JP2022533994A - 熱界面材料 - Google Patents

Abstract

本明細書の教示は、高価であるか又は摩耗性の充填材料を必要とすることなく改善された熱伝導性を提供する熱界面材料用の新規組成物に関する。改善された熱伝導性は、増加された充填材充填量、広い粒度分布を有する充填材の選択、及び非摩耗性の充填材の選択の組み合わせを用いて達成される。最大の熱伝導性を達成させるためには、液体のマトリックス材料と充填材との組み合わせを、充填材と粒子との間で結合が形成されることが回避されるように選択するのが好ましい。そのような結合は更に、その充填材の粒子の表面を改質する表面改質剤を含ませることにより回避させることも可能である。
【選択図】図１

Description

本明細書の教示は、一般的に高い熱伝導性を有する熱界面材料、熱界面材料を含む構成要素及び物品、並びに関連する方法を対象とする。熱界面材料は、オリゴマー又はポリマーマトリックス相と、マトリックス相中に分散した１つ以上の熱伝導性充填材とを含む。

自動車産業では、過去１０年間に車両の重量を低減する傾向が起きた。この軽量の傾向は、主に、車両のＣＯ_２排出を削減するための規制により促進された。近年、軽量構造の戦略は、電動式車両数の増加によって更に助長された。成長する自動車市場と成長する電気式車両の市場シェアとの組み合わせにより、電動式車両数の高い成長がもたらされる。エネルギー密度が高い高航続距離の電池を提供することが必要とされる。いくつかの電池戦略は、現在、細部が異なる構想に従っているが、全ての長距離耐久性電池の構想で、熱管理が必要である点は共通している。特に、電池セル又はモジュールを冷却ユニットと熱的に接続するためには、熱界面材料が必要とされる。

伝導性充填材を含む様々な組成物が、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、ＰＣＴ国際公開第２００１／０４１２１３Ａ１号パンフレット、同第２０１４／０４７９３２Ａ１号パンフレット、同第２０１５／１４８３１８Ａ１号パンフレット、同第２０１６／１４５６５１Ａ１号パンフレット、同第２０１７／０９１９７４Ａ１号パンフレット、同第２０１８／３４７２１号パンフレット、及び同第２００６／０１６９３６Ａ１号パンフレット、欧州特許出願第１４３８８２９Ａ１号明細書、特開２０１０／０１３８３５７号公報、並びに米国特許出願公開第２００９／０２５０６５５Ａ１号明細書に記載される。これらの従来の試みでは、組成物は、組成物の熱伝導性が不十分である、組成物の製造が困難である、組成物が間隙を適切に充填しないために接触が不十分である、組成物が高価な材料を必要とする、或いは組成物が、加工装置を破損させ得る摩耗性充填材を必要とするなどの、安価な熱界面材料に対する必要性のうちの１つ以上に悩まされた。

高熱伝導性及び低粘度の両方を有する熱界面材料に対する必要性が引き続き存在する。非摩耗性の充填材料を有する熱界面材料に対する必要性も引き続き存在する。また、原料コスト及び／又は製造／加工コストの点でより経済的な熱界面材料に対する必要性も引き続き存在する。

上記の必要性のうち１つ以上が、本明細書の教示に従う熱界面材料を用いて達成することができる。

本明細書における教示の一つの態様は、オリゴマー又はポリマーを含む連続のマトリックス相、及びそのマトリックス相の中に分散された１種又は複数の充填材を含む分散された充填材相を含む組成物を目的としており、ここで、その１種又は複数の充填材は、約３以上のＤ_９０／Ｄ_５０の比率を特徴とする広い粒度分布を有しており、そしてここで、そこに含まれている１種又は複数の充填材は、表面改質剤を用いて被覆されるか、及び／又はそれらと反応されている。

本明細書における教示に従ったまた別の態様は、オリゴマー又はポリマーを含む連続のマトリックス相、及び約８６重量パーセント以上の、そのマトリックス相の中に分散された１種又は複数の伝導性充填材を含む分散された充填材相を含む組成物を目的としており、ここで、その１種又は複数の伝導性充填材は、約３以上のＤ_９０／Ｄ_５０の比率を特徴とする、広い粒度分布を有している。

