JP5586111B2 - 射出成形体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁性及び耐熱性に優れ、高い熱伝導性を有し、成形が容易な成形体、及びその製造方法に関する。

電子機器の筺体等に用いられる樹脂製の成形品は、成形が容易であり、電気絶縁性に優れていることが求められる。こうした要件を満たす樹脂として、従来からポリブチレンテレフタレートやポリアミド等の結晶性樹脂が多く用いられている。

しかし、例えば大きな電流が流れるランプ類やモータや高輝度ＬＥＤ等、熱の発生を伴う箇所において用いられる場合には、発熱に耐えるための耐熱性や、電子素子を熱から守るための優れた熱伝導性が要求される。従来電子機器の筐体等に多用されていたポリブチレンテレフタレートやポリアミド等の結晶性樹脂は、絶縁性に優れているものの、熱伝導性に劣り、使用できない場合も多い。また、これらの樹脂はエステル結合やアミド結合を有しているため加水分解されやすく、耐水性に劣るという欠点も有する。

このため、耐熱性及び耐水性に優れた結晶性樹脂であるポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）に金属と繊維強化材とを混合することにより、優れた熱伝導性を付与した樹脂も開発されている（特許文献１）。

また、モータの固定子巻線を覆うための樹脂として、薄片状の伝導絶縁材を熱硬化性樹脂で接着した第１の絶縁層と、繊維状絶縁材と粒状の高熱伝導性充填材とを樹脂に分散、硬化した第２絶縁層との積層体を有し、第１の絶縁層と、繊維状絶縁材と粒状の高熱伝導性充填材とを樹脂に分散，硬化した第２絶縁層との積層体からなる複合樹脂材料も提案されている（特許文献２）。この複合樹脂材料によれば、厚さ方向の初期絶縁破壊電圧Ｖが２０ｋＶ／mm以上、上記積層体の厚さ方向の熱伝導率λが０.３５−１Ｗ／ｍ・Ｋ であって、初期絶縁破壊電圧と熱伝導率との積Ｖ・λが７≦Ｖλ≦２０(ＭＶＷ／ｍ²・Ｋ）という性能を有し、モータの駆動に伴う固定子巻線からのジュール熱を効果的に逃がすことができる旨記載されている。

さらに、本発明とは解決課題が全く異なる発明ではあるが、結晶性ポリスチレンに各種の無機フィラーを添加した樹脂組成物として特許文献３〜５が存在する。参考までにこれらの特許文献を下記に掲げる。

特開２００６−２２１３０号公報 特開２０００−２２４７９２号公報 特開平１１−３２３０４６号公報 特開２０００−２３９４２２号公報 特開２００６−１２９９０２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の金属と繊維強化材とが混合されたＰＰＳ樹脂では、金属が添加されているため、絶縁破壊電圧に劣り、高温時における絶縁性の信頼に欠ける。

また、上記特許文献２に記載のモータの固定子巻線を覆うための樹脂では、単一の素材から形成されていないため、筐体等の形状に射出成形することができない。このため、大量生産に不向きであり、成形に手間がかかり、ひいては成形品の製造コストの高騰化を招来する。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、絶縁性及び耐熱性に優れ、高い熱伝導性を有し、成形が容易で製造コストの低廉な射出成形体及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の射出成形体は、ベース樹脂となる結晶性ポリスチレンに、熱伝導率を高めるための伝熱フィラーとして酸化マグネシウム、アルミナ、酸化亜鉛及び結晶性シリカの少なくとも一種を含有する樹脂組成物からなることを特徴とする。

