JP2005054094A - 熱伝導性樹脂材料 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 カーボンを２種以上の樹脂混合物中に分散させてなることを特徴とする熱伝導性樹脂材料。
【効果】 本発明によれば、少量のフィラー（カーボン）の配合量でも十分な熱伝導性を付与する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、放熱板、熱電変換素子、光電変換素子、電磁波吸収放熱材、加熱定着ロール、発熱基板、燃料電池セパレータ等に用いられる樹脂材料として有効な熱伝導性樹脂材料に関する。

従来、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂に対し、熱伝導性を向上させるために、カーボンブラック、カーボン繊維、金属粉等の無機材料をフィラーとしてブレンドすることが行われていた。

しかしながら、必要な熱伝導性（特に、熱伝導率０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上）を付与するには、樹脂材料中に多量のフィラーを添加する必要があることから、これによりベース樹脂本来の物性が変わってしまう。また、熱伝導性の向上に効果的なフィラーは、カーボンブラックやカーボン繊維（黒色）、金属粉（金属色）等、有色のものが多く、多量の配合により熱伝導性樹脂材料を薄膜化しても不透明なフィルムしか得られない。
このため、フィラー量を少なくしても必要な熱伝導性を与えることができる熱伝導性樹脂材料が望まれていた。

なお、この発明に関する先行技術文献情報としては以下のものがある。

特開２００３−４９０４５号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、少量のフィラーの使用で、熱伝導率０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上のレベルの熱伝導性を与えることができる熱伝導性樹脂材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、カーボンを分散させるマトリックス樹脂を単一成分から２種以上のポリマーブレンド、特に２種以上の熱可塑性樹脂のポリマーブレンドに変え、カーボンを偏在させて分散させること、好ましくは樹脂混合物中の１種の樹脂相のみに、上記カーボンを選択的に分散させること、更に好ましくは、従来用いられていたフィラーの代わりに、直径１μｍ以下のカーボン、特に繊維状カーボン（ＣＮＴ、ＶＧＣＦ等）を用いて樹脂材料を作製することにより、フィラー配合量が少量であっても必要とする十分な熱伝導性が得られることを見出し、本発明をなすに至ったものである。

従って、本発明は下記の熱伝導性樹脂材料を提供する。
［請求項１］ カーボンを２種以上の樹脂混合物中に分散させてなることを特徴とする熱伝導性樹脂材料。
［請求項２］ 上記２種以上の樹脂混合物中の１種の樹脂相のみにカーボンを選択的に分散させてなることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項３］ 上記カーボンが直径１μｍ以下の繊維状カーボンであることを特徴とする請求項１又は２記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項４］ 上記繊維状カーボンのアスペクト比が１０〜１００００であることを特徴とする請求項３記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項５］ 上記繊維状カーボンがカーボンナノチューブ又は気相成長カーボン繊維であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項６］ 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜７０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項７］ 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜５０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項８］ 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜２０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項９］ 上記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項１０］ 上記樹脂混合物が２種の樹脂を配合してなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項１１］ 上記２種の樹脂の一方の配合量が樹脂総量の５〜９５質量％であることを特徴とする請求項１０記載の熱伝導性樹脂材料。
［請求項１２］ 熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。

本発明によれば、少量のフィラー（カーボン）の配合量でも十分な熱伝導性を付与する。

以下、本発明につき、更に詳しく説明する。
本発明の熱伝導性樹脂材料は、カーボンを２種以上の樹脂混合物中に分散させてなるものである。本発明の熱伝導性樹脂材料は、カーボンを分散させるマトリックス樹脂を２種以上のポリマーブレンドとし、カーボンを偏在させて分散させるものであるが、特に、この２種以上の樹脂混合物中の１種の樹脂相のみに直径１μｍ以下のカーボンを選択的に分散させたものであることが好ましい。この場合、どの樹脂相にカーボンを偏在させて、又は選択的に分散させるかは、使用する樹脂の種類、粘度等により適宜決定される。

