TW202216873A - 複合材料、複合材料用預成形體、及製造複合材料之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之複合材料1具備母材11及導熱性纖維12。母材11包含有機聚合物，並形成多孔質結構。導熱性纖維12被母材11固定於多孔質結構之內部。藉由穩態熱流法確定出之導熱性纖維12於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上。複合材料1之密度d[g/cm 3]及複合材料1於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件。

Description

複合材料、複合材料用預成形體、及製造複合材料之方法
本發明係關於一種複合材料、複合材料用預成形體、及製造複合材料之方法。
先前，已知有一種使用纖維狀導熱性填充劑之複合材料。
例如，專利文獻1中記載有一種包含高分子基質、纖維狀導熱性填充材、及粉末狀導熱性填充材之片狀導熱性成形體。纖維狀導熱性填充材及粉末狀導熱性填充材分散於高分子基質中。纖維狀導熱性填充材於片狀導熱性成形體之厚度方向上配向。高分子基質包含未交聯狀態之交聯性高分子化合物。導熱性成形體具有複數個孔隙。纖維狀導熱性填充材之一部分於厚度方向上貫通導熱性成形體。
又，專利文獻2～5中記載有一種含有碳纖維等纖維狀填充劑之發泡體。又，專利文獻4中亦記載有一種含有鱗片狀導熱性填充劑之電子機器用導熱性發泡體片材。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2014-27144號公報 專利文獻2：日本專利特開2012-102263號公報 專利文獻3：日本專利特開2013-229591號公報 專利文獻4：日本專利特開2013-229592號公報 專利文獻5：日本專利特開2018-127617號公報
[發明所欲解決之問題]
專利文獻1中記載之導熱性成形體之比重超過1.2，專利文獻1中記載之技術在材料之輕量化方面尚有進一步研究之餘地。雖然專利文獻2～5中記載之發泡體之比重較小，但該等發泡體之熱導率較低。因此，專利文獻2～5中記載之技術在提高材料之熱導率方面尚有進一步研究之餘地。
因此，本發明提供一種輕量且具有高熱導率之新穎之複合材料。又，本發明提供一種在製造此種複合材料之方面較為有利之複合材料用預成形體。進而，本發明提供一種在製造此種複合材料之方面較為有利之方法。 [解決問題之技術手段]
本發明提供一種複合材料， 其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 導熱性纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部；且 藉由穩態熱流法確定出之上述導熱性纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上， 該複合材料之密度d[g/cm 3]及該複合材料於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]滿足d≦1.1、λ＞1及4≦λ/d≦100之條件。 上述熱導率λ係依據美國材料試驗協會標準(ASTM)D5470-01(單向熱流穩態法)並利用1片試樣及對稱構成方式測定所得。
又，本發明提供一種複合材料， 其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 導熱性纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部；且 上述導熱性纖維於該複合材料之特定方向上自該複合材料之一端延伸至另一端。
又，本發明提供一種複合材料用預成形體，其具備： 母材，其包含有機聚合物； 導熱性纖維，其以沿著特定方向延伸之方式被上述母材固定；及 發泡劑，其分散於上述母材中。
又，本發明提供一種方法， 其係製造具有多孔質結構之複合材料之方法，具備以下步驟： 於導熱性纖維以沿著特定方向延伸之方式配置之狀態下，將含有有機聚合物之母材供給至上述導熱性纖維之周圍；及 使上述母材發泡而形成上述多孔質結構；並且 藉由穩態熱流法確定出之上述導熱性纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上。
又，本發明提供一種複合材料， 其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 碳纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部；且 利用下述式(A)確定出之上述碳纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率λ cf為10 W/(m・K)以上， 該複合材料之密度d[g/cm 3]及該複合材料於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件。 上述熱導率λ係依據美國材料試驗協會標準(ASTM)D5470-01(單向熱流穩態法)並利用1片試樣及對稱構成方式測定所得。 λ cf[W/(m・K)]＝1272.4/ER[μΩm]－49.4       式(A) 上述式(A)中，ER為上述碳纖維之電阻率。 [發明之效果]