ベース樹脂となる結晶性ポリスチレンは、アタクチックな通常のポリスチレンと比べ、耐熱性に優れている。また、ポリエステルやポリアミドと異なり加水分解される官能基を有していないため、耐水性にも優れている。さらに、結晶性ポリスチレンは溶融時の粘性が低いため、射出成型時に引けや充填不良を起こし難く、成形も容易である。
また、本発明の射出成形体では、熱伝導率に優れた性質を有する酸化マグネシウム、アルミナ、酸化亜鉛及び結晶性シリカの少なくとも一種が伝熱フィラーとして混合されているため、結晶性ポリスチレンのみからなる樹脂よりも熱伝導性が高くなる。また、これらの伝熱フィラーは電気絶縁性に優れているため、絶縁破壊電圧も極めて高くなる。

従って、本発明の射出成形体によれば、絶縁性及び耐熱性に優れ、高い熱伝導性を有し、成形が容易で製造コストも低廉なものとなる。

樹脂組成物には、さらにガラスフィラーを含有することが好ましい。ガラスフィラーを含有させることにより、射出成形体の機械的強度が高められるからである。ガラスフィラーの含有量は、結晶性ポリスチレン１００重量部に対し５〜２００重量部の添加が好ましく、より好ましくは、１０〜１００重量部である。ガラスフィラーの含有量が結晶性ポリスチレン１００重量部に対して５重量部よりも少ない場合は、耐熱性及び剛性の向上効果を充分に得ることができない。一方、ガラスフィラーの含有量が結晶性ポリスチレン１００重量部に対して１５０重量部を超える場合は、熱伝導率が低下し、製品の外観が悪化するおそれが生じる。なお、後述する実施例においては、結晶性ポリスチレンの添加量が１００重量部で記載されていないが、１００重量部に換算した場合、ガラスフィラーの添加量は上記値の範囲が好ましい範囲となる。
ガラスフィラーの種類としては特に制限はないが、ガラス繊維、ガラスフレーク、ガラスビーズ等が挙げられ、これらを一種又は二種以上を併用することもできる。またガラスフィラーの材質としては、Ａガラス、Ｃガラス、Ｅガラス等を用いることができる。

ここで、ガラス繊維とは、ガラス成分が繊維状に細長くされた形状のガラスからなり、繊維状外観を呈するものをいう。ガラス繊維は、通常、長さ方向と直角に切断した断面が略真円状であったり、多角形状であったりする。本発明の射出成形体にガラス繊維を含有させた場合、成形体全体の引張強度が大きくなる。ガラス繊維の平均繊維径は１〜２５μｍが好ましく、さらに好ましいのは５〜１７μｍである。平均繊維径が１μｍ未満となると、射出成型体を射出成型する場合の樹脂の粘度が大きくなるため、流れ性が悪くなり、引けや成形不良を生じ易くなる。また、平均繊維径が２５μｍを超える場合には、成形品の外観が損なわれるおそれがあり、機械的強度の向上効果も小さくなる。また、ガラス繊維は短繊維でもよく、短繊維を複数本撚り合わせたものであってもよい。さらに、ガラス繊維の形態は、短繊維や複数本撚り合わせた繊維を連続的に巻き取った「ガラスロービング」、長さ１〜１０ｍｍ程度に切りそろえた「チョップドストランド」、長さ１０〜５００μｍ程度に粉砕した「ミルドファイバー」のいずれでもよく、これらを混合して用いても良い。

また、ガラスビーズとは略球状の粒状ガラスをいい、大きさは特に限定はないが、通常は外径１０〜１００μｍ程度である。さらに、ガラスフレークとは、鱗片状のガラスをいい、大きさは特に限定はないが、通常は厚さ１〜２０μｍ、一辺の長さが０．０５〜１ｍｍ程度である。

また、本発明の射出成形体にガラスフィラーを含有させる場合、ガラスフィラーとベース樹脂との親和性を良くするために、ガラス表面修飾用化合物（例えばシラン系化合物、エポキシ系化合物、ウレタン系化合物等）で表面処理をしたり、ガラス表面を酸化処理したりすることも好ましい。こうした処理により、さらに射出成形体の機械的強度を高めることができる。

