JP2019001999A - 導電性発泡体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 導電性材料を分散させたエマルジョン組成物を、メカニカルフロス法にて発泡させた後に硬化することにより得られる導電性発泡体であって、前記導電性材料が、少なくとも、ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛を、含有することを特徴とする導電性発泡体。
【選択図】なし
Description
導電性材料を分散させたエマルジョン組成物を、メカニカルフロス法にて発泡させた後に硬化することにより得られる導電性発泡体であって、前記導電性材料が、少なくとも、ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛を、含有することを特徴とする導電性発泡体である。
本発明(2)は、前記導電性発泡体の全質量を基準として、前記導電性材料を30質量%〜50質量%含有する、前記発明(1)の導電性発泡体である。
本発明(3)は、
前記導電性材料として、前記球状黒鉛とは異なる導電性フィラーをさらに含有する、前記発明(1)又は(2)の導電性発泡体である。
本発明(4)は、
前記導電性材料が、前記球状黒鉛と導電性フィラーとの配合比率(質量比)が9:1〜5:5で含有する、前記発明(3)の導電性発泡体である。
本発明(5)は、
前記導電性フィラーが、導電性カーボンである、前記発明(3)又は(4)の導電性発泡体である。
本発明(6)は、
前記エマルジョン組成物が、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂のうちの少なくとも1つの樹脂材料を含む、前記発明(1)から(5)のいずれかの導電性発泡体である。
本発明(7)は、
前記導電性発泡体が、シート状に形成された、前記発明(1)から(6)のいずれかの導電性発泡体である。
本発明(8)は、
前記シート状に形成された導電性発泡体が、基材上に積層された、前記発明(1)から(7)のいずれかの導電性発泡体である。
1.導電性発泡体
1−1.原料
1−1−1.エマルジョン組成物
1−1−2.導電性材料
1−1−2−1.球状黒鉛
1−1−2−2.導電性フィラー
1−1−3.添加剤
1−1−3−1.気泡剤
1−1−3−2.架橋剤
1−1−3−3.その他
1−2.導電性発泡体の製造方法
1−2−1.液体組成物の各成分
1−2−2.液体組成物の調製方法
1−2−3.液体組成物の組成・性質
1−2−4.発泡工程
1−2−5.硬化工程
1−2−6.成形方法
1−3.導電性発泡体の用途
本明細書における「導電性」とは、例えば体積抵抗値が108Ω・cm以下の抵抗を有するものをいう。
本発明に係る導電性発泡体は、樹脂、導電性材料及び起泡剤を含有するエマルジョン組成物をメカニカルフロス法にて発泡させた後に硬化することにより得られる導電性発泡体である。前記導電性発泡体の形状は特に限定されないが、好ましくは厚み0.05mm〜2.0mmのシート状である。
なお、本明細書で単に「密度」と記載されている場合は、「見かけの密度」を意味するものとする。
例えばPETフィルムなどの樹脂フィルム、不織布、織物、紙、粘着テープ、粘着層が凹凸形状になっているエアレステープ等が挙げられる。
又基材の厚さも特に限定されないが、10μm〜100μmの厚さが好適である。基材と積層することで、前記導電性発泡体のダメージからの保護や使用時に基材による支持により取り扱いが容易になる等が可能となる。
本発明に係る導電性発泡体は、原料として、例えば、エマルジョン組成物、導電性材料、起泡剤(アニオン性界面活性剤)、分散媒として水、架橋剤及びその他の添加剤等を使用することができる(なお、発泡工程において用いられる発泡用の気体に関しては、発泡工程にて述べる)。