本明細書における教示に従った各種の態様は更に、以下の特性の一つ又は各種の組み合わせを特徴としていてもよい：その組成物が、約２．０Ｗ／ｍＫ以上（好ましくは約２．５Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは約３．０Ｗ／ｍＫ以上）の熱伝導性を有する熱界面材料である；その１種又は複数の充填材が、約３Ｗ／ｍＫ～約８０Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有する伝導性充填材（すなわち、熱伝導性充填材）である；その伝導性充填材が、約６０Ｗ／ｍＫ以下（例えば、約４０Ｗ／ｍＫ以下、又は約２０Ｗ／ｍＫ以下）の熱伝導性を有している；その伝導性充填材が、１種又は複数の金属原子を含み、ここでその１種又は複数の金属原子の濃度が、その伝導性充填材の中の原子の総数を基準にして、約２５パーセント以下である；その伝導性充填材が、水酸化アルミニウムを含む；その伝導性充填材が、約６以下、好ましくは約５以下、より好ましくは約４以下のモース硬度を有している；そのオリゴマー又はポリマーが、約１５，０００ｇ／ｍｏｌ以下、又は約１０，０００ｇ／ｍｏｌ以下の重量平均分子量を有している；そのオリゴマー又はポリマーが、アルコキシド基を含んでいる；その表面改質剤が、約６個以上（好ましくは約８個以上、又は約１０個以上、又は約１２個以上）の炭素原子を有するアルキル基、及び一端で、その充填材と共有結合された官能基を含んでいる；その表面改質剤が、その組成物の全重量を基準にして、約０．０５重量パーセント以上（好ましくは約０．２重量パーセント以上、より好ましくは約０．５重量パーセント以上）の量で存在している；その表面改質剤が、約１０重量パーセント以下、好ましくは約８重量パーセント以下、より好ましくは約６重量パーセント以下、最も好ましくは約４重量パーセント以下の量で存在している；その１種又は複数の充填材の量が、その組成物の全重量を基準にして、約８６重量パーセント以上である；その１種又は複数の充填材の量が、約９５重量パーセント以下である；その表面改質剤の１種又は複数の官能基が、アルコキシシラン基を含む；その組成物が、崩壊することなく、滑らかな物質として混じる；その組成物が、約７００Ｎ以下（０．５ｍｍでの圧入の力（ｐｒｅｓｓ－ｉｎ ｆｏｒｃｅ）により測定）の粘度を有している；又は、そのマトリックス相のオリゴマー又はポリマー、表面改質剤（存在するのなら）、及び１種又は複数の充填材（例えば、伝導性充填材又はＡＴＨ）を合計した量が、その組成物の全重量を基準にして、約９５重量パーセント以上（好ましくは約９７重量パーセント以上、又は約９９重量パーセント以上、又は約１００重量パーセント）である。

また別の態様は、本明細書における教示に従った組成物の層を含む物品を目的としている。その物品には、熱を発生させる第一の成分、及び／又は熱を除去するため第二の成分が含まれていてよい。その物品が、第一の成分と第二の成分との両方を含み、そしてその第一の成分と第二の成分との間に層が挿入され、そしてその層が、第一の成分から第二の成分へと熱を流すための経路を与えるのが好ましい。その第一の成分が電池を含んでいるのが好ましい。

また別の態様は、第一の成分において熱を発生させるステップ、その熱を熱界面成分を通過させて流すことによりその熱を第二の成分へと移行させるステップを含む、デバイスを冷却するための方法を目的としており、ここでその熱界面成分が、本明細書における教示に従った組成物により形成されている。

概ね狭い粒度分布を備える充填材を有する組成物（Ａ）、概ね広い粒度分布を備える充填材を有する組成物（Ｂ）、及び、表面改質された、概ね広い粒度分布を備える充填材を有する組成物（Ｃ）の特徴を例示する図である。 表面改質剤と伝導性充填材との間の反応の特徴を例示する図である。例えば表面改質剤は表面の疎水性を変化させ得る。 様々な量の充填材を有する例示的な組成物を示す図であり、ここで充填材（Ａ）は狭い粒度分布を有し、（Ｂ）は広い粒度分布を有し、（Ｃ）は広い粒度分布及び表面改質剤を有して、マトリックス相材料と充填材との結合を低減又は最小化する。 は、広い粒度分布を有する例示的な伝導性充填材の光学顕微鏡写真である。 熱界面材料を含むデバイスの例示的な特徴を示す図である。 熱界面材料を含む電池の例示的な図である。

別段の定めがない限り、用語「から本質的になる」は、約９０重量パーセント以上、約９５重量パーセント以上、約９８重量パーセント以上、又は約９９重量パーセント以上の量を含む。

別段の定めがない限り、用語「伝導性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）」及び「伝導性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）」は、「熱伝導性（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）」及び「熱伝導性（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）」を指す。

熱界面材料は、２つ以上の相、好ましくは２つの相を含む。熱界面材料の第１の相はマトリックス相である。マトリックス相は、好ましくは連続相である。しかしながら、マトリックス相は共連続相であってもよく、且つ／又は１つ以上の副相を含んでもよい。好ましくは、マトリックス相は、１つ以上のポリマー、オリゴマー、又は重合性化合物を含むか、本質的にそれからなるか、又は完全にそれからなる。マトリックス相は、好ましくは、室温で液体であるか、或いは液体化するのに最小限の加熱しか必要としない１つ以上の材料を含むか、本質的にそれからなるか、又は完全にそれからなる。第２の相は、マトリックス相中に分散している不連続相である。不連続相は、不連続相とマトリックス相との間に界面を提供する１つ以上の追加相でコーティングされてもよいことが理解されよう。典型的には、マトリックス相は、一般的に低い熱伝導性（例えば、約１Ｗ／ｍＫ以下、又は約０．２Ｗ／ｍＫ以下）を有する材料を含み、そのため、組成物の熱伝導性は主に不連続相に依存する。不連続相は、室温で固形である１つ以上の充填材料を含む。充填材相は多くの熱輸送を提供することが必要であるため、充填材粒子が一般にはマトリックス相中に分散しているという事実を克服するためには、高濃度の充填材を含むことが必要である。

