JP2019203050A - 断熱材料 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器筐体の表面温度上昇を防止可能な断熱材料の提供。【解決手段】本発明の断熱材料は樹脂とフィラーを含み、該フィラーが酸化チタンであって、かつ数式１にて示される比が０．６５以下であることを特徴とする。（数式１）（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率）さらに、平均粒子径が３〜１０μｍかつ平均アスペクト比が２０以上である酸化チタンを用いることによって、より高い断熱性能を得ることができる。【選択図】なし

Description

本発明は、電子機器筐体の表面温度上昇を防止可能な断熱材料に関する。

近年の電子機器の小型化・高速処理化に伴い、熱対策の重要度が増している。特にスマートフォン、タブレットＰＣ等の小型電子機器においては、処理能力の向上とともに小型・薄型化、高集積化がますます進んでおり、発生する熱からの電子部品の保護に加えて、使用時の筐体表面での低温火傷を防止する必要性が生じている。これらの課題への対策として、発熱する素子と筐体の間に放熱材料と断熱材料を設置することが考案されている。例えば特許文献１あるいは特許文献２に記載のように、熱伝導層と断熱層とを重ねた複合シートが提案されている。

例えば特許文献１では、グラファイトシートを用いて熱源からの熱を拡散することで局所的な温度上昇を防止するとともに、熱伝導率の低い材料、例えばシリカエアロゲルを含むシートをグラファイトシートと筐体の間に設置することによって、放熱と断熱を両立することが考案されている。特許文献２においても同様に、熱伝導層として金属箔、熱伝導抑制層として多孔質体を含むシートが提案されている。

特開２０１６−２８８８０号公報 特許第５９０６１４０号公報

本発明の目的は、小型電子機器において使用可能な薄い断熱材料を提供することにより、筐体表面における温度上昇を防止することにある。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を重ね、熱源から発せられる赤外線を適切に拡散しつつ反射する以下の断熱材料を用いることで、筐体表面の温度上昇が抑制できることを見出した。
（１）樹脂とフィラーを含み、該フィラーが酸化チタンであって、かつ数式１にて示される比が０．６５以下であることを特徴とする断熱材料。
（数式１）
（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率）
（２）前記断熱材料に含まれる酸化チタンの平均粒子径が３〜１０μｍかつ平均アスペクト比が２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の断熱材料。

本発明によれば、断熱性に優れる断熱材料を得ることができる。

本発明の断熱材料の概略図である。 本発明の断熱材料の断熱性評価系の概略図である。 本発明の断熱材料の、赤外線全反射率測定系の概略図である。

本発明の断熱材料は、樹脂とフィラーを含み、該フィラーが酸化チタンであって、数式１にて示される比が０．６５以下であることを特徴とする。
（数式１）
（波長２〜２０μｍの光に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの光に対する平均全反射率）
熱源からの熱は赤外線という形で伝播される。動作中の小型電子機器の熱源温度はおよそ３０〜６０℃であり、この温度の熱源から発せられる赤外線の主たる波長域は２〜２０μｍである。断熱材料がこの領域の赤外線を吸収しやすい場合には、断熱材料そのものの温度が上昇し、結果的に筐体表面の温度も上昇してしまうため、全反射率は高いことが望まれる。一方で、赤外線の正反射率が高い断熱材料においては、表面で反射された赤外線が特定方向に集中する傾向が強いことを意味するため、筐体内部の特定位置に熱が移動しやすく、機器内部にヒートスポットが発生する可能性がある。以上のように、機器内部における特定位置での温度上昇を抑えつつ、表面の温度上昇も同時に抑えるには、正反射率が低く、かつ全反射率は高いことが好ましい。具体的には、断熱材料の波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率を、同波長帯における平均全反射率で除したその比が０．６５以下であることが好ましく、０．５以下であることがより好ましい。

本発明の断熱材料は、樹脂とフィラーからなる。前述の通り、赤外線の正反射率が低く全反射率が高い材料構成とすることが好ましく、酸化チタンが有用である。

本発明の断熱材料は、用いるフィラーの平均粒子径および平均アスペクト比によって断熱性能を制御することができる。平均粒子径は１μｍ以上であることが好ましく、３〜１０μｍであることがより好ましい。平均粒子径が１μｍ未満では、熱源からの赤外線に対する反射率は低く、充分な断熱性能が得られない。また平均粒子径が１０μｍを超える場合、断熱材料を薄くすることが困難になり、小型電子機器内部への適用が難しくなる。一方、平均アスペクト比は高いほど熱源からの赤外線を拡散反射する効率を高めることができ、結果として高い断熱性能が得られる。特に平均アスペクト比が２０以上の粒子を用いた場合、高い断熱性能を得ることができる。

