JP2022152205A - 窒化ホウ素繊維及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】新たな窒化ホウ素繊維及びその製造方法を提供すること。【解決手段】窒化ホウ素基材、窒化ホウ素基材上に配置された容器、及び容器内に収容されたホウ酸を反応器内に配置する工程と、反応器内に窒素ガス及びアンモニアガスを通気しながら、反応器を１４５０～１８００℃で加熱して、窒化ホウ素基材上に窒化ホウ素繊維を生成する工程と、を備え、窒素ガスの通気量が、ホウ酸１ｇに対して、０．１～２．０Ｌ／ｍｉｎであり、アンモニアガスの通気量が、ホウ酸１ｇに対して、０．０５～１．０Ｌ／ｍｉｎである、窒化ホウ素繊維の製造方法。一端から他端に向けて延びる主部と、主部から分岐する分岐部とを有する、窒化ホウ素繊維。【選択図】図３
Description
本開示は、窒化ホウ素繊維及びその製造方法に関する。
窒化ホウ素は、潤滑性、高熱伝導性、及び絶縁性を有しており、固体潤滑材、離型材、化粧料の原料、放熱材、並びに、耐熱性を有する絶縁性焼結体等の種々の用途に利用されている。
窒化ホウ素としては、鱗片状の窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素一次粒子の凝集粒子、窒化ホウ素繊維等が知られている。窒化ホウ素繊維としては、ホウ酸と、ジオール、トリオールおよびポリオールから選ばれた少なくとも１種以上と、フェノール類とを反応させて得られた、ホウ素－酸素－炭素結合を含む高分子化合物よりなる繊維を窒素元素を含むガスの存在下で焼成することを特徴とする製造方法で得られることが知られている（特許文献１参照）。
本開示の主な目的は、新たな窒化ホウ素繊維及びその製造方法を提供することである。
本開示の一側面は、窒化ホウ素基材、窒化ホウ素基材上に配置された容器、及び容器内に収容されたホウ酸を反応器内に配置する工程と、反応器内に窒素ガス及びアンモニアガスを通気しながら、反応器を１４５０～１８００℃で加熱して、窒化ホウ素基材上に窒化ホウ素繊維を生成する工程と、を備え、窒素ガスの通気量が、ホウ酸１ｇに対して、０．１～２．０Ｌ／ｍｉｎであり、アンモニアガスの通気量が、ホウ酸１ｇに対して、０．０５～１．０Ｌ／ｍｉｎである、窒化ホウ素繊維の製造方法である。
本開示の他の一側面は、一端から他端に向けて延びる主部と、主部から分岐する分岐部とを有する、窒化ホウ素繊維である。
上記主部の長さは、５０μｍ以上であってよい。
上記主部の径は、１μｍ以上であってよい。
上記主部の径は、３０μｍ以下であってよい。
上記主部のアスペクト比は、１０以上であってよい。
上記分岐部の長さは、１０μｍ以上であってよい。
窒化ホウ素繊維は、空隙率が５％以下である断面を有していてもよい。
窒化ホウ素繊維は、窒化ホウ素繊維の径方向に重なる複数の層で構成された多層構造を有してもよい。
本開示によれば、新たな窒化ホウ素繊維及びその製造方法を提供することができる。
以下、本開示の実施形態について詳細に説明する。
本開示の一実施形態に係る窒化ホウ素繊維の製造方法は、窒化ホウ素基材、窒化ホウ素基材上に配置された容器、及び容器内に収容されたホウ酸を反応器内に配置する工程（配置工程）と、反応器内に窒素ガス及びアンモニアガスを通気しながら、反応器を１４５０～１８００℃で加熱して、窒化ホウ素基材上に窒化ホウ素繊維を生成する工程（生成工程）と、を備える。
配置工程で用いられる窒化ホウ素基材は、例えば、窒化ホウ素で形成された板状の基材であってよい。窒化ホウ素基材における窒化ホウ素の純度は、例えば９５質量％以上であってよく、１００質量％（実質的に基材が窒化ホウ素からなる態様）でもあってもよい。窒化ホウ素基材の大きさは、容器を窒化ホウ素基材の上に配置でき、かつ反応器内に収まる大きさであればよい。窒化ホウ素基材の厚さは、例えば、５ｍｍ以上であってよく、２０ｍｍ以下であってよい。
配置工程で用いられる容器は、ホウ酸と反応しない材料で形成された容器であればよく、アルミナ容器、窒化ホウ素容器等であってよい。容器の大きさは、所望の量のホウ酸を収容でき、かつ反応器内に収まる大きさであればよく、例えば、皿状の容器であってよい。容器としては、例えば、アルミナで形成された皿状の容器（アルミナボート等）であってよい。容器がアルミナで形成されている場合、容器におけるアルミナの純度は、例えば９５質量％以上であってよく、１００質量％（実質的に容器がアルミナからなる態様）であってもよい。
