WO2016157784A1 - 断熱シートとそれを用いた電子機器、および断熱シートの製造方法 - Google Patents

断熱シートとそれを用いた電子機器、および断熱シートの製造方法 Download PDF

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WO2016157784A1
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silica
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一摩 及川
慶 豊田
伸二 岡田
茂昭 酒谷
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Definitions

  • the present invention relates to a heat insulating sheet, a manufacturing method thereof, and an electronic device including the heat insulating sheet.
  • a combination of a graphite sheet and a heat insulating material can be considered.
  • a heat insulating material having high heat insulating performance there is silica airgel.
  • Silica airgel is known as a nanoporous material having a porosity of 90% or more. Moreover, it is known from the viewpoint of aging deterioration and heat resistance that it is superior to existing heat insulating materials and has an excellent thermal conductivity of around 15 mW / mK. However, since the silica airgel forms a network structure in which silica particles of the order of several tens of nm are connected by point contact, the mechanical strength is not so large. Therefore, in order to overcome the fragility, it has been studied to improve the strength of the silica airgel by combining it with a fiber, a nonwoven fabric, a resin, or the like.
  • Patent Document 2 proposes a method in which a silica aero sol is sprayed on a fiber material composed of two components of a low-melting fiber and a high-melting fiber to form a heat insulating material by heating and pressing.
  • the silica airgel and the fiber are bonded by heating and compressing the low melting point fiber to a temperature equal to or higher than the melting point, and the dropping of the airgel is alleviated.
  • Patent Documents 3 and 4 are known regarding a composite of silica airgel and fiber resin.
  • the present invention provides a heat insulating sheet having a uniform thickness and a high heat insulating property, a device using the heat insulating sheet, and a method for manufacturing the heat insulating sheet.
  • the heat insulating sheet includes a first silica xerogel layer, a second silica xerogel layer, and a composite layer.
  • the first silica xerogel layer includes a first silica xerogel
  • the second silica xerogel layer includes a second silica xerogel.
  • the composite layer is located between the first silica xerogel layer and the second silica xerogel layer, and contains at least one kind of non-woven fiber and a third silica xerogel.
  • the third silica xerogel is located in the spatial volume in the nonwoven fiber.
  • an electronic device includes an electronic component that generates heat and a housing that houses the electronic component, and the heat insulating sheet is disposed between the electronic component and the housing.
  • one embodiment of the present invention is a method for producing the above heat insulating sheet.
  • a nonwoven fabric fiber is impregnated with a sol solution and gelled to form a composite layer.
  • the composite layer is sandwiched between films and pressed to form a first silica xerogel layer or a second silica xerogel layer on the surface of the composite layer.
  • the heat insulating effect can be sufficiently exerted even in a narrow space in the casing of the electronic device, and the heat transfer from the heat generating component to the casing can be effectively reduced. Since the heat insulating sheet of the present invention has a lower thermal conductivity than a conventional heat insulating sheet, it has a heat insulating effect even if it is thin.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat insulating sheet according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the heat insulating sheet shown in FIG.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of an electronic device including the heat insulating sheet shown in FIG.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a place where an image of a scanning electron microscope observation (SEM) is measured on a heat insulating sheet.
  • FIG. 4B is a diagram showing an SEM image of the heat insulating sheet.
  • FIG. 4C is a diagram showing an SEM image of the heat insulating sheet.
  • FIG. 4D is a diagram showing an SEM image of the heat insulating sheet.
  • Patent Document 2 Prior to the description of the embodiment of the present invention, the problems in the prior art will be briefly described.
  • the thermal conductivity of the composite material is as high as 27 mW / mK or more, and the heat insulation is impaired. Therefore, it is difficult to effectively block the flow of heat from the heat-generating component to the weak heat-resistant component by this method in a limited space.
  • Patent Documents 3 and 4 have the same problem.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat insulating sheet 103 according to the present embodiment.
  • the heat insulating sheet 103 is composed of a composite layer 102 made of a nonwoven fabric and silica xerogel, and a silica xerogel layer 101 located on the upper and lower surfaces thereof.
  • the upper silica xerogel layer 101 is a first silica xerogel layer
  • the lower silica xerogel layer 101 is a second silica xerogel layer.
  • silica xerogel layer 101 There is a silica xerogel layer 101 having a thickness of at least 10 nm or more on the surface (both sides) of the composite layer 102.
  • the silica xerogel layer 101 is a single layer made of silica xerogel.
  • a single layer is a layer which does not contain fiber etc. and consists only of silica xerogel. Note that only one of the silica xerogel layers 101 may be a single layer made of silica xerogel.
  • silica xerogel layer 101 a network structure in which silica particles of the order of 10 nm are connected by point contact is formed. From this, if the thickness of the silica xerogel layer 101 is 10 nm or more, the entire surface of the silica xerogel layer 101 becomes silica xerogel. Note that the thickness of only one of the silica xerogel layers 101 may be 10 nm or less.
  • the thickness of the silica xerogel layer 101 is preferably 100 nm or less. Note that the thickness of only one of the silica xerogel layers 101 may be 100 nm or less.
  • the composite layer 102 includes silica xerogel and nonwoven fabric fibers. It is a main component of the heat insulating sheet 103. In the composite layer 102, the silica xerogel is located in the space volume in the nonwoven fabric fiber.
  • the heat conductivity of the heat insulating sheet 103 is 0.014 to 0.024 W / mK. This thermal conductivity can be regarded as a total sum of the thermal conductivity of the nonwoven fabric fibers and the thermal conductivity of the silica xerogel present in the voids of the nonwoven fabric.
  • the thermal conductivity of the nonwoven fabric is 0.030 to 0.060 W / mK.
  • the thermal conductivity of silica xerogel is 0.010 to 0.015 W / mK. By combining these, the low thermal conductivity is obtained.
  • Silica xerogel is present in the composite layer 102 and the silica xerogel layer 101 on both sides thereof.
  • the silica xerogels in these three layers may be the same or different.
  • the silica xerogel in the three layers is the same. That is, the silica xerogel is continuously connected from the composite layer 102 to the silica xerogel layers 101 on both sides thereof.
  • silica xerogels may be separately provided on each of the silica xerogel layers 101 on both sides.
  • Different silica xerogels broadly mean silica xerogels not produced under the same conditions, and may differ in density, composition, and the like.
  • Silica xerogel is an inorganic porous body and has a void of 90% or more. It does not contain a low thermal conductivity foaming gas such as CO 2 or cyclopentane, and has a pore diameter of 68 nm or less, which is an average free process of air. From this, it has the outstanding heat insulation effect.
  • Xerogel has a poor mechanical strength because it forms a network structure in which silica particles of the order of several tens of nm are connected by point contact.
  • silica particles of the order of several tens of nm are connected by point contact.
  • what is obtained by supercritical drying is “silica aerogel”, and what is obtained by atmospheric drying is different from “silica xerogel” depending on the drying method.
  • the thickness of the heat insulating sheet 103 is preferably in the range of 0.03 mm to 1.5 mm, more preferably in the range of 0.05 mm to 1.0 mm.
  • the silica xerogel layer 101 is formed on the upper surface and the lower surface of the heat insulating sheet 103, and the outermost surface of the nonwoven fabric fiber of the composite layer 102 contains a single layer of the silica xerogel layer 101 of 10 nm or more.
  • the heat insulating sheet 103 When the thickness of the heat insulating sheet 103 is smaller than 0.03 mm, the heat insulating effect in the thickness direction is lowered. Therefore, unless a very low thermal conductivity with a thermal conductivity level close to vacuum is realized, heat transfer in the thickness direction from one surface to the other surface cannot be satisfactorily prevented.
  • the heat insulation effect in the thickness direction can be secured.
  • the heat insulating sheet 103 is thicker than 1.0 mm, it becomes difficult to incorporate it into a portable device that is becoming thinner and smaller in recent years.
  • a mobile device such as a smartphone or a tablet
  • it is thicker than 1.5 mm it is more difficult to incorporate it into the device.
