JP5418720B2 - 無機フィラー複合体、熱伝導性樹脂組成物、及び成形体 - Google Patents
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Description
1.熱伝導性フィラーの表面に粒状、角状、繊維状、平板状からなる形状の少なくとも1種の形状を持つベーマイト、又は酸化亜鉛が結合又は付着して構成される無機フィラー複合体、
2.熱伝導性フィラーが、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、ガラス、アルミナ、又は黒鉛である1に記載の無機フィラー複合体、
3.熱伝導性フィラーの平均粒径が0.5〜100μmである1又は2に記載の無機フィラー複合体、
4.粒状または角状ベーマイトまたは酸化亜鉛の平均粒径が0.01〜100μmである1〜3の何れかに記載の無機フィラー複合体、
5.繊維状ベーマイトまたは酸化亜鉛の直径が0.05〜50μm、アスペクト比が1〜1000である1〜3の何れかに記載の無機フィラー複合体、
6.平板状ベーマイトまたは酸化亜鉛の直径が0.05〜50μm、アスペクト比が10以上である1〜3の何れかに記載の無機フィラー複合体、
7.該無機フィラー複合体が熱伝導性フィラーと水酸化アルミニウムとから合成され、その質量比が熱伝導性フィラー/アルミニウム化合物=40/60〜99/1の仕込比で合成されることを特徴とする1〜6の何れかに記載の無機フィラー複合体の製造方法、
8.熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂、及び1〜6の何れかに記載の無機フィラー複合体を含む熱伝導性樹脂組成物、
9.熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂の含有量が熱伝導性樹脂組成物全容量の30容量%以上であり、1〜6の何れかに記載の無機フィラー複合体の含有量が熱伝導性樹脂組成物全容量の70容量%以下である、8に記載の熱伝導性樹脂組成物、
10.8又は9に記載の熱伝導性樹脂組成物を硬化させて得られる熱伝導性樹脂成形体。
本発明に用いられる窒化ホウ素は、主として熱伝導性を向上させるために用いられ、公知慣用のものを用いることができ、ベーマイトと窒化ホウ素から構成される無機フィラー複合体を作製しやすいことから、平板状粒子、又は平板状粒子の凝集体であることが好ましく、平均粒径が0.5〜100μmであるものが特に好ましい。この範囲以下の平均粒径であると、複合体を作製しにくくなり、この範囲以上の平均粒径であると、熱伝導性を発揮しにくい。
(窒化アルミニウム)
公知慣用のものが用いられるが、平均直径が0.5〜50μmの粒状であることが好ましい。
(ガラス)
粒状、角状、繊維状、平板状からなる少なくとも1種の形状を有するガラスが好ましい。粒状または角状ガラスでは平均粒径が1〜100μmである粒状であることが好ましい。繊維状ガラスとしては平均直径1〜20μm、平均長さ1〜5000μmの形状を有する繊維状ガラスが好ましい。また平板状ガラスとしては平面方向平均粒径が10〜4000μmであり、平面方向粒径と厚みのアスペクト比が2〜2000を有する鱗片状ガラスが好ましく用いられる。
γ−アルミナ、θ−アルミナあるいはα−アルミナ等の種々の構造を有するアルミナがあるが、本発明では何れのアルミナも使用でき、あるいは1個の粒子内に該構造が混在したアルミナであっても差し支えない。更にアルミナとシリカの複合体であるアルミナシリカであっても差し支えない。形状としては粒状、繊維状のものが好ましく用いられる。粒状の平均粒径としては1〜100μmの粒状であることが好ましい。繊維状としては直径0.1〜20μm、長さ1〜5000μmの形状のものが好ましく用いられる。
(黒鉛)
