熱伝導性組成物及びその製造方法
【課題】 成形機や金型の磨耗を抑制することのできる熱伝導性組成物及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製するとともに、無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくする。無機フィラーの表面の少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低下させるので、例え無機フィラーの硬度が高く切削性を帯びていても、押出機、成形機、金型が無機フィラーとの接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を抑制したり、防止することができる。
【解決手段】 高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製するとともに、無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくする。無機フィラーの表面の少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低下させるので、例え無機フィラーの硬度が高く切削性を帯びていても、押出機、成形機、金型が無機フィラーとの接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を抑制したり、防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱を伴う各種の機器に使用され、発生した熱を速やかに系外に放出する熱伝導性組成物及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル用燃料電池の実用化の検討、車載用電子機器の高度化、ディスプレイ用バックライトの高輝度化等に伴い、これらの機器から発生する熱を速やかに系外に排気する材料や成形品が求められている（特許文献１、２、３参照）。
係る要望を満たす手段として、従来においては、樹脂材料と熱伝導性の高い無機フィラーとを混合して成形用の組成物を調製し、この組成物を金型に充填して熱伝導性の高い成形品を成形する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００７‐２２３１号公報
【特許文献２】特開２００６‐２９１１２３号公報
【特許文献３】特開２００６‐１１１８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来においては、以上のように樹脂材料と熱伝導性の高い無機フィラーとを単に混合しているが、無機フィラーの硬度が非常に高く切削性を帯びているので、成形時に成形機や金型の成形面が少なからず磨耗して成形性、生産性、量産性を損ね、結果として実用に支障を来たすという問題がある。
【０００４】
本発明は上記に鑑みなされたもので、成形機や金型の磨耗を抑制することのできる熱伝導性組成物及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては上記課題を解決するため、高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製したものであって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくしたことを特徴としている。
【０００６】
なお、被覆材料を、熱硬化性の高分子材料とすることが好ましい。
また、被覆材料を無機粒子とすることができる。
また、無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとすることができる。
【０００７】
また、本発明においては上記課題を解決するため、高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製するものの製造方法であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくすることを特徴としている。
【０００８】
ここで特許請求の範囲における無機フィラーや被覆材料の硬度は、例えばビッカース硬度計やモース硬度計等の各種測定機器により測定することができる。また、被覆材料の量は、無機フィラーの表面積や被覆材料の厚みにより調整することができる。被覆材料の厚みは、被覆材料の機械的強度により調整することができる。
【０００９】
本発明によれば、被覆材料が熱伝導性の組成物を調製する無機フィラーの少なくとも一部を被覆してその表面の切削性を低下させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆して硬い無機フィラーの切削性を低下させるので、成形機や金型の磨耗を抑制することができるという効果がある。
【００１１】
また、被覆材料を熱硬化性の高分子材料とすれば、成形熱で被覆材料が無機フィラーから分離したり、組成変形するのを防ぐことができる。また、流動性に関する精査を特に要しない。
