JP4243949B2 - 絶縁表層を有する導電性樹脂成形品とその成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、非導電性樹脂と導電材料の複合材料をもって成形した絶縁表層を有する導電性樹脂成形品と、その成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、非導電性樹脂にカーボンブラックや炭素繊維、金属粉末や繊維等の導電材料を配合し、これを成形して導電性樹脂成形品としている（例えば、非特許文献１参照）。
また非導電性樹脂中に金属繊維又は粉体の導電性配合材を配合した導電性樹脂を、金型に射出充填して導電性成形品に成形しているものもある（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【非特許文献１】
海老原，「高分子新素材便覧」，丸善株式会社，平成元年９月２０日，ｐ．６９−７４。
【特許文献１】
特開平５−１３１４４５号公報（第５頁）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来から非導電性樹脂に導電性配合材を配合して樹脂に導電性を付与し、樹脂により導電性の成形品を成形することが行われている。しかし、これまでの導電性樹脂は非特許文献１及び特許文献１に記載されているように、導電性配合材としてその殆どが、樹脂の分子との比較から粒子が著しく大きなカーボンブラックや炭素繊維、金属粉末や繊維などを採用している。このような導電性配合材では、樹脂が導電性を有するまで配合すると、表面にまで導電性が出現するので、用途によっては表面を絶縁処理する必要がある。
【０００５】
また樹脂の軽量、柔軟性、成形及び加工性などの特性が損なわれて、射出成形による成形品の成形にも支障が生じ、機械強度も低下するなどのことから、製品形態にも制限を受け易く、電磁波シールド材としての用途でも、形態が複雑な製品には採用し難いという課題を有する。
【０００６】
この発明は、上記従来の導電性樹脂成形品の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、導電性配合材にカーボンナノ材を採用して、導電性樹脂成形品の表面を樹脂による非導電性とし、これにより導電性樹脂成形品の用途の拡大と、積層型コネクターなどの電子機器の部品の基材としての使用を可能とする新たな絶縁表層を有する導電性樹脂成形品と、その成形方法とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明の絶縁表層を有する導電性樹脂成形品は、非導電性樹脂に対してカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限した非導電性樹脂とカーボンナノ材とによる複合材料を、射出成形により成形した導電性樹脂成形品であって、樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなる、というものである。
【０００８】
またこの発明の成形方法は、非導電性樹脂とカーボンナノ材との複合材料を可塑化し、その可塑化材料を冷却金型のキャビティに射出充填して導電性樹脂成形品を成形するにあたり、上記非導電性樹脂に対するカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限して、キャビティ面と接して生じた樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなる導電性樹脂成形品に成形してなる、というものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明が実施形態の１例として挙げる導電性樹脂板の１部を拡大して示す断面図で、１は樹脂による絶縁表層、２は絶縁表層１に被覆された導電性のコア層である。この導電性樹脂板は、カーボンナノ材を配合した複合導電材料を射出成形により成形したもので、厚みが１．５〜３．０ｍｍ、平面積３０〜４０ｃｍ2 程度の平板で、厚さ０．１〜０．２ｍｍの絶縁表層１と、カーボンナノ材によって導電性を有する内部のコア層２とからなり、表面は電気抵抗で１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性を有する。
【００１０】
上記導電性樹脂板では、表面の樹脂により絶縁された状態にあっても、導電性のパーツを突き刺すと、パーツ端部が絶縁表層１を突き破ってコア層２に達するので、パーツは内部のカーボンナノ材との接触により導電性のコア層２と電気的に接続するようになる。このような導電性樹脂板は、そのまま絶縁被覆を有する電磁波シールド材として使用することができ、また積層型コネクターの基材として使用することもできる。これら以外にも多くの用途に適用しうる。
【００１１】
電磁波シールド材としての使用では、導電性のコア層２が絶縁表層１に被覆されていることから、他の電子機器や部品等との接触による電気障害を考慮する必要がなく、また表面が樹脂からなるので、鏡面或いは装飾等の表面処理もこれまでに樹脂に対し採用されている処理法により容易に行い得る。
