JP2020063390A - 熱伝導性材料 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量性を大きく損なうことなく、高い熱伝導性を有する熱伝導性材料を提供する。【解決手段】熱伝導性材料は、水と、セルロースナノファイバーと、を含んでいる。熱伝導性材料は、水１００質量部に対して、セルロースナノファイバーを０．１質量部以上３質量部以下含むことができる。セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、１８０以上２６０以下であることが好ましい。熱伝導性材料は、車両用部品に好適に用いることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱伝導性材料に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等で使用される車両用部品では、当該部品から発生する熱を外部に効率的に放熱させる必要がある。近年、上記のような熱を外部に放熱させるための材料が注目されている。このような材料には、高い熱伝導性を有する熱伝導性材料が用いられる。

この種の熱伝導性材料としては、一般的に、樹脂、ゴム等に、高い熱伝導性を有する熱伝導性フィラーを高充填したものが知られている。熱伝導性フィラーとしては、通常、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック材が用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

なお、先行する特許文献３には、セルロースナノファイバーと、セルロースナノファイバーの表面を緻密に被覆するナノ粒子構造体とを有する複合材料からなる熱伝導性材料が開示されている。

特開２０１１−１８４５０７号公報 特開２０１４−２１４２２２号公報 特開２０１８−５９０５７号公報

しかしながら、従来知られる一般的な熱伝導性材料は、以下の点で課題がある。すなわち、熱伝導性フィラーとしてセラミック材を用いると、セラミック材の比重が大きいため、樹脂、ゴム等が持つ特性である軽量性が損なわれ、ひいては、熱伝導性材料の軽量性が損なわれる。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、軽量性を大きく損なうことなく、高い熱伝導性を有する熱伝導性材料を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、水と、セルロースナノファイバーと、を含む、熱伝導性材料にある。

セルロースナノファイバーは、セラミック材と比べて比重が小さい。そのため、上記熱伝導性材料は、セラミック材を用いた熱伝導性材料に比べ、軽量性が大きく損なわれることがない。また、セルロースナノファイバーは高いアスペクト比を有しているので、セルロースナノファイバー同士の接触確率がアルミナ等の球状フィラーと比べて大きく、少量の添加でも高い熱伝導性を付与することができる。そのため、上記熱伝導性材料は、高い熱伝導性を発現することができる。

試料２の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）である。 試料２におけるセルロースナノファイバーのアスペクト比を算出する際のファイバー長、ファイバー径の測定に用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ像）の一例である。 試料２におけるセルロースナノファイバーのアスペクト比のヒストグラムである。

上記熱伝導性材料は、水と、セルロースナノファイバーと、を含んでいる。セルロースナノファイバーとしては、例えば、木質繊維を化学的処理によって解繊したもの、木質繊維を物理的処理によって解繊したものなどを用いることができる。セルロースナノファイバーは、表面に水酸基等の親水基を有することができる。親水性のセルロースナノファイバーは、水に分散されやすいため、好適である。なお、この種のセルロースナノファイバーは、例えば、第一工業製薬（株）、（株）スギノマシンなどから上市されている。

セルロースナノファイバーの表面は、露出していることが好ましい。従来技術のように、セルロースナノファイバーの表面がアルミナ等のセラミック材で緻密に被覆されていると、その分、セルロースナノファイバーの比重が大きくなり、軽量性向上の妨げになる。これに対して、セルロースナノファイバーの表面が露出している構成によれば、セルロースナノファイバーの表面がセラミック材で緻密に被覆されていないため、熱伝導性材料の軽量性向上に有利である。

セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、１８０以上２６０以下とすることができる。この構成によれば、水中に分散された際に形成される三次元網目構造が確実なものとなり、セルロースナノファイバー同士の接触確率を高めやすくなる。そのため、この構成によれば、水中への少量の添加で高い熱伝導性を発現しやすい熱伝導性材料が得られる。

セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、熱伝導性向上などの観点から、好ましくは、１９０以上、より好ましくは、２００以上、さらに好ましくは、２１０以上とすることができる。また、セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、分散性の向上、高粘度化によるハンドリング性の低下や生産性悪化等の抑制などの観点から、好ましくは、２５０以下、よりこの好ましくは、２４０以下、さらに好ましくは、２３０以下とすることができる。

上記熱伝導性材料は、セルロースナノファイバーのアスペクト比のヒストグラムを算出したとき、当該ヒストグラムにおいて、セルロースナノファイバーのアスペクト比が２００以上２５０以下である級の頻度が最も大きい構成であるとよい。つまり、当該ヒストグラムにおいて、セルロースナノファイバーのアスペクト比が２００以上２５０以下である級の頻度は、その他の級の頻度に比べて、最も大きい値を示す構成であるとよい。この構成によれば、水中に分散された際に形成される三次元網目構造が確実なものとなり、セルロースナノファイバー同士の接触確率を高めやすくなる。そのため、この構成によれば、水中への少量のセルロースナノファイバーの添加で高い熱伝導性を発現しやすい熱伝導性材料が得られる。

