JP2010155993A - 樹脂組成物 - Google Patents

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聆 ▲しょく▼ 柳
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Abstract

【課題】高剛性、高電気伝導性、およびEMI/RFI遮蔽特性を有する多機能性樹脂組成物及びプラスチック成形品を提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂(A)、10−3Ω・m以下の体積抵抗と5,000以上の比透磁率とを有する無機物(B)および繊維充填剤(C)を含む樹脂組成物、あるいはさらにカーボン系充填剤(D)を含む樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、樹脂組成物に関する。より詳細には、本発明は、高剛性および高電気伝導性を有し、電磁干渉(Electromagnetic Interference:EMI)遮蔽用または無線周波数干渉(Radio Frequency Interference:RFI)遮蔽用として用いられうる多機能性樹脂組成物に関する。
電気・電子製品の小型化、集積化、軽量化に伴って、内部部品のモジュール化が必須となっている。例えば、接地能力が必要な内部フレームの場合は、電気伝導性と同時に高い機械的剛性が要求される。また、EMI/RFI遮蔽特性が必要な外装材の場合は、EMI/RFI遮蔽特性と同時に優れた外観特性が要求される。このように必要な機能を得るための方法として、これまでは、それぞれの特性を保有した素材を組み合わせる方法がとられていたが、前述した小型化、集積化、軽量化の要求に応じるために、素材が複数の機能を有すること(多機能化)が必須となっている。これに加えて、大量生産の要求に応じるために、高い生産性を有する素材であることも先端素材において必ず考慮すべき点となっている。
樹脂組成物に高剛性特性を付与する手段としては、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、カーボン繊維などの高剛性補強材を添加する手段が知られている。また、電気伝導性を付与する手段としては、例えば、電気伝導性を有する銅、アルミニウム、ステンレススチール等の金属類、または黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等のカーボン類を高分子材料に混合するする手段が知られている。
電気・電子製品の高効率、高消費電力、および高集積化に伴い増大する電磁波は、他の機器またはシステムの誤作動を誘発したり、人体に害を及ぼしたりする虞がある。よって、電磁波を防ぐ効率的な電磁波遮蔽技術は、近年ますます重要となっている。
従来、電磁波を遮蔽するための方法として、塗装・メッキ技術に適用される金属材料を利用する方法が用いられていた。このような金属材料は、伝導性が高く(R値、インピーダンスが低く)、表面反射による電磁波遮蔽の割合が高い。よって、厚さの薄い金属であっても電磁波が効果的に遮断できるという長所を有する。
しかしながら、このような塗装・メッキ技術は、メッキ技術を例に挙げて説明すると、脱脂、エッチング、中和、活性化、促進剤、金属蒸着、活性化、1次メッキ、2次メッキ、3次メッキ等のように複雑な工程を要する。よって、今後、高生産性が要求される状況において、上記の工程の複雑さが、生産価格、生産性、そして何よりも環境の側面において負担となるという短所がある。
本発明の目的は、高剛性、高電気伝導性、およびEMI/RFI遮蔽特性を有する多機能性樹脂組成物を提供することである。
また、本発明の他の目的は、高剛性、高電気伝導性、およびEMI/RFI遮蔽特性を有するプラスチック成形品を提供することである。
上記目的およびその他の目的は、以下に説明する本発明によって達成することができる。
本発明の一形態に係る樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)、10−3Ω・m以下の体積抵抗と5,000以上の比透磁率とを有する無機物(B)、および繊維充填剤(C)を含む。
前記樹脂組成物は、カーボン系充填剤(D)をさらに含むことが好ましい。
前記樹脂組成物は、該樹脂組成物の全質量100質量%に対して、熱可塑性樹脂(A)を40〜80質量%、前記・無機物(B)を3〜20質量%、前記繊維充填剤(C)を5〜40質量%の割合で含むことが好ましく、さらにカーボン系充填剤(D)を0.05〜10.0質量%の割合で含むことがより好ましい。
また、本発明の他の形態に係るプラスチック成形品は、前記樹脂組成物を成形してなる。
本発明によると、高剛性、高電気伝導性、およびEMI/RFI遮蔽特性を有する樹脂組成物を提供することができる。
