JPH02216789A

JPH02216789A - 電磁エネルギー変換発熱材

Info

Publication number: JPH02216789A
Application number: JP1038591A
Authority: JP
Inventors: Mitsumasa Oku; 奥　光正; Kohei Shioda; 浩平塩田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1990-08-29
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPH061718B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、電磁エネルギー変換発熱材に関する。

さらに詳しくは、電磁エネルギーを熱に変換し、熱利用
を図る電磁エネルギー変換発熱材に関する。

さらに詳しくは、熱変換効率が極めて高く、耐久性に優
れ、しかも発熱の度合いにより色変化（３００〜３５０
”Ｃにて白色から黄色に変化し、可逆的である）する電
磁エネルギー変換発熱材に関する。

従来の技術電磁エネルギー変換発熱材としては、誘電体損失や磁性
体損失を利用したものと、抵抗材を利用したものがあり
、効率等の面から抵抗材が利用される場合が多かった。

具体的な抵抗体材料としては、カーボン系（粉、繊維、
ウィスカー、焼結体など）が最も多いが、最近では、炭
化けい素（繊維、ウィスカー、粉、焼結体など）や絶縁
性の繊維やウィスカー（チタン酸カリウムウィスカー等
）等の表面を導電処理（還元処理や導電物質のコートな
ど）した材料の他、導電性亜鉛華等の導電性金属酸化物
（粉、焼結体など）も検討されてきた。

発明が解決しようとする課題しかるに、カーボン系発熱材は、過熱した場合、カーボ
ンの酸化が進み燃焼に至る欠点がちシ、安全性と耐久性
に問題があった。

また、炭化けい素糸と導電性亜鉛華系などは、電磁エネ
ルギー−熱変換効率が低い点が問題であった。

さらに、表面を導電処理した材料では、熱変換効率が低
い点と、発熱サイクル時に導電処理部が劣化するため耐
久性に問題があった。

本発明は上記問題点に鑑み鋭意研究を重ねられた上でな
されたもので、耐久性及び、電磁エネルギー−熱変換効
率に優れ、その上不燃性で過熱表示（色変化）も可能な
安全性に優れた電磁エネルギー変換発熱材を提供するも
のである。

課題を解決するための手段本発明者は上記目的を達成するため鋭意研究の結果、電
磁エネルギー変換発熱材として全く新規な酸化亜鉛ウィ
スカーを用い下記の手段により上記目的を悉く達成する
ことを見い出した。

即ち、本発明は酸化亜鉛ウィスカーを発熱剤とした電磁
エネルギー変換発熱材である。

また１本発明は、酸化亜鉛ウィスカーの基部から先端ま
での長さが１０μｍ以上である酸化亜鉛ウィスカーを発
熱剤とした電磁エネルギー変換発熱材である。

さらに、酸化亜鉛ウィスカーが、核部とこの核部から異
なる複数軸方向に伸びた針状結晶部を具備した酸化亜鉛
ウィスカーを発熱剤とした電磁エネルギー変換発熱材で
ある。

さらには、上記複数軸方向の軸数が４なる酸化亜鉛ウィ
スカーを発熱剤とした電磁エネルギー変換発熱材である
。

作用酸化亜鉛ウィスカーを用いた電磁エネルギー変換発熱材
は、従来の材料に比べてはるかに高効率に熱変換するが
、その作用機構は未だ充分には明らかになっていない。

しかし現時点では次の如く考えられる。

まず、本発明に用いる酸化亜鉛ウィスカーの一例を、電
子顕微鏡写真第１図で示す。

酸化亜鉛（以下、ＺｎＯと記す）ウィスカーは、金属酸
化物で、数あるウィスカーの中でも極立って完全な単結
晶体であり、その表面の光沢も素晴らしく、結晶学的に
、過剰なＺｎ原子が作用して、ウィスカー自体の導電性
を促し、ウィスカー全体が半導電性である。従って、ウ
ィスカー単結晶全体がくまなく均一な発熱体であるため
、高効率な発熱体となる。さらに、このウィスカーは、
形状的に極めて特異であり、テトラポット構造の３次元
構造をしており、集合された場合容易に３次元メツシュ
構造を作り、ループアンテナの構造となる。さらに、こ
の先鋭な先端が高効率な発熱に寄与することも考えられ
る。またこのウィスカーは。

その単結晶が無色透明で、それぞれのウィスカーは極め
て端正で表面の凹凸もほとんどみられない極めて稀有な
ウィスカーである。この特異な３次元メツシュ構造と、
ＺｎＯウィスカー特有の性状のために、電磁波を効果的
に全熱材内部まで導くことができ高効率に電磁エネルギ
ーを熱に変換することができる。