上述複合材料具有輕量性，且於特定方向上具有高熱導率。
於使用導熱性填充劑來提高複合材料之熱導率之情形時，認為增加複合材料中之導熱性填充劑之含量較為有利。然而，就複合材料之輕量化之觀點而言，難言增加複合材料中之導熱性填充劑之含量較為有利。另一方面，雖然考慮藉由發泡來實現複合材料之輕量化，但會因發泡而形成孔隙，認為這在提高材料之熱導率之方面是不利的。
鑒於上述情況，本發明人等為了新開發出輕量且具有高熱導率之新穎之複合材料而反覆進行了銳意研究。本發明人等經過多次反覆試驗後新發現，於具有多孔質結構之複合材料中，可使該複合材料之密度保持地較低，並且提高特定方向上之複合材料之熱導率，從而完成本發明。
以下，參照附圖對本發明之實施方式進行說明。再者，下述說明係例示性地對本發明進行說明，本發明並不限於以下實施方式。圖1、圖2、及圖4中所示之X軸、Y軸、及Z軸相互正交。
如圖1所示，複合材料1具有多孔質結構，具有多個孔隙13。複合材料1具備母材11及導熱性纖維12。母材11包含有機聚合物，並形成多孔質結構。導熱性纖維12被母材11固定於多孔質結構之內部。藉由穩態熱流法確定出之導熱性纖維12於纖維軸方向上的常溫下熱導率例如為10 W/(m・K)以上。穩態熱流法例如為藤代等著之低溫工學之28卷533頁(1993)中記載之方法。依據日本工業標準JIS Z 8703，常溫係20℃±15℃。複合材料1之密度d[g/cm 3]及複合材料1於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]例如滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件。熱導率λ係依據ASTM D5470-01(單向熱流穩態法)並利用1片試樣及對稱構成方式測定所得。
由於密度d及熱導率λ滿足上述條件，故複合材料1具有輕量性，且於特定方向上具有高熱導率。於本說明書中，密度d意為表觀密度。
複合材料1之密度d只要滿足上述條件即可，並不限定於特定值。就複合材料1之輕量化之觀點而言，密度d較佳為1.0 g/cm 3以下，更佳為0.9 g/cm 3以下，進而較佳為0.8 g/cm 3以下，特佳為0.7 g/cm 3以下。密度d例如為0.05 g/cm 3以上，亦可為0.06 g/cm 3以上，亦可為0.07 g/cm 3以上，亦可為0.08 g/cm 3以上，亦可為0.09 g/cm 3以上，亦可為0.10 g/cm 3以上。
複合材料1於特定方向上之熱導率λ只要滿足上述條件即可，並不限定於特定值。熱導率λ較佳為1.1 W/(m・K)以上，更佳為1.2 W/(m・K)以上，進而較佳為1.3 W/(m・K)以上，特佳為1.4 W/(m・K)以上，尤佳為1.5 W/(m・K)以上。熱導率λ例如為20 W/(m・K)以下，亦可為10 W/(m・K)以下，亦可為5 W/(m・K)以下。
關於複合材料1，λ/d之值較佳為4.5以上，更佳為5.0以上，進而較佳為5.5以上。λ/d之值可為90以下，亦可為80以下，亦可為70以下，亦可為60以下，亦可為50以下，亦可為40以下，亦可為30以下，亦可為20以下，亦可為15以下。
母材11中所含之有機聚合物並不限定於特定聚合物。母材11例如包含選自由熱塑性樹脂、熱塑性彈性體、及橡膠所組成之群中之至少一種。熱塑性樹脂之例為：低密度聚乙烯(LDPE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物等乙烯-α-烯烴共聚物；聚甲基戊烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮乙醛、聚偏二氟乙烯或四氟乙烯等氟樹脂；聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)樹脂、聚苯醚、聚醯胺、聚醯亞胺、聚甲基丙烯酸酯系樹脂、聚丙烯酸系樹脂、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚碸、聚醚碸、及聚醚酮。熱塑性彈性體之例為：酯系熱塑性彈性體、烯烴系熱塑性彈性體、胺基甲酸酯系熱塑性彈性體、及苯乙烯系熱塑性彈性體。橡膠之例為天然橡膠或合成橡膠。合成橡膠之例為：氯丁二烯橡膠、乙烯丙烯橡膠、腈橡膠、矽酮橡膠、及苯乙烯丁二烯橡膠。
母材11較佳為包含熱塑性樹脂或熱塑性彈性體。於此情形時，容易於導熱性纖維12中含浸有機聚合物，容易於母材11中獲得所需之多孔質結構。
母材11中所含之有機聚合物之熔體質量流率(MFR)並不限定於特定值。MFR係依據日本工業標準(JIS)K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測定所得。有機聚合物之MFR例如為1 g/10分鐘～100 g/10分鐘。製造複合材料1時，可以所需狀態將母材11之材料供給至導熱性纖維12之周圍，而容易於母材11中獲得所需多孔質結構。「1 g/10分鐘」中可包含四捨五入為「1 g/10分鐘」之值。有機聚合物之MFR可為2 g/10分鐘以上，亦可為3 g/10分鐘以上。有機聚合物之MFR可為90 g/10分鐘以下，亦可為80 g/10分鐘以下。於某些情況下，有機聚合物之MFR可為0.1 g/10分鐘以上，亦可為0.2 g/10分鐘以上，亦可為0.3 g/10分鐘以上，亦可為0.4 g/10分鐘以上。
