TWI576485B - A method for producing a raw material for papermaking, a raw material for papermaking, and a heat-resistant electrically insulating sheet using the raw material - Google Patents

A method for producing a raw material for papermaking, a raw material for papermaking, and a heat-resistant electrically insulating sheet using the raw material Download PDF

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Description

抄紙用原料之製造方法、所得之抄紙用原料、及使用該原料之耐熱性電絕緣片材
本發明係關於經壓延加工的芳香族聚醯胺(aramid)紙之再生利用方法、以及耐熱性電絕緣片材。進一步詳言之，係關於一種經壓延加工的芳香族聚醯胺紙之再生利用方法、以及耐熱性電絕緣片材，其不使用藥液等，而進行被燒毀(burnout)或作廢棄處分的經壓延加工的芳香族聚醯胺紙之再利用。
吾人已經開發出可賦予紙經改善強度及/或熱穩定性之由高性能材料所製造的紙。例如，芳香族聚醯胺紙係包含芳香族聚醯胺之合成紙，根據其優異耐熱性、耐燃性、電絕緣性、強韌性及可撓性，而開始作為電絕緣材料及飛航機蜂巢結構(honeycomb)用之基材(base)使用。在該等材料中，含有杜邦(DuPont)(美國)之Nomex(註冊商標)纖維而成紙，係將聚(間苯二甲醯間苯二胺)短纖維(flock)與纖維體(fibrid)在水中混合，接著將已混合的漿液抄紙後，藉由壓延(calender)加工來製造。已為人所熟知的是該紙甚至在高溫，仍然具有高強度及強韌性，同時具有優異的電絕緣性。
芳香族聚醯胺紙之廢材(wood waste)或破壞材等，因實施壓延加工所致的高溫高壓處理之故，僅用水並無法完全分離纖維(defibrating)，故進行燒毀或廢棄處理。又，在溶解於有機溶劑後，再次實施化學再生利用，其係成形於與初生原料(virgin materials)相同為抄紙原料之短纖維或纖維體、紙漿等，不過該方法，環境性考量是必要的，且有成本變高的傾向。
又，關於不實施壓延加工所致高溫高壓處理，經乾燥的芳香族聚醯胺紙或者芳香族聚醯胺紙板之再生利用，在專利文獻1或2有記載其處理方法。但是，實際之芳香族聚醯胺紙，在經壓延加工使用之情形屬大部分，故該等方法難謂為實用。
進一步，在專利文獻3，係記載使用將芳香族聚醯胺紙粉碎的芳香族聚醯胺紙漿，與非芳香族聚醯胺系纖維以90/10至10/90質量比予以混合抄紙，製成薄片狀，而製造多孔性芳香族聚醯胺成形物，不過吾人考慮該成形物，因為多孔性，故電絕緣性不充分。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平4-228696號公報
[專利文獻2]日本特開2003-290676號公報
[專利文獻3]日本特開平7-243189號公報
本發明之目的係提供一種抄紙用原料之製造方法，其係不使用藥液，而可將經壓延加工的芳香族聚醯胺紙作為抄紙用原料予以再利用。
本發明又一目的係提供一種抄紙用原料，其係自經壓延加工的芳香族聚醯胺紙所製造。
本發明，又一目的係提供一種耐熱性電絕緣片材，其係使用上述抄紙用原料。
本發明係根據下述之知識而完成者，其係：將經壓延加工而製造的特定芳香族聚醯胺合成紙予以水解處理，並可獲得優異特性且可再生利用的抄紙用原料。
亦即，本發明係提供一種抄紙用原料之製造方法，其特徵係將芳香族聚醯胺合成紙，進行水解處理者，該芳香族聚醯胺合成紙係從由芳香族聚醯胺所形成之纖維體及/或短纖維之混合物所形成，並經壓延加工製造者。
