芳族聚酰胺聚四氟乙烯复合片材、该片材的制备方法及使用该片材的高频装置.pdf

本发明提供一种芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其特征在于，所述片材是由含有芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维的片材与在上述片材的面方向成为层状的聚四氟乙烯层形成并经煅烧加工的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，空隙率为30%以上且厚度为150μm以下。

权利要求书1.   一种芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其特征在于，所述片材是由含有芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维的片材与在上述片材的面方向成为层状的聚四氟乙烯层形成并经煅烧加工的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，空隙率为30%以上且厚度为150μm以下。2.   权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其中，200℃的介电常数和介电损耗角正切相对于测定频率的增加而显示减少趋势。3.   权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其中，100℃的介电常数与25℃的介电常数的比值、或200℃的介电常数与25℃的介电常数的比值为0.9~1.1。4.   权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的制备方法，其特征在于，将在由芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维通过湿式抄制法所制备的片材上涂布有聚四氟乙烯微粒分散体的片材进行压延加工后，进行煅烧加工。5.   一种高频装置，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。6.   一种发电机，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。7.   一种电动机，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。8.   一种变换器，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。9.   一种换流器，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。10.   一种印制基板，其特征在于，使用权利要求1所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。

说明书芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材、该片材的制备方法及使用该片材的高频装置
技术领域
本发明涉及机械特性、电气绝缘性、介电特性、液体含浸性等优异，适合用作在高温下可使用或进行工作的高频装置的绝缘部件的新型芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材。
背景技术
在处理高频信号的变换器、印制基板、移动无线通信等高频装置中，为了进行高频信号的转换，在绝缘部件中需要减小通过下式所表示的介电损耗(热损耗) P的产生。因此，要求低介电常数和低介电损耗角正切的绝缘部件。

此处，E为电压，tanδ为物质的介电损耗角正切，f为频率，ε0为真空的介电常数，εr为物质的介电常数(介电常数)，S为电极的面积，d为电极间距。
另一方面，为了高频信号的转换使用半导体，但近年来碳化硅、氮化镓等高温工作功率半导体的开发日趋活跃，分别根据半导体开关电路的使用条件等，要求合适的变化特性或水平等。
但是，在绝缘部件中，未必能够充分应对近年来的高频装置的日益高效率化、大容量化和小型化(compact)。
在要求高效率和大容量的发电机、电动机、变换器、换流器、印制基板等高频装置的绝缘部件中，需要同时满足以下4种特性：
1) 介电常数和介电损耗角正切低(低介电性)；
2) 高的耐电压；
3) 具有机械强度；以及
4) 充分含浸自动机械润滑油等的润滑剂。
特别是认为在高温的状态下满足上述4种特性在充分发挥高温工作有效的功率半导体的特性的意义下极其重要。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能够胜任在高温下可使用或进行工作的高频装置的高效率化·大容量化的低介电绝缘片材。
本发明人鉴于这样的情况，为了开发能够胜任高频装置的高效率化·大容量化的低介电绝缘片材而进行了深入研究，结果达成本发明。
