JP2015209480A - フッ素樹脂組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、低い熱膨張係数を有するフッ素樹脂組成物を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、20〜70重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、80〜20重量%のシリカ粒子とを含むフッ素樹脂組成物であって、前記シリカ粒子は、鱗片形状シリカ1次粒子が平行的に複数枚重なって形成される葉形状シリカ2次粒子、前記葉形状シリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状3次粒子、またはそれらの混合物から構成され、
前記鱗片形状シリカ1次粒子の厚さは0.001〜0.1μmであり、前記葉形状シリカ2次粒子の厚さは0.001〜3μmであり、前記葉形状シリカ2次粒子の長さの厚さに対する比(アスペクト比)が2〜300であることを特徴とするフッ素樹脂組成物である。
【選択図】なし

Description

本発明は、低い熱膨張係数を有するフッ素樹脂組成物に関するものである。
フッ素樹脂、特に側鎖の水素が全てフッ素に置換されたパーフルオロフッ素樹脂は、耐熱性、耐薬品性、高周波電気特性、非粘着性、難燃性などの優れた特徴を有するため、酸、アルカリなどの薬液、溶剤、塗料などの移送用の配管、薬液貯蔵容器やタンクなどの化学工業製造用品、チューブ、ローラ、電線やプリント回路基板の材料など電気工業用品等にも広く利用されている。しかしながら、プリント回路基板の材料としてフッ素樹脂を用いる場合には、フッ素樹脂の熱膨張係数(CTE)が大きいため、ガラスクロスや充填材(フィラー)などを高い密度で充填する必要がある。また、プリント回路基板の材料としてフッ素樹脂を用いる場合には、CTEを低減させるために、耐熱性繊維布(ガラスクロス)を基材として、フッ素樹脂分散液を含浸・焼成した複合素材を用いるケースが一般的である(特許文献1、2)。しかしながら、耐熱性繊維布(ガラスクロス)を基材とすると、工程の複雑化による生産性の悪化やコスト増加や、基材の存在による加工性の低下、といった問題が生じる。
また、耐熱性繊維布(ガラスクロス)を基材としない材料の例としては、特許文献3では、金属導体上に、フッ素樹脂を主成分とする誘電体層が形成され、誘電体層に中空のガラスビーズが含有されていることを特徴とするフッ素樹脂基板が開示されている。しかしながら、低いCTEを得るために、高圧でプレスし、その後に放射線(架橋)処理という特別な加工を必要としている。
また、特許文献4では、フッ素樹脂に、第1フィラーとして中空無機微小球、第2フィラーとして多孔質無機粒子を混合した組成物が開示されている。しかしながら、この場合も、2種類の異なるフィラーを必要とする。また、フッ素樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を使用することを前提とするものである。
特許4827460号公報 特許4126115号公報 特開2013−201344号公報 特開1994−119810号公報 特許4063464号公報 特開平11−29317号公報 特開2000−72432号公報
本発明は、低い熱膨張係数(CTE)を有し、特に高周波信号伝送用プリント回路基板の材料に適した熱溶融性フッ素樹脂組成物を提供することを課題とする。
本発明は、20〜70重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、80〜30重量%のシリカ粒子とを含むフッ素樹脂組成物であって、シリカ粒子は、鱗片形状シリカ1次粒子が平行的に複数枚重なって形成される葉形状シリカ2次粒子、葉形状シリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状3次粒子、またはそれらの混合物から構成され、
鱗片形状シリカ1次粒子の厚さは0.001〜0.1μmであり、葉形状シリカ2次粒子の厚さは0.001〜3μmであり、葉形状シリカ2次粒子の長さの厚さに対する比(アスペクト比)が2〜300であることを特徴とするフッ素樹脂組成物である。本発明では、この熱溶融性フッ素樹脂と、シリカ粒子との比率は、30〜60重量%:70〜40重量%であることが好ましく、35〜55重量%:65〜45重量%であることが更に好ましい。
本発明では、熱溶融性フッ素樹脂が、パーフルオロ樹脂であることが好ましい。また、本発明は、本発明のフッ素樹脂組成物を成形してなるシートである。さらに、本発明は、本発明のシートを金属箔に積層してなる積層体である。また、本発明は、本発明のシートから製造されたプリント回路基板、および、摺動材、シール材、または同軸ケーブル被覆材である。
