(57)【要約】【課題】顔料の物性を目的とした膜や構造体を得るために、多量の顔料粉や粒を高分子へ混合する場合、顔料粉の硬く脆い物性も上述膜や構造体へ強く表れるため、例えば顔料粉が熱伝導体である場合は熱伝導に優れ、脆くない膜や構造体を得ることができないことが課題となっている。【解決手段】本発明の熱伝導体は、熱伝導材である黒鉛などを構造材全体の７０重量％以上充填させた構造材であって、繊維材を構造材全体の５〜１５重量％充填したことを特徴とする。これにより、黒鉛などの熱伝導性充填物質が多く充填された、熱伝導率が高い構造材であっても、脆くない熱伝導性構造体を提供できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造材全体に対して、粉末が７０重量％以上、及び、繊維材が５〜１５重量％を含有することを特徴とする高分子構造材。
【請求項２】
前記粉末が黒鉛、カーボン、窒化ホウ素、アルミナのいずれかである請求項１に記載の高分子構造材。
【請求項３】
前記粉末が黒鉛、カーボン、窒化ホウ素、アルミナを少なくとも１種類含む混合物である、請求項１に記載の高分子構造材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部で熱を発する電子機器、家電製品等の筐体、放熱板、反射板等に用いる部材に関し、より詳細には、放熱性、ならびに、絶縁性、加工性、耐食性、に優れた高機能の部材に関する。
【０００２】
更に本発明は、前記部材を用いた電子機器用又は家電製品用の筐体、シートならびに、この筐体、シートを用いた電子機器又は家電製品、自動車部品や該部品の装飾に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子機器の小型化、高性能化に伴い、これらの電子部品から放出される熱が、狭い空間に蓄積されることが多くなり、該空間からの排熱が問題となっている。つまり、電子機器内の発熱による機器内部の高温化は、精密な電子機器本体の性能を損なう恐れがあるため、熱を効率よく外部へ排出することが重要な課題となっている。
熱伝導率に優れた材料として、ダイヤモンド、グラファイト、カーボンナノチューブなどの炭素材料や窒化ホウ素、アルミナなどが知られているが、いずれも粒または粉状の物質であり、これら材料を用いて構造材を得る場合、価格が高く、かつ構造材が脆くなるという課題がある。
【０００４】
このような課題を解決するために、特許文献１には、発熱による機器内部の高温化を対策するために、グラファイトからなるシートを該機器内部または外部へ設置することで熱を効率よく外部へ排出することが開示されているが、グラファイトから成るシートは材料及び製造コストの関係上高価である。
【０００５】
特許文献２には、低コストで加工性及び放熱性の良好な材料として、金属や金属酸化物等を顔料として含有させた曲げ加工性に優れた樹脂膜からなる熱放射性材料が開示されている。ここで、顔料としての金属や金属酸化物の熱拡散率（数百［Ｗ／（ｍＫ）］）は、グラファイト(数千［Ｗ／（ｍＫ）］)よりも少なく、樹脂の熱拡散率はほぼゼロである。そのため、顔料として金属や金属酸化物を用いる場合は顔料／樹脂比率をより多くする必要があるのに対してグラファイトを顔料として用いる場合は該比率が比較的少なくても所望の熱拡散率を向上できる。
【０００６】
特許文献３には、ミクロン粒度のグラファイト、ダイヤモンド、石英粉末など充填剤と、金属やグラファイトのナノ粒子をポリマーへブレンドすることで膜の熱伝達を向上することが開示されている。
【０００７】
特許文献４には、電気絶縁性、熱伝導性の酸化アルミニウム充填剤と熱および電気伝導性のグラファイト充填剤をナイロン、ポリアミド、ポリエステルへブレンドすることで熱伝導と電気抵抗を向上することが開示されている。
【０００８】
特許文献５には、硬化性ポリマーと最大粒径２５ミクロン未満のシリカ、ダイヤモンド、グラファイトなど熱伝導性フィラーとのブレンド組成物により、熱伝導材料とそれに対応する合わせ面との間に存在する現場熱抵抗を低減することが開示されている。
【０００９】
