JP7068635B2 - 遮熱部材 - Google Patents
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Description
本発明は、遮熱膜を備える部材に係り、更に詳細には、内燃機関の燃焼室等、燃焼ガスに曝される面に遮熱膜を有する部材に関する。
内燃機関の効率を向上させるために、エネルギーの損失を低減する様々な取組みがなされている。なかでも冷却熱損失は、排気損失と並んで全損失に占める割合が大きく、冷却熱損失の削減により大きな削減効果が期待される。
上記冷却損失は、膨張行程における燃焼中のガスが冷却されることで生じる損失であり、燃焼熱が燃焼室の壁面から逃げることで生じるため、燃焼室壁面の断熱性を高くすることで低減することができる。
しかし、燃焼室壁面の断熱性を高くするのみでは、燃焼室壁面が徐々に加熱されて熱こもりが生じ、結果として燃焼室の熱が外部に放出される。加えて、吸気ガスが燃焼室壁面によって加熱されて膨張し吸気効率が低下するため、燃費性能の向上が困難である。
したがって、燃焼室壁面は、その断熱性が高いだけでなく、その温度が燃焼室内のガスの温度変化に追従し、燃焼室壁面と燃焼室内のガスとの温度差が小さくなることが理想的であり、熱伝導率が低く、かつ熱容量が小さい遮熱膜が望まれる。
特許文献１の日本国特開２０１３－２１３４４６号公報には、ポーラスな金属酸化物の遮熱膜は、低熱伝導率と低熱容量が促進される旨が記載されている。
特許文献１に記載の遮熱膜は、ポーラスであるため、上記遮熱膜の空孔が占める体積分の熱容量を小さくすることができる。
しかしながら、上記空孔が燃焼室に向けて開口した連通孔であるため、空孔内部に燃焼ガスが入り込んで該空孔が燃焼熱を外部に逃がす経路となるため、断熱性が十分でない。
しかしながら、上記空孔が燃焼室に向けて開口した連通孔であるため、空孔内部に燃焼ガスが入り込んで該空孔が燃焼熱を外部に逃がす経路となるため、断熱性が十分でない。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低熱伝導率と小さな熱容量とを両立させ、燃費性能を向上できる遮熱膜を備える遮熱部材を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、高熱伝導率の材料を用いて低熱伝導率の膜を形成することで、遮熱膜の熱こもり防止と断熱性とを両立させることができ、冷却損失を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の部材は、基材と、上記基材の表面に遮熱膜を備える。
そして、上記遮熱膜が、基材側から、少なくとも閉空孔を有する多孔質層と、上記多孔質層を覆い該多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように封止する緻密層とを有し、
上記多孔質層と上記緻密層とが、
ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂から成る群から選ばれた少なくとも１種の樹脂と、該樹脂中に分散して熱伝導率の向上に寄与する炭素フィラーと、を含み、
上記炭素フィラーの平均二次粒径が１０μｍ以下であり、
上記多孔質層は、上記炭素フィラーの含有率が１％以上２２％以下、平均径が１～２００μｍであり、その空孔率が２５％以上８０％以下であり、
上記樹脂の熱分解温度が３５０℃以上であることを特徴とする。
そして、上記遮熱膜が、基材側から、少なくとも閉空孔を有する多孔質層と、上記多孔質層を覆い該多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように封止する緻密層とを有し、
上記多孔質層と上記緻密層とが、
ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂から成る群から選ばれた少なくとも１種の樹脂と、該樹脂中に分散して熱伝導率の向上に寄与する炭素フィラーと、を含み、
上記炭素フィラーの平均二次粒径が１０μｍ以下であり、
上記多孔質層は、上記炭素フィラーの含有率が１％以上２２％以下、平均径が１～２００μｍであり、その空孔率が２５％以上８０％以下であり、
上記樹脂の熱分解温度が３５０℃以上であることを特徴とする。
