JP2009144000A - 樹脂炭素複合材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂中に(a)炭素繊維と(b)黒鉛粉末とが均一に分散された樹脂炭素複合材料であって、当該樹脂炭素複合材料中における(a)の割合が10〜60体積%であり、(b)の割合が10〜60体積%であり、(a)と(b)の総和が20〜80体積%であることを特徴とする樹脂炭素複合材料。(a)の炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維およびカーボンナノチューブであることが好ましい。
【選択図】なし
Description
また、金属の放熱材料は比重が大きいために軽量化を阻む要因ともなっている。さらに、金属は熱伝導性が高く、発熱素子の熱を移動させやすい特徴がある一方、自己放熱性に乏しく、熱を吸収してもそれを放熱しにくいため、発熱素子を冷却させる際には冷却ファンを用いて常にこれら金属製のヒートシンクの表面を冷却させる必要がある。
従来、放熱用の部材と電磁波遮蔽用の部材には別のものが用いられていたため、コストが割高になり、製品の薄型化にも支障を来していた。
一方、特許文献3のシートは多層構造を取っていないが、熱伝導率は5W/m・K以下と、ヒートシンクとして使用できるほどの値は示しておらず、放熱効果は十分とは言えない。
また、炭素繊維として、ピッチ系炭素繊維を用いる事で、放熱性をより向上させることが可能であり、さらに、カーボンナノチューブを併用することにより、電磁波遮蔽特性をより向上させることができる。カーボンナノチューブは添加量2〜5%と少量においても効果を発揮する。ピッチ系炭素繊維とカーボンナノチューブを併用する場合、樹脂炭素複合材料中におけるピッチ系炭素繊維の割合は10体積%以上50体積%以下、カーボンナノチューブの割合は0.1体積%以上10体積%以下が好適である。
また、熱硬化性樹脂にはエポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等が用いられる。なかでも、耐熱性及び柔軟性からエポキシ樹脂、シリコーン樹脂及びウレタン樹脂が好適である。
これら樹脂には分散剤、潤滑剤、可塑剤を添加してもよく、とくに分散剤に脂肪酸系エステルを用いる事により、炭素繊維及び黒鉛粉末の充填率を増加させ、特性を向上させることができる。
本発明の樹脂炭素複合材料に含まれる黒鉛粉末は1種類であっても、複数種であってもよく、材料中に占める黒鉛粉末の割合は、総量で10〜60体積%が好ましい。10体積%未満では、放熱性、電磁波吸収特性に効果が見られず、60体積%を超えると、成形体強度が低下し脆くなる。より好ましくは、10〜50体積%であり、とくに好ましくは15〜40%である。
カーボンブラックとしては、導電性の高いケッチェンブラックが特に好ましい。好ましいケッチェンブラックの平均粒子径は1nm〜100nmであり、さらに好ましい平均粒子径は10nm〜50nmである。
さらに、前記ピッチ系炭素繊維(ピッチ系超高弾性率炭素繊維を含む)に加えて、直径がナノメートルサイズの糸状(チューブ形状を含む)のカーボンナノ材料を併用することが好ましい。好ましいカーボンナノ材料の例としてカーボンナノチューブ又は気相成長カーボン繊維を挙げることができる。前記糸状カーボンナノ材料の好ましい長さは1μm以上50μm以下、このましい直径は、5nm以上100nm以下である。
なお、本明細書中において、炭素繊維のうち、直径がナノメートルサイズ(1〜999nm)のものを「カーボンナノ材料」と呼ぶ。
ピッチ系炭素繊維やカーボンナノチューブ等の長さは、電子顕微鏡によって測定することができ、直径も電子顕微鏡によって測定することができる。平均直径・平均長さは電子顕微鏡写真を画像解析して平均値を算出することによって求めることができる。
得られた材料は射出成形、シート成形、押出成形若しくはプレス成形により所望する形状の成型品を作成することができる。得られた成型品は炭素繊維を含有するため強度が強く、また、黒鉛粉末を多く含むため、成形時に炭素繊維が一方向に配向することを防ぎ、材料の均等な強度向上と均質な熱伝導性及び電磁波吸収を実現することが可能となる。
