JP2021531631A

JP2021531631A - 電気自動車電池用途の耐炎性材料

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Publication number: JP2021531631A
Application number: JP2021504219A
Authority: JP
Inventors: ロバートエイチ．ターピン，; ティー．ファン，ミッチェル; エー．ガニオン，ドナルド
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2021-11-18
Also published as: WO2020023357A1; US20210280336A1; EP3827447A1; CN112424878B; CN112424878A

Abstract

耐炎性電気絶縁材料は、ガラス繊維と、微粒子充填剤混合物と、無機結合剤とを含み、電気絶縁材料は、Ｖ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級、及び０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有する。微粒子充填剤混合物は、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のリストから選択される少なくとも２種の微粒子充填剤材料を含む。例示的な態様では、絶縁材料は、少なくとも１０分間の２０５４℃（３７３０°Ｆ）の火炎への直接曝露の後に穴が開かない。

Description

本発明は、電気自動車に使用するための耐炎性電気絶縁材料に関する。詳細には、例示的な電気絶縁材料は、ＵＬ９４−Ｖ０、５ＶＡ耐炎試験に合格する能力を有する耐炎性無機系紙又は板として形成され得る。加えて、いくつかの例示的な耐炎性無機系紙又は板材料は、２０５４℃（３７３０°Ｆ）の火炎への直接曝露に、穴開きを生じることなく、少なくとも１０分間耐えることができる。それゆえ、このような無機系紙又は板は、電気自動車電池用途の熱又は火炎バリアなどの、保護デバイスとして有用である。

リチウムイオン電池パックによって給電される電池式電気自動車の成長は、リチウムイオン電池内の熱暴走反応に関連付けられる潜在的危険を阻止する必要性を生じさせた。現在、電気自動車製造業者は、電池絶縁材料の使用のための種々の要求及びアプローチを有する。要求が、高温トーチに、穴開きも破れも生じることなく最大１０分間耐えることである、いくつかの電気自動車電池用途において、１つの従来のアプローチはマイカ板を耐炎性バリアとして採用する。

マイカ板（例えば、少なくとも８０％のマイカを含む板）は優れた火炎バリア材料であるが、それらはいくつかの電気自動車用途にとっては理想的でない。マイカ板の高い密度のために、マイカ板は、より軽量の材料を求める電気自動車電池用途にとっては、あまり魅力のない解決策であり得る。加えて、マイカ板を基板又は他の製品部分に接着させる能力は、特定の用途におけるそれらの使用を制限し得る。

無機セラミック紙は耐火セラミック繊維から作製されており、優れた高温（＞１０００Ｃ）熱絶縁及び耐炎特性をもたらすことができる。しかし、耐火セラミック繊維は、国際がん研究機関（International Agency for Research on Cancer、ＩＡＲＣ）によって、場合によっては人間に対する発がん性を有するもの（グループ２Ｂ）として分類されている。低生体残留性の耐火セラミック繊維が、健康上の懸念に対処するために開発されたが、それらはより高価である。

多くの電気自動車内で火炎バリア材料のために許容される空間はごくわずかになり得（例えば、３ｍｍ未満）、これは、多くのより厚い火炎バリア及び熱絶縁材料の使用を制約する。加えて、広範な電池モジュール及び電池パックの設計、並びに様々なエネルギー密度レベルを有する異なる電池セル形式のゆえに、様々な性能レベルにおける耐炎性材料が必要とされる。電気自動車産業の動向は、より高いエネルギー密度の電池セルを走行距離の向上への手段として用いる方向に向かっている。

それゆえ、苛酷な燃焼性試験に耐える、特に、高温トーチ炎条件に対する耐性を有する、薄く、費用効果が高く、軽量の材料である、より高性能の耐炎性材料が必要とされている。

本発明の耐炎性無機系紙又は板の形態の例示的な電気絶縁材料は、厳しい高温燃焼性試験に耐えることができ、その一方で、断熱のための低い熱伝導率及び重量低減のための低い密度をももたらす。配合は、異なる顧客要求を満たすか、又は機能性を向上させるように調整することができる。