本發明又係提供一種抄紙用原料，其係根據上述製造方法所製造。
本發明又係提供一種耐熱性電絕緣片材，其含有上述抄紙用原料。
(芳香族聚醯胺)
在本發明中，芳香族聚醯胺係指醯胺鍵之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)之意。以此種芳香族聚醯胺而言，可例示為：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(對伸苯基)-共聚(3,4二苯醚)對苯二胺等。該等芳香族聚醯胺，係根據使用例如：異酞酸氯化物及間苯二胺的先前已知之界面聚合法、溶液聚合法等進行工業性製造，雖可取得市售品，不過並非限定於此。在該等芳香族聚醯胺中，以聚間苯二甲醯間苯二胺，具備良好的成型加工性、熱黏結性、難燃性、耐熱性等特性之點，可適當使用。
(芳香族聚醯胺纖維體)
本發明中，芳香族聚醯胺纖維體，係指具有抄紙性之薄膜狀芳香族聚醯胺微粒，亦稱為芳香族聚醯胺紙漿(參照日本特公昭35-11851號公報、特公昭37-5732號公報等)。
芳香族聚醯胺纖維體，與通常之木材紙漿相同，廣為所知是實施解磨(disintegration)、打漿處理，並作為抄紙原料使用，可基於保持適於抄紙的品質之目的，實施所謂打漿處理，該打漿處理，可藉由圓盤精製機(disk refiner)、攪打機(beater)、帶有其他機械切斷作用的抄紙原料處理機器來實施。在該操作中，纖維體之形態變化可以日本工業規格P8121規定之游離度試驗方法(打漿度(freeness))予以監視。在本發明，實施打漿處理後芳香族聚醯胺纖維體之游離度(freeness)，較佳為在10 cm3至300 cm3(Canadian打漿度)之範圍內。在較該範圍更大的游離度之纖維體，會有自其所成形的多熱性電絕緣片材強度降低之可能性。一方面，若欲獲得較10 cm3更小的游離度，則投入之機械動力的利用效率變小，又，多為每單位時間之處理量變少，進一步，因過度進行纖維體之微細化，故易於導致所謂 黏著劑功能之降低。因此，即使欲獲得如此較10 cm3更小的游離度，亦不認同是特別的優點。
(芳香族聚醯胺短纖維)
芳香族聚醯胺短纖維，係將使芳香族聚醯胺作為材料之纖維予以切斷者，以此種纖維而言，可例示為取得例如：帝人股份有限公司之「TeijinConex(註冊商標)」、杜邦公司之「Nomex(註冊商標)」等之商品名，不過並非限定於該等。
芳香族聚醯胺短纖維之長度，一般為1 mm以上小於50 mm，較佳可為選自2至10 mm之範圍內。短纖維之長度較1 mm小時，則片材之力學特性降低，另一方面，50 mm以上之物，在以濕式法製造芳香族聚醯胺紙時，易於發生「纏繞(entanglement)」、「捆束(bundling)」等，而成為缺陷之原因。
(芳香族聚醯胺紙)
在本發明，芳香族聚醯胺紙係指主要由前述芳香族聚醯胺纖維體及芳香族聚醯胺短纖維所構成之薄片狀物，一般具有20 μm至1000 μm範圍內之厚度。進一步，芳香族聚醯胺紙一般具有10 g/m2至1000 g/m2範圍內之基重(paper weight in gsm)。
芳香族聚醯胺紙一般是將前述的芳香族聚醯胺纖維體及芳香族聚醯胺短纖維混合後，以成片(sheet)化之方法來製造。具體言之，可適用例如：將上述芳香族聚醯胺纖維體及芳香族聚醯胺短纖維予以乾式摻合(blend)後，利用氣流形成片材之方法；將芳香族聚醯胺纖維體及芳香族聚醯胺短纖維在液體介質中予以分散混合後，在具液體通透性(liquid penetration)之支持體，例如：在網或帶上排出，予以成片化，除去液體並予乾燥之方法等，不過在該等芳香族聚醯胺紙中，較佳是選擇使用水作為介質之所謂濕式抄製法。在此，芳香族聚醯胺纖維體與芳香族聚醯胺短纖維之混合比率可任意設定，較佳為將芳香族聚醯胺纖維體/芳香族聚醯胺短纖維之比率(質量比)設在1/9至9/1，更佳為設在2/8至8/2。
