KR102517812B1 - 내코로나 수지 친화성 라미네이트 - Google Patents

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Abstract

전기 절연체로 사용하기에 적합한 라미네이트 구조체로서, a) 90 내지 99 중량%의 균일하게 분포된 하소 운모 및 1 내지 10 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태)을 포함하는 내코로나층; b) 단방향 또는 직조 필라멘트얀을 포함하고, 제1면 및 제2면을 갖는 지지층; 및 c) 60 내지 80 중량%의 균일하게 분포된 하소되지 않은 운모 및 20 내지 40 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태)을 포함하는 수지 친화층을 포함하되, 지지층의 제1면은 내코로나층에 직접 결합되고 지지층의 제2면은 수지 친화층에 직접 결합되며, 60 중량% 이상의 총 운모 함량을 갖는 라미네이트 구조체.

Description

내코로나 수지 친화성 라미네이트
본 발명은 모터 및 변압기와 같은 것에서 전기 절연체로 사용하기에 적합한 라미네이트 시트 구조체에 관한 것이다.
당업자에게, 용어 “운모 종이”는 종이에 약간의 기계적 무결성을 부여하는 바인더를 잔부로 한 일반적으로 적어도 90 중량% 이상의 양의 고농도의 무기질 미네랄 운모로 제조된 시트를 의미한다. 그러나, 결과적으로 수득된 운모 종이는 강한 종이가 아니다.
Levit 등의 미국 특허 6,991,845호 및 7,399,379호에는 운모 농후면과 운모 결핍면을 갖는 장벽층(barrier ply) 및 장벽층의 운모 결핍면에 부착된 가포화성 지지층을 함유한 보강층(reinforcing ply)을 포함하는 전기 절연성 또는 난연성 시트 구조체가 개시되어 있다.
Levit 등의 미국 특허 6,991,845호 및 Forsten 등의 미국 특허 6,312,561호에는 m-아라미드 섬유, m-아라미드 피브리드 및 운모의 균질한 혼합물로 제조된 아라미드-운모 혼합 종이가 개시되어 있다. Levit 등은 이러한 “아라미드-운모 종이”는 “운모 종이”에 비해 우수한 기계적 특성을 가지며, 어떠한 지지 보강재 없이도 사용될 수 있음을 추가로 교시한다.
현재의 고전압 시장에서 사용되는 일부 기존의 시트 구조체에서, 높은 함량의 운모 종이는 높은 함량의 운모와 연관된 기계적 약점을 보완하기 위해 글래스 클로스 또는 폴리에스테르 필름의 비-운모 함유층과 결합된다. 그러나, 이러한 비-운모 함유층은 더 낮은 내코로나성, 상이한 열팽창, 및 상이한 전도성으로 인해 대부분의 절연 불량의 원인이 되는 것으로 여겨진다. 따라서, 보다 많은 운모 물질과 보다 적은 비-운모 물질을 이용할 수 있는 전기 절연체가 요구된다.
본 발명은 전기 절연체로 사용하기에 적합한 라미네이트 구조체로서,
a) 90 내지 99 중량%의 균일하게 분포된 하소 운모 및 1 내지 10 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태)을 포함하는 내코로나층;
b) 단방향 또는 직조 필라멘트얀을 포함하고, 제1면 및 제2면을 갖는 지지층;
c) 60 내지 80 중량%의 균일하게 분포된 하소되지 않은 운모 및 20 내지 40 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이의 혼합물의 형태)을 포함하는 수지 친화층을 포함하되,
지지층의 제1면은 내코로나층에 직접 결합되고 지지층의 제2면은 수지 친화층에 직접 결합되며, 60 중량% 이상의 총 운모 함량을 갖는 라미네이트 구조체에 관한 것이다.
본 발명은 운모 및 아라미드 물질을 함유하는 적어도 두 개의 층을 포함하되, 두 층의 운모가 상이한 다층 라미네이트 구조체에 관한 것이다. 일반적으로, 백운모 또는 금운모 또는 이들의 혼합물과 같은 다양한 타입의 플레이크 형태의 운모 입자가 사용될 수 있다; 그러나, 백운모 타입의 운모가 바람직하다.
한 층은 하소 운모를 포함하는 내코로나층이다. 본원에서 사용된 “하소 운모”는 천연 운모를 고온(보통 800℃ 초과, 때로는 950℃ 초과)까지 가열하여 얻어지는 하소 백운모 또는 금운모를 의미한다. 이러한 처리는 수분 및 불순물을 제거하고, 운모의 온도 저항성을 향상시킨다. 특히, 하소 운모는 개선된 유전 특성 및 내코로나성을 갖는다. 하소는 천연 또는 하소되지 않은 운모 플레이크에 비해 더 작은 크기의 운모 소판(platelet)을 제공한다. 불행하게도, 이러한 더 작은 크기의 운모 소판은 또한 덜 다공성인 층을 형성하는데, 이는 이러한 층이 함침 매트릭스 수지로 젖기 어려울 수 있음을 의미한다. 이러한 공극률의 감소는 특정 압력차에서 특정 부피의 공기가 물질의 특정 면적을 통해 통과하는 데 소요되는 시간을 초 단위로 측정하는 층의 걸리 공극률(Gurley Porosity)을 측정함으로써 알 수 있다. 더 높은 값은 다공성이 더 낮은 물질을 의미한다.