在第1实施方式中，本发明提供一种芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其特征在于，所述片材是由含有芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维的片材与在上述片材的面方向成为层状的聚四氟乙烯层形成并经煅烧加工的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，空隙率为30%以上且厚度为150μm以下。
在第2实施方式中，本发明提供第1实施方式所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其中，200℃的介电常数和介电损耗角正切相对于测定频率的增加而显示减少趋势。
在第3实施方式中，本发明提供第1实施方式或第2实施方式所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材，其中，100℃的介电常数与25℃的介电常数的比值、或200℃的介电常数与25℃的介电常数的比值为0.9~1.1。
在第4实施方式中，本发明提供第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的制备方法，其特征在于，将在由芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维通过湿式抄制法所制备的片材上涂布有聚四氟乙烯微粒分散体的片材进行压延加工后，进行煅烧加工。
在第5实施方式中，本发明提供一种高频装置，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
在第6实施方式中，本发明提供一种发电机，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
在第7实施方式中，本发明提供一种电动机，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
在第8实施方式中，本发明提供一种变换器，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
在第9实施方式中，本发明提供一种换流器，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
在第10实施方式中，本发明提供一种印制基板，其特征在于，使用第1~3实施方式中任一项所记载的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材作为绝缘部件。
具体实施方式
(芳族聚酰胺)
在本发明中，芳族聚酰胺是指酰胺键的60%以上直接键合于芳环上的线状高分子化合物(芳族聚酰胺)。作为这样的芳族聚酰胺，例如可列举出聚间苯二甲酰间苯二胺及其共聚物、聚对苯二甲酰对苯二胺及其共聚物、对苯二甲酰对苯二胺-3,4’-二苯醚共聚物(ポリ（パラフェニレン）－コポリ（3,4’－ジフェニルエーテル）テレフタールアミド)等。这些芳族聚酰胺例如可通过使用间苯二甲酰氯和间苯二胺的目前已知的界面聚合法、溶液聚合法等进行工业制备，可作为市售品购入，但并不限定于此。在这些芳族聚酰胺中，在具备良好的成型加工性、热粘结性、阻燃性、耐热性等特性的方面优选使用聚间苯二甲酰间苯二胺。
(芳族聚酰胺沉析纤维)
在本发明中，芳族聚酰胺沉析纤维为具有抄纸性的薄膜状芳族聚酰胺粒子，也称为芳族聚酰胺纸浆(参照日本特公昭35-11851号公报、日本特公昭37-5732号公报等)。
众所周知，将芳族聚酰胺沉析纤维与通常的木材纸浆相同地实施离解、叩解处理而用作抄纸原料，为了保持适合于抄纸的品质而可实施所谓的叩解处理。该叩解处理可通过圆盘精研机、打浆机、其它可带来机械性切断作用的抄纸原料处理机器来实施。在这种操作中，沉析纤维的形态变化可用日本工业标准P8121所规定的滤水度试验方法(滤水度)进行监测。在本发明中，实施叩解处理后的芳族聚酰胺沉析纤维的滤水度优选在10cm3~300cm3 (加拿大标准滤水度(JISP8121))的范围内。在滤水度大于该范围的沉析纤维中，有由其成型的隔热性电气绝缘片材(多熱性電気絶縁シート)材料的强度降低的可能性。另一方面，若为了得到小于10cm3的滤水度，则投入的机械动力的利用率变小，另外，每单位时间的处理量变少的情况多，此外，由于过度进行沉析纤维的微粉化，所以容易导致所谓的粘结剂功能的降低。因此，即使这样得到比10cm3小的滤水度，也无法发现特别的优点。
(芳族聚酰胺短纤维)
芳族聚酰胺短纤维是将以芳族聚酰胺作为材料的纤维切断而得到的纤维，作为这样的纤维，例如可列举出：可以帝人(株)的“Teijinconex (テイジンコーネックス) (注册商标)”、DuPont公司(デュポン社)的“Nomex (ノーメックス) (注册商标)”等商品名购入的纤维，但并不限定于此。
芳族聚酰胺短纤维的长度通常可从1mm以上且低于50mm、优选2~10mm的范围内进行选择。若短纤维的长度小于1mm，则片材材料的力学特性降低，另一方面，50mm以上的短纤维在通过湿式法制备芳族聚酰胺纸时易产生“缠绕(からみ)”、“打结(結束)”等而易造成缺陷。
