JP5954537B2 - アラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート、その製造方法、及びそれを使用した高周波機器 - Google Patents

Description

本発明は、機械的特性、電気絶縁性、誘電特性、液体含浸性などにすぐれ、高温で使用可能なあるいは動作する高周波機器の絶縁部材として好適に用いられる新規なアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートに関する。

高周波信号を扱うインバータ、プリント基板、移動体無線通信などの高周波機器においては、高周波信号の切り替えを行うためには、絶縁部材において、下式により示される誘電損失（熱損失）Ｐの発生を小さくする必要がある。そのため、低誘電率及び低誘電正接の絶縁部材が要求される。

Ｐ＝Ｅ²×ｔａｎδ×２πｆ×ε₀×εｒ×Ｓ／ｄ（Ｗ）

ここで、Ｅは電圧、ｔａｎδは物質の誘電正接、ｆは周波数、ε₀は真空の誘電率、εｒは物質の誘電率（比誘電率）、Ｓは電極の面積、ｄは電極間隔である。
一方で、高周波信号の切り替えには半導体が使用されているが、近年、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどの高温動作パワー半導体の開発が盛んになり、それぞれ、半導体スイッチ回路の使用条件などに応じて、好適な変化特性やレベルなどが所望される。
しかしながら、絶縁部材においては、近年の高周波機器の益々の高効率化、大容量化及びコンパクト化には必ずしも十分な対応ができていない。
高効率及び大容量が要求される発電機、モータ、インバータ、コンバータ、プリント基板などの高周波機器の絶縁部材には、
１）誘電率及び誘電正接が低いこと（低誘電性）、
２）高い耐電圧、
３）機械的強度を有すること、及び
４）オートマオイルなどの潤滑剤を十分に含浸すること
の４つの特性を同時に満たすことが必要とされている。特に、高温の状態で上記４つの特性を満たすことが、高温動作が有効であるパワー半導体の特性を十分に発揮する意味で、極めて重要であると考えられる。

本発明は、高温で使用可能な、あるいは動作する高周波機器の高効率化・大容量化に耐えうる低誘電絶縁シートを提供することを目的とする。

本発明者らはかかる状況に鑑み、高周波機器の高効率化・大容量化に耐えうる低誘電絶縁シートを開発すべく鋭意検討を進めた結果、本発明に到達した。
第１の態様において、本発明は、アラミドファイブリッドとアラミド短繊維とを含むシートと、前記シートの面方向に層状となるポリテトラフルオロエチレンの層とから形成され、焼成加工されたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートであって、空隙率が３０％以上かつ厚みが１５０μm以下であることを特徴とするアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを提供する。
第２の態様において、本発明は、２００℃の誘電率及び誘電正接が測定周波数の増加に対して減少傾向を示す、第１の態様に記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを提供する。
第３の態様において、本発明は、１００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比、又は２００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする第１の態様又は第２の態様記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを提供する。
第４の態様において、本発明は、アラミドファイブリッドとアラミド短繊維から湿式抄造法により作製したシート上に、ポリテトラフルオロエチレンの微粒子分散体をコーティングしたシートをカレンダー加工した後で、焼成加工することを特徴とする第１〜３の態様記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの製造方法を提供する。
第５の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とする高周波機器を提供する。
第６の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とする発電機を提供する。
第７の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするモータを提供する。
第８の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするインバータを提供する。
第９の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするコンバータを提供する。
第１０の態様において、本発明は、第１〜３の態様のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするプリント基板を提供する。

（アラミド）
本発明において、アラミドとは、アミド結合の６０％以上が芳香環に直接結合した線状高分子化合物（芳香族ポリアミド）を意味する。このようなアラミドとしては、例えばポリメタフェニレンイソフタルアミドおよびその共重合体、ポリパラフェニレンテレフタルアミドおよびその共重合体、ポリ（パラフェニレン）−コポリ（３，４’−ジフェニルエーテル）テレフタールアミドなどが挙げられる。これらのアラミドは、例えばイソフタル酸塩化物およびメタフェニレンジアミンを用いた従来既知の界面重合法、溶液重合法等により工業的に製造されており、市販品として入手することができるが、これに限定されるものではない。これらのアラミドの中で、ポリメタフェニレンイソフタルアミドが、良好な成型加工性、熱接着性、難燃性、耐熱性などの特性を備えている点で好ましく用いられる。