  • the ratio of the silica xerogel in the weight of the heat insulating sheet 103 (the total of the silica xerogel layer 101 and the composite layer 102) varies depending on the basis weight, bulk density, and thickness of the nonwoven fabric fibers. For this reason, although it cannot generally be said, the ratio of the silica xerogel should just be 30 weight% or more.
  • the ratio of silica xerogel is higher than 80% by weight, the thermal conductivity is lowered, but the flexibility and strength are insufficient, and the silica xerogel may fall off due to repeated use. Therefore, the ratio of silica xerogel should just be 80 weight% or less.
  • ⁇ Weight of non-woven fiber> As the basis weight of the nonwoven fabric fiber used for the composite layer 102, 5 to 120 g / m 2 was used. The basis weight will be described in the following examples. The basis weight is the weight per unit area.
  • the variation in the thickness of the nonwoven fabric fiber is large, although it varies depending on the method for producing the nonwoven fabric fiber.
  • the silica xerogel layer 101 is formed on the upper and lower surfaces of the non-woven fiber after filling the space volume with silica xerogel. Therefore, it is preferable to select a nonwoven fabric fiber having a thickness in the range of 60 to 90% with respect to the average target thickness of the heat insulating sheet 103. If the thickness is within the range of 60 to 90% of the target thickness, the variation in the thickness of the nonwoven fabric fiber can be reduced while maintaining the flexibility unique to the nonwoven fabric fiber.
  • the bulk density of the nonwoven fabric fibers is preferably in the range of 100 kg / m 3 or more and 500 kg / m 3 or less. In the case of the nonwoven fabric fiber in this range, the content of silica xerogel in the heat insulating sheet 103 can be increased to further reduce the thermal conductivity.
  • the bulk density In order to use non-woven fibers with mechanical strength as a continuous body, the bulk density needs to be at least 100 kg / m 3 . Moreover, when the bulk density of a nonwoven fabric fiber is larger than 500 kg / m ⁇ 3 >, the space volume in a nonwoven fabric fiber decreases. For this reason, the silica xerogel which can be filled in a nonwoven fabric fiber reduces relatively, and a heat conductivity becomes high. The value of the bulk density will also be described in the following examples.
  • Nonwoven fibers used for the composite layer 102 include inorganic fiber glass wool and rock wool, organic fiber polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polypropylene (PP), and polytetrafluoroethylene (PTFE). ), Natural wool or cellulose can be used. That is, the nonwoven fabric fiber used for the composite layer 102 contains an inorganic nonwoven fabric fiber or an organic nonwoven fabric fiber as a main component.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the heat insulating sheet 103.
  • FIG. 2 an example of a method for manufacturing the heat insulating sheet 103 will be described with reference to FIG.
  • the raw material species of silica is not limited to high molar sodium silicate, and alkoxysilane or water glass (low molar ratio) may be used.
  • a high molar silicic acid aqueous solution is a silica raw material in which the primary particle size distribution of SiO 2 is in the range of about 2 to 20 nm, and is located in an intermediate size between water glass and colloidal silica, and has a sodium component more than ordinary water glass. Reduced to 1% by weight or less.
  • the SiO 2 concentration is preferably 10% by weight or more in order to maintain the strength of the silica xerogel.
  • the content is preferably 16% by weight or less.
  • the types of acids used include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, sulfurous acid, phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, chloric acid, chlorous acid, hypochlorous acid and other inorganic acids, acidic phosphoric acid
  • acidic phosphates such as aluminum, acidic magnesium phosphate and acidic zinc phosphate
  • organic acids such as acetic acid, propionic acid, oxalic acid, succinic acid, citric acid, malic acid, adipic acid and azelaic acid.
  • Hydrochloric acid is preferable from a gel skeleton strength and hydrophobic viewpoint of the silica xerogel obtained.
  • the acid concentration is preferably 1 to 12N, and more preferably 6 to 12N.
  • concentration is less than 1 N, when adjusting the aqueous solution of high molar silicic acid to a desired pH, it is necessary to add a larger amount of dilute hydrochloric acid, so that the concentration of silicic acid decreases and the construction of the silica network may not proceed effectively. is there. If it is 6N or more, for example, compared with the case where 1N hydrochloric acid is added, the added amount is clear by 1/6, and it becomes possible to avoid a decrease in the SiO 2 concentration.
  • the amount of the acid catalyst added depends on the pH value to be adjusted, but in the case of hydrochloric acid, it is preferably 0.5 to 6.0 parts by weight in the case of 12N aqueous hydrochloric acid with respect to 100 parts by weight of the hydrogel. 0 to 3.0 parts by weight are more preferable.
  • Gelation of the sol solution prepared by adding the above acid catalyst to a high molar silicic acid aqueous solution is preferably performed in a closed container where the liquid solvent does not volatilize.
  • the pH value at that time is preferably 4.0 to 8.0.
  • the pH is less than 4.0 or greater than 8.0, the high molar silicic acid aqueous solution may not be gelled depending on the temperature at that time.
  • the gelation temperature of the sol is preferably 0 to 100 ° C., more preferably 20 to 90 ° C. in the case of normal pressure.
  • the gelation temperature is less than 0 ° C., heat necessary for the silicic acid monomer, which is an active species of the reaction, is not transmitted, the growth of silica particles is not promoted, and it takes time until the gelation sufficiently proceeds.
  • the strength of the wet gel produced is low and may shrink significantly when dried.
  • the desired silica xerogel may not be obtained.
  • the gelation temperature exceeds 100 ° C.
  • water is volatilized in the container and a phenomenon of separation from the gel is observed.
  • the volume of the wet gel obtained may decrease, and the desired silica xerogel may not be obtained.
  • the gelation temperature is in the range of 20 to 90 ° C.
  • gelation by moderate growth of silica particles and formation of a silica network can be promoted without impairing productivity.
  • gelation can be induced without volatilizing the moisture of the wet gel, which is more preferable.
  • the gelation time varies depending on the gelation temperature and the curing time after gelation described later.
  • the total of the gelation time and the curing time described later is preferably 0.5 to 72 hours, and more preferably 2 to 24 hours.
  • the strength and rigidity of the gel wall are improved, and a wet gel that does not easily shrink during drying can be obtained.
  • the gel wall strength may not be sufficiently improved.
  • the total time of gelation and curing is longer than 72 hours, the effect of curing in improving the strength of the gel wall becomes poor, and conversely, productivity may be impaired. If the total time of gelation and curing is 2 to 24 hours, it is more preferable because the strength of the gel wall can be sufficiently improved without impairing the productivity.
  • Impregnation A sol solution is poured into a nonwoven fabric (material PET, thickness specification 90 ⁇ m, basis weight 12 g / m 2 , bulk density 130 kg / m 3 size 12 cm ⁇ ).
  • the sol solution is pushed into the nonwoven fabric with a hand roll and impregnated.
  • the impregnation amount of the sol solution is used excessively with respect to the theoretical space volume in the nonwoven fabric fiber (100% by volume or more).
  • the theoretical space volume in the nonwoven fabric is calculated from the bulk density of the nonwoven fabric fiber.
  • the nonwoven fabric material, thickness, and bulk density are not limited to the above as described above.
  • coating a sol solution from a dispenser or a spray nozzle may be sufficient as the method of immersing a nonwoven fabric roll for every roll in a sol solution, or sending a nonwoven fabric by Roll to Roll at a fixed speed. From the viewpoint of productivity, the Roll to Roll method is preferable.
  • the material of the film is preferably polypropylene (PP) or polyethylene terephthalate (PET) because heating is required in the curing process.
  • the material of the film is preferably a resin material having a maximum use temperature of 100 ° C. or more and a linear thermal expansion coefficient of 100 ( ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.) or less.
  • the targeted thickness regulation is not possible. Furthermore, the thickness variation of a heat insulating material is promoted and the heat insulating material which has desired heat conductivity cannot be obtained.
  • the impregnated nonwoven fabric is passed through the biaxial roll with the gap set to 190 ⁇ m (film thickness included) together with the film. In this way, the composite layer is pressed together with the film. And an excess gel is squeezed out from a nonwoven fabric, and thickness is controlled aiming at 100 micrometers.
  • the thickness regulation method is not limited to the above, and the thickness may be regulated by a method such as squeegee or press.
