JP2008138060A

JP2008138060A - 絶縁性高分子材料組成物及び導体

Info

Publication number: JP2008138060A
Application number: JP2006325142A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Kurata; 保幸蔵田
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】絶縁特性に優れる共に廃棄されても地球環境に悪影響を及ぼさない絶縁性高分子材料組成物及び導体を提供。
【解決手段】バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物であって、前記原料はポリブチレンサクシネートである。バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物によって被覆された導体であって、前記原料はポリブチレンサクシネートである。前記被覆は流動浸漬法によって行われる。前記導体は予め加熱された後に被覆される。
【選択図】なし

Description

本発明は、高電圧且つ高温になる電力系統の絶縁性高分子材料組成物に適応する技術に関する。特に、現行の絶縁材料である不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の代替材料となるもの、より具体的には、導体を粉体塗装法（パウダーコーティング法）によって絶縁被覆できる非化石燃料由来すなわちバイオマス由来の絶縁性高分子材料組成物に関する。

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、石油等の化石燃料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が硬化されてなる組成物、例えば高分子材料が注型されてな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。

そして、前記電圧機器の縮小化、安全性が考慮されて導体部には絶縁材料によるモールド（被覆）が施されてきた。被覆方法としては熱収縮チューブで充電部を覆う方法とパウダーコーティング法（粉体塗装法）とがある。

前記熱収縮チューブを用いる方法は被覆工程が簡便であるが、被覆前の導体に曲げ加工を施すことができない。また、被覆後の曲げ加工の工程では熱収縮チューブの機械的損傷が考慮されるので曲げ加工に制約が生じる場合がある。

一方、前記パウダーコーティング法は、塗装工程に時間を要するが、前述のような加工上の制約が生じないため、小型化及び縮小化を図る電圧機器には有効である。このパウダーコーティング法にはポリエチレンに代表される熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂が使用環境により使い分けられている。

しかしながら、前記パウダーコーティングに供されている樹脂の原料は石油由来の化石燃料由来であるので、前記導体部が廃棄処分、特に焼却処分される場合は環境問題や地球環境温暖化問題の点から好ましいとはいえない。

ところで、特許文献１に示したような生分解性を有する高分子材料から成る高分子製品や特許文献２に示された絶縁材料の開発が試みられている。特許文献１記載の高分子材料はリグニン、穀物油、ウッド・レジン、タンニン、多糖類およびこれらの混合物などの生物由来の材料を好ましくは熱、架橋剤及び開始剤を使用して架橋させる。作成された材料は、印刷配線板に適した特性を有する。特許文献２に示された電気絶縁材料は乳酸系樹脂を含んでなり電気ケーブル、電気部品、高電圧電源用モールドに利用される。
特開２００２−５３６９９特開２００２−３５８８２９

化石燃料由来の樹脂が被覆された導体が廃棄される場合、埋め立て処分及び焼却処分は環境問題や地球環境温暖化問題の点から好ましいとはいえない。前記樹脂からなる被覆体は溶融によるリサイクル使用が考えられるが、回収費用やリサイクルにかかるエネルギーを考慮すると実用的ではない。

特許文献１及び２のような非化石燃料由来の絶縁材料の報告はあるが、絶縁特性に優れると共に導体をパウダーコーティングできる非化石燃料由来の絶縁性高分子材料組成物の報告はない。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、その目的は導体をパウダーコーティングできると共に絶縁特性に優れ、さらには廃棄されても地球環境に悪影響を及ぼさない絶縁性高分子材料組成物及び導体の提供にある。

請求項１記載の発明は、バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物であって、前記原料はポリブチレンサクシネートであることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物によって被覆された導体であって、前記原料はポリブチレンサクシネートであることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の導体において、前記絶縁性高分子材料組成物は流動浸漬法によって導体を被覆することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の導体において、前記導体は予め加熱された後に前記絶縁性高分子材料組成物によって被覆されたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、従来のポリエステルからなる絶縁性高分子材料組成物よりも絶縁特性に優れた絶縁性高分子材料組成物が実現する。前記絶縁性高分子材料組成物は、バイオマス由来であるので、生分解性である共にカーボンニュートラルである。

請求項２〜４記載の発明によれば、バイオマス由来の原料によって従来のポリエステルからなる絶縁性高分子材料組成物が被覆された導体よりも絶縁特性に優れた導体が実現する。

請求項１〜４記載の発明によれば、絶縁特性に優れる共に廃棄されても地球環境に悪影響を及ぼさない絶縁性高分子材料組成物及び導体を提供できる。

工業材料として要求される特性をほぼ満たすことができるエポキシ樹脂原料は石油に代表される化石燃料由来である。一方、バイオマス由来の原料であって三次元架橋するものは、エポキシ樹脂原料の代替となるばかりでなく、環境ホルモンの問題も解消され、焼却処分されてもカーボンニュートラルであるので、新たに二酸化炭素を発生させるものとはみなされない。

