JP2019001849A - フィラー、成形体、及び放熱材料 - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチック、硬化性樹脂、ゴム等の樹脂に配合されて、得られる樹脂組成物の成形体の強度、熱伝導率を高めることができるフィラー、並びに、強度、熱伝導率が高い成形体及び放熱材料を提供する。【解決手段】フィラーと樹脂とを含有する樹脂組成物を成形して成形体とし、この成形体から放熱材料を得る。フィラーは、内部に空隙部を有し且つ空隙率が３体積％以上６０体積％以下である。【選択図】なし

Description

本発明はフィラー、成形体、及び放熱材料に関する。

プラスチック、硬化性樹脂、ゴム等の樹脂とフィラーとを含有する樹脂組成物の成形体においては、空隙率が高いと、強度が低下したり熱伝導率が悪くなったりするという問題があった。そのため、フィラーの粒度、材質、追従性等を工夫することによって、樹脂組成物の成形体の強度や熱伝導率を高めていた（例えば特許文献１、２を参照）。しかしながら、樹脂組成物の成形体の強度や熱伝導率を高めるためのさらなる工夫が求められていた。

特開２００９−１８４８６６号公報 国際公開第２０１６／０３１４７６号

本発明は、プラスチック、硬化性樹脂、ゴム等の樹脂に配合されて、得られる樹脂組成物の成形体の強度、熱伝導率を高めることができるフィラー、並びに、強度、熱伝導率が高い成形体及び放熱材料を提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るフィラーは、内部に空隙部を有し且つ空隙率が３体積％以上６０体積％以下であることを要旨とする。
本発明の他の態様に係る成形体は、上記の一態様に係るフィラーと樹脂とを含有する樹脂組成物の成形体であることを要旨とする。
本発明のさらに他の態様に係る放熱材料は、上記の他の態様に係る成形体を備えることを要旨とする。

本発明のフィラーは、プラスチック、硬化性樹脂、ゴム等の樹脂に配合されて、得られる樹脂組成物の成形体の強度、熱伝導率を高めることができる。また、本発明の成形体及び放熱材料は、強度、熱伝導率が高い。

実施例及び比較例の成形体の切断面のＳＥＭ画像である。 実施例及び比較例の成形体の熱伝導率を示すグラフである。

本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。また、以下の実施形態には種々の変更又は改良を加えることが可能であり、その様な変更又は改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。

本実施形態のフィラーは、内部に空隙部を有し且つ空隙率が３体積％以上６０体積％以下である。本実施形態のフィラーは、内部に空隙部を有しているならば全体が一体的に構成されている一次粒子でもよいが、空隙部が内部に形成されるように複数の一次粒子が結合してなる二次粒子であってもよい。このような二次粒子の例としては、内部に空隙部が形成されるように複数の一次粒子を焼結によって結合させて造粒した造粒焼結粉があげられる。
なお、フィラーの空隙率（％）は、粒度及び外形が同一である中実な球状のフィラー及び造粒焼結粉のタップ密度から算出することができる。すなわち、（［中実な球状のフィラーのタップ密度（空隙率は０％）］−［造粒焼結粉のタップ密度］）／［中実な球状のフィラーのタップ密度（空隙率は０％）］なる式により求めることができる。

本実施形態のフィラーは、プラスチック、硬化性樹脂、ゴム等の樹脂に配合して樹脂組成物とすることができる。この樹脂組成物は、本実施形態のフィラーと樹脂のみから構成してもよいが、本実施形態のフィラーと樹脂に補強材、添加剤等の他の成分を配合して構成してもよい。そして、その樹脂組成物を成形した成形体は、例えば放熱材料として用いることができる。成形体の形状や成形方法は特に限定されない。

本実施形態の空隙部を有するフィラーと、空隙部を有しない一般的な中実フィラーとを比べると、樹脂組成物中の質量基準又は体積基準での含有量（充填率）とフィラーの大きさ（径）が同一である場合には、本実施形態の空隙部を有するフィラーの方が、樹脂組成物中に含有されるフィラーの単位質量又は単位体積当りの個数が多くなる。よって、樹脂組成物の成形体におけるフィラー同士の接触点が多くなるので、樹脂組成物の成形体の熱伝導率が高くなる。

