JP2013177558A - 高誘電絶縁性樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(A)成分:(B)成分の分散媒となるポリマー材料100質量部、(B)成分:1次粒子が焼結により互いに結合してなる2次粒子からなる、式:ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物粉末100〜3000質量部を含有している、高誘電絶縁性樹脂組成物。
【選択図】なし
Description
電力用途では、電力ケーブル接続部や終端部の電界緩和材として使われていることが知られている。
通信機器用途では集積回路のデータエラー原因として、電気的ノイズの問題がある。電気的ノイズの影響を抑えるために、プリント配線板に容量の大きなキャパシタを設けて電気的ノイズを取り除く方法が知られており、高誘電材料をキャパシタの材料とすることで、電子部品の小型化、高機能化を実現している。
ベース材料に配合する高誘電性物質としては、金属酸化物、チタン酸バリウムをはじめとした誘電性セラミックス、カーボンブラックなどが知られている。
特許文献1の発明には、ベース材料となるシリコーンゴム中に高誘電物質として酸化亜鉛、酸化アルミニウムの固溶体などの複酸化物を配合した電力ケーブル接続部用シリコーンゴム組成物が記載されている。
特許文献2の発明には、各種エラストマーに高誘電性セラミックス粉末を配合した高誘電性エラストマー組成物が記載されている。
特許文献3の発明には、樹脂中に一次粒子が集合した二次粒子からなる多孔質無機誘電体粒子が分散された複合誘電体が記載されており、二次粒子は一次粒子が焼結により互いに結合されたものであることが記載されている。
特許文献4の発明には、チタン酸金属塩繊維状物等の複合繊維を含有する高誘電エラストマー組成物が記載されている。複合繊維は、金属M(Ba、Sr、Ca等)とTiとのモル比(Ti/M)が1.005〜1.5の範囲であることが記載されている。
特許文献5の発明には、チタン酸バリウムが配合された高誘電率ゴム組成物が記載されている。
特許文献6の発明には、エチレンプロピレンゴム又はエチレンプロピレンジエンゴムにファーネス系のカーボンブラックを配合した高誘電率絶縁ゴム材料が記載されている。
特許文献7の発明には、スチレン系及びオレフィン系のエラストマーに、誘電セラミックス及びカーボンブラックを配合した高誘電性エラストマー組成物が記載されている。
特許文献2の発明では、エラストマー100質量部に高誘電性物質として高誘電性セラミックス粉末300〜1200質量部を配合することが記載されており(段落番号0020)、実施例でも400、800、1000質量部を配合している。このように多量配合すれば、誘電特性を高めることは達成できるが、エラストマー自体の特性を損なう欠点がある。さらには高誘電特性が求められる用途での電気特性に関し、体積抵抗率については、何らデータを示していない。
特許文献3の発明は、高誘電セラミックスに関するもので、粒径や比表面積には言及しているものの、ペロブスカイト構造の重要な要素であるABO3構造のうち、A/Bモル比については言及しておらず、その効果について明らかにされてはいない。加えて、高誘電特性が求められる用途での電気特性に関し、体積抵抗率について何らデータを示していない。
特許文献4の発明では、高誘電特性が求められる用途において有用な電気特性を満たしていない。
特許文献5の発明では、実施例においてベースポリマーとなるエチレンプロピレンゴム100質量部に対して、300〜750質量部を配合しており、ゴム特性面、電気特性面においても特許文献2の発明と同じ問題を有している。
特許文献6の発明では、効果的な比誘電率(比誘電率>20)を得ようとすると、半導電領域になってしまったりするという問題がある。
特許文献7の発明では、比誘電率が効果的な領域まで達しておらず、満足できる特性ではない。
(A)成分のポリマー材料は、(B)成分のペロブスカイト型複合酸化物粉末を分散保持するための分散媒となるものであり、高誘電絶縁性樹脂組成物の用途に応じて選択されるものである。
合成樹脂としては、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレン、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、アクリル樹脂、シアネート樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。これらの中でもエポキシ樹脂が好ましい。
