JP4996080B2 - 電気絶縁材料 - Google Patents
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Description
本発明は、電気的特性を向上し得る電気絶縁材料に関する。
エポキシ樹脂は、優れた機械的特性、電気的特性、化学的特性、熱的特性などを持つことから、重電分野、半導体分野などの電気絶縁材料として用いられている。その一例としては、スイッチギヤのような電気機器に用いるブッシングなどの注型品を製造するエポキシ樹脂注型材料や、電気部品を封止するエポキシ樹脂封止材料などが挙げられる。
従来、この種のエポキシ樹脂材料を用いた電気絶縁材料は、エポキシ樹脂中に、直径１０μｍ程度と直径数μｍの真球状シリカ、およびコアシェル構造を有するゴム粒子を最適量充填し混合することにより、各特性にバランスのとれた材料となっていることが知られている。このなかでも、二種類以上の粒径分布を有する真球状シリカを充填した材料では、エポキシ樹脂中に高充填率で混合しても増粘し難く、注型品の製造を容易とすることができる。また、ゴム粒子を充填することにより、靭性が向上するものの曲げ強度などの機械的強度が低下する傾向にあるが、二種類以上の粒径分布を有する真球状シリカの充填により、この機械的強度の低下を抑制することができている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１５６２１号公報 （第３〜６ページ、図１）
上記の従来の電気絶縁材料においては、機械的特性、電気的特性、化学的特性、熱的特性などの各特性にバランスのとれた材料となっているが、電気機器を小型化するためには、更に破壊電圧特性を向上させることが望まれていた。破壊電圧特性が向上すれば、特に高電圧電気機器に用いられる注型品にとっては、絶縁厚さを薄くでき、小型化に結びつくものとなる。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、破壊電圧特性などの電気的特性を向上し得る電気絶縁材料を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電気絶縁材料は、熱硬化性樹脂と硬化剤とから構成される熱硬化性マトリックス樹脂と、二種類以上の粒径分布を有する楕円形状の無機物充填材と、コアシェル構造を有するゴム粒子とを備え、前記熱硬化性樹脂は、ビスフェノール系エポキシ樹脂であり、前記無機物充填材は、溶融シリカからなり、含有量が全体の５０〜８０重量％であって、大きい粒子が粒径０．５〜３０μｍ、小さい粒子が粒径０．１〜３μｍで含有量が当該溶融シリカにおいて２〜２０重量％を占めるとともに、楕円形状の長径／短径の比が、いずれも１超過２以下であり、前記ゴム粒子は、粒径が０．２〜１．２μｍであり、含有量が全体の５〜２０重量％であることを特徴とする。
本発明によれば、熱硬化性マトリックス樹脂に二種類以上の粒径分布を有する楕円形状シリカを充填しているので、破壊電圧特性を向上させることができ、その電気絶縁材料を用いて製造した注型品の縮小化を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
本発明の実施例に係る電気絶縁材料を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る電気絶縁材料の構成を示す概念図、図２は、本発明の実施例に係る加熱硬化させた電気絶縁材料の破壊電圧を求める電極配置図、図３は、図２で求めた破壊電圧の破壊経路を説明する図である。
図１に示すように、電気絶縁材料には、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂と、変性酸無水物やアミン系硬化剤のような硬化剤とから構成される熱硬化性マトリックス樹脂１中に、無機物充填材として二種類以上の粒径分布を有する楕円形状（鶏卵状）の大粒径シリカ２と小粒径シリカ３、外側に特殊な化学修飾を施したコアシェル構造を持つゴム粒子４が充填され混合されている。この電気絶縁材料の組成は、次のように調製した。
（実施例）
（１）ビスフェノール系エポキシ樹脂（１００重量部）
内訳：ビスフェノールＡエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
ビスフェノールＦエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