(芳族聚酰胺片材)
在本发明中，芳族聚酰胺片材为主要由上述的芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维构成的片状物，优选具有30~180μm的范围内的厚度。此外，芳族聚酰胺片材优选具有10g/m2~140g/m2的范围内、特别是10g/m2~70g/m2的范围内的坪量(单位面积质量)。此处，芳族聚酰胺沉析纤维与芳族聚酰胺短纤维的混合比例可设为任意比例，但优选将芳族聚酰胺沉析纤维/芳族聚酰胺短纤维的比例(质量比)设为1/9~9/1，更优选为2/8~8/2，但并不限定于此范围。
芳族聚酰胺片材通常通过将上述的芳族聚酰胺沉析纤维与芳族聚酰胺短纤维混合后进行片材化的方法进行制备。具体而言，例如可应用将上述芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维进行干式混合后利用气流以形成片材的方法，在液体介质中将芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维进行分散混合后排出在液体透过性的支持体(例如网或带)上以进行片材化、除去液体并进行干燥的方法等，但在这些方法中优选选择使用水作为介质的所谓湿式抄制法。
在湿式抄制法中，通常为以下方法：在将至少含有芳族聚酰胺沉析纤维、芳族聚酰胺短纤维的单一或混合物的水性浆料送液至抄纸机并进行分散后，进行脱水、挤水和干燥操作，由此作为片材进行卷取。作为抄纸机，可利用长网抄纸机、圆网抄纸机、倾斜型抄纸机和将它们进行组合的复合抄纸机等。在用复合抄纸机进行的制备的情况下，将掺混比例不同的浆料成型为片材并进行合并，由此可得到由多个层构成的复合体片材。在抄制时根据需要使用分散性改善剂、消泡剂、纸强度增强剂等添加剂。
(聚四氟乙烯)
在本发明中，聚四氟乙烯为四氟乙烯的共聚物，并且为只由氟原子和碳原子构成的氟树脂(氟化碳树脂)。在本发明中，如下所述，优选使用聚四氟乙烯微粒水分散体，作为这样的水分散体，例如可列举出：可以DuPont-Mitsui Fluorochemicals Co., Ltd. (三井·デュポンフロロケミカル(株))的“PTFE31-JR”、Daikin Industries, Ltd. (ダイキン(株))的“Ployflon (ポリフロン) (注册商标) PTFED系列”等商品名购入的水分散体，但并不限定于此。
(芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材)
本发明的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材例如优选将在由芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维通过湿式抄制法所制备的芳族聚酰胺片材上涂布有聚四氟乙烯微粒分散体的片材进行压延加工后进行煅烧加工。压延加工前的复合片材的厚度优选为35~260μm，但并不限定于此。
作为在芳族聚酰胺片材上涂布聚四氟乙烯微粒分散体的方法，可无限制地使用各种公知的方法，但优选用涂布机在上述芳族聚酰胺片材上涂布聚四氟乙烯微粒分散体，形成在面方向成为层状的聚四氟乙烯层。上述涂布机可选自刮棒涂布机、辊式涂布机、逆转辊涂布机、凹版印刷涂布机、刮刀涂布机和气刀涂布机。也可以任意的顺序进行多次上述涂布加工。
如上所述得到的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材可通过实施在一对轧辊间于高温高压下进行热压的所谓压延加工，提高机械强度，控制空隙率和厚度。例如在使用金属制轧辊的情况下，热压的条件优选温度为270~370℃、线性压力为50~200kg/cm的范围内。特别优选温度为280~330℃、线性压力为60~120kg/cm的范围内。若温度低于270℃，则强度未充分提高，若高于370℃，则有复合片材易粘贴于轧辊表面而破裂的情况。也可以任意的顺序进行多次上述压延加工。
如上所述经压延加工的复合片材可通过在高温下进行煅烧加工而低介电化，制备能够胜任在高温下可使用或进行工作的高频装置的高效率化·大容量化的低介电绝缘片材。本发明中的煅烧加工优选以将复合片材的至少一面与气体接触的状态实施。在从两面用加热体压紧以进行加压时，若变为370℃以上，则粘贴于加压体上，难以制备。作为具体的方法，可列举出通过煅烧炉、在烘箱中进行加热、将一面与加热轧辊接触的方法等，但并不限定于此。另外，为了有效且连续地进行制备，优选在上述压延加工之后连续进行煅烧加工。煅烧温度优选为370~410℃，更优选为395~405℃。若煅烧温度变得高于410℃，则有芳族聚酰胺片材劣化的可能性。另外，若煅烧温度变得低于370℃，则有复合片材的介电常数和介电损耗角正切变高的情况。优选的煅烧时间为3秒以上且15分钟以内，特别优选为5秒以上且10分钟以内，但并不限定于此。若煅烧时间短，则煅烧未充分进行，有介电常数和介电损耗角正切变高的情况，若过长，则产生片材的劣化，有产生机械强度降低等问题的情况。为了提高自动机械润滑油等液体的含浸性，经煅烧加工的复合片材的空隙率优选30%以上。另外，为了高频装置的小型化·轻量化，厚度优选150μm以下。
