JP6701506B1 - 音響整合層用樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
超音波センサは、前記圧電振動子と前記被検体との間に、両者の中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を介在させて、前記超音波の透過効率を向上させ、検出感度を向上させるように構成されている。
例えば、特許文献1には、中空ガラスバルーンを混入させた樹脂を型に注入し、加圧しながら熱硬化させて成型することにより、音響整合層を製造する方法が記載されている。
しかしながら、中空フィラーは、樹脂よりも比重が小さく、硬化前の樹脂組成物中で中空フィラーが浮揚して、該樹脂組成物は経時により組成が不均一になりやすい。
[1]樹脂、中空フィラー及びチクソ性付与剤を含み、B型粘度計を用いて、25℃で、ロータNo.4、回転数0.3rpmにて測定した粘度が1130〜4000Pa・sであり、B型粘度計を用いて、50℃で、ロータNo.4、回転数0.3rpmにて測定した粘度(V1)と、ロータNo.4、回転数1.5rpmにて測定した粘度(V2)との比(V1/V2)で表されるチクソトロピーインデックスが3.0〜5.0である、音響整合層用樹脂組成物。
[2]前記樹脂が熱硬化性樹脂であり、前記熱硬化性樹脂は、B型粘度計を用いて、25℃にて、ロータNo.4、回転数0.3rpmで測定した粘度が2〜50Pa・sである、上記[1]に記載の音響整合層用樹脂組成物。
[3]前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、上記[2]に記載の音響整合層用樹脂組成物。
[4]前記チクソ性付与剤が、BET比表面積が50〜400m2/gの粉末である、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
[5]前記チクソ性付与剤が親水性シリカ粉末である、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
[6]前記中空フィラーは粒径1〜100μmである、上記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
このような粘度及びチクソ性を有している樹脂組成物によれば、中空フィラーの均一分散性が保持され、かつ、泡噛みが抑制され、成形性及び取り扱い性が良好である。
本発明における樹脂組成物及び樹脂の粘度は、いずれも、B型粘度計を用いて、ロータNo.4にて測定した粘度の値[単位:Pa・s]である。
前記樹脂組成物は、25℃での回転数0.3rpmにおける粘度(V0)が、1130〜4000Pa・sであり、好ましくは1140〜3500Pa・s、より好ましくは1150〜3000Pa・sである。
粘度(V0)は、該樹脂組成物の配合成分を混練した後の25℃における低せん断速度での粘度であり、該樹脂組成物の成形前の常温での静置保管状態における粘度とみなすことができる。
粘度(V0)が1130Pa・s未満の場合、混練して得られた該樹脂組成物中で前記中空フィラーの浮揚を抑制することが難しく、該樹脂組成物の組成が不均一になりやすい。一方、粘度(V0)が4000Pa・s超であると、該樹脂組成物の配合成分の混練時にかかるせん断負荷が大きくなり、前記中空フィラーに割れや潰れを生じやすくなる。
本発明においては、前記樹脂組成物のTI値は、50℃での回転数0.3rpmにおける粘度(V1)と、50℃での回転数1.5rpmにおける粘度(V2)との比(V1/V2)で表される。
粘度(V1)は、該樹脂組成物が常温から50℃に加熱された状態の低せん断速度での粘度であり、成形直前の加熱された該樹脂組成物の静置状態における粘度とみなすことができる。
粘度(V2)は、該樹脂組成物が常温から50℃に加熱された状態で、粘度(V1)の測定時よりも高いせん断速度での粘度であり、加熱された該樹脂組成物の成形時に注型する際の流動状態における粘度とみなすことができる。
前記TI値は、このような粘度(V1)及び粘度(V2)の比であり、50℃でのチクソ性を表すものであり、該樹脂組成物の成形性や成形時の取り扱い性に関する指標となる。
前記TI値が3.0未満であると、成形時の該樹脂組成物の流動性が高く、液垂れしたりする等、取り扱いにくくなり、また、該樹脂組成物の組成が不均一になりやすい。
一方、前記TI値が5.0超である場合、成形時の注型の際、泡噛みを生じやすく、成形不良となりやすい。これは、該樹脂組成物の流動性に局所的なばらつきが生じやすくなるためであると考えられる。
前記樹脂組成物の配合成分である樹脂としては、該樹脂組成物が上記のような粘度及びチクソ性を有するものとなるような樹脂が用いられ、また、耐熱性等の観点から、熱硬化性樹脂であることが好ましい。
