JP2007146143A - 繊維強化複合樹脂組成物並びに接着剤及び封止剤 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】封止剤、接着剤又は充填剤として用いられる、繊維とマトリックス樹脂の液状前駆体とを含む繊維強化複合樹脂組成物で、該繊維が平均繊維径4〜200nmの繊維であり、該組成物を板状に硬化させた硬化物の50μm厚換算における波長400〜700nmの全光線透過率が70%以上であって、該硬化物の厚さ方向の熱伝導率及び板面方向の熱伝導率がいずれも0.4W/m・K以上であり、該組成物内でランダムに配向していることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
【選択図】図1
Description
また、この繊維強化複合材料は、面内方向(板面方向)の熱伝導率は例えば1W/m・Kと高い熱伝導性を示すが、それと直交する方向については、熱伝導性が明らかにされていない。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物は、封止剤、接着剤又は充填剤として用いられる繊維強化複合樹脂組成物であって、平均繊維径4〜200nmの繊維と、マトリックス樹脂の液状前駆体を含み、その硬化物が所定の全光線透過率を示す高透明性のものである。
本発明で用いる平均繊維径4〜200nmの繊維は、単繊維が、引き揃えられることなく、且つ相互間にマトリックス樹脂の液状前駆体が入り込むように十分に離隔して存在するものより成ってもよい。この場合、平均繊維径は単繊維の平均径となる。また、本発明に係る繊維は、複数(多数であってもよい)本の単繊維が束状に集合して1本の糸条を構成しているものであってもよく、この場合、平均繊維径は1本の糸条の径の平均値として定義される。後述のバクテリアセルロースは、後者の糸条よりなるものである。
地球上においてセルロースを生産し得る生物は、植物界は言うに及ばず、動物界ではホヤ類、原生生物界では、各種藻類、卵菌類、粘菌類など、またモネラ界では藍藻及び酢酸菌、土壌細菌の一部に分布している。現在のところ、菌界(真菌類)にはセルロース生産能は確認されていない。このうち酢酸菌としては、アセトバクター(Acetobacter)属等が挙げられ、より具体的には、アセトバクター・アセチ(Acetobacter aceti)、アセトバクター・サブスピーシーズ(Acetobacter subsp.)、アセトバクター・キシリナム(Acetobacter xylinum)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
なお、このような媒介液を用いて、水分を液状前駆体に置換する方法は、後述する「媒介液を用いた含浸方法」の項で詳述する。
これらの方法によれば、繊維間の凝集を抑えた状態でこの繊維がランダムに配向した繊維強化複合樹脂組成物を容易に得ることができる。なお、これらの方法は例示であって、本発明に係る繊維強化複合樹脂組成物の製造において、水懸濁液中の水分と液状前駆体とを置換させるのに適用される方法は、これら方法に限定されるものではない。
このグラインダーは、上下2枚のグラインダーの間隙を原料が通過するときに発生する衝撃、遠心力、剪断力により、原料を超微粒子に粉砕する石臼式粉砕機であり、剪断、磨砕、微粒化、分散、乳化、フィブリル化を同時に行うことができるものである。また、磨砕ないし融砕処理は、増幸産業(株)製超微粒磨砕機「セレンディピター」を用いて行うこともできる。セレンディピターは、単なる粉砕の域を越えた融けるように感じるほどの超微粒化を可能にした磨砕機である。セレンディピターは、間隔を自由に調整できる上下2枚の無気孔砥石によって構成された石臼形式の超微粒磨砕機であり、上部砥石は固定で、下部砥石が高速回転する。ホッパーに投入された原料は遠心力によって上下砥石の間隙に送り込まれ、そこで生じる強大な圧縮、剪断、転がり摩擦力などにより、原料は次第にすり潰され、超微粒化される。
本発明において、繊維としては、上述のようなバクテリアセルロースの他、海草やホヤの被嚢、植物細胞壁等に、叩解・粉砕等の処理、高温高圧水蒸気処理、リン酸塩等を用いた処理等を施したセルロース繊維を用いても良い。
上記磨砕ないし融砕処理は、例えば、前述した栗田機械製作所製グラインダー「ピュアファインミル」等を用いて行うことができる。
本発明において用いる繊維は、上述のようなセルロース繊維を化学修飾及び/又は物理修飾して機能性を高めたものであっても良い。ここで、化学修飾としては、アセチル化、シアノエチル化、アセタール化、エーテル化、イソシアネート化等によって官能基を付加させること、シリケートやチタネート等の無機物を化学反応やゾルゲル法等によって複合化や被覆化させること等が挙げられる。化学修飾の方法としては、例えば、BCシートやNano MFCシートを無水酢酸中に浸漬して加熱する方法が挙げられ、アセチル化により、光線透過率を低下させることなく、吸水性の低下、耐熱性の向上を図ることができる。また、物理修飾としては、金属やセラミック原料を、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理蒸着法(PVD法)、化学蒸着法(CVD法)、無電解メッキや電解メッキ等のメッキ法等によって表面被覆させることが挙げられる。