本发明的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材优选为200℃的介电常数和介电损耗角正切相对于测定频率的增加而显示减少趋势的复合片材。另外，本发明的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材优选100℃的介电常数与25℃的介电常数的比值、或200℃的介电常数与25℃的介电常数的比值为0.9~1.1。
本发明的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材可适合用作发电机、电动机、变换器、换流器、印制基板等高频装置的绝缘部件。
以下，对于本发明，列举实施例以进行说明。需说明的是，这些实施例用于举例以说明本发明的内容，并非限定本发明的内容。
实施例
(测定方法)
(1) 长度加权平均纤维长
使用Op Test Equipment公司制Fiber Quality Analyzer，测定约4000个微粒的长度加权平均纤维长。
(2) 坪量、厚度的测定
依据JIS C2300-2实施。
(3) 密度的计算
以坪量÷厚度进行计算。
(4) 空隙率的计算
将芳族聚酰胺、聚四氟乙烯的真比重分别计为1.38、2.17进行计算。
(5) 拉伸强度的测定
使用Tensilon拉伸试验机以15mm的宽度、50mm的夹具间距、50mm/分钟的拉伸速度实施。
(6) 介电常数、介电损耗角正切
依据JIS K6911实施。
(7) 绝缘击穿电压
依据ASTM D149，以51mm的电极直径通过使用交流电的直接升压法实施。
(8) Gurley透气度
使用在JIS P8117中规定的Gurley透气度测定器，测定100cc (0.1dm3)的空气通过用具有外径为28.6mm的圆孔的夹板压紧的片材样品(面积为642mm2)的时间(秒)。
(实施例1~4)
(原料制备)
使用日本特开昭52-15621号公报所记载的以定子与转子的组合构成的纸浆粒子制备装置(湿式沉淀机)，制备聚间苯二甲酰间苯二胺的沉析纤维。将其用离解机、叩解机进行处理从而将长度加权平均纤维长调节为0.9mm。得到的芳族聚酰胺沉析纤维的滤水度为90cm3。
另一方面，将DuPont公司(デュポン社)制间位芳族聚酰胺纤维(Nomex (ノーメックス) (注册商标)，单丝纤度为2旦)切断成长度为6mm (以下记为“芳族聚酰胺短纤维”)。
(芳族聚酰胺片材的制备)
将制备的芳族聚酰胺沉析纤维和芳族聚酰胺短纤维分别在水中进行分散以制备浆料。将这些浆料进行混合使得沉析纤维与芳族聚酰胺短纤维变为1/1的掺混比例(重量比)，用叩解式手动抄纸机(截面积为625cm2)制备片状物，得到厚度约为144μm的芳族聚酰胺片材。
(芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的制备)
在上述芳族聚酰胺片材上用刮刀涂布机涂布DuPont-Mitsui Fluorochemicals Co., Ltd. (三井·デュポンフロロケミカル(株))制的“PTFE31-JR”(聚四氟乙烯)，于120℃用烘箱干燥1小时。进而，涂布聚四氟乙烯，于120℃用烘箱干燥1小时。复合片材整体的厚度约为147μm。在以表1所示的条件将复合片材进行压延加工后，通过连续将一面与高温轧辊接触实施煅烧加工，得到复合片材。将这样得到的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的主要特性值示出于表1、2中。
由于实施例的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的介电常数和介电损耗角正切均低，厚度小，绝缘击穿电压、强度、空隙率、透气度也足够高，所以作为用作高频装置的绝缘部件的绝缘片材有用。此外，由于在200℃下显示随着频率变高，介电常数和介电损耗角正切进一步变低的趋势，所以作为在高温下可使用或进行工作的以高频方式(例如高频变换器)进行启动的电动机那样的高频装置的绝缘片材特别有用。
[表1]


[表2]


(比较例1~3)
(芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的制备)
与实施例相同地在芳族聚酰胺片材上用刮刀涂布机涂布DuPont-Mitsui Fluorochemicals Co., Ltd. (三井·デュポンフロロケミカル(株))制的“PTFE31-JR“，于120℃用烘箱干燥1小时。进而，涂布聚四氟乙烯，于120℃用烘箱干燥1小时。以表3所示的条件将复合片材进行压延加工、热压面挤压加工、煅烧加工。将这样得到的芳族聚酰胺-聚四氟乙烯复合片材的主要特性值示出于表3中。
由于比较例1和2的复合片材的介电损耗角正切高，特别是25℃和100℃的60 Hz和1k Hz的介电损耗角正切高，另外，由于比较例3的复合片材的厚度大，强度也小，绝缘击穿电压也低，所以认为不足以作为能够胜任高频装置的高效率化·大容量化的低介电绝缘片材。
[表3]