TWI494382B - 耐熱絕緣塗佈組成物、其形成之耐熱絕緣膜及其於非方向性電磁鋼片之應用 - Google Patents

Description

耐熱絕緣塗佈組成物、其形成之耐熱絕緣膜 及其於非方向性電磁鋼片之應用

本發明係有關於一種塗佈組成物及其應用，且特別是指一種耐熱絕緣塗佈組成物與其形成之耐熱絕緣膜暨其於非方向性電磁鋼片之應用。

常見非方向性電磁鋼片之產品包括日光燈制動器、變壓器、發電機和馬達。一般來說，非方向性電磁鋼片所須具備之塗膜基本性能包括：附著性、絕緣度、耐熱性、耐蝕性等性質。當非方向性電磁鋼片進一步經由疊片加工製成鐵心之過程中，需要增加非方向性電磁鋼片的絕緣度，以降低鐵心疊片作用時所產生之渦流損，進而達到節能之目的。尤其當非方向性電磁鋼片製成風力發電機或是電動汽車之馬達等時，係於高溫環境下運作，故非方向性電磁鋼片的退火(或稱燒鈍)處理後之絕緣度越顯重要。

為了提高非方向性電磁鋼片之絕緣度，可於非方向性電磁鋼片表面塗佈絕緣組成物以形成絕緣膜，或可調整 非方向性電磁鋼片本身之組成成分或晶體結構等，以改善絕緣度。一般而言，適用於非方向性電磁鋼片表面的絕緣塗佈組成物可包括磷酸鹽以及水性樹脂乳液，其中磷酸鹽係取代習用較不環保的鉻酸鹽，而水性樹脂乳液則可增加所形成之絕緣膜的附著性與耐蝕性。上述非方向性電磁鋼片塗佈組成物可參閱相關前案，如台灣專利公告號I384038及I358434等，在此一併列為本文之參考文獻。

然而，上述前案僅改善塗佈組成物之環保性、絕緣膜之附著性與耐蝕性，未能滿足塗佈絕緣膜之非方向性電磁鋼片於高溫環境下運作時所需之退火處理後之絕緣度。

有鑑於此，亟需提供一種耐熱絕緣塗佈組成物與其形成之耐熱絕緣膜，以有效改善習知絕緣膜應用於非方向性電磁鋼片時因退火處理後之絕緣度不足而限制其應用之範圍等問題。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種耐熱絕緣塗佈組成物，此塗佈組成物包含無機溶液、水性壓克力樹脂與矽膠，藉由控制無機溶液與水性壓克力樹脂之比例，以及矽膠所含的比例，使所得耐熱絕緣膜經高溫處理後具有較佳退火處理後之絕緣度，進而應用於非方向性電磁鋼片。

其次，本發明之另一態樣是在提供一種耐熱絕緣膜，其係藉由上述之耐熱絕緣塗佈組成物形成。所得之耐熱絕緣膜具有較佳的退火處理後之絕緣度、附著性與耐蝕 性，可應用於製備耐熱絕緣非方向性電磁鋼片。

本發明之又一態樣是提供一種非方向性電磁鋼片，其具有上述耐熱絕緣膜。所得之非方向性電磁鋼片具有較佳的退火處理後之絕緣度，可應用於製造風力發電機或是電動汽車之馬達等。

根據本發明之上述態樣，提出一種電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，包含：無機溶液、水性壓克力樹脂以及矽膠。前述之無機溶液包含磷酸鹽溶液和無機化合物，其中磷酸鹽溶液包含磷酸離子與金屬離子，而金屬離子是由金屬化合物所提供，且金屬離子與磷酸離子的莫耳比可例如0.1：1.0至1.2：1.0。前述之無機化合物為含有硝酸離子之化合物，其中無機溶液與水性壓克力樹脂的重量比為2：1。基於前述磷酸鹽溶液之總重為100重量份，無機化合物的含量可例如2.8重量份至15.6重量份，且矽膠的含量是5重量份至12重量份。

依據本發明之一實施例，上述之金屬化合物可包括但不限於氧化鎂、氫氧化鎂、硝酸鎂、氧化鋁、氫氧化鋁、硝酸鋁或前述之任意組合。

依據本發明之一實施例，上述含有硝酸離子之化合物可包括但不限於硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸或前述之任意組合。