【００１２】
積層型コネクターとしては、図は省略するが、その所要枚数を積重接着して積層板に形成し、これを等間隔に裁断して絶縁層と導電性コアが交互に配置された板体となし、その板体を絶縁層と直交する方向に所要寸法に裁断するだけで容易に製造し得る。これにより積重枚数に等しい数の導電性コアによるコネクターが、絶縁層により区画形成された積層型コネクターとなる。
【００１３】
従来のゴムによる積層型コネクターでは、導電性を付与したゴムの薄膜と絶縁ゴムの薄膜とを交互に積層して固着したのち、これを裁断して製造しているが、絶縁表層１を有する導電性樹脂成形品では、絶縁層の交互集積が省略され、また絶縁表層相互の接着による積層板の形成も容易に行い得ることから、ゴムよりも製造が簡単となり、これまで困難とされていた樹脂の積層型コネクターが低コストで提供できるようになる。
【００１４】
またカーボンナノ材は超微粒子で、１５質量％を超えない配合量では、樹脂の特性が損なわれず、素材樹脂に応じた設定条件によって射出成形を行えるので、成形に特別な技術を要せず、また物性も殆ど変わるところがないので、成形によって樹脂の特性が失われることもなく、部品基材としての寸法精度も一段と向上した導電性樹脂板となる。
【００１５】
上記導電性樹脂板を射出成形により成形するには、非導電性樹脂に１５質量％を超えない量のカーボンナノ材を配合した複合導電材料を使用する。非導電性樹脂としては成形材料として使用されている熱可塑性樹脂、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー等を用いることができる。
【００１６】
また、そこに配合するカーボンナノ材料としては、ナノファイバー（１５０ｎｍ程度）、ナノカーボンチューブ（１０ｎｍ程度）、フラーレン（１ｎｍ程度）等であって、それらは複合導電材料の導電材料としてこれまで配合されていた金属粉体や繊維よりも超微粒子であることから、樹脂との馴染みもよく、混練による分散効率もよいので、柔軟性、成形及び加工性等の樹脂の物性を損うこともない。
【００１７】
このような複合導電材料は、予めペレット化して射出装置に供給するのが、成形の上からは最も好ましいが、樹脂とカーボンナノ材料の両方をニーダーにより十分に混練して射出装置に供給しても成形上の困難さはない。したがって、複合導電材料の供給はその何れであってもよい。
【００１８】
射出装置の加熱筒温度と製品金型の冷却温度、スクリュ回転数、射出速度及び圧力等の成形条件は、そこに採用された樹脂の種類によって任意に設定し、ホッパーからスクリュ内装の加熱筒内に供給した複合導電材料を、通常の射出成形操作により可塑化（溶融・混練）したのち計量して、スクリュ前進により金型に射出充填する。
【００１９】
図２の各図は、金型１１のキャビティ１２を流動する複合導電材料の溶融体１３の充填完了までの挙動を示すもので、図（Ａ）に示すように、溶融体１３の流動は中心部が最も速く、キャビティ面１２ａに近くなるに従って遅くなる。また図（Ｂ）に示すように、キャビティ面１２ａと接する部分では、金型１１による冷却により粘度が上昇して流動し難くなり、樹脂が表層（スキン層）１３ａとなって冷却固化してゆく。
【００２０】
この流動差から、溶融体１３の中心部とキャビティ面１２ａと接する部分との間に速度勾配、すなわち、せん断速度が発生する。これにより冷却固化してゆくキャビティ面１２ａの樹脂が、圧入されてゆく溶融体１３により大きなせん断応力を受けて流動方向に延伸されると同時に、表層側のカーボンナノ材も流動方向に引っ張られて、流動方向に配向すると共に表層１３ａから溶融体中央へと集まり易くなる。
【００２１】
一方、コア層１３ｂではせん断応力の影響が少なく、カーボンナノ材は異方性を示すので導電性が現れる。この現象はカーボンナノ材の配合量に左右され、その配合量は５〜１５質量％が好ましい。１５質量％を超える配合では、表層１３ａにも導電性が出現して樹脂による絶縁表層１３ａの形成が難しくなる。充填完了後に樹脂は冷却固化して、図（Ｃ）に示すような絶縁性を有する樹脂の表層１３ａと、その表層１３ａに被覆された導電性のコア層１３ｂとからなる導電性樹脂板となる。
【００２２】
【実施例】
【００２３】
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係わる絶縁表層を有する導電性樹脂成形品の部分拡大断面図である。
【図２】 キャビティ内を流動する複合導電材料の充填完了までの挙動説明図である。
【符号の説明】
１ 絶縁表層
２ コア層
１１ 金型
１２ キャビティ
１２ａ キャビティ面
１３ 溶融体
１３ａ 表層
１３ｂ コア層
【発明の属する技術分野】
この発明は、非導電性樹脂と導電材料の複合材料をもって成形した絶縁表層を有する導電性樹脂成形品と、その成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、非導電性樹脂にカーボンブラックや炭素繊維、金属粉末や繊維等の導電材料を配合し、これを成形して導電性樹脂成形品としている（例えば、非特許文献１参照）。
