JPWO2017078081A1 - 熱伝導性ポリシロキサン組成物の製造方法 - Google Patents

熱伝導性ポリシロキサン組成物の製造方法 Download PDF

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Abstract

粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程(a1)、及び前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b)を含む、ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法であって、前記表面処理剤が、一般式(1)(式中、R1、R2、R3、X、a、b、c、R4、Y及びdは、明細書に定義されたとおりである)で示されるシロキサン化合物を含む、方法である。

Description

本発明は、熱伝導性ポリシロキサン組成物の製造方法に関する。
パワートランジスタ、IC、CPU等に代表される電子部品には、発熱体の蓄熱を防ぐために、熱伝導性の高い熱伝導性グリースや熱伝導性シートが用いられている。熱伝導性グリースには、電子部品の形状に影響されることなく手軽に塗布できる利点がある反面、他の部品を汚損する、オイル分の流出がある等の問題点を抱えている。また、熱伝導性シートは他の部品の汚損やオイル分の流出はないものの、密着性がグリースよりも劣るため、熱伝導性シートの硬度を下げて密着性を高めるといった手法がとられている。
熱伝導性シートには、シリコーンゴムが多く用いられている。ただし、シリコーン単体では熱伝導性を高めることはできないため、シリコーンゴムの熱伝導性を改良するために、熱伝導性の充填剤が併用される。熱伝導性の充填剤として、シリカ粉、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム等に代表されるような、バインダーとなるシリコーンより熱伝導性の高い材料を添加すればよいことが知られている(特開2002−003831号公報)。より高熱伝導率を有するシリコーン組成物を得るためには、熱伝導性充填剤をより高充填する必要があるが、その充填性には限界があるため、表面処理した充填剤が用いられる(再表2005/030874号公報)。
これらシリコーン組成物を得るための製造方法として、充填剤の表面処理を含む様々な方法が知られているが(例えば、特開2005−023246号公報を参照されたい)、インテグラルブレンド法と呼ばれる、各成分を一度に混合して樹脂組成物を得る方法(特開2001−189407号公報)や、表面処理剤を溶媒に分散した溶液に、充填剤を分散させ均一に表面処理を行い、その後溶媒を除去する溶媒置換法(特開2010−150321号公報)が採用されている。
特開2002−003831号公報 再表2005/030874号公報 特開2005−023246号公報 特開2001−189407号公報 特開2010−150321号公報
しかしながら、インテグラルブレンド法では、シリコーン樹脂・充填剤・表面処理剤を一緒に混合するため、表面処理剤が過剰に必要である。混合後の組成物には表面処理剤のアルコキシ基が残るため、耐熱性等において不利でもある。また、溶媒置換法は、そもそも製造工程が複雑である。更に、本発明者らが検討したところによると、従来知られているインテグラルブレンド法は、特に粒度分布が細かい場合には充填剤が凝集することがあり、この方法が適用できないことが明らかとなった。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点を解決し、表面処理剤の使用量を抑え、簡便な工程で充填剤に表面処理を可能とする方法を提供することを目的とする。また、本発明は、単分散の粒度分布を有する充填剤に適用可能な熱伝導性シリコーン組成物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、かかる目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、表面処理剤として特定のアルコキシシロキサンを直接充填剤に処理することで、簡便な製法で、改質剤使用量を低減でき、低粘度化が可能になることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明は、以下の各項の発明に関する。
[1]粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程(a1)、及び
前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b)を含む、ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法であって、
前記表面処理剤が、下記一般式(1):

(式中、
:炭素数1〜4のアルコキシシリル基を有する基
:下記一般式(2):

(式中、R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、R、R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の整数である)で示されるシロキサン又は炭素数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
: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)
で示されるシロキサン化合物を含む、方法である。
[2]表面処理剤の量が、熱伝導性充填剤100質量部に対して0.1〜10質量部の範囲である、前記[1]記載の方法である。
[3]表面処理剤が溶媒に溶解しており、溶媒と表面処理剤の合計100質量%に対して表面処理剤の量が20質量%以上である、前記[1]又は[2]記載の方法である。
[4]工程(a1)に続いて、かつ工程(b)の前に、工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤との混合物を、表面処理剤を溶解する溶媒の沸点以上の温度で撹拌する工程を更に含む、前記[3]記載の方法である。
[5]熱伝導性充填剤が、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、シリカ粉、炭化ケイ素、金属紛体、ダイヤモンド、水酸化アルミニウム、カーボン及びこれらの混合物からなる群より選択される、前記[1]〜[4]のいずれか記載の方法である。
[6]第一の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第一の表面処理剤とを混合する工程(a1)、
第二の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第二の表面処理剤とを混合する工程(a2)、及び
工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物、並びに工程(a2)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b’)を含み、
ここで、第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤がともに単一の粒度分布を有し、
第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤の平均粒子径が異なり、
第一の表面処理剤及び第二の表面処理剤は、互いに同じであっても異なっていてもよい、前記[1]記載の式(1)で示されるシロキサン化合物を含む、
ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法である。
本発明によれば、簡便な製法で、改質剤の使用量を低減することができ、低粘度化が可能であり、また単分散の充填剤に適用可能な熱伝導性ポリシロキサン組成物の製造方法が提供される。
本発明の方法は、熱伝導性充填剤を配合させたポリシロキサン組成物を調製する方法であって、粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程(a1)、及び前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b)を含む。以下、本発明の方法に用いられる各種成分、具体的工法等について、詳細に説明する。
[シロキサン化合物]
本発明の方法により得られる熱伝導性ポリシロキサン組成物には、表面処理剤として、下記一般式(1):

