JP6686071B2 - エポキシ樹脂組成物及びこれを含む変圧器 - Google Patents
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Description
本発明は、エポキシ樹脂組成物及びこれを含む変圧器に関し、より具体的には、硬化時間を大きく短縮して工程時間を大きく減少させるエポキシ樹脂組成物及びこれを含む変圧器に関する。
変圧器とは、電磁誘導現象を利用して交流電圧や電流値を変化させる装置であって、電力会社で使用者に供給する際に送電効率を高めるために昇圧するか、送電した電力を需用家の使用する電圧に応じて降下させるために使用する電気設備における最も重要な機器である。
かかる変圧器は、変電所又は大規模の電力需用家の受電側に設置されるし、定格電圧が数十キロボルト以上であるものとして、乾式変圧器と油入変圧器及びモールド変圧器が例に挙げられる。
ここで、油入変圧器は、定格電圧が高いものの、絶縁材として環境汚染を引き起こす油を用いており、火災及び爆発の危険性を有しているため室内の使用に向いていない変圧器である。
乾式変圧器は、空気絶縁式変圧器であって、火災及び爆発の危険性は油入変圧器より少ないが、定格電圧が低く、比較的に低用量の変圧器であるため使用が制限されている。
モールド変圧器は、変圧用巻線の外部を固体絶縁物で絶縁する構造であり、絶縁物として環境汚染を引き起こす油を用いていない、環境に優しい変圧器であって、固体絶縁物として難燃性に優れているエポキシ（Ｅｐｏｘｙ）のような絶縁物を用いて火災及び爆発の危険性を最小限にして、室外及び室内の設置が可能であるためその需要が増加している。
しかし、従来技術によるモールド変圧器は、固体絶縁物として用いられるエポキシ組成物の工程を短縮するために、硬化温度を上昇させるかまたは触媒量を増加させる方法を使っているが、硬化温度を高くすると、急激な硬化反応による硬化収縮によって変圧器にクラックが生じ得る。
また、触媒量を増加させる方法の場合も、急激な初期発熱によって硬化速度が加速化されて、硬化温度を高くした場合と同様な現象が発生する。これは、液状形態を維持する時間の尺度であるゲル化時間を短縮して、鋳型工程上の困難を引き起こす。
従って、本発明は、耐クラック性が向上し、変圧器を製造する際に硬化時間を大きく短縮させるエポキシ樹脂組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、クラック抑制のための可塑剤が不要であるエポキシ樹脂組成物を提供することを目的とする。
また、本発明は、耐クラック性及び成形性に優れており、硬化時間の短縮で工程時間を大きく短縮させるエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体を含む変圧器を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明によるエポキシ樹脂組成物は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂；電気絶縁及び熱伝導のための充填剤；前記エポキシ樹脂を硬化させるための硬化剤；及びイミダゾール系触媒；を含み、エポキシ主鎖内にグリコール系官能基のような柔軟性(可塑性)官能基を有するため、硬化の際に発生する応力に対する耐性を有するだけでなく、イミダゾール系触媒を利用して温度を高くした後には、反応速度が早いため、エポキシ樹脂組成物の硬化時間を大きく短縮させることを特徴とする。
また、本発明による変圧器は、垂直方向上の複数層に巻線される絶縁導体；前記絶縁導体上に備えて、集中する電界を分散させる半導電層；及び前記絶縁導体と前記半導電層上に鋳造されて、変圧器の外形を形成する絶縁体；を含み、前記絶縁体は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含むエポキシ樹脂組成物からなることを特徴とする。
前述のような本発明によると、エポキシ主鎖内に柔軟性官能基を追加して、硬化の際に発生する応力に対する耐性を付与することができ、ガラス転移温度が低くなり、長期的には耐熱性が向上する利点がある。
また、本発明によると、耐クラック性の向上のための可塑剤が含まれておらず、工程費用を節減する効果を図ることができるし、エポキシ樹脂組成物を鋳型した後に硬化時間を大きく短縮させることができ、エポキシ樹脂組成物の生産量を大きく増加させる。
前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述し、これによって、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明の説明において、本発明に係る公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には詳説を省略する。以下に、添付の図面を参照して、本発明による好ましい実施例を詳説する。図面における同じ参照符号は、同一または類似の構成要素を指すものに使われる。
