JP2016500385A - 熱伝導性プラスチック - Google Patents

Abstract

【課題】望ましい特性を得るための充填剤添加プラスチック組成物の提供。【解決手段】プラスチックならびに、オルトケイ酸塩、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される２０重量％から８０重量％の添加剤を含む組成物。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導性プラスチック材料に関する。

プラスチック材料は、様々な用途向けに広く普及した材料である。プラスチック材料は、良好な成形性、良好な絶縁性能、および許容可能な強度という特徴を有する。

プラスチック材料は、典型的には低い熱伝導率を示す。プラスチック材料の典型的な熱伝導率は、約０．２から０．３Ｗ／ｍＫの範囲内である。

一般原則として、プラスチック材料に他の材料を充填して、その性質を変えることが知られている。多くの材料がこの目的に好適である。例えば、窒化ホウ素は熱伝導率に影響を与えるために利用されるが、それは、プラスチック材料に充填するために使用されると、熱伝導率を２倍超に高めることができる。伝導率を高めるために使用される充填剤は、比較的大量に加えられ、そのため、機械的性質、色、密度などに加えて、値段が重要な役割を果たす。

本発明の目的は、プラスチック組成物において望ましい性質を得るための充填剤を提供することである。

この目的は、プラスチック材料ならびに、ネソケイ酸塩、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される２０から８０重量％の添加剤を含む熱伝導性組成物により達成される。

異なる倍率でのＰＡ６および藍晶石試料３の顕微鏡写真である。 異なる倍率でのＰＡ６および藍晶石試料３の顕微鏡写真である。 異なる倍率でのＰＡ６および藍晶石試料３の顕微鏡写真である。 異なる倍率でのＰＡ６および藍晶石試料３の顕微鏡写真である。

そのため、本発明によると、プラスチック材料は、ネソケイ酸塩または金属ケイ素またはこれらの混合物から選択され、組成物の２０から８０重量％の量で含まれる添加剤と混合される。３０から８０重量％の量が好ましい。さらに、組成物は、残りの組成物の大部分を占めるプラスチック材料を含む。プラスチック材料の量は、好ましくは、１５から７０％の範囲内である。プラスチック材料に加えて、他の補助剤、特に着色剤、耐衝撃性改良剤なども存在し得る。

本発明の一実施形態において、ネソケイ酸塩は、アルミノケイ酸塩、特にアルモケイ酸塩である。特に好ましいネソケイ酸塩は、藍晶石である。

用語「ネソケイ酸塩」は、シリケートアニオンが単離したＳｉＯ_４四面体からなるケイ酸塩を指すように使用され、すなわちＳｉＯ_４四面体はＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合により相互接続していない。

この区分のケイ酸塩には、柘榴石およびかんらん石の群の重要な造岩鉱物、ジルコン、ならびに経済的または岩石学的に重要なアルモケイ酸塩である紅柱石、珪線石、藍晶石、および十字石、ならびに黄玉がある。

ＳｉＯ_４多原子アニオンの簡単な構造により、ネソケイ酸塩の性質には顕著な異方性がない。ネソケイ酸塩は、立方晶系、正方晶系、三方晶系、六方晶系、または斜方晶系であることが多く、ほとんどが等軸晶を形成する。この区分の鉱物はほとんどが硬く、高い屈折率および比較的高い密度を有する。

好適なプラスチック材料には、エラストマー、熱可塑性または熱硬化性ポリマー、特に、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ならびにこれらの混合物およびコポリマーから選択されるプラスチック材料がある。

コポリマーには、異なる基本的化学構造を持つプレポリマーまたはモノマーが重合された変形体がある。それらには、ターポリマーとも呼ばれる、３種以上の物質の混合物もある。

特に好ましい実施形態において、添加剤の組み合わせ、例えば異なるネソケイ酸、またはネソケイ酸塩と金属ケイ素の混合物が利用され、あるいは、例えば、３種以上の異なるネソケイ酸を混合でき、あるいは、数種のネソケイ酸を金属ケイ素と混合できる。

添加剤の好適な粒径は、約１から５０μｍの範囲内である（ｄ５０）。「ｄ５０」は、５０重量％の粒子がこの値より小さい粒径を有し、５０重量％がより大きい粒径を有することを意味する。そのような粒径特性は、レーザー回折により証明できる。少なくとも２μｍまたは少なくとも５μｍのｄ５０粒径が好ましい。ｄ５０粒径は、好ましくは４０未満または３０μｍ未満である。いくつかの実施形態において、粒径は、２から２０μｍであり、他の実施形態において、１０から３０μｍ、または１０から５０μｍである。

好ましい実施形態において、粒子は、比較的狭い粒径分布を示し、そのためｄ９０／ｄ５０は３以下、または２以下である。

本発明は、プラスチック材料を、２０から８０重量％、好ましくは３０から８０重量％の、ネソケイ酸、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される少なくとも１種の添加剤と混合する工程を含む、本発明の熱伝導性組成物を調製するプロセスに関する。

本発明のいくつかの実施形態において、本発明に従って利用される充填剤の比率は、４０重量％以上、５０重量％以上、または６０重量％以上である。

本発明は、プラスチック材料の熱伝導率を高めるための、ネソケイ酸、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される添加剤の使用にさらに関する。

