53●耐トラッキング性 PPS の開発
四日市研究所

1．はじめにポリフェニレンスルフィド（PPS）樹脂は優れた機

PPS グループ

尾﨑田中
春成
宗藤
雪岡

想保巳
武俊彦
聡

Dip Track 法等多くの方法がある。これらのうち、最も一般的な方法は IEC 法であり学会標準法と見なされている 4）。

械的特性、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性を示す結晶性樹脂である。融点は約 280℃、連続使用温度は 200［2］従来技術～ 240℃であり、200℃以下で PPS を溶解する溶剤は一般に、ポリマーの耐トラッキング性を向上させるなく、各種化学薬品に対して安定である。また、耐熱ためには、トラッキング現象の機構から、次の 2 通り

水性、電気絶縁性、高周波特性にも優れる 1）。の方法が考えられる。

今日、電力変換装置に用いられているパワーデバイスの主要素子である Insulated Gate Bipolar Transistor①ポリマー中のベンゼン環含有率の低減
ベンゼン環骨格を有するポリマーは容易に炭化す（IGBT）は、年々大容量化、高耐電圧化が進んできてるため、その比率を減らす。

いる。特に、大容量電力変換が必要な鉄道車両用途で②炭化物形成の抑制はその発展が著しい。さらに、クリーンエネルギーとポリマーが完全燃焼し、二酸化炭素や水になるこして注目されている太陽光、風力発電などの新エネルとを促進する添加剤（炭化抑制剤）を加え、熱分解

ギー分野でも、高性能な電力変換装置の重要性は増し生成物をガス化させる 5）、6）。

2）ている 。これら大容量化、高耐電圧化が進展してい

PPS は、主鎖中にベンゼン環を含むために、耐トラッる IGBT パワーモジュールには、長期信頼性が求めらキング性に乏しい事が知られている 7）。そのため、無れるため、耐トラッキング指数（CTI：Comparative

機フィラー、あるいはベンゼン環を含まない脂肪族系

Tracking Index）600V 以上の材料が必要とされる場合有機化合物や、炭化物形成を抑制する添加剤を配合す3）がある 。CTI600V 以上は、耐トラッキング指数の最ることで、耐トラッキング性を改良することが一般的も高い区分に位置づけられる。しかしながら、一般のである。しかし、何れの方法においてもフィラーや添PPS は CTI が 175V 程度であり、本要求を満たすこと加剤を大量に配合しなければならず、その結果、成形は出来ない。そのため、我々は CTI600V 以上の PPS加工性や、機械的特性、耐熱性を犠牲にしてしまう。の開発に取り組んだ。

従って、これまで PPS の物性を損なわずに、耐トラッキング性を効果的に向上させる事は困難であった。

2．耐トラッキング性向上に向けたアプローチ［1］トラッキング現象とは［3］当社のアプローチ
我々は、耐トラッキング性を改良するフィラーとしトラッキング現象とは、有機絶縁体表面が湿気や塩て、表１に示すような分解吸熱フィラーに注目した。

分、埃などで汚染された状態で電圧が印加された際これらフィラーの分解吸熱反応を利用し、トラッキンに、微小放電（シンチレーション）が生じ、表面が発グ現象時の発熱を抑制することができる。さらに新熱することで燃焼あるいは分解し、絶縁体表面に沿ったに炭化抑制剤を見出し、分解吸熱フィラーと組み合て炭化物が形成（以下、炭化と略記する）され、導電わせることで著しく耐トラッキング性を改良すること路ができることである。耐トラッキング性試験法には、を可能にした。本報では、この分解吸熱フィラーと炭IEC 法 (International Electrotechnical Commission)、化抑制剤を組み合わせる事により、従来困難であった

DIN 法 (Deutsches Institut fur Normung)、DustFog 法、CTI600V という高い耐トラッキング性と、成形加工性高電圧微小電流耐アーク試験法、Differential Wet 法、を両立させた PPS の開発に成功したので紹介する。

