TW201704591A - 聚芳醯胺（ａｒａｍｉｄ）紙及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種高耐熱性且薄型的電絕緣片狀材料。 本發明之聚芳醯胺紙，其係由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成，並具有滿足下述不等式(1)及(2)的纖條體含量及厚度：40≦[FB]≦90 (1) [厚度]/([短纖維的纖維徑]×2)≦1.25 (2) [式中，[FB]為聚芳醯胺紙中的纖條體的含量(重量%)]。

Description

聚芳醯胺(aramid)紙及其製造方法
本發明係關於一種高耐熱性的電絕緣材料。更詳細而言，係關於薄型且高強度的聚芳醯胺紙。
過去已開發由「能夠對紙張賦予經改善之強度及/或熱穩定性的高性能材料」所製造的紙張。例如，聚芳醯胺紙係由芳香族聚醯胺所構成的合成紙，因為其優良的耐熱性、阻燃性、電絕緣性、韌性以及可撓性，而可使用為電絕緣材料及飛機用蜂巢基材。該等材料之中，包含杜邦(DuPont)(美國)的NOMEX(Nomex)(註冊商標)纖維所形成的紙張，係在水中將聚(間苯二甲醯間苯二胺)(poly m-phenylene isophthalamide)短纖維與纖條體混合，接著將混合的漿液進行抄紙之後，再藉由砑光加工而製造。該紙張即使在高溫之中，依然具有高強度及韌性，同時具有優良的電絕緣性，此已為人所知。
近年來，因為變壓器、馬達等需要絕緣材料的設備之小型化、輕量化，而要求耐熱性更高且的薄型絕緣材料。
本發明之目地在於提供耐熱性高且薄型的電絕緣片狀材料。
本發明之另一目地在於提供該電絕緣片狀材料的製造方法。
本案發明人鑒於相關狀況，欲開發對應變壓器、馬達等之小型化、輕量化的耐熱性高且薄型的絕緣材料，而進行詳盡研討，結果完成本發明。
亦即，第一態樣中，本發明提供一種聚芳醯胺紙，其係由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成，並具有滿足下述不等式(1)及(2)的纖條體含量及厚度：40≦[FB]≦90 (1)
[厚度]/([短纖維的纖維徑]×2)≦1.25 (2)
[式中，[FB]為聚芳醯胺紙中的纖條體含量(重量%)]。
再者，第二態樣中，本發明提供一種第一態樣所記載之聚芳醯胺紙的製造方法，包含：將由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成之聚芳醯胺紙夾入至少一對發熱體之間，以進行熱壓加工的步驟；在以該發熱體進行熱壓加工之後，該聚芳醯胺紙的收縮率為3%以下。
更進一步，第三態樣中，本發明提供一種第一態樣所記載之聚芳醯胺紙的製造方法，包含：將由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成之聚芳醯胺紙夾入至少一對發熱體之間，並施加1000kg/cm2以上的壓力，同時由該發熱體供給以下式(3)所表示的熱量Q(J/m2)：Q≧[BW]×c×(Tg-t) (3)
[式中，[BW]為樹脂片的基重(g/m2)，c為該聚芳醯胺紙的比熱(J/g/K)，Tg為該聚芳醯胺紙的玻璃轉移溫度(℃)，t為該聚芳醯胺紙在夾入發熱體之前的溫度(℃)，該發熱體的表面溫度在Tg以下]。
以下，詳細說明本發明。
(聚芳醯胺)
本發明中，聚芳醯胺係指醯胺鍵的60%以上與芳香環直接鍵結的線狀高分子化合物(芳香族聚醯胺)。作為這樣的聚芳醯胺，可舉例如：聚間苯二甲醯間苯二胺及其共聚物、聚對苯二甲醯對苯二胺及其共聚物、聚(對亞苯基)-共聚(3,4二苯基醚)對苯二甲醯胺等。該等的聚芳醯胺，在工業上可藉由使用例如間苯二甲酸氯化物及間苯二胺以往習知的界面聚合法、溶液聚合法等進行製造，或可購入市售品，但並不限於此。該等的聚芳醯胺之中，較佳係使用聚間苯二甲醯間苯二胺，因為其具備良好的成型加工性、熱接著性、阻燃性、耐熱性等的特性。