本発明において用いられるカーボンの形状としては、粒状、繊維状等いずれの形状のものも用い得、特に制限されるものではないが、直径が１μｍ以下、好ましくは１ｎｍ〜１μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．２μｍのものを用いることが好ましい。直径が１μｍより大きいものは、本発明の目的を達成し得ないおそれがある。

本発明においては、カーボンのなかでも、繊維状カーボンが好ましい。繊維状カーボンの場合は、そのアスペクト比（長さＬ／直径Ｄ）が１０〜１００００、特に１００〜１０００のものを使用することが好ましい。アスペクト比が小さすぎる繊維状カーボンを用いる場合は、少量添加で十分な熱伝導パスを形成することが困難となるおそれがある。アスペクト比が大きすぎると、繊維同士のからみあいにより分散不良が生じる場合がある。繊維状カーボンとしては、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）等のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、気相成長カーボン繊維（ＶＧＮＦ、ＶＧＣＦ）などを使用することができる。

上記カーボンの配合量は、適宜選定され、特に制限されるものではないが、熱伝導性樹脂材料全体の０．０１〜７０質量％、好ましくは０．０１〜５０質量％、特に好ましくは０．０１〜２０質量％の範囲とすることができる。

一方、本発明においては、樹脂は２種以上の樹脂、特に２種の樹脂を配合してなる混合物であるが、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれをも用いることができる。熱硬化性樹脂としては、特に制限されず、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂等が好ましい例として挙げられ、熱硬化性樹脂の２種以上、特に２種の混合物を使用することができ、これらの樹脂の未硬化の樹脂成分にカーボンを混合して硬化させることにより樹脂材料を得ることができる。

また、熱可塑性樹脂としては、特に制限されず、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレートなどが好ましい例として挙げられるほか、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル等を使用することができ、熱可塑性樹脂の２種以上、特に２種の混合物を使用することができ、これらの樹脂にカーボンを混合（混練）することにより樹脂材料を得ることができる。

混練分散方法は特に制限されないが、カーボンを均一分散させる点、又はカーボンを分散させた樹脂を均一に分散させる点から、バッチ式の場合はラボプラストミルミキサ、連続式の場合は二軸押出機による混練等の方法を採用することが好ましい。

上述したカーボンを樹脂混合物中に偏在させて分散させるための方法は特に制限されないが、例えば、３種類の樹脂（Ａ，Ｂ，Ｃ）にカーボンを分散させる場合を例に説明すると、
（１）Ａ，Ｂ，Ｃ（熱硬化性樹脂の場合は、未硬化の樹脂成分、以下のＡ，Ｂ，Ｃにおいて同じ）を混合した後、これにカーボンを配合して更に混合する方法
（２）Ａにカーボンを配合して混合した後、これにＢ，Ｃを配合して更に混合する方法
（３）Ｂにカーボンを配合して混合した後、これにＡ，Ｃを配合して更に混合する方法
（４）Ｃにカーボンを配合して混合した後、これにＡ，Ｂを配合して更に混合する方法
（５）Ａにカーボンを配合して混合したもの、Ｂにカーボンを配合して混合したもの及びＣにカーボンを配合して混合したものを各々調製し、これらを合わせて更に混合する方法
などが挙げられる。

本発明においては、樹脂として熱可塑性樹脂を用いることが好ましく、特に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレートから選ばれる２種以上、特に２種の熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。

樹脂の混合割合は適宜選定されるが、樹脂として２種の樹脂を用いる場合、これら２種の樹脂の一方の配合量が、樹脂総量の５〜９５質量％、特に２５〜７５質量％であることが好ましい。

また、樹脂として２種の樹脂を用いる場合の上述したカーボンを偏在させて分散させるための方法も特に制限されないが、例えば、２種類の樹脂（Ａ，Ｂ）にカーボンを分散させる場合は、
（１）Ａ，Ｂ（熱硬化性樹脂の場合は、未硬化の樹脂成分、以下のＡ，Ｂにおいて同じ）を混合した後、これにカーボンを配合して更に混合する方法
（２）Ａにカーボンを配合して混合した後、これにＢを配合して更に混合する方法
（３）Ｂにカーボンを配合して混合した後、これにＡを配合して更に混合する方法
（４）Ａにカーボンを配合して混合したもの及びＢにカーボンを配合して混合したものを各々調製し、これらを合わせて更に混合する方法
などが挙げられる。

