CN1298527C - 适用于大功率电容器的耐高温双向拉伸聚丙烯膜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐高温双向拉伸聚丙烯薄膜及其制作方法，特别是涉及适用于大功率交流、脉冲、电力等电容器作为电介质的耐高温聚丙烯薄膜。使用等规度大于98%、灰份小于20PPM的专用聚丙烯原料，经240℃-260℃温度熔融、挤出；经流延鼓冷却固化、铸片，机械方向热收缩率为3%-4%，宽度方向热收缩率为0.5-1.5%。利用本发明所提供的技术和聚丙烯薄膜生产的大功率电容器，可明显提高耐高温性能。
Description
技术领域：
本发明涉及耐高温双向拉伸聚丙烯薄膜及其制作方法，特别是涉及适用于大功率交流、脉冲、电力等电容器作为电介质的耐高温聚丙烯薄膜。
背景技术：
双向拉伸聚丙烯薄膜，由于它是无极性介质，具有损耗小、比重轻、抗电强度大，机械加工性能好等特点，是大功率交流、脉冲、电力等电容器首选的几乎不可替代的介质。但由于其耐热性低，使其最高使用温度被限制在85℃。其原因是薄膜的非晶态部分和不纯物质的影响，使介质的抗电强度在高温下急剧下降。但是伴随着电气装置的小型化、元件密集化和高温环境与日俱增，强烈要求聚丙烯膜电容器的使用温度比过去更加提高。特别是大功率交流、脉冲、电力等电容器，由于其要求电容器的能量密度大幅提高，趋向于使用较薄的聚丙烯膜(4-15微米)，承受大于100V/μm的工作场强，在很高的内部温升下长期稳定工作，因此提高聚丙烯膜的耐高温性能是电容器行业重要的攻关课题。
塑料制膜技术的发展已经为提高双向拉伸聚丙烯膜的耐高温性能采取了一些措施。根据日本东丽株式会社申请的96122430.4号中国专利，通过把聚丙烯制膜原料的等规度从过去的95％左右提高到98％-99.5％，等规五单元分率大于99％，加入适当量的抗氧化剂，提高双向拉伸制膜中流延鼓的温度达85℃最高值，升高机械方向拉伸温度达140℃以上和宽度方向拉伸温度达160℃以上，以控制薄膜的结晶度和内部雾度。在150℃-160℃热定型温度下调节机械方向和宽度方向的热收率之和在120℃时为1-4％，以提高双轴取向(即双向拉伸)聚丙烯膜的高温特性。
但实际上，上述96122430.4号专利双軸取向聚丙烯膜，其热收缩率规定为在120℃下的机械方向和宽度方的之和为1-4％，尚不适合于作为大功率交流、脉冲、电力等电容器的耐高温聚丙烯薄膜使用，还需在工艺上加于创新，改进薄膜的结晶状况，提高耐温和抗电性能。这正是96122430.4所欠缺的。
上述专利把热形变温度规定为120℃下控制，这对普通聚丙烯薄膜介质材料工作于85℃条件下、或在5μf以下的小电容℃是合适的；但对用于大功率交流、脉冲、电力等电容器的耐高温聚丙烯薄膜，当其环境温度提高到105℃时，必需考虑其内部温升(最大可达30℃)的事实，把热形变温度定为120℃是不适合的。
为说明考虑电容器内部温升的必要性，请看96122430.4的实施例。其用8微米厚聚烯膜制成容量5μf、额定场强50Vac/μm的电容器，经计算可知该电容器整体只有20来克重，工作时内部发热量不大，电容器芯子内部温度与表面的空气环境温度相比，温升小于1℃。而对于一个用5μm厚度聚丙烯膜制成的200μf容量、额定场强在75Vac/μm的交流或电力电容器，整体重量300多克，芯子高度为100mm，电容器直径达φ65mm。如其金属化镀层电阻如为7.5Ω/□，在工作通电时，电容器芯子内部由于金属化镀层电阻的功耗，必然产生热量；而作为电容器主体的聚丙烯材料热传导率很小，根据热平衡理论计算，上述大功率电容器在这种工作条件下的芯子内部温度比表面环境空气温度升高25℃。如果再考虑实际正常工作负载电压10％波动，对于该种大功率电容器必需设计30℃的内部工作温升。因而把在105℃下工作的电容器，其薄膜的热收缩率用120℃来控制是不夠的。
电容器内部温升与工作电压的平方成正比，与膜厚的平方成反比，制造聚丙烯薄膜电容器使用的膜越薄，工作场强越高，其内部温升越高。所以，从事于薄膜电容器业内普通技术人员共知：对越薄的膜，制造功率容量越大的电容器，要提高其耐高温性能越困难。
另外，对实际的电容器，特别是大功率电容器，在高温下损坏的失效机制分析和实际证明，机械方向上具有一定的热收缩率(3％-4％)是对产晶有利的，不能一味减小，而应与宽度方向的热收缩率分别加于控制。