エポキシ樹脂硬化剤としては、一般にエポキシ樹脂の硬化剤として使用されている硬化剤を添加することができる。このような硬化剤としては、アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、フェノール系硬化剤等が例示される。
具体的には、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどの脂肪族アミン類及び脂肪族ポリアミン類、芳香族環を含む脂肪族ポリアミン類、脂環式及び環状ポリアミン類、ジアミンジフェニルスルホンなどの芳香族アミン類、脂肪族酸無水物類、脂環式酸無水物類、芳香族酸無水物類、ハロゲン系酸無水物類等、トリスフェノール、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールAノボラック、ビスフェノールFノボラック、フェノール類−ジシクロペンタジエン重付加型樹脂、ジヒドロキシナフタレンノボラック、キシリデンを結接基とした多価フェノール類、フェノール−アラルキル樹脂、ナフトール類、ポリアミド樹脂及びこれらの変性物、フェノール、ユリア、メラミンなどとホルマリンを反応させて得られたメチロール基含有初期縮合物、ジシアンジアミドに代表される塩基性活性水素化合物、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールなどの第三アミン類、イミダゾール、BF3−アミン錯体などのルイス酸及びブレンステッド酸塩、ポリメルカプタン系硬化剤、イソシアネートあるいはブロックイソシアネート、有機酸ジヒドラジド等が例示される。またこれらの硬化剤は併用することもできる。
(式中、Rは置換または非置換の一価の炭化水素基を、aは1.98〜2.02の範囲の数を示す)で表すことができるものである。
これらのケイ素原子に結合する一価の炭化水素基としては、主にメチル基が用いられるが、例えばビニル基ならば機械的強度と架橋性の点から、一価の炭化水素基の全数に対して0〜5%程度含有していてもよく、特に0.05〜3%の範囲が好ましい。
ポリオルガノシロキサンの平均重合度は200〜20000程度の範囲が好ましい。
RaSiO(4-a)/2 (I)
[式中、Rはその5〜50モル%が、式−CH2CH2Rf(ここでRfは炭素原子数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す)で表される基で、残りの95〜50モル%が飽和もしくは不飽和の一価炭化水素基を表し、aは1.8〜2.3の数である]
で表わされ、23℃における粘度が1Pa・s以上であるパーフルオロアルキル基含有オルガノポリシロキサンが好ましい。
有機過酸化物触媒の添加量は一般的に(A)成分100質量部に対して0.1〜5質量部が好ましい。
白金系触媒の添加は有効量であり、具体的には、(A)成分のオルガノポリシロキサンに対し一般的には、白金原子として1〜2,000ppmの範囲とすることが望ましい。
オルガノハイドロジエンポリシロキサンとしては、ジメチルハイドロジエンシリル基で末端が封鎖されたジオルガノポリシロキサン、ジメチルシロキサン単位と、メチルハイドロジエンシロキサン単位と、末端を停止するトリメチルシロキシ単位との共重合体、ジメチルハイドロジエンシロキサン単位(H(CH3)2SiO0.5 vc単位)とSiO2単位とからなる低粘度流体である共重合体、1,3,5,7−テトラハイドロジエン−1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン、1−プロピル−3,5,7−トリハイドロジエン−1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサン、1,5−ジハイドロジエン−3,7−ジヘキシル−1,3,5,7−テトラメチルシクロテトラシロキサンなどを挙げることができる。
本発明で使用する(B)成分は、1次粒子が焼結により互いに結合してなる2次粒子からなるものであり、式:ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物粉末である。