本発明において、繊維強化複合樹脂組成物中の繊維の含有率は、7重量%以上、特に10重量%以上であることが好ましく、特に75重量%以下であることが好ましい。繊維強化複合樹脂組成物中の繊維の含有率が少な過ぎるとセルロース繊維等の繊維による硬化物の熱伝導率向上、曲げ強度向上、曲げ弾性率向上、線熱膨張係数低減の効果が不十分となる傾向があり、多過ぎると、マトリックス樹脂による繊維間の接着、又は繊維間の空間の充填が十分でなくなり、強度や透明性、硬化したときの表面の平坦性が低下するおそれがあり、特に、封止剤、接着剤又は充填剤用途において重要なマトリックス樹脂による接着性、充填性等が損なわれる。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物は、硬化することによりマトリックス樹脂を形成するマトリックス樹脂の液状前駆体を含む。このマトリックス樹脂の液状前駆体については後述するが、マトリックス樹脂の液状前駆体が硬化して形成するマトリックス樹脂について、以下に説明する。
上記アミド系樹脂としては、6,6−ナイロン、6−ナイロン、11−ナイロン、12−ナイロン、4,6−ナイロン、6,10−ナイロン、6,12−ナイロン等の脂肪族アミド系樹脂や、フェニレンジアミン等の芳香族ジアミンと塩化テレフタロイルや塩化イソフタロイル等の芳香族ジカルボン酸又はその誘導体からなる芳香族ポリアミド等が挙げられる。
上記ポリカーボネートとは、ビスフェノールAやその誘導体であるビスフェノール類と、ホスゲン又はフェニルジカーボネートとの反応物をいう。
上記ウレタン樹脂は、ジイソシアネート類とジオール類との共重合体である。上記ジイソシアネート類としては、ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、1,3−シクロヘキシレンジイソシアネート、1,4−シクロヘキシレンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,2’−ジフェニルメタンジイソシアネート等が挙げられる。また、上記ジオール類としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリメチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、シクロヘキサンジメタノール等の比較的低分子量のジオールや、ポリエステルジオール、ポリエーテルジオール、ポリカーボネートジオール等が挙げられる。
上記フェノール樹脂としては、フェノール、クレゾール、レゾルシノール、フェニルフェノール、ビスフェノールA、ビスフェノールF等の単独重合体又は共重合体が挙げられる。
上記尿素樹脂やメラミン樹脂は、ホルムアルデヒドや尿素、メラミン等の共重合体である。
次に、本発明の繊維強化複合樹脂組成物の製造方法について説明する。
本発明に係る繊維強化複合樹脂組成物を構成するセルロース繊維の集合体は三次元交差構造であるために、前述のマトリックス樹脂の液状前駆体の浸透性が悪く、効率的な含浸処理を行えない場合がある。
即ち、まず、前述のセルロース繊維集合体の製造工程において、水分除去処理を行う前の水分を含む含水NBC又は含水Nano MFC等の含水繊維集合体から水分の一部のみを除去し、若干の水分を含む状態とし、この含水繊維集合体中の水を、水と上述のマトリックス樹脂の液状前駆体との双方又は一方に相溶性を有する媒介液と置換して繊維強化複合樹脂組成物前駆体を得(第1の工程)、次いで、この繊維強化複合樹脂組成物中の媒介液をマトリックス樹脂の液状前駆体と置換して繊維強化複合樹脂組成物を得る(第2の工程)。
第1の媒介液>第2の媒介液
であり、マトリックス樹脂の液状前駆体との相溶性が
第1の媒介液<第2の媒介液
であり、かつ互いに相溶性を有する第1の媒介液(例えばエタノール)及び第2の媒介液(例えばアセトン)の2種類の媒介液を準備しておき、まず、含水繊維集合体中の水を第1の媒介液と置換して繊維集合体に第1の媒介液が含浸された繊維集合体を得、次いで、この第1の媒介液が含浸された繊維集合体中の第1の媒介液を第2の媒介液と置換して繊維集合体中に第2の媒介液が含浸された繊維集合体を繊維強化複合樹脂組成物として得ることもできる。更に3種以上の媒介液を用いて、置換を3段階以上で行うことも可能である。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物を硬化させるには、用いたマトリックス樹脂の液状前駆体の硬化方法に従って行えば良く、例えば、液状前駆体が流動状のマトリックス樹脂の場合は、架橋反応、鎖延長反応等が挙げられる。また、液状前駆体が流動状のマトリックス樹脂の原料の場合は、重合反応、架橋反応、鎖延長反応等が挙げられる。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物は、これを用いたマトリックス樹脂の液状前駆体の硬化方法に従って硬化させて得られた板状の硬化物の50μm厚換算における波長400〜700nmの全光線透過率が70%以上の高透明性材料である。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物を、マトリックス樹脂の液状前駆体の硬化方法に従って硬化させて板状の硬化物を得、この硬化物に対して、厚さ方向に波長400〜700nmの光を照射した時の全波長域における全光線透過率の平均値を50μm厚に換算して、50μm厚全可視光透過率とする。
