JP2015071287A - 樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーを樹脂シートの厚さ方向に配向させた樹脂シートの効率的な製造方法を提供する。
【解決手段】連続する上下方向の隙間Ｘの第一ギャップ４及び上下方向の隙間Ｙの第二ギャップ６を有するＴダイを用い（ただし、Ｘ＜Ｙ）、厚み方向に配向したフィラーを含む樹脂シートを製造する方法であって、前記フィラーを含む樹脂シートの樹脂組成物を、前記第一ギャップ４を通過させて、面方向に配向した前記フィラーを含む樹脂シート前駆体を得る第一工程と、前記第二ギャップ６において、前記第一ギャップを通過した前記樹脂シート前駆体を、押出方向に対して略垂直な方向に折り畳みながら融着させて樹脂シートを得る第二工程と、を有することを特徴とする樹脂シートの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は樹脂成形品の製造方法に関し、より具体的には、樹脂シート等の樹脂成形品に熱伝導性、導電性、耐摩耗性等の機能を付与するためのフィラーを樹脂成形品の厚さ方向に配向させた樹脂成形品の好適な製造方法に関する。

近年、電子機器の高密度化・薄型化が急速に進み、ＩＣやパワー部品、高輝度ＬＥＤから発生する熱の影響が重大な問題となっている。これに対し、発熱体と放熱体の間に熱を効率よく伝達する部材として、熱伝導性樹脂成形品（シート）の利用が進んでいる。また、熱伝導性樹脂シート以外にも機能性フィラーを厚さ方向に配向させた樹脂シートの例として、電気接点、ワイヤレス給電等に用いられる導電性シート、歩行時の滑り防止に用いるための滑り止めシート等が知られている。

例えば、樹脂に高い熱伝導性の機能を付与する手段として、効率よく熱伝導パスを形成するために、熱伝導性フィラーを樹脂中に配向分散させることが知られている。例えば、特許文献１（特開平０８−２４４０９４号公報）においては、樹脂及び／又はゴムと鱗片状粒子を含む混練物を複数の帯状可塑物に押出成型しながらそれらをリップで集成しシート化した後硬化させるか、又はシート化しながら硬化させる製造方法が提案されている。

また、例えば、特許文献２（特開２０１０−１３２８６６号公報）においては、黒鉛粒子及び／又は六方晶窒化ほう素粒子の面方向、楕球の長軸方向又は棒の長軸方向が、熱伝導性樹脂シートの厚み方向に配向している熱伝導性樹脂シートが開示されている。

ここで、発熱体から放熱体に効率よく熱を放出させるためには、厚さ方向に熱伝導性フィラーが高配向した熱伝導性樹脂シートを製造することが望ましい。例えば、特許文献３（特開昭６０−２１９０３４号公報）においては、弾性体シート内に短繊維群をシート長手方向に配向埋設したシートを、シート幅方向にシート面より垂直方向に裁断して帯状小片群を形成し、当該帯状小片の側面同士を接合してなる厚さ方向にフィラーが配向したシートの製造方法が提案されている。

また、特許文献４（特開２０１２−２３３３５号公報）においても、ポリマー、熱伝導性フィラー、及び充填剤を含有する熱伝導性組成物を押出機で押出すことにより、当該熱伝導性フィラーが押出し方向に沿って配向した押出成形物を成形する押出成形工程と、当該押出成形物を硬化させて硬化物を得る硬化工程と、当該硬化物を、超音波カッターを用いて押出し方向に対し垂直方向に所定の厚みに切断する切断工程と、を少なくとも含む熱伝導性樹脂シートの製造方法が開示されている。

特開平０８−２４４０９４号公報 特開２０１０−１３２８６６号公報 特開昭６０−２１９０３４号公報 特開２０１２−２３３３５号公報

しかしながら、上記特許文献に記載されている従来技術においては、樹脂シートの製造工程が煩雑であり、積層工程や切断工程のために設備及び加工工数が増加してしまう。特に、積層工程ではプレスが必須であり、連続成型性が損なわれ、量産化に対応できないという問題があった。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、フィラーを樹脂成形品の厚さ方向に配向させた樹脂成形品の効率的な製造方法を提供することにある。