다른 운모층은 하소되지 않은 운모를 포함하는 수지 친화층이다. 본원에서 사용된 “하소되지 않은 운모”는 결함 및 불순물을 제거하기 위해 바람직하게는 균질화되고 정제된 본질적으로 순수한 천연 형태의 하소되지 않은 백운모 또는 금운모를 의미한다. 하소되지 않은 운모는 천연 운모 플레이크의 더 큰 크기로 인해 매우 다공성인 운모층을 형성할 수 있다. 층에서의 이러한 사용은 매트릭스 수지에 의해 용이하게 젖게 되고 함침되는 층을 초래한다. 이는 전기 절연체가 전기 부품에 설치된 후 매트릭스 수지로 전기 절연체를 진공 가압 함침하는 데 유용하다. 또한, 운모 플레이크의 더 큰 크기는 층이 더 높은 인장 강도를 가짐을 의미한다. 불행하게도, 하소되지 않은 운모는 하소 운모보다 낮은 절연 파괴 강도를 갖는다. 그러나, 이러한 절연 파괴 강도는 때때로 사용되는 비-운모 물질보다 훨씬 더 높다; 따라서, 이러한 더 강한 운모층을 사용하면 비-운모 기계적 지지 물질을 덜 사용하게 하여 개선된 전기 절연성을 가져올 수 있다.
단방향 또는 직조 필라멘트얀을 포함하는 지지층이 수지 친화층과 내코로나층 사이에 개재되고, 양쪽 층에 직접 결합된다. 이 층은 다층 라미네이트에 기계적 무결성을 부여한다.
변압기 및 기타 전기 장치는 하나의 전선 또는 도체가 다른 것과 접촉하지 않도록 개별적으로 절연된 다수의 권선 또는 도체를 포함할 수 있다. 많은 경우에, 이러한 절연 권선 또는 도체는 변압기 권선의 고밀도 균일 패킹을 보장하기 위해 단면이 직사각형이다. 도체 및 전선이라는 단어는 본원에서 상호 교환적으로 사용된다.
일부 구현예에서, 절연체는 도체 둘레에 폭이 좁은 절연체 테이프를 와선형으로 감아 중첩 층들을 형성함으로써 적용된다. 일부 경우에, 이는 변압기 오일이 절연체의 층 사이에 침투하여 존재하도록 경로를 허용할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, “와선형으로 감긴”은 도체의 외주 둘레에 하나 이상의 테이프를 와선형 또는 나선형으로 감는 것을 포함하는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 바와 같이, “테이프”라는 단어는 바람직하게는 약 0.635 내지 5.1 센티미터(0.25 내지 2 인치)의 폭을 갖는 비교적 좁은 폭의 라미네이트 스트립을 의미한다. 일부 구현예에서, 폭은 0.635 내지 2.54 센티미터(0.25 내지 1 인치)이다. 일부 구현예에서, 폭은 바람직하게는 10 내지 25 밀리미터(1~2.5 cm 또는 0.39~1.0 인치)이다. 일반적으로, 이러한 라미네이트 테이프는 더 큰 폭의 라미네이트 시트 또는 롤을 정밀하게 길게 잘라 제조된다.
임의의 하나의 도체 상의 절연체의 전체 두께는 단일 랩의 테이프 또는 여러 중첩 테이프로 이루어질 수 있기 때문에, 일부 구현예에서, 도체 상의 전기 절연체의 전체 피복 밀도는 약 0.2 내지 0.6 g/cm3, 바람직하게는 약 0.3 내지 0.5 g/cm3이다. 일부 구현예에서, 임의의 하나의 도체 상의 절연체의 전체 두께는 0.635 내지 1.3 센티미터(0.25 내지 0.5 인치)일 수 있다. 약 0.0625 인치 미만의 절연체 두께는 충분한 절연 강도를 제공하기에는 너무 적은 양의 절연 재료를 제공하는 것으로 여겨진다. 약 1.3 cm(0.5 인치)를 초과하는 두께는 많은 전기 장치에서 비실용적이라고 여겨진다. 절연체의 전체 두께 또는 “빌드”는 중요한 매개 변수가 될 수 있기 때문에, 중첩되는 테이프의 실제 층 수는 다를 수 있고, 절연체는 1층 또는 2층의 라미네이트 두께 내지 10층 정도 내지 심지어 100층 이상의 층의 라미네이트인 것이 가능하다.
