JPH0848857A

JPH0848857A - 樹脂モールド品

Info

Publication number: JPH0848857A
Application number: JP18694094A
Authority: JP
Inventors: Toshio Shimizu; 敏夫清水; Yoshikazu Jinno; 美和神野; Hideki Nemoto; 英樹根本; Masaru Miyagawa; 勝宮川; Yasufumi Nagata; 恭文永田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】耐クラック性を改善し、信頼性を向上させた
樹脂モールド品を得る。【構成】樹脂モールド品のエポキシ注型材料９は、エ
ポキシ樹脂１にシリカ粒子10と中空無機質粒子５を充填
させたものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は樹脂モールド品に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】重電機器において、樹脂モールド品は、
特に高圧絶縁時について電気絶縁材料および構造材料と
して多数用いられている。エポキシ樹脂は、耐湿性、耐
薬品性、寸法安定性、電気的特性等に優れる材料であ
り、樹脂モールド部品の材料として広く使用されてい
る。

【０００３】しかしながら、エポキシ樹脂は、非常に脆
い材料であり、応力集中部や微小き裂、異物、欠陥、ボ
イド等が存在すると著しく機械的強度が低下する。レジ
ンがいしのように固定用の金属インサートを内蔵する樹
脂モールド部品、あるいはレジンブッシングのように金
属導体を内蔵するものがある。この場合、機器の運転停
止時の内側と外側の温度差、温度変化により樹脂／金属
界面に大きな熱応力を発生し、靭性の低いエポキシ樹脂
中にき裂を発生し易い。一旦き裂が発生すると、これが
停留することなく速やかに樹脂中を進展して破壊に至
り、場合によっては地絡等の事故を誘発する。

【０００４】例えば、真空バルブの特性は沿面の絶縁で
決定される。そこで図10のように、エポキシ樹脂１で真
空バルブ２を包み込み、電気的に沿面を補強すると非常
にコンパクトな絶縁構成となる。しかしながら、バルブ
を構成するアルミナとエポキシ樹脂１の熱膨張率の差は
大きく、注型時の高温から室温まで冷却する過程で大き
な残留応力が発生したり、運転休止時の温度変化により
大きな熱応力が発生することがある。また、寒冷地に保
持する場合、空輪により極地圏上空を通過する際など−
35℃程度まで冷却されることが予想され、極めて大きな
応力に曝される。このような場合、真空バルブ２を包む
エポキシ樹脂１が割れ、機械的・電気的に破壊する。こ
のため、真空バルブを直接エポキシ樹脂でモールドする
だけでなく緩衝層を利用した二段モールド法が適用され
ている。これは、真空バルブ２を一度柔らかい可とう性
エポキシ樹脂で数mmの厚さで包んでクッション層３を形
成し、その外側を硬いエポキシ樹脂１で再度注型し、所
定の外形寸法に仕上げる手法である。真空バルブのよう
に、熱膨張率、形状から特に直接モールドしにくいコン
ポーネントに対しては、こうした二段モールドを適用せ
ざるを得ないのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二段モ
ールド法は緩衝層を所定の厚さで付着させるという煩雑
な工程が増える。また、緩衝層と注型用エポキシ樹脂と
いう新たな接着界面が出現し、これが弱点部となりやす
く、実用的には未だ十分な特性が得られていないのが実
状である。

【０００６】最も直接的に効果があるのは、エポキシ樹
脂自身に靭性、すなわち粘り強さや割れにくさを付与す
ることである。これを解決する方法の一つにエポキシ樹
脂中への二次微粒子の分散があり、さらに硬い硬質粒子
と柔らかい軟質粒子の分散に大別される。

【０００７】エポキシ樹脂に対しシリカ粉末、アルミナ
等硬質粒子を充てんする場合、粒子は樹脂とよく接着し
てピン止めし、補強され靭性が向上する。この効果は、
硬質粒子の充てん量の増加とともに増大する。硬質粒子
の充てんは、同時に弾性率を増大させると共に静的強度
をほとんど低下させないので、実際の樹脂モールド品に
適用されている。しかしながら、粘度も増加して作業性
を損なうので、充てん量には限界がある。

