用於周壁絕緣的複合塗層、其製備方法及由其得到的製品的製作方法
2023-11-10 10:09:22 1
專利名稱：用於周壁絕緣的複合塗層、其製備方法及由其得到的製品的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於諸如發動機、發電機等電磁裝置中用於周壁(groundwall)絕緣的複合塗層、其製備方法及由其得到的製品。
背景技術：
用於電氣裝置的電氣組件周壁絕緣材料通常由多層材料製成。多層結構促成較高的耐電暈放電。對於絕緣層來說，具有高擊穿電壓值以便它能夠經得起電氣裝置比如發動機和發電機的高電壓環境也是理想的。多層結構通常由玻璃製造的纖維襯背和由雲母製造的附加層組成。多層結構的使用既耗時又昂貴。此外，使用多層結構通常導致絕緣層較厚和部件較大。
因此，當與由多層材料製成的絕緣材料相比，通常理想的是使用可以單步工藝塗敷而且能夠經得起較高的電壓，同時厚度減小的絕緣層。
發明內容
本發明公開了一種製品，其包括電氣組件；和在該電氣組件上配置的電絕緣層，其中電絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合。
本發明還公開了一種製品的製造方法，該方法包括將電絕緣層配置在電氣組件上，其中電絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合；和固化熱固性聚合物。
本發明還公開了一種包括熱固性聚合物和納米填料的組合物；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合。
本發明還公開了一種方法，其包括將定子線棒送入衝模的中心孔，其中中心孔具有足夠允許衝模在定子線棒上作相對運動的結構；擠壓絕緣層到衝模中以便將它同時沉積在定子線棒的每個側面上；其中絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合；和沿著定子線棒的整個長度來回移動衝模。
具體實施例方式
值得注意得是，這裡使用的術語「第一」、「第二」等等並不表示任何順序、數量或者重要性，而是用於將一個與另一個元素相區別。術語「一」並不表示數量的限制，而是表示存在至少一個所述項目。與數量相關使用的修飾語「約」包括所述值並且具有通過上下文確定的意義(例如包括與特定數量測量有關的誤差度)。應當注意，說明書中公開的所有範圍都是包含在內的並且是可以獨立結合的。
本發明公開了一種絕緣層，其可以用來保護和隔離電氣裝置如發動機、發電機等等的電氣組件。本發明還公開了一種在用於電氣裝置的電氣組件上施塗該絕緣層的方法。這種電氣組件的適合的例子包括電導線圈、定子線棒、或者裡面的定子片等等。絕緣層通常包括熱固性聚合物和納米填料。本發明的一個實施方案中，納米填料包括金屬氧化物和金剛石的組合。本發明的另一實施方案中，納米填料包括金剛石。納米填料還可以任選地包括納米礦物填料和/或納米粘土。
該絕緣層的優勢在於它可以以約30-約300μm的厚度施塗於電氣元件，這種厚度一般小於或等於其他市售絕緣層的厚度。該絕緣層還具有另一個優點，即具有能夠經得起約250-約1000MPa壓力的耐壓強度和硬度。申請的該絕緣層也提供排除通常被用於電氣裝置的帶繞(tape wound)、雲母和聚合物周壁絕緣材料或者槽襯材料的可能性。該絕緣層能夠容易地以單步工藝例如浸塗、噴塗、擠塑、共擠塑等等施塗。它也提供了較薄絕緣層的可能性，並且由於其具有耐高電壓的能力而提供了更堅固的絕緣材料。與不含有納米填料的其它相當的絕緣材料相比，它也顯示出顯著的耐電暈性並且顯示出更好的導熱性。
在本發明的一個示例性實施方案中，絕緣層包括室溫下彈性模量小於或等於約105GPa的彈性體。該彈性體通常包括熱固性聚矽氧烷樹脂和納米填料。該彈性體絕緣層的優點是在室溫拉伸試驗中顯示出大於或等於約200％的伸長率，同時在發電機的通用溫度下經歷加壓或拉伸時基本上未顯示出蠕變。