如圖1及圖2所示，複合材料1具有多孔質結構。複合材料1之空隙比並不限定於特定值，只要密度d及熱導率λ滿足上述條件即可。複合材料1例如具有30%～95%之空隙比。藉此，容易使複合材料1輕量化，且容易使其具有所需機械強度。複合材料1之空隙比較佳為31%，更佳為33%，進而較佳為35%以上，特佳為40%以上。複合材料1之空隙比可為90%以下，亦可為85%以下。
於複合材料1中，孔隙13例如形成為獨立孔。於複合材料1中，孔隙13亦可形成為連續孔。獨立孔與連續孔亦可混合存在而作為孔隙13。
複合材料1之熱導率λ例如於圖1及圖2所示之Z軸方向上進行定義。如圖2所示，導熱性纖維12例如沿著特定方向(Z軸方向)延伸。換言之，複數個導熱性纖維12沿著同一方向(Z軸方向)延伸。藉此，複合材料1於特定方向上之熱導率λ容易變高。
如圖2所示，導熱性纖維12例如於特定方向(Z軸方向)上自複合材料1之一端延伸至另一端。換言之，導熱性纖維12以於特定方向(Z軸方向)上貫通複合材料1之方式延伸。藉此，複合材料1具有輕量性且於特定方向上具有高熱導率。於此情形時，複合材料1之密度d[g/cm 3]及複合材料1於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]可滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件，亦可滿足除此以外之條件。此外，藉由穩態熱流法確定出之導熱性纖維12於纖維軸方向上的常溫下熱導率可為10 W/(m・K)以上，亦可未達10 W/(m・K)。例如，導熱性纖維12所具有之熱導率高於母材11所具有之熱導率。
如上所述，藉由穩態熱流法確定出之導熱性纖維12於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上。藉此，複合材料1於特定方向上之熱導率λ容易變高。導熱性纖維12之該熱導率較佳為20 W/(m・K)以上，較佳為30 W/(m・K)以上。藉此，複合材料1容易於特定方向上具有高熱導率。導熱性纖維12之熱導率例如為1000 W/(m・K)以下。
導熱性纖維12之比重並不限定於特定值，只要複合材料1之密度d滿足上述條件即可。導熱性纖維12例如具有2.3以下之比重。導熱性纖維12之比重較佳為2.2以下，更佳為1.9以下，進而較佳為1.8以下，尤佳為1.7以下。導熱性纖維12之比重例如為0.9以上，亦可為1.0以上，亦可為1.1以上，亦可為1.2以上，亦可為1.3以上，亦可為1.4以上。
導熱性纖維12並不限定於特定纖維。導熱性纖維12之例為碳纖維或有機聚合物纖維。有機聚合物纖維之例為超高分子量聚乙烯纖維、聚苯并唑纖維。
導熱性纖維12較佳為聚苯并唑纖維。於此情形時，導熱性纖維12容易具有良好之電絕緣性。
導熱性纖維12亦可為碳纖維。於此情形時，碳纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率λ cf例如為10 W/(m・K)以上。該熱導率λ cf可如上所述依據穩態熱流法加以確定，亦可代替穩態熱流法而利用以下之式(A)加以確定。依據穩態熱流法確定出之熱導率λ cf、及利用式(A)確定出之熱導率λ cf中之任一者可為10 W/(m・K)以上。式(A)中，ER為碳纖維之電阻率。例如，根據日本專利第3648865號公報，可基於碳纖維之熱導率與電阻率之間的相關關係，依據式(A)推算出碳纖維之熱導率。 λ cf[W/(m・K)]＝1272.4/ER[μΩm]－49.4       式(A)
導熱性纖維12之粗細並不限定於特定值，只要複合材料1於特定方向上之熱導率λ滿足上述條件即可。導熱性纖維12之粗細例如為30 μm以下。藉此，導熱性纖維12容易均勻地存在於複合材料1中，複合材料1之傳熱特性及機械特性不容易在空間上不均。導熱性纖維12之粗細可為20 μm以下，亦可為16 μm以下。導熱性纖維12之粗細例如為6 μm以上。藉此，製造複合材料1時，容易對導熱性纖維12進行處理。導熱性纖維12之粗細可為8 μm以上，亦可為10 μm以上。
構成母材11的有機聚合物之體積相對於複合材料1之總體積的比率並不限定於特定值。該值例如為5體積%以上，亦可為7體積%以上，亦可為10體積%以上。該值例如為50體積%以下，亦可為45體積%以下。
導熱性纖維12之體積相對於複合材料1之總體積的比率並不限定於特定值。該值例如為1體積%以上，亦可為2體積%以上，亦可為3體積%以上。該值例如為30體積%以下，亦可為25體積%以下。
複合材料1之形狀並不限定於特定形狀。如圖1所示，複合材料1可為板狀。複合材料1亦可為片狀，亦可為條狀，亦可為帶狀，亦可為塊狀，亦可為柱狀。
以下對複合材料1之製造方法之一例進行說明。該方法例如包括下述步驟(I)及(II)。 (I)於導熱性纖維12以沿著特定方向延伸之方式配置之狀態下，將含有有機聚合物之母材11a供給至導熱性纖維12之周圍。 (II)使(I)中供給之母材11a發泡，而形成多孔質結構。
