電絕緣材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種包含在兩個(gè)非纖維素的非織造紙層之間的非纖維素的非織造織物層的制品，其中非織造紙和非織造織物之一或二者電絕緣。至少一些實(shí)施例是阻燃劑。
【專利說明】電絕緣材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適用于電絕緣應(yīng)用的材料。

【背景技術(shù)】
[0002] 電氣設(shè)備諸如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器通常需要某些形式的電介質(zhì)絕緣，以將 處于一個(gè)電壓的導(dǎo)體與處于不同電壓的導(dǎo)體分開和/或?yàn)殡娮硬考峁C(jī)械保護(hù)。電 絕緣材料的層合物通常在工業(yè)中用于此目的。此類材料的示例在WO 2012/082180 JP 2000/008299 ;CA 2003221 ;和 JP 9158092 中被描述。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在某些電絕緣應(yīng)用中，需要達(dá)到高阻燃性等級(jí)（例如，UL 94V-0)同時(shí)在熱老化后 仍提供優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和保留的柔韌性的材料。
[0004] 本發(fā)明的材料適用于在變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和需要電子部件絕緣的其他裝置 中為電子部件提供絕緣，具體地講，其適用于具有難燃性需求的那些。本發(fā)明的至少一些實(shí) 施例提供具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性和阻燃性的獨(dú)特柔性電絕緣制品。本發(fā)明的至少一 些實(shí)施例能夠達(dá)到高阻燃性等級(jí)，即使它們包含一些易燃材料。本發(fā)明的至少一些實(shí)施例 提供具有所需的特性平衡的電絕緣材料，所述特性包括難燃性、電介質(zhì)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和抗 撕強(qiáng)度。本發(fā)明的至少一些實(shí)施例還提供所需的熱導(dǎo)率特性。
[0005] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例提供一種包括非纖維素的非織造織物層的制品，該非纖 維素的非織造織物層具有相背的第一主表面和第二主表面，并且具有附接到非織造織物層 的每個(gè)主表面的非纖維素的非織造紙層，其中非織造紙和非織造織物之一或二者電絕緣。
[0006] 如本說明書中所用：
[0007] "非纖維素的"是指包含小于10重量％的纖維素材料，優(yōu)選地包含小于5重量％的 纖維素材料，更優(yōu)選地僅包含微量的纖維素材料，以及最優(yōu)選地不包含纖維素材料。
[0008] "直接融合"是指無居間層，諸如粘合劑層；
[0009] "非織造紙"是指主要由短纖維構(gòu)成的片材料；
[0010] "非織造織物"是指主要由長(zhǎng)纖維構(gòu)成的片材料；
[0011] "短纖維"是指長(zhǎng)度短于一英寸的纖維；
[0012] "長(zhǎng)纖維"是指長(zhǎng)度大于或等于一英寸的纖維；
[0013] "MD"或"縱向"是指與材料的連續(xù)片材的卷繞方向平行的方向；以及
[0014] "⑶"或"橫向"是指與材料的連續(xù)片材的卷繞方向垂直的方向。
[0015] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是，即使其包含易燃纖維材料，其根據(jù)UL 94阻 燃性測(cè)試仍達(dá)到V-O等級(jí)，同時(shí)也是柔性的并且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。
[0016] 本發(fā)明的上述
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在描述本發(fā)明的每個(gè)公開的實(shí)施例或每種實(shí)施方 式。下面的詳細(xì)說明更具體地示出了本發(fā)明的實(shí)施例。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 在以下說明中，應(yīng)當(dāng)理解，其他實(shí)施例是可以預(yù)期的并且可以在不脫離本發(fā)明的 范圍或?qū)嵸|(zhì)的情況下完成。因此，以下的【具體實(shí)施方式】不具有限制性意義。