分子量（すなわち、重量平均分子量）
充填材と混合する場合には、そのマトリックス相材料が、低分子量を有していて、それにより、容易に流動して、大量の充填材（例えば、本明細書に記載されているような）と結合できるのが好ましい。好ましくは、そのマトリックス相材料が、それが室温で液体であるのに十分なほど低分子量であるのが好ましい。充填材と混合する場合には、そのマトリックス相材料が、約４０，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下、約１５，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下、約１０，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下、約８，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下、約６，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下、又は約４，０００ｇ／ｍｏｌｅ以下の分子量を有しているのがよい。そのマトリックス相材料が、約２００ｇ／ｍｏｌｅ以上、約４００ｇ／ｍｏｌｅ以上、約６００ｇ／ｍｏｌｅ以上、約８００ｇ／ｍｏｌｅ以上、又は約１０００ｇ／ｍｏｌｅ以上の分子量を有しているのがよい。

そのマトリックス相が、室温前後の溶融温度を特徴としているか、又は非晶質であって結晶化しないのがよい。そのマトリックス相が、一つ又は複数のガラス転移温度を特徴としていてよい。特に断らない限り、溶融温度及びガラス転移温度は、ＡＳＴＭ Ｄ３４１８－１５に従い、示差走査熱量測定を使用し、１０℃／分の加熱速度で測定したものである。

そのマトリックス相が、約７５℃の温度で液体であり、そして７５℃より上では、ガラス転移温度を全く示さないのが好ましい。そのマトリックス相が、約４０℃の温度で液体であり、そして４０℃より上では、ガラス転移温度を全く示さないのが、より好ましい。そのマトリックス相が、約２０℃（更には、約５℃）の温度で液体であり、そして２０℃より上（又は更には５℃より上）では、ガラス転移温度を全く示さないのが、最も好ましい。そういうことなので、ニートなマトリックス相材料は、約７５℃、約４０℃、約２０℃、又は約５℃の温度では、ポンプ輸送が可能であるのがよい。

そのマトリックス相材料は、例えば重合、架橋、又は硬化によって、増大する分子量を有していてよい。マトリックス材料の分子量を増大させるのなら、そのような反応は、そのマトリックス材料を充填材と混合した後に起きるのが好ましい。例えば、熱の管理が必要とされるデバイスの表面上に、単独、又は１種又は複数の他の成分と共に、その組成物を適用した後で、分子量が増大するのがよい。その１種又は複数の他の成分としては、そのマトリックス相材料と混合するか、及び／又は反応する化合物が挙げられる。そのマトリックス相材料の分子量を増大させたときに、それが十分に高くなって、そのマトリックス相が流動しなくなるのが好ましい。例えば、そのマトリックス相が架橋されて流動できなくなったり、及び／又はそのマトリックス相材料のガラス転移温度が上昇して、約３０℃以上、約５０℃以上、約７０℃以上、又は約９０℃以上になったりするのがよい。

そのマトリックス相材料は、炭素原子を含む主鎖を有する有機材料であってよいし、或いはケイ素原子を有する主鎖（例えば、－Ｓｉ－Ｏ－基）を含むケイ素ベースの材料であってもよい。有機材料としては、オレフィン、アルコキシド、カーボネート、アクリレート、アクリロニトリル、ジエン、ビスフェノール、二酸、ジアミン、ジオール、及びイソシアネートからなる群より選択される１種又は複数のモノマーを含む、オリゴマー及びポリマーが挙げられる。例えば、そのマトリックス相材料が、アルコキシドオリゴマー又はポリマーを含むか、それらから実質的になるか、又は完全にそれらからなっていてよい。好ましいアルコキシドとしては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、及びブチレンオキシドが挙げられる。

そのマトリックス相材料が反応性を含んでもよいし、或いは、一般的に、反応性基を含んでいなくてもよい。例を挙げれば、アルコキシドオリゴマー又はポリマー分子の末端をキャップして、それが反応性のＯＨ基を一般的に有さないようにしてもよい。別な方法として、アルコキシドオリゴマー又はポリマー分子が、一端又は両端にＯＨ基を有する直鎖状分子であってもよい。そのアルコキシドオリゴマーが、３本以上の腕を有する分岐状の構造を有していることもまた可能である。そのような構造が、ＯＨ基を持たないか、又は単一のＯＨ基、２個のＯＨ基、３個のＯＨ基、若しくは４個以上のＯＨ基を有していてもよい。例えば、そのアルコキシドオリゴマーが、グリセリンを開始剤としていて、そのために、３本の腕を有していてもよい。それらの腕のそれぞれがＯＨ基を有していてもよいし、或いは、それらの腕の１本以上が、末端キャップされていてもよい。その末端キャッピングが、末端アルキル基（好ましくは、メチル、エチル、プロピル、又はブチル基）を用いて、エステル基を形成していてもよい。

