JP2015113351A

JP2015113351A - 極低温用電気絶縁材料

Info

Publication number: JP2015113351A
Application number: JP2013254071A
Authority: JP
Inventors: 一柳　隆治; Takaharu Ichiyanagi; 隆治一柳; 雅史仁井; Masashi Nii; 前田　徳一; Tokuichi Maeda; 徳一前田; 仁志石澤; Hitoshi Ishizawa
Original assignee: Oji Holdings Corp; Toyobo STC Co Ltd
Current assignee: Oji Holdings Corp; Toyobo STC Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-22

Abstract

【課題】液体窒素温度以下の極低温下の急冷環境においてマイクロクラックを生じることなく、ケーブル等に使用した場合、全体が軽く仕上がる低温用の電気絶縁複合材料を提供せんとするものである。
【解決手段】繊維強化材を用いた極低温用電気絶縁材料であり、該繊維強化材が、引張破断強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張初期弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、長さ１〜１５ｍｍのポリエチレン短繊維を少なくとも５０質量％以上の配合比率で含有した紙であることを特徴とする極低温用電気絶縁材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、低密度で高強度・高弾性率のポリエチレン短繊維を湿式抄紙した紙を用いた、超伝導コイル等に使用される低温用の電気絶縁複合材料に関する。

従来、極低温用電気絶縁材料としてはエチレンプロピレンゴムやガラス繊維強化プラスチック(ＧＦＲＰ)が使用されている。

特許文献１には、高強度ポリエチレン繊維等の有機繊維を補強繊維として用い、ジシアンジアミドを含むエポキシ樹脂をマトリックスとして用いた極低温用材料が示されている。

特許文献２には、極低温および／または極低温から常温へと至る温度領域において通電される導体部と、前記導体部を覆う電気絶縁材料とを整える極低温用絶縁導体であって、電気絶縁材がアイオノマー樹脂からなる極低温用絶縁材料が示されている。

特開平５−３２０３６９号公報特開２００１−８３５６号公報

前記の従来技術に示される、例えば、ガラス繊維複合材料（ＧＦＲＰと略する場合がある）は、常温から低温への急冷でマイクロクラックが発生し、充分な電気絶縁性を確保できないという問題を有しており、さらには、ＧＦＲＰを用いる場合、補強材料がガラス繊維であるため、例えばケーブルに加工した場合、ケーブル自体が重くなる難点があった。また、エチレンプロピレンゴムを用いる場合でも、常温から低温への急冷でマイクロクラックが発生し、充分な電気絶縁性を確保できないといった課題が残されている。

本発明は上記の課題を解決することを目的とするものであり、液体窒素温度以下の極低温下の急冷環境においてマイクロクラックを生じることなく、ケーブル等に使用した場合、全体が軽く仕上がる低温用の電気絶縁複合材料を提供せんとするものである。

上記の課題を解決するための手段、即ち、本発明の構成は、繊維強化材を用いた極低温用電気絶縁材料であり、該繊維強化材が、引張破断強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張初期弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、長さ１〜１５ｍｍのポリエチレン短繊維を少なくとも５０質量％以上の配合比率で含有した紙であることを特徴とする極低温用電気絶縁材料である。

紙が湿式法で抄造されたものであることが望ましい。

紙の厚みは０．３ｍｍ以下とするのが望ましい。

本発明は上記の構成により、液体窒素温度以下の極低温下の急冷環境でマイクロクラックを生じることなく、ケーブル等に使用した場合、全体が軽く仕上がる低温用の電気絶縁複合材料を提供することができる。

以下、本発明に係る電気絶縁材料を更に詳しく説明する。
本発明は、繊維強化材を用いた極低温用電気絶縁材料であり、引張破断強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張初期弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、長さ１〜１５ｍｍのポリエチレン短繊維を少なくとも５０質量％以上の配合比率で含有した紙からなる繊維強化材を用いた極低温用電気絶縁材料である。

本発明に用いる高強度繊維は、高分子量ポリエチレン繊維であって、東洋紡製のツヌーガ（登録商標）や日本ダイニーマ製のダイニーマ（登録商標）を用いることができる。これらの繊維は、ガラス転移点は−６０℃以下であるため低温領域で柔軟な特性を維持することができ、また、繊維軸方向に負の熱膨張係数を有するので室温から７７Ｋ（液体窒素温度）以下の温度に下げていくと繊維の長さが長くなる。そのため、膨張率が正であるウレタン樹脂を複合させた材料は温度低下による収縮率は殆ど零となり、極低温時で耐マイクロクラック性と寸法安定性に優れた軽量な絶縁材料を形成することができる。

つぎに、本発明の絶縁材料の製法について説明する。まず、高強度ポリエチレンフィラメント繊維を例えばギロチン式のカッターで切断して、原料である直線状の短繊維を作製し、以下に述べる方法で湿式抄紙する。

前記するカッターで切断した短繊維に、樹脂バインダーとして、エチレン−（メタ）アクリル酸系樹脂およびプロピレン−（メタ）アクリル酸系樹脂の少なくとも１種を、噴霧または含浸法により１〜３０質量％の範囲で含有させる。このものを、乾燥工程と熱カレンダー工程に通して紙を作製する。その紙にウレタン樹脂ワニスを含浸させてシート状の電気絶縁材料を得る。ウレタン樹脂ワニスは溶剤型あるいは非溶剤型どちらでもよい。

短繊維の長さは、１〜１５ｍｍとするのがよい。ここで短繊維の長さが１ｍｍ未満になると繊維同士の絡みが少ないため抄紙が困難になり、１５ｍｍを超えると繊維同士の絡みが強くなり均一性に欠ける様になってくる。