配置工程で用いられるホウ酸は、例えば、粉末状（ホウ酸粉末）であってよい。ホウ酸に加えて酸化ホウ素が容器に収容されていてもよい。
配置工程で用いられる反応器は、生成工程における窒素ガス及びアンモニアガスを通気する流入口及び排出口を有する。反応器は、例えば、管状の反応器であってよい。反応器は、例えば、アルミナで形成された反応器であってよい。反応器におけるアルミナの純度は、例えば、９５質量％以上であってよく、１００質量％（実質的に容器がアルミナからなる態様）であってもよい。反応器の大きさは、その内部に窒化ホウ素基材及び容器を配置できる大きさであればよい。反応器の容積は、例えば、０．２Ｌ以上、１Ｌ以上又は５Ｌ以上であってよく、３０Ｌ以下、２０Ｌ以下又は１０Ｌ以下であってよい。反応器の断面積（窒素ガス及びアンモニアガスの通気方向に対して垂直な断面の面積）は、３ｃｍ２以上、１５ｃｍ２以上又は３０ｃｍ２以上であってよく、１８０ｃｍ２以下、１００ｃｍ２以下又は５０ｃｍ２以下であってよい。
生成工程における窒素ガスの通気量（流速）は、ホウ酸１ｇに対して、０．１～２．０Ｌ／ｍｉｎである。当該窒素ガスの通気量の下限値は、揮発したホウ酸を窒化ホウ素基材と接触させやすくして、ホウ酸と窒素ガスとを効率的に反応させる観点から、ホウ酸１ｇに対して、０．２Ｌ／ｍｉｎ以上、０．５Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．８Ｌ／ｍｉｎ以上であってもよい。当該窒素ガスの通気量の上限値は、同様の観点から、１．８Ｌ／ｍｉｎ以下、１．５Ｌ／ｍｉｎ以下又は１．２Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。
生成工程における窒素ガスの通気量（流速）は、反応器内を窒素ガスで充分に満たして、窒化ホウ素繊維の生成反応を進行させやすくする観点から、反応器の容積１Ｌに対して、０．１Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．２Ｌ／ｍｉｎ以上であってよく、１．０Ｌ／ｍｉｎ以下又は０．５Ｌ／ｍｉｎ以下であってよい。生成工程における窒素ガスの通気量（流速）は、同様の観点から、反応器の断面積１ｃｍ２に対して、０．０１Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．０２Ｌ／ｍｉｎ以上であってよく、０．５Ｌ／ｍｉｎ以下又は０．２Ｌ／ｍｉｎ以下であってよい。
生成工程におけるアンモニアガスの通気量（流速）は、ホウ酸１ｇに対して、０．０５～１．０Ｌ／ｍｉｎである。当該アンモニアガスの通気量の下限値は、揮発したホウ酸を窒化ホウ素基材と接触させやすくして、ホウ酸とアンモニアガスとを効率的に反応させる観点から、ホウ酸１ｇに対して、０．０７Ｌ／ｍｉｎ以上、０．１Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．３Ｌ／ｍｉｎ以上であってもよい。当該アンモニアガスの通気量の上限値は、同様の観点から、０．９Ｌ／ｍｉｎ以下又は０．８Ｌ／ｍｉｎ以下であってもよい。ホウ酸１ｇに対するアンモニアガスの通気量を０．０５～１．０Ｌ／ｍｉｎとすることで分岐部を有する窒化ホウ素繊維が得られるが、アンモニアガスの通気量を上記の範囲内で調整することにより、得られる窒化ホウ素繊維の分岐部の数を調整することができる。例えば、アンモニアガスの通気量を多くすると分岐部の数が少ない窒化ホウ素繊維を得やすくなり、アンモニアガスの通気量を少なくすると分岐部の数が多い窒化ホウ素繊維を得やすくなる。
生成工程におけるアンモニアガスの通気量（流速）は、反応器内をアンモニアガスで充分に満たして、窒化ホウ素繊維の生成反応を進行させやすくする観点から、反応器の容積１Ｌに対して、０．０５Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．１Ｌ／ｍｉｎ以上であってよく、１．０Ｌ／ｍｉｎ以下又は０．５Ｌ／ｍｉｎ以下であってよい。生成工程におけるアンモニアガスの通気量（流速）は、同様の観点から、反応器の断面積１ｃｍ２に対して、０．０１Ｌ／ｍｉｎ以上又は０．０２Ｌ／ｍｉｎ以上であってよく、１．０Ｌ／ｍｉｎ以下又は０．５Ｌ／ｍｉｎ以下であってよい。
