JP7039157B2 - 熱伝導性ポリシロキサン組成物 - Google Patents
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Description
(A)成分は、熱伝導性充填剤であり、(A-1)平均粒子径50μm以上150μm以下の丸み状、不定形状又は多面体状の窒化アルミニウム粒子及び(A-2)平均粒子径10μm以上50μm未満の丸み状、不定形状又は多面体状の窒化アルミニウム粒子を(A)成分全体に対し20~100質量%含み、かつ、(A-1)成分と(A-2)成分の含有比率が質量基準で50:50~95:5である。
(A-1)成分は、平均粒子径50μm以上150μm以下の丸み状、不定形状又は多面体状の窒化アルミニウム粒子である。(A-1)成分の窒化アルミニウム粒子は、同等の平均粒子径を有する球状の窒化アルミニウム粒子を同含有量となるように使用した場合に比べ、熱伝導率を優位に向上させることができる。そのため、(A-1)成分を用いることにより、作業効率に優れ、熱伝導性が高い熱伝導性ポリシロキサン組成物を得ることが可能となる。更に、(A-1)成分は、同等の平均粒子径を有するアルミナ粒子を同含有量となるように使用した場合に比べ、熱伝導性ポリシロキサン組成物の熱伝導率を高くすることができる。
(A-2)成分は、平均粒子径10μm以上50μm未満の丸み状、不定形状又は多面体状の窒化アルミニウム粒子である。(A-2)成分の窒化アルミニウム粒子と(A-1)成分とを所定の割合で配合することにより、熱伝導性ポリシロキサン組成物の熱伝導率を高く維持しつつ、吐出性を高くすることができる。(A-2)成分の窒化アルミニウム粒子は、(A-1)成分と組み合わせた場合、同等の平均粒子径を有する球状の窒化アルミニウム粒子に比べ、熱伝導性を高めることができる。更に、(A-2)成分は、(A-1)成分と組み合わせた場合、同等の平均粒子径を有するアルミナ粒子を同含有量となるように使用した場合に比べ、熱伝導性ポリシロキサン組成物の熱伝導率を高くすることができる。
熱伝導性ポリシロキサン樹脂組成物において、(A)熱伝導性充填剤をより高充填し、吐出性及び熱伝導性をよりいっそう高めるために、(A)成分は、(A-1)及び(A-2)成分とは異なる平均粒子径を有する熱伝導性充填剤として、(A)成分全体に対し(A-3)平均粒子径0.1μm以上10μm未満の無機粒子1~80質量%を更に含むことが好ましい。なお、(A-3)成分は、0.1μm以上10μm未満の範囲に粒度分布のピークを有する。(A)成分が(A-3)成分を更に含むことにより、(A)成分をポリシロキサン組成物中に高充填した場合でも、(A-1)成分の沈降等がなく、熱伝導性ポリシロキサン組成物の安定性がよりいっそう高まる傾向があり、吐出性を高く、かつ、熱伝導性を高めることが可能となる。
(A-3)成分の含有量は、(A)成分全体に対し10~70質量%であることがより好ましく、20~60質量%であることが更に好ましく、35~55質量%であることが特に好ましい。(A-1)~(A-3)成分の合計は、(A)成分全体に対し80~100質量%であることが好ましく、更に好ましくは90~100質量%、特に好ましくは95~100質量%である。
本発明者らは、(A-1)成分と(A-2)成分の2成分系で組成物を作製する場合に比べ、(A-1)成分及び(A-2)成分に加え、更に(A-3)成分、特に(A-3a)及び(A-3b)成分を添加し組成物を作製する場合には、(B)成分中への(A)成分の混合効率がより向上し、均一な組成物が得やすくなり、組成物の吐出性もより高くなりやすいことを見出した。
(B)成分はアルコキシシリル基含有化合物及びジメチルポリシロキサンからなる群より選択される1種以上である。
(B)成分のアルコキシシリル基含有化合物としては、1分子中に少なくとも次の一般式:-SiR11 3-z(OR12)z (I)
(式中、R11は炭素数1~6のアルキル基、好ましくはメチル基であり、R12は炭素数1~6のアルキル基、好ましくはメチル基であり、zは1、2又は3である)で表されるアルコキシシリル基を有する化合物が好ましい。(B)成分としては、以下の(B-1)~(B-5)成分の化合物を例示することができる。