本発明によれば、炭素系フィラーを含み、閉空孔を有する樹脂膜で遮熱することしたため、低い熱伝導率と小さな熱容量とを両立させて、燃費性能を向上できる部材を提供することができる。
本発明の遮熱部材にについて詳細に説明する。
上記部材は、基材と、上記基材の表面に遮熱膜を備える。
上記遮熱膜は、少なくとも多孔質層を有し、必要に応じて、緻密層、耐熱層をさらに積層して成る。
上記部材は、基材と、上記基材の表面に遮熱膜を備える。
上記遮熱膜は、少なくとも多孔質層を有し、必要に応じて、緻密層、耐熱層をさらに積層して成る。
＜多孔質層＞
上記多孔質層は、樹脂中に炭素系フィラーが分散して成り、閉空孔を有する層である。
樹脂中に炭素系フィラーが分散していることで、多孔質層の骨格を形成する樹脂部分の熱伝導率が向上し、遮熱膜の温度が燃焼室内のガスの温度に追従して熱こもりが防止される。
上記多孔質層は、樹脂中に炭素系フィラーが分散して成り、閉空孔を有する層である。
樹脂中に炭素系フィラーが分散していることで、多孔質層の骨格を形成する樹脂部分の熱伝導率が向上し、遮熱膜の温度が燃焼室内のガスの温度に追従して熱こもりが防止される。
上記炭素系フィラーは、すべての炭素系フィラーが樹脂中に分散している必要はなく、閉空孔内に存在する炭素系フィラーがあってもよいが、閉空孔内に存在する炭素系フィラーは、樹脂部分の熱伝導率向上に寄与しないため、樹脂中に分散していることが好ましい。
上記炭素系フィラーとしては、例えば、グラフェン、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等を挙げることができ、これらは一種又は二種以上を混合して用いてもよい。
なかでも、グラフェンや黒鉛は、後述する樹脂中への分散性が優れ、炭素系フィラーの含有率を大きくすることができ、多孔質層の骨格を形成する樹脂部分の熱伝導率を高くでき、遮熱膜の熱こもりを防止できるため、好ましく使用できる。
さらにグラフェンは、グラファイトの単分子層が重なった層状構造をしており、高い熱伝導率を有すると共に機械的強度にも優れる。
上記炭素系フィラーの平均二次粒径は、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましく、さらに３μｍ以下であることが好ましい。炭素系フィラーの平均二次粒径が大きくなると、樹脂中への分散性が低下して樹脂部分の熱伝導率が低下することがある。
上記炭素系フィラーの平均二次粒径の下限は特に制限はないが、実質的な下限は０．５μｍ程度である。
炭素系フィラーの平均二次粒径が小さければ均一な分散が可能であるが、炭素系フィラーの凝集防止のために分散媒等を使用すると塗工液中の炭素系フィラー濃度が低下し、多孔質層中の炭素系フィラーの含有率が低下することがある。また、炭素系フィラーが小さ過ぎると、炭素系フィラーによる伝熱パスが分断されて多孔質層の熱伝導率が低下することがある。
炭素系フィラーの平均二次粒径が小さければ均一な分散が可能であるが、炭素系フィラーの凝集防止のために分散媒等を使用すると塗工液中の炭素系フィラー濃度が低下し、多孔質層中の炭素系フィラーの含有率が低下することがある。また、炭素系フィラーが小さ過ぎると、炭素系フィラーによる伝熱パスが分断されて多孔質層の熱伝導率が低下することがある。
上記多孔質層は、５１４．５ｎｍのＡｒレーザ光を用いたときのラマン分光スペクトルが、ピーク波数１５７７ｃｍ－１～１５８１ｃｍ－１にグラファイト構造由来のＧバンドを有し、かつそのバンド幅が２５ｃｍ－１以下であることが好ましい。
上記Ｇバンドは、ｓｐ２結合炭素原子の平面内運動に由来するピークであり、グラファイトの層数が増加するにつれて低周波数側へシフトする。また、バンド幅（半値幅）は、炭素系フィラーに含まれるグラファイトの配向度合いを示し、バンド幅が小さくなるほど配向性が高く熱伝導性が優れる。
上記多孔質層は、多孔質層の断面像から測定される炭素系フィラーの含有率が、１％以上２２％以下であることが好ましく、３％以上２２％以下であることがより好ましく、８％以上２２％以下であることがさらに好ましく、さらに１３％以上２２％以下であることが好ましい。
上記多孔質層の炭素系フィラーの含有率が、上記範囲内であることで遮熱膜の温度を燃焼室内のガスの温度に追従させることができる。
また、上記多孔質層は、閉空孔を有する。
