JPWO2012011356A1 - 高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物及び成形体 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、(A)ポリカーボネート系樹脂100重量部に対し、(B)黒鉛化されてなる炭素繊維であって、長さ方向の熱伝導率が100W/m・K以上、かつ繊維平均径5〜20μmの炭素繊維5〜40重量部未満、及び(C)熱伝導率が10W/m・K以上で平均粒子径が1〜500μmの熱伝導性粉体(但し窒化ホウ素を除く)5〜100重量部以下含有してなる熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物が記載されている。
しかも、真球度の高いガラスビーズは、配合により組成物の粘性を高めることがなく、また、表面積が小さく、表面が曲面で角がない上に、ガラス自体、それほど高硬度なものではないため、組成物の混練時に黒鉛化炭素繊維を傷付け難い。このため、混練時に黒鉛化炭素繊維が折れて繊維長が短くなることが防止される点においても、黒鉛化炭素繊維のネットワークを形成し易く、熱伝導性が高められる要因となる。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物は、(A)ポリカーボネート樹脂を主成分とする樹脂成分と特定の(B)黒鉛化炭素繊維と(C)ガラスビーズとを含み、更に(D)ガラスフレークとを含むものであってもよく、好ましくは更に、(E)リン系難燃剤、(F)シリコーン系難燃剤、(G)金属塩系難燃剤等の難燃剤や、(H)フッ素系樹脂を含み、必要に応じて更に(I)離型剤等の各種の添加剤を含むものである。
向し、導電パスの形成を阻害するため、導電性を有する炭素繊維を用いても組成物の絶縁性を確保することが出来るためである。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物に用いられる樹脂成分は、ポリカーボネート樹脂を主成分とするものである。ここで「主成分」とは、樹脂成分中50質量%以上を占める成分をさす。
ポリカーボネート樹脂としては、芳香族ポリカーボネート樹脂、脂肪族ポリカーボネート樹脂、芳香族−脂肪族ポリカーボネート樹脂を用いることができるが、中でも芳香族ポリカーボネート樹脂が好ましい。これらのポリカーボネート樹脂は1種を単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
本発明で用いられる好ましい他の熱可塑性ポリエステル樹脂のポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)としては、ジメチルテレフタレートとエチレングリコールのエステル交換反応、又はテレフタル酸とエチレングリコールの直接エステル化反応のいずれで製造されたものでも良い。
本発明で用いられるポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT)としては、ジメチルテレフタレートと1,4−ブタンジオールのエステル交換反応によるDMT法、テレフタル酸と1,4−ブタンジオールの直接重合法のいずれで製造されたものでも良い。
また、本発明で用いられる好ましい他の熱可塑性樹脂として、スチレン系樹脂も挙げられる。スチレン系樹脂としてはアクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−エチレンプロピレンゴム−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン−アクリルゴム共重合体等が例示できる。これらスチレン系樹脂の重合方法として塊状重合法や乳化重合法が例示できるが、塊状重合法により重合された樹脂が望ましい。
本発明で用いる(B)黒鉛化されてなる炭素繊維は、長さ方向の熱伝導率が100W/m・K以上、好ましくは400W/m・Kで、繊維平均径5〜20μmの炭素繊維である。
従って、(B)黒鉛化炭素繊維の平均繊維径は5〜20μm、好ましくは7〜15μmである。
本発明では組成物中に上記の(B)黒鉛化炭素繊維の熱伝導性の良好なネットワークを形成させて、組成物の熱伝導率をより一層高めるために(C)平均粒子径1〜100μmで真球度1〜2のガラスビーズを配合する。なお、(C)ガラスビーズ自体は熱伝導性材料ではなく、その熱伝導率は通常1.0W/m・K以下である。
上記の平均粒子径や真球度は、粒度分布測定機を用いて測定することもできる。
(B)/(C)(質量比)が0.1未満であると、炭素繊維の量が不十分であるため炭素繊維同士のネットワークが形成されず、1以上であると、ガラスビーズによる排斥効果が充分に得られず、熱伝導率向上効果が充分に得られない。
