CN1129343A

CN1129343A - 开关的绝缘结构

Info

Publication number: CN1129343A
Application number: CN95116870A
Authority: CN
Inventors: 胜部俊一; 上元利和; 山崎悟; 福谷和则; 仁科健一; 山县伸示
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2015-09-12
Also published as: JP3298340B2; KR960025886A; EP0717423B1; EP0717423A1; DE69513493D1; DE69513493T2; KR100197052B1; CN1046054C; TW291564B; JPH08171831A

Abstract

一种开关的绝缘结构，即由一有机/无机复合材料模塑的外壳或内部部件，通过在模塑绝缘结构中加入冲击吸收成分，可使该结构承受在开关大容量断路时结构有机成分产生的分解气体所造成的开关内部气压的增加，而不致发生形变、裂纹或破损损坏，同时改善耐热性、低吸湿性、可模塑性和可机加工性等。该复合材料包括尼龙6、尼龙66、聚链烯烃离子型聚合物及增强剂，或包括尼龙6、尼龙66、尼龙MXD6、乙烯/α-链烯烃共聚物及增强剂。

Description

开关的绝缘结构

本发明涉及一种开关的绝缘结构，所述开关包括一种有机复合材料制成的一模塑物，所述结构可承受电路断开时开关内部气压增加所造成的冲击。更具体讲，本发明涉及构成开关的模塑绝缘结构，该结构包括一外壳及内部部件，所述结构即使是经受在切断电流时由于从外壳及内部部件产生的分解气体的爆炸性膨胀所造成的开关内部压力增加的冲击，也不会出现形变、裂纹或断裂破坏。

图1是一种普通电路开关的立体示意图。图中，数字1、2和5分别表示一盖部、一底座和一手柄。图2是图1中所示电路开关在去掉盖部后的示意图，其中的横向联动杆3、跳闸杆4、手柄5、可动接触部的触点6和固定接触部的触点7显示在图3至图6中。横向联动杆3、跳闸杆4和手柄5一般用一种有机复合材料模塑成绝缘结构的构件。

在开关中(如电流开关)中，当带电的可动接触部触点6与固定接触部触点7之间断开时，在二个触点之间会起弧。由于电弧的作用，触点附近及开关内部的有机材料热分解并产生气体，使得开关内部的气压急剧增加。增加的气压对开关的壳体(如盖部1和底座2)以及内部部件(例如手柄5、横向联动杆3和跳闸杆4)造成冲击。

传统电路开关中的绝缘结构由酚醛树脂或聚酯制成。酚醛树脂制成的结构中常包括50％重量比的酚醛树脂，30％重量比的木粉，15％重量比的无机填料以及5％重量比的颜料及其它添加剂。开关中的聚酯绝缘结构，如聚酯的外壳由JP-A-202277进行了公开(“JP-A”表示已公告但未进行审查的日本专利申请)。此外，已知的还有包括25％重量比的未饱和聚酯，60％重量比的碳酸钙，15％重量比的玻璃纤维的壳体；包括70％重量比的聚对苯二甲酸丁二醇酯/和30％重量比的玻璃纤维的手柄；包括55％重量比的酚醛树脂和45％重量比的玻璃纤维的横向联动杆；包括70％重量比的聚对苯二甲酸丁二醇酯和30％重量比的玻璃纤维的跳闸杆。

在一个体积减小、容量加大的开关(如电流开关)断路时，上述在开关内由于有机材料热分解造成的气压上升比一般情况下更加剧烈，特别是在大容量开关断路时，电弧气体几乎是爆炸性的。因此，前述的传统材料不足以防止在断路后产生形变、裂纹或断裂破坏。

本发明通过将一种吸收冲击的成份加入组成开关绝缘部件的模塑材料中来解决上述传统技术中存在的问题。因而本发明的目的在于提供一种开关的绝缘结构，亦即壳体或内部部件，包括由有机/无机复合材料制成的模塑物，该结构在开关大电流容量断路时可以承受由于结构中的有机材料分解所产生的气体在开关内造成的气压增加，不致于出现形变、裂纹或断裂破坏。

根据本发明一种开关的绝缘结构是一种有机复合材料的模塑物，该有机复合材料包括作为基质树脂的尼龙6、尼龙66和尼龙MXD 6，此外还包括作为吸收冲击成份的乙烯/α-链烯烃共聚物以及增强剂(以下称第一实施例)。

