JP2023138688A - 中空粒子、該中空粒子の製造方法、樹脂組成物、ならびに該樹脂組成物を用いた樹脂成形体および積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
1≦DSL≦1.5・・・(1)
ここで、DSL=D75L/D25Lであり、D25LおよびD75Lは、それぞれ、走査型電子顕微鏡による観察において、無作為に選んだ100個の一次粒子の長径を測定し、サイズを小さい方から順に並べたときの25番目および75番目の値を示す。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、BET比表面積が30m2/g以下である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、直径が1nmから100nmの細孔の積算細孔容積が0.1cc/g以下である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、中空率が30%以上95%以下である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、アスペクト比が2未満である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、長径が0.5μm以上10μm以下である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、殻の厚みが25nm以上500nm以下である。
1つの実施形態においては、上記シリカは無定形シリカである。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、Alを含み、Al/Siのモル比が0.0001以上0.1以下である。
1つの実施形態においては、上記中空粒子は、Naを含み、Na/Siのモル比が0.001以上0.025以下である。
本発明のさらに別の実施形態による積層体は、上記樹脂組成物から形成される樹脂層を有する。
1つの実施形態においては、上記樹脂層の厚みは25μm以下である。
1つの実施形態においては、上記コア粒子は下記一般式(I)で表されるアルナイト型化合物を含む。
Ma[Al1-xM’x]3(SO4 2-)y(OH)z・mH2O・・・(I)
式(I)中、MはNa+、K+、NH4 +およびH3O+からなる群から選択される少なくとも1種の陽イオンであり、M’はCu2+、Zn2+、Ni2+、Sn4+、Zr4+およびTi4+からなる群から選択される少なくとも1種の陽イオンであり、a、m、x、yおよびzは、それぞれ、0.8≦a≦1.35、0≦m≦5、0≦x≦0.4、1.7≦y≦2.5、4≦z≦7を満足する。
1つの実施形態においては、上記製造方法は、上記コア粒子を除去する前に、上記コアシェル粒子を焼成すること、を含む。上記コアシェル粒子を650℃以下で焼成してもよい。
1つの実施形態においては、上記製造方法は、上記シェル形成材料で被覆された上記中空粒子前駆体を焼成すること、を含む。上記中空粒子前駆体を900℃以上で焼成してもよい。
1つの実施形態においては、上記製造方法は、上記中空粒子前駆体の焼成前に、上記中空粒子前駆体に酸処理を施すこと、を含む。
1つの実施形態においては、上記シェル形成材料はケイ酸ナトリウムを含む。
本明細書における用語の定義は、下記の通りである。
1.粒子の長径
走査型電子顕微鏡(SEM)により測定した値であり、無作為に選んだ一次粒子の長径(例えば、図1のL)の平均値である。なお、一次粒子とは、SEMより観察される最小の粒子であって、凝集している粒子(二次粒子)とは区別される。
2.粒子の短径
SEM観察により測定した値であり、無作為に選んだ一次粒子の短径(例えば、図1のT)の平均値である。
3.アスペクト比(長径/短径)
上記粒子の長径から上記粒子の短径を除して算出した値である。
本発明の1つの実施形態における中空粒子は、代表的には、シリカ(例えば、無定形シリカ)で形成される。中空粒子のシリカの含有量は、例えば95重量%以上であり、好ましくは97重量%以上であり、さらに好ましくは98重量%以上である。
Ma[Al1-xM’x]3(SO4 2-)y(OH)z・mH2O・・・(I)