(式中、R、R、R、X、a、b及びcは、先に定義したとおりである)
で示される、シロキサン化合物が用いられる。
一般式(1)で示される環状構造を有するシロキサンを用いる場合、加水分解性基の数を環状構造中に多く導入でき、更にそれが位置的に集中しているため、熱伝導性充填剤の処理効率が高くなり、より高充填を可能にすると期待される。また、このようなシロキサンは、例えば、ケイ素に直接結合した水素基が含有された環状シロキサンと、片末端に不飽和基を有するシロキサン、不飽和基と加水分解性基を含有したシラン化合物とを付加反応させることで容易に得ることができるという利点がある。
一般式(1)において、Rは、炭素数1〜4のアルコキシシリル基を含有する加水分解性の官能基であり、より具体的には以下の構造を有するものが例示される。Rは、ケイ素で直接Xと結合していてもよいが、エステル結合等の連結基により結合していてもよい。

なかでも、熱伝導性充填剤の処理効率がより向上する傾向にある点から、Rは、アルコキシシリル基を2つ以上、特に3つ有する構造の基であることが好ましい。また、原料を得ることが容易である点から、Rは、メトキシシリル基を含有することが好ましい。
は、オリゴシロキサン類及び長鎖アルキルからなる基から選択される。Rが長鎖アルキル基の場合、その炭素数は6〜18の範囲、好ましくは6〜14である。ここで「長鎖アルキル基」とは、アルキル基中の最も長い炭素鎖部分の炭素数が6以上であることを指し、合計の炭素数が6〜18の範囲であれば、分岐構造を有していてもよい。炭素数をこの範囲とすることで、流動性に対する効果を高め、高配合を可能にする。また、取り扱い性に優れ、均一に分散させることが容易になる。
がオリゴシロキサン類の場合、Rは、一般式(2):

