JP6194008B2 - 電気絶縁紙 - Google Patents

Description

本発明は、電気絶縁紙に関するものであり、前記絶縁紙を含む絶縁導体、前記絶縁導体を含む変圧器、発電機、または電動機、および前記電気絶縁紙を製造する方法に関する。

ＷＯ２０１２／０９３０４８は、パラアラミドフィブリッドを４０〜１００重量％と、アラミドパルプ、アラミドフロック、アラミド短繊維、アラミドフィブリル、メタアラミドフィブリッド、メタ／パラアラミドフィブリッド、熱伝導性フィラー、ならびにカオリンなどの充填剤、バインダー類、繊維類、粘着付与剤、および接着剤などの通常の紙添加物のうち、これらの少なくとも１つを、６０重量％未満を含む電気絶縁紙が記載されている。一般的な絶縁紙は、絶縁導体、ならびにこれからなる変圧器、発電機、および電動機に用いることができる。本願の実施例に記載される絶縁紙は、高絶縁耐力を示す。しかしながら、絶縁耐力は、高品質の絶縁紙が満たすべきパラメータの一つに過ぎない。より具体的には、電気絶縁紙は、高絶縁耐力と高引張指数とを組み合わせるべきであり、絶縁耐力と引張指数との積として表すことができる。また、絶縁紙の製造の容易性も重要な特徴であり、特に、フィブリッドの含有量が多い紙は製造が困難な場合がある。
したがって、特性が改良され、製造の容易性が向上した電気絶縁紙が必要とされている。

本発明は、そのような特性が改良され、製造の容易性が向上した電気絶縁紙を提供する。
本発明のさらなる利点は以下の明細書から明らかになる。

本発明は、
４０−８０重量％のアラミドフィブリッド、
１０−５０重量％のアラミドパルプ、
および１０−５０重量％のアラミド短繊維から成る電気絶縁紙であり、
前記アラミドパルプは、長さが０．５〜６ｍｍであり、ショッパーリグラー（ＳＲ）値が１５〜８５であるパラアラミドパルプであり、
少なくとも０．７ｇ／ｃｍ ^３ より大きい嵩密度を持つ電気絶縁紙である。

上記要件を満たす電気絶縁紙は、上記成分のうち二つのみを含む系、またはアラミドフィブリッドが４０重量％未満の系と比べて、絶縁耐力（ｋＶ／ｍｍで表す）と引張指数（Ｎｍ／ｇで表す）との積である値が増加することがわかった。１００％のアラミドフィブリッドを含む紙は、本発明の電気絶縁紙と比べて、絶縁耐力（ｋＶ／ｍｍで表す）と引張指数（Ｎｍ／ｇで表す）との積である値がより高いが、この紙は製造が困難であるためあまり魅力的でない。さらに、フィブリッドのみで構成される紙は、ある種の用途では引裂強度が不十分な場合がある。

なお、ＵＳ５，０２６，４５６は、１０〜４０重量％のアラミドフィブリッドと、５〜３０重量％の耐高温フロックと、３０〜８５重量％のアラミド紙パルプとを含む高多孔性紙が記載されている。このアラミド紙パルプは、フロックおよびフィブリッドを含む乾燥アラミド紙から、例えば湿式精製により得られるパルプである。これらのアラミドフィブリッド、フロックおよびパルプはすべて、メタアラミドから得られる。高多孔性は低い電気抵抗値を伴うため、高多孔性紙が電気絶縁紙としての使用には適さないことは当業者には自明である。

本明細書の文脈において、アラミドとは、芳香族ジアミンと芳香族ジカルボン酸ハライドとの縮合ポリマーである芳香族ポリアミドのことを言う。アラミド類はメタ型およびパラ型で存在しており、いずれも本発明において使用できる。芳香族部分間の結合のうち少なくとも８５％がパラアラミド結合であるアラミドを使用することが好ましいと考えられる。このグループの典型的なメンバーとして、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）、ポリ（４，４’−ベンズアニリドテレフタルアミド）、ポリ（パラフェニレン−４，４’−ビフェニレンジカルボン酸アミド）およびポリ（パラフェニレン−２，６−ナフタレンジカルボン酸アミド）またはコポリ（パラ−フェニレン／３，４’−ジオキシジフェニレンテレフタルアミド）が挙げられる。芳香族部分間結合のうち少なくとも９０％、より特定的には少なくとも９５％がパラアラミド結合であるアラミドを使用することが好ましい。ＰＰＴＡとも称されるポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）の使用が特に好ましい。このことは、本発明の電気絶縁紙に適用されるアラミド成分すべてに当てはまる。