【０００８】一方、エポキシ樹脂に対し、ゴム、熱可塑
性樹脂等軟質な微粒子を充てんする場合にも靭性が増加
することが知られている。これは、破壊の起点となるエ
ポキシ樹脂中の微小欠陥まわりに柔軟な微粒子が存在す
ると周りのエポキシ樹脂が自由に変形し易くなり、き裂
先端が鈍化するためであると考えられる。この柔軟な樹
脂からなる微粒子のエポキシ樹脂中への分散手法は二つ
ある。樹脂がエポキシ樹脂と相溶性を持つ場合と持たな
い場合がある。

【０００９】例えば、ゴムの一種であるＣＴＢＮ（carb
oxy terminated butadien acrylonitrile copolymer )
はエポキシ樹脂と相溶性を有し、樹脂と混合中に完全に
溶解する。さらに、エポキシ樹脂の硬化過程で相分離
し、エポキシ樹脂中に球状に分散する。分散の密度、粒
子の大きさ等、機械的特性を大きく作用する要因はエポ
キシ樹脂の硬化の進行過程に支配され、これを制制する
のは困難である。特に、大形の樹脂モールド部品におい
て、全体を同時に硬化させるのは困難であり、金型、金
属インサート等、熱の供給される部分から化学反応が進
行して硬化が進む。従って、ＣＴＢＮの相分離も部分ご
とに条件が異なっており、硬化後のモールド部品に同じ
ような形状のＣＴＢＮ粒子を均一に分散させるのは不可
能であった。その結果、特性のばらつきが大きくなり、
実用化に至っていない。また、軟質粒子がある大きさ以
上になると欠陥として作用し、静的強度が著しく低下す
るという欠点があった。

【００１０】一方、非相溶性の熱可塑性樹脂からなる微
粒子、あるいはゴムの微粒子をエポキシ樹脂に充てんす
ると、粘度が著しく上昇して作業性の低下が激しくな
り、やはり実用には適していない。

【００１１】近年では、硬い粒子と柔らかい粒子を同時
にエポキシ樹脂に充てんしたハイブリッド材料も考えら
れているが、軟質粒子充てんの際の欠点が大きく、問題
となっている。本発明の目的は、耐クラック性を改善
し、高信頼性の樹脂モールド品を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、主成分がエポキシ樹脂であるモ
ールド樹脂中に中空の無機質粒子を充填させるようにし
たので、靭性を向上させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は本発明の一実施例を示すエポキシ樹脂中
の中空無機質粒子の断面図、図２は図１の中空無機質粒
子が機械的負荷を受けて破壊することを説明するための
図、図３は引張り負荷を加えたときに破壊した粒子のま
わりの樹脂に生じる変形を説明するための図、図４は本
発明の一実施例におけるき裂先端の鈍化を説明するため
の図である。

【００１４】一般にエポキシ樹脂の破壊は、微小な欠
陥、ボイド、界面の微小剥離を起点とする場合がほとん
どである。図11のように、エポキシ樹脂１中に存在する
き裂４等の欠陥、応力集中部に負荷が加わると、エポキ
シ樹脂は大きく変形することなく容易に破壊する。

【００１５】これに対し、図１のような中空無機質粒子
５をエポキシ樹脂１中に充填する。これは、機械的強度
が低く薄いシェル６から構成されている。き裂の近傍の
ように応力の集中する部分に中空無機質粒子５が存在す
ると、図２のように薄いシェル６が破壊する。シェル６
が破壊すると、中空無機質粒子５は剛体として作用しな
くなるのでボイドと同じような剛性の低い粒子となり、
応力集中を引き起こす。すなわち、図３のように負荷の
増加と共に破壊した粒子７のまわりに応力集中によるせ
ん断変形を誘発し、負荷に対して略45°の方向に塑性変
形８をする。破壊した粒子７がある距離で接近している
とこの塑性変形８はお互いに結合し、全体としてき裂先
端で大きな変形が発生する。その結果、負荷のひずみエ
ネルギーが消散され、またき裂４の先端が図４のように
鈍化されることにより破壊が起こりにくくなり、靭性が
増加する。