(式中、R、Y及びdは、先に定義したとおりである)で示される基である。
一般式(2)において、dの数は2〜500の範囲、好ましくは4〜400の範囲、より好ましくは10〜100の範囲、更に好ましくは10〜40の範囲、特に好ましくは20〜30の範囲である。この範囲とすることで、流動性に対する効果を高め、高配合を可能にする。また、シロキサン化合物自体の粘度を抑えることができる。R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、直鎖状又は分岐鎖状のC1−12アルキル基、フェニルやナフチル等のアリール基が挙げられる。また、塩素、フッ素、臭素等のハロゲンで置換されていてもよく、そのような基として、トリフルオロメチル基等のパーフルオロアルキル基が例示される。合成が容易であることから、Rはメチル基であることが好ましい。Yは、R、R及び脂肪族不飽和基からなる群より選択される基である。YがRである場合、Rの炭素数は好ましくは1〜6の範囲である。Yが脂肪族不飽和基である場合、該脂肪族不飽和基は、炭素数が2〜10であることが好ましく、炭素数が2〜6であることがより好ましい。また、脂肪族不飽和基は、硬化反応が起こりやすくなることから、末端に二重結合を有していることが好ましい。合成が容易であることから、Yはメチル基又はビニル基であることが好ましい。
及びRは、基Xを介し、一般式(1)で示されるシロキサンの環状シロキサン部分と結合される。基Xは、炭素数2〜10の2価の炭化水素基であり、−CHCH−、−CHCHCH−、−CHCHCHCHCHCH−、−CHCH(CH)−、−CHCH(CH)CH−等のアルキレン基が例示される。合成が容易となる点から、Xは−CHCH−又は−CHCH(CH)−であることが好ましい。
は、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。各々のRは同一でも異なっていてもよいが、合成が容易であることから、メチル基又は水素原子であることが好ましい。
a及びbは1以上の整数、好ましくは1〜2である。aは、より好ましくは1である。bは、1又は2であることが好ましいが、bの値は、上記一般式(1)中に含まれる−SiR O−単位の数が20〜60の範囲になるようにdの値と併せて設計されることがより好ましい。cは0以上の整数、好ましくは0〜1である。また、a+b+cの和は、4以上の整数であるが、合成が容易であることから4であることが好ましい。
以上説明したようなシロキサン化合物の代表例として下記化合物を挙げることができるが、本発明ではこれに限定されるものではない。
さらに、下記の構造式で示される化合物もまた、シロキサン化合物の代表例として挙げることができるが、本発明ではこれらに限定されるものではない。
本発明で用いられるシロキサン化合物は、当業者に公知の方法又は類似の方法を利用することで調製することができる。一例として、Si−H結合を2つ以上有する環状シロキサンとビニルトリメトキシシランのような不飽和結合を有するアルコキシシランとを反応させ、次いで不飽和結合を有する直鎖状ポリシロキサンと反応させることで、一般式(1)で示される構造のシロキサンを得ることができる。反応条件、精製方法等は当業者であれば適宜選択が可能である。
一般式(1)で示されるシロキサン化合物の配合量は、熱伝導性充填剤100質量部に対して0.1〜10質量部の範囲であることが好ましい。シロキサン化合物の量をこの範囲とすることで、表面処理剤の使用量を削減しながらも熱伝導性充填剤の充填性を高めつつ、熱伝導性を高くすることができる。シロキサン化合物の配合量は、より好ましくは0.5〜5.0質量部の範囲である。また、硬化性官能基を有するポリシロキサン樹脂に対しては、硬化性官能基を有するポリシロキサン樹脂100質量部に対し、一般式(1)で示されるシロキサン化合物を1質量部以上用いることが好ましい。シロキサン化合物の量がポリシロキサン樹脂に対し1重量部未満であると熱伝導性充填剤の表面処理効果が少なくなり、高配合ができなくなる。また過剰であると、硬化後の物性に悪影響を与えるため、より好ましくは5〜500重量部の範囲である。
[熱伝導性充填剤]
熱伝導性充填剤としては、一般的に公知の無機充填剤が例示され、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、シリカ粉、炭化ケイ素、金属粉体、ダイヤモンド、水酸化アルミニウム、カーボンが挙げられる。特に好ましいものはアルミナ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又は炭化ケイ素である。これらの無機充填剤としては、市販のものを利用することができる。
熱伝導性充填剤は、平均粒子径0.1μm以上のものであれば特にその種類を問わず使用することができるが、平均粒子径が300μm以下のものを用いることが好ましい。平均粒子径がこの範囲にあるものの中でも、平均粒子径が大きいものを配合すると、充填率を上げることができず、一方、平均粒子径が小さいものでは、粘度が大きくなる傾向があるが、熱伝導性充填剤の平均粒子径を適宜選択し、配合することで、目的に適った粘度の組成物を得ることができる。平均粒子径は、例えば、レーザー光回折法等による粒度分布測定装置を用いて、重量平均値(又はメジアン径)等として求めることができる。
熱伝導性充填剤には、粒度分布のピークが1つのみである、すなわち単分散の粒度分布を有する熱伝導充填剤が用いられる。なお、粒子が単分散の粒度分布を有する場合、熱伝導性充填剤の粒度分布のピークと平均粒子径は同義となる。分散度が大きい充填剤を用いると、表面処理により凝集してしまう粒子径の小さな粒子の割合が多くなり、充填性に負の影響を与えることが考えられる。
熱伝導性ポリシロキサン樹脂中の充填剤の配合量は、シロキサン化合物と硬化性官能基を有するポリシロキサン樹脂の全体量100質量部に対し、10〜3500質量部の範囲である。特に、100〜3000質量部の範囲において本発明の効果が顕著に発揮される。
[ポリシロキサン樹脂]
本発明の熱伝導性ポリシロキサン組成物には、硬化性官能基を有するポリシロキサン樹脂が用いられる。ここで、本明細書において「硬化性官能基」とは、樹脂の硬化反応に関与し得る官能基を指す。硬化性官能基の例としては、ビニル基、(メタ)アクリル基、ケイ素に直接結合した水素基等が挙げられる。
硬化性官能基を有するポリシロキサン樹脂として、以下の式(3):