第１の実施形態では、耐炎性電気絶縁材料は、ガラス繊維と、微粒子充填剤混合物と、無機結合剤とを含み、電気絶縁材料は、Ｖ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級、及び０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有する。微粒子充填剤混合物は、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のリストから選択される少なくとも２種の微粒子充填剤材料を含む。

第２の実施形態では、可撓性耐炎性電気絶縁材料は、ガラス繊維と、微粒子充填剤混合物と、無機結合剤とを含み、電気絶縁材料は、Ｖ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級を有し、可撓性材料は、材料に亀裂を生じさせることも、それを損傷することもなく、マンドレルの周りに巻き付く能力を有する。微粒子充填剤混合物は、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のリストから選択される少なくとも２種の微粒子充填剤材料を含む。

第３の実施形態では、耐炎性電気絶縁材料は、ガラス繊維と、微粒子充填剤混合物と、無機結合剤とを含み、電気絶縁材料は、Ｖ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級を有する。微粒子充填剤混合物は、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のリストから選択される少なくとも２種の微粒子充填剤材料を含む。

第４の実施形態では、耐炎性電気絶縁材料は、絶縁材料の組成に基づいて、３重量％〜２５重量％のガラス繊維、２０重量％〜８０重量％のカオリン粘土、５重量％〜１５重量％のグラスバブル、及び５重量％〜２０重量％の無機結合剤を含み、絶縁材料はＶ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級を有する。

上述された第１〜第４の実施形態のいくつかの実例では、例示的な耐炎性無機系紙又は板材料は、２０５４℃（３７３０°Ｆ）の火炎への直接曝露に、穴開きを生じることなく、少なくとも１０分間耐えることができる。

本発明の上記の概要は、本発明の例示的実施形態の各々又はあらゆる実施態様を記載しようと意図するものではない。以下の図面及び発明を実施するための形態は、これらの実施形態をより具体的に例示する。

本発明の一態様に係る絶縁材料から形成された熱バリアを含む例示的な電池モジュールを示す。本発明の一態様に係る絶縁材料から形成された熱バリアを含む例示的な電池パックを示す。

以下の発明を実施するための形態では、本明細書の一部を構成し、本発明を実施することができる特定の実施形態が例として示される、添付の図面を参照する。その際、例えば「上」、「下」、「前」、「後」、「前方」などの、方向に関する用語は、説明する図面の向きを基準として用いられている。本発明の各実施形態の構成要素は多数の様々な方向で位置決めされ得るため、方向に関する用語は、説明の目的で用いられており、限定するものではない。他の実施形態を利用することもでき、また、構造的又は論理的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定されるものである。

好適な耐炎性電気絶縁材料は、ガラス繊維などの無機繊維を含み、無機絶縁紙又は板の形態の断熱及び電気絶縁性のものである。断熱及び電気絶縁性を有する無機系板又は多層紙材料をもたらすために、無機系紙層の複数のシート、即ち、プライ又はサブレイヤが湿式積層され、加圧され得る。用語「紙（paper）」は、３−ｉｎ．マンドレルの周りに曲げられるために十分な可撓性を有する可撓性の単一又は多層材料を指す。用語「板（board）」は、屈曲させることができるが、マンドレルの周りに巻き付く能力を有しない、比較的堅い材料を指す。

無機繊維及び無機粒子のうちの一方又は両方を包含する本発明の電気絶縁材料は、絶縁材料の厚さ及び可撓性に応じて、無機系紙又は板と呼ばれ得る。

本発明の不織無機系紙及び板は、大部分は、無機材料（即ち、無機繊維及び充填剤）で構成されている。例示的な実施形態では、例示的な不織無機系紙及び板は少なくとも９５％の無機材料を含む。別の実施形態では、例示的な不織無機系紙及び板は少なくとも９８％の無機材料を含む。例示的な不織無機系紙及び板の高度の無機性は、大部分の従来の絶縁紙をしのいで、これらの材料の耐炎性を向上させる。

