KR20020021643A - 절연 전기 전도체 - Google Patents

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KR20020021643A KR1020017015509A KR20017015509A KR20020021643A KR 20020021643 A KR20020021643 A KR 20020021643A KR 1020017015509 A KR1020017015509 A KR 1020017015509A KR 20017015509 A KR20017015509 A KR 20017015509A KR 20020021643 A KR20020021643 A KR 20020021643A
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에릭 니버그
프랭크 더블유. 머서
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콤파그니 로얄 아스투리엔느 드 미네 디비즌 코게비, 소시에떼 아노니메
스테판 이. 크리거
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Abstract

적어도 한 면에 에멀젼 퇴적 중합체 코팅을 갖는 함침 운모 테이프를 포함하는 제1 내부 테이프(22) 및 테이프 랩핑되거나 압출된 플루오로폴리머를 포함하는 제2 외층(24)을 포함하는 와이어 및 케이블 시스템을 개시한다.

Description

절연 전기 전도체{Insulated Electrical Conductor}
폴리이미드, 예컨대, 폴리피로멜리트이미드 및 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(예; E.I. du Pont de Nemours and Company에 의해 각각 상표명 KaptonTM및 TefzelTM으로 판매되고 있는 것들)가 특정 폴리에테르이미드 중합체와 같이, 양호한 열적, 기계적 및 가연성 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 중합체들은 고전압 전선 및 케이블을 위한 절연 재료로서 사용된다. 현재의 박막(thin-wall) 고효율 전선(와이어) 및 케이블 구조물은 여러개의 상이한 형태의 덮개 구조를 이용한다. 이들은 단층 또는 다층 가교 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체(예; Spec 55TM와이어), 폴리이미드(예; Kapton), 및 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 테이프 외부랩으로 피복된 Kapton 테이프 폴리이미드 내층으로 이루어진 복합 와이어 구조물을 포함한다. 예를 들어, Spec 55 와이어는 최대 200℃의 정격온도를 갖지만 승온시 상대적으로 낮은 컷스루(cut-through) 내성을 갖는다. 대부분의 폴리이미드는 열가소성이 아니며, 따라서 이들은 용융압출에 의해 전도체에 용이하게 도포할 수 없다. 대체로, 이들은 테이프 형태로 형성되며,전도체는 상기 테이프로 에워싸는 방식으로 랩핑된다. 그러나, 폴리이미드 테이프는 자동 밀폐형(self-sealing)이 아니다. 폴리이미드의 코어층을 한쪽 또는 때때로 양쪽 모두에 대해 플루오로폴리머로 코팅하여 적층 테이프 구조(이것을 랩핑후에 가열하여 랩핑된 테이프가 자신에 융합될 수 있음)를 형성하는 것이 알려져 있다. 이러한 적층물로부터 제조된 테이프 및 상기 테이프로 랩핑하여 전기 전도체를 절연하는 것은 공지되어 있다. 와이어 구조물 선행 기술의 설명을 위해, 예를 들어, 미국특허 제3,616,177호, 동 4,628,003호, 동 5,106,673호, 동 5,220,133호, 동 5,238,748호 및 동 5,399,434호를 참조하라. 이들 문헌 및 기타 특허, 특허출원 및 본원에서 논의된 공개문헌의 개시들은 본 명세서에 참고로 인용한다.
현재 사용되고 있는 폴리이미드들이 방향족 축합 중합체이기 때문에, 상기 폴리이미드로 절연된 와이어는 가수분해 및 아크트래킹 둘 다에 대하여 종종 불량한 내성을 보인다. 가수분해는 물의 존재하에 발생하지만, 종종 다른 화학종에 의해 촉진되며, 일반적으로 그 분자량을 감소시켜 중합체의 기계적 강도를 약화시키는 화학반응이다. 아크트래킹은 전도체와 접지 또는 또다른 전도체(예; 두 와이어가 함께 마찰할 때), 금속성 구조(예; 한 와이어가 기체(機體;airframe)과 같은 금속성 지지 구조에 마찰할 경우) 또는 심지어 약간 도전성인 유체와 같은 절연체 외부의 도전성 매질사이에 단선이 발생할 때 전기 아크의 존재하에 일어나는 치명적 파괴(catastrophic failure)이다. 상기 파괴는 전기 방전으로 인한 승온시 빠르게 전파하는 절연에 대한 기계적 손상을 일으킨다.
아크트래킹 및 가수분해 둘 다에 대한 폴리이미드의 일반적으로 불량한 내성때문에, 예를 들어, 항공우주 산업과 같은 까다로운 응용을 위한 와이어는 종종 두 개의 랩핑된 층(폴리이미드 또는 폴리이미드-플루오로폴리머 적층물로 된 내층 및 플루오로폴리머, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌로 된 외층)으로 전기 전도체를 절연하여 제조된다. 미국특허 제5,220,133호는 이 다층 래핑된 구조물의 용도를 개시하고 있는데, 이것이 항공우주 응용에 사용되기에 바람직할 정도로 작은 직경 및 중량을 갖는 절연 전도체에 특히 유용하다고 주장하고 있다. 그러나, 폴리테트라플루오로에틸렌 테이프를 외층으로 사용시, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌을 소결시키고 융합시키는데 고온이 요구되며 이것은 주석도금 구리 전도체의 주석도금을 손상시킬 수 있다. 또한, 제조된 폴리테트라플루오로에틸렌 외층은 마킹(marking)이 어려우며 상기 절연 와이어의 외부 표면은 취급시 쉽게 손상되는 굴곡진(stepped) 외형을 갖는다. 지적한 바와 같이, 복합 Kapton/PTFE 와이어는 가장자리가 파손될 수 있고, 상점 취급 또는 보관 과정에서 파열될 수 있는 울퉁불퉁한 외부 표면을 갖는 경향이 있다. 물론, 이 문제는 Kapton 피복층(jacket layer)에 대하여 PTFE 테이프 피복을 하지 않은 Kapton 와이어의 경우 더 심하다.
항공우주 및 기타 고성능 응용예에서 절연 전도체용 폴리이미드 절연체에 대한 현재 가장 통상적인 대안은 가교 플루오로폴리머를 이용하는 것이다. 내층이 가교되지 않거나 약하게 가교된 결정성 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체이고 외층이 고도로 가교된 결정성 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체인 이중층 절연 전도체를 미국특허 제5,059,483호에서 기술하고 있다. 이러한 재료 및 구조물들이 폴리이미드 기재 절연체 보다 아크트래킹 및 가수분해에 대하여더 큰 내성을 갖지만, 이들은 약 200℃까지만 열적으로 안정하며 약 150℃를 초과하는 온도에서 좋지않은 컷스루 성능을 보인다. 컷스루 성능은 "핀치(pinch)"라고도 하며, 무딘 칼날 또는 날끝이 특정 온도에서 와이어 절연체를 관통하는데 요구되는 힘으로서 측정한다.
고효율(특히 기체(機體)) 와이어 및 케이블에 특히 바람직한 특성들은 경량 및 소직경, 우수한 컷스루, 아크트래킹 및 내마모성 및 열적 안정성, 낮은 가연성, 물 및 통상적 용매에 대한 내성, 및 평활한 외부 표면 형태이다. 플루오로폴리머 단독으로 또는 기타 재료(예; 폴리이미드)와 조합하여 사용하는 것을 포함하여 현재 사용가능한 중합체 중 어느것도 이러한 바람직한 성능 특성의 전부를 충족하는 와이어 절연체를 제공하지 않는다. 성능 특성들의 이러한 바람직한 조합을 보이고, 아크트래킹 및 가수분해에 대하여 개별적으로 내성을 갖는 재료들도 포함하는 절연 전도체를 제공하는 것이 특히 바람직할 것이다. 이것은 외부 보호층의 손상에 의해 내층이 노출되어 손상(예; 폴리이미드 내층을 보호하는 폴리테트라플루오로에틸렌 외층의 파열)될 수 있는 파괴 모드를 제거할 것이다.
기타 요구되는 고효율 전선 특성과 함께 승온시 우수한 컷스루 성능을 얻는 것은 특히 어렵다. 우수한 컷스루 내성을 얻기 위한 가장 직접적인 전략은 후막(thick wall)을 이용하는 것이지만, 이러한 접근은 비용, 직경 및 중량의 증가라는 불이익을 가져온다. 둘째로, 와이어의 서비스 정격온도보다 상당히 높은 용융 또는 유리전이온도(그러나, 중합체의 연화점보다는 낮음)를 갖는 열가소성 중합체를 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 재료들(예; 폴리아릴에테르 케톤)은 매우비싸거나, 가수분해되기 쉽거나(예; 특정 축합 중합체), 아크트래킹이 일어나는 경향이 있거나(예; 다수의 방향족 중합체), 또는(그리고) 열 분해에 대한 내성이 충분하지 않다(예; 폴리올레핀 및 폴리에스테르). 예를 들어, 열 편향 온도로 측정시, 상기 중합체 연화점보다 높은 온도에서는 후막의 경우에도 컷스루 성능에 대하여 유리한 효과가 거의 없다. 셋째로, 질기고 얇은 막 또는 테이프(예; 방향족 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름)를 와이어 절연체의 한 구성요소로서 사용할 수 있다. 이러한 테이프는 다수의 열가소성 중합체의 경우 공지된 한계를 갖는다: 이들이 방향족 폴리이미드 축합 중합체라면, 갑이 비싸며, 아크트래킹 및 가수분해 둘 다 일어나기 쉽다; 한편, 폴리에스테르는 불량한 열 시효(thermal aging) 특성을 나타낸다.
이와 달리 가교결합 또는 강화 유기 또는 무기 충전제를 포함하여 복합 재료를 형성함에 의해 요구조건들을 대충 충족하는, 용융 가공성 중합체의 컷스루 성능을 개선하기 위한 시도도 또한 승온시 컷스루를 의미있게 개선시키는데는 실패하였다. 두 경우 다, 중합체가 가열로 연화됨에 따라 컷스루 내성은 허용가능하지 않은 수준으로 떨어진다. 이것은 발연 실리카, 유리섬유 또는 운모와 같은 강화 충전제를 30부피퍼센트까지 충전할 경우에도 그러하다. 더구나, 30부피퍼센트 또는 때때로 더 적은 충전제 충전의 경우도 이들이 편리하게 압출 가공될 수 없을 정도로 큰 용융 점도를 갖는 재료가 되거나 테이프 랩핑에 불충분한 장력 및(또는) 신장 특성을 갖는 테이프를 제공한다면 실용적일 수 없다.
