JP6789220B2 - 熱伝導性プラスチック組成物、熱伝導性プラスチックを製造するための押出装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年９月１９日に出願された「熱伝導性プラスチック組成物、熱伝導性プラスチックを製造するための押出装置および方法」という名称の米国特許仮出願第６１／７０２，７８７号の利益を主張する、２０１３年３月１４日に出願された「熱伝導性プラスチック組成物、熱伝導性プラスチックを製造するための押出装置および方法」という名称の米国特許出願第１３／８２９，２２５号の一部継続出願である、２０１４年１２月２４日に出願された「熱伝導性プラスチック組成物、熱伝導性プラスチックを製造するための押出装置および方法」という名称の米国特許出願第１４／５８２，４３７号の優先権を主張し、それらの各々は参照によりその全体が本明細書に援用される。

本発明は、熱伝導性プラスチック組成物、押出機スクリュー構成、および熱可塑性組成物を押出す方法を提供する。本発明は、窒化ホウ素フィラー材料を含む組成物を提供する。熱伝導性プラスチック組成物およびそれらから形成された物品は、面内方向および面貫通方向の両方で優れた熱伝導率を示すことができる。

様々な電子デバイスおよび光電子デバイスの熱管理は、このようなデバイスに直面する深刻な課題のために、ますます注目されている。パーソナル・ハンドヘルド電子機器では、サイズが縮小し、機能性が高まる傾向が続いている。電力密度、ひいては消散する必要のある熱の密度は著しく増加し、それらのデバイスにおいて良好な熱管理を提供することには大きな課題がある。同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）としても知られているオプトエレクトロニクスデバイスでは、電力消費およびルーメン出力がますます増加している。熱管理の問題は、他の用途（例えば、自動車の電子部品、二次電池システム、およびハイブリッド車用の電力インバータなど）でも広く普及している。熱管理が不十分または非効率であると、デバイスの性能および長期信頼性に強く有害な影響を及ぼす可能性がある。

現在、ＬＥＤベースの電球は、旧式の電球を交換するために使用されており、従来の「エジソン」ソケットに適合するように設計されています。ＬＥＤ電球をエジソンソケットに取り付けると、放熱が自然対流によって制限されるため、熱管理上の課題がさらに悪化する。したがって、ＬＥＤ電球は、廃熱を効率的かつ適切に消散させるために、うまく設計されたヒートシンクを必要とする。非効率的な熱管理は、ＬＥＤをより高い動作温度へと導き、これは、ＬＥＤの接合部温度（Ｔ_j）によって示される。接合部温度が１１５℃から１３５℃に上昇すると、（３０％の光出力を失う時間、すなわちＢ７０に達する時間として定義される）ＬＥＤの寿命は、潜在的に８００００時間から２００００時間に減少する可能性がある。

アルミニウムヒートシンクは、他の電子デバイスに使用されるヒートシンクとの類似性に基づいて、ＬＥＤアプリケーションにとって自然な選択である。しかしながら、ＬＥＤ電球のためのアルミニウムヒートシンクの使用は、いくつかの課題を提示する。１つの課題は、ヒートシンクをエジソンソケットから電気的に絶縁することである。金属ヒートシンクとソケットの間の何らかの電気的接続性や漏れは、設置中に非常に危険である可能性がある。ダイカストヒートフィンの形状は難しい可能性があり、高価な二次加工作業を必要とすることがあるため、別の課題は、複雑な形状のヒートシンクを提供することである。アルミニウムのヒートシンクはまた、かなり重い可能性があり、電球の重量、ひいては運搬費を大幅に増加させる可能性がある。最後に、アルミニウムヒートシンクは、滑らかな表面仕上げに塗装し、消費者が望む色を与える仕上げ工程を必要とする。

プラスチックは、ヒートシンク用のアルミニウムの魅力的な代替品となる可能性がある。プラスチックは、電気絶縁性であり、射出成形による複雑なヒートシンク構造により適しており、軽量であり、審美的またはブランド化の要件を満たすように自由に着色することができる。プラスチックはまた、いくつかの部品を統合する可能性を提供し、電球の全体的な組み立てをより簡単にすることができる。しかしながら、プラスチックは、非常に低い熱伝導率を有しており、一般的にわずか約０．２Ｗ／ｍＫであり、これは（約２００Ｗ／ｍＫである）典型的なダイカストアルミニウム合金のものよりもほぼ２桁低い。したがって、プラスチックは、一般的に熱管理の問題に対処するには十分ではない。

独自の複合材料を作るために、プラスチックにはしばしばフィラーが添加される。例えば、プラスチックの機械的特性を改善するために、ガラスファイバーのような強化フィラーが添加される。同様に、黒鉛、カーボンブラックまたは他の炭素の形態（最近では、カーボンナノチューブさえも含まれる）がプラスチックに添加され、導電性プラスチックベースの材料が製造される。黒鉛および金属粉末はまた、熱伝導率を高めるために時には使用されることもあるが、これはまた通常、導電率の上昇を引き起こし、なぜなら、これらの特性は通常は付随しているからである。しかしながら、いくつかのセラミックス材料（例えば、シリカ、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素（六方晶または立方晶の形態））などは、プラスチックによって、それらは良好な熱伝導体かつ電気絶縁体であるので、熱伝導性であるが電気絶縁性である配合を作る機会を提示する。

窒化ホウ素プラスチック複合体が提案されているが、窒化ホウ素／プラスチック複合体にはいくつかの欠点がある。窒化ホウ素は、比較的高価な材料であり、アルミニウム合金と比較して、それが配合されるプラスチック樹脂の５〜４０倍のコストが掛かる可能性がある。性能の観点から、窒化ホウ素／プラスチック複合体の面内熱伝導率は、窒化ホウ素を多く充填した場合（例えば、２５〜６０重量％（１５〜４５体積％）以上）でさえ、わずか約２〜１０Ｗ／ｍＫである。窒化ホウ素はまた、非常に不活性であり、樹脂によって容易に濡れない。これは、フィラーとマトリックスとの間の不完全な界面および大きな熱抵抗をもたらし、複合体の熱伝導率を効果的に低下させ、したがって要求される熱伝導率を達成するために必要なより高いＢＮ充填量をもたらす。フィラーの充填量が増えると、これらの複合体のコストが上昇し、熱管理アプリケーションのコスト競争力が大幅に低下する。フィラーと樹脂との間の不良な界面はまた、複合体の不良な物理的特性をもたらす。したがって、高い熱伝導率および最適な物理的特性を達成するために濡れの問題に対処することが不可欠となる。

しかしながら、熱伝導性プラスチックの熱伝導率はアルミニウム金属ほど高くなくても、ＬＥＤ電球および他の対流制限用途における熱管理用途には十分であることに留意することが重要である。窒化ホウ素／プラスチック複合体の固有の異方性はまた、面貫通方向の熱伝導率がアプリケーションにとって重要であるいくつかの用途において、窒化ホウ素／プラスチック複合体の適用性を制限するかもしれない問題である可能性がある。

一態様では、本発明は、熱伝導性プラスチック組成物を提供する。組成物は、ポリマーマトリックスおよび熱伝導性フィラーを含む。一実施形態では、組成物は、約５Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する。一実施形態では、組成物は、約１Ｗ／ｍＫ以上の面貫通方向熱伝導率を有する。一実施形態では、組成物は、約３．５：１以下の面内熱伝導率対面貫通方向伝導率の比を有する。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは窒化ホウ素である。一実施形態では、窒化ホウ素は、小板状窒化ホウ素、窒化ホウ素の凝集体、またはそれらの組み合わせから選択することができる。別の一実施形態では、優れた熱伝導性を示す組成物を提供するためにフィラーの組み合わせが使用される。さらに別の一実施形態では、組成物は、熱伝導率を高め、熱伝導性フィラーの集中度（濃度）を最小限に抑えることができる機能付与添加剤を含む。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは黒鉛である。一実施形態では、黒鉛は剥離または表面強化されていてもよい。別の一実施形態では、優れた熱伝導性を示す組成物を提供するためにフィラーの組み合わせが使用される。さらに別の一実施形態では、組成物は、熱伝導率を高め、熱伝導性フィラーの集中度を最小限に抑えることができる機能付与添加剤を含む。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせである。

一実施形態では、本発明は、窒化ホウ素、金属酸化物、およびシランの混合物を含むフィラー組成物を提供する。一実施形態では、フィラー組成物は、窒化ホウ素、金属酸化物、シラン、およびガラスファイバーの混合物である。一実施形態では、金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、またはそれらの２以上の組み合わせである。

一態様では、本発明は、窒化ホウ素、金属酸化物、およびシランの混合物を含むフィラー組成物を提供する。

一実施形態では、窒化ホウ素は、フィラー組成物中に約１５重量％〜約７５重量％の量で存在し、金属酸化物は、約５重量％〜約８０重量％の量で存在し、シランは、約０．１重量％〜約６重量％の量で存在する。一実施形態では、窒化ホウ素は、フィラー組成物中に約２５重量％〜約７０重量％の量で存在し、金属酸化物は、約１５重量％〜約７５重量％の量で存在し、シランは、約０．５重量％〜約５重量％の量で存在する。一実施形態では、窒化ホウ素は、フィラー組成物中に約３０重量％〜約７０重量％の量で存在し、金属酸化物は、約２０重量％〜約５０重量％の量で存在し、シランは、約１重量％〜約３．５重量％の量で存在する。

一実施形態では、窒化ホウ素は、窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素凝集体、またはそれらの混合物から選択される。一実施形態では、窒化ホウ素は、０．３ミクロン〜約２００ミクロンの粒径を有する小板を含む。一実施形態では、窒化ホウ素は、約５ミクロン〜約５００ミクロンの平均粒径を有する窒化ホウ素凝集体を含む。一実施形態では、組成物は、ナノチューブまたはナノシートを含むがこれに限定されないナノスケールの窒化ホウ素材料を含むことができる。一実施形態では、金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。

一実施形態では、シランは、アルカリールオキシシラン、ビニルシラン、ハロシラン、メルカプトシラン、チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。一実施形態では、シランは、３−オクタノイルチオ−１−プロピルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。

一実施形態では、フィラー組成物は、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、炭酸カルシウム、タルク、マイカ、ウォラストナイト、粘土、剥離粘土、銀、アルミナ、窒化アルミニウム、金属硫化物（例えば、硫化亜鉛）、黒鉛、アルミニウム、銅、青銅、真鍮またはそれらの２以上の組み合わせの金属粉末またはフレーク、金属、セラミックス、または炭素の形態（例えば、銅、アルミニウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、炭素、黒鉛、またはそれらの２以上の組み合わせ）のファイバーまたはウィスカーから選択される追加のフィラー組成物をさらに含む。一実施形態では、フィラー組成物は、１以上のナノスケールフィラー（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブ、またはそれらの２以上の組み合わせ）をさらに含む。一実施形態では、追加のフィラー成分は、約０．１重量％〜約３０重量％の量で存在する。

