TW202142406A - 被覆基材、熱交換器、被覆基材之製造方法及液狀組合物 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種被覆基材及其製造方法,該被覆基材具有導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少之層;熱交換器,其具備該被覆基材;以及液狀組合物,其可適切地用於形成該被覆基材。
本發明之被覆基材具有:基材;及導熱層,其被覆基材之表面,且包含380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物及縱橫比超過1之導熱性填料;且導熱性填料之長軸長度相對於導熱層之層厚之比為0.1以上。又,本發明之液狀組合物包含四氟乙烯系聚合物之粉末、上述導熱性填料及液狀介質,上述四氟乙烯系聚合物之粉末之體積基準累積50%徑為0.1~6 μm,導熱性填料之含量為10質量%以上,粉末之體積基準累積10%徑相對於粉末之體積基準累積50%徑之比為0.5以下。
Description
本發明係關於一種具有特定之導熱層之被覆基材及其製造方法、具備該被覆基材之熱交換器以及適於製造被覆基材之液狀組合物。
利用燃燒氣體而自鍋爐水產生蒸氣之鍋爐可使用具備傳熱管之熱交換器。
燃燒氣體中包含水蒸氣、硫氧化物等。因此,若因熱交換器中之熱交換而成為會自燃燒氣體生成硫酸之溫度(硫酸露點溫度)以下,則於熱交換器中會生成硫酸,而導致容易腐蝕傳熱管等。
作為由硫酸導致之腐蝕得到抑制之熱交換器之傳熱管,提出具有導熱層(耐蝕性被覆層)之傳熱管,該導熱層(耐蝕性被覆層)係將四氟乙烯系聚合物、碳纖維、無鉛焊料合金、石墨及碳化矽各者之乾粉之混合物靜電塗裝於管本體之外表面並進行焙燒處理所形成(參照專利文獻1)。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本專利特開2013-164247號公報
[發明所欲解決之問題]
然而,於進行混合物之靜電塗裝時,需要將混合物中各成分之乾粉之平均粒徑(尤其是四氟乙烯系聚合物之乾粉之平均粒徑)設為數十μm。因此,於所形成之導熱層中各成分易不均勻地存在,而導致導熱性易產生不均。
本發明之目的在於提供一種被覆基材及其製造方法,該被覆基材具有導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少之層;熱交換器,其具備上述被覆基材;以及液狀組合物,其可適宜地用於形成上述被覆基材。
[解決問題之技術手段]
本發明具有下述態樣。
<1>一種被覆基材,其具有基材;及導熱層,其被覆上述基材之表面,且包含380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物及縱橫比超過1之導熱性填料;且上述導熱性填料之長軸長度相對於上述導熱層之層厚之比為0.1以上。
<2>如<1>之被覆基材,其中上述導熱層之導熱率為1.0 W/m・K以上。
<3>如<1>或<2>之被覆基材,其中上述導熱層之線膨脹係數為100 ppm/℃以下。
<4>如<1>至<3>中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料之長軸長度為0.1 μm以上500 μm以下,且上述導熱層之層厚為0.1~450 μm。
<5>如<1>至<4>中任一項之被覆基材,其中上述四氟乙烯系聚合物為包含基於四氟乙烯之單元及基於全氟(烷基乙烯基醚)之單元之聚合物或數量平均分子量為20萬以下之聚四氟乙烯。
<6>如<1>至<5>中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料之形狀為纖維狀。
<7>如<1>至<6>中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料為含碳填料。
<8>如<1>至<7>中任一項之被覆基材,其中上述導熱層之上述導熱性填料之含量為10質量%以上,且上述四氟乙烯系聚合物之含量與上述導熱性填料之含量之和為90質量%以上。
<9>如<1>至<8>中任一項之被覆基材,其中上述基材之材質為金屬、玻璃或陶瓷。
<10>一種熱交換器,其具備如上述<1>至<9>中任一項之被覆基材。
<11>一種被覆基材之製造方法,其係製造如上述<1>至<9>中任一項之被覆基材之方法,該製造方法係準備包含上述四氟乙烯系聚合物之粉末、上述導熱性填料及液狀介質之液狀組合物,將上述液狀組合物賦予至上述基材之表面而形成液狀覆膜,對上述液狀覆膜進行加熱而形成上述導熱層,從而獲得上述被覆基材。
<12>一種液狀組合物,其包含380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物之粉末、縱橫比超過1之導熱性填料及液狀介質,上述四氟乙烯系聚合物之粉末之體積基準累積50%徑為0.1~6 μm,且上述導熱性填料之含量為10質量%以上,上述粉末之體積基準累積10%徑相對於上述粉末之體積基準累積50%徑之比為0.5以下。
<13>如<12>之液狀組合物,其中上述粉末為使100 g之上述粉末分散於100 g之水中而製備分散液時,上述分散液之黏度成為50~400 mPa・s的粉末。
<14>如<12>或<13>之液狀組合物,其中上述導熱性填料為不具有被覆表面之被覆劑或表面不具有官能基之導熱性填料。