如圖3之(a)所示，導熱性纖維12以沿著特定方向延伸之方式配置。換言之，複數個導熱性纖維12以沿著同一方向延伸之方式配置。此時，視需要對導熱性纖維12之纖維束進行開纖，藉此將導熱性纖維12擴展為平面狀。繼而，如圖3之(b)所示，將含有有機聚合物之母材11a供給至導熱性纖維12之周圍。例如，使導熱性纖維12與母材11a之複合體成形為特定形狀，而獲得複合材料用預成形體1a。於複合材料用預成形體1a中，導熱性纖維12被母材11a固定。發泡劑分散於母材11a之中。
分散於母材11a中之發泡劑並不限定於特定發泡劑。發泡劑之例為熱膨脹性微膠囊及化學發泡劑。於熱膨脹性微膠囊中，例如，在熱塑性樹脂之殼之內部封入有藉由加熱而氣化之液狀物質。化學發泡劑藉由熱分解而產生特定氣體。作為化學發泡劑之例，可列舉：偶氮二甲醯胺、苯磺醯肼、二亞硝基五亞甲基四胺、甲苯磺醯肼、及4,4-氧基雙(苯磺醯肼)等。該等可單獨使用，亦可將2種以上組合使用。
製造複合材料1之方法例如可進而具備以下步驟，即，於在導熱性纖維12之周圍存在母材11a之狀態下，對導熱性纖維12及母材11a進行熱壓。藉此，容易使母材11a中所含之有機聚合物含浸於導熱性纖維12中。
依據JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的有機聚合物之MFR例如為1 g/10分鐘～100 g/分鐘。於此情形時，可以所需狀態將母材11a供給至導熱性纖維12之周圍，可利用母材11a將導熱性纖維12良好地固定。
如圖3之(c)所示，視需要積層複數個複合材料用預成形體1a，而形成積層體1c。視需要對積層體1c進行熱壓。
如圖3之(d)所示，於複合材料用預成形體1a中使母材11a發泡。例如，藉由在特定溫度下對複合材料用預成形體1a進行加熱，利用分散於母材11a中之發泡劑之作用使母材11a發泡。如圖3之(e)所示，視需要切下使母材11a發泡後所得之製品之一部分。藉由如上方式，如圖3之(f)所示，獲得複合材料1。
複合材料1之用途並不限定於特定用途。例如，可使用複合材料1來提供散熱構造。如圖4所示，散熱構造3具備複合材料1及發熱體2。複合材料1安裝於發熱體2之表面。藉此，可將發熱體2所產生之熱散至外部。發熱體2並不限定於特定發熱體，例如為電子機器之零件或殼體。
例如，與複合材料1與發熱體2之交界面垂直之方向可相當於特定方向。複合材料1之導熱性纖維12例如沿著與複合材料1和發熱體2之交界面垂直之方向延伸。藉此，發熱體2所產生之熱迅速地散至發熱體2之外部。例如，複合材料1於特定方向上之熱導率高於與複合材料1和發熱體2之交界面平行之方向上的複合材料1之熱導率。 [實施例]
以下，藉由實施例更詳細地對本發明進行說明。但是，本發明並不限定於以下實施例。首先，對實施例之評估方法進行說明。
(熱導率λ之測定) 由各實施例及各比較例之樣品，製作用以測定熱導率λ之試片。各試片為板狀，於俯視下為20平方毫米之正方形。於各實施例及比較例1及2中，試片具有5000 μm之厚度。比較例3中試片之厚度為1200 μm，比較例4中試片之厚度為3000 μm，比較例5中試片之厚度為2000 μm。各實施例及比較例2之試片中，聚對伸苯基苯雙㗁唑(PBO)纖維或碳纖維沿著試片之厚度方向延伸。於各試片之兩面塗佈Shin-Etsu Silicone公司製造之Silicone Oil Compound G-747，製作試驗塊。Silicone Oil Compound之熱導率為0.90 W/(m・K)。
使用RHESCA公司製造之熱導率測定裝置TCM 1001，依據ASTM D5470-01(單向熱流穩態法)，利用1片試樣及對稱構成方式，依據熱流計法測定各試片之厚度方向上之熱導率λ。作為標準桿，使用具有加熱塊(80℃)之上部桿及具有冷卻塊(20℃)之下部桿。利用無氧銅製之塊體夾著試驗塊，進而利用上部桿及下部桿夾著試驗塊及無氧銅制之塊體，使熱於試片之厚度方向上流動。
依據下述式(1)及(2)確定試片之上表面與下表面之間之溫度差ΔT S。式(1)及(2)中，ΔT C為無氧銅製之塊體之上表面與下表面之間之溫度差。此外，q 1為由基於上部桿之測溫點之溫度差與該等測定點間之距離的溫度梯度而確定出之熱通量[W/m 2]，q 2為由基於下部桿之測溫點之溫度差與測定點間之距離的溫度梯度而確定出之熱通量[W/m 2]。t b為無氧銅製之塊體之厚度之和。k b為無氧銅製之塊體之熱導率。 ΔT S＝ΔT C－(q S×t b)/k b式(1) q S＝(q 1＋q 2)/2                  式(2)
依據下述式(3)確定出試片之厚度方向上之熱導率λ[W/(m・K)]。將結果示於表1中。式(3)中，t為試片之厚度。 λ＝q S×t/ΔT S式(3)
(密度d之測定) 依據JIS K7222：2005，測定各實施例及各比較例之樣品之表觀密度，確定密度d。將結果示於表1中。
(空隙比之測定) 依據下述式(4)確定出各實施例及比較例1之樣品之空隙比ϕ。將結果示於表1中。式(4)中，V 1為發泡前之預成形體之體積，V 2為發泡後之樣品之體積。 ϕ＝100×(V 2－V 1)/V 2式(4)