特許文献６には、構造材の強度向上のためにガラス繊維を１５重量％以下充填することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１７１０３０号公報
【特許文献２】特開２００８−１５５３９２号公報
【特許文献３】特開２００７−５０４６６３号公報
【特許文献４】特開２０１０−５３５８７６号公報
【特許文献５】特開２００７−５０３５０６号公報
【特許文献６】特開２００５−２３９７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に対し、グラファイト、カーボンナノチューブなどの特殊な炭素材料は樹脂への分散性が低いため、顔料分散樹脂膜の熱拡散率を向上することが困難であることが課題である。さらに、グラファイト及びカーボンアノチューブは異方性材料であり、グラファイトの熱拡散特性は高い方向で１０００［Ｗ／（ｍＫ）］以上であるが、低い方向は数１０［Ｗ／（ｍＫ）］程度であるため、グラファイトを樹脂へ混錬する場合、成膜時にグラファイトを配向させなければ良好な熱拡散特性は得られなかった。
【００１２】
特許文献３に対し、ミクロン粒度の充填材として用いているグラファイトを配向するためには非極性の粒子が必要であり、ナノ粒子として用いているグラファイトを配向するためにはグラファイトよりも小さい非極性粒子が必要である。さらに、異方性材料を用いる場合においても配向することないため、求める特性を充填率でカバーしなければならないため、ポリマー中への隙間無い充填材またはナノ粒子のブレンドにより、得られるポリマーマトリックスは樹脂の柔軟性等物性を著しく変化させてしまう。
【００１３】
特許文献４に対し、該樹脂は主鎖よりも側鎖にパイ電子を多く含む化学構造であること、各充填剤の粒径、形状が特定の範囲であることが必要であり、上述内容が変化すると高分子構造体へ求める熱物性、機械特性、外観、などを満足できない。
【００１４】
特許文献５に対し、熱硬化性ポリマーは主鎖にパイ電子を多く含む高分子であること、充填するフィラーを異方性材料のグラファイトとした場合に該粒径は大きくアスペクト比が大きくなければ配向し難いこと、などにより、特許文献６の熱伝導材料は熱拡散特性を向上するために高分子構造体の樹脂機械特性を低減し、さらに熱拡散特性を向上するためにフィラー充填率を増加すると脆くなることが懸念される。
【００１５】
特許文献６は、粉体の充填率は１５重量％以下に制御している。粉体の優れた熱伝導率を構造材へ反映する場合、粉体の充填率は少なくとも７０重量％必要であり、粉体を７０重量％以上充填すると、構造材が脆くなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の熱伝導体は、熱伝導材である黒鉛などを構造材全体の７０重量％以上充填させた構造材であって、繊維材を構造材全体の５〜１５重量％充填したことを特徴とする。
【００１７】
これにより、黒鉛などの熱伝導性充填物質が多く充填された、熱伝導率が高い構造材であっても、脆くない熱伝導性構造体を提供できる。
【発明の効果】
【００１８】
樹脂へ分散混合する熱伝導率に優れた粉または粒状材料を７０重量％以上含む脆い構造材であっても、繊維材を５〜１５重量％充填することで衝撃強度の強い構造体を提供することができる。
【００１９】
従って、樹脂または添加剤の適切な選択によって、柔軟なシートから剛健かつ金属よりも軽い構造体など、例えばパーソナル・コンピュータ等の電子機器、冷蔵庫等の家電製品、エアコンの室内機や室外機のラジエターなど、熱の放散が必要とされるものの筐体材料を目的とした部品として極めて有用である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者は、粉体または粒状態の顔料などを７０重量％以上含む構造材料の衝撃強度を向上する方法を見出した。
【００２１】
一般に、顔料比率の高い材料は、構造体に顔料の物性が反映され、顔料が柔軟でない材料の場合に得られる構造体は脆くなるので、顔料比率は低く抑え、かつ更なる衝撃強度の向上目的で、ゴム材を繋ぎ材料として添加する。
