CN101415779B

CN101415779B - 导热性树脂材料及其成形体

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Publication number: CN101415779B
Application number: CN2007800125946A
Authority: CN
Inventors: 中村彰信; 位地正年; 柳泽恒德; 平野启二
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: JP5309989B2; JPWO2007116973A1; EP2006334A4; EP2006334A1; US20090286075A1; WO2007116973A1; CN101415779A

Abstract

本发明的导热性树脂材料具有优良的导热性能，但诸如树脂所具有的成形加工性、轻重量和机械强度的固有实用性能不受削弱，且具有能够控制热传导方向及传递量的各向异性导热性能。本发明的导热性树脂材料是一种包含作为基材的热塑性树脂(A)以及纤维填料(C)的导热性树脂材料，其中与树脂组分不相容的有机化合物(B)作为分散的粒子存在于树脂组分中，纤维填料(C)的两个以上组元与每个分散粒子的表面接触，或位于每个分散粒子当中。

Description

导热性树脂材料及其成形体

技术领域

本发明涉及导热性、机械强度、成形加工性、抗静电性和电磁波屏蔽性优异的导热性树脂材料及其成形体。

背景技术

由于热塑性树脂具有优异的成形加工性、低成本、耐腐蚀等优点，热塑性树脂在诸如电子元件、机械部件、汽车零部件、办公用品、家庭餐具、电器内外材料的不同工业领域中用作重要的材料。特别来讲，在电子设备的应用当中需要能有效释放各种装置产生的热量的导热性，但热塑性树脂的导热性通常不足。当将这种导热性差的树脂材料应用于电子设备等的部件和底盘材料时，这些部件等中的热释放受到抑制，由此导致这些设备和元件中的故障或损坏。

就此而论，通常已知用来改善树脂导热性能的方法是这样的一种方法，其中在树脂当中加入导热性填料。例如，广泛使用诸如氧化铝、氮化硼和碳的高热导率无机填料；尤其是，碳纤维作为具有优异的实际用途的材料受到人们的关注，因为与其它填料相比，碳纤维的重量更轻，而且另外来讲价格相对较低，且几乎没有诸如毒性的有害环境影响。

例如，在专利文献1中披露的组合物当中，按70重量％的混合比使直径50至200nm的气相生长碳纤维与热塑性树脂捏合，从而获得7.5W/m·K的最大热导率。

另外，在专利文献2中披露的导热性树脂材料中，通过按10重量％的混合比使直径1μm以下的纤维碳选择性地分散在一个树脂相(由两种或更多种树脂组成的混合物)中，得到了0.73W/m·K的最大热导率。对于由不同类型树脂的相互混合制备的混合物来说，通过在混合物的指定树脂相中不均衡地分配填料使混合物具有局部的特性区域，这种方法被称为双渗滤，在专利文献3和非专利文献1中被描述为一种制造导电树脂的方法。

然而，在专利文献1和2披露的方法中发现了一些问题。专利文献1的问题是，如果不以高混合比例添加碳纤维则不能获得高热导率。例如，即使混合物包含碳纤维的量与树脂的量相同，即50重量％，其最多达到大约5W/m·K的热导率，该值比陶瓷和金属材料的要低一个或两个数量级。原因之一在于这样的一个事实，即作为填料应用的细碳纤维具有极易发生凝集的特点，因此难以使碳纤维分散到树脂当中。换言之，碳纤维具有化学惰性的结构，与大多数树脂亲合力弱，因此难以使碳纤维分散到树脂中，从而造成这样的问题，即只有在大量添加碳纤维的情况下才能得到导热性改善的效果。作为以大的混合比进行碳纤维混合所造成的问题，可以提到的一个问题是，树脂的熔体粘度显著增大，因此无法进行广泛应用于热塑性树脂的注射成形。只有用特定的成形方法才能进行成形的事实构成了使高导热性树脂的实用性和适用性低下的一个因素。

另一方面，专利文献2的问题是，局部形成了性质不同的区域，因此在很大的程度上降低了机械强度。具体来说，其中不均衡地分布了碳纤维的树脂相与基体树脂相彼此在机械性能方面有很大的不同，因此往往发生界面破坏，这涉及到作为实际材料的一个关键缺点。此外，与由普通混合方法得到的树脂材料的热导率相比，虽然树脂材料的热导率得到了改善，但在任何情况下的热导率最大值小于1W/m·K，因而没有达到导热性材料所需的实用水平。

此外，伴随着近年来装置的高集成度以及产品的小型化和多功能化，产热密度也增大，电子设备和电子部件的热释放已成为严重的问题。特别是，在显著发展的移动信息终端中产生了一个问题，即事实上元件产生的热达到了引起低温燃烧的量；因此，要求材料不仅能够直接将热传递至底盘，还要能够控制材料本身热传导的方向性和传递量并安全进行热释放。在应用于电子设备和电子部件的材料中，除了现有的树脂、陶瓷或金属所具有的固有性能之外，还需要具有优良导热性能的新材料。特别是，对于树脂材料，正寻求具有如下导热性能的材料，其能够控制热传导的方向和传递量，但不削弱涉及树脂的有利性能的实用性例如成形加工性、重量轻和成本低。

专利文献1：日本专利未审公开No.2005-325345

专利文献2：日本专利未审公开2005-54094

专利文献3：日本专利No.2603511

非专利文献1：Tokodai(Tokyo Institute of Technology)Technology，第3卷，第7页，2000年3月

本发明的要点是提供一种具有优良导热性能但不削弱固有的实用性能例如树脂所具有的成形加工性、轻重量和机械强度，并具有能够控制热传导方向及传递量的各向异性导热性能的导热性树脂材料以及导热性树脂材料的成形体。

