JP7471197B2 - 熱伝導性フィラー、熱伝導性複合材料、ワイヤーハーネス、および熱伝導性フィラーの製造方法 - Google Patents
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Description
最初に、本開示の実施形態を列記して説明する。
以下に、本開示の実施形態にかかる熱伝導性フィラー、熱伝導性複合材料、ワイヤーハーネス、および熱伝導性フィラーの製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。本開示の実施形態にかかる熱伝導性フィラーを含んで、本開示の実施形態にかかる熱伝導性複合材料が構成される。また、本開示の実施形態にかかる熱伝導性複合材料を含んで、本開示の実施形態にかかるワイヤーハーネスが構成される。さらに、本開示の実施形態にかかる熱伝導性フィラーを、本開示の実施形態にかかる製造方法によって、製造することができる。
まず、本開示の一実施形態にかかる熱伝導性フィラー(以下、単に「フィラー」と称する場合がある)について説明する。
図1Aに示すように、本開示の一実施形態にかかる熱伝導性フィラー10は、基材粒子11と、被覆層12とを有しており、粒子状となっている。被覆層12は、基材粒子11の表面を被覆している。
基材粒子11は、上記のように、被覆層12に含有される熱伝導性物質12bよりも小さな比重を有している。そのような比重を有するものであれば、基材粒子11の具体的な構造や構成材料は、特に限定されるものではない。基材粒子11の構造としては、固体物質が全域を占める中実体、内部に固体物質に占められない空洞の中空部を有する中空体、固体物質に占められない微細な孔部を多数有する多孔体等を例示することができる。図1Aに示した形態では、基材粒子11が、中空部11aを有する中空粒子である場合を示している。
被覆層12においては、ゲル状物質12aが、基材粒子11の表面を被覆した状態で、基材粒子11の表面に化学結合を介して結合されている。そのゲル状物質12aの層内に、熱伝導性物質12bが分散されて保持されている。
被覆層12を構成するゲル状物質12aは、ゲル状態を形成することができ、かつ基材粒子11の表面の官能基と化学結合を形成可能な官能基を有するものであれば、特に限定されない。フィラー10において、被覆層12を構成するゲル状物質12aは、水や他の溶媒を取り込んで膨潤した状態にあっても、それらの溶媒が、乾燥や抽出によって除去された状態にあってもよい。フィラー10の安定性や扱いやすさ等の観点から、ゲル状物質12aは、溶媒が除去された状態にあることが好ましい。
被覆層12に含有される熱伝導性物質12bは、基材粒子11およびゲル状物質12aよりも高い熱伝導率と、大きな比重を有し、かつゲル状物質12aに分散可能なものであれば、種類や形状を特に限定されるものではない。しかし、熱伝導率の高さとゲル状物質12aに対する分散性の観点から、熱伝導性物質12bは、金属、金属化合物、炭素材料等の無機物質の粒子として構成されていることが好ましい。
次に、上記の熱伝導性フィラー10を製造することができる、本開示の一実施形態にかかる熱伝導性フィラーの製造方法について説明する。熱伝導性フィラー10は、ゲル準備工程と、被覆工程とを実施することで、製造することができる。
次に、本開示の一実施形態にかかる熱伝導性複合材料(以下、単に複合材料と称する場合がある)について説明する。本実施形態にかかる熱伝導性複合材料1は、図1に示すように、上記で説明した本開示の実施形態にかかる熱伝導性フィラー10と、マトリクス材料2とを含んでいる。マトリクス材料2の中に、フィラー10が分散されている。