＜實施例1＞ 將住友精化公司製造之低密度聚乙烯FLO-THENE UF80與松本油脂製藥公司製造之熱膨脹性微膠囊FN-180D均勻地混練，獲得混練物。於該混練物中，低密度聚乙烯之含量為85質量%，熱膨脹性微膠囊之含量為15質量%。FLO-THENE為住友精化公司之註冊商標。依據JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的低密度聚乙烯FLO-THENE UF80之MFR為75 g/10分鐘。藉由熱壓使混練物成形為片狀，獲得具有100 μm之厚度的實施例1之母材片材。實施例1之母材片材於俯視下為長方形。
以覆蓋母材片材之兩面之大部分之方式捲繞Toyobo公司製造之PBO纖維Zylon HM1992，獲得捲繞體。PBO纖維之粗細為12 μm。藉由藤代等著之低溫工學之28卷533頁(1993)中記載之穩態熱流法確定出之PBO纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為50 W/(m・K)。「Zylon」為Toyobo公司之註冊商標。於捲繞體中，PBO纖維沿著俯視下與母材片材之一對邊平行之方向延伸。於捲繞體之兩面重疊一對母材片材，獲得積層體。以覆蓋該積層體之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維，獲得捲繞體。將於捲繞體之兩面重疊一對母材片材的操作、及以覆蓋積層體之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維的操作重複複數次，從而獲得複合體。藉由對該複合體進行熱壓，獲得預成形體。關於熱壓條件，將溫度調整為未達熱膨脹性微膠囊之膨脹開始溫度，將壓力調整為不會損壞熱膨脹性微膠囊之程度。
將預成形體加熱至特定溫度，促進熱膨脹性微膠囊之熱膨脹，而使預成形體之母材片材發泡。藉此獲得發泡成形體。將該發泡成形體之一部分切為短條狀而獲得複數個切片，將複數個切片排列，而獲得板狀之實施例1之樣品。PBO纖維沿著樣品之厚度方向延伸。PBO纖維於樣品之厚度方向上自一端延伸至另一端。低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率為15%，PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率為4%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為81%。
於圖5中示出實施例1之樣品之SEM照片。如圖5所示，於實施例1之樣品中形成有多個孔隙，確認到實施例1之樣品具有多孔質結構。
＜實施例2～7＞ 以使低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率、PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率、及孔隙之體積相對於樣品總體積的比率成為表1所示之值之方式，調整母材片材之量、PBO纖維之量、母材片材之發泡條件，除此以外，藉由與實施例1同樣之方式製作實施例2～7之樣品。
＜實施例8＞ 利用單軸擠出機將乾摻有Japan Polypropylene公司製造之無規聚丙烯WINTEC Grade WFW4、及松本油脂製藥公司製造之含有熱膨脹性微膠囊之母料MBF-260EVA50的混合物加以熔融混練，獲得混練物。於該混練物中，無規聚丙烯之含量為90質量%，含有熱膨脹性微膠囊之母料之含量為10質量%。WINTEC為Japan Polypropylene公司之註冊商標。依據JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的無規聚丙烯之MFR為2.4 g/10分鐘。藉由T型模頭成型將該混練物薄膜化，獲得具有100 μm之厚度之母材片材。
以覆蓋母材片材之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維Zylon HM1992，獲得捲繞體。將於捲繞體之兩面重疊一對母材片材而獲得積層體的操作、及以覆蓋該積層體之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維的操作重複複數次，從而獲得複合體。藉由對該複合體進行熱壓，獲得預成形體。關於熱壓，將溫度調整為未達熱膨脹性微膠囊之膨脹開始溫度，將壓力調整為不會損壞熱膨脹性微膠囊之程度。
將預成形體加熱至特定溫度，促進熱膨脹性微膠囊之熱膨脹，而使預成形體之母材片材發泡。藉此獲得發泡成形體。將該發泡成形體之一部分切為短條狀，將所獲得之複數個切片排列，獲得板狀之實施例8之樣品。PBO纖維沿著樣品之厚度方向延伸。PBO纖維於樣品之厚度方向上自一端延伸至另一端。無規聚丙烯之體積相對於樣品總體積的比率為33%，PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率為7%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為60%。
