JP2008037922A - 絶縁性高分子材料組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】作業性を悪化させることなく、高電圧機器等の高分子製品において十分な機械的物性，電気的物性を得ると共に、良好な生分解性で地球環境保全に貢献する。
【解決手段】ポリ乳酸（例えば、モノマーとしての乳酸が５０％〜１００％用いられたポリ乳酸）を主成分とする高分子材料に対して、ジクミルパーオキサイド等の有機過酸化物を架橋剤として添加（例えば、０．２ｐｈｒ〜１０．０ｐｈｒの範囲で添加）し、その添加量に応じた条件で混練し該混練物を熱処理することにより、過酸化物加硫を施し三次元架橋させて絶縁性高分子材料組成物を得る。この絶縁性高分子材料組成物を、高電圧機器等の高分子製品に適用する。
【選択図】なし

Description

本発明は、絶縁性高分子材料組成物に関するものであって、例えば筐体内に遮断器や断路器等の開閉機器を備えた高電圧機器の絶縁構成に用いられるものである。

例えば筐体内に遮断器や断路器等の開閉機器を備えた電圧機器（高電圧機器等）の絶縁構成（例えば、絶縁性を要する部位）に適用（例えば、屋外に直接暴露して適用）される材料として、石油由来の熱硬化性樹脂（石油を出発物質とした樹脂；エポキシ樹脂等）を主成分とした高分子材料を硬化して成る組成物、例えば高分子材料を注型して成る組成物により構成された製品（モールド注型品；以下、高分子製品と称する）が、従来から広く知られている。

社会の高度化・集中化に伴って高電圧機器等の大容量化，小型化や高い信頼性（例えば、機械的物性，電気的物性）等が強く要求されると共に、前記の高分子製品に対しても種々の特性の向上が要求されてきた。

一般的には、高分子材料の主成分として例えばガラス転移点（以下、Ｔｇと称する）１００℃以上の耐熱性エポキシ樹脂や比較的に機械的物性（強度等）の高いビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂を用いた高分子製品が知られているが、前記の高分子製品を処分（例えば、寿命，故障等の理由で処分）する場合を考慮して、生分解性を有する高分子材料から成る高分子製品の開発が試みられている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−３５８８２９号公報。

なお、種々の技術分野において、植物由来の高分子材料を硬化して成る組成物を適用（例えば印刷配線ボードに適用）する試みが行われ（例えば、特許文献２）、例えば室温雰囲気下で使用した場合には十分な機械的物性が得られることが知られているが、その組成物はアルデヒド類を硬化剤として用いたものであり、高温雰囲気下では機械的物性が低くなるため高電圧機器には適用されていなかった。
特開２００２−５３６９９号公報。

前記のように、高分子材料の主成分としてガラス転移点（以下、Ｔｇと称する）１００℃以上の耐熱性エポキシ樹脂等を用いて成る高分子製品は、硬く脆弱であり、温度変化が激しい環境下で使用した場合にはクラックが発生し易い恐れがある。このため、例えば高分子材料の主成分として固形エポキシ樹脂（例えば、金属導体を用いた耐クラック性試験の結果が−３０℃以下のもの）を用いたり、該高分子材料に多量の充填材を添加して耐クラック性等を向上させる試みが行われているが、その高分子材料の粘度が著しく高くなってしまい、例えば注型作業等において十分なポットライフ（工業的な作業に必要な最低限の時間）を確保できず、作業性が悪化する恐れがある。

また、前記のビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂は、機械的物性が高い特性を有することから工業製品として広く使用されているが、そのビスフェノールＡ自体は環境ホルモンとして有害性を有するものとみなされ、環境性の観点から懸念され始めている。高分子製品のように硬化された組成物中であれば、その組成物中からビスフェノールＡが漏出することは殆どなく有害性はないとの報告もあるが、極めて微量（例えば、ｐｐｍレベル、またはそれ以下の量）であっても有害性を有する物質であることから、たとえ前記のように組成物中であっても該組成物中に未反応のビスフェノールＡ（低分子量成分）が存在する場合には、そのビスフェノールＡが気中に漏洩してしまう可能性があり、懸念されている。

例えば、高分子製品の製造施設において、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と種々の添加剤等とを合成する工程や、その合成工程後の高分子材料を注型する工程等の限定された環境下では、高濃度のビスフェノールＡ雰囲気下になる恐れがある。たとえ前記製造設備の各工程において完全無人化（高分子製品の製造ラインの無人化）を図っても、それら各工程において換気設備（使用環境における空気を浄化するための設備）を要することとなるため（すなわち、従来では想定しなかった換気設備を要するため）、その製品コストの増加を招く恐れがある。