本発明は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含むエポキシ樹脂組成物を提供する。
本発明によるエポキシ樹脂組成物は、従来のビスフェノールＡ又はビスフェノールＦを原料として合成したエポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂組成物を製造する方法とは違って、工程時間を短縮するために硬化温度を上昇させるかまたは触媒量を増加する必要がない。
すなわち、従来のエポキシ樹脂組成物は、工程時間を短縮するために、前述したように、硬化温度の上昇及び触媒量の増加を利用しているが、かかる方法によって製造されたエポキシ樹脂組成物は、耐クラック性及び耐熱性の低下と成形性の低下という問題を有する。
具体的には、本発明によるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂を用いて、イミダゾール系触媒を用いることによって、クラック抑制のために可塑剤を用いる必要がなく、従来のエポキシ樹脂組成物が有する問題を発生させないながら、硬化時間を半分に短縮して生産量を大きく向上させることができる。
以下に、本発明によるエポキシ樹脂組成物を具体的に説明する。
本発明によるエポキシ樹脂組成物は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂を含み、前記エポキシ樹脂は、１当量当たり分子量が３００〜４００である。前記エポキシ樹脂は、前述した範囲の分子量を有しており、エポキシ樹脂の柔軟性が向上し、粘度は低くなり、最終的には、エポキシ樹脂の延伸率が向上して、製造後に耐クラック性が向上する利点がある。
また、本発明によるエポキシ樹脂組成物において、前記エポキシ樹脂は、主鎖にグリコール系官能基を有してもよい。このような官能基の例としては、炭素数２個以上であり６個未満であるメチルグリコール、エチルグリコール、ブチルグリコール、及びプロピルグリコールからなる群から選択される１種の繰り返し単位を有してもよい。
前述したように、本発明によるエポキシ樹脂組成物は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂を用いることによって、耐クラック性が向上して、従来のエポキシ樹脂組成物に含まれる可塑剤を用いる必要がない利点がある。
特に、本発明は、従来の可塑剤を含むエポキシ樹脂組成物に比べて、ガラス転移温度が低くならないため耐熱性低下の問題が発生しない。
前記エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂組成物の総重量の１５〜２５重量％含まれることが好ましい。前記エポキシ樹脂が１５重量％未満含まれる場合には、エポキシ樹脂組成物の耐クラック性及び耐熱性が低下する問題があり、２５重量％を超える場合には成形性が低下する問題がある。
本発明によるエポキシ樹脂組成物において、前記充填剤は、電気絶縁及び熱伝導のために使用される。前記充填剤としては、石英、溶融したシリカ、天然シリカ、合成シリカ、天然酸化アルミニウム、合成酸化アルミニウム、三水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化ケイ素、雲母、酸化亜鉛などを用いてもよい。
前記充填剤は、エポキシ樹脂組成物の総重量の３０〜７０重量％含まれるものが好ましく、前述した範囲でエポキシ樹脂組成物に適した電気絶縁性及び熱伝導性を発揮することができる。
また、本発明によるエポキシ樹脂組成物は硬化剤を含む。前記硬化剤は、前記エポキシ樹脂を硬化させるためのものであって、メチルテトラヒドロフタル酸無水物（ＭｅＴＨＰＡ）、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物（ＭｅＨＨＰＡ）及びナジックメチル無水物（ＮＭＡ）などを用いてもよい。
前記硬化剤は、エポキシ樹脂組成物の総重量の１０〜２０重量％含まれるものが好ましいし、前述した範囲でエポキシ樹脂の硬化反応を完結することができる。
本発明によるエポキシ樹脂組成物において、イミダゾール系触媒は、低温の初期鋳型作業では硬化速度が遅くて、以降の成形のための高温では硬化速度が早い特徴があるため、全体的な硬化速度を向上させることができる。
前記イミダゾール系触媒としては、１−イミダゾール、１−ビニルイミダゾール、１−エチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール及び１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾールなどを用いてもよい。
前記イミダゾール系触媒は、エポキシ樹脂組成物の総重量の０．００１〜０．１重量％含まれるものが好ましい。前記触媒含量が０．００１重量％未満である場合には、硬化速度を短縮することができないし、０．１重量％を超える場合には、初期鋳型工程において硬化速度が大きく増加して、耐クラック性が低下する問題がある。