＜實施例9＞ 除下述方面以外，藉由與實施例8同樣之方式，獲得實施例9之樣品。使用旭化成公司製造之低密度聚乙烯Suntec F2270代替無規聚丙烯。Suntec為旭化成公司製造之註冊商標。依據JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的該低密度聚乙烯之MFR為7 g/10分鐘。將藉由T型模頭成型所獲得之母材片材之厚度調整為50 μm。將PBO纖維之捲繞次數調整為不同於實施例8之次數。低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率為18%，PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率為4%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為78%。
＜實施例10＞ 藉由與實施例9同樣之方式，獲得具有50 μm之厚度之母材片材。將該母材片材切為長方形。一面將Mitsubishi Chemical公司製造之碳纖維Dialead K13916解開，一面使其以沿著與長邊平行之方向覆蓋母材片材之整個面的方式配置，該碳纖維Dialead K13916具有與長方形之母材片材之長邊相同的長度。Dialead為Mitsubishi Chemical公司之註冊商標。利用上述式(A)確定出之碳纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為200 W/(m・K)。將下述操作重複特定次，從而獲得複合體，該操作為：於碳纖維上積層切成長方形之另一母材片材，於其上，一面將與長方形之長邊為相同長度的碳纖維K13916解開，一面使其以沿著與長邊平行之方向覆蓋母材片材之整個面之方式排列。藉由對該複合體進行熱壓，而獲得預成形體。將預成形體加熱至特定溫度，促進熱膨脹性微膠囊之熱膨脹，而使預成形體之母材片材發泡。藉此獲得發泡成形體。將該發泡成形體之一部分切為短條狀獲得複數個切片，將複數個切片排列，獲得板狀之實施例10之樣品。低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率為29%，碳纖維之體積相對於樣品總體積的比率為10%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為61%。
＜實施例11＞ 使用Coperion公司製造之同向旋轉雙軸擠出機ZSK32Mc18，將低密度聚乙烯F2270、及大塚化學公司製造之化學發泡劑UNIFOAM AZ#1100-I加以熔融混練，獲得混練物。關於該同向旋轉雙軸擠出機，螺旋直徑ϕ為32 mm，L/D為53。又，於混練物中，以質量基準計，化學發泡劑之含量相對於低密度聚乙烯之含量的比為6/100。使用單軸擠出機將該混練物加以熔融混練，藉由T型模頭成型，獲得具有25 μm之厚度之母材片材。於T型模頭成型中，將溫度調整為未達化學發泡劑之發泡溫度。
於加速電壓150 kV及劑量50 kGy之條件下對母材片材照射電子束。
以覆蓋母材片材之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維Zylon HM1992，獲得捲繞體。將於捲繞體之兩面重疊一對母材片材而獲得積層體的操作、及以覆蓋該積層體之兩面之大部分之方式捲繞PBO纖維的操作重複複數次，從而獲得複合體。藉由對該複合體進行熱壓，獲得預成形體。於熱壓中，將溫度調整為未達化學發泡劑之發泡溫度。
將預成形體加熱至特定溫度，促進化學發泡劑之發泡，而使預成形體之母材片材發泡。藉此獲得發泡成形體。將該發泡成形體之一部分切為短條狀而獲得複數個切片，將複數個切片排列，獲得板狀之實施例11之樣品。低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率為62%，PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率為5%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為33%。
使用日本製鋼所公司製造之同向旋轉雙軸擠出機TEX30α，將住友化學公司製造之茂金屬系低密度聚乙烯Sumikathene EP CU7002與永和化成工業公司製造之化學發泡劑Vinyfor AC#93加以熔融混練，獲得混練物。依據JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的該低密度聚乙烯之MFR為1 g/10分鐘。關於該同向旋轉雙軸擠出機，螺旋直徑ϕ為32 mm，L/D為53。又，於混練物中，以質量基準計，化學發泡劑之含量相對於低密度聚乙烯之含量的比為6/100。使用單軸擠出機將該混練物加以熔融混練，藉由T型模頭成型，獲得具有75 μm之厚度之母材片材。進行T型模頭成型時，將溫度調整為未達化學發泡劑之發泡溫度。「Sumikathene」為住友化學公司之註冊商標。
於加速電壓200 kV及劑量50 kGy之條件下對母材片材照射電子束。