发明内容

本发明者的注意力集中于这样的事实：在包括树脂和填料的成形体中，成形体的形态强烈地影响成形体的导热性能，详细分析了熔体粘度、流动性、每种组分的分散状态、混合物的界面相互作用等(所述混合物由导热性填料(特别是纤维填料)、热塑性树脂和各种添加剂组成)，并进一步验证每种由各组分组成的成形体的形态与导热性能之间的相关性。因此获得这样的认识，将作为基材的热塑性树脂、同热塑性树脂不相容的粒子状有机化合物和纤维填料进行混合，以便使纤维填料与粒子状有机化合物发生接触或位于粒子状有机化合物之中，由此可使热塑性树脂转化成具有优良导热性能的物质。

特别是发现这样的事实，通过使特定范围量具有特定尺寸的纤维导热填料与同热塑性树脂不相容、具有特定分子结构的有机化合物混合，上述混合物的形态在很大程度上发生变化，由此获得了优良的导热性能。换言之，发现了这样的事实，即通过混合上述具有特定分子结构的有机化合物，显著地促进了填料在融化树脂中的分散，且同时增强了基材树脂与填料之间的相互作用，从而形成促进热传导的最佳形态。

本发明的热传导促进机制未必很清楚；可能是添加同热塑性树脂不相容的有机化合物改善了纤维填料的分散，使得填料彼此间部分接触，因此在树脂中形成填料的网络结构，从而实现高导热性能。在这种情况下，特别是当与热塑性树脂的熔化基材混合时，低粘度的不相容有机化合物被微细分散，从而减小了树脂的熔体粘度，由此使固有倾向于发生凝集的纤维填料的分散性显著提高，同时有机化合物与填料的表面存在强相互作用，从而起到粘结剂(用以部分聚集众多纤维填料组元(element)的物质)的作用，用于使填料组元互相粘结，由此令人信服地形成纤维填料的网络结构。这种网络结构特别地是由具有特定纤维长度和特定纤维直径的小混合量的纤维填料所形成。此外，由于与不相容的有机化合物的协同效应，形成了这样的一种状态，其中使得纤维填料组元彼此接触，或彼此极其接近，因此减少了热传播的损失，因此即使混合少量的填料也能实现充分高的导热性能。由此获得这样的认识，即可以因此减少填料的混合量，使与适用于普通热塑性树脂一样的注射成形变得可行。

此外，纤维填料不是不均衡地分布在特定的树脂相中，因此几乎不产生界面破坏，并且不发生强度的下降。此外，基材树脂由于不相容的有机化合物而使熔体粘度减小，因此纤维填料在树脂的流动方向或树脂的成形面方向上的定向受到促进，从而获得各向异性的导热性能。已知的是，一般来说，大量包含在树脂当中并在树脂中按特定方向定向的纤维填料是造成成形体的机械强度下降和翘曲的原因；然而在本发明中，纤维填料的混合比例与常规情况相比极低，由以微小量添加的不相容有机化合物和纤维填料形成的网络结构实现了额外的增强效果，因此在成形体中可以有效地抑制机械强度的下降和翘曲的产生。

上述导热性树脂材料的热导率在许多情况下取决于所加填料的种类和添加量，根据所加填料的种类，热导率有一至两个数量级的变化。因此，通过按所需的热导率水平来改变填料的种类和混合比例可以随意地控制树脂的热导率；发现这样的事实，即当上述有机化合物与现有的填料一起使用时，与按相同的混合比例只使用填料而不使用上述有机化合物的情况相比，热导率有显著的提高，同时热传导方向和传递量的控制也成为可能。本发明在这种认识的基础上完成。

具体来说，本发明涉及导热性树脂材料，其包含作为基材的热塑性树脂(A)、以及纤维填料(C)，且特征在于与树脂组分不相容的有机化合物(B)作为分散的粒子存在于树脂组分中，且纤维填料(C)的两个以上组元与有机化合物(B)的每个分散粒子的表面接触，或位于有机化合物(B)的每个分散粒子当中。

此外，本发明涉及导热性树脂成形体，其特征在于是通过使用上述导热性树脂材料形成的。

本发明的导热性树脂材料和导热性树脂成形体具有优良的导热性能，而树脂所具有的诸如成形加工性、轻重量和机械强度的固有性能不受削弱，且具有能够控制热传导方向及传递量的各向异性导热性能。

附图简述

图1是描述本发明的导热性树脂成形体结构的示意图；

图2是显示一例本发明的导热性树脂成形体的网络结构的拍摄图像；

图3为显示一例本发明的导热性树脂成形体与常规例子比较的导热性能的热图；和

图4为显示一例本发明的导热性树脂成形体与常规例子比较的各向异性导热性能的热图。

符号说明

1 纤维填料(C)

2 以粒子状方式分散的有机化合物(B)

3 作为基材的热塑性树脂(A)

实施本发明的最佳方式

本发明的导热性树脂材料是一种包含作为基材的热塑性树脂(A)以及纤维填料(C)的导热性树脂材料，且其特征在于与树脂组分不相容的有机化合物(B)作为分散的粒子存在于树脂组分中，且纤维填料(C)的两个以上组元与有机化合物(B)的每个分散粒子的表面接触，或位于有机化合物(B)的每个分散粒子当中。