내코로나층. 내코로나층은 층 내의 하소 운모와 아라미드 물질의 양을 기준으로 90 내지 99 중량%의 균일하게 분포된 하소 운모 및 1 내지 10 중량%의 아라미드 물질을 포함한다. 일부 바람직한 구현예에서, 내코로나층은 95 내지 99%의 균일하게 분포된 하소 운모 및 1 내지 5 중량%의 아라미드 물질을 포함한다. 균일하게 분포된다는 것은, 내코로나층 전체에 운모가 균질하게 분포될 수 있거나, 층의 면 중 하나에 더 가까운 평면 구역 전체에 운모가 농축될 수 있음을 의미한다. 이 정의에서 암시하는 것은 운모가 라미네이트에서 층의 원하는 전기적 성능을 제공하도록 충분히 분포되어 있다는 것이다.
아라미드 물질은 플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태이다.
일 구현예에서, 내코로나층의 아라미드 물질은 층 내의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~95 wt%의 바인더와 5~65 wt%의 아라미드 플록의 혼합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 아라미드 물질은 층 내의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~75 wt%의 바인더 및 25~65 wt%의 아라미드 플록을 포함한다. 바인더(들)는 종이를 형성하기 위해 플록 또는 섬유 물질을 결합시키는 당업계에 공지된 임의의 화학제 또는 처리제 또는 첨가제일 수 있지만, 바람직한 일 구현예에서, 바인더는 바인더 입자, 바람직하게는 막 구조를 갖는 입자이다. 내코로나층에서의 바람직한 바인더 입자는 피브리드이고, 바람직한 피브리드는 아라미드 피브리드이다. 다른 바람직한 구현예에서, 내코로나층의 아라미드 물질은 아라미드 피브리드 형태의 아라미드 바인더만으로 이루어진다. 바람직한 아라미드 물질은 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)를 포함한다.
내코로나층은 바람직하게 50 g/m2의 최소 평량을 갖는다. 일부 구현예에서, 100 g/m2의 평량이 바람직하다. 일부 구현예의 실용적인 관점에서, 층은 150 g/m2의 최대 평량을 갖는다. 바람직한 구현예에서, 내코로나층은 그 자체로 500 초 이하의 걸리 공극률을 갖는다.
지지층. 지지층은 단방향 또는 직조 필라멘트얀을 포함하고, 지지층을 수지 친화층과 직접 결합시키기 위한 제1면 및 지지층을 내코로나층과 직접 결합시키기 위한 제2면을 갖는다. 바람직한 일 구현예에서, 지지층의 필라멘트얀은 열가소성 또는 열경화성 폴리머로 제조된 얀 또는 글래스얀을 포함한다. 가장 바람직한 일 구현예에서, 지지층의 필라멘트얀은 글래스얀을 포함한다.
유용한 필라멘트는 약 30 마이크로미터의 공칭 직경을 갖는 것을 포함하지만, 유용한 필라멘트 직경은 10 내지 50 마이크로미터의 범위일 수 있다. 지지층의 유용한 평량은 약 22 g/m2의 공칭 직경을 갖는 것을 포함하지만, 유용한 평량은 10 내지 30 g/m2의 범위일 수 있다.
여러 테이프 용도에 가장 유용한 지지층의 형태는 필라멘트얀의 단방향 날실(warp)인 것으로 여겨진다. 이는 지지층이 라미네이트에 최소량의 중량 및/또는 두께를 기여하게 한다. 이는 지지층의 물질이 일반적으로 코로나 또는 수지 친화층의 유전 성능을 갖지 않는다는 점에서 중요하다.
수지 친화층. 수지 친화층은 층 내의 하소되지 않은 운모와 아라미드 물질의 양을 기준으로 60 내지 80 중량%의 균일하게 분포된 하소되지 않은 운모 및 20 내지 40 중량%의 아라미드 물질을 포함한다. 일부 바람직한 구현예에서, 수지 친화층은 65 내지 75%의 균일하게 분포된 하소되지 않은 운모 및 25 내지 35 중량%의 아라미드 물질을 포함한다. 균일하게 분포된다는 것은, 수지 친화층 전체에 운모가 균질하게 분포될 수 있거나, 층의 면 중 하나에 더 가까운 평면 구역 전체에 운모가 농축될 수 있음을 의미한다. 이 정의에서 암시하는 것은 운모가 라미네이트에서 층의 원하는 전기적 성능을 제공하도록 충분히 분포되어 있다는 것이다.
본 발명자들은 상기 청구된 조성물이 적정한 양의 함침 매트릭스 수지를 흡수하기에 충분한 공극률과 함께, 적절한 기계적 강도 및 래핑 특성을 모두 갖는 수지 친화층을 제공한다는 것을 발견하였다. 그 층에서의 물질의 총량을 기준으로 수지 친화층에서 80 중량%를 초과하는 운모를 갖는 것은, 도체 주위에 테이프를 적절히 권취하는 데 필요한 최소 장력을 충족시키기에 충분한 기계적 강도를 라미네이트에 제공하지 못하여, 빈번한 파괴를 초래할 것으로 여겨진다. 또한, 수지 친화층에서 80 중량%를 초과하는 운모를 갖는 것은 추가적으로 가요성이 덜한 라미네이트를 초래한다. 이러한 라미네이트로 제조된 테이프는 도체 주위에 권취될 때 바람직하지 않은 더 많은 주름이 생기는 경향이 있다.