TOSOH Research & Technology Review Vol.56（2012）54表１

分解吸熱フィラー例

吸熱量 分解開始温度 1）（℃）（cal ／ g）
200450水酸化アルミニウム Al（OH）3350340
水酸化マグネシウム Mg（OH）2340240
ホウ酸カルシウム
2CaO・3B2O3・5H2O
300150ホウ酸亜鉛
2ZnO・3B2O3・3.5H2O
注 1）1％重量減少温度
分解吸熱フィラーに、溶融流動性も 90mm から 123mm と約 1.4 倍に向3．耐トラッキング性 PPS グレードの特長上させることができた。このように、分解吸熱フィラーと、新たに見出した炭化抑制剤を用いることで、従来［1］耐トラッキング性と溶融流動性
先ず、分解吸熱フィラーの効果を検証した。

達成することが出来なかった CTI と溶融流動性の両立

PPS に、粒径、表面処理剤を最適化した分解吸熱フィが可能となった。

ラーを所定量配合した。分解吸熱フィラーの配合量とCTI、及び成形加工性の指標である溶融流動性との関［2］熱分解挙動係をそれぞれ図１、２に示す。図から明らかなように、図３に、耐トラッキング性 PPS の熱分解挙動を示す。

分解吸熱フィラーの配合量増加に伴い、CTI は向上す炭化抑制剤を配合することで、重量減少が大きくなっる（図１）が、溶融流動性は低下する（図２）。従って、た。炭化抑制剤の効果により、熱分解生成物の気化が分解吸熱フィラー単一の使用では、CTI 性能と溶融流促進され、残留する炭化物が減少したためと考えられ動性の両立に限界がある。つまり、CTI 性能を求めるる。と、成形性が悪化するため、小型、薄肉部品への適用

図４に、印加電圧 600V で耐トラッキング試験を行っが困難になり、自ずと適用できる部品、あるいは部品た後の試験片を示す。図４（a）は、分解吸熱フィラーと、形状が限定される。

炭化抑制剤を配合した試験片で、図４（b）は、分解吸PPS と分解吸熱フィラーを配合した系に対し、我々熱フィラーのみを配合した試験片である。図４（a）、（b）が新たに見出した炭化抑制剤をさらに配合した結果に示すように、炭化抑制剤を配合した試験片では、表の一例を図１、２に示す。炭化抑制剤を配合すること面への炭化物（煤）の付着が少ない事が分かる。これで、同一の分解吸熱フィラー量でも、CTI を 400V かは、炭化抑制剤を配合した結果、効果的に炭化を抑制ら 600V へと、1.5 倍向上させることに成功した。さらできたためと考えられる。

1000

140

PPS＋分解吸熱フィラー
PPS＋分解吸熱フィラー＋炭化抑制剤

600

400

200

PPS＋分解吸熱フィラー＋炭化抑制剤120
溶融流動性（mm）

CTI（V）

800

PPS＋分解吸熱フィラー

1008060

少多40

分解吸熱フィラー配合量とCTI

多分解吸熱フィラー配合量

分解吸熱フィラー配合量

図１

少図２

分解吸熱フィラー配合量と溶融流動性

東ソー研究・技術報告第 56 巻（2012）55

機械的強度を維持しつつ、溶融流動性を大幅に改善で0きた。

PPS＋分解吸熱フィラー

重量減少率（％）

図５は、本開発品と従来品を同一条件で射出成形した成形品である。図から明らかなように、溶融流動性に優る本開発品は、ショートショットもなく、成形品
末端に樹脂が充填している。そのため、小型部品、薄肉部品をはじめ複雑な形状を有する部品の成形が容易になることが期待される。
PPS＋分解吸熱フィラー＋炭化抑制剤−100200900

温度［℃］

Air中、10℃／minの昇温速度で昇温したときの重量減少率

図３4．用途展開
今回開発した耐トラッキング性 PPS グレードは、その高い CTI 性能が注目され、鉄道車両や、太陽光、風力発電向けの IGBT パワーモジュールケース等の部熱分解挙動品として顧客評価が進められている。
さらに、今回開発した耐トラッキング性 PPS に期待される新たな活用方法を以下に提案する。
表３に、CTI が異なる材料の最小沿面距離を示す。
当社一般グレード（CTI：175V）に対して、耐トラッキング性 PPS グレード（CTI：600V）を用いることで、例えば定格電圧 1600V では、最小沿面距離を 25mmから 20mm へと 20％程度短くすることが可能である。
このため、本材料を用いることで、部品の小型軽量化が期待される。
（a）図4（b）