本発明において、閉空孔とは、多孔質層の内部に封入され、遮熱膜の表面にまで連通していない空孔をいい、個々の空孔が独立した独立孔であっても、複数の孔が多孔質層内で繋がって連通孔を形成していてもよい。
本発明において、閉空孔とは、多孔質層の内部に封入され、遮熱膜の表面にまで連通していない空孔をいい、個々の空孔が独立した独立孔であっても、複数の孔が多孔質層内で繋がって連通孔を形成していてもよい。
上記多孔質層の空孔が閉空孔であり、空孔内に燃焼ガスが侵入しないことで、遮熱膜と燃焼ガスとの熱交換が低減されて断熱性が向上すると共に、閉空孔が占める体積分だけ遮熱膜の熱容量を小さくすることができる。
本発明において熱容量とは、体積に基づいた熱容量（Ｊ／ｍ３・Ｋ）を意味する。
本発明において熱容量とは、体積に基づいた熱容量（Ｊ／ｍ３・Ｋ）を意味する。
上記多孔質層の空孔率は、２５％以上８０％以下であることが好ましく、３０％以上５０％以下であることが好ましく、さらに３０％以上４０％以下であることが好ましい。
空孔率が、上記範囲内であることで、遮熱膜の断熱性と強度とを両立させることができる。
空孔率が、上記範囲内であることで、遮熱膜の断熱性と強度とを両立させることができる。
上記閉空孔の平均径は、１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましく、さらに５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。閉空孔の平均径が上記範囲内にあることで、上記空孔率と相俟って、多孔質層内に閉空孔が均一に分散し、大きな伝熱パスが形成されずに均一な断熱性が得られる。
閉空孔の平均径は、多孔質層の断面像を撮影し、空孔の面積と同じ面積の円の直径を空孔径（円相当径）とし、視野内の空孔の径を平均して算出できる。
上記樹脂は、その熱分解温度が２００℃以上であることが好ましく、より好ましくは３５０℃以上である。熱分解温度が３５０℃以上であることで、燃焼ガスに曝されても熱分解による膜厚の減少を防止することができ、耐久性が向上する。
上記樹脂としては、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などを挙げることができる。なかでも、ポリイミド樹脂は、熱分解温度が４００℃以上であるため、好ましく使用できる。
上記多孔質層の膜厚は、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、さらに４０μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましい。
多孔質層の膜厚が１０μｍ未満では充分な断熱効果が得られないことがあり、２００μｍを超えると熱容量が大きくなり、遮熱膜の温度が燃焼室内のガスの温度に追従し難くなって、冷却損失が大きくなることがある。
上記多孔質層の熱伝導率は、０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。
また、上記多孔質層の熱容量は、６００Ｊ／ｍ３・Ｋ以下であることが好ましく、さらに５００Ｊ／ｍ３・Ｋ以下であることが好ましい。
多孔質層が、上記範囲の熱伝導率と熱容量とを同時に満たすことで、冷却損失が低減され、燃費性能が向上する。
また、上記多孔質層の熱容量は、６００Ｊ／ｍ３・Ｋ以下であることが好ましく、さらに５００Ｊ／ｍ３・Ｋ以下であることが好ましい。
多孔質層が、上記範囲の熱伝導率と熱容量とを同時に満たすことで、冷却損失が低減され、燃費性能が向上する。
＜緻密層＞
上記遮熱膜は、上記多孔質層の表面側に緻密層を有することができる。
上記緻密層は、樹脂及び炭素系フィラーを含み内部空隙のない密実な層である。
上記遮熱膜は、上記多孔質層の表面側に緻密層を有することができる。
上記緻密層は、樹脂及び炭素系フィラーを含み内部空隙のない密実な層である。
上記緻密層で上記多孔質層を覆うことで、多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように確実に封止することができ、断熱性を向上させることができる。
上記緻密層の膜厚は、１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満では空孔の封止が完全でない場合があり、３０μｍを超えると熱容量が増加し、遮熱膜の温度が燃焼室内のガスの温度に追従し難くなることがある。