在本发明的导热性树脂材料中使用的热塑性树脂(A)起到导热性树脂材料之基材的作用，可以应用任何热塑性树脂，只要该热塑性树脂是用于成形领域就行。这种热塑性树脂(A)的优选例子可以包括诸如ABS的聚苯乙烯树脂和聚酯树脂，这些中的每一种可单独使用，或者它们中的两种以上组合使用。聚苯乙烯树脂广泛用于电器产品，诸如耐热性、耐磨性、耐化学品性和可加工性的实用性能优良，且另外具有这样的优点，即可以很容易进行与各种填料和其它树脂的混合以及成形处理。

此外，虽然上述聚酯树脂可以是合成的树脂，但可生物降解的聚酯树脂是优选的，因为它们能抑制对环境的破坏。可生物降解的聚酯树脂的例子可以包括来源于生物质的树脂及其衍生物。来源于生物质的树脂是指包括使用生物质为原料制造的树脂作为主要组分的那些树脂。其衍生物是指通过用其它化合物或官能团取代或改性来源于生物质的树脂的部分分子结构所得到的树脂。与石油树脂相比，来源于生物质的树脂的生物亲合性优良，作为与人体和生物体直接接触的设备和部件的材料是特别优选的。此外，来源于生物质的树脂具有如下有利的效果，可以急剧地减少材料本身固有的环境负荷，即，诸如节省自然资源的对策和减少CO₂排放的有利效果。这种来源于生物质的树脂的具体例子可以包括聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸(PHB)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、醋酸纤维素和淀粉树脂。这些的衍生物的例子可以包括其与芳香族羧酸、脂环族羧酸、饱和脂肪族羧酸、不饱和脂肪族羧酸、脂肪族二醇、脂环族二醇和芳香族二醇的共聚物。

这些当中特别优选的例子可以包括聚乳酸(PLA)及其衍生物；聚乳酸衍生物的例子可以包括聚乙二醇改性的PLA和丙烯酸酯改性的PLA。此外，聚乳酸合金的例子可以包括与PCL、PBS、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的合金。上述聚酯树脂中的每一种可单独使用，或它们中的两种以上组合使用，也可以任选与其它热塑性树脂组合使用。

在本发明的导热性树脂材料中使用的有机化合物(B)同热塑性树脂(A)是不相容的，在树脂组分中形成粒子状分散体相。本文中提及的术语不相容表示相对于树脂形成了0.1μm以上尺寸的分散体相并在可见光区显示出光学不相容性。应该指出的是，在不同类型树脂的相互混合或在树脂与有机化合物的混合中，热力学完全相容的出现(在分子水平上讲形成一相)是极为罕见的；即使在达到明显均一的相容性的情况下，一般来讲在亚微米或更小量级的微观视野上来看，所出现的状态也是一种分散状态。因此，“不相容”或“不是完全相容”的概念包括了整个由不同类型的树脂组成的混合体系或由树脂和有机化合物组成的混合体系。用于本发明的有机化合物(B)中的不相容性显示出在宏观视野(即，在可见光区的光学视野)上的不相容态，包括部分相容的状态。

有机化合物(B)优选分散在热塑性树脂(A)中，平均粒度处在0.1至500μm的范围内。当有机化合物(B)的平均粒度为0.1μm以上时，在可见光区的光学视野上发现不相容性，形成了由有机化合物的粒子和下述纤维填料(C)组成的网络结构，由此可以实现导热性能的改善。另一方面，当平均粒度为500μm以下时，可以抑制热塑性树脂(A)中的凝集，由此可以抑制由于宏观相分离产生的界面破坏等。

本文中要指出的是，平均粒度可以定义为基于显微镜方法的测量值。

此外，具有这样的平均粒度的有机化合物(B)通过与纤维填料(C)的相互作用形成组合体，其中纤维填料(C)的两个以上组元与有机化合物(B)的每个粒子相接触，或位于有机化合物(B)的每个粒子当中。由于在基材树脂中形成了组合体，如图1的示意图中所示，有机化合物(B)2的每个粒子起到作为纤维填料(C)1的两个以上组元的粘结剂的作用，由此可以在作为基材的热塑性树脂(A)3中形成网络。当有机化合物(B)的平均粒度是纤维填料的平均纤维长度的一半或更小时，粒子状有机化合物(B)上的纤维填料(C)的凝集受到抑制，可促进纤维填料(C)的组元以网络的方式相互接触，优选以二维的方式通过粒子状有机化合物(B)为媒介而接触。因此，很容易形成基于分散在基材热塑性树脂(A)中的纤维填料(C)和有机化合物(B)的网络结构，并且即使在纤维填料(C)的混合量少时，也能获得导热性能足够高的材料。有机化合物(B)与纤维填料(C)之间的组合形式可以按各种因素而归于任意的组合，所述的各种因素除了诸如氢键和配位键的化学键外，例如有物理吸附、静电吸附、疏水相互作用、磁吸附以及几何因素。

优选的是，有机化合物(B)的熔体粘度低于热塑性树脂(A)，熔点低于热塑性树脂(A)。这样的有机化合物(B)降低了与热塑性树脂(A)的熔融混合物的熔体粘度并提高了流动性，且可以按容易进行的方式均匀地分散纤维填料。具体来说，有机化合物(B)的熔点优选为80至200℃。当有机化合物(B)的熔点为80℃以上时，在伴随有热释放的产品部件和底盘当中(例如使用树脂材料的电子设备中)，由于热量造成的软化和有机化合物(B)从部件中的溶出可以受到抑制。另一方面，当有机化合物(B)的熔点为200℃以下时，即使在使用可生物降解的聚酯树脂(例如容易热分解的聚乳酸)为热塑性树脂(A)的情况下，在成形处理当中由于温度上升所造成的树脂分解、气体发生以及变色也可以受到抑制。

