TW201800512A - 低介電之聚醯亞胺絕緣塗料及漆包線 - Google Patents

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蔣明瀚
洪啓峰
蔡惠茹
張雅婷
林盈儒
呂亭宜
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Abstract

本發明提供一種低介電之聚醯亞胺絕緣塗料及包含該低介電之聚醯亞胺絕緣塗料所形成之低介電塗層的漆包線。該低介電之聚醯亞胺絕緣塗料係由二酸酐及二胺所反應而成，所述二酸酐具有如下所示之結構：
二胺具有如下所示之結構：
藉由前述之二酸酐與二胺的特定結構選定，使該二酸酐與該二胺混合反應後所形成的聚醯亞胺絕緣塗料具有低介電係數之材料特性，並且當其於金屬導體芯材的表面固化而製成漆包線時，該漆包線不易產生部分放電而侵蝕該低介電塗層，進而有效避免造成貫穿性短路而使得由該漆包線組成的線圈系統受損。

Description

低介電之聚醯亞胺絕緣塗料及漆包線
本發明涉及絕緣塗料領域，尤指一種由聚醯亞胺化合物所形成的絕緣塗料及利用該絕緣塗料所製得之漆包線。
面對地球環境暖化、空氣汙染日益嚴重的問題，人們對於環境保護的意識逐漸被提倡與重視，因此電子機械產品的節能與高效能需求成為重要之節能技術開發的其中一要點課題，其中又以節能馬達的變頻運轉方式設計被視為重要的技術突破關鍵，包括混合動力汽車諸如：油電車或是各種工業設備的馬達以逆變器驅動馬達運作的技術發展。
但先前技術利用逆變器驅動馬達運作會伴隨著高電壓峰值的突波產生，當突波電壓超過馬達線圈所使用之漆包線的部份放電起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage，PDIV)時，馬達線圈的漆包線會因為其介電係數過高而導致漆包線於低突波電壓下即會於彼此之間產生部分放電，進而侵蝕漆包線表層的絕緣皮膜，而造成貫穿性的短路，使得馬達系統受損。
現有技術為了讓用於高電壓驅動的旋轉電機或變壓器內的漆包線能夠承受部分放電的侵蝕，除了利用增加漆包線表層之絕緣皮膜的厚度以阻擋部分放電的侵蝕之外，亦有相關業者選擇將陶瓷粉體材料加入漆包線的絕緣皮膜之中，以加強該絕緣皮膜的結構性強度，藉此延長漆包線表層之絕緣皮膜的壽命，避免絕緣皮膜快速破損而造成馬達系統受損。
然而，漆包線之絕緣皮膜的厚度增加，其旋轉電機或變壓器的整體體積勢必同時變大，如此則無法實現馬達微型化的目的。此外，陶瓷粉體的添加會使得漆包線的可撓程度降低，並且使得絕緣皮膜的表面變得粗糙，反而容易使漆包線於繞線過程中受到粗糙之絕緣皮膜的摩擦而損傷，降低產品的良率，造成製程上的困難。
有鑑於現有技術所面臨之技術缺陷，本發明之目的在於改良漆包線表層之絕緣皮膜的塗料成份，其能在無需增加絕緣皮膜的厚度、無添加陶瓷粉體的情況下，提高漆包線之部份放電的起始電壓值，並且當漆包線的部份放電起始電壓提升至高於逆變器驅動時所產生的突波電壓時，即能夠承受較高的突波電壓(部份放電起始電壓)以防止部份放電現象產生，藉此克服現有技術之漆包線產生部分放電而侵蝕漆包線表層之絕緣皮膜所造成的馬達系統受損問題，並且不會降低漆包線的可撓程度，亦不會使得絕緣皮膜的表面變得粗糙而對漆包線的製程產生負面影響。
為達成前述目的，本發明提供一種低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其係由二酸酐與二胺混合反應而成；該二酸酐具有如下所示之結構：
Figure TW201800512AD00001
其中，Rx係選自於由-O-、-CO-與-O-Ar-R1-Ar-O-所構成之群組，Ar為芳香烴，R1係選自於由-C(CH3)2-、-C(CH3)(C2H5)-、-C(C2H5)2-、-C(CF3)2-、-C(CF3)(CH3)-以及-C(CF3)(C2H5)-所構成之群組；該二胺具有如下所示之結構：
Figure TW201800512AD00002
其中，Ry係選自於由-C(CF3)2-、-CO-、-SO2-、-O-Ar-R2-Ar-O-與-O-(Ar)n-O-所構成之群組，其中n等於1至5，Ar為芳香烴，R2係選自於由-C(CH3)2-、-C(CH3)(C2H5)-、-C(C2H5)2-、-C(CF3)2-、-C(CF3)(CH3)-、-C(CF3)(C2H5)-以及-CO-所構成之群組。
依據本創作，由具有特定結構的二酸酐與具有特定結構的二胺混合反應所形成的聚醯亞胺絕緣塗料能特別適用於製作低介電係數之低介電塗層，使該聚醯亞胺絕緣塗料具有低介電係數之特性。
較佳的，該二酸酐相對於該二胺之莫耳比大於或等於0.9：1且小於或等於1：1。