また、上記緻密層と上記多孔質層の比率を変えることや、上記多孔質層の気孔率を変化させることで耐熱性や強度を向上させることもできる。
上記緻密層を形成する樹脂及び炭素系フィラーとしては、上記多孔質層と同じ材料を使用できる。
＜耐熱層＞
上記遮熱膜は、耐熱層を最表面に有することができる。
最表面に熱分解温度が５００℃以上の耐熱層を有することで、熱分解による遮熱膜の膜厚の減少を防止することができ、耐久性が向上する。
上記遮熱膜は、耐熱層を最表面に有することができる。
最表面に熱分解温度が５００℃以上の耐熱層を有することで、熱分解による遮熱膜の膜厚の減少を防止することができ、耐久性が向上する。
上記耐熱層の膜厚は、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。膜厚が上記範囲内であることで、耐熱層を設けることの効果が充分に発揮されると共に遮熱膜の熱容量が増加を防止できる。
上記耐熱層としては、シリカを主成分とする無機膜や、ダイヤモンドライクカーボンなどの非晶質炭素系膜を挙げることができる。
＜基材＞
上記基材としては、従来、内燃機関に用いられている材料を使用することができ、例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄、及びこれらの合金を使用できる。
上記基材としては、従来、内燃機関に用いられている材料を使用することができ、例えば、アルミニウム、マグネシウム、鉄、及びこれらの合金を使用できる。
＜遮熱部材＞
本発明の遮熱部材は、断熱性が高くかつ熱容量が小さな遮熱膜を備えるため、内燃機関における燃焼ガスに曝される箇所に用いることで、冷却損失を低減して燃費性能を向上させることができる。
本発明の遮熱部材は、断熱性が高くかつ熱容量が小さな遮熱膜を備えるため、内燃機関における燃焼ガスに曝される箇所に用いることで、冷却損失を低減して燃費性能を向上させることができる。
燃焼ガスに曝される内燃機関の部材としては、例えば、燃焼室を構成するシリンダヘッド、シリンダ、ピストン、バルブの他、シリンダヘッド排気ポート、エキゾーストマニホールド、排気管、過給器等の排気系部材を挙げることができる。
＜製造方法＞
上記遮熱膜は、基材上に多孔質層、必要に応じて、緻密層、耐熱層を順次積層することで作製できる。
上記遮熱膜は、基材上に多孔質層、必要に応じて、緻密層、耐熱層を順次積層することで作製できる。
上記多孔質層及び緻密層は、例えば、ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸と炭素系フィラーとを含む塗工液を基材の表面に塗布乾燥し、イミド化することで形成できる。
上記塗工液の溶媒としては、ポリイミドが溶解し、ゲル化物や沈殿物が生じなければよく、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドン等のピロリドン系溶媒、Ｎ，Ｎジメチルホルムアミド等のホルムアミド系溶媒、Ｎ，Ｎジメチルアセトアミド等のアセトアミド系溶媒などのアミド系溶媒を挙げることができる。
多孔質層に空孔を形成する方法としては、例えば、ポリアミック酸に対する溶解度が異なる複数の溶媒を用いて相分離させた多孔質層塗工液を用いる方法や、上記多孔質層塗工液中に中空ビーズを混合する方法などが挙げられる。
相分離した多孔質層塗工液は、上記アミド系溶媒とエーテル系溶媒を混合することで作製できる。すなわち、アミド系溶媒はイミド系高分子に対する溶解度が高く、エーテル系溶媒は、上記アミド系溶媒に比してイミド系高分子に対する溶解度が低い傾向があるため、相分離が生じ易く、相分離したエーテル系溶媒が揮発することで空孔が形成される。
多孔質層の空孔率は、アミド系溶媒とエーテル系溶媒との混合比によって調節することができ、多孔質層塗工液中のエーテル系溶媒の含有比は、アミド系溶媒とエーテル系溶媒の合計量に対し、３０質量％以上９０質量％以下であることが好ましい。
上記エーテル系溶媒としては、例えば、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール等をあげることができる。
上記塗工液は、界面活性剤、沈降防止剤等などの添加剤をさらに含んでいてもよい。界面活性剤を含むことで、塗工液に含まれる炭素系フィラーを均一に分散させ、かつ分散状態を維持することができる。