前記の高分子製品を処分（例えば、寿命，故障等の理由で処分）する場合については、種々の処理方法を適用することが可能であるが、それぞれ以下に示す問題点がある。

石油由来の物質（例えば、エポキシ樹脂等）を主成分とする高分子材料から成る高分子製品の場合、焼却処理する方法を適用すると種々の有害物質や二酸化炭素を大量に排出し、環境汚染，地球温暖化等の問題を引き起こす恐れがある点で懸念されていた。一方、前記の高分子製品を単に埋立て処理する方法を適用することもできるが、その埋立て処理に係る最終処分場は年々減少している傾向である。この最終処分場の残余年数に関して、旧・厚生省では平成２０年頃と試算している。また、旧・経済企画庁では、前記の旧・厚生省の試算に基づいて、平成２０年頃に廃棄物処理費用が高騰し、経済成長率が押し下げられると予測している。

なお、前記の高分子製品を回収し再利用（リサイクル）する試みもあるが、その再利用方法は確立されておらず殆ど行われていない。例外的に、品質が比較的均一な部材（高分子製品に用いられているＰＥケーブル被覆部材）のみを回収しサーマルエネルギーとして利用されているが、このサーマルエネルギーは燃焼処理工程を要するため、前記のように環境汚染，地球温暖化等の問題を招く恐れがある。

一方、生分解性を有する高分子材料から成る高分子製品の場合は、例えば温度１００℃以上の雰囲気下で使用すると溶融してしまう恐れがある。また、生物由来の架橋組成物から成る高分子製品の場合は、アルデヒド類を硬化物として用いるため、常温程度の温度雰囲気下（例えば、印刷配線ボードにおける温度環境）では高い機械的物性を有するものの、高温雰囲気下（例えば、高電圧機器等の使用環境）では十分な機械的物性が得られない恐れがある。

以上示したようなことから、高分子製品の特性（機械的物性，電気的特性等）を良好に維持すると共に、その高分子製品の処分に係る諸問題の改善が求められている。

本発明は、前記課題に基づいて成されたものであり、作業性を悪化させることなく、高電圧機器等の高分子製品において十分な特性（機械的物性，電気的物性）を付与できると共に、良好な生分解性を有し環境性に優れた絶縁性高分子材料組成物を提供することにある。

本発明は、前記の課題の解決を図るためのものであって、請求項１記載の発明は、電圧機器の絶縁構成に用いられるものであって、ポリ乳酸を主成分とする高分子材料（例えば、モノマーとしての乳酸を５０％〜１００％用いたポリ乳酸を主成分とする高分子材料）に有機過酸化物が添加された混練物から成り、前記の混練物を熱処理により三次元架橋したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記の有機過酸化物の添加量は、０．２ｐｈｒ〜１０．０ｐｈｒであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記の有機過酸化物は、ジクミルパーオキサイド、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン−３、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−４−イソプロピルベンゼン、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−３−イソプロピルベンゼンのうち何れかであることを特徴とする。

本発明のように三次元架橋構造の絶縁性高分子材料組成物によれば、例えば従来の高分子製品のように大量の充填剤を用いなくとも、十分な電気的物性（絶縁性等），機械的物性（引張り強度等）が得られる（例えば、ポリエチレンに有機過酸化物を添加し架橋したものと略同等の電気的物性，機械的物性が得られる）。

また、前記の絶縁性高分子材料組成物は、焼却処理しても有害物質や二酸化炭素等が発生することはなく、土中に埋立て処理した場合には十分に生分解される。

以上、本発明によれば、作業性を悪化させることなく（例えば、十分なポットライフを確保）、高電圧機器等の高分子製品として十分な電気的物性，機械的物性が得られると共に、良好な生分解性を有し地球環境保全に貢献することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態における絶縁性高分子材料組成物を詳細に説明する。

本実施の形態は、例えば高分子製品の絶縁性を要する部位に適用される絶縁性高分子材料組成物において、エポキシ樹脂等の石油由来の高分子材料を用いる替わりに、天然由来であって三次元架橋する高分子材料（すなわち、天然材料を基材（出発物質）とする高分子材料）を用いるものである。

すなわち、前記のような高分子材料であれば、作業性を悪化させることなく十分良好な電気的物性，機械的物性が得られ高電圧機器に適用できると共に、その高分子材料自体はカーボンニュートラルであるため、該高分子材料から成る組成物（高分子製品等）を焼却処理しても、有害物質（例えば、環境ホルモン等）や二酸化炭素等の排出を防止または抑制でき、例えば土中に埋めた場合には生分解できることを見出したものである。天然由来の高分子材料から成る組成物において、印刷配線ボードに適用した例は知られているが、高電圧機器等の高分子製品に適用した例はなかった。