また非導電性樹脂中に金属繊維又は粉体の導電性配合材を配合した導電性樹脂を、金型に射出充填して導電性成形品に成形しているものもある（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
【非特許文献１】
海老原，「高分子新素材便覧」，丸善株式会社，平成元年９月２０日，ｐ．６９−７４。
【特許文献１】
特開平５−１３１４４５号公報（第５頁）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来から非導電性樹脂に導電性配合材を配合して樹脂に導電性を付与し、樹脂により導電性の成形品を成形することが行われている。しかし、これまでの導電性樹脂は非特許文献１及び特許文献１に記載されているように、導電性配合材としてその殆どが、樹脂の分子との比較から粒子が著しく大きなカーボンブラックや炭素繊維、金属粉末や繊維などを採用している。このような導電性配合材では、樹脂が導電性を有するまで配合すると、表面にまで導電性が出現するので、用途によっては表面を絶縁処理する必要がある。
【０００５】
また樹脂の軽量、柔軟性、成形及び加工性などの特性が損なわれて、射出成形による成形品の成形にも支障が生じ、機械強度も低下するなどのことから、製品形態にも制限を受け易く、電磁波シールド材としての用途でも、形態が複雑な製品には採用し難いという課題を有する。
【０００６】
この発明は、上記従来の導電性樹脂成形品の課題を解決するために考えられたものであって、その目的は、導電性配合材にカーボンナノ材を採用して、導電性樹脂成形品の表面を樹脂による非導電性とし、これにより導電性樹脂成形品の用途の拡大と、積層型コネクターなどの電子機器の部品の基材としての使用を可能とする新たな絶縁表層を有する導電性樹脂成形品と、その成形方法とを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的によるこの発明の絶縁表層を有する導電性樹脂成形品は、非導電性樹脂に対してカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限した非導電性樹脂とカーボンナノ材とによる複合材料を、射出成形により成形した導電性樹脂成形品であって、樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなる、というものである。
【０００８】
またこの発明の成形方法は、非導電性樹脂とカーボンナノ材との複合材料を可塑化し、その可塑化材料を冷却金型のキャビティに射出充填して導電性樹脂成形品を成形するにあたり、上記非導電性樹脂に対するカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限して、キャビティ面と接して生じた樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなる導電性樹脂成形品に成形してなる、というものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明が実施形態の１例として挙げる導電性樹脂板の１部を拡大して示す断面図で、１は樹脂による絶縁表層、２は絶縁表層１に被覆された導電性のコア層である。この導電性樹脂板は、カーボンナノ材を配合した複合導電材料を射出成形により成形したもので、厚みが１．５〜３．０ｍｍ、平面積３０〜４０ｃｍ2 程度の平板で、厚さ０．１〜０．２ｍｍの絶縁表層１と、カーボンナノ材によって導電性を有する内部のコア層２とからなり、表面は電気抵抗で１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性を有する。
【００１０】
上記導電性樹脂板では、表面の樹脂により絶縁された状態にあっても、導電性のパーツを突き刺すと、パーツ端部が絶縁表層１を突き破ってコア層２に達するので、パーツは内部のカーボンナノ材との接触により導電性のコア層２と電気的に接続するようになる。このような導電性樹脂板は、そのまま絶縁被覆を有する電磁波シールド材として使用することができ、また積層型コネクターの基材として使用することもできる。これら以外にも多くの用途に適用しうる。
【００１１】
電磁波シールド材としての使用では、導電性のコア層２が絶縁表層１に被覆されていることから、他の電子機器や部品等との接触による電気障害を考慮する必要がなく、また表面が樹脂からなるので、鏡面或いは装飾等の表面処理もこれまでに樹脂に対し採用されている処理法により容易に行い得る。
【００１２】
積層型コネクターとしては、図は省略するが、その所要枚数を積重接着して積層板に形成し、これを等間隔に裁断して絶縁層と導電性コアが交互に配置された板体となし、その板体を絶縁層と直交する方向に所要寸法に裁断するだけで容易に製造し得る。これにより積重枚数に等しい数の導電性コアによるコネクターが、絶縁層により区画形成された積層型コネクターとなる。
【００１３】