(式(I)中、MはNa+、K+、NH4 +およびH3O+からなる群から選択される少なくとも1種の陽イオンであり、M’はCu2+、Zn2+、Ni2+、Sn4+、Zr4+およびTi4+からなる群から選択される少なくとも1種の陽イオンであり、a、m、x、yおよびzは、それぞれ、0.8≦a≦1.35、0≦m≦5、0≦x≦0.4、1.7≦y≦2.5、4≦z≦7を満足する)
本発明の1つの実施形態における樹脂組成物は、樹脂および上記中空粒子を含む。樹脂組成物(後述の樹脂成形体)において、上記中空粒子は、その中空状態が良好に保持され得る。
図2は、本発明の1つの実施形態における積層体の概略断面図である。積層体10は、樹脂層11と金属箔12とを有する。樹脂層11は、上記樹脂組成物から形成される。具体的には、樹脂層11は、上記樹脂と上記中空粒子とを含む。図示しないが、積層体10は、その他の層を含み得る。例えば、樹脂層11の片側(金属箔12が配置されない側)に積層される基材(代表的には、樹脂フィルム)が挙げられる。積層体10は、代表的には、配線回路基板として用いられる。
1.粒子の長径
FE-SEM観察により粒子の長径を算出した。具体的には、粒子のSEM写真の中から無作為に選んだ100個の一次粒子の長径を測定し、得られた測定値の算術平均(平均長径)を求めた。なお、SEM観察の倍率は10000倍とした。
2.粒子の短径
FE-SEM観察により粒子の短径を算出した。具体的には、粒子のSEM写真の中から無作為に選んだ100個の一次粒子の短径を測定し、得られた測定値の算術平均(平均短径)を求めた。なお、SEM観察の倍率は10000倍とした。
3.DSLおよびDST
FE-SEM観察により算出した。具体的には、粒子のSEM写真の中から無作為に選んだ100個の一次粒子それぞれについて長径を測定し、75番目の値(D75L)を25番目の値(D25L)で除してDSLを算出した。また、粒子のSEM写真の中から無作為に選んだ100個の一次粒子それぞれについて短径を測定し、75番目の値(D75T)を25番目の値(D25T)で除してDSTを算出した。
4.アスペクト比
FE-SEM観察によりアスペクト比を算出した。具体的には、上記粒子の平均長径を上記粒子の平均短径で除してアスペクト比を算出した。
5.中空粒子の殻の厚み
TEM観察により粒子の殻の厚みを算出した。具体的には、粒子のTEM写真の中から無作為に選んだ10個の一次粒子の殻の厚みを測定し、得られた測定値の算術平均(平均厚み)を求めた。なお、TEM観察の倍率は10000倍および100000倍とした。
6.中空率
上記長径および短径と上記殻の厚みから算出した。具体的には、上記一次粒子径(長径、短径)および上記殻の厚みを用い、粒子の形状を円柱における体積で近似し、下記式により中空率を算出した。
中空率=中空粒子の中空域体積÷中空粒子の体積×100
中空粒子の体積=π×半径2×高さ=π×(長径÷2)2×短径
中空粒子の中空域体積=π×((長径-殻厚み×2)÷2)2×(短径-殻厚み×2)
7.BET比表面積
マイクロトラック・ベル株式会社の「BELsorp-mini」で測定した。具体的には、窒素ガスを用いた定容量式ガス吸着法で測定し、BET多点法による解析で比表面積を求めた。
8.細孔容積
マイクロトラック・ベル株式会社の「BELsorp-max」で測定した。具体的には、窒素ガスを用いた定容量式ガス吸着法で測定し、BJH法による解析で細孔容積(直径が1nmから100nmの細孔の積算細孔容積および直径が1nmから10nmの細孔の積算細孔容積)を求めた。
9.破壊強度
破壊強度を、微小圧縮試験機(島津製作所社製の「MCT-510」)にて、測長キットおよびサイド観察キットを用いて測定した。具体的には、下部加圧板の上に試料を極微量散布し、下記の条件にて、一粒子ずつ破壊試験を行った。
・試験力:0.980mN
・負荷速度:0.0223mN/sec
・上部加圧圧子:平面φ20μm
10粒子について測定し、測定した粒子の粒子径d(mm)と破壊点の試験力P(N)の値から破壊強度Cs(MPa)を算出し、平均値を算出した。
破壊強度Csは、JIS R 1639-5の「ファインセラミックス顆粒特性の測定方法-第5部:単一顆粒圧壊強さ」の次式から算出した。
Cs=2.48P/πd2
10.KM変換シラノール基面積