以下、本発明の好ましい形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。
高剛性および高電気伝導性を有する樹脂組成物は、これまでにも知られている。例えば、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の電気伝導性物質を単独または他の補強材と混合して樹脂に複合化する手段が挙げられる。但し、上記の炭素繊維、カーボンナノチューブなどの電気伝導性物質を用いる場合は、EMI/RFI遮蔽特性に限界があるという問題点を有していた。よって、さらにEMI/RFI遮蔽特性を向上させるための手段が求められていた。
本発明は、高剛性および高電気伝導性特性を有し、かつEMI/RFI遮蔽特性を向上させることに成功したものである。
本発明は、電磁波の表面反射の改善だけでなく内部吸収率を向上させる方法で、電磁波遮蔽効果(shielding effectiveness:S.B.)の向上を達成した。電磁波遮蔽効果は、下記式1によって表される。
Figure 2010155993
前記式1中、Rは電磁波の表面反射(電気伝導度)を表し、Aは電磁波の内部吸収を表し、Bは多反射を通じた損失を表す。
樹脂組成物の場合は、電気伝導性が金属材料よりも低いので、前記式1に示した項目のうち、表面反射Rだけでなく内部吸収Aを向上させることが重要である。したがって、表面インピーダンスを小さくして(電気伝導性を高くして)R値を増大させるのに加え、内部の電磁波吸収を大きくする。即ち、A値を増大させることによって、高い電磁波遮蔽効果を有する多機能性樹脂組成物を得ることができるのである。
つまり、本発明者らは、電気伝導性の改善による電磁波遮蔽だけでなく電磁波の内部吸収が、樹脂組成物の電磁波遮蔽効果に関係するとの知見を得た。電磁波の内部吸収は物質の透過性と直接関係があり、透過性の高い物質を導入することにより内部吸収の向上を達成することができた。ここで重要なのは、例えばセンダストまたはフェライト類等の透過性が高く、非電気伝導性である物質は、樹脂組成物のEMI/RFI遮蔽特性の向上に殆ど効果がないが、例えばミューメタルまたはパーマロイ等の透過性が高く、且つ電気伝導性である無機物は、樹脂組成物のEMI/RFI遮蔽特性の向上に非常に効果的であるということである。これらの無機物は、透過性が高く、電磁波の吸収に効果的であるだけでなく、電気伝導性に優れるために、カーボン繊維やカーボンナノ繊維などと共に樹脂組成物内の電気伝導パス形成に寄与し、樹脂組成物の電気伝導性も向上させることができるためである。
このような樹脂組成物を用いた電磁波遮蔽材は、複合樹脂(樹脂組成物)を射出する工程のみで製品化が可能であるため、生産コストおよび生産性の側面で非常に経済的である。
本形態の高剛性、高電気伝導性、およびEMI/RFI遮蔽特性を有する樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)、10−3Ω・m以下の体積抵抗と5,000以上の比透磁率とを有する無機物(B)、および繊維充填剤(C)を含む。
本形態の樹脂組成物は、カーボン系充填剤(D)をさらに含むことが好ましい。
本形態の樹脂組成物は、該樹脂組成物の全質量100質量%に対して、熱可塑性樹脂(A)を40〜80質量%、無機物(B)を3〜20質量%、繊維充填剤(C)を5〜40質量%、の割合で含むことが好ましい。さらに、カーボン系充填剤(D)を含む場合は、樹脂組成物の全質量100質量%に対して、0.05〜10.0質量%の割合で含むことが好ましい。
本形態の樹脂組成物は、上述の各構成成分を混合することによって製造できる。このようにして製造された樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)のマトリックス中に、前記フィラー((A)成分以外の他の成分;無機物(B)、繊維充填剤(C)、および任意に含まれるカーボン系充填剤(D)等)が分散された構造を有する。
以下、本形態の樹脂組成物に含まれる各構成成分について詳細に説明する。
(A)熱可塑性樹脂
熱可塑性樹脂(A)は、本形態の樹脂組成物のマトリックスとして機能する。熱可塑性樹脂としては、特に制限はないが、例えば、ポリアミド;ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレート等のポリアルキルテレフタレート;ポリアセタール;ポリカーボネート;ポリイミド;ポリフェニレンオキシド;ポリスルホン;ポリフェニレンスルフィド;ポリアミドイミド;ポリエーテルスルホン;液晶高分子;ポリエーテルケトン;ポリエーテルイミド;ポリプロピレンおよびポリエチレン等のポリオレフィン;アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS);ポリスチレン;シンジオタクチックポリスチレンなどが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いても構わない。