기타 요구되는 물리적, 화학적 및 전기적 특성과 함께 승온시 필요한 컷스루내성을 지니는 와이어 절연 시스템을 위한 연구에서, 연속섬유를 포함하는 와이어 구조물도 연구되었다. 섬유를 다수의 방법(예; 연속섬유를 직접 나선형으로 랩핑하는 것, 적합한 중합체에 이식된 조밀충전 섬유를 포함하는 테이프 랩핑, 중합체 함침되거나 되지 않은 채 테이프로서 조밀 직물 랩핑, 또는 와이어상에 섬유 편조)으로 와이어 구조물에 도입할 수 있다. 그러나, 승온시 컷스루를 개선하기 위한 목적으로 압출 중합체 외층 아래에 편조 섬유를 포함하는 와이어는 두가지 심각한 결점을 가진다. 첫째, 이들은 섬유가 본질적으로 느린 공정인 편조에 의해 적용되어야 하기 때문에 가공 비용이 비싸다. 둘째, 편조 섬유의 경우 일반적으로 외부를 둘러싸는 중합체가 매우 단단하거나 딱딱할 경우에만 높은 컷스루 힘을 얻는다. 미국특허 제5,171,635호는 오직 작은 분획만이 23℃에서 관찰가능한, 150℃에서의 컷스루 값을 보고한다. 이러한 온도에서 열적으로 안정한 재료(예; ETFE 또는 PFA(폴리(퍼플루오로프로필비닐에테르-테트라플루오로에틸렌) 공중합체)는 절연체 내로 컷스루 칼날 또는 날끝을 밀어넣을 때 섬유를 지지하기에는 너무 연하기 때문에, 컷스루 값은 종종 이보다 더 높은 온도에서는 보고되지 않는다.
운모 테이프는 1종 이상의 중합체 층과 함께 와이어 및 케이블의 절연체로 장기간 사용되어 왔다. 이것은 우수한 내화성(fire resistance) 및 높은 절연값을 제공하는 이 광물의 우수한 열적 특성 및 절연 특성 때문이다. 운모 자체는 또한 가수분해를 촉진하는 것들을 포함하는 광범위한 화학약품에 대하여 매우 안정하다. 그러나, 본 발명의 운모 테이프와 비교시 하기 단점중 하나 이상을 갖는다:
(a) 용매 또는 열 유도 박리(delamination)가 일어나는 경향;
(b) 아크트래킹 내성 재료를 사용시 요구되는 접착층의 열적 열화;
(c) 과도한 두께 및(또는) 강성(뻣뻣함; stiffness), 특히 승온에 노출 후;
(d) 환경 비친화적이고(이거나) 장시간 및 그로 인한 비싼 비용을 요구하는 용매 기재 재료의 사용;
(e) 테이프 또는 기타 재료의 후속 피복층 결합이 어려운 재료들을 포함하는 불규칙한 표면;
(f) 실용적 가공 속도로 테이프 랩핑(특히 작은 규격 전도체의 랩핑)을 하기에 불충분한 기계적 강도.
결과적으로, 선행기술의 테이프는 항공우주 및 해양산업 응용과 같은 까다로운 환경에서 사용하기에 특히 최적은 아니다. 본 발명의 발명자들은 예상밖으로, 이러한 선행기술 운모 테이프 한계의 다수가 이하 설명될 본 발명의 제조 및 구성 방법을 사용하여 실질적으로 극복된다는 것을 발견하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은 본 발명의 운모 테이프를 본 발명의 와이어 구조물에 사용시 박막의 경량 절연체를 제공하기 위한 박층(thin layer)의 경우 조차도, 상당히 그리고 기대밖으로 높은 컷스루 힘(50N 이상)이 광범위한 온도에 걸쳐 얻어진다는 것을 발견하였다. 이러한 컷스루 힘은 폴리이미드 절연의 단점이 없는 유사한 두께의 폴리이미드 피복을 갖는 와이어의 경우 얻어지는 것과 유사하다. 본 발명의 한 실시태양에서, 이중층 구조를 사용하는데, 여기서, 전도체는 먼저 본 발명의 코팅된 운모 테이프(이하 설명됨)로 피복된 다음 상기 코팅된 운모 테이프 층위에 퍼플루오로폴리머의 2차 테이프 랩핑되거나 압출된 외층을 적용한다. 이이중층 구조의 컷스루 내성은 본 발명에 따라 제조된 복합 코팅 운모 테이프/퍼플루오로폴리머 층과 동일한 두께를 갖는 퍼플루오로폴리머 층으로만 구성된 피복보다 우수하며, 특히 승온시 우수하다.
청구된 코팅 운모 테이프를 사용한 본 발명의 와이어도 또한 선행기술 운모 테이프를 포함하는 현존하는 와이어뿐만 아니라 가교 ETFE 피복 와이어 구조물에 대하여 더 우수한 열적 안정성을 보인다. 폴리이미드와 비교시, 본 발명의 절연 구조물은 우수한 화학적 및 아크트래킹 내성을 가지며, 우수한 와이어 탈피(stripping) 특성(중요한 보관 비용 요인)을 갖는다. 일부 다른 공지된 와이어 구조물이 화학적 내성에서 폴리이미드보다 우수하더라도, 이들은 컷스루 및 열적 안정성에서 눈에 띠게 열등하다. 마찬가지로, 기타 공지된 와이어 구조물은 중량 및(또는) 두께 문제를 지니고 있다. 따라서, 본 발명의 와이어 구조물은 특성들의 최적 균형을 제공한다는 점에서, 특히 항공우주 및 해양 응용과 같은 가혹 사용 조건에 대한 요구사항을 충족시킨다는 점에서, 아주 우수하다는 것이 명백하다.
운모는 일반적으로, 필수적이지는 않지만 판상구조(sheet-like structure)에 특징이 있고, 다양한 정도의 유연성, 탄성, 경도 및 얇은 판상으로 쪼개질 수 있는 능력을 가진 광범위한 함수 규산알루미늄 광물에 적용되는 총칭 용어이다. 운모는 다양한 조성으로 자연에 존재한다. 백운모(muscovite) 및 금운모(phlogopite)가 상업적으로 중요한 천연상태로 존재하는 두 운모이다. 플루오로플로고파이트(fluorophlogopite)는 널리 사용되는 합성 운모이다. 천연 및 합성 운모 둘 다 스멕타이트(smectite)를 포함하는 다양한 기타 관련 규산알루미늄, 및 몬모릴로나이트(montmorillonite), 베이델라이트(beidellite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 버미큘라이트(vermiculite), 활석 및 다양한 클로라이트(chlorite) 및 일라이트를 포함하는 관련 2:1-층 광물과 마찬가지로 본 발명의 실시에 사용하기에 적합하다. 본 명세서에서 사용된 용어 "운모"는 그러한 소위 "평균적 음전하(average negative charge)" 규산알루미늄 모두를 포함하는 용어로 사용하고자 한다. 예를 들어, 다수의 상기 규산알루미늄에 대한 설명을 위해서는 미국특허 제4,707,298호를 참조하라. 운모는 그 높은 유전강도, 균일한 유전상수, 낮은 전력손실(높은 역율), 높은 전기 저항성 및 낮은 팽창 온도계수 때문에 많은 산업 응용예, 특히 전기 및 전자 산업에서 사용된다. 운모는 또한 600℃이상의 온도를 견딘다. 또한, 운모는 불연성이고, 연기 또는 기타 연무를 발산하지 않고, 열에 대한 불량 전도체, 특히 그 층에 수직방향으로 불량 전도체이다. 운모는 아크트래킹 및 전기적 부식에 대한 내성이 우수하고, 용매, 산, 염기 및 광유와 같은 대부분의 화학적 시약에 대한 내성을 가진다. 또한 우수한 압축 강도를 가지며, 장력 및 휨응력의 존재하에 잘 작동한다.
다른 응용예 중에서도 와이어 절연체용 테이프에 사용하기 위한 운모지(mica paper)의 제조는 잘 공지되어 있다. 한 제조 공정(기계적 공정)은 상기 광물을 고도로 가압된 워터젯(Water jet)의 작용을 받게하여, 일반적으로 운모 광물의 유리한 물리적 및 화학적 특성을 유지하는 수 ㎛ 두께의 평평한 입자를 생산한다. 생성된 물 슬러리를 일종의 제지기계에 공급하여 운모지의 연속적 시트를 주조한다. 운모 광물의 평평한 입자로의 박리를 위한 기타 공정들은 열화학 및 소성 공정을포함한다. 이어서, 생성 수성 슬러리를 상기 기계적 공정에 의해 제조된 것과 동일한 방식으로 처리한다.
그러나, 상기 운모지의 화학적 및 기계적 특성은 이들이 산업 응용예에서, 특히 와이어 및 케이블 절연체로서 사용되기 전에 상당히 개선되어야 한다. 이제까지는 이를 고분자 재료(함침제)로 운모지를 함침시키고 상기 운모지를 중합체 필름 또는 유리 섬유 피복과 같은 보강 재료에 적층시켜 운모 시트(본 명세서에서 사용된 용어 "운모 시트" 및 "운모 테이프"는 상기 함침 보강 운모 제품을 말한다; 운모 테이프는 일반적으로 비교적 길고 좁다란 운모 시트지의 스트립(strip)을 말하며 보통 공지된 기술에 의해 운모 시트로부터 제조된다)를 형성하는 식으로 행하여 왔다. 선행기술의 운모 시트 또는 테이프에서, 함침제는 또한 일반적으로 상기 운모 시트와 유리 섬유 또는 고분자 필름 보강재 사이에 개재된 접착층으로서 작용한다. 상기 유리 섬유의 경우, 함침제는 보통 유리 섬유를 관통하기도 한다. 이들 구조에서, 함침 용액은 운모지 및 보강층을 접촉시키는 동안 또는 그 후에 적용할 수 있다.
선행기술의 유연성 운모 시트 및 테이프는 거의 대부분 하기의 삼층 구조에 특징이 있다: 중합체로 함침된 운모지 층, 보강층 및 상기 함침지와 보강층 사이에 끼워넣은 접착층. 상기 함침 중합체 및 접착층은 한단계 또는 별도의 단계에서 적용되는 동일하거나 상이한 재료일 수 있다. 운모지 함침은 운모 입자의 물흡수 및 박리를 예방하기 위해 필요하다; 함침 재료는 대체로 에폭시 또는 실리콘과 같은 열경화성 재료이다. 운모지를 함침시키기 위해, 상기 층은 한 단계 또는 별도의 단계에서 적용되는 동일하거나 상이한 재료일 수 있다. 운모지 함침은 운모 입자의 물흡수 및 분리를 방지하기 위해 필요하다; 함침 재료는 대체로 에톡시, 실리콘 또는 폴리이미드와 같은 열경화성 재료이다. 운모지를 함침시키기 위해, 함침은 일반적으로 운모지의 박리를 유발하지 않는 상대적으로 비극성인 유기 용매에서 중합체 또는 중합체 전구체의 용액과 같은 상대적으로 비점성인 혼합물로서 적용된다. 보강층은 유리직물(glass fabric), 연속 유리섬유, 및 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리이미드 및 플루오로폴리머와 같은 다양한 중합체 필름을 포함할 수 있다. 직물 또는 섬유를 보강재로서 사용할 경우, 상기 접착층은 일반적으로 보강제 안으로 연장되고 보강재를 다소 에워싼다.