熱固性聚合物通常包括的聚合物可以為均聚物、共聚物、離聚物、樹狀聚合物或者包括至少一種上述可以共價交聯的聚合物的組合，其中共聚物可以為例如星形嵌段共聚物、接枝共聚物、交替嵌段共聚物或者無規共聚物。熱固性聚合物合適的例子是例如聚氨酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、矽氧烷、聚丙烯酸類樹脂、聚碳酸酯聚苯乙烯、聚酯、聚醯胺、聚醯胺亞胺、聚芳酯、聚芳碸、聚醚碸、聚苯硫醚、聚碸、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯並唑、聚二唑、聚苯並噻嗪並吩噻嗪、聚苯並噻唑、聚吡嗪喹喔啉、聚均苯四醯亞胺、聚喹喔啉、聚苯並咪唑、聚羥吲哚、聚氧代異二氫吲哚、聚二氧代異二氫吲哚、聚三嗪、聚噠嗪、聚哌嗪、聚吡啶、聚哌啶、聚三唑、聚吡唑、聚碳硼烷、聚氧雜二環壬烷、聚二苯並呋喃、聚酞酸樹脂、聚縮醛、聚酐、聚乙烯醚、聚乙烯硫醚、聚乙烯醇、聚乙烯酮、聚乙烯滷化物、聚乙烯腈、聚乙烯酯、聚磺酸鹽、聚硫醚、聚硫酯、聚碸、聚磺醯胺、聚脲、聚磷腈(polyphosphazene)、聚矽氮烷、聚丁二烯、聚異戊二烯等等，或者包括至少一種上述熱固性聚合物的組合。也可以使用熱固性聚合物的共混物。示例性的熱固性聚合物為矽氧烷聚合物。這裡使用的術語「聚合物」表示小分子(例如單體、二聚物、三聚物等等)、均聚物或者共聚物。
如上所述，該熱固性聚合物可以是彈性體。熱固性聚合物的例子為聚丁二烯、聚異戊二烯、聚矽氧烷、聚氨酯等等、或者包括至少一種上述彈性體的組合。示例性的熱固性聚合物是聚矽氧烷聚合物(以下稱為矽氧烷聚合物)。
可用於製備絕緣層的矽氧烷聚合物在反應形成熱固性樹脂之前通常具有式(I)所示的結構； 其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以相同或者不同，並且在交聯之前R1、R2、R3、R4、R5和R6中的至少一個為反應性官能團；m和n可以為包括0在內的任意整數，但是m和n不能同時為0。一般來說，雖然優選R1、R2、R3、R4、R5和R6中的至少一個是反應性的，但通常理想的是R1、R2、R3、R4、R5或R6中的兩個或優選三個是化學反應性的。通常理想的是m+n為約1-約50,000。在式(I)中可以作為R1、R2、R3、R4、R5或R6存在的基團的合適例子為烷基、芳基、芳烷基、含氟烷基、乙烯基烷基、氨基烷基、乙烯基、環氧基、氫化物、矽烷醇、胺、甲醇(加氫烷基)、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、巰基、滷代烷基、滷素、羧酸酯、乙醯氧基、烷氧基等等。示例性的反應性官能團為乙烯基和環氧基。示例性的非反應性官能團為烷基、含氟烷基或者苯基。示例性的矽氧烷聚合物為具有甲基、苯基和羥基官能團的凝聚固化矽氧烷。市場上可以購買的矽氧烷聚合物之一是從General Electric Silicones，Waterford，New York購得的MC 550 BKH。MC 550 BKH含有78wt％的增強劑。該增強劑不是納米級的，並包括重量比為80∶20的熔融的二氧化矽和玻璃纖維。然後在這種材料中加入所感興趣的納米填料。
通常理想的是熱固性聚合物在反應形成熱固性聚合物之前具有約75-約500,000克/摩爾(g/mol)的數均分子量。在一個實施方案中，通常理想的是熱固性聚合物在反應形成熱固性聚合物之前具有約150-約100,000g/mol的數均分子量。在另一個實施方案中，通常理想的是熱固性聚合物在反應形成熱固性聚合物之前具有約300-約75,000g/mol的數均分子量。在另一個實施方案中，通常理想的是熱固性聚合物在反應形成熱固性聚合物之前具有約450-約50,000g/mol的數均分子量。在反應形成熱固性聚合物之前熱固性聚合物的示例性數均分子量為約75-5,000g/mol。
通常理想的是使用佔絕緣層總重量約50-98wt％的熱固性聚合物。在一個實施方案中，理想的是使用佔絕緣層總重量約55-90wt％的熱固性聚合物。在另一個實施方案中，理想的是使用佔絕緣層總重量約60-85wt％的熱固性聚合物。在另一個實施方案中，理想的是使用佔絕緣層總重量約65-80wt％的熱固性聚合物。
為了增加交聯密度，熱固性聚合物可以任選與反應性前體如矽烷混和。合適的矽烷為氯矽烷、乙烯基矽烷、乙烯基烷氧基矽烷、烷基乙醯氧基矽烷等等。氯矽烷合適的例子為甲基三氯矽烷和二甲基二氯矽烷。通常理想的是二甲基二氯矽烷含有約1-約35mol％的羥基。在一個實施方案中，理想的是二甲基二氯矽烷含有約2-約15mol％的羥基。在一個實施方案中，理想的是二甲基二氯矽烷含有約4-約8mol％的羥基。