天然、人造黒鉛の何れでも使用可能である。形状としては粒状、角状、平板状等何れでも使用可能である。粒径としては粒状、角状の場合0.1〜500μm、平板状黒鉛としては平面方向平均粒径が10〜4000μmであり、平面方向粒径と厚みのアスペクト比が2〜2000を有する鱗片状が好ましく用いられる。
酸化マグネシウムは高温焼成し耐水性を向上させた酸化マグネシウムが好ましく、121℃/24hrsの飽和水上気圧下で放置した後の重量増化率が10%以下のものが好ましい。形状としては粒状、角状、繊維状の何れでも使用できる。平均粒径としては0.1〜100μmのものが好ましい。
本発明に用いられるベーマイトは、主として熱伝導性を向上させるために用いられ、公知慣用のものを用いることができる。ベーマイトは、アルミナ水和物、例えば鉱物ベーマイト、典型的にはAl2O3・H2Oであって、含水量が15質量%程度のものに加えて、例えば20〜38質量%の擬ベーマイトを含む。ベーマイト(擬ベーマイトを含む)は、独特のX線回折パターンを有しており、他の水和アルミナ、例えば一般的な前駆体物質である水酸化アルミニウムのような、他のアルミニウム物質と区別することができる。
繊維状、又は平板状ベーマイトにおけるアスペクト比は、最も長い次元と、その最も長い次元に直交する次に長い次元との比として定義されるが、熱伝導性が良好であることから、繊維状である場合には、1〜1000、平板状である場合には、10以上であることが好ましい。
本発明に用いるベーマイトは、通常公知の水酸化アルミニウムを加熱することにより作製することができる。加熱温度に制限はないが、好ましい温度として、例えば200℃付近を挙げることができる。
化学式でZnOで示されるもので、別名亜鉛華と呼ばれているものである。形状としては特に制限は無いが、繊維状、粒状、角状、平板状のものが好ましく用いられる。粒状または角状では平均粒径が1〜100μmである粒状であることが好ましい。繊維状としては平均直径1〜20μm、平均長さ1〜5000μmの形状を有する繊維状が好ましい。また平板状としては平面方向平均粒径が10〜4000μmであり、平面方向粒径と厚みのアスペクト比が2〜2000を有する鱗片状が好ましく用いられる。
本発明で使用される無機フィラーは、平板状粒子又は平板状粒子の凝集体である熱伝導性フィラーの表面に粒状、繊維状、平板状からなる形状の少なくとも1種の形状を持つベーマイト、又は酸化亜鉛が結合又は付着して構成される無機フィラー複合体であることに特徴を有する。ここで使用される結合又は付着とは本発明の無機フィラー複合体を樹脂中に公知の方法で分散させた樹脂組成物を使用して公知の方法で成形した後も、熱伝導性フィラーと、ベーマイト又は酸化亜鉛が強固に付着して分離していない状態を意味する。
本発明で複合化された無機フィラーの結合状態を確認する方法として、樹脂と本発明のフィラーを、押出機等を用いて分散させた後、溶剤により樹脂成分を溶解、ろ過を実施し、無機フィラー複合体のみを分離し、走査型電子顕微鏡(SEM)等で確認する方法、あるいは透過型電子顕微鏡−電子線エネルギー損失分光法(TEM−EELS)等で直接フィラーを観察する方法がある。
(1)融解無水ホウ酸(B2O3)と窒素或いはアンモニア(NH3)をリン酸カルシウム(Ca3PO4)触媒で反応させる方法
(2)ホウ酸やホウ化アルカリと、尿素、グアニジン、メラミン(C3H6N6)などの有機窒素化合物を高温の窒素−アンモニア雰囲気中で反応させる方法、
(3)融解ホウ酸ナトリウム(Na3BO3)と塩化アンモニウムをアンモニア雰囲気中で反応させる方法、或いは
(4)三塩化ホウ素(BCl3)とアンモニアを高温で反応させる方法等があるが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
ベーマイトを得るための水熱合成法としては、