유연성 운모지 테이프를 보강하기 위한 현재 공지된 재료, 구조 및 방법들은 다음과 같은 다수의 결점을 보인다: 과도한 두께, 강성, 고온 및(또는) 용매에서 박리되는 경향, 열적 불안정성, 환경 비친화성 및 자동 밀폐되지 않는 표면 및(또는) 결합이 어려운 표면. 따라서, 이들은 기체(機體) 와이어 또는 케이블 절연체와 같은 저비용, 경량 및 박막 제품의 제조에 불리하다. 선행기술은 소위 "초"박형 테이프에서 고성능 내화성 및 25㎛의 두께를 제공하기 위해 청구된 모든 실시예에서 두께 75㎛이상의 운모 테이프 층들의 사용을 교시하고 있다. 더구나, 반복적으로 보강층이 운모지에 적층되는 공정 동안 파열 또는 접힘없이 취급하기 위해 12㎛ 이상의 두께이어야 한다. 이러한 보강층들은 중간크기의 전도체 상에서도 강성 테이프를 테이프-랩핑하는데 필요한 인장 강도를 제공하기 위해 두께가 종종 25-50㎛이다. 접착층은 또한 그것에 보강재를 결합시키는데 사용되는 적층 방법의 성질및 운모지의 다소 불균일한 표면으로 인해 테이프 두께에 상당히 기여한다.
선행기술 운모 시트 및 테이프 구조 및 제조 방법의 결과는 이들이 뻣뻣하다는 것이다. 와이어 및 케이블 응용에서, 강성 테이프는 고 장력이 테이프-랩핑 동안 인가될 경우 조차도 소규격 전도체(예; 0.50mm2은 20 미국 와이어 규격(20 AWG)에 해당함)에 동조(conform)하지 않을 것이다. 강성을 감소시키거나 유연성을 증가시키기 위해, 보통 더 얇은 테이프 제조를 고려할 것이다. 그러나, 상기 논의된 바와 같이, 이것은 공지된 구조 및 방법을 사용할 경우 개연성이 없다. 유리직물을 부분적으로 운모 테이프 보강재로서 사용하여 테이프 유연성을 개선시켜 작은 규격 와이어에 대한 보다 우수한 동조성(conformaity)를 제공한다. 그러나, 이 보강재는 그 구조에서 중첩되는 섬유들 때문에 37㎛이상의 두께를 갖는다. 유리직물은 운모 층이 권장되는 바와 같이 전도체에 인접하여 랩핑될 경우 매우 거칠거나 아니면 불균일한 외부 표면을 제공하게 만드는 추가의 불리한 점을 갖는다(바깥을 향한 운모 층으로 선행기술 테이프를 랩핑하면 운모가 테이프를 끊고 벗겨 떨어지게 한다). 따라서 유리직물을 사용할 경우, 항상 바람직한 평활한 와이어 절연 표면을 얻기 위해, 불규칙한 운모 테이프 질감을 매끄럽게하여 소직경, 경량 와이어 절연체를 제공하는데 있어서 장애를 없애도록 압출 또는 테이프-랩핑에 의해 특히 두꺼운 중합체를 층상에 적용해야 한다. 더 유연한 운모 테이프를 제공하는 또 다른 방법은 종이 함침 및 접착층 둘 다에 대하여 실리콘 중합체를 사용하는 것이다. 실리콘 중합체는 반복되는 기 -Si(R1)(R2)O- 및 -Si(R1)O2-에 특징이 있으며, 상기기들 중 후자는 가교를 제공하는 작용을 함으로써 용매에 대한 불용성을 제공하는데, 여기서 R1및 R2는 최대 열 및 산화 안정성을 얻기 위해 알킬 및(또는) 아릴기, 바람직하게는 메틸 또는 페닐기이다. 실리콘수지가 최대 유연성 운모 테이프 구조를 제공하지만, 메틸 및 페닐 치환체를 갖는 실리콘수지조차 200℃이상에서는 열 산화적으로 열화되기 쉽다. 산화적 열화는 실리카(SiO2)가 풍부한 중합체가 되게 하며, 이는 비산화 실리콘 중합체보다 더 뻣뻣하다. 따라서, 200℃를 초과하는 응용예에서 사용하는 동안, 실리콘수지는 지속적으로 산화될 것이며 훨씬 더 강성이 될 것이다. 운모 테이프가 실리콘 중합체를 다량 함유한다면 와이어 절연체가 상대적으로 경미하게 휠 경우에도 갈라지는 경향이 있게 한다.
미국특허 제4,286,010호는 엘라스토머 함침제, 즉, 톨루엔 용액으로서 적용된 폴리부타디엔과 결합된 유리직물 보강재와 운모지의 조합을 개시한다. 이 함침제는 서로 접촉하는 두개의 층으로서 운모지 및 직물 모두에 적용되고, 상기 용액은 동시에 운모지를 함침시키고 직물을 봉입하여 두 층을 함께 결합한다. 따라서, 생성된 운모 시트 또는 테이프는 운모지와 유리직물 층 사이에 위치하는 폴리부타디엔 층을 포함한다. 미국특허 제4,704,322호는 에폭시 함침 재료를 사용하는 것을 교시한다. 상기 함침 용액은 두 층이 접촉된 후 또는 접촉되는 동안 운모지-유리직물에 재차 적용되며, 상기 구조물은 직물에 대한 결합을 형성한 운모지의 표면 상에 에폭시를 소유한다. 미국특허 제4,707,209호는 수분 흡수에 대한 내성을 개선하기 위해 첨가제를 함유하는 폴리실록산 결합제 5중량％ 내지 14중량％로 함침된 다수의 운모지를 포함하는, 테이프 랩핑에 불안정한 경질 운모 시트를 교시한다. 이 적층물은 중합체 필름 또는 직물 보강제를 사용하지 않는다. 미국특허 제4,769,276호는 전기 또는 광학 섬유 케이블을 위해 운모 코팅된, 전기절연 및 내화성(fire-proofing) 접착 테이프를 교시하고 있는데, 상기 테이프는 결합제 재료가 운모지와 지지 시트 사이에 끼워져 있는, 결합제 또는 접착제에 의하여 운모지 시트에 결합된 1종 이상의 보강 또는 지지 시트 및 1종 이상의 운모지를 포함한다. 미국특허 제5,079,077호는 운모지, 유리직물 보강층, 및 보강층에 코팅되고 그 안으로 함침된 실리콘수지 접착층을 포함하는 전선을 위한 절연 테이프를 교시한다. 모듈러스를 과도하게 증가시키는 것을 피하기 위해 이 구조물에서 운모지는 함침되지 않지만, 상기 실리콘수지 접착제는 상기 운모지와 직물 사이에 다시 삽입되어 두 층을 함께 결합시킨다. 유럽특허출원 제 059,866호는 중합체 필름 또는 다공성 중합체 시트에 용융결합된 다음 프리프레그(prepreg) 형태로 수지가 함침되어 운모지와 보강층 사이에 필요한 결합을 제공하는 중합체 피브릴(fibril) 9중량％ 이하를 함유하는 운모지를 포함하는 절연 시트를 교시한다.
이들 선행기술 구조물 전부에서, 접착층이 운모지와 보강층(예; 중합체 필름 또는 유리직물) 사이에 삽입된다. 이러한 층은 얇을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 테이프의 총중량 및 두께가 상당히 더해지고, 특히 매우 얇은 테이프를 만들려는 시도에서는 더욱 그러하다. 이 접착층은, 특히 이것이 거의 항상 경화되기 때문에 테이프 강성을 증가시키기도 한다. 더구나, 상기 선행기술에서 기술한 방식으로 사용될 수 있는 거의 모든 함침제(즉, 운모지를 보강재에 결합시키기 위해 용액중의 함침제를 사용)가 200℃를 초과하는 온도에서 산화적 분해가 일어나므로, 이들 선행기술 운모 테이프는 이 온도를 초과하는 온도에서 불안정한 경향이 있고, 시간경과에 따라 취화(brittle)되기 쉽고, 깨지기 쉽다. 선행기술 테이프의 제조에서 다량으로 사용되는 이러한 경화 함침제는 일반적으로 탄화수소 용매 기재 시스템으로 적용되며, 따라서, 이들은 증발 용매의 포집을 위해 사용되어야 하는 환경 또는 폐수처리 시스템에 무거운 부담을 제공한다.
유럽특허출원 제525,795호는 후속 경화되는 점성 액체로서 운모지 상에 코팅된 불화 폴리우레탄의 용도를 교시한다. 상기 폴리우레탄은 상기 다층 구조를 위한 접착제로서 또는 운모의 박층 구조에 보강 코팅으로서 작용한다. 폴리우레탄은 초박층, 예컨대 두께 1 내지 5㎛의 박층 형성에 도움이 되지 않는 점성 액체이다. 또한, 상기 점성 재료는, 특히 폴리우레탄에 대한 우수한 용매의 존재하에 운모지 층을 실질적으로 관통하지 않고 이 층에 결합될 것이다. 또한, 폴리우레탄을 경화하는 시간은 매우 길며(예; 150℃에서 1시간), 따라서 그러한 코팅을 이용하는 것은 시간 소모가 부적절하게 많다. 그러한 긴 경화시간은 연속적 운모 시트 또는 테이프 제조에 알맞지 않으며, 나아가 제조 비용을 증가시킨다. 따라서, 상기 유럽특허출원에 기술된 제조 방법 및 재료는 응용범위가 매우 좁으며, 예를 들어, 운모지에 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 또는 폴리에틸렌 필름과 같은 보강제를 적용하는데 사용할 수 없다.
운모 박편(flake)을, 대체로 중간 슬러리 또는 용액 단계를 통하여 중합체 중에 분산시키는 것도 또한 알려져 있다. 일본특허 출원공개 제60/253,105호(이노우에)는 방향족 폴리이미드및 1 내지 33％의 운모 입자를 포함하는 혼합물로 된 28㎛ 층으로 전도체를 코팅하여 제조된 와이어(절연파괴 및 컷스루에 대한 내성으로서 기술됨)를 기술하고 있다. 이 출원에서 운모는 충전제로서 존재하며, 폴리이미드를 강화하는 작용을 한다. 미국특허 제3,520,845호는 고성능 중합체로 개별적으로 감싼 운모 박편을 포함하는 전기 절연 시트 재료를 교시한다. 유럽특허출원 제 155,191호는 경화가능한 액상 수지 중의 운모 박편의 슬러리를 형성하는 단계, 운모 박편의 피복이 존재하도록 하는 두께의 슬러리 층을 형성하는 단계, 및 이어서 그렇게 형성된 층을 가압 경화하는 단계를 포함하는 시트 또는 스트립 형태로 전기 절연 재료를 형성하는 방법을 교시한다. 상기 복합물은 뻣뻣하고(하거나) 운모지의 충전밀도가 운모 및 결합제의 혼합물로부터 테이프를 형성하여 달성되는 것보다 훨씬 크므로 불충분한 양의 운모 함유로 인하여 고효율 전선 및 케이블이 요구되는 컷스루 및 기타 기계적 특성이 불충분할 것이다.
유럽특허 공고 제770,259호(1997. 5. 2 공고)는 다층의 유리-피복으로 지지된 운모 테이프를 사용하여 중첩비율이 낮게 운모 테이프를 랩핑하는 것을 교시한다. 미국특허 제3,900,701호는 실록산 중합체가 함침된 운모 시트로부터 제조된 운모 테이프로 이루어진 2층 이상의 유전성 재료를 포함하는 다층 절연체를 갖는 케이블을 교시한다.
