JP7770972B2 - thermal conductive materials - Google Patents
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Description
本発明は、熱伝導材料に関する。 The present invention relates to a thermally conductive material.
黒鉛、カーボンナノチューブ等の結晶性を有する炭素材料は熱伝導性が高い材料であるため、熱伝導材料に使用されることがある(例えば、特許文献1参照)が、樹脂と炭素との間の熱抵抗が大きいため、期待したほど熱伝導性が高くならない場合が多い。さらに、これらの炭素材料は樹脂との親和性も低いため、熱伝導性を向上させるために添加量を増やすと、混練、成形、及び強度等に問題が出る。 Crystalline carbon materials such as graphite and carbon nanotubes have high thermal conductivity and are therefore sometimes used as thermal conductive materials (see, for example, Patent Document 1). However, due to the high thermal resistance between the resin and the carbon, the thermal conductivity is often not as high as expected. Furthermore, because these carbon materials have low affinity with resin, increasing the amount added to improve thermal conductivity can cause problems with kneading, molding, strength, etc.
グラフェンシートは、炭素原子がハニカム格子状に並んだ2次元単層シートであり、グラファイト、フラーレン及びカーボンナノチューブ等の構成単位でもある。このグラフェンシートが厚み100nm以下程度に積層された薄片状カーボン(本明細書において、薄片状カーボンにはグラフェンシートも含まれるものとする。)は、その特異な諸物性を有していることから、様々な材料に使用される新たな材料として注目を浴びている。 Graphene sheets are two-dimensional single-layer sheets in which carbon atoms are arranged in a honeycomb lattice pattern, and are also the building blocks of graphite, fullerenes, carbon nanotubes, and other materials. Flake-like carbon (in this specification, "flake-like carbon" includes graphene sheets) is made up of graphene sheets stacked to a thickness of approximately 100 nm or less. Due to its unique physical properties, it has attracted attention as a new material that can be used in a variety of applications.
しかしながら、薄片状カーボンのようなナノカーボン材料は熱伝導性が極めて高い反面、微細な構造のものほど凝集しやすく、そのポテンシャルをいかんなく発揮することが難しく、十分に熱伝導性及び放熱性を向上させることはできない。 However, while nanocarbon materials such as flaky carbon have extremely high thermal conductivity, the finer their structure, the more likely they are to aggregate, making it difficult to fully realize their potential and preventing sufficient improvement in thermal conductivity and heat dissipation.
また、ナノカーボン材料は、単体の膜が作りにくい、塗料化しにくいなど使い勝手の面で問題あり、樹脂と組み合わせる場合相性により分散しないケース(塗料として塗れない、シートとして強度が得られない)及び熱伝導率が大幅に下がってしまうケースも多い。 Nanocarbon materials also have usability issues, such as being difficult to create into a single film or to turn into a paint. When combined with resins, there are many cases where they do not disperse due to incompatibility (they cannot be applied as a paint or do not have sufficient strength as a sheet), and their thermal conductivity drops significantly.
さらに、塗膜、シートともに絶縁の方がより望ましい。 Furthermore, it is preferable that both the coating and the sheet are insulating.
上記のような事情に鑑み、本発明の目的とするところは、熱伝導性に優れた熱伝導材料を提供することにある。 In light of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a thermally conductive material with excellent thermal conductivity.
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、所定の有機化合物及び厚みを有する薄片状カーボンと所定のナノファイバーとを使用することにより、上記課題を解決できることを見出した。本発明者は、かかる知見に基づきさらに研究を重ね、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into solving the above problems, the inventors discovered that the above problems could be solved by using a specific organic compound, thin carbon flakes having a specific thickness, and specific nanofibers. Based on this finding, the inventors conducted further research and completed the present invention.
即ち、本発明は、以下の熱伝導材料を提供する。
項1.
厚さ1~100nmの薄片状カーボンと、
親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物と、
セルロース又はセルロース誘導体からなり、繊維径1~500nmのナノファイバーとを含有する、熱伝導材料。
項2.
前記親水基が、下記一般式(1)~(4)からなる群より選択される少なくとも一種である、項1に記載の熱伝導材料。
項3.
前記親水基がフェノール性水酸基又はポリオキシエチレン基である、項1又は2に記載の熱伝導材料。
項4.
前記炭素親和性疎水基は、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、及び炭素数3以上のポリオキシアルキレン基からなる群より選択される少なくとも1種である、項1~3の何れかに記載の熱伝導材料。
項5.
前記炭素親和性疎水基は、2個以上の芳香環を有するアリール基である、項1~4の何れかに記載の熱伝導材料。
項6.
前記ナノファイバーは、セルロース純度85%以上のセルロースナノファイバーである、項1~5に記載の熱伝導材料。
項7.
前記ナノファイバーは、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース塩、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、及びヒドロキシプロピルメチルセルロースからなる群より選択される少なくとも一種のナノファイバーを含む、項1~6の何れかに記載の熱伝導材料。
項8.
項1~7の何れかに記載の熱伝導材料を含む塗料、又は該塗料により形成された塗膜。
項9.
項1~7の何れかに記載の熱伝導材料を含むシート。
項10.
前記薄片状カーボン100質量部に対し、前記親水基及び前記炭素親和性疎水基を有する有機化合物を1~100質量部含有する薄片状カーボン分散液又は該薄片状カーボン分散液の湿潤固体と、ナノファイバー分散液又は該ナノファイバー分散液の湿潤固体とを混合する工程を含む、項1~7の何れかに記載の熱伝導材料の製造方法。
That is, the present invention provides the following thermally conductive material.
Item 1.
flaky carbon having a thickness of 1 to 100 nm;
an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-philic hydrophobic group;
A thermally conductive material comprising cellulose or a cellulose derivative and nanofibers having a fiber diameter of 1 to 500 nm.
Item 2.
Item 2. The thermally conductive material according to Item 1, wherein the hydrophilic group is at least one selected from the group consisting of the following general formulas (1) to (4):
Item 3.
Item 3. The thermally conductive material according to Item 1 or 2, wherein the hydrophilic group is a phenolic hydroxyl group or a polyoxyethylene group.
Item 4.
Item 4. The thermal conductive material according to any one of items 1 to 3, wherein the carbon affinity hydrophobic group is at least one selected from the group consisting of an alkyl group, an alkenyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, and a polyoxyalkylene group having 3 or more carbon atoms.
Item 5.
Item 5. The thermally conductive material according to any one of Items 1 to 4, wherein the carbon-affinity hydrophobic group is an aryl group having two or more aromatic rings.
Item 6.
Item 6. The thermally conductive material according to Items 1 to 5, wherein the nanofibers are cellulose nanofibers having a cellulose purity of 85% or more.
Section 7.
Item 7. The thermal conductive material according to any one of items 1 to 6, wherein the nanofibers comprise at least one nanofiber selected from the group consisting of methyl cellulose, carboxymethyl cellulose salt, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, and hydroxypropyl methyl cellulose.
Section 8.
Item 8. A paint containing the thermally conductive material according to any one of Items 1 to 7, or a coating film formed from the paint.
Item 9.
Item 8. A sheet comprising the thermally conductive material according to any one of Items 1 to 7.
Item 10.
Item 8. A method for producing a thermally conductive material according to any one of Items 1 to 7, comprising the step of mixing a flaky carbon dispersion or a wet solid of the flaky carbon dispersion, the flaky carbon dispersion containing 1 to 100 parts by mass of an organic compound having the hydrophilic group and the carbon-affinity hydrophobic group per 100 parts by mass of the flaky carbon, with a nanofiber dispersion or a wet solid of the nanofiber dispersion.
以上にしてなる本発明に熱伝導材料は、熱伝導性に優れる。 The thermally conductive material of the present invention, as described above, has excellent thermal conductivity.
本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する概念である。また、本明細書において、数値範囲を「A~B」で示す場合、A以上B以下を意味する。 In this specification, the term "containing" encompasses the concepts of "comprise," "consist essentially of," and "consist only of." Furthermore, in this specification, when a numerical range is indicated as "A to B," it means A or more and B or less.
(1.熱伝導材料)
本発明の熱伝導材料は、厚さ1~100nmの薄片状カーボンと、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物と、セルロース又はセルロース誘導体からなり、繊維径1~500nmのナノファイバーとを含有する。
(1. Thermal Conductive Materials)
The thermally conductive material of the present invention contains flaky carbon having a thickness of 1 to 100 nm, an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinitive hydrophobic group, and nanofibers made of cellulose or a cellulose derivative and having a fiber diameter of 1 to 500 nm.
(1.1.薄片状カーボン)
薄片状カーボンとしては、薄いほうが熱伝導性及び放熱性に優れるため好ましい。具体的には、1~100nmであり、1~20nmであることが好ましい。薄片状カーボンの厚みが100nmを超えると、十分な熱伝導性及び放熱性を有する熱伝導材料を得ることができない。
(1.1. Flake-like carbon)
Thinner flaky carbon is preferable because it has better thermal conductivity and heat dissipation. Specifically, it is 1 to 100 nm, and preferably 1 to 20 nm. If the thickness of the flaky carbon exceeds 100 nm, it is not possible to obtain a thermally conductive material with sufficient thermal conductivity and heat dissipation.
また、厚みが1~10nmである薄片状カーボンの含有割合は、薄片状カーボンの総数を100%として、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。つまり、厚み10nm超の厚みが大きい薄片状カーボンが含まれてもよいが、殆どの薄片状カーボンの厚みは10nm以下であることが好ましい。なお、薄片状カーボンの厚みは、透過型電子顕微鏡(TEM)観察により測定するものとする。 Furthermore, the content of flaky carbon with a thickness of 1 to 10 nm is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more, with the total number of flaky carbon being 100%. In other words, although flaky carbon with a thickness of more than 10 nm may be included, it is preferable that the thickness of most of the flaky carbon be 10 nm or less. The thickness of the flaky carbon is measured by observation using a transmission electron microscope (TEM).