내코로나층에서와 같이, 수지 친화층의 아라미드 물질은 플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태이다. 바람직한 일 구현예에서, 수지 친화층의 아라미드 물질은 층 내의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~95 wt%의 바인더와 15~65 wt%의 아라미드 플록의 혼합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 아라미드 물질은 층 내의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~75 wt%의 바인더 및 25~65 wt%의 아라미드 플록을 포함한다. 내코로나층과 유사하게, 수지 친화층의 바인더(들)는 종이를 형성하기 위해 플록 또는 섬유 물질을 결합시키는 당업계에 공지된 임의의 화학제 또는 처리제 또는 첨가제일 수 있지만, 바람직한 일 구현예에서, 바인더는 바인더 입자, 바람직하게는 막 구조를 갖는 입자이다. 수지 친화층에서의 바람직한 바인더 입자는 피브리드이고, 바람직한 피브리드는 아라미드 피브리드이다. 다른 바람직한 구현예에서, 수지 친화층의 아라미드 물질은 아라미드 피브리드 형태의 아라미드 바인더만으로 이루어진다. 바람직한 아라미드 물질은 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)를 포함한다.
수지 친화층은 바람직하게 10 g/m2의 최소 평량을 갖는다. 일부 구현예에서, 10 내지 50 g/m2의 평량이 바람직하다. 바람직한 구현예에서, 수지 친화층은 그 자체로 800 초 이하의 걸리 공극률을 갖는다.
다층 라미네이트 구조체. 다층 라미네이트 구조체는 수지 친화층에 직접 결합된 지지층의 제1면 및 내코로나층에 직접 결합된 지지층의 제2면을 포함한다. 일 구현예에서, 내코로나층은 접착제를 사용하여 지지층에 결합된다. 다른 구현예에서, 수지 친화층은 접착제를 사용하여 지지층에 결합된다. 유용한 접착제는 폴리우레탄, 에폭시, 폴리이미드, 페놀 수지, 멜라민, 알키드, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 벤족사진, 실리콘 및 이들의 조합과 같은 것을 기본으로 하는 접착제를 포함하나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
일부 바람직한 구현예에서, 지지층은 내코로나층 및 수지 친화층에 이미 존재하는 바인더(들)에 의해 제공되는 접착 작용에 의해 내코로나층 및 수지 친화층 모두에 부착되고 결합된다. 열과 압력으로 3개 층을 적층하면 내코로나층 및 수지 친화층에 이미 존재하는 바인더를 유동시켜 지지층에 결합시킬 수 있다. 실제로, 지지층이 필라멘트의 단방향 날실 또는 개방 메쉬 직조 스크림(scrim)인 일 구현예에서, 내코로나층 및 수지 친화층의 표면의 일부가 접촉할 수 있으며, 적층을 통해 내코로나층 및 수지 친화층에 존재하는 바인더(들)가 접촉 지점에서 이들 층을 서로 부착시킬 수 있는 한편, 또한 두 층을 둘러싸서 지지층의 필라멘트에 결합시킬 수 있다.
라미네이트 구조체는 어떠한 함침 매트릭스 수지도 없는 라미네이트 구조체의 총 중량을 기준으로 60 중량% 이상의 총 운모 함량을 갖는다. 적절한 전기 절연 성능을 제공하기 위해 이러한 운모의 총량이 라미네이트에서 필요한 것으로 여겨진다. 일부 구현예에서, 전체 라미네이트 구조체의 총 운모 함량은 어떠한 매트릭스 수지도 없는 라미네이트 구조체의 총 중량을 기준으로 80 중량% 이상이다. 일부 구현예에서, 매트릭스 수지가 없는 다층 라미네이트의 최종 전체 조성물은 적어도 15 중량%의 아라미드 물질을 함유한다. 일부 구현예에서, 지지층은 매트릭스 수지가 없는 전체 라미네이트 조성물의 5 내지 30 중량%만을 구성한다. 일부 다른 구현예에서, 지지층은 매트릭스 수지가 없는 전체 라미네이트 조성물의 10 내지 20 중량%을 구성한다. 또한, 일부 구현예에서, 접착제는 매트릭스 수지가 없는 전체 라미네이트 조성물의 0 내지 8 중량%의 양으로 존재하고, 일부 구현예에서, 그것은 바람직하게 그 조성물의 4 내지 8 중량%이다. 일부 다른 구현예에서, 접착제의 양은 매트릭스 수지가 없는 전체 라미네이트 조성물의 0 내지 3 중량%이다.
일부 구현예에서, 전체 다층 라미네이트 평량의 평량은 약 70 g/m2 내지 300 g/m2 정도이지만; 일부 바람직한 구현예에서, 평량은 약 100 g/m2 내지 225 g/m2이다.