また、本実施形態のフィラーにあっては、フィラーの空隙部内に樹脂が入り込むため、フィラーによる補強効果が高まり、樹脂組成物の成形体の強度が向上するという効果も併せて奏される。さらに、本実施形態のフィラーにあっては、フィラーの空隙部内に樹脂が入り込むため、樹脂組成物の成形体からのフィラーの脱落が生じにくいという効果も併せて奏される。

よって、本実施形態のフィラーを含有する樹脂組成物の成形体は高強度であるため、強度を求められる種々の部材として利用可能である。また、本実施形態のフィラーを含有する樹脂組成物の成形体は熱伝導率が高いので、放熱材料として好適である。
以下に、本実施形態のフィラー、樹脂組成物の成形体、及び放熱材料について、さらに詳細に説明する。

フィラーの材質は特に限定されるものではなく、アルミナ、シリカ、ジルコニア、マグネシア、チタニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、カーボン等のセラミックや、金属を用いることができる。セラミックの結晶構造の種類は特に限定されるものではなく、例えばアルミナの場合であれば、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナ等を用いることができる。

フィラーの内部の空隙率は、３体積％以上６０体積％以下である必要がある。６０体積％超過であると、フィラーの強度が低くなり、フィラーを含有する樹脂組成物の成形時等にフィラーが破損するおそれがある。３体積％未満であると、所定の質量及び体積のフィラーを樹脂に配合して樹脂組成物とした場合に、樹脂組成物に含有されるフィラーの個数が、内部に空隙部を有しない中実のフィラーと同程度となるため、熱伝導率の十分な向上が期待できない。

フィラーの形状は特に限定されるものではなく、球状、針状、棒状等とすることができるが、樹脂への充填時に均質性を得やすい、混練装置の摩耗による損傷が少ないといった観点から球状が好ましい。球状のフィラーの製造方法は特に限定されるものではないが、焼結によって複数の一次粒子を結合させて造粒する方法があげられる。内部に空隙部が形成されるように焼結によって複数の一次粒子を結合させて造粒し造粒焼結粉（二次粒子）とすれば、内部に空隙部を有する球状のフィラーを得ることができる。

造粒焼結粉の原料となる一次粒子の平均一次粒子径は特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上５０μｍ以下としてもよい。平均一次粒子径が０．１μｍ未満であると、造粒焼結粉が緻密になりすぎるため、十分な空隙率とならないおそれがある。一方、平均一次粒子径が５０μｍ超過であると、造粒が困難となり造粒焼結粉が得られないおそれがある。

フィラーの平均粒子径（フィラーが造粒焼結粉である場合には平均二次粒子径）は特に限定されるものではないが、１μｍ以上２００μｍ以下としてもよい。フィラーの平均粒子径が１μｍ未満であると、フィラーの界面抵抗が上昇し、樹脂組成物の成形体の熱伝導率が低くなるおそれがある。また、樹脂組成物の成形性が低下するおそれがある。一方、フィラーの平均粒子径が２００μｍ超過であると、シートの厚さに対してフィラーの粒子径が大きくなるため、シートを形成しにくいという不都合が生じるおそれがある。

フィラーの強度、例えば、変形率１０％の変形がフィラーに生じる圧縮力である１０％圧縮変形強度は特に限定されるものではないが、１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上２９４ＭＰａ（３０ｋｇｆ／ｍｍ^２）以下としてもよい。１０％圧縮変形強度が１９．６ＭＰａ未満であると、樹脂組成物の成形時にフィラーが破損し界面抵抗が上昇するため、樹脂組成物の成形体の強度及び熱伝導率を高める効果が十分に奏されないおそれがある。また、成形時に樹脂組成物の溶融粘度が高くなり、成形性が低下するおそれがある。一方、１０％圧縮変形強度が２９４ＭＰａ超過であるということは、フィラーの空隙部が少ない（空隙率が低い）ことを意味する。そのため、樹脂組成物の成形体の強度及び熱伝導率を高める効果が十分に奏されないおそれがある。

