87●PPS高熱伝導グレードの開発
四日市研究所 SP分野 機能性ポリマーグループ

植田 雅治

であり、これらの寄与が重なって物質全体の熱伝導度１．はじめにが決まる。従って、電気伝導度が高く、且つ単結晶にポリフェニレンスルフィド（PPS）樹脂は融点がより近いほど、熱伝導度の高い物質になる。

280℃の高結晶性ポリマーであり、高温環境での長期一方、高分子は、自由電子を持たない絶縁体であり、使用に耐える（UL温度インデックスは200〜240℃）、弱いファンデルワールス力で凝集した構造は、フォノ

卓越した耐熱性と剛性を有する熱可塑性エンジニアリ

ン伝導を散乱する2）。そのため、一般的な高分子の熱ングプラスチックである。

伝導率は、0.1〜0.3W／m・Kと、金属やセラミックにPPS樹脂の工業生産は、1973年にアメリカのPhillips比べて非常に低く3）、内部に気泡を形成した発泡ポリPetroleum 社により開始された。国内においては1986

ウレタン（ウレタンフォーム）や発泡ポリスチレンな

年に、当社がはじめてPPSレジンの生産を開始した。

どが、建材や保冷材などの断熱用途に利用されている。

その後、各社も相次いで生産を行うようになり、製造技術の進歩から、PPS自体の改良が進んだ。その結果、現在は架橋型、半架橋型、直鎖型の3種類のPPSレジ３．複合材料の熱伝導性ンが、それぞれの特徴を活かして幅広い用途で使用されている。

高分子自身の高熱伝導化は上述の理由により困難であり、熱伝導性の高い無機フィラーとの複合化が、高PPS樹脂は耐熱性、フッ素樹脂に匹敵する耐薬品性、分子材料の高熱伝導化には必要である。

難燃剤を必要としない自己難燃性、さらに使用環境にフィラーを配合した複合材料の熱伝導率は、フィラおいて安定な寸法特性や機械特性など、金属代替材料ーの熱伝導率や体積分率に大きく影響される。複合材として必要な多くの優れた特性を有している。特に、熱可塑性ポリマーであるPPS樹脂は、射出成形という1000非常に生産性に優れる加工技術を利用できるため、金銅
窒化アルミニウム
アルミニウム

属材料、セラミック材料及び熱硬化性樹脂の代替材料として需要を着実に伸ばしている1）。
100

近年、より高機能・高性能化したノートパソコンなどのように、エレクトロニクス機器は、小型化・高集いる。
本稿では、高分子材料の高熱伝導化技術の現状、及び当社PPS樹脂

サスティールの熱伝導性を向上さ

チタン
熱伝導率［W／m・K］

分子材料を高熱伝導化するニーズはますます高まって鉄
アルミナ

積化が大きく進み、電子機器の発熱対策が必要となってきている。そのため、軽量で成形加工性に優れる高銀

SUS304
10

酸化チタン

ジルコニア
1

せた開発材料について紹介する。

高密度ポリエチレン
PPS

２．高分子材料の熱伝導率0.1

熱伝導とは、巨視的な物質の移動を伴わずに、熱が高温側から低温側へ移る現象であり、固体および対流のない流体内では熱伝導によって熱は伝わる。熱の伝発泡ポリウレタン
0.01

播を担う主なキャリアーは、①自由電子（電子伝導）、②フォノン（格子振動）、③フォトン（電磁波放射）（ 87 ）

図１

各種材料の熱伝導率

88

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.51（2007）

料の熱伝導率に関しては、多くの研究者により理論モ料の内部に熱の通り道となる熱伝導路を、形成するこデルが提案されている。最も古典的なモデルは、1873とが有効である。理論的には、熱伝導性フィラーをパ

4）

年にMaxwellによって提示された 。Maxwellの式は、ーコレーション濃度以上に配合することによって、熱高分子とフィラーの熱伝導率、およびフィラーの体積伝導路を形成できる。しかし、フィラーの種類や粒子分率から複合材料の熱伝導率を導く。その後、フィラ形状、更に混練方法などに起因して、パーコレーショ

5）6）

ン濃度は5容量％から30容量％まで、様々な値を示す

らが、Maxwellの理論を拡張した。更に、フィラーのことが知られている。そのため、同様の複合材料であーの形状や相互作用を考慮して、Frick やHamilton相互作用を考慮したBruggemanの式