本発明者は上記課題を解決すべく、樹脂成形品の製造方法について鋭意研究を重ねた結果、Ｔダイ内部において、フィラーが配向した樹脂成形品を垂直方向に折り畳むことにより、厚み方向にフィラーが配向した成形品を効率的に得ることができることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
連続する上下方向の隙間Ｘの第一ギャップ及び上下方向の隙間Ｙの第二ギャップを有するＴダイを用い（ただし、Ｘ＜Ｙ）、厚み方向に配向したフィラーを含む樹脂成形品を製造する方法であって、
前記フィラーを含む樹脂成形品の樹脂組成物を、前記第一ギャップを通過させて、面方向に配向した前記フィラーを含む樹脂成形前駆体を得る第一工程と、
前記第二ギャップにおいて、前記第一ギャップを通過した前記樹脂成形前駆体を、押出方向に対して略垂直な方向に折り畳みながら融着させて樹脂成形品を得る第二工程と、
を有することを特徴とする樹脂成形品の製造方法を提供する。

第一ギャップの隙間Ｘは０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましく、第二ギャップの隙間Ｙは第一ギャップの隙間Ｘの２倍以上２０倍以下であることが好ましい。

フィラーは、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の材料を用いることができるが、樹脂組成物におけるフィラーの体積充填率が３０〜７０体積％であることが好ましい。また、フィラーの熱伝導率は高ければ高いほど好ましく、少なくとも、基材の樹脂よりは高いことが望まれる。また、フィラーを効率よく樹脂中に配向させるという観点から、フィラーのアスペクト比は２以上であることが好ましい。

このような構成を有する製造方法によれば、Ｔダイ内部で、フィラーが面方向に配向した樹脂成形前駆体が押出し方向に対して略垂直な方向に折り畳まれながら融着し、極めて効率よくフィラーが厚さ方向に配向した樹脂成形品を製造することができる。

本発明によれば、厚さ方向にフィラーが配向した樹脂成形品（例えば、シート、板材、棒材、チューブ、筐体等）の、効率的な製造方法を提供することができる。より具体的には、本発明によれば、厚さ方向にフィラーが配向した熱伝導性樹脂シート、導電性樹脂シート、又は、滑り止め樹脂シートの、効率的な製造方法を提供することができる。

本発明の樹脂シートの製造方法の概念図（Ｔダイの側面図）である。 実施例１で製造した樹脂シートの概観写真である。 実施例１で製造した樹脂シートの断面ＳＥＭ写真である。 実施例２で製造した樹脂シートの断面ＳＥＭ写真である。

以下、本発明の樹脂成形品の製造方法の好適な実施形態のうちの、樹脂成形品が熱伝導性樹脂シートである場合について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

図１は、本発明の樹脂シートの製造方法の概念図であり、押出機の先端部分及びＴダイの断面概略図が示されている。熱伝導性フィラーを含む樹脂シートの樹脂組成物は、スクリュー２によって撹拌・混練され、流路８に沿って第一ギャップ４（隙間Ｘ）に導入される。

樹脂組成物の流れは第一ギャップ４によって上下方向（厚さ方向）にしぼり込まれ、薄い帯状となる。第一ギャップ４を通過する際、樹脂組成物にせん断力が作用し、樹脂中に混合されている熱伝導性フィラーが樹脂組成物の流れ方向に配向することとなる。この場合、熱伝導性フィラーは樹脂シート前駆体の面方向に配向する。

ここで、第一ギャップ４の隙間は０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。第一ギャップ４の隙間が０．５ｍｍよりも小さいと、押出し圧力が不必要に上昇するだけでなく、樹脂詰まりが発生してしまう。一方、第一ギャップ４の隙間が５．０ｍｍよりも大きいと、樹脂シート前駆体の面方向に対する熱伝導性フィラーの配向度が減少する結果となる。