[0018] 除非另外指明，否則在所有情況下，本說明書和權(quán)利要求書中用來表述特征尺寸、 數(shù)量和物理性能的所有數(shù)字均應(yīng)理解為由術(shù)語"約"來修飾。因此，除非有相反的說明，否 則本說明書和所附權(quán)利要求書中提出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，并且根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員 利用本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容獲得的所需特性，這些近似值可以是變化的。使用由端值表述 的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)的所有數(shù)字和任何值（例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75、3、3. 80、4 和5)。
[0019] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例提供在兩個(gè)非織造紙層之間的非織造織物層。其他實(shí)施 例提供非織造紙和非織造織物的交替的層。一些實(shí)施例提供彼此相鄰并且在非織造紙層之 間的多個(gè)非織造織物的層。一些實(shí)施例還包括在兩個(gè)相鄰層之間的粘合劑。
[0020] 提供阻燃性的制品的至少一些實(shí)施例包括易燃材料。例如，一些實(shí)施例包括易燃 的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET)非織造織物。在至少一些實(shí)施例中，據(jù)發(fā)現(xiàn)，將易燃的非織造 織物層放置在至少兩個(gè)外非織造紙層之間為制品提供了優(yōu)異的阻燃性。
[0021] 本發(fā)明的至少一些實(shí)施例的非織造紙層包括由短纖維即長(zhǎng)度短于一英寸 (2.54cm)的纖維制成的片材料。在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造紙中的大部分纖維 為有機(jī)的。然而，許多實(shí)施例可包括具有無機(jī)纖維或填料的非織造紙。
[0022] 適用于本發(fā)明的市售非織造紙的示例包括以商品名CeQUIN得自美國(guó)3M公司（3M Company，USA)的那些，包括但不限于CeQUIN I(約90%的無機(jī)元素 ）、CeQUIN II(CeQUIN I 的兩層復(fù)合材料）XeQUIN X(用于B階段應(yīng)用的增強(qiáng)濕強(qiáng)度）以及CeQUIN 3000(約74% 的無機(jī)元素加有機(jī)纖維增強(qiáng)材料）；火焰屏障物（FLAME BARRIER) FRB包括但不限于火焰屏 障物-FRB-NT壓延的絕緣紙和火焰屏障物FRB-NC未經(jīng)壓延的絕緣紙；可以商品名NOMEX得 自杜邦（DuPont) (www2. dupont. com)的那些，包括但不限于NOMEX紙410型、411型（低密 度版本）、414型、418型（包含云母）、419型（418型的低密度版本）和E56型；以商品名 X-FIPER得自中國(guó)圣歐集團(tuán)的那些；以及以商品名METASTAR得自中國(guó)煙臺(tái)美士達(dá)特種紙業(yè) 股份有限公司的那些。
[0023] 合適的非織造紙可包括無機(jī)纖維和有機(jī)纖維，諸如但不限于包括間位芳族聚酰胺 和對(duì)位芳族聚酰胺的芳族聚酰胺、聚苯硫醚（PPS)、聚酯、聚酰胺、丙烯酸類樹脂、三聚氰胺、 玻璃、聚烯烴和聚酰亞胺。在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造紙還包含聚合物粘結(jié)劑。 合適的聚合物粘結(jié)劑包括但不限于丙烯酸類、腈、苯乙烯-丙烯酸膠乳、瓜耳膠、淀粉和天 然橡膠膠乳。
[0024] 在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造紙還包含一種或多種無機(jī)填料。合適的無 機(jī)填料包括但不限于高嶺土、滑石、云母、碳酸鈣、氧化鋁三水合物、蒙脫石、綠土、膨潤(rùn)土、 伊利石、綠泥石、海泡石、綠坡縷石、多水高嶺土、蛭石、合成鋰皂石、累托石、珍珠巖、氮化 鋁、碳化硅、氮化硼以及它們的組合。合適類型的高嶺土包括但不限于水洗高嶺土、分層高 嶺土、煅燒高嶺土和經(jīng)表面處理的高嶺土。
[0025] 包含無機(jī)纖維和無機(jī)粒子之一或二者的本發(fā)明的非織造紙可以被稱為無機(jī)基紙。 與例如完全有機(jī)基間位芳族聚酰胺紙相比，無機(jī)基紙?jiān)陔姇?局部放電的存在下提供具有 改善的長(zhǎng)期的耐電壓性，因?yàn)闊o機(jī)材料已知比有機(jī)材料更耐電暈。（參見例如高溫電絕緣 短期課程第21頁，2001年10月15日至2001年10月18日在俄亥俄州辛辛那提市舉辦的 2001年電絕緣會(huì)議（EIC)暨電氣制造與線圈繞組（EMCW)展覽會(huì)）。與例如完全有機(jī)基間 位芳族聚酰胺紙相比，這些無機(jī)基紙還可以為改善的熱耗散提供更大的尺寸穩(wěn)定性以及更 高的熱導(dǎo)率。
[0026] 本發(fā)明的至少一些實(shí)施例的非織造織物層包含由長(zhǎng)纖維即長(zhǎng)度大于或等于一英 寸（2. 54cm)的纖維制成的片材料。