一般式中、AはBaを含んでいることが好ましく、Ba単独でもよいし、Ba及びCaの組み合わせ、Ba及びSrの組み合わせ又はBa、Ca及びSrの組み合わせを含むものでもよい。
A中のBaの組成比は90mol%以上であることが好ましい。
一般式中、BはTiを含んでいることが好ましく、Ti単独でもよいし、BがTi及びZrを含むものでもよい。
B中のTiの組成比は80mol%以上であることが好ましい。
AがBaを含み、BがTiを含むときは、Ba/Tiのモル比は1.010〜1.400であることが好ましい。前記範囲内であると、比誘電率を高めることができる。
なお、特許文献4に記載されているものは金属M(Ba、Sr、Ca等)とTiとのモル比(Ti/M)が1.005〜1.5の範囲であり、M(Ba)/Tiの場合には、約0.99502〜0.66666となるため、本発明とは異なる。
これらのペロブスカイト型複合酸化物は1種又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
一次粒子の状態であると、微粉末の割合が多くなり、粒度分布も不均一になることから、組成物の誘電正接を悪化させる。
このときの平均粒径が5〜50μmのものの含有割合は、下限値は50質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましく、上限値は90質量%以下が好ましい。平均粒径が0.1〜5μm未満のものは10質量%〜50質量%の残部割合となる。前記混合物は平均粒径が5μm未満でもよく、平均粒径1〜40μmのものが好ましく、平均粒径1〜30μmのものがより好ましい。
(B)成分が前記混合物の場合、大きな粒子(平均粒径が5〜50μmのもの)により形成される間隙内に小さな粒子(平均粒径が0.1〜5μm未満のもの)が入り込んだ状態のものとなり、平均粒径が5μm未満でも高い効果が得られる。
また、不純物含有量の少ないものが、高純度の製品を得る上で、特に好ましい。
エラストマー材料として使用する際には、ゴム物性と高誘電を両立する上で、(A)成分のエラストマー材料100質量部に対し、100〜500質量部であり、好ましくは150〜450質量部である。
本発明で使用する(C)成分のカーボンブラックは、(B)成分と相乗的に作用してさらに比誘電率を増加させるための成分である。
(C)成分のカーボンブラックとしてはサーマル系、ファーネス系、アセチレン系から選択することができる。
サーマル系としては旭#50(旭カーボン(株)製 商品名)など、ファーネス系としては東海カーボンシーストS(東海カーボン(株)製 商品名)、アセチレンブラックとしては、デンカブラック(電気化学工業(株)製 商品名)、シャウニガンアセチレンブラック(シャウニガンケミカル社製 商品名)などが例示される。コンダクティブファーネスブラックとしては、コンチネックスCF、コンチネックスSCF(以上、コンチネンタルカーボン社製 商品名)、バルカンC、バルカンSC、バルカンP、バルカンXC−72(以上、キャボット社製 商品名)、旭HS−500(旭カーボン(株)製 商品名)などが例示される。
コンダクティブチャンネルブラックとしては、コウラックスL(デグッサ社製 商品名)などが例示される。
また、ファーネスブラックの一種であるケッチェンブラックEC、ケッチェンブラックEC−600JD(以上、ケッチェンブラックインターナショナル社製 商品名)を使用することもできる。またフラーレンや単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブなども使用できる。
さらに、これらのカーボンブラックを表面修飾したものも利用できる。特にシリカで表面修飾したものは、電気特性をその被覆量で調整することが可能であり、より好ましく、例えばCABOT社のCRXグレードなどが例示される。
本発明の組成物又は(A)成分のポリマー材料には、上記必須成分に加え、他の成分を本発明の効果を妨げない範囲で、補強性シリカ微粉末等の充填剤、着色剤、耐熱性向上剤などの各種添加剤、反応制御剤、離型剤、充填剤用分散剤などを添加することもできる。
充填剤用分散剤としては、ジフェニルシランジオール、各種アルコキシシラン、カーボンファンクショナルシラン、シラノール基含有低分子シロキサンなどを挙げることができるが、使用する場合には、本発明の効果を損なわないような最小限の添加量に留めることが好ましい。
