JP5382795B2 - 熱伝導性エラストマー材料 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導性、制振性、緩衝性に優れた熱伝導性エラストマー材料に関する。

従来、熱伝導性のある樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂に対して金属系のフィラーを配合したもの（例えば、特許文献１参照。）、熱可塑性樹脂に対してセラミック系のフィラーを配合したもの（例えば、特許文献２参照。）、熱可塑性樹脂に対して有機繊維系のフィラーを配合したもの（例えば、特許文献３参照。）などが知られている。

特開２００６−３２８１５５号公報 特開平２−３１１５５３号公報 特開平９−２５５８７１号公報

しかし、金属系のフィラーが配合された熱伝導性組成物は、一般に、比重が高くて比較的硬いものになるため、制振性や緩衝性に優れた材料とすることは難しい、という問題がある。

また、セラミック系のフィラーが配合された熱伝導性組成物は、金属系のフィラーが配合されたものに比べれば、比重を小さくすることができるが、熱伝導率を向上させるには、相応にフィラーの充填量を増大させる必要がある。そのため、熱伝導性組成物を加熱して溶融させても流動性に乏しく、成形性が悪い、という問題がある。また、成形品が脆くなりやすい、という問題もある。

さらに、有機繊維系のフィラーが配合された熱伝導性組成物は、軽量ではあるものの、その熱伝導率は最大でも１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度しかなく、熱伝導性能が悪い、という問題がある。

つまり、上記のような従来技術では、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてを改善することは難しい、という問題があった。そのため、例えばモーターやチョークコイルなど、発熱だけでなく振動や振動に伴う騒音を発生する電子部品の場合、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた材料で、熱対策や防振対策を行いたい、というニーズがあるが、上記のような従来品では、そのようなニーズに応えることが困難であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来品に比べ、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた熱伝導性エラストマー材料を提供することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明の熱伝導性エラストマー材料は、熱可塑性エラストマーとして、スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）が配合されており、１００重量部の前記熱可塑性エラストマーに対し、前記熱可塑性エラストマーに対する重量比で７００〜１０００重量部の軟化剤と、全体に対する体積比で１０〜４０体積％のピッチ系炭素繊維が配合されていることを特徴とする。

また、本発明の熱伝導性エラストマー材料において、前記軟化剤は、パラフィン系プロセスオイル、およびナフテン系プロセスオイルの中から選ばれる一種または二種の混合物であると好ましい。

また、本発明の熱伝導性エラストマー材料において、前記ピッチ系炭素繊維は、真密度が１．５〜２．３ｇ／ｃｍ³、繊維軸方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、繊維径が５〜１５μｍであると好ましい。

また、本発明の熱伝導性エラストマー材料において、前記熱伝導性エラストマー材料は、ＪＩＳ Ａ硬度が０〜３０、且つ、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であると好ましい。

以下、本発明の構成について、さらに詳しく説明する。
本発明の熱伝導性エラストマー材料によれば、上記のような各成分（熱可塑性エラストマー、軟化剤、ピッチ系炭素繊維）が、本発明で規定する特徴的な配合比で配合されているので、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた熱伝導性エラストマー材料となる。この事実は、本件発明者らが、様々な材料を選定して、それらの配合比を変えて試験を繰り返す中で発見するに至った事項である。

より詳しく説明すると、本発明において、熱可塑性エラストマーとしては、スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）を利用する。そして、このような熱可塑性エラストマーと上述した７００〜１０００重量部の軟化剤とを組み合わせることで、きわめて柔らかくて制振性や緩衝性の高い材料を得ることができる。

この軟化剤については、その配合量が上記３００重量部を下回ると、熱伝導性を確保するために必要となる量のピッチ系炭素繊維を配合した際に、最終的に得られる熱伝導性エラストマー材料が硬くなりすぎる傾向がある。したがって、この場合は、十分な制振性や緩衝性を確保することが困難になる。

一方、軟化剤の配合量が上記１０００重量部を上回ると、熱伝導性エラストマー材料が柔らかくなりすぎる傾向がある。したがって、この場合は、成形品にした際に形状維持が困難になったり、軟化剤のブリードが発生する要因になる。

また、本発明において、ピッチ系炭素繊維としては、粉末状のピッチ系炭素繊維を用いるとよく、例えば、繊維長が１０〜２００μｍ、繊維径が５〜１５μｍ程度のピッチ系炭素短繊維を利用するとよく、好ましくは繊維長２００μｍ、繊維径８μｍのものが好適である。

