JP5405696B1 - 車両船舶のモーター巻線用の角型電線、巻線コイル、およびモーター - Google Patents

車両船舶のモーター巻線用の角型電線、巻線コイル、およびモーター Download PDF

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Abstract

本発明に係る車両船舶のモーター巻線用の角型電線は、角型導体と、角型導体を被覆する絶縁被覆層とを具備する。絶縁被覆層の少なくとも一部が、ジアミンと酸二無水物を重縮合することによって得られたポリイミド前駆体を含む組成物をイミド化することにより得られるポリイミド樹脂であり、ジアミンは、少なくとも当該ジアミンの全量に対して20モル%以上、56モル%以下である化学式(1)で示されるジアミン成分A、及び当該ジアミンの全量に対して44モル%以上、80モル%以下である化学式(2)で示されるジアミン成分Bを構成成分とし、酸二無水物は、少なくとも当該酸二無水物の全量に対して60モル%以上、100モル%以下である化学式(3)で示される酸二無水物成分C、及び当該酸二無水物の全量に対して0モル%以上、40モル%以下である化学式(4)で示される酸二無水物成分Dを構成成分とする。
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Description

本発明は、車両船舶のモーター巻線用の角型電線に関する。より詳細には、特定の構造を有するポリイミド前駆体を含むワニスから得られた成形物をイミド化することにより形成したポリイミド樹脂を用いた車両船舶のモーター巻線用の角型電線に関する。また、それを用いた巻線コイルおよびモーターに関する。
電線配線やケーブル等は、金属角型導体表面を絶縁被覆材によってコーティングし、角型導体部を保護している。絶縁被覆材は、用途に応じて様々な製品が開発されているが、電線やモーター巻線などの絶縁被覆材用途としては、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリイミドなどのエンジニアリングプラスチックが使われている。なかでも、ポリイミドは、耐熱性、電気絶縁性、機械強度などの観点から極めて優れた特性を示すので、特に使用環境が厳しいモーター巻線などに利用されている。
商品化されているポリイミドとしては、ビス(4−アミノフェニル)エーテルとピロメリット酸二無水物からなるKAPTON,VESPEL(登録商標、Dupont社製)、ビス(4−アミノフェニル)エーテルと3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物とからなるポリイミドであるユーピレックス(登録商標、宇部興産社製)、AURUM(登録商標、三井化学社製)等がある。
特許文献1には、下記一般式(I)で表わされる繰り返し構造単位を有するポリイミドを押出機により300℃以上、450℃以下の温度範囲で加熱溶融した角型導体を被覆し、冷却固化して絶縁体を形成する絶縁電線が記載されている。
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式(I)中、Rは炭素数2以上の脂肪族基、環式脂肪族基、単環式芳香族基、縮合多環式芳香族基、芳香族基が直接または架橋員により相互に連結された非縮合多環式芳香族基からなる群より選ばれた4価の基を示し、Xは単結合、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す。
特許文献2には、ジアミンとしてp−フェニレンジアミン及び4,4'−ジアミノジフェニルエーテル、酸二無水物として3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を用いた絶縁電線が開示されている。
特許文献3には、耐熱性を有するとともに角型導体への密着性が高く、誘電率が低い絶縁被膜を形成できる絶縁塗料、絶縁電線を得るために、下記一般式(II)で表わされる繰り返し単位と、下記一般式(III)で表わされる繰り返し単位を有するポリイミド樹脂からなる絶縁塗料が提案されている。
Figure 0005405696
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一般式(II)において、Xは下記式(IV)で表される芳香族エーテル構造を有する4価の芳香族基であり、Yは芳香族エーテル構造を有する2価の芳香族基であり、一般式(III)において、Xは4価の脂環式基であり、Yは脂環式構造を含む2価の脂環式基であり、一般式(II)及び一般式(III)において、m、nは繰り返し数であって、それぞれ正の整数である。
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特開平2−210713号公報 特開平7−37439号公報 特開2010−189510号公報
エレクトロニクス産業の目覚ましい発展は、各種電子部品・電子部品に用いる素材の開発によって支えられてきた。絶縁素材においても、前述したとおり、精力的な研究開発により優れた素材が提案されてきた。しかしながら、絶縁電線に用いられる絶縁被覆材においては、絶縁特性や機械特性に優れるのみならず、低伝送損失化を実現するために低吸水性に優れている材料が求められている。とりわけ、使用環境が厳しい車両船舶のモーター巻線用の絶縁電線においては、高温環境下においても使用に耐え得る耐熱性が求められる。また、車両船舶のモーター巻線においては、特に、高出力モーターに使用される巻線コイルの小型化、高効率化が求められている。
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた絶縁特性および機械強度を有し、さらに耐熱性と低吸水性の両者を満足し、さらに、巻線コイルとした際に小型化が可能な絶縁被覆層を有する車両船舶のモーター巻線用の角型電線を提供することである。