  • the layer that becomes the silica xerogel layer 101 is formed on both sides of the composite layer by squeezing out this excess gel. When the gel overflows, a layer that becomes the silica xerogel layer 101 is formed on both surfaces of the non-decorative cloth portion that becomes the composite layer 102.
  • the timing of thickness regulation is preferably after the sol solution impregnated in the nonwoven fabric has gelled. It is preferable to regulate the thickness within 90 minutes immediately after the sol solution is gelled (in a state where fluidity is lost). If thickness regulation is performed before gelation, the effect of thickness regulation cannot be obtained due to fluidity. Moreover, when 90 minutes or more pass, since hardening will be in the state which does not have fluidity
  • the gap setting at the time of thickness regulation is preferably set to a thickness reduced by 5 to 20% with respect to the total thickness obtained by adding two film thicknesses to the target thickness.
  • the target thickness is 1.0 mm and the film thickness is 0.05 mm
  • the total thickness is 1.1 mm
  • the gap setting value is 0.88 to 1.05 mm.
  • gap setting value is made smaller than the total thickness is that the swelling thickness is increased in the subsequent process (curing, hydrophobizing, drying process), and therefore the swelling thickness is subtracted in advance.
  • the heat insulating sheet 103 may be thicker than the target thickness as a result.
  • the gap set value is larger than 20% of the thickness, the finally obtained sheet thickness deviates from within the target ⁇ 20%.
  • the curing temperature is preferably 50 to 100 ° C., more preferably 60 to 90 ° C. under normal pressure.
  • the curing temperature is less than 50 ° C.
  • the heat necessary for the silicic acid monomer, which is the active species of the reaction is not transmitted as in the gelation step, and the growth of silica particles is not promoted.
  • the curing temperature is in the range of 60 to 90 ° C.
  • moderate growth of silica particles can be promoted without impairing productivity.
  • the neck portion where the silica particles are connected by point contact can be strengthened.
  • curing can be performed without volatilizing the moisture of the wet gel.
  • the curing time depends on the curing temperature, but is preferably 0.5 to 6 hours, more preferably 1 to 3 hours.
  • the gel wall strength may not be sufficiently improved.
  • the strength of the gel wall can be sufficiently improved without impairing productivity.
  • the curing time is preferably 1 to 3 hours at 85 ° C. and 85%.
  • the gelation temperature or curing temperature is increased within the above range, or the total time of gelation time and curing time is increased within the above range. It is preferable.
  • the gelation temperature and curing temperature are lowered within the above range, or the total time of gelation time and curing time is within the above range. It is preferable to shorten the length.
  • Hydrophobization 1 (hydrochloric acid immersion process) After immersing the gel in hydrochloric acid (6-12N), leave it at room temperature at 23 ° C for 45 minutes or longer to incorporate hydrochloric acid into the gel.
  • Hydrophobization 2 siloxane treatment process
  • the gel is immersed in a mixed solution of octamethyltrisiloxane, which is a silylating agent, and 2-propanol (IPA) as an alcohol, and is allowed to react in a constant temperature bath at 55 ° C. for 2 hours.
  • octamethyltrisiloxane which is a silylating agent
  • IPA 2-propanol
  • the nonwoven fabric fiber impregnated with an excessive amount of sol solution was sandwiched between two films and gelled. Later, it is realized by passing between two-axis rolls set with a certain gap.
  • silica xerogel continues from the composite layer 102 to the silica xerogel layer 101 on both sides in the structure of FIG.
  • silica xerogels may be separately provided on each of the silica xerogel layers 101 on both sides. For example, if different silica xerogels are attached to the gel surface before passing between the biaxial rolls, the silica xerogels differ in three layers.
  • FIG. 3 shows a partial cross section of a portable device which is an electronic device as an application example of the heat insulating sheet 103.
  • a heat insulating sheet 103, a graphite sheet 104, a heat generating component 105, and a substrate 107 are arranged on a housing 106 of the portable device. That is, this portable device has a heat generating component 105 that is an electronic component that generates heat, a housing 106 that houses the heat generating component 105, and a heat insulating sheet 103 that is disposed between the heat generating component 105 and the housing 106. .
  • the heat of the heat generating component 105 is spread by the graphite sheet 104. However, heat is not transmitted to the housing 106. Therefore, the local temperature rise on the surface of the housing 106 can be greatly reduced.
  • a heat flow meter HFM 436 Lamda (manufactured by NETZCH) and TIM tester (manufactured by Analysys Tech) were used for measuring the thermal conductivity of the heat insulating sheet 103.
  • Digimatic indicator H0530 manufactured by Mitutoyo Corporation was used for thickness measurement.
  • the measurement pressure was 7.4 kPa.
  • 15 points in the surface were measured for 10 sheets of the heat insulating sheet 103 (150 points in total), and the average thickness and thickness variation 3 ⁇ were calculated.
  • the heat conductivity of the heat insulating sheet 103 was 0.024 W / mK or less, and the thickness variation was 3 ⁇ 20% or less. Conditions satisfying both conditions were accepted as a comprehensive evaluation.
  • the thermal conductivity of still air at room temperature is about 0.026 W / mK. Therefore, in order to cut off the heat flow effectively, the heat conductivity of the heat insulating sheet 103 needs to be lower than that of still air. Therefore, the acceptance standard of the thermal conductivity of the heat insulating sheet 103 was set to 0.024 W / mK or less, which is about 10% lower than the thermal conductivity of still air.
  • the thermal conductivity of the heat insulating sheet 103 is larger than 0.024 W / mK, the thermal conductivity of still air is not so different from that of the stationary air.
  • the acceptance criterion for thickness variation of the heat insulating sheet 103 was set to 3 ⁇ 20% or less.
  • the heat insulating sheet 103 is composed of the composite layer 102 and the silica xerogel layer 101.
  • Comparative Examples 1 to 3 do not include the silica xerogel layer 101 and are composed only of non-woven fibers, and are not the structure of FIG.
  • Example 1 Concentrated hydrochloric acid 0.31 part by weight (1.4% by weight) as a catalyst was added to 22.29 parts by weight of high molar silicic acid aqueous solution (Tosoh Sangyo Co., Ltd., SiO 2 concentration 14% by weight), and the sol solution was Prepared.
  • the sol solution was poured into a non-woven fabric (material PET, thickness 0.902 mm, area 12 cm square, basis weight 105 g / m 2 ), and the sol solution was pushed into the non-woven fabric with a hand roll and impregnated.
  • a non-woven fabric material PET, thickness 0.902 mm, area 12 cm square, basis weight 105 g / m 2
  • the nonwoven fabric impregnated with the sol solution was sandwiched between PP films (thickness 50 ⁇ m ⁇ 2 sheets) and left at room temperature for 20 minutes to gel the sol.
  • the impregnated non-woven fabric was passed through a biaxial roll with a gap set to 1.05 mm (film thickness included), the excess gel was squeezed out from the non-woven fabric, and the thickness was regulated to 1.00 mm.
  • the gel was put in a container with a film, and placed in a constant temperature and humidity chamber set at a temperature of 85 ° C. and a humidity of 85% for 3 hours.
  • silica particles were grown (silanol dehydration condensation reaction) to form a porous structure.
  • the gel was immersed in a mixed solution of octamethyltrisiloxane, which is a silylating agent, and 2-propanol (IPA), placed in a constant temperature bath at 55 ° C., and reacted for 2 hours.
  • octamethyltrisiloxane which is a silylating agent
  • 2-propanol IPA
  • the sheet was obtained by transferring the gel to a thermostat set at 150 ° C. and drying in an air atmosphere for 2 hours.
  • a heat insulating sheet 103 having an average thickness of 1.05 mm, a thickness variation of 3 ⁇ 3.3%, and a thermal conductivity of 0.0189 W / mK was obtained.
  • the filling rate of silica xerogel at this time was 63.1% by weight.
  • FIGS. 4B to 4D SEM images of the obtained heat insulating sheet 103 are shown in FIGS. 4B to 4D.
  • FIG. 4A shows the location of the heat insulating sheet 103 where the SEM image is taken.
  • FIG. 4B is an image viewed from directly above the heat insulating sheet 103. It was confirmed that the entire surface was covered with silica xerogel.