(1)アルミニウムアルコキシド化合物を有機または無機酸性触媒存在下で加水分解し、水酸化アルミニウムを得た後、得られた水酸化アルミニウムをオートクレーブ中で水熱する方法、
(2)塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム等のアルミニウム化合物をオートクレーブ中で水熱合成する方法、
(3)水酸化アルミニウム原料とし水熱合成する方法等が挙げられるが、何れの方法でも差し支えない。
また、酸化亜鉛をえるための方法としては、公知の方法が用いられるが、水溶性の無機亜鉛化合物を用いることが好ましい。好ましい亜鉛化合物としては硝酸亜鉛の水和物が好ましく用いられる。
(1)水熱合成時の媒体成分である水のpHを特定の値に制御する方法、
(2)マグネシウム化合物、ナトリウム化合物、カルシウム化合物、バリウム化合物、ストロンチウム化合物、セリウム化合物等の無機または有機化合物存在下で水熱合成方法が挙げられる。これらの方法は本発明の無機フィラー複合体中のベーマイト成分の形状に応じて任意に用いられる。
酸化亜鉛の場合、成長の核となる無機化合物を用いることが好ましく、繊維状の酸化亜鉛の場合、擬似ベーマイトからなるコロイド状水分散体を用いることが好ましい。
本発明の無機フィラー複合体は、前述した原料を100℃以上で行う場合はオートクレーブ中で水熱合成を行うことにより得ることができる。水熱合成を行う温度は50〜300℃が好ましく、70℃〜300℃がさらに好ましい。ベーマイトを複合化する場合は、130℃〜300℃が好ましい温度である。130℃未満では水酸化アルミニウムの加水分解が十分に進まず、ベーマイトが十分に成長せず、300℃を超えると、十分な結晶構造を有するベーマイトが生成しない。
また、本発明の無機フィラー複合体は水熱合成であるため、媒体として水を使用する。水熱合成時の濃度は5〜50質量%、好ましくは10〜40質量%である。10質量%未満ではベーマイトの形状制御が難しく、また50質量%を超えると、得られる無機フィラー/水混合体の粘度が著しく増加し、系の均一な撹拌が困難になり、オートクレーブ中の温度分布が不均一になるため好ましくない。
また、ベーマイトまたは酸化亜鉛の形状は粒状、角状、平板状が好ましい。粒状または角状ベーマイトの粒径としては0.01μm未満では熱伝導性が向上せず、また100μm以上では最終的に得られる樹脂組成物の強度が著しく低下する。繊維状ベーマイトまたは酸化亜鉛の大きさとしては繊維状ベーマイトの直径が0.05〜50μm、アスペクト比が1〜1000であるものが好ましい。直径が0.05μm未満、アスペクト比が1未満では熱伝導性向上効果がなく、また直径が50μm、アスペクト比が1000を超えると最終的に得られる樹脂組成物の成形流動性が著しく損なわれるため好ましくない。
本発明の熱伝導性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂、及び前記の無機フィラー複合体を含むことにより構成される。
本発明の熱伝導性樹脂組成物の作製方法に制限はないが、例えば、前記無機フィラー複合体と、前記熱可塑性樹脂と2軸押出機等を使用し溶融混練する方法、溶剤に溶解させた熱可塑性樹脂溶液に無機フィラー複合体を投入し撹拌混合した後、脱溶剤し本発明組成物を得る方法、また熱可塑性樹脂合成時に原料モノマーと本無機フィラー複合体を混合し、本無機フィラー存在下で熱可塑性樹脂を合成する方法等を挙げることができる。
本発明で得られる熱伝導性樹脂組成物を用いた成形体は、熱伝導性フィラーと各種形状のベーマイト又は酸化亜鉛の無機フィラー複合体とすることで、それぞれを複合体でなく含有する熱伝導性樹脂組成物から得られる成形体に比較して、熱伝導率に優れる特徴を有する。また、本発明の成形体は、成形体の方向による熱伝導率の相違が少ない特徴を有する。