本発明者らが鋭意検討を重ねたところ、以下の態様において、本発明の課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明に係る車両船舶のモーター巻線用の角型電線は、角型導体と、前記角型導体を被覆する絶縁被覆層と、を具備する車両船舶のモーター巻線用の角型電線であって、前記絶縁被覆層の少なくとも一部が、ジアミンと、酸二無水物を重縮合することによって得られたポリイミド前駆体および溶媒を含む組成物であるポリイミド前駆体ワニスから形成された成形物をイミド化することにより得られるポリイミド樹脂であり、前記ジアミンは、少なくとも当該ジアミンの全量に対して20モル%以上、56モル%以下である化学式(1)で示されるジアミン成分A、及び当該ジアミンの全量に対して44モル%以上、80モル%以下である化学式(2)で示されるジアミン成分Bを構成成分とし、前記酸二無水物は、少なくとも当該酸二無水物の全量に対して60モル%以上、100モル%以下である化学式(3)で示される酸二無水物成分C、及び当該酸二無水物の全量に対して0モル%以上、40モル%以下である化学式(4)で示される酸二無水物成分Dを構成成分とする。
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(式中、Xは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
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(式中、Yは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
また、ここに開示される車両船舶のモーター巻線用の角型電線の好ましい一態様では、前記組成物を塗膜し、昇温5℃/min、300℃で1時間、窒素雰囲気下で加熱処理して得られた乾燥後の塗膜厚みが20〜60μmとなるポリイミドフィルムの場合に、ガラス転移温度が290℃以上、吸水率が2.0%以下、及び、引張破断伸度が55%以上である。
また、ここに開示される車両船舶のモーター巻線用の角型電線の好ましい一態様では、前記ポリイミド前駆体は、前記ジアミンと前記酸二無水物の合計に対し、前記ジアミン成分Aと前記ジアミン成分Bの合計が47.5〜52.5モル%、前記酸二無水物成分Cと前記酸二無水物成分Dの合計が47.5〜52.5モル%を満たす範囲で共重合されたものがある。
また、ここに開示される車両船舶のモーター巻線用の角型電線の好ましい一態様では、前記ジアミン成分Bが、化学式(5)で記載される4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルである。
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また、ここに開示される車両船舶のモーター巻線用の角型電線の好ましい一態様では、前記ジアミン成分Aが、化学式(6)で記載される4,4'−ジアミノジフェニルエーテルである。
Figure 0005405696
また、ここに開示される車両船舶のモーター巻線用の角型電線の好ましい一態様では、前記酸二無水物成分Dが、化学式(7)で記載される3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物である。
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本発明の巻線コイルは、上記態様の車両船舶のモーター巻線用の角型電線を巻線してなるものである。
本発明のモーターは、上記態様の巻線コイルを具備するものである。
本発明によれば、優れた絶縁特性および機械強度を有し、さらに耐熱性と低吸水性の両者を満足し、さらに、巻線コイルとした際に小型化が可能な絶縁被覆層を有する車両船舶のモーター巻線用の角型電線を提供することができるという優れた効果がある。また、本発明によれば、特に、低吸水性に優れた素材を提供できるという優れた効果がある。
本発明に係る角型電線の一例を示す模式的断面図。 本発明に係る角型電線の一例を示す模式的断面図。 本発明に係る巻線コイルの一例を示す概念的模式図。
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に含まれることは言うまでもない。また、以降の図における各部材のサイズや比率は、説明の便宜上のものであり、実際のものとは必ずしも一致しない。また、本明細書において「任意の数A〜任意の数B」なる記載は、数Aおよび数Aより大きい範囲であって、数Bおよび数Bより小さい範囲を意味する。
本発明の車両船舶のモーター巻線用の角型電線(以下、単に「角型電線」ともいう)は、断面形状が角型である角型導体と、角型導体を被覆する絶縁被覆層を有するものである。角型電線の断面形状は、その名称の如く角型であり、これを巻回することでコイル導体とする。絶縁被覆層の少なくとも一部は、後述するポリイミド前駆体ワニスから得られた成形物をイミド化することによって形成されたポリイミド樹脂からなる。
図1Aに、本発明に係る角型電線の一例の模式的断面図を示す。角型電線1は、角型導体10、角型導体10を被覆する絶縁被覆材によって形成された絶縁被覆層20を有する。なお、絶縁被覆層20は、角型導体10の全長に亘って被覆されていなくてもよく、一部に非被覆領域があってもよい。
角型導体10は、電線として機能し得るものであればよく、特に限定されないが、銅線、ニクロム線、ステンレス線、鋼線、アルミ線等の種々の導電性材料を用いることができる。さらに本発明で使用する角型導体10は、前記金属角型導体の酸化・劣化等による比抵抗の増大、角型導体の発熱、電圧低下等を防止するため、その表面を被覆したものであってもよい。被覆するために使用する材料としては錫、亜鉛、ニッケル、銀、アルミニウム、ハンダ、銅等であり、特にニッケル、銀等が好ましい。
絶縁被覆層20の厚みは、用途に応じて任意に設定可能であり特に限定されるものではないが、例えば、1〜100μm程度にすることができる。
絶縁被覆層20は、角型導体10を被覆しており、少なくとも一部がポリイミド前駆体ワニスから得られる成形物をイミド化することにより形成されたポリイミド樹脂からなる。角型導体10と絶縁被覆層20の間には、これらの接合を良好にする密着層を設けてもよい。図1Aの例においては、絶縁被覆層20が1層のポリイミド樹脂から形成される例を示しているが、図1Bに示すように第1絶縁被覆層21、第2絶縁被覆層22等の2層の積層構造からなる絶縁被覆層20であってもよいし、3層以上の多層積層構造であってもよい。複数積層する場合には、本発明に係るポリイミド前駆体ワニスを用いて形成されるポリイミド樹脂を複数層積層してもよいし、他の絶縁層と本発明のポリイミド樹脂との積層体としてもよい。他の絶縁層は、特に限定されないが、例えば、角型導体10との密着性を向上させる材料や、柔軟性の高い材料等など、ニーズに応じて適宜設計することができる。