１．使用した充填剤

ＴＲＥＦＩＬ ２８３−４００ ＡＳＴ（登録商標；Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ社製）：珪灰石、約５μｍのｄ５０
ＳＩＬＢＯＮＤ ４０００ ＡＳＴ（登録商標；Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ社製）：方珪石、約５μｍのｄ５０
ＴＲＥＭＩＣＡ １１５５−０１０ ＡＳＴ（登録商標；Ｑｕａｒｚｗｅｒｋｅ社製）：白雲母、約５μｍのｄ５０

窒化ホウ素、ＴＲＥＦＩＬ、ＳＩＬＢＯＮＤ、およびＴＲＥＭＩＣＡは、比較材料として使用した。

２．充填されたプラスチック材料の調製
熱可塑性材料の場合、充填剤を、押出機（Ｌｅｉｓｔｒｉｔｚ社製、ＺＳＥ ２７ ＭＡＸＸ（登録商標））に通してポリカプロラクタム（ＰＡ６）と配合した。配合物から、射出成形（Ｄｅｒｍａｇ社製、Ｅｒｇｏｔｅｃｈ１００／４２０−３１０（登録商標））により成形品を調製した。

多目的試験片（ＩＳＯ ３１６７ Ａ型）
８０ｍｍ×８０ｍｍ×２ｍｍのシート
熱伝導率を測定するのに要する試験片を、シートから機械で製造した。押出の方向を横切る測定では（Ｚ方向）、ｄ＝１２．７ｍｍのディスクを、シートの中心位置から回すことにより調製した。射出の方向の熱伝導率を測定するために（Ｘ方向）、それぞれ長さ１２．７ｍｍおよび幅２ｍｍの６つのロッドを切断しなければならず、次いで、測定用の特殊な試料ホルダー中で、それを互いに留め、９０°回転した。熱硬化性ポリマーでは、真空ミキサー（ＰＣ−Ｌａｂｏｒｓｙｓｔｅｍｅ社製、Ｌａｂｏｔｏｐ（登録商標））により、充填剤をエポキシ樹脂（Ｈｕｎｔｓｍａｎ社製、Ａｒａｌｄｉｔｅ ＣＹ １８４（登録商標）、Ａｒａｄｕｒ ＨＹ １２３５（登録商標）、促進剤ＤＹ０６２（登録商標））に混合した。成形組成物を、寸法２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２ｍｍのシートに成形し、熱硬化した。これらのパーツから、寸法約２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍの試験片をのこぎりで切り出した。

３．測定
このように調製した試験片に対して、機械的性質および熱伝導度を測定した。

ＰＡ ６における熱伝導率の以下の値（ＬＦＡ ４４７ ＮａｎｏＦｌａｓｈ（登録商標）、Ｎｅｔｚｓｃｈ社製）を得た：

以下の混合物のうち、個別の充填剤含量に対してのみ熱伝導率を測定した：

データは、高い充填剤含量およびより粗い充填剤（より高いｄ５０値）がより良好な熱伝導率を生み出し、それらは比較材料のものより著しく良好であることを示す。方珪石に比べて、本発明のネソケイ酸塩は明らかに柔らかく（より低いモース硬度）、そのため、利用される装置、例えば配合機での摩耗を明らかに低減させる。

以下は、ＰＡ６における藍晶石含有試料の機械的データである（万能引張試験機Ｚｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌｌ社製 Ｚ ２０２（登録商標）；振り子衝撃試験機Ｚｗｉｃｋ／Ｒｏｅｌｌ社製 ＨＩＴ ２５Ｐ（登録商標））：

高い充填剤含量にもかかわらず、本発明の材料は良好な機械的性質を示す。充填剤が微細であるほど（ｄ５０が小さいほど）、機械的性質は良好である。

本発明に従って充填されたプラスチック材料は、優れた荷重たわみ温度を示す。

６３重量％の藍晶石および３７重量％のエポキシ樹脂の熱硬化性混合物は、以下の性質を有した：

比較すると、充填されていない熱硬化性材料（１００％エポキシ樹脂）は、熱伝導率がわずか０．２Ｗ／ｍＫであった。

ＳＥＭ分析
材料を、走査型電子顕微鏡（Ｊｏｅｌ社製 ＪＳＭ ７６００Ｆ（登録商標））により検査した。図１から４は、異なる倍率でＰＡ６および藍晶石試料３（６０重量％）の顕微鏡写真を示す。

材料内に全く結合を達成していないにもかかわらず、材料が良好な熱伝導率を示すことが見出される。

Claims (10)

1. プラスチック材料と、ネソケイ酸塩、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される２０重量％から８０重量％の添加剤と、を含む組成物。
2. 前記ネソケイ酸塩が、アルミノケイ酸塩、特にアルモケイ酸塩であることを特徴とする、請求項１に記載の組成物。
3. 前記ネソケイ酸塩が藍晶石であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の組成物。
4. 前記プラスチック材料が、エラストマー、熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性ポリマーであることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の組成物。
5. 前記プラスチック材料が、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ならびにこれらの混合物およびコポリマーから選択されることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の組成物。
6. 数種の前記添加剤が組み合わされて利用されることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の組成物。
7. 前記添加剤の粒径（ｄ５０）が、１μｍから５０μｍの範囲内である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の組成物。
8. 前記添加剤がシラン処理されている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の組成物。
9. ネソケイ酸塩、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される少なくとも１種の、２０重量％から８０重量％の前記添加剤と、前記プラスチック材料と、を混合する工程を含む、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載される組成物を調製するプロセス。
10. ネソケイ酸塩、金属ケイ素、およびこれらの混合物から選択される添加剤の、プラスチック材料の熱伝導率を高めるための使用。