JP4391115B2 - エポキシ樹脂注型物品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エポキシ樹脂注型物品に関し、詳しくはヒートサイクル、特に温度差の大きいヒートサイクルに対する耐性に優れていて、遮断機器などとして好適なエポキシ樹脂注型物品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス材にて形成された真空容器と当該真空容器の上に設けられたエポキシ樹脂にて形成された絶縁補強筒とからなる真空バルブにおいて、セラミックス材とエポキシ樹脂との熱膨張係数の大きな相違に基づく上記絶縁補強筒の損傷を防止するために、真空容器と絶縁補強筒との間隙に、応力緩和を目的としてゴム弾性体を設けること、および当該ゴム弾性体として真空容器と絶縁補強筒とに対して接着性に優れた可塑性エポキシ樹脂やポリウレタン樹脂を用いること、あるいは当該ゴム弾性体に代えてシリコーンゴム粒子、アクリル樹脂粒子、ナイロン粒子、ウレタン樹脂粒子などを含有する可塑性樹脂層を用いることは、後記の特許文献１から従来公知である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２９８９７４号公報（段落番号０００１〜０００１３、図１、図２）
【０００４】
ところで上記の真空バルブは、上記ゴム弾性体あるいは上記可塑性樹脂層による応力緩和作用によって、上記ゴム弾性体を設けない場合と比較して絶縁補強筒の損傷の程度を減少する効果は認められるが、真空バルブの稼動中に１００℃程度の温度差のあるヒートサイクルに遭遇すると、真空容器と絶縁補強筒との界面に熱歪が生じて界面剥離が生じたり、絶縁補強筒にクラックが入るなどの問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における如上の問題に鑑みて、大きな温度差のあるヒートサイクルに遭遇してもエポキシ樹脂注型部の剥離やクラック発生などの問題のないエポキシ樹脂注型物品を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂注型物品は、セラミックス材および／または構造用金属材で形成された内部材の外面にエポキシ樹脂注型部が設けられたエポキシ樹脂注型物品であって、上記セラミックス材の外面および／または上記構造用金属材の外面に施された弾性接着剤層、上記弾性接着剤層と上記エポキシ樹脂注型部の内面との間に設けられてプライマーが被覆された無機粉末を含む接着補強部を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の請求項２に係るエポキシ樹脂注型物品は、上記請求項１において上記エポキシ樹脂注型部の内面と接着する接着面に予め上記接着面の表面積を大きくするための凹凸が施された状態で上記エポキシ樹脂注型部と接着された上記弾性接着剤層を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図５は、本発明のエポキシ樹脂注型物品の一例としての真空バルブにおける実施の形態１を説明するものであって、図１は実施の形態１の正面図、図２は図１のII−II線に沿った断面図、図３は図１のＡ部の概略的な部分拡大断面図、図４は後記する試験片の斜視図、図５は上記試験片の破断に至る過程におけるクロスヘッド変位に対する引張強度の関係を示すグラフである。
【０００９】
図１〜図３において真空バルブ１は、主要な構成要素として前記内部材の一例としての真空バルブ本体２、エポキシ樹脂注型部３、弾性接着剤層４、および接着補強部５を備えている。真空バルブ本体２は、上部銅導体部２１、下部銅導体部２２、上部ステンレス部２３、下部ステンレス部２４、および上部ステンレス部２３と下部ステンレス部２４との間に設けられたセラミックス部２５を含んでいて、斯界では通常のものである。エポキシ樹脂注型部３も従来と同様の硬化性エポキシ樹脂、例えば前記特許文献１の段落番号００１４に開示されたものを用いて、上部銅導体部２１の一部を除き、上部銅導体部２１、下部銅導体部２２、上部ステンレス部２３、下部ステンレス部２４、およびセラミックス部２５（以下、これらを纏めて諸部２１〜２５と略称することがある。）の外面上に注型硬化して形成されている。弾性接着剤層４は、諸部２１〜２５の各外面とエポキシ樹脂注型部３の内面との間に施されて、当該各外面と当該内面とを接着すると共に、諸部２１〜２５の各熱膨張係数とエポキシ樹脂注型部３の熱膨張係数との間の大きな相違に基づいて、特にセラミックス部２５とエポキシ樹脂注型部３との特に大きな熱膨張係数差に基づいて発生する応力を緩和する作用をなす。