次に、本発明の角型電線の絶縁被覆層に好適なポリイミド樹脂、およびそのポリイミド樹脂を形成するポリイミド前駆体ワニスについて説明する。本発明のポリイミド前駆体ワニスは、ポリイミド前駆体、及び溶媒を含む組成物からなる。また、ポリイミド前駆体は、ジアミンと、酸二無水物を重縮合することによって得られる。そして、絶縁被覆層20を形成するポリイミド樹脂は、ポリイミド前駆体ワニスから形成された成形物をイミド化することにより得られる。
ポリイミド前駆体のジアミンは、少なくとも当該ジアミンの全量に対して20モル%以上、56モル%以下である化学式(1)で示されるジアミン成分A、及び当該ジアミンの全量に対して44モル%以上、80モル%以下である化学式(2)で示されるジアミン成分Bを構成成分とする。また、ポリイミド前駆体の酸二無水物は、少なくとも当該酸二無水物の全量に対して60モル%以上、100モル%以下である化学式(3)で示される酸二無水物成分C、及び酸二無水物の全量に対して0モル%以上、40モル%以下である化学式(4)で示される酸二無水物成分Dを構成成分とする。化学式(3)で示されるピロメリット酸二無水物の下限値は、70モル%以上がより好ましく、80モル%以上がさらに好ましい。また、化学式(4)で示される酸二無水物成分Dの上限値は、30モル%以下がより好ましく、20モル%以下がさらに好ましい。
Figure 0005405696
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(式中、Xは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
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(式中、Yは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
上記化学式(1)、(2)及び(4)は、ポリイミド前駆体を合成する際に、それぞれ独立に、単一若しくは複数種類の化合物を用いることができる。
化学式(2)のジアミン成分Bの好ましい例は、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルフィド、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]ケトン、4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4'−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2−ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン等が挙げられる。
ジアミン成分Bの特に好ましい例として、化学式(5)で記載される4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルを挙げることができる。
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化学式(1)のジアミン成分Aの好ましい例としては、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル、3,4'−ジアミノジフェニルエーテル、3,3'−ジアミノジフェニルエーテル等が挙げられる。結晶性向上の観点からは、化学式(6)で示される4,4'−ジアミノジフェニルエーテルが特に好ましい。
Figure 0005405696
ジアミンは、ジアミン成分Aをジアミン全量に対して20〜56モル%とし、ジアミン成分Bをジアミン全量に対して44〜80モル%とすることが好ましい。この範囲とすることにより、より効果的に低吸水性と高Tgを両立させることができる。ジアミン成分Aの下限値は、ジアミン全量に対して24モル%以上がさらに好ましく、30モル%以上が特に好ましく、39モル%以上が特に好ましい。また、ジアミン全量に対するジアミン成分Aの上限値は、51モル%以下とすることがより好ましく、50モル%以下とすることがさらに好ましい。ジアミン成分Bはジアミン全量に対して49モル%以上とすることがより好ましく、上限値は、76モル%以下とすることがさらに好ましく、70モル%以下が特に好ましく、61モル%以下が最も好ましい。
本実施形態におけるジアミンは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において化学式(1)、(2)以外のジアミンを用いてもよい。耐熱性の観点から、その他のジアミンは、芳香族ジアミン類であることが好ましい。
その他の芳香族ジアミンは、例えば、p−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、m−アミノベンジルアミン、p−アミノベンジルアミン、4,4'−ジアミノビフェニル、3,3'−ジアミノビフェニル、4,4'−ジアミノジフェニルメタン、3,3'−ジアミノジフェニルメタン、1,1−ビス(4−アミノフェニル)エタン、1,1−ビス(3−アミノフェニル)エタン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−アミノフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス−(3−アミノフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、3,3'−ジアミノジフェニルスルフィド、4,4'−ジアミノジフェニルスルフィド、3,3'−ジアミノジフェニルスルホン、3,3'−ジアミノベンゾフェノン、4,4'−ジアミノベンゾフェノン、1,3―ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2'−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)プロパン、2,2'−ジメチル−4,4'−ジアミノビフェニル、ビスアミノフェニルフルオレン、ビストルイジンフルオレン、2,7−ジアミノフルオレン、2,2'−ビス(トリフルオロメチル)−1,1'−ビフェニル−4,4'−ジアミン、4,4'−メチレンジアニリン、4,4'−(m−フェニレンジイソプロピリデン)ジアニリンなどが挙げられる。