さらに、被覆材料を無機粒子とするとともに、この無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとすれば、無機フィラーの硬度よりも低い硬度の被覆材料を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における熱伝導性組成物は、高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して金型等に充填する熱伝導性の組成物を調製するとともに、無機フィラーの表面の少なくとも一部に被覆材料を薄く覆着してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくするようにしている。
【００１３】
高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物を調製する場合には、そのまま混合しても良いが、成形品の機械的特性等を向上させる観点から、ガラス繊維、カーボン繊維、硼酸アルミニウムウィスカ、シリコーンカーバイトウィスカ等の補強材が必要に応じて添加される。
【００１４】
高分子材料は、特に限定されるものではなく、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、ＳＢＲ、フッ素ゴム等のゴム材料、各種の熱可塑性エラストマー、ＰＰＳ、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、飽和ポリエステル、ＡＢＳ、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が使用される。高分子材料は、樹脂製の場合には、粒径が０．５μｍ以下であるのが一般的である。
【００１５】
熱伝導性の無機フィラーは、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ボロンナイトライト等、公知のフィラーが使用される。これらの無機フィラーは、モース硬度が９以上と非常に硬く、そのまま成形に使用される場合には、成形機や金型を磨耗させたり、損傷させるという課題を有している。また、無機フィラーは、成形用の材料、いわゆるペレット製造用の混練機を磨耗させたり、損傷させるという課題をも有している。
【００１６】
無機フィラーは、成形機や金型の磨耗、損傷を防止する観点から、角の取れた丸い形状が好ましい。また、成形品の特性、特に熱伝導性や機械的強度を確保する観点から、表面の凹凸が大きく、比表面積の大きな粉砕系タイプが好ましい。
【００１７】
金型は、モバイル用燃料電池、車載用電子機器、ディスプレイ用バックライトで多用され、生産性や汎用性に優れる射出成形用が主ではあるが、特に限定されるものではなく、押出成形用、プレス成形用、トランスファー成形用、注型用でも良い。
【００１８】
被覆材料は、無機フィラーの表面に付着する高分子材料、特に熱硬化性の高分子材料や無機粒子が好ましいが、特に限定されるものではなく、使用する高分子材料との馴染み性、成形温度における耐熱性、必要とされる化学的性質等を考慮して適宜決定される。この被覆材料は、成形機や金型の磨耗防止の観点から、無機フィラーの表面の少なくとも３０％、好ましくは１００％を被覆することが要求される。
【００１９】
係る被覆材料としては、具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂やそのハイブリッド材料（エポキシ樹脂‐シリカ・フェノール樹脂‐シリカ・ポリイミド‐シリカ・ポリアミドイミド‐シリカ等）変性品、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂やその変性品、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、ＳＢＲ、フッ素ゴム等のゴム材料、各種の熱可塑性エラストマーやその変性品、ＰＰＳ、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、飽和ポリエステル、ＡＢＳ、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂やその変性品があげられる。
【００２０】
但し、被覆材料が熱可塑性樹脂の場合には、プロセス中での成形温度、せん断力、圧力による溶融流動により、無機フィラーからの分離が生じ、十分な効果をあげられないおそれが考えられる。また、被覆材料が結晶性樹脂の場合には、融点、非結晶性樹脂の溶融開始温度等の温度特性等、流動性に関する詳細な検討が必要とされる。したがって、実用上の簡便性を考慮すると、被覆材料は熱硬化性樹脂が好ましい。
【００２１】
被覆材料は、熱硬化性樹脂の他、無機粒子が好適に使用される。この無機粒子は、高分子材料との親和性に鑑み、公知のシランカップリング剤、チタンカップリング剤、アルミネート系カップリング剤等により表面処理の施されていることが好ましい。
【００２２】
被覆材料は、無機フィラーよりも十分に小さく、しかも、無機フィラーの硬度よりも低い硬度、例えばモース硬度で２〜９、好ましくは６〜９の範囲とされる。この被覆材料として無機粒子が選択される場合には、無機フィラーの表面を均一に薄く被覆してその熱伝導特性を十分に得る観点から、平均粒径が１μｍ以下のナノサイズ、具体的には１〜９００ｎｍ、好ましくは１０〜２０ｎｍであるのが良い。また、被覆材料として無機粒子が選択される場合には、無機フィラーの硬度よりも低い硬度（例えば、モース硬度で９以下）を得る観点から、シリカ粒子と酸化チタンの少なくともいずれか一方であることが好ましい。
