Characterization of metallized polymeric films for high thermal performance applications

Abstract

A capacitor is an electrical component capable of storing electrical current, conduct alternate current (AC) and block different voltage levels of a direct current (DC) power source. It’s basically composed by electrodes which are separated by a non-conductive material, namely, the dielectric, involved in an epoxy resin while inserted in a plastic case. Ceramic, electrolytic or plastic materials can be used as dielectrics in capacitors. These different materials possess different electric properties such as dielectric constant, dissipation factor and dielectric strength, which influence the capacitor performance and long-term reliability. Due to the good stability towards a large range of frequencies and temperatures, low dissipation factors, high lifetime, high dielectric strength and crystallinity, polymeric films are greatly used as dielectrics. Polypropylene base films are commonly used as a dielectric in metallized film capacitors. The need of subjecting capacitors to higher voltage applications and operating temperatures above 105°C led to the investigation of new base materials to be used as dielectrics in capacitors. Compound X is an amorphous material with good thermal resistance and high dimensional stability and is being increasingly added to polypropylene films to maximize its thermal performance in electrical applications. On the present dissertation, five metallized biaxially oriented films were analysed through various characterization techniques such as Differential Scanning Calorimetry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy – Attenuated Total Reflectance, Atomic Force Microscopy and Scanning electron Microscopy. Additionally, mechanical tests were performed in machine direction as well as temperature shrinkage evaluations in machine and transverse directions. Three of the five films consist in polypropylene modified with compound X while the two remaining films contain polypropylene only. Beyond the base film effect, other factors such as film thickness and metallizer (A and B) are investigated. Compound X presence leads to an overall lower crystallinity and young modulus, a fibre structure morphology, higher roughness and better dimensional stability when exposed to high temperatures, with emphasis in the higher thickness film. Thickness had a negative effect on crystallinity and overall mechanical parameters except for the strain at break. Metallizer B promoted the appearance of a metallization pattern in segmented areas of the film and higher film roughness.

Um condensador é um componente elétrico capaz de armazenar corrente elétrica, conduzir corrente alternada (AC) e bloquear diferente níveis voltaicos em fontes de corrente direta (DC). Possui elétrodos que se encontram separados por um material não condutor, o dielétrico, inseridos num copo plástico com resina époxi. Materiais cerâmicos, eletrolíticos ou plásticos podem ser utilizados como dielétricos em condensadores. Estes materiais possuem propriedades diferentes como constante dielétrica, fator de dissipação e força dielétrica que influenciam o desempenho do condensador e a sua estabilidade a longo prazo. Devido à boa estabilidade perante uma larga gama de frequências e temperaturas, reduzido fator de dissipação, elevado tempo de vida, grande força dielétrica e cristalinidade, os filmes poliméricos são frequentemente utilizados como dielétricos. Filmes de polipropileno são bastante utilizados como dielétricos em condensadores de filme metalizado. A necessidade de sujeitar condensadores a aplicações de elevada tensão e, consequentemente, a elevadas temperaturas (acima de 105°C), levou à investigação de novos dielétricos. O composto X é um material amorfo com boa resistência térmica e estabilidade dimensional e é cada vez mais utilizado juntamente com o polipropileno, em filmes, de forma a melhorar o seu desempenho térmico. Na presente dissertação, cinco filmes metalizados e biaxialmente esticados foram analisados por várias técnicas de caracterização tais como Calorimetria Diferencial de Varrimento, Espetroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier – Refletância Total Atenuada, Microscopia de Força Atómica e Microscopia Eletrónica de Varrimento. Adicionalmente, foram realizados testes mecânicos na direção longitudinal e foi avaliada a taxa de encolhimento das amostras na direção longitudinal e transversal quando expostas a temperaturas elevadas. Três dos cinco filmes estudados são compostos por polipropileno modificado com composto X enquanto os restantes apenas contêm polipropileno. Para além do tipo de base de filme, outros fatores como espessura do filme e metalizador (A e B) também foram estudados. O composto X diminuiu a cristalinidade e o módulo de young do filme, promoveu o aparecimento de uma morfologia fibrosa, aumentou a rugosidade do filme e melhorou a estabilidade dimensional destes, com ênfase no filme de maior espessura. Maior espessura do filme diminui a cristalinidade e o módulo de young mas melhora a capacidade de esticamento. O Metalizador B produz um padrão de metalização nos segmentos e maior rugosidade do filme.