紙の厚みは、０．３ｍｍ以下とするのが好ましい。

電気絶縁材料は紙に樹脂を含浸させて作製しても良いが、電線に巻き回す場合にあっては、あらかじめ紙のままで導体に巻き回し、その後にワニスを含浸させて絶縁材料とする場合もある。

本発明の電気絶縁材料は８０ｃｍ以上の広幅シートから、適宜スリットして３ｃｍ程度の細幅のテープとして使用することが出来る。

本発明の電気絶縁材料の用途としては特に限定するものではないが、例えば低温領域で使用されるケーブル、コイルなどの絶縁体が挙げられる。
なお、本電気絶縁材料は繊維強化材の紙が低密度（例えば、０．９７ｇ／ｃｍ^３程度）のポリエチレン繊維であるため、他の材料の、例えばエチレンプロピレンゴムやＧＦＲＰを使用した複合材料に比べて、より軽量化が可能である。

本発明の電気絶縁材料は紙をワニスに含浸して硬化させたものであって、ワニスとしては極低温領域でも可撓性を有するウレタンが好ましい。この複合材料をスリットしてテープ状に加工し、銅線等の導体に巻き回して電気絶縁層とすることができる。

また、紙をスリットしたテープを導体に巻き回して、その上にワニスを塗布してから加熱し電気絶縁層としても良い。なお、紙状態のシートをスリットしたテープはそのままで電気絶縁材料として使用できるのは言うまでもない。

前記の高強度繊維は、高分子量ポリエチレン繊維であって、東洋紡製のツヌーガ（登録商標）や日本ダイニーマ製のダイニーマ（登録商標）が良く知られている。これらの繊維は、ガラス転移点は−６０℃以下であるため低温領域で柔軟な特性を維持でき、また、繊維軸方向に負の熱膨張係数を有するので室温から７７Ｋ（液体窒素温度）以下の温度に下げていくと繊維の長さが長くなる。そのため、膨張率が正であるウレタン樹脂を複合させた材料は温度低下による収縮率は殆ど零となり、極低温時で耐マイクロクラック性と寸法安定性に優れた軽量な絶縁材料となる。

以下、実施例により本発明を説明する。
紙の引張破断強度はＪＩＳ・Ｐ・８１１３に準じてテンシロン型引張試験機で測定した。

［実施例１］
超高強度・高弾性率ポリエチレン繊維である日本ダイニーマ製のダイニーマ（登録商標）〔密度：０．９７ｇ／ｃｍ^３、引張破断強度：２４ｃＮ／ｄｔｅｘ、引張初期弾性率：８００ｃＮ／ｄｔｅｘ〕を、ギロチン式のカッターで切断し、長さ５ｍｍの直線状の短繊維を得た。その短繊維を０．２％濃度にて水に分散し、湿式抄紙法にてランダムな配列のウェブを形成し、そのウェブにバインダー（接着剤）として、エチレン−（メタ）アクリル酸系樹脂（東邦化学製ハイテックＳ−３１４８、エチレン／アクリル酸＝８０部／２０部、樹脂末端にウレタン基を有する）を繊維量に対して１０質量％噴霧した後、１１０℃に設定した熱風乾燥機にて乾燥し４５ｇ／ｍ^２の紙を得た。この紙を密度が０．６４ｇ／ｃｍ^３となるようにカレンダー処理した。次いでこの紙を無溶剤型のウレタンワニスに含浸させて紙の体積分率を７０％にし、幅９０ｃｍのシートに作製した。このシートを液体窒素(７７Ｋ)中に３０分間浸漬し、表面のクラック発生状況を目視観察した。結果を表１に示す。

［実施例２］
高強度・高弾性率ポリエチレン繊維である東洋紡製のツヌーガ（登録商標）〔密度：０．９７ｇ／ｃｍ^３、引張破断強度：１２ｃＮ／ｄｔｅｘ、引張初期弾性率：４２０ｃＮ／ｄｔｅｘ〕を、ギロチン式のカッターで切断し、繊維長５ｍｍの直線状の短繊維を得た。その短繊維を用いた以外、実施例１と同様に、紙と電気絶縁シートを作製して同様の評価を実施した。その結果を表１に示す。

［比較例１］
通常のポリエチレン繊維の比率を４１％、ダイニーマ（登録商標）の比率を４９％、バインダーの比率を１０％とした以外は、実施例１と同様に紙と電気絶縁シートを作製して、同様の評価を実施した。結果を表１に示す。

（評価の考察）
実施例１の高強度・高弾性率ポリエチレン有機短繊維：日本ダイニーマ製のダイニーマ（登録商標）を原材料として湿式抄紙した紙から成る電気絶縁材料は、極低温領域でクラックが生じることが無く電気絶縁性に優れたものであった。実施例２の高強度・高弾性率ポリエチレン有機短繊維：東洋紡製のツヌーガ（登録商標）を原材料として湿式抄紙した紙から成る電気絶縁材料は、極低温領域でクラックが生じることが無く電気絶縁性に優れたものであった。一方、ダイニーマ（登録商標）の含有量を５０質量％未満の４９質量％とした以外は、実施例１と同様の条件で作製した比較例１の電気絶縁材料は極低温領域でクラックが発生した。

Claims

繊維強化材を用いた極低温用電気絶縁材料であり、該繊維強化材が、引張破断強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、引張初期弾性率が３５０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、長さ１〜１５ｍｍのポリエチレン短繊維を少なくとも５０質量％以上の配合比率で含有した紙であることを特徴とする極低温用電気絶縁材料。
紙が湿式法で抄造されたものである請求項１に記載の極低温用電気絶縁材料。
紙の厚みが０．３ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の極低温用電気絶縁材料。