有机化合物(B)优选是这样的，即有机化合物(B)的极性或溶解度参数(以下称SP值)等于或低于基材热塑性树脂(A)，相对于热塑性树脂(A)之SP值的SP值之差处于30％的范围以内。SP值相同的有机化合物通常是彼此相容的，在有些情况下，分子量和立体结构导致不相容性。就这方面而言，当有机化合物(B)的SP值等于热塑性树脂(A)的SP值时，必要的是有机化合物(B)具有诸如分子量和立体结构这样的因素，使得与热塑性树脂(A)的相容性受到抑制，从而使有机化合物(B)同热塑性树脂(A)不相容。当SP值之差相对于基材热塑性树脂(A)的值为30％以下时，即使在有机化合物(B)的部分分子结构中包括具有反应活性的官能团的情况下，在热塑性树脂(A)中由有机化合物(B)引起的宏观相分离也可被抑制，从而可以抑制导热性能的下降。

此外，在有机化合物(B)比基材热塑性树脂(A)的极性更低或SP值更低的条件下，如下这种行为可以受到抑制，即具有化学惰性疏水结构表面的纤维填料(C)(例如碳纤维和氮化物)由于与有机化合物(B)的强疏水相互作用而在树脂组分中发生凝集。此外，SP值处于上述范围以内的有机化合物(B)连同纤维填料(C)在热塑性树脂(A)中微细分散，因此可以进一步提高纤维填料(C)的分散性。

这里，从定性的角度来看，SP值可以应用由采用基团贡献法在理论上算出的值，以通用的方式使用该基团贡献法。具体来说，可以采用公式(1)算出这种值。对于需要算出的各物理性能的值，可以使用文献值(例如，D.W.Van Krevelen和P.J.Hoftyzer在PROPERTY OFPOLYMERS：THEIR ESTIMATION AND CORRELATION WITHCHEMICAL STRUCTURE(Elsevier，New York，1976)中所述)或实验值。

δ＝(∑Ecohi/∑EV mi)^1/2 (1)

δ：溶解度参数(SP值)

Ecohi：每个基团的摩尔凝集能

EVmi：每个基团的摩尔体积

有机化合物(B)优选为低分子量化合物，具有80℃至200℃的熔点和2000以下的分子量，选自酯化合物、烯烃化合物、碳酸酯化合物、酰胺化合物、氢化脂、合成蜡以及这些的混合物。这种类型的有机化合物几乎不会因为诸如水解和酯交换反应的反应导致分子量降低的问题，而且相对于诸如聚酯树脂的基材树脂而言熔体粘度低，因此具有由于熔体粘度低而易于微细分散在基材树脂中的优点。

这种有机化合物(B)的优选例子可以包括选自以下的结晶有机化合物，每个在分子结构的主链上具有8至44个碳原子，分子量为200至1500，更优选为300至1000：脂肪族羧酸酰胺、芳香族羧酸酰胺、脂肪族羧酸酯、芳香族羧酸酯等。这些中的每一种可单独使用，或者它们中的两种以上组合使用。在许多情况下，具有这种特定碳原子数目和特定分子量的结晶有机化合物可以由诸如植物脂肪和动物脂肪的天然脂肪来合成，易于处理，此外在很多情况下可以较低的价格获得。此外，当作为基材的热塑性树脂(A)是结晶树脂时，有机化合物(B)起到晶体成核剂的作用，从而提供成形周期时间大大缩短的有利效果。以上列出的脂肪族羧酸酰胺、芳香族羧酸酰胺、脂肪族羧酸酯和芳香族羧酸酯的每个优选为具有引入到化合物分子当中的一个或两个以上极性基团的化合物。这种极性基团的例子可以包括：含氧基团，如羟基基团、羧基基团和缩水甘油基基团；含氮基团，如氨基基团、硝基基团、氰基基团和异氰酸酯基团；以及含氟基团。由于部分引入极性基团的上述化合物与纤维填料(C)存在相互作用，且同时与基材热塑性树脂(A)也存在诸如氢键结合的物理化学相互作用，上述化合物具有如同粘结剂一样的效果，从而增强了与基材热塑性树脂(A)和纤维填料(C)的每一种的相互作用，因此可以改善成形体的机械强度。

有机化合物(B)的具体例子可以包括：羧酸酰胺，如蓖麻油酸酰胺、亚油酸酰胺、亚麻酸酰胺、花生酸酰胺、月桂酸酰胺、棕榈酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、N-油烯基棕榈酸酰胺、N-油烯基油酸酰胺、N-油烯基硬脂酸酰胺、N-硬脂酰基油酸酰胺、N-硬脂酰基硬脂酸酰胺、N-硬脂酰基芥酸酰胺、亚甲基双硬脂酸酰胺、亚乙基双月桂酸酰胺、亚乙基双癸酸酰胺、亚乙基双油酸酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺、亚乙基双芥酸酰胺、亚乙基双异硬脂酸酰胺、亚丁基双硬脂酸酰胺和对二甲苯双硬脂酸酰胺；羧酸酯，如月桂酸酯、棕榈酸酯、油酸酯、硬脂酸酯、芥酸酯、N-油烯基棕榈酸酯、N-油烯基油酸酯、N-油烯基硬脂酸酯、N-硬脂酰基油酸酯、N-硬脂酰基硬脂酸酯、N-硬脂酰基芥酸酯、亚甲基双硬脂酸酯、亚乙基双月桂酸酯、亚乙基双癸酸酯、亚乙基双油酸酯、亚乙基双硬脂酸酯、亚乙基双芥酸酯、亚乙基双异硬脂酸酯、亚丁基双硬脂酸酯和对二甲苯双硬脂酸酯；以及通过将极性基团引入到这些分子的每一个的部分上制备的化合物。