  • FIG. 4C and 4D are images of a cross section of the heat insulating sheet 103.
  • FIG. It was confirmed that silica xerogel was densely packed in the space volume of the non-woven fiber, and that a single layer of silica xerogel was formed on the outermost surface of the non-woven fiber.
  • Example 2 The specification of the nonwoven fabric was changed to an average thickness of 0.034 mm and a basis weight of 12 g / m 2, and accordingly, the amount of raw material used was changed to 1/5. Otherwise, a sheet was produced under the same process conditions as in Example 1.
  • a heat insulating sheet 103 having an average thickness of 0.042 mm, a thickness variation of 3 ⁇ 18%, and a thermal conductivity of 0.0130 W / mK was obtained.
  • the filling rate of silica xerogel at this time was 30.0% by weight.
  • Example 3 The specification of the nonwoven fabric was changed to an average thickness of 0.023 mm and a basis weight of 8 g / m 2, and accordingly, the amount of raw material used was changed to 1/5. Otherwise, a sheet was produced under the same process conditions as in Example 1.
  • a heat insulating sheet 103 having an average thickness of 0.040 mm, a thickness variation of 3 ⁇ 13%, and a thermal conductivity of 0.0120 W / mK was obtained.
  • the filling rate of silica xerogel at this time was 35.8% by weight.
  • the in-plane thickness variation is 3 ⁇ 20% or less, and the thermal conductivity is 0.010 to 0.024 W / mK.
  • the nonwoven fibrous basis weight 5 ⁇ 120g / m 2 bulk density of the nonwoven fabric fibers 116 ⁇ 345kg / m 3, in consideration of variation was found to be required 100 ⁇ 500kg / m 3.
  • the basis weight range of the nonwoven fabric fiber is a range defined from the minimum / maximum basis weight.
  • the range of the effective bulk density of the nonwoven fabric fiber is also a range defined from the maximum / minimum bulk density in consideration of variation.
  • the heat insulating sheet of the present invention is widely used in electronic equipment. It is applied to all products related to heat, such as information equipment, portable equipment, displays, and electrical components.

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Abstract

断熱シートは、第１シリカキセロゲル層と、第２シリカキセロゲル層と、複合層とを有する。第１シリカキセロゲル層は、第１シリカキセロゲルを含み、第２シリカキセロゲル層は、第２シリカキセロゲルを含む。複合層は、第１シリカキセロゲル層と第２シリカキセロゲル層との間に位置し、少なくとも一種の不織布繊維と第３シリカキセロゲルとを含有する。第３シリカキセロゲルは、不織布繊維中の空間体積に位置している。

Description

断熱シートとそれを用いた電子機器、および断熱シートの製造方法
　本発明は、断熱シートおよびその製造方法、また、この断熱シートを含む電子機器に関する。
　現在、携帯機器が、非常に早いスピードで普及してきている。今後より一層、携帯機器の小型化、薄型化、そして高性能化が進む。ここで、携帯機器は、人が長時間、手で持ち操作する場合が多い。そのため、携帯機器の表面の温度を低く抑えることは重要である。
　携帯機器の表面の温度上昇を防ぐ方法として、携帯機器中の発熱部品の直上にグラファイトシートを敷設する方法がある。この方法では、発熱部品の熱をグラファイトシートで広げ、携帯機器内の温度分布を平均化することで、局所的な温度上昇を下げている（特許文献１）。しかしながら、発熱部品である半導体チップの高性能化に伴い、表面到達温度が従来よりも上昇し、グラファイトシートのみに頼る熱対策には限界がきている。
　そこで、グラファイトシートと断熱材との組み合わせが考えられる。断熱性能が高い断熱材として、シリカエアロゲルがある。
　シリカエアロゲルは、９０％以上の空隙率を有するナノ多孔体として知られている。また経年劣化や耐熱性の観点から、既存の断熱材よりも優れており、１５ｍＷ／ｍＫ前後の優れた熱伝導率を有していることが知られている。しかしながら、シリカエアロゲルは、数１０ｎｍオーダーのシリカ粒子が点接触で繋がったネットワーク構造を形成しているため、機械的強度があまり大きくない。そこで、その脆弱性を克服するために、シリカエアロゲルは、繊維や不織布、そして樹脂などと複合化することで、強度を向上することが検討されている。
　特許文献２は、シリカエアロのゾルを、低融点繊維と高融点繊維の二成分から成る繊維材料に散布して、加熱加圧で、断熱材料とする方法を提案している。この方法では、低融点繊維を融点以上に加熱圧縮することで、シリカエアロゲルと繊維を結合し、エアロゲルの脱落を緩和させている。
　その他、シリカエアロゲルと繊維樹脂との複合体に関して、特許文献３、４が知られている。
日本国特許第５２６７４３９号 日本国特許第４２３７２５３号 日本国特許第４８９８４３５号 特開２０１３－１００４０６号
　本発明は、厚みが均質で、断熱性の高い断熱シートとその断熱シートを用いた機器、その断熱シートの製造方法を提供する。
　本発明の一態様による断熱シートは、第１シリカキセロゲル層と、第２シリカキセロゲル層と、複合層とを有する。第１シリカキセロゲル層は、第１シリカキセロゲルを含み、第２シリカキセロゲル層は、第２シリカキセロゲルを含む。複合層は、第１シリカキセロゲル層と第２シリカキセロゲル層との間に位置し、少なくとも一種の不織布繊維と第３シリカキセロゲルとを含有する。第３シリカキセロゲルは不織布繊維中の空間体積に位置する。
　また本発明の一態様による電子機器は、発熱を伴う電子部品と、この電子部品を収容した筐体とを有し、電子部品と筐体との間に上記断熱シートが配置されている。