[0027] 非織造織物層通常主要由有機(jī)纖維制成但可以包含無機(jī)纖維。適于制備非織造織 物的有機(jī)纖維的示例包括但不限于芳族聚酰胺纖維，包括間位芳族聚酰胺和對(duì)位芳族聚酰 胺纖維。適用于本發(fā)明的非織造織物的至少一些實(shí)施例可包含間位芳族聚酰胺和對(duì)位芳族 聚酰胺纖維之一或二者。在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中，芳族聚酰胺纖維是非織造織物層 的優(yōu)選組分。本發(fā)明的非織造織物的至少一些實(shí)施例可包含一種或多種類型的芳族聚酰胺 纖維。芳族聚酰胺纖維的類型包括但不限于間位芳族聚酰胺、對(duì)位芳族聚酰胺、改性的間位 或?qū)ξ环甲寰埘０贰⒒蛘咂渌愋偷姆甲寰埘０?。非織造纖維可包含〇(零）至100重量％ 的芳族聚酰胺纖維。在至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造織物包含約20重量％至約70重量％的 芳族聚酰胺纖維。
[0028] 合適的非芳族聚酰胺有機(jī)纖維包括但不限于聚苯硫醚（PPS)、包括聚對(duì)苯二甲酸 乙二醇酯（PET)和聚對(duì)苯二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯（PCT)的聚酯、二醇改性的聚酯、聚苯砜、 聚酰胺（尼龍）和聚丙烯纖維。非織造織物可包含約〇(零）至100重量％的非芳族聚酰 胺纖維。在至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造織物包含約30重量％至約80重量％的非芳族聚酰 胺纖維。適用于本發(fā)明的非織造織物可包含短（即，非粘結(jié)）纖維和粘結(jié)纖維。短纖維可 包括（例如）間位芳族聚酰胺和對(duì)位芳族聚酰胺、聚苯硫醚（PPS)、包括聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇酯（PET)的聚酯、二醇改性的聚酯、聚苯砜、尼龍和聚丙烯纖維。粘結(jié)纖維可包括（例如） 間位芳族聚酰胺、聚苯硫醚（PPS)、包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET)和聚對(duì)苯二甲酸環(huán)己 烷二甲醇酯（PCT)的聚酯、二醇改性的聚酯、聚苯砜和聚丙烯纖維。通常，粘結(jié)纖維將在施 加熱量和/或壓力時(shí)軟化和/或流動(dòng)，從而允許它們與短纖維粘結(jié)。
[0029] 粘結(jié)纖維可包括單個(gè)聚合物和/或具有不同化學(xué)和/或物理特性的兩種聚合物的 雙組分配置。對(duì)于適用于本發(fā)明的用短纖維和粘結(jié)纖維制成的非織造織物，短纖維可通常 包括織物的約30重量％至約80重量％，并且粘結(jié)纖維可通常包括織物的約20重量％至約 70重量％。
[0030] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，沒有使用粘結(jié)纖維或除了使用粘結(jié)纖維之外，非織造 織物可包含粘結(jié)劑以促進(jìn)非織造織物內(nèi)材料的粘結(jié)。其他粘結(jié)或加強(qiáng)非織造織物的方法包 括水刺、點(diǎn)粘結(jié)或壓延。
[0031] 通常將纖維共混在一起，以形成非織造織物。共混不同纖維的能力在與現(xiàn)有技術(shù) 方法諸如將非織造紙層合到連續(xù)聚酯膜以增加紙強(qiáng)度相比允許更大的設(shè)計(jì)柔韌性以符合 廣品性能。
[0032] 非織造織物通常包括形成柔性片材料的纖維網(wǎng)，其無需機(jī)織或針織既可生產(chǎn)，并 通過以下任一方法結(jié)合在一起：（i)機(jī)械聯(lián)鎖至少一些纖維，（ii)融合一些纖維的至少一 些部分，或（iii)通過使用粘結(jié)材料粘結(jié)至少一些纖維。在粘結(jié)或融合某些纖維前，非織造 織物可以像棉絮，即柔軟蓬松的一大堆纖維。
[0033] 非織造織物可以為任何合適的形式，例如但不限于梳理非織造織網(wǎng)、紡粘網(wǎng)、熔噴 網(wǎng)、稀松布、布、單向網(wǎng)、氈、射流噴網(wǎng)、水解網(wǎng)等。
[0034] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，梳理非織造織網(wǎng)可以包含約20重量％至約70重量％的芳 族聚酰胺纖維共混物以及約30重量％至約80重量％的其他非芳族聚酰胺纖維。
[0035] 本發(fā)明的非織造織物可通過本領(lǐng)域已知的任何合適的方法制備。典型的方法包括 用于通常等于或長(zhǎng)于一英寸的纖維的干法成型（干法成網(wǎng)）工藝。用于干法成型工藝的較 長(zhǎng)纖維通常導(dǎo)致具有機(jī)械強(qiáng)度良好的開口、多孔結(jié)構(gòu)的非織造織物。干法成型工藝的示例 包括梳理法和紡粘法。在典型的干法成型梳理工藝中，將短纖維的團(tuán)塊機(jī)械分離成單獨(dú)的 纖維并形成粘接網(wǎng)。梳理機(jī)使用間距密集的針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)床牽拉和分離團(tuán)塊。為了由針抓 住，用于梳理法的輸入纖維通常為卷曲的，即制成波紋狀的。