FT-IR拡散反射法によりシラノール基量(シラノール基面積)を測定した。具体的には、フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光株式会社製の「FT/IR-4100」)にて拡散反射法測定キット(日本分光株式会社製の「DR PRO410-M型」)を用い、バックグラウンド試料KBr0.017g、所定量(0.0014g~0.0031g)の測定試料を用いて、測定を行った。
得られたスペクトルをKM(Kubelka-Munk)変換処理して定量分析を行った。具体的には、シラノール基が含まれる3900cm-1~3100cm-1のピーク面積を求め、単位重量当たりのKM変換シラノール基面積(-/g)を算出した。
なお、範囲3900cm-1~3100cm-1には、3740cm-1の孤立シラノール基、3650cm-1の隣接する孤立シラノール基、3400cm-1付近の表面吸着水由来のシラノール基が含まれる。
(中空シリカ粒子の調製)
楕円状のアルナイト粒子粉末(NaAl3(SO4)2(OH)6、長径:1.98μm、DSL:1.13、短径:1.35μm、DST:1.18、アスペクト比:1.47)100gをイオン交換水0.675Lで懸濁しアルナイト粒子のスラリーを得た。
NaAl3(SO4)2(OH)6→NaAl(SO4)2+Al2O3+3H2O
ビスフェノールF型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製の「JER806」)44.23gおよび得られた中空シリカ粒子(フィラーともいう)9.00gを、自転公転ミキサー(シンキー株式会社製の「ARV-310P」)を用いて、大気圧下、自転1000rpm、公転2000rpmの条件で3分混合し混合物を得た。
得られた混合物と、イミダゾール系エポキシ樹脂硬化剤(四国化成株式会社製の「2E4MZ」)2.21gとを、自転公転ミキサーを用いて、自転1000rpm、公転2000rpm、0.7kPaの条件で3分混合し樹脂組成物を得た。
得られた樹脂組成物を、厚み1.0mmのテフロン(登録商標)製の型に流し込み、80℃で1時間プレス成型した。冷却後、成形体を型から取り出し、乾燥機中に150℃、4時間置いてさらに加熱硬化させた。その後、成形体を冷却し、評価用サンプルを得た。
(中空シリカ粒子の調製)
楕円状のアルナイト粒子粉末(NaAl3(SO4)2(OH)6、長径:1.98μm、DSL:1.13、短径:1.35μm、DST:1.18、アスペクト比:1.47)100gをイオン交換水0.5Lで懸濁しアルナイト粒子のスラリーを得た。
NaAl3(SO4)2(OH)6→NaAl(SO4)2+Al2O3+3H2O
上記中空シリカ粒子を用いたこと、および、中空シリカ粒子の配合量を13.93gとしたこと以外は実施例1と同様にして、成形体(評価用サンプル)を得た。
(中空シリカ粒子の調製)
楕円状のアルナイト粒子粉末(NaAl3(SO4)2(OH)6、長径:1.48μm、DSL:1.10、短径:1.08μm、DST:1.09、アスペクト比:1.36)2.38kgをイオン交換水15.8Lで懸濁しアルナイト粒子のスラリーを得た。
NaAl3(SO4)2(OH)6→NaAl(SO4)2+Al2O3+3H2O
上記中空シリカ粒子を用いたこと、および、中空シリカ粒子の配合量を2.79gとしたこと以外は実施例1と同様にして、成形体(評価用サンプル)を得た。なお、実施例と同等の配合量となるように中空シリカ粒子の配合を試みたが、粒子が破壊したり、エポキシ樹脂および硬化剤に粒子を配合したワニスにおいて増粘および摩擦熱による発熱が起こり樹脂の硬化が促進されたりして、これ以上、配合することができなかった。
なお、実施例と同等の配合量を達成できなかった原因として、高いBET比表面積、高い細孔容積、高いシラノール基量、中空粒子の破壊による比表面積の上昇が考えられる。
中空シリカ粒子を配合しなかったこと以外は実施例1と同様にして、成形体(評価用サンプル)を得た。
実施例1,2および比較例1の中空シリカ粒子について、X線回折(PANalytical製の「EMPYRIAN」)で分析したところ、無定形(アモルファス)シリカであった。
実施例1,2および比較例1の中空シリカ粒子について、走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製の「JSM-7600F」)により観察した(倍率:10000倍)。実施例1の中空シリカ粒子の観察結果を図3Aに示し、実施例2の中空シリカ粒子の観察結果を図3Bに示し、比較例1の中空シリカ粒子の観察結果を図3Cに示す。いずれにおいても、粒径が均一な粒子であることが確認できる。