以上列举的有机化合物(B)当中，特别优选的是源自蓖麻油的羧酸酰胺化合物；具体的例子可以包括蓖麻油酸酰胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺、棕榈酸酰胺、亚油酸酰胺、亚麻酸酰胺、花生酸酰胺以及这些的衍生物。这些化合物具有极其优良的导热性能，此外，由于它们源自生物质，因此环境适应性优良，具有安全、高效、成本效益和生物亲合性；此外，这些化合物相对于聚酯树脂的分散可控性优良，起到晶体成核剂的作用，可以与纤维填料(C)形成网络结构。

有机化合物(B)在导热性树脂材料中的含量按质量计优选为0.5至20％，更优选为1至15％。当有机化合物(B)的含量为0.5质量％以上时，可以使树脂材料的熔体粘度足够低，纤维填料(C)可以被分散至充分的程度。另一方面，当有机化合物(B)的含量为20质量％以下时，微细分散的有机化合物(B)的重新凝集受到抑制，可以抑制由于宏观相分离造成的机械强度下降，在所得到的成形体中经历凝集的有机化合物(B)露出表面这一现象被抑制，可以抑制外观不良及涂布不良的出现。

用于本发明的导热性树脂材料的纤维填料(C)只需是纤维性的。一般来说，许多情况下，导热性树脂材料的热导率本身取决于固有热导率和纤维填料(C)的加入量；因此，使用纤维填料(C)可以根据所需的导热性能程度和热塑性树脂(A)及有机化合物(B)的类型适当地选择其类型和加入量。

纤维填料(C)的具体例子可以包括无机材料，例如碳、氮化物、碳化物、硼化物和金属；更优选的例子可以包括碳纤维、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅和金属晶须。这些中的每一种可单独使用，或者它们中的两种或更多种组合使用。这些无机材料均具有50W/m·K以上的热导率，可以使得到的成形体具有优良的导热性能。当纤维填料的热导率小于50W/m·K时，纤维填料完全均匀分散其中的树脂材料的电导率达到1W/m·K或更小，视情况而定。这种纤维填料特别在纤维轴向上具有优良的导热性能；在注射成形等当中，纤维轴在树脂的流动方向上定向，从而使得能够控制成形体中热传导的方向和传递量，从而可以塑造出具备各向异性导热性能的成形体。

这里作为热导率，可以采用基于诸如激光闪光法、板式热流计法、温度波热分析法(TWA法)和温度梯度法(平板比较法)的测量方法的测量值。

上述材料中优选的是碳纤维，因为碳纤维的密度比其它填料的小，此外，纤维轴方向上的热导率高于金属的，碳纤维的极少加入量就可以改善树脂的导热性能。此外，碳纤维几乎没有诸如毒性的破坏环境的不利影响；诸如轻重量、成形加工性和机械强度的实用性能优良；价格相对较低；且适合作为材料。可用作上述碳纤维的例子包括源自PAN的碳纤维、源自沥青的碳纤维以及借助于诸如电弧放电法、激光汽化法、CVD法(化学气相沉积法)和CCVD法(催化化学气相沉积法)的方法合成的碳纤维。这些当中，源自沥青的碳纤维、基于气相方法的碳纤维和由进一步应用石墨化处理得到的碳纤维的结晶度及纤维轴方向上的热导率是优良的，因此是优选的。特别来讲，源自中间相沥青和由气相制备的碳纤维、碳(纳米)管、碳(纳米)角以及碳纤维具有在纤维轴方向上各向异性的石墨结构，因此热导率等于或高于金属的热导率，从而可以对作为基材的热塑性树脂(A)赋予较高的导热性能。

纤维填料(C)具有的平均纤维长度优选为0.2mm以上至50mm以下，更优选为0.5mm以上至50mm以下。具有这样平均纤维长度的纤维填料(C)与有机化合物(B)的平均粒度相配合，即使对于低混合比例来说也极易形成填料的上述网络结构，由此使填料(C)的组元处于彼此相互非常接近的状态，或者通过有机化合物(B)的媒介使它们彼此直接接触，因此纤维填料(C)的组元之间的接触面积或参与热传导的纤维填料(C)的有效面积得以增大，从而大幅度地减少热阻，因此热能的传播损失显著减少，从而使有效的热传导成为可能。此外，在成形时，纤维填料(C)在树脂的流动方向或树脂的表面方向上的定向受到促进，因此与常规的成形体相比，所得到的成形体的导热性能和各向异性导热性能都得到了极大的改善。

为了形成面内定向的目的(即二维网络结构)，在成形体中纤维填料(C)的平均纤维长度优选为成形体厚度的0.5倍以上。诸如电子设备的部件或底盘的成形体的厚度通常为0.4mm以上，因此纤维填料(C)优选具有0.2mm以上的纤维长度。另一方面，当纤维填料(C)的平均纤维长度为50mm以下时，可以抑制由于纤维填料(C)的组元缠结使得与树脂的混合及成形变得困难的状态，且在注射成形之时可以抑制喷嘴的堵塞。

此外，优选使纤维填料(C)包含纤维长度短于上述纤维长度的纤维填料(D)。短纤维长度的纤维填料(D)的优选例子可以包括碳纤维及其集合体。作为纤维填料(D)的平均纤维长度，可以举出小于0.2mm的长度，作为优选的范围，可以举出5nm以上至50μm以下。通过这种纤维填料(D)和纤维填料(C)的组合，可以进一步改善抗静电性能和电磁波屏蔽性能。这使得可以使纤维填料(D)相对于长纤维长度的纤维填料(C)以无规的状态存在，因此改善了树脂材料的导电性能，并进一步改善所得成形体的性能，例如导热性能。