一実施形態では、フィラー材料は、鉱物（例えば、タルク、マイカ、炭酸カルシウム、ウォラストナイト、またはそれらの２以上の組み合わせ）を含むことができる。これらの追加のフィラーは、熱伝導性組成物に使用することができる。さらに、これらのフィラーは、プラスチック樹脂にいくらかの補強を与えることもできる。例えば、ウォラストナイトは、より高い引張強さ、および曲げまたは引張り弾性率を達成するためにガラスファイバーの代替物として使用することができ、タルクは、プラスチック配合物の熱変形温度（ＨＤＴ）を改善するために使用することができる。一実施形態では、追加のフィラー成分は、約０．１重量％〜約３０重量％の量で存在する。

一実施形態では、フィラー組成物は、ガラスファイバーまたはガラスフレークを約２重量％〜約２０重量％の量で含む。

一実施形態では、フィラー組成物は、Ｄ６５光源および２°または１０°の観察者により測定されたＬ^*、ａ^*、ｂ^*色空間で、少なくとも８５のＬ^*値、−１．５〜１．５のａ^*値、および−３．０〜３．０のｂ^*値を有する。一実施形態では、フィラーの色は、Ｌ^*が９０より大きく、ａ^*が−１．３〜１．３であり、ｂ^*が−２．５〜２．５であるようなものである。一実施形態では、フィラーの色は、Ｌ^*が９２より大きく、ａ^*が−１．０〜１．０であり、ｂ^*が−２．０〜２．０であるようなものである。

別の一態様では、本発明は、ポリマー材料と、ポリマー材料中に分散された熱伝導性フィラー組成物とを含む熱伝導性組成物を提供し、熱伝導性フィラー組成物は、窒化ホウ素、金属酸化物、およびシランの混合物を含み、熱伝導性組成物は、約２Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率、約０．９Ｗ／ｍＫ以上の面貫通方向熱伝導率、またはそれらの両方を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、３．５Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する。一実施形態では、熱伝導性組成物は、５Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、組成物の総重量の約５８重量％以下の全熱伝導性フィラー濃度を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、組成物の約４０体積％（ｖ／ｖ）以下の全熱伝導性フィラー含有量を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、組成物の約４１重量％以下、組成物の約３７重量％以下、組成物の約３１重量％以下、組成物の約２５重量％以下、さらには組成物の約２３重量％以下の窒化ホウ素濃度を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、全フィラー体積分率が全組成物の約４５体積％以下である。

一実施形態では、熱伝導性組成物の面内熱伝導率は少なくとも１０Ｗ／ｍＫである。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、２０Ｊ／ｍ以上、２５Ｊ／ｍ以上、３０Ｊ／ｍ以上、さらには３５Ｊ／ｍ以上のノッチ付アイゾット衝撃値を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、７０００ｐｓｉ以上、８０００ｐｓｉ以上、さらには９０００ｐｓｉ以上の引張強度値を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、０．８％以上、１．０％以上、さらには１．３％以上の破断時の歪み値を有する。

別の一態様では、本発明は、熱伝導性組成物からの成形品を提供する。さらに別の一態様では、本発明は、熱伝導性組成物から形成された成形品を含む熱管理アセンブリを提供する。

本発明の組成物は、窒化ホウ素などの高価な熱伝導性フィラーの比較的低い充填量であっても、面内方向、面貫通方向、またはその両方に良好な熱伝導率を示すことができる。これにより、大幅に低減されたコストで熱伝導性組成物を製造することが可能になる。本発明の組成物はまた、良好な電気抵抗率および絶縁耐力を示す。一実施形態では、体積抵抗率は、少なくとも１０¹²Ω・ｃｍであり、表面抵抗率は、少なくとも１０¹²Ω／ｓｑである。一実施形態では、絶縁耐力は、少なくとも２５０Ｖ／ミル（１ミル＝０．００１インチ）である。一実施形態では、絶縁耐力は、少なくとも７５０Ｖ／ミルである。

別の一態様では、本発明は、熱伝導性プラスチック組成物を押出す方法を提供する。本発明は、一態様において、窒化ホウ素／プラスチック組成物の製造に関連する問題を克服するシステムおよび方法を提供する。特に、窒化ホウ素は、プラスチックと化合することが困難である可能性があり、プラスチックマトリックス中に良好に分散しないことがある。これは、押出機のフィードスロート内で材料の逆流をもたらし、未分散の窒化ホウ素粉末のスラグによるダイの出口の詰まりをもたらす可能性がある。本発明は、これらの問題を回避することができる押出機スクリュー構成およびその使用方法を提供する。本発明の押出機スクリュー構造は、窒化ホウ素凝集体のプラスチック組成物への加工を可能にすることもできる。従来のスクリューは、典型的には、凝集体を分散または分解させる。本発明の押出機スクリューを使用することにより、窒化ホウ素凝集体をフィラーとして使用し、等方性挙動（すなわち、良好な面内および面貫通方向の導電性）を示すプラスチック組成物を提供することができる。

一実施形態では、本発明は、窒化ホウ素粒子を、シャベル要素を含むスクリューを介して押出機スクリューに導入するステップを含む。一実施形態では、本発明は、ポリマー材料を押出機に導入するステップと、熱伝導性フィラー材料を押出機に導入するステップと、ポリマー材料と熱伝導性フィラー材料を含む溶融混合物を形成するステップとを含み、押出機は、材料を押出機に導入するための入口と、押出機スクリューとを含み、押出機スクリューは、入口の下流に混練要素のセクションと、混練要素の下流に分別混合要素のセクションとを含む熱伝導性組成物を製造する方法を提供する。

一態様では、本発明は、ポリマー材料を押出機に導入するステップと、熱伝導性フィラー材料を押出機に導入するステップと、熱伝導性フィラー材料を押出機に導入するステップと、ポリマー材料と熱伝導性フィラー材料を含む溶融混合物を形成するステップと、押出成形品を形成するために溶融物を押し出すステップとを含み、押出機は、材料を押出機に導入するための入口と押出機スクリューとを含み、押出機スクリューは、入口の下流に位置する混練要素のセクションと、混練要素の下流に、分別混合要素、スクリュー混合要素、タービン混合要素、攪拌要素、またはそれらの２以上の組み合わせのセクションとを含む熱伝導性組成物を製造する方法を提供する。

別の一態様では、本発明は、ポリマー材料と、ポリマー材料中に分散された熱伝導性フィラーとを含む熱伝導性組成物を提供し、組成物は、約２Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率、約０．５Ｗ／ｍＫ以上の面貫通方向の熱伝導率、またはその両方を有する。

一態様では、本発明は、黒鉛とタルクの混合物を含むフィラー組成物を提供する。一実施形態では、黒鉛は、剥離または表面強化される。

一実施形態では、フィラー組成物は、窒化ホウ素をさらに含む。

一実施形態では、フィラー組成物は、シランをさらに含む。一実施形態では、シランは、アルカリールオキシシラン、ビニルシラン、ハロシラン、メルカプトシラン、チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。一実施形態では、シランは、３−オクタノイルチオ−１−プロピルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。別の一実施形態では、シランは、チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの組み合わせから選択される。

一実施形態では、フィラー組成物は、金属酸化物をさらに含む。一実施形態では、金属酸化物は、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。

一実施形態では、フィラー組成物は、窒化ホウ素、金属酸化物、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、アルミナ、窒化アルミニウム、アルミニウム、銅、青銅、真鍮もしくはそれらの２以上の組み合わせの金属粉末もしくはフレーク、炭素、黒鉛、アルミニウム、銅、青銅、真鍮、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化亜鉛もしくはそれらの２以上の組み合わせのファイバーもしくはウィスカー、カーボンナノチューブ、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブ、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される追加のフィラー成分をさらに含む。

本発明の実施形態に係る熱伝導性プラスチック材料を処理するのに適した押出機の概略側面図である。 本発明の一実施形態に係る処理で使用することができる押出機スクリューの一実施形態を示す。 本発明の別の位置実施形態に係る処理で使用することができる押出機スクリューの一実施形態を示す。 本発明の一実施形態に係る処理で使用することができる押出機スクリューの一実施形態を示す。 本発明の実施形態に係る熱伝導性プラスチック材料を処理するのに適した押出機システムの概略上面図である。 プラスチック組成物を処理するための従来の押出機スクリューの概略図である。

図面は、本発明の可能な実施形態の単なる例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の他の態様は、以下の説明を考慮してさらに例示および理解される。

発明の詳細な説明

（熱伝導性プラスチック組成物）
熱伝導性プラスチック組成物は、ポリマーマトリックスと熱伝導性フィラーとを含む。一実施形態では、熱伝導性プラスチック組成物は、ポリマーマトリックスと窒化ホウ素材料とを含む。別の一実施形態では、組成物は、複数の熱伝導性フィラーを含む。さらに別の一実施形態では、機能付与添加剤が熱伝導性フィラーと共に使用される。

（ポリマーマトリックス）
ポリマーマトリックス材料は、特定の目的または意図された用途に望ましいような任意のポリマーまたは樹脂材料を含むことができる。一実施形態では、ポリマー／樹脂材料は、熱可塑性材料とすることができる。別の一実施形態では、ポリマー／樹脂材料は、熱硬化性材料とすることができる。適切なポリマー材料の例としては、ポリカーボネート、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）（Ｃ₈Ｈ₈Ｃ₄Ｈ₆Ｃ₃Ｈ₃Ｎ）、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレンアロイ（ＰＣ−ＡＢＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル、ポリスチレンを含有する変性ポリフェニレンエーテル、液晶ポリマー、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ゴム強化ポリスチレン、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、アクリル樹脂（例えば、アクリル酸およびメタクリル酸のアルキルエステルのポリマーおよびコポリマー）、スチレン−メタクリル酸メチルコポリマー、スチレン−メタクリル酸メチル−ブタジエンコポリマー、ポリメチルメタクリレート、メチルメタクリレート−スチレンコポリマー、ポリ酢酸ビニル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−エチレンコポリマー、塩化ビニル−酢酸ビニルコポリマー、ポリイミド、ポリアミド、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン）、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、塩素化ポリエチレン、エチレンアクリル酸コポリマー、ポリアミド（例えば、ナイロン６、ナイロン６，６など）、フェニレンオキシド樹脂、フェニレンスルフィド樹脂、ポリオキシメチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、塩化ビニリデン／塩化ビニル樹脂、芳香族ビニル樹脂（例えば、ポリスチレン）、ポリ（ビニルナフタレン）、ポリ（ビニルトルエン）、ポリイミド、ポリアリールエーテルエーテルケトン、ポリフタルアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、およびそれらの２以上の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

ポリマーマトリックス材料の選択は、熱伝導性プラスチックが使用される用途の特定の要件に依存する可能性がある。例えば、特性（例えば、耐衝撃性、引張強さ、動作温度、熱変形温度、バリア特性など）はすべて、ポリマーマトリックス材料の選択によって影響を受ける。