一般理想的是使用佔熱固性聚合物總重量約0.1-50wt％的反應性前體。在一個實施方案中，理想的是使用佔熱固性聚合物總重量約0.5-約40wt％的反應前體。在另一個實施方案中，理想的是使用佔熱固性聚合物總重量約1-約30wt％的反應前體。在又一個實施方案中，理想的是使用佔熱固性聚合物總重量的約1.2-約25wt％的反應前體。
絕緣層可以任選含有非納米級的增強劑。增強劑是具有大於或等於約500納米(nm)顆粒尺寸的填料。合適的增強劑是二氧化矽粉，例如熔凝二氧化矽、結晶二氧化矽、天然矽砂和各種矽烷塗覆的二氧化矽；滑石，包括纖維的、模塊的、針狀的和薄片狀的滑石；玻璃球，中空的和實心的，及表面處理的玻璃球；高嶺土，包括硬質、輕質和煅燒高嶺土；雲母，包括鍍金屬雲母和用氨基矽烷、丙烯醯基矽烷、六亞甲基二矽氮烷或者使復配共混物具有良好物理性質的化學組成類以於熱固性聚合物的塗層處理表面的雲母；長石和霞石正長巖；矽酸鹽球；煤胞；fillite；鋁矽酸鹽(阿爾莫斯菲爾飛灰微珠填充劑)，包括矽烷化過的和鍍金屬的鋁矽酸鹽；石英；石英巖；珍珠巖；硅藻石；硅藻土；金剛砂；硫化鉬；硫化鋅；矽酸鋁(多鋁紅柱石)；合成矽酸鈣；矽酸鋯；鈦酸鋇；鋇鐵氧體；硫酸鋇和重晶石；片狀填料和增強物例如玻片、片狀金剛砂、二硼化鋁；經加工的礦物纖維，例如來源於包括矽酸鋁、氧化鋁、氧化鎂和硫酸鈣半水合物的至少一種的共混物的那些；合成增強纖維，包括聚酯纖維，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚乙烯醇纖維、芳族聚醯胺纖維、聚苯並咪唑纖維、聚醯亞胺纖維、聚苯硫醚纖維、聚醚醚酮纖維、硼纖維、陶瓷纖維如金剛砂、氧化鋁和氧化硼以及氧化矽混和得到的纖維；單晶光纖或者「須晶」包括金剛砂纖維、氧化鋁纖維、碳化硼纖維、玻璃纖維，包括紡織玻璃纖維例如E、A、C、ECR、R、S、D和NE玻璃、玻璃纖維和石英；等等，或者包括至少一種上述增強劑的組合。
示例性的增強劑是熔凝二氧化矽和玻璃纖維。通常理想的是熔凝二氧化矽和玻璃纖維的重量比為約1∶5到約10∶1。在一個實施方案中，熔凝二氧化矽和玻璃纖維的重量比為約1∶3到約8∶1。在另一個實施方案中，熔凝二氧化矽和玻璃纖維的重量比為約1∶1到約6∶1。示例性的熔凝二氧化矽和玻璃纖維的重量比為約4∶1。
當存在時，增強劑的用量佔絕緣層總重量的約20-約90wt％。在一個實施方案中，理想的是增強劑的用量佔絕緣層總重量的約30-約85wt％。在另一個實施方案中，理想的是增強劑的用量佔絕緣層總重量的約50-約80wt％。示例性的增強劑的用量佔絕緣層總重量的約78wt％。
如上所述，該絕緣層包括納米填料。納米填料為微粒的至少一個特徵長度即平均最大尺寸小於或等於約200nm的那些。特徵長度可以是直徑、晶面稜邊、長度等等。納米填料可以具有其維數由整數限定的形狀，例如微粒的形狀可以為一維的、二維的或者三維的。它們也可以具有其維數不由整數限定的形狀(例如它們可以以不規則碎片形式存在)。納米填料可以以球形、片狀、纖維狀、須晶狀等形式，或者以包括至少一種上述形式的組合存在。這些填料截面的幾何形狀可以為圓形的、橢圓形的、三角形的、矩形的、多邊形的或者包括至少一個上述幾何形狀在內的組合。市售的填料在引入到絕緣層之前或甚至在引入到絕緣層之後可以以團粒或者團塊形式存在。團粒包括超過一種彼此物理接觸的填料微粒，而團塊包括超過一種彼此物理接觸的團粒。
在一個實施方案中，納米填料包括平均粒度小於或等於約200nm的金剛石納米微粒。在另一個實施方案中，金剛石納米微粒的平均粒度小於或等於約75nm。在另一個實施方案中，金剛石納米微粒的納米填料為平均粒度小於或等於約50nm。在另一個實施方案中，金剛石納米微粒的平均粒度小於或等於約25nm。示例性的納米填料是平均粒度為約50nm的金剛石納米微粒。
加入的金剛石納米微粒的量可以佔絕緣層總重量的約1-約50wt％。在另一個實施方案中，加入的金剛石納米微粒的量可以佔絕緣層總重量的約3-約40wt％。在另一個實施方案中，加入的金剛石納米微粒的量可以佔絕緣層總重量的約5-約30wt％。示例性的金剛石納米微粒的量佔絕緣層總重量的約15wt％。