7）や、フィラーのアスペクト比と最大充填効率を考慮したNielsenのっても、分散状態の相違によって、熱伝導率が大きく変化することが報告されている14）。

式8）が提案された。最近では、フィラーの界面効果やAgari

粒子サイズが数μm以下の熱伝導性フィラーは、二や次凝集により熱伝導路を形成して、複合材料の熱伝導によって行われ、フィラーを高充填配合した率を高める15）。但し二次凝集するフィラーの配合は、フィラーの配向状態まで考慮した研究がChoy10）9）領域へのモデルの適合が試みられている。

複合材料の溶融粘度を高める傾向があるため、高充填化が困難になるという問題がある。
熱伝導路を形成する独創的な方法として、熱伝導性

４．複合材料の高熱伝導化技術

フィラーと少量の低融点金属との配合が提案されている16）。この方法では、射出成形時にシリンダー内で溶〔1〕熱伝導性フィラーの選択
高熱伝導性フィラーとの複合化により、高分子材料融した低融点合金が、金型内で樹脂と共に冷却固化しの熱伝導性を高めるためには、配合するフィラーの選て、フィラー間をつなぐ熱伝導ネットワークを形成し択が重要である。高熱伝導フィラーを選択する場合、て、複合材料の熱伝導性を高める。従って、安定した複合材料の電気伝導性が、フィラーの選択基準のひと熱伝導ネットワークを形成するためには、射出成形時つとなる。導電性のフィラーとしては金属粉末、グラに緻密な条件制御が求められると推察される。

ファイト、カーボンブラックなどが用いられ、絶縁熱伝導性フィラーの粒子形状（球状, 板状, 繊維状な性のフィラーとしては窒化アルミニウム、窒化ホウど）は、フィラー同士の接触確率に影響し、接触確率素、アルミナなど焼結セラミックが用いられているが高まれば熱伝導路が形成され、複合材料の熱伝導率（表１）。フィラーを選択する際には、熱伝導率以外に、も増大する。繊維状フィラーのL／D（繊維長と直径の使用環境における安定性や安全性などにも考慮する必割合）に従って、複合材料の熱伝導率が増大すると報要がある。

告されている17）。しかし、繊維状フィラーのL／Dの増加は、フィラーに配向性を与え、複合材料の特性に異〔2〕熱伝導路の形成方性が表れる。そのため、異方性を嫌う用途では材料複合材料の熱伝導率を効率的に高めるには、複合材

表１設計に注意を要する。

熱伝導性フィラーの熱伝導率及び体積抵抗率

物質名

化学式

黒鉛
銀
銅
金
ケイ素
炭化ケイ素
ベリリア
窒化アルミニウム
窒化ホウ素
窒化ケイ素
マグネシア
アルミナ

CAg
CuAu
Si
SiC
BeO
AlN
BN
Si3N4MgO
Al2O3

熱伝導率
（W／m・K）
〜2400
430
400
320
160
270
250
70〜27011030〜804020（ 88 ）

体積抵抗率（Ω・cm）
1.3×10−3
1.6×10−6
1.6×10−6
2.3×10−6
4.0×10−6＞1013
4.0×1014＞1014＞1014＞1014
2.0×1014＞101411），12），13）

備考

毒性
水と容易に反応
熱伝導率（a−axis）
水と容易に反応東ソー研究・技術報告 第51巻（2007）

表２項

目

PPS樹脂

サスティール

試験方法高熱伝導グレード
良成形性
0701−039
1.80
13440700.35／1.43
4.117単位89

低異方性
0701−031
1.868026221.04／1.53
1.515−比重ISO 1183
MPa
曲げ強度
ISO 178
曲 げ 弾 性 率GPa
バ ー フ ロ ー 流 動 長1） 東ソー法
mm×10−5／K
MD／TD 2）
ISO 11359−2
線膨張率−TD／MD比3）
JIS R1611
w／m・K
熱伝導率
注１）金型形状；1mm厚×10mm幅バーフロー金型
成形条件；シリンダー温度330℃，金型温度130℃，射出圧力177MPa
注２）TMA法；昇温速度5℃／min，測定範囲；30℃〜80℃
成形体；70mm角×2mm厚，MD；流動方向，TD；直交方向
注３）レーザフラッシュ法