いくつかの実施形態では、ポリマーマトリックス材料は、１以上のポリアミド熱可塑性ポリマーマトリックスを含むことができる。ポリアミドポリマーは、主鎖にアミド結合（−ＮＨＣＯ−）を含み、摂氏約３００度未満の温度で熱溶融することができるポリマーである。ポリカプロアミド（ナイロン６）、ポリテトラメチレンアジパミド（ナイロン４６）、ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）、ポリヘキサメチレンセバシンアミド（ナイロン６１０）、ポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６１２）、ポリウンデカメチレンアジパミド（ナイロン１１６）、ポリウンデカンアミド（ナイロン１１）、ポリドデカンアミド（ナイロン１２）、ポリトリメチルヘキサメチレンテレフタルアミド（ナイロンＴＭＨＴ）、ポリヘキサメチレンイソフタルアミド（ナイロン６１）、ポリヘキサメチレンテレフタル／イソフタルアミド（ナイロン６Ｔ／６１）、ポリノナメチレンテレフタルアミド（ナイロン９Ｔ）、ポリビス（４−アミノシクロヘキシル）メタンドデカミド（ナイロンＰＡＣＭ１２）、ポリビス（３−メチル−４−アミノシクロヘキシル）メタンドデカミド（ナイロンジメチルＰＡＣＭ１２）、ポリメタキシリレンアジパミド（ナイロンＭＸＤ６）、ポリウンデカメチレンテレフタルアミド（ナイロン１１Ｔ）、ポリウンデカメチレンヘキサヒドロテレフタラミド（ナイロン１１Ｔ（Ｈ））、およびそれらの共重合ポリアミドおよび混合ポリアミドを含むが、これらに限定されない。これらの中でも、ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン９Ｔ、ナイロンＭＸＤ６、およびそれらの共重合ポリアミドと混合ポリアミドは、入手性、取り扱い性などの点で典型的である。

他の特性（例えば、耐衝撃性、ＵＶ安定性、難燃性など）を改質するために、ベースポリマー樹脂を、熱伝導性フィラーまたはシラン添加剤以外の他のフィラーまたは添加剤で改質または提供することができることが理解される。

本発明の態様および実施形態は、熱可塑性材料を製造するための用途に関して論じられているが、本明細書で論じられ記載される加工方法、熱伝導性フィラー、およびシラン添加剤は、シリコーン、エポキシ、アクリル、フェノール、ノボラックなどを含むが、これらに限定されない熱硬化性樹脂を使用する用途に容易に転換できることが理解される。

（熱伝導性フィラー）
熱伝導性プラスチック組成物は、熱伝導性フィラーを含む。組成物は、複数の熱伝導性フィラーを含むことができることが理解される。一実施形態では、熱伝導性フィラーは、特定の目的または用途のために所望されるように選択することができる。一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素、シリカ、ガラスファイバー、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化イットリウムなど）、炭酸カルシウム、タルク、マイカ、ウォラストナイト、粘土、剥離粘土、アルミナ、窒化アルミニウム、黒鉛、金属粉末（例えば、アルミニウム、銅、青銅、真鍮など）、またはそれらの２以上の組合せから選択される。一実施形態では、熱伝導性フィラーは、低い導電率を有するか、または電気的に絶縁性である。

一実施形態では、熱伝導性プラスチック組成物は、窒化ホウ素を含む。好適な窒化ホウ素材料の例は、窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素凝集体、またはそれらの混合物を含む。窒化ホウ素粒子は、一般的に、小板形態を示す。一実施形態では、窒化ホウ素粒子は、０．３〜約２００ミクロンの粒径および約０．２５〜約１００ｍ²／グラムの表面積を有する小板とすることができる。一実施形態では、小板状窒化ホウ素粒子は、約０．５〜１５０ミクロン、約１〜約１００ミクロン、約１０〜９０ミクロン、約２０〜７５ミクロン、さらには約４０〜６０ミクロンの粒径を有する。別の一実施形態では、熱伝導性プラスチック組成物は、窒化ホウ素凝集体を含む。凝集体は、約５〜約５００ミクロンの平均粒径および約０．２５〜約５０ｍ²／グラムの表面積を有することができる。一実施形態では、小板状窒化ホウ素粒子は、約１０〜４００ミクロン、約２０〜約３００ミクロン、約３０〜２００ミクロン、約４０〜１５０ミクロン、さらには約５０〜１００ミクロンの粒径を有する。粒径は、分析されるべき粒子（例えば、ＢＮ）が必要な透過率を満たすように調整された量で導入されるＨｏｒｉｂａ ＬＡ３００粒度分布分析器を使用して測定することができる。粉末の分散を改善するために、２％Ｒｈｏｄａｐｅｘ ＣＯ−４３６を数滴添加することができ、粒径は、３秒間の超音波処理後にレーザー回折を用いて測定することができる。測定から得られた粒度分布を体積基準でプロットすることができ、Ｄ９０は分布の９０パーセンタイルを表す。

一実施形態では、窒化ホウ素小板状フィラーは、少なくとも２０：１、少なくとも３０：１、少なくとも４０：１、少なくとも５０：１、さらには少なくとも１００：１の（粒子の最大寸法と最小寸法との比として定義される）アスペクト比を有する。別の一実施形態では、窒化ホウ素凝集塊フィラーは、５：１、３：１、またはさらには２：１以下のアスペクト比を有する。適切な窒化ホウ素材料には、Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから入手可能な小板状窒化ホウ素および窒化ホウ素凝集体が含まれる。一実施形態では、窒化ホウ素は、組成物中に添加された熱伝導性フィラーの大部分を含む。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな範囲または非開示範囲を形成することができる。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、黒鉛を含む。一実施形態では、黒鉛は、剥離または表面強化される。黒鉛グレードの表面積は、剥離の程度の指標として使用することができる。非剥離黒鉛粉末は、典型的には、比較的低い表面積を有する。例えば、Ａｓｂｕｒｙ製のＡ９９黒鉛粉末グレードは、剥離されておらず、約８ｍ²／ｇの表面積を有する。対照的に、同じＡｓｂｕｒｙ製のグレード３８０６は、表面強化または剥離されたグレードであり、約２３ｍ²／ｇの表面積を有する。黒鉛の表面積および理論的な結晶密度または真密度（典型的には約２．２０〜２．２５ｇ／ｃｃ）および粒径に基づいて、以下の式を用いて黒鉛フレークのアスペクト比を推定することが可能である。

上記の式において、ρは材料の真密度または理論密度であり、ＳＡは表面積である。これらの特性は、これらの式によって必要とされるように適切な寸法で選択されなければならない。

この計算に使用される粒径は、様々な適切な方法（例えば、レーザー散乱またはレーザー回折、沈降分析、様々な画像法（例えば、光学顕微鏡法、または走査電子顕微鏡法）、または透過電子顕微鏡法）によって測定することができる。これらの方法のいずれかを使用すると、通常、粒径分布が提供され、その平均または中央値は、フレークの平均アスペクト比を計算するために使用することができる。レーザー散乱またはレーザー回折を使用する間、「Ｄ５０」または分布の５０パーセンタイルのサイズを計算に使用することができる。

上に示した分析は、フレークが平滑な小板状であること、および平均粒径が粉末中の典型的な結晶またはフレークの直径を表すことを仮定している。

Ａ９９黒鉛グレードは、２２ミクロンの平均粒径を有し、３８０６グレードは、１９ミクロンの平均粒径を有する。先に引用した表面積および上記のアスペクト比分析に基づいて、これらの２つのグレードのアスペクト比はそれぞれ約２００および５００であると推定することができる。

一実施形態では、黒鉛は、少なくとも２０、少なくとも５０、少なくとも５００、さらには最大５０００のアスペクト比を有する。

一実施形態では、熱伝導性組成物は、黒鉛および窒化ホウ素を含む。

本組成物は、米国特許第７，７２３，４１９号によって要求されるような膨張黒鉛または炭素ファイバー黒鉛などの追加の添加物を添加することなく優れた面貫通方向の組成を示すことができる。一実施形態では、組成物は、本質的に窒化ホウ素フィラーからなることができる。別の一実施形態では、組成物は、膨張黒鉛または他の炭素系フィラーを実質的に含まない。

一実施形態では、フィラー材料は、材料の理論密度の約３５％以下、材料の理論密度の約３３％以下、さらには材料の理論密度の約３０％以下のタップ密度を有する。一実施形態では、フィラー材料は、約０．３ｇ／ｃｃ〜約０．８ｇ／ｃｃ、約０．４ｇ／ｃｃ〜約０．７ｇ／ｃｃ、さらには０．４５ｇ／ｃｃ〜０．７ｇ／ｃｃの範囲の粉末タップ密度を有する窒化ホウ素凝集体を含む。別の一実施形態では、フィラー材料は、０．２ｇ／ｃｃ〜０．７ｇ／ｃｃの粉末タップ密度を有する窒化ホウ素小板を含む。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな範囲または非開示範囲を形成することができる。

一実施形態では、組成物は、熱伝導性フィラー成分として、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、または他の高アスペクト比のファイバー、ロッド、またはフレークの１以上を含む。一実施形態では、ガラスファイバーは、少なくとも２０、少なくとも３０、少なくとも４０、少なくとも５０、さらには少なくとも１００のアスペクト比を有する。一実施形態では、ガラスフレークは、少なくとも４０、少なくとも５０、少なくとも６０のアスペクト比を有する。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな範囲および開示されていない範囲を形成することができる。

（添加剤）
一実施形態では、熱伝導性組成物は、機能付与添加剤（例えば、シラン添加剤など）を含む。一実施形態では、シラン添加剤は、アルカリールオキシシラン、ビニルシラン、ハロシラン（例えばクロロシラン）、メルカプトシラン、ブロック化メルカプトシラン、チオカルボキシレートシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択することができる。一実施形態では、熱伝導性組成物は、約１〜約５重量％のシラン、約１．５〜約４重量％、さらには約２．７〜約３．７重量％のフィラーを含むことができる。

一実施形態では、シランは、Ｙ−Ｒ¹−Ｓｉ（Ｒ²）_n（Ｒ³）_3-nによって表すことができ、Ｙは、Ｒ⁴Ｒ⁵Ｎ−、Ｒ⁷Ｒ⁸Ｎ−Ｒ⁶−ＮＲ⁴−、またはＲ¹¹Ｒ¹⁰Ｎ−Ｒ⁹−Ｒ⁷Ｎ−Ｒ⁶−ＮＲ⁴−、またはＹとＲ¹（Ｙ−Ｒ¹）が一緒になって、ビニル基、アルキル基、フェニル基、３，４−エポキシシクロヘキシル基、ハロゲン原子、メルカプト基、イソシアネート基、チオカルボキシレート基、置換基を有していてもよいグリシジル基、グリシドキシ基、置換基を有していてもよいビニル基、メタクリルオキシ基（ＣＨ₂＝Ｃ（ＣＨ₃）ＣＯＯ−）、アクリルオキシ基（ＣＨ₂＝ＣＨＣＯＯ−）、ウレイド基（ＮＨ₂ＣＯＮＨ−）、置換基を有していてもよいメタクリル基、置換基を有していてもよいエポキシ基、置換基を有していてもよいハロゲン化ホスホニウム基、置換基を有していてもよいハロゲン化アンモニウム基、または置換基を有していてもよいアクリル基を示し、Ｒ⁴、Ｒ⁵、Ｒ⁷、Ｒ⁸、Ｒ¹⁰、およびＲ¹¹は、独立して水素原子又はＣ_1-6アルキル基を表し、Ｒ⁶およびＲ⁹は、独立してＣ_2-6アルキレン基を表し、Ｒ¹は、単結合、アルキレン基、またはフェニレン基であり、またはＲ¹とＹ（Ｙ−Ｒ¹）が一緒になって、ビニル基を表し、それぞれのＲ²は、独立してアルキル基またはフェニル基を表し、それぞれのＲ³は、独立して水酸基またはアルコキシ基を表し、ｎは、０〜２の整数である。