在濕式抄製法中，一般方法是將至少含有芳香族聚醯胺纖維體、芳香族聚醯胺短纖維之單一或混合物之水性漿液，輸送至抄紙機並予分散後，藉由脫水、搾水(water-squeezing)及乾燥操作，而捲繞作為薄片。以抄紙機而言，可利用長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機及組合該等抄紙機的組合式抄紙機等。在以組合式抄紙機製造之情形，藉由將調配比率不同之漿液予以薄片成形，合而為一，可獲得包含複數層紙層的複合體薄片。在抄造(paper forming)時，可依照需要使用分散性提高劑、消泡劑、紙力增強劑(paper strength additive)等之添加劑。
(壓延加工)
上述方式所得之芳香族聚醯胺紙，已知係藉由在一對輥間，於高溫高壓予以熱壓，而提高密度、結晶化度、耐熱性、尺寸穩定性等之機械強度。熱壓之條件，例如在使用金屬製輥之情形，雖可例示溫度100至350℃、線壓50至400kg/cm之範圍內，不過並非限定於該等。亦可在熱壓時積層複數層芳香族聚醯胺紙。上述熱壓加工亦可以任意順序進行複數次。
(水解處理)
本發明之水解處理，係指將上述經壓延加工的芳香族聚醯胺紙與水接觸，將構成芳香族聚醯胺紙的芳香族聚醯胺纖維體予以選擇性分解之處理，藉由將上述經壓延加工的芳香族聚醯胺紙浸漬於加壓熱水或者加壓水蒸氣中，將更易於水解之芳香族聚醯胺纖維體之部分予以水解，而使上述經壓延加工的芳香族聚醯胺紙接近於芳香族聚醯胺短纖維之形狀者較佳。此時之條件，浸漬時溫度較佳為200至270℃之範圍。在設定於此溫度範圍時，加壓熱水充分地滲透於芳香族聚醯胺紙，而使水解良好地進行。又，亦可良好的防止經壓延加工的芳香族聚醯胺紙之軟化或與芳香族聚醯胺紙彼此間或者周圍之反應容器等之熔融，故可維持良好的良率。
又，浸漬時之壓力較佳為飽和水上氣壓以上之壓力。浸漬時之時間，若可使加壓熱水充分地滲透至上述經壓延加工的芳 香族聚醯胺紙內部，則並無特別限制，較佳為在1至20分鐘之範圍，若短於1分鐘時，則多是滲透不充分，反應時間亦短，無法進行充分地水解。又，較20分鐘更長時，亦有芳香族聚醯胺短纖維之部分進行過度水解之情形，會有無法固定作為抄紙用原料之短纖維之形狀，使良率降低之可能性，更甚者，使生產性降低，故不符實際。
實施水解處理時上述經壓延加工的芳香族聚醯胺紙，以預先以粉碎機等粉碎成所期望之尺寸者，在考慮其後之成片化等操作之情形較佳。
又，一般在水解處理時，若使用酸或鹼水溶液時，雖可促進水解，不過芳香族聚醯胺短纖維之部分亦過度地水解，故無法固定作為抄紙用原料之短纖維之形狀，良率降低並不佳。
(熔解熱(heat of fusion))
本發明之熔解熱，係以DSC(差式掃描測熱法(Differential Scanning Calorimetry))、DTA(差式熱分析(Differential Thermal Analysis))等之熱方法所測定。一般來說，聚合物含有非單一的分子量成分，及反映結晶化程度之差異等，而顯示寬廣的熔解行為。在本發明係以在因DSC分析所致吸熱波峰之部分面積，作為熔解熱。
吾人認為上述之經壓延加工的芳香族聚醯胺紙之水解處理後，每單位固體成分之熔解熱，係表示結晶之量，在水解處理後變大者，係使結晶之量增加，亦即，吾人認為這是表示經壓延加工的芳香族聚醯胺紙中之結晶化度低的芳香族聚醯胺纖維體因水解處理而分解，使結晶化度高的芳香族聚醯胺短纖維之量相對地增加，並使形狀接近纖維。
以每單位固體成分之熔解熱增加量而言，增加1.5 cal/g以上，易於發生作為短纖維之纏繞，並提高耐熱性電絕緣片材之強度，故較佳。又，亦可減低耐熱性電絕緣片材之厚度不勻。因此，在本發明，較佳是進行水解處理，以使水解處理後之熔解熱，相較於水解處理前芳香族聚醯胺合成紙之熔解熱，大至 1.5 cal/g以上，易於發生作為短纖維之纏繞，並提高耐熱性電絕緣片材之強度。又，亦可減低耐熱性電絕緣片材之厚度不勻。
(耐熱性電絕緣片材)
