JP6364614B2

JP6364614B2 - 高熱放射性樹脂組成物

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Publication number: JP6364614B2
Application number: JP2014097292A
Authority: JP
Inventors: 穂菜美名和; 日野　裕久; 裕久日野; 新岸; 直倫大橋; 康寛鈴木; 秀規宮川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: CN105086119B; CN105086119A; US20150327393A1; US10407604B2; JP2015214631A

Description

本発明は、放熱用樹脂組成物に関する。特に、発熱体の熱を熱放射により外部へ放熱する効果がある高熱放射性樹脂組成物に関するものである。

近年のスマートホンやタブレット端末に代表される携帯型電子モバイル機器は、ＣＰＵの高速化に伴い発熱し易くなっている。発熱する電子機器の冷却には、通常、ファンを廻して風を送り、ヒートシンクから熱を対流によって放出することで、冷却する方法が取られている。

その場合は、発熱デバイスとヒートシンクを繋ぐ部分には熱伝導性の良いシリコーングリースなどが用いられている。しかしながら、小型軽量で薄型のスマートホンやタブレット端末では、その薄型軽量という構造と機能のため、ファンやヒートシンクを設置することは難しいため、放熱が大きな問題として、近年、クローズアップされてきている。

１つの方法として、発熱体の表面に、放熱性樹脂を塗布し、熱を放熱する方法がある。
放熱性樹脂に、熱伝導率の高いアルミナを高充填する場合が多い。アルミナを高充填させ、熱を均一に拡散することにより放熱性を上げていた。

特開２０１２−１４４６８７号公報

アルミナの場合の波長と放射率の関係を図７に示す。図７に示すように０．９以上の高い放射率をもつ波長域が６〜１１μｍに限定されており、フィラーを高充填させても熱放射の効率が不十分であった。熱放射で効果的に放熱させるためには、遠赤外線波長域の幅広いバンドの全域で放射率が高いことが好ましい。

ここで、１１μｍ以降に高い放射率のフィラーを混入させると、逆に、６〜１１μｍの波長領域の放射率が悪くなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、幅広いバンドの波長域で高い放射率を有する高熱放射性放熱樹脂を提供することを目的にする。

上記目的を達成するために、エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムと、
粒径１５μｍ以下でアスペクト比３〜１０であるコージェライトと、を含み、コージェライトが６７〜９０質量％である高熱放射性樹脂組成物を用いる。

本願発明の高熱放射性樹脂組成物は、波長域５〜２０μｍにおける放射率が、９０％以上である。

以上のように、本発明によれば、遠赤外線波長域５〜２０μｍの広範囲な波長域において、きわめて高い放射率を有し、かつ取り扱い性に優れた放熱性樹脂を得ることができる。

また、本願発明の樹脂組成から成る放熱性樹脂を発熱体に塗布することで、発熱体から発生した熱を効率良く遠赤外線に変換し、空気中に放射することで、発熱体の熱エネルギーを減らし、発熱デバイスの温度上昇を抑制することが可能となる。

この手法により、ファンやヒートシンクを設置することなく、優れた昇温抑制効果が得られた。

本発明の実施の形態における高熱放射性放熱樹脂の断面図実施例１〜４、比較例２〜５の形態におけるコーティング構造体例の断面図比較例１の形態におけるコーティング構造体例の断面図本発明の実施例１の適用例を示す図実施例１の形態における放射率測定結果を示す図実施例１、２、比較例２、３の形態におけるコージェライトフィラーの粒径と放射率の関係性を示す図特許文献１で使用されたアルミナフィラーの放射率測定結果を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る高熱放射性放熱樹脂について説明する。図１に、高放射性放熱樹脂１の断面図を示す。樹脂２とフィラー３とが含まれる。

基本構成として、波長域５〜２０μｍの範囲で放射率８０％以上を有する液状ＥＰＴの樹脂２に、粒径１５μｍ以下でアスペクト比３〜１０であるコージェライトをフィラー３として充填させることにより、波長域５〜２０μｍにおいて放射率０．９０以上を有する放熱樹脂となることを特徴とする。

＜樹脂２＞
本発明の実施形態において使用され得る樹脂２は、液状ＥＰＴである。液状ＥＰＴとはエチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムのことである。低温で熱硬化可能な樹脂である。液状ＥＰＴは、放射率波長域５〜２０μｍの範囲で、放射率が０．８０以上を有することが好ましい。この理由は以下である。

