WO2021141140A1 - 軟磁性金属扁平粉末およびそれを用いた樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合コンパウンド - Google Patents

Abstract

高い透磁率を持ちかつ透磁率の温度係数を調整した軟磁性金属扁平粉末および該材料を用いた樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物を提供する。Ｆｅ－ＡＩ－Ｓｉ組成の軟磁性金属扁平粉末の透磁率の温度係数Ｋが－４０°Ｃ～８５°Ｃの範囲で下記式（１）（２）（３）を満たし、保磁力が７０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする軟磁性金属扁平粉末。 Ｋ＝（μ（０°Ｃ）－μ（－４０°Ｃ））／μ（－４０°Ｃ）＞０　（１）　Ｋ＝（μ（４０°Ｃ）－μ（０°Ｃ））／μ（０°Ｃ）＞０　（２）　Ｋ＝（μ（８５°Ｃ）－μ（４０°Ｃ））／μ（４０°Ｃ）＞０　（３）　Ｋ：温度係数、　μ：透磁率（μ'：実数透磁率、μ''：虚数透磁率）　また、前記軟磁性金属扁平粉末と樹脂よりなり、保磁力が８０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする、樹脂複合シート。射出成形用および押出成形用の樹脂複合組成物。

Description

軟磁性金属扁平粉末およびそれを用いた樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合コンパウンド

　本発明は、通信機器や各種電子機器において発生する不要電磁波の外部への漏洩や内部回路間での干渉、また外部電磁波による誤動作などの影響を防止するために使用するノイズ抑制部品や、電磁誘導を利用したモバイル機器のペン入力や、非接触充電モジュールにおいて使用する磁気シールド部品に用いられる軟磁性金属扁平粉末と、それを用いた樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物に関する。

　通信機器や各種電子機器から不要電磁波が発生し、外部および内部干渉による機器の誤動作や通信障害が問題となり、各種の対策が行われているが、５Ｇ、ＷｉＦｉ６通信方式の普及で問題がさらに顕在化しつつある。
　また、通信機器や各種電子機器の薄型化、小型化が進み、電子部品の実装密度が飛躍的に高まったことで部品間や回路基板間の電磁干渉に起因する問題が頻発し、ノイズ対策用電子部品やフレキシブル磁性シート（樹脂複合シート）が使用されている。
　一方で電磁波の有効利用が進んでおり、電磁誘導方式を利用したモバイル機器のペン入力や非接触充電が普及し、金属部品との干渉防止や磁界を有効に利用するためにコイル部品との組み合わせで磁気シールド材が使用されている。
　電磁波ノイズ抑制や、磁気シールドのために使用されるフレキシブル磁性シート（樹脂複合シート）や押出、射出成形品には、軟磁性金属扁平粉末が使用されている。これは扁平状に加工することにより反磁界係数が小さくなり、面内方向の透磁率が高くなるためである。また、スネークの限界を超えてより高い周波数まで透磁率を維持できるようになる。電磁波ノイズ抑制のためには、透磁率の磁気損失を示す虚数透磁率μ’’を利用しており、磁気シールドでは透磁率の実数透磁率μ’が利用されている。
　しかしながら、近年の装置の薄型化、小型化の進行で、電磁波ノイズ抑制や磁気シールド部品の実装スペースが限られるようになり、今まで以上に透磁率の高い軟磁性金属扁平粉末とフレキシブル磁性シート（樹脂複合シート）並びに成形加工用樹脂複合組成物への要求が高まっている。
　従来よりＦｅ基合金粉末を用いた軟磁性金属扁平粉末として、センダストと呼ばれるＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の扁平粉末の透磁率が高いことが知られている。特に結晶磁気異方性と磁歪がともにゼロであるＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成はＡｌ：５．４ｗｔ％、Ｓｉ：９．６ｗｔ％付近で残部がＦｅと不可避の不純物である。このため、扁平粉末表面酸化を加味して組成を調整する特許第３７２２３９１（特許文献１）がある。一方で、特許第６５９２４２４（特許文献２）、特開２００５−２８１７８３（特許文献３）ではＡｌ、Ｓｉの組成を積極的に調整することで、より高い透磁率を得ることができることが提案されている。