本発明の電気絶縁紙は、アラミドフィブリッドを含む。アラミドフィブリッド類は当該技術分野において公知である。本明細書の文脈において、アラミドフィブリッドという言葉は、小さくて非顆粒状の、堅くないフィルム状の粒子のことを言う。フィルム状フィブリッド粒子は、３次元のうち２次元がマイクロメートルのオーダーであり、１次元が１マイクロメートル未満である。ある実施形態では、本発明で使用されるフィブリッドは、０．２〜２ｍｍの範囲の平均長と、１０〜５００マイクロメートルの範囲の平均幅と、０．００１〜１マイクロメートルの範囲の平均厚さとを有する。

ある実施形態では、アラミドフィブリッドは、４０％未満、好ましくは３０％未満の微粉を含み、この微粉は２５０マイクロメートル未満の長さ加重平均繊維長（ＬＬ）を有する粒子と定義される。

メタアラミドフィブリッドは、米国特許第２，９９９，７８８から既知のように、ポリマー溶液を凝集液にせん断析出させることにより調製してもよい。全芳香族ポリアミド（アラミド）のフィブリッドは米国特許第３，７５６，９０８からも公知であり、ポリメタフェニレンイソフタルアミド（ＭＰＤ−Ｉ）フィブリッドを調製する方法が開示されている。パラアラミドフィブリッドは、例えばＷＯ２００５／０５９２４７に記載されるような、ごく最近開発された高せん断工程により製造され、このフィブリッドはジェットスパンフィブリッドとも呼ばれる。

アラミドフィブリッドはパラアラミドフィブリッドであるのが好ましい。最も好適な電気絶縁紙は、ショッパーリグラー（ＳＲ）値が５０〜９０、好ましくは７５〜８５のパラアラミドフィブリッドから構成されている。これらのフィブリッドの比表面積（ＳＳＡ）は好ましくは１０ｍ^２／ｇ未満、より好ましくは０．５〜１０ｍ^２／ｇ、最も好ましくは１〜４ｍ^２／ｇである。

ある実施形態において、ＬＬ０．２５が少なくとも０．３ｍｍ、特には少なくとも０．５ｍｍ、より特定的には少なくとも０．７ｍｍであるフィブリッドが使用される。ある実施形態では、ＬＬ_０．２５は多くても２ｍｍ、より特には多くても１．５ｍｍ、さらにより特には多くても１．２ｍｍである。ＬＬ_０．２５は、フィブリッド粒子の長さ加重平均繊維長を表し、ここで０．２５ｍｍ未満の長さの粒子は考慮に入れない。

本発明の電気絶縁紙は、アラミドパルプを含む。アラミドパルプは当該技術分野において周知である。このパルプはパラアラミドパルプである。
アラミドパルプは、例えば０．５〜６ｍｍの長さに切断されたアラミド繊維から得ることができ、フィブリル化工程において、該繊維は引き裂かれフィブリルを形成するが、より太い幹（ｓｔｅｍ）に付着させてもさせなくてもよい。この種のパルプは、例えば０．５〜６ｍｍの長さと、１５〜８５のショッパーリグラー値とを特徴とする。ある種の実施形態では、該パルプは４〜２０ｍ^２／ｇの表面積を有する。