<15>如<12>至<14>中任一項之液狀組合物,其25℃下之黏度為50~10000 mPa・s。
[發明之效果]
根據本發明,可獲得具有導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少之層之被覆基材及熱交換器、以及適於形成該被覆基材之分散穩定性及處理性優異之液狀組合物。
以下用詞具有以下含義。
「粉末之體積基準累積50%徑(D50)」係藉由雷射繞射-散射法所求出之值。即,藉由雷射繞射-散射法測定粉末之粒度分佈,將粉末之粒子集群之總體積設為100%而求出累積曲線,該累積曲線上累積體積成為50%之點之粒徑係上述「粉末之體積基準累積50%徑(D50)」。
「粉末之體積基準累積10%徑(D10)」係以相同之方式測得之粉末之體積基準累積10%徑。
「聚合物之熔融黏度」係依據ASTM D1238,使用流動測試儀及2Φ-8L之模具,於0.7 MPa之負載下將預先在測定溫度下加熱了5分鐘之聚合物之試樣(2 g)保持在測定溫度下並進行測定所得之值。
「聚合物之熔融溫度」係利用示差掃描熱量測定(DSC)法所測得之聚合物之熔解峰之最大值所對應的溫度。
「聚合物之玻璃轉移點」係利用動態黏彈性測定(DMA)法對聚合物進行分析並測定所得之值。
「導熱層之導熱率」係依據ASTM D5470所測得之值。
「導熱層之線膨脹係數」係使用熱機械分析裝置(SII公司製造、「TMA/SS6100」)所測得之伴隨導熱層之線膨脹產生之位移量。
「對象物之黏度」係使用B型黏度計於溫度25℃、轉速6 rpm之條件下測定對象物(液狀組合物或分散液)所得之值。
「導熱性填料之縱橫比」係根據導熱性填料之長徑值及短徑值所算出之值(用長徑值除以短徑值所獲得之值)的平均值,上述導熱性填料之長徑值及短徑值係利用電子顯微鏡觀察隨機抽選之50個以上導熱性填料所求出。
「導熱性填料之長軸長度」係藉由使用顯微鏡之導熱性填料之圖像解析並利用以下方法所求出之值。
利用滴管量取5 mL之1級試劑之液態石蠟至30 mL之錐形燒瓶中。利用微量刮勺採取導熱性填料之試樣,並使之分散於液態石蠟中。利用微量吸管自燒瓶中量取300 μL之分散液,滴下至第1片載玻片上,重疊第2片載玻片並進行壓接。使用CCD顯微鏡(例如MORITEX CORPORATION公司製造、「SCOPEMAN DIGITAL CCD MICROSCOPE MS-804」)對夾於載玻片之試樣拍攝圖像,並使用圖像解析軟體(例如三谷商事公司製造之「WinROOF2015」)對1000~1300個導熱性填料測定長軸長度,將填料集群之總數設為100%而求出累積曲線,將該累積曲線上中累積分率成為90%之點之值作為長軸長度。
本發明之被覆基材(以下亦稱為「本基材」)具有基材;及導熱層,其被覆基材之表面且包含380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物(以下亦稱為「TFE系聚合物」)及縱橫比超過1之導熱性填料。以下亦將縱橫比超過1之導熱性填料稱為「導熱性填料A」。
於本發明中,導熱性填料A之長軸長度相對於導熱層之層厚之比為0.1以上。
再者,TFE系聚合物係包含基於四氟乙烯(TFE)之單元(TFE單元)之聚合物。
本基材之導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少之原因未必明確,但認為以下。
換言之,本發明中之導熱性填料A為長軸長度(長邊方向之長度)與短軸長度(短邊方向之長度)不同之各向異性填料。為了於導熱層中使導熱性填料A之長軸方向在相對於導熱層與基材相對向之面(以下亦稱為「對向面」)垂直的方向上配向,本發明人等進行了研究。
其結果發現,若使用熔融黏度處於特定範圍內之TFE系聚合物,則易表現出上述配向性,且TFE系聚合物與導熱性填料A高度密接之層得以形成。並且發現,若導熱性填料A之長軸長度相對於導熱層之層厚為一定以上,則產生連續性較高之填料之聚集體而變得易形成導熱部。
即,本基材中之導熱層係TFE系聚合物及導熱性填料A之密接性較高之緻密層,且係導熱性填料A在相對於對向面垂直之方向上以高連續性配向之層。因此,認為本基材之導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少。
又,本基材中,導熱性填料A之至少一部分可形成與對向面接觸之狀態、或於導熱層之與對向面相反側之面(以下亦稱為「露出面」)露出之狀態。因此,亦認為本基材之導熱性及耐蝕性優異且其等之不均較少。
本發明中之TFE系聚合物於380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下,較佳為5×105
Pa・s以下,更佳為1×105
Pa・s以下。作為該熔融黏度,較佳為1×102
Pa・s以上,更佳為1×103
Pa・s以上。於該情形時,TFE系聚合物易變得緻密,而易形成均質性及平滑性較高之導熱層。其結果為,可形成導熱性之不均較少之導熱層。
TFE系聚合物之熔融溫度較佳為280~325℃,更佳為285~320℃。
TFE系聚合物之玻璃轉移點較佳為75~125℃,更佳為80~100℃。
作為TFE系聚合物,較佳為包含TFE單元及基於全氟(烷基乙烯基醚)(PAVE)之單元(PAVE單元)之聚合物(PFA)、及數量平均分子量為20萬以下之聚四氟乙烯即PTFE(以下亦稱為「低分子量PTFE」)。