波長域５〜２０μｍの範囲は、熱放射として有効な波長域である。一方、樹脂２とフィラー３の混練物では樹脂の放射率の影響を受けやすい。波長域５〜２０μｍの範囲で、樹脂単体の放射率が０．８０より小さい場合、フィラーを充填させた混練物の放射率が９０％を超えず、熱放射の効率が不十分となる。
液状ＥＰＴは、下記の化学式１で表される。

（式中、Ｒ１は炭素数１〜５のアルキル基、Ｒ２は炭素数２〜５のアリルグループ、ｎ、ｍ、ｌは自然数を表す）
その液状ＥＰＴの分子量は、７５０〜２０００が好ましい。その中でも式中のｎは３〜１０、ｍは３〜１０、ｌは５〜８が好ましい。分子量が、７５０より小さい場合、樹脂２は、低粘度になり高熱放射性放熱樹脂を基材に塗布した場合にタレ現象が生じる。結果、操作性が悪くなる。

また、分子量が２０００より大きい場合、樹脂２は高粘度になり、フィラーを高充填させることができず、放熱効果が小さくなる。

＜架橋助剤＞
密着性を向上させるためには、架橋助剤であるＴＡＩＣ（タイク^TMトリアリルイソシアヌレート及びタイク^TM誘導体日本化成製）を添加することが好ましい。架橋助剤は架橋反応を効率的に進行させるための助剤であり、本発明においては通常の使用と同様に架橋反応を効率的に進行させるとともに、高放射性放熱樹脂１を基板に塗布する際の密着性を向上させることができる。

その配合量は液状ＥＰＴ主剤に対して０．５〜０．８質量％添加することが好ましい。その理由は以下である。

０．５質量％より小さい場合、高熱放射性放熱樹脂の密着性を向上することができない。０．８質量％より大きい場合、密着性は向上できるが、高熱放射性放熱樹脂表面のタック性が上がり、取り扱い性が悪くなる。

＜可塑剤＞
フィラー３の充填量を向上させるには、可塑剤であるルーカントＨＣ４０、ＨＣ１００、ＨＣ１５０（三井化学製）等炭化水素系オイルを添加することが好ましい。可塑剤を添加することで、フィラー３と樹脂との濡れ性が良くなり、フィラー３と樹脂２の混練物の粘度を下げることができる。その配合量は液状ＥＰＴ主剤に対して１０〜２０質量％添加することが好ましい。その理由は以下である。

１０質量％より小さい場合、樹脂２とフィラー３を混練する際に樹脂ペーストが高粘度となりフィラー３を十分に充填させることができない。２０質量％より大きい場合、樹脂２とフィラー３を混練する際に樹脂ペーストが低粘度となりフィラー３を十分に充填させることはできるが、樹脂ペーストのチクソ性が下がるため高放射性放熱樹脂１の密着性が悪くなる。

＜チクソ剤＞
また、熱硬化時に充填させたフィラー３の沈降を抑制させるには、チクソ剤の添加が有効である。例えば、疎水性コロイダルシリカであるアエロジルＲＹ−２００（日本アエロジル社製）などが好ましい。チクソ剤を添加することで、樹脂２とフィラー３のチクソ性を上げることができ、フィラー３が沈降しにくい。

そのため、樹脂２の層表面にフィラー３を分布させることができ、高放射性放熱樹脂１全体の放射率を向上することができる。その配合量は液状ＥＰＴ主剤に対して０．５〜０．８質量％添加することが好ましい。その理由は以下である。

０．５質量％より小さい場合、樹脂ペーストのチクソ性向上が小さく、硬化中にフィラーが沈降してしまい、熱放射としての効率が不十分になる構造になる。０．８質量％より大きい場合、樹脂ペーストのチクソ性が大きくなり、混練時に取り扱い性が悪くなる。

＜樹脂２とフィラー３の量＞
放熱樹脂の樹脂２の量は、全体に対しての１０〜６５体積％の範囲とすることが好ましい。
その理由は以下である。この時、フィラー３の量は、９０〜３５体積％となる。

「樹脂２の量＋フィラー３の充填量＝１００体積％」とした際に、樹脂２の量が１０体積％より小さくなると、フィラー３の含有量９０％以上となり、樹脂ペーストを発熱デバイスに塗布する際に薄く塗布することが困難となる。つまり、取り扱い性が悪くなる。