【００２３】
無機フィラーと被覆材料との配合は、被覆材料の形態や溶媒の有無等に応じて製造方法が決定・採用される。例えば、被覆材料がペレット状やベール状の場合には、無機フィラーと被覆材料とを押出機やニーダ等を使用して混合混練すれば、無機フィラーの表面を被覆材料により被覆することができる。また、被覆材料が溶媒に溶解している場合には、溶媒に無機フィラーを添加して攪拌し、溶媒を除去すれば、無機フィラーの表面を被覆材料により被覆することが可能になる。
【００２４】
以上の高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物が調製されるが、この熱伝導性の組成物は、熱伝導率が高分子材料の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。具体的には、熱伝導性の組成物の熱伝導率が０．５〜３０、好ましくは０．５〜１５、より好ましくは０．５〜６（Ｗ／ｍ・Ｋ）、高分子材料の熱伝導率が０．５以下が良い。熱伝導率は、例えばＱＴＭ−５００（京都電子工業社製 商品名）を用いて一義的に定める熱線法、ＪＩＳＡ１４１２‐２に基づく測定方法、レーザフラッシュ法等により測定することができる。
【００２５】
上記において、高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物を調製し、成形品を成形して製造する場合には、先ず、高分子材料がペレット状やベール状の場合には、高分子材料と被覆材料により被覆された無機フィラーとを押出機やニーダ等を使用して混合混練し、熱伝導性の組成物を調製する。こうして熱伝導性の組成物を調製したら、この組成物を金型に充填して高熱伝導性の成形品を成形すれば、成形品を製造することができる。
【００２６】
また、高分子材料が溶媒に溶解している場合には、溶媒に被覆材料で被覆された無機フィラーを添加して攪拌し、溶媒を除去して熱伝導性の組成物を調製する。熱伝導性の組成物を調製したら、この組成物を金型に充填して高熱伝導性の成形品を成形すれば、成形品を製造することができる。
【００２７】
上記によれば、無機フィラーの表面の少なくとも一部を被覆材料により被覆して無機フィラー表面の切削性を低下させるので、例え無機フィラーの硬度が非常に高く切削性を帯びていても、押出機、成形機、金型の成形面が無機フィラーとの接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を大幅に抑制したり、防止することができる。したがって、実用性の著しい向上が期待できる。
【００２８】
また、被覆材料の硬度を無機フィラーの硬度よりも低下させるので、押出機、成形機、金型の成形面が被覆材料との接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を大幅に抑制したり、防止することができる。さらに、モバイル用燃料電池、車載用電子機器、ディスプレイ用バックライト等の機器から発生する熱を速やかに系外に排気することも可能になる。
【００２９】
なお、上記実施形態では無機フィラーを単に用いたが、一種類の無機フィラーを使用しても良いし、複数種の無機フィラーを使用しても良い。また、異なる粒径、形状の無機フィラーを複数使用しても良い。また、無機フィラーの表面の一部を被覆材料により被覆して良いし、全部を被覆材料により被覆して良い。また、無機フィラーの表面に、被覆材料との親和性に鑑み、公知のシランカップリング剤、チタンカップリング剤、アルミネート系カップリング剤等により表面処理を施しても良い。
【実施例】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例を比較例と共に説明する。
先ず、被覆材料であるポリエーテルイミド（（ＰＥＩ）ＧＥ製 ＴＧ２４５℃）２０重量部を沸点１５５℃の溶剤であるアニソールに溶解させた溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表１に示す配合で配合してスーパーミキサ（カワタ製）で混合し、この混合物を加圧ニーダにセットして１８０℃で加熱しながら８時間混合した。こうして混合物を８時間混合したら、希釈用のアニソールを揮発させて除去し、各配合品をアルミナコート品１〜５とした（図１、図２参照）。
【００３１】
【表１】
【００３２】
また、ポリエーテルイミド（（ＰＥＩ）ＧＥ製 ＴＧ２４５℃）２０重量部を沸点２０４℃の溶剤であるＮメチル‐２ピロドリン（ＮＭＰ）に溶解させた溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表２に示す配合で配合してスーパーミキサ（カワタ製）で混合し、この混合物を加圧ニーダにセットして２２０℃で加熱しながら８時間混合した。混合物を８時間混合したら、ＮＭＰ溶液を揮発させて除去し、各配合品をアルミナコート品６〜１０とした（図３参照）。
【００３３】
【表２】
【００３４】
次いで、各アルミナコート品１〜１０のコーティング状態をＳＥＭにより観察してその粒子の表面からアルミナの波長が減少している様子をＥＰＭＡで確認し、ＳＥＭにより観察した層が無機フィラーであるアルミナ以外の樹脂であることを確認した（図２、図３参照）。こうして確認した各アルミナコート品１〜１０を、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に、表３、４に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