如上所述，納米填料包括金剛石納米微粒或者金屬氧化物納米微粒(納米金屬氧化物)和金剛石納米微粒的組合。在一個實施方案中，納米金屬氧化物可以為陶瓷材料形式(即以化學方法或者機械化學方法合成的金屬氧化物粉末)。可用於絕緣層的納米金屬氧化物為鹼金屬(alkali earth metals)、鹼土金屬(alkalineearth metals)、過渡金屬及其他商業上使用的金屬的金屬氧化物。金屬氧化物的合適例子為氧化鈣、氧化鈰、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋅、二氧化矽、一氧化銅、氧化鋁(例如礬土和/或氣相法礬土)、二氧化矽(例如二氧化矽和/或者氣相法二氧化矽)等等或者包括至少一種上述金屬氧化物的組合。納米金屬碳化物例如金剛砂、碳化鈦、碳化鎢、碳化鐵等等或者包括至少一種上述金屬碳化物的組合也可以用於絕緣層。示例性的金屬氧化物是氣相法礬土、礬土、氣相法二氧化矽、二氧化矽和包括至少一種上述金屬氧化物的組合。
金屬氧化物和金屬碳化物通常為具有約1-約1000m2/g表面積的微粒。在此範圍中，通常理想的是金屬氧化物和碳化物具有約大於或等於5m2/g的表面積，特別是大於或等於約10m2/g，更特別地大於或等於約15m2/g。在此範圍中也理想的是表面積小於或等於約950m2/g，特別是小於或等於約900m2/g，更特別地小於或等於約875m2/g。
通常理想的是納米金屬氧化物和金屬碳化物微粒具有約0.2-約2.5克每立方釐米的體積密度；真實密度為約3-約7克每立方釐米和約10-250埃的平均孔徑。
市售的納米金屬氧化物的例子為NANOACTIVETM氧化鈣、NANOACTIVETM氧化鈣附加物(plus)、NANOACTIVETM氧化鈰、NANOACTIVETM氧化鎂、NANOACTIVETM氧化鎂附加物、NANOACTIVETM二氧化鈦、NANOACTIVETM氧化鋅、NANOACTIVETM二氧化矽、NANOACTIVETM一氧化銅、NANOACTIVETM氧化鋁、NANOACTIVETM氧化鋁附加物，以上製品均可以購自NanoScale Materials Incorporated。市售的納米金屬碳化物的例子是碳氮化鈦、金剛砂、金剛砂-四氮化三矽和碳化鎢，均購自Pred Materials International Incorporated。
示例性類型的納米填料為式(II)所示的鐵氧體納米微粒(MeO)x(Fe2O3)100-x(II)其中「MeO」是任何二價的鐵氧體形成金屬氧化物或者包括兩個或多個二價金屬氧化物的組合，而「x」小於50mol％。鐵氧體形成二價金屬氧化物的合適例子是氧化鐵(FeO)、氧化錳(MnO)、氧化鎳(NiO)、一氧化銅(CuO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈷(CoO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鈰(Ce2O3)等等。單一金屬氧化物、多金屬氧化物、摻雜氧化物也是可以用於絕緣層的。
市售鐵氧體形成金屬氧化物的合適例子是具有30nm和80nm平均最大尺寸的氧化鋅。上述所有市售鐵氧體形成金屬氧化物均可以購自澳大利亞St.Welshpool的Advanced Powder Technology。
其它市售的金屬氧化物的例子是具有小於或等於約20nm粒度的氧化鈰；具有小於或等於約20nm粒度的摻釓的氧化鈰；具有小於或等於約20nm粒度的摻釤的氧化鈰等等，或者包括至少一種上述金屬氧化物的組合。上述所有市售的包括氧化鈰的鐵氧體形成金屬氧化物可以購自Atlanta，Ga的MicrocoatingTechnologies。
市售的鐵氧體納米填料的合適例子是NanoProducts，Inc.製造和銷售的Ni0.5Zn0.5Fe2O4。Ni0.5Zn0.5Fe2O4晶粒大小為12nm，比表面積是45平方米/克(m2/g)，當量球徑是47nm。
當使用鐵氧體納米填料時，它們的用量可以為絕緣層總重量的約2-約15wt％。在一個實施方案中，鐵氧體納米填料的用量為絕緣層總重量的約3-約12wt％。在另一個實施方案中，鐵氧體納米填料的用量為絕緣層總重量的約4-約12wt％。在示例性實施方案中，鐵氧體納米填料的用量為絕緣層總重量的約5wt％。