[0036] 適用于本發(fā)明的市售非織造織物包括以商品名THERMAL SHIELD(非織造 PPS材 料）得自3M公司（3M Company)以及以商品名NOMEX LT得自杜邦（DuPont) (www2.dupont. com)的那些（包括但不限于180型）。
[0037] 非織造紙和非織造織物層可包含一個(gè)或多個(gè)片材，即層片或亞層，它們相結(jié)合形 成相應(yīng)的層。層片或亞層可以是相同或不同的材料。片材可通過任何合適的方法相結(jié)合， 諸如使用化學(xué)粘合劑或通過諸如熱壓延的工藝。
[0038] 在至少一個(gè)其他實(shí)施例中，將非織造織物層放置在兩個(gè)非織造紙層之間并直接融 合到兩個(gè)非織造紙層。在至少一個(gè)實(shí)施例中，非織造織物層和至少一個(gè)非織造紙層通過熱 壓延機(jī)疊堆的熱和壓力借助機(jī)械和熱粘結(jié)而融合到一起。
[0039] 在制備本發(fā)明的一些實(shí)施例的制品時(shí)，不施加粘合劑（即，不使用可用于形成非 織造紙或織物層的材料）將各種層或亞層接合在一起。相反，非織造織物層和一個(gè)或多個(gè) 非織造紙層通過僅利用熱和壓力來壓延而粘結(jié)。
[0040] 在制備本發(fā)明的一些其他實(shí)施例的制品時(shí)，使用層的一些類型的粘合。該粘合可 以通過例如構(gòu)造中的熱塑性層的存在、各層之間的粘合劑的添加、或粘合增強(qiáng)表面處理諸 如等離子處理而實(shí)現(xiàn)?？梢允褂萌魏魏线m的粘合劑。例如，粘合劑可以是水基或溶劑型的。 粘合劑可以具有任何合適的組合物。合適的組合物的示例包括丙烯酸類樹脂、苯乙烯和聚 酯。任選地以及優(yōu)選地，阻燃劑可以被添加到粘合劑中。阻燃劑可以是任何合適的材料。 合適的阻燃劑的示例包括金屬氫氧化物，例如，三水合氧化鋁（ATH)和氫氧化鎂（MgOH)以 及有機(jī)磷酸酯類。阻燃劑可以包括最多至粘合劑的約50重量％，優(yōu)選地最多至30重量％。 添加太多的阻燃劑將降低粘合劑的粘合性能。
[0041] 粘合劑在具有相對(duì)厚的非織造紙層的實(shí)施例中可以是最合適的。在這些類型的較 厚產(chǎn)品構(gòu)造中，需要加熱較長(zhǎng)時(shí)間（較慢的線速度）以轉(zhuǎn)換為層。因此，在一些情況下，有 利的是施加粘合劑以將某些層粘結(jié)在一起，使得可以利用較快的線速度。
[0042] 非織造織物的配方也可設(shè)計(jì)為粘結(jié)到非織造紙或有利于與非織造紙的整合，使得 不需要施加粘合劑。例如，在非織造織物層中存在粘結(jié)纖維、粘結(jié)劑或紡粘（熱塑性）纖維 可使在施加熱和/或壓力時(shí)將非織造紙和織物層粘結(jié)到一起。
[0043] -個(gè)或多個(gè)非織造紙層和非織造織物層可在連續(xù)工藝中（在線整合）或在分離步 驟中（離線整合）形成和組合或整合。
[0044] 如前所述，本發(fā)明的制品適于在變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及需要電子部件絕緣的 其他裝置中為電子部件提供絕緣。本發(fā)明的至少一些實(shí)施例適用于在具有阻燃性需求的變 壓器中使用，諸如在采礦、裝運(yùn)和鐵軌行業(yè)中使用的變壓器。不同產(chǎn)品應(yīng)用的需求可通過本 發(fā)明非織造紙和非織造織物的不同組合加以解決。例如，可以調(diào)整非織造紙和非織造織物 的重量比。對(duì)于本發(fā)明的至少一些制品，非織造織物層包括約3重量％至約50重量％，并 且非織造織紙層包括約50重量％至約97重量％。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)將根據(jù)層的厚度和其他因素 而改變。
[0045] 絕緣制品的每層均可有助于最終構(gòu)造的獨(dú)特性質(zhì)。例如，在一些實(shí)施例中，非織造 紙可提供阻燃性、長(zhǎng)期耐熱性和所需的電特性。非織造織物可提供優(yōu)異的耐撕裂性，同時(shí)還 增強(qiáng)熱老化后的拉伸強(qiáng)度和總體柔韌性。這兩種類型的層的組合提供具有阻燃性、物理強(qiáng) 度和所需電特性的制品，同時(shí)在約464° F(240°C )下高溫?zé)崂匣蟊３謨?yōu)異的柔韌性
[0046] 在本發(fā)明的至少一些實(shí)施例中，絕緣制品在根據(jù)ASTM D149-09測(cè)量時(shí)具有大于 100伏特/密耳（3. 9千伏/毫米）、優(yōu)選地大于或等于150伏特/密耳（5. 9千伏/毫米） 的電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度。