PFA可進而包含其他單元。
作為PAVE,較佳為CF2
=CFOCF3
、CF2
=CFOCF2
CF3
及CF2
=CFOCF2
CF2
CF3
(PPVE),更佳為PPVE。
PFA可具有極性官能基。極性官能基可存在於PFA中之單元中,亦可存在於聚合物之主鏈之末端基。作為後者之態樣,可列舉:具有源自聚合起始劑、鏈轉移劑等之作為末端基之極性官能基之PFA、對PFA進行電漿處理、電離輻射處理或輻射處理所獲得之具有極性官能基之PFA。
作為極性官能基,較佳為含羥基之基及含羰基之基,更佳為含羰基之基。
作為含羥基之基,較佳為含有醇性羥基之基,較佳為-CF2
CH2
OH及-C(CF3
)2
OH。
含羰基之基係包含羰基(>C(O))之基,作為含羰基之基,較佳為羧基、烷氧基羰基、醯胺基、異氰酸基、胺基甲酸酯基(-OC(O)NH2
)、酸酐殘基(-C(O)OC(O)-)、醯亞胺殘基(-C(O)NHC(O)-等)及碳酸酯基(-OC(O)O-)。
關於TFE系聚合物中之含羰基之基之數量,主鏈碳數每1×106
個,較佳為10~5000個,更佳為100~3000個,進而較佳為800~1500個。於該情形時,TFE系聚合物易變得緻密,而易形成均質性及平滑性高之導熱層。
作為PFA,較佳為熔融溫度為280~320℃之PFA,其包含TFE單元、PAVE單元,且相對於總單元包含1.5~5莫耳%之PAVE單元,更佳為具有極性官能基之PFA(1),其包含TFE單元、PAVE單元及基於具有極性官能基之單體之單元;及不具有極性官能基之PFA(2),其包含TFE單元及PAVE單元,且相對於總單元包含2.0~5.0莫耳%之PAVE單元。
該等PFA於導熱層中易形成微小球晶,從而TFE系聚合物與導熱性填料A及基材之密接性易提高。
作為PFA(1),較佳為相對於總單元,分別含有90~99莫耳%之TFE單元、1.5~9.97莫耳%之PAVE單元及0.01~3莫耳%之基於具有極性官能基之單體之單元者。
又,作為具有極性官能基之單體,較佳為伊康酸酐、檸康酸酐及5-降𦯉烯-2,3-二羧酸酐(別稱:雙環庚烯二甲酸酐;以下亦記為「NAH」),更佳為NAH。
作為PFA(1)之具體例,可列舉國際公開第2018/16644號中記載之聚合物。
PFA(2)較佳為僅由TFE單元及PAVE單元構成,且相對於總單元含有95.0~98.0莫耳%之TFE單元、2.0~5.0莫耳%之PAVE單元。
PFA(2)中PAVE單元之含量相對於總單元,較佳為2.1莫耳%以上,更佳為2.2莫耳%以上。
再者,PFA(2)不具有極性官能基意指相對於構成聚合物主鏈之每1×106
個碳原子數,聚合物所具有之極性官能基之數未達500個。上述極性官能基之數較佳為100個以下,更佳為未達50個。上述極性官能基之數之下限通常為0個。
PFA(2)可使用不會產生作為聚合物主鏈之末端基之極性官能基的聚合起始劑或鏈轉移劑等來製造,亦可對具有極性官能基之PFA(於聚合物之主鏈之末端基上具有源自聚合起始劑之極性官能基之PFA等)進行氟化處理來製造。作為氟化處理之方法,可列舉使用氟氣之方法(參照日本專利特開2019-194314號公報等)。
TFE系聚合物可為低分子量PTFE。低分子量PTFE之數量平均分子量係基於下式(1)所算出之值。
Mn=2.1×1010
×ΔHc-5.16
(1)
式(1)中,Mn表示低分子量PTFE之數量平均分子量,ΔHc表示藉由示差掃描熱量分析法所測得之低分子量PTFE之結晶熱量(cal/g)。若使用低分子量PTFE,則更易形成耐熱性及耐化學品性優異,且導熱性之不均較少之導熱層。
低分子量PTFE之數量平均分子量較佳為20萬以下,更佳為未達10萬。數量平均分子量較佳為1萬以上。
低分子量PTFE亦包括TFE與極微量共聚單體(HFP、PAVE、FAE等)之共聚物。
作為本發明中之導熱性填料A,可列舉:含碳填料、含金屬氧化物填料、含氮化物填料、含玻璃填料,較佳為含碳填料。再者,該等填料可由單一成分構成,亦可包含複數種成分。例如,金屬氧化物填料可含有1種金屬氧化物及其他填料成分(氮化物等)。
作為含碳填料,可列舉:包含選自由碳纖維(carbon fiber)、碳黑、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯、石墨、氧化石墨所組成之群中之至少1種之含碳填料,更佳為含碳纖維填料。作為碳纖維,可列舉:PAN系碳纖維(聚丙烯腈系碳纖維)、瀝青系碳纖維、氣相生長碳纖維、奈米碳管(單壁、雙壁、多壁、杯形積層型等)。
作為含金屬氧化物填料,可列舉含氧化鋁填料。
作為含氮化物填料,可列舉:含氮化硼填料、含氮化鋁填料。
作為導熱性填料A,較佳為不具有被覆表面之被覆劑或表面不具有官能基之填料。於該情形時,傳熱效率會因導熱性填料A彼此之接觸、導熱性填料A與基材之接觸及導熱性填料A於露出面之露出而提昇,從而導熱層之導熱性更加優異。又,由於使用具有特定之熔融黏度,且與導熱性填料A之密接性較高之TFE系聚合物,故本基材中之導熱層之緻密性亦不會受損,易具備耐蝕性。
再者,被覆劑係提昇導熱性填料A與聚合物之親和性的成分,具體而言,可列舉漿料劑(環氧樹脂、聚醯胺樹脂等)。又,作為導入至表面之官能基,可列舉藉由氧化蝕刻或矽烷偶合劑而被導入之官能基。
該導熱性填料A可將填料表面所具有之被覆劑及官能基去除而製備。作為去除方法,可列舉利用洗淨或熱分解所進行之方法。
導熱性填料A之縱橫比較佳為3以上,更佳為5以上。縱橫比之上限通常為100萬。