本発明により、低い熱膨張係数(CTE)を有するフッ素樹脂組成物が提供される。そして、本発明のフッ素樹脂組成物は、高周波信号伝送用のプリント回路基板、同軸ケーブル被覆材料などに特に好適であり、また温度変動の大きな環境下での摺動材、シール材としても有用である。
以下、本発明のフッ素樹脂組成物の組成、製造方法等について、詳細に説明する。
(1)熱溶融性フッ素樹脂
本発明で使用する「熱溶融性フッ素樹脂」としては、熱溶融性フッ素樹脂として知られている樹脂の中から適宜選択することができる。例えば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ビニリデンフルオライドおよびビニルフルオライドから選ばれるモノマーの重合体又は共重合体、または、これらモノマーとエチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテン、ヘキセン等の2重結合を有するモノマーや、アセチレン、プロピン等の3重結合を有するモノマーとの共重合体などを挙げることができる。具体的な熱溶融性フッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレン・パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体などを挙げることができる。
これらの熱溶融性フッ素樹脂の中では、特にPFAやFEP、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体といったパーフルオロ樹脂が、耐熱性、電気特性(誘電率、誘電損失)の観点から好ましく用いられる。PFAを使用する場合、PFA中のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)のアルキル基は、炭素数が1〜5であることが好ましく、1〜3であることがより好ましい。
本発明で使用する熱溶融性フッ素樹脂は、PFAやFEPを用いる場合であれば、そのメルトフローレート(MFR)は、2〜100g/10分であることが好ましく、5〜70g/10分であることが更に好ましく、10〜50g/10分であることが特に好ましい。
(2)シリカ粒子
本発明で使用する「シリカ粒子」は、鱗片形状シリカ1次粒子が平行的に複数枚重なって形成される葉形状シリカ2次粒子、葉形状シリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状3次粒子、またはそれらの混合物から構成されるものである。そして、鱗片形状シリカ1次粒子の厚さは0.001〜0.1μmである。また、葉形状シリカ2次粒子の厚さは0.001〜3μmであり、葉形状シリカ2次粒子の長さの厚さに対する比(アスペクト比)が2〜300である。このような葉形状シリカ2次粒子、および、花びら形状3次粒子は、具体的には、例えば、特許文献5に記載されている方法で製造できる。
本発明で使用する葉形状シリカ2次粒子は、薄片1次粒子が互いに面間が平行的に配向して複数枚重なって形成される葉形状シリカ2次粒子から実質的になる積層構造の粒子形態を有するものである。そして、薄片1次粒子は、その厚さが0.001〜0.1μmのものである。なお、この厚みは、0.1μm以下程度であれば問題なく、葉状シリカ2次粒子の厚さ、粒径から推定できる。このような薄片1次粒子は、互いに面間が平行的に配向して1枚または複数枚重なった葉状シリカ2次粒子を形成する。また、この2次粒子の厚さは、0.001〜3μm、好ましくは0.005〜2μmである。また、厚さに対する葉形状2次粒子(板)の最長長さの比(アスペクト比)は、少なくとも10、好ましくは30以上、さらに好ましくは50以上のものであり、厚さに対する葉状2次粒子(板)の最小長さの比は、少なくとも2、好ましくは5以上、さらに好ましくは10以上を有するような鱗片形状のシリカである。この2次粒子は、融着することもなく互いに独立に存在している。葉形状2次粒子の厚さに対する最長長さの比及び最小長さの比の上限は、特に規定するものではないが、前者は300以下、好ましくは200以下が実際的であり、後者は150以下、好ましくは100以下が実際的である。
上記のように、本発明で使用する葉形状2次粒子の厚さ及び長さは、特に断らないかぎり、その2次粒子についての平均値を意味する。なお、本発明において、鱗片形状とは、粒子が実質的に薄い板状の形態を有しているものであればよく、これがさらに、部分的又は全体的に曲りがあり、またはねじれていてもよい。葉形状シリカ2次粒子は、シリカの3次凝集体粒子(3次粒子)を解砕して得るものであるが、まずその前駆粒子となるシリカ3次凝集体粒子は、以下の方法で製造できる。