特許第３７２２３９１ 特許第６５９２４２４ 特開２００５−２８１７８３

　通信機器や各種電子機器が実際に使用される際には周辺温度の変化や発熱があり、自動車では−４０~１５０℃、その他では−４０~８５℃での性能保証の要求がある。このため、最低でも−４０~８５℃の温度域で安定した電磁波ノイズ抑制や磁気シールド性能を確保する必要がある。しかしながら、一般的に透磁率の測定は常温でしか行われておらず、特許文献１および２および３では本発明でいう実際の使用温度範囲で安定して高い透磁率を得ることに関しての記載はない。
　また、特許文献２ではＦｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ％Ｓｉから組成を調整することで透磁率が向上すると記載されている。一般的には透磁率を高めるためにはアスペクト比を大きくして反磁界を減らすことと、保磁力を低くすることが有効であるが、組成を調整することで保磁力は１００Ａ／ｍ（印可磁場１４４ｋＡ／ｍ）以上にまで増加しており、従来技術ではさらなる高透磁率化の要求に対応することが困難な状況になっている。さらに特許文献２および３の実施例には、本発明でいうＡｌ＋Ｓｉの合計含有量と保磁力を満たすものは記載されていない。また、アスペクト比は測定する粉末毎に扁平加工度が異なるため、測定する粉末の長手方向のサイズを規定しないと何ら意味を持たないがこれらに関する記載がない。さらにアスペクト比のみに注目すると、過粉砕となって微粉の割合が増え、保磁力が増加する問題があるがこれに関する記載もない。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、−４０℃~８５℃の範囲内で透磁率が正の温度係数を示し、かつ保磁力を低く維持することで透磁率の高い軟磁性金属扁平粉末と樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物を提供しようというものである。
　本発明は、上述した従来のＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の軟磁性金属扁平粉末および該材料を用いた樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物が有する課題を解決することにある。

　本発明によれば、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の軟磁性金属扁平粉末の透磁率の温度係数Ｋが−４０℃~８５℃の範囲で下記式（１）（２）（３）を満たし、保磁カが７０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする軟磁性金属扁平粉末が得られる。
　Ｋ＝（μ（０℃）−μ（−４０℃））／μ（−４０℃）　＞０　　（１）
　Ｋ＝（μ（４０℃）−μ（０℃））／μ（０℃）　＞０　　（２）
　Ｋ＝（μ（８５℃）−μ（４０℃））／μ（４０℃）　＞０　　（３）
　Ｋ：温度係数、μ：透磁率（μ’：実数透磁率、μ”：虚数透磁率）
　また本発明によれば、前記軟磁性金属扁平粉末で、平均粒子径Ｄ５０付近の粒径の粉末におけるアスペクト比が２０~２００の扁平状であり、Ａｌ：６~７．５ｗｔ％、Ｓｉ：８．５~９．５ｗｔ％含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を持ち、ＡｌとＳｉの合計含有量が１５~１６．５ｗｔ％であることを特徴とする軟磁性金属扁平粉末が得られる。
　また本発明によれば、前記軟磁性金属扁平粉末と樹脂よりなり保磁力が８０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする、樹脂複合シートが得られる。
　また本発明によれば、前記軟磁性金属扁平粉末と樹脂よりなることを特徴とする、射出成形用および押出成形用の樹脂複合組成物が得られる。

　本発明は、高い透磁率を持ちかつ透磁率の温度係数を調整した軟磁性金属扁平粉末と樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物を提供しようというものである。

　図１はＦｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ％Ｓｉ組成の軟磁性金属扁平粉末で、透磁率の異なるグレードの軟磁性金属扁平粉末を５０ｖｏｌ％配合した樹脂複合シートの実数透磁率の温度依存性を示した図である。
　図２は軟磁性金属扁平粉末で、Ｆｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ％Ｓｉ組成とＦｅ−４．５ｗｔ％−９．０ｗｔ％Ｓｉ組成の場合の実数透磁率の温度依存性を示した図である。