미국특허 제3,823,255호는 전기 전도체 코어, 상기 전도체를 에워싸는 무기 전기절연 재료(예; 운모 테이프)의 제1 난연성 장벽층, 상기 제1 장벽층을 덮는 중합체 층 재료, 상기 제1 중합체 층을 에워싸는 제2 난연성 무기 장벽층(예; 운모테이프) 및 마지막으로 제2 중합체 덧층(overlayer)을 포함하는 케이블 구조물을 교시한다. 영국특허출원 제2170646호는 운모-실리콘수지 테이프로 나선형 랩핑된 다전도체(multi conductor) 케이블을 교시한다. 미국특허 제4,031,286호는 불화탄소 중합체, 콜로이드성 실리카 및 운모 입자를 포함하는 수성 코팅 조성물을 교시한다. 미국특허 제4,079,191호는 전도체를 에워싸는 운모함유 절연층 및 상기 운모함유층을 에워싸는 플루오로폴리머 외피로 된 별도로 적용된 층을 포함하는 다층 와이어 절연 시스템을 교시한다. 상기 문헌은 또한 상기 플루오로폴리머 외층이 압출 또는 분말 코팅에 의해 도포될 수 있음도 교시한다. 모든 선행기술 와이어 및 케이블은 이러한 절연 와이어 및 케이블이 이용하는 선행기술 운모 테이프에 대하여 이제까지 확인된 성능 단점들 중 하나 이상을 가지고 있다. 상기 선행기술 운모 테이프는 운모지에 보강재를 결합시키는 용매 감수성 함침 재료의 사용으로 인하여 용매중에서 박리되는 경향이 있다. 이 결합 층 및 일반적인 함침 재료는 또한 아주 온화한 온도에서도 열 시효 과정에서 산화 및 열화되는 경향이 있어 취화되고 찢어지기 쉬운 와이어 절연체를 제공한다. 또한, 상기 테이프는 두껍고 상대적으로 뻣뻣하여 초박형, 경량 와이어 절연체, 특히 소직경 전도체를 제조할 수 없다. 마지막으로 선행기술 방법 및 구성을 사용하는 와이어 및 케이블 절연체를 위한 운모 테이프 보강에 대하여 공지된 방법 및 재료들은 인접 운모 테이프 또는 기타 와이어 절연 재료에 결합 또는 자동 밀폐될 적절한 보강 재료(예; 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 퍼플루오로폴리머) 또는 표면 코팅(즉, 압출 또는 테이프 랩핑된 외부 코팅)을 갖는 충분히 평활한 초박형 테이프을 제공하지 않는다. 운모테이프와 외부 중합체층 간의 강한 결합력은 접힘이 없고, 탈피가능하며 기계적으로 질긴 와이어 및 케이블 절연체를 제공하기 위하여 필요하다.
현재 통용되는 형태의 운모 테이프로 제조된 와이어는 대체로 전도체에 접하여 랩핑된 다음, 압출 또는 테이프-랩핑에 의하여 외부 중합체층을 적용한 운모 테이프층 또는 층들로 구성된다. 사용된 전도체는 선행기술의 운모 테이프가 상대적으로 뻣뻣하고 따라서 더 작은 전도체에 대하여 용이하게 동조될 수 없기 때문에 일반적으로 중간 내지 큰 사이즈, 미국특허 제4,079,191호(Robertson)에 예로서 인용된 바와 같이 0.50mm2(20AWG) 내지 8.0mm2(8AWG)이다. 로버트슨(Robertson)은 상기 통상적인 구성을 갖는 75 내지 130㎛(0.003 내지 0.005인치) 두께의 운모층을 포함하는 테이프(General Electric으로부터 시판되고 있는 테이프)의 용도를 교시하고 있다; 이는 필요한 내화성 특성을 얻기 위하여 요구되는 것으로 생각되는 운모 두께이다. 경량 구조물에서 사용하기 위한 "초박형(exceptionally thin)" 유리-운모 테이프를 포함하는 와이어는 문헌["New Silicone Technologies for Flame Retardant Wire Constructions";International Wire and Cable Symposium Proceedings, page 567(1986)](Hartley 등)에서 기술하고 있다. 상기 문헌에 기술된 "초박형(super-thin)" 테이프는 두께 75㎛(0.003인치)이고, 두께 25㎛의 운모층 및 보강재로서 50㎛의 유리직물을 포함한다. 실리콘수지 함침 재료가 함침되고 운모지를 보강재에 결합시킨다. 상기 와이어도 기타 선행기술 와이어 및 케이블에 대하여 기술된 단점들을 가진다. 이들 "초박형" 테이프도 박막 및 경량을 요구하는 매우 까다로운 기체(機體) 와이어 응용에 사용하기에는 부적합하다.
본 발명은 절연 전기 전도체에 관한 것이다.
본 발명은 도면들에 의해 예시되며, 도 1은 본 발명의 절연 전기 전도체의첫번째 실시태양의 단면도이다.
도 2는 코팅 운모 테이프 층과 전도체 사이에 개재된 중합체층을 갖는 본 발명의 전도체의 절연 전기 전도체의 두번째 실시태양이다.
도 3은 코팅 운모 테이프의 두 층 사이에 개재된 하나의 중합체 층을 포함하는 본 발명의 절연 전기 전도체의 세번째 실시태양이다.
도 4는 함침 운모지의 한 면만을 중합체 층 코팅을 적용한 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프의 첫번째 실시태양이다.
도 5는 함침 운모지의 상하 양면에 중합체 코팅을 포함하는 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프의 두번째 실시태양이다.
도 6은 함침 운모지의 상하 양면에 적용된(동일하거나 상이하게 할 수 있음) 두 중합체 층을 포함하는 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프의 세번째 실시태양이다.
도 7은 함침 운모지의 각 면에 적용된 세 중합체 층(동일하거나 상이한 중합체)을 포함하는 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프의 네번째 실시태양이다.
도 8은 두 중합체 층 사이에 개재된 사(yarn) 층을 포함하는 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프의 또 다른 실시태양이다.
<발명의 요약>
와이어 절연체에 대하여 목적하는 성능 특성들이 어느 정도는 모순되는 것을, 예컨대 경량 및 작은 두께는 높은 컷스루 내성과 양립불가능한 경향이 있음을 쉽게 알수 있다. 따라서, 다중 절연층을 포함하며, 다수의 성능 특성에서 현재의 와이어 구조물보다 특히 우수한 와이어 및 케이블 구조가 요구되고 있다. 특히, 본 발명의 목적은 우수한 탈피성, 난연성, 열 안정성, 컷스루 내성, 마모 강도, 용매 내성을 가지며, 가수분해 및 아크트래킹에 대한 내성을 갖는 재료를 포함하는 아주 우수한 와이어 구조물을 제공하는 것이다. 또한, 후막 및(또는) 무거운 층으로 된 절연체를 요구하지 아니하고 이러한 이점을 제공하는 와이어 구조물이 특히 바람직하다.
중량 및 크기를 감소시키기 위해 더 얇고, 다양한 기재(특히 소직경 와이어)에 동조하도록 더 유연하고, 개선된 열적 성능을 제공하고, 용매 또는 열에 노출되는 과정에서 박리에 대한 내성이 있고, 보다 환경친화적인 공정을 사용하여 제조될 수 있는 제품을 위한 특수한 운모 시트 및 테이프 제품 및 방법이 추가로 요구되고 있다. 다양한 중요 취급 및 성능 요구를 충족시키기 위해, 자동 밀폐되거나 아니면 운모 테이프를 자신 및 와이어 절연체, 예컨대 테이프 랩핑되거나 압출된 외부 중합체 층에 결합되도록 하는 재료를 포함하는 제품을 위한 운모 시트 또는 테이프 및 방법을 제공하는 것도 또한 가치있을 것이다.
본 발명은 기다란 전기 전도체, 상기 전도체를 에워싸는 전기 절연체를 포함하는 절연 전기 전도체를 제공하는데, 여기서 상기 절연체는 상기 전도체와 직접 물리적으로 접촉되고 에워싸는 내부 전기 절연층(상기 내층은 하기 설명되는 바와 같이 랩핑되고 코팅된 운모 테이프층을 포함함) 및 상기 내부 운모함유층과 직접 물리적으로 접촉하고 에워싸는 압출되거나 테이프 랩핑된 중합체 외부 전기 절연층을 포함한다. 상기 형태의 다층 구조물도 또한 본 발명에서 고려된다. 따라서, 첫번재 양태에서, 본 발명은
(a) 기다란 전기 전도체, 및
(b) (i) 제1 중합체 함침제 약 2 내지 약 30중량％를 함유하고 제2 중합체의 분산액으로부터 퇴적된 중합체층으로 적어도 한면에 코팅된, 상기 전도체를 에워싸는 코팅 운모 테이프 내층 및
(ii) 상기 코팅 운모 테이프 층을 에워싸는 중합체 외부 전기 절연층을 포함하는, 상기 전도체를 에워싸는 전기절연체
를 포함하는 절연 전기 전도체를 제공한다.
본 발명은 나아가 제1 중합체 함침제 2 내지 30중량％를 함유하는 운모지 코어 및 제2 중합체의 분산액, 바람직하게는 수성 분산액으로부터 상기 함침 운모지의 적어도 한면 위에 직접 퇴적된 제2 중합체 층을 포함하는 신규한 코팅 운모 시트 또는 테이프 제품을 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 운모 시트 또는 테이프 제품을 제조하는 신규한 방법을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "함침(impregnated) 운모 테이프 또는 시트"는 상기 분산액 도포된 중합체 층의 적용 전의 함침된 운모지를 말한다. 이러한 중합체 층의 적용 후의, 본 발명의 운모 시트 또는 테이프는 "코팅(coated)" 운모 시트 또는 테이프라 칭할 것이다. 상기 중합체 분산액 코팅은 함침 운모 시트 또는 테이프의 양면 또는 어느 한 면에 적용될 수 있다. 이어서, 이 코팅 테이프 또는 시트는 캘린더링되어 목적하는 평활한 표면을 이룬다.
<발명의 상세한 설명>
본 발명의 절연 전기 전도체의 같은 요소를 같은 번호로 표시한 도면을 살펴보면, 도 1은 본 발명의 첫번째 실시태양의 절연 전기 전도체를 통하여 전면에서 본 단면도이다. 절연 와이어(20)은 각각 금속 도금(14)이 된 금속 와이어(12)의 가닥들로 나타낸, 기다란 전기 전도체(10)을 포함한다. 전기 전도체(10)은 별법으로는 도시한 스트랜디드 와이어(연선; stranded wire)보다는 솔리드 와이어(solid wire)일 수 있지만, 항공우주 응용에서와 같은 진동이 요인인 응용에서는 스트랜디드 와이어가 일반적으로 바람직하다. 다양한 금속으로 된 솔리드 및 스트랜디드 와이어 모두 본 발명의 코팅 운모 테이프를 사용하여 적합하게 절연될 수 있다.
전기 전도체(10)은 대체로 구리이지만, 동(銅)합금, 알루미늄 또는 기타 전도성 금속일 수 있다. 금속와이어가 구리 또는 동합금일 경우, 금속 도금(14)로 도금되어 산화효과로부터 구리를 보호하고 전도체의 납땜성(solderability)을 개선하지만, 도금되지 않은 구리 또는 동합금 와이어도 본 발명의 전기 전도체로서 사용하기에 적합하다. 전형적인 금속도금(14)은 주석, 은, 니켈 또는 기타 통상적으로 사용되는 도금용 금속이다. 상기 도금은 대체로 고순도 금속을 균일한 두께로가닥을 포함하는 개별 와이어에 전기도금하여 제조된다.