例示的な耐炎性不織無機系紙又は板は、ＵＬ９４−Ｖ０、５ＶＡ耐炎試験に合格し、２０５４℃（３７３０°Ｆ）火炎への直接曝露に、穴開きも破れも生じることなく、少なくとも１０分間耐えることができる。本明細書において説明される例示的な耐炎性材料はまた、マイカ板よりも低密度であり、電気自動車製造業者にとって重要である、より低重量の絶縁解決策をもたらす。例示的な耐炎性材料はまた、マイカ板よりも低い熱伝導率を有し、これは熱伝達速度を低減し、近隣の可燃性構成要素への熱暴走事象の伝搬を最小限に抑えるか、又は低減し、これにより事象の全体的重大度を低減することができる。

例示的な無機系紙はガラス繊維及びマイクロガラス繊維の組み合わせを含む。これらの繊維は共に相互に絡み、無機充填剤の構造支持体を形成する。

紙のガラス繊維含有率は約３重量％〜２５重量％になり、ガラス短繊維とマイクロガラス繊維との比は５：１〜１：３になる。

ガラス繊維の直径は、紙の処理、及び得られた無機系紙若しくは板の最終性能に影響を及ぼし得る。例示的なガラス短繊維の直径は１２μｍ以下であるが、少量のより大きい直径の繊維が組み込まれてもよい。より小さい直径のガラス繊維は、同等量のより大きい直径の繊維よりも大きい表面積を有し、量の微粒子充填剤材料の捕捉量の増大を可能にする。本発明において用いられるマイクロガラス繊維は、典型的には５μｍ未満の直径を有する。ガラス繊維及びガラスマイクロファイバのための実用直径範囲は約０．１μｍ〜約１２μｍである。

ガラス繊維の長さは、例示的な紙を作製するために用いられるスラリー中においてガラス繊維の均一な分散体を得るように選択される。ガラス繊維が短すぎる場合には、繊維間の十分な相互の絡みが存在し得ず、得られた紙及び板の強度が低下し得ることに留意されたい。ガラス繊維が長すぎる場合には、必要とされる均一な分散体を得ることが難しくなり得る。それゆえ、ガラス繊維は、０．５インチ（１２，７００μｍ）、より好ましくは、約０．２５インチ（６３５０μｍ）未満、かつ０．１２５インチ（３１７５μｍ）超の平均長さを有するべきである。

ガラス繊維はまた、長さ対直径（length-to-diameter）（Ｌ／Ｄ）比によって更に特定され得る。例示的な紙及び板において用いられるガラス短繊維のための例示的なＬ／Ｄ比は、３０００：１〜２００：１、好ましくは、約１０００：１である。

本発明の少なくとも１つの実施形態では、不織紙はまた、１種以上の無機微粒子充填剤を含む。例示的な無機微粒子充填剤は、概して、非吸熱性である。好適な無機微粒子充填剤としては、限定するものではないが、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、ウォラストナイト、モンモリロナイト、スメクタイト、ベントナイト、イライト、クロライト、セピオライト、アタパルジャイト、ハロイサイト、バーミキュライト、ラポナイト、レクトライト、パーライト、及びこれらの組み合わせが挙げられ、好ましくは、微粒子充填剤混合物は、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のうちの少なくとも２種を含む。好適なカオリン粘土の種類としては、湿式カオリン粘土、デラミカオリン粘土、焼成カオリン粘土、及び表面処理カオリン粘土が挙げられるが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、無機微粒子充填剤は、グラスバブル、カオリン粘土、マイカ、及びこれらの混合物を含む。任意選択的に、アルミナ三水和物などの、吸熱性充填剤を添加することができる。

紙の微粒子無機充填剤含有率は約６５重量％〜８７重量％になる。本発明の例示的な紙では、微粒子無機充填剤の混合物を含める。例えば、例示的な紙及び板は、例示的な紙の総重量に基づいて、約２０重量％〜４５重量％のカオリン粘土、約２５重量％〜４５重量％のマイカ、及び約５重量％〜１５重量％のグラスバブルを含む。代替的な実施形態では、例示的な紙及び板は、例示的な紙の総重量に基づいて、約５５重量％〜８０重量％のカオリン粘土、及び約５重量％〜１５重量％のグラスバブルを含む。