(式中、
は、それぞれ独立して、脂肪族不飽和基であり、
Rは、それぞれ独立して、C1−6アルキル基又はC6−12アリール基であり、
nは、23℃における粘度を10〜10000cPとする数である)で示される、脂肪族不飽和基を含有する直鎖状ポリオルガノシロキサンが例示されるが、このような構造の樹脂に限定されるものではない。
ポリシロキサン樹脂としては、生産性及び作業性の観点から、付加反応硬化型ポリオルガノシロキサンを含むことが好ましい。付加反応硬化型ポリオルガノシロキサンとしては、(a)ベースポリマーである不飽和基含有ポリオルガノシロキサン、(b)架橋剤であるケイ素に直接結合した水素基含有ポリオルガノシロキサン、(c)硬化用触媒である白金化合物、からなるものが知られている。
(a)成分の不飽和基含有ポリオルガノシロキサンとしては、1分子中にケイ素原子に結合した有機基のうち、少なくとも平均して0.5個以上の不飽和基が含有されていることが好ましい。不飽和基の数が1分子あたり0.5個より少ないと架橋にあずからない成分が増加するため、十分な硬化物が得られない。不飽和基の数が1分子あたり0.5個以上であれば基本的に硬化物は得られるが、余りに過剰であると硬化物の耐熱性が低下し、本来の目的を達成できなくなってしまうため、0.5〜2.0個の範囲であることが好ましい。不飽和基は、ポリオルガノシロキサンを調製しやすいことからビニル基が好ましい。不飽和基は、分子鎖末端、分子鎖側端、いずれの位置に結合していてもよいが、硬化速度が高まり、硬化物の耐熱性も保てる点から、分子鎖末端にあることが好ましい。
不飽和基含有ポリオルガノシロキサンにおけるその他の官能基としては、1価の置換又は非置換の炭化水素基が挙げられ、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ヘキシル、ドデシルなどのアルキル基;フェニルなどのアリール基;2−フェニルエチル、2−フェニルプロピルなどのアラルキル基;クロロメチル、3,3,3−トリフルオロプロピル等の置換炭化水素基などが例示される。なお、メチル基、フェニル基が合成の容易さから好ましい。
不飽和基含有ポリオルガノシロキサンの構造は、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよい。また、その粘度は特に制限されないが、23℃における粘度が、0.01〜50Pa・sであることが好ましい。
一般的に、不飽和基含有ポリオルガノシロキサンは、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、テトラビニルテトラメチルシクロテトラシロキサン等の環状シロキサンと、RSiO0.5(ここで、Rは1価の炭化水素基である)単位を有するオルガノシロキサンとを、アルカリ、酸等の適切な触媒にて平衡化重合させ、その後、中和工程、余剰の低分子シロキサン分を除去することにより得られる。
(b)成分の水素基含有ポリオルガノシロキサンは、ケイ素原子に直接結合した水素原子を有するシロキサン化合物であり、架橋剤となる成分である。その配合量は、(a)成分の不飽和基1個に対し、ケイ素原子に直接結合した水素原子が0.2〜5.0個となる量である。0.2個より少ないと、硬化が十分に進行せず、5.0個を超えると、硬化物が固くなり、また硬化後の物性にも悪影響を及ぼすことがある。また、1分子に含まれるケイ素原子に結合した水素基数は少なくとも2個以上であることが必要であるが、その他の条件、水素基以外の有機基、結合位置、重合度、構造等については特に限定されず、また2種以上の水素基含有ポリオルガノシロキサンを使用してもよい。
水素基含有ポリオルガノシロキサンは、代表的には、一般式(4):
(R(RSiO(4−x−y)/2 (4)
(式中、
は、水素原子であり、
は、C1−6アルキル基(例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、好ましくはメチル)又はフェニル基であり;
xは、1又は2であり;
yは、0〜2の整数であり、ただし、x+yは1〜3である)
で示される単位を分子中に2個以上有する。
水素基含有ポリオルガノシロキサンにおけるシロキサン骨格は、環状、分岐状、直鎖状のものが挙げられるが、好ましくは、環状又は分岐状の骨格である。
(c)成分の白金化合物は、(a)成分の不飽和基と(b)成分のケイ素原子に直接結合した水素基を反応させ、硬化物を得るための硬化用触媒である。この白金化合物としては、塩化白金酸、白金オレフィン錯体、白金ビニルシロキサン錯体、白金リン錯体、白金アルコール錯体、白金黒等が例示される。その配合量は、(a)成分の不飽和基含有ポリオルガノシロキサンに対し、白金元素として0.1〜1000ppmとなる量である。0.1ppmより少ないと十分に硬化せず、また1000ppmを超えても特に硬化速度の向上は期待できない。また、より長いポットライフを得るために、反応抑制剤の添加により、触媒の活性を抑制することができる。公知の白金族金属用の反応抑制剤として、2−メチル−3−ブチン−2−オール、1−エチニル−2−シクロヘキサノールなどのアセチレンアルコールが挙げられる。
[ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法]