高熱伝導性0701−035
1.8510332300.43／1.222.823以上の特徴より、熱伝導性を必要とする電気・電子

５．高熱伝導グレード

部品, OA・精密部品, 自動車関連部品などの様々な分に、カーボン系フィラー

野で、金属材料やセラミック材料の代替可能な射出成をメインに配合した、導電性タイプの高熱伝導グレー形材料として適用用途を拡大していくと期待していドについて紹介する。開発グレードは、熱伝導性を高る。

PPS樹脂

サスティール

める熱伝導路の形成を目的に、複数の熱伝導性フィラーを最適な比率で配合した。熱伝導性フィラーは、いずれも使用環境における安定性・安全性を考慮して選６．おわりに択した。また、射出成形性を考慮して、熱伝導グレー

熱伝導性プラスチックス材料の用途展開は、現在、ドに適した粘度特性を有するPPS樹脂を調整して用い金属材料やセラミック材料と比較すると、非常に限定ている。

された用途に留まっている。しかし、金属加工やセラ開発した高熱伝導グレードは、熱伝導性, 成形加工

ミック加工に比較して、プラスチックス材料における性, 寸法特性などの物性バランスから、３グレードを射出成形の生産性は圧倒的であり、熱伝導性プラスチ用意した（表２）。一般的なPPSコンパウンド（ガラックス材料の潜在需要は大きいと思われる。

ス繊維40wt％強化）の熱伝導率は約0.3w／m・K程度

当社においては、本稿で紹介した導電性高熱伝導グであるが、開発した各グレードの熱伝導率は20W／

レード以外に、絶縁タイプのグレードも用意していm・K以上で、グレードによっては熱伝導率を約100る1）。現在、更なる特性の向上を目指して、絶縁性高倍に高めることに成功した。また、各グレードの比重熱伝導材料の開発を行っており、5w／m・Kを超えるは1.80〜1.85であり、一般的なPPSフィラーグレード熱伝導率を達成している。

よりも低比重で、軽量化の効果が期待される。

今後、PPS高熱伝導グレードの品質・加工性をさら開発グレード0701−039は、標準的なPPSフィラーグに高め、潜在的な市場の顕在化を図る。

レードに匹敵する流動特性有し、PPS高熱伝導グレードとしては成形加工に優れるグレードである。
開発グレード0701−031は、寸法特性を改善したグレードで、特に異方性のないセラミック材料からの置き

参考文献
１）山縣邦彦、石川朋宏、プラスチックス、53（1）、換えに適する。線膨張率の異方性を、TD／MD比＝1.575（2002）（MD；流動方向, TD；直交方向）に抑え、射出成形

２）和田八三久、高分子の固体物性、培風館（1971）

体としてはほぼ極限に近い低異方性を達成したグレー

３）上村泰幸、紙屋畑恒雄、プラスチックス、54（3）、49（2003）

ドである。
開発グレード0701−035は、最も熱伝導性を高めたグ

４）J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity andMagnetism, Oxford Uni. Press, 365（1873）

レードで、高い熱伝導率（23W／m・K）と、低い比重（1.85）を両立したグレードである。

５）H. Fricke, Phys. Rev., 24, 575（1924）（ 89 ）

90

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.51（2007）６）R. L. Hamilton, O. K. Crosser, Ind. Eng. Chem.
Fundamentals, 1, 187（1962）
７）D. A. G. Bruggeman, Ann. Phys., 24, 636（1935）
８）L. E. Nielsen, Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 13,
17（1974）９）C. L. Choy, K. W. Kwok, W. P. Leung, F. P. Lau,
J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 32, 1389（1994）
10）Y. Agari, A. Ueda, S Nagai, J. Appl. Polym. Sci., 52,1223（1994）
11） 川 野 正 人 、 プ ラ ス チ ッ ク ス エ ー ジ 、 53、 91（2007）
12）日本化学会編、化学便覧、丸善（1984）13）鈴木敏正他編、先端材料ハンドブック、朝倉書店、
836（1988）
14）Agari, Y., Ueda, A. and Nagai, S., J. Appl. Polym.
Sci., 42, 1665（1991）
15）金成克彦、小沢丈夫、熱物性、3、106（1989）16）上利泰幸、紙屋畑恒雄、日経エレクトロニクス、
12月16日号、p127（2002）17）Agari, Y., Ueda, A. and Nagai, S., J. Appl. Polym.
Sci., 49, 1625（1993）（ 90 ）