薄片状カーボンは、300層以下(つまり1~300層)のグラフェンが積層した層状構造を有する薄片状カーボンであることが好ましく、1~60層のグラフェンが積層した層状構造を有する薄片状カーボンであることがより好ましい。また、同様に、積層数が1~30層である薄片状カーボンの含有割合は、薄片状カーボンの総数を100%として、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。つまり、厚みが大きい薄片状カーボンが含まれてもよいが、多数の薄片状カーボンの厚みは30層以下であることが好ましい。なお、薄片状カーボンの積層は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察により測定した厚みにより算出するものとする。 The flaky carbon is preferably flaky carbon having a layered structure with 300 or fewer layers of stacked graphene (i.e., 1 to 300 layers), and more preferably flaky carbon having a layered structure with 1 to 60 layers of stacked graphene. Similarly, the content of flaky carbon having 1 to 30 stacked layers is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more, of the total number of flaky carbon being 100%. In other words, thicker flaky carbon may be included, but the thickness of the majority of flaky carbon is preferably 30 layers or less. The stacked flaky carbon is calculated from the thickness measured by observation with a transmission electron microscope (TEM).
薄片状カーボンは、通常、多くの凸角と凹角を有する平面形状をしているため、厚み以外のサイズは一概には規定しにくい。本明細書では、一枚の薄片状カーボンにおいて最も離れている凸角間の距離をその薄片状カーボンの大きさであると定義する。 Flake carbon typically has a planar shape with many convex and concave angles, making it difficult to define its dimensions in general terms other than thickness. In this specification, the size of a piece of flake carbon is defined as the distance between the furthest convex angles on that piece of flake carbon.
このような薄片状カーボンの大きさは、20nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましく、200nm以上がさらに好ましい。かかる大きさの薄片状カーボンを使用することにより、熱伝導性及び放熱性をさらに向上させることができる。なお、薄片状カーボンの大きさの上限は、大きい方が熱伝導性及び放熱性に優れていることが知られており好ましいため、大きさの上限は限定されないが、通常100μmである。また、薄片状カーボンの大きさは、透過型電子顕微鏡観察(TEM)観察により測定するものとする。 The size of such flaky carbon is preferably 20 nm or more, more preferably 100 nm or more, and even more preferably 200 nm or more. By using flaky carbon of such a size, thermal conductivity and heat dissipation can be further improved. It is known that larger flaky carbons have better thermal conductivity and heat dissipation properties, so the upper limit of the size is not limited, but is usually 100 μm. The size of the flaky carbon is measured by observation using a transmission electron microscope (TEM).
本発明の熱伝導材料において、薄片状カーボンの含有量は、特に制限されないが、熱伝導性及び放熱性の観点から、本発明の熱伝導材料の総量を100質量%として、50~99.5質量%とすることが好ましく、60~99.2質量%とすることがより好ましい。 In the thermal conductive material of the present invention, the content of flaky carbon is not particularly limited, but from the viewpoint of thermal conductivity and heat dissipation, it is preferably 50 to 99.5% by mass, and more preferably 60 to 99.2% by mass, where the total amount of the thermal conductive material of the present invention is 100% by mass.
(1.2.親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物)
本発明の熱伝導材料において、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を使用する。これを使用しない場合、グラフェン構造を維持した薄片状カーボンを凝集してしまい、均一分散した状態で維持することができない。なお、当該有機化合物は、薄片状カーボンを均一分散させるための分散剤としても機能し得る。
(1.2. Organic Compounds Having Hydrophilic Groups and Carbon-Affinity Hydrophobic Groups)
In the thermal conductive material of the present invention, an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinitive hydrophobic group is used. If this organic compound is not used, the flaky carbon maintaining the graphene structure will aggregate and will not be able to be maintained in a uniformly dispersed state. The organic compound can also function as a dispersant to uniformly disperse the flaky carbon.
このような親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物としては、特に制限されるわけではなく、薄片状カーボンの分散剤として機能し得る種々多様な有機化合物(特に水溶性化合物)を使用し得る。 The organic compound having such a hydrophilic group and a carbon-affinitive hydrophobic group is not particularly limited, and a wide variety of organic compounds (especially water-soluble compounds) that can function as a dispersant for flaky carbon can be used.
当該有機化合物における炭素親和性疎水基としては、特に制限はなく、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アリール基、炭素数3以上のポリオキシアルキレン基等を例示することができる。親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物は、かかる疎水基を、1種又は2種以上含むことができる。また、複数の疎水基を有する場合には、同じ疎水基が複数含まれていてもよいし、異なる疎水基が複数含まれていてもよい。 The carbon-affinity hydrophobic group in the organic compound is not particularly limited, and examples include alkyl groups, alkenyl groups, cycloalkyl groups, aryl groups, and polyoxyalkylene groups having 3 or more carbon atoms. Organic compounds having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group can contain one or more types of such hydrophobic groups. Furthermore, when multiple hydrophobic groups are present, the compounds may contain multiple of the same hydrophobic groups, or multiple different hydrophobic groups.
アルキル基としては、鎖状アルキル基でも分岐鎖状アルキル基でもよい。但し、炭素との親和性の観点から、鎖状アルキル基であることが好ましい。また、アルキル基の炭素数は、炭素との親和性を考慮し、6以上が好ましく、8~28がより好ましく、10~22がさらに好ましい。このようなアルキル基としては、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基(又はラウリル基)、トリデシル基、テトラデシル基(又はミリスチル基)、ペンタデシル基、ヘキサデシル基(又はセチル基)、オクタデシル基、イコシル基等が挙げられる。 The alkyl group may be a chain alkyl group or a branched alkyl group. However, from the viewpoint of affinity with carbon, a chain alkyl group is preferable. Furthermore, taking into consideration affinity with carbon, the number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 6 or more, more preferably 8 to 28, and even more preferably 10 to 22. Examples of such alkyl groups include hexyl, octyl, decyl, undecyl, dodecyl (or lauryl), tridecyl, tetradecyl (or myristyl), pentadecyl, hexadecyl (or cetyl), octadecyl, and icosyl groups.
このアルキル基は、置換基を有していてもよいし有していなくてもよい。このような置換基としては、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基等が挙げられる。なお、シクロアルキル基及びアリール基としては、後述のものが例示される。 This alkyl group may or may not have a substituent. Examples of such substituents include a cycloalkyl group, an aryl group, and an aralkyl group. Examples of cycloalkyl groups and aryl groups are described below.
アルキル基の置換基としてのアラルキル基としては、後述するアリール基と炭素数1~6のアルキル基を有する炭素数7~14のアラルキル基が好ましく、具体的には、ベンジル基、フェネチル基等が好ましい。 As an aralkyl group as a substituent of an alkyl group, an aralkyl group having 7 to 14 carbon atoms and an aryl group (described below) and an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferred, specifically, a benzyl group, a phenethyl group, etc. are preferred.
なお、置換基としては、上記のみに制限されず、フルオレン構造由来の基(フルオレニル基等)を有していてもよい。特に、水溶性を重視する場合は置換基としてフェニル基等が好ましく、薄片状カーボンとの相溶性を重視する場合は置換基としてナフチル基、フルオレニル基等が好ましい。 The substituents are not limited to those mentioned above, and may also have groups derived from the fluorene structure (such as fluorenyl groups). In particular, when water solubility is important, phenyl groups and the like are preferred as substituents, and when compatibility with flaky carbon is important, naphthyl groups, fluorenyl groups, and the like are preferred as substituents.
アルケニル基としては、炭素との親和性及び化合物の水溶性を考慮し、炭素数が4以上であることが好ましく、6~100であることがより好ましく、8~30であることがさらに好ましい。かかるアルケニル基としては、例えば、オレイル基、リノレイル基等が挙げられる。 Taking into consideration the affinity with carbon and the water solubility of the compound, the alkenyl group preferably has 4 or more carbon atoms, more preferably 6 to 100, and even more preferably 8 to 30. Examples of such alkenyl groups include oleyl and linoleyl groups.
このアルケニル基は、置換基を有していてもよいし有していなくてもよい。かかる置換基としては、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基等が挙げられる。なお、アラルキル基としては前記したものが例示され、シクロアルキル基及びアリール基としては、後述のものが例示される。 This alkenyl group may or may not have a substituent. Examples of such substituents include alkyl groups, cycloalkyl groups, aryl groups, and aralkyl groups. Examples of aralkyl groups include those listed above, and examples of cycloalkyl groups and aryl groups include those listed below.
アルケニル基の置換基としてのアルキル基としては、炭素数1~6のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、tert-ブチル基等が好ましい。 As the alkyl group as a substituent on the alkenyl group, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferred, and specifically preferred are methyl, ethyl, propyl, butyl, and tert-butyl groups.
なお、置換基としては、上記のみに制限されず、フルオレン構造由来の基(フルオレニル基等)を有していてもよい。特に、水溶性を重視する場合は置換基としてフェニル基等が好ましく、薄片状カーボンとの相溶性を重視する場合は置換基としてナフチル基、フルオレニル基等が好ましい。 The substituents are not limited to those mentioned above, and may also have groups derived from the fluorene structure (such as fluorenyl groups). In particular, when water solubility is important, phenyl groups and the like are preferred as substituents, and when compatibility with flaky carbon is important, naphthyl groups, fluorenyl groups, and the like are preferred as substituents.
シクロアルキル基としては、炭素数5~10(好ましくは5~8、特に5~6)のシクロアルキル基が好ましく、具体的には、シクロペンチル基、シクロへキシル基等が好ましい。 Preferred cycloalkyl groups are those having 5 to 10 carbon atoms (preferably 5 to 8, and particularly 5 to 6), and specific examples include cyclopentyl and cyclohexyl groups.
このシクロアルキル基は、置換基を有していてもよいし有していなくてもよい。このような置換基としては、アルキル基、アリール基、アラルキル基等が挙げられる。 This cycloalkyl group may or may not have a substituent. Such substituents include alkyl groups, aryl groups, and aralkyl groups.
シクロアルキル基の置換基としてのアルキル基としては、炭素数1~6のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、tert-ブチル基等が好ましい。 As the alkyl group as a substituent of the cycloalkyl group, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferred, and specifically preferred are methyl, ethyl, propyl, butyl, tert-butyl, etc.