本発明のポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法は、工程(a1)として、粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程を含む。
工程(a1)は、例えば、粉末状の熱伝導性充填剤に表面処理剤を直接添加し、混合することで行うことができる。混合には、カワタ社製スーパーミキサー(SMシリーズ)など、公知の混練機器を用いることができる。工程(a1)の処理温度は、表面処理剤又は熱伝導性充填剤が変性・分解等を起こさない範囲であれば特に制限されない。好ましい温度範囲は、操作性・安全性の理由等から室温〜200℃の範囲である。混合に際して熱伝導性充填剤どうしの摩擦等を原因とした発熱が起こり得るため、摩擦熱を利用して処理温度を60〜90℃の範囲とすることができ、発熱が不十分ならば、必要に応じて、〜200℃まで加熱することができる。そのほか公知の加熱機器を備えつけて目的の温度を達成してもよく、恒温槽等を用いて温度管理をすることもできる。
工程(a1)において、表面処理剤は先に一般式(1)で示したシロキサン化合物が用いられる。表面処理剤用のシロキサン化合物には1種類のみを用いてもよく、2種類以上の混合物として用いてもよい。表面処理剤は適宜溶媒に溶解させて溶液として用いてもよく、その場合、表面処理剤溶液中の表面処理剤の濃度は20質量%以上であることが、表面処理剤の使用量を抑え、かつ溶媒の使用量も抑えられるため好ましい。表面処理剤を溶解させる溶媒としては、表面処理剤を溶解することができ、表面処理剤と反応しない溶媒であれば特に制限されない。溶媒の例としては、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、キシレン等の炭化水素類、アセトン等のケトン類が挙げられる。粘度の小さい表面処理剤用シロキサン化合物を溶媒として用いてもよい。
表面処理剤を溶液として用いた場合には、本発明の方法は、工程(a1)に続いて、工程(b)の前に、工程(a1)で得られた混合物を、表面処理剤を溶解した溶媒の沸点以上の温度で撹拌する乾燥工程を更に含むことが好ましい。当該温度を達成するには、撹拌機に公知の加熱機器を備えつけて加熱してもよいし、撹拌により生じる熱伝導性充填剤どうしの摩擦熱等に依ってもよい。また、恒温槽等を用いて温度管理を行うこともできる。撹拌を行う時間は、溶媒が除去される程度の長さであれば特に制限されないが、溶媒を完全に除去しつつ表面処理を均一に行うため、10分〜1時間行うことが好ましく、より好ましくは10〜30分である。
工程(a1)で得られた混合物には、表面処理剤で処理されていない熱伝導性充填剤をさらに混合することもできる。さらに混合される熱伝導性充填剤には、先に記載したものを好ましく用いることができる。また、混合には、前述のカワタ社製スーパーミキサー(SMシリーズ)など、公知の混練機器を用いることができる。
本発明の方法は、工程(b)として、前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程を含む。工程(b)での混合は、工程(a1)と同様の条件で行うことができる。工程(b)は、工程(a1)に引き続いて同一バッチ内で連続的に行ってもよいし、工程(a1)で得られた混合物を一旦単離してから、別個の工程として行ってもよい。
工程(b)で混合されるポリシロキサン樹脂は、工程(a1)で得られた混合物中に、希釈せずにそのまま加えてもよいし、ポリシロキサン樹脂の粘度が高い場合には、溶液として扱いやすい粘度に調整してもよい。ただし、溶媒を除去する工程を更に設ける必要が生じること、また溶媒の除去過程で生じる熱により、種類によってはポリシロキサン樹脂が硬化・変性してしまうおそれがあるため、ポリシロキサン樹脂は無溶媒で加えることが好ましい。また、ポリシロキサン樹脂として先に述べた付加反応硬化型ポリオルガノシロキサンを含む場合には、前述の(a)成分を先に配合した樹脂組成物を調製しておき、硬化させる直前に(b)成分及び(c)成分を添加することもできる。
工程(b)では、ポリシロキサン樹脂に加えて、追加の表面処理剤を更に添加してもよい。表面処理剤の更なる添加により、得られる組成物の粘度をより低下させ、取扱い性により優れた樹脂組成物が得られる。追加の表面処理剤は、工程(a1)で用いたものと異なる種類のものを用いてもよく、同じ種類のものを用いてもよい。工程(b)で追加の表面処理剤を添加する場合、表面処理剤の添加量は、工程(a1)で用いた表面処理剤との合計量が、先に述べた好ましい表面処理剤の量の範囲、すなわち熱伝導性充填剤100質量部に対して0.1〜10質量部、特に0.5〜5.0質量部の範囲になるようにすることが好ましい。
本発明の方法では、異なる2種類以上の熱伝導性充填剤を表面処理する工程を複数組み合わせて、オルガノポリシロキサン樹脂組成物を得ることもできる。すなわち、本発明の方法は、
第一の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第一の表面処理剤とを混合する工程(a1)、