依據本發明之一實施例，上述之水性壓克力樹脂可具有10000至1000000之平均分子量、38℃至55℃之玻璃轉移溫度以及0.1 mm至1.2 mm之平均粒俓。

依據本發明之一實施例，上述之矽膠可具有7 nm至100 nm之平均粒徑以及16.7重量百分比之二氧化矽濃度。

根據本發明之另一態樣，提出一種耐熱絕緣膜，是利用上述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物經塗佈步驟以及烘烤步驟而形成，其中所得之耐熱絕緣膜經退火處理(750℃處理1小時至2小時)後，其退火處理後之絕緣度為至少30 Ω．cm² /sheet。

依據本發明之一實施例，上述之烘烤步驟之溫度可例如為250℃至350℃。

依據本發明之另一實施例，上述之耐熱絕緣膜，其中耐熱絕緣膜的厚度可例如為0.5μm至3.0 μm。

根據本發明之又一態樣，提出一種非方向性電磁鋼片，包含非方向性電磁鋼片以及耐熱絕緣膜。其中耐熱絕緣膜直接設於非方向性電磁鋼片之一表面，且此耐熱絕緣膜為利用上述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物所形成。

利用本發明之耐熱絕緣塗佈組成物與其形成之耐熱絕緣膜暨其於非方向性電磁鋼片之應用，其藉由塗佈組成物內特定無機溶液/水性壓克力樹脂重量比與矽膠之含量之添加，可大幅提升耐熱絕緣膜的絕緣度與退火處理後之絕緣度。當此耐熱絕緣膜設置於非方向性電磁鋼片時，可使由此製得之風力發電機或是電動汽車之馬達等具有較佳的退火處理後之絕緣度。

本發明提出一種耐熱絕緣塗佈組成物與其形成之耐熱絕緣膜暨其於非方向性電磁鋼片之應用。此耐熱絕緣塗佈組成物包含無機溶液、水性壓克力樹脂與矽膠，藉由控制無機溶液與水性壓克力樹脂之比例，以及矽膠所含的比例，使所得耐熱絕緣膜具有較佳退火處理後之絕緣度。

本發明所指之退火(或稱燒鈍)處理後之絕緣度係指前述耐熱絕緣塗佈組成物形成耐熱絕緣膜後，經退火處理(750℃處理1小時至2小時)之後所測得之絕緣度，此退火處理後之絕緣度具有至少30 Ω．cm² /sheet。

耐熱絕緣塗佈組成物

本發明之耐熱絕緣塗佈組成物可包含無機溶液、水性壓克力樹脂以及矽膠。

在一實施例中，前述之無機溶液包含磷酸鹽溶液和無機化合物，其中磷酸鹽溶液包含磷酸離子與金屬離子，且金屬離子是由金屬化合物所提供，金屬離子與磷酸離子的莫耳比可例如0.1：1.0至1.2：1.0。倘若金屬離子與磷酸離子的莫耳比落在上述範圍之外，則後續形成之耐熱絕緣膜的附著性不佳。

上述金屬化合物之具體例可選自於氧化鎂、氫氧化 鎂、硝酸鎂、氧化鋁、氫氧化鋁、硝酸鋁及其任意組合所組成之一族群。其中金屬化合物以氧化鋁及/或硝酸鋁較佳。

上述之無機化合物為含有硝酸離子之化合物。上述含有硝酸離子之化合物的具體例可選自於硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸及其任意組合所組成之一族群。另外，在此說明的是，含有硝酸離子之化合物存在下可促進界面反應，有利於磷酸離子與電磁鋼片之鐵離子作用形成磷酸鐵而沉澱於電磁鋼片表面。倘若前述之無機化合物使用硝酸離子以外之化合物，則不利於磷酸離子與電磁鋼片之鐵離子作用形成磷酸鐵沉澱於電磁鋼片表面。

前述之耐熱絕緣塗佈組成物更包含水性壓克力樹脂，其中水性壓克力樹脂可具有10000至1000000之平均分子量、38℃至55℃之玻璃轉移溫度以及0.1 mm至1.2 mm之平均粒俓。在一實施例中，無機溶液與水性壓克力樹脂的重量比以2：1為宜，倘若無機溶液與水性壓克力樹脂的重量比落在上述範圍之外，則後續形成之耐熱絕緣膜的附著性不佳。