其他納米填料的合適例子為納米礦物填料，例如石棉、毛玻璃、高嶺土及其他粘土礦物，二氧化矽，矽酸鈣，碳酸鈣(白堊)，氧化鎂，氧化鋅，矽酸鋁，硫酸鈣，碳酸鎂，矽酸鈉，碳酸鋇，硫酸鋇(重晶石)，雲母，滑石粉，氧化鋁三水合物，石英和矽灰石(矽酸鈣)。雲母是示例性的納米礦物填料。
可以使用的雲母的例子是鋇鐵脆雲母、鐵雲母、黑雲母、bityte、硼白雲母、綠磷石、鉭鎢鈦鈣石、綠脆雲母、鈉珍珠雲母、羥高鐵雲母、海綠石、鋅雲母、鋇鎂脆雲母、鋰雲母、錳鋰雲母、白雲母、南平石、鈉雲母、金雲母、多矽鋰雲母、鋁鈉雲母、釩雲母、針葉雲母、鈉金雲母、帶雲母、蛭石、翁鈉金雲母和鐵鋰雲母。
雲母的示例性形式為金雲母(KMg3AlSi3O10(OH)2)或者白雲母(K2Al4[Si6Al2O20](OH，F)4)。使金雲母或者白雲母或者兩者經歷約500-約850℃的高溫加熱處理。加熱導致雲母晶體部分地脫水並且釋放出一部分天然結合在晶體中的水。當這種情況發生時，雲母部分片狀剝落，形成較小的微粒。然後研磨該雲母以生產小納米填料微粒。市售的合適形式的雲母是VonRoll Isola的雲母粉劑。
納米填料例如納米粘土(納米級的粘土)也可以用於絕緣層。納米粘土通常是片狀材料，該粘土礦物一般選自蒙脫石、蛭石和埃洛石粘土。蒙脫石粘土又選自微晶高嶺土、滑石、貝得石、nontrite、鋰蒙脫石等等，或者包括至少一種上述粘土的組合。示例性粘土礦物是蒙脫粘土、多層鋁矽酸鹽。納米粘土片晶一般地具有約3-約3000埃的厚度和在平面方向上約0.01-約100微米的尺寸。納米粘土的縱橫比一般為約10-約10,000左右。各個粘土片晶被腔隔開，即在粘土片晶平行層之間的空隙中含有各種離子使片晶保持相互連接。這種材料之一為購自Southern Clay Products的CLOISITE10A，其片晶具有約0.001微米(10埃)的厚度和在平面方向上約0.15-約0.2微米的尺寸。
在一個實施方案中，納米填料、納米礦物填料和/或納米粘土的組合可以用於絕緣層。當使用該組合時，將其以佔絕緣層總重量約1-約80wt％的量加入到絕緣層中。在一個實施方案中，納米填料、納米礦物填料和/或納米粘土的組合的用量可以佔絕緣層總重量的約2-約75wt％。在另一個實施方案中，納米填料、納米礦物填料和/或納米粘土的組合的用量可以佔絕緣層總重量的約3-約70wt％。示例性的絕緣層含有佔絕緣層總重量約5wt％的金屬氧化物納米填料。另一個示例性的絕緣層含有佔絕緣層總重量約20wt％的雲母粉劑。
在一個實施方案中，可能理想的是將具有特定化學組成的納米填料和具有相同化學組成的微米級填料一起添加到絕緣層中。微米級填料一般具有大於或等於約500nm的平均最大尺寸。例如，含有平均最大尺寸小於或等於約200nm的納米微粒的雲母粉劑可以和平均粒度為約50微米的微米級雲母粉劑一同加入到絕緣層中。
一般說來，當納米填料與具有相同化學組成的微米級填料一同使用時，通常理想的是納米填料構成納米填料和微米級填料的組合的總重量的至多約50wt％，更特別地至多約60wt％，且更加特別地至多約70wt％。
如上所述，納米填料的形狀沒有特定的限制，可以為例如球狀的、不規則的、片裝的或者須晶狀的。納米填料一般可以具有至少一個特徵長度的平均最大尺寸小於或等於約200nm；在一個實施方案中，納米填料可以具有小於或等於約150nm的平均最大尺寸；在另一個實施方案中，納米填料可以具有小於或等於約100nm的平均最大尺寸。在另一個實施方案中，納米填料可以具有小於或等於約75nm的平均最大尺寸。在另一個實施方案中，納米填料可以具有小於或等於約50nm的平均最大尺寸。
如上所述，納米填料一般可以具有小於或等於約200nm的平均最大尺寸。在一個實施方案中，多於90％的納米填料具有小於或等於約200nm的平均最大尺寸。在另一個實施方案中，多於95％的納米填料具有小於或等於約200nm的平均最大尺寸。在另一個實施方案中，多於99％的納米填料具有小於或等於約200nm的平均最大尺寸。雙峰或者更高的粒度分布也可以使用。