例示的な無機系紙は、５重量％〜２０重量％、好ましくは、５重量％〜１５重量％の無機結合剤を更に含む。無機結合剤は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウム、又はこれらの組み合わせから選択され得る。

当業者に知られた、消泡剤、界面活性剤、成形助剤、ｐＨ調整材、紙力増強剤等などの追加の加工助剤を組み込むこともできる。

上述の電気絶縁材料は、熱／火炎バリアなどの、保護デバイス又はシステム内で用いることができる。例えば、例示的な電気絶縁材料の１枚以上のシートを、ハイブリッド若しくは電気自動車又は他の電気輸送用途物若しくは場所において見出され得るものなどの、リチウムイオン電池セル、リチウムイオン電池モジュール、若しくはリチウムイオン電池パックなどの、可燃性のエネルギー貯蔵デバイス内に組み込むか、又はその周りに巻き付けることができる。

例えば、図１は、本明細書において説明される例示的な絶縁材料の一実装形態を示す。図１では、電池モジュール１００が電池セル１０２のアセンブリを含む。本明細書において説明される例示的な材料から形成された、１枚以上の熱バリア／耐炎性シート又は板１１０を、電池モジュール全体にわたって１つ以上の場所において個々の電池セル又はセルのグループの間に配置することができる。

別の例示的な実装形態において、図２は、複数のリチウムイオン電池モジュール２０２を含むリチウムイオン電池パック２００を示す。本明細書において説明される例示的な材料から形成された、一連の熱バリア／耐炎性内包ライナー２１０が、リチウムイオン電池モジュール２０２のうちの１つ以上を内包するために設けられている。この例では、リチウムイオン電池モジュールの各々が熱バリア／耐炎性内包ライナー２１０によって内包されている。あるいは、リチウムイオン電池パック２００自体の１つ以上の面が熱バリア／耐炎性内包ライナーを巻き付けられるか、又はそれで裏打ちされ得る。

いくつかの例示的な態様では、本明細書において説明される例示的な絶縁材料を他の機能層と組み合わせることができる。例えば、損傷を最小限に抑えてガス抜き及び粒子吹き付けに耐えるために、例示的な絶縁材料を、高温だけでなく、高圧にもまた耐える能力を有する無機布地に積層することができる。本発明に係る多層材料は、Ｅガラス繊維、Ｒガラス繊維、ＥＣＲガラス繊維、玄武岩繊維、セラミック繊維、ケイ酸塩繊維、スチールフィラメント、又はこれらの組み合わせを含む無機布地を含み得る。繊維は化学処理されてもよい。無機布地は、織布、編布、ステッチボンド布、クロッシェ編布、交絡布、又はこれらの組み合わせであることができる。いくつかの実施形態では、無機布地は織物玄武岩布地である。

本明細書において説明される例示的な電気絶縁材料は、６００℃未満の温度で典型的に用いられる比較的低温のガラス繊維を、高温（２０００℃）トーチ耐炎性を達成するために充填剤粒子及び無機結合剤と組み合わせて利用することができる。

無論、これらの実施例は、本説明を考慮するとて当業者に明らかであろうように、本明細書において説明される材料のための多くの種類の実装形態のうちのほんの数例にすぎない。

これらの実施例は説明目的のためのものにすぎず、添付の「特許請求の範囲」の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書の実施例及び他の箇所における全ての部、百分率、比等は、別段の指定がない限り、重量によるものである。

密度
例示的な紙又は板材料の密度は、坪量を厚さで除算することによって算出される。

可撓性
材料を、既知の直径の３インチのマンドレルの周りに、材料に亀裂を生じることも、それを損傷することもなく曲げることによって、例示的な紙又は板材料の可撓性を決定した。