一般式(I)のアルコキシシリル基を有する化合物としては、下記一般式(1)の化合物を挙げることができる。ここで、当該アルコキシシリル基含有化合物においては、R1を含む単位、R2を含む単位、SiR3 2Oで表される単位が下記一般式(1)で示されるとおりに配列している必要はなく、例えばR1を含む単位とR2を含む単位との間にSiR3 2Oで表される単位が存在していてもよいことが理解される。
(式中、
R1:炭素数1~4のアルコキシシリル基を有する基
R2:下記一般式(2):
(式中、R4は、それぞれ独立して炭素数1~12の1価の炭化水素基であり、Yは、R1、R4及び脂肪族不飽和基からなる群より選択される基であり、dは2~500の整数、好ましくは4~400の整数、より好ましくは10~200の整数、特に好ましくは10~60の整数である)で示されるシロキサン単位を有する基又は炭素数6~18の1価の炭化水素基
X:それぞれ独立して炭素数2~10の2価の炭化水素基
a及びb:それぞれ独立して1以上の整数
c:0以上の整数
a+b+c:4以上の整数
R3:それぞれ独立して、炭素数1~6の1価の炭化水素基又は水素原子
である。)
また、(B)成分のアルコキシシリル基含有化合物としては、下記一般式(3)で表される化合物を使用することができる。
R21 eR22 fSi(OR23)4-(e+f) (3)
(式中、R21は独立に炭素数6~15のアルキル基であり、R22は独立に非置換又は置換の炭素数1~12の1価炭化水素基(炭素数6~12のアルキル基を除く)であり、R23は独立に炭素数1~6のアルキル基であり、eは0~3の整数、好ましくは1であり、fは0~2の整数であり、但しe+fは1~3の整数である。)
R22としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロブチル基等のシクロアルキル基;ビニル基、アリル基等の脂肪族不飽和基;フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基;ベンジル基、2-フェニルエチル基、2-メチル-2-フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基;これらの炭化水素基の水素原子の一部又は全部を塩素、フッ素、臭素等のハロゲン原子、シアノ基等で置換した基、例えばクロロメチル基、トリフルオロプロピル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基、2-(ノナフルオロブチル)エチル基、2-(ヘプタデカフルオロオクチル)エチル基、クロロフェニル基、ブロモフェニル基、ジブロモフェニル基、テトラクロロフェニル基、フルオロフェニル基、ジフルオロフェニル基等のハロゲン化炭化水素基やα-シアノエチル基、β-シアノプロピル基、γ-シアノプロピル基等のシアノアルキル基等が挙げられ、好ましくはメチル基、エチル基である。
R23としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられ、好ましくはメチル基、エチル基である。
C6H13Si(OCH3)3
C10H21Si(OCH3)3
C12H25Si(OCH3)3
C12H25Si(OC2H5)3
C10H21Si(CH3)(OCH3)2
C10H21Si(C6H5)(OCH3)2
C10H21Si(CH3)(OC2H5)2
C10H21Si(CH=CH2)(OCH3)2
C10H21Si(CH2CH2CF3)(OCH3)2
(B)成分のアルコキシシリル基含有化合物としては、下記一般式(4)で表される分子鎖片末端がアルコキシシリル基で封鎖されたジメチルポリシロキサンを使用することができる。
(式中、R31は-O-又は-CH2CH2-である。R32は独立に非置換又は置換の一価炭化水素基であり、具体的には、一般式(3)のR22において例示した基を挙げることができ、これらの中でも好ましくはアルキル基、アリール基であり、より好ましくはメチル基、フェニル基である。R33は独立に炭素数1~6のアルキル基、好ましくはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基である。gは5~100、好ましくは5~70、特に好ましくは10~50の整数であり、pは1~3の整数、好ましくは2又は3である。)
(B)成分のアルコキシシリル基含有化合物としては、下記一般式(5)で表される分子鎖両末端がアルコキシシリル基で封鎖された化合物を使用することができる。
