JP6453057B2 - 熱伝導性に優れた熱溶融性フッ素樹脂組成物、該組成物から製造された成形品および、その製造方法 - Google Patents
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Description
(1)溶融混合時、高い溶融粘度のために充填材に分散しにくい。(2)溶融混合時、高い溶融粘度のために充填材に応力がかかり、充填材が破壊されやすい。(3)溶融混合時、高い溶融粘度のために、フィラーの間隙に空気が残り、ボイドが形成されやすい。(4)特に、微細なフィラーを添加した際、組成物の溶融粘度が上昇して、上記(1)〜(3)に挙げた問題(充填材が分散しにくい、応力により充填材が破壊、ボイド形成)がより起こりやすくなる。つまり、熱伝導率が大きく、薄く、柔軟性を有し、高強度および高絶縁性という性能を満たす放熱材がパワー半導体の冷却用途には好ましい。
粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子であり、
前記窒化ホウ素全量に対する前記粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%であることを特徴とする樹脂組成物である。
粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子であり、
前記窒化ホウ素全量に対する前記粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%である工程、
前記混合された熱溶融性フッ素樹脂組成物を、溶融成形してシート状成形品を得る工程、
を含むシート状成形品を製造する方法である。
本発明の第一の態様は、熱溶融性フッ素樹脂と窒化ホウ素粒子とを含む樹脂組成物である。
本発明で使用する「熱溶融性フッ素樹脂」としては、熱溶融性フッ素樹脂として知られている樹脂の中から適宜選択することができる。例えば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ビニリデンフルオライドおよびビニルフルオライドから選ばれるモノマーの重合体又は共重合体、または、これらモノマーとエチレン、プロピレン、ブチレン、ペンチン、ヘキセン等の2重結合を有するモノマーや、アセチレン、プロピン等の3重結合を有するモノマーとの共重合体などを挙げることができる。具体的な熱溶融性フッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレン・パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体などを挙げることができる。
本発明の組成物は、充填材として窒化ホウ素粒子(以下「BN」という場合がある)を含むことを特徴とするものである。本発明の窒化ホウ素粒子は、窒化ホウ素粒子(A)と窒化ホウ素粒子(B)から構成されている。
窒化ホウ素粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比(球状粒子の長径/短径)が1〜2である球状凝集体粒子である。この球状窒化ホウ素凝集体粒子は、球形状の粒子であり、窒化ホウ素の一次粒子の凝集体である。この球状凝集体粒子は扁平状の一次粒子の凝集体であることが好ましい。この球状凝集体粒子は、例えば、特許文献5、特許文献6に記載の方法で製造できる。この粒子の具体例としては、電気化学工業株式会社製:FP70、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製:PTX60等を挙げることが出来る。
本発明の窒化ホウ素粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子である。上記のように、窒化ホウ素粒子(A)平均粒径が55μm以上〜100μmであることから、窒化ホウ素粒子(A)よりも小さい粒径の窒化ホウ素粒子(B)を併用することで、300μm以下の薄いシートを溶融して圧縮成形する際に、窒化ホウ素粒子(A)のみの時より、より効率的なパッキングが可能となり、結果として効率的な熱伝導経路を形成することができる。
本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物は、窒化ホウ素全量に対する粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%である。窒化ホウ素全量のうち、粒子(A)の占める体積比率は、85〜98体積%であることが好ましく、90〜98体積%であることが更に好ましく、93〜98体積%であることが特に好ましい。
本発明は、30〜60体積%の熱溶融性フッ素樹脂と、40〜70体積%の窒化ホウ素粒子とを含む樹脂組成物である。本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物に占める窒化ホウ素粒子の体積組成比は、70体積%以下、好ましくは65体積%以下、更に好ましくは60体積%以下である。
本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物には、求める特性に応じて、窒化ホウ素粒子以外の充填材、例えば、無機充填材、有機充填材を適宜加えることもできる。更に、本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物には、他の慣用される添加剤、例えば、安定化剤(熱安定剤、紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤など)、分散剤、帯電防止剤、着色剤、潤滑剤などを1種又は2種以上組合せて使用することが出来る。
本発明の第二の態様は、本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物から溶融成形により製造された成形品である。本発明の成形品は、厚みが100〜300μmの範囲内のシート形状あることが好ましい。本発明の成形品は、上記のようにして得られた、粒子(A)と粒子(B)の2種類の窒化ホウ素粒子を所定の比率で含有するため、窒化ホウ素粒子間が効率的な伝導経路が形成され、結果として高い熱伝導率を有することが出来る。本発明の成形品の熱伝導率は、8.0W/mK以上であることが好ましく、10.0W/mK以上であることが更に好ましい。本発明の成形品は、2種類の異なる大きさの粒子を含み、その粒子間の空間に樹脂が配置されるため、優れた柔軟性も有する。