伝熱フィラーとしては、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化亜鉛及び結晶性シリカの少なくとも一種が用いられるが、この中でも酸化マグネシウムが特に好ましい。酸化マグネシウムは、熱伝導率が４５Ｗ/ｍ・Ｋと大きいため、熱伝導性に優れた射出成形体とすることができる。また、発明者らの試験結果によれば、結晶性ポリスチレンに酸化マグネシウムを含有させた射出成形体は、絶縁破壊電圧が極めて高くなる。

伝熱フィラーとして酸化マグネシウムを用いる場合、耐酸・耐水和性向上及び／又は機械物性向上のための表面処理がなされていることが好ましい。耐酸・耐水和性向上のための表面処理としては、例えばリン酸エステルによる表面処理が挙げられる。リン酸エステル処理を施した酸化マグネシウムは表面水酸基がリン酸エステルと化学結合するため、酸化マグネシウムの水和による水酸化マグネシウムへ変化を防止することができる。このため、耐水和性及び耐酸性が著しく向上する。具体的には、（１）酸化マグネシウム粒子にリン酸エステルを付着させ直接加熱する方法、（２）有機溶剤に溶解させたリン酸エステルを、酸化マグネシウム粒子に直接噴霧または混合処理後、有機溶剤を揮発除去する方法、（３）有機溶剤に懸濁させた酸化マグネシウムスラリーに有機溶剤に溶解したリン酸エステルを加え、混合処理後、有機溶剤を分離、揮発除去する方法等を用いることができる。これらの方法により表面処理された酸化マグネシウム粒子は、耐酸性及び耐水和性に優れ、高流動性および高充填性である。さらに、高絶縁破壊電圧性と優れた熱伝導性を有している。
こうした表面処理に用いることのできるリン酸エステルとしては、リン酸モノエステルや、リン酸ジエステル等の酸性リン酸エステルやジ−２−エチルヘキシルフォスフェイト等の２量体リン酸ジエステル等が挙げられる。酸性リン酸エステルとしてさらに具体的には、ブチルアシッドフォスフェイト、２−エチルヘキシルアシッドフォスフェイト、ラウリルアシッドフォスフェイト、トリデシルアシッドフォスフェイト、ステアリルアシッドフォスフェイト、オレイルアシッドフォスフェイト等が挙げられる。これらの中でも、ステアリルアシッドフォスフェイトは特に好ましい。

また、耐酸・耐水和性向上及び／又は機械物性向上のための他の表面処理としては、例えばシラン系化合物、エポキシ系化合物、ウレタン系化合物などによる表面処理が挙げられ、これらの表面処理用の化合物は、単独で用いても良いし、組み合わせて用いても良い。
また、異なる表面処理用の化合物で表面処理した酸化マグネシウムを混合して用いてもよい。これらの化合物によって酸化マグネシウムの表面処理を行った場合、表面が疎水性の官能基で修飾されるため、耐酸性および耐水和性が向上するとともに、結晶性ポリスチレンとの親和性が良くなり、耐衝撃性、引張降伏強度等の機械物性も向上する。これらの表面処理剤の中でもシラン系化合物が特に好ましい。シラン系化合物として、公知のシランカップリング剤が使用でき、具体的にはビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリブトキシシラン、ノルマルヘキシルトリメトキシシラン等が挙げられる。

また、リン酸エステルによる表面処理と、シラン系化合物、エポキシ系化合物、ウレタン系化合物等による表面処理とを組み合わせて用いても良い。こうした併用を行うことにより、相乗効果により優れた機械物性と耐水和性が得られる。

また、結晶性ポリスチレンと酸化マグネシウムとの混合比率は１０：９０〜４０：６０（重量比）であることが好ましい。酸化マグネシウムの混合比率がこの範囲を超える場合には、溶融時の流動性が悪くなるため、引けや充填不良を生じやすい。一方、酸化マグネシウムの混合比率がこの範囲よりも少ない場合には、酸化マグネシウムの添加による熱伝導性向上効果があまり得られなくなる。

