电绝缘纸、制造方法及由其制造的制品的制作方法
【专利摘要】公开了包括聚醚酰亚胺和其他合成纤维的纤维基质，以及制备包括纤维基质的电绝缘纸和制品的方法。
【专利说明】电绝缘纸、制造方法及由其制造的制品
【技术领域】
[0001]本公开涉及电绝缘纸。
【背景技术】
[0002]各种类型的电机包括电绝缘纸以将未带电荷的组件和壳体元件与带电荷的组件和电导线非导电性地分离。电绝缘纸主要由以下两种材料之一制成:纤维素或芳族聚酰胺纤维。这两种材料都具有显著的吸水性，这对材料的电性质以及绝缘系统的系统水平性能具有负面影响。因此，需要观察到深度的干燥操作以及制造护理，使得这些材料保持充分干燥。
[0003]此外，纤维素纸具有有限的热能力，使得在暴露于超过约120°C的温度的过程中，天然纤维素类材料开始示出了显著长期的降解。此外，纤维素降解机理不仅由水催化，而且产生水作为副产物，这可以导致自动催化降解的级联循环。
[0004]另一方面，芳族聚酰胺纤维纸如Nomex相对昂贵，并且对于它们用于其中的许多应用，代表“热量超级杀手(thermal-overkill) ”。例如，当大多数电动机具有类别F(155°C )或类别H(180°C )绝缘系统时，Nomex被评定至高达类别R-(220)°C绝缘。在这种应用中，Nomex电绝缘纸的全部热能力不是设计要求，并且Nomex因此可以被视为不必要的额外成本。
[0005]因此，在本领域中，对于与纤维素和Nomex相比具有显著较少的水分吸收性并且制造成本低的电气等级绝缘纸仍然存在需要。如果这种纤维可以在高温下操作，这将是进一步的优势。对于用于生产这种电气用纸的有效方法，仍然存在进一步的需要。
【发明内容】
[0006]在一个实施方式中，提供了包含纤维组合物的固结产物(consolidated product)的纤维基质，所述纤维组合物包含35至70重量百分数(wt.% )的聚酰亚胺纤维；至少5wt.%的芳香族聚酰胺纤维；20wt.%至30wt.%的液晶聚合物纤维，每种情况都基于纤维组合物中的纤维的总重量；其中，固结产物具有大于O至小于200 μ m的厚度。
[0007]在另一个实施方式中，公开了包含纤维基质的电绝缘纸，其中，基质包括小于1wt.%的聚碳酸酯纤维。
[0008]在进一步的实施方式中，提供了制备纤维基质的方法，包括由包含悬浮液溶剂以及包含以下各项的组合的纤维组合物的浆料形成层:35wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维；至少5wt.%的芳香族聚酰胺纤维；以及5wt.%至30wt.%的液晶聚合物纤维,其中，纤维的wt.%基于纤维组合物中的纤维的总重量；使层脱水；以及固结层以形成纤维基质。
[0009]在另一个实施方式中，提供了包含以上纤维基质的制品。
【具体实施方式】
[0010]本
【发明者】已经发现:使用聚醚酰亚胺纤维、液晶聚合物纤维、以及芳香族聚酰胺纤条体的组合，可以制造耐湿电气等级纤维基质。通过将一些不同短切的、选择以具有足以不同以允许固结的熔融温度的热塑性聚合物纤维混合生产纸，在这期间将主要聚合物压在连续膜中，同时增强纤维聚合物仍然作为未熔融的纤维。在一种实施方式中，固结基质包含熔融聚醚酰亚胺纤维，其形成连续或半连续基质，形成纸中的膜状结构。
[0011]纤维基质可以包括35wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维,例如40wt.%至70wt.% >50wt.% 至 70wt.% >40wt.% 至 65wt.% >45wt.% 至 65wt.% >50wt.% 至 65wt.% >50wt.%至70wt.% >60wt.%至70wt.%、或65wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维。
[0012]纤维基质可以包括至少5wt.%的芳香族聚酰胺纤条体,例如5wt.%至30wt.%>5wt.% 至 25wt.% >5wt.% 至 20wt.% >5wt.% 至 15wt.% >5wt.% 至 1wt.% > 1wt.% 至30wt.% > 1wt.%至 25wt.% > 1wt.%至 20wt.%、或 1wt.%至 15wt.% 的芳香族聚酰胺纤条体(fibrid)。
[0013]纤维基质可以包括5wt.%至30界七％的液晶聚合物纤维，例如5wt.%至25界七5wt.% 至 20wt.% >5wt.% 至 15wt.% >5wt.% 至 10wt.% > 10wt.% 至 30wt.% > 1wt.% 至25wt.% > 1wt.%至 20wt.% > 1wt.%至 15wt.% > 15wt.%至 30wt.% > 15wt.%至 25wt.% >15wt.%M 20wt.%>20wt.%M 30wt.%>25wt.%M 30wt.%的液晶聚合物纤维。