較佳的，前述低介電之聚醯亞胺絕緣塗料其介電係數小於3。本發明藉由降低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的介電係數而提升該低介電塗層產生部分放電現象所需要的部份放電起始電壓，藉此當以本發明之聚醯亞胺絕緣塗料佈置於金屬導體表面以形成低介電塗層時，該由低介電之聚醯亞胺絕緣塗料形成的低介電塗層可以在逆變器驅動時能夠承受較高的突波電壓而不會產生部分放電現象，避免部分放電於低突波電壓下即被激發而侵蝕該低介電塗層，故本創作能進一步避免貫穿性短路造成馬達系統或是電子元件受損之情形。
更佳的，前述該二酸酐的Rx為-CO-、-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-之組合。其中該Ar為苯環；當Rx為-CO-時，該二酸酐為4,4'-二苯酮四羧酸二酐(4,4'-Carbonyldiphthalic anhydride，BTDA)；當Rx為-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-時，該二酸酐為4,4'-(4,4'-二苯氧基異丙基)-二苯甲酸酐(4,4'-(4,4'-Isopropylidenediphenoxy)bis(phthalic anhydride)，BPADA)。於此，所述「二酸酐的Rx為-CO-及-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-之組合」係指該低介電之 聚醯亞胺絕緣塗料係由二種二酸酐與二胺混合反應而成，其中一種二酸酐中Rx為-CO-，另一種二酸酐之Rx為-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-。
又更佳的，前述該二胺的Ry為-O-Ar-O-、-O-(Ar)2-O-、-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-或-O-Ar-C(CF3)2-Ar-O-的其中一種。其中該Ar為苯環；當Ry為-O-Ar-O-時，該二胺為1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯(1,4-bis(4-aminophenoxy)benzene，p-BAB)；當Ry為-O-(Ar)2-O-時，該二胺為4,4'-雙(4-氨苯氧基)聯苯(4,4'-Bis(4-aminophenoxy)biphenyl，BAPB)；當Ry為-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-時，該二胺為2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane，BAPP)；而當Ry為-O-Ar-C(CF3)2-Ar-O-時，該二胺為2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷(2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]hexafluoropropane，HFBAPP)。
較佳的，該二酸酐與該二胺的混合反應係在常溫與氮氣下進行。利用於氣體反應活性較低的氮氣環境中進行化學反應，可以毋須擔心氮氣會參與化學反應而影響產物的結構特性。
本發明另提供一種漆包線，其包括：一導體芯材；以及一第一低介電塗層，其係形成於該導體芯材之外圍，且該第一低介電塗層係由前述低介電之聚醯亞胺絕緣塗料所固化而成。
本發明利用形成一低介電塗層於導體芯材的表面而完成漆包線的製作，使得該漆包線不易產生部分放電而侵蝕漆包線表面的低介電塗層，有效避免貫穿性短路的發生，減少馬達系統因部分放電而侵蝕受損的機會。
較佳的，前述該漆包線包含一第二低介電塗層，該第二低介電塗層形成於該第一低介電塗層之外圍，且該第一低介電塗層形成於該導體芯材與該第二低介電塗層之間，且該第二低介電塗層係由前述之低介電 之聚醯亞胺絕緣塗料所固化而成。本發明亦可利用多層低介電塗層形成於導體芯材之表面而製作形成漆包線，使具有多層低介電塗層的漆包線同樣可以達到與具有單層低介電塗層的漆包線同樣的低介電特性，以及不易產生部分放電而侵蝕低介電塗層的功效。
綜上所述，本發明藉由利用具有特定化學結構之二酸酐與該二胺混合反應合成的低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其具有介電係數小於3的材料特性，使得藉由該低介電塗層製作形成的漆包線相較於一般塗層製作形成的漆包線具有更高的部份放電起始電壓值，在低於部份放電起始電壓下不會產生部分放電而侵蝕該低介電塗層的現象，藉此使得漆包線的表面塗層不易被部分放電侵蝕而破損，有效延長漆包線以及由漆包線組成之相關產品的使用壽命。
此外，本案毋須增加漆包線之表面塗層的厚度，亦毋須添加陶瓷粉體，即可以達成延長漆包線之使用壽命的功效，其不但不會增加漆包線的整體體積，亦不會影響漆包線的可撓程度，甚至不會使漆包線的表面變得粗糙，影響其捲繞的製程。