トーチ火炎試験
２０５４℃／３７３０°Ｆの空気中火炎温度を提供するＭＡＰＰｒｏ燃料シリンダを備えたＢｅｒｎｚｏｍａｔｉｃトーチＴＳ−４０００トリガを用いて、トーチ火炎試験を実施した。試験サンプルを、サンプルを火炎の圧力に対して安定化させるのを助けるために、金属クリップをサンプルの底部に取り付けた状態で、火炎から１”（２．５４ｃｍ）の固定距離に据え付け、１０分の連続期間にわたって、又は火炎の結果、サンプルに穴が開くまで、火炎に曝露した。

サンドブラスト試験
サンドブラストキャビネット（ＥｍｐｉｒｅＡｂｒａｓｉｖｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｇｈｏｒｎｅ，ＰＡ）を用いて、粒子のブラストに対する耐性の評価を与えた。サンプル試験材料を３”（７６ｍｍ）ｘ６”（１５２ｍｍ）の金属プレートの上に据え付けた。次に、このサンプルアセンブリをキャビネット内の固定具内に据え付け、クランプを用いて定位置に保持した。サンドブラストノズルをサンプルからおよそ６”（１５２ｍｍ）の距離に固定し、試験を室温で実施した。スチールグリットＧＨ４０をブラスト媒体として用い、実際の圧縮空気圧力は約３０ｐｓｉであった。１５秒の時間曝露を用いた。

材料
ＬａｕｓｃｈａＦｉｂｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）から入手可能な、ＥＣ６−６Ｅガラスチョップトストランド繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）。

ＬａｕｓｃｈａＦｉｂｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）から入手可能な、Ｂ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、表面積２．４７ｍ^２／ｇ）。

ＬａｕｓｃｈａＦｉｂｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）から入手可能な、Ｂ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）。

３ＭＣｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能な、Ｓ１５グラスバブル。

Ｉｍｅｒｙｓ（Ｂｏｕｃｈｅｒｖｉｌｌｅ，Ｑｕｅｂｅｃ）から入手可能な、Ｓｕｚｏｒｉｔｅ２００−ＨＫ金雲母マイカ。

Ｉｍｅｒｙｓ（Ｒｏｓｗｅｌｌ，ＧＡ）から入手可能な、Ｓｕｚｏｒｉｔｅ２０Ｓマイカ。

ＫａｍｉｎＬＬＣ（Ｍａｃｏｎ，ＧＡ）から入手可能な、デラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ。

ＫａｍｉｎＬＬＣ（Ｍａｃｏｎ，ＧＡ）から入手可能な、焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ。

ＰＱＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＶａｌｌｅｙＦｏｒｇｅ，ＰＡ）から入手可能な、Ｎ−ケイ酸ナトリウム。

ＰＱＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＶａｌｌｅｙＦｏｒｇｅ，ＰＡ）から入手可能な、Ｋ（登録商標）ケイ酸ナトリウム（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ重量比＝２．８８、２０℃における粘度＝９．６ポアズ）

ＳｕｄａｇｌａｓｓＦｉｂｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ，ＵＳＡ）から入手可能な、ＴＷ−６００−１３−１００玄武岩斜文織布地（坪量６００ｇｓｍ）。

実施例１−Ｐ（紙）
４．１重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、３．１重量％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２８．６重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、２４．５重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９．２重量％のＳ１５グラスバブル、５．１重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水中に予め分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、１５．２重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１０．２重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。当業者に知られた、消泡剤、界面活性剤、成形助剤、ｐＨ調整材などの追加の材料を組み込むこともできる。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行い、耐炎紙材料を形成した。

実施例１−Ｌ（積層体）
実施例１−Ｐの耐炎紙材料の８つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎板材料を得た。試験結果を表１に示す。

実施例２−Ｐ（紙）
５．２重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、２．１重量％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２７．８重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、２４．７重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、７．２重量％のＳ１５グラスバブル、９．３重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、１３．４重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１０．３重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。当業者に知られた、消泡剤、界面活性剤、成形助剤、ｐＨ調整材などの追加の材料を組み込むこともできる。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例２−Ｌ（積層体）
実施例２−Ｐの耐炎紙材料の４つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表１に示す。