　また本発明の一態様は、上記断熱シートを製造する方法である。この方法では、不織布繊維にゾル溶液を含浸、ゲル化させ、複合層を形成する。そしてこの複合層をフィルムに挟み、加圧し、複合層の表面に第１シリカキセロゲル層または第２シリカキセロゲル層を形成する。
　本発明の断熱シートによれば、電子機器の筐体内の狭いスペースにおいても十分に断熱効果を発揮でき、発熱部品から筐体への伝熱を効果的に低減し得る。本発明の断熱シートは、従来の断熱シートよりも熱伝導率が低いため、薄くても断熱効果がある。
図１は、実施の形態による断熱シートの断面図である。 図２は、図１に示す断熱シートの製造方法を示すフローチャートである。 図３は、図１に示す断熱シートを含む電子機器の部分断面図である。 図４Ａは、断熱シートにおいて走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）の画像を測定した場所を示す図である。 図４Ｂは、断熱シートのＳＥＭ画像を示す図である。 図４Ｃは、断熱シートのＳＥＭ画像を示す図である。 図４Ｄは、断熱シートのＳＥＭ画像を示す図である。
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の技術における問題点を簡単に説明する。前述の特許文献２の方法では、低融点繊維が融解した時に、シリカエアロゲルのナノオーダーの細孔に融解した繊維樹脂が入り込む。その結果、複合材料の熱伝導率は２７ｍＷ／ｍＫ以上と高くなり、断熱性が損なわれる。したがって、限られたスペースにおいて、この方法で発熱部品から弱耐熱部品への熱の流れを効果的に遮断することは難しい。また特許文献３、４についても、同様の問題がある。
　近年、電子機器の小型化・薄型化がより一層進んでおり、筐体内に厚い断熱材を入れるスペースが極めて小さくなっている。携帯機器のように、極めて限定された空間体積において、効率的に熱を絶つためには、断熱材自体の厚みが薄くても、効果的に断熱できるように、材料固有の断熱性を格段に高める必要がある。
　また、厚みばらつきを低減する必要がある。しかしながら、薄くても効果的に断熱することができる高性能な断熱シートはこれまで提案されていない。さらに、その断熱シートを狭い筐体内に組み込むことを想定して、断熱シートの厚みばらつきを低減することは検討されていない。
　以下、上記課題を解決する本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　＜断熱シート１０３＞
　図１は、本実施の形態による断熱シート１０３の断面図である。断熱シート１０３は、不織布とシリカキセロゲルとからなる複合層１０２と、その上面および下面に位置するシリカキセロゲル層１０１とから構成される。例えば、上面のシリカキセロゲル層１０１は第１シリカキセロゲル層であり、下面のシリカキセロゲル層１０１は第２シリカキセロゲル層である。
　＜シリカキセロゲル層１０１＞
　複合層１０２の表面（両面）に、少なくとも１０ｎｍ以上の厚みのシリカキセロゲル層１０１がある。シリカキセロゲル層１０１は、シリカキセロゲルからなる単一層である。単一層とは、繊維などを含まず、シリカキセロゲルのみからなる層である。なお、シリカキセロゲル層１０１の一方のみがシリカキセロゲルからなる単一層であってもよい。
　シリカキセロゲル層１０１では、１０ｎｍオーダーのシリカ粒子が点接触で連結したネットワーク構造が形成されている。このことから、シリカキセロゲル層１０１の厚みが、１０ｎｍ以上あれば、シリカキセロゲル層１０１の表面全体が、シリカキセロゲルとなる。なお、シリカキセロゲル層１０１の一方のみの厚みが１０ｎｍ以下であってもよい。
　また、シリカキセロゲル層１０１を厚くすると断熱性能が上がるが、強度的に弱くなる。よって、シリカキセロゲル層１０１の厚みは、１００ｎｍ以下が好ましい。なお、シリカキセロゲル層１０１の一方のみの厚みが１００ｎｍ以下であってもよい。
　＜複合層１０２＞
　複合層１０２は、シリカキセロゲルと不織布繊維とを含む。断熱シート１０３の主構成要素である。複合層１０２では、不織布繊維中の空間体積にシリカキセロゲルが位置している。
　＜断熱シート１０３の熱伝導率＞
　断熱シート１０３の熱伝導率は、０．０１４～０．０２４Ｗ／ｍＫである。この熱伝導率は、不織布繊維の熱伝導率と不織布の空隙に存在しているシリカキセロゲルの熱伝導率とのほぼ総和と見なせる。
　不織布の熱伝導率は、０．０３０～０．０６０Ｗ／ｍＫである。シリカキセロゲルの熱伝導率は、０．０１０～０．０１５Ｗ／ｍＫである。これらを複合化することにより、上記低熱伝導率となっている。
　＜シリカキセロゲル＞
　シリカキセロゲルは、複合層１０２と、その両面のシリカキセロゲル層１０１と、に存在する。これら３層におけるシリカキセロゲルは、同一のものでも、異なったものでもよい。なお、下記の例では、３層におけるシリカキセロゲルは、同じものとしている。すなわち、シリカキセロゲルは、複合層１０２から、その両面のシリカキセロゲル層１０１へ連続して繋がっている。
　しかし、別途、異なるシリカキセロゲルを、両面のシリカキセロゲル層１０１のそれぞれに設けてもよい。異なるシリカキセロゲルとは、広く、同一条件で作製したものでないシリカキセロゲルを意味し、密度、組成などが異なってもよい。
　シリカキセロゲルは、無機多孔体であり、９０％以上の空隙を有している。ＣＯ２やシクロペンタンなど低熱伝導率の発泡ガスを含まず、空気の平均自由工程である６８ｎｍ以下の細孔径を有している。このことから、優れた断熱効果を有する。キセロゲルは数１０ｎｍオーダーのシリカ粒子が点接触で連結したネットワーク構造を形成していることから、機械的強度に乏しい。ここでは、超臨界乾燥によって得られたものを「シリカエアロゲル」、常圧乾燥により得られたものは「シリカキセロゲル」と乾燥方法の違いにより使いわける。
　＜断熱シート１０３の厚さ＞
　断熱シート１０３の厚さは、０．０３ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましく、さらに好ましくは０．０５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内にある。このとき、断熱シート１０３の上面および下面にシリカキセロゲル層１０１が形成されており、複合層１０２の不織布繊維の最表面には１０ｎｍ以上のシリカキセロゲル層１０１の単一層を含有している。
　断熱シート１０３の厚みが、０．０３ｍｍよりも薄い場合には厚さ方向の断熱効果が低下する。そのため、熱伝導率が真空に近いレベルの非常に低い熱伝導率を実現しなければ、その一面から他面への厚さ方向の熱伝達を良好に防げない。
　断熱シート１０３の厚みが、０．０５ｍｍ以上厚いと、厚さ方向の断熱効果が確保できる。
　一方、断熱シート１０３が、１．０ｍｍよりも厚ければ、近年薄型化・小型化が進む携帯機器内への組み込みが難しくなる。特に、スマートフォンやタブレットなどのモバイル機器では、１．５ｍｍより厚くなると、機器への組み込みは一層難しくなる。
　＜断熱シート１０３におけるシリカキセロゲルの含有率＞
　断熱シート１０３の重量に占めるシリカキセロゲルの割合（シリカキセロゲル層１０１と複合層１０２の合計）は、不織布繊維の目付け、嵩密度、厚みによって最適な範囲が異なる。このため、一概にはいえないが、シリカキセロゲルの割合は、少なくとも３０重量％以上あればよい。
　シリカキセロゲルの割合が３０重量％未満の場合、低熱伝導率化が難しくなると同時に、断熱シート１０３の厚みバラツキを吸収することができなくなる。
　シリカキセロゲルの割合が８０重量％より高い場合、熱伝導率は下がるものの、柔軟性や強度が不足し、繰り返しの使用により、シリカキセロゲルの脱落が起こる可能性がある。よって、シリカキセロゲルの割合は、８０重量％以下であればよい。
　＜不織布繊維の目付＞
　複合層１０２に用いられる不織布繊維の目付けとしては、５～１２０ｇ／ｍ２を用いた。目付けに関しては、以下の実施例で説明する。なお、目付けとは、単位面積あたりの重さである。
　＜不織布繊維の厚み＞
　不織布繊維の製造方法により異なるが、一般に不織布繊維の厚みバラツキは大きい。この厚みバラツキを吸収（緩和）する目的で、不織布繊維中の空間体積にシリカキセロゲルを充填した上で、さらにその上面および下面にシリカキセロゲル層１０１を形成する。そのため、断熱シート１０３の平均狙い厚みに対して、６０～９０％の範囲にある厚みの不織布繊維を選択するのが好ましい。狙い厚みの６０～９０％の範囲内であれば、不織布繊維特有の柔軟性を保った上で不織布繊維の厚みバラツキを緩和させることができる。