　以下、本発明について具体的な最良の形態について説明する。
　Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の軟磁性合金原料粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、インゴット粉砕法など一般に知られている各種の方法により作製することができるが特に限定するものではない。
　Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の軟磁性合金原料粉末は、Ａｌ：６~７．５ｗｔ％、Ｓｉ：８．５~９．５ｗｔ％含有しＡｌとＳｉの合計含有量が１５~１６．５ｗｔ％であることが望ましい。さらに好ましくは１５．５~１６ｗｔ％の範囲である。ＡｌとＳｉの合計含有量が１５ｗｔ％未満の場合には保磁力が増加するために透磁率が低くなり、１６．５ｗｔ％を超えると透磁率の８５℃での温度係数が負になる。また、軟磁性合金原料粉末はＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ以外に、必要に応じてＭｎ、Ｍｏ、Ｃａ、Ｏ、Ｃ等の微量成分を添加してもよい。
　扁平加工は特に制限はないが、アトライター、ボールミル、振動ミルなどを用いて蒸留水もしくは有機溶剤の存在下で実施することができる。有機溶剤としてはトルエン、ヘキンサン、アルコール、エチレングリコールなどを使うことができ、加工中は装置内の雰囲気を調整してもよい。また、扁平化助剤としてステアリン酸などを加えてもよい。さらに、扁平加工を行う前に軟磁性合金原料粉末は熱処理を行ってから使用してもよい。
　扁平化処理後は、加工中に生じた結晶の歪を取るために、不活性雰囲気中で熱処理することが望ましく、熱処理温度は５００~９００℃が望ましい。５００℃以下では歪取りが十分でなく、９００℃を超えると部分的に凝集や焼結が発生するためである。
　軟磁性金属扁平粉末の平均粒径Ｄ５０付近の粉末におけるアスペクト比は２０~２００であることが好ましく、３０~１５０であることがより好ましい。アスペクト比が２０未満では反磁界の影響で樹脂複合シート並びに成形加工用樹脂複合組成物にした時に透磁率が低下し、２００を超えると加工性が低下する。
　さらに、かさ密度／真密度は０．０３６~０．０８６の範囲であることが望ましい。０．０３６より小さくなると扁平化が進みすぎ、取り扱いが困難となる。一方０．０８６を超えると扁平化が不十分なため、透磁率が低下する。かさ密度の測定はＪＩＳＺ２５０４に基づいて実施した。真密度は島津製作所製のＡｃｃｕＰｙｃ１３３０を用いて測定した。
　扁平粉末の平均粒子径Ｄ５０の測定は、Ｓｙｍｐａｔｅｃ社製のＨＥＬＯＳ／ＢＲ−ｍｕｌｔｉでＲ４を用いて測定を行った。得られた平均粒径Ｄ５０に対して、±１０％の粒径範囲の扁平粉末を空気分級で抽出し、エポキシ樹脂に埋め込み鏡面研磨して厚み測定用のサンプルを得た。アスペクト比は扁平粉末の長径／厚みであるが、長径は平均粒径Ｄ５０の値とし、粉末扁平粉末の厚みを走査型電子顕微鏡で計測してアスペクト比を求めた。アスペクト比は、樹脂複合磁性シートもしくは成形品をエポキシ樹脂に埋め込み、平均的な長径と厚みを走査型電子顕微鏡で計測して求めても良い。
　保磁力は東北特殊鋼製の自動計測保磁力計Ｋ−ＨＣ１０００を用い印可磁場１４８ｋＡ／ｍで測定した。扁平粉末約１０ｍｇを、飛散しないように非磁性のテープで被覆し測定用サンプルとした。樹脂複合シートと樹脂組成物の成形品の保磁力測定は透磁率測定用のサンプルを用いた。
　透磁率の測定は、Ｋｅｙｓｉｇｈｔ社製のインピーダンスアナライザーＥ４９９１Ｂと磁性材料テストフィクスチャー１６４５４Ａと耐熱テストキットを用いて、恒温恒湿機中で−４０℃~８５℃の温度範囲で行った。
測定用サンプルは、樹脂複合シートと成形加工用樹脂複合組成物を射出成形した物を使用した。
　樹脂複合シートは、軟磁性金属扁平粉末と高分子材料とを配合し、公知の種々の方法でインク状にしてドクターコーティング、コンマコーティング、スクリーン印刷等でシート状の物を作製し、さらにこれを各種のロールや、プレスで圧縮してもよい。また、ニーダー等で混練してロール成形して作製してもよく、さらにこれをプレスで圧縮してもよい。シート作製時には磁場を印加して、軟磁性金属扁平粉末の配向を制御することで、透磁率を高めることができる。
　樹脂複合シートは、保磁力が８０Ａ／ｍ以下であることが望ましい。より好ましく７０Ａ／ｍ以下である。全固形分に対して軟磁性金属扁平粉末の含有量が３５ｖｏｌ％~６５ｖｏｌ％であることが望ましい。より好ましくは、４０ｖｏｌ％~５５ｖｏｌ％である。３５ｖｏｌ％未満の場合には保磁力が８０Ａ／ｍ以下でも透磁率が低くなり、６５ｖｏｌ％を超えるとシート化が困難となり、透磁率が低下する。
　高分子樹脂として、ポリウレタン系、アクリル系、シリコン系、エポキシ系、塩素化ポリエチレン系、クロロプレン系ゴム等を単独もしくは組み合わせて使用することができるが、これに限定するものではない。熱可塑性、熱硬化性についても限定するものではない。また、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じてカップリング剤、分散剤、防錆剤などによる各種表面処理や、酸化防止剤、顔料、非磁性充填剤、熱伝導性充填剤等の各種添加剤を必要に応じて添加することができる。
　樹脂複合組成物は、軟磁性金属扁平粉末と高分子樹脂とを混合し、ニーダーや二軸混練機で混練するが特に限定されるものではなく、公知の種々の方法で行うことができるが、全固形分に対して軟磁性金属扁平粉末の含有量が３５ｖｏｌ％~６５ｖｏｌ％であることが望ましい。より好ましくは４５ｖｏｌ％~５５ｖｏｌ％である。３５ｖｏｌ％未満の場合には成形物の透磁率が低くなり、６５ｖｏｌ％を超えると成形が困難となり、透磁率が低下する。
　高分子材料としては熱硬化性のエポキシ系、アクリル系、尿素系樹脂等や熱可塑性のポリアミド系、芳香族ポリアミド系、ポリフェニレンサルファイド系、フッ素系、ポリエーテル系、ポリエステル系樹脂等を単独もしくは組み合わせて使用することができるが、これに限定するものではない。また、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じてカップリング剤、分散剤、防錆剤などによる各種表面処理や、酸化防止剤、顔料、非磁性充填剤、熱伝導性充填剤等の各種添加剤を必要に応じて添加することができる。
　樹脂複合組成物は押出成形機、押出成形機等を用いて各種の形状に成形加工することができる。成形の時には、磁場をかけながら成形してもよい。

