−新製品紹介−●高熱伝導性粉体塗料アロンパウダーⓇ EL-3000 シリーズ
Thermal Conductive Insulating Powder Paint ARONPOWDER® EL-3000 Series───────────────────────────────────────────────────────────――

丹羽 真
Makoto Niwa
Key Word : Powder Paint, Coatings, Insulation, Thermal Conductive, Thermal Management

１ 緒言
２ 設計コンセプト
近年、EV（電気自動車）・HV（ハイブリッド車）など自動車の電動化が進み、その高品質化への取組みが旺盛である。こ２．１ 熱伝導性フィラーの種類

れら次世代自動車に搭載されるモーター・バッテリー・イン

熱硬化性粉体塗料は、有機成分と無機成分からなるハイブ

バーターなどの電装部品は高出力化が求められ、それに伴うリッド材料である。今回の開発においては、有機成分として熱マネージメントがしばしば問題となる。特にエンジンなど

電気特性に優れるエポキシ樹脂を用い、無機成分であるフィ駆動系周辺の高温環境においては、電装部品の作動熱を効率ラー（充填剤）として表２に示す高熱伝導性材料の中から絶良く伝導・放出して、部品温度の上昇を抑えることが必要に縁性の高いものを選定した。

なってくる。
そういった中で、東亞合成グループでは、熱伝導性を有する新規材料の開発に取組んでいる 1)。当社のエポキシ系粉体
塗料アロンパウダーEL シリーズ（表 1）は、その優れた電気特性から家電製品や自動車部品などの絶縁処理に使用されているが、塗膜の熱伝導率は 0.4〜0.5 W/m･K であり、熱伝導性に優れた材料とは言い難い。
表１
塗装方式

アロンパウダーEL シリーズ

EL-1000/1000S

EL-2000

流動浸漬法/スプレー

流動浸漬法

導体

絶縁処理
方法

導体材料

高熱伝導性フィラー

化学式

単層グラフェン
C
銅Cu
アルミニウムAl
炭化ケイ素
SiC
窒化アルミニウム AlN
窒化ホウ素
BN
マグネシア
MgO
アルミナ
Al2O 3結晶性シリカSiO2
水酸化マグネシウム Mg(OH) 2
炭酸カルシウム
CaCO3

熱伝導率
電気特性W/m・K
3000
導体375228
270 半導体
200 絶縁体6040301080.5〜1

粉体塗装
粉体塗装
＆含浸
エッジ
カバー

２．２ フィラー充填率
一般に複合材料中のフィラー充填率と熱伝導率には、以下導体同士を相互に絶縁外部に対して絶縁

特徴
熱伝導率
W/m・K

表２の Bruggeman の式が成り立つ 2)。
φ＝(λc-λf)/(λm-λf)×(λm/λc)1/3

高エッジカバー性

基材含浸性

0.520.43

ここで、φはフィラーの体積充填率、λf はフィラーの熱伝導率、λm は樹脂の熱伝導率、λc は塗料組成物の熱伝導率を

今回我々は、高熱伝導性フィラーを選定して塗料設計を最示す。エポキシ樹脂（λm＝0.2 W/m･K）をマトリックスとし適化することで、従来品の約３倍の熱伝導性を有するアロンた場合の熱伝導性フィラーの体積充填率と熱伝導率の関係をパウダーEL-3000 シリーズを完成した。本稿では、このアロンパウダーEL-3000 シリーズの設計コンセプトと特徴、用途展開について記す。
東亞合成株式会社

図１に示す。一般的な粉体塗料のフィラー充填率は 20〜30vol％程度であり、塗膜の熱伝導率を上げるにはこれを高めることが重要である。

Ｒ＆Ｄ総合センター

製品研究所

New Products Research Laboratory, General Center of R&D, TOAGOSEI CO., LTD.
東亞合成グループ研究年報 5-1 TREND 2019 第 22 号

３ 高熱伝導性粉体塗料の特徴
３．１ 厚膜用アロンパウダーEL-3000
アロンパウダーEL-3000 の塗料特性を表３に示す。本製品
は、膜厚＞200μm の厚膜仕様をターゲットとして設計されており、流動浸漬法（粉体塗料特有の乾式ディップ方式）により塗装して 200℃×10 分程度焼付けることで、耐熱性・絶縁性に優れる堅牢な塗膜が得られる。その熱伝導率 1.5 W/m･Kは、従来のエポキシ系粉体塗料の約３倍であり、業界最高水準の熱伝導性を有している。