逆に樹脂量が、６５体積％より大きい場合、フィラー３の含有量が３５体積％以下となり、樹脂層表面にフィラーを分布する構造が成り立たず、熱放射の効率が不十分となる。よって、フィラー３の濃度は、少なくとも３５〜９０体積％がよい。

＜フィラー３＞
次に、本実施形態において用いられ得るフィラー３としては、遠赤外線放射率の高いコージェライトを主成分として用いることが好ましい。コージェライトは２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２で構成される鉱物であり、波長域１１〜１８μｍの範囲で高い放射率を有することが知られている。

フィラー３については、その中でも粒径１５μｍ以下でかつ、アスペクト比が３〜１０であるものを用いることが好ましい。

粒径が１５μｍを超える場合、樹脂ペーストを発熱デバイスに塗布した場合に、フィラー３が突出する場合があり、また粒子間に隙間ができてしまい、高充填化できない。

またアスペクト比が３より小さい場合、粒子の形状が球状に近いため、放熱樹脂の熱硬化時にフィラー３が沈降してしまい、樹脂層表面での熱放射の効率が低下してしまう。

したがって、硬化物表面の放射率が低下してしまい、効率良く放熱することができない。アスペクト比が１０より大きい場合、フィラーの表面積が大きくなることから樹脂との濡れ性が悪くなり、混練時の作業性が低下してしまう。

尚、上述のようにフィラー３としては、遠赤外線の放射特性に優れているものを用いることが好ましく、より具体的には７５〜１５０℃程度の温度範囲で、遠赤外線を黒体レベル程度（即ち、波長域５〜２０μｍの範囲で放射率９０％以上を有する）発生放射するものであれば、コージェライトと併用し用いることで遠赤外線の放射特性の優れた放熱樹脂を構成することができる。

放熱樹脂中に充填されるフィラー３の充填量は、３５〜９０体積％の範囲とすることが好ましい。

上記フィラー３には、樹脂２との密着性や濡れ性をよくするために、カップリング処理などの表面処理を行ったり、分散剤などを添加して樹脂組成物中への分散性を向上させたりしてもよい。

以下に本発明について、実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
表１に、以下の実施例および比較例で使用した放熱樹脂のペースト組成を示す。

※１液状ＥＰＴ三井化学製ＰＸ−０６８
※２（液状ＥＰＴ）架橋剤信越化学製Ｘ９３−９１６、
架橋助剤日本化成製ＴＡＩＣ
※３（液状ＥＰＴ）反応抑制剤信越化学製Ｘ９３−１０３６
※４（液状ＥＰＴ）カップリング剤信越化学製ＫＢＭ−１００３
※５（液状ＥＰＴ）触媒三井化学製Ｐｔ−ＣＴＳＣＴＳ
※６（液状ＥＰＴ）可塑剤三井化学製ルーカントＨＣ４０
※７（液状ＥＰＴ）表面処理剤花王ケミカル製レオドールＳＰ−Ｏ３０Ｖ
※８エポキシ樹脂主剤新日本理化製リカレジンＨＢＥ−１００、
リカレジンＤＭＥ−１００
※９（エポキシ樹脂）硬化剤大日本インキ化学工業製Ｂ６５０
※１０（エポキシ樹脂）触媒サンアプロ製Ｕ−ＣＡＴＳＡ５００３
※１１チクソ剤日本アエロジル製アエロジルＲＹ２００
※１２コージェライト：丸ス釉薬製ＳＳ−２００（粒径７．６μｍ）、ＳＳ−１０００
（粒径１．７μｍ）、ＳＳ−Ｆ３０（粒径３５μｍ）、ＳＳ−Ｓｕｌ（粒径１５０μｍ）
※１３アルミナ：デンカ社製ＤＡＷ４５（粒径４５μｍ）
図１に示す高放射性放熱樹脂１を作製する例を挙げる。

表１に示す実施例１の成分を混合し、プラネタリーミキサーで混練し、ペーストを作製した。メタルマスクを用いて、ペーストを膜厚５０μｍに塗布し、８０℃３０分で熱硬化する。