次いで、混合した粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。同様に、各アルミナコート品１〜１０に関し、液晶ポリマー（ＬＣＰ）１６ｍｅｓｈパス粉末を使用して表５、６に示す配合で試験用プレートを成形した。
【００３８】
【表５】
【００３９】
【表６】
【００４０】
各試験用プレートを除去した後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表７、８にまとめた。
【００４１】
【表７】
【００４２】
【表８】
【００４３】
観察の結果、無機フィラーであるアルミナの表面に樹脂をコートした場合には、金型の成形面を損傷させることなく、試験用プレートを成形することができた。これに対し、アルミナの表面に樹脂をコートしない比較例の場合には、金型の損傷を招いた。
【００４４】
次に、無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とシリカの粉末（信越シリコーン製 商品名Ｘ２４‐９１６３Ａ 平均粒径０．１μｍ、信越シリコーン製 商品名Ｘ５２‐７０４２ 平均粒径４μｍ）又は酸化チタンの粉末（石原産業社製 商品名Ｒ‐６３０ 平均粒径０．２４μｍ）とを表９に示す配合によりスーパーミキサ（カワタ製）で配合し、各配合品をアルミナコート品２１〜２５とした。
【００４５】
【表９】
【００４６】
各アルミナコート品１〜１０を、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に、表１０に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。こうして分散混合させたら、混合した粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。
【００４７】
【表１０】
【００４８】
各試験用プレート除去後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表１１にまとめた。
【００４９】
【表１１】
【００５０】
観察の結果、アルミナに樹脂をコートした場合には、金型の成形面を損傷させることなく、試験用プレートを成形することができた。これに対し、アルミナに樹脂をコートしない比較例の場合には、金型が損傷した。
【００５１】
次に、被覆材料である下記のエポキシ樹脂‐シリカハイブリッド（荒川化学工業製 商品名コンポセランＥ１０２）配合溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表１２に示す配合で配合して攪拌機で混合分散させ、１００℃で加熱乾燥させて溶剤を除去した。こうして溶剤を除去したら、１８０℃、１時間の加熱処理を加えて樹脂を硬化させ、粉砕機で粉砕して各配合品をアルミナコート品２６〜３０とした。
【００５２】
エポキシ樹脂‐シリカハイブリッド配合溶液
コンポセランＥ１０２ １００部
フェノールのノボラック樹脂 ７．５部
２‐エチル‐４‐メチルイミダゾール ０．５部
オクチル酸スズ １部
ＭＥＫ ７．５部
【００５３】
【表１２】
【００５４】
次いで、各アルミナコート品２６〜３０をポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に表１３に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。ボールミルで３０分間分散混合させたら、混合粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。
【００５５】
【表１３】
【００５６】
各試験用プレート除去後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表１４にまとめた。
【００５７】
【表１４】
【００５８】
観察の結果、アルミナに樹脂をコートしない比較例の場合には、金型の損傷を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるアルミナ粉末を示す拡大写真である。
【図２】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるアニソールで希釈されたＰＥＩコーティングを示す拡大写真である。
【図３】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるＮＭＰで希釈されたＰＥＩコーティングを示す拡大写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱を伴う各種の機器に使用され、発生した熱を速やかに系外に放出する熱伝導性組成物及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル用燃料電池の実用化の検討、車載用電子機器の高度化、ディスプレイ用バックライトの高輝度化等に伴い、これらの機器から発生する熱を速やかに系外に排気する材料や成形品が求められている（特許文献１、２、３参照）。