本発明の熱伝導性樹脂材料は、放熱板、熱電変換素子、光電変換素子、電磁波吸収放熱材、加熱定着ロール、発熱基板、燃料電池セパレータ用等として好適に使用され、０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を与えるものであることが好ましい。

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１〜３］
樹脂として表１に示す種々の割合（質量比）の高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を東洋精機製ラボプラストミルＲ６０で混練し、次いで、カーボンとしてＶＧＣＦ（直径１５０ｎｍ程度、Ｌ／Ｄ１００程度）を、ＶＧＣＦ配合量を１０質量％として上記樹脂に配合し、更に混練してコンパウンドを作製し、混練後、プレスにて１ｍｍ厚シートを成形し、京都電子工業製迅速熱伝導計を用いて熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。

［比較例１，２］
ポリメチルメタクリレートにカーボンを混練して分散したもの（比較例１）、高密度ポリエチレンにカーボンを混練して分散したもの（比較例２）を各々コンパウンドとし、これらを用いて実施例１と同様に成形して熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。

上記の結果より、ＰＭＭＡ単独系（比較例１）では０．４９Ｗ／ｍ・Ｋ、ＨＤＰＥ単独系（比較例２）では０．６０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、ＨＤＰＥ／ＰＭＭＡ＝５０／５０系では０．７３Ｗ／ｍ・Ｋ、ＨＤＰＥ／ＰＭＭＡ＝７５／２５系で０．６９Ｗ／ｍ・Ｋと、熱伝導性が向上することが認められる。

［実施例４〜６］
高密度ポリエチレンとポリメチルメタクリレートの代わりにポリプロピレン（ＰＰ）とポリスチレン（ＰＳ）を用いた以外は実施例１と同様にしてコンパウンドを得、これを用いて実施例１と同様に成形して熱伝導率を測定した。結果を表２に示す。

［比較例３，４］
ポリスチレンにカーボンを混練して分散したもの（比較例３）、ポリプロピレンにカーボンを混練して分散したもの（比較例４）を各々コンパウンドとし、これらを用いて実施例１と同様に成形して熱伝導率を測定した。結果を表２に示す。

上記の結果より、ＰＳ単独系（比較例３）では０．４６Ｗ／ｍ・Ｋ、ＰＰ単独系（比較例４）では０．３８Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、ＰＰ／ＰＳ＝２５／７５系では０．４７Ｗ／ｍ・Ｋ、ＰＰ／ＰＳ＝５０／５０系で０．５３Ｗ／ｍ・Ｋ、ＰＰ／ＰＳ＝７５／２５系で０．５０Ｗ／ｍ・Ｋと、熱伝導性が向上することが認められる。

Claims (12)

1. カーボンを２種以上の樹脂混合物中に分散させてなることを特徴とする熱伝導性樹脂材料。
2. 上記２種以上の樹脂混合物中の１種の樹脂相のみにカーボンを選択的に分散させてなることを特徴とする請求項１記載の熱伝導性樹脂材料。
3. 上記カーボンが直径１μｍ以下の繊維状カーボンであることを特徴とする請求項１又は２記載の熱伝導性樹脂材料。
4. 上記繊維状カーボンのアスペクト比が１０〜１００００であることを特徴とする請求項３記載の熱伝導性樹脂材料。
5. 上記繊維状カーボンがカーボンナノチューブ又は気相成長カーボン繊維であることを特徴とする請求項３又は４記載の熱伝導性樹脂材料。
6. 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜７０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
7. 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜５０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
8. 上記カーボンの配合量が材料全体の０．０１〜２０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
9. 上記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
10. 上記樹脂混合物が２種の樹脂を配合してなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。
11. 上記２種の樹脂の一方の配合量が樹脂総量の５〜９５質量％であることを特徴とする請求項１０記載の熱伝導性樹脂材料。
12. 熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載の熱伝導性樹脂材料。