導熱性填料A之形狀可列舉:粒狀、纖維狀、板狀,較佳為纖維狀。作為纖維狀之具體形狀,可列舉:葉片狀、柱狀、葉狀、線狀、毛細管狀。若導熱性填料A之形狀為纖維狀,則於導熱層中,導熱性填料A易在相對於對向面垂直之方向上以高連續性進行配向。又,導熱性填料A易形成與對向面接觸之狀態及於導熱層之露出面露出之狀態,而更易提昇本基材之導熱性及耐蝕性。
本基材中之導熱性填料A之長軸長度相對於導熱層之層厚之比為0.1以上,較佳為0.5以上,更佳為超過1。上述比較佳為2以下。藉此,易更有效率地使導熱填料形成導熱性填料與對向面接觸之狀態及露出至導熱層之露出面之狀態,導熱層中之導熱性填料A之剝落亦易抑制。
導熱性填料A之長軸長度較佳為超過0.1 μm,更佳為5 μm以上,進而較佳為10 μm以上。導熱性填料A之長軸長度較佳為500 μm以下,更佳為300 μm以下,進而較佳為200 μm以下。
導熱性填料A之短軸長度較佳為0.01 μm以上,更佳為0.05 μm以上。導熱性填料A之短軸長度較佳為1 μm以下,更佳為0.1 μm以下。
再者,於導熱性填料為纖維狀之情形時,所謂導熱性填料之長軸長度,係其纖維長度之累積分率成為90%之值,所謂導熱性填料之短軸長度,係其纖維徑之累積分率成為90%之值。
導熱層之層厚較佳為0.1 μm以上,較佳為5 μm以上,更佳為10 μm以上。導熱層之層厚較佳為450 μm以下,更佳為250 μm以下,進而較佳為150 μm以下。
導熱層中TFE系聚合物之含量較佳為30質量%以上,更佳為40質量%以上。TFE系聚合物之含量較佳為90質量%以下,更佳為65質量%以下。
導熱層中導熱性填料A之含量較佳為10質量%以上,更佳為35質量%以上。導熱性填料A較佳為70質量%以下,更佳為60質量%以下。
若TFE系聚合物及導熱填料之含量分別處於上述範圍內,則不僅導熱層之耐蝕性及導熱性優異,而且導熱性填料A之剝落亦更容易得到抑制。
導熱層中TFE系聚合物之含量與導熱性填料A之含量之和較佳為90質量%以上,更佳為95質量%以上。上述和較佳為100質量%以下。
又,導熱層中TFE系聚合物之含量相對於導熱性填料A之含量之比以質量比計較佳為0.1~9,更佳為0.25~4。於該情形時,於導熱層中,不僅平衡性良好地表現出源自TFE系聚合物之物性(以耐蝕性為代表之聚合物之物性)與源自導熱性填料A之特性(以導熱性為代表之導熱性填料A之物性),而且使其線膨脹係數降低,使得導熱層不易發生翹曲,從而易形成與基材之密接強度較高之導熱層。
導熱層可包含除TFE系聚合物及導熱性填料A以外之成分。作為其他成分,可列舉:除TFE系聚合物以外之聚合物、觸變性賦予劑、消泡劑、除導熱性填料A以外之填料、矽烷偶合劑、脫水劑、塑化劑、耐候劑、抗氧化劑、熱穩定劑、潤滑劑、抗靜電劑、增白劑、著色劑、傳導劑、離型劑、表面處理劑、黏度調節劑、阻燃劑。
導熱層之導熱率較佳為1.0 W/m・K以上,更佳為2.0 W/m・K以上,進而較佳為3.0 W/m・K以上。導熱層之導熱率之上限為100 W/m・K。本基材中之導熱層藉由上述作用機制而發揮該導熱率。
導熱層之線膨脹係數較佳為100 ppm/℃以下,更佳為70 ppm/℃以下,進而較佳為50 ppm/℃以下。導熱層之線膨脹係數之下限為1 ppm/℃。於該情形時,即便於高溫環境下亦可將導熱層對基材之接著強度維持為足夠高。再者,導熱層之線膨脹係數亦較佳為與基材相同程度。
又,亦可自本基材去除基材,而以膜形式獲得單獨之導熱層。作為基材之去除方法,可列舉:自本基材剝離基材之方法、使本基材之基材溶解之方法。例如,於本基材為銅箔之情形時,只要使基材面與鹽酸等蝕刻液接觸來去除基材,便可以膜形式獲得單獨之導熱層。
作為基材之材質,較佳為金屬、玻璃及陶瓷,更佳為金屬。
作為金屬,可列舉:銅、鋁、鐵、鋅、鎳、其等之合金。
作為玻璃,可列舉:鈉鈣玻璃、鈉鉀玻璃、鈉鋁矽酸鹽玻璃、鋁硼酸鹽玻璃、鋁硼矽酸鹽玻璃、低膨脹玻璃、石英玻璃、多孔玻璃。
作為陶瓷,可列舉:氧化鋁、氧化鋯、鈦酸鎂、鈦酸鈣、鈦酸鍶、氮化鋁、碳化矽、氮化矽等燒結體(莫來石、菫青石、塊滑石等)。
作為基材之形狀,可列舉:平板狀、管狀、球狀、曲面狀、楔狀、波狀。
作為基材之較佳態樣,可列舉後文中敍述之傳熱管之本體。若於管或帶翼片之管等管狀基材之外表面上形成導熱層,則可獲得可用於熱交換器等之傳熱管。
作為本基材之製造方法,可列舉如下方法:準備包含TFE系聚合物之粉末、導熱性填料A及液狀介質之液狀組合物,將該液狀組合物賦予至基材之表面而形成液狀覆膜,對液狀覆膜進行加熱而形成導熱層。作為該液狀組合物,可使用後文中敍述之本發明之液狀組合物。
作為液狀組合物之賦予方法,可列舉:塗佈、噴霧(Spray)。
於利用噴霧賦予液狀組合物之情形時,藉由噴霧將液狀組合物以液滴之形式噴出,液滴附著於基材之表面而形成液狀覆膜。此時,液狀組合物通過噴嘴之細徑流路之後,自頭端開口以液滴之形式被噴出。因此,於各液滴中導熱性填料A容易以其長軸方向作為液滴之噴出方向(即,基材之厚度方向)來配向。又,在液滴附著於基材之前,液狀介質會自各液滴中飛散、揮發。由於在該狀態下液滴附著於基材之表面,故認為導熱性填料A易在液狀覆膜之厚度方向上配向。即,更多之導熱填料更易形成與對向面接觸且於露出面露出之狀態。
液狀覆膜之加熱溫度較佳為TFE系聚合物進行熔融焙燒之溫度。