根据金属化薄膜电容器的制造工艺要求，薄膜在机械方向上具有适当的热收缩率，可以使制造过程中的电容器芯子在热处理工序阶段，由于卷绕方向的薄膜热收缩，使卷绕薄膜的层间更加贴紧，驱逐层间的残留气体，从而增加电容器的耐电强度，提高使用期内电容量的稳定性和电容器使用寿命。当然，在热处理工序中应注意缓慢加热，使电容器大体积芯子的内部和外部均匀升温；如果热处理升温过快，必然造成电容器芯子的外表比中间热，内外热收缩量不均匀，容易使内部薄膜产生横向皱折，降低耐电强度。机械方向上的热收缩率应大小适当，过小了使热处理作用不充分，过大了容易产生薄膜皱折。
根据金属化薄膜电容器制造工艺，要求薄膜在宽度方向的热收缩率尽量减小，因为此值过大，会促使电容器芯子的金属化膜和喷金电极之间在高温工作时产生连接劣化，增加接触电阻和损耗，进一步发热升温，造成恶性循环，最后使电容器在靠近端头处击穿。
把两个方向上热收缩率之和的要求值用到表面粗化的双向拉伸聚丙烯薄膜是不适当的。对粗化聚丙烯膜为了适应粗化度要求，其机械方向上拉伸温度要求提高，达145-155℃；这就与提高其高温下的抗电强度、降低机械方向上拉伸温度产生了矛盾。
已有技术为抑制簿膜的内部霧度，不适当地降低流延鼓温度来减小结晶化的方法，显然与提高薄膜的高温特性背道而驰的。
本发明还注意到，在双向拉伸制膜工艺上，拉伸之后的定型对完善薄膜的结晶结构十分重要。传统的定型方法如96122430.4专利说明书所述，在纵向拉伸2-6后立即在室温下冷却；在宽度方向5-10倍拉伸后，一边在宽度方向赋予2-20％的松弛，一边在150-160℃的温度下热固定。这种传统的热定型方法对完善拉伸后的薄膜内部结晶结构作用不利，取向度下降。因为拉伸是一种粘流形变，膜片在被加热到軟化屈服点状态下，作4-10倍的拉伸中，分子间发生移位，球晶状态转变为新的纤维晶态，但这种拉伸后的新晶态是不稳定的，在链接上有一定缺陷，因此不能在拉伸后突然作冷却定型或立即给予松弛。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有更高耐温和抗电性能的电容器用双向拉伸聚丙烯膜及其制作方法。
本发明所述的适用于大功率交流、脉冲、电力电容器的耐高温双向拉伸聚丙烯膜，使用等规度大于98％、灰份小于20PPM的专用聚丙烯原料，经240℃-260℃温度熔融、挤出；经流延鼓冷却固化、铸片，机械方向热收缩率为3％-4％，宽度方向热收缩率为大于等于0.5％小于1.5％。机械方向热收缩率和宽度方向热收缩率是在140±3℃温度加热15±2分钟条件下的测试值。
上述耐高温双向拉伸聚丙烯膜的制作方法，按常规的工艺，其特征在于双向拉伸之后的热定型过程分为先经張紧性热定型，再作传统的松弛性热定型，其机械方向拉伸后热定型的前期附加拉伸度为1.01-1.05，宽度方向拉伸后热定型的前期附加拉伸度为1.02-1.12。
上述方法中，流延鼓冷却固化温度设为95℃-100℃，机械方向拉伸温度降到130-140℃；宽度方向热定型温度提高到170℃-175℃。
为实现对膜片的两面具有不同粗化度，要求膜片一面的温度要高于膜片体内的温度，本发明所述的耐高温双向拉伸聚丙烯膜的制作方法，其特征在于机械方向拉伸时，先以较慢速度使膜片体内温度升到115-125℃，再以较快速度使膜片的一面温度升到145-155℃温差的要求。
本发明首先需把双向拉伸聚丙烯膜机械方向和宽度方向热收缩率控制从120℃提高到140℃。
本发明在双向拉伸制膜工艺中进行控制，把双向拉伸聚丙烯膜140℃下机械方向上热收缩率控制为适当值3％-4％，宽度方向为0.5-1.5％，使卷绕方向的薄膜热收缩率达最佳范围内，减少了内部薄膜产生的横向皱折。
本发明控制宽度方向热收缩率从120℃提高到140℃，15分钟下减小为0.5-1.5％，减小了接触电阻和损耗，降低发热升温，以达到大功率交流、脉冲、电力等电容器的实用要求。
本发明在工艺上采用表面和内部不同温度预热法，解决了控制表面粗化度和提高高温下的抗电强度及对降低机械方向上拉伸温度要求不同的矛盾。