스트랜디드 동선(동연선; stranded copper wire)은 여러개의 배열상태로 이용가능하다. 상기 와이어는 중심코어가 동일한 배치 방향(lay direction) 및 동일한 배치 길이(lay length)로 나선형으로 권축된 가닥들로 된 1 이상의 층에 의해 둘러싸인 유니레이(unilay) 구조를 가질 수 있거나; 중심코어가 번갈아 바뀌는 배치 방향 및 증가하는 배치 길이로 나선형으로 권축된 가닥들로 된 1 이상의 층에 의해 둘러싸인 동심연선(concentric stranding)으로 구성될 수 있거나; 중심코어가 동일한 배치 방향 및 증가하는 배치 길이로 나선형으로 권축된 가닥으로 된 1 이상의 층에 의해 둘러싸인 단일방향 동심연선으로 구성될 수 있다.
상기 스트랜디드 동선은 많은 상업적 출처로부터 쉽게 구입할 수 있다. 예를 들면, 미국 뉴욕 오시닝에 소재한 회사[Hudson Internationl Conductors]는 각각 주석 전기 도금층으로 코팅된 직경 200㎛(32 AWG)의 구리 가닥 19개로 구성된 유니레이 스트랜디드 동선을 공급한다. 상기 19/32 AWG 스트랜디드 와이어는 공칭 외측 직경 약 950㎛를 가지며, 등가 전도체 직경 813㎛(20 AWG)를 가진다. 즉, 이것은 813㎛ 직경의 (20 AWG) 솔리드 동선과 유효 등가로서 간주된다.
전기 전도체(10)은 2층 전기 절연체(20)에 의해 둘러싸인다. 이러한 첫번째 실시태양의 내부 전기 절연층(22)은 전기 전도체를 직접 에워싸며 이하 더 상세히 기술되는 본원발명에 따라 랩핑된 코팅 운모 테이프를 포함한다. 코팅 운모 테이프 층(22)는 또한 이하 더 상세히 설명되는, 압출되거나 테이프-랩핑된 중합체 외부 전기 절연층(24)로 에워싼다.
상기 첫번째 실시태양에서, 내부 전기 절연층(22)를 형성하는 코팅 운모 테이프는 당업계의 통상적인 숙련자에게 공지된 방법으로 전기 전도체(10)에 랩핑된다. 표준 테이프-랩핑기는 시판되고 있으며, 예를 들어 미국 매사추세츠주 노쓰 빌레리카에 소재한 [United Stated Machinery Corporation] 또는 미국 매사추세츠주 노웰에 소재한 [E.J.R. Engineering and Machine Company Incorporated]와 같은 회사들로부터 구입할 수 있고, 전기 전도체를 절연 테이프로 랩핑하기 위한 이들 또는 유사 기계를 사용하는 기술은 잘 알려져 있다.
내층(22)은 단일 또는 여러층의 코팅 운모 테이프로 이루어질 수 있다. 단일 테이프 층을 제공하기 위해, 상기 테이프는 약 0％ 중첩도로 랩핑된다. 즉, "경계선 랩핑(butt-wrapped)" 된다. 그러나, 경계선 랩핑에 있어서, 테이프의 인접 랩 사이의 작은 틈은 생산제조 환경에서 불가피하다. 따라서, 대략 50％의 중첩도를 사용하거나, 별법으로는 각각 경계선 랩핑된 두개의 테이프를 적용하여 얻어질 수 있는 2층 이상의 코팅 운모 테이프를 제공하는 것이 바람직하다. 2층의 경계선 랩핑 테이프 경우에, 두번째 경계선 랩핑된 테이프층은 가장 안쪽의 첫번째 테이프 층의 인접 랩 사이에 발생할 수 있는 작은 틈을 거의 덮도록 랩핑되어야 한다. 상기 두층 경계선 랩핑 구조물은 더 평활하게 마무리된 와이어 표면 윤곽을, 특히 압축된 외층과 함께 제공하게 되지만, 중첩 정도가 본 발명의 중요 특징은 아니다. 원한다면, 또한, 추가 층의 코팅 운모 테이프 적용하여 와이어에 개선된 기계적 강도(예; 더 큰 컷스루 내성)를 제공할 수 있다.
코팅 운모 테이프의 랩핑된 층 사이에 결합을 제공하기 위해, 코팅 운모 테이프의 적어도 한 면은 1㎛만큼 얇은 열가소성 중합체 코팅을 포함하는 것이 바람직하며, 운모지 층을 그 사이에 끼어넣은 상태로 상기 테이프의 양면 모두 열가소성 중합체 코팅으로 코팅되는 것이 더 바람직하다. 따라서, 이 테이프 중합체 코팅층이 그 융점에 도달할 경우, 접착제로서 기능을 하게 되며 상기 코팅된 테이프는 접한 층(예; 또 다른 운모 테이프 층) 또는 외부 압출 또는 테이프 코팅 층(24)에 결합되거나 자동 밀폐될 것이다. 두 코팅 운모 테이프 층 사이에서 만족할만한 결합을 얻기 위해, 상기 테이프는 상대적으로 평활한 표면을 가져야 하며 밀접하게 접촉되어야 한다. 이것은 테이프-랩핑 단계 과정에서 충분한 장력을 이용하여 용이하게 할 수 있다. 상기 외층(24)의 적용 직전에 인라인 공정으로서 내층(22)를 가열하는 것도 유용할 수 있다. 결합 영역에 필요한 온도를 제공할 임의의 적합한 노(furnace)면 충분할 것이다(예; 유도, 적외선 또는 강제송풍 오븐). 상기 운모지 위에 코팅 중합체는 하기 설명과 같이 외층 절연층(24)와 병용가능한 것이 바람직하며, 또한 코팅으로서 상이한 중합체를 갖는 제2 테이프를 또한 제1 테이프층에 적용한다면, 다르게 코팅된 운모 테이프의 코팅층과 병용가능한 것이 바람직하다.
상기 외부 전기 절연층(24)는 압출 및(또는) 테이프-랩핑에 의해 적합하게 적용될 수 있는 임의의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 외부 전기 절연층(24)를 위한 적합한 재료로는 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체 및 플루오로폴리머(예; 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVDF), 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체(ETFE), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌)(CTFE), 폴리(헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체(FEP), 폴리(퍼플루오로프로필비닐에테르-테트라플루오로에틸렌) 공중합체(PFA), 폴리(퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌) 공중합체(MFA), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE))가 있다. 가수분해 및(또는) 아크트래킹에 내성이 가장 큰 와이어를 제공할 목적으로, 폴리에스테르(예; 폴리(에틸렌-테레프탈레이트) 공중합체(PET), 폴리(부틸렌-테레프탈레이트) 공중합체(PBT) 및 폴리(에틸렌-나프탈레이트) 공중합체(PEN), 및 폴리이미드와 같은 고도로 방향족인 중합체의 사용은 항공우주용 와이어 및 케이블에 바람직하지 않지만, 일부 응용예에서는 적합하다. 항공우주 응용에서 사용하기에 특히 유리한 와이어를 제공한다는 측면에서, 외층(24)에 사용하기에 가장 바람직한 중합체는 PFA, MFA 또는 ETFE, 특히 조사가교(radiation cross-linked) ETFE이다.
외층(24)의 재료는 그의 기본 중합체 성분을 참고하여 설명되었으며, 중합체 제제화 분야에서 통상적인 기타 성분을 함유할 수도 있음을 알아야 한다(예를 들면, 항산화제, UV 안정제, 안료 또는 기타 착색 또는 불투명화제(예; 이산화티타늄), 조사가교를 촉진시키는 프로라드(prorads), 난연제, 마킹을 촉진하는 첨가제 등). 외층(24)는 또한 1이상의 층, 예컨대, 아래에 위치한 외층(24)의 벌크는 이러한 첨가제의 일부 또는 전부를 함유하지 않으면서, 첨가제를 함유하여 마킹을 촉진하거나 특정 색상을 제공하는 가장 바깥쪽의 중합체 박층을 포함할 수도 있다.
상기 와이어 절연체를 포함하는, 코팅 운모 테이프 및 외층(22 및 24) 각각은 하나의 작동 또는 각기 적합한 상대적 라인 속도에 따라 별도의 작동으로 적용될 수 있다. 상기 외층(24)이 테이프-랩핑된다면, 양 층(22 및 24) 모두에 한단계 작동을 적용하는 것이 좋다. 상기 외층이 대체로 테이프-랩핑의 라인 속도의 10내지 100배로 전개되는 압출에 의해 적용된다면, 별도의 공정단계들을 층들(22 및 24)에 적용하는 것이 일반적으로 바람직하다.
본 발명의 두번째 실시태양은 도 2에서 도시하며, 내부 중합체층(16)이 전도체(10)과 코팅 운모 테이프층(22) 사이에 위치한다. 이러한 내층(16)은 분말 코팅, 테이프-랩핑 또는 압출과 같은 통상적 방법에 의해 적용될 수 있다. 내층(16)은 절연 스트립 힘 및(또는) 수축(shrink-back)과 같은 와이어 취급 및 보관 특성에 대한 조절 정도를 더 크게 할 수 있다. 적합한 중합체로는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체 및 플루오로폴리머(예; PVDF, ETFE, CTFE, FEP, PFA, MFA 및 PTFE)가 있다.
본 발명의 세번째 실시태양은 도 3에 나타내며, 중합체 층(18)이 두 코팅 운모 테이프 층(22A 및 22B) 사이에 위치한다. 이 실시태양에서, 상기 두 층(22A 및 22B)은 경계선 랩핑으로 적용하는 것이 요구된다. 중합체 층(18)은 일반적으로 층들(22A 및 22B) 사이에서 개선된 접착제 결합을 제공하여, 접힘 및 마모 내성과 같은 원하는 성능 특성을 개선한다. 이 실시태양으로부터 다양한 실시태양에 나타낸 운모 테이프 층이 코팅 운모지를 포함하지 않는 층 또는 층들을 포함할 수 있음을 알 것이다. 본 발명의 본 실시태양 및 기타 실시태양에서, 층(22)는 1 이상의 코팅 운모지 층을 포함하는 층을 나타내고자 하는 것이며, 외층(24)보다 전도체에 더 가까이 위치한다.
다중 운모 코팅 테이프 및(또는) 중합체층을 포함하는 본 발명의 기타 실시태양도 물론 생각할 수 있으며, 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 예시적 실시태양으로 나타낸 층(22)에서 사용된 상기 코팅 운모 테이프 자체 및 그 제조 방법도 모두 신규하다. 이 코팅 운모지 시트는 다음과 같이 제조한다: 운모지는 먼저 올리고머(중합체 전구체) 또는 중합체 용액으로 함침되고, 상기 용매를 증발시키고 올리고머 함침제는 경화시켜 충분한 구조적 일체성을 제공하여 추가 공정을 행한다. 이어서, 상기 함침지를 중합체 또는 하기 중합체들의 혼합물의 용매 분산액으로 코팅한다. 두께 최대 75㎛, 바람직하게는 50㎛ 미만, 가장 바람직하게는 35㎛ 미만인 시판되는 운모지가 적합하다. 적합한 종이는, 예를 들어 상표명 CogemicaTM(벨기에의 Cogebi사 제품)로 판매되고 있다. 상기 종이는 당업계의 숙련자에게 공지된 설비 및 기술을 이용하여, 전술한 임의의 공지된 천연 또는 합성 운모로부터 만들 수 있다.