【００１６】この機構は粒子回りの応力集中によるもの
であり、粒子の弾性率がエポキシ樹脂に比較して十分低
い場合に発生する。すなわち、ボイドであっても良いわ
けであり、中空無機質粒子５の外側のシェル６が壊れる
ことによりボイドを提供することになる。また、負荷の
低い部分では、シェル６は破損することなく、そのまま
剛体として作用するので全体の剛性は低下することはな
い。

【００１７】また、中空の硬質粒子の場合は樹脂モール
ド部品中に均一に分散し、粒径の制御も簡単であり、大
形部品であっても安定した品質が得られる。さらに混合
時の粘度増加もわずかであり、作業性を損なうことはな
い。

【００１８】次に、本発明者等の実験に基づき、本実施
例を具体的に説明する。通常、重電機器でよく用いられ
るビスフェノール系固形エポキシ樹脂（例えば CY225、
チバガイギー社の商品名）を酸無水物硬化剤（例えば H
Y925、チバガイギー社の商品名）、およびシリカ粉末
（例えばＡｌ、龍森の商品名）の組み合わせからなる加
熱硬化形エポキシ注型材料をベースに改質を行った。上
記のエポキシ注型材料９に図５のように中空無機質粒子
５（例えば、ガラスビーズ HSC-110 、東芝バロティー
ニ社の商品名、平均粒径10μｍ）を充てんする。中空無
機質粒子５はシリカ粒子10とともにエポキシ樹脂１中に
存在する。硬化後の材料に関して、充てん量と破壊靭性
Ｋ_ICの関係を求めると図６のようになる。Ｋ_ICは、中空
無機質粒子５の充てんにより増大する。特に、５〜50ph
r (per hundred of resin by weight 、重量部）の範囲
の充てんで効果が顕著であり、最適な充てん範囲が存在
する。この範囲は、シリカ粉末等の硬い粒子、エポキシ
樹脂の種類によらず、ほぼ同じものとなる。

【００１９】一方、エポキシ樹脂１中の中空無機質粒子
５は欠陥として扱われるので、充てん系の静的強度は低
下する。この欠陥として関知されるのは、ある大きさ以
上の粒径を有する非接着性粒子を充てんした場合であ
る。図７は、30phr のガラスビーズを充てんした場合の
ガラスビーズの粒径と曲げ強さの関係を示す。曲げ強さ
は、粒径50μｍ以下でエポキシ樹脂単体の曲げ強さにほ
ぼ等しくなる。したがって、静的な強さの観点から粒径
50μｍ以下が望ましい。

【００２０】硬質粒子の場合は、ＣＴＢＮのような相分
離する系と比較して粒径を自由に制御することが可能で
あり、樹脂モールド部品内に均一に分散させることがで
きる。また、熱可塑性樹脂のような非相溶性の系と比較
して混合時の粘度増加は著しく低く、作業性は良好であ
る。

【００２１】通常、構造材料としては高く弾性率を要す
るので多量の接着性の硬質粒子を充てんするのが普通で
ある。この場合も、中空の無機質の粒子を５〜50phr 充
てんし併用することによりＫ_ICを向上させることができ
る。

【００２２】表１は、前述の重電用のビスフェノール系
固形エポキシ樹脂／酸無水物硬化剤からなる加熱硬化形
エポキシ注型材料に、接着性の良いシラン処理シリカ粉
末を200phr充てんした系に対し、中空のガラスビーズ
（平均粒径10μｍ）を30phr 充てんした系、及び柔らか
いＣＴＢＮを15phr 充てんした系の機械的特性を示す。
表１によれば、破壊靭性Ｋ_ICの向上については、中空ガ
ラスビーズの充てんが効果的であることが示されてい
る。曲げ弾性率については、接着性の粒子の充てん量に
依存するので中空ガラスビーズの充てんが良いがその差
は僅かであり、曲げ強さもほとんで差異が認められなか
った。またＣＴＢＮ充てん系は靭性向上に効果があるも
のの、曲げ強さの低下が著しかった。

【００２３】

【表１】

【００２４】次に、同組成の耐クラック性を調べるた
め、図８に示すＩＥＣ Pb 455-2 に準拠するＦｅ製のオ
リファント熱衝撃ワッシャー法を５ケ注型し、表２に示
す条件で熱衝撃試験を行った。