好適なビニルシランは、式Ｒ¹²ＳｉＲ¹³ _nＹ_(3-n)を有するものを含み、ここで、Ｒ¹²は、エチレン性不飽和ヒドロカルビル、ヒドロカルビルオキシ、または（メタ）アクリルオキシヒドロカルビル基であり、Ｒ¹³は、脂肪族飽和ヒドロカルビル基であり、Ｙは、独立して加水分解性有機基であり、ｎは、０、１、または２である。一実施形態では、Ｙは、メトキシ、エトキシ、プロポキシおよびブトキシなどの１〜６個の炭素原子を有するアルキルのアルコキシ基である。一実施形態では、Ｒ¹²は、ビニル、アリル、イソプレニル、ブテニル、シクロヘキシル、またはγ−（メタ）アクリルオキシプロピルから選択することができ、Ｙは、メトキシ、エトキシ、ホルミルオキシ、アセトキシ、プロピオニルオキシ、またはアルキルアミノまたはアリールアミノ基から選択することができ、Ｒ¹³は、存在する場合、メチル、エチル、プロピル、デシル、またはフェニル基から選択することができる。

一実施形態では、シランは、式ＣＨ₂＝ＣＨＳｉ（ＯＡ）₃（２）の化合物であり、Ａは、１〜８個の炭素原子を有するヒドロカルビル基であり、一実施形態では、１〜４個の炭素原子を有するヒドロカルビル基である。

一実施形態では、シランは、オクタノイルチオ−１−プロピルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される。好適なシランの例には、Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから入手可能であり、ＮＸＴの商品名で販売されていなものが含まれるが、これらに限定されない。ＮＸＴは、チオカルボキシレートシランであり、ブロック化メルカプトシランのより広いクラスの一例である。好適なシランには、米国特許第６，６０８，１２５号、第７，０７８，５５１号、第７，０７４，８７６号、および第７，３０１，０４２号に記載されるものもまた含まれる。

シラン添加剤は、組成物の加工の任意の時点で添加することができる。一実施形態では、シラン添加剤は、押出プロセスの任意の時点で押出プロセス中に現場で添加することができる。別の一実施形態では、シランは、押出機または他の処理装置に導入する前にフィラーまたはフィラー組成物に添加される。

シランに加えて、フィラーと樹脂マトリックスとの間の界面を改善するために、様々な他の種類の機能付与添加剤を添加することができる。機能付与添加剤の他の例には、チタン酸塩およびジルコン酸塩（ＫｅｎｒｉｃｈによるＫｅｎ反応）、アルミン酸塩、過分散剤（ＬｕｂｒｉｚｏｌによるＳｏｌｓｐｅｒｓｅ）、マレイン化オリゴマー（例えば、マレイン化ポリブタジエン樹脂、またはスチレン無水マレイン酸コポリマー（Ｃｒａｙ Ｖａｌｌｅｙ））、脂肪酸またはワックスおよびそれらの誘導体、およびイオン性または非イオン性界面活性剤が含まれる。これらの機能付与添加剤は、フィラーの１重量％〜約１５重量％、または約３〜１２重量％、さらにはフィラーの約５〜１０重量％で使用することができる。

一実施形態では、フィラー材料（例えば、窒化ホウ素および金属酸化物）およびシラン添加剤は、樹脂組成物に配合するとき、別々の成分として添加することができる。熱伝導性組成物に含めることができる各成分の量は、本明細書においてさらに記載される。

（フィラー組成物）
他の実施形態では、フィラー成分は、それぞれのフィラー成分の１以上を含むフィラー組成物の一部として添加することができる。一態様では、フィラーは、窒化ホウ素、シラン、および任意選択で１以上の他のフィラー材料の混合物として提供される。

一実施形態では、フィラーは、窒化ホウ素材料およびシランの混合物として提供される。窒化ホウ素およびシランは、上記のもののいずれかとすることができる。窒化ホウ素は、シランを窒化ホウ素材料と混合することによってシランで処理することができる。シランの濃度は、窒化ホウ素の約０．１重量％〜約６重量％、約０．５重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、さらには約２重量％〜約３重量％とすることができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素、金属酸化物、シラン添加剤、および任意選択で他のフィラーの混合物または複合体として提供される。一実施形態では、熱伝導性フィラー組成物は、約２０重量％〜約７０重量％の量の窒化ホウ素と、約５重量％〜約７５重量％の量の金属酸化物と、約０．１重量％〜約６重量％の量のシラン添加剤とを含む。一実施形態では、熱伝導性フィラー組成物は、約５重量％〜約６０重量％の量の窒化ホウ素と、約１５重量％〜約６０重量％の量の金属酸化物と、約０．５重量％〜約５重量％の量のシラン添加剤とを含む混合組成を含む。一実施形態では、熱伝導性フィラー組成物は、約３０重量％〜約５０重量％の量の窒化ホウ素と、約２０重量％〜約５０重量％の量の金属酸化物と、約１重量％〜約３．５重量％の量のシラン添加剤とを含む混合組成を含む。一実施形態では、熱伝導性フィラー組成物は、約３５重量％〜約４５重量％の量の窒化ホウ素と、約３０重量％〜約４０重量％の量の金属酸化物と、約１．５重量％〜約２．５重量％の量のシラン添加剤とを含む混合組成を含む。さらに別の一実施形態では、熱伝導性フィラーは、約５重量％〜約４０重量％の量の窒化ホウ素と、約５重量％〜約５０重量％の量の金属酸化物と、約１重量％〜約４重量％の量のシラン添加剤とを含む混合組成を含む。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな範囲および開示されていない範囲を形成することができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素とタルクの混合物として提供される。別の一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素、タルク、およびシランの混合物として提供される。窒化ホウ素、タルク、およびシランは、本明細書に記載されているもののいずれかとすることができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、黒鉛とタルクの混合物として提供される。別の一実施形態では、熱伝導性フィラーは、黒鉛、タルク、およびシランの混合物として提供される。一実施形態では、フィラー材料は、黒鉛粉末をさらに含むことができる。黒鉛粉末は、天然黒鉛フレークまたは合成黒鉛のいずれかとすることができる。黒鉛フレークはまた、任意選択で剥離または表面強化させることが可能である。黒鉛、タルク、およびシランは、本明細書に記載されているもののいずれかとすることができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、窒化ホウ素と黒鉛の混合物として提供される。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、（ａ）窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせと、（ｂ）タルク、マイカ、炭酸カルシウム、ウォラストナイト、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される鉱物との混合物として提供される。一実施形態では、熱伝導性フィラーは、（ｃ）シランをさらに含む。窒化ホウ素、黒鉛、鉱物、およびシランは、本明細書に記載されているもののいずれかとすることができる。

一実施形態では、タルクは、少なくとも２０のアスペクト比を有することができる。選択されるタルクグレードは、マイクロ結晶グレードまたはマクロ結晶グレードのいずれかとすることができる。製造業者によって特徴づけられるように、Ｍｉｓｔｒｏｎ ４００Ｃはマイクロ結晶グレードであり、一方、Ｌｕｚｅｎａｃグレードはマクロ結晶グレードである。マイクロ結晶タルクグレードは、製造業者によって推定されるように、より低いアスペクト比（典型的には、約１０〜２０）を有する。Ｌｕｚｅｎａｃ ８２３０は、約２５のアスペクト比を有すると推定され、Ｌｕｚｅｎａｃ ＨＡＲ Ｔ８４は、約１５０のアスペクト比を有すると推定される。

一実施形態では、窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせは、最大４０重量％、最大約５０重量％、最大約６０重量％、最大約７０重量％、最大約８０重量％、最大約８５重量％、最大約９０重量％、最大約９５重量％、最大約９８重量％、さらには最大約９９重量％の量で提供することができる。一実施形態では、窒化ホウ素または黒鉛は、約５重量％〜約４０重量％、約５重量％〜約５０重量％、約５重量％〜約６０重量％、約５重量％〜約７０重量％、約５重量％〜約８０重量％、約５重量％〜約８５重量％、約５重量％〜約９０重量％、約５重量％〜約９５重量％、または約５重量％〜約９５重量％の量で提供することができる。

一実施形態では、タルクは、最大約６０重量％、最大約７０重量％、最大約８０重量％、最大約８５重量％、最大約９０重量％、さらには最大約９５重量％の量で提供することができる。一実施形態では、タルクは、約５重量％〜約６０重量％、約５重量％〜約６５重量％、約５重量％〜約７０重量％、約５重量％〜約７５重量％、約５重量％〜約８０重量％、約５重量％〜約８５重量％、約５重量％〜約９０重量％、約５重量％〜約９５重量％の量で提供することができる。

一実施形態では、シランを窒化ホウ素材料と混合することによって、窒化ホウ素をシランで処理することができる。シランの濃度は、窒化ホウ素の約０．１重量％〜約６重量％、約０．５重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、さらには約２重量％〜約３重量％とすることができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、ウォラストナイトをさらに含む。一実施形態では、ウォラストナイトは、最大約３０重量％または約６０重量％の量で提供することができる。一実施形態では、ウォラストナイトは、約０〜約６０重量％、約０．１重量％〜約６０重量％、約１重量％〜約６０重量％、約２重量％〜約６０重量％、および約５重量％〜約６０重量％の量で提供することができる。一実施形態では、ウォラストナイトは、約０〜約３０重量％、約０．１重量％〜約３０重量％、約１重量％〜約３０重量％、約２重量％〜約３０重量％、および約５重量％〜約３０重量％の量で提供することができる。

一実施形態では、熱伝導性フィラーは、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、粘土、剥離粘土、アルミナ、窒化アルミニウム、アルミニウム、銅、青銅、真鍮もしくはそれらの２以上の組み合わせの金属粉末もしくはフレーク、炭素、黒鉛、アルミニウム、銅、青銅、真鍮、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化亜鉛もしくはそれらの２以上の組み合わせのファイバーもしくはウィスカー、カーボンナノチューブ、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブ、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される追加のフィラー成分をさらに含む。