本发明除了选用等规度为98％以上、灰份小于20PPM的聚丙烯原料之外，同时采用在双向拉伸工艺上增大薄膜结晶度，减小非结晶态成份的方法。因为增加薄膜内部的结晶化是提高其在高温下的机械稳定性和抗电强度的关键。本发明用降低机械方向的拉伸温度来抑制内部霧度，从而容许以较高的流延鼓的工艺温度95-100℃，使铸片时增加结晶化。通过分析可知，96122430.4专利机械方向的拉伸温度不可能降低到低于140℃，其达140-150℃的原因，是过度追求减小薄膜的机械方向的热收缩率所致，此拉伸温度过高必会出现较大的内部霧度，並和流延结晶化要求相矛盾。而本发明要求机械方向的热收缩率不同于宽度方向，设定合理的最佳范围，机械方向的拉伸温度就可以下降到135℃以下，这样既能控制机械方向的热收缩率达到最佳适当值，又能在增大流延结晶化的情况下不使内部霧度变高，而只在宽度方向上赞成其使用160-165℃的较高拉伸温度，从而在工艺上保证了薄膜的高温特性的提高和稳定。
本发明在張紧式热定型之后，再进行传统的松弛性热定型，並能容许其定型温度可根据减小热收缩率的要求再提高3-5℃，对宽度方向可提高到170-175℃。这种两个阶段的热定型方法，使拉伸后的晶态和链接消除缺陷，获得完善，是适应耐高温聚丙烯膜的本发明特有的工艺技术。
对于双向拉伸耐高温粗化聚丙烯膜，为了达到表面的粗化度要求，机械方向拉伸温度需控制在145-155℃；为了降低薄膜体内的霧度，增加膜层的机械和电气强度，需把机械方向的拉伸温度控制在115-125℃。本发明的特点是根据薄膜的表面和体内的不同拉伸温度要求，分别加于满足，膜片体内和表面在不同的工艺温度下进入机械方向的拉伸，实现对薄膜两侧表面不同粗化度的控制要求。
具体实施方式：
使用等规度为98.5％，灰份不大于20PPM的BOREALIS POLYMERS提供的HC300BF型聚丙烯树脂原料，在240℃-260℃温度熔融、挤出；经100℃的流延鼓(即激冷辊)冷却固化，铸片；135℃下纵向拉伸5倍，147℃下定型，定型前期拉伸率为1.02，后期回缩率2.5％；在拉伸之前的预热中，让膜片较慢速度通过加热輥筒，体内升温到115-125℃；接着让膜片较快速度通过另外的加热輥筒，加热温度虽然高达145-155℃，但因与膜片接触时间很短，热量只能传递到膜片表面。由于快速度通过的热輥是只与膜片的表面接触，所以可通过控制热輥之间不同温度值，实现对薄膜两侧表面不同粗化度的控制要求。导入拉幅机后，在162℃下宽度方向拉伸9倍，在随后的热定型中，前期为167℃下张紧拉伸率为1.06，后期在172℃下回缩松弛率6％。制成厚度为4.8μm的双向拉伸聚丙烯薄膜，等规度和灰分与原料无区别，结晶度80％，热收缩率140℃、15分钟下，机械方向4％，宽度方向1.4％，抗电强度680V/μm。表面电晕处理20W·Min/m2。在真空镀膜机中，以铝/锌蒸镀，铝占6％、打底，鋅铝复合镀层总电阻为7.5Ω/□，加厚导电边缘镀层电阻为3.5Ω/□。纵向分切，宽度100mm，留空白边缘2.5mm。以2卷一对作卷绕，卷于φ9mm、长度104mm的塑料芯棒上，卷2508圈和外包膜10圈后成为电容器芯子元件。对此元件进行115℃下热处理、喷金、引电极线、电弱点清除、驱潮、装壳灌封后，制成直径φ65mm、高度117mm、容量200μf的大功率电容器。把该种电容器于80VAC/μm场强下工作，容性功率为10KVA；在105℃高温环境下，其高度3/4处芯子内部温升26℃；1000小时工作后，容量变化小于3％，令人满意。
Claims (4)
1、一种适用于大功率电容器的耐高温双向拉伸聚丙烯膜，使用等规度大于98％、灰份小于20PPM的专用聚丙烯原料，经240℃-260℃温度熔融、挤出；经流延鼓冷却固化、铸片，机械方向热收缩率为3％-4％，其特征在于宽度方向热收缩率为大于等于0.5％小于1.5％，所述的机械方向热收缩率和宽度方向热收缩率是在140±3℃温度加热15±2分钟条件下的测试值。
2、一种权利要求1所述适用于大功率电容器的耐高温双向拉伸聚丙烯膜的制作方法，其特征在于双向拉伸之后的热定型过程分为先经張紧性热定型，再作传统的松弛性热定型，其机械方向拉伸后热定型的前期附加拉伸度为1.01-1.05，宽度方向拉伸后热定型的前期附加拉伸度为1.02-1.12。
3、根据权利要求2所述的耐高温双向拉伸聚丙烯膜的制作方法，其特征在于流延鼓冷却固化温度为95℃-100℃，机械方向拉伸温度降到130-140℃；宽度方向热定型温度提高到170℃-175℃。
4、根据权利要求2或3所述的耐高温双向拉伸聚丙烯膜的制作方法，其特征在于机械方向拉伸时，先以较慢速度使膜片体内温度升到115-125℃，再以较快速度使膜片的一面或双面温度升到145-155℃，以实现对膜片的两面具有不同粗化度的要求。
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