補強性充填剤としては、煙霧質シリカ、沈澱法シリカ、けいそう土などを挙げることができ、耐熱性向上剤としては、グラファイト、酸化アルミニウム、二酸化チタン、水酸化セリウム、マイカ、クレイ、ガラスビーズ、ポリジメチルシロキサン、アルケニル基含有ポリシロキサンなどを挙げることができる。
本発明の組成物から得られる成形体は、実施例に記載の方法により測定される誘電正接が0.1以下であるものが好ましく、0.08以下であるものがより好ましく、0.06以下であるものがさらに好ましい。
本発明の組成物から得られる成形体は、実施例に記載の方法により測定される体積抵抗(絶縁性)が1.0×1012Ω・cm以上である。
こうして得られたゴム硬化物(ゴムストレスコーン)は、電力用部材又は通信用部材として使用することができ、電力ケーブル接続部用ゴム部材として好適である。
電力ケーブル接続部用ゴム部材は、電力ケーブルの中間接続部や端末接続部において接続治具の電界緩和層などとして用いられる。
また、成型品をキャパシタ材料として用いると、高誘電材料として電子部品の小型化、高機能化を実現できる。
さらに(A)成分としてポリオルガノシロキサン及び硬化剤を含有する混合物、またはエポキシ樹脂を使用した組成物は、電力用部材又は通信用部材の製造用組成物として望ましものである。
表1、表2の測定項目における測定方法は以下のとおりである。
<電気特性>
・比誘電率及び誘電正接
実施例及び比較例で得られた比誘電率測定用サンプルについて、Agilent Technologies社製マテリアルアナライザ4291B同付属テストステーション、高インピーダンスヘッドAgilent Technologies社製 Dielectric Test Fixture 16453Aを使用して比誘電率を測定した。
測定方法はRF電圧電流測定法(RF−IV法)に従った。測定時の周波数は1MHz、印加電圧は0.5V/1mmであった。
・体積抵抗率
JIS K 6249に準拠して、アドバンテスト社製R8340デジタル超高抵抗/微少電流計を使用した。
なお、表1、表2中の体積抵抗の表示は、例えば実施例1の「3E15」は「3×1015」を示す。
<物性>
・硬さはJIS K 6249に準拠して測定した。
・伸びはJIS K 6249に準拠して測定した。
・引張強さはJIS K 6249に準拠して測定した。
エポキシ樹脂100部(ジャパンエポキシレジン社製、商品名エピコート815)、硬化促進剤として1−イソブチル−2−メチルイミダゾール8部からなる(A)成分と、(B)平均粒径21μm, 比表面積0.61m2/g、A/Bモル比が1.000であり、且つBa/Tiモル比が1.153であるペロブスカイト型複酸化物600部を30分混練して組成物を得た。
得られた組成物を130mm角、1mm厚の金型に流し込み、加熱、加圧下で成型した。成型は120℃で30分間、成型圧力は10 MPaであった。
表1に示す種類及び量の材料を用いた以外は実施例1と同様にして組成物及び硬化物を製造した。
エポキシ樹脂100部(ジャパンエポキシレジン社製、商品名エピコート815)と硬化促進剤としての1−イソブチル−2−メチルイミダゾール8部からなる(A)成分と、(B)平均粒径21μm, 比表面積0.61m2/g、A/Bモル比が1.000であり、且つBa/Tiモル比が1.153であるペロブスカイト型複酸化物600部、(C)成分のカーボンブラック((株)旭カーボン社製アサヒ#50)27部を均一に30分混練して組成物を得た。
得られた組成物を130mm角、1mm厚の金型に流し込み、加熱、加圧下で成型した。成型は120℃で10分間、成型圧力は10 MPaであった。
両末端がトリメチルシリル基で閉鎖され、メチルシロキシ単位99.5モル%、メチルビニルシロキシ単位0.5モル%から成り、重合度が5000であるポリオルガノシロキサン99部、分散剤としてのシラノール基含有ジメチルポリシロキサン(重合度n=25)1部からなるものを(A)成分とした。
(B)成分のペロブスカイト型複酸化物315部(平均粒径21μm, 比表面積0.61m2/g、A/Bモル比が1.000であり、且つBa/Tiモル比が1.153)を、(A)成分と補強性シリカとしてのシリカ(Aerosil 200,日本アエロジル(株)製)15部を、ニーダーを用いて150℃の温度で2時間混練した。