本評価結果から、本発明の熱伝導性樹脂組成物から得られる成形体は、本発明の無機フィラー複合体を用いることにより、それぞれを複合体でなく含有する熱伝導性樹脂組成物から得られる成形体に比較して、熱伝導率に優れる特徴を有することが明らかとなった。
1)流動方向熱伝導率測定
長さ105mm×幅50mm×厚み2mmの成形板を厚み1mmのフィルムゲートより長さ方向に射出成形し、評価用成形板を成形した。
図5の射出成形品を厚み方向熱伝導率測定用試験片に示すように長さ8〜10mm×幅8〜10mm×厚み2mmの大きさに切り出した試験片を、厚み方向熱伝導率測定用試験片とし(図7)、図7に示す矢印方向の熱伝導率を測定し、厚み方向の熱伝導率とした。
(合成例1)
純度99.3%の酢酸マグネシウム・4水和物(以下酢酸Mg)を28g、純度95%のギブサイト型水酸化アルミニウム(以下Al(OH)3)を131g、平均粒径8μmの窒化ホウ素BN−A(品名 GP、電気化学工業製)を1311g、及びイオン交換水7000gを10Lオートクレーブに投入し密閉した。このとき、酢酸Mg/Al(OH)3=0.08(モル比)、Al(OH)3/BN=0.1(質量比)であった。また、Al(OH)3/イオン交換水=1/53であった。この混合液を800rpmの回転数で撹拌しながら、昇温速度3(℃/min.)で205℃まで加熱し、その温度及び圧力を6時間保持してオートクレーブ内の混合液を反応させた。撹拌を止め、反応液を自然冷却した後、反応物を取り出した。取り出された反応物は濾過及びイオン交換水による洗浄を4回繰り返し、120℃で8時間乾燥させ、BN−ベーマイト反応混合物(以下BN−BM複合体−Aとする)を得た。
この反応物とポリスチレンとの混合物を2軸押出機TEM−37(東芝機械製)を用いて、シリンダー温度180℃で溶融混練した。得られた混練物をトルエンに撹拌溶解、ろ過した。この操作を3回繰り返した後、溶剤を乾燥揮発させ、ポリスチレンに溶融混練後のBN−BM複合体を得た。このBN−BM複合体のSEMで観察したところ、BN表面に繊維状BMが脱離せず結合していた(図9)。
また合成後のBN−BM複合体を集束イオンビーム(FIB)で約100nmにカッティングした後、BN−BM結合部TEM−EELSにて観察した結果を図10に示す。また図10の中のBN−BM結合部の拡大したものを図11に示す。図10、11から明らかなように、BNとBMの間には明瞭な境界線が見られず、BNと繊維状BMが結合した状態であることが確認できた。
BNとして、品名PCTP30 平均粒径30μm(サンゴバン社製)に変えた以外は実施例1と同様にしてBN−BM複合体−Bを合成した。この反応物の外観を走査型電子顕微鏡で観察したところ、平板状BNの表面に大部分の繊維状ベーマイト(直径100〜500nm、長さ1〜6μm、アスペクト比=2〜200)が結合した状態のBN−ベーマイト複合体(比重2.3)であった(図8)。
酢酸Mgを161g、Al(OH)3を733g、窒化ホウ素−Aを733gに変えた以外は実施例1と同様にしてBN−BM複合体−Cを得た。
(合成例4)
酢酸Mgを330g、Al(OH)3を1501gに変更し、窒化ホウ素−Aを使用せずに実施例1と同様な方法で針状ベーマイト(BM−B)を得た。
ガラス製の5Lセパラブルフラスコに窒化ホウ素−B(電気化学製工業製 SGPS)を250g仕込み、ついでイオン交換水を2500mL加えた。次にアルミナゾル(日産化学工業株式会社製の商品名「アルミナゾル−200」、Al2O3:10質量%)12.5mLを撹拌しながら分散させた。次いで、硝酸亜鉛(II)六水和物(和光純薬工業製:248g)を加えて溶解した後に、28質量%のアンモニア水を467mL加えて混合し、さらに分散媒としてメタノールを248mL加え、120℃に加熱したオイルバスを用いて冷却管に水を流した還流状態で3時間維持した。次に、このようにして析出した酸化亜鉛を濾取し、イオン交換水で3回撹拌洗浄した後、120℃乾燥せしめた後、大気中において800℃で2時間熱処理することにより、本発明の窒化ホウ素−酸化亜鉛複合体(BN−ZnO複合体−A)を得た(図2)。