最後に、本開示の実施形態にかかるワイヤーハーネスについて説明する。本実施形態にかかるワイヤーハーネスは、上記で説明した本開示の実施形態にかかる熱伝導性複合材料1を含むものである。図2に示すように、ワイヤーハーネス5は、電線導体の外周に絶縁被覆を設けた絶縁電線51の端末部に、接続端子(不図示)を含んだコネクタ52が設けられたものである。ワイヤーハーネス5において、絶縁電線51が複数束ねられていてもよく、この場合に、絶縁電線51を束ねる外装材として、テープ53を用いることができる。
(1)フィラーの作製
まず、基材粒子の表面に被覆層を有するフィラーとして複数のものを準備した。フィラーの作製に際し、原料粒子に表面処理を施すとともに、ゲル準備工程において、混合ゲルを調製したうえで、被覆工程において、原料粒子の表面に、被覆層を形成した。
基材粒子として、アミノ基を表面に導入したガラス中空粒子を準備した。具体的には、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラス製中空粒子(スリーエム社製「グラスバブルズ iM16K」;メジアン径20μm;比重0.46)を未処理ガラス中空粒子(GB)として準備した。そして、5gのGBと、100mLのアセトンを、ナスフラスコに入れ、室温にて穏やかに攪拌し、懸濁させた。さらに、攪拌を続けながら、0.5gの3-アミノプロピルトリエトキシシラン(AP)((C2H5O)3Si-C3H6-NH2)を懸濁液に添加した。そのまま室温にて2時間攪拌後、冷却管を取り付け、200mLの純水を加えて、50℃で24時間攪拌した。その後、濾過・風乾し、さらに140℃のオーブンにて24時間加熱した。以上の工程により、アミノプロピルトリエトキシシランで表面処理された基材粒子(AP-GB)を得た。アミノプロピルトリエトキシシランは、シロキサン結合を介して、ガラス中空粒子の表面に結合され、粒子の表面にアミノ基が結合した状態となっている。
ゲル状物質を形成する原料となるゲル化高分子材料として、以下のものを準備した。
・PAA:ポリアクリル酸(平均分子量 約1,000,000;富士フィルム和光純薬社製)
・EAA:(エチレン-アクリル酸共重合体;アクリル酸含有量 15質量%;シグマ・アルドリッチ社製)
・CF:炭素繊維(10μm長,150nm径;昭和電工社製 気相法炭素繊維 VGCF)
・AlO:α-アルミナ(0.5μm径;富士フィルム和光純薬社製)
・MgO:酸化マグネシウム(7~15μm径;宇部マテリアルズ社製)
上記ゲル準備工程で調製した混合ゲルの攪拌を続けながら、表1に記載した投入量の基材粒子(表面処理していないGBまたはAP-GB)を混合ゲル中に投入し、再び還流管を取り付けて、60℃にて2時間攪拌し、基材粒子を分散させた。その後、分散液を常温に冷却した。そして、別のビーカーに1Lのイソプロパノールを攪拌しながら、上記分散液を少しずつ加え、懸濁液とした。得られた懸濁液を吸引濾過し、得られた濾過物を80℃にて24時間乾燥した。このようにして、熱伝導性フィラーを得た。
上記で作製した各フィラーをマトリクス材料に分散させ、試料A1~A14および試料B1~B7にかかる複合材料を調製した。ここで、複合材料を構成するマトリクス材料は、以下の2液系エポキシ樹脂の硬化物とした。
・エポキシ主剤:ビスフェノールAのグリシジルエーテル(三菱化学社製「jER828」;エポキシ当量:190g/eq.)