(B)/(C)(平均径比)が0.05未満であるとガラスビーズによる排斥効果が充分に得られず、20以上になるとガラスビーズが炭素繊維の配向を妨げ、ネットワークが形成されず熱伝導率向上効果が充分に得られない。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物は、上記(A)樹脂成分及び(B)黒鉛化炭素繊維、(C)ガラスビーズの他、本発明の目的を損なわない範囲で、以下のようなその他の成分を含有していても良い。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物は、(D)平均粒子径10〜4000μm、アスペクト比2〜200のガラスフレークを含有していてもよく、このようなガラスフレークの所定量を含有することにより、高い熱伝導性を保持しつつ、樹脂組成物に絶縁性を付与することができる。
また、(D)ガラスフレークのアスペクト比(平均粒子径/平均厚み)は2〜200であり、10〜180が好ましく、50〜150が特に好ましい。アスペクト比が2より小さいと(D)ガラスフレークを添加したことによる絶縁性の向上効果を十分に得ることが出来ず、200より大きいと組成物の混練時に(B)黒鉛化炭素繊維を傷付け易くなり、いずれも好ましくない。
平均粒子径が他の添加剤と比べて大きいガラスフレークは、その添加量が増えると外観不良の原因となることから、配合量を調整する必要がある。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物には、難燃性を付与するために難燃剤を配合することができる。
電気・電子機器の筐体等としての用途においては、多くの場合、難燃性も要求されることから、高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物に難燃剤を配合することは好ましい。
これらは単独で、又は2種以上を任意の割合で併用してもよい。
中でも(E)リン系難燃剤のうち、リン酸エステル系化合物は、流動性向上効果もあり、好ましい。
なお、(E)リン系難燃剤、(F)シリコーン系難燃剤及び(G)金属塩系難燃剤のうちの2種以上を併用してもよい。
(E)リン系難燃剤としては、下記の一般式(1)で表されるリン酸エステル系化合物(リン酸エステル系難燃剤)が好ましい。
tが0の場合、一般式(1)で表される化合物はリン酸エステルであり、tが0より大きい場合は縮合リン酸エステル(混合物を含む)である。本目的には縮合リン酸エステルが好適に用いられる。
このMVR値が大き過ぎると耐衝撃性が低下する事があり、小さ過ぎると成形時に金型充填不良となり製品が得られないことがある。
本発明における(F)シリコーン系難燃剤は、好ましくはシリコーン粉末であり、該シリコーン粉末は、好ましくはシリカ(f1)の表面にポリオルガノシロキサン重合体(f2)が担持されているものである。
(1) シリカ(f1)の表面に、官能基を有しないポリオルガノシロキサン重合体(f21)を担持したシリコーン粉末
(2) シリカ(f1)の表面に、メタクリル基またはエポキシ基の官能基を有するポリオルガノシロキサン(f22)を担持したシリコーン粉末
(3) 上記(1)および(2)の混合物
(G)金属塩系難燃剤としては、有機スルホン酸金属塩が好ましい。有機スルホン酸金属塩等の(G)金属塩系難燃剤を配合することにより、燃焼時の炭化層形成を促進し、難燃性をより高めることができると共に、ポリカーボネート樹脂が有する耐衝撃性等の機械的物性、耐熱性、電気的特性などの性質を良好に維持することができる。
アルカリ金属又はアルカリ土類金属のうち、アルカリ金属がさらに好ましく、ナトリウム、カリウム、セシウムまたはリチウムがより好ましく、さらにはナトリウム、カリウム、セシウムが、特にはナトリウム、カリウムが好ましい。
芳香族スルホン酸金属塩としては、芳香族スルホン酸のアルカリ金属塩がより好ましく、ジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム、ジフェニルスルホン−3−スルホン酸カリウム等のジフェニルスルホン−スルホン酸のアルカリ金属塩;パラトルエンスルホン酸ナトリウム、及びパラトルエンスルホン酸カリウム、パラトルエンスルホン酸セシウム等のパラトルエンスルホン酸のアルカリ金属塩;が特に好ましく、パラトルエンスルホン酸のアルカリ金属塩がさらに好ましい。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物には、燃焼時の滴下防止を目的として、滴下防止剤を配合することができる。滴下防止剤としては好ましくは(H)フッ素系樹脂を用いることができる。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物には、成形時の金型離型性を良好なものとするために(I)離型剤を配合することができる。