得られた混練物に対して、硬化剤としての2,5−ジメチル−2,5 −ジ−t−ブチルパーオキシヘキサン2部を2本ロールで混ぜ合わせて組成物を得た。
得られた組成物を用いて130mm角、2mm厚と1mm厚のシート状弾性体に加熱、加圧下で成型した。成型は170℃で10分間、成型圧力は10 MPaであった。
その後、2次架橋(ポストキュアー)を200℃で4時間行い、物性用、比誘電率測定用サンプルをそれぞれ作製した。
両末端がトリメチルシリル基で閉鎖され、メチルシロキシ単位99.5モル%、メチルビニルシロキシ単位0.5モル%からなり、重合度が5000であるポリオルガノシロキサン99部、分散剤としてのシラノール基含有ジメチルポリシロキサン(重合度n=25)1部からなるものを(A)成分とした。
上記(A)成分と、(B)成分のペロブスカイト型複酸化物(平均粒径21μm, 比表面積0.61m2/g、A/Bモル比が1.000であり、且つBa/Tiモル比が1.153)315部、(C)成分のカーボンブラック((株)旭カーボン社製旭#50)27部を、補強性シリカとしてのシリカ(Aerosil 200 、日本アエロジル(株)製)15部を、ニーダーを用いて150℃、2時間、混練して混練物を得た。
得られた混練物に対して、硬化剤としての2,5−ジメチル−2,5 −ジ−t−ブチルパーオキシヘキサン2部を2本ロールで混ぜ合わせて組成物を得た。
得られた組成物を用いて130mm角、2mm厚と1mm厚のシート状弾性体に加熱、加圧下で成型した。成型は170℃で10分間、成型圧力は10MPaであった。
その後、2次架橋(ポストキュアー)を200℃で4時間行い、物性用、比誘電率測定用サンプルをそれぞれ作製した。
表2に示す種類及び量の材料を用いた以外は実施例6もしくは7と同様にして物性用、比誘電率測定用サンプルをそれぞれ作製した。
なお、実施例11は、(B)成分として、平均粒径20μmのものを60質量%、平均粒径が2μmのものを40質量%混合した混合物を使用した。また、比較例3はシリコーンコンパウンドにカーボン材料のみ配合したものであり、ペロブスカイト型複酸化物を使用していない例である。
(A)成分としてフロロシリコーン生ゴム(メチルトリフルオロプロピルシロキシユニット99.8%、メチルビニルユニット0.2%、末端基はトリメチルシリル、粘度は生ゴム状で0.8万Pa・s)100部に、分散剤としてフロロシリコーンオイル(メチルトリフルオロプロピルシロキシユニット100%、末端基はシラノール。粘度は0.13Pa・s)4部使用した以外は実施例7と同様にして、物性用、比誘電率測定用サンプルをそれぞれ作製した。
(A)成分として、粘度が10Pa・sである分子鎖両末端がビニルジメチルシロキシ基で封鎖されたジメチルポリシロキサン100部、及び煙霧質シリカ(Aerosil 130 、日本アエロジル(株)製)27部、ヘキサメチルシラザン4部を、万能混練機を用いて均一に混練した後、これを150℃の温度で2時間減圧処理した。
そこに(B)成分として表2に示す高誘電フィラーを328部、CH3)HSiO単位50mol%および(CH3)2SiO単位50mol%からなり分子鎖両末端がトリメチルシロキシ基で封鎖されたジメチルシロキサン・メチルハイドロジェンシロキサン 共重合体4部を加え撹拌した。
最後に白金触媒として白金−オクタノール錯体溶液(白金含有量4.0%)を0.1部、硬化抑制剤として1−エチニル−1−シクロヘキサノール0.01重量部加えて混合した。
混合した組成物を2mm厚の金型に組成物を流し込み、温度170℃で10分プレス硬化させ(1次加硫)、2mm厚のゴムシートを得た。その後、オーブンにて200℃、4時間の条件で2次加硫を行った。
これらのサンプルについての各評価を行った。評価方法は以下の通りである。結果を表2に示す。
表2に示す種類及び量の材料を用いた以外は実施例6もしくは7と同様にして物性用、比誘電率測定用サンプルをそれぞれ作製した。
なお、実施例11は、(B)成分として、平均粒径20μmのものを60質量%、平均粒径が2μmのものを40質量%混合した混合物を使用した。また、比較例3はシリコーンコンパウンドにカーボン材料のみ配合したものであり、ペロブスカイト型複酸化物を使用していない例である。
Claims (11)
- (A)成分:(B)成分の分散媒となるポリマー材料100質量部、