充填材
本明細書の教示に従う組成物は、組成物の熱伝導性を増加させるために１つ以上の充填材を含む。充填材としては、超高伝導性充填材（例えば、約１００Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有する充填材）が挙げられ得るものの、こうした充填材は典型的には摩耗性及び／又は高価である。好ましくは、１つ以上の充填材は、約８０Ｗ／ｍＫ以下、約５０Ｗ／ｍＫ以下、約３０Ｗ／ｍＫ以下、約２０Ｗ／ｍＫ以下、又は約１５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導性を有する１つ以上の伝導性充填材を含むか、本質的にそれからなるか、又は完全にそれからなる。伝導性充填材は、好ましくは、約３Ｗ／ｍＫ以上、約４Ｗ／ｍＫ以上、約５Ｗ／ｍＫ以上、又は約６Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有する。伝導性充填材は、約１０＋／－１０％、約１０＋／－２０％、又は約１０＋／－３０％の熱伝導性によって特性決定され得る。好ましくは、組成物中の超高伝導性充填材の量は、１つ以上の充填材の総重量を基準に約１５重量パーセント以下、より好ましくは約４重量パーセント以下、更により好ましくは約１重量パーセント以下、最も好ましくは約０．３重量パーセント以下である。組成物中の超高伝導性充填材の量は、１つ以上の充填材の総重量を基準に、約０．０パーセント以上であり得る。伝導性充填材（すなわち超高伝導性充填材）の量は、１つ以上の充填材の総重量を基準に、約８０重量パーセント以上、約８５重量パーセント以上、約９０重量パーセント以上、約９３重量パーセント以上、約９６重量パーセント以上、約９８重量パーセント以上、約９９重量パーセント以上、又は約９９．７重量パーセント以上であり得る。伝導性充填材の量は、１つ以上の充填材の総重量を基準に、約１００重量パーセント以下であり得る。

超高伝導性充填材は、存在する場合は、約１００Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有する任意の充填材であり得る。超高伝導性充填材の例としては、窒化ホウ素及びアルミニウム粉が挙げられる。

伝導性充填材は、本明細書に記載されるものなどの熱伝導性を有する任意の充填材であり得る。例えば、伝導性充填材は、約３Ｗ／ｍＫ～約８０Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有し得る。伝導性充填材は、好ましくは非摩耗性である（例えば、窒化ホウ素よりも低摩耗性であるか、アルミニウム粉よりも低摩耗性であるか、又はその両方である）。非摩耗性の伝導性充填材の例は、水酸化アルミニウム（すなわちＡＴＨ）粉である。水酸化アルミニウム粉は、３～８０Ｗ／ｍＫ（典型的には約１０Ｗ／ｍＫ）の熱伝導性を有する。

伝導性充填材は、典型的には、１つ以上の金属又は半金属原子及び１つ以上の非金属原子を含む。半金属原子としては、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、及びテルリウムが挙げられる。好ましい金属原子としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、及びポスト遷移金属が挙げられる。伝導性充填材中の非金属原子の量は、伝導性充填材が硬く摩耗性とならないように十分高くあるべきである。硬く摩耗性の金属又は半金属含有充填材の例としては、ＳｉＣ、ＴｉＣ、及びＢＮが挙げられる。これらの硬く摩耗性の摩耗性充填材は、５０原子百分率の金属又は半金属を含む。好ましくは、伝導性充填材中の非金属原子の濃度は、伝導性充填材中の総原子数を基準に、約５０原子百分率超の非金属原子、より好ましくは約６５百分率以上、更により好ましくは約７５百分率以上、最も好ましくは約８０百分率以上である。非金属原子の濃度は、約９５原子百分率以下、約９３原子百分率以下、約９０原子百分率以下、又は約８８原子百分率以下であり得る。伝導性充填材は、好ましくは、熱伝導性が約３Ｗ／ｍＫとなるように十分な濃度の金属原子を有する。伝導性充填材中の任意の金属及び半金属の組み合わせた濃度は、好ましくは約５原子百分率以上である。伝導性充填材中の任意の金属及び半金属の組み合わせた濃度は、５０原子百分率未満、約３５原子百分率以下、約２５原子百分率以下、又は約２０原子百分率以下であり得る。

好ましい組成物は、組成物の熱伝導性が、約１．５Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは約２．０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは約２．５Ｗ／ｍＫ以上、最も好ましくは約３．０Ｗ／ｍＫ以上となるように十分な量の伝導性充填材を含む。組成物の熱伝導性は、典型的には約１０Ｗ／ｍＫ以下、約７Ｗ／ｍＫ以下、又は約５Ｗ／ｍＫ以下である。伝導性充填材の量が少なすぎる場合、組成物はデバイスの温度を管理するために十分な熱を伝導することができなくなる。組成物のかかる高い熱伝導性を達成するために、組成物は、典型的には高い濃度の伝導性充填材を有する。好ましくは、組成物中の伝導性充填材の量は、組成物の総重量を基準に約６０重量パーセント以上、より好ましくは約７０重量パーセント以上、更により好ましくは約７５重量パーセント以上、更により好ましくは約８０重量パーセント以上、更により好ましくは約８５重量パーセント以上、最も好ましくは約８８重量パーセント以上である。組成物中の伝導性充填材の量は、伝導性充填材がマトリックス中で分散され得るように十分低くあるべきである。典型的には、伝導性充填材の量は、組成物の総重量を基準に、約９５重量パーセント以下、より好ましくは約９２重量パーセント以下である。

伝導性充填材は、好ましくは、伝導性充填材が概ね非摩耗性となるように十分低いモース硬度を有する。好ましくは、伝導性充填材は、約７．０以下、好ましくは約５．０以下、最も好ましくは約４．０以下のモース硬度を有する。伝導性充填材は、約０．５以上、約１．５以上、又は約２．０以上のモース硬度を有し得る。