前述之耐熱絕緣塗佈組成物更包含矽膠，其中矽膠可具有7 nm至100 nm之平均粒徑以及16.7重量百分比之二氧化矽濃度。

在上述電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物中，基於磷酸鹽溶液之總重為100重量份，無機化合物的含量可例如2.8重量份至15.6重量份，且矽膠的含量可例如5重量份 至12重量份。倘若無機化合物的含量高於15.6重量份時，所得塗膜會因含有過多鐵離子而影響塗膜外觀，並降低塗膜的附著性。其次，倘若矽膠含量低於5重量份，所得塗膜之絕緣度與退火處理後之絕緣度不佳。倘若矽膠含量高於12重量份，所得塗膜之退火處理後之絕緣度反而隨矽膠含量的增加而下降。然而，當矽膠的含量為5重量份至12重量份時，則可兼顧所得塗膜之絕緣度與退火處理後之絕緣度。

耐熱絕緣膜

上述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物經塗佈步驟以及烘烤步驟後，可形成耐熱絕緣膜。上述耐熱絕緣膜的厚度可例如0.5 μm至3.0 μm。提高習知非耐熱絕緣膜的厚度雖可增加其絕緣度、耐蝕性，卻未能兼顧其退火處理後之絕緣度。然而，當本案耐熱絕緣膜的厚度為0.5 μm至3.0 μm時，則可同時兼顧絕緣度、耐蝕性以及退火處理後之絕緣度。

在一實施例中，上述之烘烤步驟之溫度可為250℃至350℃。上述耐熱絕緣膜經退火處理(750℃處理1小時至2小時)後，其退火處理後之絕緣度為至少30 Ω．cm² /sheet。

耐熱絕緣非方向性電磁鋼片

本發明之耐熱絕緣非方向性電磁鋼片，包含非方向 性電磁鋼片以及耐熱絕緣膜。其中耐熱絕緣膜為利用上述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，直接形成於非方向性電磁鋼片之表面。

應用本發明之耐熱絕緣塗佈組成物與其形成之耐熱絕緣膜暨其於非方向性電磁鋼片之應用，其藉由控制塗佈組成物內特定無機溶液/水性壓克力樹脂重量比與矽膠之含量，可大幅提升耐熱絕緣膜的退火處理後之絕緣度、附著性與耐蝕性，可應用於製備耐熱絕緣非方向性電磁鋼片。此耐熱絕緣非方向性電磁鋼片在進一步應用於製造風力發電機或是電動汽車之馬達時，可有效降低鐵心疊片作用時所產生之渦流損。

以下利用數個合成例、比較合成例、實施例和比較例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

A.耐熱絕緣塗佈組成物之配製： 實施例1

首先，根據第1表之配方，在室溫將下述成份均勻混合，配製成耐熱絕緣塗佈組成物。其中，磷酸水溶液為100 g之85%(w/v)磷酸與100 g水混合配製而成。金屬化合物為氧化鋁，其重量為8.87 g至106.49 g。利用硝酸作為無機化合物，其中硝酸之重量為5.85 g至47.81 g。水性壓 克力樹脂具有10000至1000000之平均分子量、38℃至55℃之玻璃轉移溫度以及0.1 mm至1.2 mm之平均粒俓，水性壓克力樹脂之重量為107.36 g至177.15 g。矽膠為日本日揮觸媒SN350或同等級之矽膠(平均粒徑7 nm至100 nm、二氧化矽濃度是16.7重量百分比)，其重量為10.44 g至15.32 g。

在實施例一之耐熱絕緣塗佈組成物中，金屬離子與磷酸離子的莫耳比為0.1：1.0至1.2：1.0，無機溶液與水性壓克力樹脂的重量比為2：1；其中基於磷酸鹽溶液之總重為100重量份，無機溶液的含量是2.8重量份至15.6重量份，矽膠含量為5重量份。

實施例2至17

實施例2至17係使用與實施例1相同之方法配製成耐熱絕緣塗佈組成物。不同的是，實施例2至17所使用的比例不同，其配方列於第1表。

比較例1至4

比較例1至4係使用與實施例1相同之方法配製成塗佈組成物。不同的是，比較例1至4所使用的成份與比例皆不同，其配方列於第2表。

B.耐熱絕緣非方向性電磁鋼片之製備方法： 實施例1

將上述實施例1之耐熱絕緣塗佈組成物，利用一道塗裝控制膜厚的方式(即一塗佈一烘烤，1 coat-1 bake；1C1B)，均勻塗佈於50CS600品級的非方向性電磁鋼片之表面。然後，將塗佈耐熱絕緣塗佈組成物之電磁鋼片於250℃至350℃之溫度下烘烤20秒至60秒，以製得耐熱絕緣非方向性電磁鋼片，其中，耐熱絕緣非方向性電磁鋼片之耐熱絕緣膜之膜厚為1.0μ m。