合成例5において、窒化ホウ素−Bを使用しない以外は、同様にしてZnO−Aを得た。
(合成例7)
酢酸Mgを75g、Al(OH)3を346g、ガラスビーズ(UBS−0020E(株)ユニオン製)を1039g、及びイオン交換水を5000gを10Lオートクレーブに投入し、それ以外は実施例1と同条件でガラスビーズ−ベーマイト反応混合物(以下GB−BM複合体−Aとする)を得た。
酢酸Mgを77g、Al(OH)3を350g、粒状アルミナ(DAM−05:電気化学工業製)を1730g、及びイオン交換水5000gを10Lオートクレーブに投入し、それ以外は実施例1と同条件でアルミナ−ベーマイト反応混合物(以下アルミナ−BM複合体−Aとする)を得た(図3)。
(合成例9)
酢酸Mgを72g、Al(OH)3を328g、粒状黒鉛(WF−15C 中越黒鉛工業製)を873g、及びイオン交換水5000gを10Lオートクレーブに投入し、それ以外は実施例1と同条件で粒状黒鉛−ベーマイト反応混合物(以下粒状黒鉛−BM複合体−Aとする)を得た(図4)。
上記BN−BM複合体−Aと、熱可塑性樹脂として密度0.96g/cm3の高密度ポリエチレン(HDPE)を用い、表−3に示す配合にて混合した。混合物を2軸押出機TEM−37(東芝機械製)を用いて、シリンダー温度160℃で溶融混練し、射出成形用ペレットを得た。得られたペレットを90℃で4時間乾燥した後、射出成形機サイキャップ75(住友重機製)を用いて、シリンダー温度180℃、金型温度40℃で、図5に示す熱伝導測定用試験片を射出成形して、熱伝導率測定用試験片を作製し、熱伝導率を測定した。得られた熱拡散率から熱伝導率を求めるために必要な成形品の比熱、密度は、一般に成分の加成性が成り立つため、計算によって求めた。各成分の密度、比熱は以下に示す値を用いた。
BN 密度 2.26g/cm3、比熱 0.81J/g・K
BM 密度 3.01g/cm3、比熱 0.91J/g・K
結果を表−2に示す。
BN−BM複合体−Aを使用して表−1及び表−2の配合で実施例1同様に射出成形して、熱伝導率を測定した。結果を表−3に示す。
熱可塑性樹脂として比重1.14のポリアミド6(品名1011FB、宇部興産社製)、BN−BM複合体−Bを使用し、表−3に示す配合にて配合した。配合物を均一になるまで混合した後、2軸押出機TEM−37(東芝機械製)を用いて、シリンダー温度240℃で溶融混練し、射出成形用ペレット化し、直ちにアルミニウム内装の紙袋に投入し、ヒートシールし、密閉した。得られたペレットを100℃で4時間乾燥した後、射出成形機サイキャップ75(住友重機製)を用いて、シリンダー温度240℃、金型温度40℃で、図5に示す熱伝導測定用試験片を射出成形した。得られた試験片を図5、図6に示すような熱伝導率測定用試験片を切削加工し、熱伝導率を測定した。ポリアミド6の密度及び比熱は以下の値を用い、成形品の密度、比熱を計算によって求めた。
結果を表−3に示す。
熱可塑性樹脂としてポリブチレンテレフタレート(以下PBT 品名 ノバデュラン5008、三菱エンジニアリングプラスチック製)を用いて表−3に示す配合で均一になるまで混合した後、2軸押出機TEM−37(東芝機械製)を用いて、シリンダー温度250℃で溶融混練し、射出成形用ペレット化した。得られたペレットを120℃で4時間乾燥した後、射出成形機サイキャップ75(住友重機製)を用いて、シリンダー温度250℃、金型温度40℃で、図5に示す熱伝導測定用試験片を射出成形した。得られた試験片を図5、図6に示すような熱伝導率測定用試験片を切削加工し、熱伝導率を測定した。PBTの密度及び比熱は以下の値を用い、成形品の密度、比熱を計算によって求めた。
PBT 密度1.31g/cm3、比熱 1.24J/g・K