本明細書の文脈において、パルプという言葉は、フィブリル、すなわち、フィブリル化された部分を主に含み繊維の幹をわずかに含むか全く含まない「パルプ」をも包含する。このパルプは、アラミドフィブリルと称されることもあり、例えばＷＯ２００４／０９９４７６に記載されるように、例えば溶液からの直接紡績によって得ることができる。ある実施形態では、該パルプは、未乾燥パルプと乾燥パルプとのＣＳＦ（カナダ標準濾水度（Canadian Standard Freeness））の差が少なくとも１００、好ましくは少なくとも１５０として表される構造不規則性を有する。ある実施形態では、湿った段階ではカナダ標準濾水度（ＣＳＦ）の値が３００ｍｌ未満、乾燥後の比表面積（ＳＳＡ）が７ｍ^２／ｇ未満、好ましくは２５０マイクロメートル（ＷＬ０．２５）を超える長さの粒子についての質量加重平均繊維長が１．２ｍｍ未満、より好ましくは１．０ｍｍ未満のフィブリルが使用される。好適なフィブリルおよびその製造方法は、例えばＷＯ２００５／０５９２１１に記載されている。

本発明の電気絶縁紙は、アラミド短繊維を含む。ある実施形態では、本発明では例えば０．５〜１５ｍｍ、特には２〜１０ｍｍ、より特には３〜８ｍｍの長さに切断されたアラミド繊維であるアラミド短繊維が使用される。このアラミド短繊維は好ましくは、パラアラミド短繊維である。
本発明の電気絶縁紙は、４０〜８０重量％のアラミドフィブリッドと、１０〜５０重量％のアラミドパルプと、１０〜５０重量％のアラミド短繊維とを含む。
絶縁耐力（ｋＶ／ｍｍで表される）と引張指数（Ｎｍ／ｇで表される）との積である値が増加することからも分かるように、３つの成分のすべてが存在することにより良好な特性を有する電気絶縁紙が得られることが分かった。

ある実施形態では、この電気絶縁紙は、一方では他の成分の量を増加させ、他方では紙の製造容易性を向上させるために多くても７０重量％のフィブリッドを含み、さらには多くても６０重量％のフィブリッドを含む。製造中にフィブリッド含有紙から水を除去することは困難であるため、フィブリッドの量が多ければ製造速度が低下する。さらに、フィブリッドの含有量が極めて多い紙は、引裂強度が不十分である場合がある。

ある実施形態では、この紙は、少なくとも１５重量％、より特には少なくとも２０重量％のアラミド短繊維を含有する。これにより強度が増加した紙になるからである。
この電気絶縁紙は多くて４０重量％の短繊維を含有することが好ましい。短繊維の量が多すぎると、絶縁性に悪影響を及ぼし得る。短繊維の量が少なすぎると、この発明の特性が得られない。

ある実施形態では、この紙は、少なくとも１５重量％のパルプを含有する。この電気絶縁紙は多くて４０重量％のパルプ、より限定的には多くて３０重量％のパルプを含有することが好ましい。
パルプの量が多すぎると、絶縁性に悪影響を及ぼし得る。パルプの量が少なすぎると、この発明の特性が得られない。

ある実施形態では、この電気絶縁紙は、４０〜６０重量％の上記アラミドフィブリッドと、２０〜４０重量％の上記パラアラミド短繊維と、１５〜３０重量％の上記パラアラミドパルプとを含む。
所望に応じて、この電気絶縁紙は、雲母を含むフィラー、カオリンおよびベントナイトなどの粘土、熱伝導性電気絶縁性フィラー、鉱物類、バインダー類、繊維類、粘着付与剤、接着剤などの、通常の抄紙成分を１つ以上含んでもよい。

この電気絶縁紙は添加剤としてカオリンを含むことが好ましい。例えばＷＯ２００８／１２２３７４に記載されるように、紡績工程の際にカオリンをフィブリッドに混合することにより製造されるカオリン含有フィブリッドを使用することにより、フィブリッドを介してカオリンを当該紙に導入することがさらに好ましい。
熱伝導性電気絶縁性フィラーは当該技術分野において公知である。これらは通常、発電機、スイッチングモード電源、および信号増幅器に適用されている。このような材料の例は、ＵＳ４，８６９，９５４に見出され、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化マグネシウム、および酸化亜鉛を含む。