상기 운모지는 크기적으로 안정하고, 후속 공정 단계에서 파열되지 않고 취급할 수 있으며, 요구되는 성능 특성, 특히 수분에 대한 내성을 갖는 종이를 제공하기 위해, 비수성 용매 중에서 일반적으로 단량체, 올리고머 또는 중합체로 함침된다. 운모지 함침을 위해 현재 사용되는 중합체도 이들이 그 자체로서 운모지에 손상을 주지 않는 용액으로서 상기 종이에 적용될 수 있다면 기타 중합체와 마찬가지로 적합하다. 적합한 용매로는 고급 알코올, 케톤 및 지방족 및 방향족 탄화수소, 및 이들의 혼합물과 같은 상대적으로 무극성 액체들이 있다. 함침 중합체는 열경화성(또는 그의 전구체) 또는 열가소성일 수 있다. 열경화성 함침제를 얻기 위해, 열경화성 중합체의 단량체 또는 올리고머 전구체의 용액, 예를 들어 폴리이미드, 에톡시 또는 실리콘의 중합체 전구체 용액을 적용할 수 있다. 이러한 중합체 전구체 용액은 운모지 함침을 위해 잘 알려져 있다(예; 상표명 KerimidTM(Ciba Geigy)로 판매되는 폴리이미드 전구체 용액, 상표명 EponTM(Shell)로 판매되는 에폭시 전구체 용액, 및 Wacker KTM(Wacker GmbH)로 판매되는 실리콘 전구체 용액). 실리콘과 같은 중합체 함침제 또는 적합한 용매 중에서 용액을 형성하는 탄화수소 엘라스토머도 적합하다. 고온 응용을 위해, 폴리이미드 및 실리콘 전구체 열경화성 수지는 바람직한 함침제이다. 특히, 메틸 및 페닐 치환 실리콘 중합체, -Si(R1)(R2)-O-(여기서, R1및 R2는 메틸 또는 페닐기임)는 우수한 열 안정성 및 아크트래킹 내성을 제공한다.
함침 중합체 용액은 임의의 다양한 방법, 예를 들어 침지, 키스, 접촉 또는 스프레이 코팅 또는 진공 함침으로 적용할 수 있다. 상기 중합체 용액의 적용 후, 일반적으로 그 비점보다 더 높은 온도에서 용매를 증발시키고, 열경화성 함침제의 경우, 더 높은 온도의 열처리가 가교 반응을 완료하고 최적의 기계적 강도를 얻기 위해 필요할 수 있다. 한 예로서 디메틸실리콘 중합체 함침제를 사용하면, 함침제 2 내지 30중량％를 운모지에 적용(초기 운모지 중량에 대한 백분율로서)하여 요구되는 크기 안정성 및 강도를 상기 함침된 종이에 제공하여 후속 단계의 코팅을 준비할 수 있다. 더 바람직하게는 상기 운모지는 촉매 및(또는) 열 개시 가교에 적합한 관능기를 함유하는 디메틸실리콘 중합체 3 내지 15중량％로 함침된다. 상대적으로 낮은 수준의 함침 중합체가 액상(바람직하게는 수성) 중합체 분산액으로 코팅하는 후속단계에 요구되는 용매 내성을 상기 운모지에 제공하는데 있어서 놀랍게도 효율적이다. 더 낮은 수준의 중합체 함침제의 사용은 몇가지 이점을 제공한다. 첫째, 생성 함침 운모 테이프는 높은 가용 온도에 노출시 함침제의 산화로 인하여 뻣뻣해지는 경향이 덜하다. 둘째, 함침제의 감소된 농도는 비록 용매가 안정하더라도 여전히 충분한 다공성이어서 물 또는 기타 액상 분산액 매질 중의 중합체 분산액으로서 적용되는 후속 적용 코팅에 눈에 띠게 강한 결합을 제공하는 운모 테이프를 제공한다. 상기 분산 중합체 입자는 운모지의 표면을 충분히 침투하여 강하게 부착하는 결합을 형성할 수 있다. 종전의 기술들은 운모지를 중합체 또는 유리 섬유 보강층에 결합시키기 위해 중간 접착층의 사용을 요구하거나 운모지의 표면 상에 후속 경화된 점성 코팅을 사용하였다. 본 발명의 코팅 운모 테이프는 임의의 그러한 접착층 또는 경화 코팅을 요구하지 아니하므로, 퍼플루오로폴리머와 같은 적합한 용매 분산성 중합체를 사용할 경우 주목할만한 열 안정성 및 용매 내성을 가져오며, 동시에 공지된 테이프보다 더 얇고 더 유연하다. 디메틸실리콘 이외의 중합체를 사용하는 함침 충전(loading)의 최적 범위는 상이할 수 있지만 일반적으로 상기 충전 범위 2 내지 30중량％ 내에 있을 것이다.
상기 함침 운모 테이프는 운반 액체 중에 중합체의 분산액으로 적어도 한 면을 코팅한다. 상기 분산액 중의 중합체는 중합체 함침제 중에 존재하는 제1 중합체와 다른 제2 중합체가 바람직하다. 본 발명자들의 지식으로는, 이 액상 분산액 코팅 기술은 이제까지의 운모지의 경우 이용된 적이 없다. 이 방법은 함침 운모지위에 직접 중합체 분산액을 적용하고, 건조 단계에서 운반 액체를 증발 제거한 다음, 상기 중합체를 그 융점보다 높은 온도에서 소결하여 연속 중합체 필름을 상기 종이 위에 제공하는 것을 포함한다. 중합체의 가장 통상적인(그리고 환경친화적인) 분산액은 수기재(water-based), 즉 수성 분산액이다. 이러한 분산액 중의 상기 중합체 입자는 대체로 직경 10 내지 500 나노미터의 범위에 있다. 적합한 시판되고 있는 수성 분산액의 예는 PTFETM30B 및 FEP 121ATM(둘 다 DuPont 제품)이다. 광범위한 시판되는 중합체 라텍스도 적합하다. 적합한 수성 분산액은 보통 중합체 40 내지 60％, 계면활성제 3 내지 10％를 포함하여 분산액 및 물을 안정화한다(즉, 조숙 침전 방지). 비록 수기재 분산액이 일반적이고 가장 환경친화적이지만, 다른 분산액들, 예컨대 알코올 분산액도 또한 본 발명에 적합하다. 상기 중합체 분산액은 함침 중합체를 적용하는데 사용되는 것들과 유사한 방법으로 함침 운모지에 적용될 수 있다. 건조 및 소결 후 균일한 중합체 코팅 두께를 얻기 위해, 주조과정에서 운모지 표면 상에 균일한 두께의 중합체 분산액으로부터 얻어지는 필름을 제공하는데 유의해야 한다. 이는 분산 액체가 실질적으로 제거되고 따라서 재료 유동이 정지될 때까지 분산액을 적용하는 동안 및 그 직후에 운모지를 수직으로 당겨서 이룰 수 있다. 분산 액체는 그 비점보다 높은 온도에서 일반적으로 제거되며, 퇴적된 중합체는 그 융점보다 높은 온도에서 소결되어 연속적이고 실질적으로 비다공성인 필름 안으로 개별 입자들을 융합시킨다. 상기 분산액의 적용, 건조 및 상기 함침 운모 시트 상에 중합체의 소결하는 단계들은 단일의 연속 공정으로 행하는것이 편리하다.
1 이상의 중합체 층을 연속적으로 상기 함침 운모지에 적용할 수 있다. 도 4에서, 함침 운모지(30) 및 중합체 분산액의 적용에 의해 얻어진 단일 중합체 코팅(40), 두 층으로 이루어진 본 발명의 코팅 운모 시트 또는 테이프(28)의 첫번째 실시태양을 도시한다. 중합체 코팅(40)은 단일 코팅 단계에서 얻어질 수 있거나, 동일한 분산액을 사용하는 다단계로 얻어질 수 있다. 중합체 코팅(40)에서의 균열(crack)(때때로 "건열(mudcrack)"이라고도 함)을 피하기 위해, 적용 필름의 두께를 약 5 내지 약 25㎛로 제한하는 것이 바람직하다(실제 최대 두께는 특정 분산 액체, 중합체 농도 및 분산액중의 중합체에 따라 다르다). 따라서, 약 25㎛보다 더 큰 두께를 갖는 중합체 층(40)을 원한다면, 1 이상의 코팅을 연속적으로 적용하는 것이 편리하다. 도 5에서는 함침 운모지(30), 상기 운모지의 한 면 위의 중합체 코팅(40), 및 상기 운모지의 다른 면 위의 제2 중합체 코팅(50), 세 층으로 이루어진 코팅 운모 시트 또는 테이프(28)의 두번째 실시태양을 제공한다. 중합체 코팅(40 및 50)은 동일하거나 상이한 중합체일 수 있으며, 단일 코팅 단계 또는 다단계로 적용될 수 있다.
이 코팅 운모 시트 또는 테이프의 세번째 실시태양은 도 6에 도시한 5층 구조물이다. 이 경우는, 추가의 박막 중합체 코팅(44 및 54)이 각각 중합체 층(40 및 50)에 적용된다. 중합체 층(44 및 54)는 각각 화학적 조성 및(또는) 분자량에 의해 층(40 및 50)과 구별된다. 층(44 및 54)는 별법으로는 두 시트 또는 테이프 사이에 접착을 촉진하거나 상기 시트 또는 테이프가 결합될 또 다른 재료의 접착을촉진하는 접착층일 수 있다.
본 시트 또는 테이프 발명의 네번째 실시태양은 도 7에서 제공된다. 이것은 함침 운모지의 두 면 위에 직접 주조된 박막 중합체 층(46 및 56)을 갖는 7층 구조물이다. 중합체 층(46) 위에 추가의 박막 중합체 층(40)이 주조되고 중합체 층(56) 위에 중합체 층(40)보다 더 두꺼운 층(50)이 주조된다. 마지막으로, 추가의 박막 층(44 및 54)가 층(40 및 50) 위에 주조된다. 층(46 및 56)은 예를 들어 운모 층(30)과 층(40 및 50) 간의 접착을 촉진할 수 있다. 다양한 기타 실시태양들이 가능하며, 예를 들어 층(40 및 50)이 같은 두께인 7층 구조물이 가능하며, 이들 모두가 본 발명의 범위내에 속한다.
충전제, 첨가제 및 보강재가 1 이상의 중합체 층에 포함될 수 있다. 충전제는 불용해성 중합체 입자 및(또는) 다른 것들 중에서 점토, 유리구, 유리섬유 및 발연 실리카와 같은 무기 입자를 포함한다. 중합체 층에 존재할 수 있는 첨가제로는 항산화제, UV 안정제, 안료 또는 기타 착색 또는 불투명화제(예; 이산화티타늄), 프로라드(조사가교를 촉진하는 첨가제) 및 난연제가 있다. 1 이상의 중합체 층에 연속섬유(예; 유리섬유 또는 사(絲)), 배향된 중합체 섬유 또는 유리직물을 포함시킬 수도 있다.