為證實本創作之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料能夠於導體材料表面形成具有低介電特性之低介電塗層的功效，以下提供數種低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，以及利用將所述低介電之聚醯亞胺絕緣塗料形成於導體材料表面後固化形成低介電塗層以製備漆包線作為例示，並提供製作完成之漆包線的檢驗結果，以便說明本創作之實施方式；熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖 離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。
實施例1：低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的合成以及利用其於金屬銅導體芯材表面固化形成單層低介電塗層A以製備漆包線
準備一具有氮氣導入口與投料口的玻璃反應瓶，在常溫與氮氣環境下，自氮氣導入口導入氮氣於玻璃反應瓶中，並且自投料口投入N-甲基吡咯酮(NMP)與1莫耳的4,4'-雙(4-氨苯氧基)聯苯(BAPB，分子量為368.43)，利用攪拌器將NMP與BAPB充分攪拌，待BAPB完全溶解於NMP之後，接著自投料口投入0.8莫耳的4,4'-(4,4'-二苯氧基異丙基)-二苯甲酸酐(BPADA，分子量為520.49)以及0.2莫耳的4,4'-二苯酮四羧酸二酐(BTDA，分子量為322.2)，使前述完全溶解於NMP的BAPB在常溫下與BPADA以及BTDA混合反應24小時，以製得該聚醯亞胺絕緣塗料。
接著，將前述製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於線徑為0.5mm之金屬銅導體之芯材的外表面，並且經烘烤後，於金屬銅導體之芯材的外表面固化形成一低介電塗層A，以完成實施例1之漆包線的製備。該低介電塗層A的厚度為0.034mm，該實施例1之漆包線的絕緣破壞電壓、針孔、密著性、軟化溫度、耐熱衝擊、可撓性測試方法及合格標準皆依據美國ANSI/NEMA MW 1000 MW 16-C規範進行檢測。該實施例1之漆包線的介電係數係以在長度超過110cm的漆包線表面塗上石墨100cm做為電極，在50Hz下以電感電容電阻測試儀(LCR Meter)測試儀量測導體與金屬電極間之靜電容量，並由電極長度及絕緣厚度的關係，由公式計算出介電常數。至於漆包線的部份放電起始電壓測試則是先取50cm漆包線試片對折後，將測試件一端依照ANSI/NEMA MW 1000規範方法以標準負重對絞，另一端剝除絕緣塗層至露出導體約1cm，然後將雙絞線試片以局部放電自動測試系統(總研電氣株式會社製造DAC-6031)在25℃及相對濕度60度的環境 下，一邊施加以25v/secV升壓，一邊對雙絞線試片施加50Hz的電壓，將雙絞線上發生50次50Pc的放電電壓做為起始放電起始電壓。測試結果如下表1所示。
實施例2：低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的合成以及利用其於金屬銅導體芯材表面固化形成單層低介電塗層B以製備漆包線
準備一具有氮氣導入口與投料口的玻璃反應瓶，在常溫與氮氣環境下，自氮氣導入口導入氮氣於玻璃反應瓶中，並且自投料口投入NMP與1莫耳的1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯(p-BAB，分子量為292.33)，利用攪拌器將NMP與p-BAB充分攪拌，待p-BAB完全溶解於NMP之後，接著自投料口投入1莫耳的BTDA，使前述完全溶解於NMP的p-BAB在常溫下與BTDA混合反應24小時，以製得該聚醯亞胺絕緣塗料。
接著將前述製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於線徑為0.5mm之金屬銅導體之芯材的外表面，並且經烘烤後，形成一低介電塗層B於金屬銅導體之芯材的外表面，以完成實施例2之漆包線的製備。該低介電塗層B的厚度為0.034mm，該實施例2之漆包線的特性依實施例1之相同方法檢測，測試結果如下表1所示。
實施例3：低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的合成以及利用其於金屬銅導體芯材表面固化形成單層低介電塗層C以製備漆包線
準備一具有氮氣導入口與投料口的玻璃反應瓶，在常溫與氮氣環境下，自氮氣導入口導入氮氣於玻璃反應瓶中，並且自投料口投入NMP與1莫耳的2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP，分子量為410.5)，利用攪拌器將NMP與BAPP充分攪拌，待BAPP完全溶解於NMP之後，接著自投料口投入1莫耳的BTDA，使前述完全溶解於NMP的BAPP在常溫下與BTDA混合反應24小時，以製得該聚醯亞胺絕緣塗料。