本発明に係る発泡体を製造する際に使用されるエマルジョン組成物のエマルジョン原料は特に限定されず、公知の方法で発泡体を形成できるエマルジョンであればよい。例えばウレタンエマルジョン、アクリルエマルジョン、スチレンエマルジョン、及びEVA(エチレン酢酸ビニル共重合体)樹脂エマルジョン、塩化ビニル系エマルジョン、エポキシ系エマルジョン等が挙げられ、1つ、又は、複数のエマルジョンを使用することができる。特にウレタンエマルジョン及びアクリルエマルジョンのうち、少なくとも1つのエマルジョンを用いることが好ましい。さらに、アクリル系エマルジョンを少なくとも用いることがより好ましい。又、ウレタンエマルジョンを用いることで、更に材料強度を付与することができる。又、得られるウレタン樹脂発泡体は柔軟性が優れ、圧縮残留歪みが低くなる。
本発明において使用可能なウレタンエマルジョン(ウレタン樹脂の水分散体)の製法としては、特に限定されないが、下記方法(I)〜(III)が例示出来る。
(I)活性水素含有化合物、親水性基を有する化合物、及び、ポリイソシアネートを反応させて得られた親水性基を有するウレタン樹脂の有機溶剤溶液又は有機溶剤分散液に、必要に応じ、中和剤を含む水溶液を混合し、ウレタン樹脂エマルジョンを得る方法。
(II)活性水素含有化合物、親水性基を有する化合物、及び、ポリイソシアネートを反応させて得られた親水性基を有する末端イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーに、中和剤を含む水溶液と混合するか、又は、予めプレポリマー中に中和剤を加えた後水を混合して水に分散させた後、ポリアミンと反応させて、ウレタン樹脂エマルジョンを得る方法。
(III)活性水素含有化合物、親水性基を有する化合物、及び、ポリイソシアネートを反応させて得られた親水性基を有する末端イソシアネート基含有ウレタンプレポリマーに、中和剤及びポリアミンを含む水溶液と混合するか、又は、予めプレポリマー中に中和剤を加えた後、ポリアミンを含む水溶液を添加混合し、ウレタン樹脂エマルジョンを得る方法。
本発明において使用可能なアクリル系エマルジョン(アクリル樹脂の水分散体)の製法としては、特に限定されないが、重合開始剤、必要に応じて乳化剤及び分散安定剤の存在下に、例えば、(メタ)アクリル酸エステル系単量体を必須の重合性単量体成分とし、更に必要に応じてこれらの単量体と共重合可能なその他の重合性単量体の混合物を共重合させることにより得ることができる。尚、2種以上のアクリル系エマルジョンを組み合わせて用いてもよい。前記アクリル系エマルジョンのガラス転移温度は、0℃〜80℃の範囲にあるものが好適である。
本発明において、ポリマーラテックス(又はエマルジョン組成物)の分散媒としては、水を必須成分とするが、水と水溶性溶剤との混合物であってもよい。水溶性溶剤とは、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、エチルカルビトール、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の極性溶剤等であり、これらの1種又は2種以上の混合物等を使用してもよい。
下記に述べる導電性材料は、粉体のまま配合してもよいが、粉体を水に分散させた水分散体として用いることが好適である。水分散体とすることで、エマルジョン組成物に添加する際に、組成物内で均一に分散させることが容易となる。
球状黒鉛は、高い導電性があり、本発明の導電性発泡体の導電性発現に寄与する。本発明に使用可能な黒鉛は球状である。本発明において、「球状」とは、真球状のみを意味するのではなく、真球形状が円盤状様に若干変形した形状、表面が一様ではなく、表面に層が重なったキャベツ様な外観を有する形状等、一般的には、真球形状とは把握されないものも含む趣旨である。但し、天然黒鉛の結晶形は六方晶形であり、一般的には、未処理の黒鉛は鱗片状であるので、これとは区別される。即ち、本発明には、少なくとも球状化処理が施された黒鉛を使用することを要する。球状化処理には、鱗片状の天然黒鉛を粉砕処理する等の簡易な処理方法も含まれるが、好ましくは、黒鉛に対して等方的に圧力が負荷される処理方法の採用である。当該処理は、気体(アルゴン等の不活性ガス)、液体(例えば水)等の加圧媒体を用いて、等方的に黒鉛に圧を負荷する方法等により実施できる。加熱の有無により、熱間等方加圧処理、冷間等方加圧処理として区別される。いずれを利用してもよい。この処理を施すことで、外形が球形であり、しかも内部の空壁(鱗片層間)が軽減された、等方的な高い導電性を有する球状黒鉛が得られる。