フィラーの比表面積は特に限定されるものではないが、０．０５ｍ^２／ｇ以上８ｍ^２／ｇ以下としてもよい。フィラーの比表面積が８ｍ^２／ｇ超過であるということは、造粒時の一次粒子同士のネッキングが十分でないことを意味し、フィラーの界面抵抗の上昇により樹脂組成物の成形体の強度及び熱伝導率を高める効果が十分に奏されないおそれがある。一方、フィラーの比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ未満であるということは、フィラーの空隙部が少ない（空隙率が低い）ことを意味する。そのため、樹脂組成物の成形体の強度及び熱伝導率を高める効果が十分に奏されないおそれがある。

フィラーの表面の凹凸形状（フラクタルディメンジョン）は、フィラー同士の接触点を増加させ樹脂組成物の成形体の熱伝導率を向上させる作用を有するため、大きい方が好ましい。
樹脂組成物中に含有されるフィラーの単位質量又は単位体積当りの個数は、より多い方が好ましい。フィラーの単位質量又は単位体積当りの個数が多い方がフィラー同士の接触点が多くなるので、樹脂組成物の成形体の熱伝導率が高くなる。

〔実施例〕
以下に実施例及び比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。フィラーと樹脂からなる樹脂組成物を成形してシートを作製し、その熱伝導率等を評価した。まず、シートの作製方法を説明する。三菱化学株式会社製のエポキシ樹脂１５７Ｓ７０と８２８ＵＳと４２７５とを４：１：１の質量比で混合し、得られたエポキシ樹脂の混合物とメチルエチルケトンとを６６：３４の質量比で混合して、エポキシ樹脂液を得た。

このエポキシ樹脂液４．０６ｇ、フィラー６．０３ｇ、シクロヘキサノン０．９２ｇ、四国化成工業株式会社製のイミダゾール系エポキシ樹脂硬化剤キュアゾールＣ１１Ｚ−ＣＮ ０．０８ｇ、及びビッグケミー・ジャパン株式会社製の分散剤ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ−２１５５ ０．１ｇを、容量２５ｍＬの攪拌容器に入れ、株式会社シンキー製の自転・公転ミキサーあわとり練太郎ＡＲ−２５０を用いて３０分間撹拌し、スラリーを得た。

このスラリーを、ドクターブレードを用いて東洋紡株式会社製のシリコーン系離型フィルムＥ７００２（厚さ１００μｍ）の上に膜状に塗布し、３日間自然乾燥した。塗布膜の設定厚さは１０００μｍとした。そして、自然乾燥した塗布膜を１２０℃で２時間さらに加熱乾燥した後に、熱硬化させてシートを得た。シート中のフィラーの充填率は４０体積％とした。

フィラーとしては、５種類のアルミナ粉を用いた。実施例１のシートには、内部に空隙部が形成されるように複数のα−アルミナ粒子（一次粒子）を焼結によって結合させて造粒した造粒焼結粉（二次粒子）を用いた。造粒焼結粉の空隙率は焼結温度によって調整した。α−アルミナ粒子（一次粒子）の平均一次粒子径は２．０μｍである。この造粒焼結粉の平均粒子径（平均二次粒子径Ｄ５０％）は３８μｍ、空隙率は５体積％、１０％圧縮変形強度は１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上である。また、この造粒焼結粉の真密度は表１に示す通りである。

実施例２のシートには、内部に空隙部が形成されるように複数のα−アルミナ粒子（一次粒子）を焼結によって結合させて造粒した造粒焼結粉（二次粒子）を用いた。造粒焼結粉の空隙率は焼結温度によって調整した。α−アルミナ粒子（一次粒子）の平均一次粒子径は２μｍである。この造粒焼結粉の空隙率は１５体積％、平均粒子径（平均二次粒子径Ｄ５０％）は３８μｍ、１０％圧縮変形強度は１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上である。また、この造粒焼結粉の真密度、タップ密度、比表面積は、表１に示す通りである。

実施例３のシートには、内部に空隙部が形成されるように複数のα−アルミナ粒子（一次粒子）を焼結によって結合させて造粒した造粒焼結粉（二次粒子）を用いた。造粒焼結粉の空隙率は焼結温度によって調整した。α−アルミナ粒子（一次粒子）の平均一次粒子径は２μｍである。この造粒焼結粉の平均粒子径（平均二次粒子径Ｄ５０％）は３８μｍ、空隙率は２５体積％、１０％圧縮変形強度は１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上である。また、この造粒焼結粉の真密度は表１に示す通りである。