樹脂組成物の流れ方向に熱伝導性フィラーが配向された厚さの薄い樹脂シート前駆体が、第一ギャップ４を完全に通過すると、流路８の断面積が拡大し、上下方向の長さが長くなるため、樹脂シート前駆体の流れは上下方向に変化する。その後、当該樹脂シート前駆体は、第二ギャップ６を通過する際に、第一ギャップ４における流れの方向に対して略垂直な方向に折り畳まれながら融着し、樹脂シートが成型される。

ここで、第二ギャップ６の隙間Ｙは第一ギャップ４の隙間Ｘの２倍以上２０倍以下であることが好ましい。第二ギャップ６の隙間が第一ギャップ４の隙間の２倍よりも小さい場合は、樹脂シート前駆体が折り畳まれないために、熱伝導性フィラーが樹脂シートの厚さ方向に配向しない。これに対し、第二ギャップ６の隙間が第一ギャップ４の隙間の１０倍よりも大きな場合も、樹脂シート前駆体がきれいに折り畳まれず、部分的に乱流した状況となり、樹脂シートの厚さ方向に配向する熱伝導性フィラーの割合が減少してしまう。なお、前記樹脂シート前駆体を厚さ方向に均等に折り畳みやすくする観点から、第一ギャップ４の隙間Ｘの厚さ方向中心と、第二ギャップ６の隙間Ｙの厚さ方向中心とを略同一の位置にすることが好ましい。

第一ギャップ４における開口部の形状は、特に規定されないが、上流側側面は圧力損失が少ないように傾斜面とすることが好ましく、下流側側面については最も効率よく熱伝導性フィラーを樹脂シートの厚さ方向に配向させるために、傾斜角度を調整することが望ましい。当該傾斜角度としては、例えば、１０°〜５０°とすることができ、更には、２０°〜２５°であるのが好ましい。また、上下共に傾斜を有している必要はなく、どちらか一方のみが傾斜を有していてもよい。なお、第一ギャップ４及び第二ギャップ６の開口部の奥行（即ち、図１において紙面に略垂直な方向における第一ギャップ４及び第二ギャップ６の隙間）は、Ｔダイの全体にわたって略同一である。また、第一ギャップ及び第二ギャップにおける開口部の幅は特に規定されず、樹脂シートの製品幅に応じて種々の設計変更が可能である。

樹脂としては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、又はこれらのポリマーアロイ等を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のエチレン−α−オレフィン共重合体；ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアセタール、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂；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、ポリエチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、脂肪族ポリアミド類、芳香族ポリアミド類、ポリアミドイミド、ポリメタクリル酸又はそのエステル、ポリアクリル酸又はそのエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマー、シリコーン樹脂、アイオノマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

熱可塑性エラストマーとしては、例えばスチレン−ブタジエン共重合体又はその水添ポリマー、スチレン−イソプレンブロック共重合体又はその水添ポリマー等のスチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

また、上述の樹脂に加え、補強剤、充填剤、軟化剤、可塑剤、架橋剤、架橋促進剤、架橋促進助剤、老化防止剤、粘着付与剤、帯電防止剤、練り込み接着剤、難燃剤、カップリング剤等の一般的な配合・添加剤は任意に選択することができる。

熱伝導性フィラーの例としては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の材料を用いることができ、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、黒鉛、炭素繊維、雲母、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、シリカ、酸化亜鉛、二硫化モリブデン、銅、アルミニウムなどが挙げられるが、熱伝導効果が優れる点で、窒化ホウ素（ＢＮ）、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることが好ましい。

熱伝導性フィラーの形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば鱗片状、板状、膜状、円柱状、角柱状、楕円状、扁平形状などが挙げられるが、熱伝導パスを形成する観点及び樹脂中で配向しやすいとう観点から、アスペクト比が２以上であることが好ましい。また、樹脂に対する熱伝導性フィラーの割合は２０〜８０体積％とすることができ、必要とされる熱伝導率等に応じて、適宜決定することができる。なお、熱伝導性フィラーの割合が２０体積％未満の場合は、熱伝導効果が小さくなる。また、熱伝導性フィラーの割合が８０体積％を超えると、樹脂シート前駆体が第一ギャップを通過する際に、第一ギャップにおける流れの方向に対して略垂直方向に折り畳まれるものの、樹脂間が融着しづらくなるという不具合が生じる。したがって、樹脂シートの熱伝導効果を高めて、かつ押出成形を容易にするために、樹脂基材に対する熱伝導性フィラーの割合は３０〜７０体積％とすることが好ましく、５０〜６５体積％とすることがより好ましい。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、かかる設計変更も本発明に含まれる。例えば、熱伝導性以外の種々の特徴を有するフィラーを樹脂シートの厚さ方向に配向させるためにも当然に用いることができる。以下において、実施例及び比較例を用いて本発明をより具体的に説明する。