生成工程において、反応器は、例えば、抵抗加熱炉内に設置されて加熱される。生成工程における加熱温度は、ホウ酸の揮発を促進し、窒化ホウ素繊維の生成を促進する観点から、１４５０℃以上、１５００℃以上又は１６００℃以上であってよい。生成工程における加熱温度は、反応器の使用可能温度の観点から、１８００℃以下又は１６００℃以下であってよい。
生成工程における加熱時間は、充分な大きさの窒化ホウ素繊維を生成しやすい観点から、０．５時間以上又は１時間以上であってよい。生成工程における加熱時間は、窒化ホウ素繊維の製造効率を高める観点から、５時間以下、４時間以下、３時間以下又は２時間以下であってよい。
生成工程において、窒化ホウ素繊維は、窒化ホウ素基材上に生成する。基材上の窒化ホウ素繊維を回収することにより、窒化ホウ素繊維が得られる。基材上に生成した繊維が窒化ホウ素繊維であることは、基材から回収した繊維についてＸ線回折測定を行い、窒化ホウ素に由来するピークが検出されることにより確認することができる。
上述した製造方法により得られる窒化ホウ素繊維は、分岐構造を有するものであり、一端から他端に向けて延びる主部と、主部から分岐する分岐部とを有する。すなわち、本開示の他の一実施形態は、一端から他端に向けて延びる主部と、主部から分岐する分岐部とを有する窒化ホウ素繊維である。窒化ホウ素繊維が、一端から他端に向けて延びる主部と、主部から分岐する分岐部とを有することは、窒化ホウ素繊維をデジタルマイクロスコープで観察することにより確認することができる。
このような窒化ホウ素繊維は、従来の窒化ホウ素繊維の製造方法では得られなかったものである。例えば、上記の特許文献１に記載の窒化ホウ素繊維の製造方法では、溶融紡糸により繊維状にした化合物を得た後に、当該化合物を焼成して窒化ホウ素繊維を得ているが、溶融紡糸により得られる繊維状の化合物は分岐部を有するものではない。そのため、当該化合物を焼成して得られる窒化ホウ素繊維も同様に、分岐部を有するものではない。
この窒化ホウ素繊維は分岐構造を有しているため、窒化ホウ素繊維同士が接触しやすくなる。そのため、例えば、このような窒化ホウ素繊維を樹脂と混合して放熱材（放熱シート）としたときに、窒化ホウ素繊維による伝熱経路が三次元的に形成されることから、当該放熱材が優れた熱伝導性を有すると考えられる。また、この窒化ホウ素繊維同士が絡み合うことで、網状の立体構造を形成しやすいと考えられる。そのため、例えば、放熱材が当該窒化ホウ素繊維以外の充填材（例えば、熱伝導性に優れる充填材）を更に含む場合、窒化ホウ素繊維による立体構造が当該充填材を捕捉し、窒化ホウ素繊維と充填材とで更に好適に伝熱経路が形成され、放熱材が優れた熱伝導性を有すると考えられる。また、窒化ホウ素繊維は、分岐構造を有することで、同一方向に配向しにくくなると考えられ、同一方向に配向することによる熱伝導率の低下を抑制することができる。したがって、この窒化ホウ素繊維は、放熱材に好適に用いることができる。なお、窒化ホウ素繊維の用途として放熱材を例示したが、この窒化ホウ素繊維は、放熱材に限らず種々の用途に利用することができる。
図１は、窒化ホウ素繊維の一実施形態を示す模式図である。図１に示されるように、一実施形態において、窒化ホウ素繊維１は、例えば、一端（第一の端部）Ｅ１から他端（第二の端部）Ｅ２に向けて延びる主部１ａと、主部１ａの分岐点Ｐから第三の端部Ｅ３に向けて分岐する分岐部１ｂとを有している。
図１に示す実施形態では、窒化ホウ素繊維１は一つの分岐部１ｂを有しているが、他の一実施形態では、窒化ホウ素繊維は、複数の分岐部（主部の複数の箇所からそれぞれ分岐する複数の分岐部）を有してもよい。また、図１に示す実施形態では、窒化ホウ素繊維１における分岐部１ｂ自体は分岐していないが、他の一実施形態では、窒化ホウ素繊維における一つの分岐部自体が更に分岐していてもよい。