成形方法では特に射出成形法を用いることにより、銅、アルミを原料とするものと比較して、三次元複雑形状の成形体を寸法精度良く、低温で成型することが可能である。また、銅、アルミをダイカスト法で成型する場合と比較して、バリが少ない、肉厚1mm以下の三次元形状の成型品を容易に成型できる。
特に、平均粒子径1μm〜40μmの球形の黒鉛粉末を細密充填できるように計算して配合し、これに炭素繊維を添加する事で、樹脂量を50体積%以下にまで低減することが可能となり、金属性の放熱材料に匹敵する成形材料を得ることができる。また、炭素繊維がこの細密充填された黒鉛粉末の中でランダムに存在することで、シート成形、射出成形、押し出し成形で生じる炭素繊維の配向を低減できることで、炭素繊維を用いた成形体に生じやすい放熱効果の方向依存性を低減させ、併せて電気抵抗を下げることが可能となり、また均質な電磁波吸収効果を得ることができる。
また、炭素繊維と黒鉛粉末が均一に分散することにより、耐衝撃性に優れた成形材料を提供することが出来る。
実施例に用いた材料の配合を表1に示す。用いる樹脂をあらかじめ0.5Lの加熱混練機で、ポリブチレンテレフタレート(PBT)の場合には260℃、ナイロン樹脂(PA)の場合には250℃及びポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂の場合には330℃に設定して10分間混合し十分溶融させた後に黒鉛粉末及び炭素繊維を徐々に添加して1時間加熱混練を行い、取り出した塊をシート状にした後、粉砕機にかけて成形材料とした。
得られた成形材料を型締め力20トンの射出成形機を用いて、電気抵抗値の測定及び放熱特性の測定に関しては35mm×35mm×厚み2mmの成形体を製造してこれを用いた。電磁波遮蔽性の測定には100mm×100mm×厚み1.5mmの成形体を製造してこれを用いた。曲げ強度、曲げ弾性率の測定には長さ100mm、幅5mmの短冊状試験片を作成し、万能試験機を用いて測定を行った。
比較例についても同様の手順により成形体を作成した。
黒鉛粉末には、平均粒子径10μmの球状黒鉛粉末(固定炭素量98%)を用いた。
カーボンブラックには平均粒子径40nmのケッチェンブラックEC−600JDを用いた。
炭素繊維には、ピッチ系炭素繊維である三菱化学産資株式会社のK6371T:140W/m・K(平均長さ:6.3mm、収束剤[エポキシ樹脂]添着率2wt%)、ピッチ系超高弾性炭素繊維である三菱化学産資株式会社のK223HG:700W/m・K(平均長さ:6mm、収束剤無添加)、カーボンナノチューブであるナノカーボンテクノロジーズ株式会社の多層カーボンナノチューブ(平均長さ:約20μm)を用いた。
電磁波の測定に関してはアドバンテスト製、スペクトラムアナライザR3132を用いて1MHz〜1GHzの電磁波遮蔽特性を測定した。表中に示す電磁波遮蔽性は透過損失であり、対応する樹脂のみで作製したシートにおける透過量を基準値とし、実施例あるいは比較例のシートにおける透過量の減少値を示す。
放熱特性の測定については下記に示す方法により測定を行った。幅15mm、厚み2mm、長さ100mmの銅板を、熱源を使用して80℃まで温度を上げて、30分均熱を確認した後、試料(35mm角、2mm厚)を前記銅板の上に置いて、試料から5mm後方の銅板の30分後の温度を測定した。
電気抵抗値は四探針法式の測定器(三菱化学(株)製直流四端子法測定装置)を用いて測定した。
曲げ強度、曲げ弾性率の測定については、曲げ試験片を作成しJISK7171に準じて試験を行った。
電気抵抗値においても、全ての実施例において体積固有抵抗値は3Ω・cm以下であり、特に実施例3および6〜9では、1Ω・cm未満と、樹脂成形材料としては非常に低い値を示した。これにより、本発明にかかる樹脂炭素複合材料が高い電気伝導度を有することが分かる。
また、曲げ強度、曲げ弾性率に関しても、従来のプラスチック複合材料と遜色のない結果が得られた。