比較例１のシートには、内部に空隙部を有していない中実なα−アルミナ粒子（一次粒子）を用いた。比較例１のシートに用いた中実なα−アルミナ粒子を、以下「微粉」と記す。この微粉の空隙率は０体積％、平均一次粒子径は２μｍ、１０％圧縮変形強度は１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上である。また、この造粒焼結粉の真密度、タップ密度、比表面積は、表１に示す通りである。

比較例２のシートには、内部に空隙部を有していない中実なα−アルミナ粒子（一次粒子）を用いた。比較例２のシートに用いた中実なα−アルミナ粒子を、以下「球状粉」と記す。この球状粉の空隙率は０体積％、平均一次粒子径は３８μｍ、１０％圧縮変形強度は１９．６ＭＰａ（２ｋｇｆ／ｍｍ^２）以上である。また、この造粒焼結粉の真密度、タップ密度、比表面積は、表１に示す通りである。

なお、実施例１〜３のシートに用いた造粒焼結粉は、以下のようにして製造した。まず、α−アルミナ粒子（一次粒子）と濃度２質量％のバインダーの水溶液とを混合し、スラリーを調製した。このスラリーを噴霧造粒機を用いて平均二次粒子径Ｄ５０％が３８μｍとなるように造粒し、大気焼成炉にて任意の温度で２時間焼結を行った。焼結後の粉末を解砕した後に、振動式篩機及び気流式分級機を用いて２０〜７５μｍの粒度分布となるように分級して、目的の造粒焼結粉（二次粒子）を調製した。
また、タップ密度は、筒井理化学器械株式会社製のＡ．Ｂ．Ｄ．粉体特性測定装置を用いて、定質量測定法により測定した。タップ密度の測定条件は以下の通りである。
容器 ：ＳＵＳ３０４製シリンダー
容器の寸法 ：半径１４ｍｍ、高さ４０ｍｍ
タッピング高さ：１５ｍｍ
タッピング速度：６０回／ｍｉｎ
衝撃面の材料 ：ＳＵＳ３０４
タッピング回数：１８０回

上記のように作製した実施例１〜３及び比較例１、２のシートを切断し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて断面の写真を撮影した。断面の写真を図１に示す。図１の（ａ）は比較例１のシートの断面の写真であり、図１の（ｂ）は比較例２のシートの断面の写真であり、図１の（ｃ）は実施例２のシートの断面の写真である。
また、（［理論密度］−［実測密度］）／［理論密度］なる式により、各シートの空隙率（フィラーの内部の空隙率も加味した成形物全体での空隙率）を算出した。結果は、図１に示す通り、実施例２のシートの空隙率が、比較例１、２のシートの空隙率よりも大きかった。

次に、各シートに含有されるフィラーの単位質量当たりの粒子数を測定した。結果は、表１に示す通り、実施例２のシートに含有されるフィラーの粒子数が、比較例２のシートに含有されるフィラーの粒子数よりも多かった。
次に、各シートの熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定方法は、熱線プローブ法である。結果を表１及び図２のグラフに示す。図２のグラフから分かるように、実施例２のシートの熱伝導率が、比較例２のシートの熱伝導率よりも約４０％高く、理論値に近い数値であった。

これらの測定結果から、空隙部を有するフィラーを用いることにより、シート中に含有されるフィラーの単位質量又は単位体積当りの個数が多くなり、フィラー同士の接触点が多くなるため、シートの熱伝導率が高くなることが示されたと言える。
また、表１から分かるように、実施例１〜３のシートを比較すると、フィラーの空隙率が高いほどシートの熱伝導率が高かった。

Claims (4)

1. 内部に空隙部を有し且つ空隙率が３体積％以上６０体積％以下であるフィラー。
2. 前記空隙部が内部に形成されるように複数の一次粒子が結合してなる二次粒子である請求項１に記載のフィラー。
3. 請求項１又は請求項２に記載のフィラーと樹脂とを含有する樹脂組成物の成形体。
4. 請求項３に記載の成形体を備える放熱材料。