將該母材片材切為長方形。以沿著與長邊平行之方向覆蓋母材片材之整個面之方式配置PBO纖維Zylon HM1992，該PBO纖維Zylon HM1992具有與長方形之母材片材的長邊相同之長度。將下述操作重複特定次，從而獲得複合體，該操作即：於PBO纖維上積層切成長方形之另一母材片材，於其上，以沿著與長邊平行之方向覆蓋母材片材之整個面之方式排列與長方形長度相同之PBO纖維。藉由對該複合體進行熱壓，獲得預成形體。熱壓時，將溫度調整為未達化學發泡劑之發泡溫度。
將預成形體加熱至特定溫度，促進化學發泡劑之發泡，而使預成形體之母材片材發泡。藉此獲得發泡成形體。沿著與纖維方向正交之方向將該發泡成形體切斷，獲得板狀之實施例12之樣品。低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率為41%，PBO纖維之體積相對於樣品總體積的比率為2%，孔隙之體積相對於樣品總體積的比率為57%。
＜比較例1＞ 以低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積的比率、及孔隙之體積相對於樣品總體積的比率成為表1所示之值之方式進行調整，且未添加PBO纖維，除此以外，藉由與實施例1同樣之方式製作比較例1之樣品。
＜比較例2＞ 以低密度聚乙烯之體積相對於樣品總體積、及PBO纖維之體積相對於樣品總體積成為表1所示之值之方式，調整母材片材之量及PBO纖維之量，且未使母材片材發泡，除此以外，藉由與實施例1同樣之方式製作比較例2之樣品。
＜比較例3＞ 將日本瑞翁公司製造之丙烯腈丁二烯橡膠(NBR)Nipol1041、永和化成工業公司製造之化學發泡劑Vinyfor AC#3-K2、Denka公司製造之氮化硼SGP、與巴斯夫日本公司製造之抗氧化劑Irganox1010的混合物於110℃下加以熔融混練，獲得混練物。於混練物中，以質量基準計，化學發泡劑之含量相對於NBR之含量的比為16/100。於混練物中，以質量基準計，氮化硼之含量相對於NBR之含量的比為220/100。於混練物中，以質量基準計，抗氧化劑之含量相對於NBR之含量的比為0.1/100。Nipol為日本瑞翁公司製造之註冊商標。關於Nipol1041，結合丙烯腈量為40.5%，慕尼黏度為82.5。關於氮化硼SGP，比重為2.26，比表面積為2 m 2/g，個數基準之粒徑分佈之D 50為18 μm。Irganox為巴斯夫公司之註冊商標。
藉由熱壓將上述混練物成形為片狀，獲得具有0.5 mm之厚度之比較例3之片材。熱壓時，將溫度調整為未達化學發泡劑之發泡溫度。
於加速電壓600 kV及劑量12 kGy之條件下，對比較例3之片材之兩面照射電子束。之後，將比較例3之片材加熱至特定溫度，促進化學發泡劑之發泡，而使該片材發泡。藉此，獲得具有1200 μm之厚度之發泡成形體即比較例3之樣品。
＜比較例4＞ 準備Nitto Shinko公司製造之導熱性片材HT-300HL作為比較例4之樣品。比較例4之樣品之厚度為3000 μm。
＜比較例5＞ 準備Sekisui Polymatech公司製造之散熱片材SF-ALMO16作為比較例5之樣品。比較例5之樣品之厚度為2000 μm。
如表1所示，可知實施例之樣品滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件，實施例之樣品具有輕量性且於特定方向上具有高熱導率。另一方面，市售之比較例4及5之樣品雖滿足λ＞1之條件，但密度相對較高，並不滿足d≦1.1及4≦λ/d之條件。作為發泡成形體之比較例3之樣品藉由發泡實現輕量化從而滿足d≦1.1之條件，但不滿足λ＞1及4≦λ/d之條件。比較例1之樣品雖然樣品密度較低，但測定熱導率時幾乎無熱流，低於測定下限而無法進行測定。又，比較例2之樣品雖熱導率λ相對較高，但不滿足4≦λ/d之條件。
[表1]
   實施例 比較例
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5
母材樹脂之種類 LDPE LDPE LDPE LDPE LDPE LDPE LDPE 無規PP LDPE LDPE LDPE LDPE LDPE LDPE NBR - -
母材樹脂之MFR[g/10分鐘] 75 75 75 75 75 75 75 2.4 7 7 7 1 75 75 - - -
纖維或填料之種類 PBO PBO PBO PBO PBO PBO PBO PBO PBO 碳 纖維 PBO PBO PBO PBO BN - -
體積比率[體積%] 母材樹脂 15 23 7 13 31 42 30 33 18 29 62 41 64 71 22 - -
纖維或填料 4 5 2 6 13 16 24 7 4 10 5 2 0 29 18 - -
孔隙(空隙比) 81 72 92 81 56 42 46 60 78 61 33 57 36 0 60 - -
密度d[g/cm 3] 0.197 0.262 0.098 0.219 0.488 0.664 0.617 0.36 0.17 0.482 0.62 0.406 0.409 1.093 0.594 3.261 1.744
熱導率λ[W/(m・K)] 1.72 2.53 1.86 2.73 2.89 3.76 3.94 2.12 2.31 6 2.97 2 ＜1 4.29 ＜1 2.91 1.25