結果を表−3に示す。
表−3に示す配合で各材料を混合し、実施例4と同様にして熱伝導率を求めた。結果を表−3に示す。ZnOの密度および比熱は以下の値を用い、成形品の密度、比熱を計算によって求めた。
ZnO 密度5.5g/cm3、比熱 0.50J/g・K
熱可塑性樹脂として温度190℃、荷重2160gで測定したメルトフローレート(MFR)が7.0g/10分、密度0.96g/cm3の高密度ポリエチレン(HDPE)、窒化ホウ素−Aおよび表−1に示す針状BM(BM−A)を使用し、表−4に示す配合で混合した。配合物を2軸押出機TEM−37(東芝機械製)を用いて、シリンダー温度160℃で溶融混練し、射出成形用ペレットを得た。得られたペレットを90℃/4時間乾燥した後、射出成形機サイキャップ75(住友重機製)を用いて、シリンダー温度180℃、金型温度40℃で、図5に示す熱伝導測定用試験片を射出成形した。得られた試験片を図5、図6に示すような熱伝導率測定用試験片を切削加工し、熱拡散率を測定した。結果を表−4に示す。
本発明のGB−BM複合体−B、アルミナ−BM複合体−A、粒状黒鉛−BM複合体−Aを使用して、表−5に示す配合にて配合し、実施例5と同様に熱伝導率を測定した。結果を表−5に示す。ガラスビーズ、アルミナ、黒鉛の密度および比熱は以下の値を用い、成形品の密度、比熱を計算によって求めた。
ガラスビーズ 密度2.5g/cm3、比熱 0.83J/g・K
アルミナ 密度3.7g/cm3、比熱 0.75J/g・K
黒鉛 密度2.2g/cm3、比熱 0.84J/g・K
本発明のGB−BM複合体−B、アルミナ−BM複合体−A、粒状黒鉛−BM複合体−Aの替わりにGB、アルミナ、粒状黒鉛をそれぞれ単独で使用し、表−5に示す配合で配合し、実施例7〜9と同様に熱伝導率を測定した。結果を表−5に示す。
また、本発明の成形体は、成形体の方向による熱伝導率の相違が少ない特徴を有し、特に流動方向に対して直角方向である厚み方向の熱伝導率が高い特徴を有することが明らかである。
2:厚み方向熱伝導率測定用試験片
3:流動方向面
4:厚み方向面
5:厚み方向
6:直角方向
7:流動方法
8:射出成形品
9:流動方向面
10:流動方向熱伝導率の測定方向
11:厚み方向熱伝導率の測定方向
Claims (8)
- 平板状粒子である窒化ホウ素又は平板状粒子の凝集体である窒化ホウ素の表面に、粒状ベーマイト、繊維状ベーマイト、又は平板状ベーマイトが、結合もしくは付着して構成されることを特徴とする、無機フィラー複合体。
- 窒化ホウ素の平均粒径が0.5〜40μmである請求項1に記載の無機フィラー複合体。
- 粒状ベーマイトの平均粒径が0.01〜100μmである請求項1又は2に記載の無機フィラー複合体。
- 繊維状ベーマイトの直径が0.05〜50μm、アスペクト比が1〜1000である請求項1又は2に記載の無機フィラー複合体。
- 平板状ベーマイトの直径が0.05〜50μm、アスペクト比が10以上である請求項1又は2に記載の無機フィラー複合体。
- 平板状粒子である窒化ホウ素又は平板状粒子の凝集体である窒化ホウ素の表面に、粒状ベーマイト、繊維状ベーマイト、又は平板状ベーマイトが結合もしくは付着して構成される無機フィラー複合体と、
熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂とを含む熱伝導性樹脂組成物。 - 熱可塑性樹脂若しくは熱硬化性樹脂の含有量が熱伝導性樹脂組成物全容量の30容量%以上であり、無機フィラー複合体の含有量が熱伝導性樹脂組成物全容量の70容量%以下である、請求項6に記載の熱伝導性樹脂組成物。
- 請求項6又は7に記載の熱伝導性樹脂組成物を硬化させて得られる熱伝導性樹脂成形体。
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