上記耐熱層は、例えば、ポリシラザンを含む溶液を上記緻密層上に塗布し硬化させてシリカを主成分とする無機膜を形成することや、化学気相成長法や物理気相成長法により非晶質炭素系膜を形成することで作製できる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
（多孔質層の作製）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％、炭素系フィラー（平均フレーク厚８ｎｍ（２０～３０分子層）グラフェンナノパウダー；Ｇ－１１Ｌ；イーエムジャパン株式会社製）を０．０５質量％加え、多孔質層塗工液を作製した。
（多孔質層の作製）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％、炭素系フィラー（平均フレーク厚８ｎｍ（２０～３０分子層）グラフェンナノパウダー；Ｇ－１１Ｌ；イーエムジャパン株式会社製）を０．０５質量％加え、多孔質層塗工液を作製した。
１００℃のお湯に１０分間浸漬して洗浄したアルミニウム基材上に、上記多孔質層塗工液をスピンコータで塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が４０μｍの多孔質層を形成した。
（緻密層の作製）
溶媒として、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして緻密層塗工液を作製し、上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
溶媒として、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして緻密層塗工液を作製し、上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
［実施例２］
炭素系フィラーの含有量を０．４質量％に変え、膜厚が７０μｍの多孔質層を形成する他は実施例１と同様にして遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を０．４質量％に変え、膜厚が７０μｍの多孔質層を形成する他は実施例１と同様にして遮熱部材を得た。
［実施例３］
炭素系フィラーの含有量を０．６質量％に変える他は実施例２と同様にして遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を０．６質量％に変える他は実施例２と同様にして遮熱部材を得た。
［実施例４］
炭素系フィラーの含有量を０．８質量％に変える他は実施例２と同様にして遮熱部材を得た。
炭素系フィラーの含有量を０．８質量％に変える他は実施例２と同様にして遮熱部材を得た。
［実施例５］
実施例３で作製した緻密層上に、ポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ３μｍの耐熱層を形成し遮熱部材を得た。
実施例３で作製した緻密層上に、ポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ３μｍの耐熱層を形成し遮熱部材を得た。
［実施例６］
（多孔質層）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％、炭素系フィラー（カーボンブラック）を０．２質量％加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例１と同様にして膜厚が１００μｍの多孔質層を形成した。
（多孔質層）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％、炭素系フィラー（カーボンブラック）を０．２質量％加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例１と同様にして膜厚が１００μｍの多孔質層を形成した。
（緻密層）
溶媒として、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして、炭素系フィラーとしてカーボンブラックを含む緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