接著將前述製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於線徑為0.5mm之金屬銅導體之芯材的外表面，並且經烘烤後，形成一低介電塗層C於金屬銅導體之芯材的外表面，以完成實施例3之漆包線的製備。該低介電塗層C的厚度為0.034mm，該實施例3之漆包線的特性依實施例1之相同方法檢測，測試結果如下表1所示。
實施例4：低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的合成以及利用於金屬銅導體芯材表面固化形成雙層低介電塗層C’+D以製備漆包線
準備一具有氮氣導入口與投料口的玻璃反應瓶，在常溫與氮氣環境下，自氮氣導入口導入氮氣於玻璃反應瓶中，並且自投料口投入NMP與1莫耳的2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷(HFBAPP，分子量為518.5)，利用攪拌器將NMP與HFBAPP充分攪拌，待HFBAPP完全溶解於NMP之後，接著自投料口投入1莫耳的BPADA，使前述完全溶解於NMP的HFBAPP在常溫下與BPADA混合反應24小時，以製得該聚醯亞胺絕緣塗料。
接著將前述實施例3製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於線徑為0.5mm之金屬銅導體之芯材的外表面，並且經烘烤後形成一第一低介電塗層C’於金屬銅導體之芯材的外表面，該第一低介電塗層C’的厚度為0.004mm。另將前述實施例4製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於該第一低介電塗層C’的外表面，並且經烘烤後形成一第二低介電塗層D於該第一低介電塗層C’的外表面，該第二低介電塗層D的厚度為0.03mm，以使得該金屬銅導體之芯材的外表面的第一低介電塗層C’與第二低介電塗層D的總厚度為0.034mm，以完成實施例4之漆包線的製作。
另該實施例4之漆包線的特性依實施例1之相同方法檢測，測試結果如下表1所示。
比較例：一般之聚醯亞胺絕緣塗料的合成以及利用其於金屬 銅導體芯材表面固化形成單層介電塗層E以製備漆包線
準備一具有氮氣導入口與投料口的玻璃反應瓶，在常溫與氮氣環境下，自氮氣導入口導入氮氣於玻璃反應瓶中，並且自投料口投入NMP與1莫耳的4,4'-二氨基二苯醚(4,4'-diaminodiphenyl ether，ODA，分子量為200.24)，利用攪拌器將NMP與ODA充分攪拌，待ODA完全溶解於NMP之後，接著自投料口投入1莫耳的3,3',4,4'-聯苯四羧酸二酐(3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride，BPDA，分子量為322.2)，使前述完全溶解於NMP的ODA在常溫下與BPDA混合反應24小時，以製得該聚醯亞胺絕緣塗料。
接著將前述製得的聚醯亞胺絕緣塗料以單層塗佈方式塗佈於線徑為0.5mm之金屬銅導體之芯材的外表面，並且經烘烤後，形成一介電塗層E於金屬銅導體之芯材的外表面，以完成比較例之漆包線的製備。該介電塗層E的厚度為0.034mm，該比較例之漆包線的特性依實施例1之相同方法檢測，測試結果如下表1所示。
Figure TW201800512AD00003
上述實施例1至3之漆包線的結果得知，當漆包線由不同的低介電聚醯亞胺絕緣塗料所製成，且具有介電係數均小於3的材料特性，在漆包線的單層低介電塗層厚度皆為0.034mm時，部分放電起始電壓均大於700Vp。
此外，當實施例4的漆包線其由本發明之兩種不同的低介電聚醯亞胺絕緣塗料所製成，且同樣具有介電係數小於3的材料特性，在漆包線的雙層低介電塗層合計厚度為0.034mm時，該漆包線同樣具有部分放電起始電壓大於700Vp的特性。且依據美國ANSI/NEMA MW 1000 MW 16-C規範進行漆包線的絕緣特性檢測，實施例1至4製備形成之漆包線無論在絕緣破壞電壓數值、針孔分佈、密著性、受熱軟化溫度、耐熱衝擊測試以及線材可撓性測試均符合美國線規之規定。
反觀比較例之漆包線利用一般之聚醯亞胺絕緣塗料所製成，其量測得到之介電係數遠大於3，在漆包線的絕緣塗層厚度同樣為0.034mm時，部分放電起始電壓僅為540Vp。因此，當馬達運作時其逆變器驅動的突波電壓超過540Vp時，即會產生部分放電現象而侵蝕比較例之漆包線表層的介電塗層E，造成貫穿性的短路發生，進而使得馬達系統受損。且依據ANSI/NEMA MW 1000 MW 16-C規範針對比較例之漆包線的特性進行檢測，該比較例之漆包線無論在絕緣破壞電壓數值、針孔分佈、密著性、受熱軟化溫度、耐熱衝擊測試以及線材可撓性測試表現均不如實施例1至4製得的漆包線，甚至該比較例之漆包線於耐熱衝擊測試以及線材可撓性測試均被評定為不符合美國線規之規定。