相对于导热性树脂材料的总质量而言，这种短纤维长度的纤维填料(D)的含量可设定为0.5至20质量％。

在这里，纤维填料的平均纤维长度可以采用通过诸如显微镜法、激光衍射及散射法和动态光散射法的测量方法得到的值。

优选使用平均直径大于1μm且在200μm以下的纤维填料为纤维填料(C)。当纤维填料(C)的平均直径大于1μm时，凝集的倾向小，可以很容易地使纤维填料(C)分散在树脂中。另一方面，当平均直径为200μm以下时，纤维填料(C)可均匀地分散在树脂中，可以抑制由于纤维填料(C)的集合体暴露于成形体表面产生的不良外观。这种纤维填料(C)的平均直径可以通过微观的方法获得。

纤维填料(C)优选具有500以上至50000以下的纵横比。如上所述，纤维填料(C)的平均纤维长度优选为0.5mm以上至50mm以下，纤维填料(C)的平均直径优选为大于1μm至100μm以下。因此，纵横比优选为500以上至50000以下的值(平均纤维长度与平均直径之比)。

纤维填料(C)优选为结晶的。在诸如金属的导电材料中，热导率取决于传导电子的迁移率；然而在诸如陶瓷和碳的材料中，热传导在很大程度上归因于晶格振动。因此，特别是在由诸如陶瓷或碳的材料制成的纤维填料(C)中，可以在高结晶度的基础上使导热性能提高。提高由陶瓷或碳制成的纤维填料(C)的结晶度方法的例子可以包括在500至3000℃的非氧化气氛中的热处理。当纤维填料是由高温下的气相法形成的产物时，视情况而定，纤维填料可能是高度结晶的；在这种情况下，没有必要进行提高结晶度的处理。

根据需要，可以在使纤维填料(C)部分或全部经受表面处理之后使用它。表面处理的具体例子可以包括氧化处理、氮化处理、硝化处理、磺化处理和这样的一种处理，在该处理当中，使通过这些处理引入到表面上的官能团或纤维填料(C)的表面连接或结合金属、金属化合物、有机化合物等。上述官能团的例子可以包括含氧基团和含氮基团，例如羟基基团、羧基基团、羰基基团、硝基基团和氨基基团。具有这种官能团及引入到其部分表面上的化合物的纤维填料(C)与诸如聚酯树脂的基材热塑性树脂(A)有强的化学相互作用，在得到的成形体中机械强度得以提高。

纤维填料(C)的表面处理的例子还可以包括这样的处理，其中将与有机化合物(B)相互作用的官能团或化合物结合或连接到表面上。已经受这种表面处理的纤维填料(C)与有机化合物(B)的结合得以增强，且可以进一步提高成形体的导热性能。这种表面处理的具体例子可以包括这样的情况，其中纤维填料(C)是碳纤维，用各种羧酸等进行表面处理。

此外，纤维填料(C)可以是为增强与树脂组分的相互作用而使表面疏水化的填料。疏水化方法的例子可以包括这样的方法，其中在惰性气体气氛下进行热处理以及氟化处理。经受这种疏水化处理的纤维填料(C)显示出与低极性树脂的较强的相互作用。

纤维填料(C)在导热性树脂材料中的含量相对于总质量而言优选为1至40质量％，更优选为5至20质量％。当纤维填料(C)的含量是1质量％以上时，树脂材料可以具有充分的导热性能。另一方面，当纤维填料(C)的含量是40质量％以下时，即使在纤维填料(C)是低密度的情况下，在导热性树脂材料当中，体积分数的增加也受到抑制，由于填料组元的相互缠结造成的熔体粘度的增加受到抑制，从而使导热性树脂材料获得良好的成形加工性。

在本发明的导热性树脂材料中，根据需要可以混合各种添加剂。这种添加剂的例子可以包括增强剂、阻燃剂、发泡剂、劣化抑制剂、晶体成核剂、着色剂、抗氧化剂、耐热改进剂、耐光剂、加工稳定剂、抗菌剂、防霉剂和增塑剂。具体来说，可用作增强剂的是如下填料，例如云母和滑石、诸如芳族聚酰胺和聚芳酯的有机纤维、玻璃纤维和进一步诸如洋麻的植物纤维。阻燃剂的具体例子可以包括诸如氢氧化铝和氢氧化镁的金属氢氧化物、诸如三聚氰胺和异氰脲酸化合物的含氮阻燃剂以及诸如磷酸化合物的含磷阻燃剂。此外，可适当使用的有各种无机及有机晶体成核剂、诸如二氧化钛的着色剂、诸如自由基捕获剂的稳定剂、抗氧化剂和水解抑制剂以及诸如银离子的抗菌剂。

至于本发明的导热性树脂材料的制造方法，可以采取使上述各组分混合在一起的方法。这种混合方法的例子除了手动混合的方式外还可以包括使用转鼓混合器、带式共混器、单螺杆-多螺杆混合挤出机或滚筒的熔体混合方法。这些当中优选使用的是混合强度相对弱的转鼓混合器、带式共混器和单螺杆挤出机，因为这样可以在混合步骤中抑制纤维填料(C)的破裂或粉碎，因此可以得到反映纤维填料(C)的固有高导热性能的成形体。此外，在两种或更多种添加剂加入到热塑性树脂(A)的情况或类似的情况下，先加入不同于纤维填料(C)的添加剂进行混合、其后加入纤维填料(C)的方法是有效的，目的是为了减少纤维填料(C)的混合时间，从而减少纤维填料(C)的破裂或粉碎。此外，为了确保熔体混合时的充分流动性，优选适当调节设备的条件，例如混合机筒内的间隙调整、螺杆或搅拌叶的转数、熔融温度条件等。