また、このＺｎＯウィスカーは、光をよく吸収し光導電
性の性質が極めて強く、他の多くのウィスカー類とは著
しく異なる。さらに、ＺｎＯは多くのフェライト中に配
合されて、特異な磁性特性な現出させる等、磁気的環境
下においても極めて特異なふるまいをする材料である。

またａ化率（ｍａｇｎｅｔｉｃ　５ｕＳｃｅｐｔｉｂｉ
ｌｉｔｙ）は−０，３１Ｘ　１０−’１０’ｃ（ｃ、ｇ
、ｇ単位）で反磁性を示す材料で、磁気的効果も考えら
れる。すなわち、ＺｎＯウィスカー独特の結晶的、形状
的、導電的、磁気的性質が作用して、これまでの発熱材
よシはるかに高効率に電磁エネルギーを熱に変換するも
のと考えられる。

またＺｎＯウィスカーは金属酸化物であるため、過熱し
ても酸化が進んだシ、燃焼したシすることがなく、耐久
性と安全性に優れた発熱材である。

さらに、ＺｎＯは３００〜３５０’Ｃ以上で白色から黄
色に変色（可逆性）し、過熱表示の要素を具備した発熱
材となる。

実施例以下に実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこ
れに限定するものではない。

本発明では電磁エネルギー変換発熱体として全く新規な
ＺｎＯウィスカーを用いる。このＺｎＯウィスカーの中
でも特に特性的に棒立つのがテトラポット構造（第１図
）のＺｎＯウィスカーである。

このＺｎＯウィスカーは、表面に酸化皮膜を有する金属
亜鉛粉末を酸素を含む雰囲気下で加熱処理して生成する
ことができる。得られたテトラポット状ＺｎＯウィスカ
ーは、みかけの嵩比重０．０２〜０．１を有し、７０ｗ
ｔ％以上の高収率で極めて量産的である。第１図および
第２図はその電子顕微鏡写真で生成品の一例を示す。こ
れによると、前記の形状的、寸法的特長が明確に認めら
れる（テトラポット構造）。

ところで、テトラポット状ＺｎＯウィスカーの針状結晶
部が、３軸、あるいは２軸、さらには１軸のものが混入
する場合があるが、これは元来４軸の結晶の一部が折損
したものである。また、ゴムプラスチック、セラミック
等にこのテトラポット状ＺｎＯウィスカーを混入すると
混合時にテトラポット構造がくずれて、単純な針状ウィ
スカーに変化する場合が多い。

このテトラポット状ＺｎＯウィスカーのＸ線回折図をと
ると、すべてＺｎＯのピークを示し、また電子線回折の
結果も、転移、格子欠陥の少ない単結晶性を示した。ま
た、不純物の含有量も少なく、原子吸光分析の結果、Ｚ
ｎＯが９９．９８％であった。

また、電磁エネルギー−熱変換効率の点から、針状結晶
部の長さが１０μｍよシ小さなウィスカーが大きな割合
（例えば９５　ｗｔ％以上）を占める系は好ましくない
。好ましくは、長さが５０μｍ以上のウィスカーを３ｗ
ｔ％以上用いるのが望ましい。さらに望ましくは、長さ
が８０μｍ以上のＺｎＯウィスカーを７０ｗｔ％以上用
いるのが好ましい。また、ウィスカーのアスペクト比は
平均値で１０以上が望ましい。本発明で用いるウィスカ
ーの抵抗値範囲としては、圧粉状態（５１４／ｃｔｌ　
）で１０〜１ｏ　Ω−信の範囲が可能であシ、用途によ
り使い分けるが、エネルギー変換効率の高さと実用面か
ら５×１０〜３×１００−けの範囲が望ましく、その上
、特に生産工程と生産コストを考慮に入れると１０〜１
ｏ　Ω−ｃｍ　（この場合、ウィスカー単結晶の比抵抗
は１ｏΩ−備前後と考えられている。）の範囲が特に有
効である。抵抗値は、ウィスカー製造時の焼成条件や、
環元焼成処理あるいは他の元素（例えば、ムｌ、Ｌｉ、
（ｕなど）を適切な方法でドープすることにより変える
こともできる。次に本発明の発熱体は、種々の形態で用
いられることができる。すなわち、ＺｎＯウィスカーの
粉体状態、堆積物状態、焼結状態、その他、樹脂、ゴム
、セラミック、ガラス、塗料、等への分散状態などにお
いて用いられる。