納米填料的使用量可以佔絕緣層總重量的約1-約80wt％。在一個實施方案中，納米填料的使用量可以為絕緣層總重量的約3-約75wt％。在另一個實施方案中，納米填料的使用量可以為絕緣層總重量的約5-約70wt％。在另一個實施方案中，納米填料的使用量可以為絕緣層總重量的約6-約60wt％。在示例性實施方案中，納米填料的使用量可以為絕緣層總重量的約20wt％。
在一個實施方案中，納米填料可以塗覆有矽烷偶聯劑以便於與熱固性聚合物結合。通常理想的是用於可固化聚合物樹脂塗層的填料要用矽烷偶聯劑處理，所述的矽烷偶聯劑為例如四甲基氯矽烷、六二亞甲基二矽氮烷、γ-氨基丙氧基矽烷等等或者包括至少一種上述矽烷偶聯劑的組合。矽烷偶聯劑一般提高納米填料與熱固性聚合物的相容性，並且改善絕緣層的機械性能。
溶劑可以任選地用於絕緣層。溶劑可以用作粘度調節劑或者用於促進納米填料的分散和/或懸浮。液態非質子性極性溶劑如碳酸丙二醇酯、碳酸乙二醇酯、丁內酯、乙腈、苯基氰、硝基甲烷、硝基苯、環丁碸、二甲基甲醯胺、N-甲基吡咯烷酮等等，或者包括至少一種上述溶劑的組合溶劑一般是理想的。可以使用極性質子溶劑例如但不僅限於水、甲醇、乙腈、硝基甲烷、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇等等，或者包括至少一種上述極性質子溶劑的組合溶劑。也可以使用其他的非極性溶劑如苯、甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、己烷、乙醚、四氫呋喃等等，或者包括至少一種上述溶劑的組合溶劑。也可以使用包括至少一種非質子性極性溶劑和至少一種非極性溶劑的助溶劑。示例性的溶劑是二甲苯或者N-甲基吡咯烷酮。
若使用溶劑，則其使用量可以為絕緣層總重量的約1-約50wt％。在一個實施方案中，若使用溶劑，則其使用量可以為絕緣層總重量的約3-約30wt％。在另一個實施方案中，若使用溶劑，則其使用量為絕緣層總重量的約5-約20wt％。通常理想的是在固化熱固性聚合物以前、期間和/或以後蒸發溶劑。
在製造絕緣層的一種方法中，為了促進混合，在高剪切水平條件下將熱固性聚合物和納米填料共混。給予熱固性聚合物和納米填料的混合物的剪切水平有效促進填料在熱固性聚合物中的分散。在剪切過程中給予的能量為約0.001千瓦時/千克(kWhr/kg)-10kWhr/kg。在一個實施方案中，在剪切過程中給予的能量為約0.01-約8kWhr/kg。在另一個實施方案中，在剪切過程中給予的能量為約0.1-約6kWhr/kg。在另一個實施方案中，在剪切過程中給予的能量為約0.5-約4kWhr/kg。
剪切可以在熔融共混過程中提供或者可以通過其他的方法得到如對混合物施加超聲波能。熔融共混設備的適當例子為擠出機例如單螺杆擠出機、雙螺杆擠出機等等；布斯捏和機、輥煉機、塗料輥煉機、螺旋錐(helicones)、韋林氏共混機、Henschel混合機、班伯裡密煉機(Banbury’s)等等，或者包括至少一種上述熔融共混機的組合。也可以進行超聲波共混以促進納米填料在熱固性聚合物中的懸浮和/或分散。為了促進納米填料的懸浮，理想的是將團粒和團塊均磨碎成較小微粒。
如上所述，絕緣層配置在電器組件例如電導繞組或者定子線棒上或者在定子片的內部，並且經過固化。在一個實施方案中，電氣組件包括銅。在繞組上配置絕緣層之前或者期間，可以向熱固性聚合物和納米填料的混合物中加入引發劑和/或交聯催化劑。可以通過浸塗、噴塗、靜電塗漆、刷塗、旋塗、注塑、共擠塑等等或者包括至少一種上述方法的組合方法將絕緣層施塗到繞組上。
在一個實施方案中，絕緣層可以以多個步驟配置在電氣組件例如導電繞組或者定子線棒上或者在定子片的內部。例如，在第一步中可以將某一厚度的絕緣層配置在電氣組件上，而在第二步中將另一厚度的第二層絕緣層配置在第一層之上。在一個實施方案中，第一層絕緣層可具有與第二層絕緣層不同的組成。隨後絕緣層可以經過熱處理或者電磁輻射例如紫外線固化和/或微波固化以促進更為有效的交聯。
在一個示例性實施方案中，包括熱固性樹脂的絕緣層能夠被擠壓到一個複雜形狀例如定子線棒上。如上所述，所述絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括金屬氧化物和平均最大尺寸小於或等於約200納米的金剛石納米微粒。所述方法包括將具有一定長度的一個面以上的複雜型材送入衝模的中心孔，其中該中心孔的結構足以允許衝模沿著複雜型材移動或者複雜型材通過衝模向前移動。至少一種包括上述的納米微粒的熱固性材料被擠壓通過衝模，以便該熱固性材料同時被沉積在複雜型材的每個側面上。在一個實施方案中，衝模沿著複雜型材的整個長度來回移動。在另一個實施方案中，容許複雜型材的整個長度穿過衝模以便其被絕緣層包覆。