(聚芳醯胺纖條體)
本發明中，聚芳醯胺纖條體係具有抄紙性的薄膜狀的聚芳醯胺粒子，其亦被稱為聚芳醯胺漿(參照特公昭35-11851號公報、特公昭37-5732號公報等)。
聚芳醯胺纖條體與一般的木漿相同，實施離解、打漿處理而作為抄紙原料使用，已廣泛地為人所知；以確保適用於抄紙的品質為目的，可進行所謂的打漿處理。可藉由盤磨機(Disk Refiner)、打漿機、及其他可進行機械裁切作用的抄紙原料處理設備來實施該打漿處理。該操作中，可以日本工業規格P8121所規定的濾水度試驗方法(游離度)，監測纖條體型態變化。本 發明中，在實施打漿處理後，聚芳醯胺纖條體的濾水度較佳在10~300cm3(加拿大標準游離度)的範圍內。濾水度大於此範圍的纖條體，可能導致後續所成形的耐熱性電絕緣片狀材料的強度降低。另一方面，若欲得到小於10cm3的濾水度，則多有「輸入之機械動力的利用效率變小」，以及「每單位時間的處理量變少」的情形，更因為纖條體過度微細化，容易導致所謂的黏結劑功能降低。因此發明人認為，即使得到小於10cm3的濾水度，亦不具有額外的優點。
本發明之聚芳醯胺紙中，聚芳醯胺纖條體因作為黏結劑具有優良的特性，故可有效率地補足微粒子及其他添加成分。在本發明之聚芳醯胺紙製造中，提升原料產率的同時可在片材內重疊為層狀以減少貫通孔，進而提升電絕緣性。
(聚芳醯胺短纖維)
本發明中，聚芳醯胺短纖維係將以聚芳醯胺為材料的纖維切斷者，作為這樣的纖維，可舉例如：帝人(股份有限公司)的「TEIJIN CONEX(註冊商標)」，杜邦公司的「NOMEX(註冊商標)」等可作為市售品取得的產品，但並不限於該等產品。
聚芳醯胺短纖維的長度，一般可選自1mm以上、未滿50mm，較佳為2~10mm的範圍。短纖維的長度若小於1mm，則片狀材料的力學特性降低，另一方面，若在50mm以上，則在以濕式法製造聚芳醯胺紙時，容易發生「糾結」「纏繞成束」等，而容易成為缺陷的原因。
聚芳醯胺短纖維的纖維徑，較佳可選自0.1~25μm，更佳為1~20μm的範圍。
(聚芳醯胺紙)
本發明中，聚芳醯胺紙係主要以該聚芳醯胺纖條體及聚芳醯胺短纖維所構成的片材，其具有滿足下述不等式(1)及(2)的纖條體含量及厚度：40≦[FB]≦90 (1)
[厚度]/([短纖維的纖維徑]×2)≦1.25 (2)
[式中，[FB]為聚芳醯胺紙中的纖條體的含量(重量%)]。
纖條體的含量若少於40重量%，則聚芳醯胺紙成為更加多孔質的構造，而容易成為在電絕緣性方面發生障礙的原因。另外，若大於90重量%，則短纖維的含量相對變少，如後述，將該聚芳醯胺紙夾入至少一對發熱體之間以進行熱壓加工後，該聚芳醯胺紙的收縮率會超過3%，因為收縮而造成厚度增加，導致其厚度難以在該(2)式的範圍內。
聚芳醯胺紙，一般係以下述方法所製造：將前述聚芳醯胺纖條體與聚芳醯胺短纖維混合後，將其片材化的方法。具體而言，可適用例如，將該聚芳醯胺纖條體及聚芳醯胺短纖維乾式混合之後，利用氣流以形成片材的方法、將聚芳醯胺纖條體及聚芳醯胺短纖維分散混合於液體媒介之後，將其吐出於例如網或帶的液體穿透性的支持體上，以將其片材化，再去除液體以進行乾燥的方法等。但這當中較佳為選擇使用水作為媒介的所謂的濕式抄造法。