(式中、R34、R35、R36及びqはそれぞれ独立に、一般式(4)のR31、R32、R33及びpと同義であり、hは、23℃における粘度を10~10,000mPa・s、より好ましくは20~5,000mPa・sとする整数である。)
(B)成分のジメチルポリシロキサンとしては、下記一般式(6)で表される直鎖状の化合物を使用することができる。
(式中、iは、23℃における粘度を10~10,000mPa・s、より好ましくは20~5,000mPa・sとする整数である。)
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、該組成物の使用目的、使用方法等に応じて、(A)成分及び(B)成分以外のその他の成分を含有することができる。
(C)成分の1分子中に1個以上の脂肪族不飽和基を含有するポリオルガノシロキサン((B)成分を除く。)としては、下記平均組成式(II)で表されるものを使用することができる。
R41 jR42 kSiO[4-(j+k)]/2 (II)
(式中、R41は、脂肪族不飽和基であり、R42は、脂肪族不飽和結合を含まない置換又は非置換の1価炭化水素基である。j,kは、0<j<3、0<k<3、1<j+k<3を満足する正数である。)
(C)成分の23℃における粘度は、10~10,000mPa・sであることが好ましい。より好ましくは20~5,000mPa・sである。
(D)成分は、1分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有するポリオルガノハイドロジェンシロキサン((B)成分を除く。)であり、(C)成分、及び(B)成分が少なくとも1個の脂肪族不飽和基を有するアルコキシシリル基含有化合物(例えば、一般式(1)のR2中のY、一般式(3)のR22、一般式(4)のR32又は一般式(5)のR35が脂肪族不飽和基である化合物)である場合には(B)成分の架橋剤となる成分である。(D)成分は、1分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上、好ましくは3個以上有するものである。この水素原子は、分子鎖末端のケイ素原子に結合していても、分子鎖途中のケイ素原子に結合していても、両方に結合していてもよい。また、両末端のケイ素原子にのみ結合した水素原子を有するポリオルガノハイドロジェンシロキサンを使用することもできる。(D)成分の分子構造は、直鎖状、分岐鎖状、環状あるいは三次元網目状のいずれでもよく、単独でも、二種以上を併用してもよい。
R51 mHnSiO[4-(m+n)]/2 (III)
(式中、R51は、脂肪族不飽和結合を含まない置換又は非置換の1価炭化水素基である。m、nは、0.5≦m≦2、0<n≦2、0.5<m+n≦3を満足する数である。)
(E)成分は白金系触媒であり、(C)成分、及び(B)成分が少なくとも1個の脂肪族不飽和基を有するアルコキシシリル基含有化合物である場合には(B)成分と、(D)成分との混合後、硬化を促進させる成分である。(E)成分としては、ヒドロシリル化反応に用いられる周知の触媒を用いることができる。例えば、白金黒、塩化第二白金、塩化白金酸、塩化白金酸と一価アルコールとの反応物、塩化白金酸とオレフィン類やビニルシロキサンとの錯体、白金-ビニルテトラマー錯体、白金ビスアセトアセテート等を挙げることができる。(E)成分の配合量は、所望の硬化速度等に応じて適宜調整することができるものであり、(C)成分、及び(B)成分が少なくとも1個の脂肪族不飽和基を有するアルコキシシリル基含有化合物である場合には(B)成分と、(D)成分との合計量に対し、白金元素に換算して0.1~1,000ppmの範囲とすることが好ましい。(E)成分は、単独でも、二種以上を併用してもよい。