なお、アスペクト比は、セルロースナノファイバーのファイバー長／ファイバー径の式から算出される。セルロースナノファイバーのファイバー長は、上記熱伝導性材料の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察（倍率１万倍）し、セルロースナノファイバー１本ごとのファイバーの長径方向の長さを計測することで求められる。また、セルロースナノファイバーのファイバー径は、上記熱伝導性材料の表面をＳＥＭにて観察（倍率１万倍）し、ＳＥＭ像の分解能（ピクセルサイズ）に基づいて算出される。具体的には、例えば、ＳＥＭ像の分解能が１ピクセル＝１２．５ｎｍであり、セルロースナノファイバーの幅が１ピクセル以内であれば、ファイバー径は、１２．５ｎｍ（１２．５ｎｍ×１ピクセル）とされる。また、セルロースナノファイバーの幅が１ピクセル以上２ピクセル以内であれば、ファイバー径は、２５ｎｍ（１２．５ｎｍ×２ピクセル）とされる。また、セルロースナノファイバーの平均アスペクト比は、上記のようにして算出されるセルロースナノファイバーのアスペクト比の平均値である。

また、上記のようにして求めたセルロースナノファイバーのアスペクト比から、セルロースナノファイバーのアスペクト比のヒストグラムを求めることができる。具体的には、セルロースナノファイバーのアスペクト比が５０であるときを基準点として級の幅を５０とし、ヒストグラムを作成する。当該ヒストグラムにおいて、横軸の各級は、小さい方から、セルロースナノファイバーのアスペクト比が５０以上１００未満、１００以上１５０未満、１５０以上２００未満、２００以上２５０未満、２５０以上３００未満、３００以上３５０未満・・・となる。なお、当該ヒストグラムにおける縦軸は、頻度（％）である。

上記熱伝導性材料は、水１００質量部に対して、セルロースナノファイバーを０．１質量部以上３質量部以下含む構成とすることができる。この構成によれば、軽量性を大きく損なうことなく、高い熱伝導性を有する熱伝導性材料を確実なものとすることができる。

上記熱伝導性材料は、熱伝導性向上などの観点から、水１００質量部に対して、セルロースナノファイバーを、好ましくは、０．１５質量部以上、より好ましくは、０．２質量部以上、さらに好ましくは、０．２５質量部以上、さらにより好ましくは、０．３質量部以上、さらにより一層好ましくは、０．３５質量部以上、最も好ましくは、０．４質量部以上とすることができる。また、上記熱伝導性材料は、軽量性向上などの観点から、水１００質量部に対して、セルロースナノファイバーを、好ましくは、２．８質量部以下、より好ましくは、２．５質量部以下、さらに好ましくは、２．３質量部以下、さらにより好ましくは、２．２質量部以下、さらにより一層好ましくは、２．１質量部以下、最も好ましくは、２質量部以下とすることができる。

上記熱伝導性材料は、必要に応じて、例えば、窒化ホウ素、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化チタン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムなどを１種または２種以上含むことができる。

上記熱伝導性材料は、車両用部品に好適に用いることができる。この構成によれば、ハイブリッド自動車や電気自動車等で使用される車両用部品から発生する熱を外部に効率的に放熱させることができる上、熱伝導性材料によって車両用部品の軽量性を損ない難い。車両用部品としては、具体的には、例えば、車両用ＥＣＵ（電子制御ユニット）基板、車両用電気中継部品などを例示することができる。

上記熱伝導性材料は、ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定される熱線法に準じた室温下における熱伝導率が、０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上である構成とすることができる。この構成によれば、熱伝導性材料としての有用性が高まる。熱伝導率は、好ましくは、０．６５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは、０．７Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは、０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることができる。また、熱伝導率は、重量増加を抑制しつつ高い熱伝導率を確保するなどの観点から、例えば、２．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、好ましくは、２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。

上記熱伝導性材料は、例えば、そのまま使用されてもよいし、上記熱伝導性材料を乾燥させる等して水分を除去して使用されてもよい。また、上記熱伝導性材料は、例えば、車両用部品に使用する熱伝導性ゲル、熱伝導性パテ、熱伝導性シート、熱伝導性接着剤などとして好適に用いることができる。

なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。

以下、上記熱伝導性材料を、実験例を用いてより具体的に説明する。

（実験例）
−原料準備−
熱伝導性材料の原料として、以下のものを準備した。
・水（純水）
・親水性のセルロースナノファイバーの水分散物（１００質量部の水に２．０４質量部の親水性のセルロースナノファイバーが分散されたもの、なお、セルロースナノファイバーの表面は露出している）
・アルミナ（昭和電工社製、「ＣＢ−Ｐ０５」）