（アラミドファイブリッド）
本発明において、アラミドファイブリッドとは、抄紙性を有するフィルム状のアラミド粒子であり、アラミドパルプとも呼ばれる（特公昭３５−１１８５１号公報、特公昭３７−５７３２号公報等参照）。
アラミドファイブリッドは、通常の木材パルプと同様に、離解、叩解処理を施し抄紙原料として用いることが広く知られており、抄紙に適した品質を保つ目的でいわゆる叩解処理を施すことができる。この叩解処理は、デイスクリファイナー、ビーター、その他の機械的切断作用を及ぼす抄紙原料処理機器によって実施することが出来る。この操作において、ファイブリッドの形態変化は、日本工業規格Ｐ８１２１に規定の濾水度試験方法（フリーネス）でモニターすることができる。本発明において、叩解処理を施した後のアラミドファイブリッドの濾水度は、１０ｃｍ³〜３００ｃｍ³（カナディアンフリーネス（ＪＩＳＰ８１２１））の範囲内にあることが好ましい。この範囲より大きな濾水度のファイブリッドでは、それから成形される多熱性電気絶縁シート材料の強度が低下する可能性がある。一方、１０ｃｍ³よりも小さな濾水度を得ようとすると、投入する機械動力の利用効率が小さくなり、また、単位時間当たりの処理量が少なくなることが多く、さらに、ファイブリッドの微細化が進行しすぎるためいわゆるバインダー機能の低下を招きやすい。したがって、このように１０ｃｍ³よりも小さい濾水度を得ようとしても、格段の利点が認められない。

（アラミド短繊維）
アラミド短繊維は、アラミドを材料とする繊維を切断したものであり、そのような繊維としては、例えば帝人（株）の「テイジンコーネックス（登録商標）」、デュポン社の「ノーメックス（登録商標）」などの商品名で入手することができるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
アラミド短繊維の長さは、一般に１ｍｍ以上５０ｍｍ未満、好ましくは２〜１０ｍｍの範囲内から選ぶことができる。短繊維の長さが１ｍｍよりも小さいと、シート材料の力学特性が低下し、他方、５０ｍｍ以上のものは、湿式法でのアラミド紙の製造にあたり「からみ」、「結束」などが発生しやすく欠陥の原因となりやすい。

（アラミドシート）
本発明において、アラミドシートとは、前記のアラミドファイブリッド及びアラミド短繊維から主として構成されるシート状物であり、好ましくは３０〜１８０μｍの範囲内の厚さを有している。さらに、アラミドシートは、好ましくは１０ｇ／ｍ²〜１４０ｇ／ｍ²の範囲内、特に１０ｇ／ｍ²〜７０ｇ／ｍ²の範囲内の坪量を有している。ここで、アラミドファイブリッドとアラミド短繊維の混合割合は任意とすることができるが、アラミドファイブリッド／アラミド短繊維の割合（質量比）を１／９〜９／１とするのが好ましく、より好ましくは２／８〜８／２であるが、この範囲に限定されるものではない。
アラミドシートは、一般に、前述したアラミドファイブリッドとアラミド短繊維とを混合した後シート化する方法により製造される。具体的には、例えば上記アラミドファイブリッド及びアラミド短繊維を乾式ブレンドした後に、気流を利用してシートを形成する方法、アラミドファイブリッド及びアラミド短繊維を液体媒体中で分散混合した後、液体透過性の支持体、例えば網またはベルト上に吐出してシート化し、液体を除いて乾燥する方法などが適用できるが、これらのなかでも水を媒体として使用する、いわゆる湿式抄造法が好ましく選択される。
湿式抄造法では、少なくともアラミドファイブリッド、アラミド短繊維を含有する単一または混合物の水性スラリーを、抄紙機に送液し分散した後、脱水、搾水および乾燥操作することによって、シートとして巻き取る方法が一般的である。抄紙機としては長網抄紙機、円網抄紙機、傾斜型抄紙機およびこれらを組み合わせたコンビネーション抄紙機などが利用される。コンビネーション抄紙機での製造の場合、配合比率の異なるスラリーをシート成形し合一することで複数の層からなる複合体シートを得ることができる。抄造の際に必要に応じて分散性向上剤、消泡剤、紙力増強剤などの添加剤が使用される。

（ポリテトラフルオロエチレン）
本発明において、ポリテトラフルオロエチレンとはテトラフルオロエチレンの重合体で、フッ素原子と炭素原子のみからなるフッ素樹脂（フッ化炭素樹脂）である。本発明においては後述するようにポリテトラフルオロエチレンの微粒子の水分散体を使用するのが好ましく、そのような水分散体としては例えば三井・デュポンフロロケミカル（株）の「ＰＴＦＥ３１−ＪＲ」、ダイキン（株）の「ポリフロン（登録商標）ＰＴＦＥＤシリーズ」などの商品名で入手することができるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

（アラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート）
本発明のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、例えばアラミドファイブリッドとアラミド短繊維から湿式抄造法により作製したアラミドシート上に、ポリテトラフルオロエチレンの微粒子分散体をコーティングしたシートをカレンダー加工した後で、焼成加工するのが好ましい。カレンダー加工前の複合シートの厚みは、好ましくは３５〜２６０μｍであるが、これに限定されるものではない。
アラミドシート上にポリテトラフルオロエチレンの微粒子分散体をコーティングする方法としては、様々な公知された方法を制限なく使用できるが、上記アラミドシート上にポリテトラフルオロエチレンの微粒子の分散体をコーターでコーティングし、面方向に層状となるポリテトラフルオロエチレンの層を形成することが好ましい。上記コーターはバーコータ、ロールコータ、リバースコータ、グラビアコータ、ナイフコータ及びエアーナイフコータよりなる群から選択されることができる。上記のコーティング加工を任意の順に複数回行うこともできる。
上記のようにして得られたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、一対のロール間にて高温高圧で熱圧するいわゆるカレンダー加工を実施することにより、機械強度を向上させ、空隙率及び厚みをコントロールすることができる。熱圧の条件は、たとえば金属製ロール使用の場合、温度２７０〜３７０℃、線圧５０〜２００ｋｇ／ｃｍの範囲内が好ましい。特に好ましくは温度２８０〜３３０℃、線圧６０〜１２０ｋｇ／ｃｍの範囲内である。温度が２７０℃より低いと強度が十分に上がらず、３７０℃より高いと複合シートがロール表面に貼り付きやすく破断する場合がある。上記のカレンダー加工を任意の順に複数回行うこともできる。

上記のようにカレンダー加工された複合シートは高温で焼成加工されることにより低誘電化し、高温で使用可能なあるいは動作する高周波機器の高効率化・大容量化に耐えうる低誘電絶縁シートを作製することができる。本発明における焼成加工は複合シートの少なくとも片面を気体と接する状態で実施することが好ましい。両面から加熱体で抑えて加圧すると、３７０℃以上になると加圧体に貼り付き、製造が困難である。具体的な方法としては焼成炉を通過させる、オーブン中で加熱する、加熱ロールに片面を接触する方法などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。また、効率よく連続的に製造するためには、上記カレンダー加工の後で連続して焼成加工するのが好ましい。焼成温度は、好ましくは３７０〜４１０℃であり、より好ましくは３９５〜４０５℃である。焼成温度が４１０℃よりも高くなるとアラミドシートが劣化する可能性がある。また、焼成温度が３７０℃よりも低くなると複合シートの誘電率及び誘電正接が高くなる場合がある。好ましい焼成時間は３秒以上１５分以内、特に好ましくは５秒以上１０分以内であるが、これに限定されるものではない。焼成時間が短いと焼成が十分に進まず、誘電率及び誘電正接が高くなる場合があり、長過ぎるとシートの劣化が起こり、機械的強度が低下するなどの問題が発生する場合がある。焼成加工された複合シートの空隙率は３０％以上がオートマオイルなどの液体の含浸性向上のために好ましい。また、厚みは１５０μｍ以下が高周波機器の小型化・軽量化のために好ましい。

本発明のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、好ましくは２００℃の誘電率及び誘電正接が測定周波数の増加に対して減少傾向を示す複合シートである。また、本発明のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、好ましくは１００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比、又は２００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比が０．９〜１．１である。
本発明のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、発電機、モータ、インバータ、コンバータ、プリント基板などの高周波機器の絶縁部材として好適に使用することができる。
以下、本発明について実施例を挙げて説明する。なお、これらの実施例は、本発明の内容を、例を挙げては説明するためのものであり、本発明の内容を何ら限定するものではない。

（測定方法）
（１）長さ加重平均繊維長
Op Test Equipment社製Fiber Quality Analyzerを用い、約４０００個の微粒子についての長さ加重平均繊維長を測定した。
（２）坪量、厚みの測定
ＪＩＳ Ｃ２３００−２に準じて実施した。
（３）密度の計算
坪量÷厚みで計算した。
（４）空隙率の計算
アラミド、ポリテトラフルオロエチレンの真比重をそれぞれ１．３８、２．１７として計算した。
（５）引張強度の測定
テンシロン引張試験機を幅１５ｍｍ、チャック間隔５０ｍｍ、引張速度５０ｍｍ／分で実施した。
（６）誘電率、誘電正接
ＪＩＳ Ｋ６９１１にしたがって実施した。
（７）絶縁破壊電圧
ＡＳＴＭ Ｄ１４９にしたがって、電極径５１ｍｍで交流による直昇圧法により実施した。
（８） ガーレー透気度
ＪＩＳ Ｐ８１１７に規定されたガーレー透気度測定器を使用し、外径２８．６ｍｍの円孔を有する締め付け板により押さえられたシート試料（面積６４２ｍｍ²）を１００ｃｃ（０．１ｄｍ³）の空気が通過する時間（秒）を測定した。