전체 다층 라미네이트 구조체의 다른 특정의 원하는 특성은 0.10 내지 1.0 mm의 범위의 총 두께를 포함한다. 라미네이트의 바람직한 인장 강도는 70 N/cm 이상, 바람직하게는 100 N/cm이다. 양호한 매트릭스 수지 함침을 위해서, 전체 라미네이트의 측정 걸리 공극률이 3000 초 미만인 것이 바람직하고, 200 초 이상의 측정 값이 가장 바람직하다고 여겨진다. 또한, 도체를 다층 라미네이트 테이프로 유용하게 감기 위해, 라미네이트는 고속 기계 테이프 래핑 공정에 사용하기 위해 약 150 N/m 미만, 바람직하게는 약 100 N/m 미만의 가요성 또는 강성을 가져야 하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 라미네이트에 대한 전체 항복 전압은 라미네이트 두께의 밀리미터 당 17.5 kV 초과, 바람직하게는 라미네이트 두께의 밀리미터 당 20 kV 초과이어야 하는 것이 바람직하다.
다층 라미네이트 구조체는, 본원에서 총칭하여 매트릭스 수지로 또한 지칭되는, 함침 수지, 바니쉬, 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 수지, 바니쉬, 또는 이들의 혼합물은 다층 라미네이트 구조체에서 부분적으로 또는 완전히 경화된다. 일반적으로, 다층 라미네이트 구조체 또는 테이프가 먼저 도체에 적용되고 나서 전체 구조체가 함침된다; 그러나, 라미네이트 구조체가 절연체로서 사용되기 전에 수지로 사전-함침되는 일부 경우가 있을 수 있다.
본원에서 사용된 용어 “플록”은 습식(wet-laid) 시트 및/또는 종이의 제조에 통상적으로 사용되는 짧은 길이로 절단된 섬유를 의미한다. 일반적으로, 플록은 약 3 내지 약 20 밀리미터의 길이를 갖는다. 바람직한 길이는 약 3 내지 약 7 밀리미터이다. 플록은 일반적으로 연속 섬유를 당업계에서 잘 알려진 방법을 이용하여 필요한 길이로 절단하여 제조된다.
본원에서 사용된 용어 “아라미드”는 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%가 2개의 방향족 고리에 직접 결합된 방향족 폴리아미드를 의미한다. 선택적으로, 접착제가 아라미드와 함께 사용될 수 있고, 폴리머 구조체 전체에 분산될 수 있다. 최대 약 10 중량% 정도의 다른 고분자 재료가 아라미드와 혼합될 수 있음이 밝혀졌다. 아라미드의 디아민을 치환한 약 10% 정도의 다른 디아민 또는 아라미드의 이산 염화물을 치환한 약 10% 정도의 다른 이산 염화물을 갖는 코폴리머가 사용될 수 있음이 또한 밝혀졌다.
바람직한 아라미드는 메타-아라미드이다. 두 개의 고리 또는 라디칼이 분자 사슬을 따라 서로에 대해 메타 배향된 경우, 아라미드 폴리머는 메타-아라미드로 간주된다. 바람직한 메타-아라미드는 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I)이다. 미국 특허 3,063,966호; 3,227,793호; 3,287,324호; 3,414,645호; 및 5,667,743호는 아라미드 플록을 제조하는 데 사용될 수 있는 아라미드 섬유를 제조하기 위한 유용한 방법의 예시이다.
대안적으로, 아라미드 플록은 파라-아라미드 또는 아라미드 코폴리머일 수 있다. 두 개의 고리 또는 라디칼이 분자 사슬을 따라 서로에 대해 파라 배향된 경우, 아라미드 폴리머는 파라-아라미드로 간주된다. 파라-아라미드 섬유를 제조하는 방법은, 예를 들어, 미국 특허 3,869,430호; 3,869,429호; 및 3,767,756호에 일반적으로 개시되어 있다. 하나의 바람직한 파라-아라미드는 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드)이고; 하나의 바람직한 파라-아라미드 코폴리머는 코폴리(p-페닐렌/3,4’디페닐 에스테르 테레프탈아미드)이다. 바람직한 아라미드 플록은 메타-아라미드 플록이며, 메타-아라미드 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I)로 제조된 플록이 특히 바람직하다.
본원에서 사용된 용어 “피브리드”는 3차원 중 적어도 하나가 최대 치수에 비해 작은 크기인 매우 작은 비과립형, 섬유질 또는 필름과 같은 입자를 의미한다. 이들 입자는 높은 전단력 하에서 비용제를 사용하여 폴리머 물질의 용액을 침전시킴으로써 제조된다. 아라미드 피브리드는 320℃ 초과의 융점 또는 분해점을 갖는 방향족 폴리아미드의 비과립형 필름과 같은 입자이다. 바람직한 아라미드 피브리드는 메타-아라미드 피브리드이며, 메타-아라미드 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I)로 제조된 피브리드가 특히 바람직하다.
피브리드는 일반적으로 약 0.1 mm 내지 약 1 mm 범위의 가장 큰 치수 길이를 가지며, 길이-대-너비의 종횡비는 약 5:1 내지 약 10:1이다. 두께 치수는 미크론의 일부 정도, 예를 들어 약 0.1 미크론 내지 약 1.0 미크론이다. 필요한 것은 아니지만, 피브리드가 건조되지 않은 상태에 있는 동안 아라미드 피브리드를 층에 혼입시키는 것이 바람직하다.
