JP5076531B2 - 樹脂複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性に優れた樹脂複合材料に関する。

従来より、熱交換器のチューブ、回転機やエレクトロニック・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）等のカバーには、放熱性に優れた放熱部材が用いられていた。このような放熱部材としては、例えば熱伝導性に優れたアルミなどの金属材料からなる金属部材が用いられていた。しかし、金属材料は、比較的成形加工が困難であり、コストが高いという問題を有していた。また、金属部材は、比較的比重が大きいため、その使用量が増加するにつれて製品の重量が増大してしまうという問題を有していた。

そこで、樹脂材料中にフィラーが分散されてなる熱伝導性に優れた樹脂複合材料が開発されている。樹脂複合材料は、金属材料に比べて成形が容易であり、低コスト化を図ることができる。また、金属材料に比べて重量を小さくすることができる。

上記樹脂複合材料としては、具体的には、例えばアルミナ等のセラミックスからなる球状のフィラーを樹脂材料中に添加した材料が開発されている（特許文献１〜３参照）。また、ガラス繊維等からなる鱗片状又は針状のフィラーを樹脂材料中に添加した材料も開発されている（特許文献３及び４参照）。

しかしながら、セラミックスからなる球状フィラーを添加した樹脂複合材料においては、充分な熱伝導性を得るために、球状フィラーを例えば４０体積％以上という高充填率で添加する必要があった。そのため、樹脂複合材料が脆くなり、特に厚みの小さな成形体を作製した場合に、強度が低下して外部からの応力により破断し易くなるという問題があった。また、溶融状態にしたときの流動性が低下するため、成形性が悪くなるをいう問題があった。さらに、比較的高価なフィラーを大量に使用するため、樹脂複合材料の製造コストが増大するという問題があった。
また、ガラス繊維等からなる針状フィラーを添加した樹脂複合材料においても、少量の針状フィラーでは十分に熱伝導性を向上させることができなかった。

特開昭６２−２４０３１３号公報 特開平８−２８３４４８号公報 特開平４−３３９５８号公報 特開昭６１−１９６６２号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、熱伝導性に優れた樹脂複合材料を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、樹脂材料にフィラーが分散されてなる樹脂複合材料であって、
上記フィラーとして、平均アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材と、該基材の表面を被覆するセラミックスからなる皮膜とを有する被覆フィラーを用い、
上記無機フィラーは、ＳＵＳ繊維、アルミ繊維、及び銅繊維から選ばれる１種以上の金属繊維であり、
上記セラミックスは、ケイ酸塩ガラスからなることを特徴とする樹脂複合材料にある（請求項１）。

本発明の樹脂複合材料においては、上記樹脂材料中に上記被覆フィラーが分散されている。そして、上記被覆フィラーは、平均アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材と、これを被覆するセラミックスからなる皮膜とを有する。
そのため、上記被覆フィラーがその大きなアスペクト比を生かして上記樹脂材料中で熱伝導のパスを効率的に形成することができる。そのため、上記樹脂複合材料は、上記被覆フィラーの添加量を少なくしても、優れた熱伝導性を発揮することができる。

さらに、上記被覆フィラーは、セラミックスからなる皮膜で被覆されている。そのため、およそ数十〜数百Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率を有するセラミックスの特性を生かして、上記樹脂複合材料は、優れた熱伝導性を発揮することができる。

また、上記樹脂複合材料においては、上記のごとく、フィラー添加量を比較的少なくしても上記のごとく優れた熱伝導性を示すことができる。そのため、例えば厚みの小さな成形品に用いたとしても樹脂材料本来の強度をほとんど損ねることなく、優れた強度を発揮することができる。さらに、樹脂材料本来の成形性をほとんど損ねることなく、優れた成形性を発揮することができる。

また、上記樹脂複合材料は、熱伝導性だけでなく絶縁性を示すことができる。そのため、絶縁性を必要とする放熱部材等に好適に用いることができる。

以上のように、本発明によれば、熱伝導性に優れた樹脂複合材料を提供することができる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
本発明の樹脂複合材料は、樹脂材料にフィラーが分散されてなる。
上記樹脂材料は、上記樹脂複合材料の用途に応じて適宜選択することができる。具体的には、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂、エポキシ、フェノール、液晶樹脂（ＬＣＰ）等を用いることができる。