根据本发明的一种开关的另一种绝缘结构是一种有机复合材料的模塑物，该有机复合材料包括作为基质树脂的尼龙6和尼龙66，此外还包括作为吸收冲击成份的聚链烯烃离子型聚合物以及增强剂(以下称第二实施例)。

图1是显示一种电路开关外观的立体简图；

图2是所述电路开关去掉盖部后的立体简图；

图3是一可动接触部触点和一固定接触部触点的立体图；

图4是一个手柄的立体图；

图5是一个横向联动杆的立体图；

图6是一个跳闸杆的立体图；

图7是一盖部的立体图。

本发明第一实施例的开关绝缘结构的有机复合材料优选地包括作为基质树脂的35-39％重量比的尼龙6，8-12％重量比的尼龙66和1-3％重量比的尼龙MXD 6，作为吸收冲击成份的7-9％重量比的乙烯/α-链烯烃共聚物，以及40-45％重量比的增强剂。上述成份比为占有机复合材料的总重量的百分比。具有上述成份的有机复合材料可进行注塑成型，以得到每一绝缘结构。

上述有机复合材料的特点在于尼龙6和尼龙66的这种组合中没有芳香环，且可改进其灭弧性能。此外，将尼龙6和尼龙66结合起来使用延迟了基质的晶化，从而有利于模塑物的光泽。更进一步，通过在尼龙6和尼龙66中加入尼龙MDX 6，可优选地在注塑模具上加上一骤冷装置，这样该模具可在注塑树脂的同时冷却，以降低与绝缘结构的表面相接触的模具的温度。这样做使得尼龙MXD 6晶化可能性更小，从而进一步改善了模塑物的光泽。另外，由于所述基质树脂是热塑性塑料，因此有可能减少模塑中的固化时间，并获得一个形状简单、甚至壁很薄的模塑物。

这里使用的术语“尼龙”表示一种普通的合成线性聚酰胺树脂。这里所用的名称“尼龙mn表示一种具有m个碳原子的双胺(NH₂(CH₂)m)NH₂)与具有n个碳原子的二元酸(HOOC(CH₂)_n－2COOH)的缩聚物。这里所用的名称“尼龙n”表示一种具有n个碳原子的ω-氨基酸(H₂N(CH₂)_n－1COOH)或具有n个碳原子的内酰胺的聚合物。

所述第一实施例的有机复合材料包括吸收冲击的成份乙烯/α—链烯烃共聚物。该共聚物几乎是不吸湿的，因而使得由此获得的模塑物吸湿性降低，耐冲击性能、可机加工性能(如可攻丝性能)和耐冲击疲劳性能增强。

在所述第一实施例中使用的乙烯/α-链烯烃共聚物优选地包括可达3％摩尔百分比的α-链烯烃，例如丙烯和甲基戊烯，以作为共聚单体成份。

上述成份的优选成份比以下述对多种成份比进行实验所得的结果为依据来进行确定。

如果有机复合材料中尼龙66的比例超过12％重量比，所得模塑物的外观将被毁坏。如果该成份小于8％重量比，所得模塑物的耐热性能趋于降低。

若模塑时模具温度低于120℃，则在本发明特定有机复合材料中的尼龙MXD 6成为非晶形的，从而造成令人满意的外观。如果尼龙6的比例小于1％重量比，外观将被毁坏；如果该成份超过3％重量比，则尼龙MXD 6中的芳香环将在电路断开时对绝缘性能产生有害影响。

如果乙烯/α-链烯烃共聚物超过9％重量比，或者如果增强剂的比例小于40％重量比，则所获模塑物将缺乏足够的刚性。如果乙烯/α-链烯烃共聚物比例小于7％重量比，或者如果一种或几种增强剂比例超过45％重量比，则所获模塑物将缺乏足够的耐冲击性能。

所述第二实施例的开关的绝缘结构有机复合材料优选地包括25-27％重量比、具体为26％重量比的尼龙6，23-25％重量比、具体为24％的尼龙66，作为基质树脂，以及6-8％重量比、具体为7％重量比的作为吸收冲击成份的聚链烯烃离子型聚合物，以及42-44％重量比、具体为43％重量比的增强剂。

上述有机复合材料的特征在于所述基质树脂是一种包括尼龙6和尼龙66的热塑性树脂，所以模塑时的固化时间可以缩短，并可得到外形复杂、甚至壁很薄的模塑物。此外，作为一种吸收冲击成份化合的聚链烯烃离子型聚合物起一种弹性成份的作用，以改善耐冲击性能和灭弧性能。