前記のように天然由来であって三次元架橋する高分子材料としては、ポリ乳酸等から成る生分解性プラスチックが挙げられ、そのポリ乳酸自体は種々のメーカーによって製品化されたもの（例えば、カーギルダウ社製，三井化学社製，トヨタ自動車社製のもの）が知られている。本実施の形態で適用されるポリ乳酸は、例えばモノマーとしての乳酸を５０％〜１００％用いたポリ乳酸だけでなく、そのポリ乳酸の他に共重合可能で多官能基を有する化合物（以下、副化合物と称する）を適宜用いることが可能であるが、この場合の副化合物は目的とする絶縁性高分子材料組成物の成形性，機械的・物理的物性，電気的物性等をより改善するために用いられるものである。すなわち、本実施の形態の本質的な点は、前記のように天然由来の乳酸から成る高分子材料を用いることにある。

前記のようなポリ乳酸（および副化合物）は熱可塑性の樹脂に相当するものであり、高電圧機器等の高分子製品に適用する場合には耐熱性を確保することやクリープ問題を解消（すなわち、本質的に三次元架橋）する必要がある。例えば、従来使われていた耐熱性エポキシ樹脂のＴｇは１００℃以上であるのに対し、前記のようなポリ乳酸のＴｇはその組成，平均分子量等によって異なるが約５０℃〜８０℃程度である。

そこで、本実施の形態では、前記のようなポリ乳酸に有機過酸化物（架橋剤に相当）を添加して混練し、その混練物に関して熱処理により過酸化物加硫を施し、三次元架橋させて目的とする絶縁性高分子材料組成物を得ることにより、その耐熱性を確保しクリープ問題を解消する。前記の有機過酸化物としては、例えばジクミルパーオキサイド（以下、架橋剤Ａと称する）、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン（以下、架橋剤Ｂと称する）、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン−３（以下、架橋剤Ｃと称する）、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−４−イソプロピルベンゼン（以下、架橋剤Ｄと称する）、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−３−イソプロピルベンゼン（以下、架橋剤Ｅと称する）等が挙げられるが、それ以外にも分子構造中に「−Ｏ−Ｏ−」を有するものであれば適宜用いても良い。

なお、本実施の形態は、例えば作業性の向上（例えば、作業時間の短縮等），成形性，Ｔｇ特性，機械的・物理的物性，電気的物性等の改善を図る目的で、前記のポリ乳酸や有機過酸化物の他に種々の添加剤を適宜用いることができ、例えば有機過酸化物の反応を制御する目的で、反応助剤を併用することが可能である。また、前記の有機過酸化物の添加量や、その添加後の混練条件（温度，時間等）や熱処理条件（温度，時間等）は、その有機過酸化物に種類に応じて適宜設定することが可能である。

［実施例］
次に、本実施の形態における絶縁性高分子材料組成物の実施例を説明する。まず、本実施例では、ポリ乳酸（モノマーとしての乳酸が５０％〜１００％用いられたポリ乳酸）を主成分とする高分子材料に対し、前記の架橋剤Ａ〜Ｅのうち何れかを後述の表１に示すように０．２ｐｈｒ〜１０．０ｐｈｒの範囲で添加して、その添加量に応じた条件で混練した後、その混練物に関して温度１７０℃で１時間熱処理し過酸化物加硫を施すことにより、三次元架橋された絶縁性高分子材料組成物の試料Ａ１〜Ａ６，Ｂ１〜Ｂ６，Ｃ１〜Ｃ６，Ｄ１〜Ｄ６，Ｅ１〜Ｅ６をそれぞれ作成した。

また、前記の試料Ａ１〜Ｅ６の比較例として、ポリエチレンを高分子材料とし、その高分子材料に対して前記の架橋剤Ａ〜Ｅのうち何れかを後述の表２に示すように１．０ｐｈｒ添加し、その添加量に応じた条件で混練した後、その混練物に関して温度１７０℃で１時間熱処理し過酸化物加硫を施すことにより、三次元架橋された絶縁性高分子材料組成物の試料Ｐ１〜Ｐ５をそれぞれ作成した。さらに、ポリ乳酸またはエポキシ樹脂を高分子材料とし、前記の架橋剤Ａ〜Ｅを用いずに所定の条件で熱処理し硬化させることにより、絶縁性高分子材料組成物の試料Ｑ１，Ｑ２をそれぞれ作成した。