本形態においては、熱可塑性樹脂(A)は、結晶性熱可塑性樹脂であることが好ましい。結晶性熱可塑性樹脂は、結晶化する際に、結晶領域の外へフィラー((A)成分以外の他の成分)を排斥する特性を有するため、非結晶性熱可塑性樹脂よりも電気伝導Passが良好に形成されるという長所がある。また、機械的な剛性を向上させる面においても、フィラーを添加することによって剛性を補強する際、非結晶性熱可塑性樹脂よりもその補強効果が著しく優れるという長所がある。
このような結晶性熱可塑性樹脂としては、特に制限はないが、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、液晶高分子、ポリエーテルケトン、ポリオレフィン、シンジオタクチックポリスチレンからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの結晶性熱可塑性樹脂は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いても構わない。
本形態の樹脂組成物において、熱可塑性樹脂(A)の含有量は、樹脂組成物の全質量100質量%に対して、40〜80質量%であることが好ましく、60〜75質量%であることがより好ましい。熱可塑性樹脂(A)の含量が40質量%以上であれば、樹脂組成物の加工が容易となり、80質量%以下であれば、本発明が目的とする物性を達成することができる。
(B)無機物
無機物(B)は、電気伝導性であり高透磁率であることを特徴とする。より詳細には、無機物(B)は、体積抵抗が10−3[Ω・m]以下であり、比透磁率が5,000以上である無機物が好ましく用いられうる。具体的には、ニッケル−鉄合金類であるミューメタルまたはパーマロイを用いることが好ましい。
本形態の樹脂組成物において、無機物(B)の含有量は、樹脂組成物の全質量100質量%に対して、3〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%であることがより好ましい。無機物(B)の含有量が3質量%以上であると、EMI/RFI遮蔽特性の改善に優れ、20質量%以下であると、樹脂組成物の粘度および比重が良好になる。
(C)繊維充填剤
繊維充填剤(C)は、主に電気伝導性、高剛性を付与する役割を果たす。このような繊維充填剤(C)としては、特に制限はないが、炭素繊維、ガラス繊維、ホウ素繊維、合成アミド繊維、および液晶ポリエステル繊維からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。また、繊維充填剤(C)は、平均直径が1〜20μmであることが好ましく、平均長さが1〜15mmであることが好ましい。
炭素繊維としては、パン(PAN)系炭素繊維およびピッチ(PITCH)系炭素繊維のいずれも制限なく使用することができる。これらの炭素繊維は、1種を単独で使用しても、2種以上を組み合わせて使用しても構わない。また、炭素繊維は、平均直径が5〜12μmであることが好ましく、平均長さが3〜12mmであることが好ましく、体積抵抗が10−3[Ω・m]以下であることが好ましく、引っ張り剛性が100GPa以上であることが好ましい。
ガラス繊維は、特に、炭素繊維のみを用いる場合に樹脂組成物が破損しやすくなるのを改善し、強度を向上させるために添加されうる。ガラス繊維の種類は特に制限はなく、通常のガラス繊維を用いることができるが、好ましくは、物性補強のために用いられる高剛性ガラス繊維を用いる。また、ガラス繊維の平均直径は8〜15μmであることが好ましく、平均長さは2〜12mmであることが好ましい。
本形態に係る繊維充填剤(C)は、主に樹脂組成物の電気伝導性と高剛性に寄与するので、体積抵抗が低いほど好ましく、また、引っ張り剛性が高いほど好ましい。
本形態の樹脂組成物において、繊維充填剤(C)の含有量は、樹脂組成物の全質量100質量%に対して、5〜40質量%であることが好ましく、10〜25質量%であることがより好ましい。繊維充填剤(C)の含有量が5質量%以上であると、本発明の目的とする物性を達成することができ、40質量%以下であると、加工性に優れ、また、当該樹脂組成物を成形してなる成形品の衝撃に対する脆弱性も改善される。
(D)カーボン系充填剤
本形態の樹脂組成物は、カーボン系充填剤(D)をさらに含むことが好ましい。本形態の樹脂組成物に含まれるカーボン系充填剤(D)としては、特に制限はないが、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、およびカーボンナノ繊維からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。これらのカーボン系充填剤のうち、静電気帯電放電特性(Electrostatic Discharge:ESD)が最も優れるカーボンナノチューブを用いることがより好ましい。
カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブを特に制限なく使用することができ、これらを1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて使用しても構わない。また、カーボンナノチューブの平均外径は1〜50nmであることが好ましく、平均長さは10nm〜20μmであることが好ましく、純度は80%以上であることが好ましい。
本形態の樹脂組成物において、カーボン系充填剤(D)の含有量は、樹脂組成物の全質量100質量%に対して、0.05〜10.0質量%であることが好ましく、0.3〜5.0質量%であることがより好ましい。カーボン系充填剤(D)の含有量が0.05質量%以上であると、本発明の目的とする物性を達成することができ、10.0質量%以下であると、樹脂組成物の粘度が抑えられ、製造プロセスが容易となる。
本発明の他の形態は、上記樹脂組成物を成形してなる成形品である。本形態の成形品は、高剛性および高電気伝導性を有し、且つEMI/RFI遮蔽特性に優れるので、これらの特性が求められる分野において好適に用いられうる。特に、TV、PDP等のディスプレー装置、コンピューター、携帯電話およびOA機器等の電気・電子製品の部品、内部フレーム類などの多様な成形品に好適に用いられうる。
成形品の好ましい形態としては、15〜50dBの電磁波遮蔽率を有することが好ましく、ASTM D257に従って測定した表面抵抗が10〜10Ω/□であることが好ましく、1/4”(インチ)の厚さでASTM D790に従って測定した曲げ強度が12〜30GPaであることが好ましく、1/8”の厚さでASTM D256に従って測定したノッチアイゾット衝撃強度が25〜70J/mであることが好ましい。
以下、本発明の好ましい実施例を通じて本発明の構成および作用をさらに詳細に説明する。但し、これらの実施例は、本発明の好ましい例示として提示されたものであり、本発明が以下の実施例に制限されることはない。
(A)熱可塑性樹脂
熱可塑性樹脂(A)として、316℃、1270gの荷重で、溶融指数(MFI)が48〜70g/10minであるポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂を用いた。
(B)無機物
無機物(B)として、ニッケル−鉄合金類であるパーマロイ(ドンブ ファイン ケミカルズ株式会社製;DONGBU FINE CHEMICALS CO.,LTD.)を用いた。該パーマロイの体積抵抗は10−7[Ω・m]であり、比透磁率は10,000であった。
(C1)炭素繊維
繊維充填剤(C)として、炭素繊維(C1)を用いた。より詳細には、平均直径が7μmであり、平均長さが4mmであり、体積抵抗が10−5[Ω・m]であり、引っ張り剛性が200GPaである、ピッチ(PITCH)系炭素繊維を用いた。
(C2)ガラス繊維
繊維充填剤(C)として、ガラス繊維(C2)を用いた。より詳細には、平均直径が10μmであり、平均長さが3mmであり、熱可塑性樹脂(A)として用いたPPSとの界面接着力を良好にするためにシラン系相溶化剤で表面コーティングされたガラス繊維を用いた。
(D)カーボン系充填剤
カーボン系充填剤(D)として、カーボンナノチューブを用いた。より詳細には、平均直径が9.5nmであり、平均長さが1.5μmであり、純度が90%である多層カーボンナノチューブを用いた。
これらの各構成成分を表1の実施例1〜6および比較例1に示した組成で混合して、樹脂組成物を製造した後、通常の二軸押出機と射出機を利用して物性測定のための試験片を製造した。
<物性測定>
製造された試験片に対して、ASTM D257に従って表面抵抗を測定した。
曲げ強度は、1/4”の厚さでASTM D790規格に従って測定した。
ノッチアイゾットは、1/8”の厚さでASTM D256規格に従って測定した。
EMI遮蔽率は、ローデ・シュワルツ(ROHDE & SCHWARZ)社製のスペクトル分析器を用いて測定した。
上記物性測定の結果を、下記表1に示す。
Figure 2010155993
表1の実施例1〜6によると、繊維充填剤(C)として用いられた炭素繊維(C1)は、主に剛性および電気伝導性に寄与し、カーボン系充填剤(D)は、電気伝導性に大きく寄与をし、繊維充填剤(C)として用いられたガラス繊維(C2)は、物性補強、特に衝撃強度に寄与し、無機物(B)として用いられたパーマロイは、炭素繊維(C1)およびカーボンナノチューブでは限界があったEMI/RFI遮蔽特性を格段に向上させることが確認された。
一方、パーマロイを用いなかった比較例1では、EMI/RFI遮蔽特性が低くなることが示された。
