的制备方法，其包括：在至少一对发热体间夹持由混合物形成的芳纶纸，在施加1000kg/cm²以上的压力的同时，由上述发热体供给以下式(3)表示的热量Q (J/m²)，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，

Q≥[BW]×c×(Tg-t) (3)

式中，[BW]为树脂片材的基重(basic weight)(g/m²)，c为上述芳纶纸的比热(J/g/K)，Tg为上述芳纶纸的玻璃化转变温度(℃)，t为被发热体夹持前的上述芳纶纸的温度(℃)，上述发热体的表面温度为Tg以下。

下面，详细地对本发明进行说明。

具体实施方式

(芳纶)

在本发明中，芳纶指酰胺键的60%以上与芳环直接键合的线形高分子化合物(芳族聚酰胺)。作为如上所述的芳纶，例如可列举出聚间苯二甲酰间苯二胺及其共聚物、聚对苯二甲酰对苯二胺及其共聚物、共聚对苯二甲酰对苯二胺・3,4’-二苯醚等。这些芳纶例如可以通过使用间苯二甲酰氯和间苯二胺的以往已知的界面聚合法、溶液聚合法等在工业上制备，作为市售品获取，但并不限定于此。在这些芳纶中，聚间苯二甲酰间苯二胺由于具备良好的成型加工性、热粘接性、阻燃性、耐热性等特性的方面而优选使用。

(芳纶沉析纤维)

在本发明中，芳纶沉析纤维为具有抄纸性的膜状的芳纶粒子，也被称为芳纶浆粕(参照日本特公昭35-11851号公报、日本特公昭37-5732号公报等)。

众所周知，芳纶沉析纤维与通常的木材浆粕同样，实施离解、打浆处理而作为抄纸原料使用，为了保持适合抄纸的品质可实施所谓的打浆处理。该打浆处理可通过圆盘精研机、打浆机、其它产生机械切断作用的抄纸原料处理设备来实施。在该操作中，沉析纤维的形态变化可通过日本工业规格P8121中规定的游离度试验方法(排水度)监测。在本发明中，实施打浆处理后的芳纶沉析纤维的游离度优选在10~300cm³ (加拿大标准游离度)的范围内。若为比该范围大的游离度的沉析纤维，则由其成型的耐热性电气绝缘片材的强度有可能降低。另一方面，若想要得到比10cm³小的游离度，则投入的机械动力的利用效率变小，另外每单位时间的处理量多半会变少，此外沉析纤维的微细化过度进行，因此容易导致所谓的粘结剂功能降低。因此，即使想要得到比10cm³小的游离度，也确认不到显著的优点。

在本发明的芳纶纸中，由于芳纶沉析纤维作为粘结剂具有优异的特性，所以可有效地对微粒和其它的添加成分进行补充，在本发明的芳纶纸的制备中，在原料成品率变得良好的同时，在片材内重叠成层状，可减少贯通孔，提高电气绝缘性。

(芳纶短纤维)

在本发明中，芳纶短纤维是将芳纶作为材料的纤维切断而成，作为这样的纤维，例如可列举出可以帝人(株)的“TEIJINCONEX(注册商标)”、 DuPont公司的“Nomex (注册商标)”等商品名获取的纤维，但并不限定于此。

芳纶短纤维的长度通常可从1mm以上且低于50mm、优选2~10mm的范围选择。若短纤维的长度比1mm小，则片材的力学特性降低，另一方面，50mm以上的短纤维在用湿式法制备芳纶纸时容易产生“缠绕”、“结捆”等，容易导致缺陷。

芳纶短纤维的纤维直径可从优选0.1~25μm、更优选1~20μm的范围选择。

(芳纶纸)

在本发明中，芳纶纸为主要由所述芳纶沉析纤维和芳纶短纤维构成的片状物，具有满足下述不等式(1)和(2)的沉析纤维含量和厚度：

40≤[FB]≤90 (1)

[厚度]/([短纤维的纤维直径]×2)≤1.25 (2)

式中，[FB]为芳纶纸中的沉析纤维的含量(重量%)。若沉析纤维的含量变得比40重量%少，则芳纶纸成为更为多孔的结构，容易导致对电气绝缘性造成妨碍。另外，若变得比90重量%大，则短纤维的含量相对地变少，在下述至少一对发热体间夹持而进行热压加工后的上述芳纶纸的收缩率超过3%，由于因收缩导致的厚度增加，变得难以具有上述(2)式的范围的厚度。