実施例1,2および比較例1の中空シリカ粒子について、透過型電子顕微鏡(日本電子株式会社製の「JEM-2100PLUS」)による観察した(倍率:10000倍)。実施例1の中空シリカ粒子の観察結果を図4Aに示し、実施例2の中空シリカ粒子の観察結果を図4Bに示し、比較例1の中空シリカ粒子の観察結果を図4Cに示す。いずれにおいても、コア粒子の楕円形状を保った中空粒子であることが確認できる。
実施例および比較例の樹脂成形体(評価用サンプル)について、密度、断面観察、誘電特性の測定を行った。また、樹脂成形体の空隙率および樹脂成形体におけるフィラー中空率を算出した。評価結果を表1にまとめる。また、実施例1の樹脂成形体の観察結果を図5Aに示し、実施例2の樹脂成形体の観察結果を図5Bに示し、比較例1の樹脂成形体の観察結果を図5Cに示す。
電子密度計(アルファーミラージュ株式会社製の「SD120L」)により樹脂成形体の密度を測定した。具体的には、得られた樹脂成形体を超音波カッターで5cm×6cmのサイズにカットし、カットして得られた成形体サンプルを測定に供した。
上記密度の測定結果から、樹脂成形体の空隙率(樹脂成形体における空気の体積の割合)Va%を算出した。
(樹脂成形体におけるフィラー中空率)
上記樹脂成形体の空隙率Va%の値から、樹脂成形体におけるフィラー中空率Va/(Va+Vs)を算出した。ここで、Vsは、下記式から求めることができる。
Vs:粒子の殻の体積
Va:樹脂成形体における空気の体積
Vr:樹脂の体積
mc:樹脂成形体重量(g)
ρc:樹脂成形体の密度(g/ml)
ms:粒子(殻)の重量(g)
ρs:粒子の殻の密度(2.28(g/ml))
mr:樹脂の重量(g)
ρr:樹脂の密度(g/ml)
wf:樹脂の重量を100重量部(phr)としたときの粒子(フィラー)の重量部(phr)
得られた成形体サンプルをクロスセクションポリッシャー(日本電子株式会社製の「IB-09010CP」)で切断し、断面をFE-SEM(日本電子株式会社製の「JSM-7600F」、倍率:5000倍もしくは10000倍)で観察した。
得られた成形体サンプルの誘電率および誘電正接を以下の条件で測定した。
・測定方法:IEC 62810に準拠(空洞共振器摂動法)
・試料形状:長さ55mm以上、幅1.6~2.4mm、高さ0.7~1.0mm
・試験条件:周波数10GHz
・測定数:2回
・状態調節:23℃±1℃、50%RH±5%RH、24時間<
・試験室環境:23℃±1℃、50%RH±5%RH
・測定装置:PNAネットワークアナライザN5222B(キーサイト・テクノロジー株式会社製)
・空洞共振器:10GHz用CP531(株式会社関東電子応用開発製)
比較例1において低誘電正接化されていない原因として、シラノール基量が多いことが考えられる。
T 短径
10 積層体
11 樹脂層
12 金属箔
Claims (9)
- シリカを含み、一次粒子のDSLが下記式(1)を満足し、破壊強度が10MPa以上であると共に、Alを含み、Al/Siのモル比が0.0001以上0.08以下である、中空粒子:
1≦DSL≦1.5・・・(1)
ここで、DSL=D75L/D25Lであり、D25LおよびD75Lは、それぞれ、走査型電子顕微鏡による観察において、無作為に選んだ100個の一次粒子の長径を測定し、サイズを小さい方から順に並べたときの25番目および75番目の値を示す。 - BET比表面積が30m2/g以下である、請求項1に記載の中空粒子。
- 直径が1nmから100nmの細孔の積算細孔容積が0.1cc/g以下である、請求項1または2に記載の中空粒子。
- 中空率が30%以上95%以下である、請求項1から3のいずれかに記載の中空粒子。
- アスペクト比が2未満である、請求項1から4のいずれかに記載の中空粒子。
- 長径が0.5μm以上10μm以下である、請求項1から5のいずれかに記載の中空粒子。
- 殻の厚みが25nm以上500nm以下である、請求項1から6のいずれかに記載の中空粒子。
- 前記シリカは無定形シリカである、請求項1から7のいずれかに記載の中空粒子。
- Naを含み、Na/Siのモル比が0.001以上0.025以下である、請求項1から8のいずれかに記載の中空粒子。
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