なお、光線透過率は、空気をレファレンスとして、光源とディテクターを被測定基板(試料基板)を介して、かつ基板に対して垂直となるように配置し、全透過光を測定することにより求めることができる。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物は、これを用いたマトリックス樹脂の液状前駆体の硬化方法に従って硬化させて得られた板状の硬化物の厚さ方向(面厚方向)の熱伝導率及び板面方向(面内方向)の熱伝導率がいずれも好ましくは0.4W/m・K以上である。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物において、上述のような面厚方向及び面内方向の双方において等方的に高い熱伝導率を示すのは、組成物内で繊維が凝集することなくランダムに配向しているためである。
このように、面厚方向、面内方向の双方において、高い熱伝導率を有する等方的な高熱伝導性であることにより、熱の放散性に優れた封止剤、接着剤又は充填剤を提供することができる。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物を、マトリックス樹脂の液状前駆体の硬化方法に従って硬化させて板状の硬化物を得、この硬化物に対して、面内方向の熱伝導率は光交流法により、面厚方向の熱伝導率は温度波熱分析法によりそれぞれ測定される。より具体的な測定方法は、後述の実施例に記載された通りである。
本発明の繊維強化複合樹脂組成物は、封止剤、接着剤又は充填剤として用いられる。
<測定装置>
日立ハイテクノロジーズ社製「UV−4100形分光度計」(固体試料測定システム)を使用。
・6mm×6mmの光源マスク使用
・測定サンプルを積分球開口より22cm離れた位置において測光した。サンプルをこの位置に置くことで、拡散透過光は除去され、積分球内部の受光部に直線透過光のみが届く。
・リファレンスサンプルなし。リファレンス(試料と空気との屈折率差によって生じる反射。フレネル反射が生じる場合は、直線透過率100%ということはあり得ない。)がないため、フレネル反射による透過率のロスが生じている。
・スキャンスピード:300nm/min
・光源:タングステンランプ、重水素ランプ
・光源切り替え:340nm
直径50mm、厚さ10mmの試料1をまず作製し、これを図1に示すように7mm×7mm×厚さ0.5mmの大きさに面内方向、面厚方向にそれぞれ試料1A,1Bを切断加工し、(株)ai−phase製「ai−phase mobie」による温度波熱分析(TWA)法にて測定した。
セイコーインスツルメンツ製「TMA/SS6100」を用い、ASTM D 6969に規定された方法に従って下記の測定条件で測定した。
<測定条件>
昇温条件:5℃/min
雰囲気:N2中
加熱温度:50〜150℃
荷重:3g
測定回数:3回
試料長:4×15mm
試料厚さ:試料により異なる
モード:引っ張りモード
結晶化度はX線回折測定により得られたX線回折図上の結晶散乱ピーク面積の割合として定義した。試料をサンプルホルダーに装着し、X線回折の回折角度を10°〜32°まで操作して測定した。得られたX線回折図からバックグラウンド散乱を除去した後、X線回折曲線上の10°、18.5°、32°を直線で結んだ面積が非晶部分となり、それ以外が結晶部分となる。セルロース結晶化度は回折図全体の面積に対する結晶部分の割合として、下記の式により算出した。
結晶化度=(結晶部分の面積)/(X線回折図全体の面積)×100(%)
まず、凍結乾燥保存状態の酢酸菌の菌株(FF−88)に培養液を加え、1週間静置培養した(25〜30℃)。培養液表面に生成したバクテリアセルロースのうち、厚さが比較的厚いものを選択し、その株の培養液を少量分取して新しい培養液に加えた。そして、この培養液を大型培養器に入れ、25〜30℃で7〜30日間の静地培養を行った。培養液には、グルコース2重量%、バクトイーストエクストラクト0.5重量%、バクトペプトン0.5重量%、リン酸水素二ナトリウム0.27重量%、クエン酸0.115重量%、硫酸マグネシウム七水和物0.1重量%とし、塩酸によりpH5.0に調整した水溶液(SH培地)を用いた。
グラインダー処理によって得られたNBC(平均繊維径50nm)を、0.2重量%水懸濁液に調整後、液状エポキシ樹脂(東都化成製ビスフェノールA型エポキシ樹脂YD8125、及びHUNTSMAN製アミン系硬化剤JEFFAMINE D-400を、エポキシ樹脂100重量部に対して64重量部配合したもの)をスリーワンモータで撹拌しながら減圧、加圧の工程を5回繰り返し、水を液状エポキシ樹脂原料に置換して繊維強化複合樹脂組成物を得た。