本明細書において、窒化ホウ素繊維の複数の端部のうち、任意の二つの端部間の窒化ホウ素繊維の形状に沿った長さのうち、最大となる長さを有する部分を主部と定義し、当該長さを主部の長さと定義する。例えば、図１において、窒化ホウ素繊維１の端部Ｅ１～Ｅ３のうちの二つの端部間の窒化ホウ素繊維１の形状に沿った長さのうち、端部Ｅ１と端部Ｅ２とを結ぶ線Ｌ１の長さが最大である場合、主部１ａの長さは線Ｌ１の長さである。
窒化ホウ素繊維の主部の長さは、５０μｍ以上、２００μｍ以上、３００μｍ以上又は４００μｍ以上であってよく、２０００μｍ以下、１５００μｍ以下、１０００μｍ以下又は８００μｍ以下であってよい。
窒化ホウ素繊維の主部の長さは、デジタルマイクロスコープ（例えば、キーエンス社製の「ＶＨＸ－７０００」）を用いて、倍率１００倍で窒化ホウ素繊維を観察した観察画像を画像解析ソフトウェア（例えば、株式会社マウンテック製の「Ｍａｃ－ｖｉｅｗ」）に取り込み、当該観察画像において窒化ホウ繊維の複数の端部のうち、窒化ホウ素繊維の形状に沿った長さが最大となる二つの端部を選択して、端部間の長さを測定することで確認することができる。
窒化ホウ素繊維の主部の径は、１μｍ以上、２μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、７μｍ以上又は９μｍ以上であってよく、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下又は１５μｍ以下であってよい。
窒化ホウ素繊維の主部の径は、デジタルマイクロスコープ（例えば、キーエンス社製の「ＶＨＸ－７０００」）を用いて、倍率５００倍で窒化ホウ素繊維を観察した観察画像を画像解析ソフトウェア（例えば、株式会社マウンテック製の「Ｍａｃ－ｖｉｅｗ」）に取り込み、当該観察画像において測定される窒化ホウ素繊維の主部の２０点の径の平均値として定義される。
窒化ホウ素繊維の主部のアスペクト比は、１０以上、２０以上、３０以上、４０以上、５０以上、６０以上又は７０以上であってよく、１０００以下、８００以下、６００以下、４００以下、２００以下、１００以下又は８０以下であってよい。窒化ホウ素繊維のアスペクト比は、窒化ホウ素繊維の主部の長さと主部の径との比（主部の長さ／主部の径）として定義される。
本明細書において、窒化ホウ素繊維の分岐部の長さは、主部から分岐する分岐部の分岐点から、分岐部の端部（分岐部が複数の端部を有する場合は、主部からの窒化ホウ素繊維の形状に沿った長さが最大となる端部）までの長さと定義する。例えば、図１において、窒化ホウ素繊維１の主部１ａから分岐部１ｂが分岐する分岐点Ｐから分岐部１ｂの端部Ｅ３までを結ぶ線Ｌ２の長さが分岐部１ｂの長さである。
窒化ホウ素繊維の分岐部の長さは、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、３０μｍ以上、４０μｍ以上、５０μｍ以上又は６０μｍ以上であってよく、１０００μｍ以下、８００μｍ以下、６００μｍ以下、４００μｍ以下、２００μｍ以下又は１００μｍ以下であってよい。
窒化ホウ素繊維の分岐部の長さは、デジタルマイクロスコープ（例えば、キーエンス社製の「ＶＨＸ－７０００」）を用いて、倍率１００倍で窒化ホウ素繊維を観察した観察画像を画像解析ソフトウェア（例えば、株式会社マウンテック製の「Ｍａｃ－ｖｉｅｗ」）に取り込み、当該観察画像において窒化ホウ繊維の主部から分岐部が分岐する分岐点から、分岐部の端部までの長さを測定することで確認することができる。
窒化ホウ素繊維の分岐部の径は、１μｍ以上、２μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上又は７μｍ以上であってよく、３５μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下又は１２μｍ以下であってよい。窒化ホウ素繊維の分岐部の径は、主部の径と同様の方法により測定することができる。
窒化ホウ素繊維の分岐部のアスペクト比は、１以上、３以上、５以上又は１０以上であってよく、１０００以下、８００以下、６００以下、４００以下、２００以下、１００以下又は５０以下であってよい。窒化ホウ素繊維のアスペクト比は、窒化ホウ素繊維の分岐部の長さと分岐部の径との比（分岐部の長さ／分岐部の径）として定義される。
窒化ホウ素繊維は、中実であってよい。窒化ホウ素繊維が中実であることは、窒化ホウ素繊維の径方向（主部又は分岐部の径方向）に沿った断面をデジタルマイクロスコープで観察することにより確認することができる。