例えば、第一の方法は、シリカ源及びアルカリ源を特定量含むシリカゾル、すなわちコロイダルシリカの水分散体を出発原料として水熱処理せしめることにより、シリカ−X等のシリカ3次凝集体粒子を、より短時間で安定性よく工業的に製造する方法である(特許文献6)。この方法に従えば、葉形状シリカ2次粒子が3次元的に不規則に重なり合って形成される間隙を有する3次粒子である凝集体がそのまま得られる。一方、第二の方法は、シリカヒドロゲルを出発物質として、アルカリ金属塩の存在下で水熱処理する方法であって、本発明におけるシリカ3次凝集体粒子であるシリカ−X、シリカ−Y等をより低温度・短時間反応で、クオーツ等の結晶を生成させること無く、しかも収率高く製造することができる(特許文献7)。
以上のごとくして、シリカゾルを水熱処理する第一の方法やシリカヒドロゲルを水熱処理する第二の方法で得られた水熱処理生成物のケーキを、濾過・水洗した状態の粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察すると、個々の葉形状2次粒子が3次元的に不規則に重なり合って形成される間隙を有する3次粒子であるシリカ凝集体粒子を形成していることが識別できる。
このように一旦製造したシリカ3次凝集体粒子を、種々の手段により解砕して葉形状シリカ2次粒子とすることができる。葉形状シリカ2次粒子としては、まず、葉形状2次粒子を水スラリーとして得ることができる。例えば、水スラリー状のシリカ3次凝集体粒子を解砕し、2次粒子スラリーとすることができる。この際、葉形状シリカ2次粒子の透過型電子顕微鏡により観察して、極薄片1次粒子及び該1次粒子が面間で平行的に配向して複数枚重なった葉形状2次粒子であることが確認できる。また、シリカ3次凝集体粒子からなる乾燥粉末を製造し、次いで、それを湿式粉砕(解砕)して、葉形状シリカ2次粒子のスラリーとすることもできる。以上は、2次粒子スラリーを得るものであるが、これを乾燥粒子として得ることも出来る。
また、葉形状シリカ2次粒子の乾燥微粉末を得る方法としては、例えば、以下の方法を使用することができる。葉形状シリカ2次粒子の水スラリーは、すでに述べたように乾燥操作の際に粒子同士が極めて凝集しやすいという特異的な性質をもっている。乾燥装置として、噴霧乾燥機を用いて、得られた本発明で使用する葉形状シリカ2次粒子からなる水スラリーを乾燥し、かつ、供給スラリー中のSiO濃度を、1〜5質量%、好ましくは1〜3質量%に調整して噴霧乾燥することにより、初めて、十分に分散した平均粒子径1〜10μmの葉形状2次粒子が得られる。このようにして、上記葉形状シリカ2次粒子の水スラリーから2次粒子乾燥粉末を得ることができる。また、単分散された葉形状シリカ2次粒子の乾燥粉末は、水スラリーを、上記と同様に噴霧乾燥機に、水スラリーを供給し乾燥することにより、上記葉形状2次粒子の水スラリーから乾燥された本発明で使用される葉形状シリカ2次粒子を得ることができる。さらに、シリカ凝集体粒子からなる乾燥粉末を製造し、次いで、それを乾式粉砕(解砕)して、葉形状シリカ2次粒子の微粉末とすることもできる。
本発明で使用するシリカ粒子は、上記のようにして製造することも出来るし、例えば、AGCエスアイテック株式会社から販売されている同様の物性を有するシリカ粒子(サンラブリー:商品名)を使用してもよい。
本発明で使用するシリカ粒子は、葉形状のシリカ2次粒子および、花びら形状のシリカ3次粒子の表面に疎水化処理等を施しても良い(例えば、特許文献4)。本発明で使用するシリカ粒子としては、葉形状のシリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状の3次粒子を使用することが特に好ましい。葉形状シリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状の3次粒子を用いた場合には、フッ素樹脂組成物を溶融成形する際に、溶融したフッ素樹脂が花びら形状を構成する葉形状のシリカ2次粒子間の隙間に入り込み、構造を強化して、固定することから、CTEを小さくすることができる。
(3)熱溶融性フッ素樹脂と、シリカ粒子との組成比率(重量比)
本発明のフッ素樹脂組成物は、20〜70重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、80〜30重量%のシリカ粒子とを含むことを特徴とするものである。この熱溶融性フッ素樹脂と、シリカ粒子との比率は、30〜60重量%:70〜40重量%であることが好ましく、35〜55重量%:65〜45重量%であることが更に好ましい。熱溶融性フッ素樹脂の比率が、70重量%より多い(即ち、シリカ粒子の比率が、30重量%よりも少ない)場合、所望する低い熱膨張係数を得ることができない。また、熱溶融性フッ素樹脂の比率が、20重量%より少ない(即ち、シリカ粒子の比率が、80重量%より多い)場合、フッ素樹脂組成物の成形性・加工性が悪化し、更に、得られる成形物の強度が十分でないため好ましくない。