シクロアルキル基の置換基としてのアリール基及びアラルキル基としては、前記例示したものが挙げられる。 Aryl groups and aralkyl groups as substituents on cycloalkyl groups include those exemplified above.
なお、置換基としては、上記のみに制限されず、フルオレン構造由来の基(フルオレニル基等)を有していてもよい。特に、水溶性を重視する場合は置換基としてフェニル基等が好ましく、薄片状カーボンとの相溶性を重視する場合は置換基としてナフチル基、フルオレニル基等が好ましい。 The substituents are not limited to those mentioned above, and may also have groups derived from the fluorene structure (such as fluorenyl groups). In particular, when water solubility is important, phenyl groups and the like are preferred as substituents, and when compatibility with flaky carbon is important, naphthyl groups, fluorenyl groups, and the like are preferred as substituents.
アリール基としては、炭素数6~18(特に6~14)のアリール基が好ましく、単環アリール基、縮環アリール基及び多環アリール基のいずれも採用でき、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナントレニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレニル基、ピレニル基、トリフェニレニル基等が挙げられる。なお、炭素との親和性の観点から、2個以上の芳香環を有するアリール基(縮環アリール基及び多環アリール基)が好ましい。 The aryl group is preferably an aryl group having 6 to 18 carbon atoms (particularly 6 to 14 carbon atoms), and can be any of a monocyclic aryl group, a fused ring aryl group, and a polycyclic aryl group, such as a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthrenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a fluorenyl group, a pyrenyl group, and a triphenylenyl group. From the standpoint of affinity with carbon, aryl groups having two or more aromatic rings (fused ring aryl groups and polycyclic aryl groups) are preferred.
このアリール基は、置換基を有していてもよいし有していなくてもよい。このような置換基としては、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基等が挙げられる。 This aryl group may or may not have a substituent. Examples of such substituents include alkyl groups, cycloalkyl groups, and aralkyl groups.
アリール基の置換基としてのアルキル基としては、炭素数1~6のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、tert-ブチル基等が好ましい。 As the alkyl group as a substituent on the aryl group, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferred, and specifically preferred are methyl, ethyl, propyl, butyl, and tert-butyl groups.
アリール基の置換基としてのシクロアルキル基及びアラルキル基としては、前記例示したものが挙げられる。 Cycloalkyl groups and aralkyl groups as substituents on aryl groups include those exemplified above.
なお、置換基としては、上記のみに制限されず、フルオレン構造由来の基(フルオレニル基等)を有していてもよい。 The substituents are not limited to those listed above, and may also include groups derived from the fluorene structure (such as a fluorenyl group).
ポリオキシエチレン基は通常親水性であるが、ポリオキシプロピレン基、ポリオキシブチレン基等、炭素数3以上のポリオキシアルキレン基は重合度が上がるほど疎水性が増し、疎水基として機能する。特に重合度4以上のポリオキシプロピレン基、重合度3以上のポリオキシブチレン基が好ましい。例えば、ポリオキシエチレン-ポリオキシプロピレンやポリオキシエチレン-ポリオキシブチレンを親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物として使用した場合には、ポリオキシプロピレン基及びポリオキシブチレン基も疎水基として機能し得る。 Polyoxyethylene groups are generally hydrophilic, but polyoxyalkylene groups with three or more carbon atoms, such as polyoxypropylene and polyoxybutylene groups, become more hydrophobic as the degree of polymerization increases, and they function as hydrophobic groups. Polyoxypropylene groups with a degree of polymerization of four or more and polyoxybutylene groups with a degree of polymerization of three or more are particularly preferred. For example, when polyoxyethylene-polyoxypropylene or polyoxyethylene-polyoxybutylene is used as an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-philic hydrophobic group, the polyoxypropylene group and polyoxybutylene group can also function as hydrophobic groups.
この炭素数3以上のポリオキシアルキレン基は、置換基を有していてもよいし有していなくてもよい。このような置換基としては、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基、アリール基等が挙げられる。 This polyoxyalkylene group having 3 or more carbon atoms may or may not have a substituent. Examples of such substituents include alkyl groups, cycloalkyl groups, aralkyl groups, and aryl groups.
炭素数3以上のポリオキシアルキレン基の置換基としてのアルキル基としては、炭素数1~6のアルキル基が好ましく、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、tert-ブチル基等が好ましい。 As the alkyl group as a substituent on a polyoxyalkylene group having 3 or more carbon atoms, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms is preferred, and specifically preferred are methyl, ethyl, propyl, butyl, tert-butyl, etc.
炭素数3以上のポリオキシアルキレン基の置換基としてのシクロアルキル基、アラルキル基及びアリール基としては、前記例示したものが挙げられる。 Examples of cycloalkyl groups, aralkyl groups, and aryl groups that can be used as substituents on polyoxyalkylene groups having 3 or more carbon atoms include those exemplified above.
なお、置換基としては、上記のみに制限されず、フルオレン構造由来の基(フルオレニル基等)を有していてもよい。特に、水溶性を重視する場合は置換基としてフェニル基等が好ましく、薄片状カーボンとの相溶性を重視する場合は置換基としてナフチル基、フルオレニル基等が好ましい。 The substituents are not limited to those mentioned above, and may also have groups derived from the fluorene structure (such as fluorenyl groups). In particular, when water solubility is important, phenyl groups and the like are preferred as substituents, and when compatibility with flaky carbon is important, naphthyl groups, fluorenyl groups, and the like are preferred as substituents.
このような疎水基としては、炭素との親和性の観点から、アリール基及び炭素数3以上のポリオキシアルキレン基が好ましく、アリール基がより好ましく、2個以上の芳香環を有するアリール基(縮環アリール基及び多環アリール基)がさらに好ましい。具体的には、ナフチル基、アントラセニル基、フェナントレニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレニル基、ピレニル基、トリフェニレニル基、重合度4以上のポリオキシプロピレン基、重合度3以上のポリオキシブチレン基等が好ましい。 From the viewpoint of affinity with carbon, such hydrophobic groups are preferably aryl groups and polyoxyalkylene groups having 3 or more carbon atoms, more preferably aryl groups, and even more preferably aryl groups having two or more aromatic rings (fused aryl groups and polycyclic aryl groups). Specific examples include naphthyl groups, anthracenyl groups, phenanthrenyl groups, biphenyl groups, terphenyl groups, fluorenyl groups, pyrenyl groups, triphenylenyl groups, polyoxypropylene groups with a degree of polymerization of 4 or more, and polyoxybutylene groups with a degree of polymerization of 3 or more.
また、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物が有する親水基としては、前記親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水に対する溶解度を上昇させることができるものであれば特に制限はないが、前記親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性及び放熱性等を考慮し、下記一般式(1)~(4)であることが好ましい。 The hydrophilic group possessed by the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group is not particularly limited as long as it can increase the solubility of the organic compound having the hydrophilic group and the carbon-affinity hydrophobic group in water. However, taking into consideration the water solubility of the organic compound having the hydrophilic group and the carbon-affinity hydrophobic group, the dispersibility of the flaky carbon, the thermal conductivity, and heat dissipation properties, etc., it is preferable that the hydrophilic group be one of the following general formulas (1) to (4).
親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物は、このような親水基を、1種又は2種以上含むことができる。また、複数の親水基を使用する場合には、同じ親水基を複数用いてもよいし、同じ一般式で表される親水基を複数種用いてもよいし、異なる一般式で表される親水基を複数種用いてもよい。 An organic compound having a hydrophilic group and a carbon-philic hydrophobic group can contain one or more types of such hydrophilic groups. Furthermore, when multiple hydrophilic groups are used, multiple types of the same hydrophilic group may be used, multiple types of hydrophilic groups represented by the same general formula may be used, or multiple types of hydrophilic groups represented by different general formulas may be used.
一般式(1)において、-OHはアルコール性水酸基及びフェノール性水酸基のいずれも採用し得る。ただし、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性、放熱性等の観点から、アルコール性水酸基が好ましいものの、フェノール性水酸基を含む場合(特に、複数のフェノール性水酸基を含む場合)は、必然的に疎水性に優れたベンゼン環も含むこととなり、全体として親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性、放熱性等も優れるため好ましい。 In general formula (1), -OH can be either an alcoholic hydroxyl group or a phenolic hydroxyl group. However, from the standpoint of the water solubility of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups, the dispersibility of flaky carbon, thermal conductivity, heat dissipation, etc., alcoholic hydroxyl groups are preferred. However, when a phenolic hydroxyl group is included (especially when multiple phenolic hydroxyl groups are included), it inevitably also contains a benzene ring, which has excellent hydrophobicity, and is therefore preferred because it provides excellent overall water solubility of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups, the dispersibility of flaky carbon, thermal conductivity, heat dissipation, etc.
一般式(2)において、Rで示される2価の有機基としては、特に制限されず、2価の炭化水素基が好ましい。2価の炭化水素基としては、脂肪族炭化水素基(アルキレン基(又はアルキリデン基)、シクロアルキレン基、アルキレン(又はアルキリデン)-シクロアルキレン基、ビ又はトリシクロアルキレン基等)、芳香族炭化水素基(アリーレン基、アルキレン(又はアルキリデン)-アリーレン基等)等が挙げられる。 In general formula (2), the divalent organic group represented by R is not particularly limited, but a divalent hydrocarbon group is preferred. Examples of divalent hydrocarbon groups include aliphatic hydrocarbon groups (such as alkylene groups (or alkylidene groups), cycloalkylene groups, alkylene (or alkylidene)-cycloalkylene groups, and bi- or tricycloalkylene groups), and aromatic hydrocarbon groups (such as arylene groups and alkylene (or alkylidene)-arylene groups).