【００１０】
しかして弾性接着剤層４を形成する弾性接着剤としては、一般的には諸部２１〜２５とエポキシ樹脂注型部３とを接着可能であり、且つ接着状態において上記した応力緩和を達成可能なもの、例えば弾性を有する各種のシリコン系接着剤類、各種の合成ゴムや天然ゴムなどの非シリコンゴム系接着剤類などが例示される。それらのうちでも、末端にシリル基を有する変性シリコンポリマーを主成分とするものが好ましい。またかかる変性シリコンポリマーとしては、分子の末端または側鎖に反応性珪素基を有すると共に主鎖がポリエーテル構造を有する変性シリコンポリマーと、分子の末端または側鎖に反応性珪素基を有すると共に主鎖がポリエステル構造を有する変性シリコンポリマーとの混合物であり、且つ当該ポリエステル構造を有する当該変性シリコンポリマーが、ポリ（メタ）アクリル酸エステルであり、末端にシリル基を有する変性シリコンポリマーを主成分とするものが好ましく、市販品ではスリーボンド社の商品、商品名；１５３０、ＴＢ１５３０、１５３０Ｂ、１５３０Ｃ、１５３０Ｄなどが例示される。なお上記変性シリコンポリマーのうちでも、全末端基中に占める末端シリル基の割合が１０〜８０数量％程度、特に２０〜６０数量％程度のものが好ましい。
【００１１】
接着補強部５は、表面にプライマーの薄層を有する無機粉末５１にて構成されており、弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との界面に介在せしめられてアンカー的機能により弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との接着強度を高め、また後記するヒートサイクル試験下での接着の安定性を高める顕著な作用を奏し得る。
【００１２】
上記の無機粉末としては、上記したアンカー的機能を奏し得る適度の粒径を有するものであれば良く、例えば平均粒径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度、特に０．０５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の、セラミックス、シリカ、アルミナ、ガラス、砂、タルク、クレー、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、あるいはその他の電気絶縁性無機化合物の粉末であってよい。また粉末の形状は、球形、擬似球形、角形、板状、あるいはその他の形状であってよい。
【００１３】
上記のプライマーとしては、エポキシ樹脂注型部３を形成するエポキシ樹脂に対して化学的に親和性の良好なものが好ましい。かかるプライマーとして、例えば各種のシランカップリング剤、オルガノシラン−オルガノチタネート系プライマーなどのシラン系プライマー類、フェノリック−アクリルニトリルブタジエンゴム、フェノリックビニルなどのフェノリック系プライマー類などが例示される。上記のシランカップリング剤としては、下記の一般式（１）で示されるものが特に好ましい。
Ｘ−Ｓｉ−Ｒ・（ＣＨ_３）_３−ｎ・（ＯＲ）_ｎ （１）
上記一般式（１）において、Ｘは、各種有機高分子などの有機質材料と化学結合が可能な反応基、例えばビニル、エポキシ、アミン、アクリル、メルカプタン、あるいはその他の有機基であり、Ｒは、ガラス、金属、珪石、あるいはその他の無機質材料と化学結合が可能な反応基、例えばアルキル基であり、ｎは２または３である。
上記一般式（１）で示されるシランカップリング剤の例を挙げると、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、トリメチルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリクロロシラン、ビニルトリアセトキシシランなどである。また市販品ではスリーボンド社の商品、商品名；ＴＢ５２６１、５２６２、５２６３、５２６４などが例示される。
【００１４】