係る要望を満たす手段として、従来においては、樹脂材料と熱伝導性の高い無機フィラーとを混合して成形用の組成物を調製し、この組成物を金型に充填して熱伝導性の高い成形品を成形する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００７‐２２３１号公報
【特許文献２】特開２００６‐２９１１２３号公報
【特許文献３】特開２００６‐１１１８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来においては、以上のように樹脂材料と熱伝導性の高い無機フィラーとを単に混合しているが、無機フィラーの硬度が非常に高く切削性を帯びているので、成形時に成形機や金型の成形面が少なからず磨耗して成形性、生産性、量産性を損ね、結果として実用に支障を来たすという問題がある。
【０００４】
本発明は上記に鑑みなされたもので、成形機や金型の磨耗を抑制することのできる熱伝導性組成物及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては上記課題を解決するため、高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製したものであって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくしたことを特徴としている。
【０００６】
なお、被覆材料を、熱硬化性の高分子材料とすることが好ましい。
また、被覆材料を無機粒子とすることができる。
また、無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとすることができる。
【０００７】
また、本発明においては上記課題を解決するため、高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製するものの製造方法であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくすることを特徴としている。
【０００８】
ここで特許請求の範囲における無機フィラーや被覆材料の硬度は、例えばビッカース硬度計やモース硬度計等の各種測定機器により測定することができる。また、被覆材料の量は、無機フィラーの表面積や被覆材料の厚みにより調整することができる。被覆材料の厚みは、被覆材料の機械的強度により調整することができる。
【０００９】
本発明によれば、被覆材料が熱伝導性の組成物を調製する無機フィラーの少なくとも一部を被覆してその表面の切削性を低下させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆して硬い無機フィラーの切削性を低下させるので、成形機や金型の磨耗を抑制することができるという効果がある。
【００１１】
また、被覆材料を熱硬化性の高分子材料とすれば、成形熱で被覆材料が無機フィラーから分離したり、組成変形するのを防ぐことができる。また、流動性に関する精査を特に要しない。
さらに、被覆材料を無機粒子とするとともに、この無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとすれば、無機フィラーの硬度よりも低い硬度の被覆材料を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における熱伝導性組成物は、高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して金型等に充填する熱伝導性の組成物を調製するとともに、無機フィラーの表面の少なくとも一部に被覆材料を薄く覆着してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくするようにしている。
【００１３】
高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物を調製する場合には、そのまま混合しても良いが、成形品の機械的特性等を向上させる観点から、ガラス繊維、カーボン繊維、硼酸アルミニウムウィスカ、シリコーンカーバイトウィスカ等の補強材が必要に応じて添加される。
【００１４】
高分子材料は、特に限定されるものではなく、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、ＳＢＲ、フッ素ゴム等のゴム材料、各種の熱可塑性エラストマー、ＰＰＳ、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、飽和ポリエステル、ＡＢＳ、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂が使用される。高分子材料は、樹脂製の場合には、粒径が０．５μｍ以下であるのが一般的である。
【００１５】
熱伝導性の無機フィラーは、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ボロンナイトライト等、公知のフィラーが使用される。これらの無機フィラーは、モース硬度が９以上と非常に硬く、そのまま成形に使用される場合には、成形機や金型を磨耗させたり、損傷させるという課題を有している。また、無機フィラーは、成形用の材料、いわゆるペレット製造用の混練機を磨耗させたり、損傷させるという課題をも有している。
【００１６】