伝導性充填材は、典型的にはＭ－Ｘ結合を含み、式中Ｍは金属であり、Ｘは非金属である。好ましくは、充填材中のＭ－Ｘ結合とＭ－Ｍ結合（金属－金属結合）との比は、約２．０以上、約３．０以上、又は約４．０以上であり得る。伝導性充填材がＭ－Ｍ結合を含まなくてもよいことは理解されよう。概ねＭ－Ｍ結合を含まない伝導性充填材の例は、水酸化アルミニウムである。

粒度分布
組成物の高い熱伝導性と組成物を混合及び加工する能力との組み合わせを達成するために、伝導性充填材は、好ましくは広い粒度分布を有する。

広い粒度分布によって、粒子がより効率的に密集することが可能となり得る。伝導性充填材の粒度分布は、レーザー回折法を用いて測定することができる。粒度分布は、粒度の第１０パーセンタイル、第５０パーセンタイル（中央値）、及び第９０パーセンタイルに対応するＤ_１０、Ｄ_５０、及びＤ_９０によって特性決定され得る。広い粒度分布を有する充填材は、以下の１つ以上によって特性決定され得る：一般に高いＤ_９０／Ｄ_５０の比、一般に高いＤ_９０／Ｄ_１０の比、若しくは一般に高いＤ_５０／Ｄ_１０の比、又はこれらの任意の組み合わせ。好ましくは、Ｄ_９０／Ｄ_５０の比は、約３以上、約４以上、約５以上、約６以上、又は約８以上である。Ｄ_９０／Ｄ_５０の比は、約１００以下又は約４０以下であり得る。好ましくは、Ｄ_９０／Ｄ_１０の比は、約２０以上、約４０以上、約６０以上、又は約８０以上である。Ｄ_９０／Ｄ_１０の比は、約１０００以下又は約４００以下であり得る。Ｄ_９０／Ｄ_５０の比は、約１００以下又は約４０以下であり得る。好ましくは、Ｄ_５０／Ｄ_１０の比は、約８以上、約１０以上、又は約１２以上である。Ｄ_５０／Ｄ_１０の比は、約１００以下又は約４０以下であり得る。伝導性充填材中の大粒子（Ｄ_９０値によって特性決定される）は、１つ以上の小粒子を充填するためのサイトが生成されるように十分に高くあるべきである。好ましくは、Ｄ_９０は、約１０μｍ以上、より好ましくは約２０μｍ以上、更により好ましくは約４０μｍ以上、最も好ましくは約６０μｍ以上である。Ｄ_９０が大きすぎる場合、組成物を加工することが困難となる場合がある。好ましくは、Ｄ_９０は、約２０００μｍ以下、より好ましくは約１０００μｍ以下、最も好ましくは約５００μｍ以下である。伝導性充填材中の小粒子（Ｄ_１０値によって特性決定される）は、これらが大粒子間のサイトに組み込むことができるように十分に小さくあるべきである。好ましくは、Ｄ_１０は、約４μｍ以下、約２μｍ以下、又は約１μｍ以下である。典型的には、非常に小さい粒子を作製することは困難且つ高価である。そのため、Ｄ_１０が約０．１μｍ以上、又は約０．２５μｍ以上であることが好ましいが、より小さな粒子が使用されてもよい。伝導性充填材は、約１０μｍ以下の平均粒度を有する第１の部分と、約５０μｍ以上の平均粒度を有する第２の部分とを有し得る（好ましくは、第１の部分及び第２の部分はそれぞれ、伝導性充填材の約２５重量パーセント以上、約３０重量パーセント以上、又は約３５重量パーセント以上の量で存在する）。

図１は、狭い粒度分布４（Ａ）を有する充填材と比較した、大粒子８の間に小粒子７を充填する能力に対する広い粒度分布６（Ｂ）を有することの効果を例示する。広い粒度分布を用いて粒子濃度が増加すると、粒子２はより密接になり、マトリックス相材料３によって２つの粒子間に架橋が存在し得る。粒子表面に対するマトリックス相の付着、及び／又は架橋は、組成物を流動させる、又は加工する能力を低減させ得る。加工性を改善するために、粒子は、好ましくは表面改質剤を有する。例えば、（Ｃ）は広い粒度分布６及びコーティング５（例えば、表面改質剤の）を有して、マトリックス相材料と充填材との結合を低減又は最小化する。

図２は、広い粒度分布を有する伝導性充填材である水酸化アルミニウム（すなわちＡｌ（ＯＨ）_３）の実施例の光学顕微鏡写真である。

充填材表面改質剤
多くの充填ポリマー系においては、マトリックス相と充填材相との間に良好な相溶性及び／又は結合を有することが望ましいものの、本出願人は、これらの高度充填組成物に関して、こうした相溶性及び／又は結合が、隣接する充填材粒子の間に組成物の流動を妨げる架橋を生成し得ることを明らかにした。マトリックス相材料は、充填材の表面と結合しないことが好ましい。例えば、共有結合、イオン結合、及び水素結合は、低減されるか、最小化されるか、又は更には完全に回避されてもよい。これは、マトリックス相材料及び伝導性充填材料の選択によって達成することができる。或いは、マトリックス相材料との結合を低減、最小化、又は排除するために、充填材料を１つ以上の表面改質剤で処理してもよい。