上述構造体に含まれる上述の粉または粒状の材料を、熱伝導性に優れた黒鉛とし、上述構造体の特徴を高い熱伝導率とした場合、含有する黒鉛の含有率によって構造体の熱伝導率は変化するため、構造体の衝撃強度を向上する目的で、ゴム材を添加する場合においても、黒鉛の含有率は低減すると、得られる構造体の熱伝導率は低減するので、黒鉛の繋ぎ材料である樹脂の含有率を低減しなければならない。
本発明の構造体は、上述の粉または粒状の材料比率を低減しないで繊維材を分散することにより、粉または粒状の材料の特性を低減しないで、強度の強い構造体を提供できる。
粉末と繊維材と繋ぎ材料は、構造体の中にまんべんなく分散存在しても構わないし、繊維の層と粉末の層が繋ぎ材料を介して層状に形成しても構わない。
【００２２】
[粉または粒状材料]
本発明の構造体は熱伝導率に優れた構造体であり、用いる粉または粒状材料は熱伝導率に優れた黒鉛または窒化ホウ素などであって、高い熱拡散率を得るためには、材料のアスペクト比が大きいことが望ましいが、粒径や形状は特に限定されるものではない。
【００２３】
尚、高い熱伝導率を得るために、カーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンドから少なくとも１つ選択される熱拡散性の炭素材料を混合しても構わない。
【００２４】
[繋ぎ材料]
本発明に用いる構造体の繋ぎとなる材料は高分子であって、特に黒鉛を多量に分散することが有利な以下の高分子である。高分子材料の単位化学構造において不飽和結合を持っていれば特に限定されるものではなく、用途別に強度や柔軟性や耐熱性などに着目して選択すればよく、複種類の樹脂を混合しても構わないし、必要によって硬化剤、離型剤、など添加剤を用いても構わない。
【００２５】
[繊維材料]
本発明に用いる繊維材料は、熱伝導性構造体に練りこむことができる材料であれば、ガラス、カーボン、アラミド等高分子、金属、鉱物など熱伝導構造体に用いる材料と親和できれば特に限定されることはなく、親和性など向上する目的で、必要に応じて材料表面に表面処理されていても構わない。
繊維自体の強度が高い材料が熱伝導性構造体の強度を向上する効果が大きく、例えば、ガラスにおいて、Ｅガラスよりも強度が高いＳガラスは熱伝導性構造体の強度を向上する効果がＥガラスよりも大きい。
繊維材料は、取り扱いし易くする目的で、切断されていても構わないが、短か過ぎると期待する効果が十分に得られないため、切断された材料は、粉状であるよりも１ｍｍ長以上であるほうが、熱伝導構造体の強度を向上する効果が大きい。また、材料の直径は細いほど効果が大きく、１００μｍφ以下であることが望ましい。
【００２６】
[熱伝導材料と繋ぎ材料の混合]
各材料の混合は、井元製作所製ＩＭＣ−１８８９型２００ｃｃ小型ミキサを用いた。撹拌部のブレードはイリプスブレードであり、三菱製ギアモータＧＭ−Ｓによりブレードを最大１２０ｒｐｍ程度で回転させて粉または粒状の熱伝導材料と繋ぎ材料を撹拌した。ミキサのみで混合する場合、繋ぎ材料に熱伝導材を少しずつ、所望の添加量まで添加し、繊維材の添加は、ガラス繊維の様に繊維種の中では比較的硬い繊維材は繊維長を破断しないように、低濃度または低回転数または短時間の攪拌で構造体の元となる塗料を作製すればよい。
【００２７】
[繋ぎ材料の溶解]
材料を分散する際に樹脂をより細かい状態とするために撹拌中に加熱することもできるが、該温度が樹脂または添加したい添加剤などの熱分解温度近辺である場合は用いる樹脂または添加剤などを変更しなければならないが、樹脂を溶剤に溶解することで、低温で樹脂または添加剤などの流動性を確保できる。
【００２８】
樹脂の溶解は、ペレットや粉状などなるべく表面積を大きくして溶剤が浸透し易い状態にした樹脂に対してアセトンなどの溶剤を例えば樹脂１に対して溶剤１の比率で混合して溶解することができるし、樹脂が膨潤して水飴状態になる程度に溶剤を添加して熱伝導材料と伴にミキサ混合しても構わない。
【００２９】
超音波洗浄器や攪拌機を用いれば短時間で溶解することができ、加温することで更に短時間で溶解することができる。樹脂の溶解はレゾールタイプのフェノール樹脂など、必要無い場合については溶剤を用いる必要は無い。
【００３０】
[熱伝導性構造体の成膜]