公知の炭素系フィラーとしては、ピッチ系炭素繊維以外の炭素繊維（例えばＰＡＮ系炭素繊維）や、炭素繊維以外のもの（例えば、カーボンブラックや黒鉛）も知られているが、本発明においてはピッチ系炭素繊維を用いることが重要である。ピッチ系炭素繊維以外の炭素系フィラーでは、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてにおいて、各性能を改善することは難しい。

ピッチ系炭素繊維の配合量については、上記１０体積％を下回る場合は、十分に高い熱伝導性を発現させることが難しくなる。一方、ピッチ系炭素繊維の配合量が上記４０体積％を上回る場合は、最終的に得られる熱伝導性エラストマー材料が硬くなりすぎる傾向があり、十分な制振性や緩衝性を確保することが困難になる。

したがって、これらの知見に基づいて、本発明においては上述の如き構成を採用し、その結果、従来品に比べ、熱伝導性、制振性、緩衝性を改善することができたのである。
このような本発明の熱伝導性エラストマー材料であれば、熱対策部品、振動対策部品、衝撃対策部品としての機能を兼ね備えた成形品の材料として利用することができ、特に、これら熱対策、振動対策、衝撃対策などが同時に必要な場合に、効果的な材料となる。

例えば、デジタル家電に代表されるエレクトロニクス装置では、電子部品の高速化・高密度化に伴い、電子部品から発生する熱量も増大する傾向にあるが、本発明の熱伝導性エラストマー材料で製造された熱対策部品を利用すれば、電子部品で発生した熱を筐体や放熱機構（金属シャーシや放熱フィンなど）へ効果的に伝達することができ、電子部品の過度な温度上昇を抑制し、電子部品および電子機器自体の動作安定性や信頼性の向上を図ることができる。

また、モーターやチョークコイルなど、発熱だけでなく振動や振動に伴う騒音を発生する電子部品に対して、本発明の熱伝導性エラストマー材料で製造された部品を適用する場合、ダンパーとして機能する形態に設計しておくことで、緩衝部品や制振部品として利用できるので、単に放熱を促すだけではなく、同時に振動や騒音を低減する効果も発揮させることができる。

例えば、ハードディスク装置には、ディスクを回転させる「スピンドル・モーター」が組み込まれており、その回転数は４５００ｒｐｍ〜１万５０００ｒｐｍ程度のものが主流となっているが、ここから生じる振動は７５Ｈｚ〜２５０Ｈｚ程度の振動数となる。これに対し、本発明の熱伝導性エラストマー材料であれば、振動させた際に応答倍率０ｄＢとなる振動数が２５０Ｈｚ以下となる制振部品を製造できるので、ハードディスク装置の振動対策部材を製造するための材料として使用することができる。

板状に成形された熱伝導性エラストマー材料の斜視図。 （ａ）は加振装置の構造を示す説明図、（ｂ）は共振曲線の一例を示すグラフ。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
［熱伝導性エラストマー材料の構成］
以下に説明する熱伝導性エラストマー材料１は、図１に示すように、マトリクスとなる樹脂組成物３に対して、熱伝導性を付与するための熱伝導性フィラー５を充填した構造になっている。図１において、熱伝導性エラストマー材料１は、板状に成形されたものが図示されているが、どのような形状に成形するかは任意である。

樹脂組成物３は、スチレン系エラストマー（スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）；分子量２５万で、スチレン含有量が３０重量％のもの）に対して、炭化水素系プロセスオイル（パラフィン系プロセスオイル；４０℃における動粘度が３２ｍｍ²／ｓのもの）を配合してなる組成物（スチレン系エラストマーを１００重量部として、後述する配合比でオイルを添加したもの）である。

熱伝導性フィラー５は、粉末状のピッチ系炭素繊維（繊維径８μｍ、繊維長２００μｍ、真密度が１．５〜２．３ｇ／ｃｍ³、繊維軸方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上）である。この熱伝導性フィラー５は、樹脂組成物３の原料とミキサーで予備混合した後に、混練機へ投入して樹脂組成物３中に分散させたものである。

［性能評価］
次に、上記熱伝導性エラストマー材料１を構成する各成分の配合比を下記表１のように変更して複数種の試料を作製した。

上記表１に示す各試料について性能を評価した。評価項目は以下の４項目とした。
（評価項目１）熱伝導率
熱伝導率は、迅速型熱伝導率計（ＱＴＭ−５００、京都電子工業社製）によって測定した。この熱伝導率については、◎…２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、○…１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上且つ２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、×…１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、以上の３段階評価とした。
（評価項目２）硬度
硬度は、“ＪＩＳ Ｋ ６２５３”に準拠し、タイプＡデュロメータを用いて測定した。この硬度については、◎…２０度以下、○…２０度を超え且つ３０度以下、×…３０度を超える、以上の３段階評価とした。
（評価項目３）ゼロクロス
ゼロクロスは、以下のような方法で測定した。まず、試料から、厚み３ｍｍ、縦５ｍｍ、横５ｍｍのサイズの試験片を４枚切り出した。次いで、図２（ａ）に示すような加振装置１０を準備した。この加振装置１０は、所定の周波数の振動を発生して振台１１を振動させる装置である。また、４００ｇの荷重板１３を準備した。