≪実施例１≫
表１に記載の配合にて、フッ素ゴム（旭硝子：アフラス１５０Ｌ １００重量部）に対して窒化ホウ素（ＢＮ）フィラー（モメンティブ：ＴＰ１１０）、パーオキサイド架橋剤（日本油脂：ペロキシモンＦ１００ ５重量部）、及び架橋促進剤を２本ロールで練り込み、リボンシートを作製した。フッ素ゴムに対する窒化ホウ素（ＢＮ）フィラーの体積分率は６０％とした。なお、窒化ホウ素（ＢＮ）フィラーのサイズ最大値は１５０μｍであった。ここで、窒化ホウ素（ＢＮ）フィラーのサイズ最大値とは、フィラー直径の最大値を意味する。

次に、当該リボンシートをゴム用短軸押出機にて、１ｍｍの第一ギャップ及び１０ｍｍの第二ギャップを有する垂直配向金型を用いて、厚さ１０ｍｍのシートを作製し、１８０℃で１０分間の架橋処理を施した。当該シートをスライス加工し、厚さ１００μｍの熱伝導測定用シートを作製した。なお、シートの熱伝導率はアイフェイズ社製のアイフェイズ・モバイル１μにて測定した。得られた熱伝導率は表１に示す通りである。なお、熱伝導率はシート厚みに依存しない（熱抵抗は厚さに反比例する。）。

上記垂直金型通過後のシート概観を図２に示す。第一ギャップを通過したシートが第二ギャップを通過する際に、第一ギャップにおける流れの方向に対して略垂直な方向に折り畳まれながら融着し、樹脂シートが成型されていることが確認できる。

実施例１で得られたシートの断面ＳＥＭ写真を図３に示す。シートの厚さ方向（ＳＥＭ写真の上下方向）に窒化ホウ素（ＢＮ）フィラーが配向しており、厚さ方向にフィラーが高配向したシートが得られていることが確認できる。なお、ＳＥＭ観察にはＨＩＴＡＣＨＩ製の走査型電子顕微鏡（Ｓ−４８００）を用いた。

≪実施例２≫
表１に記載の配合にて、Ｈ−ＮＢＲ（ＺＥＯＮ・Ｚｅｔｐｏｌ１０３６ ５０％）に対して炭素繊維（ＣＦ、帝人（株）：ラヒーマＲＡ３０１）、架橋剤、及び架橋促進剤を２本ロールで練り込み、リボンシートを得た。ベースポリマーに対する炭素繊維の体積分率は５０％とした。なお、炭素繊維のサイズ最大値は８００μｍであった。ここで、炭素繊維のサイズ最大値とは、繊維長手方向の最大値（繊維長）を意味する。

次に、当該リボンシートをゴム用短軸押出機にて、０．５ｍｍの第一ギャップ及び１ｍｍの第二ギャップを有する垂直配向金型を用いて、厚さ１ｍｍのシートを作製し、１８０℃で１０分間の架橋処理を施した。当該シートをスライス加工し、厚さ１００μｍの熱伝導測定用シートを作製した。なお、シートの熱伝導率はアイフェイズ社製のアイフェイズ・モバイル１μにて測定した。得られた熱伝導率は表１に示す通りである。

実施例２で得られたシートの断面ＳＥＭ写真を図４に示す。シートの厚さ方向（ＳＥＭ写真の上下方向）に炭素繊維が配向しており、厚さ方向にフィラーが高配向したシートが得られていることが確認できる。なお、ＳＥＭ観察にはＨＩＴＡＣＨＩ製の走査型電子顕微鏡（Ｓ−４８００）を用いた。