無機フィラーは、成形機や金型の磨耗、損傷を防止する観点から、角の取れた丸い形状が好ましい。また、成形品の特性、特に熱伝導性や機械的強度を確保する観点から、表面の凹凸が大きく、比表面積の大きな粉砕系タイプが好ましい。
【００１７】
金型は、モバイル用燃料電池、車載用電子機器、ディスプレイ用バックライトで多用され、生産性や汎用性に優れる射出成形用が主ではあるが、特に限定されるものではなく、押出成形用、プレス成形用、トランスファー成形用、注型用でも良い。
【００１８】
被覆材料は、無機フィラーの表面に付着する高分子材料、特に熱硬化性の高分子材料や無機粒子が好ましいが、特に限定されるものではなく、使用する高分子材料との馴染み性、成形温度における耐熱性、必要とされる化学的性質等を考慮して適宜決定される。この被覆材料は、成形機や金型の磨耗防止の観点から、無機フィラーの表面の少なくとも３０％、好ましくは１００％を被覆することが要求される。
【００１９】
係る被覆材料としては、具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂やそのハイブリッド材料（エポキシ樹脂‐シリカ・フェノール樹脂‐シリカ・ポリイミド‐シリカ・ポリアミドイミド‐シリカ等）変性品、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂やその変性品、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、ＳＢＲ、フッ素ゴム等のゴム材料、各種の熱可塑性エラストマーやその変性品、ＰＰＳ、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、飽和ポリエステル、ＡＢＳ、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂やその変性品があげられる。
【００２０】
但し、被覆材料が熱可塑性樹脂の場合には、プロセス中での成形温度、せん断力、圧力による溶融流動により、無機フィラーからの分離が生じ、十分な効果をあげられないおそれが考えられる。また、被覆材料が結晶性樹脂の場合には、融点、非結晶性樹脂の溶融開始温度等の温度特性等、流動性に関する詳細な検討が必要とされる。したがって、実用上の簡便性を考慮すると、被覆材料は熱硬化性樹脂が好ましい。
【００２１】
被覆材料は、熱硬化性樹脂の他、無機粒子が好適に使用される。この無機粒子は、高分子材料との親和性に鑑み、公知のシランカップリング剤、チタンカップリング剤、アルミネート系カップリング剤等により表面処理の施されていることが好ましい。
【００２２】
被覆材料は、無機フィラーよりも十分に小さく、しかも、無機フィラーの硬度よりも低い硬度、例えばモース硬度で２〜９、好ましくは６〜９の範囲とされる。この被覆材料として無機粒子が選択される場合には、無機フィラーの表面を均一に薄く被覆してその熱伝導特性を十分に得る観点から、平均粒径が１μｍ以下のナノサイズ、具体的には１〜９００ｎｍ、好ましくは１０〜２０ｎｍであるのが良い。また、被覆材料として無機粒子が選択される場合には、無機フィラーの硬度よりも低い硬度（例えば、モース硬度で９以下）を得る観点から、シリカ粒子と酸化チタンの少なくともいずれか一方であることが好ましい。
【００２３】
無機フィラーと被覆材料との配合は、被覆材料の形態や溶媒の有無等に応じて製造方法が決定・採用される。例えば、被覆材料がペレット状やベール状の場合には、無機フィラーと被覆材料とを押出機やニーダ等を使用して混合混練すれば、無機フィラーの表面を被覆材料により被覆することができる。また、被覆材料が溶媒に溶解している場合には、溶媒に無機フィラーを添加して攪拌し、溶媒を除去すれば、無機フィラーの表面を被覆材料により被覆することが可能になる。
【００２４】
以上の高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物が調製されるが、この熱伝導性の組成物は、熱伝導率が高分子材料の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。具体的には、熱伝導性の組成物の熱伝導率が０．５〜３０、好ましくは０．５〜１５、より好ましくは０．５〜６（Ｗ／ｍ・Ｋ）、高分子材料の熱伝導率が０．５以下が良い。熱伝導率は、例えばＱＴＭ−５００（京都電子工業社製 商品名）を用いて一義的に定める熱線法、ＪＩＳＡ１４１２‐２に基づく測定方法、レーザフラッシュ法等により測定することができる。
【００２５】
上記において、高分子材料と熱伝導性の無機フィラーとを混合して熱伝導性の組成物を調製し、成形品を成形して製造する場合には、先ず、高分子材料がペレット状やベール状の場合には、高分子材料と被覆材料により被覆された無機フィラーとを押出機やニーダ等を使用して混合混練し、熱伝導性の組成物を調製する。こうして熱伝導性の組成物を調製したら、この組成物を金型に充填して高熱伝導性の成形品を成形すれば、成形品を製造することができる。
【００２６】
また、高分子材料が溶媒に溶解している場合には、溶媒に被覆材料で被覆された無機フィラーを添加して攪拌し、溶媒を除去して熱伝導性の組成物を調製する。熱伝導性の組成物を調製したら、この組成物を金型に充填して高熱伝導性の成形品を成形すれば、成形品を製造することができる。
【００２７】