【００２５】供試品を、決められた温度で決められた時
間冷熱試験を繰返す。試験が進むにつれて、温度幅は徐
々に増加する。低温は、ドライアイスで希望する温度ま
で冷却したエタノールを入れた冷却槽で、高温は室温放
置または加熱炉によって得られる。判定は低温側から取
出した後、き裂の有無を目視で観察する。その結果を表
３に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】表３からわかるように、離型剤処理ガラス
ビーズを充てんした本実施例による注型材料は、17サイ
クルでもき裂は発生せず、優れた耐熱衝撃性を有してい
る。また、ばらつきも少なく、安定した特性が得られ
た。

【００２９】中空の無機質粒として、ガラスビーズのほ
かにセラミックスが考えられるが、中空ガラスビーズと
同様の結果が得られる。以上の組成の樹脂を用いて図９
のようなモールドバルブ９を注型したモールド樹脂とし
て、エポキシ樹脂にシリカ粉末充填材料と中空ガラスビ
ーズを充填したものを用いて直接真空バルブをモールド
した。また、可とう性エポキシ樹脂を緩衝層として２〜
３mmの厚さで真空バルブの周りに塗布し、その後従来材
料で注型した二段モールド品も併せて作成した。

【００３０】この試作品を用いて100 ℃の沸騰水と０℃
の水からなる層を交互に１時間づつ浸せきする液相ヒー
トサイクル試験を実施した。10サイクルの試験を実施し
た後、外観検査を実施した。従来品で直接モールドした
ものにはき裂の発生が認められたが、本実施例品と二段
モールド品には異常が認められなかった。次に、部分放
電試験を行った。コロナ発生開始の放電電荷量を10pCと
し、パルス発生頻度50pps で交流を印加した場合、本実
施例による試作品は20kVをクリアし、初期の特性を維持
した。これに対し、二段注型法によるコロナ開始電圧は
同一条件で14kVまで低下した。

【００３１】以上のことから、本実施例品が従来品に比
較して熱的、機械的、電気的に優れ、信頼性に富むこと
が証明された。上記した実施例では、50μｍ以下の粒径
を有する中空の硬質粒子を10〜50phr充てんし、これを
エポキシ樹脂中に均一に分散せしめることにより、靭性
を増大させ耐クラック性を大幅に改善することができ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、主成分が
エポキシ樹脂であるモールド樹脂中に中空の無機質粒子
を充てんするようにしたので、耐クラック性を改善して
高信頼性のモールド品を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す樹脂モールド品の中空
無機質粒子の断面図。

【図２】［図１］における中空無機質粒子が機械的負荷
を受けて破壊する状態を説明するための図。

【図３】［図１］における引張り負荷を加えたときに破
壊した粒子のまわりの樹脂に生じる変形を説明するため
の図。

【図４】本発明の一実施例におけるき裂先端の鈍化を説
明するための図。

【図５】本発明の一実施例を説明するための重電用エポ
キシ注型材料の断面図。

【図６】本発明の一実施例を説明するためのエポキシ樹
脂に中空ガラスビーズを充填した場合の充填量と破壊靭
性Ｋ_ICの関係を示す図。

【図７】本発明の一実施例を説明するためのエポキシ樹
脂に中空ガラスビーズを充填した場合の中空ガラスビー
ズ粒径と曲げ強さの関係を示す図。

【図８】オリファント熱衝撃ワッシャーの形状を示す
図。

【図９】本発明の一実施例を示す注型材料を適用したモ
ールドバルブの断面図。

【図１０】従来のモールドバルブの断面図。

【図１１】従来の注型材料であるエポキシ樹脂中に存在
する微小なき裂を起点とする破壊の発生を説明するため
の図。

【符号の説明】

１…エポキシ樹脂、５…中空無機質粒子、９…エポキシ
注型材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮川勝東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者永田恭文東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主成分がエポキシ樹脂であるモールド樹
脂中に中空の無機質粒子を充填したことを特徴とする樹
脂モールド品。
【請求項２】前記中空の無機質粒子は、ガラスビーズ
であることを特徴とする請求項１記載の樹脂モールド
品。
【請求項３】前記中空の無機質粒子の粒径を50μｍ以
下としたことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれ
かに記載の樹脂モールド品。
【請求項４】前記中空の無機質粒子の充填量を５〜50
phrとすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいず
れかに記載の樹脂モールド品。