　以下、本発明について実施例により具体的に説明する。
　実施例１~１４、比較例１~８で使用した軟磁性金属扁平粉末は、インゴット粉砕法により作製した平均粒径Ｄ５０＝１００μｍのＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の原料粉末を用い、アトライターで所定のかさ密度／真密度になるように扁平加工を行った。実施例１~１４は保磁力が７０Ａ／ｍ以下になるように加工条件を調整した。扁平加工はエタノールを用いて湿式条件で行った。扁平加工後は、エタノールを乾燥除去し、Ａｒ雰囲気中８００℃で２時間の歪取りのための熱処理を行った。
　実施例１~１２、比較例１~６では得られた軟磁性金属扁平粉末を用い、全固形分に対して５０ｖｏｌ％となるように熱硬化型ポリウレタン樹脂をトルエンで希釈した樹脂溶液に配合して分散させた。この分散液をコンマコーターで１００μｍ厚みに塗布し、磁場配向を行った後に５０℃で乾燥し溶剤を除去した。乾燥後のシートを積層して１５０℃で１０ＭＰａの圧力で熱プレスし、厚み２００μｍの性能評価用の樹脂複合シートを得た。次に外形２０ｍｍ、内径１０ｍｍのドーナツ状に切り出し、保磁力と透磁率を測定した。
　以上の実施例１~１２と比較例１~６の、扁平粉末の組成、保磁力、平均粒子径Ｄ５０、アスペクト比、かさ密度／真密度と樹脂複合シートでの保磁力、０℃での実数透磁率、０℃での虚数透磁率、各温度幅での温度係数を表１にまとめて示す。実数透磁率は１ＭＨｚ、虚数透磁率は５００ＭＨｚでの値とした。
　実施例１３~１４、比較例７~８では得られた軟磁性金属扁平金属とポリアミド１２を用い、二軸混練機を用いて加熱混練することで樹脂複合組成物を得た。軟磁性扁平粉末はシランカップリング剤で事前に表面処理した物を使用した。次いで、射出成形機を用いて外形２０ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚み１ｍｍのリング状に成形し、保磁力と透磁率を測定した。
　以上の実施例１３~１４、比較例７~８の樹脂複合組成物で用いた扁平粉末組成、保磁力、アスペクト比と樹脂複合組成物中の扁平粉末配合量、成形体での保磁力、０℃での実数透磁率、０℃での虚数透磁率と各温度幅での温度係数を表２と３にまとめて示す。