[0014]纤维基质在高温下可以是热稳定的，可以具有高机械强度和模量、低蠕变、和/或良好的化学稳定性。
[0015]如在本文中使用的，术语“纤维”包括具有长径比(长度:直径)大于2，具体地，大于5、大于10、或大于100的单丝的各种各样的结构。术语纤维还包括短纤维(fibret)(高度支化且不规则、导致高表面积的非常短(长度小于1mm)、精细(直径小于50微米(μπι))的原纤化纤维)，以及原纤维(纤维的细小丝状元素)。纤维的直径由它的纤维数表示，纤维数通常以dtex或dpf记录。以“dtex”记录的数值表示每10，000米纤维的以克表示的质量。数值“dpf”表示每纤维的旦尼尔。旦尼尔测量体系用于两个和单个细丝纤维，并且dpf =总旦尼尔/均匀细丝的量。一些常见的旦尼尔相关计算如下:
[0016]I 旦尼尔(deniter) = I 克 /9，000 米=0.05 克 /450 米=0.111 毫克 / 米。
[0017]实际上，测量9，000米是麻烦的，并且通常称重900米的样品并且将结果乘以10以获得旦尼尔重量。
[0018]如在本文中使用的，术语“纤条体”是指非常小、非颗粒状的纤维或薄膜状颗粒，它们的三维中的至少一个相对于最大尺寸是小尺寸的，使得它们基本上是二维颗粒，通常具有大于O至小于0.3mm的长度，以及大于O小于0.3mm的宽度，以及大于O至小于0.1mm的深度。纤条体的具体大小是100 μ m X 100 μ m x 0.1 μ m。
[0019]通常，通过将聚合物溶液流进与溶液的溶剂不互溶的液体的凝固浴制备纤条体。当聚合物凝固时，使聚合物溶液的流股经历剧烈剪切力和紊流。本发明的纤条体材料可以是间-或对-芳族聚酰胺或它们的共混物。更具体地，纤条体是对-芳族聚酰胺。在干燥之前，这种芳香族聚酰胺纤条体可以湿地使用，并且可以沉积作为物理地缠绕在纸的絮状物组分周围的粘合剂。
[0020]在本专利申请中公开了各种数值范围。由于这些范围是连续的，它们包括最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，本申请中指定的各种数值范围是近似值。涉及相同组件或特性的所有范围的端点包括端点并且可独立地组合。
[0021]术语“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所指项。如在本文中使用的，“它们的组合”包括一种或多种所列举的元件，可选地，连同没有列举的类似元件一起。贯穿整个说明书提及“一种实施方式”、“另一个实施方式”、“一些实施方式”等是指与实施方式结合描述的特定元素(例如，特征、结构、特性、和/或性能)包括在本文中描述的至少一种实施方式中，并且可以或不可以存在于其他实施方式中。此外，应当理解所描述的元素能够以任何合适的方式结合到各种实施方式中。
[0022]使用标准命名法描述了化合物。例如，没有被任何指定基团取代的任何位置应理解为其化合价被指定的键或氢原子填充。不在两个字母或符号之间的短线(用于指示取代基的连接点。例如，-CHO通过羰基中的碳连接。术语“烷基”包括C1-30支链和直链、具有指定数量碳原子的不饱和脂肪族烃基。烷基的实例包括但不限于:甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、仲戊基、正己基和仲己基、正庚基和仲庚基、以及正辛基和仲辛基。术语“芳基”是指包含指定数目的碳原子以及可选地I至3个杂原子(例如，O、S、P、N、或Si)的芳香族部分，如连接至苯基、环庚三烯酮、茚满基、或萘基。
[0023]除非另外指出，本申请中的所有分子量是指重均分子量。所有这些提及的分子量均以道尔顿表示。
[0024]除非另外指出，所有的ASTM测试均基于2003版ASTM标准年鉴。
[0025]聚醚酰亚胺包括大于1，例如，10至1，000，或10至500个式(I)的结构单元:
[0026]
【权利要求】
1.一种包含纤维组合物的固结产物的纤维基质，基于所述纤维组合物中的纤维的总重量，所述纤维组合物包含: 35wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维； 至少5wt.%的芳香族聚酰胺纤条体； 20wt.%至30wt.%的液晶聚合物纤维， 各自都基于所述纤维组合物中的纤维的总重量； 其中，所述固结产物具有大于O至小于800 μ m的厚度。
2.根据权利要求1所述的纤维基质，其中，所述基质包括小于1wt.%的聚碳酸酯纤维。
3.根据权利要求1或2所述的纤维基质，其中，所述纤维组合物是: 50wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维； 大于5wt.%至20wt.%的芳香族聚酰胺纤条体；以及 25wt.%至30被.％的液晶聚合物纤维。