　＜不織布繊維の嵩密度＞
　不織布繊維の嵩密度は、１００ｋｇ／ｍ３以上、５００ｋｇ／ｍ３以下の範囲内であるが好ましい。この範囲の不織布繊維の場合、断熱シート１０３におけるシリカキセロゲルの含有率を高めて、より熱伝導率を低減させることができる。
　連続体として機械的強度が伴った不織布繊維を用いるためには、嵩密度は少なくとも１００ｋｇ／ｍ３必要である。また、不織布繊維の嵩密度が５００ｋｇ／ｍ３より大きい場合、不織布繊維中の空間体積が少なくなる。このため、不織布繊維に充填することができるシリカキセロゲルが相対的に減り、熱伝導率が高くなる。嵩密度の値に関しては、以下の実施例でも説明する。
　＜不織布繊維の材質＞
　複合層１０２に用いられる不織布繊維の材質としては、無機繊維系のグラスウールやロックウール、有機繊維系のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、天然系の羊毛やセルロースなどを利用することができる。すなわち、複合層１０２に用いられる不織布繊維は、主成分として無機不織布繊維または有機不織布繊維を含む。
　＜断熱シート１０３の製造方法、および使用原料＞
　図２は、断熱シート１０３の製造方法を示すフローチャートである。以下、図２を参照しながら、断熱シート１０３を製造する方法の一例を示す。
　（１）原料混合
　高モル珪酸水溶液（東曹産業（株）、ＳｉＯ２濃度１４重量％）２２．２９重量部に、触媒として濃塩酸を０．３１重量部（１．４重量％）添加、攪拌し、シリカエアロゾル溶液（以下、ゾル溶液）を調合する。
　シリカの原料種は、高モル珪酸ソーダに限定されるものではなく、アルコキシシランや水ガラス（低モル比）を用いてもよい。高モル珪酸水溶液とは、ＳｉＯ２の一次粒子の粒度分布がおよそ２～２０ｎｍの範囲にあり、水ガラスとコロイダルシリカの中間サイズに位置するシリカ原料であり、通常の水ガラスよりもナトリウム成分が１重量％以下に低減されている。
　ＳｉＯ２濃度は、シリカキセロゲルの強度を維持させるために１０重量％以上が好ましい。固体の伝熱成分を減らして熱伝導率を小さくするために、１６重量％以下が好ましい。高モル珪酸水溶液中の珪酸の加水分解反応を促進させるため、酸触媒を添加することが好ましい。
　使用する酸の種類としては、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、亜硫酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸等の無機酸類、酸性リン酸アルミニウム、酸性リン酸マグネシウム、酸性リン酸亜鉛等の酸性リン酸塩類、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アジピン酸、アゼライン酸等の有機酸等が挙げられる。使用する酸触媒の種類に制限はないが、得られるシリカキセロゲルのゲル骨格強度、疎水性の観点から、塩酸が好ましい。
　酸の濃度は、例えば塩酸の場合は１～１２Ｎが好ましく、６～１２Ｎがより好ましい。濃度が１Ｎ未満の場合、高モル珪酸水溶液を所望のｐＨに調整する際、より大量の希塩酸を添加する必要があるため、珪酸濃度が減少し、シリカネットワークの構築が効果的に進行しない場合がある。６Ｎ以上であれば、例えば１Ｎ塩酸を添加する場合に比べて、添加量が６分の１量で澄み、ＳｉＯ２濃度の低下を免れることが可能となる。
　酸触媒の添加量は、調整するｐＨ値にもよるが、塩酸の場合、ヒドロゲルの重量１００重量部に対して、１２Ｎ塩酸水溶液の場合は０．５～６．０重量部が好ましく、１．０～３．０重量部がより好ましい。
　上記の酸触媒を高モル珪酸水溶液に添加して調製したゾル溶液のゲル化を行う。ゾルのゲル化は、液体溶媒が揮発しないような密閉容器内で行うことが好ましい。
　高モル珪酸水溶液に酸を添加してゲル化させる場合、そのときのｐＨ値は４．０～８．０が好ましい。ｐＨが４．０未満の場合、あるいは８．０より大きい場合、そのときの温度にもよるが高モル珪酸水溶液がゲル化しない場合がある。
　ゾルのゲル化温度は、常圧下の場合においては、０～１００℃が好ましく、２０～９０℃がより好ましい。ゲル化温度が０℃未満であると、反応の活性種である珪酸モノマーに必要な熱が伝わらず、シリカ粒子の成長が促進されず、ゲル化が十分に進行するまでに時間を要する。さらに、生成される湿潤ゲルの強度が低く、乾燥時に大きく収縮する場合がある。また、所望のシリカキセロゲルが得られない場合もある。
　また、ゲル化温度が１００℃を越えると、容器を密閉していたとしても容器の中で水が揮発してゲルと分離する現象がみられる。これにより得られる湿潤ゲルの体積が減少して、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。
　ゲル化温度が２０～９０℃の範囲であれば、生産性を損なうことなく、シリカ粒子の適度な成長とシリカネットワークの形成によるゲル化を促進できる。さらに、湿潤ゲルの水分を揮発させることなく、ゲル化を誘起することができるため、より好ましい。
　なお、ゲル化時間は、ゲル化温度や後述するゲル化後の養生時間により異なる。しかし、ゲル化時間と後述する養生時間とを合計して、０．５～７２時間が好ましく、さらに、２～２４時間が好ましい。
　このようにして、ゲル化及び養生を行うことで、ゲル壁の強度や剛性が向上し、乾燥時に収縮し難い湿潤ゲルを得ることができる。
　ゲル化時間と養生の合計時間が０．５時間未満であると、ゲル壁の強度向上が不十分な場合がある。
　また、ゲル化時間と養生の合計時間が７２時間より長いと、ゲル壁の強度の向上における養生の効果が乏しくなり、逆に生産性を損なう場合がある。ゲル化時間と養生の合計時間が２～２４時間であれば、生産性を損なうことなく、ゲル壁の強度向上を十分に行うことができるため、より好ましい。
　（２）含浸
　不織布（材質ＰＥＴ，厚み仕様９０μｍ、目付１２ｇ／ｍ２、嵩密度１３０ｋｇ／ｍ３寸法１２ｃｍ□）にゾル溶液を注ぐ。ハンドロールでゾル溶液を不織布に押し込んで含浸させる。ゾル溶液の含浸量は、不織布繊維中の理論空間体積に対して過剰に使用する（１００体積％以上）。不織布中の理論空間体積は、不織布繊維の嵩密度より計算する。尚、不織布材質、厚み、嵩密度は、前述の通り上記に限定されるものではない。また、含浸方法としては、不織布ロールをロール毎ゾル溶液に浸漬させる方法やＲｏｌｌ　ｔｏ　Ｒｏｌｌで不織布を一定速度で送りながら、ディスペンサーやスプレーノズルからゾル溶液を塗布する方法でもよい。生産性の観点からＲｏｌｌ　ｔｏ　Ｒｏｌｌ方式が好ましい。
　（３）フィルム挟み
　ゾル溶液を含浸させた不織布をＰＰフィルム（プリプロピレンフィルム、厚み５０μｍ×２枚、寸法Ｂ６）に挟み、室温２３℃で約２０分放置してゾル溶液をゲル化させる。このようにして不織布繊維と、不織布繊維中の空間体積に位置するシリカキセロゲルとを含有する複合層を形成する。不織布を挟むフィルムの材質、厚みに関しては、上記に限定されるものではない。
　フィルムの材質は、養生工程にて加熱を要するため、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などがよい。フィルムの材質は、使用最高温度が１００℃以上であり、尚且つ、線熱膨張係数が１００（×１０－６／℃）以下である樹脂素材が好ましい。
　フィルムとして、線熱膨張係数が１００（×１０－６／℃）より大きい樹脂素材を用いた場合、不織布繊維もしくはゲルとの線膨張係数の差が大きくなる。このため、養生後にゲルを室温まで冷却する過程において、ゲルに皺が入ってしまう場合がある。尚、ゾル溶液を含浸させた不織布を仮にフィルム等に挟まずに、２軸ロールやスキージ等の何らかの方法で厚み規制を実施したとしても、ゲルが厚み規制治具表面に大量に付着してしまう。
　このため、狙いとする厚み規制ができない。さらに、断熱材の厚みバラツキを助長し、所望の熱伝導率を有する断熱材が得られないことになる。
　（４）厚み規制
　ゲル化を確認後、ギャップを１９０μｍ（フィルム厚込み）に設定した２軸ロールにフィルムごと含浸不織布を通す。このようにして、上記複合層をフィルムとともに加圧する。そして、不織布から余分なゲルを絞りだして、厚みを１００μｍ狙いで規制する。尚、厚み規制の方法は、上記に限定されるものではなく、スキージやプレスといった方法で厚みを規制してもよい。