(B)成分:1次粒子が焼結により互いに結合してなる2次粒子からなる、式:ABO3で表されるペロブスカイト型複合酸化物粉末100〜3000質量部
を含有している、高誘電絶縁性樹脂組成物。 - 前記(B)成分が、1次粒子が焼結により互いに結合してなる2次粒子からなる、式:ABO3(式中、AがBa、Ca、Srから選ばれるもので少なくともBaを含んでおり、BがTi、Zrから選ばれるもので少なくともTiを含んでおり、A/Bのモル比が0.996〜1.005である)で表されるペロブスカイト型複合酸化物粉末である、請求項1記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(B)成分が、1次粒子が焼結により互いに結合してなる2次粒子からなる、式:ABO3(式中、AがBa、Ca、Srから選ばれるもので少なくともBaを含んでおり、BがTi、Zrから選ばれるもので少なくともTiを含んでおり、A/Bのモル比が0.996〜1.005であり、かつBa/Tiのモル比が1.010〜1.400である)で表されるペロブスカイト型複合酸化物粉末である、請求項1記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(B)成分が、平均粒径5〜50μm、BET比表面積0.05〜5.00m2/gの焼結処理されたペロブスカイト型複合酸化物粉末である、請求項1又は2記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(B)成分のペロブスカイト型複合酸化物粉末が、平均粒径が5〜50μmのものと、平均粒径が0.1〜5μm未満のものを混合した混合物であり、平均粒径5〜50μmのものの含有割合が50質量%〜90質量%であり、平均粒径0.1〜5μm未満のものが10質量%〜50質量%の上記残部割合である、請求項1又は2記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- さらに(C)成分としてカーボンブラックを前記(A)成分である合成樹脂100質量部に対して0.1〜40質量部含有する、請求項1〜5のいずれか1項記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(A)成分のポリマー材料が、合成樹脂、合成ゴム及び合成エラストマーから選ばれるものである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(A)成分のポリマー材料が、ポリオルガノシロキサン及び硬化剤を含有する混合物である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 前記(A)成分のポリマー材料が、ポリオルガノシロキサン及び硬化剤を含有する混合物であり、
前記ポリオルガノシロキサンが、平均組成式(I):
RaSiO(4-a)/2 (I)
[式中、Rはその5〜50モル%が、式−CH2CH2Rf(ここでRfは炭素原子数1〜3のパーフルオロアルキル基を示す)で表される基で、残りの95〜50モル%が飽和もしくは不飽和の一価炭化水素基を表し、aは1.8〜2.3の数である]
で表わされ、23℃における粘度が1Pa・s以上であるパーフルオロアルキル基含有オルガノポリシロキサンである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。 - 前記(A)成分のポリマー材料が、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、アクリル樹脂、シアネート樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂から選ばれるものである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の高誘電絶縁性樹脂組成物。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の高誘電絶縁性樹脂組成物であり、前記(A)成分としてポリオルガノシロキサン及び硬化剤を含有する混合物又はエポキシ樹脂を使用したものから得られる成形体からなる電力用部材又は通信用部材。
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