由于该复合材料包括一几乎不吸湿的聚链烯烃离子型聚合物以及一增强剂，因此所得绝缘结构吸湿性降低。此外，加入聚链烯烃离子型聚合物改善了物理可加工性能，如可攻丝性能，同时还改善了其耐冲击疲劳的性能。

所述第二实施例中的聚链烯烃离子型聚合物并没有具体限定，它可以是具有以离子键交联的聚链烯烃链的普通热塑性树脂。优选的例子可以是经过调节或未调节的EPDM(乙烯/丙烯/二烯/单体)橡胶，和乙烯、异丁烯酸-锌中和产物与丙烯酸酯的三元共聚物。

以下将说明本发明第一实施例和第二实施例所使用的增强剂。根据本发明的开关绝缘结构是一种有机复合材料的模塑物，该有机复合材料包含树脂、一吸收冲击成份和至少一种增强剂。该增强剂用于改善抗压强度、刚性和灭弧性能。所述增强剂包括至少一种从玻璃纤维、无机矿物质和陶瓷纤维中选出的材料。

开关绝缘结构的增强剂中的杂质在大电流断路时的电弧高温作用下分解为分子气体。在这些杂质里，元素周期表第IA族金属(如锂、钠、钾、铷、铯或钫)的化合物在电弧加热作用下分解成导电的离子气体，所产生的导电离子对灭弧产生干扰，并降低开关的灭弧性能。此外，该导电离子与周围产生的其它离子气体化学结合并沉积在开关的内部表面，由于这些沉积物具有导电性，因此成为开关断路后绝缘性能破坏的一个原因。

实验结果表明，当增强剂中位于元素周期表第IA族金属的金属氧化物(例如Na₂O、K₂O或Li₂O)成份超过1％重量比时，灭弧性能大大降低。不对灭弧性能造成影响的该增强剂金属化合物成份比例范围为不大于0.6％重量比，最好不大于0.15％重量比。去除IA族金属氧化物将增加增强剂纯化的成本。在不造成纯化成本增加的前提下，一个不会大大破坏灭弧性能和绝缘性能的该金属氧化物优选成份比例为增强剂总重量的0.1-0.6％重量比范围。

用于制成增强剂的无机矿物质具体实例包括：碳酸钙、粘土、滑石、云母、过氧化钡、氧化铝、锆石、堇青石、暗霞响岩、硅灰石、白云母、碳酸镁、白云石、硫酸镁、硫酸铝、硫酸钾、硫酸钡、氟化锌和氟化镁。这些物质对于改善耐热形变性能和提供尺寸稳定性都非常有效。

碳酸钙、滑石、硅灰石、过氧化钡、氧化铝、碳酸镁、硫酸镁、硫酸铝、硫酸钾、硫酸钡、氟化锌和氟化镁都是优选的增强剂，因为它们能够满足对IA族金属的化合物总成份的要求。

考虑到抗压强度，碳酸钙最好用一表面调节剂处理，比如脂族调节剂(如硬脂酯)，以改善在基质树脂中的分散性。

这里所用术语“陶瓷纤维”表示由陶瓷制成的纤维材料。只要满足上述关于IA族金属金属化合物总成份的条件，对所述陶瓷纤维没有特别的限制。所述陶瓷纤维的具体实例包括：硅酸铝纤维、硼酸铝晶须、氧化铝晶须。它们都有益于改善灭弧性能和增加抗压强度。

从抗压强度的角度来考虑，所述陶瓷纤维最好直径为1至10微米，长度直径比不小于10。

所述模塑绝缘结构中使用的增强剂优选地为含纤维的增强剂，以增强模塑物的强度和韧性。玻璃纤维特别适用于本发明的模塑绝缘结构，其原因如下：玻璃纤维与基质材料尼龙6和尼龙66相容，并在整个模塑材料中均匀分布，以使模型物不致造成局部脆化，并且还具有令人满意的耐冲击性。由于玻璃纤维是耐热材料，所模塑的绝缘结构具有很好的耐热和抗爆炸性电弧气体压力的特性。

