JP4996080B2 - 電気絶縁材料 - Google Patents

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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。
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。
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。
Figure 0004996080
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。
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。 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2で求めた破壊電圧の破壊経路を説明する図。
符号の説明
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

Claims (1)

  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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