・エポキシ硬化剤:アミンタイプ(三菱化学社製「ST12」;アミン価:345~385KOHmg/g)
上記で作製した各フィラーを、流動パラフィンに分散させて、光学顕微鏡にて観察し、フィラー粒子の状態を評価した。
作製したフィラーの代表として、図3A,3Bにそれぞれ、フィラー「30-PC80」および「30-PA80」の光学顕微鏡像を示す。それぞれ、左側の像が、粒子の中心部に焦点を合わせたもの、右側の像が、粒子の表面部に焦点を合わせたものである。2種のフィラーのいずれにおいても、主に粒子の中心部に焦点を合わせた像で見られるように、基材粒子が、中空の状態を維持している。そして、主に粒子表面部に焦点を合わせた像で見られるように、中空の基材粒子の表面に、ややぼんやりとした層状に観測されている領域が、混合ゲルより形成された被覆層に対応している。「30-PC80」の像で、被覆層において、多数の棘のように観察される細長い構造が、熱伝導性物質として添加した炭素繊維に対応している。また、「30-PA80」の像で、被覆層において、暗い影のように観察される多数の点状の構造が、熱伝導性物質として添加したアルミナ粒子に対応している。
10 (熱伝導性)フィラー
11 基材粒子(中空粒子)
11a 中空部
11b 殻
12 被覆層
12a ゲル状物質
12b 熱伝導性物質
2 マトリクス材料
5 ワイヤーハーネス
51 絶縁電線
52 コネクタ
53 テープ
Claims (19)
- 基材粒子と、
前記基材粒子を被覆する被覆層と、を有し、
前記被覆層は、
分子間で結合を形成したネットワーク状の架橋構造を有し、前記基材粒子の表面に、共有結合よりなる化学結合を介して結合されて、前記基材粒子の表面を被覆するゲル状物質と、
前記ゲル状物質の層内に分散された、前記基材粒子および前記ゲル状物質よりも高い熱伝導率と大きな比重を有する熱伝導性物質と、を含む、熱伝導性フィラー。 - 前記熱伝導性物質は、形状に異方性を有する粒子として構成されている、請求項1に記載の熱伝導性フィラー。
- 基材粒子と、
前記基材粒子を被覆する被覆層と、を有し、
前記被覆層は、
前記基材粒子の表面に、化学結合を介して結合されて、前記基材粒子の表面を被覆するゲル状物質と、
前記ゲル状物質の層内に分散された、前記基材粒子および前記ゲル状物質よりも高い熱伝導率と大きな比重を有し、形状に異方性を有する粒子として構成されている熱伝導性物質と、を含む、熱伝導性フィラー。 - 前記熱伝導性物質は、炭素繊維である、請求項2または請求項3に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記基材粒子は、中空状である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記基材粒子は、ガラスの中空体として構成されており、前記ゲル状物質が有する官能基と化学結合を形成することができる官能基を、表面に有する、請求項5に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記ゲル状物質は、カルボニル基を有し、
前記基材粒子は、表面に、塩基性基を有し、
前記ゲル状物質は、前記カルボニル基と前記塩基性基の間の化学結合を介して、前記基材粒子の表面に結合されている、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラー。 - 基材粒子と、
前記基材粒子を被覆する被覆層と、を有し、
前記被覆層は、
前記基材粒子の表面に、化学結合を介して結合されて、前記基材粒子の表面を被覆するゲル状物質と、
前記ゲル状物質の層内に分散された、前記基材粒子および前記ゲル状物質よりも高い熱伝導率と大きな比重を有する熱伝導性物質と、を含み、
前記ゲル状物質は、カルボニル基を有し、
前記基材粒子は、表面に、塩基性基を有し、
前記ゲル状物質は、前記カルボニル基と前記塩基性基の間の化学結合を介して、前記基材粒子の表面に結合されている、熱伝導性フィラー。 - 前記基材粒子は、中空状である、請求項8に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記基材粒子は、ガラスの中空体として構成されており、前記塩基性基を、表面に有する、請求項9に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記ゲル状物質は、前記カルボニル基としてカルボキシル基を有する有機ポリマーを含む、請求項7から請求項10のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラー。
- 前記基材粒子は、表面に、前記塩基性基として、一級アミノ基を有する、請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラー。
- 比重が1.8以下である、請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラー。
- 請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラーと、マトリクス材料と、を含み、
前記熱伝導性フィラーが前記マトリクス材料中に分散されている、熱伝導性複合材料。 - 前記マトリクス材料は、有機ポリマーを含む、請求項14に記載の熱伝導性複合材料。
- 比重が1.4以下である、請求項14または請求項15に記載の熱伝導性複合材料。
- 室温における熱伝導率が、0.9W/(m・K)以上である、請求項14から請求項16のいずれか1項に記載の熱伝導性複合材料。
- 請求項14から請求項17のいずれか1項に記載の熱伝導性複合材料を含む、ワイヤーハーネス。
- 前記ゲル状物質を、前記熱伝導性物質を内部に分散させた状態で準備するゲル準備工程と、
前記ゲル準備工程において準備した、前記熱伝導性物質が分散された前記ゲル状物質を、化学結合を介して前記基材粒子の表面に結合させる被覆工程と、を含んで、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の熱伝導性フィラーを製造する、熱伝導性フィラーの製造方法。
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