従来のゴムによる積層型コネクターでは、導電性を付与したゴムの薄膜と絶縁ゴムの薄膜とを交互に積層して固着したのち、これを裁断して製造しているが、絶縁表層１を有する導電性樹脂成形品では、絶縁層の交互集積が省略され、また絶縁表層相互の接着による積層板の形成も容易に行い得ることから、ゴムよりも製造が簡単となり、これまで困難とされていた樹脂の積層型コネクターが低コストで提供できるようになる。
【００１４】
またカーボンナノ材は超微粒子で、１５質量％を超えない配合量では、樹脂の特性が損なわれず、素材樹脂に応じた設定条件によって射出成形を行えるので、成形に特別な技術を要せず、また物性も殆ど変わるところがないので、成形によって樹脂の特性が失われることもなく、部品基材としての寸法精度も一段と向上した導電性樹脂板となる。
【００１５】
上記導電性樹脂板を射出成形により成形するには、非導電性樹脂に１５質量％を超えない量のカーボンナノ材を配合した複合導電材料を使用する。非導電性樹脂としては成形材料として使用されている熱可塑性樹脂、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー等を用いることができる。
【００１６】
また、そこに配合するカーボンナノ材料としては、ナノファイバー（１５０ｎｍ程度）、ナノカーボンチューブ（１０ｎｍ程度）、フラーレン（１ｎｍ程度）等であって、それらは複合導電材料の導電材料としてこれまで配合されていた金属粉体や繊維よりも超微粒子であることから、樹脂との馴染みもよく、混練による分散効率もよいので、柔軟性、成形及び加工性等の樹脂の物性を損うこともない。
【００１７】
このような複合導電材料は、予めペレット化して射出装置に供給するのが、成形の上からは最も好ましいが、樹脂とカーボンナノ材料の両方をニーダーにより十分に混練して射出装置に供給しても成形上の困難さはない。したがって、複合導電材料の供給はその何れであってもよい。
【００１８】
射出装置の加熱筒温度と製品金型の冷却温度、スクリュ回転数、射出速度及び圧力等の成形条件は、そこに採用された樹脂の種類によって任意に設定し、ホッパーからスクリュ内装の加熱筒内に供給した複合導電材料を、通常の射出成形操作により可塑化（溶融・混練）したのち計量して、スクリュ前進により金型に射出充填する。
【００１９】
図２の各図は、金型１１のキャビティ１２を流動する複合導電材料の溶融体１３の充填完了までの挙動を示すもので、図（Ａ）に示すように、溶融体１３の流動は中心部が最も速く、キャビティ面１２ａに近くなるに従って遅くなる。また図（Ｂ）に示すように、キャビティ面１２ａと接する部分では、金型１１による冷却により粘度が上昇して流動し難くなり、樹脂が表層（スキン層）１３ａとなって冷却固化してゆく。
【００２０】
この流動差から、溶融体１３の中心部とキャビティ面１２ａと接する部分との間に速度勾配、すなわち、せん断速度が発生する。これにより冷却固化してゆくキャビティ面１２ａの樹脂が、圧入されてゆく溶融体１３により大きなせん断応力を受けて流動方向に延伸されると同時に、表層側のカーボンナノ材も流動方向に引っ張られて、流動方向に配向すると共に表層１３ａから溶融体中央へと集まり易くなる。
【００２１】
一方、コア層１３ｂではせん断応力の影響が少なく、カーボンナノ材は異方性を示すので導電性が現れる。この現象はカーボンナノ材の配合量に左右され、その配合量は５〜１５質量％が好ましい。１５質量％を超える配合では、表層１３ａにも導電性が出現して樹脂による絶縁表層１３ａの形成が難しくなる。充填完了後に樹脂は冷却固化して、図（Ｃ）に示すような絶縁性を有する樹脂の表層１３ａと、その表層１３ａに被覆された導電性のコア層１３ｂとからなる導電性樹脂板となる。
【００２２】
【実施例】
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係わる絶縁表層を有する導電性樹脂成形品の部分拡大断面図である。
【図２】 キャビティ内を流動する複合導電材料の充填完了までの挙動説明図である。
【符号の説明】
１ 絶縁表層
２ コア層
１１ 金型
１２ キャビティ
１２ａ キャビティ面
１３ 溶融体
１３ａ 表層
１３ｂ コア層
Claims (2)
- 非導電性樹脂に対してカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限した非導電性樹脂とカーボンナノ材とによる複合材料を、射出成形により成形した導電性樹脂成形品であって、
樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなることを特徴とする絶縁表層を有する導電性樹脂成形品。 - 非導電性樹脂とカーボンナノ材との複合材料を可塑化し、その可塑化材料を冷却金型のキャビティに射出充填して導電性樹脂成形品を成形するにあたり、
上記非導電性樹脂に対するカーボンナノ材の配合量を５〜１５質量％に制限して、キャビティ面と接して生じた樹脂の表層（スキン層）による電気抵抗が１０10Ωｃｍ以上の絶縁特性の絶縁表層と、その絶縁表層に被覆された樹脂とカーボンナノ材とによる導電性のコア層とからなる導電性樹脂成形品に成形してなることを特徴とする絶縁表層を有する導電性樹脂成形品の成形方法。
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