加熱溫度可一定,亦可不同。具體而言,較佳為首先加熱至液狀覆膜之液狀介質(液狀成分)會揮發之溫度(100~200℃),進而加熱至TFE系聚合物進行熔融焙燒之溫度(340~400℃)。
作為加熱機構,可列舉:烘箱、通風乾燥爐、紅外線等熱線照射。
作為本基材之較佳態樣,可列舉:傳熱管、傳熱板。
傳熱管具有管狀基材,且於該管狀基材之外表面上具有導熱層。
圖1係表示傳熱管之一例之剖視圖。再者,為了方便說明,圖1中之尺寸比係與實際之尺寸比不同。
傳熱管10具有:管狀基材,其具備管12及設置於管12之外周之翼片14;及導熱層16,其覆蓋管12之外表面及翼片14之表面。
作為管12之材質,可列舉上述金屬,就提高導熱性之觀點而言,較佳為銅、銅合金、鋁及鋁合金。
管12之外徑及內徑只要根據管之材質、傳熱管之用途等來適當設定即可。
作為翼片14之材質,可列舉上述金屬,就提高導熱性之觀點而言,較佳為銅、銅合金、鋁及鋁合金。翼片之材質通常視為與管之材質相同。
翼片14之數量、形狀、厚度、面積及配置間距只要根據翼片14之材質、傳熱管10之用途等來適當設定即可。
於傳熱管10中,導熱層16之厚度較佳為2~400 μm,更佳為10~200 μm。於該情形時,導熱層16之導熱性優異。
作為傳熱管10之形狀,可列舉:板翼片型傳熱管、釺焊板型傳熱管、板翼片型傳熱管、螺旋翼片型傳熱管、雙管式傳熱管、橫向翼片型傳熱管、波紋翼片型傳熱管、長條翼片型傳熱管、網狀翼片型傳熱管、管狀翼片型傳熱管、機翼型傳熱管等形狀,作為具體例,可列舉日本專利特公昭59-38517號公報、日本專利特開昭60-141437號公報、日本專利實開昭63-54984等圖式中記載之形狀。
本發明之熱交換器較佳為具備由本基材構成之傳熱管10。
於本發明之熱交換器中,傳熱管10較佳為設置在如下部位,即包含水分及硫化合物之燃燒氣體得到冷卻並成為硫酸露點溫度以下而產生硫酸之部位。
本發明之熱交換器例如可用作鍋爐中之節碳器。
本發明之液狀組合物(以下亦稱為「本組合物」)包含380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下之TFE系聚合物之粉末、縱橫比超過1之導熱性填料及液狀介質。
上述粉末之D50為0.1~6 μm,上述粉末之D10相對於上述粉末之D50之比為0.5以下。
又,本組合物中之導熱性填料A之含量為10質量%以上。
若使用本組合物,則導熱性填料A之含量較高,可容易地於基材之表面形成導熱性及耐蝕性優異之被覆層。其原因雖不明確,但認為如下。
本組合物中之粉末之D10相對於D50之比處於特定範圍內,換言之,以一定之比率包含微小粒子。認為若微小粒子之比表面積較大,且於液狀組合物中包含該微小粒子,則可整體提高粉末與導熱性填料A之親和性(潤濕),而提昇其分散狀態。因此,本組合物中即便導熱性填料A之含量較高,分散性及處理性優異亦優異。
又,認為於形成導熱層時,微小粒子會促進其他粒子之緻密填充性,而提高導熱性填料A之垂直配向性。具體而言,認為微小粒子被緻密地填充於填充性粒子之間,而支持垂直配向之導熱性填料A。換言之,認為導熱層之形成係於導熱性填料A被固定之狀態下進行。其結果為,認為若使用本組合物,則形成導熱性填料A相對於對向面而高度垂直配向之緻密被覆層。
因此,認為若使用上述分散性及處理性優異之本組合物,則即便導熱性填料A之含量較高,亦可於基材之表面形成導熱性及耐蝕性均優異之導熱層。
本組合物中之粉末中TFE系聚合物之含量較佳為80質量%以上,更佳為100質量%。
本組合物中之粉末還可含有如下成分,即包含與TFE系聚合物不同之聚合物及無機物之至少任一者之成分。
作為不同之聚合物,可列舉:芳香族聚酯、聚醯胺醯亞胺、聚醯亞胺、聚苯醚(Polyphenylene ether)、聚伸苯醚(Polyphenylene oxide)、馬來醯亞胺。
作為無機物,可列舉:氧化矽(Silica)、金屬氧化物(氧化鈹、氧化鈰、氧化鋁、鹼氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈦等)、氮化硼、偏矽酸鎂(塊滑石)。
包含上述成分之粉末較佳為具有如下核殼結構:以TFE系聚合物為核且以上述成分為殼;或以TFE系聚合物為殼且以上述成分為核。該粉末係例如使TFE系聚合物之粉末與上述成分之粉末合在一起(碰撞、凝聚等)而獲得。
粉末之D50為0.01~6 μm,較佳為0.1~4 μm,更佳為0.5~3 μm。粉末之D10較佳為0.001~1.8 μm,更佳為0.005~1.5 μm,進而較佳為0.1~1 μm。
粉末之D10相對於粉末之D50之比為0.5以下,較佳為0.3以下,更佳為0.2以下。藉此,易抑制粉末之凝聚並且表現出上述作用效果。
上述比較佳為0.1以上。藉此,易表現出上述作用機制。
於使100 g之粉末分散於100 g之水中而製備分散液時,該粉末之黏度較佳為成為50~400 mPa・s,更佳為成為100~200 mPa・s。
又,上述分散液較佳為在通過JIS Z 8801-1:2006之200網目篩時,篩上之殘留物量成為3 g以下,更佳為成為1.5 g以下。
再者,於製備分散液時,於粉末之分散性較低之情形時,亦可使用界面活性劑來製備分散液。作為界面活性劑,可列舉與後文中敍述之本組合物中亦可包含之界面活性劑相同者。
分散液之黏度及殘留物量處於上述範圍內之粉末可謂圓形度足夠高之粉末。即,粉末之圓形度越高,則分散液中之粉末之流動度越高,故其黏度易降低。又,由於粉末彼此之凝聚得到抑制,故篩上之殘留物量易變少。