本發明之耐熱性電絕緣片材係指，含有前述抄紙用原料之薄片狀物，一般具有20 μm至5 mm範圍內之厚度。進一步，耐熱性電絕緣片材，一般具有10 g/m2至5000 g/m2、較佳為10 g/m2至200 g/m2範圍內之基重。
耐熱性電絕緣片材中，前述抄紙用原料之含量，只要可達成所期望之電絕緣性則並無特別限制，在耐熱性電絕緣片材之製造中，為了保持製程強度(process strength)，較佳為5至80質量%，進一步為了獲得充分的電絕緣性，較佳為15至80質量%，進一步為了顯現充分的強度則特佳為30至80質量%。
耐熱性電絕緣片材，一般係根據將前述的抄紙用原料及芳香族聚醯胺纖維體等加以混合後，予以成片化之方法來製造。
具體言之，首先將上述抄紙用原料粉碎。以粉碎方法而言，較佳為以乾式法、濕式法或兩者之方法粉碎，予以微粒化之方法。乾式法係指使用撕碎機(shredder)、軋碎機(crusher)、捏合機(kneader)等，實質上不使水分介於其中，而施予抄紙用原料衝擊並分解成微粒之方法。又，濕式法係指在水介質中給予抄紙用原料衝擊，使粒度減小之方法。以將此種濕式粉碎有效率實施之設備而言，可例示為：高速解磨機(disintegrator)、精製機、攪打機等，而並非限定於該等。
在本發明，係將經壓延加工的芳香族聚醯胺紙預先實施乾式法所致粉碎後，予以水解處理，進一步實施濕式法所致粉碎之方法較佳。進一步在濕式法所致粉碎時，在與芳香族聚醯胺纖維體混合的狀態下，根據濕式法而粉碎之方法亦可適當使用。藉由與芳香族聚醯胺纖維體混合，而使混合液易於均質化，易於製造均質且微細的微粒，進而可藉由同時地進行濕式處理，而可省略為了薄片製造，而實施為必要的在芳香族聚醯胺纖維體單體之打漿處理。
在片材製造時，可適用例如：將前述抄紙用原料與芳香族聚醯胺纖維體予以乾式摻合後，利用氣流形成薄片之方法；將上述抄紙用原料及芳香族聚醯胺纖維體在液體介質中予以分散混合後，在液體通透性之支持體、例如網或帶上加以排出，予以成片化，除去液體並予乾燥之方法等，該等片材製造中，較佳是選擇使用水作為介質之所謂濕式抄製法。
在濕式抄製法，一般是將至少含有前述抄紙用原料、芳香族聚醯胺纖維體的單一或混合物之水性漿液，輸送漿液至抄紙機並予分散後，藉由脫水、搾水及乾燥操作，而捲繞作為薄片之方法。以抄紙機而言，可利用長網抄紙機、圓網抄紙機、傾斜型抄紙機及該些抄紙機組合的組合式抄紙機等。在以組合式抄紙機之製造之情形，藉由將調配比率不同之漿液予以薄片成形並合而為一，則可獲得包含複數層紙層的複合體薄片。在抄製時，可依照需要使用分散性提高劑、消泡劑、紙力增強劑等之添加劑。
又，除此以外可添加其他纖維狀成分(例如：芳香族聚醯胺纖維、聚苯硫纖維、聚醚醚酮纖維、纖維素系纖維、PVA系纖維、聚酯纖維、芳基化物纖維、液晶聚酯纖維、聚萘二甲酸乙二酯纖維等之有機纖維；玻璃纖維、岩棉(rock wool)、石棉、硼纖維等之無機纖維玻璃纖維)。
本發明之耐熱性電絕緣片材，芳香族聚醯胺纖維體，因具有作為黏著劑之優異特性，故可有效率的補足微粒及其他添加成分，在本發明之耐熱性電絕緣片材製造，可使原料良率成為良好，同時在薄片內重疊成層狀，減少貫通孔，並提高電絕緣性。
如此所得之耐熱性電絕緣片材，係藉由在一對平板間或金屬製輥間，以高溫高壓熱壓，而可提高密度、機械強度。熱壓之條件，例如在使用金屬製輥之情形，雖可例示溫度100至350℃、線壓50至400 kg/cm，不過並非限定於該等。亦可在無增加加熱操作，於常溫僅進行壓製。在熱壓時，亦可積層複 數種耐熱性電絕緣片材。上述熱壓加工亦可以任意之順序進行複數次。
茲就本發明例舉實施例說明如下。此外，該等實施例係例舉實施例說明本發明之內容者，並無任何限定本發明之內容。
[實施例] (測定方法)
(1)熔解熱之測定
根據DSC分析，在氮環境中以10℃/分之升溫速度測定。
(2)長度加權平均纖維長
使用Op Tes tEquipment公司製Fiber Quality Analyzer，測定就約4000個微粒之長度加權平均纖維長度。
(3)基重、厚度之測定