濕式抄造法為常見的方法，其係將至少含有聚芳醯胺纖條體、聚芳醯胺短纖維的單一或混合物的水性漿液投入抄紙機並使其分散後，藉由脫水、擠水及乾燥操作，而捲繞作為片材的方法。作為抄紙機，可使用長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機及將該等設備組合的組合式抄紙機等。 在以組合式抄紙機製造的情況，將摻合比例不同的漿液形成片材以使其合而為一，藉此可得到複數的紙層所構成的複合片材。抄造時，可因應需求，使用分散性提升劑、消泡劑、紙力增強劑等的添加劑。
再者，除此之外，亦可添加其他的纖維狀成分(例如，聚伸苯基硫醚纖維、聚二醚酮纖維、纖維素系纖維、PVA系纖維、聚酯纖維、丙烯酸酯纖維、液晶聚酯纖維、聚萘二甲酸纖維等的有機纖維、玻璃纖維、岩棉、石棉、硼纖維等的無機纖維。
聚芳醯胺紙的基重一般在5~1000g/m2，較佳為15~200g/m2的範圍內。
聚芳醯胺紙的拉伸強度，較佳為0.5kgf/15mm以上，更佳為1kgf/15mm以上的範圍內。更進一步，聚芳醯胺紙的透氣度，較佳為3000秒以上，更佳為4000秒以上的範圍內。
(熱壓加工)
如該所得之聚芳醯胺紙，藉由在一對發熱體間以高溫高壓進行熱壓，可提升密度、結晶度、耐熱性、尺寸穩定性及機械強度已為人所知。熱壓的條件，較佳係將該聚芳醯胺紙夾入該發熱體之間以進行熱壓加工之後，該聚芳醯胺紙的收縮率在3%以下。該收縮率若超過3%，則因為收縮造成厚度增加，導致其厚度難以在該式(2)的範圍內。該收縮率更佳為2%以下，再佳為1.5%以下。
更進一步，較佳係將該聚芳醯胺紙夾入至少一對的發熱體之間，並施加1000kg/cm2以上的壓力，同時以該發熱體，對於聚芳醯胺紙的每單位面積供給以下式(3)所示的熱量Q(J/m2)：Q≧[BW]×c×(Tg-t) (3)
[式中，[BW]為樹脂片的基重(g/m2)，c為該聚芳醯胺紙的比熱(J/g/K)，Tg為該聚芳醯胺紙的玻璃轉移溫度(℃)，t為該聚芳醯胺紙在夾入發熱體之前的溫度(℃)，該發熱體的表面溫度在Tg以下]；如此，可將上述收縮率抑制在3%以內，且短纖維本身也因為充分的熱壓而變形，而能夠製作更薄的片材。
作為該熱壓加工，可舉例如：在該聚芳醯胺紙的基重為20g/m2、比熱1.89J/g/K、玻璃轉移溫度275℃、被夾入金屬輥之前的溫度為20℃時，使用金屬製輥作為發熱體的情況，若使表面溫度100~275℃、並使金屬輥與聚芳醯胺紙相接的外周長為例如1mm，則從線壓100kg/cm以上的金屬輥供給至聚芳醯胺紙的熱量在9640J/m2以上，但並不限定於此等例子。該等熱壓加工可以任何順序進行多次。
(玻璃轉移溫度)
本發明中，玻璃轉移溫度係以3℃/分的比例將試片從室溫升溫，並以示差掃描熱量計測定發熱量，在吸熱曲線中延伸出2條延長線，再從延長線間的1/2直線與吸熱曲線的交點所求得的值。實施例中所使用之聚芳醯胺紙的玻璃轉移溫度為275℃。
(比熱)
本發明中，比熱係以下述方式測定：以3℃/分的比例將試片從室溫升溫，再以示差掃描熱量計測定比熱。實施例中所使用的聚芳醯胺紙的比熱為1.89J/g/K。
以下列舉實施例更具體說明本發明。再者，該等實施例僅為例示，並未對於本發明的內容有任何限定。
【實施例】
(測定方法)
(1)收縮率
測定砑光加工前後的聚芳醯胺紙的寬度，並以下式計算。
[砑光加工後的聚芳醯胺紙的寬度]/[砑光加工前的聚芳醯胺紙的寬度]×100%
(2)基重、厚度的測定
依照JIS C2300-2實施。
關於厚度均勻不規則性，係測定連續40點的厚度，將其標準差作為厚度均勻不規則性。
(3)密度的計算
以基重÷厚度進行計算。
(4)拉伸強度的測定
係以寬度15mm、夾頭間隔50mm、拉伸速度50mm/分、TENSILON拉伸試驗機實施。
(5)透氣度
將使用王研式透氣度計(旭精工公司製KG-2)所測定之透氣度，換算為GURLEY式透氣度。針對一系列的片材，該時間越短越會形成多孔質，就可說其電絕緣性低。
(原料調製)