上記化学式(4)で示される酸二無水物成分Dの好ましい例としては、3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2',3,3'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2',3,3'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)1,1,1,3,3,3−ヘキサクロロプロパン二無水物、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、4,4'−(p−フェニルレンジオキシ)ジフタル酸二無水物、4,4'−(m−フェニレンジオキシ)ジフタル酸二無水物等の化合物が挙げられる。
これらのうちでも、3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、p−フェニレンジオキシジ(4−フタル酸)二無水物がより好ましい。
特に好ましくは、化学式(7)で記載される3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物が挙げられる。
Figure 0005405696
酸二無水物は、酸二無水物成分Cを単独で用いてもよいし、酸二無水物成分Cに加えて酸二無水物成分Dを加えてもよい。酸二無水物成分Dは、1種類の化合物を用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。さらに、酸二無水物成分C,酸二無水物成分Dに加えて他の構造の酸二無水物成分を加えてもよい。
本実施形態における酸二無水物は、上記化学式(3)、(4)を上記特定量含ませた上で、他の酸二無水物を用いてもよい。耐熱性の観点から、その他の酸二無水物は、芳香族酸二無水物であることが好ましい。
その他の芳香族酸二無水物は、例えば、1,2,3,4−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−アントラセンテトラカルボン酸二無水物、1,2,7,8−フェナントレンテトラカルボン酸二無水物等である。
上記構造のポリイミド前駆体ワニスから得られる絶縁皮膜は、優れた絶縁特性、及び機械強度を有し、さらに耐熱性と低吸水性を両立する素材を提供できる。
本発明のモーター巻線要の角型電線の絶縁被覆層に用いるポリイミド前駆体ワニスは、組成物であるポリイミド前駆体ワニスを塗膜し、昇温5℃/min、300℃で1時間、窒素雰囲気下で加熱処理することにより得た、乾燥後の塗膜厚みが20μm以上、60μm以下の範囲となるポリイミドフィルム(以下、単に「ポリイミドフィルム」と云う)において、(i)ガラス転移温度が290℃以上、(ii)吸水率が2.0%以下、及び(iii)引張破断伸度が55%以上の全ての条件を満たすことが好ましい。
上記ポリイミドフィルムの乾燥後の塗膜厚みが20〜60μmとなるようにするためには、例えば、ポリイミド前駆体ワニスの塗膜を300〜400μmに塗膜すればよい。上記ポリイミドフィルムの作製方法は特に限定されないが、一例として以下の方法が挙げられる。即ち、ポリイミド前駆体ワニスをガラス板上に300〜400μmギャップのアプリケーターで卓上塗工機を用いて塗布する。次いで、直ちに防爆型乾燥機を用いて、前述したように窒素雰囲気中で常温から5℃/minで昇温し、300℃で1時間保持する。その後、自然冷却により充分に冷却した後に、温水に24時間浸水することでガラス板からポリイミドフィルムを剥離する。そして、充分に乾燥させることによって乾燥後の塗膜厚みが20〜60μmとなるように作製する等の方法が挙げられる。
なお、本発明に係るポリイミドワニス前駆体は、上記膜厚のポリイミドフィルムを作製した際に上記(i)〜(iii)の特性を満たすことが好ましいものであり、本発明のポリイミドワニス前駆体の利用態様の膜厚を規定したものではない。
上記ポリイミドフィルムにおいて、より優れた素材を提供する観点から、(i)のガラス転移温度は、295℃以上であることがより好ましく、300℃以上であることがさらに好ましい。また、(ii)の吸水率は、1.9%以下とすることがより好ましく、1.8%以下とすることがさらに好ましい。また、(iii)の引張破断伸度は、70%以上であることがより好ましく、100%以上であることが特に好ましい。また、絶縁体として部分放電電圧耐性を向上させる観点からは、ポリイミド樹脂の測定周波数1Hzでの誘電率は、3.6以下であることが好ましく、3.5以下であることがより好ましく、3.4以下であることがさらに好ましい。
なお、本明細書においてガラス転移温度は、以下の方法により測定した値をいう。即ち、上記ポリイミドフィルムの固体粘弾性の温度分散測定を、TA instruments社製のRSA−IIを用いて引張モードで測定周波数1Hzの条件で行い、貯蔵弾性率E'と損失弾性率E"を測定する。そして、得られた損失正接tanδ=E"/E'のピーク値から「ガラス転移温度」を導出した値とする。
また、本明細書の吸水率は、以下の方法により測定した値をいう。即ち、上記ポリイミドフィルムを50mm×50mmサイズに切り出し、150℃×5分間乾燥した後、直ちに質量を測定する。その後、23℃のイオン交換水に24時間浸漬する。浸漬後、水槽から取り出したサンプルの表面に付いた水分を、エアガンなどを用いて充分に飛ばした後に質量を測定し、下記数式(1)より吸水率を算出した値とする。
<数1>
吸水率={(浸水後サンプルの質量)-(浸水前サンプル質量)}÷(浸水前サンプル質量)
・・数式(1)