本发明的导热性树脂成形体的特征在于，其是通过使用上述导热性树脂材料形成的。关于导热性树脂成形体的成形方法，可以应用对热塑性树脂进行成形所使用的方法，例如注射成形法、注射压缩成形法和压缩成形法。优选的是，这些熔体混合及成形时的温度等于或高于作为基材的热塑性树脂(A)的熔点且又处于使单个的组分免于劣化的范围以内。

本发明的导热性树脂成形体在其上部或下部可以具有由导热性能不同的树脂组成的层压结构或涂膜。具体来说，通过粘附如下薄膜或者层压如下元件，可以设置这种涂膜，所述薄膜或元件由诸如填料浓度、添加量和定向方向不同的树脂、成分不同的树脂或类型不同的树脂的原料所形成。在形成了由这种层压结构或这种薄膜制成的涂膜的导热性树脂成形体中，也可以按三维的方式控制导热性能的方向性。特别来说，导热性能低的树脂涂膜设置在导热性树脂成形体的上部或下部可以避免热量从热源直接传递至成形体表面的状态，作为电子设备底盘等的低温燃烧的应对措施是特别有效的。

此外，本发明的导热性树脂成形体在其表面上可以具有由散热功能优良的材料制成的层压结构或涂膜。提供这种涂膜可以改善成形体的热释放性能。

此外，本发明的导热性树脂成形体在其表面上可以具有由热容量不同的材料制成的层压结构或涂膜。提供这种涂膜可以减缓成形体表面上的温度变化，因此在与人体或活生物体进行直接接触的设备或与热的变化不相容的精密设备中是有效的。

实施例

以下具体和详细地描述本发明的导热性树脂材料及成形体，但本发明的技术范围不限于以下的描述。

[实施例1至17和比较例1至8]

[制备导热性树脂成形体]

将表1中所示的碳纤维作为纤维填料(C)，表2中所示的化合物作为有机化合物(B)，按表3至6中所示的混合量与商购的聚乳酸(UNITIKA，Ltd.制造，熔点：170℃，δ＝21至22[J/cm³]^1/2)组合，并置于各自的铝托盘上(这些表中的数值以质量百分比给出)，通过手动搅拌的方式使由此得到的混合物在190至200℃下混合大约1分钟的时间。

在175℃和70×70×2mm的条件下对由此得到的混合物进行压缩成形，得到平板样品((实施例1至17和比较例1至8)。

对于得到的平板样品(实施例1)，用光学显微镜(BIOPHOT，NikonCorp.制)进行观察。拍摄的图像如图2所示。对拍摄的图像进行观察揭示了这样的状态，与作为基材的聚乳酸不相容的亚乙基双油烯基酰胺的球形或椭圆形粒子(箭头所指的黑暗部分)以分散的方式存在于碳纤维的表面上，证实了在平板样品中形成了图1所示的网络结构。

[导热性能评价]对于每个得到的平板样品，采用如下所示的两种方法评价导热性能。考虑到电子设备底盘等的实际使用环境，基于热导率和热容量之间的平衡，评价成形体表面上的温度扩散的变化。

[面内导热性能]

将平板样品固定到支持台上，用事先加热至80℃的橡胶加热器将固定的热加载到平板样品的一部分上。用红外热跟踪仪(ThermoscannerTS5304，NEC三荣株式会社制造)从与橡胶加热器接触的部分开始对整个样品上的热扩散行为进行测量，由图3所示的热图分析评价面内导热性能。将具有已知辐射率的黑体涂料施加到样品表面上用于进行测量。在只添加相同纤维填料的情况下，基于样品的导热性能a(图3(a))与导热性能b(图3(b))之比a/b确定作出的评价。评价标准设定如下。由此得到的结果示于表3至6。

E：与只添加相同纤维填料的情况相比，导热性能提高1.5倍以上。

G：导热性能是只添加相同纤维填料情况时的1.1倍以上且小于1.5倍。

A：导热性能是只添加相同纤维填料情况时的0.9倍以上且小于1.1倍。

P：导热性能小于只添加相同纤维填料情况时的0.9倍。

[各向异性导热性能]

将平板样品放在铝平台上，通过在样品上放置事先加热到80℃的重块将恒量的热加载到样品上。按照同以上相同的方式，用热跟踪仪从重块的设置开始在预定的时间内测量热扩散行为。

图4所示为显示实施例1的平板样品与不锈钢板之间的热扩散行为比较的热图。

通过检查平面上的热扩散来评价平面方向上的各向异性导热性能。基于样品的各向异性导热面积a(图4(a))与不锈钢板的各向异性导热面积b(图4(b))之比a/b确定作出的评价。评价标准设定如下。

G：时间过去1分钟以后的热扩散(面积)为同样形状不锈钢板的1.5倍以上。

A：时间过去1分钟以后的热扩散(面积)为同样形状不锈钢板的1.1倍以上且小于同样形状不锈钢板的1.5倍。

P：时间过去1分钟以后的热扩散(面积)小于同样形状不锈钢板的1.1倍。

[表1]