　この余分なゲルを絞り出しにより、複合層の両面にシリカキセロゲル層１０１となる層を形成する。ゲルがあふれることで、複合層１０２となる不飾布の部分の両面に、シリカキセロゲル層１０１となる層を形成する。
　厚み規制のタイミングは、不織布に含浸されたゾル溶液がゲル化した後が好ましい。ゾル溶液がゲル化（流動性を失った状態）した直後から、９０分以内に厚み規制をするのが好ましい。ゲル化前に厚み規制を行うと、流動性があるため厚み規制の効果が得られない。また、９０分以上経過すると、硬化が促進し流動性が全く無い状態となるため、厚み規制による圧力によりシリカネットワークを破壊し、ゲルにクラックを生じさせてしまう。また、厚み規制時のギャップ設定は、狙い厚みに２枚のフィルム厚みを足した総厚みに対して、５～２０％減らした厚みとするのが好ましい。
　例えば、狙い厚みが１．０ｍｍ、フィルム厚みが０．０５ｍｍの場合、総厚みは１．１ｍｍとなり、ギャップ設定値としては、０．８８～１．０５ｍｍとする。
　ギャップ設定値を総厚みより小さくする理由は、後工程（養生、疎水化、乾燥工程）で膨潤して厚くなってしまうため、予め膨潤厚み分を差し引いておくためである。
　ギャップ設定値を総厚みの５％未満にした場合、断熱シート１０３の厚みは結果的に狙い厚みよりも厚くなる場合がある。ギャップ設定値が厚みの２０％より大きくすると、最終的に得られるシートの厚みが目標の±２０％以内からはずれる。
　（５）養生
　容器にフィルムに保持されたゲルを入れて、温度８５℃、湿度８５％設定の恒温恒湿槽に３時間入れる。このことで、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させる。
　養生温度は、常圧下の場合においては、５０～１００℃が好ましく、６０～９０℃がより好ましい。
　養生温度が５０℃未満であると、ゲル化工程同様に、反応の活性種である珪酸モノマーに必要な熱が伝わらず、シリカ粒子の成長が促進されない。結果、養生が十分に進行するまでに時間を要する上に、生成される湿潤ゲルの強度が低くなる。さらに、乾燥時に大きく収縮する場合があり、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。
　また、養生温度が１００℃を越えると、容器を密閉していたとしても、容器の中で水が揮発してゲルと分離する現象がみられる。これにより得られる湿潤ゲルの体積が減少して、所望のシリカキセロゲルが得られない場合がある。
　一方、養生温度が６０～９０℃の範囲であれば、生産性を損なうことなく、シリカ粒子の適度な成長を促進できる。また、シリカ粒子同士が点接触で連結しているネック部分の強化を図ることができる。尚且つ、湿潤ゲルの水分を揮発させることなく、養生を実施することが可能である。
　養生時間は、養生温度にもよるが、０．５～６時間が好ましく、１～３時間がより好ましい。
　養生時間が０．５時間未満であると、ゲル壁の強度向上が不十分な場合がある。
　養生時間が６時間を越えると、ゲル壁の強度の向上における養生の効果が乏しくなり、逆に生産性を損なう。
　養生時間が１～３時間であれば、生産性を損なうことなく、ゲル壁の強度向上を十分に行うことができる。
　養生条件として、温湿度と時間はセットで考えなければならない。ゲル骨格強度向上と生産性のバランスを考慮すると、８５℃、８５％条件下で、養生時間は１～３時間とするのが好ましい。
　キセロゲルの細孔容積を大きくしたり、平均細孔径を大きくするためには、ゲル化温度や養生温度を上記範囲内で高めたり、ゲル化時間と養生時間の合計時間を上記範囲内で長くすることが好ましい。
　また、シリカキセロゲルの細孔容積を小さくしたり、平均細孔径を小さくするためには、ゲル化温度や養生温度を上記範囲内で低くしたり、ゲル化時間と養生時間の合計時間を上記範囲内で短くすることが好ましい。
　（６）フィルム剥がし
　恒温槽から養生容器を取り出して室温で放冷させた後、養生後のサンプルを取り出して、フィルムを剥がす。
　（７）疎水化１（塩酸浸漬工程）
　ゲルを塩酸（６～１２規定）に浸漬後、常温２３℃で４５分以上放置してゲルの中に塩酸を取り込む。
　（８）疎水化２（シロキサン処理工程）
　ゲルを例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンとアルコールとして２－プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。
　トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルから塩酸水が排出され、２液分離する。上層にシロキサン、下層に塩酸水と２－プロパノールが、主に分布する。
　（９）乾燥
　ゲルを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させる。
　なお、図１に示した構造を実現するためには、（２）～（４）で述べたように、過剰量のゾル溶液を含浸させた不織布繊維を２枚のフィルムで挟み、ゲル化したのちに、一定のＧａｐを設定した２軸ロールの間を通すことで実現される。
　上記製造方法では、図１の構造において、複合層１０２から、両面のシリカキセロゲル層１０１へシリカキセロゲルが連続する。
　しかし、別途、異なるシリカキセロゲルを、両面のシリカキセロゲル層１０１のそれぞれに設けてもよい。例えば、２軸ロールの間を通す前に、ゲル表面に異なるシリカキセロゲルを付着させると、３層で異なるシリカキセロゲルとなる。
　＜応用例＞
　図３は断熱シート１０３の応用例としての電子機器である携帯機器の部分断面を示している。携帯機器の筐体１０６に、断熱シート１０３、グラファイトシート１０４、発熱部品１０５、基板１０７が配置されている。すなわち、この携帯機器は、発熱を伴う電子部品である発熱部品１０５と、発熱部品１０５を収容した筐体１０６と、発熱部品１０５と筐体１０６との間に配置された断熱シート１０３とを有する。
　グラファイトシート１０４により、発熱部品１０５の熱を広げる。しかし、筐体１０６へは熱を伝えない。そのため、筐体１０６の表面の局所的温度上昇を大幅に低下させることができる。
　実際に、スマートフォンやタブレットに、この構造を適用した。発熱部品１０５から筐体１０６への伝熱の低減をすることができた。
　以下、本実施の形態を実施例に基づいて説明する。但し、本実施の形態は、下記実施例に限定されるものではない。すべての反応は、大気下のもとで行われた。
　＜評価＞
　尚、実施例では、不織布の目付（単位面積あたりの不織布繊維の重量［ｇ／ｍ２］）、もしくは厚みを変化させて断熱シート１０３を作製し、断熱シート１０３の熱伝導率、厚みを測定した。
　断熱シート１０３の熱伝導率測定には、熱流計ＨＦＭ　４３６Ｌａｍｄａ（ＮＥＴＺＣＨ製）とＴＩＭ　ｔｅｓｔｅｒ（Ａｎａｌｙｓｙｓ　Ｔｅｃｈ製）を用いた。
　厚み測定には、デジマチックインジケータ　Ｈ０５３０（（株）ミツトヨ製）を用いた。測定圧力は７．４ｋＰａとした。測定箇所は、断熱シート１０３の１０枚に対し、各々面内１５点を測定し（合計１５０点）、平均厚みと厚みバラツキ３σを算出した。
　各実施例、比較例の詳細の条件は以下で説明する。また、結果と条件を、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜基準＞
　断熱シート１０３の熱伝導率は、０．０２４Ｗ／ｍＫ以下、厚みバラツキは、３σ２０％以下を合格とした。両方を満足する条件を総合評価として合格とした。
　静止空気の常温における熱伝導率は０．０２６Ｗ／ｍＫ程度といわれている。そのため、効果的に熱の流れを絶つためには、断熱シート１０３の熱伝導率を静止空気より小さい熱伝導率とする必要がある。したがって、断熱シート１０３の熱伝導率の合格基準は、静止空気の熱伝導率よりも約１０％低い０．０２４Ｗ／ｍＫ以下とした。
　断熱シート１０３の熱伝導率が、０．０２４Ｗ／ｍＫより大きいと、静止空気の熱伝導率とあまり変わらないため、空気断熱に対する優位性が損なわれる。
　また、断熱シート１０３面内の厚みバラツキが３σ２０％より大きい場合、断熱シート１０３内に厚みが薄い箇所が局所的に存在することになる。このため、その薄い箇所においてはヒートスポットを効果的に低減することができなくなる。結果、断熱シート１０３の厚みバラツキの合格基準を３σ２０％以下とした。