ミクロフィブリル化セルロース:MFC(高圧ホモジナイザー処理で、針葉樹クラフトパルプ(NBKP)をミクロフィブリル化したもの、平均繊維径1μm)を水に十分撹拌し、1重量%濃度の水懸濁液を7kg調製したこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂を含浸させて、組成物中でNano MFCがランダムに配向した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
パルプの代りにコットン(脱脂綿)を用い、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂を含浸させて、組成物中でNano MFCがランダムに配向した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
パルプの代りにAvicelを用い、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂を含浸させて、組成物中でNano MFCがランダムに配向した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
パルプの代りにテンセル(登録商標)を用い、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂を含浸させて、組成物中でNano MFCがランダムに配向した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
パルプの代りにキュプラを用い、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂を含浸させて、組成物中でNano MFCがランダムに配向した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
実施例1と同様にBCを用いて、ゲル状のシリコーン樹脂(ジーイー東芝シリコーン製TSE3051)を含浸させて、100℃/4h加熱硬化して組成物中でNBCがランダム分散した本発明の繊維強化複合樹脂組成物を製造し、この繊維強化複合樹脂組成物及び硬化物について実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
エポキシ樹脂の硬化物について、実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
無機ガラスについて、実施例1と同様に評価を行って、結果を表1に示した。
Claims (9)
- 封止剤、接着剤又は充填剤として用いられる、繊維とマトリックス樹脂の液状前駆体とを含む繊維強化複合樹脂組成物で、該繊維が平均繊維径4〜200nmの繊維であり、該組成物を板状に硬化させた硬化物の50μm厚換算における波長400〜700nmの全光線透過率が70%以上であって、該硬化物の厚さ方向の熱伝導率及び板面方向の熱伝導率がいずれも0.4W/m・K以上であり、該繊維が該組成物内でランダムに配向していることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項1において、該繊維がセルロース繊維であることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項2において、該セルロース繊維がバクテリアセルロースであることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項2において、該セルロース繊維が植物繊維から分離されたものであることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項3又は4において、該セルロース繊維がミクロフィブリル化セルロース繊維を更に磨砕処理してなることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項1ないし5のいずれか1項において、該繊維の含有率が10重量%以上であることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項1ないし5のいずれか1項において、該マトリックス樹脂が、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、及び熱硬化型ポリイミド樹脂よりなる群から選ばれる1種又は2種以上であることを特徴とする繊維強化複合樹脂組成物。
- 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の繊維強化複合樹脂組成物を用いてなる接着剤。
- 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の繊維強化複合樹脂組成物を用いてなる封止剤。
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