綜合上述實施例1至4與比較例的分析結果，本發明利用具有特定化學結構之二酸酐與二胺混合反應形成的聚醯亞胺絕緣塗料具有介電 係數小於3的低介電特性，利用本發明之聚醯亞胺絕緣塗料塗佈於金屬銅導體之芯材表面形成低介電絕緣塗層厚度為0.034mm時，製成的漆包線具有能夠承受大於700Vp之部分放電起始電壓的功效，其相較於現有技術之由一般聚醯亞胺絕緣塗料於金屬銅導體之芯材表面形成絕緣塗層的漆包線，本發明具有不易產生部分放電而侵蝕漆包線表面之塗層的材料特性，有效避免漆包線發生貫穿性短路，同時大幅降低馬達系統因貫穿性短路遭受損壞的機率，延長產品的使用期限。
此外，本發明之聚醯亞胺絕緣塗料所形成的低介電塗層毋須添加陶瓷粉體即可以達到延長漆包線之使用壽命的目的，不僅不會增加漆包線表層之塗層的厚度而導致漆包線體積變大，亦不會降低漆包線的可撓程度，更沒有使得漆包線之表面塗層的表面變得粗糙而造成繞線過程中因摩擦而產生破損的問題，故本發明相較於現有技術確實改善了漆包線於製程上以及使用上的多項問題。
上述實施例僅係為說明本創作之例示，並非於任何方面限制本創作所主張之權利範圍。本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述具體實施例。

Claims (10)

  1. 一種低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該低介電之聚醯亞胺絕緣塗料係由二酸酐與二胺混合反應而成；該二酸酐具有如下所示之結構：
    Figure TW201800512AC00001
     其中，Rx係選自於由-O-、-CO-與-O-Ar-R1-Ar-O-所構成之群組，Ar為芳香烴，R1係選自於由-C(CH3)2-、-C(CH3)(C2H5)-、-C(C2H5)2-、-C(CF3)2-、-C(CF3)(CH3)-以及-C(CF3)(C2H5)-所構成之群組；該二胺具有如下所示之結構：
    Figure TW201800512AC00002
     其中，Ry係選自於由-C(CF3)2-、-CO-、-SO2-、-O-Ar-R2-Ar-O-與-O-(Ar)n-O-所構成之群組，其中n等於1至5，Ar為芳香烴，R2係選自於由-C(CH3)2-、-C(CH3)(C2H5)-、-C(C2H5)2-、-C(CF3)2-、-C(CF3)(CH3)-、-C(CF3)(C2H5)-以及-CO-所構成之群組。
  2. 如請求項1所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該二酸酐相對於該二胺之莫耳比大於或等於0.9：1且小於或等於1：1。
  3. 如請求項1或2所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該低介電之聚醯亞胺絕緣塗料的介電係數小於3。
  4. 如請求項1或2所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料， 其中該二酸酐的Rx為-CO-、-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-或其組合。
  5. 如請求項1或2所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該二胺的Ry為-O-Ar-O-或-O-(Ar)2-O-。
  6. 如請求項4所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該二胺的Ry為-O-Ar-O-或-O-(Ar)2-O-。
  7. 如請求項1或2所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該二胺的Ry為-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-或-O-Ar-C(CF3)2-Ar-O-。
  8. 如請求項4所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料，其中該二胺的Ry為-O-Ar-C(CH3)2-Ar-O-或-O-Ar-C(CF3)2-Ar-O-。
  9. 一種漆包線，其包括：一導體芯材；以及一第一低介電塗層，其係形成於該導體芯材之外圍，且該第一低介電塗層係由如請求項1至8中任一項所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料所固化而成。
  10. 如請求項9所述之漆包線，其中該漆包線包含一第二低介電塗層，該第二低介電塗層形成於該第一低介電塗層之外圍，且該第一低介電塗層形成於該導體芯材與該第二低介電塗層之間，且該第二低介電塗層係由如請求項1至8中任一項所述之低介電之聚醯亞胺絕緣塗料所固化而成。
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