수지 친화층 및 내코로나층에 사용된 용어 층은 바람직하게, “종이”로서 종종 기술되는 특정 조성의 얇은 평면 물질을 나타낸다. 용어 “층”은 또한 모든 평면 웹이 동일한 조성을 갖는 서로 부착된 복수의 얇은 평면 웹으로 만들어진 종이를 나타낸다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 “면”은 층 또는 종이의 두 주요 표면 중 하나(즉, 층 또는 종이의 일측 또는 타측)를 나타낸다.
일부 구현예에서, 개별적인 층은 0.5 밀리미터 이하의 두께를 갖는다. 일부 다른 구현예에서, 개별적인 운모-아라미드층은 0.25 밀리미터 이하의 두께를 갖는다. 바람직한 일 구현예에서, 개별적인 층은 0.13 밀리미터 이하의 두께를 가지며; 다른 바람직한 구현예에서, 개별적인 층은 0.1 밀리미터 이하의 두께를 갖는다. 또한, 개별적인 층은 적어도 0.06 밀리미터의 두께를 가져야 적절한 운모를 라미네이트에 제공하는 것으로 여겨진다.
일 구현예에서, 내코로나층과 수지 친화층은 접착제층을 사용하여 지지층에 결합된다. 이 구현예의 일 실시에 있어서, 각각의 층이 개별적으로 제조되고 나서 그 사이에 제공된 접착제층으로 결합되며, 이 층들은 순서대로 내코로나층, 지지층, 및 이어서 수지 친화층이다. 원하는 양과 비율의 운모 및/또는 아라미드 고형물을 헤드 박스에 제공하고 나서 제지 와이어에 웹으로서 습식 처리함으로써 내코로나층 및 수지 친화층 각각을 제지기에서 개별적으로 제조할 수 있다. 이어서 습윤 웹을 건조기 드럼에서 건조하여 종이를 형성할 수 있다. 바람직하게, 종이는 이후 가압 및 가열 하에서 또는 다른 수단에 의해 고온의 롤 캘린더의 닙에서 추가로 캘린더링되어, 종이를 원하는 두께를 갖는 층으로 통합시키고 고밀도화한다. 원하는 경우, 동일 조성의 둘 이상의 더 가벼운 평량 또는 더 얇은 습윤 웹 또는 종이를 개별적으로 제조하고 나서 캘린더링하고 서로 단일층으로 통합시킬 수 있다. 바람직한 구현예에서, 내코로나층 및 수지 친화층 각각은 접착제로 지지층과 결합되기 전에 개별적으로 캘린더링된다.
내코로나층 및 수지 친화층 각각의 면을 지지층의 대향면에 균질하고 연속적으로 결합시키는 바람직한 구현예에서, 접착제는 비교적 균일한 방식으로 층의 적어도 한 면에 도포된다. 층의 일면에 접착제를 균일하게 연속적으로 틈 없이 도포하는 임의의 방법을 이용하여 운모 함유층 또는 지지층에 접착제를 도포할 수 있다; 이러한 방법은 롤 코팅 또는 블레이드 코팅 또는 스프레이 코팅을 수반하는 것들을 포함한다. 바람직하게, 접착제는 균일한 두께로 도포되고, 바람직하게, 접착체는 연속적이며 라미네이트에서 균일한 두께를 갖는다. 대안적으로, 접착제는 운모 함유층과 지지층 각각의 사이에 삽입된 시트 형태로 제공될 수 있다. 이어서, 층 사이에 접착제를 위치시키고, 층들을 서로 압착하거나 통합시킬 수 있는 임의의 방법을 이용하여 층과 접착제를 서로 압착한다. 이러한 방법은 한 세트의 캘린더 롤의 닙(들)에서 (접착제를 사이에 두고) 층을 닙핑(nipping)하는 것을 포함할 수 있다. 이는 층들을 원하는 두께를 갖는 라미네이트 구조체로 통합시키고, 층들을 서로 완전히 결합시킨다. 필요한 경우, 층이 가압 압착되기 전, 압착된 후, 또는 압착되는 동안에 가해진 열을 이용하여 추가적으로 접착제를 경화할 수 있다.
라미네이트 시트 구조체는 내코로나층, 지지층, 및 수지 친화층을 포함하고, 선택적으로, 이들 층 사이에 접착제가 위치한다. 바람직한 구현예에서, 최종 라미네이트 구조체는 본질적으로 이들 3개의 층과 선택적인 접착제로 구성되거나, 이들 3개의 층과 선택적인 접착제로만 구성된다. 일부 바람직한 구현예에서, 라미네이트 시트는 절연되는 도체에 수지 친화층이 더 가깝고 일반적으로는 접촉되도록 도체 상에 배치되며, 내코로나층은 권취된 전기 절연체의 외면을 형성한다. 그러나, 일부 다른 구현예에서, 내코로나층이 도체와 접촉되고 수지 친화층이 권취된 전기 절연체의 외면을 형성하는 역순으로 라미네이트가 도체 상에 배치될 수 있다.