(F)成分は縮合触媒であり、(B)成分がアルコキシシリル基含有化合物を含む場合に、(B)成分の縮合・硬化を促進させる成分である。(F)成分としては、公知のシラノール縮合触媒を使用することができる。例えば、テトラブチルチタネート、テトラプロピルチタネート等のチタン系エステル類;ジブチルスズジラウレート、ジブチルスズマレエート、ジブチルスズジアセテート等の有機スズ化合物類;オクチル酸スズ、ナフテン酸スズ、ラウリン酸スズ、フェルザチック酸スズ等のカルボン酸スズ塩類;ジブチルスズオキサイドとフタル酸エステルとの反応物;ジブチルスズジアセチルアセトナート;アルミニウムトリアセチルアセトナート、アルミニウムトリスエチルアセトアセテート、ジイソプロポキシアルミニウムエチルアセトアセテート等の有機アルミニウム化合物類;ジイソプロポキシ-ビス(アセト酢酸エチル)チタン、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、チタンテトラアセチルアセトナート等のキレート化合物類;オクチル酸鉛;ナフテン酸鉄;ビスマス-トリス(ネオデカノエート)、ビスマス-トリス(2-エチルヘキソエート)等のビスマス化合物のような金属系触媒を例示することができる。更に、ラウリルアミン等の公知のアミン系触媒を使用してもよい。これらの中でも、ジブチルスズジラウレート、ジブチルスズマレエート、ジブチルスズジアセテート、オクチル酸スズ、ナフテン酸スズ、ラウリン酸スズ、フェルザチック酸スズ等のカルボン酸スズ塩又は有機スズ化合物類;ジブチルスズオキサイドとフタル酸エステルとの反応物;ジブチルスズジアセチルアセトナート等のスズ系触媒;ジイソプロポキシ-ビス(アセト酢酸エチル)チタン等のキレート化合物類が特に好ましい。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、更に必要に応じて、難燃性付与剤、耐熱性向上剤、可塑剤、着色剤、接着性付与材、希釈剤等を本発明の目的を損なわない範囲で含有することができる。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(A)成分及び(B)成分に加え、更に、上記その他の成分を含有させて、下記1~3の好ましい組成物の態様とすることができる。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(A)成分及び(B)成分のみからなる、又は、更に(C)成分を加えた、グリース型熱伝導性ポリシロキサン組成物とすることができる。この実施態様は、熱伝導性ポリシロキサン組成物を硬化させることなく、そのまま放熱材料として使用することができる。グリース型熱伝導性ポリシロキサン組成物は、更に(D)~(G)成分からなる群より選択される1種以上を含有していてもよいが、(D)~(F)成分は含有しないことが好ましい。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(A)成分及び(B)成分が少なくとも1個の脂肪族不飽和基を有するアルコキシシリル基含有化合物(例えば、一般式(1)のR2中のY、一般式(3)のR22、一般式(4)のR32又は一般式(5)のR35が脂肪族不飽和基である化合物)である場合には(B)成分に加え、(D)成分及び(E)成分を含有させることができる。また、熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(A)成分及び(B)成分に加え、(C)、(D)及び(E)成分を含有させることができる。この実施態様は、熱伝導性ポリシロキサン組成物を付加反応により硬化させることが可能であり、熱伝導性ポリシロキサン組成物の硬化物からなる放熱材料とできる点で、好ましい。後者の場合、(B)成分は、脂肪族不飽和基を有していても有していなくてもよい。付加反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物は、更に(F)成分及び(G)成分からなる群より選択される1種以上を含有していてもよい。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(B)成分がアルコキシシリル基含有化合物を含むものとし、かつ、(A)成分と(B)成分に加え更に(F)成分を含有させることができる。この実施態様は、熱伝導性ポリシロキサン組成物を縮合反応により硬化させることが可能であり、熱伝導性ポリシロキサン組成物の硬化物からなる放熱材料とできる点で、好ましい。縮合反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物は、更に(C)、(D)、(E)及び(G)成分からなる群より選択される1種以上を含有していてもよい。
(1)ノードソン株式会社製の30ccのEFDシリンジに組成物を充填する。