　実施例１～３では、図１に示したように、断熱シート１０３が、複合層１０２とシリカキセロゲル層１０１とから構成されている。
　一方、比較例１～３では、シリカキセロゲル層１０１を含まず、不織布繊維のみから構成され、図１の構造ではない。
　＜実施例１＞
　高モル珪酸水溶液（東曹産業株式会社、ＳｉＯ２濃度１４重量％）２２．２９重量部に、触媒として濃塩酸を０．３１重量部（１．４重量％）添加、攪拌し、ゾル溶液を調合した。
　次に、不織布（材質ＰＥＴ，厚み０．９０２ｍｍ、面積１２ｃｍ角、目付１０５ｇ／ｍ２）にゾル溶液を注ぎ、ハンドロールでゾル溶液を不織布に押し込んで含浸させた。
　ゾル溶液を含浸させた不織布をＰＰフィルム（厚み５０μｍ×２枚）に挟み、室温２３℃で２０分放置してゾルをゲル化させた。
　ゲル化を確認後、ギャップを１．０５ｍｍ（フィルム厚込み）に設定した２軸ロールにフィルムごと含浸不織布を通して、不織布から余分なゲルを絞りだして厚み１．００ｍｍ狙いで規制した。
　次に、容器にフィルム付きの状態で上記ゲルを入れて、温度８５℃、湿度８５％設定の恒温恒湿槽に３時間入れた。このことで、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させた。
　恒温槽から養生容器を取り出して室温で放冷させた後、養生後のサンプルを取り出して、フィルムを剥がした。
　次に、ゲルを塩酸１２規定に浸漬後、常温２３℃で６０分放置してゲルの中に塩酸を取り込ませた。
　次に、ゲルを、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと２－プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させた。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルから塩酸水が排出され、２液分離した状態となった（上層にシロキサン、下層に塩酸水、２－プロパノール）。
　ゲルを１５０℃設定の恒温槽に移して大気雰囲気下２時間乾燥させることでシートを得た。
　その結果、平均厚み１．０５ｍｍ、厚みバラツキ３σ３．３％、熱伝導率０．０１８９Ｗ／ｍＫの断熱シート１０３を得た。この時のシリカキセロゲルの充填率は６３．１重量％であった。
　得られた断熱シート１０３のＳＥＭ画像を図４Ｂ～図４Ｄに示す。ＳＥＭ画像を撮影した断熱シート１０３の場所を図４Ａに示す。図４Ｂは断熱シート１０３の直上からみた画像である。全面がシリカキセロゲルで覆われているのが確認された。
　また、図４Ｃ、図４Ｄは断熱シート１０３の断面をみた画像である。不織布繊維の空間体積にシリカキセロゲルが密に充填されており、尚且つ、不織布繊維の最表面にもシリカキセロゲルの単一層が形成されていることが確認された。
　＜実施例２＞
　不織布の仕様を平均厚み０．０３４ｍｍ、目付１２ｇ／ｍ２に変え、それに伴い、原料の使用量を１／５に変えた。それ以外は、実施例１と同様のプロセス条件にてシートを作製した。
　その結果、平均厚み０．０４２ｍｍ、厚みバラツキ３σ１８％、熱伝導率０．０１３０Ｗ／ｍＫの断熱シート１０３を得た。このときのシリカキセロゲルの充填率は３０．０重量％であった。
　＜実施例３＞
　不織布の仕様を平均厚み０．０２３ｍｍ、目付８ｇ／ｍ２に変え、それに伴い、原料の使用量を１／５に変えた。それ以外は、実施例１と同様のプロセス条件にてシートを作製した。
　その結果、平均厚み０．０４０ｍｍ、厚みバラツキ３σ１３％、熱伝導率０．０１２０Ｗ／ｍＫの断熱シート１０３を得た。この時のシリカキセロゲルの充填率は３５．８重量％であった。
　＜比較例１＞
　厚み０．９０２ｍｍ、目付１０５ｇ／ｍ２、材質がＰＥＴの不織布繊維を用いた。不織布繊維に、シリカキセロゲルを複合化させなかった。熱伝導率を測定した結果、０．０３３６Ｗ／ｍＫであった。
　＜比較例２＞
　不織布繊維の仕様を平均厚み０．０３４ｍｍ、目付１２ｇ／ｍ２に変えた。不織布繊維にシリカキセロゲルを複合化させなかった。熱伝導率を測定した結果、０．０３５５Ｗ／ｍＫであった。
　＜比較例３＞
　不織布繊維の仕様を平均厚み０．０２３ｍｍ、目付８ｇ／ｍ２に変えた。不織布繊維にシリカキセロゲルを複合化させることなく、熱伝導率を測定した結果、０．０３４３Ｗ／ｍＫであった。
　＜結果＞
　実施例１～３では、面内厚みバラツキが３σ２０％以下であり、熱伝導率が０．０１０～０．０２４Ｗ／ｍＫである。この結果、不織布繊維の目付が５～１２０ｇ／ｍ２、不織布繊維の嵩密度が１１６～３４５ｋｇ／ｍ３、ばらつきを考慮して、１００～５００ｋｇ／ｍ３が必要であることがわかった。
　この結果と図４Ｂ～図４Ｄの断熱シート１０３のＳＥＭ画像とから、以下が言える。つまり、不織布繊維の空間体積にシリカキセロゲルを充填させた複合層１０２と、不織布繊維の最表面にシリカキセロゲル層１０１（単一層）とを形成させることが必要であることがわかった。
　尚、不織布繊維の目付範囲は、最小・最大目付から規定した範囲となっている。不織布繊維の有効嵩密度の範囲も、ばらつきを考慮し、最大・最小嵩密度から規定した範囲である。
　＜なお書き＞
　なお、シリカキセロゲル層１０１は、複合層１０２の両面に存在することは、必須でなく、好ましい例である。
　本発明の断熱シートは、広く電子機器内で利用される。情報機器、携帯機器、ディスプレイ、電装品など、熱に関わる全ての製品へ応用される。
１０１　　シリカキセロゲル層
１０２　　複合層
１０３　　断熱シート
１０４　　グラファイトシート
１０５　　発熱部品
１０６　　筐体
１０７　　基板

Claims (11)

  1. 第１シリカキセロゲルを含む第１シリカキセロゲル層と、
    第２シリカキセロゲルを含む第２シリカキセロゲル層と、
    前記第１シリカキセロゲル層と前記第２シリカキセロゲル層との間に位置し、少なくとも一種の不織布繊維と第３シリカキセロゲルとを含有する複合層と、を備え、
    前記不織布繊維中の空間体積に前記第３シリカキセロゲルが位置する、
    断熱シート。
  2. 前記第１シリカキセロゲル層、前記第２シリカキセロゲル層の少なくとも一方の厚みは１０ｎｍ以上であり、
    前記第１シリカキセロゲル層が前記第１シリカキセロゲルの単一層であるか、または、前記第２シリカキセロゲル層が前記第２シリカキセロゲルの単一層であるかの少なくとも一方である、
    請求項１に記載の断熱シート。
  3. 前記不織布繊維の嵩密度は、１００ｋｇ／ｍ３以上、５００ｋｇ／ｍ３以下の範囲内である、
    請求項１に記載の断熱シート。
  4. 前記第１シリカキセロゲル層、前記第２シリカキセロゲル層の少なくとも一方の厚みは１００ｎｍ以下である、
    請求項１に記載の断熱シート。
  5. 前記第１シリカキセロゲルと前記第２シリカキセロゲルと前記第３シリカキセロゲルとは同じシリカキセロゲルである、
    請求項１に記載の断熱シート。
  6. 前記第１シリカキセロゲルと前記第２シリカキセロゲルと前記第３シリカキセロゲルとは連続して繋がっている、
    請求項１に記載の断熱シート。
  7. 前記断熱シートの厚みが０．０３ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下の範囲内である、
    請求項１に記載の断熱シート。
  8. 前記不織布繊維が、主成分として無機不織布繊維を含む、
    請求項１に記載の断熱シート。
  9. 前記不織布繊維が、主成分として有機不織布繊維を含む、
    請求項１に記載の断熱シート。
  10. 発熱を伴う電子部品と、
    前記電子部品を収容した筐体と、
    前記電子部品と前記筐体との間に配置された、請求項１から９のいずれか１項に記載の断熱シートと、を備えた、
    電子機器。
  11. シリカエアロゾル溶液に含浸した不織布繊維をフィルムに挟んだ状態で前記シリカエアロゾル溶液をゲル化させて、前記不織布繊維と前記不織布繊維中の空間体積に位置するシリカキセロゲルとを含有する複合層を形成するステップと、
    前記複合層を前記フィルムとともに加圧することで、前記複合層の第１面に前記シリカキセロゲルを含む第１シリカキセロゲル層を形成するとともに、前記第１面の反対側の第２面に前記シリカキセロゲルを含む第２シリカキセロゲル層を形成するステップと、を備えた、
    断熱シートの製造方法。
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