这里所使用的术语“玻璃纤维”表示玻璃材料制成的纤维材料。只要上述关于元素周期表中第IA族金属元素金属化合物的总成份的条件能够满足，对玻璃纤维就没有特别的限制。玻璃材料的例子可包括E型玻璃、S型玻璃、D型玻璃、T型玻璃和氧化硅玻璃。

玻璃纤维产品包括长纤维、短纤维和玻璃棉(glass wool)。短纤维优选地作为热塑树脂的增强剂。对于将玻璃纤维作为热固树脂的增强剂并没有特别的限制。

从抗压强度方面来看，玻璃纤维最好直径为6至13微米，长度直径比不小于10。该玻璃纤维最好用硅烷粘附剂或类似物质处理，以保证抗压强度。

上述增强剂可单独使用，也可二种或几种结合一起使用。二种或几种增强剂的结合包括以下几种形式：玻璃纤维与无机矿物纤维或陶瓷纤维的结合；无机矿物纤维与陶瓷纤维的结合；二种或多种玻璃纤维的结合；二种或多种无机矿物质的结合；二种或多种陶瓷纤维的结合；玻璃纤维、无机矿物质和陶瓷纤维的结合。虽然不存在特别的限制，但是玻璃纤维与无机矿物质的结合具有原材料成本低的优点。

通过用注塑成型或类似方法对上述的有机复合材料进行模塑，可以很容易地制备本发明的开关绝缘部件，如外壳、横向联动杆、手柄和跳闸杆。所制成的外壳可防止由于大容量电路断路时产生的内部压力爆炸性增加而造成裂纹、形变或破裂损坏，开关在断路时耐冲击的性能提高，且每一个结构部件的绝缘性能在断路后能得到保持。

以下参考后述的例子进一步对本发明进行解释。但是不应理解为本发明只限制于这些例子。

例1

如图1中的一盖部(亦即是外壳的一部分)用一有机复合材料制成，该有机复合材料包括作为基质树脂的尼龙6、尼龙66和尼龙MXD 6，作为冲击吸收成份的乙烯/α-链烯烃共聚物以及作为增强剂的玻璃纤维、陶瓷纤维和硅灰石。作为比较，以一种不饱和聚酯作为基质树脂制备了一盖部。制成的盖部装上电流开关进行断路试验测试。

断路测试

在电路闭合时，流过过载的460V/30KA三相电流。移动可动触点断开接触并产生电弧，外壳和内部部件不出现破裂或裂纹的电流开关视为可接受的开关。所得结果示于下面的表1中。

如表1中所示，使用传统产品的比较试样1受到破坏，而在本发明的试样中观察不到裂纹或破坏。上述测试试样是第一实施例的模塑物，由第二实施例的有机复合材料制成的产品同样令人满意，没有出现裂纹或破损。

表1样品树脂重量百分比冲击吸收成份重量百分比序号尼龙6 尼龙66 尼龙MXD 6 乙烯/α-链烯烃共聚物比较不饱和聚酯(25 wt％) ——样品11 37 10 2 72 37 10 2 83 37 10 2 94 39 10 3 85 35 10 2 86 37 10 2 87 37 10 2 8

表1(续)样品增强剂重量百分比断路测试后外观序号玻璃纤维陶瓷纤维无机矿物质 (是否出现裂纹或破损)比较 15 - 60 出现裂纹和破损样品1 碳酸钙1 44 - - 未出现裂纹或破损2 43 - - 未出现裂纹或破损3 42 - - 未出现裂纹或破损4 40 - - 未出现裂纹或破损5 45 - - 未出现裂纹或破损6 - 45 - 未出现裂纹或破损7 35 - 10 未出现裂纹或破损

(硅灰石)

例2

通过模塑第二实施例中的有机复合材料制作了图3所示的手柄、图4所示的横向联动杆和图5所示的跳闸杆。尼龙6和尼龙66的一种组合用作基质树脂，一种链烯烃共聚物的离子型聚合物用作冲击吸收成份，玻璃纤维、陶瓷纤维和硅灰石用作增强剂。

为了进行比较，以聚对苯二甲酸丁二醇酯作基质树脂制作了一手柄及一跳闸杆(比较样品2和4)，以酚醛树脂为基质树脂制作了一横向联动杆(比较样品3)。

本发明包含有机复合材料的手柄、横向连动杆和跳闸杆(样品序号8至16)经证实令人满意，在断路测试后在眼睛观察下没有裂纹或破损。手柄、横向联动杆和跳闸杆的测试结果分别如表2、3和4所示。类似地，对于以第一实施例的有机复合材料模塑制成的这些绝缘材料也同样获得了令人满意的结果。