また、引張破断伸度は、以下の方法により測定した値をいう。即ち、上記ポリイミドフィルムを140mm長さ×10mm幅サイズに切り出し、実際の測定長を100mm(このうち両端20mmの部分は引っ張り領域)とし、島津製作所社製のAUTOGRAPH AGS-100Dを用いて室温(23℃)で、速度50mm/minで短冊状のフィルムサンプルを引っ張った。このときの、(破断時のポリイミドフィルムの長さ)/(ポリイミドフィルムの元の長さ)から算出した値とする。
本実施形態に係るポリイミド前駆体の数平均分子量は、特に限定されないが、例えば、5,000〜100万の範囲とすることができる。好ましい範囲として、5,000〜50,000である。ポリイミド前駆体の数平均分子量は、ゲルパーミネーションクロマトグラフィー(GPC)により測定できる。
次に、ポリイミド前駆体ワニスの製造方法について説明する。まず、上述した特定のジアミンと特定のテトラカルボン酸二無水物を反応させてポリアミド酸を得る。ポリイミド前駆体の酸二無水物とジアミンの合成時の割合は、特に限定されないが、ジアミンと前記酸二無水物の合計に対し、前記ジアミン成分Aとジアミン成分Bの合計が47.5〜52.5モル%、酸二無水物成分Cと酸二無水物成分Dの合計が47.5〜52.5モル%を満たす範囲で共重合することが好ましい。
重合は、固相系で行うことも可能であるが、好ましくは液相系で行う。液相系では、重合濃度は、例えば、20〜30質量%程度とする。反応溶媒は、特に限定されないが、沸点が100℃以上のものが好ましい。一般に、ポリイミド前駆体の重合に用いられる溶媒を好適に利用できる。例えば、少なくとも一つの反応物質、好ましくは酸二無水物類とジアミン類の両方を溶解するものである。具体的には、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、クレゾール、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、テトラメチル尿素等が挙げられる。これらの溶媒類は、単独、あるいはベンゾニトリル、ジオキサン、キシレンあるいはトルエン等の他の溶媒との組み合わせで用いることもできる。
ポリイミド前駆体の製造においては、触媒を用いずに行うことができるが、適宜、触媒を用いてもよい。触媒は、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて特に制限されない。また、触媒の使用量は、触媒の揮散性や酸強度等の触媒自身の性質、反応条件を考慮して、適宜、調整すればよい。
液相反応工程において、原料、溶媒および必要に応じて加えられるその他の触媒等の仕込み順序・方法は特に限定されない。反応温度は、必要な数平均分子量(Mn)が得られればよく特に制限されるものではないが、ポリイミド前駆体としてポリアミド酸を重合するときには通常、20℃以上、100℃以下である。反応時間は必要な重合度を得るのに充分である範囲内に限って限定されない。また、反応に際しては窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。反応系内(反応機内)の固形分濃度は特に限定されないが、通常、5質量%以上〜50質量%以下である。
反応装置は、特に限定されないが、スーパーブレンド(住友重機械工業社製)、愛工ケミカルミキサー(愛工舎製作所社製)、プラネタリーミキサー(井上製作所社製)、トリミックス(井上製作所社製)等の混練機が挙げられる。
ポリイミド前駆体ワニスは、前述したように、少なくともポリイミド前駆体と溶媒を含むものである。ポリイミド前駆体ワニスにおける樹脂固形分の濃度は、塗工性を高める観点などから、5〜50質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましい。溶媒は、特に限定されないが、極性溶媒であることが好ましい。極性溶媒の例には、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルメトキシアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホンなどの他、これらの2種以上の混合溶媒、あるいはこれらの溶媒と非極性溶媒であるベンゼン、トルエン、キシレン、ベンゾニトリル、ジオキサン、シクロヘキサン、1,3,5−トリメチルベンゼン、1,2,4−トリメチルベンゼンなどとの混合溶媒などが含まれる。
本発明のポリイミド前駆体ワニスには、シリカ、アルミナ、酸化チタン等の無機微粒子を分散させてもよい。また、本発明のポリイミド前駆体ワニスには、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、任意の添加剤を含んでいてもよい。例えば、接着助剤、接着剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、着色剤等を加えたりしてもよい。例えば、シランカップリング剤等の表面改質剤などを添加してもよい。好ましい添加剤として、エポキシ、ビスマレイミド、ナジイミドが例示できる。耐熱性と反応性の観点からは、分子量600以下のビスマレイミドを添加することが好ましい。本発明に係るポリイミド前駆体は、単一種類を用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。さらに、本発明のポリイミド樹脂は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明に係るポリイミド樹脂とは異なるポリマーが混合されていてもよい。また、ポリイミド前駆体ワニスにおいては、部分的にイミド化されているものが含まれていてもよい。
従来のポリイミド樹脂においては、一般的にイミド基由来により吸水率が2.0%超えとなる。このため、例えば、絶縁電線の導体の絶縁被覆層としてポリイミド樹脂を適用する場合、絶縁被覆層によって伝送損失が大きくなってしまうという問題があった。また、従来のポリイミド樹脂においては、高湿熱下では、吸水によって絶縁性不良が生じやすいという問題があった。