4.根据权利要求1或2所述的纤维基质，其中，所述纤维组合物是: 60wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维； 大于5wt.%至20wt.%的芳香族聚酰胺纤维；以及 5wt.%至2(^丨.％的液晶聚合物纤维。
5.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述聚酰亚胺纤维是具有2.2至2.5的多分散性指数的聚醚酰亚胺。
6.根据前述权利要求1中任一项所述的纤维基质，其中，所述芳香族聚酰胺是芳香族对-聚酰胺。
7.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述芳香族聚酰胺是聚(对-亚苯基对苯二甲酰胺)、聚(对-亚苯基对苯二甲酰胺-共-3' 4'-氧二亚苯基对苯二甲酰胺)、或包含上述芳族聚酰胺中的至少一种的组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述液晶聚酯是聚(4-羟基苯甲酸-共-6-羟基-2-萘甲酸)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述基质具有: (1)至少177kV/cm的电击穿强度； (2)超过NEMA类别F(155°C)和NEMA类别H(180°C )绝缘标准的热能力，并且由于在100%相对湿度下的水饱和度，具有5wt.%或更少的增益； (3)作为埃尔门多夫抗撕强度测定的至少85mN的抗撕强度；以及 (4)至少1，000M0hm-cm的电阻率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中: 所述聚酰亚胺纤维是短纤维； 所述芳香族聚酰胺纤维是纤条体；以及 所述液晶聚酯纤维是连续纤维。
11.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述聚酰亚胺纤维具有4mm至8mm的长度，以及1.5dtex至5dtex的线性质量密度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述芳族聚酰胺纤条体具有大于O至小于0.3mm的长度，以及大于O至小于0.3mm的宽度和大于O至小于0.1mm的深度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述液晶聚酯纤维具有3mm至6mm的长度，以及1.7dtex至2.8dtex的线性质量密度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述基质的厚度大于O微米至500微米。
15.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，其中，所述基质的厚度为25微米至200微米。
16.根据前述权利要求中任一项所述的纤维基质，进一步包括浸溃在所述纤维基质中的热固性或热塑性聚合物。
17.一种包含前述权利要求中任一项所述的纤维基质的制品。
18.根据权利要求17所述的制品，其中，所述制品是分相器，电动机、发电机或变压器中的一级绝缘或二级绝缘。
19.一种制备纤维基质的方法，包括由包含以下的浆料形成层: 悬浮液溶剂；以及 包含以下各项的组合的纤维组合物: 35wt.%至70wt.%的聚酰亚胺纤维； 至少5wt.%的芳香族聚酰胺纤维；以及 5wt.%至30wt.%的液晶聚合物纤维， 其中，所述纤维的wt.%是基于所述纤维组合物中的所述纤维的总重量； 使所述层脱水；以及 固结所述层以形成所述纤维基质。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述固结在静压下进行。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述方法的至少部分期间，将所述层暴露于低于大气压的压力。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述固结在连续辊式压制机中进行。
23.由权利要求19至22中任一项所述的方法生产的纤维基质。
24.一种包含权利要求23所述的纤维基质的制品。
【文档编号】B32B5/24GK104169482SQ201380016343
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】本尼·伊齐基尔·戴维, 金·R·乔特, 约翰·雷蒙德·克拉恩, 丹尼斯·洛克耶, 托马斯·阿杰伊, 埃里克·奥托·托伊奇 申请人:沙特基础创新塑料Ip私人有限责任公司