DE69111507T2

DE69111507T2 - Isolationsmaterial und dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE69111507T2
Application number: DE69111507T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Sato
Original assignee: Junkosha Co Ltd
Current assignee: Junkosha Co Ltd
Priority date: 1990-05-01
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-04-25
Also published as: EP0455407A3; EP0455407A2; EP0455407B1; DE69111507D1; US5141972A; JPH0413770A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Isolationsmaterial, welches verbesserte elektrische Eigenschaften aufgrund von in dieses eingebrachten Mikroballonen aufweist, und sie bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Unter den herkömmlichen, üblichen Isolationsmaterialien sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-Harz und Polyethylen-Harz diejenigen, die niedrige Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Sie werden oftmals zur Verbesserung ihrer elektrischen Eigenschaften in poröser Form verwendet. Unglücklicherweise kann eine poröse PTFE-Harz-Struktur nicht mittels herkömmlicher physikalischer oder chemischer Prozesse unter Verwendung von Inertgas oder Blähmitteln hergestellt werden, die allgemein bei anderen Fluorkunststoffen und gewöhnlichen thermoplastischen Harzen angewendet werden, weil ein PTFE-Harz eine extrem hohe Schmelzviskosität aufweist. Dies erfordert die Anwendung von speziellen Verfahren, beispielsweise: Mischen eines E-Harzes mit einer Substanz, die durch Extraktion oder Auflösung entfernbar ist, Erzeugen der Mischung unter Druck und nachfolgendes Entfernen der Substanz; oder Hinzufügen eines flüssigen Schmiermittels zu einem PTFE-Harzpulver, Extrudieren und Formen der Mischung durch Walzen oder eine andere Scherkraft, Entfernen des flüssigen Schmiermittels und Ziehen und Sintern des geformten Gegenstandes; oder Ziehen eines ungesinterten geformten Gegenstands aus PTFE-Harz in einer Flüssigkeit (wie halogenierter Kohlenwasserstoff, Ölkohlenwasserstoff, Alkohol oder Keton), welche ein PTFE-Harz bindet, und nachfolgendes Sintern des geformten Gegenstandes.
Die oben erwähnten Verfahren bewirken alle die Bildung von offenzelligen, porösen E-Strukturen, welche dazu neigen, sich teilweise in geschlossene Zellstrukturen umzuwandeln, weil ihre Poren bei der Anwendung von Kompressionskraft leicht kollabiert werden. Diese Neigung ist insbesondere in dem Falle nicht wünschenswert, in dem die Porosität erhöht wird, um die Dielektrizitätskonstante zu erniedrigen.
Wenn ein solches poröses PTFE-Harz zu einem Band oder zu einer Folie zur Verwendung als ein isolierendes Material wie elektrische Drähte und gedruckte Schaltungen geformt wird, ist das resultierende isolierende Material wegen seiner instabilen elektrischen Eigenschaften (wie etwa die Dielektrizitätskonstante) schwierig zu handhaben.
Um die oben genannten Unzulänglichkeiten bei den Technologien gemäß dem Stand der Technik zu überwinden, wurde seitens der Erfinder zu vorliegendem Patent bereits früher ein Verfahren zum Herstellen einer porösen geschlossenzeffigen PTFE-Struktur vorgeschlagen. Dieses Verfahren besteht darin, daß ein PTFE-Harz mit Glas- oder Silika-Mikroballonen gemischt wird, welche ein Inertgas (wie Stickstoff und Kohlendioxid), welches hierin eingeschlossen ist, enthalten, und daß die Mischung durch Walzen geformt wird (oder durch irgendeine andere Art und Weise, welche eine Scherkraft ausübt), derart, daß die PTFE-Harzmatrix Fasern bildet, welche die Mikroballone umschließen, wobei es dem Gas in den Mikroballonen erlaubt wird, im wesentlichen als Poren zu bleiben, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 25 769/1989 oder in ihrer entsprechenden UK-Patentanmeldung GB-A-2 209 167 beschrieben. Die Mikroballone sind in hohen Konzentrationen (50 bis 95 Gew.- %) relativ zu dem PTFE (5 bis 50 Gew.- %) vorhanden.
Diese Technologie löste so manche Probleme, die mit porösen offenzelligen PTFE-Strukturen verbunden sind, jedoch behandelte sie nicht den Nachteil, daß die Dielektrizitätskonstante sich nicht im Verhältnis zu der Menge der hinzugefügten Mikroballone vermindert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die im vorangehenden geschilderten Nachteile zu beseitigen oder zu mäßigen.