窒化ホウ素繊維は、空隙率（窒化ホウ素繊維全体の断面積に対する空隙部の面積の割合）が５％以下である断面を有していてもよい。空隙率は、３％以下、１％以下又は０％（実質的に空隙が存在しない態様）であってよい。窒化ホウ素繊維は、空隙率が５％以下である断面を有していることにより、当該窒化ホウ素繊維と樹脂とを混合して得られる放熱材の熱伝導率をより向上させることができると考えられる。空隙率は、後述の実施例の方法により測定することができる。
窒化ホウ素繊維は、窒化ホウ素繊維の径方向に重なる複数の層で構成された多層構造を有してよい。例えば、窒化ホウ素繊維は、窒化ホウ素繊維の径方向に沿った断面において、窒化ホウ素からなる複数の層が同心円状に配置された構造を有してよい。窒化ホウ素繊維が多層構造を有することは、窒化ホウ素繊維の径方向に沿った断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより確認することができる。窒化ホウ素繊維が多層構造を有することで、径方向に対して垂直方向に窒化ホウ素からなる層による伝熱経路が形成されるため、窒化ホウ素繊維の径方向に対して垂直方向の熱伝導率をより向上させることができると考えられる。
窒化ホウ素繊維は、実質的に窒化ホウ素のみからなってよい。窒化ホウ素繊維が実質的に窒化ホウ素のみからなることは、Ｘ線回折測定において、窒化ホウ素に由来するピークのみが検出されることにより確認することができる。
上述した窒化ホウ素繊維は、例えば、樹脂と混合して樹脂組成物として用いることができる。すなわち、本開示の他の一実施形態は、上記の窒化ホウ素繊維と、樹脂と、を含有する樹脂組成物である。
樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、全芳香族ポリエステル、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、マレイミド変性樹脂、ＡＢＳ（アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン）樹脂、ＡＡＳ（アクリロニトリル－アクリルゴム・スチレン）樹脂、ＡＥＳ（アクリロニトリル・エチレン・プロピレン・ジエンゴム－スチレン）樹脂を用いることができる。
窒化ホウ素繊維の含有量は、樹脂組成物の用途、要求特性などに応じて適宜調整してよい。窒化ホウ素繊維の含有量は、樹脂組成物の全体積を基準として、５体積％以上、１０体積％以上、１５体積％以上又は２０体積％以上であってよい。窒化ホウ素繊維の含有量は、樹脂組成物の全体積を基準として、７０体積％以下、６０体積％以下又は５０体積％以下であってよい。
樹脂の含有量は、樹脂組成物の用途、要求特性などに応じて適宜調整してよい。樹脂の含有量は、樹脂組成物の全体積を基準として、３０体積％以上、３５体積％以上、４０体積％以上又は５０体積％以上であってよく、９５体積％以下、９０体積％以下又は８０体積％以下であってよい。
樹脂組成物は、樹脂を硬化させる硬化剤を更に含有していてよい。硬化剤は、樹脂の種類によって適宜選択される。エポキシ樹脂と共に用いられる硬化剤としては、フェノールノボラック化合物、酸無水物、アミノ化合物、イミダゾール化合物等が挙げられる。硬化剤の含有量は、樹脂１００質量部に対して、０．５質量部以上又は１．０質量部以上であってよく、１５質量部以下又は１０質量部以下であってよい。
樹脂組成物は、その他の成分を更に含有してもよい。その他の成分は、例えば、窒化ホウ素繊維以外の無機充填材、硬化促進剤（硬化触媒）、カップリング剤、湿潤分散剤、表面調整剤であってよい。
窒化ホウ素繊維以外の無機充填材としては、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化珪素、酸化亜鉛等から構成される無機充填材が挙げられる。無機充填材の形状は特に限定されず、球状、鱗片状等であってよい。無機充填材は、窒化ホウ素粒子であってよい。