本発明の断熱材料に用いる樹脂には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂の双方を使用することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリメタアクリル酸エステル、ポリイソプレン、ＡＢＳ樹脂、ＳＢＲ樹脂、ポリイソブチレン、ブチルゴム、ポリビニルエーテル、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリ乳酸などを用いることができる。熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂などを用いることができる。なお、電子伝導性を有する樹脂を用いた場合、小型電子機器においては通信用電波が阻害され、設計の自由度が損なわれることが懸念される。

本発明の断熱材料には、低応力化剤を必要に応じて配合することができる。具体的には、シリコーンゴム、ポリサルファイドゴム、アクリル系ゴム、ブタジエン系ゴム、スチレン系ブロックコポリマーや飽和型エラストマー等のゴム状物質、各種熱可塑性樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂状物質、更にはエポキシ樹脂、フェノール樹脂の一部又は全部をシリコーンで変性した樹脂などを用いることができる。

本発明の断熱材料において、フィラーの充填性を高める目的で各種シランカップリング剤、表面処理剤を用いることができる。シランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、ウレイドプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン等の疎水性シラン化合物やメルカプトシランなどが挙げられる。表面処理剤としては、Ｚｒキレート、チタネートカップリング剤、アルミニウム系カップリング剤などを用いることができる。

その他添加剤として、ハロゲン化エポキシ樹脂やリン化合物などの難燃剤、染料、顔料などの着色剤、更にはワックス等の離型剤を必要に応じて添加することができる。ワックスの具体例をあげれば、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸塩の金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィンなどである。

熱可塑性樹脂を用いて本発明の断熱材料を製造する場合、公知のブレンド法、混練方法を用いることができる。例えば、単軸混練押出機、二軸混練押出機、バンバリー型ミキサー、プラストミル、コニーダー、加熱ロールなどで溶融混合を行うことができる。溶融混合を行う前に、ヘンシェルミキサー、リボンブレンダー、スーパーミキサー、タンブラーなどで各材料を均一に混合しておいてもよい。

熱硬化性樹脂を用いて本発明の断熱材料を製造する場合、フィラーを熱硬化性樹脂中に均一分散するために、十分な剪断力を与えるものを用いることができる。例えば、ビーズミル、ニーダー、三本ロール、単軸混練押出機、二軸混練押出機、遊星式撹拌機等の分散装置を使用することができる。また、樹脂とフィラーの混合を容易にするため、必要に応じて有機溶剤を加えることができる。有機溶剤としては、例えば、エタノール及びイソプロパノール等のアルコール類、２−メトキシエタノール、１−メトキシエタノール、２−エトキシエタノール、１−エトキシ−２−プロパノール、２−ブトキシエタノール、２−（２−メトキシエトキシ）エタノール、２−（２−エトキシエトキシ）エタノール及び２−（２−ブトキシエトキシ）エタノール等のエーテルアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン及びジイソブチルケトン等のケトン類、トルエン及びキシレン等の炭化水素類が挙げられる。なお、これらの希釈剤は、単独で使用しても、２種以上を混合して使用してもよい。

本発明の断熱材料の厚さは、目的に応じて調整することができる。０．０３〜１ｍｍが好ましく、０．１〜０．５ｍｍがより好ましい。フィラーを多量に充填した場合、０．０３ｍｍ未満の厚みでは加工が難しく、また厚みが薄いことに由来して強度不足となり、ハンドリング中あるいは機器使用中に破損する恐れがある。一方、１ｍｍよりも厚い場合には小型電子機器への導入が困難となる。なお、断熱材料を薄いシート形状で得る方法は特に限定されない。押出機、熱プレス、熱ロールプレス等の公知の方法によってシート状に成形される。