図１

表３

フィラー充填率と熱伝導性の関係（樹脂熱伝導率λm＝0.2 W/m･K の場合）
フィラーとして単一粒径の真球粒子を考えた場合、六方最密構造が最高の充填率（≒74 vol％）である。しかし、粒径の異なる粒子同士を組み合わせることで 74 vol％を超える充填率を達成できる。この場合、フィラーの半径比 a によって、次のような充填構造をとる。
a＜0.66…特殊な相互配置で充填率＞74 vol％可能
a＜0.41…大粒子の充填構造を保持して小粒子が配置
後者を多成分系に拡張した充填モデルを図２に示す 3)。

EL-3000 塗料特性

EL-3000性能
平均粒径D50,μm70
塗装方式
流動浸漬法
塗装膜厚μm200〜500
平滑性
目視良好
光沢
60度反射
20％
熱伝導率W/ｍ・K
1.5
耐熱クラス
絶縁区分
F種相当（155℃）
表面硬度
鉛筆硬度8Hデュポン式, g/cm
1000/50
耐衝撃性
体積固有抵抗 Ωcm
2.3×1015
絶縁破壊電圧 kV/mm
67
ゲルタイム
200℃, sec50
水平フロー
160℃×10min2.5％
塗装条件：鋼板上、160℃予熱、200℃×10min焼付
100℃の物体を３分間接触させた塗装面のサーモグラフ画像を図３に示す。EL-3000 は、従来のエポキシ系粉体塗料に比べ、より広く熱が伝播している様子がわかる。

１次球
２次球
３次球
４次球
５次球
∞次球

半径比 個数比 累積vol％
配置
1.000
174.1
① 六方最密充填
0.414
179.3
② ①８面体配置の隙間
0.255
281.0
③ ①４面体配置の隙間
0.177
884.2
④ ①と②の間
0.116
885.1⑤ ①と③の間
極小
極大96.1： 無限回繰り返し

図２

Horsfield による多成分系充填モデル

常温固体の粉体塗料においては、マトリックス樹脂が溶融

図３EL-3000 塗膜表面への熱伝導性状態においてかなり高粘度であるため、前述のような高充填率は望めない。しかし、これらの考え方を元に複数の粒径の外面に粉体塗装を施した金属容器に入れた熱湯の温度の経フィラーを最適化した結果、塗料として必要なフロー性を確時変化を図４に示す。投入後 3 分経過時点で、従来のエポキ保しつつフィラーの充填率を高めることに成功し、高熱伝導シ系粉体塗料においては内温が約 30℃低下するのに比べて、性粉体塗料 EL-3000 を完成した。

EL-3000 では約 40℃低下し、より速く放熱している。
東亞合成グループ研究年報 5-2 TREND 2019 第 22 号

表４EL-3000S 塗料特性

EL-3000S性能
平均粒径D50,μm
30
塗装方式
トリボ帯電ガン
塗装膜厚μm50〜150
基材付き回り性 目視良好
平滑性
目視良好
光沢60度反射50%
熱伝導率W/ｍ・K
1.2
耐熱クラス絶縁区分F種相当（155℃）
表面硬度
鉛筆硬度
8H
デュポン式, g/cm
耐衝撃性
500/20
体積固有抵抗Ωcm
1.6×1015
絶縁破壊電圧
kV/mm
52
ゲルタイム
200℃, sec
20
水平フロー
160℃×10min7.5％
塗装条件：鋼板上、200℃×10min焼付

図４４ 用途展開

EL-3000 塗装物の放熱性

４．１ 車載モーター
３．２ 薄膜用アロンパウダーEL-3000S

代表的な車載電装部品であるモーター部品の例を図６に示

車載電装部品の使用電圧は、最大でも数百 V であり、エポす。本質的に燃料が不要な EV において、燃料噴射アクチュエ

キシ系材料であれば膜厚 100 µm 程度の薄膜で絶縁することーターなどが一部省略されるものの、ライト光軸やブレーキ、が可能であるが、同時に塗装仕上りについてはシビアな品質操舵系などセンサーと連動して自動調整するモジュールが増が求められる。わずかな塗膜内のボイド（空隙）の発生によ加するため、市場全体として見ると車載モーターの生産台数