Die JP-A-62 037 482 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines leittahigen porösen Materials aus einem elektrisch isolierenden, porösen Material, wie PTFE, Polyethylen oder Polypropylen, dadurch, daß es mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie Metall oder Kohlenstoff, gepackt wird. In einem offenbarten Beispiel wird eine poröse Folie aus PTFE mit einer Isopropylalkohollösung imprägniert, die 20 g/l Ruß enthält, während Ultraschallwellen auf die Lösung angewendet wurden. Die imprägnierte poröse Folie oder Schicht wird durch Erwärmen getrocknet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Isolationsmaterial vorgesehen, das ein niedrigdielektrisches, offenzelliges, poröses polymeres Basismaterial und eine Mehrzahl von niedrigdielektrischen, festen Mikroballonen aufweist, wie in den Poren des genannten niedrigdielektrischen, porösen polymeren Basismaterials zur Verhinderung von Poren- Kollaps angeordnet sind, und es ist dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der vorhandenen Mikroballone zwischen 0,1 bis 20 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht des Isolationsmaterials beträgt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials vorgesehen, mit den Schritten: Eintauchen eines niedrigdielektrischen, offenzelligen, porösen polymeren Basismaterials in eine ultraschall-gerührte Flüssigkeit, in welche eine Mehrzahl von niedrigdielektrischen harten Mikroballonen dispergiert wird, wodurch die niedrigdielektrischen harten Mikroballone dazu veranlaßt werden, in Poren des niedrigdielektrischen, offenzelligen, porösen polymeren Basismaterials einzudringen, und nachfolgendes Anwenden von Wärme, wodurch das niedrigdielektrische, poröse, polymere Basismaterial dazu veranlaßt wird, leicht zu schrumpfen, so daß die niedrigdielektrischen harten Mikroballone in den Poren fixiert werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die vor Erwärmen aufgenommen wurde und die poröse Struktur des Isolationsmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die nach dem Erwärmen aufgenommen wurde und die leicht geschrumpfte, poröse Struktur desselben Isolationsmaterials wie in Fig. 1 veranschaulicht; und
Fig. 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme, welche die poröse Struktur eines herkömmlichen porösen, isolierenden Materials veranschaulicht, welches Mikroballone enthält.
Das Isolationsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine große Anzahl von niedrigdielektrischen, harten Mikroballonen, welche in den Poren von niedrigdielektrischem, porösem, polymeren Basismaterial enthalten sind, um einem Poren-Kollaps vorzubeugen. Diese Mikroballone sind solche aus hartem isolierenden Material, wie Glas, insbesondere Glas, das mehr als 80 % Siliziumdioxid enthält, und sie weisen einen Teilchendurchmesser von 0,1 bis 50 um auf, welcher in Überein- Stimmung mit dem Durchmesser der Poren in dem Basismaterial gewählt wird. Sie enthalten ein Gas, wie Stickstoff und Kohlendioxid, das hierin eingeschlossen ist, so daß sie eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine geringe Verlusttangente sowie ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen. Die Menge der Mikroballone in dem Isolationsmaterial ist nicht spezifisch begrenzt; jedoch liegt sie üblicherweise im Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%.
Das niedrigdielektrische, d.h. eine Dielektrizitätskonstante unterhalb von 2 aufweisende, poröse polymere Basismaterial, das eine offenzellige, feine, poröse Struktur aufweist, kann aus einem Fluorkohlenstoffharz oder einem Polyolefinharz durch irgendwelche bekannte Verfahren hergestellt werden, wie Auslaugen, Emulgieren, Bestrahlen, Sintern, und Recken oder Expandieren. Gemäß dem Verfahren des Reckens und Expandierens bewirkt ein Ziehen des polymeren Basismaterials die Bildung von Fasern und Knoten, die untereinander durch Fibrillen verbunden sind, welche feine, offene Zellen bilden. Die Fibrillen variieren im Durchmesser und in der Länge und die Knoten variieren in der Größe und in der Zahl, in Abhängigkeit von den Bedingungen des Ziehens und Sinterns. Das niedrigdielektrische, offenzellige, poröse, polymere Basismaterial kann einen geeignet gewählten Porendurchmesser und eine geeignet gewählte Porosität aufweisen.
Das Isolationsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Weise ausgebildet, daß das polymere Basismaterial in seinen Poren niedrigdielektrische, feste oder starre Mikroballone mit einer Größe kleiner als die Porengrößen enthält, z.B. 20 um oder weniger, wobei die Mikroballone in effektiver Weise die Poren daran hindern, daß sie durch Kompressionskraft kollabiert werden. Darüber hinaus weist das Isolationsmaterial eine niedrige Dielektrizitätskonstante und stabile elektrische Eigenschaften auf, weil die Poren nicht vollständig mit den Mikroballonen gefüllt sind.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Ultraschallvibration angewendet, um die Mikroballone in die Poren des Basismaterials hinein zuverteilen, so daß das Basismaterial bei der Herstellung von Kompressionskraft befreit ist. Daher weist das Isolationsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung gute elektrische Eigenschaften auf der Grundlage der ursprünglichen niedrigen Dielektrizitätskonstante des Basismaterials auf, das durch die in dieses eingefüllten Mikroballone verbessert wird.