實施例2至17

實施例2至17之耐熱絕緣塗佈組成物使用與實施例1相同之方法，塗佈於電磁鋼片之表面，以製得耐熱絕緣非方向性電磁鋼片。不同的是，實施例2至17所使用的電磁鋼片種類與膜厚不同，且實施例14至17為現場生產線實際測試結果，其條件列於第1表。

比較例1至4

比較例1至4之塗佈組成物使用與實施例1相同之方法，塗佈於電磁鋼片之表面，以製得絕緣非方向性電磁鋼片。不同的是，比較例1至4所使用的電磁鋼片種類與膜厚不同，其條件列於第2表。

C.耐熱絕緣膜之特性評估：

將實施例1至17之耐熱絕緣非方向性電磁鋼片與比較例1至4之絕緣非方向性電磁鋼片，進行下列項目之 特性評估。

1.退火處理前的塗膜

(1)膜厚：利用紅外線(IR)或X射線螢光分析儀X-ray fluorescence，XRF)測定塗膜的厚度，其中耐熱絕緣膜之厚度以0.5 μm至3.0 μm為較佳。

(2)絕緣度(或稱層間阻抗值；laminar resistivity)：依據JIS C2550試驗方法，利用市售層間阻抗儀(例如JIS-C-2550，Toei Industry Co.,Ltd.，日本)測量塗膜的絕緣度，其中絕緣度以等於或大於50Ω．cm² /sheet為較佳。

(3)附著性彎曲試驗：分別將上述具有退火處理前塗膜之非方向性電磁鋼片裁切成試片(6 cm×8 cm)，再將此試片彎曲至內側彎曲直徑為6 mm，並以3M膠帶黏貼固定試片的兩端，並將試片浸漬於5%之硫酸銅溶液中歷時5秒後，觀察試片上塗膜之剝落面積，以評估塗膜耐彎曲之附著性，其結果如第1表與第2表所示，其中圖號○代表彎曲試驗後塗膜脫落的面積比例低於40%，圖號×代表塗膜脫落的面積比例等於或大於40%。

(4)附著性衝擊試驗：依照ASTM D2794試驗方法，使用重量為500 g且直徑為1/2吋之衝頭，由高度為50 cm處落下以衝擊試片，最後觀察試片上之剝落面積，以評估塗膜耐衝擊之附著性，其結果如第2表與第3表所示，其中圖號○代表衝擊試驗後塗膜脫落的面積比例低於40%，圖號×代表塗膜脫落的面積比例等於或大於40%

(5)鉛筆硬度試驗：選擇筆心硬度不同(例如2H至9H)之鉛筆，施以500 g力，以45°的角度劃過塗膜，以評估塗膜之硬度，其結果如第1表與第2表所示，其中圖號○代表塗膜硬度達9H者，圖號×代表塗膜硬度低於9H者。

(6)耐溶劑試驗：以紗布沾95%(V/V)酒精，施以1 kg力，來回擦拭為1次，共計至少50次，以評估塗膜之耐溶劑性。

(7)鹽霧試驗(salt spray tests，SST)：依據JIS Z2371試驗方法方法，分別將上述具有退火處理前塗膜之非方向性電磁鋼片，進行鹽霧試驗並歷時5小時後，觀察紅銹出現的銹蝕比例%，以評估塗膜防銹性，其中紅銹面積比例低於5%為較佳。

2.退火處理後的塗膜

上述實施例與比較例具有退火處理前塗膜之非方向性電磁鋼片，先進行退火(或稱燒鈍)處理，在氮氣存在下、於750℃處理1小時至2小時後，再進行下列評估。

(1)層間阻抗值：將上述具有退火處理後塗膜之非方向性電磁鋼片，依據JIS C2550試驗方法，利用市售層間阻抗儀(例如JIS-C-2550，Toei Industry Co.,Ltd.，日本)測量塗膜的絕緣度，其中退火處理後之絕緣度以至少30Ω．cm² /sheet為較佳。