一実施形態では、追加のフィラー成分は、最大約３０重量％または約６０重量％の量で提供することができる。一実施形態では、ウォラストナイトは、約０〜約６０重量％、約０．１重量％〜約６０重量％、約１重量％〜約６０重量％、約２重量％〜約６０重量％、および約５重量％〜約６０重量％の量で提供することができる。一実施形態では、ウォラストナイトは、約０〜約３０重量％、約０．１重量％〜約３０重量％、約１重量％〜約３０重量％、約２重量％〜約３０重量％、および約５重量％〜約３０重量％の量で提供することができる。

混合フィラー組成物は、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、または他の高アスペクト比のファイバー、ロッド、またはフレーク、炭酸カルシウム、酸化亜鉛、酸化イットリウム、マグネシア、チタニア、炭酸カルシウム、タルク、マイカ、ウォラストナイト、アルミナ、窒化アルミニウム、黒鉛、金属粉末（例えば、アルミニウム、銅、青銅、真鍮など）、炭素、黒鉛、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化亜鉛のファイバーまたはウィスカー、ナノスケールのファイバー（例えば、カーボンナノチューブ）、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブなど、またはそれらの２以上の組み合わせを含むことができるが、それらに限定されない。追加のフィラー成分は、約０〜約３０重量％、約０．１重量％〜約３０重量％、約１重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約２０重量％、さらには約１０〜約１５重量％の量で混合フィラー中に存在することができる。

一実施形態では、混合フィラー組成物は、窒化ホウ素、金属酸化物、シラン添加剤、およびガラスファイバーまたはガラスフレークを含む。本明細書中で使用される場合、「ガラスファイバー」はまた、ガラスフレークを指し、ガラスフレークを包含する。

複合または混合フィラー組成物は、フィラー組成物中の種々の成分を混合するために任意の適切な方法によって調製することができる。一実施形態では、窒化ホウ素、金属酸化物、および任意選択で追加のフィラーをブレンダーで一緒に混合し、シラン添加剤をブレンダーに導入する。複合または混合フィラー組成物は、構成材料の実質的に均一な調合物または混合物とすることができる。例えば、これらの混合物は、ブレンダーに液体を導入するための設備を備えたｖ−ブレンダーで行うことができる。種々のフィラーを最適に混合するために、様々なタイプの増強バーをｖ−ブレンダーのために選択することができる。ブレンダーは、窒化ホウ素凝集体、セラミックス、またはガラスファイバーなどの壊れ易いフィラーの完全性を保つために、混合サイクルの全部または一部のために操作される増強バーなしで単純なタンブラーとして操作することができる。他の適切な例は、リボンブレンダー、パドルブレンダー、タンブラーなどが可能である。

窒化ホウ素とシラン（およびオプションの他のフィラー材料（例えば、金属酸化物））の混合物を樹脂組成物に導入する前に処理してシランをフィラーに共有結合させることができる。これは、窒化ホウ素とシランとの混合物を、シランを加水分解する条件に付すことによって達成し、加水分解したシランをフィラー表面と反応可能とすることができる。一実施形態では、混合フィラーの処理は、材料を湿気および熱に曝すことによって実施することができる。いかなる特定の理論にも縛られるものではないが、窒化ホウ素とシランとの混合物を含むフィラーを熱処理することにより、フィラー上にシランが凝縮し、化学的に反応し、フィラー表面にシランを結合させることができる。本発明者らは、混合フィラー組成物を樹脂組成物に使用する前に熱処理することにより、組成物の熱伝導率を改善できることを見出した。混合フィラーは、シランをフィラー材料に結合することができる樹脂組成物の処理中に温度に曝すことができるが、フィラー材料に結合されないシラン材料は、高い処理温度で潜在的に蒸発する可能性がある。

一実施形態では、窒化ホウ素とシランとの混合物は、対流オーブン内で、５０℃で７２時間加熱することによって処理することができる。別の一実施形態では、窒化ホウ素、金属酸化物、およびオプションのガラスファイバーおよびシランを含むフィラー混合物を６０℃で４時間熱処理することができる。一実施形態では、熱処理は８０℃で２時間である。一実施形態では、熱処理は、制御された水分条件下で実施される。一実施形態では、熱処理は、５０℃および５０％の相対湿度で２４時間行われる。

フィラー組成物は、特定の目的または意図される用途のために所望されるような色を有することができる。一実施形態では、フィラー組成物は外観が白色である。本明細書中で使用される場合、フィラー組成物は、Ｌ^*、ａ^*、ｂ^*空間でＤ６５光源および２°または１０°の観察者により測定され、Ｌ^*は９０よりも大きく、ａ^*は−１．３〜１．３であり、ｂ^*は−２．５〜２．５である色を有する場合、「白色」であると考えられる。一実施形態では、フィラーの色は、Ｌ^*が９２より大きく、ａ^*が−１．０〜１．０であり、ｂ^*が−２．０〜２．０であるようなものである。他の色が、最終樹脂製品の用途に応じて提供されてもよい。一実施形態では、フィラー組成物は、少なくとも８５のＬ^*値、−１．５〜１．５のａ^*値、および−３．０〜３．０のｂ^*値を有する。色は、任意の適切な方法によって測定することができる。一実施形態では、ミノルタ分光光度計モデルＣＭ２００２を用いて色を測定する。粉末を、ソースおよび検出器を覆うのに十分な大きさの清浄な石英ビーカーに入れ、測定のために装置の上に置く。装置は標準のＤ６５光源を使用し、測定は２°または１０°の観察者で行われる。

（熱伝導性樹脂組成物）
熱伝導性プラスチック組成物は、ポリマーマトリックスの約２０〜約８０重量％、ポリマーマトリックスの約３０〜約７０重量％、ポリマーマトリックスの約３５〜約６５重量％、さらにはポリマーマトリックスの約４２〜約５８重量％、および熱伝導性フィラーの約２０〜約８０重量％、熱伝導性フィラーの約２５〜約６５重量％、熱伝導性フィラーの約３０〜約５８重量％、さらには熱伝導性フィラーの約３５〜約５５重量％を含むことができる。一実施形態では、熱伝導性フィラー材料の全濃度は、約６０重量％以下、約５５重量％以下、さらには約５０重量％以下である。組成物中のポリマーマトリックスの体積％（ｖ／ｖ）は、２０％〜約９０％、３０％〜約８０％、４０％〜約７０％、さらには３５％〜約６５％の範囲とすることができ、熱伝導性フィラーの体積は、１０％〜約８０％、１５％〜約６５％、２０％〜約５０％、さらには２５％〜約４５％の範囲とすることができる。面貫通方向熱伝導率は、組成に基づく理論的比熱容量（Ｃｐ）値を利用してレーザーフラッシュ法（ＡＳＴＭ Ｅ１４６１）を用いて成形ゲートから離れたＡＳＴＭ標準ドッグボーンのタブ部分の中央で測定される。面内熱伝導率は、ドッグボーンサンプルの平面内の熱伝導率を流れの方向または流れの方向に対して垂直のいずれかに測定できるようにラミネートサンプルを構成する面貫通方向の測定法と同じ場所からラミネートサンプルを構成することによって測定される。引張り特性は、Ｉｎｓｔｒｏｎ ＵＴＭで、衝撃強さは、ＴＭＩ Ｉｍｐａｃｔ Ｔｅｓｔｅｒで、それぞれＡＳＴＭ規格Ｄ６３８およびＤ２５６にしたがって測定される。実験室規模の実験のために、配合はＢｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉｃｏｒｄｅｒバッチミキサーで行う。配合されたサンプルを０．４ｍｍ未満に圧縮成形し、特別なサンプルホルダーと面内マスクを使用した修正レーザーフラッシュ法（Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて面内熱伝導率を測定する。所与の組成物について、面内熱伝導率を測定する両方の方法は、同等の結果をもたらす。

一実施形態では、組成物は、約２０重量％〜約６０重量％、約２５重量％〜約５０重量％、さらには約３０重量％〜約４２重量％の量の窒化ホウ素を含む。一実施形態では、熱伝導性組成物は、約３０〜約４０重量％の窒化ホウ素を含む。一実施形態では、窒化ホウ素フィラーは、窒化ホウ素凝集体を含む。一実施形態では、窒化ホウ素フィラーは、窒化ホウ素小板を含む。一実施形態では、組成物は、２６．２重量％の小板状ＢＮ、１３．４重量％の酸化亜鉛、および１５．４重量％のガラスファイバーを含み、残りは樹脂である。一実施形態では、組成物は、２０重量％のＢＮおよび３０重量％のガラスファイバーを含む。一実施形態では、組成物は、２４重量％のＢＮおよび３０重量％のガラスファイバーを含む。一実施形態では、組成物は、３５重量％のＢＮおよび２０重量％のガラスファイバーを含む。一実施形態では、組成物は、３１．２重量％のＢＮ、１９．４重量％のＺｎＯ、および２．３重量％のＧＦを含む。一実施形態では、組成物は２０重量％のＢＮおよび５０重量％のＺｎＯを含む。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな範囲および開示されていない範囲を形成することができる。

一実施形態では、熱伝導性プラスチック組成物は、窒化ホウ素、金属酸化物（例えば、酸化亜鉛など）、シラン、酸化マグネシウム、および任意選択でガラスファイバーまたはガラスフレークを熱伝導性フィラーとして含む。一実施形態では、組成物は、約３０〜約４０重量％の窒化ホウ素と、約５〜約２０重量％の金属酸化物である酸化亜鉛と、約０．１重量％〜約５重量％のシランと、０〜約１０重量％のガラスファイバーまたはガラスフレークとを含む。熱伝導性プラスチック組成物中のフィラー成分（例えば、窒化ホウ素、金属酸化物、シラン、ガラスファイバーなど）の量は、フィラー成分が個々に添加されるか、または混合フィラー成分の一部として添加されるかにかかわらず、最終プラスチック成分の量を指す。

熱伝導性組成物は、優れた熱伝導性を示すことができる。一実施形態では、熱伝導性組成物は、約２Ｗ／ｍＫ以上、約３．５Ｗ／ｍＫ以上、約５Ｗ／ｍＫ以上、さらには約１０Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する。一実施形態では、熱伝導性組成物は、窒化ホウ素凝集体を含み、約０．８Ｗ／ｍＫ以上、約０．９Ｗ／ｍＫ以上、約１．０Ｗ／ｍＫ以上、１．３Ｗ／ｍＫ以上、さらには約１．５Ｗ／ｍＫ以上の面貫通方向熱伝導率を有する。一実施形態では、熱伝導性組成物は、約３．５：１以下、約３．２５：１以下、約３：１以下、さらには約２．５：１以下の面内熱伝導率の面貫通方向熱伝導率に対する比を有する。