溶媒として、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）を用いる他は、上記多孔質層塗工液と同様にして、炭素系フィラーとしてカーボンブラックを含む緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
［比較例１］
（多孔質層）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例１と同様にして膜厚が１００μｍの多孔質層を形成した。
（多孔質層）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％加えた多孔質層塗工液を用いる他は、実施例１と同様にして膜厚が１００μｍの多孔質層を形成した。
（緻密層の作製）
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％加えた緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成した。
ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とテトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＭ）とが質量比で１：１の溶媒に、ポリアミック酸が固形分濃度で２６質量％加えた緻密層塗工液を作製した。
上記緻密層塗工液を上記多孔質層上に塗布し、１３０℃で３０分間乾燥させた後、２００℃で６０分間加熱してイミド化させて膜厚が５μｍの緻密層を形成した。
（耐熱層の作製）
上記緻密層上にポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ３μｍの耐熱層を形成し、遮熱部材を得た。
上記緻密層上にポリシラザン溶液を塗布して硬化させ、厚さ３μｍの耐熱層を形成し、遮熱部材を得た。
［比較例２］
実施例３で作製した緻密層塗工液をアルミニウム基材上に塗布し膜厚が７０μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
実施例３で作製した緻密層塗工液をアルミニウム基材上に塗布し膜厚が７０μｍの緻密層を形成し遮熱部材を得た。
［比較例３］
アルミニウム基材上に、ジルコニア粒子を溶射して厚さ２００μｍの遮熱膜を形成し遮熱部材を得た。
アルミニウム基材上に、ジルコニア粒子を溶射して厚さ２００μｍの遮熱膜を形成し遮熱部材を得た。
＜評価＞
遮熱部材の断面を走査型電子顕微鏡で撮影し、画像解析により多孔質層の空孔率、炭素系フィラーの含有率、及び炭素系フィラーの平均二次粒径を測定した。
また、実施例３の遮熱部材の多孔質層の断面像を図１に示す。
図１中、炭素系フィラーの存在個所を矢印で示した。
遮熱部材の断面を走査型電子顕微鏡で撮影し、画像解析により多孔質層の空孔率、炭素系フィラーの含有率、及び炭素系フィラーの平均二次粒径を測定した。
また、実施例３の遮熱部材の多孔質層の断面像を図１に示す。
図１中、炭素系フィラーの存在個所を矢印で示した。
（空孔率）
小型汎用画像解析装置（株式会社ニレコ製；ＬＵＺＥＸ ＡＰ）で断面像をグレースケール化し、空孔と樹脂部分との間に閾値を設定した２値化処理画像から、多孔質層の断面像全体に占める空孔の合計面積から空孔の面積百分率を算出して空孔率とした。
小型汎用画像解析装置（株式会社ニレコ製；ＬＵＺＥＸ ＡＰ）で断面像をグレースケール化し、空孔と樹脂部分との間に閾値を設定した２値化処理画像から、多孔質層の断面像全体に占める空孔の合計面積から空孔の面積百分率を算出して空孔率とした。
（炭素系フィラーの含有率）
樹脂と炭素系フィラーとの間に閾値を設定した２値化処理画像から、下記式（１）により炭素系フィラーの含有率を算出した。
炭素系フィラーの面積 ／（樹脂の面積＋炭素系フィラーの面積）×１００・・・式（１）
樹脂と炭素系フィラーとの間に閾値を設定した２値化処理画像から、下記式（１）により炭素系フィラーの含有率を算出した。
炭素系フィラーの面積 ／（樹脂の面積＋炭素系フィラーの面積）×１００・・・式（１）
（平均二次粒径）
炭素系フィラーの平均二次粒径は、炭素系フィラーの投影面積と同じ面積の真円の直径を炭素系フィラーの粒径（円相当径）とし、視野中の炭素系フィラーの粒径を平均して平均二次粒径とした。