窒化ホウ素粒子は、複数の窒化ホウ素片で構成されていてよい。窒化ホウ素片は、窒化ホウ素により形成されており、例えば鱗片状の形状を有するものであってよい。この場合、窒化ホウ素片の長手方向の長さは、例えば、１μｍ以上であってよく、１０μｍ以下であってよい。窒化ホウ素粒子を構成する複数の窒化ホウ素片同士は、物理的に接触していてよく、化学的に結合していてもよい。
窒化ホウ素粒子の最大長さは、５０μｍ以上、７５μｍ以上、又は１００μｍ以上であってよい。窒化ホウ素粒子の最大長さとは、窒化ホウ素粒子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときに、一つの窒化ホウ素粒子上の任意の二点間の直線距離のうち最大となる長さを意味する。最大長さの測定は、ＳＥＭ画像を画像解析ソフトウェア（例えば、株式会社マウンテック製の「Ｍａｃ－ｖｉｅｗ」）に取り込んで行ってもよい。
無機充填材（窒化ホウ素粒子）の含有量は、樹脂組成物の全体積を基準として、１０体積％以上、３０体積％以上、５０体積％以上又は６０体積％以上であってよい。無機充填材（窒化ホウ素粒子）の含有量は、樹脂組成物の全体積を基準として、８５体積％以下、７０体積％以下又は６０体積％以下であってよい。
硬化促進剤（硬化触媒）としては、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルフォスフェイト等のリン系硬化促進剤、２－フェニル－４，５－ジヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール系硬化促進剤、三フッ化ホウ素モノエチルアミン等のアミン系硬化促進剤などが挙げられる。
カップリング剤としては、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤等が挙げられる。これらのカップリング剤に含まれる化学結合基としては、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカプト基等が挙げられる。
湿潤分散剤としては、リン酸エステル塩、カルボン酸エステル、ポリエステル、アクリル共重合物、ブロック共重合物等が挙げられる。
表面調整剤としては、アクリル系表面調整剤、シリコーン系表面調整剤、ビニル系調整剤、フッ素系表面調整剤等が挙げられる。
樹脂組成物は、例えば、上述した窒化ホウ素繊維を用意する工程（用意工程）と、窒化ホウ素繊維を樹脂と混合する工程（混合工程）と、を備える、樹脂組成物の製造方法により製造することができる。すなわち、本開示の他の一実施形態は、上記の樹脂組成物の製造方法である。混合工程では、窒化ホウ素繊維及び樹脂に加えて、上述した硬化剤やその他の成分を更に混合してもよい。
一実施形態に係る樹脂組成物の製造方法は、窒化ホウ素繊維を粉砕する工程（粉砕工程）を更に備えてよい。粉砕工程は、用意工程と混合工程との間に行われてよく、混合工程と同時に行われてもよい（窒化ホウ素繊維を樹脂と混合すると同時に、窒化ホウ素繊維を粉砕してもよい）。
上記の樹脂組成物は、例えば、放熱材として用いることができる。放熱材は、例えば、樹脂組成物を硬化させることにより製造することができる。樹脂組成物を硬化させる方法は、樹脂組成物が含有する樹脂（及び必要に応じて用いられる硬化剤）の種類に応じて適宜選択される。例えば、樹脂がエポキシ樹脂であり、上述した硬化剤が共に用いられる場合、加熱により樹脂を硬化させることができる。
以下、実施例により上述した窒化ホウ素繊維を更に具体的に説明する。但し、本開示に係る窒化ホウ素繊維は、下記の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
ホウ酸２ｇをアルミナボート（ニッカトー社製、ＳＳＡ－Ｓボート）に収容し、ホウ酸を収容したアルミナボートを窒化ホウ素板（デンカ製、Ｎ－１）に配置して、窒化ホウ素板をアルミナ製の管状の反応器（容積５．４Ｌ、内径７０ｍｍ、長さ１４００ｍｍ、ニッカトー社製、ＳＳＡ－Ｓチューブ）内に配置した。反応器に窒素ガスを２Ｌ／ｍｉｎの流量で、アンモニアガスを１Ｌ／ｍｉｎの流量でそれぞれ導入し、１５００～１６００℃で１時間加熱したところ、窒化ホウ素板上に繊維が生成した。