上記特許文献1のようなポリイミド構造体を採用することにより、比較的イミド基密度を低くして吸水率を改善することが可能である。しかしながら、それに起因してガラス転移温度が低くなるため、耐熱性の点において課題があった。このようにポリイミド樹脂は、低吸水性と耐熱性とはトレードオフの関係にあり、低吸水性と耐熱性の両者を満足させることが難しかった。また、特許文献1のように溶融押出し成形法により成形加工する場合、400℃以上の高温での成形が一般に必要であり、樹脂の熱分解温度に近くなるため、成形条件を精密に制御する必要があった。
本発明のポリイミド前駆体ワニスによれば、酸二無水物として、特定割合の化学式(3)のピロメリット酸二無水物、若しくは特定割合のピロメリット酸二無水物と化学式(4)を導入し、かつ、化学式(1)、(2)のジアミンを用いることにより、ポリイミド樹脂とした際に、剛直化を実現しつつイミド基密度を低くし、かつ、結晶性を向上させることができる。その結果として低吸水性と高ガラス転移温度、高機械強度、絶縁特性のバランスを取ることに成功したものと考察している。しかも、得られるポリイミド樹脂によれば、低誘電率性を実現できるという優れたメリットがある。
また、上述したポリイミドフィルムにおいてガラス転移温度を290℃以上、吸水率を2.0%以下、引張破断伸度を55%以上とすることにより、低吸水性と高ガラス転移温度、高機械強度を兼ね備えたバランスに優れたポリイミド樹脂を提供することができる。より詳細には、ガラス転移温度を290℃以上とすることによって高温環境下においても優れた信頼性、及び耐久性を実現できる。例えば、250℃程度の環境でも長期間使用することが可能となる。また、吸水率を2.0%以下とすることによって、角型導体を被覆する絶縁被覆層として用いた場合に低伝送損失化を実現できる。さらに、引張破断伸度を55%以上とすることにより、優れた機械強度を実現し、優れた信頼性・耐久性を実現できる。また、引張破断伸度を55%以上とすることにより、フレキシビリティ性にも優れる。また、ポリイミド樹脂は、耐薬品性に優れた特性を有している。従って、高温・多湿等の過酷な条件や、耐薬品性が要求される用途においても使用できるという優れたメリットがある。また、本発明のポリイミド前駆体ワニスを塗布する方法によれば、400℃以下で加熱乾燥が可能な上、薄膜化しやすいという優れたメリットを有している。
また、ポリイミド骨格に、4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル(以下、mBP)、及び3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(以下、s−BPDA)等のビフェニル構造を主体とした構造を導入すると、より効果的に低イミド基密度化、結晶性向上の効果を図り、さらに4,4'−ジアミノジフェニルエーテル、及びピロメリット酸二無水物の導入による剛直化を実現できる。従って、より効果的に低吸水性と高ガラス転移温度、高機械強度のバランスを取ることができる。
次に、本発明の角型電線の製造方法の一例について説明する。但し、本発明は、以下の製造方法に限定されるものではなく、種々の製造方法により製造することができる。
まず、線状の角型導体10を用意する。次いで、角型導体10にポリイミド前駆体ワニスを塗布して乾燥し、焼き付けする。塗布方法は、特に限定されないが、角型導体10の外周に直接塗布する方法が例示できる。焼き付けにより、ポリイミド前駆体からポリイミドに変換される。絶縁被覆層20の厚みを厚くしたい場合には、塗布・焼き付け工程を複数回行うことができる。また、角型導体10に密着層や保護層等を形成した後に、その上層にポリイミド前駆体ワニスを塗布して乾燥し、焼き付けを行ってもよい。ポリイミド樹脂層以外の絶縁被覆層を積層する場合には、公知の形成方法を適宜利用できる。
焼き付け工程は、特に限定されないが、不活性ガス中で行うことが好ましく、例えば、窒素雰囲気化で行うことができる。加熱条件は、ポリイミド前駆体からポリイミドに変換できる条件であれば特に限定されないが、例えば、200〜400℃程度を、1分〜10時間の範囲で加熱するプロセスが挙げられる。
図2に、本発明の巻線コイルの一例を説明するための概略模式図を示す。巻線コイル5は、磁性材料からなるコア30の巻芯に角型電線1が巻回された構成をなす。コア30は、不図示の角型電線1の引出部、電極等も有する。巻線コイル5は、例えば、モーターのロータやステータとして用いられる。巻線コイル5の角型電線1のターン数等は、モーターの求められる電気的特性等に応じて適宜設計する。ロータの巻線コイルに流れた電流により、発生した電磁力を効率よく流すことができる。
本発明の角型電線によれば、絶縁被覆層20の少なくとも一層に本発明に係るポリイミド前駆体ワニスから得られるポリイミド樹脂を用いるので機械的強度に優れ、強い外力を受けても内部の角型導体10を適切に保護することができる。また、本発明の角型電線によれば、機械強度に優れフレキシビリティ性にも優れるので、巻回しやすいという優れた利点もある。また、本発明に係るポリイミド樹脂は、低吸水性に優れているので、角型電線1の低伝送損失化を実現できる。さらに、本発明に係るポリイミド樹脂は、耐湿性・耐熱性にも優れるので、高温・高湿度下等の過酷な条件下においても好適に利用できる。
さらに、本発明の角型電線によれば、断面形状を角型とすることにより巻線コイルとした際の占積率を上げることができる。占積率を上げることにより同一出力とする場合にはコアを小さくすることが可能となり小型化・軽量化を実現できる。また、同じコアを用いた場合、巻数を増やして高出力化を図ることができる。また、断面形状を角型とすることにより、放熱性向上が期待できる。さらに、本発明のポリイミド前駆体ワニスから得られるポリイミド樹脂は、誘電率が低いので、角型電線同士が密接しても良好な絶縁特性を維持できるという優れた特性を有している。
≪実施例≫
以下、本発明を実施例によってより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
[実施例1](ポリイミド前駆体ワニスの調製) ジメチルアセトアミド溶媒中に、4,4'−ジアミノジフェニルエーテル(和歌山セイカ社製)(以下、「4,4'−ODA」と称する)、4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル(三井化学社製)(以下、「m−BP」と称する)の2種類のジアミンと、ピロメリット酸二無水物(三菱ガス化学写生)(以下、「PMDA」と称する)の酸二無水物とを、4,4'−ODA:mBP:PMDA=20:30:49.5のモル比で配合した。そして、混合物を4時間以上攪拌して樹脂固形分割合が20〜25質量%であるポリイミド前駆体ワニスを得た。