前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。前記熱硬化性樹脂は、これらのうち、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのうち、耐熱性や耐薬品性、電気絶縁性、接着性等に優れていることから、エポキシ樹脂が好適に用いられる。
このような粘度の樹脂によれば、常温での粘度が比較的低いため、前記中空フィラー及び前記チクソ性付与剤との混和性に優れ、また、該樹脂組成物の配合成分の混練時に泡噛みを生じた場合でも脱泡が容易となる。
高粘度の樹脂は、樹脂組成物中での中空フィラーの浮揚を抑制し、組成物の均一性を保持することができるものの、該樹脂組成物の配合成分の混練時に該中空フィラーにかかるせん断負荷が大きくなることによって、該中空フィラーが割れや潰れを生じやすくなる。また、成形時の注型の際に流動性が低すぎたり、泡噛みを十分に抑制できない場合もあることから、上記のような低粘度の樹脂を用いることが好ましい。
前記粘度が2Pa・s以上であれば、前記中空フィラーの浮揚が抑制されやすい。また、前記粘度が50Pa・s以下であることにより、上述したような樹脂組成物の配合成分の混練時の負荷が大きくなりすぎず、該樹脂組成物の成形性や取り扱い性が良好になりやすい。
前記中空フィラーは、前記樹脂組成物を均一に低密度化させる観点から、該樹脂組成物中に添加される。前記中空フィラーとしては、該樹脂組成物中において、中空の粒子形状を保持することができるものであれば、無機中空フィラーであっても、有機中空フィラーであってもよい。例えば、ガラスバルーン、フライアッシュバルーン、シリカバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン、樹脂バルーン等が挙げられる。前記中空フィラーは、これらのうち、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのうち、耐熱性や耐久性等の観点から、ガラスバルーンが好適に用いられる。また、該樹脂組成物のさらなる低密化や耐衝撃性等の観点から、樹脂バルーンを用いることも好ましい。
前記粒径が1μm以上であることにより、該中空フィラーは適度な表面積で、前記樹脂との良好な混和性が得られ、該樹脂組成物を用いて得られた成形品を十分な機械的強度を有するものとすることができる。また、前記粒径が100μm以下であることにより、該樹脂組成物の配合成分の混練時等における応力による該中空フィラーの割れや潰れが生じにくくなるため好ましい。
なお、前記粒径は、レーザー回折法により測定することができる。
なお、本明細書における見掛け密度とは、粒子中の空隙(中空部)も含めた粒子密度を指し、定容積膨張法により測定することができる。
前記チクソ性付与剤は、該樹脂組成物が上記のようなチクソ性の調整のために添加され、該樹脂組成物中の前記中空フィラーの浮揚を抑制して均一分散性を保持し、また、該樹脂組成物の泡噛みを抑制する作用を奏する。低粘度の樹脂を用いた場合であっても、前記チクソ性付与剤によって、成形時に適度な粘性が発現し、該樹脂組成物の組成の均一性が保持される。また、該樹脂組成物の配合成分の混練は、比較的粘度の低い状態で行うことができ、混練時に前記中空フィラーにかかるせん断負荷が大きくなることがなく、該樹脂組成物の取り扱い性が良好となる。
前記チクソ性付与剤は、BET比表面積が50〜400m2/gの粉末であることが好ましく、前記BET比表面積は、より好ましくは70〜380m2/g、さらに好ましくは100〜350m2/gである。
前記BET比表面積が50m2/g以上であれば、該チクソ性付与剤を、前記中空フィラーの浮揚を抑制して、均一に分散させるのに適したチクソ性が得られやすい。また、前記BET比表面積が400m2/g以下であれば、該チクソ性付与剤は、前記樹脂との良好な混和性が得られ、該樹脂組成物の組成の均一性を保持する上で好ましい。
なお、前記BET比表面積は、JIS Z 8830:2013に準じて、吸着質として窒素ガスを用いた静的容量法(3点法)により測定することができる。
前記樹脂組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲内において、前記樹脂、前記中空フィラー及び前記チクソ性付与剤以外の他の成分を任意成分として含んでいてもよい。
前記樹脂組成物中の前記他の成分以外、すなわち、前記樹脂、前記中空フィラー及び前記チクソ性付与剤の合計含有量は、50〜99質量%であることが好ましく、より好ましくは60〜98質量%、さらに好ましくは70〜97質量%である。
前記硬化剤としては、例えば、前記樹脂がエポキシ樹脂である場合、脂肪族ポリアミン、芳香族アミン、ポリアミド樹脂、イミダゾール系化合物、メルカプタン系化合物等が挙げられる。