上記によれば、無機フィラーの表面の少なくとも一部を被覆材料により被覆して無機フィラー表面の切削性を低下させるので、例え無機フィラーの硬度が非常に高く切削性を帯びていても、押出機、成形機、金型の成形面が無機フィラーとの接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を大幅に抑制したり、防止することができる。したがって、実用性の著しい向上が期待できる。
【００２８】
また、被覆材料の硬度を無機フィラーの硬度よりも低下させるので、押出機、成形機、金型の成形面が被覆材料との接触により磨耗して成形性、生産性、量産性を損ねる事態を大幅に抑制したり、防止することができる。さらに、モバイル用燃料電池、車載用電子機器、ディスプレイ用バックライト等の機器から発生する熱を速やかに系外に排気することも可能になる。
【００２９】
なお、上記実施形態では無機フィラーを単に用いたが、一種類の無機フィラーを使用しても良いし、複数種の無機フィラーを使用しても良い。また、異なる粒径、形状の無機フィラーを複数使用しても良い。また、無機フィラーの表面の一部を被覆材料により被覆して良いし、全部を被覆材料により被覆して良い。また、無機フィラーの表面に、被覆材料との親和性に鑑み、公知のシランカップリング剤、チタンカップリング剤、アルミネート系カップリング剤等により表面処理を施しても良い。
【実施例】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例を比較例と共に説明する。
先ず、被覆材料であるポリエーテルイミド（（ＰＥＩ）ＧＥ製 ＴＧ２４５℃）２０重量部を沸点１５５℃の溶剤であるアニソールに溶解させた溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表１に示す配合で配合してスーパーミキサ（カワタ製）で混合し、この混合物を加圧ニーダにセットして１８０℃で加熱しながら８時間混合した。こうして混合物を８時間混合したら、希釈用のアニソールを揮発させて除去し、各配合品をアルミナコート品１〜５とした（図１、図２参照）。
【００３１】
【表１】
【００３２】
また、ポリエーテルイミド（（ＰＥＩ）ＧＥ製 ＴＧ２４５℃）２０重量部を沸点２０４℃の溶剤であるＮメチル‐２ピロドリン（ＮＭＰ）に溶解させた溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表２に示す配合で配合してスーパーミキサ（カワタ製）で混合し、この混合物を加圧ニーダにセットして２２０℃で加熱しながら８時間混合した。混合物を８時間混合したら、ＮＭＰ溶液を揮発させて除去し、各配合品をアルミナコート品６〜１０とした（図３参照）。
【００３３】
【表２】
【００３４】
次いで、各アルミナコート品１〜１０のコーティング状態をＳＥＭにより観察してその粒子の表面からアルミナの波長が減少している様子をＥＰＭＡで確認し、ＳＥＭにより観察した層が無機フィラーであるアルミナ以外の樹脂であることを確認した（図２、図３参照）。こうして確認した各アルミナコート品１〜１０を、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に、表３、４に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。
【００３５】
【表３】
【００３６】
【表４】
【００３７】
次いで、混合した粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。同様に、各アルミナコート品１〜１０に関し、液晶ポリマー（ＬＣＰ）１６ｍｅｓｈパス粉末を使用して表５、６に示す配合で試験用プレートを成形した。
【００３８】
【表５】
【００３９】
【表６】
【００４０】
各試験用プレートを除去した後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表７、８にまとめた。
【００４１】
【表７】
【００４２】
【表８】
【００４３】
観察の結果、無機フィラーであるアルミナの表面に樹脂をコートした場合には、金型の成形面を損傷させることなく、試験用プレートを成形することができた。これに対し、アルミナの表面に樹脂をコートしない比較例の場合には、金型の損傷を招いた。
【００４４】
次に、無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とシリカの粉末（信越シリコーン製 商品名Ｘ２４‐９１６３Ａ 平均粒径０．１μｍ、信越シリコーン製 商品名Ｘ５２‐７０４２ 平均粒径４μｍ）又は酸化チタンの粉末（石原産業社製 商品名Ｒ‐６３０ 平均粒径０．２４μｍ）とを表９に示す配合によりスーパーミキサ（カワタ製）で配合し、各配合品をアルミナコート品２１〜２５とした。
【００４５】
【表９】
【００４６】
各アルミナコート品１〜１０を、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に、表１０に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。こうして分散混合させたら、混合した粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。
【００４７】
【表１０】
【００４８】