また、本発明の射出成形体は、次の方法によって製造することができる。すなわち、ベース樹脂となる結晶性ポリスチレンに、熱伝導率を高めるための伝熱フィラーとして酸化マグネシウム、アルミナ、酸化亜鉛及び結晶性シリカの少なくとも一種を含有する樹脂組成物を、加熱された金型内に射出して成型する方法である。金型を加熱することにより、金型内の流動性が良好となり、高充填の射出成形品を得ることができる。金型の加熱温度は、５０〜２００°Ｃが好ましい。５０°Ｃ以上であれば金型内での樹脂の流動性が良くなり、２００°Ｃ以下であれば樹脂が分解することもない。さらに好ましいのは１２５〜１７５°Ｃである。

以下、本発明を具体化した実施例１〜１０及び比較例１〜４について説明する。

＜ペレットの調製及び射出成形体の製造方法＞
ベース樹脂と各種のフィラーとを所定の割合で押出機（神戸製鋼所製、ＫＴＸ３０）に投入し、バレル温度：３００°Ｃ、回転数：３００Ｒ.Ｐ.Ｍ.という成形条件で、直径２ｍｍのストランドダイで押し出した後、ストランドカッターにて長さ２ｍｍ、直径２ｍｍのペレットを製造した。

こうして得られたペレットを射出成形機（ファナック、ロボショットＳ２０００ｉ １００Ａ）に投入し、縦60×横60×厚み0.3〜1ｍｍの成形型に射出し、成形品を得た。成形型は、熱媒体油を用いた金型温調機により、型キャビティ面が１５０°Ｃとなるように温度制御を行った。

＜ベース樹脂＞
ベース樹脂としては、実施例１〜１０及び比較例１では結晶性ポリスチレン（出光興産株式会社製 品番：ザレックＳ１００）を用いた。また、比較例２ではポリフェニレンサルファイド（東レ製 品番：Ａ９００）を、比較例３ではポリアミドとしてナイロン６６（東レ製 品番：アミラン ＣＭ３００６）を、比較例４ではポリカーボネート（三菱エンジニアリングプラスチックス製 品番：ノバレックス ７０２５Ｒ）をそれぞれ用いた。

＜フィラー＞
ベース樹脂と混練するフィラーは、以下のものを用いた。なお、各実施例及び各比較例でのフィラーの種類及び添加量について、表１及び表２に示す。
・酸化マグネシウム・・・協和化学工業（株）製
（表面処理なし）
・酸化マグネシウム・・・協和化学工業（株）製 品番：パイロキスマ５３０１Ｊ
（リン酸エステル処理）
・酸化マグネシウム・・・協和化学工業（株）製 品番；パイロキスマ５３０１Ｋ
（シランカップリング剤処理）
・アルミナ・・・・・・・昭和電工（株）製 品番；ＡＬ―４５―Ｈ
・酸化亜鉛・・・・・・・堺化学工業（株）製 品番；２種
・結晶性シリカ・・・・・（株）龍森製 品番；ＡＡ
・非晶性シリカ・・・・・電気化学工業（株）製 品番；ＦＢ３０１
・ガラスフィラー・・・・オーウェンスコーニングジャパン（株）製
品番；０３ ＭＡ ＦＴ１７０Ａ
（チョップドストランド ガラス繊維タイプ）

＜評 価＞
上記実施例１〜１０及び比較例１〜４について、絶縁破壊電圧、熱伝導率、引張強度、伸び及び熱変形温度について、以下の方法により測定を行った。
（絶縁破壊電圧）
絶縁破壊電圧はＡＳＴＭ Ｄ１４９に準拠し、山崎産業（株）製のＨＡＴ−３００−１００ＲＨＯ型を用い、電極間に試料を挟み、極間電圧を上昇させ、破壊されない最も高い電圧を求める測定をした。
（熱伝導率）
熱伝導率は京都電子工業（株）製のＱＴＭ−５００を用い、非定常法にて測定を行った。
（引張強度）
引張強度は、JIS K 7162:94に準拠し、引張試験機（島津製作所製 ＡＧ−１０ＫＮＩＳ）を用いて測定した。
（伸び）
伸びは、自動伸び測定機（島津製作所製 ＳＥＳ１０００）を用いて測定した。
（熱変形温度）
熱変形温度は、ＪＩＳ Ｋ７１９１−１に準拠し、東洋精機製作所製のＨＥＡＴ ＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＴＥＳＴＥＲ ６Ｍ−２を用い、フラットワイズ法にて測定した。