炭素系フィラーの平均二次粒径は、炭素系フィラーの投影面積と同じ面積の真円の直径を炭素系フィラーの粒径（円相当径）とし、視野中の炭素系フィラーの粒径を平均して平均二次粒径とした。
（ラマンスペクトル）
上記多孔質層のラマンスペクトルを、レーザラマン分光装置（Ｒａｍａｎｏｒ Ｔ－６４０００、Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ社製）により、５１４．５ｎｍのＡｒレーザ光を用いてレーザラマン分光法を用いて求め、Ｇバンドピーク波数とＧバンドの半値幅を測定した。
上記多孔質層のラマンスペクトルを、レーザラマン分光装置（Ｒａｍａｎｏｒ Ｔ－６４０００、Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ社製）により、５１４．５ｎｍのＡｒレーザ光を用いてレーザラマン分光法を用いて求め、Ｇバンドピーク波数とＧバンドの半値幅を測定した。
（熱分解温度）
多孔質層及び緻密層の樹脂の熱分解温度、並びに耐熱層の熱分解温度を、熱重量測定（ＴＧ）により測定した。
具体的には、１００ｍＬ／ｍｉｎの空気を試料室に流入させながら、１０℃／ｍｉｎで上昇させ、質量減少率が５％になる温度を熱分解温度とした。
多孔質層及び緻密層の樹脂の熱分解温度、並びに耐熱層の熱分解温度を、熱重量測定（ＴＧ）により測定した。
具体的には、１００ｍＬ／ｍｉｎの空気を試料室に流入させながら、１０℃／ｍｉｎで上昇させ、質量減少率が５％になる温度を熱分解温度とした。
（熱伝導率）
多孔質層の熱伝導率λ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を、下記式（２）により算出した。
λ＝ρＣｐα ・・・式（２）
但し、式（２）中、ρは多孔質層の密度、Ｃｐは多孔質層の比熱容量、αは多孔質層の熱拡散率を表す。
多孔質層の熱伝導率λ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））を、下記式（２）により算出した。
λ＝ρＣｐα ・・・式（２）
但し、式（２）中、ρは多孔質層の密度、Ｃｐは多孔質層の比熱容量、αは多孔質層の熱拡散率を表す。
上記多孔質層の密度ρは、基材の上に厚さ約１ｍｍの多孔質層を形成し、１３ｍｍ×５ｍｍの試験片を切り出してその重量を測定して、基材と多孔質層との密度を算出した後、基材の密度を差し引いて多孔質層の密度を算出した。
上記多孔質層の比熱容量Ｃｐは、多孔質層にテフロン（登録商標）テープを貼り、塩酸に浸漬させ、基材を完全に溶解させた。
次に、残った多孔質層をアセトンに浸漬させ、テフロン（登録商標）テープを第一層から剥離させ、粉末状の多孔質の試料を得た。
この試料１２ｍｇを、示差走査熱量測定装置（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製；ＤＳＣ－７型）を用い、アルゴンガス雰囲気下、測定温度２０℃で、多孔質層の比熱容量を測定した。
次に、残った多孔質層をアセトンに浸漬させ、テフロン（登録商標）テープを第一層から剥離させ、粉末状の多孔質の試料を得た。
この試料１２ｍｇを、示差走査熱量測定装置（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製；ＤＳＣ－７型）を用い、アルゴンガス雰囲気下、測定温度２０℃で、多孔質層の比熱容量を測定した。
上記多孔質層の熱拡散率αは、多孔質層を形成した基材側の面を１ｍｍまで研磨し、直径１０ｍｍの円板を切り出して試験片とした。
この試験片の面積熱拡散時間を、熱定数測定装置（アルバック理工株式会社製ＴＣ－７０００）を用い、レーザーフラッシュ法により、大気中、室温（２０℃）において、規格化された温度－時間曲線から算出した。
そして、面積熱拡散時間から多孔質層の熱拡散時間を算出し、多孔質層の熱拡散時間と多孔質層の膜厚とから、熱拡散率αを算出した。
この試験片の面積熱拡散時間を、熱定数測定装置（アルバック理工株式会社製ＴＣ－７０００）を用い、レーザーフラッシュ法により、大気中、室温（２０℃）において、規格化された温度－時間曲線から算出した。
そして、面積熱拡散時間から多孔質層の熱拡散時間を算出し、多孔質層の熱拡散時間と多孔質層の膜厚とから、熱拡散率αを算出した。
（熱容量）
多孔質層の容積比熱ＣＶ（Ｊ／（ｍ３・Ｋ））を、下記式（３）により算出した。
ＣＶ＝ＣＰρ ・・・式（３）