一般式(2)において、基Rで示されるアルキレン基(又はアルキリデン基)としては、アルキレン基が好ましく、C1-8アルキレン基がより好ましく、C1-4アルキレン基がさらに好ましく、C2-4アルキレン基が特に好ましく、C2-3アルキレン基が最も好ましい。具体的には、メチレン基、エチレン基、エチリデン基、トリメチレン基、プロピレン基、プロピリデン基、テトラメチレン基、エチルエチレン基、ブタン-2-イリデン基、1,2-ジメチルエチレン基、ペンタメチレン基、ペンタン-2,3-ジイル基等が例示できる。 In general formula (2), the alkylene group (or alkylidene group) represented by the group R is preferably an alkylene group, more preferably a C1-8 alkylene group, even more preferably a C1-4 alkylene group, particularly preferably a C2-4 alkylene group, and most preferably a C2-3 alkylene group. Specific examples include a methylene group, an ethylene group, an ethylidene group, a trimethylene group, a propylene group, a propylidene group, a tetramethylene group, an ethylethylene group, a butan-2-ylidene group, a 1,2-dimethylethylene group, a pentamethylene group, and a pentane-2,3-diyl group.
一般式(2)において、基Rで示されるシクロアルキレン基としては、C5-10シクロアルキレン基が好ましく、C5-8シクロアルキレン基がより好ましい。具体的には、シクロペンチレン基、シクロへキシレン基、メチルシクロへキシレン基、シクロへプチレン基等が例示できる。 In general formula (2), the cycloalkylene group represented by group R is preferably a C 5-10 cycloalkylene group, more preferably a C 5-8 cycloalkylene group. Specific examples include a cyclopentylene group, a cyclohexylene group, a methylcyclohexylene group, and a cycloheptylene group.
一般式(2)において、基Rで示されるアルキレン(又はアルキリデン)-シクロアルキレン基としては、アルキレン-シクロアルキレン基が好ましく、C1-6アルキレン-C5-10シクロアルキレン基がより好ましく、C1-4アルキレン-C5-8シクロアルキレン基がさらに好ましい。具体的には、メチレン-シクロへキシレン基、エチレン-シクロへキシレン基、エチレン-メチルシクロへキシレン基、エチリデン-シクロへキシレン基等が例示できる。 In general formula (2), the alkylene (or alkylidene)-cycloalkylene group represented by the group R is preferably an alkylene-cycloalkylene group, more preferably a C1-6 alkylene- C5-10 cycloalkylene group, and even more preferably a C1-4 alkylene- C5-8 cycloalkylene group. Specific examples include a methylene-cyclohexylene group, an ethylene-cyclohexylene group, an ethylene-methylcyclohexylene group, and an ethylidene-cyclohexylene group.
一般式(2)において、基Rで示されるビ又はトリシクロアルキレン基としては、具体的には、ノルボルナン-ジイル基等が例示できる。 In general formula (2), specific examples of the bicycloalkylene or tricycloalkylene group represented by the group R include norbornane-diyl groups.
一般式(2)において、基Rで示されるアリーレン基としては、C6-10アリーレン基が好ましい。具体的には、フェニレン基、ナフタレンジイル基等が例示できる。 In general formula (2), the arylene group represented by group R is preferably a C 6-10 arylene group, specifically exemplified by a phenylene group and a naphthalenediyl group.
一般式(2)において、基Rで示されるアルキレン(又はアルキリデン)-アリーレン基としては、アルキレン-アリーレン基が好ましく、C1-6アルキレン-C6-20アリーレン基がより好ましく、C1-4アルキレン-C6-10アリーレン基がさらに好ましく、C1-2アルキレン-フェニレン基が特に好ましい。具体的には、メチレン-フェニレン基、エチレン-フェニレン基、エチレン-メチルフェニレン基、エチリデンフェニレン基等が例示できる。 In general formula (2), the alkylene (or alkylidene)-arylene group represented by the group R is preferably an alkylene-arylene group, more preferably a C1-6 alkylene- C6-20 arylene group, still more preferably a C1-4 alkylene- C6-10 arylene group, and particularly preferably a C1-2 alkylene-phenylene group. Specific examples include a methylene-phenylene group, an ethylene-phenylene group, an ethylene-methylphenylene group, and an ethylidenephenylene group.
これらのうち、2価の脂肪族炭化水素基、特に、アルキレン基(例えば、メチレン基、エチレン基等のC1-4アルキレン基等)が好ましい。 Of these, divalent aliphatic hydrocarbon groups, particularly alkylene groups (for example, C 1-4 alkylene groups such as methylene and ethylene groups) are preferred.
なお、アルキレン(若しくはアルキリデン)-シクロアルキレン基並びにアルキレン(アルキリデン)-アリーレン基とは、-Ra-Rb-(式中、Raは、一般式(2)において、それぞれ別個の酸素原子に結合したアルキレン基又はアルキリデン基、Rbはシクロアルキレン基又はアリーレン基を示す)で表される基を示す。 Note that the alkylene (or alkylidene)-cycloalkylene group and alkylene (alkylidene)-arylene group refer to a group represented by -Ra-Rb- (where Ra represents an alkylene group or alkylidene group bonded to different oxygen atoms in general formula (2), and Rb represents a cycloalkylene group or arylene group).
このような一般式(2)で表される親水基としては、特に制限されず、例えば、-OC2H4O-、-OC3H6O-、-OCH2O-等が使用され得る。これらを複数(好ましくは3~100個)有するものも好ましく使用することができ、例えば、ポリオキシメチレン基、ポリオキシエチレン基、ポリオキシプロピレン基等を使用することができる。特に一般式(2)で表される親水基が3つ以上重合した構造を有する場合は、Rの炭素が多いほど(例えば炭素数3以上)親水性が下がり疎水性を増すため、重合度が増しても親水性を保持できる-OC2H4O-、-OCH2O-が好ましい。 The hydrophilic group represented by general formula (2) is not particularly limited, and examples thereof include -OC 2 H 4 O-, -OC 3 H 6 O-, and -OCH 2 O-. Groups having a plurality of these groups (preferably 3 to 100 groups) can also be preferably used, and examples of such groups include polyoxymethylene groups, polyoxyethylene groups, and polyoxypropylene groups. In particular, when the hydrophilic group represented by general formula (2) has a structure in which three or more hydrophilic groups have been polymerized, the more carbon atoms in R (for example, three or more carbon atoms), the lower the hydrophilicity and the higher the hydrophobicity. Therefore, -OC 2 H 4 O- and -OCH 2 O-, which can maintain hydrophilicity even with an increased degree of polymerization, are preferred.
一般式(3)において、X1で示されるアルカリ金属としては、特に制限されず、ナトリウム、カリウム、リチウム等が挙げられる。 In the general formula (3), the alkali metal represented by X 1 is not particularly limited, and examples thereof include sodium, potassium, and lithium.
一般式(3)において、X1で示される有機アンモニウムとしては、第四級アンモニウムが好適であり、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等が好適に使用され得る。 In the general formula (3), the organic ammonium represented by X1 is preferably a quaternary ammonium, and tetramethylammonium, tetraethylammonium, tetrapropylammonium, tetrabutylammonium, etc. can be suitably used.
かかる一般式(3)で表される親水基としては、特に制限されない。例えば、-SO3 -H+、-SO3 -Na+、-SO3 -K+、-SO3 -Li+、-SO3 -NH4 +、-SO3 -N(CH3)4 +、-SO3 -N(C2H5)4 +、-SO3 -N(C3H7)4 +、-SO3 -N(C4H9)4 +等が挙げられる。 The hydrophilic group represented by general formula (3) is not particularly limited, and examples thereof include —SO 3 − H + , —SO 3 − Na + , —SO 3 − K + , —SO 3 − Li + , —SO 3 − NH 4 + , —SO 3 − N(CH 3 ) 4 + , —SO 3 − N(C 2 H 5 ) 4 + , —SO 3 − N(C 3 H 7 ) 4 + , and —SO 3 − N(C 4 H 9 ) 4 + .
一般式(4)において、X2で示されるアルカリ金属及び有機アンモニウムとしては、上記例示したものが挙げられる。 In the general formula (4), examples of the alkali metal and organic ammonium represented by X2 include those exemplified above.
一般式(4)において、X2で示されるアルキル基としては、鎖状アルキル基でも分岐鎖状アルキル基でもよい。但し、炭素との親和性の観点から、鎖状アルキル基であることが好ましい。また、アルキル基の炭素数は、炭素との親和性の観点から、1~2が好ましい。 In general formula (4), the alkyl group represented by X2 may be a chain alkyl group or a branched alkyl group. However, from the viewpoint of affinity with carbon, a chain alkyl group is preferable. Furthermore, from the viewpoint of affinity with carbon, the number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 1 to 2.
かかる一般式(4)で表される親水基としては、特に制限されない。例えば、-COOH、-COONa、-COOK、-COOLi、-COONH4、-COON(CH3)4、-COON(C2H5)4、-COON(C3H7)4 +、-COON(C4H9)4 +等が挙げられる。 The hydrophilic group represented by the general formula (4) is not particularly limited, and examples thereof include -COOH, -COONa, -COOK, -COOLi, -COONH4, -COON( CH3 ) 4 , -COON( C2H5 ) 4 , -COON( C3H7 ) 4+ , and -COON ( C4H9 ) 4+ .
これら親水基のなかでも、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、pHによらない安定性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性及び放熱性等を考慮し、一般式(2)で表される親水基が好ましい。 Among these hydrophilic groups, the hydrophilic group represented by general formula (2) is preferred, taking into consideration the water solubility of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinitive hydrophobic groups, stability independent of pH, dispersibility of flaky carbon, thermal conductivity, and heat dissipation properties.
ただし、一般式(2)で表される同じ親水基を複数有する、つまり重合した構造を有する場合、炭素数2以下は重合度が増すほど水溶性化合物の親水性は高くなるが、炭素数3以上の場合は重合度が増すほど疎水性が増す可能性がある。 However, when a compound has multiple identical hydrophilic groups represented by general formula (2), i.e., a polymerized structure, the hydrophilicity of the water-soluble compound increases as the degree of polymerization increases for compounds with two or fewer carbon atoms, but the hydrophobicity of compounds with three or more carbon atoms may increase as the degree of polymerization increases.
本発明において使用する親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物において、親水基以外の構成部分(疎水基等)の炭素数は、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性、放熱性等の観点から、6以上とすることが好ましく、8~18とすることがより好ましい。 In the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group used in the present invention, the number of carbon atoms in the constituent parts other than the hydrophilic group (such as the hydrophobic group) is preferably 6 or more, and more preferably 8 to 18, from the viewpoints of the water solubility of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, the dispersibility of the flaky carbon, thermal conductivity, heat dissipation, etc.