また、カーボンブラックのみを樹脂と混練した材料の場合(比較例4および5)は、平均粒子径が非常に小さく表面積が大きいため、樹脂の添加量を60体積%以下にして成形材料を作製することが困難であった。また、電気伝導性には優れるものの、成形体の曲げ強度はいずれも100以下、曲げ弾性率は比較例4で10以下となり、十分な強度が得られなかった。
また、カーボンナノチューブのみを樹脂と混練した材料の場合(比較例3)は、カーボンナノチューブが非常に嵩高く、樹脂の添加量を60体積%以下にして成形材料を作製することが困難であった。また、カーボンナノチューブを均一に分散させることが困難であるため、成形体の曲げ強度は100以下と低かった。また、電気抵抗値は102Ω・cm台と高く、電気伝導性に劣った。
なお、銅板は赤外線をほとんど発しないため、赤外線サーモグラフィーでデータを取ると、実温度に比べて測定温度がはるかに低くなるが、本発明にかかる材料では、サーモグラフィーの温度と実温度がほぼ一致するため、熱放射率がほぼ1に近いことが確認された。このため、本発明にかかる材料の放熱特性(相手の熱を下げる効果[吸熱効果])は、熱放射による自己放熱性(自分の熱を発散させる効果)の高さに起因すると考えられる。
また、炭素繊維および黒鉛粉末は、電磁波吸収特性に優れるため、本発明にかかる樹脂炭素複合材料は、電磁波遮蔽性だけでなく、電磁波吸収性にも優れていると考えられる。なお、電磁波を試料に入射させた場合、入射量=反射量+吸収量+透過量の関係が成り立つが、電磁波遮蔽性が高いとは、透過量が小さいことを意味し、電磁波吸収性が高いとは透過量が小さいだけでなく、反射量が小さいことを意味する。したがって、電磁波吸収性が高いと考えられる本発明にかかる樹脂炭素複合材料は、反射干渉による弊害を防ぐことも可能である。
Claims (8)
- 樹脂中に(a)炭素繊維と(b)黒鉛粉末とが均一に分散された樹脂炭素複合材料であって、材料中における(a)の割合が10〜60体積%であり、(b)の割合が10〜60体積%であり、(a)と(b)の総和が20〜80体積%であることを特徴とする樹脂炭素複合材料。
- 前記(a)の炭素繊維が、100W/m・K以上の熱伝導率を有することを特徴とする、請求項1に記載の樹脂炭素複合材料。
- 前記(a)の炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維およびカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項1または2に記載の樹脂炭素複合材料。
- 前記(a)の炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維およびカーボンナノチューブであり、前記樹脂炭素複合材料中におけるピッチ系炭素繊維の割合が10〜50体積%であり、カーボンナノチューブの割合が0.1〜10体積%であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の樹脂炭素複合材料。
- 前記(b)の黒鉛粉末が、固定炭素量95%以上の球状黒鉛粉末であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の樹脂炭素複合材料。
- さらにカーボンブラックを含み、前記樹脂炭素複合材料中における黒鉛粉末の割合が10〜50体積%であり、カーボンブラックの割合が0.1〜10体積%であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の樹脂炭素複合材料。
- 前記ピッチ系炭素繊維の平均長さが0.05mm〜30mmであり、前記黒鉛粉末の平均粒子径が0.1μm〜100μmであることを特徴とする、請求項3〜6のいずれか1項に記載の樹脂炭素複合材料。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の樹脂炭素複合材料を押出成形、射出成形またはプレス成形することにより製造されたことを特徴とする成型品。
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