本発明の熱可塑性樹脂組成物には、衝撃強度向上のために、耐衝撃性改良剤としてエラストマーを配合することができる。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物には、上記の成分以外に、必要に応じて、紫外線吸収剤、酸化防止剤等の安定剤、顔料、染料、滑剤等の添加剤をそれぞれ必要量配合しても良い。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物を得るための方法としては、特に限定されず、各種混練機、例えば、一軸又は多軸混練機、バンバリーミキサー、ロール、ブラベンダープラストグラム等で、上記成分を所定の配合で混練した後、冷却固化する方法や、適当な溶媒、例えば、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素及びその誘導体に上記成分を添加し、溶解する成分同士、あるいは溶解する成分と不溶解成分を懸濁状態で混ぜる溶液混合法等が用いられる。工業的コストからは溶融混練法が好ましいが、これに限定されるものではない。溶融混練においては、単軸や二軸の押出機を用いることが好ましい。より好ましくは、二軸の押出機を用いるのが良い。
(A)樹脂成分がポリカーボネート樹脂以外の種類の樹脂を含む場合には、該(A)樹脂成分の一部とは、ポリカーボネート樹脂以外の樹脂であっても、ポリカーボネート樹脂とそれ以外の樹脂のアロイであっても良く、ポリカーボネート樹脂単独であっても良い。アロイの場合は、目的の樹脂組成物の比率と異なっていても良い。また、ポリカーボネート樹脂と他の樹脂とで、(B)黒鉛化炭素繊維の分散性に差がある場合は、(B)黒鉛化炭素繊維が良く分散する樹脂で、マスターバッチを調製するのが良い。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物を用いてポリカーボネート系樹脂成形体を得る方法は、特に限定されるものでなく、熱可塑性樹脂組成物について一般に用いられている成形法、例えば、射出成形、中空成形、押出成形、シート成形、熱成形、回転成形、積層成形等の成形方法を適用できるが、特に、本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物は、射出成形法、押出成形法等のように、成形中に樹脂組成物に剪断力が付与され、この結果、組成物中の(B)黒鉛化炭素繊維が配向するような成形法を採用するのが好ましい。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂成形体は、上述の本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物を射出成形法等により成形してなるものである。
本発明の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂成形体は、OA(Office Automation)機器部品や電気電子部品、精密機器部品に幅広く用いられるが、特にOA機器の筐体や電気電子機器の筐体に好適であり、適用される機器としては、例えば、ノート型パソコン、電子手帳、携帯電話、タブレット端末(PDA:Personal Digital Assistant)、スマートフォン、デジタルカメラ、プロジェクター、LED照明器具の放熱部材等が挙げられるが、本発明の特徴である高熱伝導性能を最も活かせる用途として、ノート型パソコンの筐体やLED照明器具の放熱部材が挙げられる。
以下の実施例及び比較例において、ポリカーボネート系樹脂組成物の配合成分として用いたものは次の通りである。
熱可塑性ポリエステル樹脂(ポリブチレンテレフタレート樹脂):三菱エンジニアリングプラスチックス(株)製 商品名「ノバレックス(登録商標)5008」
スチレン系樹脂(ABS樹脂):日本エイアンドエル(株)製 商品名「サンタック(登録商標)AT−08」
黒鉛化炭素繊維:三菱樹脂(株)製 商品名「ダイアリードK223HE」、平均繊維径11μm、繊維長さ6mm、長さ方向の熱伝導率600W/m・K
((B)/(C)(平均径比)=0.55)
ガラスフレーク:日本板硝子(株)製 商品名「ガラスフレークREFG101」、平均粒子径600μm、アスペクト比120
ガラス繊維:日本電気硝子(株)製 商品名「T−571」、平均繊維径13μm、繊維長さ3mm
シリコーン系難燃剤−1:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「トレフィルF202」、粘度が60,000センチストークスの直鎖のポリジメチルシロキサン60質量%を、シリカ40質量%に担持させて粉末化したシリコーン粉末
シリコーン系難燃剤−2:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、商品名「DC4−7081」、メタクリル基を有するポリジメチルシロキサン60質量%を、シリカ40質量%に担持させて粉末化したシリコーン粉末
金属塩系難燃剤:ランクセス社製 商品名「バイオウエットC4」(パーフルオロブタンスルホン酸カリウム)
フッ素系樹脂:三井デュポンクロロケミカル(株)製 商品名「テフロン(登録商標)6−J」(ポリテトラフルオロエチレン)
離型剤:クラリアントジャパン(株)製 商品名「LICOWAX PE520POWDER」(ポリエチレンワックス)
表1〜4に示す割合にて各成分を配合し、タンブラーミキサーにて均一に混合した後、各例毎に以下の押出機を用いて、押出機上流部のバレルより押出機にフィードし、以下の条件で溶融混練させて樹脂組成物のペレットを得た。