表2手柄树脂重量百分比冲击吸收成份重量百分比样品序号尼龙6 尼龙66 聚链烯烃离子型聚合物比较聚对苯二甲酸丁二醇酯 ——样品2 (70％)8 26 24 79 26 24 710 26 24 7

表2(续)手柄增强剂重量百分比断路测试后外观样品序号玻璃纤维陶瓷纤维无机矿物质 (是否出现裂纹或破损)比较 30 - - 出现裂和破损样品28 43 - - 未出现裂纹或破损9 - 43 - 未出现裂纹或破损10 35 - 10 未出现裂纹或破损

(硅灰石)

表3横向联树脂重量百分比冲击吸收成份重量百分比动杆样品序号尼龙6 尼龙66 聚链烯烃离子型聚合物比较酚醛树脂 ——样品3 (55％)11 26 24 712 26 24 713 26 24 7

表3(续)横向联增强剂重量百分比断路测试后外观动杆样品序号玻璃纤维陶瓷纤维无机矿物质 (是否出现裂纹或破损)比较 45 - - 出现裂纹和破损样品311 43 - - 未出现裂纹或破损12 - 43 - 未出现裂纹或破损13 35 - 10 未出现裂纹或破损

(硅灰石)

表4跳闸杆树脂重量百分比冲击吸收成份重量百分比样品序号尼龙6 尼龙66 聚链烯烃离子型聚合物比较聚对苯二甲酸丁二醇酯 ——样品3 (70wt％)14 26 24 715 26 24 716 26 24 7

表4(续)跳闸杆增强剂重量百分比断路测试后外观样品序号玻璃纤维陶瓷纤维无机矿物质 (是否出现裂纹或破损)比较 30 - - 出现裂纹和破损样品314 43 - - 未出现裂纹或破损15 - 43 - 未出现裂纹或破损16 35 - 10 未出现裂纹或破损

(硅灰石)

尽管以上参考具体实施例对本发明进行了详细描述，对于本领域的熟练技术人员而言，在不超出本发明精神和范围的情况下，明显可对本发明作出各种修改和变动。

Claims

1、一种开关的绝缘结构，所述开关包括一由一有机复合材料制成的模塑物，所述有机复合材料包括尼龙6、尼龙66、尼龙MDX 6、乙烯/α-链烯烃共聚物和增强剂。

2、根据权利要求1所述的开关的绝缘结构，其中，所述有机复合材料包括35-39％重量比的尼龙6、8-12％重量比的尼龙66、1-3％重量比的尼龙MXD 6、7-9％重量比的乙烯/α-链烯烃共聚物以及40-45％重量比的增强剂。

3、根据权利要求2所述的开关的绝缘结构，其中，所述增强剂中所包含的元素周期表中第IA族金属元素金属氧化物的重量不超过所述增强剂总重量的0.6％。

4、根据权利要求2所述的开关的绝缘结构，其中，所述增强剂包括玻璃纤维。

5、根据权利要求2所述的开关的绝缘结构，其中，所述模塑绝缘结构是一开关的外壳。

6、根据权利要求2所述的开关的绝缘结构，其中，所述模塑绝缘结构是作为开关内部部件的一手柄、一横向联动杆或一跳闸杆。

7、一种开关的绝缘结构，所述开关包括一由一有机复合材料制成的模塑物，所述有机复合材料包括尼龙6、尼龙66、聚链烯烃离子型聚合物以及增强剂。

8、根据权利要求7所述的开关的绝缘结构，其中，所述有机复合材料包括26％重量比的尼龙6、24％重量比的尼龙66、7％重量比的聚链烯烃离子型聚合物以及43％重量比的增强剂。

9、根据权利要求8所述的开关的绝缘结构，其中，所述增强剂中所包含的元素周期表中第IA族金属元素金属氧化物的重量不超过所述增强剂总重量的0.6％。

10、根据权利要求8所述的开关的绝缘结构，其中，所述增强剂包括玻璃纤维。

11、根据权利要求8所述的开关的绝缘结构，其中，所述模塑绝缘结构是一开关的外壳。

12、根据权利要求8所述的开关的绝缘结构，其中，所述模塑绝缘结构是作为开关内部部件的一手柄、一横向联动杆或一跳闸杆。