各試験用プレート除去後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表１１にまとめた。
【００４９】
【表１１】
【００５０】
観察の結果、アルミナに樹脂をコートした場合には、金型の成形面を損傷させることなく、試験用プレートを成形することができた。これに対し、アルミナに樹脂をコートしない比較例の場合には、金型が損傷した。
【００５１】
次に、被覆材料である下記のエポキシ樹脂‐シリカハイブリッド（荒川化学工業製 商品名コンポセランＥ１０２）配合溶液と無機フィラー（昭和電工社製 商品名アルミナＡＳ‐４０）とを表１２に示す配合で配合して攪拌機で混合分散させ、１００℃で加熱乾燥させて溶剤を除去した。こうして溶剤を除去したら、１８０℃、１時間の加熱処理を加えて樹脂を硬化させ、粉砕機で粉砕して各配合品をアルミナコート品２６〜３０とした。
【００５２】
エポキシ樹脂‐シリカハイブリッド配合溶液
コンポセランＥ１０２ １００部
フェノールのノボラック樹脂 ７．５部
２‐エチル‐４‐メチルイミダゾール ０．５部
オクチル酸スズ １部
ＭＥＫ ７．５部
【００５３】
【表１２】
【００５４】
次いで、各アルミナコート品２６〜３０をポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）１６ｍｅｓｈパス粉末中に表１３に示す配合でボールミルにより３０分間分散混合させた。ボールミルで３０分間分散混合させたら、混合粉体６５ｇを１５０×１５０ｍｍの大きさを有する２ｍｍ厚の金型に投入し、４００℃、１５０ｋｇ／ｃｍ3の条件で１０分間加圧成形して試験用プレートを成形した。
【００５５】
【表１３】
【００５６】
各試験用プレート除去後の金型の成形面の様子を観察し、アルミナ粉による傷を発見したら×、発見しなかったら○で評価し、その評価結果を表１４にまとめた。
【００５７】
【表１４】
【００５８】
観察の結果、アルミナに樹脂をコートしない比較例の場合には、金型の損傷を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるアルミナ粉末を示す拡大写真である。
【図２】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるアニソールで希釈されたＰＥＩコーティングを示す拡大写真である。
【図３】本発明に係る熱伝導性組成物及びその製造方法の実施例におけるＮＭＰで希釈されたＰＥＩコーティングを示す拡大写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製した熱伝導性組成物であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくしたことを特徴とする熱伝導性組成物。
【請求項２】
被覆材料を、熱硬化性の高分子材料とした請求項１記載の熱伝導性組成物。
【請求項３】
被覆材料を無機粒子とした請求項１記載の熱伝導性組成物。
【請求項４】
無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとした請求項３記載の熱伝導性組成物。
【請求項５】
高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製する熱伝導性組成物の製造方法であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくすることを特徴とする熱伝導性組成物の製造方法。
【請求項１】
高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製した熱伝導性組成物であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくしたことを特徴とする熱伝導性組成物。
【請求項２】
被覆材料を、熱硬化性の高分子材料とした請求項１記載の熱伝導性組成物。
【請求項３】
被覆材料を無機粒子とした請求項１記載の熱伝導性組成物。
【請求項４】
無機粒子を、シリカ粒子と酸化チタンのいずれかとした請求項３記載の熱伝導性組成物。
【請求項５】
高分子材料に熱伝導性の無機フィラーを混合して金型に充填する熱伝導性の組成物を調製する熱伝導性組成物の製造方法であって、
無機フィラーの少なくとも一部を被覆材料により被覆してその硬度を無機フィラーの硬度よりも低くし、熱伝導性の組成物の熱伝導率を高分子材料の熱伝導率よりも大きくすることを特徴とする熱伝導性組成物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−１８９８３５（Ｐ２００８−１８９８３５Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６７７４（Ｐ２００７−２６７７４）
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００１９０１１６）信越ポリマー株式会社 (1,394)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００１９０１１６）信越ポリマー株式会社 (1,394)
【Ｆターム（参考）】
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