実施例３−Ｐ（紙）
６重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、１４重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、０．６６ｍ^２／ｇ）、２重量％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５ μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、４５重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９重量％のＳ１５グラスバブルの混合物を水によって分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーを形成し、次に、１３重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１１重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。当業者に知られた、消泡剤、界面活性剤、成形助剤、ｐＨ調整材などの追加の材料を組み込むこともできる。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例３−Ｌ（積層体）
実施例３−Ｐの耐炎紙材料の２つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表１に示す。

実施例４−Ｐ（紙）
７．２重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、４．６重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、０．６６ｍ^２／ｇ）、３．２重量％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５ μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、４４重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９重量％のＳ１５グラスバブルの混合物を水によって分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーを形成し、次に、２２重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１０重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例４−Ｌ（積層体）
実施例４−Ｐの耐炎紙材料の２つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表２に示す。

実施例５−Ｐ（紙）
７重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、４．９重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、２．１％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、３５重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、７重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９重量％のＳ１５グラスバブル、７重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、１８重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１０重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例５−Ｌ（積層体）
実施例５−Ｐの耐炎紙材料の４つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表２に示す。

実施例６−Ｂ（板）
６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、２．５重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、２．６％のＢ−０６−Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、３５重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、７重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９重量％のＳ１５グラスバブル、７重量％の金雲母２０Ｓマイカ、及び２０重量％のＨｙｄｒａｐｒｉｎｔ粘土の混合物を、Ｈｙｄｒａｂｅａｔｅｒ内で固形分含有率約１０重量％で水中に予め分散させ、次に、６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）及び１０重量％のケイ酸ナトリウムの分散体を固形分約０．５重量％で包含する叩解機チェストに移した。最終的な水性スラリー固形分含有率が約１．４重量％になるよう、追加の水を最終混合中に追加した。次に、水性スラリーをミルボードマシンに移し、連続バッチプロセスにおいて板を作製した。板材料を作製した後に、それらをオーブン内で３００°Ｆで約８時間乾燥させた。試験結果を表２に示す。

実施例７−Ｐ（紙）
６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、３．１重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、２重量％のＢ０６Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２８重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、７重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、９重量％のＳ１５グラスバブル、１４重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、１８重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び１２重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例７−Ｌ（積層体）
実施例７−Ｐの耐炎紙材料の８つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表２に示す。

実施例８−Ｂ（板）
３．２重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、１．９％のＢ０６Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、３５重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、４．３重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、４．７重量％のＳ１５グラスバブル、１４重量％の金雲母２０Ｓマイカ、及び２１重量％のＨｙｄｒａｐｒｉｎｔ粘土の混合物を、Ｈｙｄｒａｂｅａｔｅｒ内で固形分含有率約１０重量％で水中に予め分散させ、次に、６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）及び９重量％のケイ酸ナトリウムの分散体を固形分約０．５重量％で包含する叩解機チェストに移した。最終的な水性スラリー固形分含有率が約１．４重量％になるよう、追加の水を最終混合中に追加した。次に、水性スラリーをミルボードマシンに移し、連続バッチプロセスにおいて板を作製した。板材料を作製した後に、それらをオーブン内で３００°Ｆで約８時間乾燥させた。試験結果を表３に示す。

実施例９−Ｐ（紙）
６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、４．９重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、１．２％のＢ０６Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２８重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、３．５重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、３．１重量％のＳ１５グラスバブル、７重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５％〜１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、３６．４重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び９重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

実施例９−Ｌ（積層体）
実施例９−Ｐの耐炎紙材料の４つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表３に示す。

実施例１０−Ｌ（積層体）
シリンジを用いて実施例８−ＢをＫ（登録商標）ケイ酸ナトリウムの滴でコーティングした。次に、３０番メイヤーロッドを用い、サンプル区域全体に延ばしてコーティングした。ＴＷ−６００−１３−１００布地を実施例８−Ｂのサンプルの上に配置し、１０ｌｂローラを用いて布地層を実施例８−Ｂの板の表面に積層した。次に、この積層体を１８０°Ｆ（８２℃）で５分間乾燥させた。試験結果を表３に示す。