本発明の断熱材料は、効率的に熱源からの赤外線を拡散するために、電子機器内の熱源に対峙する位置に設置することが好ましく、加えて、断熱材料自体の温度上昇を防ぐため、熱源に直接触れない位置に設置することが好ましい。したがって、筐体裏面に熱源に対峙するよう固定して使用するとよい。本発明の断熱材料を筐体に固定して用いる際には、断熱材料の表面に粘着材層、または接着層を設けることが有効である。粘着材としてはアクリル系粘着材、エポキシ系粘着材、シリコーン系粘着材、接着層としてはアクリル系接着剤、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤を上げることができる。粘着材層、接着層ともに厚みが薄いことが好ましいが、薄すぎる場合には筐体表面の凹凸に追随することが困難になる。一方、厚い場合には小型電子機器への導入が困難となる。従って、粘着材層、接着層の厚みは０．０１〜０．１ｍｍが好ましく、より好ましくは０．０３〜０．０６ｍｍである。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（樹脂とフィラーの混練）
図１のフィラー１として、平均粒子径７．５μｍ、平均アスペクト比２０．１の酸化チタン粉末（石原産業社製、ＦＴＬ−４００）３０．１ｇを、樹脂２としてＡＢＳ樹脂（デンカ社製、ＧＲ−２０００）４８．９ｇを準備した。ブラベンダープラスチコーダー（ブラベンダー社製、ＰＬ２０００型）を使用し、原料を投入し、２１０℃、回転速度５０回／分、６分間混練した。

（断熱材料の作製）
加熱プレス法（２１０℃、時間５分、圧力８０ｋｇ／ｃｍ^２）により、図１に示す厚さ１ｍｍの断熱材料３を成形した。

（断熱性能評価）
図２に示す断熱性評価系を用いて、断熱性能を評価した。厚さ５ｍｍのアクリル板により形成したステージ４上にヒーター５（スリーハイ社製、シリコンラバーヒーター、１２Ｖ・６Ｗ、２５×３０ｍｍ）を設置し、熱源とした。作製した断熱材料３から５ｃｍ角に切り出した試験片を表面温度評価用サンプル７とし、ヒーター５の対峙する二辺を囲むよう設置した高さ７ｍｍのアクリル製のスペーサー６上に、表面温度評価用サンプル７とヒーター５の中心位置が合うよう配置した。表面温度評価用サンプル７のヒーター５とは反対側の表面と、ヒーター５表面に熱電対を貼り付けた後、外乱の影響を除外するため全体をアクリル製のカバー８で覆った。
ヒーターの電力量を０．９Ｗとし、先ほど貼り付けた熱電対にて、通電開始から４０分経過した時点でのヒーター５および表面温度評価用サンプル７の表面温度を測定した。

（平均粒子径）
作製した断熱材料３をアセトンに浸漬してＡＢＳ樹脂を溶解した後、ろ過しながらアセトンで洗浄し、乾燥することで酸化チタン粉末を採取した。得られた酸化チタン粉末の平均粒子径を、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置（ベックマン・コールター社製、ＬＳ １３ ３２０）を用いて求めた。分散剤としてメタリン酸ナトリウム０．５質量％を溶解した水に、酸化チタン粉末を適量投入し、超音波を１分間照射して分散処理を行ったのち、装置に１滴ずつ添加し、再度超音波を９０秒間照射した。超音波を照射してから６０秒後に測定を行い、体積分布において５０％となる粒径を平均粒子径とした。結果は表１に示す。得られた酸化チタン粉末の平均粒子径は７．５μｍであった。

（平均アスペクト比）
平均粒子径と同様、ＡＢＳ樹脂を溶解して回収した酸化チタン粉末を、走査型電子顕微鏡（日本電子社製、ＪＳＭ−７００１Ｆ）を用いて、観察倍率を１００００倍として写真を得た。得られた写真において、２００個の酸化チタン粉末粒子に対し長軸と単軸の長さを測定して、それぞれの平均値の比（長軸長さ／短軸長さ）を平均アスペクト比とした。結果を表１に示す。得られた酸化チタン粉末の平均アスペクト比は２０．１であった。