また、本発明において、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物として、非イオン系材料(ノニオン界面活性剤等)を使用する場合には、そのHLB値は、前記親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水溶性、薄片状カーボンの分散性、熱伝導性、放熱性等の観点から、12以上が好ましく、13~19がより好ましい。なお、疎水基を同じとした場合(薄片状カーボンとの親和性が同程度の場合)には、HLB値は高いほど好ましい。 Furthermore, in the present invention, when a nonionic material (such as a nonionic surfactant) is used as the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, its HLB value is preferably 12 or higher, and more preferably 13 to 19, from the viewpoints of the water solubility of the organic compound having the hydrophilic group and the carbon-affinity hydrophobic group, the dispersibility of the flaky carbon, thermal conductivity, heat dissipation, etc. Furthermore, when the hydrophobic group is the same (when the affinity with the flaky carbon is the same), the higher the HLB value, the better.
上記のような条件を満たす親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物としては、特に制限はない。例えば、芳香族水溶性化合物を使用してもよいし、非芳香族水溶性化合物を使用してもよく、中でも芳香族水溶性化合物が好ましい。親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンデシルエーテル、ポリオキシプロピレンデシルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンナフチルエーテル、ポリオキシプロピレンラウリルエーテル、ポリオキシプロピレンナフチルエーテル、ポリオキシエチレンミリスチルエーテル、ポリオキシプロピレンミリスチルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシプロピレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシプロピレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンウンデシルフェニルエーテル、ポリオキシプロピレンウンデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレントリデシルフェニルエーテル、ポリオキシプロピレントリデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンペンタデシルフェニルエーテル、ポリオキシプロピレンペンタデシルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシプロピレンポリグリセリルエーテル、コール酸ナトリウム、コール酸カリウム、ドデシルスルホン酸ナトリウム、ドデシルスルホン酸カリウム、ジラウロイルグルタミン酸リシンナトリウム、ジラウロイルグルタミン酸リシンカリウム、デカグリセリンラウリン酸エステル、n-デシルアルコール等が挙げられる。 There are no particular limitations on the organic compounds having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group that satisfy the above conditions. For example, aromatic water-soluble compounds or non-aromatic water-soluble compounds may be used, with aromatic water-soluble compounds being preferred. Examples of organic compounds having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group include polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene decyl ether, polyoxypropylene decyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene naphthyl ether, polyoxypropylene lauryl ether, polyoxypropylene naphthyl ether, polyoxyethylene myristyl ether, polyoxypropylene myristyl ether, polyoxyethylene cetyl ether, polyoxypropylene cetyl ether, polyoxyethylene octylphenyl ether, polyoxypropylene octylphenyl ether, and polyoxyethylene undecylphenyl ether. ether, polyoxypropylene undecyl phenyl ether, polyoxyethylene tridecyl phenyl ether, polyoxypropylene tridecyl phenyl ether, polyoxyethylene pentadecyl phenyl ether, polyoxypropylene pentadecyl phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, polyoxypropylene polyglyceryl ether, sodium cholate, potassium cholate, sodium dodecyl sulfonate, potassium dodecyl sulfonate, sodium dilauroyl glutamate lysine, potassium dilauroyl glutamate lysine, decaglycerin laurate, n-decyl alcohol, etc.
このような親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物としては、例えば、エマルゲン103、エマルゲン104P、エマルゲン105、エマルゲン106、エマルゲン108、エマルゲン109P、エマルゲン120、エマルゲン123P、エマルゲン130K、エマルゲン147、エマルゲン150、エマルゲン210P、エマルゲン220(以上、花王(株)製ポリオキシエチレンアルキルエーテル類)、トリトンX-100、トリトンX-114、トリトンX-305、トリトンX-405(ダウケミカル社製ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル類)、ノイゲンEN、ノイゲンEN-10(以上、第一工業製薬(株)製ポリオキシエチレンナフチルエーテル)等を使用できる。 Examples of organic compounds having such hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups include Emulgen 103, Emulgen 104P, Emulgen 105, Emulgen 106, Emulgen 108, Emulgen 109P, Emulgen 120, Emulgen 123P, Emulgen 130K, Emulgen 147, Emulgen 150, Emulgen 210P, and Emulgen 220 (all polyoxyethylene alkyl ethers manufactured by Kao Corporation), Triton X-100, Triton X-114, Triton X-305, and Triton X-405 (polyoxyethylene octylphenyl ethers manufactured by Dow Chemical Company), and Noigen EN and Noigen EN-10 (polyoxyethylene naphthyl ethers manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.).
本発明の熱伝導材料中における親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量は、特に制限されない。但し、熱伝導材料に十分な熱伝導性及び放熱性を付与するためには、熱伝導材料の総量を100質量%として、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有率が0.5~50質量%とすることが好ましく、0.8~40質量%とすることがより好ましい。 The content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group in the thermally conductive material of the present invention is not particularly limited. However, in order to impart sufficient thermal conductivity and heat dissipation properties to the thermally conductive material, the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group is preferably 0.5 to 50 mass%, and more preferably 0.8 to 40 mass%, of the total amount of the thermally conductive material taken as 100 mass%.
また、熱伝導材料に十分な熱伝導性及び放熱性を付与するため、薄片状カーボン100質量部に対して、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量を1~100質量部とすることが好ましく、2~80質量部とすることがより好ましい。 In addition, to provide the thermal conductive material with sufficient thermal conductivity and heat dissipation properties, the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinitive hydrophobic group is preferably 1 to 100 parts by mass, and more preferably 2 to 80 parts by mass, per 100 parts by mass of flaky carbon.
なお、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量が少ない場合には、本発明の熱伝導材料は、薄片状カーボンの表面に親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物が被覆されている構成を有する。一方、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量が多い場合には、本発明の熱伝導材料は、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物中に薄片状カーボンが分散している構成を有する。いずれの場合も、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物が薄片状カーボンの周囲に介在することで、薄片状カーボンの凝集を抑制し、熱伝導性及び放熱性に優れた材料を得ることができる。 When the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group is low, the thermally conductive material of the present invention has a configuration in which the surface of the flaky carbon is coated with an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group. On the other hand, when the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group is high, the thermally conductive material of the present invention has a configuration in which the flaky carbon is dispersed in the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group. In either case, the presence of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group around the flaky carbon suppresses aggregation of the flaky carbon, resulting in a material with excellent thermal conductivity and heat dissipation properties.
(1.3.ナノファイバー)
本発明の熱伝導材料には、ナノファイバーが含まれる。当該ナノファイバーとしては、セルロース又はセルロース誘導体といった、セルロース系のナノファイバーを使用する。
(1.3. Nanofibers)
The thermally conductive material of the present invention includes nanofibers, and the nanofibers used are cellulose-based nanofibers such as cellulose or cellulose derivatives.
薄片状カーボンと共にセルロース系のナノファイバーを使用することは、セルロースの疎水基に薄片状カーボンが吸着され、容易且つ均一に複合化することが可能であるという点で、樹脂系熱伝導材料に対して優位性がある。 Using cellulose-based nanofibers together with flake carbon has an advantage over resin-based thermal conductive materials in that the flake carbon is adsorbed onto the hydrophobic groups of the cellulose, allowing for easy and uniform compounding.
つまり、ナノファイバーと分散性の高い薄片状カーボンを用いることで、広大な表面積に均一に薄片状カーボンが吸着され、熱はナノファイバーに沿って薄片状カーボンが伝え、ナノファイバー自体も熱伝導を補助する。そして、電気は薄片状カーボンが断続的に吸着される状態を作れば流れないという状態を作ることも可能である。 In other words, by using nanofibers and highly dispersible flaky carbon, the flaky carbon is adsorbed evenly over a large surface area, heat is transferred by the flaky carbon along the nanofibers, and the nanofibers themselves also assist in thermal conduction. Furthermore, by creating a state in which the flaky carbon is adsorbed intermittently, it is possible to create a state in which electricity does not flow.
逆に、ナノファイバーを使わない場合は、小さい表面積に薄片状カーボンが密に吸着されるため導電性が出てしまう。また、分散性の高い薄片状カーボンを使用しない場合、ナノファイバーとカーボンを均一に複合できず、偏在化したカーボンが導電してしまう。 Conversely, if nanofibers are not used, the flaky carbon will be densely adsorbed onto a small surface area, resulting in conductivity. Furthermore, if highly dispersible flaky carbon is not used, the nanofibers and carbon cannot be uniformly combined, and the unevenly distributed carbon will become conductive.
熱伝導材料の強度を重視する場合、セルロース系のナノファイバーとしてセルロースナノファイバーを使用することが好ましい。さらに高い熱伝導率及び高強度の熱伝導材料が必要な場合は、セルロース純度が高い、溶解パルプ(ヘミセルロースやリグニンを精製により除去したもの)、コットン、及びコットンリンターパルプなどを用いることができる。 When the strength of the thermally conductive material is important, it is preferable to use cellulose nanofibers as cellulose-based nanofibers. If a thermally conductive material with even higher thermal conductivity and strength is required, materials with high cellulose purity, such as dissolving pulp (from which hemicellulose and lignin have been purified), cotton, and cotton linter pulp, can be used.
熱伝導材料の均一性を重視する場合は、セルロースを親水化したセルロース誘導体を用いることが好ましい。メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース塩、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、及びヒドロキシプロピルメチルセルロースが例示できる。 When uniformity of the thermally conductive material is important, it is preferable to use a cellulose derivative obtained by hydrophilizing cellulose. Examples include methyl cellulose, carboxymethyl cellulose salt, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, and hydroxypropyl methyl cellulose.