（２）メチルナジック酸無水物（硬化剤、９５重量部）
（３）楕円形状シリカ（シランカップリング処理済み、３８０重量部）
内訳：大粒径シリカ（平均粒径１５μｍ、長径／短径＝１超過２以下、３６０重量部）
小粒径シリカ（平均粒径０．８μｍ、長径／短径＝１超過２以下、２０重量部）
（４）ゴム粒子（平均粒径０．３μｍのスチレン−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、１０重量部）
ここで、大粒径シリカ２は、長径側の粒径が０．５〜３０μｍ（この範囲を平均粒径１５μｍとする）であり、５０〜８０重量％充填することができる。また、小粒径シリカ３は、長径側の粒径が０．１〜３μｍ（この範囲を平均粒径０．８μｍとする）であり、２〜２０重量％充填することができる。大粒径シリカ２、小粒径シリカ３とも、図１に示すように、楕円形状（鶏卵状）の長いほうを長径、短いほうを短径とし、長径／短径＝１超過としているので、真球状にはならない。なお、長径／短径＝２以上では、エポキシ樹脂中に混合するとき、長径側が折損することがあり、折損部が鋭角状となるので好ましくない。このような楕円形状は、例えば、気相法で溶融シリカを製造するとき、高温で溶融させたシリカを冷却する速度（時間、温度）を変化させて行えば得ることができる。
（１）ビスフェノール系エポキシ樹脂（１００重量部）
内訳：ビスフェノールＡエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
ビスフェノールＦエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
（２）メチルナジック酸無水物（硬化剤、９５重量部）
（３）楕円形状シリカ（シランカップリング処理済み、３８０重量部）
内訳：大粒径シリカ（平均粒径１５μｍ、長径／短径＝１超過２以下、３６０重量部）
小粒径シリカ（平均粒径０．８μｍ、長径／短径＝１超過２以下、２０重量部）
（４）ゴム粒子（平均粒径０．３μｍのスチレン−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、１０重量部）
ここで、大粒径シリカ２は、長径側の粒径が０．５〜３０μｍ（この範囲を平均粒径１５μｍとする）であり、５０〜８０重量％充填することができる。また、小粒径シリカ３は、長径側の粒径が０．１〜３μｍ（この範囲を平均粒径０．８μｍとする）であり、２〜２０重量％充填することができる。大粒径シリカ２、小粒径シリカ３とも、図１に示すように、楕円形状（鶏卵状）の長いほうを長径、短いほうを短径とし、長径／短径＝１超過としているので、真球状にはならない。なお、長径／短径＝２以上では、エポキシ樹脂中に混合するとき、長径側が折損することがあり、折損部が鋭角状となるので好ましくない。このような楕円形状は、例えば、気相法で溶融シリカを製造するとき、高温で溶融させたシリカを冷却する速度（時間、温度）を変化させて行えば得ることができる。
ゴム粒子４は、粒径０．２〜１．２μｍ（この範囲を平均粒径０．３μｍとする）であり、５〜２０重量％充填することができる。
また、比較のため、以下の組成の電気絶縁材料を用いた。これは、従来の電気絶縁材料と同様なものである。
（比較例）
（１）ビスフェノール系エポキシ樹脂（１００重量部）
内訳：ビスフェノールＡエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
ビスフェノールＦエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
（２）メチルナジック酸無水物（９５重量部）
（３）真球状シリカ（シランカップリング処理済み、３８０重量部）
内訳：大粒径シリカ（平均粒径１５μｍ、３６０重量部）
小粒径シリカ（平均粒径０．８μｍ、２０重量部）
（４）ゴム粒子（平均粒径０．３μｍのスチレン−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、１０重量部）
上述した実施例、および比較例の破壊電圧特性を調べた。試料は、それぞれの電気絶縁材料に、一般のエポキシ樹脂注型材料に使われるアミン系硬化促進剤を加えて、金型に注入し、先ず温度８０℃−時間１５ｈｒで一次硬化させ、次いで温度１５０℃−時間１５ｈｒで二次硬化させて製作した。
（１）ビスフェノール系エポキシ樹脂（１００重量部）