（実施例１〜４）
（原料調製）
特開昭５２−１５６２１号公報に記載の、ステーターとローターの組み合わせで構成されるパルプ粒子の製造装置（湿式沈殿機）を用いて、ポリメタフェニレンイソフタルアミドのファイブリッドを製造した。これを、離解機、叩解機で処理し長さ加重平均繊維長を０．９ｍｍに調節した。得られたアラミドファイブリッドの濾水度は９０ｃｍ³であった。
一方、デュポン社製メタアラミド繊維（ノーメックス（登録商標）、単糸繊度２デニール）を、長さ６ｍｍに切断（以下「アラミド短繊維」と記載）した。
（アラミドシートの製造）
調製したアラミドファイブリッドとアラミド短繊維をおのおの水中で分散しスラリーを作成した。これらのスラリーを、ファイブリッドとアラミド短繊維とが１／１の配合比率（重量比）となるように混合し、タッピー式手抄き機（断面積６２５ｃｍ²）にてシート状物を作製し、厚み約１４４μｍのアラミドシートを得た。
（アラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの製造）
上記アラミドシート上にナイフコータで三井・デュポンフロロケミカル（株）製の「ＰＴＦＥ３１−ＪＲ」（ポリテトラフルオロエチレン）を塗布し、１２０℃で１時間オーブンで乾燥した。さらに、ポリテトラフルオロエチレンを塗布し、１２０℃で１時間オーブンで乾燥した。複合シート全体の厚みは約１４７μｍであった。複合シートを表１に示す条件でカレンダー加工後、連続して、片面を高温ロールに接触させることで焼成加工を実施し、複合シートを得た。このようにして得られたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの主要特性値を表１、２に示す。
実施例のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートは、誘電率及び誘電正接も低く、厚みが小さく、絶縁破壊電圧、強度、空隙率、透気度も十分に高いため、高周波機器の絶縁部材として用いられる絶縁シートとして有用である。さらに、２００℃では周波数が高くなるに従って、誘電率及び誘電正接がさらに低くなる傾向を示していることから、高温で使用可能なあるいは動作する高周波仕様の例えば高周波インバータで作動するモータのような高周波機器の絶縁シートとして特に有用である。

（比較例１〜３）
（アラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの製造）
実施例と同様にアラミドシート上にナイフコータで三井・デュポンフロロケミカル（株）製の「ＰＴＦＥ３１−ＪＲ」を塗布し、１２０℃で１時間オーブンで乾燥した。さらに、ポリテトラフルオロエチレンを塗布し、１２０℃で１時間オーブンで乾燥した。複合シートを表３に示す条件でカレンダー加工、熱圧面プレス加工、焼成加工した。このようにして得られたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの主要特性値を表３に示す。
比較例１及び２の複合シートは誘電正接が高い、特に２５℃及び１００℃の６０Ｈｚ及び１ｋＨｚの誘電正接が高いため、また、比較例３の複合シートは厚みが大きく、強度も小さく、絶縁破壊電圧も低いため、高周波機器の高効率化・大容量化に耐えうる低誘電絶縁シートとしては不十分であると考えられる。

Claims (11)

1. アラミドファイブリッドとアラミド短繊維とを含むシートと、前記シートの面方向に層状となるポリテトラフルオロエチレンの層とから形成され、焼成加工されたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートであって、空隙率が３０％以上５６％以下であり、かつ厚みが１５０μm以下であることを特徴とするアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート。
2. アラミドファイブリッドとアラミド短繊維とを含むシートと、前記シートの面方向に層状となるポリテトラフルオロエチレンの層とから形成され、焼成加工されたアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートであって、空隙率が３０％以上かつ厚みが１５０μm以下であり、２００℃の誘電率が測定周波数の増加に対して減少傾向を示すことを特徴とするアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート。
3. ２００℃の誘電率及び誘電正接が測定周波数の増加に対して減少傾向を示す、請求項１又は請求項２記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート。
4. １００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比、又は２００℃の誘電率と２５℃の誘電率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シート。
5. アラミドファイブリッドとアラミド短繊維から湿式抄造法により作製したシート上に、ポリテトラフルオロエチレンの微粒子分散体をコーティングしたシートをカレンダー加工した後で、焼成加工することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートの製造方法。
6. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とする高周波機器。
7. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とする発電機。
8. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするモータ。
9. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするインバータ。
10. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするコンバータ。
11. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアラミド−ポリテトラフルオロエチレン複合シートを絶縁部材として使用することを特徴とするプリント基板。