上記の無機粉末５１は、上記したプライマーの一種または二種以上の混合物と上記無機粉末の一種または二種以上の混合物とを混合して、個々の無機粉末の少なくとも表面に当該プライマーの薄層を形成することにより調整することができる。当該プライマー薄層の厚みについては、特に制限はないが一般的には１μｍ〜１０μｍ程度が適当である。
【００１５】
接着補強部５は、弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との間あるいは界面において、多量の無機粉末５１が層状を呈する状態であってもよく、無機粉末５１同士が密に、あるいは図３に示すように互いに小間隔を空けて点在した状態であってもよい。しかして接着補強部５は、例えば弾性接着剤層４の表面に無機粉末５１を均一に振り掛けることにより形成することができ、要は、弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との間に無機粉末５１が介在して弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との間の接着強度を補強し得ればよい。
【００１６】
なおエポキシ樹脂注型部３と弾性接着剤層４の各厚みは、真空バルブ１の大きさにより異なるが、一般的には、エポキシ樹脂注型部３は５〜２０ｍｍ程度であり、弾性接着剤層４は０．５〜５ｍｍ程度である。
【００１７】
つぎに実施の形態１の真空バルブ１の製造方法および性能に就き説明する。硬化性エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を主剤とするものを用い、弾性接着剤としてスリーボンド社の商品（商品名；１５３０、末端にシリル基を有する変性シリコンポリマー、末端シリル基含有量；６５重量％）を用いた。また表面にプライマーを有する無機粉末は、つぎの方法で調整したものを用いた。即ち、無機粉末として平均粒径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのセラミックス粉末を、一方、プライマーとしてスリーボンド社の商品（商品名；５２６４）を用い、当該セラミックス粉末１００重量部あたり当該プライマを２０重量部用いて両者を混合して調整した。得られた無機粉末上のプライマーの厚みは、２〜３μｍ程度であった。
【００１８】
真空バルブ本体２を構成する諸部２１〜２５の各外面をエタノール−ベンゼン混合溶媒あるいはその他の有機溶媒にて清浄状態とし、上記弾性接着剤のエタノール溶液を諸部２１〜２５の各外面に塗布し、エタノールを蒸発させて厚さ約１ｍｍの弾性接着剤層４を形成した。ついで弾性接着剤層４の全外面に上記のプライマー付き無機粉末５１を可及的均一に振り掛けて接着補強部５を形成した。最後に、接着補強部５付きの弾性接着剤層４の外面に上記硬化性エポキシ樹脂を注型（厚み；８ｍｍ）により形成し、図１〜図３に示す構造を有する真空バルブ１を得た。上記の硬化性エポキシ樹脂を注型することにより、無機粉末５１は、図３に示すように、当該エポキシ樹脂に食い込んだ状態となるので、アンカー的機能により接着補強の作用をなす。
【００１９】
かくして得た真空バルブ１を−３０℃で５時間保持し、その後約４時間かけて９０℃に昇温し、同温度で５時間保持するヒートサイクルを１サイクルとする試験を３サイクル行い、同試験前後においてコロナ試験（コロナ検出場所；注型物の表面に亜鉛溶射を施して形成した接地層の面、判定基準；コロナ消滅電圧１０．４ｋＶ（１．５Ｅ）１０ｐＣ以下、即ち定格電圧１２ｋＶ級に対して対地間電圧６．９４ｋＶとする。）を行った。その結果、上記ヒートサイクル前後においてクラックがなく、また上記判定基準に対して要求仕様を満足する結果が得られた。この事実から上記ヒートサイクルによっても弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部３との間に層剥離が生じていない公算が大きいことが判明した。なお、上記ヒートサイクル中におけるエポキシ樹脂注型部３の温度差１００℃に起因して生じた熱歪は、僅か０．０３ｍｍ程度であって、これは弾性接着剤層４の応力緩和作用に基づくものであると思われる。そこで、弾性接着剤４とエポキシ樹脂注型部３との間の接着状況を一層詳細に検討するために、試験片を用いたつぎの試験を行った。
【００２０】