熱伝導材料を練り込んだ樹脂混合物はプレス法にて成膜し該膜を評価したが、成膜工法は特に限定されるものではない。本発明の樹脂混合物は成膜変形時に樹脂が流動して各材料の繋ぎになり易いように、加熱条件下でプレス圧を加えて成膜した。
【００３１】
加熱条件及びプレス圧も特に限定されるものではなく、樹脂または添加剤の熱分解温度以下、または熱硬化性樹脂を用いる場合は熱硬化温度に設定しても構わない。
【００３２】
プレス圧は所望の厚みに成形できる圧力であれば特に限定されるものではなく、成膜物１００平方ミリメートル当たり０．１ＭＰａ以上程度で構わない。
【００３３】
成形厚み及び面積も特に限定されるものではなく、所望の厚み及び面積に形成すればよいが、熱拡散特性を測定するための試料として厚みは０．１〜２μｍ、面積は直径５〜４０ｍｍがカットなどで取り出せる形状とした。
【００３４】
膜の比重は各材料と樹脂の混合比率により変化するが、理論比重を５０％以上満足する高充填な比重であることを確認して以下評価を実施した。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３６】
[実施例及び比較例１〜３]
実施例の熱伝導性構造体は、繋ぎ材料をレゾール樹脂（旭有機材製フェノール樹脂ＨＰ３０００Ａ），熱伝導性材料は和光純薬製特級試薬黒鉛を用い、繊維材はＳガラス（ＡＧＹ社製Ｓ−２Ｇ ３ｍｍ長）を用いた繊維材の比率（構造体全体の５〜１５重量％）及び材料種類を変化した。上述熱伝導性構造体における黒鉛の比率は構造体全体の７０重量％以上になるように調整した。
実施例の熱伝導構造体は黒鉛の比率を増大すると衝撃強度が小さくなる傾向であったが、熱伝導性構造体における黒鉛の比率を構造体全体の７５重量％とした場合は、構造体の衝撃強度は１０ｋＪ／ｍ２であり、該構造体の熱伝導率は３５Ｗ／ｍＫであった。
比較例１の構造体は組成が繋ぎ材料のみである以外は成膜方法など実施例と同様とした。
比較例２の構造体は東レ製の高衝撃強度ＡＢＳ樹脂(トヨラック９３０)のみからなる構造体であって、成膜方法など実施例と同様とした。
比較例３の熱伝導性材料構造体は黒鉛の比率は構造体全体の７０重量％以上であり、繊維を含まない以外は成膜方法など実施例と同様とした。
比較例４の熱伝導性材料構造体は黒鉛の比率は構造体全体の７０重量％以上であり、繋ぎ樹脂を東レ製の高衝撃強度ＡＢＳ樹脂(トヨラック９３０)とし、繊維を含まない以外は成膜方法など実施例と同様とした。
【００３７】
比較例１はレゾール樹脂の衝撃強度２ｋＪ／ｍ２直接反映された構造体であり、熱伝導率は０．３以下であった。
比較例２は高衝撃強度ＡＢＳ樹脂の衝撃強度１３ｋＪ／ｍ２直接反映された構造体であるが、熱伝導率は０．３以下であった。
比較例３の熱伝導構造体は、熱伝導率が高い黒鉛を７５重量％含むため熱伝導率は３５Ｗ／ｍＫと高かったが、衝撃強度は１ｋＪ／ｍ２未満であった。
比較例４の熱伝導構造体は、熱伝導率が高い黒鉛を７５重量％含むため熱伝導率は３５Ｗ／ｍＫと高かったが、衝撃強度の高いＡＢＳを用いているにも関わらず衝撃強度は１ｋＪ／ｍ２未満であった。
【００３８】
[構造体の評価]
[熱伝導率試験]
放熱性試験は、ＮＥＴＺＳＣＨ社製熱拡散率測定装置ＬＦＡ４５７Ｍｉｃｒｏｆｌａｓｈにて試料を測定確認した。放熱性試験は上述加熱プレスにて作製した膜を試料形状１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍｔと直径２５ｍｍ×約０．４ｍｍｔにカットしてそれぞれ厚み方向と面内方向の熱特性を測定した。
［強度測定］
強度試験は、株式会社安田精機製作所製Ｄ型衝撃試験機Ｎｏ．２５８‐Ｄにて試料のシャルピー衝撃強度を測定確認した。
実施例及び比較例の構造体の評価結果
表１より、本発明の熱伝導性構造体は熱伝導性特性を低減しないで、上述構造体の強度を向上した熱伝導性構造体を提供する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
良好な放熱性具備し、この部材を用いた電子機器用又は家電製品用の筐体、シートならびに、この筐体、シートを用いた電子機器又は家電製品に用いる部材に関する。