粉体状態のＺｎＯウィスカーは、セラミック、ガラス、
樹脂、ゴム、等の固体の容器に入れたシ、それらの材料
で封じ込めて用いる他、水、油などの液体中や液体と併
存した形態で発熱体として用いられることができる。

また、ＺｎＯウィスカーの堆積物状態とは、抄紙（紙す
き）法によるウィスカー紙や、湿式濾過法（真空濾過な
ど）によるＺｎＯウィスカー〇ｐ過堆積物などがある。

この場合、適切な有機や無機系のバインダを用いること
があシ、特に耐熱性に優れた無機系のバインダが良好な
結果を、もたらすことができる。

さらに、ＺｎＯウィスカー集合体を適当な圧力でプレス
しながら、あるいはプレスした後で、適当な温度（ＳＯ
Ｏ〜１６ｏＯ℃）で焼結した焼結体を用いることができ
る。この場合、一般に用いられる焼結助剤を適当量用い
ると効果的である。プレス圧は、特に限定するものでな
いが１〜２０００に９／＝Ｏ範囲テプレスし、特に１０
〜５００　ｋｇ　／ｄにおいて良好な結果をもたらすこ
とができる。

さらに、各種マトリックス中へＺｎＯウィスカーを分散
させて発熱体を構成することができる。

マ）　ＩＪフックスして用いる樹脂としては、耐熱性の
高いスーパーエンジニアリングプラスチックから、汎用
エンジニアリングプラスチックまで、用途により使い分
ける。

具体的には、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂のいずれをも
用いることができる。

次に、熱硬化性樹脂では、エポキシ樹脂、不飽和ポリエ
ステル樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、メラミンー
ユリア樹脂、フェノール樹脂、等が適用できる。

また、熱可塑性樹脂としては、ポリ塩化ビニール、ポリ
エチレン、塩素化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート
、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポ
リエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポ
リエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ムＢ
Ｓ樹脂、ポリスチレン、ポリブタジェン、メチルメタア
クリレート、ポリアクリルニトリル、ポリアセタール、
ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド、エチレ
ン−酢ビ共重合体、ポリ酢酸ビニール、エチレン−テト
ラ７０口エチレン共重合体、芳香族ポリエステル、ポリ
弗化ビニール、ポリ弗化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデ
ン、テフロン等が適用される。

マトリックスとして用いるゴム材料としては、天然ゴム
や合成ゴムが用いられるが特に耐熱性の優れたゴムが良
好な結果を与える。

そのため、シリコーンゴムが最も適し、次にアクリル系
ゴムが良い結果をもたらすことができる。

その次に、ブタジェン系ゴムとインブチレン系ゴム、ウ
レタン系ゴム、インシアナート系ゴムが優れ、用途によ
っては、クロロブレン系ゴムや、ふっ素糸ゴムも用いら
れることができる。

これらの樹脂やゴムは、　ＺｎＯウィスカーを混練、攪
拌して分散させた後、成形や注型等の手法により発熱体
を形成する。

また、各種塗料材料中に分散し、塗料発熱体を構成する
ことができる。

さらには、各種無機質固体材料（粉状、繊維状。

フレーク状１粒状、バルク状）を保持材としてＺｎＯウ
ィスカーを分散させ発熱体を構成することができる。

具体的には、はうろうやガラスや各種セラミック中に分
散した固体発熱体や、粘土粉、ガラス繊維、アスベスト
、マイカ、砂等にＺｎＯウィスカーを分散させて、発熱
粉体、発熱繊維集合体、などを構成することができる。

これら分散状態で用いる系においては、電磁エネルギー
の大きさや、ＺｎＯウィスカーの大きさ、マ）　ＩＪフ
ックス料や保持材料の種類により変わるが、概略Ｓｗｔ
％以上分散させることにより発熱効果が十分現われ、１
０ｗｔ％以上で顕著となる。

また、場合により、他の電磁エネルギー変換発熱体材料
（カーボン系、炭化けい素糸、フェライト系、金属系）
と混合して用いたり、併用することも可能である。

次に本発明の発熱体を加熱する電磁波は、効率的、効果
的に誘導加熱する限り、その周波数と強度を限定するも
のでなく、具体的には、高周波加熱炉や電子レンジ（２
，４５ＧＲＺ　）、などにおいて有効に用いることがで
きる。

（実施例１）前記の方法で生成したＺｎＯウィスカーは、基部から先
端までの長さが８０〜１５０μｍ、基部の径が０．３〜
２．５μｍに分布しており、大部分がテトラポット構造
をしていた。