(2)塗膜附著性：將上述具有退火處理後塗膜之非方向性電磁鋼片，依照ASTM D3359試驗方法，將膠帶(型號為Scotch 600，由3M公司製造)黏貼於塗膜表面撕下後， 再貼於白紙上，以觀察塗膜脫落的面積比例，其結果列於第1表與第2表。其中，圖號○代表塗膜並未脫落，圖號△代表塗膜脫落的面積比例低於50%，圖號×代表塗膜脫落的面積比例等於或大於50%。

由上述實施例1至8與比較例1至4之比較結果可知，藉由控制無機溶液與水性壓克力樹脂之比例為2：1，且控制矽膠所含的比例在5重量份至12重量份時，所得之耐熱絕緣膜具有較佳退火處理後之絕緣度，確實可達到本發明之目的。

由上述實施例9至13之結果可知，上述耐熱絕緣塗佈組成物於矽膠所含的比例為11重量份時，不需另外調整製程之烘烤溫度，利用275℃至325℃進行烘烤步驟，所得之耐熱絕緣膜即具有較佳的退火處理後之絕緣度，確實可達到本發明之目的。

由上述實施例14至17之結果可知，在現場生產線實際測試時，耐熱絕緣塗佈組成物於矽膠所含的比例為11重量份，並保持烘烤後膜厚為0.85 μm至1.5 μm之條件下，所得之耐熱絕緣膜均可具有較佳的退火處理後之絕緣度，確實可達到本發明之目的。

由上述本發明之實施例可知，本發明之耐熱絕緣塗佈組成物及其形成之耐熱絕緣膜，其優點之一在於藉由控制無機溶液與水性壓克力樹脂之比例，以及矽膠所含的比例，使所得之耐熱絕緣膜經高溫處理後具有較佳退火處理 後之絕緣度，進而增加其產業應用範圍，提高其經濟價值，例如可應用於耐熱絕緣非方向性電磁鋼片等，以用於製造風力發電機或是電動汽車之馬達等。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍為準。

Claims (9)

1. 一種電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，包含：一無機溶液，其中該無機溶液包含：磷酸鹽溶液，其中該磷酸鹽溶液包含磷酸離子與一金屬離子，且該金屬離子係由一金屬化合物所提供，且該金屬離子與該磷酸離子的一莫耳比是0.1：1.0至1.2：1.0；以及一無機化合物，其中該無機化合物為一含有硝酸離子之化合物；一水性壓克力樹脂，其中該無機溶液與該水性壓克力樹脂的一重量比為2：1；以及一矽膠，且其中基於該磷酸鹽溶液之總重為100重量份，該無機化合物的一含量是2.8重量份至15.6重量份，且該矽膠的一含量是5重量份至12重量份。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，其中該金屬化合物是選自於氧化鎂、氫氧化鎂、硝酸鎂、氧化鋁、氫氧化鋁、硝酸鋁及其任意組合所組成之一族群。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，其中該含有硝酸離子之化合物係選自於硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸及其任意組合所組成之一族群。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，其中該水性壓克力樹脂具有10000至1000000之一平均分子量、38℃至55℃之一玻璃轉移溫度以及0.1 mm至1.2 mm之一平均粒俓。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物，其中該矽膠具有7 nm至100 nm之一平均粒徑以及16.7重量百分比之二氧化矽濃度。
6. 一種耐熱絕緣膜，其係利用如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述之電磁鋼片用耐熱絕緣塗佈組成物經一塗佈步驟以及一烘烤步驟而形成，其中該耐熱絕緣膜經過750℃處理1小時至2小時之一退火處理後，且經該退火處理後之該耐熱絕緣膜之一絕緣度為至少30 Ω．cm² /sheet。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之耐熱絕緣膜，其中該烘烤步驟之一溫度是250℃至350℃。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之耐熱絕緣膜，其中該耐熱絕緣膜的一厚度是0.5 μm至3.0 μm。
9. 一種耐熱絕緣非方向性電磁鋼片，包含： 一非方向性電磁鋼片；以及一耐熱絕緣膜，直接設於該非方向性電磁鋼片之一表面，其中該耐熱絕緣膜為如申請專利範圍第7項至第9項任一項所述之耐熱絕緣膜。