JP4262317B2 - グラファイトフィルムの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気伝導体あるいは熱伝導体として、放熱材、均熱材に利用される柔軟性のあるグラファイトフィルムの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、グラファイトフィルムは、耐熱性や耐薬品性、高電気伝導性などのために工業材料として重要な地位を占め、熱伝導材、耐熱シール、電極などに広く使用されている。このフィルムは人工的に作製されるもので、「新・炭素工業」Ｐ１１８（昭和５５年１０月発行、著者 石川敏功、発行所（株）近代編集社）などに記載されたものが知られている。鱗片状天然グラファイトを、硫酸と硝酸の混合液などで処理した後、１０００℃近い高温に急熱すると層間（Ｃ軸方向）に沿って大きく膨張し、見掛けの厚さが出発試料黒鉛の数十倍から数百倍に膨張する。これを粘結剤と共に圧縮成型して黒鉛フィルムとする。いわゆる一般に言われるエキスパンド法と呼ばれる作製法である。このようにして作られたフィルムは、粉末を成型してフィルム状にしたものであるから、圧縮還元性があり、応力緩和に優れ、また熱伝導性に優れた特徴を持っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のグラファイトフィルムの製造方法においては、層間を押し広げるために硫酸や硝酸を使用しているため、水などによる洗淨を行うが、完全にすべてを取り除くことはできず、従って、フィルムなどに成形加工後、残留していた酸類が、ガスケット材などとして長時間使用した場合、徐々に浸出してきて金属類を腐食するなどの問題がある。また、粘結剤などを使用してフィルム加工しているために、鱗片状グラファイト間の接触性が悪くなり、フィルムとしてはグラファイト特有の熱伝導や電気伝導特性が十分にでにくく、さらに結合度が弱いため鱗片状に剥離が起こりやすいなどの問題がある。また、可撓性においても、折り曲げに弱く、折り曲げて利用するというのは不可能であり、熱伝導性においても、通常、銅よりも数倍も劣るものが多いという問題がある。
【０００４】
本発明は、これらの問題を解決するもので、物性特性として、単結晶グラファイトと同様なものを持ち、鱗片状の剥離や、残留酸などの問題が無く、高品質で折れ曲げに強く、柔軟性富む熱伝導性に優れたグラファイトフィルムの製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係るグラファイトフィルムの製造方法は、膜厚３００μｍ以下のポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温して温度１０００℃から１２００℃まで予備焼成する工程と、その後さらに室温から温度２５００℃以上で本焼成する工程と、その後２つのローラの間またはローラと板との間に予備焼成および本焼成を終了したグラファイトフィルムを挟んで圧延処理する工程とを含み、圧延処理する工程では、水蒸気を噴霧した状態で本焼成後のフィルムを圧延処理することを特徴とする。
【００１６】
【実施例】
高分子フィルムの中で熱焼成によりグラファイト構造を有する炭素化するものとして、ある種の芳香族縮合高分子が知られている。本発明においては、最も良質のグラファイト構造が得られるものとして知られているポリイミドフィルムを用いている。ポリイミドフィルムは膜厚として、２５μｍから３００μｍまで２５μｍごとに一般的に市販されている。
【００１７】
ポリイミドフィルムとして、東レ・デュポン製のもの（商品名カプトン）の５０μｍのものを用いて実験を行った。熱処理による発泡性を出すために、予備焼成を窒素中で昇温速度５℃／ｍｉｎで昇温し、最高処理温度を１２００℃とした。さらに、本焼成をＡｒガス雰囲気下で昇温速度２０℃／ｍｉｎで行い、最高処理温度を２８００℃とした。この状態のフィルムは、発泡状態ではあるが柔軟性がなく、固くてもろい。そこで本発明は、圧延、しごき処理により柔軟性を出そうというものである。
【００１８】
ローラによる圧延、しごき処理の検討を行った。まず、図１（ａ）に示すように、予備焼成１および本焼成２を終了したグラファイトフィルムＧＦを、ヒータ３、４で加熱し、ローラ５、６間で圧延した。また図１（ｂ）に示すように、予備焼成１および本焼成２を終了したグラファイトフィルムＧＦを、ヒータ７、８を内蔵したローラ９、１０により圧延した。ヒータ３、４、７、８による加熱温度としては、常温、１００°Ｃ、２００°Ｃ、３００°Ｃ、４００°Ｃで実験を行った。どの温度においても圧力がある値以上であれば圧延効果があり、外観、柔軟性について変化が見られ、光沢性、柔軟性がでてきた。温度を加えることの効果としては、シワの量が異なる。温度が高い方がシワが少ない。したがって、温度は１００°Ｃ以上が好ましく、圧延処理前に存在したシワも消失するし、圧延処理時にシワは形成されにくい。したがって、グラファイトが熱分解しない温度７００°Ｃまでは、フィルムまたはローラを昇温するとにより、圧延が効果的に行える。
【００１９】
また、この時に、ローラ５、６または９、１０で単に圧延するだけでなく、しごき処理を加えると可撓性は一段と良好になる。ローラ５、６または９、１０の回転速度をグラファイトフィルムＧＦの送り速度とは独立に制御することにより、しごき処理が効果的に行える。グラファイトフィルムＧＦの送り速度よりもローラ５、６または９、１０の回転速度を早くするか、または逆方向に回転させることにより、しごき処理は効果的に行える。しごき処理は、圧延と同時またはその前後に行うことができる。このしごき処理により、フィルムの表面状態は光沢性が増し、均一な平滑性が得られ、グラファイトフィルムの密度や膜厚の場所ムラなども低減できる。さらに、角度９０度以上の折り曲げを５００回以上繰り返し行っても、グラファイトフィルムが破壊現象を示すことはなく、良好な可撓性および柔軟性が得られた。
【００２０】
圧延、しごき処理を行う際、表面に水蒸気を噴霧した状態で処理を行うと、圧力と温度条件により、シワが一層取れやすくなり、より均一な表面が得られた。
【００２１】
グラファイトフィルムを耐熱性のカバーシートを挟んで圧延、しごき処理を行うと、より効果的であった。カバーシートの耐熱性は、３００℃以上が必要なので、カバーシートとして有機フィルムを利用する場合は限られてしまう。有機フィルムで有効であったのはポリイミドフィルムであった。５００℃以上の高温の場合は、ガラスウールで作られたカバーシートが有効であった。銅やステンレス等の金属製のカバーシートを用いても同様な効果があった。このようなカバーシートの間に、本焼成後のグラファイトフィルムを重ね合わせて多数枚を一度に処理すると、作業効率を上げることができる。
【００２２】
本焼成後のグラファイトフィルムの密度は、焼成直後の発泡状態では、０．５ｇ／ｃｃ程度であり、厚みとしては、２００μｍ程度となる。このフィルムを圧延、しごき処理をするわけであるが、厚みが１４０μｍ程度になると柔軟性がでてくる。さらに、圧力を高くして圧延すると７０μｍ程度まで膜厚を小さくできる。したがって、柔軟性シートとして最適範囲としては密度からみると０．６ｇ／ｃｃから１．６ｇ／ｃｃの範囲である。膜厚の変化としては原料膜厚の異なった７５μｍや１５０μｍもので実験を行うと、焼成直後で３倍以上の膜厚に発泡させ、その後、圧延、しごき処理することで、１／３〜２／３膜厚が小さくなったところが最適な柔軟性を示した。
【００２３】
グラファイトフィルムを圧延する際の圧力としては、低すぎると圧延効果は全くみられない。ローラ間には、ある圧力以上をかける必要がある。希望する膜厚に処理したい場合は、圧力は最適に制御しなければならない。膜厚のいかんにかかわらず、単に柔軟性の発現のみを求めるならば、圧力は高い方がよい。印加する圧力として、効果的なのは５Ｋｇ／ｃｍ² 以上であった。
【００２４】
また、圧延、しごき処理として、ローラとローラの組み合わせではなく、ローラと板との組み合わせを用いてもよい。なお、好ましくは、グラファイトフィルムの最終厚さは１ｍｍ以下である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ポリイミドフィルムを予備焼成と本焼成からなる焼成処理を行い、焼成後、ローラ等を用いて最適な圧延、しごき処理することにより、表面が均一で光沢があり、密度、膜厚が均一で可撓性および柔軟性のある良質のグラファイトシートが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるグラファイトフィルムの製造方法を示す工程図
【符号の説明】
１ 予備焼成
２ 本焼成
３、４ ヒータ
５、６ ローラ
７、８ ヒータ
９、１０ ローラ
ＧＦ グラファイトフィルム