実施例1〜18、比較例1〜9(ポリカーボネート樹脂単独)
押出機:単軸押出機(田辺プラスチックス機械VS−40−28、
L/D=28)
シリンダー温度:290℃
スクリュー回転数:60rpm
実施例19〜20、比較例10(ポリカーボネート樹脂/熱可塑性ポリエステル樹脂のアロイ)
押出機:二軸押出機(日本製鋼所TEX30HSST、L/D=42)
シリンダー温度:280℃
スクリュー回転数:250rpm
実施例21〜22、比較例11(ポリカーボネート樹脂/スチレン系樹脂のアロイ)
押出機:二軸押出機(日本製鋼所TEX30HSST、L/D=42)
シリンダー温度:270℃
スクリュー回転数:250rpm
なお、表1〜4中、評価結果の欄における「−」は未測定であることを示す。
得られた樹脂組成物のペレットを80℃または120℃で4時間以上乾燥した後、JISK7210に準拠した方法で、キャピラリーレオメータを用いて、実施例1〜18、比較例1〜9では300℃、荷重1.20kgfの条件下で、実施例19〜22、比較例10〜11では260℃、荷重2.16kgfの条件下で、それぞれ組成物の単位時間あたりのMVR(単位:cm3/10min)を測定し、流動性を評価した。なお、ダイは、直径2.095mm×長さ8.0mmのものを使用した。MVR値が大きいほど、流動性に優れていることを示す。
射出成形機(住友重機械工業製、SH100、型締め力100T)を用いて、シリンダー温度:300℃、金型温度:80℃にて、金型:縦100mm、横100mm、厚み3mmの成形品を、射出圧力:147MPaの条件で射出成形し、得られた射出成形品を3枚重ねて、迅速熱伝導率測定装置(京都電子工業製、Kemtherm QTM−D3)を用いてプローブの電熱線の方向を、3枚重ねた最上部の成形品の流動方向に合うように押し当てて熱伝導率を測定し、この値をλXとする。同様に流動方向と直角方向にプローブの電熱線の方向が合うように押し当てて熱伝導率を測定し、この値をλYとする。また、得られた射出成形品10枚をジクロロメタンで貼り合わせた後に、流動方向とは垂直方向に20mmの間隔で5等分に切削し、得られた切削品を全て断面が観察できる向きでジクロロメタンを用いて貼り合わせる。その後、貼り合わせた切削品の表面をベルトサンダーで滑らかに加工した後、加工面にプローブの電熱線を押し当てて熱伝導率を測定し、この値をλZとする。得られた3つの測定値から、「熱物性値測定法 その進歩と工学的応用」(日本機械学会編、養賢堂発行)にて紹介されている、xyz軸方向の熱伝導率から算出する方法を参考に、下式を用いてλM及びλTを算出する。
λM = λY × λZ/λX
λT = λX × λY/λZ
得られた樹脂組成物のペレットを、日本製鋼製射出成形機J50を用いて樹脂温度(パージ樹脂の実測温度):290℃、金型温度:90℃、射出圧力:147MPaの条件で厚さが1.58mmの試験片を射出成形した。
この試験片の各5本について、アンダーライターズラボラトリーズインコーポレーションのUL−94「材料分類のための燃焼試験」(以下、UL−94)に示される試験方法に従って試験し、その結果に基づいてUL−94規格のV−0、V−1及びV−2のいずれかの等級に評価した。
UL−94についての各Vの等級基準は、概略以下のとおりである。
V−0:10秒接炎後の燃焼時間が10秒以下であり、5本のトータル
燃焼時間が50秒以下かつ、全試験片とも脱脂綿に着火するよ
うな微粒炎を落下しない。
V−1:10秒接炎後の燃焼時間が30秒以下であり、5本のトータル
燃焼時間が250秒以下、かつ、全試験片とも脱脂綿に着火す
るような微粒炎を落下しない。
V−2:10秒接炎後の燃焼時間が30秒以下であり、5本のトータル
燃焼時間が250秒以下、かつ、これらの試験片から落下した
微粒炎から脱脂綿に着火する。
NG:上記いずれの燃焼時間にも該当せず、燃焼し続けた場合。
射出成形機(住友重機械工業製、SH100、型締め力100T)を用いて、シリンダー温度:300℃、金型温度:80℃にて、金型:縦100mm、横100mm、厚み3mmの成形品を、射出圧力:147MPaの条件で射出成形し、得られた射出成形品について、アドバンテスト社製ULTRA HIGH RESISTANCE METER R8340を用いて表面抵抗の測定を行なった。表面抵抗率の値が高いほど絶縁性が高いことを示す。
黒鉛化炭素繊維と共に真球度の高いガラスビーズを併用することにより、熱伝導性を更に高めることができることが分かる。
即ち、ガラスビーズを配合していない比較例1とガラスビーズを配合した実施例1,2とを対比すると、同等の黒鉛化炭素繊維の配合量でガラスビーズを配合した実施例1,2の方が明らかに熱伝導性に優れることが分かる。ガラスビーズを配合していない比較例10,11とガラスビーズを配合した実施例19、21との対比でも同様である。
難燃剤を配合した比較例2と実施例3〜7との対比、比較例3と実施例8,9との対比からも、やはり、同等の黒鉛化炭素繊維の配合量でガラスビーズを配合した実施例の方が明らかに熱伝導性に優れることが分かる。