また、上記フィラーとしては、平均アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材と、該基材の表面を被覆するセラミックスからなる皮膜とを有する被覆フィラーを用いる。
上記無機フィラーの平均アスペクト比が２０未満の場合には、上記被覆フィラーが上記樹脂複合材料中で熱伝導のパスを十分に形成し難くなり、上記樹脂複合材料の熱伝導性が不十分になるおそれがある。上記基材としては、例えば板状、鱗片状、針状、又は繊維状等の無機フィラーを用いることができる。
また、上記無機フィラーを上記皮膜で被覆してなる上記被覆フィラーについても、その平均アスペクト比は２０以上であることが好ましい。また、被覆フィラーの平均アスペクト比が１００を越えると、上記被覆フィラーを樹脂材料に分散させて上記樹脂複合材料を作製する際に、上記被覆フィラーが破損し易くなる。そのため、被覆フィラーの平均アスペクト比の上限は、１００以下がよい。

上記無機フィラーは、マイカ、タルク、及びセピオライトから選ばれる１種以上の天然鉱物であることが好ましい。
また、上記無機フィラーは、ガラス繊維及び／又はガラスウールであることが好ましい。
また、上記無機フィラーは、ＳｉＣウィスカ、アルミナウィスカ、酸化マグネシウムウィスカ、ケイ酸カルシウムウィスカ、水酸化アルミニウムウィスカ、炭酸カルシウムウィスカ、窒化珪素ウィスカ、チタン酸カリウムウィスカ、ホウ酸アルミニウムウィスカ、硫酸カルシウムウィスカ、及び二ホウ化チタンウィスカから選ばれる１種以上のウィスカであることが好ましい。
これらの場合には、平均アスペクト比２０以上のフィラーを比較的容易に入手することができる。また、これらの無機フィラーは融点が高いため、上記無機フィラーの表面にセラミックスからなる皮膜を形成して上記被覆フィラーを作製する際に、高温度条件下で皮膜を形成することができる。そのため、例えばセラミックス成分を含む気相中で上記無機フィラーの表面にセラミックスを成長させる気相成長法や、セラミックス成分を含む溶液中に上記無機フィラーを浸漬し、焼成する溶液浸漬法等により、上記被覆フィラーを簡単に作製することができる。

上記無機フィラーが、上述の天然鉱物、ガラス（ガラス繊維及び／又はガラスウール）、又はウィスカである場合には、上記皮膜の材料となる上記セラミックスは、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる１種以上の無機化合物からなることが好ましい。
この場合には、上記セラミックスの高い熱伝導率を生かして、上記被覆フィラーの熱伝導性を上記無機フィラーに比べてより一層向上させることができる。その結果、上記樹脂複合材料の熱伝導性をより一層向上させることができる。

また、上記無機フィラーは、ＳＵＳ繊維、アルミ繊維、及び銅繊維から選ばれる１種以上の金属繊維であることが好ましい。
また、上記無機フィラーは、カーボンナノチューブ及び／又は炭素繊維であることが好ましい。
これらの場合にも、平均アスペクト比２０以上のフィラーを比較的容易に入手することができる。また、これらの無機フィラーは比較的融点が高いため、上記無機フィラーの表面にセラミックスからなる皮膜を形成して上記被覆フィラーを作製する際に、高温度条件下で皮膜を形成することができる。そのため、例えばセラミックス成分を含む気相中で上記無機フィラーの表面にセラミックスを成長させる気相成長法や、セラミックス成分を含む溶液中に上記無機フィラーを浸漬し、焼成する溶液浸漬法等により、上記被覆フィラーを簡単に作製することができる。
上記炭素繊維としては、例えば気相法炭素繊維（Vapor Grown Carbon Fiber；ＶＧＣＦ「登録商標」）等を用いることができる。

上記無機フィラーが、上述の金属繊維、又は炭素材料（カーボンナノチューブ及び／又は炭素繊維）である場合には、上記皮膜の材料となる上記セラミックスは、上記セラミックスは、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる１種以上の無機化合物又はケイ酸塩ガラスからなることが好ましい。
この場合には、上記セラミックスの高い熱伝導率を生かして、上記被覆フィラーの熱伝導性を上記無機フィラーに比べて一層向上させることができる。その結果、上記樹脂複合材料の熱伝導性をより一層向上させることができる。

上記樹脂複合材料は、上記被覆フィラーを５体積％以上かつ４０体積％未満含有することが好ましい（請求項２）。
この場合には、少量のフィラー添加量で優れた熱伝導性を発揮できるという上記樹脂複合材料の特徴をより顕著に得ることができる。そのため、上記樹脂複合材料は、樹脂本来の強度等の物性をほとんどそこねることがなく、優れた熱伝導性を示すことができる。また、この場合には、樹脂材料本来の成形性をほとんど損ねることなく、上記樹脂複合材料を成形することができる。
上記被覆フィラーが５体積％未満の場合には、上記樹脂複合材料の熱伝導性が低下するおそれがある。一方、４０体積％以上の場合には、成形性や物性等の樹脂本来の優れた特性が損なわれるおそれがある。より好ましくは、上記被覆フィラーの含有量は、１０体積％〜３５体積％がよく、さらに好ましくは１５体積％〜３０体積％がよい。