り電流がリークする危険性が増し、高い安全性を要求されるは将来伸びる傾向にある。

車載用途に十分な絶縁信頼性は得られない。
今回我々は、塗膜内のフィラーの分散状態に着目して検討を続け、フィラーの再選定などの最適化を行なった。その結果、図５に示すように塗膜内に発生するボイドを大きく抑制することに成功した。

※https://ja.pngtree.com/freepng/structural-drawing-of-automobile-parts̲3444978.html の図を元に著者が手を加え作成。

図６

車載モーター部品

これらのモーター部品は、いずれもサイズあたりの出力を上げるための改良が絶え間なく続けられている。また、駆動
図５

塗膜内のボイドの抑制

系周りの高温環境で使用される場合も多いため、高熱伝導性を満たす絶縁方法が要求されている。

さらに、静電スプレー塗装に適する粒子設計、微細な基材形状に追従する高いフロー性、連続生産時の短いタクトタイ

４．２ 高熱伝導性粉体塗料の適用

ムに対応する速硬化性などを盛り込み、表４に示すようなア高熱伝導性粉体塗料を車載モーターへ適用した場合に期待ロンパウダーEL-3000S を完成した。熱伝導性は 1.2 W/m･K とされるメリットについて図７に示す。これらは、いずれも絶EL-3000 に比べてやや低下したものの、薄膜で絶縁信頼性の縁性・防食性・硬度などエポキシ系粉体塗料の基本特性に対高い塗膜が得られるのが特徴である。

して放熱性を付加するものである。
東亞合成グループ研究年報 5-3 TREND 2019 第 22 号

図７

図８

車載モーター周りで想定される用途

EL-3000S を使用したモーターの高出力化

成形樹脂・絶縁紙など他材料による絶縁方式と比較した場

さらにフィラー分散性・粒子設計などの最適化を加えた薄合の優位性について表５に示す。粉体塗料による絶縁処理は膜仕様向けアロンパウダーEL-3000S により、次世代車載モー薄膜を基材に密着させることができるため、他の絶縁方式にターにおける熱マネージメント問題を解決した。

比較して構造的に放熱性能は高くなる。また、多様な基材へ

今後、より広い用途の絶縁処理に対して本技術を応用したの適応性・生産速度などの点で利点が多く、加工性に優れた提案を行ない、さらなる電装部品の高出力化・低消費電力化工法だと言える。などに貢献できるよう開発を進める所存である。
表５

他材料による絶縁方式との比較
粉体塗料

材料 材料・電気強度
特性 放熱性能
膜厚加 大型基材
立体基材
工
多形状への対応性 生産速度
加工信頼性

○良好
○良好
○薄膜〜厚膜可○○○単一設備で対応○△塗装品質に依存

成形樹脂○良好
×低熱伝導性＋厚膜×厚膜のみ△芯材保持が困難○
×金型が多数必要○△大型基材は精度難絶縁紙△加水分解性△密着性に限界○○×折り加工に限界△個別に切出し△折り加工負担大○

次世代車載モーターの開発にアロンパウダーEL-3000S を適引用文献用した例を図８に示す。成形樹脂を用いる従来工法ではモーターの設計出力と運転時の温度上昇のバランスが取れないが、EL-3000S を使うことにより連続運転時のオーバーヒート

1)(2013).

を回避することに成功した。また、他社の粉体塗料を使用した場合に比べてモーター運転時の温度上昇を抑えられるた

2)

D.A.G.Bruggeman, Annalen der Physik, 24, 636(1935).

め、上限温度までの最大出力運転を行なった際に最も高い出3)力を得られることが確認された。

伊達憲昭, 山田成志, 東亞合成研究年報, 16, 51

粉体工学会編,(1992) P.145.

５ 結言
今回、絶縁材料として実績のある既存銘柄をベースとして熱伝導性フィラーを高充填することで業界最高水準の熱伝導性を有する粉体塗料アロンパウダーEL-3000 を開発した。
東亞合成グループ研究年報 5-4 TREND 2019 第 22 号

粉体工学の基礎, 日刊工業新聞社,