使用日本特開昭52-15621號公報所記載之定子與轉子的組合所構成之紙漿粒子的製造裝置(濕式沉澱機)，來製造聚間苯二甲醯間苯二胺的纖條 體。以離解機、打漿機對其進行處理，以將長度加重平均纖維長調整為0.9mm(聚芳醯胺纖條體的濾水度：100ml(加拿大標準游離度))。另一方面，將杜邦公司製間-聚芳醯胺(meta-aramid)纖維(NOMEX(註冊商標)、單線纖度2丹尼，纖維徑15μm)裁切為長度6mm(以下記為「聚芳醯胺短纖維」)。
(實施例1~4)
(聚芳醯胺紙的製造)
將該調製的聚芳醯胺纖條體與聚芳醯胺短纖維分別分散於水中，以製作漿液。該等漿液以表1所示之各摻合比例(重量比)的方式將聚芳醯胺纖條體與聚芳醯胺短纖維混合，並以TAPPI式手工抄紙設備(剖面積625cm2)製作片材。接著，在金屬製砑光輥(Calender Roll)中，將其調整為輥與聚芳醯胺紙相接之外周長為1mm，並以表1所示的各砑光條件進行熱壓加工(在夾入發熱體之前的聚芳醯胺紙的溫度為20℃)，而得到聚芳醯胺紙。如此所得到的聚芳醯胺紙的主要特性值顯示於表1。
從表1的結果來看，本發明(實施例1~4)的聚芳醯胺紙，其收縮率被抑制在3%以內，故厚度滿足下式(2)[厚度]/([短纖維的纖維徑]×2)≦1.25 (2)
而已充分地變薄，另外因為使用具有高強度及充分的高透氣度、且本質上即具有高耐熱性的聚芳醯胺材料，故可用作變壓器、馬達等的絕緣材料。
(比較例1~3)
(聚芳醯胺紙的製造)
將該調製之聚芳醯胺纖條體與聚芳醯胺短纖維分別分散於水中，以製作漿液。將該等的漿液混合為聚芳醯胺纖條體與聚芳醯胺短纖維成為表2所示之各摻合比例(質量比)的態樣，再以TAPPI式手工抄紙設備(剖面積625cm2)製作片材。接著，在金屬製砑光輥中，將輥與聚芳醯胺紙相接之外周長調整為1mm，以表2所示的各砑光條件進行熱壓加工(聚芳醯胺紙在夾入發熱體之前的溫度為20℃)，得到聚芳醯胺紙。如此所得的聚芳醯胺紙的主要特性值顯示於表2。
如該表2所明確記載，比較例1~3的聚芳醯胺紙透氣度較小。更進一步，因為比較例1的聚芳醯胺紙強度低，比較例2及3的聚芳醯胺紙收縮率高，導致厚度變大，故發明人認為，將其作為絕緣材料難以對應變壓器、馬達等設備的小型化、輕量化。

Claims (3)

  1. 一種聚芳醯胺紙，其係由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成，並具有滿足下述不等式(1)及(2)的纖條體含量及厚度：40≦[FB]≦90 (1) [厚度]/([短纖維的纖維徑]×2)≦1.25 (2)[式中，[FB]為聚芳醯胺紙中的纖條體的含量(重量%)]。
  2. 一種如申請專利範圍第1項所述之聚芳醯胺紙的製造方法，包含：將由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成的聚芳醯胺紙夾入至少一對發熱體之間，以進行熱壓加工的步驟；以該發熱體對該聚芳醯胺紙進行熱壓加工後，該聚芳醯胺紙的收縮率在3%以下。
  3. 一種如申請專利範圍第1項所述之聚芳醯胺紙的製造方法，包含：將由芳香族聚醯胺所形成之纖條體及短纖維的混合物所形成的聚芳醯胺紙夾入至少一對發熱體之間，並施加1000kg/cm2以上的壓力，同時藉由該發熱體供給以下式(3)所示的熱量Q(J/m2)：Q≧[BW]×c×(Tg-t) (3)[式中，[BW]為樹脂片的基重(g/m2)，c為該聚芳醯胺紙的比熱(J/g/K)，Tg為該聚芳醯胺紙的玻璃轉移溫度(℃)，t為該聚芳醯胺紙在夾入發熱體之前的溫度(℃)，該發熱體的表面溫度在Tg以下]。
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