前記シランカップリング剤としては、例えば、ビニル系シラン化合物、エポキシ系シラン化合物、スチリル系シラン化合物、メタクリル系シラン化合物、アクリル系シラン化合物、アミノ系シラン化合物、メルカプト系シラン化合物等が挙げられる。前記樹脂がエポキシ樹脂である場合は、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシ系シラン化合物や、アミノ系シラン化合物が好適に用いられる。
本発明の音響整合層用樹脂組成物は、その製造方法は特に限定されるものではなく、該樹脂組成物の上述した配合成分を配合して混練することにより得ることができる。
前記配合成分を配合する際の添加順序も、特に限定されるものではなく、各配合成分を同時に配合して混練してもよい。また、混練時に割れや潰れを生じるおそれがある前記中空フィラーは、混練によって受ける負荷を考慮して、後から添加するようにすることも好ましい。
前記配合成分の混練は、例えば、ロールミルやニーダー等による混練、回転翼による撹拌、遊星式撹拌混合機等による撹拌等、公知の混練機や撹拌機、混合機等を用いて行うことができる。
また、泡噛みの抑制の観点から、混練時には減圧脱泡を行うことが好ましい。前記樹脂組成物は、減圧脱泡による泡抜けが良好である。
まず、エポキシ樹脂、硬化剤、及びシランカップリング剤として親水性ヒュームドシリカを配合して混練する。次いで、これに、前記チクソ性付与剤として親水性シリカ、及びガラスバルーンを添加して混練し、さらに、減圧下で混練を続けて、脱泡し、樹脂組成物を得る。
このような製造方法によれば、泡噛みが抑制され、ガラスバルーンが浮揚することなく、組成の均一分布性を保持し得る音響整合層用樹脂組成物を好適に得ることができる。
なお、前記脱泡の際の減圧とは、一般的な減圧脱泡機で到達可能な真空度でよく、通常の許容真空度は1Torr(約133Pa)である。
前記樹脂組成物を用いて製造される音響整合層成形品の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、該樹脂組成物が適度なチクソ性を有する状態、すなわち、前記TI値を有する50℃前後で、所定の金型に注型した後、加熱して、硬化させることにより製造することが好ましい。加熱温度は、使用する樹脂の硬化温度に応じて、適宜設定される。
前記音響整合層成形品は、前記樹脂組成物の硬化体から切り出して成形加工する場合は、前記中空フィラーが割れや潰れを生じやすくなることから、予め所望の音響整合層成形品の形状及びサイズに合わせて作製した金型に注型することにより成形することが好ましい。
前記音響整合層成形品が、上記のようなガスセンサ用である場合、該成形品の音速(25℃)は、2200〜3100m/sであることが好ましく、より好ましくは2300〜3000m/s、さらに好ましくは2400〜2900m/sである。また、前記成形品の透過電圧は、高いほど、透過減衰が小さいため好ましく、好ましくは10.0V以上、より好ましくは12.0V以上、さらに好ましくは15.0V以上である。
下記の実施例及び比較例で製造した各樹脂組成物の配合成分の詳細は、以下のとおりである。
<樹脂>
・エポキシ樹脂(1):「jER(登録商標)828」、三菱ケミカル株式会社製、ビスフェノールA型、粘度(25℃、回転数0.3rpm)12Pa・s
・エポキシ樹脂(2):「EPICRON(登録商標)EXA−835LV」、DIC株式会社製、ビスフェノールF型、粘度(25℃、回転数0.3rpm)2.3Pa・s
・エポキシ樹脂(3):エポキシ樹脂(1)80質量%と、エポキシ樹脂(2)20質量%との混合物、粘度(25℃、回転数0.3rpm)8.9Pa・s
<中空フィラー>
・ガラスバルーン:中空ガラスビーズ、「スフェリセル(登録商標)25P45」、ポッターズ・バロティーニ株式会社製、粒径15〜75μm、見掛け密度0.25g/cm3
<チクソ性付与剤>
・親水性シリカ(1):ヒュームドシリカ、「アエロジル(登録商標)200」、BET比表面積 約200m2/g、見掛け密度 2.10g/cm3
・親水性シリカ(2):ヒュームドシリカ、「アエロジル(登録商標)300」、BET比表面積 約300m2/g、見掛け密度 2.10g/cm3
<その他の配合成分>
・硬化剤:エポキシアダクトタイプのイミダゾール系化合物、「ノバキュア(登録商標)HX−3742」、旭化成株式会社製
・シランカップリング剤:3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、「KBM−403」、信越化学工業株式会社製
エポキシ樹脂(1)75質量部、硬化剤22質量部、及びシランカップリング剤3質量部を、遊星式撹拌混合機で5分間混練して、混練物を得た。