(ポリイミドフィルムの作製) 上記ポリイミド前駆体ワニスを、ガラス板上に360μmギャップのアプリケーターで卓上塗工機を用いて塗布した。塗布した後、直ちに防爆型乾燥機を用いて窒素雰囲気中で乾燥した。乾燥は、常温から5℃/minで昇温し、300℃で1時間保持した。その後、自然冷却した。充分冷却した後、温水に24時間浸水することでガラス板からポリイミドフィルムを剥離し、所望のポリイミドフィルムサンプルを得た。得られたポリイミドフィルムの乾燥後の膜厚は、30μmであった。
(吸水性評価) 作製したフィルムサンプルの吸水性を吸水率により評価した。対象サンプルを50mm×50mmサイズに切り出し、150℃×5分間乾燥した後、直ちに質量を測定した。その後、23℃のイオン交換水に24時間浸漬した。浸漬後、水槽から取り出したサンプルの表面に付いた水分をエアガンにより充分に飛ばした後、質量を測定し、上記数式(1)より吸水率を算出した。吸水率が2.0%以下のものを○、吸水率が2.0%越えのものを×とした。
(ガラス転移温度評価(耐熱性評価)) 上述の方法により作製したポリイミドフィルムについて、ガラス転移温度を評価した。測定は、固体粘弾性の温度分散測定(引張モード)により、貯蔵弾性率E'と損失弾性率E''を評価し、損失正接tanδ=E''/E'のピーク値からガラス転移温度を導出した。測定装置は、TA instruments社製のRSA−IIIを用いた。ガラス転移温度が290℃以上のものを○、290℃未満のものを×とした。
(機械強度評価) 作製したポリイミドフィルムの引張機械強度を測定した。サンプルを140mm長さ×10mm幅サイズに切り出し、両端20mm部分を引っ張り領域として使用した(実際の測定長は100mm)。速度50mm/minで短冊状のフィルムサンプルを引っ張ることで、引張破断伸度(単に「破断伸度」ともいう)を測定した。測定装置は、島津製作所社製のAUTOGRAPH AGS−100Dを使用した。破断伸度が55%以上のものを○、55%未満のものを×とした。
(誘電率評価) 上述の方法により作製したポリイミドフィルムについて、JIS K6911に準拠する方法にて、誘電率を評価した。アジレントテクノロジー社製のLCRメーターHP4284Aを使用し、周波数1MHz、主電極=18mmφ、ガード電極=26mmφ、対電極=28mmφの条件で、22℃×60%RHで24時間放置したポリイミドフィルムサンプルを用いて、22℃×60%RH環境で評価を実施した。
[実施例2] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDAを、4,4'−ODA:mBP:PMDA=25:25:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。膜厚は、30μmになるように調整した(以降の実施例、比較例についても同様に30μmとなるように調整した)。
[実施例3] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDAを、4,4'−ODA:mBP:PMDA=12.5:37.5:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[実施例4] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDA、3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(JFEケミカル社製)(以下、「s−BPDA」と称する)の2種類を、4,4'−ODA:mBP:PMDA:s−BPDA=25:25:44.55:4.95のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[実施例5] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDA、s−BPDAの2種類を、4,4'−ODA:mBP:PMDA:s−BPDA=25:25:35:14.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[実施例6] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BP、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(日本純良薬品製、以下、4−APBと称する)の3種類、酸二無水物としてPMDA、s−BPDAの2種類を、4,4'−ODA:mBP:4−APB:PMDA:s−BPDA=10:25:15:35:14.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例1] ジアミンとして4,4'−ODAを、酸二無水物としてPMDAを、4,4'−ODA:PMDA=50:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例2] ジアミンとしてm−BP、酸二無水物としてPMDAを、m−BP:PMDA=50:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例3] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類と、酸二無水物としてPMDA、s−BPDAの2種類を、4,4'−ODA:mBP:PMDA:s−BPDA=25:25:24.5:25のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例4] ジアミンとして4,4'−(m−フェニレンジイソプロピリデン)ジアニリン(三井化学ファイン社製)(以下、「ビスアニリンM」と称する)、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDAを、ビスアニリンM:mBP:PMDA=25:25:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例5] 2,2'−ジメチル−4,4'−ジアミノビフェニル(和歌山セイカ社製)(以下、「m−トリジン」と称する)、m−BPの2種類と、酸二無水物としてPMDAとを、m−トリジン:mBP:PMDA=25:25:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