ある実施形態では、本発明の電気絶縁紙は、少なくとも０．７ｇ／ｃｍ^３、好ましくは０．９ｇ／ｃｍ^３以上の嵩密度を有する。嵩密度が０．７ｇ／ｃｍ^３未満の電気絶縁紙は絶縁耐力が低下することが分かった。最大値として、１．４ｇ／ｃｍ^３を挙げることができる。
ある実施形態では、本発明に従う電気絶縁紙は、ＡＳＴＭ Ｄ−２５７の体積抵抗率の方法に準拠して少なくとも１０^１３Ωｃｍの電気抵抗を有する。好ましくは、抵抗は少なくとも１０^１５Ωｃｍである。
ある実施形態では、本発明に従う電気絶縁紙は、２０〜１０００ｇ／ｍ^２の範囲、より限定的には３０〜３００ｇ／ｍ^２の範囲の坪量を有する。
ある実施形態では、本発明に従う電気絶縁紙は、２０マイクロメートルから１ｍｍの範囲、より限定的には３０〜３００マイクロメートルの範囲の厚さを有する。

本発明はまた、上記電気絶縁紙の製造方法に関する。本発明に従う製造方法において、懸濁液は、一般的には水性懸濁液であり、上記のとおりアラミドフィブリッド、パルプおよび短繊維を含む懸濁液を調製する。この懸濁液を多孔性スクリーンの上に配し、ランダムに織り合わせた材料からなるマットをこのスクリーンの上に配置する。
例えば、加圧および／または真空を付与することによりこのマットから水分を除去し、その後乾燥させて抄紙する。

乾燥させた紙にカレンダー加工工程を施すと、特性が改良された紙を得られることがわかった。カレンダー加工工程は当該技術分野において公知である。この工程は一組のロールに紙を通すことを含む。特に１００℃以上、好ましくは１５０℃〜３００℃、より好ましくは１８０℃〜２２０℃、最も好ましくは１８０℃〜２００℃に温度を上昇させてカレンダー処理を行った場合、さらなる絶縁性の改良が得られることも分かった。
フィブリッドは、抄紙工程において用いる前にワーリングブレンダーなどのせん断力にかけると紙の電気的特性にとって有益となり得る。

電動機または電力変圧器に使用されるものなどの絶縁電気巻線の製造において、巻線のターン間に絶縁シート材を配置することにより巻線のターンどうしを絶縁することが一般的に行われている。
そのようなシート材絶縁は、巻線の隣接する巻き間に、比較的高圧が本質的に生じる、高圧巻線または比較的巻数の多い巻線においてのみ通常必要とされる。

本発明の絶縁紙は、導体の絶縁や、変圧器、発電機および電動機の製造に好適である。
したがって、本発明はまた、絶縁導体における本発明の電気絶縁紙の使用と、変圧器、発電機および電動機におけるそのような絶縁導体の使用とに関する。本発明はまた、ここに記載する、またはここに記載する製造方法により得られる紙を含む絶縁導体と、前記絶縁導体を含む変圧器、発電機または電動機とに関する。

ある実施形態において、本発明に従う電気絶縁紙は、例えばリード線、コイル、スロット、フェーズ、ウェッジおよび端部絶縁のために巻線電機装置に使用される。別の実施形態において、本発明に従う電気絶縁紙は、ターン、層、バリアおよび絶縁タップのために変圧器に使用される。
なお、ここに記載される電気絶縁紙の実施形態は、当業者には明らかなように互いに組み合わせることが可能である。この電気絶縁紙に関して記載されたすべての実施形態および特性は、個別にまたは組み合わせて、この電気絶縁紙の製造方法にも適用可能である。この紙に関するすべての実施形態および特性は、個別にまたは組み合わせて、いかなる用途での使用にも適用可能である。

抄紙プロセス（一般的手順）
すべての紙の配合は、ＩＳＯ５２６９−２の方法に準拠して、Ｒａｐｉｄ Ｋｏｅｔｈｅ（ＲＫ）手すき機で抄紙した。
９５℃の真空下でＲＫ乾燥機を用いて乾燥を行った。乾燥した紙のカレンダー処理は、２００℃で１０μｍのギャップ制御下で行った。カレンダー処理には二個のスチールローラーを使用した。
絶縁耐力の測定は、ＡＳＴＭ Ｄ１４９ ９７Ａ ９２００４０に準拠し行った。紙の厚さは、絶縁破壊した位置でＴＡＰＰＩ４１１ｏｍ−０５に準拠して測定した。この厚さは絶縁耐力の算出において使用した。各紙の種類ごとに少なくとも５か所の絶縁破壊を測定して平均絶縁耐力（表に示す）を得た。
引張指数（ＴＩ）および破断時伸び（ＥＡＢ）は、ＩＳＯ１９２４−２に従って測定した。ガーレーは、ＩＳＯ５６３６−５に従って測定した。