本発明の成形品は、本発明の原料の熱溶融性フッ素樹脂と、窒化ホウ素粒子に、必要により他の添加剤等を加え、混合した後に、公知の溶融成形方法により成形される。つまり、本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物から本発明の成形品を製造する方法には、熱溶融性フッ素樹脂と充填材及び必要に応じて添加剤を混合した後に、熱溶融性フッ素樹脂が溶融する温度及び圧力下で成形することにより製造することが出来る。より具体的には、例えば、以下の方法により製造することが出来る。
粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子であり、
前記窒化ホウ素全量に対する前記粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%である工程、および
前記混合された熱溶融性フッ素樹脂を、溶融成形してシート状成形品を得る工程、
を含むシート状成形品を製造する方法である。
本発明の熱溶融性フッ素樹脂組成物は、上記のように熱溶融性フッ素樹脂と窒化ホウ素粒子を含むものである。本発明の樹脂組成物には、窒化ホウ素粒子(A)として、球状凝集体粒子が含まれることから、樹脂が溶融した状態で混合される溶融混練法では、混練時のせん断力によって、球状凝集体粒子が破壊される可能性がある。このため、混合する工程は、溶融状態ではなく、ドライブレンド・湿式混合・共凝集法によって行われることが好ましい。
本発明の溶融成形工程としては、溶融押出成形、射出成形、ブロー成形、トランスファー成形、溶融圧縮成形等の公知の溶融成形方法を利用できるが、成形時に、熱溶融性フッ素樹脂組成物中の窒化ホウ素粒子にせん断力をかけないように、溶融押出成形、溶融圧縮成形の方法を使用することが好ましく、溶融圧縮成形の方法を使用することが更に好ましい。
(1)融点(融解ピーク温度)
熱溶融性フッ素樹脂の融点は、示差走査熱量計(Pyris1型DSC、パーキンエルマー社製)を用いて測定した。試料、約10mgを秤量して専用のアルミパンに入れ、専用のクリンパーによってクリンプした後、DSC本体に収納し、150℃から360℃まで10℃/分で昇温をする。この時得られる融解曲線から融解ピーク温度(Tm)を求めた。
熱溶融性フッ素樹脂のメルトフローレート(MFR)は、ASTM D−1238−95に準拠して、耐食性のシリンダー、ダイ、ピストンを備えたメルトインデクサー(東洋精機製)を用いて、5gの試料粉末を372±1℃に保持されたシリンダーに充填して5分間保持した後、5kgの荷重(ピストン及び重り)下でダイオリフィスを通して押出し、この時の押出速度(g/10分)をMFRとして求めた。
(ア)球状窒化ホウ素粒子のアスペクト比
窒化ホウ素粒子を、走査電子顕微鏡(SEM、日立製作所製、S-4500)にて観察して、粒子の長径/短径をアスペクト比とした(n=30)。
(イ)窒化ホウ素異方性粒子のアスペクト比
まず、粒子の「平均粒径」を、粒度分布における積算値50%(体積基準)として、レーザー回折・散乱法によって測定する。次に、窒化ホウ素異方性粒子は、形状が平板状であるため、上記の走査電子顕微鏡にて平板の厚みを測定し(n=30)、「平均粒径/平板厚さ」を窒化ホウ素異方性粒子のアスペクト比とした。
(1)熱伝導率の測定
熱溶融性フッ素樹脂組成物の熱伝導率の測定は、以下の2つの方法の何れかを使用して行った。すなわち、1mm厚のサンプル1については、(A)レーザーフラッシュ法により測定し、200μm厚のサンプル2については、(B)一方向熱流定常比較法により測定した。
熱伝導率は、樹脂組成物を円板フィルムの形状に成形した成形品を使用して評価した。具体的には、圧縮成形機(ホットプレスWFA−37、神藤金属工業所製、シリンダー径:152mm)を用いて、所定の金型(寸法直径55mm、高さ30mm)に組成物を入れ、360℃で15分間保持して樹脂を溶融させた後、所定の圧力で樹脂がはみ出るまで圧縮し室温で15分間冷却して直径55mm、厚み1mmの円板状に成形して、成形品(サンプル1)とした。
熱伝導率測定装置(株式会社レスカ製、TCM1000)を用いて、ASTM D5470−1に記載の方法(定常熱流法)に準拠して、20mm角の正方形にカットされたフィルム成形品(厚さ:200μm:サンプル2)の有効熱伝導率を測定した。この時、熱伝導シリコングリース(信越化学工業株式会社製 オイルコンパウンドG−747、熱伝導率0.9W/mK)をフィルム両面に塗布し、装置にセットしたときのグリース層の厚みを両面とも10μmとした。そして、得られた有効熱伝導率の値から、グリース層部分を除外し、フィルム成形品自体の熱伝導率を下式に基づき算出した。
上記の圧縮成形機を用いて、所定の金型に、組成物を入れ、360℃で15分間保持して樹脂を溶融させた後、所定の圧力で圧縮し室温で15分間冷却して厚み200μmの板状に成形して成形品(サンプル3)とした。
樹脂組成物から得られた成形品の柔軟性については、以下のように、目視による脆さ評価のランクにより、評価した。
○:屈曲角度が目視で45〜90°の範囲でクラックが発生する。
△:屈曲角度が目視で20〜45°の範囲でクラックが発生する。
×:屈曲角度が目視で20°以下でクラックが発生する。
(使用原料)
(1)熱溶融性フッ素樹脂
PFA1 MFR:40g/10分。融点304℃。
乳化重合により得られたテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体の粉末。
乳化重合により得られたテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体の粉末。
乳化重合により得られたテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体の粉末。
ビニリデンフルオライド・ヘキサフルオロプロピレン・テトラフルオロエチレン・臭化オレフィン(架橋点モノマー)共重合体。板状の固形物(室温)。
電気化学工業株式会社、SGPS、 12μm 1〜2
電気化学工業株式会社、FP40、 40μm 1〜2
電気化学工業株式会社、FP70、 70μm 1〜2
モメンティブ・パフォーマンス・
マテリアルズ、PTX60、 60μm 1〜2
モメンティブ・パフォーマンス・
マテリアルズ、AC6091、 125μm 1〜2
電気化学工業株式会社、XGP、 30μm 150
モメンティブ・パフォーマンス・
マテリアルズ、PT110、 45μm 23
モメンティブ・パフォーマンス・
マテリアルズ、PT120、 12μm 36