［試験片による試験］上記真空バルブ本体２に代えて、図４に示す試験片６を５試料（試験片Ｓ１〜試験片Ｓ５）を作成した。上記試験片６のいずれもは、１５ｍｍ×１５ｍｍ×５０ｍｍのステンレス角柱６１、１５ｍｍ×１５ｍｍ×５０ｍｍのエポキシ樹脂注型角柱６２、ステンレス角柱６１とエポキシ樹脂注型角柱６２との間に設けられた弾性接着剤層６３、および接着補強部６４とから構成されており、弾性接着剤層６３、接着補強部６４、およびエポキシ樹脂注型角柱６２は、上記真空バルブ本体２の外面に施した方法並びに材料と同じ方法並びに材料を使用して形成した。なお試験片Ｓ１〜試験片Ｓ５における弾性接着剤層６３の平均厚みおよび平均幅は、それぞれ９．９６５ｍｍ、１４．９７４ｍｍであった。試験片Ｓ１〜試験片Ｓ５の個々の上記各寸法については表１に示す。
【００２１】
試験片Ｓ１〜試験片Ｓ５のそれぞれ就き、上記真空バルブ１と同じ条件のヒートサイクル（３サイクル）を科し、当該ヒートサイクル後における破断荷重、破断のび、破断歪、破断強度、および破断に至る過程におけるクロスヘッド変位に対する引張強度の関係を測定した。
【００２２】
それらの測定結果を表１および図５に示す。表１の測定値は、ステンレス角柱６１の端とエポキシ樹脂注型角柱６２の端とをオートグラフのチャックにて挟持して図４の矢印Bの方向に引張って測定した。この引張りにより、弾性接着剤層６３が変形し破壊に至るが、破断荷重、破断のびおよび破断強度は、弾性接着剤層６３が破断してステンレス角柱６１とエポキシ樹脂注型角柱６２とが分離する直前の値であり、破断歪は破壊前後のチャック間寸法の百分率を示す。また図５のクロスヘッド変位は、引張り中におけるオートグラフのチャック間距離である。表１および図５から、ヒートサイクル後においても弾性接着剤層６３は、充分な機械的強度、換言すると接着力を維持していることが明らかであって、接着補強部６４の存在が弾性接着剤４とエポキシ樹脂注型部３との間の接着強度の向上に寄与していることがわかる。なお、比較のために接着補強部６４のみを省略した参考試験片を作成して上記と同様の試験を行ったが、その際は、ステンレス角柱６１の端とエポキシ樹脂注型角柱６２の端とをオートグラフのチャックにて挟持した時点で、エポキシ樹脂注型角柱６２と弾性接着剤層６３との界面で剥離が発生し、接着補強部６４を設けることの効果が明らかであった。
【００２３】
【表１】

【００２４】
参考例１．
参考例１においては、前記実施の形態１で採用した接着補強部５（図１〜図３参照）を設けず、それに代えて接着補強部５の形成に使用されたプライマーのみが用いられ、エポキシ樹脂の注型を行う前に、弾性接着剤層４のエポキシ樹脂注型部３の内面と接着する接着面に予め当該プライマーを塗布しておく。当該プライマーとしては、実施の形態１において説明したものの１種または２種以上の混合物が用いられ、塗布厚は１〜１０μｍ程度が適当である。この結果、プライマーの弾性接着剤層４およびエポキシ樹脂注型部３の両部に対する親和性に基づいて、当該両部の接着強度が向上することにより実施の形態１で述べたヒートサイクル後においても接着状態を保持することができる。
【００２５】
参考例２．
参考例２においては、前記実施の形態１で採用した接着補強部５（図１〜図３参照）を設けず、それに代えてエポキシ樹脂を注型する前に、弾性接着剤層４のエポキシ樹脂注型部３の内面と接着する接着面に予め上記接着面の表面積を大きくするための凹凸が施される。この凹凸は、例えば適当なメッシュを押し当てて形成することができる。しかして硬化性エポキシ樹脂を注型することにより、当該凹凸は当該エポキシ樹脂に食い込んだ状態となるので、アンカー的機能により接着補強の作用をなし、この結果、弾性接着剤層４とエポキシ樹脂注型部との接着強度が向上することにより実施の形態１で述べたヒートサイクル後においても接着状態を保持することができる。
【００２６】