若使用此種圓形度較高之粉末,則本組合物之分散性提昇,而由該粉末形成之層(導熱層)之物性更易提昇。
關於本組合物中之TFE系聚合物之範圍,包括較佳之範圍在內,係與本基材中之TFE系聚合物之範圍相同。尤其是作為TFE系聚合物,較佳為聚合物(1)及聚合物(2)。若使用該聚合物,則更易提昇本組合物之分散性。
關於本組合物中之導熱性填料A之範圍,包括較佳之範圍在內,係與本基材中之導熱性填料A之範圍相同。
本組合物中之粉末之含量較佳為10質量%以上,更佳為15質量%以上,進而較佳為20質量%以上。本組合物中之導熱性填料A之含量較佳為50%以下,更佳為40質量%以下。於該情形時,本組合物之分散穩定性容易優異。
本組合物中之導熱性填料A之含量為10質量%以上,較佳為15質量%以上,更佳為20質量%以上。本組合物中之導熱性填料A之含量較佳為50%以下,更佳為40質量%以下。於該情形時,本分散液之分散穩定性容易優異。藉由上述作用機制,本組合物即便包含較多之導熱性填料A,分散性亦優異。
本組合物中之液狀介質係25℃下為惰性之液體化合物,其作為粉末及導熱性填料A之分散介質發揮作用。液狀介質可為水,亦可為非水系分散介質。液狀介質可為2種以上。於該情形時,較佳為不同種類之液狀介質相溶。
液狀介質之沸點較佳為125~250℃。於該情形時,由本組合物形成之導熱層之物性易提昇。
作為液狀介質,尤佳為選自由醯胺、酮及酯所組成之群中之液狀化合物,作為液狀分散介質,更佳為N-甲基-2-吡咯啶酮、γ-丁內酯、環己酮及環戊酮。
本組合物中之液狀介質之含量較佳為50質量%以上,更佳為60質量%以上。液狀介質之含量較佳為90質量%以下,更佳為80質量%以下。
本組合物還可進而包含與TFE系聚合物不同之樹脂。其他樹脂可為熱硬化性樹脂,亦可為熱塑性樹脂。
作為其他樹脂,可列舉:環氧樹脂、馬來醯亞胺樹脂、胺基甲酸酯樹脂、彈性體、聚醯亞胺、聚醯胺酸、聚醯胺醯亞胺、聚苯醚、聚伸苯醚(Polyphenylene oxide)、液晶聚酯、除TFE系聚合物以外之氟聚合物。
於包含其他樹脂之情形時本組合物可將本組合物與其他樹脂之粉末加以混合而製造,亦可將本組合物與包含其他樹脂之清漆加以混合而製造。
本組合物除上述成分以外還可包含觸變性賦予劑、消泡劑、矽烷偶合劑、脫水劑、塑化劑、耐候劑、抗氧化劑、熱穩定劑、潤滑劑、抗靜電劑、增白劑、著色劑、導電劑、離型劑、表面處理劑、黏度調節劑、阻燃劑、除導熱性填料A以外之填料等添加劑。
本組合物中形成導熱層之成分較佳為以TFE系聚合物及導熱性填料A作為主成分。本組合物中形成導熱層之成分中之TFE系聚合物及導熱性填料A之總含量較佳為80~100質量%。
本組合物之黏度較佳為50~10000 mPa・s。本組合物之黏度更佳為100 mPa・s以上。本組合物之黏度較佳為1000 mPa・s以下,更佳為800 mPa・s以下。
本組合物之觸變比較佳為1.0以上。本組合物之觸變比較佳為3.0以下,更佳為2.0以下。
本組合物藉由上述作用機制,而易調整為上述範圍之黏度及觸變性,而處理性優異。
就促進導熱性填料A及粉末之分散,進一步提昇導熱層之物性之觀點而言,本組合物較佳為包含界面活性劑。
作為界面活性劑,較佳為非離子性界面活性劑。
於本組合物包含界面活性劑之情形時,其比率較佳為1~20質量%。
作為界面活性劑之親水部位,較佳為醇性羥基及聚氧伸烷基。
聚氧伸烷基可包含2種以上之氧伸烷基。於後者之情形時,種類不同之氧伸烷基可以無規狀配置,亦可以嵌段狀配置。
作為氧伸烷基,較佳為氧伸乙基。
界面活性劑之疏水部位較佳為具有乙炔基、聚矽氧烷基、全氟烷基或全氟烯基,較佳為具有聚矽氧烷基。換言之,作為界面活性劑,較佳為乙炔系界面活性劑、矽酮系界面活性劑及氟系界面活性劑,更佳為矽酮系界面活性劑。
若使用上述界面活性劑,則可使液狀介質之表面張力降低,提高對粉末表面之濡濕性,從而提昇粉末之分散性。又,界面活性劑之疏水部位可吸附至粉末之表面,親水性基於液狀介質中伸長,因親水性基之位阻而防止粉末之凝聚,從而進一步提昇分散穩定性。而且,可提高導熱性填料A之分散穩定性。
作為界面活性劑之具體例,可列舉:「FTERGENT」系列(NEOS公司製造)、「Surflon」系列(AGCSeimi Chemical公司製造)、「MEGAFAC」系列(DIC公司製造)、「Unidyne」系列(大金工業公司製造)、「BYK-347」、「BYK-349」、「BYK-378」、「BYK-3450」、「BYK-3451」、「BYK-3455」、「BYK-3456」(BYK-Chemie Japan股份有限公司製造)、「KF-6011」、「KF-6043」(信越化學工業股份有限公司製造)。
本組合物可於電氣-電子工業領域、汽車領域等各種領域中用作散熱、傳熱用樹脂材料及導熱膜形成材料,尤其是可用作後者之材料。
由本發明之被覆基材構成之傳熱管10可用於上述熱交換器或構成該熱交換器之翼片或管需要耐腐蝕性之用途。
作為該用途,可列舉:有可能暴露於硫酸中之使含硫分之燃料燃燒並會產生廢氣之設備(作為煤或重油等含硫分之燃料之燃燒設備,可列舉火力發電設備),用於將燃燒時所產生之廢氣釋出之煙筒、排出管。
本組合物亦可用作用以在對來自各種發熱零件之熱進行散熱時之散熱零件等上形成導熱膜的材料。
作為發熱零件,可列舉:功率裝置、電晶體、閘流體、整流器、變壓器、功率MOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效電晶體)、CPU(Central Processing Unit,中央處理器)。