内訳：ビスフェノールＡエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
ビスフェノールＦエポキシ樹脂（エポキシ当量１８０、５０重量部）
（２）メチルナジック酸無水物（９５重量部）
（３）真球状シリカ（シランカップリング処理済み、３８０重量部）
内訳：大粒径シリカ（平均粒径１５μｍ、３６０重量部）
小粒径シリカ（平均粒径０．８μｍ、２０重量部）
（４）ゴム粒子（平均粒径０．３μｍのスチレン−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、１０重量部）
上述した実施例、および比較例の破壊電圧特性を調べた。試料は、それぞれの電気絶縁材料に、一般のエポキシ樹脂注型材料に使われるアミン系硬化促進剤を加えて、金型に注入し、先ず温度８０℃−時間１５ｈｒで一次硬化させ、次いで温度１５０℃−時間１５ｈｒで二次硬化させて製作した。
破壊電圧の測定は、図２に示すように、直径φ１＝２５ｍｍの球電極５と、直径φ２＝３５ｍｍの円柱電極６（端部は曲率半径Ｒ＝２ｍｍに加工）間に、上述の方法で製作した絶縁厚さｔ＝１ｍｍの試験用絶縁板７を挟み、両電極５、６間にＡＣ電圧を印加して求めた。昇圧速度は、６００Ｖ／秒であり、また、試料数は、それぞれ１０個である。
結果を表１に示す。
表１より、実施例では、破壊電圧６４ｋＶ／ｍｍであり、比較例の破壊電圧６１ｋＶ／ｍｍよりも高い値が得られた。標準偏差は、実施例、比較例とも３〜４ｋＶ／ｍｍとほぼ同様であった。
楕円形状シリカを充填した試料の絶縁破壊面を観察すると、図３に示すように、破壊経路Ａは、大粒径シリカ２、小粒径シリカ３と熱硬化性マトリックス樹脂１との界面を沿うように進展している。これは、楕円形状の大粒径シリカ２、小粒径シリカ３によって、破壊経路Ａが伸び、破壊電圧を向上させたものと考えられる。
このように楕円形状シリカを用いることにより、破壊電圧特性を向上させることができるので、この材料を用いて製造したブッシングなどの注型品においても破壊電圧特性を向上させることができる。そして、この注型品を用いた電気機器においては、全体形状の縮小化を図ることができる。
なお、楕円形状シリカを充填したものは、従来のもの（比較例）と比較して、引張特性や曲げ特性などの機械的特性、および耐熱性の指標となるガラス転移温度などの特性が同様であった。
上記実施例の電気絶縁材料によれば、熱硬化性マトリックス樹脂１に充填する無機物充填材を楕円形状の二種類以上の粒径分布を有する大粒径シリカ２、小粒径シリカ３としているので、破壊電圧特性を向上させることができ、この材料を用いて製造した注型品の縮小化を図ることができる。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記実施例では、熱硬化性マトリックス樹脂１にエポキシ樹脂を用いて説明したが、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂を用いても、楕円形状シリカを充填することにより、破壊電圧特性を向上させることができる。
１ 熱硬化性マトリックス樹脂
２ 大粒径シリカ
３ 小粒径シリカ
４ ゴム粒子
５ 球電極
６ 円柱電極
７ 試験用絶縁板
２ 大粒径シリカ
３ 小粒径シリカ
４ ゴム粒子
５ 球電極
６ 円柱電極
７ 試験用絶縁板
Claims (1)
- 熱硬化性樹脂と硬化剤とから構成される熱硬化性マトリックス樹脂と、
二種類以上の粒径分布を有する楕円形状の無機物充填材と、
コアシェル構造を有するゴム粒子とを備え、
前記熱硬化性樹脂は、ビスフェノール系エポキシ樹脂であり、
前記無機物充填材は、溶融シリカからなり、含有量が全体の５０〜８０重量％であって、大きい粒子が粒径０．５〜３０μｍ、小さい粒子が粒径０．１〜３μｍで含有量が当該溶融シリカにおいて２〜２０重量％を占めるとともに、楕円形状の長径／短径の比が、いずれも１超過２以下であり、
前記ゴム粒子は、粒径が０．２〜１．２μｍであり、含有量が全体の５〜２０重量％であることを特徴とする電気絶縁材料。
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| JP2005246327A JP4996080B2 (ja) | 2005-08-26 | 2005-08-26 | 電気絶縁材料 |
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