実施例１１−Ｌ（積層体）
シリンジを用いて実施例９−ＬをＫ（登録商標）ケイ酸ナトリウムの滴でコーティングした。次に、３０番メイヤーロッドを用い、サンプル区域全体に延ばしてコーティングした。ＴＷ−６００−１３−１００布地を実施例９−Ｌのサンプルの上に配置し、１０ｌｂローラを用いて布地層を実施例９−Ｌの積層体の表面に積層した。次に、この積層体を１８０°Ｆ（８２℃）で５分間乾燥させた。試験結果を表３に示す。

比較例１
ＣＯＧＥＢＩ（Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）から入手可能な、厚さ０．０４６”のＣＯＧＥＭＩＣＡＮＩＴＥ１３２−１Ｐ金雲母可撓性マイカシート。試験結果を表１に示す。

比較例２
ＡｘｉｍＭｉｃａ（ＲｏｂｂｉｎｓｖｉｌｌｅＴｏｗｎｓｈｉｐ，ＮＪ）から入手可能な、１．１６ｍｍのＡｘ−ｔｈｅｒｍ硬質マイカシート。試験結果を表１に示す。

比較例３
ＣＯＧＥＢＩ（Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）から入手可能な、厚さ０．０４６”のＣＯＧＥＭＩＣＡＮＩＴＥ１３２−１Ｍ白雲母可撓性マイカシート。試験結果を表２に示す。

比較例４
６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、４．９重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、１．２％のＢ０６Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２８重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、７重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、７重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、３６重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び９重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。抄紙機のスクリーンパート及びプレスパート（ＷｉｌｌｉａｍｓＳｔａｎｄａｒｄＰｕｌｐＴｅｓｔｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓ）により、脱水を行った。

耐炎紙材料の４つの層を共に積み重ねた後、加圧及び乾燥し、より高い厚さの耐炎紙材料を得た。試験結果を表３に示す。

比較例５
６．９重量％のＥＣ６−６Ｅガラス繊維（長さ６ｍｍ、直径６μｍ）、７．９重量％のＢ−２６−Ｒマイクロガラス繊維（直径２．４４μｍ、表面積０．６６ｍ^２／ｇ）、１．２％のＢ０６Ｆマイクロガラス繊維（直径０．６５μｍ、２．４７ｍ^２／ｇ）、２８重量％の２００−ＨＫ金雲母マイカ、３．５重量％の焼成カオリン粘土Ｋａｍｉｎ７０Ｃ、７重量％の金雲母２０Ｓマイカの混合物を水によって予め分散させ、約０．０５１重量％の固形分含有率を有する水性スラリーをワーリングブレンダー内で形成し、次に、３６．５重量％のデラミカオリン粘土Ｈｙｄｒａｐｒｉｎｔ及び９重量％のＮ−ケイ酸ナトリウムと共により大きい容器内に混合した。上述したように脱水を行った。

比較例４及び５はグラスバブルを包含せず、５分後及び２分後に貫通焼け穴をそれぞれ有し、トーチ試験に不合格であった。グラスバブルは、典型的には、密度低減及び断熱の目的のために用いられるが、これらの本発明の材料に関して、高温トーチによる貫通焼け穴を防止することへの寄与は予想外である。

一定の難燃性を必要とする用途において用いられる４つの従来の電気絶縁材料（比較サンプル６〜９）に対して火炎試験を実施した。火炎試験の結果を表４に提示する。結果はまた、トーチ火炎試験では、サンプルを、標準のＵＬ−９４Ｖ０及びＵＬ−９４Ｖ０、５ＶＡ試験方法よりもはるかに激しい熱及び火炎曝露に曝露することも示している。