示例性的施塗絕緣層的裝置描述於Bolon等人的美國專利5,650,031，該專利的全部內容在此引入作為參考，除了在那些其中在本申請中的術語與引入文獻的術語相牴觸的情況下，在這種情況下，本申請的術語優於該引用文獻的相牴觸術語。該裝置包括具有一個中心孔的衝模，其中中心孔的結構足夠允許衝模沿著具有多側面和一定長度的複雜型材移動，並且通過該中心孔送入該複雜型材。該裝置也包括一個沿著該複雜型材的長度來回移動擠壓衝模的設備，和至少一個通過緩衝接頭設備連接到衝模的擠壓機。
在一個實施方案中，絕緣層中的熱固性聚合物可以在約100-約250℃進行固化。在另一個實施方案中，絕緣層可以在約120-約220℃進行固化。在另一個實施方案中，絕緣層可以在約140-約200℃進行固化。在示例性實施方案中，絕緣層可以在約180℃進行固化。
通常理想的是絕緣層具有約25-約300微米(μm)的厚度。在一個實施方案中，理想的是絕緣層具有約30-約275μm的厚度。在另一個實施方案中，理想的是絕緣層具有約40-約250μm的厚度。在另一個實施方案中，理想的是絕緣層具有約50-約225μm的厚度。
厚度為約25-約300μm的絕緣層的優越性在於它具有大於或等於約0.75千伏特(kV)的擊穿電壓。在一個實施方案中，絕緣層的擊穿電壓大於或等於約2kV。在另一個實施方案中，絕緣層的擊穿電壓大於或等於約3kV。在另一個實施方案中，絕緣層的擊穿電壓大於或等於約4kV。
在一個實施方案中，絕緣層具有大於或等於約1千伏特的電擊穿強度，並且絕緣層在5000伏特、3千赫頻率外加電壓下超過100分鐘是耐電暈放電的。在另一個實施方案中，絕緣層具有大於或等於約1千伏特的電擊穿強度，並且絕緣層在5000伏特、3千赫頻率外加電壓下超過200分鐘是耐電暈放電的。
絕緣層的優越性在於它可以以約30-約300微米的厚度施塗到電氣組件上，該厚度通常小於或等於其它可商購絕緣層的厚度。該絕緣層有利地具有能夠經受約250-約1000MPa壓力的抗壓強度和硬度。施塗該絕緣層也提供了排除通常用於電氣裝置的帶繞雲母與聚合物周壁絕緣體或者槽襯材料結合的可能性。
如上所述，在一個有利的實施方案中，絕緣層可以包括在室溫下顯示出彈性體行為的熱固性聚合物。當在室溫下顯示出彈性體行為的熱固性聚合物用於絕緣時，理想的是當在室溫下在拉伸試驗中測量時絕緣層具有小於或等於約105GPa的彈性模量。這絕緣層具有大於或等於約200％的斷裂伸長率。在一個實施方案中，該絕緣層具有大於或等於約300％的斷裂伸長率。在另一個實施方案中，該絕緣層具有大於或等於約500％的斷裂伸長率。在另一個實施方案中，該絕緣層具有大於或等於約700％的斷裂伸長率。
當在大於等於室溫(23℃)時受到長達約2000h的拉力或者壓應力時，理想的是絕緣層基本上沒有顯示出蠕變。在一個實施方案中，在室溫下受到長達約2000h的大於或等於約100kg/cm2的拉力或者壓力時，絕緣層顯示出小於它的原始長度10％的蠕變。在另一個實施方案中，在室溫下受到長達約2000h的大於或等於約100kg/cm2的拉力或者壓力時，絕緣層顯示出小於它的原始長度15％的蠕變。
在另一個實施方案中，當在155℃受到1000h每平方英寸10千磅(10kpsi)(約700千克力/平方釐米)的變形力時，該絕緣層顯示出小於或等於它的原始長度約10％的蠕變。在另一個實施方案中，當在155℃受到1000h每平方英寸10千磅(10kpsi)(約700千克力/平方釐米)的變形力時，該絕緣層顯示出小於或等於約6％的蠕變。在另一個實施方案中，當在155℃受到1000h每平方英寸10千磅(10kpsi)(約700千克力/平方釐米)的變形力時，該絕緣層顯示出小於或等於約3％的蠕變。
當在已經運轉超過24h的發電機的常見溫度下受到常見拉力或者壓應力時，包括彈性體的絕緣層基本上未顯示出蠕變。絕緣層避免在高溫時發生蠕變的能力使其可以有效用於發電機所用的定子線棒和其它設備部件。