本発明は、前記実施の形態１に限定されるものではなく、本発明の課題並びに解決手段の精神に沿った種々の変形形態を包含する。例えば実施の形態１では、前記内部材として、上部銅導体部２１、下部銅導体部２２、上部ステンレス部２３、下部ステンレス部２４、セラミックス部２を含む真空バルブ本体２が、換言すると、銅、ステンレス、およびセラミックスの３種の材料から構成されたものが用いられたが、本発明における前記内部材としては、それに代わって銅、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、あるいはその他の構造用金属の１種または２種以上のみで構成されたもの、セラミックスのみで構成されたものなどであってもよい。但し構造用金属は、銅および／またはステンレスであると、内部材として前記真空バルブ本体２のような現用品が適用できる。また実施の形態１では、弾性接着剤層４とポキシ樹脂注型部３との間に接着補強部５を設けたが、それに加えて諸部２１〜２５と弾性接着剤層４との間にも、当該間の接着強度を一層向上させるために接着補強部５を設けても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂注型物品は、以上説明したように、セラミックス材および／または構造用金属材で形成された内部材の外面にエポキシ樹脂注型部が設けられたエポキシ樹脂注型物品であって、上記セラミックス材の外面および／または上記構造用金属材の外面に施された弾性接着剤層、上記弾性接着剤層と上記エポキシ樹脂注型部の内面との間に設けられてプライマーが被覆された無機粉末を含む接着補強部を備えたことを特徴とするものであるので、接着補強部による弾性接着剤とエポキシ樹脂注型部との間の接着強度が例えば−３０℃程度の低温度から例えば９０℃程度の高温度に至る広温度にわたって向上し安定化するので、信頼性の高い真空バルブなどの遮断機器を商業生産できる大きな効果がある。
【００２８】
本発明の請求項２に係るエポキシ樹脂注型物品は、以上説明したように、請求項1において、上記エポキシ樹脂注型部の内面と接着する接着面に予め上記接着面の表面積を大きくするための凹凸が施された状態で上記エポキシ樹脂注型部と接着された上記弾性接着剤層を備えたことを特徴とするエポキシ樹脂注型物品であって、上記の凹凸が請求項１における無機粉末と同様のアンカー作用をなす効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の正面図。
【図２】 図１のII−II線に沿った断面図。
【図３】 図１の概略的な部分拡大断面図。
【図４】 試験片の斜視図。
【図５】 クロスヘッド変位に対する引張強度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 真空バルブ、２ 真空バルブ本体、２１ 上部銅導体部、
２２ 下部銅導体部、２３ 上部ステンレス部、２４ 下部ステンレス部、
２５ セラミックス部、３ エポキシ樹脂注型部、４ 弾性接着剤層、
５ 接着補強部、５１ 無機粉末、６ 試験片。

Claims (6)

1. セラミックス材および／または構造用金属材で形成された内部材の外面にエポキシ樹脂注型部が設けられたエポキシ樹脂注型物品であって、上記セラミックス材の外面および／または上記構造用金属材の外面に施された弾性接着剤層、上記弾性接着剤層と上記エポキシ樹脂注型部の内面との間に設けられてプライマーが被覆された無機粉末を含む接着補強部を備えたことを特徴とするエポキシ樹脂注型物品。
2. 上記エポキシ樹脂注型部の内面と接着する接着面に予め上記接着面の表面積を大きくするための凹凸が施された状態で上記エポキシ樹脂注型部と接着された上記弾性接着剤層を備えたことを特徴とする請求項1記載のエポキシ樹脂注型物品。
3. 上記構造用金属は、銅および／またはステンレスであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエポキシ樹脂注型物品。
4. 上記弾性接着剤層は、末端にシリル基を有する有機高分子を主成分とする弾性接着剤で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のエポキシ樹脂注型物品。
5. 上記プライマーは、シランカップリング剤であり、上記無機粉末は、平均粒径が０．０５ｍｍ〜１ｍｍのセラミックス粉末であることを特徴とする請求項１、請求項３、および請求項４のいずれか一項記載のエポキシ樹脂注型物品。
6. 上記エポキシ樹脂注型物品は、遮断機器であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエポキシ樹脂注型物品。

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