芳纶纸一般通过将所述芳纶沉析纤维和芳纶短纤维混合后进行片材化的方法来制备。具体而言，例如可应用以下方法：在将上述芳纶沉析纤维和芳纶短纤维干式混合后，利用气流形成片材的方法；将芳纶沉析纤维和芳纶短纤维在液体介质中分散混合后，排出到液体透过性的支撑体(例如网或带)上制成片材，除去液体并干燥的方法等；其中优选选择使用水作为介质的所谓湿式抄造法。

在湿式抄造法中，通常的方法是：在将至少含有芳纶沉析纤维、芳纶短纤维的单一或混合物的水性浆粕输送至抄纸机进行分散后，通过进行脱水、榨水和干燥操作，从而以片材的形式进行卷绕。作为抄纸机，利用长网抄纸机、圆网抄纸机、倾斜型抄纸机和将它们组合而成的联合抄纸机等。在用联合抄纸机进行制备的情况下，可以通过将配合比率不同的浆粕进行片材成型并合而为一，得到由多个纸层构成的复合体片材。在抄造时根据需要使用分散性改善剂、消泡剂、纸力增强剂等添加剂。

另外，除此以外，还可添加其它的纤维状成分(例如聚苯硫醚纤维、聚醚醚酮纤维、纤维素系纤维、PVA系纤维、聚酯纤维、聚芳酯纤维(アリレート繊維)、液晶聚酯纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维等有机纤维，玻璃纤维、石绒、石棉、硼纤维等无机纤维玻璃纤维)。

芳纶纸一般具有5~1000g/m²、优选15~200g/m²的范围内的基重。

芳纶纸的拉伸强度在优选0.5kgf/15mm以上、更优选1kgf/15mm以上的范围内。此外，芳纶纸的透气度在优选3000秒以上、更优选4000秒以上的范围内。

(热压加工)

已知通过将如上所述得到的芳纶纸在一对发热体间以高温高圧进行热压，密度、结晶度、耐热性、尺寸稳定性和机械强度提高。关于热压的条件，优选在上述发热体间夹持而进行热压加工后的上述芳纶纸的收缩率为3%以下。若上述收缩率超过3%，则由于因收缩导致的厚度增加，变得难以具有上述(2)式的范围的厚度。上述收缩率更优选为2%以下，进一步优选为1.5%以下。

此外，优选在至少一对发热体间夹持上述芳纶纸，在施加1000kg/cm²以上的压力的同时，由上述发热体向每单位面积的芳纶纸供给以下式(3)表示的热量Q (J/m²)：

Q≥[BW]×c×(Tg-t) (3)

（式中，[BW]为树脂片材的基重(g/m²)，c为上述芳纶纸的比热(J/g/K)，Tg为上述芳纶纸的玻璃化转变温度(℃)，t为被发热体夹持前的上述芳纶纸的温度(℃)，上述发热体的表面温度为Tg以下），则也可将上述收缩率控制在3%以内，并且通过充分的热压，短纤维本身也变形，可制备更薄的片材。

作为上述热压加工，例如在上述芳纶纸的基重为20g/m²、比热为1.89J/g/K、玻璃化转变温度为275℃、被金属辊夹持前的温度为20℃时，在使用金属制辊作为发热体的情况下，若表面温度为100~275℃、金属辊与芳纶纸接触的外周长设为例如1mm，则可示例出从线压为100kg/cm以上的金属辊向芳纶纸的供给热量为9640J/m²以上，但并不限定于此。也可以任意的顺序进行多次上述热压加工。

(玻璃化转变温度)

在本发明中，玻璃化转变温度是：以3℃/分钟的比例将试验片从室温升温，用差示扫描量热计测定发热量，在吸热曲线上引2条延长线，由延长线间的1/2直线与吸热曲线的交点求得的值；实施例中使用的芳纶纸的玻璃化转变温度为275℃。

(比热)

在本发明中，关于比热，以3℃/分钟的比例将试验片从室温升温，用差示扫描量热计测定比热。实施例中使用的芳纶纸的比热为1.89J/g/K。

下面，列举实施例来更具体地说明本发明。需说明的是，这些实施例只是示例，不用于对本发明的内容进行任何限定。

实施例

(测定方法)