熱伝導材料の強度を向上させるためには、カルボキシメチルセルロース塩(Na、K、NH4などの塩)を使用することが好ましい。一方、薄片状カーボンとの親和性を向上させるためには、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースを使用することが好ましい。また、流動性を重視する場合には、同じセルロース(誘導体)でも、セルロース部分が低分子量(重合度)のものを使用することが好ましく、強度重視の場合は高分子量のものを使用することが好ましい。 To improve the strength of the thermal conductive material, it is preferable to use carboxymethyl cellulose salts (salts of Na, K, NH4, etc.). On the other hand, to improve affinity with flaky carbon, it is preferable to use hydroxypropyl cellulose or hydroxypropyl methyl cellulose. Furthermore, if fluidity is a priority, it is preferable to use the same cellulose (derivative) with a low molecular weight (degree of polymerization) of the cellulose portion, while if strength is a priority, it is preferable to use a high molecular weight.
(1.4.その他の成分)
本発明の熱伝導材料において、薄片状カーボン並びに、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物以外にも、他の成分を含ませてもよい。このような他の成分としては、例えば、カーボンファイバー(特に繊維径500nm以下のカーボンナノファイバー)、活性炭、カーボンブラック(アセチレンブラック、オイルファーネスブラック等;特に導電性が高く、比表面積が大きいケッチェンブラック)、ガラス状カーボン、カーボンマイクロコイル、フラーレン、バイオマス系炭素材料(バガス、ソルガム、木くず、おがくず、竹、木皮、稲ワラ、籾殻、コーヒーかす、茶殻、おからかす、米糠、パルプくず等を原料としたもの;リグニンから製造したカーボンファイバー等)、セルロースナノファイバー、窒化ホウ素、モリブデン化合物(二硫化モリブデン、有機モリブデン等)、二硫化タングステン、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等)、メラミンシアヌレート、フタロシアニン、酸化鉛、フッ化カルシウム、層状鉱物(マイカ、タルク等)等を、本発明の効果を損なわない範囲で使用することもできる。
(1.4. Other Ingredients)
The thermally conductive material of the present invention may contain other components in addition to the flaky carbon and the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinic hydrophobic group. Examples of such other components include carbon fiber (particularly, carbon nanofibers having a fiber diameter of 500 nm or less), activated carbon, carbon black (acetylene black, oil furnace black, etc.; particularly, ketjen black, which has high conductivity and a large specific surface area), glassy carbon, carbon microcoils, fullerene, biomass-based carbon materials (materials made from bagasse, sorghum, wood chips, sawdust, bamboo, bark, rice straw, rice husks, coffee grounds, used tea leaves, soybean pulp refuse, rice bran, pulp waste, etc.; carbon fiber produced from lignin, etc.), cellulose nanofibers, boron nitride, molybdenum compounds (molybdenum disulfide, organic molybdenum, etc.), tungsten disulfide, fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), etc.), melamine cyanurate, phthalocyanine, lead oxide, calcium fluoride, and layered minerals (mica, talc, etc.).
ただし、樹脂中に分散させやすく、塗布する際の塗膜の均一性、密着性等をさらに向上させる観点からは、他の成分の含有量は少ないことが好ましく、本発明の熱伝導材料の総量を100質量%として、0.01~10質量%とすることが好ましく、0.02~5質量%とすることがより好ましい。 However, from the standpoint of making it easier to disperse in the resin and further improving the uniformity and adhesion of the coating film when applied, it is preferable that the content of other components is low. Taking the total amount of the thermal conductive material of the present invention as 100% by mass, it is preferably 0.01 to 10% by mass, and more preferably 0.02 to 5% by mass.
本発明の熱伝導材料の形状としては、特に制限はなく、塗膜、シート、塊状体、繊維等を挙げることができる。 The shape of the thermally conductive material of the present invention is not particularly limited, and examples include a coating film, sheet, block, fiber, etc.
本発明の熱伝導材料は、上記のとおり、熱伝導性に優れるのみならず、放熱性にも優れた材料である。このため、本発明の熱伝導材料は、熱伝導性に優れるのみならず、加熱された後に放熱することでよりすばやく放熱して温度を冷却することが可能である。このため、本発明の熱伝導材料は、熱伝導性放熱材料としても機能し得る。 As described above, the thermally conductive material of the present invention is a material that not only has excellent thermal conductivity but also excellent heat dissipation properties. Therefore, the thermally conductive material of the present invention not only has excellent thermal conductivity, but is also able to dissipate heat more quickly after being heated, thereby cooling the temperature. Therefore, the thermally conductive material of the present invention can also function as a thermally conductive heat dissipation material.
本発明の熱伝導材料は、熱伝導性及び放熱性に優れることから、電子材料用熱伝導グリース、電子材料用放熱塗料、電子材料用熱伝導ゴム、LED用放熱塗料、ヒートシンク用塗料、各種熱交換器用コーティング等の用途に用いることができる。また、セルロースもしくはセルロース誘導体を加えることで、自立した膜を作製することもできる。 The thermally conductive material of the present invention has excellent thermal conductivity and heat dissipation properties, and can be used in applications such as thermally conductive grease for electronic materials, thermally conductive paint for electronic materials, thermally conductive rubber for electronic materials, thermally conductive paint for LEDs, paint for heat sinks, and coatings for various heat exchangers. Furthermore, by adding cellulose or a cellulose derivative, it is possible to produce a free-standing film.
(2.熱伝導材料の製造方法)
本発明は、熱伝導材料の製造方法に関する発明を含む。本発明の熱伝導材料の製造方法に関する発明は、薄片状カーボン100質量部に対し、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を1~100質量部含有する薄片状カーボン分散液と、ナノファイバー分散液とを混合する工程を有する。
(2. Method for manufacturing thermally conductive material)
The present invention includes an invention relating to a method for producing a thermally conductive material, which includes a step of mixing a flaky carbon dispersion containing 1 to 100 parts by mass of an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group per 100 parts by mass of flaky carbon with a nanofiber dispersion.
(2.1.薄片状カーボン分散液の製造方法)
薄片状カーボンと、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物と、溶媒とを含有する分散体(薄片状カーボン分散液)において、薄片状カーボンと、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物については、上記した説明を採用することができる。また、薄片状カーボン分散体には、必要に応じて、上記した他の成分を含ませることもできる。
(2.1. Method for producing flaky carbon dispersion liquid)
In a dispersion (flaky carbon dispersion) containing flaky carbon, an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, and a solvent, the above-mentioned explanations can be used for the flaky carbon and the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group. In addition, the flaky carbon dispersion can contain other components as needed.
薄片状カーボン分散液を作製するために使用される溶媒としては、薄片状カーボンの分散性、得られる熱伝導材料の熱伝導性及び放熱性等の観点から、水を主溶媒として用いることが好ましい。 When preparing the flaky carbon dispersion, it is preferable to use water as the main solvent, from the viewpoints of the dispersibility of the flaky carbon, the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting thermal conductive material, etc.
使用する溶媒中の水の含有量は、特に制限されないが、薄片状カーボンの分散性、得られる熱伝導材料の熱伝導性及び放熱性等の観点から、溶媒の総量を100質量%として、70質量%以上(70~100質量%)が好ましく、75~100質量%がより好ましい。 There are no particular restrictions on the water content in the solvent used, but from the perspective of the dispersibility of the flaky carbon and the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting thermal conductive material, the water content is preferably 70% by mass or more (70 to 100% by mass), and more preferably 75 to 100% by mass, of the total amount of solvent taken as 100% by mass.
なお、本発明において、溶媒としては、水のみを使用してもよく、有機溶媒は必ずしも使用しなくてもよいが、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の水への溶解性をより向上させるために、メタノール、エタノール、2-プロパノール、tert-ブチルアルコール等のアルコール;エチレングリコール等のグリコール;グリセリン;2-メトキシエタノール等の有機溶媒を使用してもよい。 In the present invention, only water may be used as the solvent, and organic solvents are not necessarily required. However, to further improve the solubility of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups in water, organic solvents such as alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, and tert-butyl alcohol; glycols such as ethylene glycol; glycerin; and 2-methoxyethanol may be used.
使用する溶媒中の有機溶媒の含有量は、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の溶解度、得られる熱伝導材料の熱伝導性及び放熱性等の観点から、溶媒の総量を100質量%として、30質量%以下(0~30質量%)が好ましく、5~25質量%がより好ましい。 The content of organic solvent in the solvent used is preferably 30% by mass or less (0 to 30% by mass), and more preferably 5 to 25% by mass, based on 100% by mass of the total amount of solvent, taking into consideration the solubility of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, and the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting thermal conductive material.
上記薄片状カーボン分散液において、薄片状カーボンの含有量は、特に制限されない。本発明の熱伝導材料の組成としやすい観点から、薄片状カーボン分散液の総量を100質量%として、20質量%以下が好ましく、0.0001~15質量%がより好ましく、0.001~10質量%がさらに好ましい。 In the above-mentioned flaky carbon dispersion, the content of flaky carbon is not particularly limited. From the viewpoint of facilitating the composition of the thermal conductive material of the present invention, the content is preferably 20% by mass or less, more preferably 0.0001 to 15% by mass, and even more preferably 0.001 to 10% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the flaky carbon dispersion.
さらに、溶媒の含有量は、特に制限されないが、本発明の熱伝導材料の組成としやすい観点から、薄片状カーボン分散液の総量を100質量%として、40~99.9998質量%とすることが好ましく、63~99.998質量%とすることがより好ましく、85~99.98質量%とすることがさらに好ましい。 Furthermore, the solvent content is not particularly limited, but from the perspective of facilitating the composition of the thermal conductive material of the present invention, it is preferably 40 to 99.9998 mass%, more preferably 63 to 99.998 mass%, and even more preferably 85 to 99.98 mass%, of the total amount of the flaky carbon dispersion liquid being 100 mass%.
薄片状カーボン分散液の製造方法は、特に制限されず、例えば、溶媒に対して薄片状カーボン、並びに、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を投入することにより得ることができる。より具体的には、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の分散体に薄片状カーボンを投入することもできるし、薄片状カーボンの分散体に親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を投入することもできる。また、溶媒中に、薄片状カーボン、並びに、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を同時に投入することもできる。 The method for producing a flaky carbon dispersion is not particularly limited, and can be obtained, for example, by adding flaky carbon and an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group to a solvent. More specifically, flaky carbon can be added to a dispersion of an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, or an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group can be added to a dispersion of flaky carbon. Furthermore, flaky carbon and an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group can be added simultaneously to a solvent.