表面改質剤は、伝導性充填材粒子の表面を部分的又は完全に被覆することができる。表面改質剤は、伝導性充填材粒子と反応する１つ以上の官能基を有し得る。かくして、表面改質剤は伝導性充填材と共有結合することができる。一例として、伝導性充填材はＭ－ＯＨ基（式中Ｍは金属原子である）を含んでもよく、表面改質剤は、表面改質剤とＭとの間に直接又は間接的結合を形成するためにＭ－ＯＨ基と反応する官能基を含んでもよい。

伝導性充填材の表面は、表面改質剤で疎水化されてもよい。例えば、表面改質剤は、アルキル構成要素と、アルキル構成要素の一端に、又はその付近に１つ以上の官能基と、を含んでもよい。アルキル構成要素は、好ましくは、約６個以上の炭素原子、より好ましくは約８個以上の炭素原子、更により好ましくは約１０個以上の炭素原子、最も好ましくは約１２個以上の炭素原子を含む。１つ以上の官能基は、伝導性充填材の表面と反応するように選択されてもよい。例えば、１つ以上の官能基は、１つ以上のアルコキシシランを含んでもよい。こうした官能基は、特に、水酸化アルミニウムなどにおいて、表面改質剤をＭ－ＯＨ基を含む伝導性充填材に結合するのに有用であり得る。伝導性充填材と表面改質剤との間の反応の例を図３に示す。

表面改質剤は、伝導性充填材をマトリックス相材料と混合する前又は後に充填材に添加されてもよいことが理解されよう。例えば、伝導性充填材とマトリックス相材料とを混合する前に、伝導性充填材を表面改質剤でコーティングし、且つ／又は表面改質剤と反応させてもよい。別の例として、表面改質剤をマトリックス相材料と混合してプレミックスを形成し、これを続いて伝導性充填材と合わせてもよい。別の例として、伝導性充填材とマトリックス相材料とを混合してもよく、続いて表面改質剤を混合物に添加してもよい。

図４（Ａ）に示すように、狭い粒度分布を有する伝導性充填材が使用される場合、充填材充填量が少ない場合であっても（例えば約６０重量パーセントのみ）、得られる組成物は荒い表面を有し得る。図４（Ｂ）に示すように、充填材充填量を増加させる能力は、広い粒度分布を有する充填材を用いることによって改善される。図４（Ｃ）に示すように、充填材充填量を増加させる能力は、広い粒度分布を有する充填材を用いること、及び更に、マトリックス相材料と充填材粒子との間の結合を低減、最小化、又は排除する表面改質剤を添加することによって更に改善される。

そのマトリックス相のオリゴマー又はポリマー、表面改質剤（存在するのなら）、及び１種又は複数の充填材（例えば、伝導性充填材又はＡＴＨ）を合計した量が、その組成物の全重量を基準にして、約９５重量パーセント以上、好ましくは約９７重量パーセント以上、約９９重量パーセント以上、又は約１００重量パーセントであってよい。

用途
本明細書の教示に従う熱界面材料は、良好な熱伝導性を有するポリマー又はオリゴマー材料を必要とする任意のデバイス又はシステムで用いることができる。図５は、熱界面材料１２を含むデバイス１０の特徴を例示する図である。デバイスは、デバイスの第１の構成要素１４からデバイス１０の第２の構成要素１６までの熱流２０を必要とする場合がある。図５に示すように、熱流は熱界面材料１２を通過し得る。デバイスの第２の構成要素１６は、第２の構成要素から熱を除去することを可能にする表面２０（内部又は外部）を有し得る。

熱界面材料は間隙充填材料として用いられ得る。熱界面材料はシーリング材料として用いられ得る。いくつかの用途では、熱界面材料の薄層（例えば、約２ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、又は約０．３ｍｍ以下）を適用することが必要となる場合がある。かくして、薄領域又は層が調製され得るように、熱界面材料は、好ましくは低い粘度を有し、且つ／又は良好な混合挙動（例えば、混合後に崩壊しない滑らかな外観を有する）を有する。

１つ以上の電池セル、冷却ユニット又は循環する冷却液と接触するための表面を有するセルカバー、及び電池セルとセルカバーとの間に挟入された熱界面材料を含む物品。熱界面材料は、電池セルの温度を管理するために電池セルからセルカバーまで熱エネルギーを伝導するための経路を提供する。電池セルは、１つ以上のモジュールとして提供され得る。熱界面材料がなければ、電池モジュールと伝導プレート（例えばハウジングの）との間に間隙が存在する場合がある（少なくともいくつかの領域に）。図６は、１つ以上の電池モジュールの熱管理に使用され得る特徴を例示する図である。電池／熱管理システム３０は、１つ以上の電池モジュール３４と金属表面３６との間の間隙を充填するための熱界面材料３２を含む。熱界面材料は、電池モジュールの表面上に配置することによって、又は金属表面上に配置することによって適用され得る。金属表面は、冷却プレート、又はシステムから熱を排出するために構成されたその他の構成要素であってよい。