(2)ディスペンサーとして株式会社サンエイテック製のSDP400を使用し、0.62MPaで1分間、組成物を吐出する。
(3)吐出された量を計量し、組成物のフローレート(g/min)を求める。
熱伝導性ポリシロキサン組成物は、(A)成分及び(B)成分、更に必要に応じて他の任意成分をプラネタリー型ミキサー等の混合機で混合することにより得ることができる。混合時には、必要に応じて50~150℃の範囲で加熱しながら混合してもよい。更に均一仕上げのためには、高剪断力下で混練操作を行うことが好ましい。混練装置としては、3本ロール、コロイドミル、サンドグラインダー等があるが、中でも3本ロールによる方法が好ましい。
付加反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物を硬化させる方法としては、例えば、放熱を要する被着体に該組成物を塗布後、該組成物を室温で放置する方法や、50~200℃の温度で加熱する方法が挙げられる。迅速に硬化させる観点から、加熱する方法を採ることが好ましい。
縮合反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物を硬化させる方法としては、例えば、放熱を要する被着体に該組成物を塗布後、該組成物を室温で放置し、空気中の湿気により硬化する方法や、加湿条件下で硬化する方法が挙げられる。
熱伝導性ポリシロキサン組成物又は熱伝導性ポリシロキサン組成物からなる放熱材料は、ホットディスク法で測定した23℃における熱伝導率が2.0W/(m・K)以上であり、また、高放熱用途では、熱伝導率が7.5W/(m・K)以上であることが好ましく、より好ましくは8.0W/(m・K)以上、特に好ましくは8.5W/(m・K)以上である。前記熱伝導率を調整して放熱効果を高めるためには、組成物中の(A)成分の含有割合が80質量%以上であることが好ましく、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは90質量%以上である。要求される熱伝導率に応じて(A)成分の含有割合を更に増加させることができる。
(A-1)成分
不定形状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径80μm
不定形状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径60μm
球状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径80μm
球状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径60μm
不定形状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径30μm、吸油量41g/100g
丸み状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径20μm、吸油量19g/100g
不定形状の窒化アルミニウム粒子、平均粒子径20μm、吸油量30g/100g
多角形状のアルミナ粒子、平均粒子径5.0μm
多角形状のアルミナ粒子、平均粒子径0.4μm
メチルトリメトキシシラン
両末端メチルジメトキシ基ジメチルポリシロキサン(粘度:30mPa・s)
両末端トリメチルシリル基ジメチルポリシロキサン:MD40M(粘度:30mPa・s)
両末端ビニル基ジメチルポリシロキサン:MviD70Mvi(粘度:130mPa・s)
片末端ビニル基ジメチルポリシロキサン:MD30Mvi(粘度:25mPa・s)
ポリオルガノハイドロジェンシロキサン:MHDH 8D42MH(粘度:45mPa・s)
白金系触媒:白金量2%ビニルテトラマー錯体
反応抑制剤:1-エチニル-1-シクロヘキサノール
縮合触媒:ジイソプロポキシ-ビス(アセト酢酸エチル)チタン
[平均粒子径]
(A)成分の平均粒子径(メジアン径d50)は、レーザー回折・散乱法により測定した。
JIS K5101-13-2に準拠した煮あまに油法に基づいて、(A-2)成分の吸油量を測定した。
熱伝導性ポリシロキサン組成物のフローレート(g/min)を以下のとおり測定し、吐出性の評価に用いた。
(1)ノードソン株式会社製の30ccのEFDシリンジに組成物を充填した。