放熱性を評価するために、図２に示す放熱性評価用素子を作製した。図２に示す放熱性評価用素子は、高放射性放熱樹脂１と、金属基板４と、発熱体５と、熱電対６とからなる。

金属基板４として、４０×１００×１ｍｍ厚みのアルミニウム基板を用意した。高放射性放熱樹脂１を塗布した金属基板４の裏面中央部に発熱体５として１０×１０ｍｍのセラミックヒーターをシリコーン放熱グリース（Ｇ７７７信越シリコーン）により接着させ搭載した。また、端部に熱電対６を耐熱テープで固定した。

（実施例２〜４）
実施例２、３、４に係る高放射性放熱樹脂１の作製は実施例１と同じ工程とし、図２に示す放熱性評価用素子を作製した。

（比較例１）
比較例１については高放射性放熱樹脂１を作製することなく、図３に示す放熱性評価用素子を作成した。図３は金属基板４と、発熱体５と、熱電対６とからなる。

（比較例２〜５）
比較例２〜５に係る高放射性放熱樹脂１の作製は実施例１と同じ工程とし、図２に示す放熱性評価用素子を作製した。

つぎに、表１に示す成分から構成される９種類の放熱性評価用素子の遠赤外線放射率および昇温抑制温度変化の測定を行った。それぞれの評価方法は下記の通りである。

＜遠赤外線放射率測定＞
比較例１を除く上記の実施例および比較例の工程で得られた放熱性評価用素子を□２５ｍｍにカットする。このサンプルをＦＴ−ＩＲ測定装置（ＩＲＰｒｅｓｔｉｇｅ−２１、島津製作所）にセットし、サンプルの温度を１００℃に昇温した後、黒体炉方式にて放射率を測定する。

熱放射として放熱性に影響の大きい波長域は遠赤外線域の中でも近赤外線域に近い波長域５〜２０μｍの範囲である。したがって、測定値については、波長５μｍ、１５μｍ、２０μｍでの値を表１に示す。例として、図５に実施例１の形態における放射率特性のグラフ（波長と放射率の関係のグラフ）を示す。

本願発明での放射率の値は波長域５〜２０μｍの範囲における平均値ではなく、波長域５〜２０μｍの範囲全域で９０％以上を有することを合格基準とする。全範囲これを満たすものは○とした。波長５，１５、２０μｍの各点で満たさないものは、△とした。これらを満たさないものは、×とした。

＜昇温抑制温度変化測定＞
上記の実施例および比較例の工程で得られた放熱性評価用素子を２０℃に保った恒温槽にセットし、無風状態で、セラミックヒーターに電流を流す。電圧を上げていき、ヒーター温度が１２０℃に達した時の熱電対の温度を測定し、温度差ΔＴを以下の式１で求めた。

ΔＴ＝〔１２０℃−熱電対の温度〕・・・・（式１）
実施例１に示すように、液状ＥＰＴにコージェライトを６７質量％含む放熱性樹脂ペーストを金属基板に塗布することで、１２０℃での昇温抑制の温度差（ΔＴ）は、２１℃となり、また、比較例１の樹脂ペーストなし（ブランク）では、同条件での昇温抑制の温度差（ΔＴ）は、５℃しかないことから、この２つの結果を比較すると、樹脂ペーストの昇温抑制の温度差ΔＴ＝１６℃と換算した。

ここで、昇温抑制率を以下の式２とした。

昇温抑制率＝〔ΔＴ−５℃（ブランク時のΔＴ）〕÷１２０℃（測定温度）・・・・（式２）
○△×の判断基準としては、熱放射を利用した放熱塗料の多くが昇温抑制率１０％前後であるため、昇温抑制率が、１０％より少ないものを×、１０％以上を△、２０％以上を○とした。

昇温抑制率は、より大きいほうが好ましいが、１０％以上を合格範囲とした。また使う用途にもよるが、昇温抑制率が、１０％より小さい場合は、ペースト塗布等のコストを考慮すると、有効な手段とはいえない。

＜放熱性の総合判定＞
本願発明での放熱性の合格基準として、遠赤外線放射率測定、昇温抑制温度変化測定のそれぞれで、両方○は、◎とした。×がどちらかにある場合、×とした。それ以外は、○とした。

＜表１での考察＞
表１からの結果からも明らかなように、本発明の実施例に係る放熱樹脂は、比較例に係るそれらよりも放射率は高く、放熱性に優れている。
実施例１〜４のフィラー濃度から、フィラー濃度（コージェライトの濃度）は、６７以上９０質量％がよい。