この振台１１に４枚の試験片１５を載せて、その上からさらに荷重板１３を載せて、振台１１と荷重板１３の間に試験片１５を挟み込んで固定した。４枚の試験片１５は、荷重板１３を４点で支持するように振台１１の四隅それぞれに１枚ずつ配置した。

次いで、加振装置１０を加速度０．４Ｇで作動させて振台１１を振動させた。このとき、２．５ｍｉｎ／ｓｗｅｅｐという掃引条件下において、振動の周波数を５Ｈｚから１０００Ｈｚまで変化させた。

そして、各試験片１５の上部に配置した荷重板１３の振動を加速度ピックアップ１７で検出し、共振曲線を作製した。なお、この振動試験は、温度２３℃という条件で行った。共振曲線の一例を図２（ｂ）に示す。

共振曲線は、横軸を周波数（Ｈｚ）、縦軸を応答倍率（ｄＢ）として、上記加速度ピックアップ１７での測定結果に基づいて描かれるグラフで、ゼロクロス点は共振曲線が０ｄＢを示す周波数であり、この周波数以上の周波数では振動伝達を抑制する効果（防振効果）がある。

このゼロクロスについては、◎…２５０Ｈｚ以下、○……２５０Ｈｚを超え且つ３００Ｈｚ以下、×…３００Ｈｚを超える、以上の３段階評価とした。
（評価項目４）総合判定
上記評価項目１，２を判定基準として、◎…熱伝導および硬度ともに「◎」、○…熱伝導および硬度ともに「×」を含まない、×…熱伝導または硬度のいずれかに「×」を含む、以上の３段階評価とした。

以上の評価項目についての評価結果を、表２に示す。

上記表２に示した評価結果から、試料１〜９については、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた熱伝導性エラストマー材料であることがわかる。一方、試料１０については、ピッチ系炭素繊維の配合量が５０体積％まで高くなったことに起因して、ＪＩＳ Ａ硬度が目標以上に高くなってしまったため、総合評価としては「×」という結果となった。

したがって、この結果からは、１００重量部の熱可塑性エラストマーに対し、熱可塑性エラストマーに対する重量比で３００〜１０００重量部の軟化剤と、熱伝導性エラストマー材料全体に対する体積比で１０〜４０体積％のピッチ系炭素繊維が配合されていると、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた熱伝導性エラストマー材料となることがわかる。

［変形例等］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、熱可塑性エラストマー、軟化剤、ピッチ系炭素繊維の配合比について、特定の配合比とされた試料を例示したが、本発明で規定した数値範囲内で配合を行えば、上記実施形態同様、熱伝導性、制振性、および緩衝性のすべてに優れた熱伝導性エラストマー材料を得ることができる。

また、上記実施形態においては、軟化剤として、パラフィン系プロセスオイルを用いる例を示したが、ナフテン系プロセスオイルを軟化剤として用いてもよい。これらのプロセスオイルについても、パラフィン系、ナフテン系を単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。

１…熱伝導性エラストマー材料、３…樹脂組成物、５…熱伝導性フィラー、１０・・・加振装置、１１・・・振台、１３・・・荷重板、１５・・・試験片、１７・・・加速度ピックアップ。

Claims (4)

1. 熱可塑性エラストマーとして、スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）が配合されており、１００重量部の前記熱可塑性エラストマーに対し、前記熱可塑性エラストマーに対する重量比で７００〜１０００重量部の軟化剤と、全体に対する体積比で１０〜４０体積％のピッチ系炭素繊維が配合されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性エラストマー材料。
2. 前記軟化剤は、パラフィン系プロセスオイル、およびナフテン系プロセスオイルの中から選ばれる一種または二種の混合物である
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱伝導性エラストマー材料。
3. 前記ピッチ系炭素繊維は、真密度が１．５〜２．３ｇ／ｃｍ³、繊維軸方向の熱伝導率が５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上、繊維径が５〜１５μｍである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱伝導性エラストマー材料。
4. 前記熱伝導性エラストマー材料は、ＪＩＳ Ａ硬度が０〜３０、且つ、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の熱伝導性エラストマー材料。