雖然已經參考示例性實施方案對本發明進行了描述，但是本領域技術人員應當理解，可以進行各種變化和要素替換，而並不背離本發明的範圍。另外，在不背離本發明基本範圍的情況下，可以對本發明的特別情況或者材料進行修飾。因此，本發明不擬限於作為實施本發明的最佳方式所公開的特定實施方案，而是包括在權利要求範圍中的所有實施方案。
權利要求
1.一種製品，其包括電氣組件；和配置在該電氣組件上的電絕緣層，其中電絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中所述納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合。
2.權利要求1的製品，其中電氣組件包括銅。
3.權利要求1的製品，其中在室溫下在拉伸試驗中測得所述絕緣層具有大於或等於約200％的伸長率。
4.權利要求1的製品，其中熱固性聚合物具有式(I)結構 其中R1、R2、R3、R4、R5和R6相同或者不同，並且其中在交聯前R1、R2、R3、R4、R5和R6中至少一個是反應性官能團；m和n可以為包括0的任意整數，但是m和n不能同時都為0。
5.權利要求4的製品，其中R1、R2、R3、R4、R5和/或R6為反應性官能團，且包括烷基、芳基、芳烷基、含氟烷基、乙烯基烷基、氨基烷基、乙烯基、環氧基、氫化物、矽烷醇、胺、甲醇、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、巰基、滷代烷基、滷素、羧酸酯、乙醯氧基、烷氧基或者包括至少一種上述官能團的組合。
6.權利要求1的製品，其中當在室溫下受到長達約24小時的大於或等於約100千克/平方釐米的拉力或者壓力時，絕緣層顯示出小於其原始長度10％的蠕變。
7.權利要求1的製品，其中金屬氧化物納米微粒具有式(II)結構(MeO)x(Fe2O3)100-x(II)其中「MeO」是任何二價的鐵氧體形成金屬氧化物或者包括兩種或多種二價金屬氧化物的組合，而且「x」小於50mol％。
8.權利要求7的製品，其中Me表示金屬，並且其中該金屬是鐵、錳、鎳、銅、鋅、鈷、鎂、鈣或者包括至少一種上述金屬的組合。
9.權利要求1的製品，其中金屬氧化物納米微粒具有式Ni0.5Zn0.5Fe2O4。
10.權利要求1的製品，其中金剛石納米微粒具有小於或等於約50nm的平均粒度。
11.權利要求1的製品，其中電絕緣層具有約25-約300微米的厚度和大於或等於約0.75千伏特的電擊穿強度。
12.權利要求1的製品，其中絕緣層具有大於或等於約1千伏特的電擊穿強度，並且絕緣層在5000伏特、3千赫頻率外加電壓下超過100分鐘是耐電暈放電的。
13.權利要求12的製品，其中當在155℃受到1000h約700千克力/平方釐米的變形力時，絕緣層顯示出小於或等於其原始長度約10％的蠕變。
14.一種製品的製造方法，其包括將電絕緣層配置在電氣組件上，其中電絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合；和固化熱固性聚合物。
15.權利要求14的方法，其中通過浸塗、噴塗、靜電塗漆、刷塗、旋塗或者包括至少一種上述方法的組合方法將絕緣層配置在電氣組件上。
16.一種方法，其包括將定子線棒送入衝模中心孔，其中該中心孔的結構足以允許衝模在定子線棒上作相對運動；擠壓絕緣層進入衝模中以使它同時沉積在定子線棒的每個側面上；其中絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金剛石納米微粒或者金屬氧化物和金剛石納米微粒的組合；和沿著定子線棒的整個長度來回移動衝模。
17.權利要求16的方法，其中定子線棒為發電機定子線棒。
全文摘要
本發明公開了一種製品，其包括電氣組件；和在該電氣組件上配置的電絕緣層，其中該電絕緣層包括熱固性聚合物和納米填料；其中納米填料包括平均最大尺寸小於或等於約200nm的金屬氧化物和金剛石納米微粒。
文檔編號H02K15/12GK1992100SQ20061017295
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月23日 優先權日2005年11月23日
發明者P·C·艾文, 譚啟, A·楊斯, 曹陽 申請人:通用電氣公司