また、本発明は、垂直方向上の複数層に巻線される絶縁導体；前記絶縁導体上に備えて、集中する電界を分散させる半導電層；前記絶縁導体と前記半導電層上に鋳造されて、変圧器の外形を形成する絶縁体を含み、前記絶縁体は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含むエポキシ樹脂組成物からなることを特徴とする変圧器を提供する。
図１は、本発明による変圧器を示した模式図である。
図１を参照すると、本発明による変圧器は、絶縁体形成段階、硬化段階及び離型段階を含めて製造され、絶縁体形成段階は、当該間隔部分、すなわち、半導電層２０及び絶縁導体１０と、鋳型（ＩＳ、ＯＳ）の間に溶融した絶縁体３０を入れて行われる。
半導電層２０及び絶縁導体１０と、鋳型（ＩＳ、ＯＳ）の間に溶融した絶縁体は、硬化段階によって硬化され、金型を引き離す離型段階を経て完成された変圧器を得ることができる。
ここで、変圧器は、絶縁導体１０、半導電層２０及び絶縁体３０を含み、前記絶縁体３０は、前述したように、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含むエポキシ樹脂組成物からなる。
前記絶縁導体１０は、変圧器の水平方向上（変圧器の厚み方向）に単層から構成されてもよいし、絶縁導体１０は、電気的導体部及び前記電気的導体部上に巻いた絶縁フィルム又は不織布の絶縁被覆層を含めて構成されてもよい。
前記半導電層２０は、絶縁導体１０のうち少なくとも上部または下部の一層の絶縁導体１０上に備えて、集中する電界を均一に分散させることができる。
前記半導電層２０は、カボンブラックを混合したポリマー樹脂から形成される層であり、ポリマー樹脂は電気的絶縁性を有して、カボンブラックは導電性を有するため、２種の材料を混合して半導電性を有する層から製造されるものである。
前記絶縁体３０は、前述したように、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含めてクラック抑制のために可塑剤を用いる必要はなく、従来のエポキシ樹脂組成物が有する問題を発生しないながら、硬化時間を半分に短縮させて生産量を大きく向上させることができる。
参照までに、前記変圧器は、具体的にはモールド変圧器に関し、モールド変圧器は、乾式変圧器またはキャストレジン変圧器に命名されてもよい。
実施例１：エポキシ樹脂組成物の製造
主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂を第１の真空予混合機１００に入れて、硬化剤及び触媒を第２の真空予混合機２００に入れた後、第１の真空予混合機及び第２の真空予混合機に充填剤を混ぜて予備撹拌した後、スタティックミキサー３００で混合した。
その後、真空オーブン４００に入っているコイルが含まれた鋳型の金型にスタティックミキサーで混合した混合物を鋳込みし、鋳込みが終わると、約１時間位の脱泡工程を経た後、硬化炉に移動して、８０℃〜１３０℃で約２３時間位の硬化を行った。このとき、硬化時間は、硬化炉の仕様によって温度を変更することができる。
このとき、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂は、エチレングリコールエポキシが用いられており、エポキシ樹脂組成物の総重量の２２．０１重量％となるように混合した。
また、硬化剤としてナジックメチル無水物（ＮＭＡ）をエポキシ樹脂組成物の総重量の１３．４３重量％となるように混合しており、触媒は、１−メチルイミダゾールを用いて０．０６重量％となるように混合しており、充填剤としてはシリカを用いて６４．５０重量％となるように混合した。
下表１は、本発明で用いられるイミダゾール系触媒の温度によるゲル化時間を示したものである。なお、表１において、１ＭＺは１−メチルイミダゾール、１ＶＺは１−ビニルイミダゾール、１ＥＺは１−エチルイミダゾール、１Ｂ２ＰＺは１−ベンジル−２−フェニルイミダゾールを表す。
前記表１に示したように、本発明によるエポキシ樹脂組成物に用いられるイミダゾール系触媒は、低い温度ではゲル化時間が長くて、高い温度ではゲル化時間が短いことが分かる。
すなわち、本発明によるエポキシ樹脂組成物に用いられるイミダゾール系触媒は、初期鋳型作業に有利であり、エポキシ樹脂組成物の硬化時間を半分に短縮することができる。
実施例２：エポキシ樹脂組成物を含む絶縁体からなるモールド変圧器の製造
前記実施例１において製造されたエポキシ樹脂組成物を半導電層及び絶縁導体と鋳型の間に溶融した状態で鋳込みして絶縁体を形成した後、溶融した絶縁体を硬化させて金型を引き離し、絶縁導体、半導電層及び絶縁体を含むモールド変圧器を製造した。
このとき、本発明によるエポキシ樹脂組成物を絶縁体として用いて硬化させるに要する時間は、１２時間以下であった。
比較例１：ビスフェノールＡ及び３級アミンで製造された従来のエポキシ樹脂組成物