纤维填料	纤维直径(μm)	纤维长度(mm)	纵横比	制造方法，类型
					碳纤维A	10	6	600	各向异性沥青
碳纤维B	10	30	3000	各向异性沥青
					碳纤维C	2	0.5	250	各向异性沥青
碳纤维D	2	1	500	各向异性沥青
					碳纤维E	2	5	2500	各向异性沥青
碳纤维F	2	20	10000	各向异性沥青
					碳纤维G	50	30	600	各向异性沥青
碳纤维H	50	1	20	各向异性沥青
					碳纤维I	9	0.3	33	各向异性沥青
碳纤维J	0.1	0.01	100	气相

[表2]

有机化合物	物质名称	溶解度参数[J/em³]^1/2
			a	亚乙基双油烯基酰胺	19.6
b	亚乙基双硬脂酰基酰胺	19.7
			c	亚乙基双-12-羟基硬脂酰基酰胺	22.0
d	六亚甲基双蓖麻油烯基酰胺	19.8
			e	低分子量聚丙烯蜡	17
f	聚丁二酸丁二醇酯	21

聚乳酸：δ＝21-22(J/cm³)^1/2

a至e：不相容

f：相容

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

在实施例1至17的任意例子当中，与每例中只添加碳纤维而不添加有机化合物(B)的比较例1至4相比，面内导热性能和各向异性导热性能得到改善。特别来说，在实施例1、5、6、9和10当中，每一例中以5质量％以上的混合量加入尺寸和纵横比受控的碳纤维，导热性能在很大程度上得到改善。此外，在实施例1和13至17的任意例子中发现导热性能的显著改善，在这些中的每一例当中添加有机化合物a至e中的任意一种作为有机化合物(B)，所述有机化合物(B)的溶解度参数低于聚乳酸的，且与聚乳酸的溶解度参数之差处在聚乳酸溶解度参数的30％以内。

另一方面，在比较例5至8的任一例当中，加入与聚乳酸相容的聚丁二酸丁二醇酯(三菱化学株式会社制造)，发现导热性能与单独添加碳纤维情况下的导热性能相当。

此外很明显的是，由于网络结构的原因获得了高导热性能，所述网络结构可以由显微图的观察确定出来。

此外，由热跟踪仪拍摄的热图显而易见的是，由于网络结构的原因，在平板样品中比在不锈钢板中往往更容易出现各向异性的导热性能。

产业适用性

使用本发明的导热性树脂材料获得的导热性树脂成形体可应用于诸如电子设备的热释放设备的底盘及部件，以及应用于家用电器、电池材料、热能转换材料、汽车部件、飞机部件、铁路部件和一般来说在需要具有高度导热性能的空间领域等中的所有成形体。

Claims

1.一种导热性树脂材料，包含作为基材的热塑性树脂(A)以及纤维填料(C)，其特征在于与树脂组分不相容的有机化合物(B)作为分散的粒子存在于树脂组分中，纤维填料(C)的两个以上组元与有机化合物(B)的每个分散粒子的表面接触、或位于有机化合物(B)的每个分散粒子当中，

所述热塑性树脂(A)包括聚乳酸，

所述有机化合物(B)包括选自如下的一种或两种以上：各自具有0.1至500μm范围内的平均粒度、具有8至44个碳原子主链、具有300至1000的分子量并任选具有极性基团的脂肪族羧酸酰胺、芳香族羧酸酰胺、脂肪族羧酸酯和芳香族羧酸酯；

所述纤维填料(C)包括无机材料，所述无机材料含有选自碳、氮化物、碳化物、硼化物和金属中的一种或两种以上并具有50W/m·K以上的热导率。

2.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)以网络的方式与有机化合物(B)的每个分散粒子接触。

3.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)的平均纤维长度为有机化合物(B)的平均粒度的两倍以上。

4.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)的平均纤维长度为0.2mm以上至50mm以下。

5.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)的平均直径为大于1μm至100μm以下。

6.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)的纵横比为500以上至50000以下。

7.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)的含量相对于总质量为1至40质量％。

8.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)包括结晶碳纤维。

9.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)具有选自含氧基团、含氮基团和含硫基团的一种或两种以上极性基团，或者

所述纤维填料(C)包括选自金属、金属化合物和有机化合物的一种或两种以上结合或连接于其上。

10.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(C)包括平均纤维长度小于0.2mm的纤维填料(D)。

11.根据权利要求10的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(D)是平均纤维长度为5nm以上至50μm以下的碳纤维或其集合体。

12.根据权利要求10的导热性树脂材料，其特征在于纤维填料(D)的含量相对于总质量为0.5至20质量％。

13.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)是分子量为2000以下的低分子量化合物。

14.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)包括选自酯化合物、烯烃化合物、碳酸酯化合物和酰胺化合物的一种或两种以上，且具有80至200℃的熔点。

15.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)包括选自如下的一种或两种以上：植物脂肪、动物脂肪和由这些合成的蜡状物质。

16.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于极性基团包括选自含氧基团和含氮基团的一种或两种以上。

17.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)包括源自蓖麻油的羧酸酰胺化合物。

18.根据权利要求17的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)包括蓖麻油酸酰胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺、棕榈酸酰胺、亚油酸酰胺、亚麻酸酰胺或花生酸酰胺。

19.根据权利要求1的导热性树脂材料，其特征在于有机化合物(B)的含量相对于总质量为0.5至20质量％。

20.一种导热性树脂成形体，其特征在于其是通过使用根据权利要求1的导热性树脂材料形成的。

21.根据权利要求20的导热性树脂成形体，其特征在于纤维填料(C)的平均纤维长度是成形体厚度的0.5倍以上至100倍以下。

22.根据权利要求20的导热性树脂成形体，其特征在于其是通过注射成形的方式形成的。

23.根据权利要求20的导热性树脂成形体，其特征在于其是通过压缩成形的方式形成的。