Beispiele

Die Erfindung wird nunmehr in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben, die nicht dazu vorgesehen sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Eine Probe des Isolationsmaterials der vorliegenden Erfindung wurde in der folgenden Art und Weise aus einem niedrigdielektrischen, porösen polymeren Basismaterial, welches eine Folie aus einem offenzelligen, porösen PTFE-Harz mit einer Porosität von 75,4 %, einer Stärke von 100 um und einer Dielektrizitätskonstanten von 1,20 ist, wobei diese Folie in bekannter Art und Weise durch Recken gebildet wurde, und aus niedrigdielektrischen, starren Mikroballonen präpariert, welche Glas- Mikroballone (hergestellt von Emerson & Cumming Co. Ltd.) mit einer Dielektrizitätskontanten von 1,20 und einem Teilchendurchmesser kleiner als 5 um sind. Die Mikroballone wurden in Aceton dispergiert, das in einem metallischen Behälter enthalten ist, der auf einem Ultraschallvibrator angeordnet ist (50 kHz Frequenz und 30 W Ausgang). In die ultraschall-gerührte Dispersion wurde die Folie aus offenzelligem, porösen PTFE für 5 Minuten eingetaucht. Dieser Eintaüchvorgang wurde mit der mit der Unterseite nach oben umgedrehten Folie wiederholt. Nach dem Eintauchvorgang wurde die PTFE-Folie getrocknet und sodann bei 200ºC für eine Minute ohne Einspannen erwärmt, so daß die Folie leicht schrumpfte und die Mikroballone in den Poren fixierte.
Fig. 1 bzw. 2 sind elektronenmikroskopische Aufnahmen, die aufgenommen worden sind, bevor bzw. nachdem das polymere Basismaterial mit Mikroballonen behandelt wurde. Es ist festgestellt worden, daß die Mikroballone nicht in den Poren des Basismaterials gebrochen sind, sondern durch das fibrillierte PTFE fixiert sind. Es ist ferner festgestellt worden, daß es um die Mikroballone herum Freiraum gibt, so daß das isolierende Material eine hohe Porosität beibehält. Die Folie hatte aufgrund der in die Poren eingefüllten Mikroballone aus Glas eine niedrige Dielektrizitätskonstante von 1,25, wobei die Mikroballone aus Glas 10 Gew.-% ausmachten. Diese Folie wurde auf ihre Druckfestigkeit dadurch getestet, daß nach Kompression unter einer Belastung von 10 kg/cm² für 30 Minuten die Dielektrizitätskonstante gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Bei dem Vergleichsbeispiel 1 wurde ein isolierendes Material in Folienform durch Walzen aus einem PTFE-Harzpulver und Mikroballonen aus Glas präpariert, die in dem selben Verhältnis wie in dem oben erwähnten Beispiel 1 eingemischt wurden. (Dieses isolierende Material ist dasjenige, das die Erfinder zu vorliegendem Patent in der oben erwähnten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 25769/1989 vorschlugen). Es weist die in Fig. 3 gezeigte innere Struktur auf. Im Vergleichsbeispiel 2 wurde derselbe Test wie in Beispiel 1 an einer offenzeffigen, porösen PTFE-Folie ausgeführt, welche keine Mikroballone aus Glas enthält, die jedoch fast dieselbe Dielektrizitätskonstante wie diejenige des Isolationsmaterials gemäß Beispiel 1 aufweist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Beispiel Vergleichs-Beispiel 1 Dielektrizitätskonstante Vor Kompression Nach Kompression
Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß das poröse isolierende Material gemäß der vorliegenden Erfindung seine Poren daran hindert, durch Kompressionskraft kollabiert zu werden, und somit seine ursprünglichen elektrischen Eigenschaften aufgrund der niedrigdielektrischen, harten, in die Poren eingefüllten Mikroballone fast unverändert beibehält. Hinzu kommt, daß es eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als diejenigen aufweist, die gemäß herkömmlichen Methoden hergestellt wurden. Daher kann es in der Form von Filmen oder Folien zum Isolieren von elektrischen Drähten, Kabeln und gedruckten Schaltungen verwendet werden. Seine niedrige Dielektrizitätskonstante und seine hohe Beständigkeit gegenüber äußerer Kraft trägt zu einer Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit bei.

Claims

1. Ein Isolationsmaterial, das ein niedrigdielektrisches, offenzelliges, poröses polymeres Basismaterial und eine Mehrzahl von- niedrigdielektrischen, festen Mikroballonen aufweist, die in den Poren des genannten niedrigdielektrischen porösen polymeren Basismaterials zur Verhinderung von Poren-Kollaps angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Menge der vorhandenen Mikroballone zwischen 0,1 bis 20 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht des Isolationsmaterials beträgt.

2. Isolationsmaterial, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem das poröse polymere Basismaterial poröses Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.

3. Isolationsmaterial, wie in Anspruch 2 beansprucht, bei welchem das poröse Polytetrafluorethylen ein poröses, expandiertes Polytetrafluorethylen mit einer Struktur von untereinander durch Fibrillen verbundenen Knoten ist.

4. Isolationsmaterial, wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei welchen die Menge der vorhandenen Mikroballone zwischen 0,1 bis 10 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht des Isolationsmaterials beträgt.

5. Ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsmaterials, mit den Schritten: Eintauchen eines niedrigdielektrischen, offenzeffigen, porösen polymeren Basismaterials in eine ultraschall-gerührte Flüssigkeit, in welche eine Mehrzahl von niedrigdielektrischen harten Mikroballonen dispergiert wird, wodurch die niedrigdielektrischen harten Mikroballone dazu veranlaßt werden, in Poren des niedrigdielektrischen, offenzelligen, porösen polymeren Basismaterials einzudringen, und nachfolgendes Anwenden von Wärme, wodurch das niedrigdielektrische poröse polymere Basismaterial dazu veranlaßt wird, leicht zu schrumpfen, so daß die niedrigdielektrischen harten Mikroballone in den Poren fixiert werden.