上記樹脂複合材料は、放熱部材に用いられることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記樹脂複合材料の優れた放熱性を充分に活用することができる。
上記放熱部材としては、具体的には例えばラジエータ、ヒータコア、及びインバータ等の熱交換器のチューブ、モータ及びオルタネータ等の回転機のカバー、エレクトロニック・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）のカバー、ペルチェ素子の絶縁樹脂皮膜等がある。

また、上記樹脂複合材料は、厚み５ｍｍ以下の上記放熱部材に用いられることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記樹脂複合材料の優れた特性をより顕著に発揮することができる。
即ち、上記樹脂複合材料においては、上記のごとくフィラーの添加量を少なくしても充分に優れた熱伝導性を示すことができる。そのため、樹脂材料本来の強度等の物性をほとんど損ねることなく、優れた熱伝導性を発揮することができる。それ故、上述のごとく５ｍｍ以下という肉厚の小さな放熱部材に適用しても充分な強度を保ちつつ優れた熱伝導性を示すことができる。

次に、本発明の樹脂複合材料の参考例について図１〜図３を用いて説明する。
本例は、樹脂複合材料を作製し、その特性を評価する例である。

図１に示すごとく、本例の樹脂複合材料１は、樹脂材料２にフィラー３が分散されてなる。フィラーとしては、図２に示すごとく、アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材３１と、その表面を被覆するセラミックスからなる皮膜３２と有する被覆フィラー３を用いる。

本例において、樹脂材料２は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂からなる。また、基材３１は、直径６．５μｍ、平均アスペクト比３０の針状（繊維状）のガラス繊維からなる。皮膜３２は、アルミナからなる。

本例の樹脂複合材料の製造方法につき、説明する。
まず、以下のようにして被覆フィラーを作製した。
即ち、まず、直径６．５μｍ、長さ３ｍｍの繊維状のガラス繊維を準備し、このガラス繊維を（株）高純度化学研究所製のコート材（アルミナ膜用Ａｌ−Ｏ３−Ｐ Ａｌ₂Ｏ₃）に浸漬した。その後、温度１２０℃で１０分間乾燥し、さらに温度５５０℃で１時間焼成した。これにより、図２に示すごとく、ガラス繊維からなる基材３１の表面にアルミナからなる皮膜３２を形成し、被覆フィラー３を得た。

次に、ＰＰＳ樹脂に上記被覆フィラーを添加し、（株）テクノベル製の二軸押出機（ＫＺＷ１５ＴＷ）を用いて、温度３００℃で溶融混練を行った。これにより、被覆フィラーをＰＰＳ樹脂中に均一に分散させて、樹脂複合材料を得た。
次いで、得られた樹脂複合材料をストランド状に押出した後、水で急冷し、ストランドカッターでカットして顆粒状の樹脂複合材料を得た。これを試料Ｅとする。

本例においては、樹脂材料（ＰＰＳ樹脂）に被覆フィラーが分散されてなる上記樹脂複合材料（試料Ｅ）として、被覆フィラーの添加量２０ｖｏｌ％、及び３０ｖｏｌ％という２種類のサンプルを作製した。これらのサンプルを炉内で燃やし、残渣として得られた被覆フィラーのアスペクト比を測定したところ平均アスペクト比は３０であった。そして、これらのサンプルについて、熱伝導率を測定することにより、添加率（ｖｏｌ％）と熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）との関係を調べた。

熱伝導率の測定は、次のようにして行った。
まず、顆粒状の樹脂複合材料を成形し、厚み１ｍｍの平板サンプルを得た。次いで、切削加工を行い、縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚み１ｍｍの板状サンプルを作製した。
次に、京都電子工業（株）製の熱物性測定装置（ＬＦＡ−５０２）を用いて、レーザーフラッシュ法により板状サンプルの熱伝導率を測定した。測定は、温度２５℃、大気雰囲気条件下で行った。その結果を図３に示す。

また、本例においては、上記試料Ｅの優れた特徴を明らかにするために、２種類の比較用の樹脂複合材料（試料Ｃ１及び試料Ｃ２）を作製した。
試料Ｃ１は、ＰＰＳ樹脂中にフィラーとして球状のアルミナ粒子を含有する樹脂複合材料である。
試料Ｃ１の作製にあたっては、まず、ＰＰＳ樹脂に、平均粒径約３０μｍの球状のアルミナ粒子を添加し、上記試料Ｅと同様に二軸押出機を用いて、温度３００℃で溶融混練を行い、アルミナ粒子をＰＰＳ樹脂中に均一に分散させた。その後、上記試料Ｅと同様にしてストランド状に押出した後、水で急冷し、ストランドカッターでカットして顆粒状の樹脂複合材料（試料Ｃ１）を得た。