組成物の密度は、特定の目的または意図された使用に対して所望されるように調節することができる。一実施形態では、組成物は、約１．７ｇ／ｃｍ³以下の密度を有する。

（押出機スクリューおよび熱伝導性プラスチックの押出方法）
このような組成物から形成された熱伝導性組成物および物品は、例えば、押出配合プロセスなどの調合、混合、および配合技術を用いて製造することができる。プラスチック材料の押出配合は、一般的に、押出機スクリューを用いてポリマー組成物を混合し、材料をダイに向けて搬送する。スクリューは、単軸スクリューまたは二軸スクリューを含むことができるが、これに限定されない。二軸スクリューは、共回転二軸スクリュー、逆回転二軸スクリュー、共回転噛み合い二軸スクリューなどを含むことができる。一実施形態では、押出配合プロセスは、二軸スクリュー配合押出機を使用することができる。

図１は、本発明の態様に係る使用に適した押出機システム１００の概略図である。押出機１００は、ポリマー材料およびフィラーが溶融物内に導入され、配合され、または混合され、搬送されるキャビティ１１２を画定するハウジング１１０を含む。押出機は、入口ポートまたはフィードスロート１２２の上方に配置されたホッパー１２０を含む。ポリマー材料は、一般的に、ホッパー１２０を介して押出機に導入される。本明細書でさらに詳しく説明されるように、窒化ホウ素を含むフィラー材料は、ホッパー１２０を介して押出機に導入することができる。押出機は、ポリマー材料を搬送して混合するためのスクリュー１３０を含む。スクリューの態様については、本明細書でさらに詳細に説明する。押出機は、処理中に押出機キャビティ内に蓄積する圧力を解放するための、または材料を金型またはストランドダイまたはプロファイルのようなモールドまたはダイに材料を導入する前にシステムを再加圧するための大気通気口１４０および真空通気口１５０などの通気口を含む他の構成要素を含むことができる。押出機は、ホッパー１２０の下流の位置で押出機に材料を導入するために、所望の他の入口ポートまたは側部フィーダーを含むこともできる。スクリューは、押出機を通してポリマー材料を出口ポート１６０に運び、そこでポリマー材料は押出機から出て、所望の形状のプラスチック物品を形成するために金型キャビティ１７０に挿入される。一実施形態では、配合されたプラスチック材料は、ストランドダイを通って押出機を出て、例えば、約１ｍｍ〜約５ｍｍの直径の連続ストランドを作り、次いでこれをペレタイザーに供給してペレットを作る。射出成形または圧縮成形などの二次的な操作において、ペレットはその後、最終的な所望の形状に成形することができる。

単に搬送要素と混練要素を含む従来の一般的なスクリュー構成を使用して窒化ホウ素をプラスチック組成物に配合すると、窒化ホウ素フィラーのポリマーマトリックスへの不十分な分散、フィードスロートでの材料の渋滞、特にフィラーの充填量が多い場合には、ダイ出口の閉塞が生じることが見出された。

一実施形態では、窒化ホウ素を含む熱伝導性プラスチック組成物を配合するためのスクリュー構成は、窒化ホウ素粒子が押出機に導入される位置にショベル要素を含む。一実施形態では、窒化ホウ素フィラーは、ポリマー材料を用いて押出機に導入することができ、押出機スクリューは、入口に隣接してまたは入口近くに（例えば、図１の押出機のホッパー１２０およびフィードスロート１２２の近傍に）ショベル要素を含むように構成される。一実施形態では、押出機は、主押出機本体に材料を搬送するための側部フィーダーに別個のスクリューを備えた側部フィーダーを含むことができる。一実施形態では、側部フィーダースクリューは、窒化ホウ素材料を主押出機内のポリマー混合物内に搬送するためのシャベル要素を含む。別の一実施形態では、スクリュー構成は、フィラー材料のポリマー混合物への分散を促進するために、一対の分別ローブ混合要素（ＦＭＥ）、攪拌要素、スクリュー混合要素、タービン混合要素、またはそれらの２以上の組み合わせをさらに含む。一実施形態では、スクリューは、１以上の対の順方向および逆方向ＦＭＥを含む。別の一実施形態では、スクリューは攪拌要素を含む。適切なスクリュー要素は、Ｓｔｅｅｒ Ａｍｅｒｉｃａから入手可能である。

図２は、窒化ホウ素フィラーを含む熱伝導性プラスチック組成物を配合する際に使用するスクリュー構成の一実施形態を示す。図２において、窒化ホウ素フィラーは、入口１２２を通って押出機に導入される。スクリュー２００は、入口１２２またはその付近の位置にショベル要素２１０を含み、ショベル要素部分は入口の下流に延びる。スクリューは、材料を押出機に沿って搬送するために、シャベル要素の下流に搬送要素２１２のセクションを含む。プラスチック材料を溶融混練するために混練要素２１４のセクションが設けられている。スクリューは、分別ローブ混合要素２１６のセクションをさらに含む。図２に示されるように、分別ローブ混合要素２１６は、順方向分別混合要素を有するセクション２１６ａと、逆方向分別混合要素を含むセクション２１６ｂとを含む。混練要素２１４はプラスチックを溶融するのに適しているが、混練セクションはポリマー溶融物全体にわたってフィラーを十分に分散させることができない。分別混合要素２１６は、ポリマー溶融物中の窒化ホウ素粒子の分散を助けるのに役立つことが見出された。図２のスクリューは、ＦＭＥ２１６に隣接する中立混練ブロック２１８のセクションをさらに含む。中立混練ブロックは、分散をさらに促進させることができ、材料の良好な分散を保証するためにＦＭＥブロックにおける溶融物の滞留時間を増加させることができる。

一実施形態では、スクリューの混練要素セクションは、スクリュー要素の長さの約１０％〜約２０％、スクリューの長さの約１２％〜約１８％、さらにはスクリューの長さの約１３％〜約１６％とすることができる。

図３〜図５は、熱伝導性プラスチック組成物を処理する際に使用するための押出機システムの他の実施形態を示す。図３に示されるように、システムはスクリュー構成３００を含む。システムおよびスクリュー構成は、ポリマー材料が押出機に導入される場所から離れて、その場所の下流にフィラー材料が導入される、材料を製造する方法に適している。図３に示されるように、スクリュー３００は、入口１２２の下流に位置する混練要素３１２のセクションと、混練要素の下流に位置する分別混合要素３１６のセクションとを含む。分別混合要素セクションは、順方向分別混合要素を有するセクション３１６ａと、逆方向分別混合要素のセクション３１６ｂとを含む。スクリュー３００は、分別混合要素３１６に隣接しかつ下流にあるスクリュー混合要素３１８およびタービン混合要素３２０を含む。押出装置システムは、熱伝導フィラーを押出機に導入するための側部フィーダー１８０（図５）を備える。

図４は、本発明の態様で使用するためのスクリュー構成の別の実施形態を示している。スクリュー３５０は、搬送要素３５２、３５６、３５８、および混練要素３５６を含む。図４のスクリューは、図３のスクリュー３００に含まれる分別混合要素の代わりに攪拌要素３６０を含む。窒化ホウ素凝集体を分解することなく、ポリマーマトリックス内にフィラー材料の良好な分散を可能にするために、攪拌要素がフィラー材料とポリマー材料との良好な混合を提供することができることを出願人らは見出した。スクリュー３５０は、スクリュー混合要素３６２およびタービン要素３６４をさらに含む。

適切なスクリューは、図２〜図４の実施形態に限定されず、様々なスクリュー要素を切り換えることができることが理解される。例えば、一実施形態では、図２と同様のスクリューを設けてもよいが、分別混合要素を攪拌要素で置き換えることができる。さらに、これらの構成で使用されるショベル要素は、単一ローブを有してもよく、または２つのロープであってもよい。ＦＭＥは、要素のピークせん断を最小限に抑え、要素全体にわたって比較的均一なせん断力を提供する他の同等の要素で置き換えることができる。ＦＭＥは４つのローブを有することができるが、場合により３つのローブまたは５つ以上のローブを有することが可能である。凝集体の破壊が懸念されない小板状窒化ホウ素グレードを処理する間、ＦＭＥの上流または下流に分別混錬ブロック（ＦＫＢ：Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ Ｋｎｅａｄｉｎｇ Ｂｌｏｃｋ）を加えることにより、分散をさらに改善することができる。複数のＦＭＥ、またはＦＭＥ、ＳＭＥ、およびＴＭＥの複数のセットを追加することによって、分散を改善することもできる。

図５に示されるように、側部フィーダーは、ホッパー１２０および入口１２２の下流および混練要素３１２の下流に配置される。側部フィーダーは、材料を押出機ハウジング１１２内に導入するためのフィーダーポート１８４を含む。側部フィーダーは、フィーダーポート１８４を介して押出機にフィーダー材料を搬送するためのスクリュー要素１８２を含むことができる。側部フィーダースクリュー１８２は、熱伝導性フィラー材料を主押出機本体内に搬送するためのシャベル要素を含む。（以下の図５の１８０および１８２をめくることはできますか？）

一実施形態では、窒化ホウ素凝集体を含む組成物を処理するために、図３〜図５に示されたものなどの押出機システムが使用される。ポリマーを溶融混練するために使用される混練要素に窒化ホウ素凝集体をかけると、凝集体が破壊され、これらの材料の等方性挙動が低下または破壊される可能性があることが見出された。特定の用途では、成形品が面内方向および面貫通方向の両方において良好な熱伝導率を示すことが望ましい場合がある。図３および４の押出機システムは、混練要素の作用を介してポリマー溶融物の形成を可能にする。そのため、混練セクション内で溶融物を形成するのに必要な力を受けることなく、窒化ホウ素凝集体をポリマー溶融物中に導入し、分散することができる。これにより、窒化ホウ素凝集体を凝集体として維持して、良好な面内及び面貫通方向熱伝導率を有する組成物を提供することができる。

押出機スクリューの速度は、特定の目的または意図された用途のために所望されるように選択することができる。スクリュー速度は、材料が押出機を通って搬送される速度、プラスチックおよびフィラーによって目にされるせん断速度およびせん断応力の程度を制御するために使用することができ、材料の混合に影響を与える可能性がある。本発明の態様および実施形態に係るスクリュー構成を使用して窒化ホウ素凝集体を処理することによって、高いスクリュー速度でも高い面貫通方向熱伝導率を有するプラスチック組成物を得ることができることが見出された。ある実施形態では、４０ｍｍ二軸スクリュー押出機のスクリュー速度は約１００ＲＰＭ〜約１０００ＲＰＭ、約１５０ＲＰＭ〜約８００ＲＰＭ、約２００ＲＰＭ〜約６００ＲＰＭ、さらには約３００ＲＰＭ〜約５００ＲＰＭとすることができる。一実施形態では、スクリュー速度は、約１００ＲＰＭ〜約５００ＲＰＭである。別の一実施形態では、スクリュー速度は、約１００ＲＰＭ〜約４５０ＲＰＭである。さらに別の実施形態では、スクリュー速度は、約１００ＲＰＭ、約１５０ＲＰＭ、約４００ＲＰＭ、約５００ＲＰＭ、さらには約８００ＲＰＭである。スクリュー速度は、スクリューの端部の先端速度に基づいて、他の押出機サイズに応じて調整することができる。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、範囲を組み合わせて新たな範囲および開示されていない範囲を形成することができる。上記の実施形態はまた、小板状窒化ホウ素グレードが使用される場合、良好な分散および高い面内熱伝導率を可能にする。複数の熱伝導性フィラーまたは補強フィラーを有する配合物において、上記の実施形態は、セラミックスまたはガラスファイバーなどの脆いフィラーの形状の保持を可能にする。