일부 구현예에서, 여러 가능한 방법을 이용하여 라미네이트 시트 구조체는 결과적으로 수지로 함침될 수 있는 테이프로 길게 잘린다. 하나의 통상적인 방법은 테이프 형태의 라미네이트 구조체를 절연될 물품에 삽입하거나 그 주위에 권취한 후 수지로 함침시키는 것을 포함한다. 이어서 수지는 경화된다. 두 번째 통상적인 방법은 테이프 형태의 라미네이트 구조체를 절연될 물품에 삽입하거나 그 주위에 권취하기 전에 수지로 함침시키고 나서 수지를 경화하는 것을 포함한다.
라미네이트 시트 구조체는 산업용 모터, 풍력 터빈 발전기에 즉시 사용될 수 있다고 여겨지는 한편, 이에 한정되는 것은 아니지만 변압기 및 산업용 전력 인버터와 같은 것들을 포함하여 다른 용도 및 적용이 가능하다.
시험 방법
이하 제공된 실시예에서 하기 시험 방법을 사용하였다.
평량은 ASTM D 645 및 ASTM D 645-M-96에 따라 측정하였고. g/m2로 보고하였다.
두께는 ASTM D 646-96에 따라 측정하였고 mm로 보고하였다.
인장 강도는 2.54 cm 폭의 시험편 및 18 cm의 게이지 길이로 ASTM D 828-93에 따라 측정하였고 N/cm으로 보고하였다.
걸리 공극률은 TAPPI T460에 따라 1.22 kPa의 압력차를 이용하여 종이의 약 6.4 제곱 센티미터 원형 영역에 대한 100 밀리리터의 실린더 변위 당 초 단위 공기 저항에 의해 측정하였다.
강성( 가요성 )은 IEC 60371-2에 따라 시편을 구부리기 위한 최대 굽힘 하중을 측정하여 시험편(폭 15 mm × 길이 200 mm)의 길이로 나눔으로써 종이의 굽힘 저항을 측정하였고 N/m으로 보고하였다.
절연 강도는 ASTM D 149-97A에 따라 측정하였고 kV/mm로 보고하였다.
실시예
이하, 본 발명을 하기 실시예에서 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
내코로나층, 단방향 유리실 지지층, 및 수지 친화층인 3개의 개별적인 층으로 다층 라미네이트 구조체를 제조하였다. 내코로나층은 0.15 mm의 두께였고, 하소 운모 플레이크(버몬트주, 러틀랜드의 Electrical Samica Flake Co.로부터 입수 가능한 백운모 형태) 95 중량% 및 미국 특허 3,756,908호에 일반적으로 기술된 방식으로 제조된 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 피브리드 5 중량%를 함유하였다.
수지 친화층은 0.03 mm 두께였고, 하소되지 않은 운모 플레이크(한국, SWECO Inc.로부터 입수 가능한 백운모 형태) 70 중량% 및 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 피브리드 15 중량% 및 델라웨어주 윌밍턴의 DuPont Co.로부터 입수 가능한 0.22 tex 선밀도 및 0.64 cm 길이의 Nomex® 섬유인 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 플록 15 중량%로 이루어졌다.
글래스얀계 지지층은 50 μm 유리실을 함유하였다. 이것을 내코로나층과 수지 친화층 사이에 에폭시 접착제층(약 9 g/m2)과 함께 개재하였고, 150℃까지 가열되고 2500 N/cm의 닙 압력에서 작동하는 닙핑된 캘린더 롤 사이에서 캘린더링하여, 내코로나층, 접착제, 단방향 유리실 지지층, 접착제, 및 수지 친화층을 갖는 라미네이트를 제조하였다. 생성된 라미네이트 구조체는 잘 결합되었고, 우수한 인장 강도, 가요성 및 양호한 걸리 공극률을 나타냈다. 이 라미네이트에 대한 데이터를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
실시예 2
지지층으로서 단방향 글래스 필라멘트를 직조 글래스 필라멘트 클로스로 대체하였고 에폭시 접착제층이 약 10 g/m2인 것을 제외하고, 실시예 1을 반복하였다. 글래스 클로스는 80 마이크로미터 두께였고, 총 라미네이트 구조체 두께는 0.21 mm였다. 이 라미네이트에 대한 데이터를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
비교예 A
단 하나의 두꺼운 하소되지 않은 운모층, 에폭시 접착제(약 10 g/m2), 및 직조 글래스 필라멘트 클로스인 하나의 지지층만을 함유한 것을 제외하고, 비교예 A는 실시예 2와 유사한 방식으로 제조된 운모 테이프였다. 하소되지 않은 운모 플레이크(한국, SWECO Inc.로부터 입수 가능한 백운모 형태) 95 중량% 및 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 피브리드 5 중량%로 0.12 밀리미터 두께의 운모 종이를 제조하였다. 글래스 클로스는 80 마이크로미터 두께였다. 생성된 전체 라미네이트 구조체는 0.161 mm의 두께 및 194 g/m2의 평량을 가졌다. 이 라미네이트에 대한 데이터를 표 1 및 표 2에 나타내었다. 표 2는 비교예 A에 비해 실시예 1 및 2의 절연 강도가 상당히 증가한 것을 보여준다. 이러한 개선은 본 발명의 운모-아라미드 종이에 사용된 하소 운모의 결과이다.