そして、前記の各試料Ａ１〜Ｅ６，Ｐ１〜Ｐ５，Ｑ１，Ｑ２において、電気的物性（絶縁性）として体積抵抗率を測定し，機械的物性（高分子製品に適用した際の支持構造物物性，埋め込み金属に対する耐熱応力性）として温度０℃および１００℃での引張り強度を測定し、生分解性として土中に所定時間埋めた後の引張り強度値（以下、経過後強度値と称する）の変化率を測定し、各測定結果を後述の表１，表２にそれぞれ示した。

なお、下記表１，表２に示す経過後強度値の変化率は、まず前記の各試料Ａ１〜Ｅ６，Ｐ１〜Ｐ５，Ｑ１，Ｑ２に関してＪＩＳ−Ｋ７１１３に基づいた１号形試験片（厚さ０．５ｍｍの試験片）をそれぞれ作成し、それら試験片を土中に埋め実験室容器内（３０℃，８０％ＲＨの雰囲気下）にて６ヶ月放置した後、それぞれの経過後強度値を測定（室温雰囲気下で測定）し、初期値（土中に埋める前の引張り強度値（室温雰囲気下で測定した引張り強度値））と比較することにより求めた変化率（初期値を１００％とした場合の変化の割合）である。

前記表２に示す結果において、単にポリ乳酸を用いて成る試料Ｑ１は、経過後強度値が低く良好な生分解性が得られるものの、温度１００℃での引張り強度の測定が不可能であり機械的物性が低いことを読み取れる。また、単にエポキシ樹脂を用いて成る試料Ｑ２は、温度０℃および１００℃において良好な機械的物性が得られるものの、経過後強度値が高く生分解性が低いことを読み取れる。

さらに、ポリエチレンに対して架橋剤Ａ〜Ｅのうち何れかを添加し架橋して成る試料Ｐ１〜Ｐ５は、温度０℃および１００℃において十分な機械的物性が得られるものの、経過後強度値が高く生分解性が低いことを読み取れる。生分解性樹脂であるポリエチレンを用いた試料の生分解性が低い理由としては、各架橋剤によって三次元架橋したことにより、各試料中に対する分解菌（土中に存在する分解菌）の侵食が抑えられたことによるものと考えられる。

一方、前記表１に示すように、ポリ乳酸に対して架橋剤Ａ〜Ｅのうち何れかを添加して成る各試料Ａ１〜Ｅ６は、他の試料と同様に十分な電気的物性が得られると共に、温度０℃および１００℃において十分な機械的物性が得られ、経過後強度値も低く良好（単にポリ乳酸を用いて成る試料Ｑ１と略同等）な生分解性が得られることを読み取れる。特に、各架橋剤Ａ〜Ｅの添加量が０．２ｐｈｒ〜５．０ｐｈｒの試料Ａ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５，Ｃ１〜Ｃ５，Ｄ１〜Ｄ５，Ｅ１〜Ｅ５に関しては、試料Ｐ１〜Ｐ５と略同等の機械的物性が得られることを読み取れる。

したがって、試料Ａ１〜Ｅ６のようにポリ乳酸（例えば、モノマーとしての乳酸が５０％〜１００％用いられたポリ乳酸）を主成分とする高分子材料に対して有機過酸化物を添加し架橋したものであれば、高電圧機器等の高分子製品として十分な電気的物性，機械的物性が得られると共に、たとえ三次元架橋されても十分良好な生分解性を確保できることが確認できた。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、有機過酸化物が添加された高分子材料（ポリ乳酸）の混練条件や熱処理条件は、例えば高分子材料や有機過酸化物の種類や添加量に応じて適宜設定されるものであり、本実施例で示した内容に限定されるものではない。また、ポリ乳酸や有機過酸化物の他に、例えば反応助剤等の種々の添加剤を適宜用いた場合においても、本実施例に示したものと同様の作用効果が得られることは明らかである。

Claims (3)

1. 電圧機器の絶縁構成に用いられるものであって、
   ポリ乳酸を主成分とする高分子材料に有機過酸化物が添加された混練物から成り、
   前記の混練物を熱処理により三次元架橋したことを特徴とする絶縁性高分子材料組成物。
2. 前記の有機過酸化物の添加量は、０．２ｐｈｒ〜１０．０ｐｈｒであることを特徴とする請求項１記載の絶縁性高分子材料組成物。
3. 前記の有機過酸化物は、ジクミルパーオキサイド、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン、２，５ジメチル２，５ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン−３、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−４−イソプロピルベンゼン、１−（２−ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）−３−イソプロピルベンゼンのうち何れかであることを特徴とする請求項１または２記載の絶縁性高分子材料組成物。