本発明の導電性発泡体を製造するに際して使用される球状黒鉛に、さらに加える導電フィラー(ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛以外の導電性フィラー)としては、発泡体の導電性を向上させる性質を有する限り特に限定されず、一般的な金属系材料や導電性カーボン、イオン導電性材料等を例示可能であるが、導電性カーボンであることが好適である。導電性カーボンとしては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック等)、グラフェン等のナノサイズの導電性カーボンや、グラファイト、炭素繊維、黒鉛(ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛以外の黒鉛)及び活性炭等が挙げられる。これら導電性カーボンは、同サイズの金属製フィラーと比較して、比重が軽く、添加量を増やしても導電性発泡体の重量が増え難いという点で効果的である。又、前記導電性カーボンは、金属フィラーと比較して、柔軟性に富む、即ち低弾性であるため、導電性発泡体を柔軟に、即ち低硬度とすることが可能となる。さらに価格が安いという点でも優れている。これらの導電性材料は、単独又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
さらに、前記導電性フィラーは、そのアスペクト比が好ましくは5以下、より好ましくは3以下、さらに好ましくは2以下である。アスペクト比が5を超えると、導電性発泡体の導電性能に異方性が現れるおそれがある。
ここで、「アスペクト比」の値は、導電性フィラーの平均長を平均径で除した値である。「平均長」と「平均径」とは、導電性フィラーをSEM観察し、少なくとも100個の粒子を観察測定し、その平均値から求めた値である。より詳細には「平均径」とは、SEM観察で撮像された粒子の長さ方向中心付近における垂直断面に基づき粒子の断面積を算出し、当該断面積と同一面積を有する円の直径を算出することにより導かれた面積径の平均値である。平均径と平均長は100粒子の測定平均である。
1−1−3−1.気泡剤
本発明の導電性発泡体を製造するに際して使用可能な起泡剤は、原料混合物に気体を混入させ、気泡を安定化できる物質であり、アニオン性の起泡剤を例示可能である。
尚、本発明において、HLB値とは、親水性−疎水性バランス(HLB)値を意味し、小田法により求められる。小田法によるHLBの求め方は、「新・界面活性剤入門」第195〜196頁及び1957年3月20日槙書店発行 小田良平外1名著「界面活性剤の合成と其応用」第492〜502頁に記載されており、HLB=(無機性の数値/有機性の数値)×10で求めることができる。ここで、無機性および有機性の数値は、上記「新・界面活性剤入門」第3・3・11表に示す値から計算される。
本発明の導電性発泡体を製造するに際して使用される架橋剤は、特に限定されず、用途等に応じて、必要量添加すればよく、具体的な架橋方法は、水分散性樹脂の種類に応じて選択することができる。架橋剤としては、公知の架橋剤を使用可能であり、エポキシ系架橋剤、メラミン系架橋剤、イソシアネート系架橋剤、カルボジイミド系架橋剤、オキサゾリン系架橋剤などを、使用する樹脂配合系が含有する官能基の種類及び、官能基量に応じて適量使用することができる。
その他、増粘剤、気泡核剤、可塑剤、滑剤、着色剤、酸化防止剤、充填剤、補強剤、難燃剤、帯電防止剤、表面処理剤等の公知の添加成分を使用してもよい。