上述の押出スクリュー構成の詳細に加えて、押出機の他の属性は、商業的に実現可能な製品のために必要な最終製品性能またはプロセススループットを実現する際に役割を果たすことができる。そのような重要な要因の２つは、直径比と、バレルとスクリューとの間の公差である。Ｄ_o／Ｄ_iと呼ばれる直径比は、スクリューの内径に対する外径の比であり、押出機内で材料を処理するのに利用できる自由体積を決定する。直径比が高くなればなるほど、押出機内で利用可能な自由体積が大きくなり、これは装置からのより高いスループットにつながる。スループットが高いと処理コストが最小限に抑えられ、コスト効率の高い商用製品を製造する上で重要である。スクリュー−バレル公差は、押出機内で高せん断環境に曝される材料の割合を決定する。公差が狭い（小さい）ほど、プロセス中において高せん断に曝される材料の割合が低くなる。

一実施形態では、押出しは、Ｓｔｅｅｒ ＯＭｅｇａシリーズ４０ｍｍ押出機で実施される。ＯＭｅｇａシリーズのＤｏ／Ｄｉ比は１．７１であり、業界で一般的に使用されている１．４９または１．５５の比よりも大幅に高い。１．７１の比は、１．４９または１．５５の比を有する同様のサイズの装置よりも速い処理および高いスループットを可能にする。ＯＭｅｇａシリーズはまた、スクリューとバレルの間の公差が非常に狭い。４０ｍｍバレルでは、スクリューの外径は３９．７ｍｍであり、これは、バレルとスクリューとの間の各側に０．１５ｍｍの隙間を示し、一般的に使用される０．３〜０．５ｍｍの公差よりも著しく狭い。この狭い公差は、たとえ存在するとしても、材料のうちの無視できる割合のみが、スクリューとバレルとの間の隙間である押出機内における最高せん断速度ゾーンに曝されることを確実にする。

押出プロセスの温度は、処理されるポリマー材料およびフィラー材料に基づいて選択することができる。

（物品）
熱可塑性組成物およびそのような組成物の製造方法は、様々な用途に使用することができる成形品を形成するために使用することができる。物品は、特定の目的または意図された用途のために所望されるような様々な形態に成形することができる。一実施形態では、物品は、照明アセンブリ、バッテリシステム、センサおよび電子コンポーネント、携帯型電子デバイス（例えば、スマートフォン、ＭＰ３プレーヤ、携帯電話、コンピュータ、テレビなど）を含む様々な用途における熱管理のためのヒートシンク構造の一部を形成することができる。

本技術の態様を詳細な説明および様々な実施形態に関して説明したが、本発明のさらなる態様は、以下の実施例を参照してさらに理解することができる。実施例は、本発明の可能な実施形態をさらに説明する目的のためだけのものであって、本発明または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

モメンティブＢＮ粉末グレードと、プラスチック材料（例えば、ポリカーボネート（ＰＣ−Ｓａｂｉｃ Ｌｅｘａｎ ＨＦ１１１０）またはナイロン（Ｔｅｋｎｏｒ Ａｐｅｘ製のＰＡ６−Ｃｈｅｍｌｏｎ ２１２または２１２Ｈ、ＰＡ６６−Ｃｈｅｍｌｏｎ １００））とを含むプラスチック組成物を、オハイオ州ユニオンタウンにあるＳｔｅｅｒ ＡｍｅｒｉｃａのＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ＣｅｎｔｅｒのＳｔｅｅｒ押出機において約４０〜５０のＬ／Ｄを有する２０ｍｍおよび４０ｍｍの二軸スクリュー押出機で配合される。Ｖａｎ Ｄｏｒｎの５５トン射出成形装置でサンプルを射出成形して、熱伝導率と引張特性を試験するためにＡＳＴＭ標準ドッグボーン（１／８インチ）を作成し、材料の衝撃強さを評価するためにバーを作成する。

熱可塑性樹脂および種々の熱伝導性フィラーを含む熱伝導性組成物を二軸スクリュー押出機（直径２０ｍｍまたは４０ｍｍ）に配合し、ＡＳＴＭ標準のドッグボーンを１インチ／秒のタブゲートを用いて射出成形する。面貫通方向熱伝導率は、組成に基づく理論的比熱容量（Ｃｐ）値を利用してレーザーフラッシュ法（ＡＳＴＭ Ｅ１４６１）を用いて成形ゲートから離れたＡＳＴＭ標準ドッグボーンのタブ部分の中央で測定する。面内熱伝導率は、ドッグボーンサンプルの平面における熱伝導率を流れの方向または流れの方向に対して垂直のいずれかで測定できるようにラミネートサンプルを構成する面貫通方向測定法と同じ場所からラミネートサンプルを構成することによって測定される。引張り特性は、Ｉｎｓｔｒｏｎ ＵＴＭで、衝撃強さは、ＴＭＩ Ｉｍｐａｃｔ Ｔｅｓｔｅｒで、それぞれＡＳＴＭ規格Ｄ６３８およびＤ２５６にしたがって測定される。実験室規模の実験のために、配合はＢｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉｃｏｒｄｅｒバッチミキサーで行う。配合されたサンプルを０．４ｍｍ未満に圧縮成形し、特別なサンプルホルダーと面内マスクを使用した修正レーザーフラッシュ法（Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて面内熱伝導率を測定する。

射出成形されたドッグボーンサンプルは、図２〜図４および図６の押出スクリューを使用して調製される。図２〜図４のスクリュー構成は、本発明の実施形態を示し、記載されている。図６のスクリュー構成４００は、プラスチック材料を押し出すための従来のスクリュー構成を表し、ポリマー溶融物を提供するための複数の搬送要素４１０および混練ブロックセクション４２０を含む。図２および図５のスクリューを用いて調製されたサンプルは、入口１２２でポリマー材料および窒化ホウ素フィラーを導入する。図３および図４の１８４でフィラーを押出機に導入するために使用される側部フィーダーは、シャベル要素を含むスクリューを含む。実施例では、図２〜４のスクリュー構成は、それぞれ構成１、２、および３と呼ばれ、図６のスクリュー構成はＣ１として識別された比較スクリューである。スクリューＣ１を用いて比較例１〜５を作製した。実施例１〜１７は、本発明の態様および実施形態に係る非限定的な実施形態を示す実施例である。

（実施例１〜３）
窒化ホウ素凝集体を含む熱伝導性ポリカーボネート組成物は、表１に示されるスクリュー構成および条件を用いて調製される。

表１に示されるように、本技術の態様に係るスクリュー構成を使用すると、従来のスクリューで製造されたものよりも著しく面貫通方向の熱伝導率を有する組成物が得られた。表１に示されるように、本技術の態様に係るスクリューを使用すると、面貫通方向の熱伝導率はどこでも約１７％〜約３６％増加した。Ｄ９０データは、本技術の態様に係る押出機スクリューを使用することにより、組成物中の面貫通方向の熱伝導率がより大きくなることに寄与する可能性のある凝集体サイズのより大きな保持が可能となることを示している。

（実施例４〜６）
ナイロン樹脂および窒化ホウ素フィラー材料を含む熱伝導性組成物を、表２に示される組成に従って調製する。

表２に示されるように、本発明の態様に係る押出機スクリューを使用することにより、より高い面貫通方向の熱伝導率を有する組成物が提供される。

様々な組成の面内熱伝導率もまた評価する。表３は、比較例３〜５および実施例３〜５に対する面内熱伝導率、面貫通方向の熱伝導率、および面内熱伝導率の面貫通方向の熱伝導率に対する比を示す。

表３に示されるように、組成物は、従来の押出機スクリューを用いて製造されたものに匹敵する面内熱伝導率を示す本技術の態様に係る押出機スクリューを用いて形成されたが、より高い面貫通方向の熱伝導率と、面内熱伝導率の面貫通方向の伝導率に対するより低い比を有する。

（実施例７〜１６）
下記の表４の実施例７〜１６が製造され、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒ Ｂａｔｃｈ Ｍｉｘｅｒを用いてナイロン５樹脂に配合される。配合されたサンプルを薄膜（厚さ約０．３ｍｍ）に圧縮成形し、面内サンプルマスクを用いた修正レーザーフラッシュ法（Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて面内熱伝導率を測定した。

表４に示されるように、著しく低いＢＮ含有量で５．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を達成することができる。ＢＮの価格がガラスファイバーまたは酸化亜鉛の約３０倍であると仮定すると、ＢＮ含有量を約５０重量％から約３１重量％に低下させることは、熱伝導性組成物のコストをほぼ４０％低下させることを表す。実施例７〜１３の組成物は、比較例６の組成物よりも約２０％〜約５５％低いコストで製造することができた。

（実施例１７〜２０）
実施例１７〜２０は、ビニルシラン添加剤を含むおよび含まない熱伝導性組成物を示す。プラスチック組成物は、窒化ホウ素フィラーを有するポリカーボネート樹脂から形成される。組成物は、図３に記載されるスクリュー構成を用いた二軸スクリュー押出機を用いて配合される。窒化ホウ素濃度およびシラン添加剤濃度を表５に示す。

表５のデータは、シラン添加剤がたった４３重量％のＰＴ１００によって５０重量％のＰＴ１００に相当する熱伝導率を可能にすることを示し、ＢＮ充填量を１４％低減させることを示している。４３〜４４重量％での粘度も予想よりも有意に低く、４０重量％の純粋なＰＴ１００に匹敵する。

（実施例２１〜２４）
本発明の方法は、高い熱伝導率を有する組成物を提供することに加えて、優れた機械的性質を有する組成物も提供する。実施例２１〜２４では、フィラー組成物（必要であれば）３重量％のＮＸＴシラン充填量で図３に示されるスクリューを用いて窒化ホウ素をＰＡ６樹脂に配合し、先に記載したように射出成形した。表６は、組成物の種々の特性を示す。

ＣＦ６００およびＨＣＰＬ窒化ホウ素粉末のグレードは、互いに類似しており、表６は、シランの添加およびガラスファイバーの使用が（例えば、組成物の衝撃強さおよび引張強さを含む）組成物の機械的特性を顕著に改善することができることを示している。

（実施例２５〜２６）
実施例２５〜２６は、ＨＣＰＬ窒化ホウ素、酸化亜鉛、チタニア、およびシランをナイロン樹脂に添加し、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒ混合ボウル中で混合することによって調製される。表７は、樹脂の熱伝導率データを示す。