１モルのエポキシ官能基当たり重量が１７０〜１９０の間である液状ビスフェノールＡを主原料として製造されたエポキシ樹脂を用いており、可塑剤としてポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）、硬化剤としてメチルテトラヒドロフタル酸無水物（ＭｅＴＨＰＡ）、可塑剤としてポリプロピレングリコール、触媒として３級アミンであるベンジルジメチルアミン（ＢＤＭＡ）を用いたことを除いては、前記実施例１と同じ方法でエポキシ樹脂組成物を製造した。
実験例１：物性分析
本発明によるエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体と従来のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体の物性分析を行い、その結果を下表２に示した。
前記表２に示したように、実施例１のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体は、比較例１のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体に比べて、全体的なゲル化時間が大きく短縮することが分かり、特に、１４０℃におけるゲル化時間が８分で非常に短いことが分かる。
また、本発明による実施例１のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体は、従来のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体に比べて、曲げ強度及び曲げ伸び率が向上し、可塑剤を用いていないためガラス転移温度が低くならないことが分かる。
前述した本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって、本発明の技術的思想を脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であるため、前述した実施例及び添付の図面によって限定されるものではない。
Claims (8)
- 変圧器の絶縁体のためのエポキシ樹脂組成物であって、
主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂；
電気絶縁および熱伝導のための充填剤；
前記エポキシ樹脂を硬化させるための硬化剤；及び、
イミダゾール系触媒；からなり、
前記エポキシ樹脂組成物は、前記エポキシ樹脂組成物の総重量に対し、前記エポキシ樹脂１５〜２５重量％、前記充填剤３０〜７０重量％、前記硬化剤１０〜２０重量％、及び前記イミダゾール系触媒０．００１〜０．１重量％からなる、エポキシ樹脂組成物。 - 前記エポキシ樹脂は、１当量当たり分子量が３００〜４００である、請求項１に記載の変圧器の絶縁体のためのエポキシ樹脂組成物。
- 前記グリコール系官能基は、エチルグリコール、メチルグリコール、ブチルグリコール及びプロピルグリコールからなる群から選択される、請求項１〜請求項２のいずれか一項に記載の変圧器の絶縁体のためのエポキシ樹脂組成物。
- 前記イミダゾール系触媒は１−イミダゾール、１−ビニルイミダゾール、１−エチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、及び１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾールからなる群から選択される、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の変圧器の絶縁体のためのエポキシ樹脂組成物。
- 変圧器において、
垂直方向上の複数層に巻線される絶縁導体；
前記絶縁導体上に備えて、集中する電界を分散させる半導電層；
前記絶縁導体と前記半導電層上に鋳造されて、変圧器の外形を形成する絶縁体を含み、
前記絶縁体は、主鎖にグリコール系官能基を有するエポキシ樹脂、充填剤、硬化剤、及びイミダゾール系触媒を含むエポキシ樹脂組成物からなり、
前記エポキシ樹脂組成物は、前記エポキシ樹脂組成物の総重量に対し、前記エポキシ樹脂１５〜２５重量％、前記充填剤３０〜７０重量％、前記硬化剤１０〜２０重量％、及び前記イミダゾール系触媒０．００１〜０．１重量％からなる、ことを特徴とする変圧器。 - 前記エポキシ樹脂は、１当量当たり分子量が３００〜４００である、請求項５に記載の変圧器。
- 前記グリコール系官能基はエチルグリコール、メチルグリコール、ブチルグリコール、及びプロピルグリコールからなる群から選択される、請求項５〜請求項６のいずれか一項に記載の変圧器。
- 前記イミダゾール系触媒は１−イミダゾール、１−ビニルイミダゾール、１−エチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、及び１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾールからなる群から選択される、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の変圧器。
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