樹脂組成物をプリント回路基板の絶縁材料として用いる場合、信号回路として使用する銅の熱膨張係数(17ppm)と近い熱膨張係数を有する樹脂組成物を使用することが好ましい。この点からは、本発明の樹脂組成物は、成形品の熱膨張係数が、10から85ppmの範囲であるように組成比を選択することが好ましく、10から50ppmの範囲であるように組成比を選択することがより好ましく、10から30ppmの範囲であるように組成比を選択することが最も好ましい。
(4)任意の添加物
本発明のフッ素樹脂組成物には、熱溶融性フッ素樹脂とシリカ粒子の他に、その性能を損なわない範囲において、無機質粉末、ガラス繊維、炭素繊維、金属酸化物、カーボンなどの種々の充填材を配合できる。また、本発明のフッ素樹脂組成物には、充填材以外にも顔料、紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤、帯電防止剤、その他の用途に応じて任意の添加剤を配合できる。
(5)本発明のフッ素樹脂組成物の製造方法
本発明のフッ素樹脂組成物は、この組成物を構成する熱溶融性フッ素樹脂と、シリカ粒子とを常法によって混合することにより製造することができる。フッ素樹脂組成物を調製するには、上記各成分を任意の順序で一度に、または少量ずつ複数回に分けて容器内に添加し、攪拌・混合等すればよい。具体的には、例えば、熱溶融性フッ素樹脂、シリカ粒子および、任意の添加物を、乾燥状態の粉末を加えて混合する粉末混合法(ドライブレンド)、水や有機溶剤を混合媒体として混合する湿式混合、コロイド状態のフッ素樹脂分散液と充填材分散液を混合して高分散状態のまま凝集させる方法(共凝集法)、溶融混合方法を利用することができる。
溶融混合方法としては、熱溶融性フッ素樹脂の融点以上の温度にて機械的に混練することが好ましい。溶融混合は、たとえば、高温ニーダー、スクリュー式押出機、二軸押し出し機などを用いて行うことができる。このとき、溶融混合の前に、ドライブレンド・湿式混合などの方法であらかじめ熱溶融性フッ素樹脂と充填材を混合しておくことが好ましい。
そして、本発明のフッ素樹脂組成物を成形材料として用いて、溶融圧縮成形、射出成形、押出成形、共押出成形、ブロー成形、インフレーション成形、トランスファー成形、コーティング等の従来公知の成形方法により成形物を製造できる。
<原材料の物性測定>
(1)融点(融解ピーク温度)
熱溶融性フッ素樹脂の融点は、示差走査熱量計(Pyris1型DSC、パーキンエルマー社製)を用いて測定した。試料、約10mgを秤量して専用のアルミパンに入れ、専用のクリンパーによってクリンプした後、DSC本体に収納し、150℃から360℃まで10℃/分で昇温をする。この時得られる融解曲線から融解ピーク温度(Tm)を求めた。
(2)メルトフローレート(MFR)
熱溶融性フッ素樹脂のメルトフローレート(MFR)は、ASTM D−1238−95に準拠して、耐食性のシリンダー、ダイ、ピストンを備えたメルトインデクサー(東洋精機製)を用いて、5gの試料粉末を372±1℃に保持されたシリンダーに充填して5分間保持した後、5kgの荷重(ピストン及び重り)下でダイオリフィスを通して押出し、この時の押出速度(g/10分)をMFRとして求めた。
(3)熱膨張係数(CTE)
圧縮成形機(ホットプレスWFA−37、神藤金属工業所製、シリンダー径:120mm)を用いて、所定の金型(寸法直径55mm、高さ30mm)に組成物を入れ、360℃で15分間保持して樹脂を溶融させた後、圧縮成形機のシリンダー内圧(油圧)2MPa(実際の金型のプレス圧:9.52MPa)にて樹脂組成物がはみ出るまで溶融圧縮成形を行い、室温中で15分間冷却して、直径55mm、厚み2mmの円板状の成形品を得て、これを試験片として、熱機械分析装置(TMA SS7100、SII製)を用いて、熱膨張係数(X方向、Y方向、Z方向)の測定を行った。
本発明の実施例、及び比較例では、以下の原料を使用した。
<使用原料>
(1)熱溶融性フッ素樹脂
PFA1 乳化重合により得られたテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体の粉末。:MFR:40g/10分。融点304℃。
(2)シリカ粒子