試験方法
粒度分布。
特に指定のない限り、充填材の粒度分布は、レーザー回折によって測定する。

熱伝導性
熱伝導性は、ＺＦＷ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ製熱界面材料テスターを用いて測定する。測定は厚さ１．８～１．２ｍｍのＳｐａｌｔｐｌｕｓモードで実施する。絶対熱伝導性λ（Ｗ／ｍＫ）を報告する。熱伝導性は、ＡＳＴＭ ５４７０によって測定することができる。

圧入力
圧入力は、張力計（Ｚｗｉｃｋ）で測定する。組成物（例えば間隙充填材料）を、金属表面上に配置する。直径約４０ｍｍのアルミニウムピストンを上部に配置し、材料を５ｍｍの初期位置まで圧縮する。続いて、材料を約１ｍｍ／秒の速度で５ｍｍから０．３ｍｍまで圧縮し、力－たわみ曲線を記録する。続いて厚さ０．５ｍｍにおける力（Ｎ）をデータテーブルに記録し、これを圧入力とみなす。低い粘度を有する材料は、７００Ｎ以下の圧入力を有する。高粘度の材料は、７００Ｎ超、又は約８００Ｎ以上の圧入力を有する。低い粘度を有する材料は、好ましくは、約６００Ｎ以下、更により好ましくは約５００Ｎ以下、最も好ましくは約４００Ｎ以下の圧入力を有する。

混合能力
組成物を混合する能力を、滑らかな表面を有する材料の単一の塊を生成する能力によって判定した。こうした材料は「良好な」混合を有する。表面が粗く、且つ／又はミキサーから除去すると材料が崩壊する場合は、混合は不良である。

材料
ＰＯＬＹＯＬ－１は、グリセリン開始のプロピレンオキシドポリエーテルトリオールであって、約１８００ｇ／ｍｏｌの当量分子量（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ）及び約３５ｍｇＫＯＨ／ｇのＯＨ価を有している。その平均分子量は、約４８００ｇ／ｍｏｌｅである。ＰＯＬＹＯＬ－１は、室温で液体であり、そして、５℃以上のガラス転移温度はまったく有していない。このオリゴマーは、エチレンオキシドを用いて部分的にキャップされている（約１１％）。

ＡＴＨ－１は、広い粒度分布を有する水酸化アルミニウムである。ＡＴＨ－は、バイモーダルな粒度分布を有していると考えられている。Ａｌ（ＯＨ）_３の量は、約９９．７重量パーセントである。その粒度分布の特色を表１に示す。この充填材は、４５μｍの篩を使用したときに、約３５％の篩残分を特徴としている。ＡＴＨ－１の広く、及び／又はバイモーダルな粒度分布を図２に示す。より小さい粒子の平均サイズが、約１０μｍ未満であり、そしてより大きい粒子の平均サイズが、約５０μｍより大である。

ＡＴＨ－２は、一般的には狭い粒度分布を有する水酸化アルミニウムである。ＡＴＨ－２は、一般的にモノモーダルな粒度分布を有していると考えられている。ＡＬ（ＯＨ）_３の量は、約９９．４重量パーセントである。その粒度分布の特色を表１に示す。ＡＴＨ－２は、４５μｍの篩を使用したときに、約０．２％の篩残分を特徴としている。

ＤＹＮＡＳＹＬＡＮ（登録商標）９１１６は、ＥＶＯＮＩＫから市販されている、シラン含有化合物である。このシランは、ヘキサデシルトリメトキシシランを含むか、又はそれから実質的になっている。

充填した化合物は、プラネタリーミキサー中、又はデュアル非対称遠心分離機上で調製する。最初に、液体材料（すなわち、表面改質剤及びマトリックス相材料）を、真空下で共に混合する。次いで、充填材を添加し、その組成物を３０分間混合する。

実施例１～８は、一般的には狭い粒度分布を有する充填材であるＡＴＨ－２を使用して、調製したものである。実施例１～４においては、その液体材料が、ＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０であり、その組成物は、充填材及びＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０のみからなっている。それらの組成物における充填材及びマトリックス相の濃度を、表２に示す。実施例５～８においては、その組成物には、ＡＴＨ－２、ＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０、及びＤＹＮＡＳＹＬＡＮ（登録商標）９１１６が、表３に示した量で含まれる。

実施例９～１６は、一般的には広い粒度分布を有する充填材であるＡＴＨ－１を使用して、調製したものである。実施例９～１２においては、その液体材料が、ＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０であり、その組成物は、充填材及びＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０のみからなっている。これらの組成物の材料の濃度を、表４に示す。実施例１３～１８においては、その組成物には、ＡＴＨ－１、ＶＯＲＡＮＯＬ（商標）ＣＰ４６１０、及びＤＹＮＡＳＹＬＡＮ（登録商標）９１１６が、表５に示した量で含まれる。

表４に見られるように、広い粒度分布の充填材を使用することによって、組成物の中へ充填材を取り込む性能が改良された。７８．１％及び８４．７％の充填材を含む組成物では、良好な混合（なめらかな表面を有する組成物）が得られた。しかしながら、充填材のレベルの高いところでは、表面が粗くなって混合が不良となった。更には、０．５ｍｍでの圧入の力により測定した粘度も高かった。

表５に見られるように、広い粒度分布の充填材を、シラン表面改質剤と組み合わせると、より多くの充填材を取込み、そして粘度を低下させることが可能となった。９０．８５重量パーセントの充填材担持量（実施例１６）であってさえも、その混合が良好で、表面が滑らかであり、そして０．５ｍｍでの圧入の力により測定した粘度も低かった。