熱溶融性フッ素樹脂としてPFA1と、充填材として、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)と、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)を、それぞれ43:54:3の体積比率で混合して、合計量が30gとなるように配合し、コーヒーミル(山田電器工業株式会社製、BC−1752J)を用いて、常温下で15秒間ドライブレンドを行い、混合組成物を得た。
充填材としては、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)のみを使用した。すなわち、熱溶融性フッ素樹脂としてPFA1と、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)を、それぞれ43:57の体積比率で混合する以外は、実施例1と同様の方法により組成物を作製し、同様の条件で成形サンプルを作製して評価した。この成形品の熱伝導率は、7.6W/mKという結果が得られた。
比較例1において、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)に代えて、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)を使用した以外は同様の条件で組成物を作製し、同様の条件で成形サンプルを作製して評価した。この成形品の熱伝導率は5.2W/mKとなり、比較例1よりは低下した。
比較例1において、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)に代えて、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径12μm)を使用した以外は同様の条件で、組成物を作製し、同様の条件で成形サンプルを作製して評価した。この成形品の熱伝導率は4.2W/mKとなり、比較例1よりかなり低下した。
比較例1において、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)に代えて、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径125μm)を使用した以外は同様の条件で組成物を作製し、同様の条件で成形サンプルを作製して評価した。この成形品の熱伝導率は4.7W/mKとなり、比較例1よりは低下した。
実施例1において、充填材として、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)に代えて、窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径125μm)を使用した以外は同様の条件で、組成物を作製し、同様の条件で成形サンプルを作製して評価した。この成形品の熱伝導率は4.3W/mKとなり、比較例1よりかなり低下した。
実施例1において、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%に維持しつつ、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%から70%に増加させ、代わりにPFA1の量を43%から27%に減少させた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、4.6W/mKとなり、比較例1よりは低下した。
実施例1において、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)の代わりに、(B)窒化ホウ素異方性粒子(平均粒径30μm:アスペクト比:150)を使用した以外は、同様の条件で、混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は10.9W/mKという良好な結果が得られた。
実施例1において、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%に維持しつつ、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%から1%に減少させ、代わりにPFA1の量を43%から45%に増加させた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、10.9W/mKという良好な結果が得られた。
実施例1において、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%に維持しつつ、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%から6%に増加させ、代わりにPFA1の量を43%から40%に減少させた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、8.8W/mKと比較例1よりも良好な結果が得られた。
実施例1において、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%に維持しつつ、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%から60%に増加させ、代わりにPFA1の量を43%から37%に減少させた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、10.4W/mKという良好な結果が得られた。
実施例1において、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%に維持しつつ、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%から50%に減少させ、代わりにPFA1の量を43%から47%に増加させた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、11.2W/mKとかなり良好な結果が得られた。
実施例1において、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を54%に維持しつつ、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子の量を3%から9%に増加させ、代わりにPFA−1の量を43%から37%に減少させて混合物を使用した以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は、14.7W/mKと極めて良好な結果が得られた。