＜結 果＞
実施例１〜１０及び比較例１〜４の測定結果を表３及び表４に示す。

（絶縁破壊電圧）
表３に示すように、実施例１〜１０の射出成形体は、高い絶縁破壊電圧を有していることが分かった。特に伝導フィラーとして酸化マグネシウムを含有させた実施例１〜５、実施例９及び実施例１０では、２５ＫＶ／ｍｍ以上という極めて高い絶縁破壊電圧を示した。また、伝導フィラーとして結晶性シリカを含有させた実施例８においても２８ＫＶ／ｍｍという極めて高い絶縁破壊電圧を示した。
これに対して、比較例１〜４では、表４に示すように、高い絶縁破壊電圧を有するものの、１７ＫＶ／ｍｍより低い値であった。

（熱伝導率）
熱伝導率については、表３及び表４に示すように、実施例１〜１０及び比較例１〜４、ともに、高い熱伝導性を示した。また、結晶性ポリスチレン：酸化マグネシウムが１０：９０(重量比）という酸化マグネシウムの含有量の多い実施例１では、熱伝導率が４．８Ｗ／ｍ・Ｋという極めて高い値を示し、射出成形も充分可能であった。

（引張り強度と伸び）
表３から、実施例１〜１０の射出成形体は、実用上充分な引張り強度を有していることが分かった。また、伸びも１％以上あり、ある程度の柔軟性を有することが分かった。さらには、ガラスフィラーを多く添加した実施例３、４、９においては、引張り強度が著しく高くなり、ガラスフィラーの添加が機械的強度を高めるのに効果的であることが分かった。

（熱変形温度）
実施例１〜１０の射出成形体の熱変形温度は、表１に示すように１００°Ｃ以上の値を示した。特に、ガラスフィラーを多く添加した実施例３、４、９においては、熱変形温度が著しく高くなり、ガラスフィラーの添加が機械的強度のみならず、耐熱性を高めるのにも効果的であることが分かった。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

Claims (7)

1. ベース樹脂となる結晶性ポリスチレンに、熱伝導率を高めるための伝熱フィラーとして酸化マグネシウム粒子を含有し、金属を含有せず、前記結晶性ポリスチレンと前記酸化マグネシウム粒子の混合比率が１０：９０〜４０：６０（重量比）である樹脂組成物を、加熱された金型内に射出して成形することを特徴とする射出成形体の製造方法。
2. ベース樹脂となる結晶性ポリスチレンに、熱伝導率を高めるための伝熱フィラーとして酸化マグネシウム粒子を含有し、金属を含有しない樹脂組成物からなり、
   前記結晶性ポリスチレンと前記酸化マグネシウム粒子の混合比率が１０：９０〜４０：６０（重量比）であることを特徴とする射出成形体。
3. 樹脂組成物には、さらにガラスフィラーを含有することを特徴とする請求項２記載の射出成形体。
4. 酸化マグネシウム粒子は表面処理がなされていることを特徴とする請求項２又は３記載の射出成形体。
5. 表面処理はリン酸エステルによる表面処理であることを特徴とする請求項４記載の射出成形体。
6. 表面処理はシランカップリング剤による表面処理であることを特徴とする請求項４記載の射出成形体。
7. 絶縁破壊電圧が２５．２〜３８．５ＫＶ／ｍｍであり、熱伝導率が０．８８〜４．８Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項記載の射出成形体。