準用JIS C2300-2實施。
關於厚度不勻，係測定連續的40點厚度，將其標準偏差作為厚度不勻。
(4)密度之計算
以基重÷厚度計算。
(5)拉伸強度之測定
將Tensilon拉伸試驗機以寬15 mm、夾盤間隔50 mm、拉伸速度50 mm/分實施。
(6)介電質破壞電壓(dielectric breakdown voltage)
依照ASTM D149，以電極徑51 mm，根據交流所致直升壓法實施。
(原料製備1)
使用紙漿微粒之製造裝置(濕式沈澱機)，其係由以日本特開昭52-15621號公報記載之定子與轉子之組合所構成，來製造聚間苯二甲醯間苯二胺之纖維體。將該等以離解機(disintegrator)、打漿機(beater)處理，並將長度加權平均纖維長調節成0.9 mm(芳香族聚醯胺纖維體之濾水度(freeness)：100ml(Canadian打漿度))。
一方面，將杜邦公司製之甲基芳香族聚醯胺纖維(Nomex(註冊商標)、單絲纖度2丹尼)，切斷成長度6 mm(以下記載為「芳香族聚醯胺短纖維」)。
(經壓延加工的芳香族聚醯胺紙之製造)
將已調製的芳香族聚醯胺纖維體及芳香族聚醯胺短纖維在各自之水中分散，製成漿液，將該等漿液予以混合，成為纖維體與芳香族聚醯胺短纖維為1：1之調配比率(質量比)，以Tappi式手工機(剖面積625 cm2)，製作薄片狀物。接著，將該等以金屬製壓延輥，在溫度330℃、線壓300 kg/cm進行熱壓加工，獲得經壓延加工的芳香族聚醯胺紙。
(原料製備2)
準備將上述經壓延加工的芳香族聚醯胺紙以乾式粉碎機粉碎，並通過開孔徑3 mm篩之物(以下稱Φ3芳香族聚醯胺紙)。
將上述Φ3芳香族聚醯胺紙在高壓反應器(autoclave)中與水混合，以表1所示條件進行水解處理，製成抄紙用原料，並調製與水之混合漿液。將該漿液以離解機、打漿機處理，並予以調節，以使長度加權平均纖維長成為表1所示尺寸(實施例1至3)。
又，將上述Φ3芳香族聚醯胺紙與水混合，以表1所示條件進行水解處理，製成抄紙用原料，並調製與水之混合漿液。將該漿液以離解機、打漿機處理，進行調節以使長度加權平均纖維長成為表1所示尺寸(實施例4)。
(實施例1至4、對照例) (耐熱性電絕緣片材之製造)
將調製的Φ3芳香族聚醯胺紙、調製的抄紙用原料、調製的芳香族聚醯胺纖維體，分散於各自之水，製作漿液。混合該等漿液以成為表1所示調配比率(質量比)，以Tappi式手工機(剖面積625 cm2)製作薄片狀物。接著，將該等以金屬製壓延輥，在溫度330℃、線壓300 kg/cm，進行熱壓加工，獲得耐 熱性電絕緣片材。如此所得之耐熱性電絕緣片材之主要特性值如表1所示。
由表1之結果可知，本發明(實施例1及2)之耐熱性電絕緣片材，介電質破壞電壓亦充分地高，強度亦高，厚度不勻亦小，進一步，即使在250℃ 10分鐘之處理，因外觀無觀察到變化，故作為耐熱性電絕緣片材極為有用。相對於此，在本發明實施例3及4之抄紙用原料，與對照例之熔解熱差異小，水解之進行並不充分。又，吾人亦可知耐熱性電絕緣片材因厚度 不勻大，故作為耐熱性電絕緣片材之用途受到限定。

Claims (4)

  1. 一種抄紙用原料之製造方法，其特徵為將芳香族聚醯胺合成紙予以水解處理者，其中該芳香族聚醯胺合成紙係從由芳香族聚醯胺所形成之纖維體及/或短纖維之混合物所形成，並經壓延加工所製造；其中所述水解處理係將經壓延加工的該芳香族聚醯胺合成紙浸漬於一加壓熱水或者一加壓水蒸氣中，且浸漬時之壓力為飽和水蒸氣壓以上之壓力。
  2. 如申請專利範圍第1項之製造方法，其係進行水解處理，以使水解處理後之熔解熱，較水解處理前芳香族聚醯胺合成紙之熔解熱大1.5cal/g以上。
  3. 一種抄紙用原料，其係根據如申請專利範圍第1或2項之製造方法所製造。
  4. 一種耐熱性電絕緣片材，其特徵為含有如申請專利範圍第3項之抄紙用原料。
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