花びら形状シリカ粒子:平均粒径:4μm、製品名:サンラブリー(AGCエスアイテック株式会社)(走査電子顕微鏡[SU8000(株)日立ハイテクノロジーズ]によるSEM写真から、葉形状シリカ2次粒子の厚み:10〜20nm、2次粒子の長径:0.5〜2.0μm、2次粒子の短径:0.2〜1.2μmを測定し、厚さに対する最長長さの比(アスペクト比):25〜200を算出した。なお、鱗片形状シリカ1次粒子の厚さは、2次粒子の厚み(10〜20nm)よりも薄いと推定。)
球状シリカ粒子:平均粒径:4.6μm 製品名 FB−5D(電気化学工業株式会社)。
<サンプルの作成法>
(1)実施例1
熱溶融性フッ素樹脂としてPFA(MFR:40g/10分。融点304℃。)と、シリカ粒子(充填材)としての花びら形状シリカ粒子とを、50:50の重量比率で混合して、合計量が30gとなるように配合し、コーヒーミル(山田電器工業株式会社製、BC−1752J)を用いて、常温30秒でドライブレンドをし、混合組成物を得た。そして、この組成物について前記の方法で熱膨張係数の測定を行った。何れの方向の熱膨張係数も30ppm未満であり、極めて低い値を示した。
(2)実施例2
実施例1において、PFAと花びら形状シリカ粒子との比率を、40:60の重量比率にした以外は、同様の条件で、成形品サンプルを作成し、得られたサンプルの熱膨張係数(X方向、Z方向)を測定した。実施例1と同様の極めて良好な熱膨張係数が得られた。
(3)実施例3
実施例1において、PFAと花びら形状シリカ粒子との比率を、60:40の重量比率にした以外は、同様の条件で、成形品サンプルを作成し、得られたサンプルの熱膨張係数(X方向、Z方向)を測定した。X方向およびZ方向の両方で、熱膨張係数は低下したが、X方向の値の低下は、Z方向の値程は低下しなかった。
(4)比較例1
実施例1において、PFAと花びら形状シリカ粒子との比率を、75:25の重量比率にした以外は、同様の条件で、成形品サンプルを作成し、得られたサンプルの熱膨張係数(X方向、Z方向)を測定した。X方向およびZ方向の両方で、熱膨張係数も120ppmと極めて高い値を示した。
(5)比較例2
実施例1において、PFAのみを使用して、花びら形状シリカ粒子を加えずに、同様の条件で、成形品サンプルを作成し、得られたサンプルの熱膨張係数(X方向、Y方向、Z方向)を測定した。何れの方向の熱膨張係数も120ppmと極めて高い値を示した。
(6)比較例3
実施例1において、花びら形状シリカ粒子の代わりに球状シリカを使用した以外は、同様の条件で、成形品サンプルを作成し、得られたサンプルの熱膨張係数(X方向、Y方向、Z方向)を測定した。何れの方向の熱膨張係数も70〜80ppm程度であり、シリカ粒子を全く含まない比較例2と比べると、熱膨張係数は低下した。
実施例1〜3、および比較例1〜3の結果を以下に示す。
Figure 2015209480
本発明により、熱膨張係数(CTE)が小さい、熱溶融性フッ素樹脂組成物が提供される。そして、本発明の樹脂組成物は、高周波信号伝送用のプリント回路基板、同軸ケーブル被覆材料などに特に好適に使用することができる。

Claims (8)

  1. 20〜70重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、80〜30重量%のシリカ粒子とを含むフッ素樹脂組成物であって、前記シリカ粒子は、鱗片形状シリカ1次粒子が平行的に複数枚重なって形成される葉形状シリカ2次粒子、前記葉形状シリカ2次粒子が集合して形成される花びら形状3次粒子、またはそれらの混合物から構成され、
    前記鱗片形状シリカ1次粒子の厚さは0.001〜0.1μmであり、前記葉形状シリカ2次粒子の厚さは0.001〜3μmであり、前記葉形状シリカ2次粒子の長さの厚さに対する比(アスペクト比)が2〜300であることを特徴とするフッ素樹脂組成物。
  2. 30〜60重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、70〜40重量%のシリカ粒子とを含むことを特徴とする請求項1に記載のフッ素樹脂組成物。
  3. 35〜55重量%の熱溶融性フッ素樹脂と、65〜45重量%のシリカ粒子とを含むことを特徴とする請求項1に記載のフッ素樹脂組成物。
  4. 熱溶融性フッ素樹脂が、パーフルオロ樹脂である請求項1〜3の何れか一項に記載のフッ素樹脂組成物。
  5. 請求項1〜4の何れか一項に記載のフッ素樹脂組成物を成形してなるシート。
  6. 請求項5に記載のシートを金属箔に積層してなる積層体。
  7. 請求項5に記載のシートから製造されたプリント回路基板。
  8. 請求項5に記載のシートから製造された摺動材、シール材、または同軸ケーブル被覆材。
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