実施例1において、熱溶融性フッ素樹脂を、PFA1からPFA2に代えた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は10.5W/mKと良好な結果が得られた。
実施例1において、熱溶融性フッ素樹脂を、PFA1からPFA3に代えた以外は、同様の条件で混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製して同様に評価した。この成形品の熱伝導率は8.1W/mKと比較的良好な結果が得られた。
実施例1において、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)の代わりに、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径12μm)を使用した以外は、同様の条件で、混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は8.7W/mKと比較例1よりも良好な結果が得られた。
実施例1において、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径70μm)の代わりに、(A)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径60μm)を使用し、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)の代わりに、(B)窒化ホウ素異方性粒子(平均粒径45μm:アスペクト比:23)を使用した以外は、同様の条件で、混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は10.5W/mKと良好な結果が得られた。
実施例11において、(B)窒化ホウ素異方性粒子(平均粒径45μm:アスペクト比:23)の代わりに(B)窒化ホウ素異方性粒子(平均粒径12μm:アスペクト比:36)を使用した以外は、同様の条件で、混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は10.2W/mKと良好な結果が得られた。
実施例11において、(B)窒化ホウ素異方性粒子(平均粒径45μm:アスペクト比:23)の代わりに、(B)窒化ホウ素球状凝集体粒子(平均粒径40μm)を使用した以外は、同様の条件で、混合して組成物を得た。その後、組成物を成形して、成形品を作製し、同様に評価した。この成形品の熱伝導率は14.8W/mKと極めて良好な結果が得られた。
熱溶融性フッ素樹脂としてPFA1と、充填材として(A)球状窒化ホウ素粒子(平均粒径70μm)と、(B)球状窒化ホウ素粒子(平均粒径40μm)を43:54:3の体積比で計量し、コーヒーミル(山田電器工業株式会社製、BC−1752J)を用いて常温下で15秒間ドライブレンドし粉体混合物を得た。
熱溶融性フッ素樹脂としてPFA1と、充填材として(A)球状窒化ホウ素粒子(平均粒径70μm)と、(B)球状窒化ホウ素粒子(平均粒径40μm)を34.3:54:3の体積比で計量し、コーヒーミル(山田電器工業株式会社製、BC−1752J)を用いて常温下で15秒間ドライブレンドし粉体混合物を得た。
実施例1において作製した組成物を、溶融圧縮成形のシリンダー内圧を、1MPaから2MPaに変えた以外は同様の条件で、1mm厚の成形品サンプルを得た。得られた成形品サンプルについて、熱伝導率(方法Aによる)、破壊電圧、柔軟性を測定した。この成形品の熱伝導率は、10.3W/mKと良好な結果が得られた。
実施例2において作製した組成物を同様の条件で、1mm厚の成形品サンプルを得、実施例16と同様の方法Aにより測定した。この成形品の熱伝導率は、10.4W/mKと良好な結果が得られた。
実施例11において作製した組成物を、溶融圧縮成形のシリンダー内圧を、1MPaから2MPaに変えた以外は同様の条件で、1mm厚の成形品サンプルを得た。この成形品の熱伝導率(方法Aによる)は、9.9W/mKと良好な結果が得られた。
Claims (8)
- 30〜60体積%の熱溶融性フッ素樹脂と、40〜70体積%の窒化ホウ素粒子とを含む樹脂組成物であって、前記窒化ホウ素粒子は、粒子(A)および粒子(B)から構成され、
粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子であり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
前記窒化ホウ素全量に対する前記粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%であることを特徴とする樹脂組成物。 - 熱溶融性フッ素樹脂のメルトフローレート(MFR)が1〜100g/10分の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の樹脂組成物。
- フッ素樹脂がパーフルオロ樹脂であることを特徴とする請求項1又は2に記載の樹脂組成物。
- 前記熱溶融性フッ素樹脂の比率が35〜50体積%であり、且つ前記窒化ホウ素粒子の比率が50〜65体積%であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- 粒子(A)の平均粒径が60〜90μmであり、粒子(B)の平均粒径が10〜50μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の樹脂組成物。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱溶融性フッ素樹脂組成物から製造された成形品。
- 厚みが100〜300μmの範囲内である請求項6に記載のシート状成形品。
- 熱溶融性フッ素樹脂と窒化ホウ素粒子を、30〜60体積%対40〜70体積%の比率で混合する工程であって、前記窒化ホウ素粒子は、粒子(A)および粒子(B)から構成され、
粒子(A)は、平均粒径が55μm以上〜100μmであり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
粒子(B)は、平均粒径が8〜55μm未満の粒子であり、アスペクト比が1〜2である球状凝集体粒子であり、
前記窒化ホウ素全量に対する前記粒子(A)の体積比率が、80〜99体積%である工程、および、
前記混合された熱溶融性フッ素樹脂を、溶融成形してシート状成形品を得る工程、
を含むシート状成形品を製造する方法。
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