ホウ酸２ｇをアルミナボート（ニッカトー社製、ＳＳＡ－Ｓボート）に収容し、ホウ酸を収容したアルミナボートを窒化ホウ素板（デンカ製、Ｎ－１）に配置して、窒化ホウ素板をアルミナ製の管状の反応器（容積５．４Ｌ、内径７０ｍｍ、長さ１４００ｍｍ、ニッカトー社製、ＳＳＡ－Ｓチューブ）内に配置した。反応器に窒素ガスを２Ｌ／ｍｉｎの流量で、アンモニアガスを１Ｌ／ｍｉｎの流量でそれぞれ導入し、１５００～１６００℃で１時間加熱したところ、窒化ホウ素板上に繊維が生成した。
窒化ホウ素板上に生成した繊維の一部を回収し、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、「ＵＬＴＩＭＡ－ＩＶ」）を用いてＸ線回折測定した。このＸ線回折測定結果、及び比較対象としてデンカ株式会社製の窒化ホウ素粉末（ＧＰグレード）のＸ線回折測定結果をそれぞれ図２に示す。図２から分かるように、窒化ホウ素に由来するピークのみが検出され、窒化ホウ素繊維が生成したことを確認できた。また、得られた窒化ホウ素繊維の一部をデジタルマイクロスコープ（キーエンス社製、「ＶＨＸ－７０００」）により倍率１００倍で観察したときの観察画像を図３に示す。また、図３において矢印で示した窒化ホウ素繊維の主部から分岐部が分岐する箇所をデジタルマイクロスコープにより倍率１０００倍で観察したときの観察画像を図４に示す。得られた窒化ホウ素繊維の一つ（図３において矢印で示した窒化ホウ素繊維）の主部の長さが１０８０μｍであり、径が１４μｍであり、アスペクト比が７７であった。当該窒化ホウ素繊維の分岐部の長さが１５８μｍであり、径が１３μｍであり、アスペクト比が１２であった。
（実施例２）
加熱時間を０．５時間に変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化ホウ素繊維を得た。得られた窒化ホウ素繊維の一部をデジタルマイクロスコープにより倍率３００倍で観察したときの観察画像を図５に示す。得られた窒化ホウ素繊維の一つ（図５において矢印で示した窒化ホウ素繊維）の主部の長さが２８９μｍであり、径が９μｍであり、アスペクト比が３１であった。当該窒化ホウ素繊維の分岐部の長さが６９μｍであり、径が７μｍであり、アスペクト比が９であった。
加熱時間を０．５時間に変更したこと以外は実施例１と同様にして窒化ホウ素繊維を得た。得られた窒化ホウ素繊維の一部をデジタルマイクロスコープにより倍率３００倍で観察したときの観察画像を図５に示す。得られた窒化ホウ素繊維の一つ（図５において矢印で示した窒化ホウ素繊維）の主部の長さが２８９μｍであり、径が９μｍであり、アスペクト比が３１であった。当該窒化ホウ素繊維の分岐部の長さが６９μｍであり、径が７μｍであり、アスペクト比が９であった。
（比較例１）
加熱温度を１３００℃に変更したこと以外は実施例１と同様にしてホウ酸を反応器内で加熱した。しかし、窒化ホウ素基材上に繊維が生成せず、窒化ホウ素繊維は得られなかった。
加熱温度を１３００℃に変更したこと以外は実施例１と同様にしてホウ酸を反応器内で加熱した。しかし、窒化ホウ素基材上に繊維が生成せず、窒化ホウ素繊維は得られなかった。
（比較例２）
アンモニアガスを通気させず、窒素ガスのみを２Ｌ／ｍｉｎの流量で通気させたこと以外は実施例１と同様にしてホウ酸を反応器内で加熱した。しかし、窒化ホウ素基材上に繊維が生成せず、窒化ホウ素繊維は得られなかった。
アンモニアガスを通気させず、窒素ガスのみを２Ｌ／ｍｉｎの流量で通気させたこと以外は実施例１と同様にしてホウ酸を反応器内で加熱した。しかし、窒化ホウ素基材上に繊維が生成せず、窒化ホウ素繊維は得られなかった。
各実施例において得られた窒化ホウ素繊維をエポキシ樹脂と混合して、混合物を得て、得られた混合物を２５℃にて１２時間保持することにより硬化させた。得られた硬化物において、樹脂と混合した窒化ホウ素繊維の断面が含まれる任意の断面に対して鏡面研磨を行った。鏡面研磨を行った硬化物の断面における窒化ホウ素繊維の断面を走査型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ社製、「ＪＳＭ－７００１Ｆ」）により観察して、観察画像を得た。得られた観察画像を図６に示す。得られた観察画像を画像解析ソフトウェア（マウンテック社製、「Ｍａｃ－ｖｉｅｗ」）に取り込んで、窒化ホウ素繊維の断面における窒化ホウ素からなる領域と、それ以外との領域（空隙部）とに二値化処理をすることにより、窒化ホウ素繊維の断面積に対する空隙部の面積の割合（空隙率）を測定した。１０本の窒化ホウ素繊維に対して空隙率の測定を行ったところ、各窒化ホウ素繊維は、空隙率が５％以下の断面を有しており、１０本の窒化ホウ素繊維の空隙率の平均値も５％以下であった。