本発明は、側鎖に官能基を有する樹脂、起泡剤及び球状黒鉛を含有する液体組成物を機械発泡させる発泡工程と、前記樹脂が有する官能基同士を反応させる、及び/又は多官能性の架橋剤の官能基と反応させることで硬化させる工程とを含み
発泡工程と硬化工程とを同時に実施する、及び/又は発泡工程の後に硬化工程を実施する、導電性発泡体の製造方法にも関する。
この方法によれば、本発明の導電性発泡体を安定的に製造することができる。
本発明の製造方法に用いる液体組成物は、少なくとも、側鎖に官能基を有する樹脂、起泡剤、及び前記球状黒鉛を含む。さらに、前記樹脂の硬化に寄与する多官能性化合物、即ち架橋剤を含んでいてもよい。側鎖に官能基を有する樹脂、起泡剤、前記球状黒鉛、及び架橋剤それぞれの好ましい例等については、上記導電性発泡体について説明した各成分の好ましい例等と同様である。
前記液体組成物は、前記樹脂の水系エマルジョン、前記球状黒鉛、さらに導電性フィラーの水系分散液をそれぞれ調製して、これらを混合して調製すると、前記球状黒鉛の凝集等を生じさせずに液体組成物を調製できるので好ましい。前記樹脂の水系エマルジョン中の樹脂の固形分濃度、及び前記球状黒鉛の水系分散液中の前記球状黒鉛の固形分濃度については特に制限はないが、一般的には、50質量%〜90質量%程度である。前記球状黒鉛の水系分散液中にあらかじめ起泡剤となる界面活性剤を混合しておくと、樹脂の水系エマルジョンと混合した際の樹脂中への前記球状黒鉛の分散安定性がより向上するので好ましい。特に、起泡剤として、湿潤性が良好な界面活性剤の少なくとも1種を用いると、前記球状黒鉛の樹脂中への分散安定性がより改善するので好ましい。中でも、気泡形成安定性及び湿潤性が良好な上記アニオン界面活性剤から選ばれる少なくとも1種を用いるのが好ましく、さらに湿潤性が良好な上記ノニオン性界面活性剤から選ばれる少なくとも1種を用いるのがより好ましい。例えば、前記球状黒鉛の水系分散液は、固形分20〜60質量%程度の界面活性剤(起泡剤)の水溶液ないし水懸濁液に、球状黒鉛を混合することで調製できる。なお、架橋剤、他の熱伝導性材料等、他の添加剤を使用する態様では、前記球状黒鉛の水系分散液中に他の添加剤を添加して、樹脂の水系エマルジョンと混合して、液体組成物を調製するのが好ましい。
前記液体組成物の全固形分濃度は、40〜80質量%程度であり、50〜70質量%であることが好ましい。一般的には、液体組成物の全固形分中、樹脂(及び所望により添加される架橋剤)及び前記球状黒鉛(所望により添加される導電性フィラー)の合計質量が95%以上になり、起泡剤(具体的には界面活性剤)等の他の添加剤の合計質量は5%以下になる。但し、用いる材料の種類等に応じて固形分中の各材料の好ましい質量割合も変動する。又、液体組成物の粘度は、以下の発泡工程において安定的に気泡を形成するために、10000〜200000mPa・s程度であることが適切である。
発泡工程では、前記液体組成物を攪拌して、気泡を発生させる、機械発泡を実施する。機械発泡(メカニカルフロス)法は、液体組成物を攪拌羽根等で攪拌することにより、大気中の空気等の気体をエマルジョン組成物に混入させて発泡させる方法である。撹拌装置としては、機械発泡法に一般に用いられる撹拌装置を特に制限なく使用可能であるが、例えば、ホモジナイザー、ディゾルバー、メカニカルフロス発泡機等を使用することができる。本発明では、機械発泡法により発泡工程を実施することで、独立気泡の形成を抑制し、連続気泡の形成を支配的にして、硬化後の発泡体の密度が大きくなるのを防止し、柔軟性の高い多孔体を得ている。
硬化工程では、前記樹脂が有する官能基同士を反応させる、及び/又は架橋剤の官能基と反応させることで、樹脂を硬化させる。この工程により、前記液体組成物が、導電性発泡体としての構造体になる。硬化工程は、発泡工程後に実施するのが好ましい。液体組成物中の溶媒(水)を蒸発させるため、及び架橋反応を進行させるために、加熱するのが好ましい。加熱温度及び加熱時間も、原料を架橋(硬化)させることができる温度及び時間であればよく、例えば、80〜150℃(特に、120℃程度が好適)で1時間程度とすればよい。