以上の結果より、本発明によると、電気伝導性であり高透磁率である無機物、繊維充填剤、選択的に添加されるカーボン系充填剤の最適化された混合を通じて、高剛性、高電気伝導性、そしてEMI/RFI遮蔽特性を有する多機能性樹脂組成物が提供されることが示された。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更しない範囲において、他の具体的な形態で実施されうることを理解できるであろう。したがって、以上に記載した実施形態は、全ての面で例示的なものであり、限定的でないものと理解すべきである。

Claims (18)

  1. 熱可塑性樹脂(A)、
    10−3Ω・m以下の体積抵抗と5,000以上の比透磁率とを有する無機物(B)、および
    繊維充填剤(C)を含む、樹脂組成物。
  2. カーボン系充填剤(D)をさらに含む、請求項1に記載の樹脂組成物。
  3. 前記樹脂組成物の全質量100質量%に対して、
    前記熱可塑性樹脂(A)の含有量が40〜80質量%であり、
    前記・無機物(B)の含有量が3〜20質量%であり、
    前記繊維充填剤(C)の含有量が5〜40質量%である、請求項1または2に記載の樹脂組成物。
  4. 前記樹脂組成物の全質量100質量%に対して、
    前記熱可塑性樹脂(A)の含有量が40〜80質量%であり、
    前記無機物(B)の含有量が3〜20質量%であり、
    前記繊維充填剤(C)の含有量が5〜40質量%であり、
    前記カーボン系充填剤(D)の含有量が0.05〜10.0質量%である、請求項2に記載の樹脂組成物。
  5. 前記繊維充填剤(C)は、炭素繊維、ガラス繊維、ホウ素繊維、合成アミド繊維、液晶ポリエステル繊維からなる群から選択された少なくとも1種を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  6. 前記カーボン系充填剤(D)は、カーボンナノチューブ、カーボンブラックおよびカーボンナノ繊維からなる群から選択された少なくとも1種を含む、請求項2または4に記載の樹脂組成物。
  7. 前記熱可塑性樹脂(A)は、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド−イミド、ポリエーテルスルホン、液晶高分子、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリオレフィン、ABS樹脂、ポリスチレン、およびシンジオタクチックポリスチレンからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  8. 前記熱可塑性樹脂(A)は、結晶性熱可塑性樹脂である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  9. 前記繊維充填剤(C)は、平均直径が1〜20μmであり、平均長さが1〜15mmである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  10. 前記繊維充填剤(C)が炭素繊維を含む場合において、前記炭素繊維の体積抵抗が10−3Ω・m以下であり、引っ張り強度が100GPa以上である、請求項5〜8のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  11. 前記カーボン系充填剤(D)がカーボンナノチューブを含む場合において、前記カーボンナノチューブの平均外径が1〜50nmであり、平均長さが10nm〜20μmである、請求項6〜10に記載の樹脂組成物。
  12. 前記カーボンナノチューブは、単一壁カーボンナノチューブ、二重壁カーボンナノチューブ、および多重壁カーボンナノチューブからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項11に記載の樹脂組成物。
  13. 前記・無機物(B)は、ニッケル−鉄合金類である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の樹脂組成物。
  14. 前記ニッケル−鉄合金類は、ミューメタル、パーマロイからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項13に記載の樹脂組成物。
  15. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の樹脂組成物を成形してなる、プラスチック成形品。
  16. 電磁波遮蔽率が15〜50dBである、請求項15に記載のプラスチック成形品。
  17. ASTM D257に従って測定した表面抵抗が10〜10Ω/□である、請求項15または16に記載のプラスチック成形品。
  18. 1/4”の厚さでASTM D790に従って測定した曲げ強度が12〜30GPaであり、1/8”の厚さでASTM D256に従って測定したノッチアイゾット衝撃強度が25〜70J/mである、請求項15〜17のいずれか1項に記載のプラスチック成形品。
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