本発明の絶縁性高分子材料組成物は、天然原料素材物質、特に絶縁性及び材質の均等性等の観点からバイオマス由来のポリマーに着目している。前記バイオマス由来のポリマーとしては、アセチル化セルロース、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ポリトリメチレンテレフタート（ＰＴＴ）、エステル化澱粉、澱粉基ポリマー、キトサン基ポリマー等が例示される。

前記絶縁性高分子組成物は粉体化され導体にパウダーコーティングされる。

粉体化の工程では、粉体前の原料形状が粉体化装置に投入できない場合は投入できる程度まで粗粉砕する。粉体粒径の平均粒径は３０〜３００μｍ、望ましくは５０〜２５０μｍに設定するとよい。５００μｍ以上のものは裁断されるかまたは再度粉砕機に供される。

前記粉体化装置は回転、衝撃、振動等によるミルを用いるが粉体時に熱が発生し、前記ポリマーの融着や劣化による不具合が生じるのであれば、装置または粉体化部位を冷却する。それでも熱による前記問題が生じるのであれば前記ポリマー自体を冷凍庫または液体窒素等で冷却処理されたものが用いられる。

粉体にかかる時間は装置（機種、型式）種によるのでここでは制限されない。また、装置、馬力、時間により粉体粒径、形状が異なるが、粉体化する目的がパウダーコーティング法に適応する形状にすることなので、パウダーコーティング法ができるのであれば粒径、形状は制限しない。

粉砕時に粉体の自己融着や接着防止のための重量比で０．１〜１０％のシリカ、炭酸カルシウム等の無機粉体（平均粒径０．１〜２０μｍ）が添加される。

パウダーコーティングには流動浸漬法と静電塗装法がある。本実施形態では流動浸漬法について説明するが、粉体化させたバイオマス由来のポリマーを用いて導体を被覆するのが目的であり、静電塗装法はプロセスが異なるだけで目的、結果は同じである。流動浸漬法ではコーティングする導体が予熱され、粉体化させた前記ポリマーを流動させた流動浸漬槽に供給され、導体の表面に前記ポリマーが融着される。

前記流動浸漬槽の底部は、粉体化した樹脂の大きさと同等程度またはそれ以下の孔を有する多孔質体となっており、焼結、繊維クロス、機械的に孔加工された板等で構成されている。流動浸漬法は、前記流動浸漬槽内に導入された粉体化された樹脂を大気圧下で前記底部の孔から供された空気、乾燥空気、窒素、乾燥窒素の不活性気体によって流動させ、この流動している粉体樹脂中に予熱させた導体を投入して前記導体の表面に粉体樹脂を溶着させる方法である。

不活性気体の流速はガス流量（ｃｍ³／分）を流動浸漬槽の有効底面積（槽底部の均一にガスが流れ出る面積（ｃｍ²））で除した値の線速（ｃｍ／分）で管理されるが、粉体化したバイオマス由来のポリマーの粒径・分布、形状、密度により異なるので、一律に決まらないが、０．５〜５０ｃｍ／分、好ましくは１〜２０ｃｍ／分に設定される。

前記導体の予熱温度は導体自身の比熱、形状による熱容量、樹脂の加工温度（軟化温度、溶融点、ガラス転移温度）及び目的とするコーティング厚みによるのでここでは制限しないのが以下に一例を示す。

導体としては例えば銅製のブスバーが挙げられる。導体は銅製に限定されずアルミニウム製のものが例示される。尚、導体の形状は、ブスバーのような平板状のものに限定されず、丸棒、角棒、平板、編線等が例示される。

前記ブスバーのエッジ部は加工時のままでもよいが、面取りが施されると、エッジカバー率が改善され、被覆膜厚が厚くなり、また応力によるコーティングの亀裂の危険性が低減する。前記面取りはＣ、Ｒ面どちらでも構わない。面取りの大きさは、肉厚と亀裂危険性に関係するが、コストも考慮されて決まる。尚、ブスバーを引き抜き成型で作成する場合はエッジ部をＲ面にしておけばよい。

前記銅ブスバーは両端部がマスキングされる（例えば幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーの場合、両端部１００ｍｍがマスキングされる）。この銅ブスバーには作業及び固定用の孔等が形成される場合がある。前記孔の形状、位置及び大きさは銅ブスバーの形状や作業性が考慮されて決まる。また、前記マスキング時、前記ブスバー表面には他の導体と電気的に接続する面が確保される。

前記銅ブスバーの予熱温度は、前記ポリマーの加工温度（軟化温度、溶融点、ガラス転移温度）よりも約２０℃低い温度から分解温度まで、好ましくは、前記ポリマーの加工温度（軟化温度、溶融点、ガラス転移温度）よりも約５０℃高い温度までに設定される。温度は、単に前記ポリマーの熱特性に限らず、導体の熱容量（比重、体積）や形状による放熱（冷却）特性も考慮されて決定される。

前記流動浸漬槽内の銅ブスバーの浸漬時間は、コーティング表面が荒れない程度に導体の予熱温度も考慮されながら適宜調整される。例えば１〜２０秒間に設定される。また、浸漬の回数及び方向は被覆膜厚が不均一とならない程度に導体の形状が考慮されて決定される。