比較サンプル６は、ＢＧＦＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ（Ｇｒｅｅｎｓｂｏｒｏ，ＮＣ）から入手可能なＴｅｃｈｍａｔ（登録商標）４００８ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ − ニードリング加工した１００％Ｅガラス不織マット − の厚さ１２５ミルの片である。

比較サンプル７は、ＩＴＷＦｏｒｍｅｘ（ＣａｒｏｌＳｔｒｅａｍ，ＩＬ））から入手可能なＦｏｒｍｅｘ（登録商標）ＧＫ−１７難燃性ポリプロピレンシートの厚さ１７ミルの片である。

比較サンプル８は、ＤｕＰｏｎｔ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）から入手可能なＮｏｍｅｘ（登録商標）４１０ｍ−アラミド紙の厚さ１０ミルの片である。

比較サンプル９は、ＤｕＰｏｎｔ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）から入手可能なＮｏｍｅｘ（登録商標）４１０ｍ−アラミド紙の厚さ３０ミルの片である。

比較サンプル１０は、３ＭＣｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能な厚さ９ミルの片のＦｌａｍｅＢａｒｒｉｅｒＦＲＢ−ＮＣ２２９である。

本明細書を踏まえれば、本発明が対象とする当業者には、等価なプロセスを含む本明細書で記載された例示的な電気絶縁材料の様々な変形例、並びに本発明が適用可能であり得る多数の構造が容易に明らかとなるであろう。

Claims

耐炎性電気絶縁材料であって、
ガラス繊維と、
微粒子充填剤混合物であって、前記微粒子充填剤混合物が、グラスバブル、カオリン粘土、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、及びアルミナ三水和物のリストから選択される少なくとも２種の微粒子充填剤材料を含む、微粒子充填剤混合物と、
無機結合剤と、
を含み、
前記絶縁材料がＶ−０、５ＶＡのＵＬ−９４燃焼性等級を有する、絶縁材料。
前記絶縁材料の組成に基づいて約３重量％〜２５重量％のガラス繊維を含む、請求項１に記載の絶縁材料。
ガラス繊維がガラス短繊維及びマイクロガラス繊維を含む、請求項１又は２に記載の絶縁材料。
ガラス短繊維とマイクロガラス繊維との比が５：１〜１：３である、請求項１又は２に記載の絶縁材料。
前記微粒子充填剤混合物がグラスバブル及びカオリン粘土を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、前記絶縁材料の組成に基づいて、約５５重量％〜８０重量％のカオリン粘土、及び約５重量％〜１５重量％のグラスバブルを含む、請求項５に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、３重量％〜２５重量％のガラス繊維、２０重量％〜８０重量％のカオリン粘土、５重量％〜１５重量％のグラスバブル、及び５重量％〜２０重量％の無機結合剤を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記微粒子充填剤混合物が、グラスバブル、マイカ、及びカオリン粘土を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、前記絶縁材料の組成に基づいて、２０重量％〜４５重量％のカオリン粘土、２５重量％〜４５重量％のマイカ、及び５重量％〜１５重量％のグラスバブルを含む、請求項８に記載の絶縁材料。
前記無機結合剤がケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムのうちの少なくとも一方を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、少なくとも１０分間の２０５４℃（３７３０°Ｆ）の火炎への直接曝露の後に穴が開かない、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、前記材料に亀裂を生じさせるか、又はそれを損傷することなく、３インチのマンドレルの周りに巻き付けられ得る可撓性材料である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が０．１５Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が１．０ｇ／ｃｍ^３以下の密度を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記絶縁材料が、その一方の面上に配置された無機布地層を更に含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の絶縁材料。
前記無機布地層が織物玄武岩布地である、請求項１５に記載の絶縁材料。
リチウムイオン電池セル、リチウムイオン電池モジュール、又はリチウムイオン電池パックの部分として組み込まれた請求項１〜１６のいずれか一項に記載の絶縁材料を含む保護デバイス。
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の絶縁材料を含む保護デバイスであって、前記絶縁材料がリチウムイオン電池セル、リチウムイオン電池モジュール、又はリチウムイオン電池パックの周りに巻き付けられている、保護デバイス。