第二の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第二の表面処理剤とを混合する工程(a2)、及び
工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤の混合物、並びに工程(a2)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤の混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b’)を含み、
ここで、第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤がともに単一の粒度分布を有し、
第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤の平均粒子径が異なり、
第一の表面処理剤及び第二の表面処理剤は、互いに同じであっても異なっていてもよい、前記一般式(1)で示されるシロキサン化合物を含む、ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法を包含するものである。以下、工程(a1)及び(a2)による2種類の熱伝導性充填剤の混合物について説明するが、3種類以上の熱伝導性充填剤を含む混合物についても同様である。
前記工程(a2)は、用いる熱伝導性充填剤が平均粒子径の点で異なる以外は、工程(a1)と同様の工程である。第二の熱伝導性充填剤には、第一の熱伝導性充填剤と異なる化学種を用いてもよい。
第二の熱伝導性充填剤は、単分散の粒子であるが、第一の熱伝導性充填剤とは異なる平均粒子径を有する。各々の熱伝導性充填剤の平均粒子径は、それらの混合物の粒度分布が互いに分離可能な少なくとも2つのピークを有するように選択されることが好ましい。例えば、一方の熱伝導性充填剤は0.1μm〜6.0μmの範囲に、他方の熱伝導性充填剤は6.0μm〜200μmの範囲に粒度分布のピークを有するように熱伝導性充填剤を選択すると、充填性がより高まるため、好ましい。さらに、0.1μm〜6.0μm、6.0μm〜200μmそれぞれに対して2種類以上の平均粒子径を組み合わせてもよい。
工程(b’)にて、工程(a1)及び(a2)で得られた少なくとも2種類の混合物が、ポリシロキサン樹脂と更に混合される。このとき用いられる第二の熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物の量は、第一の熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物に対して任意の量をとることができるが、それらの混合物の粒度分布が互いに分離可能な少なくとも2つのピークを有することが確認できる量であることが好ましい。
前記工程(a2)及び(b’)において用いられる材料の種類、方法における条件等は、先に説明してきた態様を利用することができる。
前記方法によれば、工程(a1)及び(a2)で得られた少なくとも2種類の異なる粒度分布を有する熱伝導性充填剤が配合されたポリオルガノシロキサン樹脂組成物が得られる。該ポリオルガノシロキサン樹脂組成物は粒子の大きさが異なる複数種の充填剤を含むことになり、この結果、より高い充填率をポリオルガノシロキサン樹脂組成物にもたらすことができる。
本発明の熱伝導性ポリシロキサン組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、当業者に公知の顔料、難燃剤、接着付与剤、耐熱付与剤、希釈剤、有機溶剤等を適宜配合することができる。
本発明の熱伝導性ポリシロキサン組成物は、硬化性官能基を硬化させて、シリコーンゴムとすることができる。ポリシロキサン組成物の硬化反応は、ポリシロキサン樹脂が有する硬化性官能基の種類に応じて適宜選択される方法によって行うことができる。
硬化性官能基として、エポキシ基等熱により硬化反応を起こす官能基を有するポリオルガノシロキサンを用いる場合には、熱伝導性ポリシロキサン組成物に熱を掛けることにより硬化することもできる。熱硬化の条件は当業者に公知であるが、熱による硬化反応に用いることができる機器としては、例えば、恒温槽等の当業者に公知の装置が挙げられる。加熱条件は、組成物が適用される部材の耐熱温度に合わせて適宜調整することができ、硬化時間を決めることができる。例えば、40〜100℃の熱を、1分〜5時間の範囲で加えることができる。加熱温度は、操作性の観点から、50〜90℃であることが好ましく、60〜80℃であることがより好ましい。加熱時間は、硬化工程の簡便さの観点から、5分〜3時間であることが好ましく、10分〜2時間であることがより好ましい。
本発明の熱伝導性ポリシロキサン組成物を硬化させることによって得られるシリコーンゴムは、電子機器、集積回路素子等の電子部品の放熱部材として使用することができる。
以下に本発明の実施例を示すが、これらの実施例によって限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において、部はすべて質量部を示す。
以下の実施例及び比較例にて用いた材料は、以下のとおりである。
<一般式(1)で示されるシロキサン化合物>
A−1:次式で示されるシロキサン化合物;粘度180cP