この混練物に、チクソ性付与剤として親水性シリカ(1)0.5質量部を添加した後、さらに、中空フィラーとしてガラスバルーン29質量部を添加して混練し、次いで、真空ポンプによる1Torrの減圧下での混練を20分間続けて脱泡し、樹脂組成物を得た。
下記表1の実施例2〜6及び比較例1〜3のそれぞれに示す樹脂組成物の配合成分とし、それ以外は実施例1と同様にして、各樹脂組成物を製造した。
上記実施例及び比較例で得られた各樹脂組成物について、以下の各種測定評価を行った。これらの評価結果を下記表1にまとめて示す。
500mLビーカーに樹脂組成物400mLを入れ、B型粘度計(「TVB−25L」、東機産業株式会社製)を用いて、ロータNo.4にて、下記に示す測定温度及び回転数で、該樹脂組成物の粘度(V0、V1及びV2)を測定した。
・V0:25℃、0.3rpm
・V1:50℃、0.3rpm
・V2:50℃、1.5rpm
表1には、TI値(=V1/V2)も示す。
直径65mm、高さ90mmのプラスチック容器に樹脂組成物200mLを入れ、25℃で1週間放置した。そして、前記プラスチック容器内の樹脂組成物について、上面から深さ10mmまでの範囲内(上部)の約5gを薬さじですくい取り、取り出した樹脂組成物を150℃のオーブン中で30分間硬化させ、室温(25℃)まで冷却後の体積と質量を測定して、上部密度を算出した。また、前記プラスチック容器内の上部及び中央部(上部と下部との間)の樹脂組成物を薬さじで取り除いた後、容器底部から高さ10mmまでの範囲内(下部)にある樹脂組成物約5gを薬さじですくい取り、前記上部密度と同様にして、下部密度を求めた。
表1に、前記上部密度及び前記下部密度を示す。
前記上部密度と前記下部密度との差が小さいほど、該樹脂組成物の均一分散性が良好であると言える。
表1の分散性評価においては、前記上部密度と前記下部密度との差が上部密度の5%以下である場合を「○」、5%を超える場合を「×」として示す。
樹脂組成物を、内径15mm、厚み1mmの円形状の凹部を有する金型に注型し、150℃のオーブン中で30分間硬化させ、音響整合層成形品を製造した。
得られた音響整合層成形品の外観を目視観察して、泡噛みの有無を評価した。表1の泡噛み評価においては、泡噛みが確認されなかった場合を「○」、確認された場合を「×」として示す。
前記泡噛み評価において製造した音響整合層成形品について、パルサーレシーバ(「5073PR」、オリンパス株式会社製)と直接接触型探触子(「V127−RM」、オリンパス株式会社製)を用いて、透過電圧を測定した。
前記透過電圧は、音響整合層の音響特性の一指標であり、数値が大きいほど透過減衰が小さいことを示しており、好ましいと言える。本実施例における評価では、前記透過電圧が10.0V以上であれば、良好な音響特性を有しているものとして判定する。
比較例1及び3は、分散性評価において、中空フィラーが浮遊し、評価結果が不良であり、比較例3については、粘度(V1)及び粘度(V2)の測定、及びこれらの樹脂組成物を用いた成形は行わなかった。
また、比較例2の樹脂組成物は、TI値が大きく、これを用いて成形した場合、泡噛みが見られ、成形性に劣り、得られた音響整合層成形品の音響特性も不良であった。
Claims (6)
- 樹脂、中空フィラー及びチクソ性付与剤を含み、
B型粘度計を用いて、25℃で、ロータNo.4、回転数0.3rpmにて測定した粘度が1130〜4000Pa・sであり、
B型粘度計を用いて、50℃で、ロータNo.4、回転数0.3rpmにて測定した粘度(V1)と、ロータNo.4、回転数1.5rpmにて測定した粘度(V2)との比(V1/V2)で表されるチクソトロピーインデックスが3.0〜5.0である、音響整合層用樹脂組成物。 - 前記樹脂が熱硬化性樹脂であり、前記熱硬化性樹脂は、B型粘度計を用いて、25℃にて、ロータNo.4、回転数0.3rpmで測定した粘度が2〜50Pa・sである、請求項1に記載の音響整合層用樹脂組成物。
- 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、請求項2に記載の音響整合層用樹脂組成物。
- 前記チクソ性付与剤が、BET比表面積が50〜400m2/gの粉末である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
- 前記チクソ性付与剤が親水性シリカ粉末である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
- 前記中空フィラーは粒径1〜100μmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の音響整合層用樹脂組成物。
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