ただし、薄片状カーボンの分散性をより向上させて凝集しにくくし、得られる本発明の熱伝導材料の熱伝導性及び放熱性をさらに高めるためには、回転する回転盤と、前記回転盤と略平行に設置された盤との間に、層状構造を有する炭素質材料(後述する通り、薄片状カーボン製造のための材料である。)と、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物とを含む組成物を設置し、前記回転盤と前記盤との最短距離が200μm以下となるように調整しながら、前記組成物中の炭素質材料に対してせん断処理を施すことが好ましい(磨砕法)。 However, in order to further improve the dispersibility of the flaky carbon, making it less likely to agglomerate, and further enhance the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting thermal conductive material of the present invention, it is preferable to place a composition containing a carbonaceous material with a layered structure (a material for producing flaky carbon, as described below) and an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinitive hydrophobic groups between a rotating turntable and a plate placed approximately parallel to the turntable, and then shear the carbonaceous material in the composition while adjusting the shortest distance between the turntable and the plate to 200 μm or less (grinding method).
せん断処理を施すことにより、層状構造を有する炭素質材料の微粒化が起こるために、条件によってはグラフェン構造を維持できない可能性もあるが、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を効率よく行うことができ、処理時間を低減することができる。このようなせん断処理を施す際の前記回転盤と前記盤とは略平行に設置されているが、厳密に平行でなくてもよい。具体的には、前記回転盤に垂直な軸と、前記盤に垂直な軸とのなす角は10°以下が好ましく、5°以下がより好ましい。なお、前記回転盤に垂直な軸と、前記盤に垂直な軸とが厳密に平行であることが最も好ましい。このようなせん断処理を施す際の二面間の最短距離は、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができるものであれば特に制限はないが、200μm以下が好ましく、1~50μmがより好ましく、2~30μmがさらに好ましい。なお、前記回転盤と前記盤とは略平行に設置されているが、前記回転盤と前記盤との距離は場所によって異なることもある。この場合、前記回転盤と前記盤との最短距離は、前記回転盤と前記盤との間の距離のうち、最も短い箇所の距離を意味する。また、必ずしもあらかじめ前記回転盤と前記盤とを空ける必要はなく、前記回転盤と前記盤との間に処理する材料を挟んでもよく、また、前記回転盤と前記盤とを接触させておき、層状構造を有する炭素質材料が挟まることにより前記回転盤と前記盤との間が広がる状態になってもよい。このようなせん断処理は、盤状のものを回転させる機構があればよく、石臼、振動式ミキサー、スピンコーター、グラインダー等を用いて行い得る。 Shearing treatment results in the atomization of the carbonaceous material having a layered structure. While this may result in the graphene structure not being maintained depending on the conditions, it can efficiently flaking the carbonaceous material having a layered structure and reduce processing time. When performing this shearing treatment, the rotating disk and the disk are arranged approximately parallel to each other, but they do not need to be strictly parallel. Specifically, the angle between the axis perpendicular to the rotating disk and the axis perpendicular to the disk is preferably 10° or less, more preferably 5° or less. It is most preferable that the axis perpendicular to the rotating disk and the axis perpendicular to the disk are strictly parallel. The minimum distance between the two surfaces when performing this shearing treatment is not particularly limited as long as it is sufficient to flaking the carbonaceous material having a layered structure; however, it is preferably 200 μm or less, more preferably 1 to 50 μm, and even more preferably 2 to 30 μm. Although the rotating disk and the disk are arranged approximately parallel to each other, the distance between the rotating disk and the disk may vary depending on the location. In this case, the shortest distance between the turntables refers to the shortest distance between the turntables. Furthermore, it is not necessary to separate the turntables from the platen in advance; the material to be processed may be sandwiched between the turntables and the platen. Alternatively, the turntables and the platen may be brought into contact with each other, and the gap between the turntables and the platen may widen as a result of the layered carbonaceous material being sandwiched between them. Such shearing treatment can be performed using any device that has a mechanism for rotating a plate-shaped object, such as a millstone, a vibration mixer, a spin coater, or a grinder.
この際使用できる前記回転盤と前記盤の大きさは特に制限はなく、5~500mmが好ましく、10~200mmがより好ましい。また、せん断処理を行う際の回転盤の回転数は特に制限はなく、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができる範囲とすることが好ましく、例えば、1000~10000ppmが好ましく、2000~5000ppmがより好ましい。 There are no particular restrictions on the size of the turntable that can be used in this process, but a size of 5 to 500 mm is preferred, and 10 to 200 mm is more preferred. There are also no particular restrictions on the rotation speed of the turntable when performing the shearing process, but it is preferably set within a range that can sufficiently flake the carbonaceous material having a layered structure; for example, 1,000 to 10,000 ppm is preferred, and 2,000 to 5,000 ppm is more preferred.
このようなせん断処理をすることにより、盤と層状構造を有する炭素質材料、層状構造を有する炭素質材料と層状構造を有する炭素質材料を接触させて層状構造を有する炭素質材料に対して層状構造を有する炭素質材料のグラフェン層と平行方向にせん断をかけることができる。 By performing this type of shearing treatment, the plate and the carbonaceous material having a layered structure, and the carbonaceous material having a layered structure and the carbonaceous material having a layered structure can be brought into contact with each other, and shear can be applied to the carbonaceous material having a layered structure in a direction parallel to the graphene layers of the carbonaceous material having a layered structure.
せん断処理における前記回転盤と前記盤との間の最短距離を小さくし、回転盤の回転速度を早くすることにより、条件をより強くすることが可能であり、層状構造を有する炭素質材料の薄片化をより効率よく行うことができ、処理時間をより低減することができる。このせん断操作は、1回以上、好ましくは3回以上行い得る。 By reducing the shortest distance between the rotating discs during shearing and increasing the rotation speed of the rotating discs, it is possible to make the conditions stronger, allowing the layered carbonaceous material to be flaked more efficiently and reducing the processing time. This shearing operation can be performed one or more times, preferably three or more times.
せん断処理を行う温度は特に制限はなく、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができる温度とすればよく、0℃以上、さらに0~100℃、特に20~95℃とし得る。なお、せん断処理を行う温度は、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物の溶解度が高い条件がよく、温度が高いほうが溶解度が増す場合は高温のほうが好ましく、曇点を有する水溶性化合物を使用する場合は曇点以下の温度に保持することが好ましい。 There are no particular restrictions on the temperature at which the shearing treatment is carried out, as long as it is a temperature that can sufficiently exfoliate the carbonaceous material having a layered structure, and it can be 0°C or higher, preferably 0 to 100°C, and particularly 20 to 95°C. The temperature at which the shearing treatment is carried out is preferably one that provides high solubility for organic compounds having hydrophilic groups and hydrophobic groups that have a high affinity for carbon. If higher temperatures increase solubility, higher temperatures are preferred. If a water-soluble compound with a cloud point is used, it is preferable to maintain the temperature below the cloud point.
上記のせん断処理を行う前に、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物とをよく接触させるため、撹拌装置、超音波分散装置等を用いて組成物を作製する前にあらかじめ撹拌し、層状構造を有する炭素質材料表面に、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物をなじませておいてもよい。 Before carrying out the shearing treatment, in order to bring the carbonaceous material having a layered structure into intimate contact with the organic compound having hydrophilic groups and hydrophobic groups that have a high affinity for carbon, the materials may be stirred in advance using a stirring device, ultrasonic dispersion device, or the like before preparing the composition, allowing the organic compound having hydrophilic groups and hydrophobic groups that have a high affinity for carbon to blend with the surface of the carbonaceous material having a layered structure.
なお、本発明において、層状構造を有する炭素質材料として、酸化黒鉛を使用する場合には、上記せん断処理を施した分散体中には、薄片状カーボンの酸化物として存在している。このため、層状構造を有する炭素質材料として、酸化黒鉛を使用する場合には、後処理として還元処理を施すことが好ましい。還元処理としては、化学還元、電気化学還元等、種々の方法が採用できるが、化学還元が好ましい。なかでも、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等のような還元剤による化学還元が好ましい。還元剤量は、薄片状カーボンの酸化物1質量部に対して、0.01~10質量部が好ましく、0.1~5質量部がより好ましく、0.5~3質量部がさらに好ましい。また、還元時に加熱を行うとより還元しやすくなる。加熱温度は、40~200℃が好ましく、50~150℃がより好ましく、60~120℃がさらに好ましい。還元時間は10分~64時間が好ましく、30分~48時間がより好ましく、1~24時間がさらに好ましい。ただし、グラフェン構造が過度に破壊されない程度とすることが好ましい。 In the present invention, when graphite oxide is used as the carbonaceous material having a layered structure, it exists as a flaky carbon oxide in the dispersion after the shearing treatment. Therefore, when graphite oxide is used as the carbonaceous material having a layered structure, it is preferable to perform a reduction treatment as a post-treatment. Various methods, such as chemical reduction and electrochemical reduction, can be used for the reduction treatment, but chemical reduction is preferred. Among these, chemical reduction using a reducing agent such as hydrazine or sodium borohydride is preferred. The amount of reducing agent is preferably 0.01 to 10 parts by mass, more preferably 0.1 to 5 parts by mass, and even more preferably 0.5 to 3 parts by mass, per part by mass of flaky carbon oxide. Furthermore, heating during reduction facilitates reduction. The heating temperature is preferably 40 to 200°C, more preferably 50 to 150°C, and even more preferably 60 to 120°C. The reduction time is preferably 10 minutes to 64 hours, more preferably 30 minutes to 48 hours, and even more preferably 1 to 24 hours. However, it is preferable to do so to the extent that the graphene structure is not excessively destroyed.