但し、式（３）中、ＣＰは多孔質層の比熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρは多孔質層の密度（ｋｇ／ｍ３）を表す。
多孔質層の容積比熱ＣＶ（Ｊ／（ｍ３・Ｋ））を、下記式（３）により算出した。
ＣＶ＝ＣＰρ ・・・式（３）
但し、式（３）中、ＣＰは多孔質層の比熱容量（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρは多孔質層の密度（ｋｇ／ｍ３）を表す。
（燃費）
ガソリンエンジンを用いた台上燃費試験に基づき、燃費特性の評価を行った。運転条件は国土交通省１０・１５モードを参考にして設定し、比較例３の燃費を０％とし、燃費向上率を測定した。
ガソリンエンジンを用いた台上燃費試験に基づき、燃費特性の評価を行った。運転条件は国土交通省１０・１５モードを参考にして設定し、比較例３の燃費を０％とし、燃費向上率を測定した。
評価結果を表１に示す。
炭素系フィラーを含有し、かつ閉空孔を有する実施例の遮熱部材は、炭素系フィラーを含有しない比較例１に比して、温度追従性が高く燃費性能が向上し、また、閉空孔を有しない比較例２に比して断熱性が高く燃費性能が向上している。
上記の結果から、本発明の遮熱部材によれば、低い熱伝導率と小さな熱容量とを両立でき、燃費性能が向上することがわかる。
また、カーボンブラックはグラファイトの配向性が低く、グラフェンに比して熱伝導性が低いため、遮熱膜の温度追従性が低くなり、グラフェンを用いた実施例に比して燃費性能が低下した。
上記の結果から、本発明の遮熱部材によれば、低い熱伝導率と小さな熱容量とを両立でき、燃費性能が向上することがわかる。
また、カーボンブラックはグラファイトの配向性が低く、グラフェンに比して熱伝導性が低いため、遮熱膜の温度追従性が低くなり、グラフェンを用いた実施例に比して燃費性能が低下した。
Claims (8)
- 基材と、
上記基材の表面に遮熱膜を備える部材であって、
上記基材が、アルミニウム、マグネシウム、鉄及びこれらの金属を含む合金から成る群から選ばれた少なくとも１種の材料であり、
上記遮熱膜が、基材側から、少なくとも閉空孔を有する多孔質層と、上記多孔質層を覆い該多孔質層の空孔が遮熱膜の表面に開口しないように封止する緻密層とを有し、
上記多孔質層と上記緻密層とが、
ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂から成る群から選ばれた少なくとも１種の樹脂と、該樹脂中に分散して熱伝導率の向上に寄与する炭素フィラーと、を含み、
上記炭素フィラーの平均二次粒径が１０μｍ以下であり、
上記多孔質層は、上記炭素フィラーの含有率が１％以上２２％以下、平均径が１～２００μｍであり、その空孔率が２５％以上８０％以下であり、
上記樹脂の熱分解温度が３５０℃以上であることを特徴とする遮熱部材。 - 上記閉空孔が、複数の孔が繋がった連通孔を含むことを特徴とする請求項１に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層のラマン分光スペクトルが、５１４．５ｎｍのＡｒレーザ光を用いたとき、ピーク波数１５７７ｃｍ－１～１５８１ｃｍ－１にグラファイト構造由来のＧバンドを有し、かつそのバンド幅が２５ｃｍ－１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の上記炭素フィラーの含有率が、８％以上２２％以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の上記炭素フィラーの含有率が、１３％以上２２％以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つの項に記載の遮熱部材。
- 上記多孔質層の空孔内に、炭素フィラーが存在することを特徴とする請求項１～５のいずれか１つの項に記載の遮熱部材。
- 上記樹脂が、ポリイミド樹脂を含むことを特徴とする請求項１～６のいずれか１つの項に記載の遮熱部材。
- 最表面に耐熱層を有し、
上記耐熱層の熱分解温度が５００℃以上であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１つの項に記載の遮熱部材。
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