Claims (9)

1. 膜厚３００μｍ以下のポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温して温度１０００℃から１２００℃まで予備焼成する工程と、
   その後さらに室温から温度２５００℃以上で本焼成する工程と、
   その後２つのローラの間に予備焼成および本焼成を終了したグラファイトフィルムを挟んで圧延処理する工程と
   を含み、
   圧延処理する工程では、水蒸気を噴霧した状態で本焼成後のフィルムを圧延処理することを特徴とする、グラファイトフィルムの製造方法。
2. 膜厚３００μｍ以下のポリイミドフィルムを不活性ガス中で室温から昇温して温度１０００℃から１２００℃まで予備焼成する工程と、
   その後さらに室温から温度２５００℃以上で本焼成する工程と、
   その後ローラと板の間に予備焼成および本焼成を終了したグラファイトフィルムを挟んで圧延処理する工程と
   を含み、
   圧延処理する工程では、水蒸気を噴霧した状態で本焼成後のフィルムを圧延処理することを特徴とする、グラファイトフィルムの製造方法。
3. 圧延処理する工程では、本焼成後のフィルムを１００℃から７００℃に加熱した状態で圧延処理する、請求項１または２に記載のグラファイトフィルムの製造方法。
4. 圧延処理する工程では、２つのローラを１００℃から７００℃に加熱して圧延処理する、請求項１に記載のグラファイトフィルムの製造方法。
5. 圧延処理する工程では、本焼成後のグラファイトフィルムを１枚以上重ねて耐熱性シートあるいは金属シートで挟んだ状態で圧延処理することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のグラファイトフィルムの製造方法。
6. 圧延処理する工程では、２つのローラ間に圧力を５Ｋｇ／ｃｍ²以上印加して圧延処理することを特徴とする、請求項１に記載のグラファイトフィルムの製造方法。
7. 圧延処理する工程では、ローラと板との間に圧力を５Ｋｇ／ｃｍ²以上印加して圧延処理することを特徴とする、請求項２に記載のグラファイトフィルムの製造方法。
8. ローラの回転速度あるいはフィルムの送り速度を制御することにより、圧延としごき処理を行うことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のグラファイトフィルムの製造方法。
9. グラファイトフィルムの最終厚さを１ｍｍ以下にすることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のグラファイトフィルムの製造方法。

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