（実施例２７〜３５）
実施例１〜２４は、混合または配合時にフィラー成分およびシランを樹脂組成物に別々に添加することによって調製される。

実施例２５〜３３は、窒化ホウ素と、酸化亜鉛または二酸化チタンと、任意選択でガラスファイバーと、シランとを含む混合されたフィラー組成物を使用する。窒化ホウ素がＰＴ１１０である実施例２６および２９を除いて、窒化ホウ素はＣＦ６００窒化ホウ素である。シランはＮＸＴである。フィラー組成物は、窒化ホウ素と、酸化亜鉛と、任意選択でガラスファイバーと、シランとを、フィラー成分とシランとを混合するための液体分配強化バーを有するＶ−ブレンダーによって混合することによって調製される。その後、混合されたフィラーを樹脂組成物に添加して成形する。実施例２５〜３０の成形された樹脂は、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒ Ｂａｔｃｈ Ｍｉｘｅｒを用いて調製される。配合したサンプルを薄膜（厚さ約０．３ｍｍ）に圧縮成形し、面内サンプルマスク（Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いた修正レーザーフラッシュ法を用いて面内熱伝導率を測定した。実施例３１〜３３は、図３によるスクリュー構造を採用する二軸スクリュー押出機を用いて配合され、次いで射出成形される。表８は組成物の特性を示す。

（実施例３６〜６４）
シランで処理した窒化ホウ素フィラーを、ポリカーボネート樹脂、ナイロン樹脂、またはポリプロピレン樹脂のいずれかに添加し、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒ混合ボウルを用いて混合する。窒化ホウ素は、ＨＣＰＬグレードである。窒化ホウ素は、組成物の４０重量％で充填され、シラン濃度を変化させる。表９〜１１は、組成物の熱伝導率を示す。

（実施例６５〜７０）
混合されたフィラー組成物は、窒化ホウ素、酸化亜鉛、オプションのガラスファイバー、およびシランで調製される。シランはＮＸＴである。混合されたフィラーを調製し、ナイロン６樹脂に導入する。樹脂に導入されたフィラーは、混合されたフィラーの事前の熱処理の有り、または無しのいずれかで導入される。樹脂に導入される前に熱処理されるフィラー組成物は、対流式オーブン中で、５０℃で７２時間熱処理される。表１２は、組成物の熱伝導率を示す。表１２の組成物は、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒによって配合される。

表に示されるように、使用前に混合されたフィラー組成物を熱処理することにより、樹脂組成物の熱伝導率を改善することができる。

以下に示される実施例では、タルクおよび炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）材料は、Ｉｍｅｒｙｓから入手し、黒鉛は、Ａｓｂｕｒｙ Ｃａｒｂｏｎｓから入手し、ウォラストナイトは、ＮＹＣＯミネラルズ（Ｓ＆Ｂグループ）から入手した。Ｍｏｍｅｎｔｉｖｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製のＣＦ６００窒化ホウ素を、以下のすべての実験に使用した。

（実施例７１−８７）
ここで以下において、ＢＮ、黒鉛、タルク、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）、およびウォラストナイトを含む種々の組成物を議論する。実施例７１〜８２では、ＮＸＴシランを使用したが、実施例８３〜８７ではシランを使用しなかった。実施例７１〜８５で使用したプラスチック樹脂はナイロン６であり、実施例８６と８７ではポリカーボネート樹脂を使用した。

以下の実施例７１〜８７は、Ｂｒａｂｅｎｄｅｒ Ｐｌａｓｔｉ−ｃｏｒｄｅｒ Ｂａｔｃｈ Ｍｉｘｅｒを用いて、ナイロン６組成物に対しては２６５℃で、ポリカーボネート組成物に対しては２８０℃で、６０ｒｐｍで１０分間、配合された。配合されたサンプルを薄膜（約０．３ｍｍ厚）に圧縮成形し、面内サンプルホルダーとマスクを用いた修正レーザーフラッシュ法（Ｎｅｔｚｓｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて面内熱伝導率を測定した。いくつかの実施例に対して、面内熱伝導率はまた、スラブ測定モードを使用したホットディスク法を用いて測定した。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本明細書を読んで理解すると、他者には明らかに変更および修正が思いつく。本発明およびいずれの請求項も、特許請求の範囲またはその等価物の範囲内に入る限り、すべての変更および修正を含むことが意図される。

Claims (35)

1. （ａ）窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせと、
   （ｂ）少なくとも４０のアスペクト比を有するタルクと、
   （ｃ）チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの組み合わせから選択されるシラン
   との混合物を含むフィラー組成物。
2. 前記窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせが、５重量％〜９８重量％の量で存在し、タルクが、５重量％〜８０重量％の量で存在し、シランが、最大６重量％の量で存在する、請求項１に記載のフィラー組成物。
3. 前記窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせが、５重量％〜４０重量％の量で存在し、タルクが、６０重量％〜９５重量％の量で存在し、シランが、最大３．５重量％の量で存在する、請求項１に記載のフィラー組成物。
4. 窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素凝集体、またはそれらの混合物から選択される窒化ホウ素を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
5. 前記窒化ホウ素は、０．３ミクロン〜２００ミクロンの粒径を有する小板を含む、請求項４に記載のフィラー組成物。
6. 前記窒化ホウ素は、５ミクロン〜５００ミクロンの平均粒径を有する窒化ホウ素凝集体を含む、請求項４に記載のフィラー組成物。
7. 窒化ホウ素とタルクとの混合物の表面上に凝縮されているシランを含む、請求項４〜６のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
8. ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、粘土、剥離粘土、アルミナ、窒化アルミニウム、アルミニウム、銅、青銅、真鍮もしくはそれらの２以上の組み合わせの金属粉末もしくはフレーク、炭素、黒鉛、アルミニウム、銅、青銅、真鍮、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化亜鉛もしくはそれらの２以上の組み合わせのファイバーもしくはウィスカー、カーボンナノチューブ、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブ、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される追加のフィラー成分をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
9. ２重量％〜３０重量％の量のウォラストナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
10. フィラーは、Ｌ*、ａ*、ｂ*スケール上の色を有し、Ｌ*は９０より大きく、ａ*は−１．３〜１．３であり、ｂ*は−２．５〜２．５である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
11. タルクは、少なくとも５０のアスペクト比を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
12. （ａ）５重量％〜９８重量％の量で存在する窒化ホウ素および黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１または４〜１１のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
13. （ａ）５重量％〜９８重量％の量で存在する窒化ホウ素および黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランと、（ｄ）０．１重量％〜６０重量％の量のウォラソナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせとの混合物を含む、請求項１または４〜１１のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
14. （ａ）５重量％〜９８重量％の量の窒化ホウ素と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１または４〜１１のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
15. （ａ）５重量％〜９８重量％の量の黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１または４〜１１のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
16. 熱伝導性組成物であって、
    樹脂材料と、
    前記ポリマー材料内に分散された熱伝導性フィラー組成物とを含み、前記熱伝導性フィラー組成物は、
    （ａ）窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせと、
    （ｂ）少なくとも４０のアスペクト比を有するタルクと、
    （ｃ）チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの組み合わせから選択されるシラン
    との混合物を含み、熱伝導性組成物は、２Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率、０．９Ｗ／ｍＫ以上の面貫通方向熱伝導率、またはそれらの両方を有する熱伝導性組成物。
17. ３．０Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する、請求項１６に記載の熱伝導性組成物。
18. ５Ｗ／ｍＫ以上の面内熱伝導率を有する、請求項１６に記載の熱伝導性組成物。
19. 前記組成物の総重量の５８重量％以下の全熱伝導性フィラー濃度を含む、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
20. 前記組成物の４０体積％（ｖ／ｖ）以下の全熱伝導性フィラー含有量を有する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
21. 前記熱伝導性組成物は、５重量％〜９５重量％の量で存在する窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせと、５重量％〜９５重量％の量で存在するタルクと、０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとを含む、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
22. 前記熱伝導性組成物は、ガラスファイバー、ガラスフレーク、粘土、剥離粘土、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、アルミナ、窒化アルミニウム、アルミニウム、銅、青銅、真鍮もしくはそれらの２以上の組み合わせの金属粉末もしくはフレーク、炭素、黒鉛、アルミニウム、銅、青銅、真鍮、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化亜鉛もしくはそれらの２以上の組み合わせのファイバーもしくはウィスカー、カーボンナノチューブ、グラフェン、窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノシート、酸化亜鉛ナノチューブ、またはそれらの２以上の組み合わせから選択される追加のフィラー成分をさらに含む、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
23. 前記熱伝導性組成物は、０重量％〜６０重量％の量のウォラストナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
24. （ａ）５重量％〜９８重量％の量で存在する窒化ホウ素および黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１６〜２０または２２または２３のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
25. （ａ）５重量％〜９８重量％の量で存在する窒化ホウ素および黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランと、（ｄ）０．１重量％〜６０重量％の量のウォラソナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせとの混合物を含む、請求項１６〜２０または２２または２３のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
26. （ａ）５重量％〜９８重量％の量の窒化ホウ素と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１６〜２０または２２または２３のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
27. （ａ）５重量％〜９８重量％の量の黒鉛と、（ｂ）５重量％〜８０重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランとの混合物を含む、請求項１６〜２０または２２または２３のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
28. 窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素凝集体、またはそれらの混合物から選択された窒化ホウ素を含む、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載の熱伝導性組成物。
29. 前記組成物の５重量％〜４１重量％の窒化ホウ素濃度を含む、請求項２８に記載の熱伝導性組成物。
30. 前記組成物の５重量％〜６０重量％の窒化ホウ素濃度を含む、請求項２８に記載の熱伝導性組成物。
31. （ａ）５重量％〜９５重量％の窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせと、
    （ｂ）５重量％〜９５重量％の、少なくとも４０のアスペクト比を有するタルクと、
    （ｃ）０．１重量％〜６重量％の、チオカルボキシレートシラン、ブロック化メルカプトシラン、またはそれらの組み合わせから選択されるシランと、
    （ｄ）０．１重量％〜６０重量％のウォラストナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせとの混合物を含むフィラー組成物。
32. 前記窒化ホウ素、黒鉛、またはそれらの組み合わせは、５重量％〜９５重量％の量で存在し、前記タルクは、５重量％〜９５重量％の量で存在し、前記シランは、１重量％〜３．５重量％の量で存在し、前記ウォラストナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせは、１重量％〜３０重量％の量で存在する、請求項３１に記載のフィラー組成物。
33. （ａ）５重量％〜９５重量％の量で存在する窒化ホウ素および黒鉛と、（ｂ）５重量％〜９５重量％の量で存在するタルクと、（ｃ）０．１重量％〜６重量％の量で存在するシランと、０．１重量％〜６０重量％の量で存在するウォラソナイト、炭酸カルシウム、またはそれらの組み合わせとの混合物を含む、請求項３１に記載のフィラー組成物。
34. 窒化ホウ素粒子、窒化ホウ素凝集体、またはそれらの組み合わせから選択された窒化ホウ素を含む、請求項３１〜３３のいずれか１項に記載のフィラー組成物
35. 窒化ホウ素を含み、シランは、窒化ホウ素とタルクとの混合物上に凝縮される、請求項３１〜３４のいずれか１項に記載のフィラー組成物。
    

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