　表１より、実施例１~１２はいずれも実数および虚数透磁率の温度係数Ｋが−４０℃~８５℃で正であり、比較例１~５より高い実数および虚数透磁率を０℃で有している。比較例６のＦｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ％Ｓｉ組成では０℃での実数および虚数透磁率は高いが、温度係数が０℃を越えると負になり、実数および虚数透磁率は急激に低下する。さらに、Ｆｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ５％Ｓｉ組成では図１に示すように０℃での実数透磁率が高いほど、８５℃での実数透磁率の低下が顕著になる。
　８５℃での実数透磁率を比較すると、実施例１~１２はいずれも２００以上になるが、比較例６の実数透磁率は１４５で大きな差がある。また、図２に示すようにＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金組成を本実施例の範囲外で調整しても、実数透磁率の温度係数を調整できるが、０℃での実数透磁率が低くなりすぎて、高透磁率化の要求に応えることができない。

　表２および３より樹脂複合組成物の射出成形体においても実施例１３~１４は実数および虚数透磁率の温度係数Ｋが−４０℃~８５℃で正である。また比較例７のＦｅ−５．４ｗｔ％Ａｌ−９．６ｗｔ％Ｓｉは０℃を越えると負の温度係数を示すため、８５℃での透磁率は７０に低下する。比較例８は粉末配合量が多すぎたため成形ができず、成形不能としている。

Claims (4)

1. 　Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ組成の軟磁性金属扁平粉末の透磁率の温度係数Ｋが−４０℃~８５℃の範囲で下記式（１）（２）（３）を満たし、保磁力が７０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする軟磁性金属扁平粉末。
   　Ｋ＝（μ（０℃）−μ（−４０℃））／μ（−４０℃）　＞０　　（１）
   　Ｋ＝（μ（４０℃）−μ（０℃））／μ（０℃）　＞０　　（２）
   　Ｋ＝（μ（８５℃）−μ（４０℃））／μ（４０℃）　＞０　　（３）
   　Ｋ：温度係数、μ：透磁率（μ’：実数透磁率、μ’’：虚数透磁率）
2. 　軟磁性金属扁平粉末で、平均粒子径Ｄ５０付近の粒径の粉末におけるアスペクト比が２０~２００の扁平状であり、Ａｌ：６~７．５ｗｔ％、Ｓｉ：８．５~９．５ｗｔ％含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなる成分組成を持ち、ＡｌとＳｉの合計含有量が１５~１６．５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１記載の軟磁性金属扁平粉末。
3. 　請求項１と２のいずれかに記載の軟磁性金属扁平粉末と樹脂よりなり、保磁力が８０Ａ／ｍ以下であることを特徴とする、樹脂複合シート。
4. 　請求項１と２のいずれかに記載の軟磁性金属扁平粉末と樹脂よりなることを特徴とする、射出成形用および押出成形用の樹脂複合組成物。

Images