作為散熱零件,可列舉:散熱翼片或金屬散熱板,更具體而言,可列舉:電腦或顯示器之殼體、電子裝置材料、汽車之內外飾、於低氧下進行加熱處理之加工機或真空烘箱、電漿處理裝置等之密封材料、濺鍍或各種乾蝕裝置等處理單元內之散熱零件。
又,本組合物亦可用作形成導熱性耐熱被覆層之材料,該導熱性耐熱被覆層係使本組合物含浸於印刷配線板之絕緣層、熱介面材、電源模組用基板、馬達等動力裝置中使用之線圈並進行乾燥而形成。
進而,本組合物亦可用於塗佈於軸承、活塞、軸承、撥動開關、齒輪、襯套、密封件、止推墊圈、耐磨環、凸輪、帶式輸送機、食品搬送用傳送帶等)等滑動零件、耐磨墊、耐磨帶、管燈、試驗插口、晶圓導件、離心泵之磨耗零件、供給烴-化學品及水之泵、燃料電池之隔片而形成樹脂層的用途或於玻璃基材、金屬器具上形成塗層之用途。作為對玻璃容器內外進行塗佈之材料有用。作為玻璃容器,可列舉:小瓶、注射筒(注射器)、帶針之注射器及匣式注射器、安瓿。
本組合物亦可應用於要求導電性之用途。由本組合物獲得之成形物易導熱性優異並且導電性亦優異。尤其是本組合物由於易調整為適當之黏度且硬化無需高溫,故亦可較佳地用於印刷電子設備之領域。具體而言,可用於印刷電路板、感測器電極、顯示器、背板、RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)、太陽光發電、照明、拋棄式電子機器、汽車加熱器、電磁屏蔽(EMI,Electromagnetic Interference)、膜片開關等中之通電元件之製造。
本組合物亦可用作接著劑。接著劑可於半導體元件、高密度基板或模組零件等中用於安裝於基板上之IC晶片或電阻、電容器等電子零件之接著或電路基板與散熱板之接著、LED晶片與基板之接著等。
本組合物亦可用作電子零件之安裝步驟中電路配線與電子零件之間之傳導性接合材用途(作為焊接之代替之用途),故而較佳。
又,本組合物亦可用於車載引擎中之陶瓷零件或金屬零件彼此之接著。
進而,本組合物亦可用作代替先前之玻璃環氧板之新穎印刷配線板材料以於印刷配線板中防止高密度安裝有電子零件之印刷基板之溫度上升。
本組合物亦可用於國際公開2016/017801號之段落編號[0149]中記載之用途。
實施例
以下,藉由實施例對本發明詳細地進行說明,但本發明並不限定於其等。再者,例2為比較例。
實施例、比較例中使用以下材料。
<TFE系聚合物之粉末>
粉末1:包含聚合物1(熔融溫度:300℃、380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下)之粉末(D10:1.0 μm、D50:2.1 μm、D10/D50≒0.48),該聚合物1依序含有97.9莫耳%之TFE單元、0.1莫耳%之NAH單元、及2.0莫耳%之PPVE單元,且主鏈碳數每1×106
個具有1000個羰基
粉末2:包含含有99.5莫耳%以上之TFE單元之PTFE(非熱熔融性、380℃下之熔融黏度超過1×106
Pa・s)之粉末(D50:7 μm、AGC製造之「L173J」)
粉末3:包含聚合物2(熔融溫度:305℃、380℃下之熔融黏度為1×106
Pa・s以下)之粉末(D10:0.8 μm、D50:1.8 μm、D1/D50≒0.44),該聚合物2依序含有98.7莫耳%之TFE單元及1.3莫耳%之PPVE單元,且主鏈碳數每1×106
個具有40個羰基
粉末4:包含聚合物2之粉末(D10:1.1 μm、D50:2.0 μm、D1/D50=0.55)
再者,分別使100 g之粉末1~4分散於100 g之水中而獲得之分散液的黏度依照粉末1~4之順序為100 mPa・s、300 mPa・s、200 mPa・s、250 mPa・s。
<液狀介質>
NMP:N-甲基-2-吡咯啶酮。
<界面活性劑>
界面活性劑1:於側鏈分別具有全氟烯基與羥基及聚氧乙烯基之(甲基)丙烯酸酯系聚合物(NEOS公司製造、「FTERGENT710FL」)
<碳纖維>
碳纖維1:表面不具有被覆劑且表面不具有官能基之纖維徑6 μm、纖維長度80 μm之碳纖維(Airtex公司製造之「ATU-75」)
所獲得之被覆基材之線膨脹係數及導熱率係利用以下方法測得。
<線膨脹係數>
自被覆基材切下短條狀(橫4 mm、縱55 mm)之樣品。其次,利用烘箱以250℃對該樣品乾燥1小時。其後,使用熱機械分析裝置(SII公司製造,「TMA/SS6100」)對該樣品之線膨脹係數(CTE)進行測定。具體而言,於空氣氛圍下,於夾頭間距離20 mm下負擔20 mN之負載,並且以2℃/分鐘之速度使樣品自25℃升溫至260℃。此時,測定伴隨樣品之線膨脹之位移量。並且,將該位移量作為導熱層於25~260℃下之線膨脹係數(ppm/℃)。
<導熱率>
自被覆基材將基材剝下,以單獨膜之形式獲得導熱層。自該膜之中心部切下10 mm×10 mm見方之試片,對其面內方向上之導熱率(W/m・K)進行測定。
1.液狀組合物之製備例
(液狀組合物1)
將100份之粉末1、10份之分散劑1、40份之碳纖維1及90份之NMP填充至橫置式球磨機容器中,使用15 mm徑之氧化鋯球,以500 rpm攪拌30分鐘而獲得液狀組合物1(黏度:100 mPa・s)。
(液狀組合物2)
使用粉末2代替粉末1,除此以外,以與液狀組合物1相同之方式獲得液狀組合物2(黏度:150 mPa・s)。