実施例４に示すように、ペースト作製時に架橋助剤ＴＡＩＣを液状ＥＰＴ主剤に対して０．５質量％添加したことにより、金属基材との密着性が良くなり、結果、昇温抑制率が向上した。

さらに、チクソ剤として、疎水性コロイダルシリカであるアエロジルＲＹ−２００（日本アエロジル社製）を液状ＥＰＴ主剤に対して０．５質量％添加した。このことにより、基材にペーストを塗布する工程においてダレ防止、およびペースト熱硬化時にはフィラー沈降防止できたことにより、作業性も向上した。

＜コージェライトフィラーの粒径＞
実施例１、２、比較例２、３の結果より、コージェライトフィラーの粒径と放射率の関係性を図６に示す。放射率の値に関しては、いずれも波長５μｍ時の測定値とする。波長５μｍを選択した理由は以下である。

熱放射として放熱性に影響の大きい波長域５〜２０μｍの範囲の中でも波長５μｍ付近での放射率の低下が多くのセラミックスで見られる。このことは、図７に示したアルミナでも同様のことがいえる。このように波長域５〜２０μｍの範囲の中でも波長域５μｍ時の放射率の値は物質によって大きく異なる傾向がある。

そのため、波長５μｍ時の放射率の値が９０％以上であれば、熱放射として効果的な放熱性をもつと判断した。

図６に示すように、コージェライトフィラー粒径が１５μｍ以下の場合、０．９０以上を示すため、熱放射で効果的に放熱されているといえる。

この結果はフィラー粒径が１５μｍ以下の場合、樹脂に高充填させることができ、かつフィラーが沈降することなく、樹脂層表面にフィラーが分布した状態で熱硬化されたことによるものである。

また、コージェライトフィラー単体では波長域５〜１１μｍの範囲では放射率９０％以下であるの対し、液状ＥＰＴに含有させることにより、波長域５〜１１μｍの範囲においても、９０％以上を有する高熱放射性放熱樹脂を作製することができた。

以上、説明したように本発明の高熱放射性放熱樹脂は、波長域５〜２０μｍの範囲で放射率８０％以上を有する液状ＥＰＴ樹脂に粒径１５μｍ以下でアスペクト比３〜１０であるコージェライトをフィラー主成分として充填させた。このことにより、波長域５〜２０μｍの範囲において放射率９０％以上を有する放熱樹脂となることを特徴とする。

この構成により、きわめて高い遠赤外線放射率を有し、かつ取り扱い性に優れた放熱性樹脂を得ることができる。

なお、反応抑制剤、カップリング剤、ＥＰＴ触媒は、原則含むが必須ではない。表面処理剤は、含まれれば好ましく、必須の成分ではない。

本発明の高熱放射性放熱樹脂は、きわめて高い遠赤外線放射率を有し、かつ取り扱い性に優れた放熱性を有し、発熱体の熱を熱放射により外部へ放熱し、温度上昇を抑制することができる等、本発明の適用例として図４に示す。図４は高放射性放熱樹脂１と、タブレット筐体内側７とからなる。

このように、タブレットの筐体の内側で、ファンやヒートシンクを設置することができない小型軽量で薄型のスマートホンやタブレット端末の放熱用途にも適用できる。

本発明の高熱放射性放熱樹脂は、電子部品の放熱として利用できる。

１高放射性放熱樹脂
２樹脂
３フィラー
４金属基板
５発熱体
６熱電対
７タブレット筐体内側

Claims

エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムと、
粒径１５μｍ以下でアスペクト比３〜１０であるコージェライトと、を含み前記コージェライトが６７〜９０質量％である高熱放射性樹脂組成物。
前記エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムは、波長域５〜２０μｍの範囲で放射率０．８０以上を有することを特徴とする請求項１記載の高熱放射性樹脂組成物。
前記エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムは、分子量が７５０〜２０００であることを特徴とする請求項１または２記載の高熱放射性樹脂組成物。
前記エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムに炭化水素系オイルが可塑剤として樹脂主剤に対して１０〜２０質量％で添加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高熱放射性樹脂組成物。
前記エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムに架橋助剤としてトリアリルイソシアヌレートが樹脂主剤に対して０．５〜０．８質量％で添加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高熱放射性樹脂組成物。
前記エチレン・プロピレン・非共役ポリエン共重合体ゴムにチクソ剤が樹脂主剤に対して０．５〜０．８質量％で添加されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高熱放射性樹脂組成物。