[比較例6] ジアミンとして4,4'−ODA、m−BPの2種類、酸二無水物としてPMDA、1種類を、4,4'−ODA:mBP:PMDA=7.5:42.5:49.5のモル比で配合したこと以外は、実施例1と同様にポリイミド前駆体ワニスを作製し、評価した。
表1にポリイミド酸ワニスの調製比率を、表2に物性値の結果を示す。
Figure 0005405696
Figure 0005405696
本実施例に係るポリイミドフィルムは、低誘電率性に優れていることを確認した。例えば、比較例1のポリイミドフィルムの誘電率は3.61であったのに対し、実施例2に係るポリイミドフィルムの誘電率は3.35、実施例5に係るポリイミドフィルムの誘電率は3.33であった。
本実施例によれば、いずれのポリイミドフィルムにおいてもガラス転移温度が290℃以上、吸水率が2.0%以下、及び引張破断伸度が55%以上であり、優れた機械強度に加え、耐熱性と低吸水性の両者において必要充分な特性を提供できることがわかる。
本発明は、優れた絶縁特性および機械強度を有し、さらに耐熱性と低吸水性の両者を満足する絶縁被覆層を提供できるので、高温環境下、高湿度環境下等の過酷な条件において使用される車両船舶のモーター巻線用の角型電線に特に好適であるが、車両船舶以外のモーター巻線用途に対しても広範に適用できる。また、モーター巻線用途に限定されず、各種の絶縁電線、絶縁被覆層に対しても広範に適用できる。
1 角型電線
5 巻線コイル
10 角型導体
20 絶縁被覆層
21 第1絶縁被覆層
22 第2絶縁被覆層
30 コア

Claims (8)

  1. 角型導体と、
    前記角型導体を被覆する絶縁被覆層と、を具備する車両船舶のモーター巻線用の角型電線であって、
    前記絶縁被覆層の少なくとも一部が、
    ジアミンと酸二無水物を重縮合することによって得られたポリイミド前駆体、および溶媒を含む組成物であるポリイミド前駆体ワニスから形成された成形物をイミド化することにより得られるポリイミド樹脂であり、
    前記ジアミンは、少なくとも
    当該ジアミンの全量に対して20モル%以上、56モル%以下である化学式(1)で示されるジアミン成分A、及び当該ジアミンの全量に対して44モル%以上、80モル%以下である化学式(2)で示されるジアミン成分Bを構成成分とし、
    前記酸二無水物は、少なくとも
    当該酸二無水物の全量に対して60モル%以上、100モル%以下である化学式(3)で示される酸二無水物成分C、及び
    当該酸二無水物の全量に対して0モル%以上、40モル%以下である化学式(4)で示される酸二無水物成分Dを構成成分とする車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
    Figure 0005405696
    Figure 0005405696
    (式中、Xは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
    Figure 0005405696
    Figure 0005405696
    (式中、Yは単結合、酸素原子、硫黄原子、スルホン基、カルボニル基、メチレン基、イソプロピリデン基またはヘキサフルオロイソプロピリデン基の2価の基を示す)
  2. 前記組成物を塗膜し、昇温5℃/min、300℃で1時間、窒素雰囲気下で加熱処理して得られた乾燥後の塗膜厚みが20〜60μmとなるポリイミドフィルムの場合に、
    ガラス転移温度が290℃以上、
    吸水率が2.0%以下、及び、
    引張破断伸度が55%以上である請求項1に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
  3. 前記ポリイミド前駆体は、
    前記ジアミンと前記酸二無水物の合計に対し、前記ジアミン成分Aと前記ジアミン成分Bの合計が47.5〜52.5モル%、前記酸二無水物成分Cと前記酸二無水物成分Dの合計が47.5〜52.5モル%を満たす範囲で共重合されたものである請求項1又は2に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
  4. 前記ジアミン成分Bが、化学式(5)で記載される4,4'−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニルである請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
    Figure 0005405696
  5. 前記ジアミン成分Aが、化学式(6)で記載される4,4'−ジアミノジフェニルエーテルである請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
    Figure 0005405696
  6. 前記酸二無水物成分Dが、化学式(7)で記載される3,3',4,4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物である請求項1〜5のいずれか1項に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線。
    Figure 0005405696
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の車両船舶のモーター巻線用の角型電線を巻線してなる巻線コイル。
  8. 請求項7の巻線コイルを具備するモーター。
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