圧入の力（Ｐｒｅｓｓ－ｉｎ Ｆｏｒｃｅ）：圧入の力は、張力計（Ｚｗｉｃｋ）を用いて測定する。ギャップ充填材材料を金属表面の上に置く。直径４０ｍｍのアルミニウムピストンをその上に置き、その材料を５ｍｍにまで圧縮する（初期位置）。次いで、その材料を１ｍｍ／秒の速度で圧縮して０．３ｍｍとし、力－変位曲線を記録する。次いで、厚み０．５ｍｍでの力（Ｎ）を、データ表に記入し、圧入の力とみなす。

Claims (20)

1. 組成物であって、
   ｉ．オリゴマー又はポリマーを含む連続のマトリックス相；
   ｉｉ．前記マトリックス相の中に分散された１種又は複数の充填材を含む分散された充填材相；
   を含み、
   前記１種又は複数の充填材が、約３以上のＤ_９０／Ｄ_５０の比率を特徴とする広い粒度分布を有し；
   含まれる前記１種又は複数の充填材が、表面改質剤を用いて被覆されるか、及び／又はそれと反応されている、組成物。
2. 前記組成物が、約２．０Ｗ／ｍＫ以上（好ましくは約２．５Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは約３．０Ｗ／ｍＫ以上）の熱伝導性を有する熱界面材料である、請求項１に記載の組成物。
3. 前記１種又は複数の充填材が、約３Ｗ／ｍＫ～約８０Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有する伝導性充填材（すなわち、熱伝導性充填材）である、請求項１又は２に記載の組成物。
4. 前記伝導性充填材が、約６０Ｗ／ｍＫ以下（例えば、約４０Ｗ／ｍＫ以下、又は約２０Ｗ／ｍＫ以下）の熱伝導性を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の組成物。
5. 前記伝導性充填材が、１種又は複数の金属原子を含み、前記１種又は複数の金属原子の濃度が、前記伝導性充填材の中の原子の総数を基準にして、約２５パーセント以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の組成物。
6. 前記伝導性充填材が、水酸化アルミニウムを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の組成物。
7. 前記伝導性充填材が、約６以下、好ましくは約５以下、より好ましくは約４以下のモース硬度を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の組成物。
8. 前記オリゴマー又はポリマーが、約１５，０００ｇ／ｍｏｌ以下、又は約１０，０００ｇ／ｍｏｌ以下の重量平均分子量を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の組成物。
9. 前記オリゴマー又はポリマーが、アルコキシド基を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の組成物。
10. 前記表面改質剤が、約６個以上（好ましくは約８個以上、又は約１０個以上、又は約１２個以上）の炭素原子を有するアルキル基、及び一端で、前記充填材と共有結合された官能基を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の組成物。
11. 前記表面改質剤が、前記組成物の全重量を基準にして、約０．０５重量パーセント以上（好ましくは約０．２重量パーセント以上、より好ましくは約０．５重量パーセント以上）の量で存在する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の組成物。
12. 前記表面改質剤が、約１０重量パーセント以下、好ましくは約８重量パーセント以下、より好ましくは約６重量パーセント以下、最も好ましくは約４重量パーセント以下の量で存在する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の組成物。
13. 前記１種又は複数の充填材の量が、前記組成物の全重量を基準にして、約８６重量パーセント以上である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の組成物。
14. 前記１種又は複数の充填材の量が、約９５重量パーセント以下である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の組成物。
15. 前記表面改質剤の１種又は複数の官能基が、アルコキシシラン基を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の組成物。
16. 組成物であって、
    ｉ．ポリマー又は重合性化合物を含む、連続のマトリックス相；
    ｉｉ．約８６重量パーセント以上の、前記マトリックス相の中に分散された１種又は複数の伝導性充填材を含む、分散された充填材相；
    を含み、
    前記１種又は複数の伝導性充填材が、約３以上のＤ_９０／Ｄ_５０の比率を特徴とする広い粒度分布を有する、組成物。
17. 前記組成物が、以下の
    ｉ）前記組成物が、崩壊することなく、滑らかな物質として混じる；及び／又は
    ｉｉ）前記組成物が、約７００Ｎ以下（０．５ｍｍでの圧入の力により測定）の粘度を有する；及び／又は
    ｉｉｉ）前記組成物が、約３Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有する；
    の一つ又は各種の組み合わせを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載の組成物。
18. 物品であって、
    熱を発生させる第一の成分；
    熱を除去するための第二の成分；及び
    前記第一の成分と前記第二の成分との間に挿入された、請求項１～１７のいずれか一項に記載の組成物の層；
    を含み、
    前記層が、前記第一の成分から前記第二の成分への熱の流れの経路を与える、物品。
19. 前記第一の成分が電池を含む、請求項１８に記載の物品。
20. デバイスを冷却するための方法であって、
    第一の成分の中で熱を発生させるステップ、
    熱界面成分を介して前記熱を流すことにより前記熱を第二の成分へ移行させるステップ、
    を含み、
    前記熱界面成分が、請求項１～１７のいずれか一項に記載の組成物から形成される、方法。
    

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