A−2:次式で示されるシロキサン化合物;粘度60cP

A−3:α、ω−ビス(トリメトキシシリル)ポリジメチルシロキサン;粘度100cP
<ポリオルガノシロキサン樹脂>
B−1:α、ω−ジビニルポリジメチルシロキサン;粘度350cP
<アルミナ>
F−1:アルミナ AL160SG−4:平均粒子径0.55μm 不定形 単分散 : 昭和電工社製
F−2:スミコランダム AA−04:平均粒子径0.4μm 丸み状 単分散:住友化学社製
F−3:スミコランダム AA−3:平均粒子径3μm 丸み状 単分散:住友化学社製
F−4:アルミナビーズ CB A−20S:平均粒子径20μm 球状 単分散:昭和電工社製
F−5:アルミナ AS−40:平均粒子径12μm 丸み状 多分散:昭和電工社製
[物性の評価条件]
(1)組成物の粘度
回転粘度計(ビスメトロン VDH)(芝浦システム株式会社製)を使用して、No.7ローターを使用し、10rpm、1分間で、23℃における粘度を測定した(粘度計A−1)。この条件で十分な測定が行えない程度に粘度が高い場合には、B型粘度計(B8U/50型)(トキメック社製)により測定した。測定条件は、No.7ローターを使用し、10rpm、1分間で、23℃における粘度を測定した(粘度計A−2)。
(2)組成物の分散性
各調製例で作成したサンプルについて、へらで厚さ1mmの膜を作成し、目視で、凝集体の有無を確認した。調製物の表面が平滑かどうかで評価した。
[単分散アルミナの表面処理]
調製例1
表面処理剤としてA−1を30g、イソプロパノール100gに溶かした溶液を準備した。KAWADA社製スーパーミキサーSMV−20Bで撹拌中のF−1 3kgに、この溶液を滴下し、その後60℃で20分間撹拌処理した。その後110℃にて乾燥処理を行い、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例1)を得た。
調製例2
表面処理剤の量を90gとした他は調製例1と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例2)を得た。
調製例3
表面処理剤にA−1に変えてA−2を用いて、処理温度を70℃とした他は調製例1と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例3)を得た。
調製例4
表面処理剤の量を90gとし、処理温度を60℃とした他は調製例3と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例4)を得た。
調製例5
表面処理剤にA−2に変えてA−3を用いて、乾燥温度を99℃とした他は調製例3と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例5)を得た。
調製例6
表面処理剤にA−2に変えてA−3を用いて、処理温度を90℃、乾燥温度を105℃とした他は調製例2と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例6)を得た。
調製例7
アルミナとしてF−1に変えてF−2を用いて、表面処理剤A−1をイソプロパノール200gに溶かした溶液を用い、処理温度を100℃、乾燥温度を130℃として、調製例1と同様の手法にて、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例7)を得た。
調製例8
アルミナとしてF−1に変えてF−3を用いて、処理温度を80℃、撹拌時間を15分、乾燥温度を105℃として、調製例1と同様の手法にて、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例8)を得た。
調製例9
アルミナとしてF−1に変えてF−4を用いて、処理温度を70℃、撹拌時間を15分、乾燥温度を110℃として、調製例1と同様の手法にて、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例8)を得た。
比較調製例1
アルミナとしてF−1に変えてF−5を用いて、乾燥温度を112℃とした他は調製例1と同様にして、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(比較調製例1)を得た。
比較調製例2
表面処理剤の量を90gとし、処理温度70℃、撹拌時間15分、乾燥温度を110℃の条件下にて、比較調製例1と同様の操作を行い、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(比較調製例2)を得た。調製例1〜9、比較調製例1及び2の配合、調製条件を以下の表1にまとめる。
[シリコーン樹脂との混合1]
調製例1〜6で得られた混合物を、以下の表に示す配合量でシロキサン樹脂B−1と、場合により追加の表面処理剤A−1又はA−2と混ぜ合わせて、各々の組成物を得た(実施例1〜10)。得られた組成物について、粘度及び分散性を評価した。結果を表2に示す。ここで、「処理度」とは、組成物中の表面処理剤(追加で添加したものを含む)の量(質量%)に相当する値である。
[シリコーン樹脂との混合2]
比較調製例1及び2で得られた混合物並びに未処理の単分散アルミナについて、以下の表に示す配合量でポリシロキサン樹脂B−1と混ぜ合わせて、各々の組成物を得た(比較例1〜6)。比較例1は未処理の単分散アルミナをシリコーン樹脂と混合したものである。比較例2及び3はいわゆるインテグラルブレンド法に対応する。比較例4〜6は、多分散のアルミナを処理したものである。得られた各組成物について、粘度及び分散性を評価した。結果を表3に示す。
表2及び3から、次のことが示される。実施例より、本発明の方法により単分散アルミナを処理することで、分散性・粘度ともに優れた組成物が得られる。一方、比較例2、3から、インテグラルブレンド法で単分散アルミナを処理しても、凝集が見られたり、パテ状の組成物になるため、熱伝導性ポリシロキサン樹脂としては利用に堪え得ないものが得られることがわかった。
[アルミナ粒径の検討]
平均粒径の異なるアルミナを用いて、本発明の方法(実施例11〜13)とインテグラルブレンド法(比較例7〜9)により、熱伝導性充填剤組成物を得た。また、平均粒径の異なる2種類のアルミナを、本発明の方法とインテグラルブレンド法の各々で調製し、それらを混合することで、複数種のアルミナが混合された熱伝導性充填剤組成物を得た(実施例14、15、比較例10、11)。それぞれの組成物について粘度及び分散性を評価した結果を、実施例1及び比較例2とともに、表4に示す。
同じアルミナを用いた組成物どうしを比較すると(表4の上段及び下段の同じ列は、同じ組成で調製方法が異なる組成物どうしとなる)、本発明の方法により処理した組成物の方が、インテグラルブレンド法にて処理した組成物より粘度が小さく、良好な取扱い性を示すことが明らかとなった。この結果は、特に平均粒径が小さいアルミナにおいて顕著である(実施例1及び比較例2の組並びに実施例11及び比較例7の組)。また、複数種のアルミナを混合した場合においても、本発明の方法により調製することにより、インテグラルブレンド法で処理した組成物より良好な粘度及び分散性を示すことが、表4から明らかとなった。このように本発明の方法は、熱伝導性充填剤組成物の低粘度化において有効であることが示された。
即ち、本発明は、以下の各項の発明に関する。
[1]粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程(a1)、及び
前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b)を含む、ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法であって、
前記表面処理剤が、下記一般式(1):