上記親水性のセルロースナノファイバーの水分散物を、試料５の熱伝導性材料とした。この試料５の熱伝導性材料に対して、セルロースナノファイバーの質量部が表１の配合割合となるように水を加え、ホモミキサーを使用して１時間撹拌混合することにより、水中にセルロースナノファイバーを十分に分散させ、試料１〜４の熱伝導性材料を得た。また、比較として、水を、試料６の熱伝導性材料とした。また、比較として、１００質量部の水に対して１００質量部のアルミナを配合し、上記と同様に調製することにより、試料７の熱伝導性材料を得た。

−熱伝導率の測定−
ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定される熱線法に準じて、室温下にて、各試料の熱伝導性材料について熱伝導率を測定した。

−密度−
軽量性の指標として、各試料の熱伝導性材料について室温における密度を計算により求めた。

表１に、各熱伝導性材料における配合割合、熱伝導率、および、密度をまとめて示す。

−セルロースナノファイバーのアスペクト比の算出−
試料１〜５の熱伝導性材料の代表として、試料２の熱伝導性材料を選択した。そして、試料２の熱伝導性材料の表面をＳＥＭにて観察（倍率１万倍）し、上述した方法により、セルロースナノファイバーのファイバー長、ファイバー径を計測し、ファイバー長／ファイバー径の式から各セルロースナノファイバーのアスペクト比をそれぞれ算出した。ＳＥＭ観察結果を図１に示す。また、ファイバー長、ファイバー径の測定に用いたＳＥＭ像を図２に示す。なお、図２における黒い線は、セルロースナノファイバーをなぞった測定用の線である。

本実験例では、ＳＥＭ像の分解能が１ピクセル＝１２．５ｎｍである。ＳＥＭ像にグリッド線を引いて観察した結果、セルロースナノファイバーの幅は１ピクセル以内、または、１ピクセル以上２ピクセル以内であった。そのため、セルロースナノファイバーの幅が１ピクセル以内のセルロースナノファイバーについては、ファイバー径は１２．５ｎｍ（１２．５ｎｍ×１ピクセル）とした。また、セルロースナノファイバーの幅が１ピクセル以上２ピクセル以内のセルロースナノファイバーについては、ファイバー径は２５ｎｍ（１２．５ｎｍ×２ピクセル）とした。また、セルロースナノファイバーの平均アスペクト比を算出したところ、２２０であった。

また、算出したセルロースナノファイバーのアスペクト比を用い、試料２におけるセルロースナノファイバーのアスペクト比のヒストグラムを作製した。その結果を、図３に示す。図３に示されるように、ヒストグラムにおいて、セルロースナノファイバーのアスペクト比が２００以上２５０以下である級の頻度は、その他の級の頻度に比べて、最も大きい値を示した。

以上の結果から、以下のことがわかる。表１に示されるように、試料１は、試料１Ｃと比べて、熱伝導率が０．１２Ｗ／ｍ・Ｋ上昇した。また、試料２〜試料５は、試料１Ｃと比べて、熱伝導率が約０．３Ｗ／ｍ・Ｋ上昇した。これは、セルロースナノファイバーは高いアスペクト比を有しているので、セルロースナノファイバー同士の接触確率がアルミナ等の球状フィラーと比べて大きく、少量の添加でも高い熱伝導性を付与することができたためである。また、試料２〜５は、比較例２Ｃと比べて、フィラー含有量も少なく、密度も約６０％に抑えられている上、同等以上の熱伝導率を示すことができた。上記の結果から、試料１〜５の熱伝導性材料によれば、軽量性を大きく損なうことなく、高い熱伝導性を有する熱伝導性材料が得られることが確認できた。

以上、本発明の実施形態、実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。

Claims (7)

1. 水と、セルロースナノファイバーと、を含む、熱伝導性材料。
2. 上記水１００質量部に対して、
   上記セルロースナノファイバーを０．１質量部以上３質量部以下含む、請求項１に記載の熱伝導性材料。
3. 上記セルロースナノファイバーの平均アスペクト比が１８０以上２６０以下である、請求項１または２に記載の熱伝導性材料。
4. ５０を基準点として級の幅を５０とした上記セルロースナノファイバーのアスペクト比のヒストグラムにおいて、アスペクト比が２００以上２５０以下である級の頻度が最も大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱伝導性材料。
5. ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定される熱線法に準じた室温下における熱伝導率が、０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱伝導性材料。
6. 上記セルロースナノファイバーの表面が露出している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱伝導性材料。
7. 車両用部品に用いられる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱伝導性材料。