비교예 B 내지 C
단일층의 운모 종이를 두 층의 운모-아라미드 종이로 대체한 것을 제외하고, 실시예 A와 유사한 방식으로 비교예 B 내지 C를 제조하였다. 운모 농후층 및 운모 결핍층으로 두 층의 운모-아라미드 종이를 제조하였다. 운모 농후층은 90 중량%의 하소 운모 플레이크 및 10 중량%의 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 피브리드로 구성되었다. 운모 결핍층은 45 중량%의 하소 운모 플레이크, 40 중량%의 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 피브리드, 및 15 중량%의 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 플록으로 구성되었다. 푸어드리니어 타입 제지기의 1차 및 2차 헤드 박스를 통해 운모 농후 성분 및 운모 결핍 성분의 수분산액을 펌핑하였다. 상단의 운모 농후층 및 하단의 운모 결핍층으로 적층된 습식 종이를 형성하였다. 상단 층의 평량은 약 85 g/m2였고 하단 층의 평량은 약 50 g/m2였다. 적층된 습식 종이를 약 3000 N/cm의 닙 압력과 약 220℃의 롤 온도에서 접착제 및 직조 글래스 클로스와 함께 캘린더의 고온 닙에서 캘린더링하여 라미네이트를 제조하였다.
이 라미네이트에 대한 데이터를 표 1 및 표 2에 나타내었다. 표 2 역시 실시예 B 및 C의 걸리 공극률이 상당히 증가한 것을 보여준다. 걸리 공극률의 이러한 증가는 운모-아라미드 종이에서 하소 운모를 고온 캘린더링하여 운모 및 아라미드를 극도로 고밀도화한 결과이다.
실시예 3
어떠한 추가 접착제 없이 라미네이트의 층들을 캘린더링하였고 운모층의 바인더가 이들 층을 글래스 지지층에 결합시킨 것을 제외하고, 실시예 1 및 2가 반복된다. 최종 라미네이트의 성능 및 두께는 실시예 1 및 2에 나타난 것과 유사하다.
실시예 4
실시예 1, 2, 및 3의 다층 라미네이트 구조체를 15 mm 폭의 테이프의 롤로 길게 자른다. 이어서, 150 mm × 75 mm의 단면 치수를 갖는 금속 도체를 이 테이프를 사용하여 와선형으로 감는다. 도체가 적절하게 절연될 때까지 반래핑(50% 오버래핑)으로 테이프를 감는다. 래핑된 도체 중 일부는 그대로 모터에 사용하는 한편, 나머지는 모터에 사용하기 전에 에폭시 수지로 함침시킨다. 테이프는 도체에 양호한 전기적 절연성을 부여한다.
Figure 112018008639290-pct00001
Figure 112018008639290-pct00002

Claims (13)

  1. 전기 절연체로 사용하기위한 라미네이트 구조체로서,
    a) 90 내지 99 중량%의 균일하게 분포된 하소 운모 및 1 내지 10 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태)을 포함하는 내코로나층이며, 100 내지 150 g/m2의 평량을 갖는 내코로나층;
    b) 단방향 또는 직조 필라멘트얀을 포함하고, 제1면 및 제2면을 갖는 지지층; 및
    c) 60 내지 80 중량%의 균일하게 분포된 하소되지 않은 운모 및 20 내지 40 중량%의 아라미드 물질(플록, 피브리드, 또는 이들의 혼합물의 형태)을 포함하는 수지 친화층이며, 10 내지 50 g/m2의 평량을 갖는 수지 친화층;
    을 포함하되,
    상기 지지층의 제1면은 상기 내코로나층에 직접 결합되고 상기 지지층의 제2면은 상기 수지 친화층에 직접 결합되며,
    상기 지지층의 필라멘트얀은 열가소성 또는 열경화성 폴리머로 제조된 얀 또는 글래스얀을 포함하는 것인,
    60 중량% 이상의 총 운모 함량을 갖는 라미네이트 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내코로나층의 모든 아라미드 물질은 아라미드 피브리드로서 존재하는 라미네이트 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내코로나층 및 상기 수지 친화층 각각에서의 아라미드 물질은 각 층에서의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~95 wt%의 바인더와 5~65 wt%의 아라미드 플록의 혼합물을 포함하는 라미네이트 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 내코로나층 및 상기 수지 친화층 각각에서의 아라미드 물질은 각 층에서의 바인더와 아라미드 플록의 양을 기준으로 35~75 wt%의 바인더와 25~65 wt%의 아라미드 플록의 혼합물을 포함하는 라미네이트 구조체.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 바인더는 아라미드 피브리드인 라미네이트 구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아라미드 물질은 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드)를 포함하는 라미네이트 구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.635 내지 5.1 센티미터(0.25 내지 2 인치)의 폭을 갖는 테이프 형태의 라미네이트 구조체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 함침 수지, 바니쉬, 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함하는 라미네이트 구조체.
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