[0047] 在本發(fā)明的至少一些實(shí)施例中，絕緣制品在根據(jù)ASTM E1530-11測(cè)量時(shí)具有 0. 18W/m · K或更大的熱導(dǎo)率。
[0048] 示例
[0049] 以下示例和比較例有助于理解本發(fā)明，且這些示例和比較例不應(yīng)被理解為對(duì)本發(fā) 明范圍的限制。除非另外指明，否則所有的份數(shù)和百分比均按重量計(jì)。使用下述測(cè)試方法 和方案來評(píng)價(jià)以下示例性示例和比較例。
[0050] 材料列表

【權(quán)利要求】
1. 一種制品，包括： 非纖維素的非織造織物層，其具有相背的第一主表面和第二主表面并具有附接到所述 非織造織物層的每個(gè)主表面的非纖維素的非織造紙層，其中所述非織造紙和非織造織物之 一或二者電絕緣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述非織造紙層中的至少一層直接融合到所述非 織造織物層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述非織造紙層中的至少一層通過粘合劑附接到 所述非織造織物層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制品，其中所述粘合劑包括阻燃劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其中所述粘合劑包括最多至30重量％的阻燃劑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其中所述粘合劑包括最多至50重量％的阻燃劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，包括非織造紙與非織造織物的多個(gè)交替的層，其中兩 個(gè)外部層均為非織造紙。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制品，包括五個(gè)交替的層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求7所述的制品，其中所述非織造紙層中的至少一層包括 多于一個(gè)非織造紙片材。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制品，其中所述包括片材的所述非織造紙層中的至少一層 具有不同的特性。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制品，其中所述不同的特性選自厚度、組成、密度、柔韌性、 抗撕強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、電介質(zhì)強(qiáng)度和阻燃性。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述非織造織物層包括多于一個(gè)的非織造織物 片材。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制品，其中至少一個(gè)非織造織物層包括多于一個(gè)非織造織 物片材。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的制品，其中所述包括片材的所述非織造織物層中的至少一 層具有不同的特性。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中所述不同的特性選自厚度、組成、密度、柔韌性、 抗撕強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、電介質(zhì)強(qiáng)度和阻燃性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，具有根據(jù)ASTM D149-09大于或等于150伏特/密耳 的復(fù)合部分介電擊穿強(qiáng)度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述制品達(dá)到V-0的UL 94阻燃性測(cè)試等級(jí)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的制品，其中所述非織造織物層包括易燃材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述非織造織物包括芳族聚酰胺纖維。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述非織造織物層的重量％為約3至約50,并且 所述一個(gè)或多個(gè)非織造紙層的重量％為約50至約97。
【文檔編號(hào)】B32B5/26GK104364078SQ201380030895
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月15日
【發(fā)明者】羅伯特·H·特平, 大衛(wèi)·S·斯坦克斯, 馬丁·H·?？怂? 米切爾·T·黃 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司