出発材料は以下の通りであった。
ＰＰＴＡフィブリッド：トワロン（登録商標）Ｄ８０１６、テイジンアラミド社、オランダ
ＰＰＴＡ短繊維：トワロン（登録商標）Ｔ１０００、６ｍｍ、テイジンアラミド社、オランダ
ＰＰＴＡパルプ：トワロン（登録商標）１０９４、テイジンアラミド社、オランダ

［実施例１、比較例Ａ〜Ｅ］
ＩＳＯ５２６９−２の方法に準拠して抄紙し、その後、特に記載されない限り一般的な手順に従ってカレンダー処理を行った。抄紙される材料は、材料で１．６ｇ（乾燥重量に基づく）となり、５０ｇ／ｍ^２のシートが得られた。これらの種々の電気絶縁紙の組成、坪量、および厚さは以下の表１に示す。実施例１は、本発明に従う電気絶縁紙である。紙Ａ〜Ｅは、比較例である。

これらの紙の種々の特性を測定した。その結果を以下の表２に示す。

表２の結果より、本発明に従う実施例１の電気絶縁紙は、引張指数と絶縁耐力との積である値が高く、様々な用途での使用に適していることがわかる。フィブリッドのみを含有する紙は、このパラメータの値が非常に高いが、製造中の水分除去が困難であり、引裂強度が低かった。

Claims (15)

1. ４０−８０重量％のアラミドフィブリッド、
   １０−５０重量％のアラミドパルプ、
   および１０−５０重量％のアラミド短繊維から成る電気絶縁紙であって、
   該アラミドパルプは０．５〜６ｍｍの長さと１５〜８５のショッパーリグラー（ＳＲ）値のパラアラミドパルプであり、
   少なくとも０．７ｇ／ｃｍ ^３ より大きい嵩密度を持つことを特徴とする電気絶縁紙。
2. フィブリッドがパラアラミドフィブリッドであり、および／または短繊維がパラアラミド短繊維である請求項１に記載の電気絶縁紙。
3. アラミドフィブリッドはショッパーリグラー（ＳＲ）値が５０−９０を有し、そして／または比表面積（ＳＳＡ）が１０ｍ^２／ｇ未満である請求項１または２に記載の電気絶縁紙。
4. 多くとも７０重量％のフィブリッドを含んでなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気絶縁紙。
5. 前記電気絶縁紙が少なくとも１５重量％のアラミド短繊維を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気絶縁紙。
6. 前記電気絶縁紙が少なくとも１５重量％のパルプを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気絶縁紙。
7. ＡＳＴＭ Ｄ−２５７の体積抵抗率の方法に準拠して少なくとも１０^１３Ωｃｍの電気抵抗を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気絶縁紙。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気絶縁紙を製造する方法であって、
   アラミドフィブリッドと、アラミドパルプと、アラミド短繊維とを含む懸濁液を調製する工程と、
   前記懸濁液を多孔性スクリーン上に配し、ランダムに織り合わされた材料からなるマットを前記スクリーン上に配置する工程と、
   加圧および／または真空の付与により前記マットから水分を除去する工程と、水分を除去した前記マットに乾燥工程を施す工程とを含む紙の製造方法。
9. 前記乾燥された紙にカレンダー加工工程を施す、請求項８に記載の紙の製造方法。
10. カレンダー処理が１００℃以上で行われる請求項９に記載の紙の製造方法。
11. 絶縁導体において請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気絶縁紙の使用。
12. 絶縁導体において請求項８〜１０のいずれか１項に従って製造した電気絶縁紙の使用。
13. 変圧器、発電機または電動機における請求項１１に記載の絶縁導体の使用。
14. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気絶縁紙を含む絶縁導体。
15. 請求項１４に記載の絶縁導体を含む、変圧器、発電機、または電動機。