各実施例において得られた窒化ホウ素繊維の径方向に沿った断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（ＪＥＯＬ社製、商品名「ＪＳＭ－７００１Ｆ」）により観察したところ、得られた窒化ホウ素繊維は、窒化ホウ素繊維の径方向に重なる複数の層で構成された多層構造を有することを確認することができた。実施例１で得られた窒化ホウ素繊維の径方向に沿った断面のＳＥＭ画像を図７に示す。窒化ホウ素繊維は多層構造を有することで、窒化ホウ素繊維の径方向に対して垂直方向に窒化ホウ素からなる層による伝熱経路が形成されるため、窒化ホウ素繊維の径方向に対して垂直方向の熱伝導率をより向上させることができると考えられる。
１…窒化ホウ素繊維、１ａ…主部、１ｂ…分岐部、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…端部、Ｐ…分岐点。
Claims (9)
- 窒化ホウ素基材、前記窒化ホウ素基材上に配置された容器、及び前記容器内に収容されたホウ酸を反応器内に配置する工程と、
前記反応器内に窒素ガス及びアンモニアガスを通気しながら、前記反応器を１４５０～１８００℃で加熱して、前記窒化ホウ素基材上に窒化ホウ素繊維を生成する工程と、を備え、
前記窒素ガスの通気量が、前記ホウ酸１ｇに対して、０．１～２．０Ｌ／ｍｉｎであり、
前記アンモニアガスの通気量が、前記ホウ酸１ｇに対して、０．０５～１．０Ｌ／ｍｉｎである、窒化ホウ素繊維の製造方法。 - 一端から他端に向けて延びる主部と、前記主部から分岐する分岐部とを有する、窒化ホウ素繊維。
- 前記主部の長さが５０μｍ以上である、請求項２に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記主部の径が１μｍ以上である、請求項２又は３に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記主部の径が３０μｍ以下である、請求項２又は３に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記主部のアスペクト比が１０以上である、請求項２～５のいずれか一項に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記分岐部の長さが１０μｍ以上である、請求項２～６のいずれか一項に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記窒化ホウ素繊維が、空隙率が５％以下である断面を有する、請求項２～７のいずれか一項に記載の窒化ホウ素繊維。
- 前記窒化ホウ素繊維が、前記窒化ホウ素繊維の径方向に重なる複数の層で構成された多層構造を有する、請求項２～８のいずれか一項に記載の窒化ホウ素繊維。
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2021
- 2021-03-29 JP JP2021054892A patent/JP2022152205A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115748244A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-03-07 | 哈尔滨工业大学 | 高界面结合上浆剂、其制备和基于它的改性碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法 |
| CN115748244B (zh) * | 2022-11-07 | 2024-04-12 | 哈尔滨工业大学 | 高界面结合上浆剂、其制备和基于它的改性碳纤维增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法 |
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