（（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率））
断熱材料３の（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率）は、断熱材料３から２ｃｍ角のサイズに切り出した厚み１ｍｍの評価体１４を用い、下記の要領にて算出した。波長２〜２０μｍの赤外線に対する正反射率を、フーリエ変換赤外分光光度計（島津製作所社製、ＩＲＡｆｆｉｎｉｔｙ−１Ｓ）と、正反射測定装置（島津製作所製、ＳＲＭ−８０００Ａ）とを組み合わせて用い、金コーティング表面鏡の反射率を１００％として測定した。赤外線の入射角は５°とした。得られた正反射率から、２〜２０μｍの平均値を算出し、波長２〜２０μｍの赤外線に対する正反射率とした。
波長２〜２０μｍの赤外線に対する全反射率は、フーリエ変換赤外分光光度計（アジレント・テクノロジー社製、６８０−ＩＲ）と金コーティング積分球１２（Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ社製、３Ｐ−ＧＰＳ−０６０−ＩＧ）とを組み合わせて用い、金コーティング表面鏡での反射率を１００％として測定した。測定系の概要を図３に示す。赤外線の入射角は１０°とした。得られた全反射率から、２〜２０μｍの平均値を算出し、波長２〜２０μｍの赤外線に対する全反射率とした。正反射率、全反射率のいずれの測定も、室温は２４℃、湿度は４８±２％の環境にて実施した。
上記要領にて求めた波長２〜２０μｍの赤外線に対する正反射率を、波長２〜２０μｍの赤外線に対する全反射率にて除することにより、（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率）を算出した。

［実施例２］
原料に平均粒子径３．７μｍ、平均アスペクト比１７．６の酸化チタン粉末（石原産業社製、ＦＴＬ−３００）を用いた以外は実施例１と同様にして断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。

［実施例３］
原料に平均粒子径１．４μｍ、平均アスペクト比３．９の酸化チタン粉末（石原産業社製、ＰＦＲ−４０４）を用いた以外は実施例１と同様にして断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。

［実施例４］
原料に平均粒子径２．２μｍ、平均アスペクト比１．６の酸化チタン粉末（東邦チタニウム社製、ＨＴ０１１０）を用いた以外は実施例１と同様にして断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。

［比較例１］
原料に平均粒子径０．８μｍ、平均アスペクト比２．２の酸化チタン粉末（堺化学工業社製、Ｒ−３８Ｌ）を用いた以外は実施例１と同様にして断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。得られた断熱材料３で測定されたサンプルの表面温度は４５．１℃であった。

［比較例２］
原料に平均粒子径１．９μｍ、平均アスペクト比１３．６の酸化チタン粉末（石原産業社製、ＦＴＬ−２００）を用いた以外は実施例１と同様にして断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。得られた断熱材料３で測定されたサンプルの表面温度は４５．２℃であった。

［比較例３］
ＡＢＳ樹脂（デンカ社製、ＧＲ−２０００）を用いて、加熱プレス法（２１０℃、時間５分、圧力８０ｋｇ／ｃｍ２）により厚さ１．０ｍｍに成形して断熱材料３を得た。評価結果を表１に示す。得られた断熱材料３で測定されたサンプルの表面温度は４６．３℃であった。

表１に示した通り、本発明の断熱材料は熱源に対峙させた場合に、熱源と反対側の表面温度の上昇が抑制されており、高い断熱性能を有することが示された。また、表面温度は４３℃以下と、一般に低温火傷を生じると言われる４５℃を下回ることができており、使用時の筐体表面での低温火傷防止に有効である。

本発明の断熱材料は高い断熱性能を有しており、小型電子機器の筐体表面における温度上昇を抑制する用途に好適である。また、絶縁性物質を構成材料としており通信に用いられる電磁波を遮蔽しないため、従来の断熱材料よりも小型電子機器に適用しやすい。

１ フィラー
２ 樹脂
３ 断熱材料
４ ステージ
５ ヒーター
６ スペーサー
７ 表面温度評価用サンプル
８ カバー
９ サンプルの表面温度測定位置
１０ ヒーターの表面温度測定位置
１１ 赤外光源
１２ 金コーティング積分球
１３ 検出器
１４ 評価体

Claims (2)

1. 樹脂とフィラーを含み、該フィラーが酸化チタンであって、かつ数式１にて示される比が０．６５以下であることを特徴とする断熱材料。
   （数式１）
   （波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均正反射率）／（波長２〜２０μｍの赤外線に対する平均全反射率）
2. 前記断熱材料に含まれる酸化チタンの平均粒子径が３〜１０μｍかつ平均アスペクト比が２０以上であることを特徴とする請求項１に記載の断熱材料。