≪実施例３≫
表１に記載の配合にて、アクリルゴム（ＮＯＫ社：Ａ５０９８ １００重量部）に対して炭素繊維（ＣＦ、日本グラファイトファイバー（株）：グラノック ＸＮ１００（３ｍｍ））、パーオキサイド架橋剤（大内新興化学工業（株）：バルノックＡＢＳ ２重量部）、及び架橋促進剤を２本ロールで練り込み、リボンシートを得た。ベースポリマーに対する炭素繊維の体積分率は６０％とした。なお、炭素繊維のサイズ最大値は３ｍｍであった。ここで、炭素繊維のサイズ最大値とは、繊維長手方向の最大値（繊維長）を意味する。

次に、当該リボンシートをゴム用短軸押出機にて、０．５ｍｍの第一ギャップ及び１ｍｍの第二ギャップを有する垂直配向金型を用いて、厚さ１ｍｍのシートを作製し、１８０℃で１０分間の架橋処理を施した。当該シートをスライス加工し、厚さ１００μｍの熱伝導測定用シートを作製した。なお、シートの熱伝導率はアイフェイズ社製のアイフェイズ・モバイル１μにて測定した。得られた熱伝導率は表１に示す通りである。

≪実施例４≫
表１に記載の配合にて、シリコーン樹脂（東レダウコーニング株式会社製のシリコーンゴム ＤＹ３２ １００５Ｕ １００重量部）に対して炭素繊維（ＣＦ、日本グラファイトファイバー（株）：グラノック ＸＮ１００（３ｍｍ））及び架橋剤（東レダウコーニング株式会社製のＲＣ−４ ５０Ｐ ＦＤ ５重量部）を２本ロールで練り込み、リボンシートを得た。シリコーン樹脂に対するピッチ系炭素繊維フィラーの体積分率は６５％とした。なお、用いたピッチ系炭素繊維フィラーの長さは３０００μｍであった。

次に、当該リボンシートをゴム用短軸押出機にて、１．０ｍｍの第一ギャップ及び１０ｍｍの第二ギャップを有する垂直配向金型を用いて、厚さ１ｍｍのシートを作製し、１８０℃で１０分間の架橋処理を施した。当該シートをスライス加工し、厚さ１００μｍの熱伝導測定用シートを作製した。なお、シートの熱伝導率はアイフェイズ社製のアイフェイズ・モバイル１μにて測定した。得られた熱伝導率は表１に示す通りである。

表１に示すシートの厚さ方向における熱伝導率は１５〜８０Ｗ／ｍＫと高い値を有しており、本発明を用いてフィラーをシートの厚さ方向に効率よく配向させることで、高熱伝導率を有する放熱シートを簡易に作製できることがわかる。

Claims (4)

1. 連続する上下方向の隙間Ｘの第一ギャップ及び上下方向の隙間Ｙの第二ギャップを有するＴダイを用い（ただし、Ｘ＜Ｙ）、厚み方向に配向したフィラーを含む樹脂成形品を製造する方法であって、
   前記フィラーを含む樹脂成形品の樹脂組成物を、前記第一ギャップ通過させて、面方向に配向した前記フィラーを含む樹脂成形前駆体を得る第一工程と、
   前記第二ギャップにおいて、前記第一ギャップを通過した前記樹脂成形前駆体を、押出方向に対して略垂直な方向に折り畳みながら融着させて樹脂成形品を得る第二工程と、
   を有することを特徴とする樹脂成形品の製造方法。
2. 前記第一ギャップが０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であり、
   前記第二ギャップが前記第一ギャップの２倍以上２０倍以下であること、
   を特徴とする請求項１に記載の樹脂成形品の製造方法。
3. 前記樹脂組成物における前記フィラーの体積充填率が３０〜７０体積％であること、
   を特徴とする、請求項１又は２に記載の樹脂成形品の製造方法。
4. 前記樹脂成形品が、熱伝導性樹脂シート、導電性樹脂シート、又は、滑り止め樹脂シートである請求項１〜３のうちのいずれかに記載の樹脂成形品の製造方法。