(式中、
:炭素数1〜4のアルコキシシリル基を有する基
:下記一般式(2):

(式中、R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、R、R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の整数である)で示されるシロキサン又は炭素数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
: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)
で示されるシロキサン化合物を含む、方法である。
[2]表面処理剤の量が、熱伝導性充填剤100質量部に対して0.1〜10質量部の範囲である、前記[1]記載の方法である。
[3]表面処理剤が溶媒に溶解しており、溶媒と表面処理剤の合計100質量%に対して表面処理剤の量が20質量%以上である、前記[1]又は[2]記載の方法である。
[4]工程(a1)に続いて、かつ工程(b)の前に、工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤及び表面処理剤との混合物を、表面処理剤を溶解する溶媒の沸点以上の温度で撹拌する工程を更に含む、前記[3]記載の方法である。
[5]熱伝導性充填剤が、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、シリカ粉、炭化ケイ素、金属体、ダイヤモンド、水酸化アルミニウム、カーボン及びこれらの混合物からなる群より選択される、前記[1]〜[4]のいずれか記載の方法である。
[6]第一の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第一の表面処理剤とを混合する工程(a1)、
第二の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第二の表面処理剤とを混合する工程(a2)、及び
工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物、並びに工程(a2)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b’)を含み、
ここで、第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤がともに単一の粒度分布を有し、
第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤の平均粒子径が異なり、
第一の表面処理剤及び第二の表面処理剤は、互いに同じであっても異なっていてもよい、前記[1]記載の式(1)で示されるシロキサン化合物を含む、
ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法である。
調製例9
アルミナとしてF−1に変えてF−4を用いて、処理温度を70℃、撹拌時間を15分、乾燥温度を110℃として、調製例1と同様の手法にて、熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物(調製例)を得た。

Claims (6)

  1. 粒度分布が単一のピークを有する熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む表面処理剤とを混合する工程(a1)、及び
    前記工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b)を含む、ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法であって、
    前記表面処理剤が、下記一般式(1):

    (式中、
    :炭素数1〜4のアルコキシシリル基を有する基
    :下記一般式(2):

    (式中、R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、R、R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の整数である)で示されるシロキサン又は炭素数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
    :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)
    で示されるシロキサン化合物を含む、方法。
  2. 表面処理剤の量が、熱伝導性充填剤100質量部に対して0.1〜10質量部の範囲である、請求項1記載の方法。
  3. 表面処理剤が溶媒に溶解しており、溶媒と表面処理剤の合計100質量%に対して表面処理剤の量が20質量%以上である、請求項1又は2記載の方法。
  4. 工程(a1)に続いて、かつ工程(b)の前に、表面処理剤を溶解する溶媒の沸点以上の温度で撹拌する工程を更に含む、請求項3記載の方法。
  5. 熱伝導性充填剤が、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、シリカ粉、炭化ケイ素、金属紛体、ダイヤモンド、水酸化アルミニウム、カーボン及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項1〜4のいずれか一項記載の方法。
  6. 第一の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第一の表面処理剤とを混合する工程(a1)、
    第二の熱伝導性充填剤と、シロキサンを含む第二の表面処理剤とを混合する工程(a2)、及び
    工程(a1)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物、並びに工程(a2)で得られた熱伝導性充填剤と表面処理剤との混合物を、ポリシロキサン樹脂と混合する工程(b’)を含み、
    ここで、第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤がともに単一の粒度分布を有し、
    第一の熱伝導性充填剤及び第二の熱伝導性充填剤の平均粒子径が異なり、
    第一の表面処理剤及び第二の表面処理剤は、互いに同じであっても異なっていてもよい、請求項1記載の式(1)で示されるシロキサン化合物を含む、
    ポリオルガノシロキサン樹脂組成物の製造方法。
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