本発明の導電性発泡体を所望の形状にするために、従来公知の種々の方法により、成形加工することができる。所望の最終形状に応じて適切な成形加工方法を選択することができる。シート状の導電性発泡体を製造する場合は、キャスティング法を利用することができる。気泡の導入処理(発泡処理)は、成形加工の前に行うのが好ましい。又、エマルジョン組成物が架橋構造を有する態様では、架橋構造の形成、即ち架橋反応の進行は、成形加工と同時に行ってもよい。
本発明に係る導電性発泡体によれば、導電性や導電性の保持性(導電性材料の脱落防止性)を有するのみならず、優れたクッション性(柔軟性)を有するため、相手部材への追従性に優れ、導電性発泡体自体の反力(復元力)を小さくすることが可能となる。このため、部材間に挟んで使用する際に、十分な導電性を確保しつつ、相手部材(ICチップや基板の配線、基板の反り等)に対して、故障させたり、配線を断線する等のダメージを与えることなく、使用することができる。特に、近年は、電子機器が薄肉化、軽量化、小型化しており、電子機器内部のスペースがより無くなる傾向にあり、又、内部構造が煩雑化しており、今まで以上に、薄く優れたクッション性(柔軟性)を持つ導電性発泡体への要望が高まっている。部材間に挟み込む以外にも、その適用方法や使用環境を問わずに種々の用途(例えば、電子部品や機器類における、グラウンディング材、シールディング材、緩衝材、保護材、基板の挿間材等)に用いることが可能となる。又、本発明に係る導電性発泡体では、シリコーンを含有せずとも優れた特性を有する導電性発泡体とすることが可能であり、シリコーンを含有しない場合、電子部品や機器類等へのシリコーン汚染を気にすることなく用いることができる。
<原料>
・アクリルエマルジョン :アクリルニトリル−アクリル酸アルキルエステル−イタコン酸共重合体(固形分60質量%)
・ウレタンエマルジョン :ポリエーテルカーボネート系ウレタンエマルジョン(固形分60%)
・アニオン界面活性剤1 :ステアリン酸アンモニウム(固形分30%)
・アニオン界面活性剤2 :アルキルスルホコハク酸ナトリウム(固形分35%)
・両性界面活性剤1 :ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン(固形分30%)
・両性界面活性剤2 :ラウリルベタイン(固形分36%)
・非イオン界面活性剤1 :脂肪酸アルカノールアミド(固形分50%)
・架橋剤1 :疎水系HDIイソシアヌレート(固形分100%)
・黒鉛1 :ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛(平均粒径20μm)
・黒鉛2 :ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛(平均粒径10μm)
・黒鉛3 :鱗片状黒鉛(平均粒径20μm)
・導電性フィラー1 :導電性カーボン(三菱化学社製、品番:#3230B、平均粒径20nm、pH6.0)
・導電性フィラー2 :導電性カーボン(三菱化学社製、品番:#3040B、平均粒径50nm、pH6.0)
・基材1 :離型処理されているPETフィルム
(実施例1)
エマルジョンとしてアクリルエマルジョンを主剤とし、エマルジョンの全量を基準(固形分量及び非固形分量の合計を100質量部とする。)として、5質量部のアニオン界面活性剤1、3質量部のアニオン界面活性剤2、2質量部の両性界面活性剤1、1.5質量部の両性界面活性剤2、0.5質量部の非イオン界面活性剤1に、23.5質量部の黒鉛1、2.6質量部の導電性フィラー1、3質量部の架橋剤を混合して発泡体原料とした。原料にエアーを加えて発泡させ成形した後、加熱処理することで、実施例1に係る発泡体を得た。