도 8은 사(絲) 층(50)이 비대칭 두께(54, 56)의 두 플루오로폴리머 층 사이에 위치한 본 발명의 또 다른 실시태양을 도시한다.
실시예 1
두께 15㎛, 폭 30cm 및 길이 100m이고 초기 인장강도 2.3N/cm을 갖는 시판운모지(CogemicaTM, Cogebi)를 톨루엔 중의 디메틸 또는 페닐메틸 실리콘 올리고머 용액(둘 다 구입한 대로 50중량％ 용액; Wacker K)으로 함침시켰다. 표 1이 표시된 바와 같이 톨루엔으로 원하는 농도로 희석시킨 후 실리콘 올리고머 용액을 키스-코팅(kiss-coating)에 의해 상기 운모지의 한 면에 적용하였다. 톨루엔을 150℃/30초에서 증발시켰는데, 이것은 또한 중합반응을 유도하였다. 상기 함침 운모지 내에 존재하는 실리콘 중합체의 중량퍼센트를 환류 KOH 용액으로 추출하여 측정하였다. 또한, 표 1에 상이한 두가지 농도의 디메틸 및 페닐메틸 실리콘 올리고머 용액을 사용하여 제조된 몇가지 표본에 대한 인장 강도 및 물 흡수 특성을 요약한다. 표본 3의 경우 4 중량％정도로 작은 소량의 실리콘수지 함침은 매우 우수한 물에 대한 내성을 제공함이 분명하다. 대조적으로, 처리되지 않은 운모지는 물과 접촉 즉시 사실상 분해된다. 추가의 중요하고도 놀라운 결과는 실리콘 올리고머 재료를 사용한 모든 충전에서 함침 운모지에 대한 인장강도의 주목할 만한 증가이다. 예를 들면, 겨우 4％의 디메틸 실리콘(표본 3)은 이러한 특성에서 8배 증가를 제공한다. 증가된 인장강도는 예를 들어, 더 큰 인장력으로 랩핑될 수 있는 운모 테이프를 제공한다. 테이프 장력은 탈피력(strip force) 및 테이프-테이프 접착과 같은 중요한 와이어 특성의 조절 및 튼튼한 테이프-랩핑 공정에 중요하다.
표본 실리콘 형 실리콘용액농도 함침지에서 측정된 실리콘 인장강도(N/cm) 물흡수
1 없음 처리안함 없음 2.3 분해
2 디메틸 25％ 15％ 24.0 0.4％
3 디메틸 10％ 4％ 19.0 1.2％
4 메틸페닐 15％ 20％ 18.7 ---
5 메틸페닐 6％ 8％ 13.8 ---
실시예 2
수성 분산액으로부터 실시예 1의 표본 2의 함침 운모지 위에 직접 중합체를 주조하여 도 6에 도시한 바와 같은 코팅 운모 테이프(28)의 5층 구조물을 얻었다( 중심의 함침 운모 테이프 층, 상기 운모지의 각 면에 결합된 PTFE, 및 FEP/PTFE의 상층). 각 중합체 분산액 층은 별도의 단계에서 상기 함침 운모지 위에 주조되었다. 퍼플루오로폴리머 기재 상에 습윤을 촉진하기 위해 1％ Zonyl FSNTM계면활성제(DuPont Corporation)를 가한 PTFE 30B의 수성 분산액(60％ 고분자 고형분; DuPont Corporation)을 키스 코팅에 의해 상기 함침 운모지 상에 코팅하였다. 가열(150℃/30초)하여 상기 분산액으로부터 물을 제거하고 PTFE를 소결(370℃/30초)하여 11㎛ 두께의 PTFE 층을 얻었는데; 이 키스 코팅, 건조 및 소결 단계를 하나의 연속 공정으로 연달아 행하였다. 이어서 PTFE의 11㎛ 코팅을 동일한 방식으로 운모지의 반대면에 적용하였다. 각각 2㎛ 두께의 상도(topcoat) 층을 PTFE 30B/FEP 120A 수성 분산액 혼합물(DuPont Corporation)으로부터 제조하고 이를 동일 조건하에서 적용하고, 건조시키고, 소결시켰다. 마무리된 5층 코팅 운모 테이프는 총두께 42㎛, 인장강도 29N/cm를 가졌다.
실시예 3
실시예 1의 표본 3의 함침 운모지를 여러개의 상이한 수성 중합체 분산액으로 연속적으로 코팅하여, 코팅 운모지의 각 면 위에 유사한 중합체 두께를 가진 것을 제외하고는, 도 7과 유사한 7층 구조물을 얻었다. 운모지의 두 표면에 직접 결합된 두 층은 실시예 2에서 사용된 1:1 PTFE 30B/FEP 120A 혼합물로부터 하나의 침지 코팅 단계로 주조되었고, 이러한 코팅의 각각은 두께가 2㎛이었다. 이어서 PTFE 30B(Zonyl FSN 분산제와 함께) 3㎛를 별도의 두 단계로 각 표면에 적용하였다. 마지막으로, 2㎛ 두께의 상도를 1:1 PTFE 30B/FEP 120A 혼합물로부터 주조하여 총두께 28㎛, 인장강도 11N/cm를 갖는 마무리처리된 코팅 운모 테이프를 얻었다.
실시예 4
유리사(絲)가 보강된 운모 시트(폭 30cm, 길이 100m)를 15㎛ 및 20㎛의 두 두께를 갖는 시판되는 운모지로부터 도 8에 도시한 바와 같이 제조하였다. 상기 운모지를 실시예 1의 표본 3의 경우와 같이 함침시킨 다음, 각 표면을 1:1 PTFE 30B/FEP 120A 혼합물을 2㎛로 코팅하였다. 유리사(Owens-Corning; D1800 1/0 1.OZ 620-1 7636)를 PTFE 30B 층을 10㎛로 적용하는 과정에서 운모 시트의 한 표면에 적용하였다. 상기 유리사를 PTFE 수성 분산액 층(습윤상태)에 연속적으로 공급한 다음, 곧바로 건조시키고 상기한 바와 같이 소결시켰다. 사밀도(yarn density)가 1 및 2사/폭 mm(1.0 및 0.5mm 간격)인 운모 시트 표본을 제조하였다. PTFE 30B/FEP 120A 의 1:1 혼합물로 된 최종 두께 2㎛의 상도를 유리사를 포함하는 상기 층에 적용하였다. 이러한 네가지 테이프의 인장강도를 하기 표 2에 나타낸다. OasisTM테이프(DuPont Corporation 제품)를 사용하여 상업적 복합 기체(airframe) 와이어를 제작하였다. 이 테이프는 양면에 PTFE 및 FEP로 코팅된 16㎛ 폴리이미드층을 포함한다. 1사/폭 mm의 유리사를 포함할 경우 상기 인장강도는 세배 증가하고, 2사/폭 mm의 경우는 상업적 Oasis 테이프에 의해 제공되는 것보다 더 큰 강도를 제공한다.
테이프 표본 사/mm 운모지 두께(㎛) 테이프 두께(㎛) 인장강도(N/cm)
실시예 3 0 15 28 11
실시예 4a 1 15 44 33
실시예 4b 2 15 44 67
실시예 4c 1 20 50 27
실시예 4d 2 20 50 71
Oasis 테이프 -- 16(폴리이미드) 30 54
실시예 5
중합체 박막을 실리콘 함침 운모 테이프에 적층시키는 것을 포함하는 선행기술의 제조 방법을 사용하여 운모 테이프를 제조하였다. 이것으로 선행기술 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 얇은 테이프의 용매 및 열 시효 특성을 본 발명의 코팅 운모 테이프 구조물 및 방법으로 얻어진 특성들과 비교하였다. 실시예 1의 표본 2의 경우와 마찬가지로 제조된 함침 운모지(함침 후 두께 20㎛)의 한 면을 1:1 PTFE 30B/FEP 120A 수성 분산액 혼합물로 된 5㎛ 두께의 층으로 키스 코팅하였다. 상기 운모지의 다른 면을 페닐메틸 실리콘수지(톨루엔 중 25％ 용액)로 된 두께 5㎛의 층으로 키스 코팅한 다음 150℃/30초로 건조시켜 점착성 표면을 제공하였다. 여기에 2롤 캘린더를 이용하여 19㎛ 두께의 PTFE 필름(DF1700 필름; ChemfabCorporation)을 적층시키고, 이어서 오븐 가열 경화(300℃/2분)를 행하였다. 상기 함침 운모지 위에 실리콘 층과 접촉한 이 DF1700 필름의 PTFE 표면을 접착을 촉진시키는 1㎛ FEP로 코팅하였다.
22℃에서의 Skydrol(등록상표) 500B(Monsanto; 통상적 항공우주 유압작동유(hydraulic fluid)) 및 320℃에서의 열 시효에 대한 내성에 대하여, 선행기술 적층방법으로 제조된 본 실시예 5의 테이프 성능을 본 발명의 코팅 운모 테이프(실시예 3에 기술된 것과 같은)와 비교하였다. 결과를 하기 표 3에 나타낸다. 첫째, 출발 물질로서 얇은 운모지 및 중합체 박막을 사용함에도 불구하고, 선행기술 테이프 제조 방법 및 구조물은 두께 49㎛를 갖는 테이프를 제공하였음을 알 것이다(본 실시예에서 비교된 바와 같이 본 발명의 코팅 운모 테이프 보다 21㎛ 더 두꺼움). 더 얇은 PTFE 보강 필름을 사용하여 선행 기술의 테이프 두께를 감소시키면 필름이 더 얇을 수록 더 비싸고 접힘 및 파열 경향으로 취급하기 어렵기 때문에 실용적이지 않다. 둘째, 본 발명의 코팅 운모 테이프의 Skydrol 500B에 대한 우수한 내성 및 선행기술 적층 방법에 의해 제조된 상기 테이프의 열등함은 본 발명의 낮은 중량 획득 및 박리에 대한 내성으로부터 명백하다. 이러한 매우 바람직한 작용은 본 발명의 코팅 운모 테이프 또는 시트의 방법 및 구조가 상기 중합체 보강층과 함침 운모지 사이에 개제된 접착 코팅을 이용하지 않기 때문에 얻어진다. 셋째, 본 발명의 코팅 운모 테이프는 320℃에서 5일간의 열 시효 후 열화되지 않지만, 선행기술 테이프는 오븐 내에서 탈색되고, 물러지고 마지막에는 박리된다. 상기 선행기술 테이프의 탈색, 무름 및 박리는 실리콘 접착제의 열적 열화의 직접적인 결과이다.