(2)ディスペンサーとして株式会社サンエイテック製のSDP400を使用し、0.62MPaで1分間、組成物を吐出した。
(3)吐出された量を計量し、組成物のフローレート(g/min)を求めた。
熱伝導性ポリシロキサン組成物の吐出性を以下の基準で評価した。
◎:フローレートが70g/min以上
○:フローレートが35g/min以上70g/min未満
△:フローレートが20g/min以上35g/min未満
×:フローレートが20g/min未満
23℃において、Hot disk法に従い、ホットディスク法 熱物性測定装置(京都電子工業株式会社製、TPS 1500)を用いて測定し、以下の基準で判定した。
◎:熱伝導率が8.5W/(m・K)以上
○:熱伝導率が8.0W/(m・K)以上8.5W/(m・K)未満
△:熱伝導率が7.5W/(m・K)以上8.0W/(m・K)未満
×:熱伝導率が7.5W/(m・K)未満
表1に示す(A)、(B)及び(C)成分をプラネタリー型ミキサー(株式会社ダルトン製)に仕込み、室温にて1時間撹拌混合し、更に120℃にて1時間撹拌混合して混合物を得た後、25℃まで冷却した。その後、前記混合物に(D)、(E)及び(E-2)成分を添加・混合して、付加反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物を得た。こうして得た組成物のフローレートを測定し、吐出性を評価した。結果を表1に示す。
表2に示す(A)及び(B)成分をプラネタリー型ミキサー(株式会社ダルトン製)に仕込み、室温にて1時間撹拌混合し、更に120℃にて1時間撹拌混合して混合物を得た後、25℃まで冷却して、グリース型熱伝導性ポリシロキサン組成物を得た。こうして得た組成物のフローレートを測定し、吐出性を評価した。結果を表2に示す。
表3に示す(A)及び(B)成分をプラネタリー型ミキサー(株式会社ダルトン製)に仕込み、室温にて1時間撹拌混合し、更に120℃にて1時間撹拌混合して混合物を得た後、25℃まで冷却した。その後、前記混合物に(F)成分を添加・混合して、縮合反応型熱伝導性ポリシロキサン組成物を得た。こうして得た組成物のフローレートを測定し、吐出性を評価した。結果を表3に示す。
Claims (6)
- (A)熱伝導性充填剤、並びに(B)アルコキシシリル基含有化合物及びジメチルポリシロキサンからなる群より選択される1種以上を含有する熱伝導性ポリシロキサン組成物であって、(A)成分が、(A)成分全体に対し(A-1)平均粒子径50μm以上150μm以下の不定形状の窒化アルミニウム粒子20~60質量%、(A-2)平均粒子径10μm以上50μm未満の丸み状、不定形状又は多面体状の窒化アルミニウム粒子2~25質量%、(A-3a)平均粒子径1μm以上10μm未満の無機粒子1~40質量%及び(A-3b)平均粒子径0.1μm以上1μm未満の無機粒子1~30質量%を含み、かつ、(A-1)成分と(A-2)成分の含有比率が質量基準で50:50~95:5であり、(A-1)、(A-2)、(A-3a)及び(A-3b)成分の合計が(A)成分全体に対し80~100質量%である、熱伝導性ポリシロキサン組成物。
- (A-2)成分のJIS K5101-13-2に準拠した煮あまに油法に基づく吸油量が5~40g/100gである、請求項1記載の熱伝導性ポリシロキサン組成物。
- (A-3a)及び(A-3b)成分の無機粒子がそれぞれ、窒化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子及びアルミナ粒子からなる群より選択される1種以上である、請求項1又は2記載の熱伝導性ポリシロキサン組成物。
- 更に、(C)1分子中に1個以上の脂肪族不飽和基を含有するポリオルガノシロキサン、(D)1分子中にケイ素原子に結合した水素原子を2個以上有するポリオルガノハイドロジェンシロキサン、及び(E)白金系触媒を含有する、請求項1~3のいずれか一項記載の熱伝導性ポリシロキサン組成物。
- (B)成分がアルコキシシリル基含有化合物を含み、更に、熱伝導性ポリシロキサン組成物が(F)縮合触媒を含有する、請求項1~4のいずれか一項記載の熱伝導性ポリシロキサン組成物。
- 請求項1~5のいずれか一項記載の熱伝導性ポリシロキサン組成物からなる放熱材料。
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