実施例2〜22、比較例1〜10は黒鉛又導電カーボンの種類、添加量を変更した以外は実施例1と同様にして発泡体を得た。実施例23、24は実施例1、実施例2の主剤をアクリルエマルジョンからウレタンエマルジョンに変更したもので、同様に実施例25、26は実施例1、2の主剤をアクリル、ウレタンエマルジョンの50質量部ずつに変更して発泡体を得た。実施例27〜31は実施例1の厚み、密度を調整し作製した発泡体である。
≪発泡体評価方法≫
<厚み>
厚さをシックネスゲージによって測定した。
<密度>
単位体積当たりの重さを計算することによって測定した。
<外観>
目視にて、セルの状態及び発泡体の表面を評価した。セルが均一かつ表面が荒れていない場合を「○」、若干セルが荒れている場合を「△」、セルが非常に粗い、又は、セルが形成されていない、若しくは表面状態が酷い場合を「×」と評価した。
JIS K 6911に準拠し、各発泡体をΦ100mmに打ち抜き、株式会社エーディーシー製直流電圧・電流源(6243)を用いて印加電圧1Vの時の電流値から体積抵抗値と表面抵抗値を算出した。
(体積抵抗値)
体積抵抗値が1.0×103Ωcm未満の場合を「○」、体積抵抗値が1.0×103Ωcm以上、1.0×105Ωcm未満の場合を「△」、体積抵抗値が1.0×105Ωcm以上の場合を「×」と評価した。
(異方性評価)
体積抵抗値と表面抵抗値とを常用対数に変換し、表面抵抗値から体積抵抗値を引いた差の絶対値から導電性能の異方性について評価した。
表面抵抗値から体積抵抗値を引いた差の絶対値が1.5未満の場合を「○」、1.5以上、2.00未満の場合を「△」、2.00以上の場合を「×」とした。体積抵抗値評価と異方性評価の結果から、どちらか一方でも「×」がないものを低電圧下で高い導電性・等方性を有する導電発泡体であると評価した。
JIS K 6254に準拠して測定した。具体的には、直径50φに打ち抜いたサンプルをオートグラフを用いて1mm/minの速度で厚さの25%を押しつぶした際の反発応力の大きさを測定した(100φの圧縮板でサンプルを全面圧縮し、測定)。25%CLD硬度が100kPa未満の場合を「○」、25%CLD硬度が100kPa以上、200kPa未満の場合を「△」、25%CLD硬度が200kPa以上の場合を「×」と評価した。
実施例及び比較例に係る発泡体の評価結果を、表1〜5に示す。結果から本発明による導電性発泡体は1Vという低い印加電圧で、導電性(体積抵抗値)を発現することが理解でき、導電性の異方性が低いということが理解できる。又、導電性フィラーとして導電性カーボンを、さらに追加した実施例では、著しく導電性が向上していることも理解できる。
Claims (8)
- 導電性材料を分散させたエマルジョン組成物を、メカニカルフロス法にて発泡させた後に硬化することにより得られる導電性発泡体であって、前記導電性材料が、少なくとも、ベーサル面を褶曲させた構造を有する球状黒鉛を、含有することを特徴とする導電性発泡体。
- 前記導電性発泡体の全質量を基準として、前記導電性材料を30質量%〜50質量%含有する、請求項1の導電性発泡体。
- 前記導電性材料として、前記球状黒鉛とは異なる導電性フィラーをさらに含有する、請求項1又は2の導電性発泡体。
- 前記導電性材料が、前記球状黒鉛と導電性フィラーとの配合比率(質量比)が9:1〜5:5で含有する、請求項3の導電性発泡体。
- 前記導電性フィラーが、導電性カーボンである、請求項3又は4の導電性発泡体。
- 前記エマルジョン組成物が、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂のうちの少なくとも1つの樹脂材料を含む請求項1から5のいずれか1項に記載の導電性発泡体。
- 前記導電性発泡体が、シート状に形成された請求項1から6のいずれか1項に記載の導電性発泡体。
- 前記シート状に形成された導電性発泡体が、基材上に積層された請求項1から7のいずれか1項に記載の導電性発泡体。
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