前記絶縁性高分子材料組成物には樹脂成形一般に用いられている添加剤が適宜添加される。例えば、既知の熱安定剤、光安定剤（紫外線防止剤）、酸化防止剤、老化防止剤、顔料、着色剤、無機充填材（フィラー）、微小無機充填材（ナノ粒子）、難燃剤、抗菌剤、防腐食剤等が挙げられる。さらに、被覆を安定化させるための過酸化物添加による架橋処理や、官能基を安定化させるカップリング剤の添加も有効である。

以下に本発明に係る絶縁性高分子材料組成物の実施例について説明する。この実施例で述べられているメーカー及び原料グレードは選択例の一つであり、本発明はこのメーカー・グレードに拘束されるものではない。本発明はバイオマス由来のポリマーをパウダーコーティング法に適した粒径になるように粉体加工し、パウダーコーティング法によって導体を被覆したものを実現することを目的としたものである。粉体加工における加工条件やパウダーコーティング法の温度、時間、処理方法条件は前記目的を具現化する手段であって、前記条件に本発明は拘束されるものではない。

表１はバイオマス由来のＰＢＳ（ポリブチレンサクシネート）からなる樹脂を所定の条件でパウダーコーティングさせた導体（試料Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０）の特性を示した特性図である。また、比較例としてＰＥ（ポリエチレン）からなる樹脂を所定の条件でパウダーコーティングさせた導体（試料Ｇ）の特性が示されている。前記特性として被覆厚［μｍ］及びＢＤＶ（短時間貫通破壊電圧）［ｋＶ］が開示されている。前記ＢＤＶの値は交流での短時間貫通破壊電圧の値である。表に示された「＊」は被覆の表面平滑性がないかまたは変色・発泡・膨れで計測できなかったことを意味する。「−」は計測できなかったことを意味する。

試料Ｇは、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体に化石燃料由来のＰＥ（平均粒径２００μｍ）からなる樹脂が導体予熱温度１８０℃、浸漬時間５秒、浸漬回数１の条件でパウダーコーティングされたものである。

試料Ａ１〜Ａ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にバイオマス由来のＰＢＳからなる樹脂が、導体予熱温度１１０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。前記ＰＢＳには三菱化学製のＧＳＰｌａＡＺ−６１Ｔ（Ｍｌ＝３０）が採用された。

試料Ｂ１〜Ｂ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にＰＢＳからなる樹脂（試料Ａ１〜Ａ１０の樹脂と同じ）が、導体予熱温度１２０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。

試料Ｃ１〜Ｃ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にＰＢＳからなる樹脂（試料Ａ１〜Ａ１０の樹脂と同じ）が導体、予熱温度１４０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。

試料Ｄ１〜Ｄ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にＰＢＳからなる樹脂（試料Ａ１〜Ａ１０の樹脂と同じ）が、導体予熱温度１６０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。

試料Ｅ１〜Ｅ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にＰＢＳからなる樹脂（試料Ａ１〜Ａ１０の樹脂と同じ）が、導体予熱温度１８０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。

試料Ｆ１〜Ｆ１０は、幅４０ｍｍ、厚み５ｍｍ及び長さ１２００ｍｍの銅ブスバーからなる導体にＰＢＳからなる樹脂（試料Ａ１〜Ａ１０の樹脂と同じ）が、導体予熱温度１９０℃、浸漬時間１，５，１０，１５，２０秒、浸漬回数１回（垂直）〜２回（垂直・裏返し）の条件で、パウダーコーティングされたものである。

表１に示された試料Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０，Ｄ１〜Ｄ１０，Ｅ１〜Ｅ１０，Ｆ１〜Ｆ１０の特性（被覆厚［μｍ］及びＢＤＶ［ｋＶ］）と試料Ｇの特性との比較から明らかなように、１１０℃〜１９０℃の導体予熱温度領域で、導体予熱温度、浸漬時間、浸漬回数を組み合わせれば、試料Ｇの特性よりも優れた導体が得られることが確認できる。一方、導体予熱温度が１００℃以下である場合、樹脂が導体（銅ブスバー）に溶着されず、コーティングが行えなかったことが確認された。また、導体予熱温度が２００℃以上である場合、樹脂の変色、発泡、膨れ等が生じ均一なコーティングが行えなかったことが確認された。

以上の実施例に基づき本発明の絶縁性高分子材料組成物について詳細に説明したが、本発明はそ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。

Claims

バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物であって、
前記原料はポリブチレンサクシネートであること
を特徴とする絶縁性高分子材料組成物。
バイオマス由来の原料からなるパウダー状の絶縁性高分子材料組成物によって被覆された導体であって、前記原料はポリブチレンサクシネートであること
を特徴とする導体。
前記絶縁性高分子材料組成物は流動浸漬法によって導体を被覆すること
を特徴とする請求項２記載の導体。
前記導体は予め加熱された後に前記絶縁性高分子材料組成物によって被覆されたこと
を特徴とする請求項３記載の導体。