また、実施例3〜6と比較例4〜9との対比で、ガラスビーズの代りにガラスフレークやガラス繊維を配合しても熱伝導性の向上効果は得られないことが分かる。
絶縁性と熱伝導性を比較すると、ガラスフレークを含まない実施例1、4では、絶縁性(表面抵抗率)は高いものの、熱伝導率が実施例13〜18、20、22に比べて低く、また実施例2,5,6、19、21では、熱伝導性は実施例13〜18、20,22と同等の値を示しているが、絶縁性(表面抵抗率)が実施例13〜18、20、22に比べて劣る結果となった。
なお、本出願は、2010年7月21日付で出願された日本特許出願(特願2010−164082)及び2010年8月4日付で出願された日本特許出願(特願2010−174978)に基づいており、その全体が引用により援用される。
Claims (14)
- (A)ポリカーボネート樹脂を主成分とする樹脂成分100質量部に対し、(B)黒鉛化されてなる炭素繊維であって、長さ方向の熱伝導率が100W/m・K以上、かつ平均繊維径5〜20μmの炭素繊維5質量部以上100質量部以下、及び(C)平均粒子径1〜100μm、真球度1〜2のガラスビーズ5質量部以上200質量部以下を含有してなることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(D)平均粒子径10〜4000μm、アスペクト比2〜200のガラスフレークを5質量部以上200質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1又は2において、(A)樹脂成分がポリカーボネート樹脂単独であることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート樹脂組成物。
- 請求項1又は2において、(A)樹脂成分がポリカーボネート樹脂/熱可塑性ポリエステル樹脂のアロイ、またはポリカーボネート樹脂/スチレン系樹脂のアロイであることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート樹脂組成物。
- 請求項1ないし4のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(B)黒鉛化された炭素繊維を15質量部以上35質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート樹脂組成物。
- 請求項1ないし5のいずれか1項において、(C)ガラスビーズに対する(B)黒鉛化された炭素繊維の量((B)/(C)(質量比))が0.1以上1未満であることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート樹脂組成物。
- 請求項2ないし6のいずれか1項において、(C)ガラスビーズに対する(D)ガラスフレークの量((D)/(C)(質量比))が0.1以上1未満であることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート樹脂組成物。
- 請求項1ないし7のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(E)リン系難燃剤を5質量部以上30質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項8において、該(E)リン系難燃剤がリン酸エステル系化合物であることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1ないし7のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(F)シリコーン系難燃剤を0.1質量部以上10質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1ないし7のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(G)金属塩系難燃剤を0.02質量部以上0.3質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1ないし11のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(H)フッ素系樹脂を0.01質量部以上1質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1ないし12のいずれか1項において、(A)樹脂成分100質量部に対し、(I)離型剤を0.001質量部以上2質量部以下含むことを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物。
- 請求項1ないし13のいずれか1項に記載の高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂組成物を成形してなることを特徴とする高熱伝導性ポリカーボネート系樹脂成形体。
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