また、試料Ｃ２は、ＰＰＳ樹脂中にフィラーとして針状のガラス繊維を含有する樹脂複合材料である。
試料Ｃ２は、大日本インキ化学工業（株）製のガラス繊維強化リニアー型ＰＰＳ（ＦＺ−２１４０）をＰＰＳ樹脂で所望の濃度に希釈することにより作製した。その後、上記試料Ｅと同様にしてストランド状に押出した後、水で急冷し、ストランドカッターでカットして顆粒状の樹脂複合材料（試料Ｃ２）を得た。

上記試料Ｃ１及び上記試料Ｃ２についても、上記試料Ｅと同様に、それぞれフィラーの添加量が異なる２種類のサンプルを作製し、これらのサンプルについて熱伝導率を測定した。具体的には、試料Ｃ１については、フィラー（アルミナ粒子）の添加量２３．６ｖｏｌ％、３６．１ｖｏｌ％のサンプルを用いて熱伝導率を測定した。また、試料Ｃ２については、添加量１２．０ｖｏｌ％、２６．８ｖｏｌ％のサンプルを用いて熱伝導率を測定した。これらの結果を図３に示す。

図３より知られるごとく、フィラーとして上記被覆フィラーを含有する試料Ｅは、試料Ｃ１及び試料Ｃ２に比べて、少量のフィラー添加量でも優れた熱伝導率を発揮できることがわかる。したがって、樹脂材料中に被覆フィラーが分散された樹脂複合材料（試料Ｅ）は、樹脂材料本来の物性をほとんど変えることなく、優れた熱伝導性を発揮できる。

即ち、図１及び図２に示すごとく、樹脂複合材料１（試料Ｅ）においては、樹脂材料２中に被覆フィラー３が分散されている。そして、被覆フィラー３は、平均アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材３１と、これを被覆するセラミックスからなる皮膜３２とを有する。
そのため、被覆フィラー３がその大きなアスペクト比を生かして樹脂材料２中で熱伝導のパスを効率的に形成することができる。そのため、樹脂複合材料（試料Ｅ）１は、被覆フィラー３の添加量を少なくしても、上述のごとく優れた熱伝導性を発揮することができる。

さらに、図２に示すごとく、被覆フィラー３は、セラミックス（アルミナ）からなる皮膜３２で被覆されている。そのため、およそ数十〜数百Ｗ／ｍ・Ｋという高い熱伝導率を有するセラミックスの特性を生かして、樹脂複合材料１は、優れた熱伝導性を発揮することができる。

また、樹脂複合材料１においては、上記のごとく、フィラー添加量を比較的少なくしても上記のごとく優れた熱伝導性を示すことができるため、例えば厚みの小さな成形品に用いたとしても樹脂材料本来の強度をほとんど損ねることなく、優れた強度を発揮することができる。さらに、樹脂材料本来の成形性をほとんど損ねることなく、優れた成形性を発揮することができる。
また、樹脂複合材料１は、熱伝導性だけでなく絶縁性を示すことができる。そのため、樹脂複合材料１は、絶縁性を必要とする放熱部材等に好適に用いることができる。

参考例にかかる、樹脂材料中に被覆フィラーが分散された樹脂複合材料の構成を示す説明図。 参考例にかかる、被覆フィラーの断面の構成を示す説明図。 参考例にかかる、樹脂複合材料（試料Ｅ、試料Ｃ１、及び試料Ｃ２）についてのフィラー添加率と熱伝導率との関係を示す説明図。

符号の説明

１ 樹脂複合材料
２ 樹脂材料
３ 被覆フィラー
３１ 基材
３２ 皮膜

Claims (4)

1. 樹脂材料にフィラーが分散されてなる樹脂複合材料であって、
   上記フィラーとして、平均アスペクト比２０以上の無機フィラーからなる基材と、該基材の表面を被覆するセラミックスからなる皮膜とを有する被覆フィラーを用い、
   上記無機フィラーは、ＳＵＳ繊維、アルミ繊維、及び銅繊維から選ばれる１種以上の金属繊維であり、
   上記セラミックスは、ケイ酸塩ガラスからなることを特徴とする樹脂複合材料。
2. 請求項１において、上記樹脂複合材料は、上記被覆フィラーを５体積％以上かつ４０体積％未満含有することを特徴とする樹脂複合材料。
3. 請求項１又は２において、上記樹脂複合材料は、放熱部材に用いられることを特徴とする樹脂複合材料。
4. 請求項３において、上記樹脂複合材料は、厚み１０ｍｍ以下の上記放熱部材に用いられることを特徴とする樹脂複合材料。

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