표 본 테이프 두께(㎛) Skydrol 500B(3일/22℃) 2일 후/320℃ 5일 후/320℃
본 발명(실시예 3) 28 4.9중량％증가;온전함 변화 없음(은색, 유연성) 변화 없음
선행기술적층물(실시예 4) 49 11.0중량％증가;박리 밝은갈색;취성(brittle) PTFE 필름박리
실시예 6
기계적 특성 측정 및 기체 와이어용 기타 와이어의 성능과 비교하기 위해 와이어 표본(0.35mm2(20AWG), 니켈도금 19-가닥 구리 전도체)을 제조하였다. 하기 표 4에서 상기 제조된 와이어 구조물을 요약한다. 표본 1 내지 5는 전도체에 접한 운모 테이프로 된 50％ 덧층으로 구성된다. 이러한 5개의 표본을 위한 외층은 50％ 중첩된 PTFE 테이프(GarlockTM테이프; NEO-LP-white 3579; 두께 1.5 밀, 폭 1/4 인치, 소결되지 않음, 레이저 마킹가능 테이프; Coltec Industries) 또는 압출된 PFA 450(DuPont Corporation)로 된 세 층이다. 내부 운모 테이프를 700℃로 고정된 오븐에서 25ft/분으로 가열하여 외부 절연층을 적용하기 전에 자체 밀폐시켰다. 외층으로 사용된 PTFE 테이프를 첫번째 두 층을 랩핑하고 세번째 층을 적용한 후 소결시켰다. Spec 55TM와이어는 가교 ETFE로 이루어진 시판되는 와이어(Raychem Wire and Cable, 55PC0213-20-9)이다. 상기 복합 와이어는 50％ 중첩된 Oasis 테이프 및 PTFE 테이프 외층으로부터 제조된 시판되는 제품(Tensolite, BMS 13-60-1/1-20)이다.
표 4에서 이러한 와이어의 기계적 성능을 실온(RT) 및 260℃에서의 컷스루 힘(Boeing Material Specification, BMS 13-60 당 반경 5밀 블레이드를 사용), 와이어-와이어 마모(BMS 13-60 당) 및 긁힘자국(scrape) 시험(반경 5밀 블레이드, 새김 길이 5cm, 30회 새김/분)에 대하여 비교한다. 운모 테이프 층을 포함하는 와이어 표본 1 내지 5 모두 PFA 450 와이어 표본과 실온에서 비교시 3배 이상의 컷스루 힘을 제공하며, 이러한 특성에 대한 운모 값을 보여준다. 비슷하게, 이러한 5가지 운모 테이프 와이어 표본에 대하여, 260℃에서 측정된 컷스루 힘은 PFA 450 및 Spec 55 와이어 표본 두 경우 보다 10배 이상 더 크다. 이러한 특성에 대한 산업적 목표는 50N이다. 와이어-와이어 마모에서 PFA 450 표본과 와이어 표본 4 및 5의 비교는 운모 테이프의 이점을 추가로 보여준다(운모 테이프 사용 경우 사이클(cycle)이 7 내지 10배 증가). 마지막으로, 운모 테이프를 사용하는 경우 긁힘자국 개선은 양호 내지 우수하며 와이어 표본 3 내지 5 및 복합 와이어 표본에 대한 비교로부터 알 수 있다. 외층으로서 PFA 450(표본 4 및 5)의 경우, 긁힘자국은 양호하다; PTFE 테이프를 외층으로서 사용한 경우(표본 3), 긁힘자국은 매우 양호하다.
와이어표본 운모테이프표본 외층 전체막(㎛) 컷스루힘(N)(RT) 컷스루힘(N)(260℃) 와이어-와이어(사이클) 긁힘
1 실시예3 PTFE 225 123 49 >4,000,000
2 실시예4a PTFE 225 134 62 >4,000,000
3 실시예4b PTFE 225 152 75 >4,000,000 860
4 실시예4c PFA 450 300 164 50 1,400,000 166
5 실시예4d PFA 450 300 186 80 2,100,000 114
PFA 450 --- --- 200 36 5 200,000 75
Spec 55 --- --- 200 207 7 2,300,000 140
복합물 Oasis PTFE테이프 225 156 152 >4,000,000 175
실시예 7
박막 와이어 구조물에 두께 30㎛의 시판되는 폴리이미드 테이프 외피에 대한 건조 아크트래킹 시험에서 실시예 3의 두께 28㎛ 코팅 운모 테이프의 성능을 측정하였다. 니켈도금 0.50mm2(20AWG) 19가닥 전도체를 실시예 3의 코팅 운모 테이프 및 두께 30㎛, 폭 6mm의 폴리이미드 테이프(OasisTM테이프; DuPont Corporation)로 랩핑하였다. 두 경우 다 중첩도는 50％이었다. Oasis 테이프는 4㎛ PTFE 및 FEP로 한 면에 코팅되고 10㎛ PTFE 및 FEP로 다른 한면에 코팅된 16㎛ 폴리이미드를 포함한다. 상기 코팅 운모 테이프 및 Oasis 테이프 표본을 한 층의, 50％ 중첩된, 두께 38㎛, 폭 6mm의 소결되지 않은 PTFE 테이프(PTFE T613; Coltec Industries)로 랩핑하였다. 각 표본을 850℃의 노에서 30초 동안 가열하여 PTFE 테이프를 소결시키고 상기 테이프 전부를 함께 융합시켰다; 이것은 각각 절연막 두께 57㎛를 갖는두가지 와이어 표본을 제공하였다. 두 표본 모두 Boeing Standard BMS 13-60에 기술된 절차를 이용하여 건조 아크트래킹 내성에 대하여 시험하였고, 결과를 하기 표 5에 요약한다. 이 두 구조물에 사용된 PTFE 테이프의 얇은 외피는 시판되는 와이어 구조물에 사용된 것보다 일반적으로 더 얇으며, 운모 테이프 및 Oasis 테이프 둘 다 아크트래킹이 다소 더 많이 생기게 한다. 이것은 상기 두 테이프 구조물 사이의 차이를 두드러지게 하며, 예를 들어, 와이어 절연체의 외부 중합체 층이 손상 또는 마모에 의해 파열 또는 닳아서 해지는 것을 촉진한다. 폴리이미드가 본질적으로 아크트래킹이 일어나기 쉽지만 운모는 그러하지 아니하므로, Oasis 테이프로 만들어진 와이어는 이 시험에서 상당히 불량하게 작동한다.
표 본 통과 와이어/시험한 와이어
운모 테이프/ PTFE 표본 통과 46 / 총 50
Oasis 테이프/ PTFE 표본 통과 25 / 총 50

Claims (26)

  1. (a) 기다란 전기 전도체, 및
    (b) (i) 제1 중합체 함침제 약 2 내지 약 30중량％를 함유하고, 제2 중합체의 분산액으로부터 퇴적된 중합체층으로 적어도 한면에 코팅된, 상기 전도체를 에워싸는 코팅 운모 테이프 내층 및
    (ii) 상기 코팅 운모 테이프 층을 에워싸는 중합체 전기절연 외층을 포함하는 것인, 상기 전도체를 에워싸는 전기절연체
    를 포함하는 절연 전기 전도체.
  2. (a) 운모지의 예비-함침 중량을 기준으로 중합체 함침제 2 내지 30 중량％로 함침된 운모지로 된 코어, 및
    (b) 상기 함침 운모지의 적어도 한 면에 액상 분산액으로부터 직접 퇴적된 중합체를 포함하는 테이프.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 중합체 함침제가 화학식 -Si(R1)(R2)-O-로 표현되는 선형 세그먼트를 포함하는 실리콘 중합체인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  4. 제3항에 있어서, R1및 R2가 메틸 또는 페닐기인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  5. 제1항 또는 2항에 있어서, 운모 테이프 또는 운모지가 액상 분산액 퇴적 중합체로 양면이 코팅된 것인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  6. 제1항 또는 2항에 있어서, 액상 분산액으로부터 퇴적된 상기 중합체가 플루오로폴리머인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  7. 제6항에 있어서, 분산액 퇴적 중합체가 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리(헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌) 공중합체, 폴리(퍼플루오로프로필비닐에테르-테트라플루오로에틸렌) 공중합체 및 폴리(퍼플루오로메틸비닐에테르-테트라플루오로에틸렌) 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 퍼플루오로폴리머인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  8. 제1항 또는 2항에 있어서, 액산 분산액의 액체가 물인 절연 전기 전도체 또는 테이프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 외층 및 분산액 퇴적 중합체가 서로 접촉상태로 가열시 접착 결합을 형성하는 것인 절연 전기 전도체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 내층이 두께 약 15 내지 100㎛, 바람직하게는 약 20 내지 70㎛인 절연 전기 전도체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 외층이 두게 약 50 내지 300㎛, 바람직하게는 약 75 내지 200㎛인 절연 전기 전도체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 외층이 퍼플루오로폴리머, 바람직하게는 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌)을 포함하는 것인 절연 전기 전도체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 외층이 테이프-랩핑된 중합체 필름, 바람직하게는 퍼플루오로폴리머를 포함하는 테이프-랩핑된 중합체 필름인 절연 전기 전도체.
  14. 제2항에 있어서, 두께가 약 75㎛ 이하, 바람직하게는 약 50㎛ 미만인 테이프.
  15. 제2항에 있어서, 분산액 퇴적 중합체 층의 두께가 30㎛ 이하, 바람직하게는 20㎛ 이하인 테이프.
  16. 제2항에 있어서, 인장강도가 5N/cm 이상인 테이프.
  17. 제2항에 있어서, 상기 용매 퇴적 분산액 중합체 층이 직물 또는 연속섬유를 포함하는 것인 테이프.
  18. 제2항에 있어서, 상기 용매 퇴적 분산액 중합체 층이 무기 충전제 3 중량％ 이상을 포함하고, 바람직하게는 상기 무기 충전제는 섬유, 박편 또는 고표면적의 실리카인 테이프.
  19. (a) 유효직경이 약 300 내지 3000㎛인 도금된 동연선을 포함하는 기다란 전기 전도체, 및
    (b) (i) 양면이 수성 분산액 퇴적 퍼플루오로폴리머로 코팅된 운모 테이프 코어 층(두께는 약 15 내지 100㎛임)을 포함하고, 상기 전도체를 에워싸는, 테이프 랩핑된 전기 절연 내층 및
    (ii) 상기 내부 운모 테이프 층과 직접 물리적으로 접촉된 상태로 이를 에워싸고, 퍼플루오로폴리머 80 중량％ 이상을 포함하는 가교되지 않은 전기 절연 외층(두께는 약 50 내지 300㎛임)을 포함하고, 상기 전도체를 에워싸는 전기절연체
    를 포함하는 절연 전기 전도체.
  20. 제1항 또는 19항에 있어서, 전도체와 운모 테이프 층 사이에 별도로 적용된 중합체 층이 존재하는 절연 전기 전도체.
  21. 운모지의 양면이 2㎛ 이상의 두께인 퍼플루오로폴리머 층으로 수성 분산액으로부터 직접 코팅된, 실리콘 중합체 2 내지 30 중량％로 함침된 운모지 코어를 포함하는 테이프.
  22. (a) 중합체 함침제 2 내지 30중량％로 운모지를 처리하는 단계, 및
    (b) 중합체 분산액으로 상기 함침 운모지의 적어도 한 면을 코팅하는 단계를 포함하는 코팅 운모 테이프 또는 시트를 제조하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 운모지의 양면 모두 중합체로 분산액 코팅되는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 분산액이 매질로서 물을 포함하는 것인 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 중합체 함침제가 화학식 -Si(R1)(R2)-O-(여기서 R1및 R2는 메틸 또는 페닐기임)로 표현되는 선형 세그먼트를 포함하는 실리콘 중합체인 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 중합체 분산액이 다단계로 적용되는 방법.
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