(液狀組合物3)
使用粉末3代替粉末1,除此以外,以與液狀組合物1相同之方式獲得液狀組合物3(黏度:200 mPa・s)。
(液狀組合物4)
使用粉末4代替粉末1,除此以外,以與液狀組合物1相同之方式獲得液狀組合物4(黏度:300 mPa・s)。
將液狀組合物1~4分別於容器中以25℃保管保存後,利用目視確認其分散性,依照下述基準來評價分散穩定性。其結果為,液狀組合物1~4依序為「」、「×」、「△」、「×」。
:未視認到凝聚物。
△:容器側壁中視認到細小之凝聚物之附著。
×:容器底部亦視認到凝聚物沈澱。
2.被覆基材之製造例
(例1)
藉由噴霧法將液狀組合物1噴至不鏽鋼製基材之表面,於基材之表面形成液狀覆膜。其次,於100℃下對液狀覆膜加熱10分鐘而獲得厚度90 μm之乾燥覆膜。其次,於氮氣氛圍下以340℃對形成有乾燥覆膜之基材加熱15分鐘。藉此使粉末熔融而形成厚度78 μm之導熱層,從而獲得被覆基材。該被覆基材中基材與導熱層牢固地接著,且碳纖維自導熱層之表面露出。導熱層之線膨脹係數為20 ppm/℃以下,導熱層之導熱率為1.5 W/m・K以上。
(例2)
使用液狀組合物2代替液狀組合物1,除此以外,以與例1相同之方式形成厚度78 μm之導熱層,而獲得被覆基材,但基材與導熱層容易剝離。
(例3)
使用液狀組合物3代替液狀組合物1,除此以外,以與例1相同之方式形成厚度78 μm之導熱層,而獲得被覆基材。該被覆基材中基材與導熱層牢固地接著,且碳纖維自導熱層之表面露出。導熱層之線膨脹係數為20~30 ppm/℃,導熱層之導熱率為1.2~1.5 W/m・K。
(例4)
使用液狀組合物4代替液狀組合物1,除此以外,以與例1相同之方式形成厚度78 μm之導熱層,從而獲得被覆基材。關於該被覆基材,基材與導熱層牢固地接著,碳纖維自導熱層之表面露出。導熱層之線膨脹係數為30~50 ppm/℃,導熱層之導熱率為1.0~1.2 W/m・K。
[產業上之可利用性]
本發明之被覆基材可用作熱交換器之傳熱管中之導熱層等。本發明之液狀組合物可用作用於形成熱交換器之傳熱管中之導熱層等之塗料。
再者,將2019年12月18日提出申請之日本專利申請2019-228258號之說明書、申請專利範圍、摘要及圖式之全部內容引用至本文中,並作為本發明之說明書之揭示併入。
10:傳熱管
12:管
14:翼片
16:導熱層
圖1係表示由本發明之被覆基材構成之傳熱管之一例的剖視圖。
10:傳熱管
12:管
14:翼片
16:導熱層
Claims (15)
- 一種被覆基材,其具有:基材;及導熱層,其被覆上述基材之表面,且包含380℃下之熔融黏度為1×106 Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物及縱橫比超過1之導熱性填料;且上述導熱性填料之長軸長度相對於上述導熱層之層厚之比為0.1以上。
- 如請求項1之被覆基材,其中上述導熱層之導熱率為1.0 W/m・K以上。
- 如請求項1或2之被覆基材,其中上述導熱層之線膨脹係數為100 ppm/℃以下。
- 如請求項1至3中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料之長軸長度超過0.1 μm且為500 μm以下,上述導熱層之層厚為0.1~450 μm。
- 如請求項1至4中任一項之被覆基材,其中上述四氟乙烯系聚合物為包含基於四氟乙烯之單元及基於全氟(烷基乙烯基醚)之單元之聚合物或數量平均分子量為20萬以下之聚四氟乙烯。
- 如請求項1至5中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料之形狀為纖維狀。
- 如請求項1至6中任一項之被覆基材,其中上述導熱性填料為含碳填料。
- 如請求項1至7中任一項之被覆基材,其中上述導熱層之上述導熱性填料之含量為10質量%以上,且上述四氟乙烯系聚合物之含量與上述導熱性填料之含量之和為90質量%以上。
- 如請求項1至8中任一項之被覆基材,其中上述基材之材質為金屬、玻璃或陶瓷。
- 一種熱交換器,其具備如請求項1至9中任一項之被覆基材。
- 一種被覆基材之製造方法,其係製造如請求項1至9中任一項之被覆基材之方法,該製造方法係準備包含上述四氟乙烯系聚合物之粉末、上述導熱性填料及液狀介質之液狀組合物,將上述液狀組合物賦予至上述基材之表面而形成液狀覆膜,對上述液狀覆膜進行加熱而形成上述導熱層,從而獲得上述被覆基材。
- 一種液狀組合物,其包含380℃下之熔融黏度為1×106 Pa・s以下之四氟乙烯系聚合物之粉末、縱橫比超過1之導熱性填料及液狀介質,上述四氟乙烯系聚合物之粉末之體積基準累積50%徑為0.1~6 μm,且上述導熱性填料之含量為10質量%以上,上述粉末之體積基準累積10%徑相對於上述粉末之體積基準累積50%徑之比為0.5以下。
- 如請求項12之液狀組合物,其中上述粉末為於使100 g之上述粉末分散於100 g之水中而製備分散液時,上述分散液之黏度成為50~400 mPa・s之粉末。
- 如請求項12或13之液狀組合物,其中上述導熱性填料為不具有被覆表面之被覆劑或表面不具有官能基之導熱性填料。
- 如請求項12至14中任一項之液狀組合物,其25℃下之黏度為50~10000 mPa・s。
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