λ/d 8.7 9.7 18.9 12.5 5.9 5.7 6.4 5.9 13.6 12.5 4.8 4.9 ＜4 3.9 ＜4 0.892 0.717
1:複合材料 1a:複合材料用預成形體 1c:積層體 2:發熱體 3:散熱構造 11:母材 11a:母材 12:導熱性纖維 13:孔隙
圖1係表示本發明之複合材料之一例的立體圖。 圖2係沿著圖1所示之平面II之複合材料的剖視圖。 圖3(a)～(f)係表示複合材料之製造方法之一例的圖。 圖4係表示具備圖1所示之複合材料之散熱構造的立體圖。 圖5係實施例1之樣品之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
1:複合材料
11:母材
12:導熱性纖維
13:孔隙

Claims (15)

  1. 一種複合材料，其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 導熱性纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部；且 藉由穩態熱流法確定出之上述導熱性纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上， 該複合材料之密度d[g/cm 3]及該複合材料於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件, 上述熱導率λ係依據美國材料試驗協會標準(ASTM)D5470-01(單向熱流穩態法)並利用1片試樣及對稱構成方式測定所得。
  2. 如請求項1之複合材料，其中上述導熱性纖維沿著上述特定方向延伸。
  3. 如請求項2之複合材料，其中上述導熱性纖維於上述特定方向上自該複合材料之一端延伸至另一端。
  4. 一種複合材料，其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 導熱性纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部；且 上述導熱性纖維於該複合材料之特定方向上自該複合材料之一端延伸至另一端。
  5. 如請求項1至4中任一項之複合材料，其中上述母材包含選自由熱塑性樹脂、熱塑性彈性體、及橡膠所組成之群中之至少一種。
  6. 如請求項1至5中任一項之複合材料，其中該複合材料具有30%～95%之空隙比。
  7. 如請求項1至6中任一項之複合材料，其中上述導熱性纖維為聚苯并唑纖維。
  8. 如請求項1至7中任一項之複合材料，其中依據日本工業標準JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的上述有機聚合物之熔體質量流率為1 g/10分鐘～100 g/10分鐘。
  9. 如請求項1至7中任一項之複合材料，其中依據日本工業標準JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的上述有機聚合物之熔體質量流率為0.1 g/10分鐘以上100 g/10分鐘以下。
  10. 一種複合材料用預成形體，其具備： 母材，其包含有機聚合物； 導熱性纖維，其以沿著特定方向延伸之方式被上述母材固定；及 發泡劑，其分散於上述母材中。
  11. 如請求項10之複合材料用預成形體，其中上述發泡劑為熱膨脹性微膠囊或化學發泡劑。
  12. 一種方法，其係製造具有多孔質結構之複合材料之方法，具備以下步驟： 於導熱性纖維以沿著特定方向延伸之方式配置之狀態下，將含有有機聚合物之母材供給至上述導熱性纖維之周圍；及 使上述母材發泡而形成上述多孔質結構；並且 藉由穩態熱流法確定出之上述導熱性纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率為10 W/(m・K)以上。
  13. 如請求項12之方法，其進而具備以下步驟：於上述導熱性纖維之周圍存在上述母材之狀態下，對上述導熱性纖維及上述母材進行熱壓。
  14. 如請求項12或13之方法，其中依據日本工業標準JIS K7210-1：2014於190℃及標稱負載2.16 kg之條件下測得的上述有機聚合物之熔體質量流率為1 g/10分鐘～100 g/10分鐘。
  15. 一種複合材料，其係具有多孔質結構者，具備： 母材，其包含有機聚合物，並形成上述多孔質結構；及 碳纖維，其被上述母材固定於上述多孔質結構之內部； 利用下述式(A)確定出之上述碳纖維於纖維軸方向上的常溫下熱導率λ cf為10 W/(m・K)以上， 該複合材料之密度d[g/cm 3]及該複合材料於特定方向上之熱導率λ[W/(m・K)]滿足d≦1.1、λ＞1、及4≦λ/d≦100之條件，並且 上述熱導率λ係依據美國材料試驗協會標準(ASTM)D5470-01(單向熱流穩態法)並利用1片試樣及對稱構成方式測定所得， λ cf[W/(m・K)]＝1272.4/ER[μΩm]－49.4       式(A) 上述式(A)中，ER為上述碳纖維之電阻率。
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