耐トラッキング試験後の試験片［3］成形性
表２に耐トラッキング性 PPS グレードの特性を示す。今回新たに開発した耐トラッキング性 PPS グレー

開発品

従来品

ドは、当社で従来開発した CTI600V の耐トラッキン
グ性 PPS グレードと比較して、耐トラッキング性や、
表２

図５成形品比較

開発品と従来品の比較

測定項目
単位
測定方法
開発品 従来品
比重−ISO 1183
1.881.98
引張
強度 MPaISO 5279090
引張伸び％ISO 527
0.50.5
引 張 ウ エ ル ド 強 度 MPa ASTM D638
3128
曲げ
強度 MPaISO 178150150
曲げ弾性率 GPa
ISO 178
1820
シャルピー衝撃強度（ノッチ側） KJ ／ m2
ISO 179
65溶融流動長 mm TOSOH 法 1） 12379
耐 ト ラ ッ キ ン グ 指 数（CTI） V
IEC60112
600600注 1）金型形状；1mm 厚 ×10mm 幅バーフロー金型
成形条件；シリンダー温度 310℃、金型温度 130℃、射出圧力 177MPa

TOSOH Research & Technology Review Vol.56（2012）56

表３最小沿面距離

5．おわりに最小沿面距離（mm）
定格電圧（V） 耐トラッキング性
G−10−12PPS（一般グレード）
400
4.5
6.0
500
6.0
8.0
630
8.0
10.0
800
9.0
12.0
1000
12.0
16.0
1250
16.0
20.0
1600
20.025.0
出典：EN−61984改訂版1.0−2011−11、及び JIS C 0704−1955
耐トラッキング性 PPSCTI＝600V
G−10−12（一般グレード） CTI＝175V

現在当社では、CTI400V から 700V まで種々のグレードを開発中である。その一例を表４に示した。今後は更に、顧客の様々な要望に合わせたグレードの開発を行い、用途展開を図っていく所存である。

参考文献
１）西川雷太、市川幸男、プラスチックス、61（1）、95（2010）
２）両角朗、丸山力宏、山田克己、富士時報、71（2）、135（1998）

また、昨今、従来のシリコン（Si）パワーモジュー３）西村孝司、高宮喜和、中嶋修、富士時報、81（6）、ルに代わって、より小型化が可能なシリコンカーバイ

390（2008）

ド（SiC）パワーモジュールの開発が進められている。

４）安田武夫、プラスチックス、52（6）、112（2001）

SiC パワーモジュールは、高温でも動作するため、長

５）木下勝博、鑑識科学、6（2）、65（2002）

期信頼性を確保する意味でも高 CTI 特性が重要になる

６）山口裕、前田正徳、上野晃、長谷川弘幸、松下電と思われる。そのため、今回開発した耐トラッキング性 PPS グレードは有用と考えられる。

工技報、75、56（2001）
７）山形直樹、鍵崎秀樹、山城啓輔、高野哲美、前田孝夫、電学論 A、122（2）、164（2002）

表４
測定項目

耐トラッキンググレード

単位比重−引張強度 MPa
引張伸び％
引 張 ウ エ ル ド 強 度 MPa
曲げ
強度 MPa
曲げ弾性率 GPa
シャルピー衝撃強度（ノッチ側） KJ ／ m2
溶融流動
長 mm
耐 ト ラ ッ キ ン グ 指 数（CTI） V

高 CTI
グレード
ISO 1183
1.86
ISO 52785
ISO 527
0.5
ASTM D638
31ISO 178
138
ISO 178
18ISO 179
5TOSOH 法 1）
155
IEC60112700
測定方法

CTI 標準グレード
1.88900.531150
186123600

注 1）金型形状；1mm 厚 ×10mm 幅バーフロー金型
成形条件；シリンダー温度 310℃、金型温度 130℃、射出圧力 177MPa

高ウエルド強度グレード
1.77
70
0.4
35
150
13
5150400