(1) 收缩率

测定压光加工前后的芳纶纸的宽度，用下列式计算。

[压光加工后的芳纶纸的宽度]/[压光加工前的芳纶纸的宽度]×100%

(2) 基重、厚度的测定

依据JIS C2300-2实施。

关于厚度偏差，测定连续的40个点的厚度，将其标准偏差作为厚度偏差。

(3) 密度的计算

用基重÷厚度计算。

(4) 拉伸强度的测定

以15mm的宽度、50mm的卡盘间隔、50mm/分钟的拉伸速度使用Tensilon拉伸试验机实施。

(5) 透气度

将使用王研式透气度仪(旭精工社制KG-2)测定的透气度换算为格利(Gurley)式透气度。对于一系列的片材，该时间越短则越为多孔，因而可以说电气绝缘性低。

(原料制备)

使用日本特开昭52-15621号公报中记载的由定子和转子的组合构成的浆粕粒子的制备装置(湿式沉淀机)，制备聚间苯二甲酰间苯二胺的沉析纤维。将其用离解机、打浆机进行处理，将长度加权平均纤维长度调节为0.9mm (芳纶沉析纤维的游离度：100ml (加拿大游离度))。另一方面，将DuPont公司制间位芳纶纤维(Nomex (注册商标)，单丝纤度为2但尼尔，纤维直径为15μm)切断成长度6mm (下面记为“芳纶短纤维”)。

(实施例1~4)

(芳纶纸的制备)

将如上所述制备的芳纶沉析纤维和芳纶短纤维各自在水中分散来制备浆粕。将这些浆粕混合使得芳纶沉析纤维和芳纶短纤维为表1中示出的各配合比率(重量比)，用TAPPI式手动抄纸机(截面积为625cm²)制备片状物。接着，将其在金属制压光辊上进行调整，使得辊与芳纶纸接触的外周长为1mm，并以表1中示出的各压光条件进行热压加工(被发热体夹持前的芳纶纸的温度为20℃)，得到芳纶纸。将如上所述得到的芳纶纸的主要特性值示出于表1中。

[表1]

表1

根据表1的结果，由于将本发明(实施例1~4)的芳纶纸的收缩率控制在3%以内，所以厚度越满足下式(2)

[厚度]/([短纤维的纤维直径]×2)≤1.25 (2)，

越充分地变薄，另外由于使用强度也高，透气度也充分地高，本质上耐热性高的芳纶原料，所以作为变压器、电动机等的绝缘材料有用。

(比较例1~3)

(芳纶纸的制备)

将如上所述制备的芳纶沉析纤维和芳纶短纤维各自在水中分散来制备浆粕。将这些浆粕混合使得芳纶沉析纤维和芳纶短纤维为表2中示出的各配合比率(质量比)，用TAPPI式手动抄纸机(截面积为625cm²)制备片状物。接着，将其在金属制压光辊上进行调整，使得辊与芳纶纸接触的外周长为1mm，并以表2中示出的各压光条件进行热压加工(被发热体夹持前的芳纶纸的温度为20℃)，得到芳纶纸。将如上所述得到的芳纶纸的主要特性值示出于表2中。

[表2]

表2

由上述表2可知，比较例1~3的芳纶纸的透气度小。此外，由于比较例1的芳纶纸的强度小，比较例2和3的芳纶纸的收缩率高，所以厚度变大，作为绝缘材料认为难以应对变压器、电动机等设备的小型化、轻量化。

Claims (3)

1.芳纶纸，其由混合物形成，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，所述芳纶纸具有满足下述不等式(1)和(2)的沉析纤维含量和厚度：

40≤[FB]≤90 (1)

[厚度]/([短纤维的纤维直径]×2)≤1.25 (2)

式中，[FB]为芳纶纸中的沉析纤维的含量(重量%)。

2.权利要求1所述的芳纶纸的制备方法，其包括在至少一对发热体间夹持由混合物形成的芳纶纸进行热压加工，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，

且利用上述发热体的热压加工后的上述芳纶纸的收缩率为3%以下。

3.权利要求1所述的芳纶纸的制备方法，其包括：在至少一对发热体间夹持由混合物形成的芳纶纸，在施加1000kg/cm²以上的压力的同时，由上述发热体供给以下式(3)表示的热量Q (J/m²)，所述混合物为由芳族聚酰胺形成的沉析纤维和短纤维的混合物，

Q≥ [BW]×c×(Tg-t) (3)

式中，[BW]为树脂片材的基重(g/m²)，c为上述芳纶纸的比热(J/g/K)，Tg为上述芳纶纸的玻璃化转变温度(℃)，t为被发热体夹持前的上述芳纶纸的温度(℃)，上述发热体的表面温度为Tg以下。