このＺｎＯウィスカーの一部を採取して平行平板電極（
銀メツキ、電極面積＝２ｄ）にはさみ、５に９／ｄでプ
レスしたところ、ＺｎＯウィスカーの層厚は２００μｍ
１１となり、ｎｃｅｏｖ印加で３００ｍ人流れた。すな
わち、Ｂｋｆ／ｄのプレスで２　Ｘ　１０’Ω−１の圧
粉状態となる抵抗値を持つＺｎＯウィスカーであること
がわかった。

このＺｎＯウィスカーを蒸留水中に静かに攪拌しながら
十分に分散し、真空濾過して十分に水分を除き、３０酪
厚の濾過堆積物を得、これを１６０℃／１２時間の条件
で熱風乾燥した。その後、２５ｒｒｒ１ｎ立方の大きさ
に切り出し、この試料を電子レンジ（松下電器産業（株
）　−）ＬＥ−Ｍ３１５　、６００Ｗ）に入れ、中央の
アルミナセラミック板上に設置し、電源を入れたところ
、３０秒後には試料が赤熱し、完全な発熱体となってい
ることがわかった。この試料を取り出すと、黄変してお
り、大気中で冷却されることにより、急に、元の白色に
戻った。

（実施例２）実施例１と同じＺｎＯウィスカーを採取し、１ｏ。

ｋｌ／ｃ４の圧力でプレスし、直径２σ、厚さ６酎のベ
レット状試料を得た。この試料を１３６０℃７６時間の
条件で焼成し焼結体を得た。冷却したのち、実施例１と
同じ電子レンジを用いて、中央のアルミナセラミック板
上に置いて、スイッチを入れ、１分後出したところ、試
料は黄変し、３００℃以上発熱していることを示し、大
気中で冷却するに従って白色に戻った。一方、試料の下
のアルミナセラミック板は１手でされってやや温かみを
感じる程度の加熱状態であり、この焼結体が明らかに完
全な発熱体になっていることがわかった。

（実施例３）実施例１と同様の方法で生成したＺｎＯウィスカーは、
基部から先端までの長さが５０〜１００μｍで、基部の
径が、０．２〜０．８μｍに分布しており。

大部分がテトラボット構造をしていた。このウィスカー
をポリプロピレン樹脂中に混練しく　２１．５ｗｔ％）
、射出成形にて、厚さ３ｒｒｒｍ（１０ｃ１ｎ角）の板
状試料を得た。この試料を実施例１と同じ電子レンジ中
で２０秒間、電波にさらしたところ、試料表面は７２℃
になった。一方、比較のためにＺｎＯウィスカーを混入
しない同一形状のポリプロピレン板の表面温度は３３℃
であった。

（実施例４）第１表に示す各種粉体をそれぞれ１ｏＱｃｃのビー力に
、１００００だけ採取しく特に圧縮しない）、実施例１
と同じ電子レンジ中で１分間電波にさらしたところ、大
きさの大きなＺｎＯウィスカーにおいて発熱が特に大き
いことがわかった。温度測定は、ビー力を電子レンジか
ら出した直後に、ビー力中央に留意温度計（直径７咽）
を挿入し、目盛を読んだものである。

（以下余白）発明の効果現在では、電子レンジが各家庭に普及し、また高周波加
熱の技術も至るところに適用されている。

その様な情況の下で、各種目的のため高効率な電磁エネ
ルギー変換発熱材が強く求められてきた。

また将来的にも、エネルギーの電波移送を実現するため
にも超高効率な電磁エネルギー変換発熱材が不可欠とな
る。この意味で本発明は、極めて適用範囲が広く、その
産業性は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の電磁エネルギー変換発熱
材に用いるＺｎＯウィスカーの結晶構造を示す電子顕微
鏡写真である。代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名／θ
０μ凰・′タテ”

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化亜鉛ウィスカーを発熱剤とした電磁エネルギ
ー変換発熱材。
（２）酸化亜鉛ウィスカーの基部から先端までの長さが
１０μｍ以上である請求項１記載の電磁エネルギー変換
発熱材。
（３）酸化亜鉛ウィスカーが、核部とこの核部から異な
る複数軸方向に伸びた針状結晶部を具備した酸化亜鉛ウ
ィスカーである請求項１または２記載の電磁エネルギー
変換発熱材。
（４）複数軸方向の軸数が４なる酸化亜鉛ウィスカーで
ある請求項３記載の電磁エネルギー変換発熱材。