上記した製造方法によれば、薄片状カーボンは、上記した薄片状カーボン分散体として得られ得る。この製造方法では、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物を含んでいるため、薄片状カーボン分散体においても、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物が含まれている。この親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物は、薄片状カーボン表面に吸着して溶媒中で薄片状カーボンを高濃度に孤立分散させることも可能であるため、薄片状カーボン分散体においては分散剤としても機能する。また、前記親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物は市販品を用いることができ、コスト及び分散性の両方で従来品より優位性がある。さらに、この親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物は、薄片状カーボン表面に残存することによって、十分な熱伝導性及び放熱性を発揮することができる。 The above-described manufacturing method allows the flaky carbon to be obtained as the above-described flaky carbon dispersion. This manufacturing method contains an organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group with a high affinity for carbon, and therefore the flaky carbon dispersion also contains an organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group with a high affinity for carbon. This organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group with a high affinity for carbon can adsorb to the surface of the flaky carbon and isolate and disperse the flaky carbon at a high concentration in the solvent, thereby functioning as a dispersant in the flaky carbon dispersion. Furthermore, the organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group with a high affinity for carbon can be commercially available, and is superior to conventional products in both cost and dispersibility. Furthermore, this organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group with a high affinity for carbon remains on the surface of the flaky carbon, thereby exhibiting sufficient thermal conductivity and heat dissipation.
また、従来の酸化処理及び還元処理を行う方法においては、還元処理の際にプラスチック基板が加水分解されること、還元処理を施すと薄片状カーボンが凝集するため分散体として存在し得ないこと等から、プラスチック基板上に薄片状カーボン分散体を形成することは不可能であったが、本発明においては、上記親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物を含ませつつ特定の処理を行うことで、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のプラスチック基板が加水分解を受けることなく、薄片状カーボン分散体を基板上に形成することも可能である。 Furthermore, in conventional methods involving oxidation and reduction, it was impossible to form a flaky carbon dispersion on a plastic substrate because the plastic substrate was hydrolyzed during the reduction treatment and the flaky carbon aggregated when the reduction treatment was performed, making it impossible to exist as a dispersion. However, in the present invention, by incorporating an organic compound having the above-mentioned hydrophilic group and a hydrophobic group that has a high affinity for carbon and performing a specific treatment, it is possible to form a flaky carbon dispersion on a plastic substrate such as polyethylene terephthalate (PET) without the substrate being hydrolyzed.
また、薄片状カーボン分散液は、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物とを含む組成物に対して、30MPa以上の加圧処理を行うことによっても製造することができる(高圧分散法)。 Flake-like carbon dispersions can also be produced by applying a pressure of 30 MPa or more to a composition containing a carbonaceous material with a layered structure and an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinitive hydrophobic groups (high-pressure dispersion method).
高圧分散法を採用する場合、上記のとおり、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物とを含む組成物に対して、30MPa以上の加圧処理を行うことが好ましい。 When using the high-pressure dispersion method, as described above, it is preferable to apply a pressure of 30 MPa or more to a composition containing a carbonaceous material having a layered structure and an organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group that has a high affinity for carbon.
加圧処理を施すことにより、層状構造を有する炭素質材料の微粒化が起こるために、条件によってはグラフェン構造を維持できない可能性もあるが、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を効率よく行うことができ、処理時間を低減することができる。このような加圧処理を施す際の加圧レベルは、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができるものであれば特に制限はないが、30MPa以上が好ましく、50~400MPaがより好ましく、100~300MPaがさらに好ましい。このような加圧処理は、高圧分散装置や超臨界水作製装置等を用いて行い得る。高圧分散装置は力学的な圧力をかけることにより分散することができ、超臨界水作製装置においては、水を加熱することにより系の圧力を上げることができる。 Pressure treatment causes the carbonaceous material having a layered structure to become finer. While this may result in the graphene structure not being maintained depending on the conditions, it can efficiently flaking the carbonaceous material having a layered structure and reduce processing time. There are no particular restrictions on the pressure level used when performing this type of pressure treatment, as long as it is sufficient to flaking the carbonaceous material having a layered structure. However, a pressure of 30 MPa or higher is preferred, with 50 to 400 MPa being more preferred, and 100 to 300 MPa being even more preferred. This type of pressure treatment can be performed using a high-pressure dispersion device, a supercritical water production device, or the like. High-pressure dispersion devices can disperse the material by applying mechanical pressure, and supercritical water production devices can increase the pressure of the system by heating the water.
このような加圧により、例えば、
(i)2個以上の前記炭素質材料分散体同士を衝突させること、
(ii)前記炭素質材料分散体と金属又はセラミックス材料(炭化ケイ素、アルミナ等高硬度の材料)とを衝突させること、
(iii)前記炭素質材料分散体を断面積1cm2以下の空間を通過させること
等の処理を行い得る。
Such pressure can, for example,
(i) causing two or more of the carbonaceous material dispersions to collide with each other;
(ii) causing the carbonaceous material dispersion to collide with a metal or ceramic material (a high-hardness material such as silicon carbide or alumina);
(iii) A treatment such as passing the carbonaceous material dispersion through a space having a cross-sectional area of 1 cm2 or less may be carried out.
上記(i)及び(ii)によれば、加圧条件をより強くすることが可能であり、層状構造を有する炭素質材料の薄片化をより効率よく行うことができ、処理時間をより低減することができる。また、上記(iii)によれば、グラフェン構造をより維持しつつ、層状構造を有する炭素質材料の薄片化をより適切に行うことができる。この加圧操作を1回以上、好ましくは10回以上行うことができる。 According to (i) and (ii) above, it is possible to apply stronger pressure conditions, which allows the carbonaceous material having a layered structure to be flaked more efficiently and the processing time to be reduced. Furthermore, according to (iii) above, the carbonaceous material having a layered structure can be flaked more appropriately while better maintaining the graphene structure. This pressure operation can be performed one or more times, preferably ten or more times.
加圧温度は特に制限はなく、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができる温度とすればよく、上記(i)及び(ii)の場合は0~100℃、特に20~95℃とし得る。また、上記(iii)の場合、力学的に圧力をかける場合は、0~100℃が好ましく、水の超臨界状態により圧力を生み出す場合は、373~700℃が好ましく、380~450℃がより好ましい。 There are no particular restrictions on the pressurizing temperature, as long as it is a temperature that can sufficiently exfoliate the carbonaceous material having a layered structure. In the cases of (i) and (ii) above, it can be 0 to 100°C, particularly 20 to 95°C. In the case of (iii) above, if pressure is applied mechanically, 0 to 100°C is preferred, and if pressure is generated by the supercritical state of water, 373 to 700°C is preferred, and 380 to 450°C is more preferred.
なお、前記加圧処理を行う際には、予備処理(前処理)として、超音波分散処理を行い、層状構造を有する炭素質材料の微粒化を行っておくことが好ましい。これにより、目詰まり防止等の効果を有し得る。 When carrying out the pressure treatment, it is preferable to carry out ultrasonic dispersion treatment as a preliminary treatment (pretreatment) to atomize the carbonaceous material having a layered structure. This can have the effect of preventing clogging, etc.
超音波分散処理を施す際の出力は特に制限はないが、層状構造を有する炭素質材料の薄片化の観点から、通常行われる超音波分散処理(40~50W程度)よりも強力なものとすることが好ましい。具体的には、超音波分散処理の出力は、100W以上が好ましく、300~20000Wがより好ましく、400~18000Wがさらに好ましい。 There are no particular restrictions on the output power used in ultrasonic dispersion treatment, but from the perspective of flaking carbonaceous materials having a layered structure, it is preferable to use a power that is more powerful than the power typically used in ultrasonic dispersion treatment (approximately 40 to 50 W). Specifically, the output power of the ultrasonic dispersion treatment is preferably 100 W or more, more preferably 300 to 20,000 W, and even more preferably 400 to 18,000 W.
超音波分散温度は特に制限はなく、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができる温度とすればよく、0~80℃、特に10~70℃とし得る。超音波分散時間は特に制限はなく、層状構造を有する炭素質材料の薄片化を十分に行うことができる時間とすればよく、1~600分、特に3~120分とし得る。 There are no particular restrictions on the ultrasonic dispersion temperature, as long as it is a temperature that can sufficiently exfoliate the carbonaceous material having a layered structure, and it can be 0 to 80°C, particularly 10 to 70°C. There are no particular restrictions on the ultrasonic dispersion time, as long as it is a time that can sufficiently exfoliate the carbonaceous material having a layered structure, and it can be 1 to 600 minutes, particularly 3 to 120 minutes.
また、これらの処理の前処理又は後処理として、通常の機械的撹拌、乳化装置による分散処理、ビーズミルによる分散処理等の他の分散装置による分散処理を併用してもよい。 In addition, as a pre- or post-treatment of these processes, dispersion treatment using other dispersion devices such as conventional mechanical stirring, dispersion treatment using an emulsifier, or dispersion treatment using a bead mill may be used in combination.
なお、本発明において、層状構造を有する炭素質材料として、酸化黒鉛を使用する場合には、上記加圧処理を施した分散体中には、薄片状カーボンの酸化物として存在している。このため、層状構造を有する炭素質材料として、酸化黒鉛を使用する場合には、後処理として還元処理を施すことが好ましい。還元処理としては、化学還元、電気化学還元等、種々の方法が採用できるが、化学還元が好ましい。なかでも、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等のような還元剤による化学還元が好ましい。還元剤量は、薄片状カーボンの酸化物1質量部に対して、0.01~10質量部が好ましく、0.1~5質量部がより好ましく、0.5~3質量部がさらに好ましい。また、還元時に加熱を行うとより還元しやすくなる。加熱温度は、40~200℃が好ましく、50~150℃がより好ましく、60~120℃がさらに好ましい。還元時間は10分~64時間が好ましく、30分~48時間がより好ましく、1~24時間がさらに好ましい。ただし、グラフェン構造が過度に破壊されない程度とすることが好ましい。 In the present invention, when graphite oxide is used as the carbonaceous material having a layered structure, it exists as a flaky carbon oxide in the dispersion that has been subjected to the above-mentioned pressure treatment. Therefore, when graphite oxide is used as the carbonaceous material having a layered structure, it is preferable to perform a reduction treatment as a post-treatment. Various methods, such as chemical reduction and electrochemical reduction, can be used for the reduction treatment, but chemical reduction is preferred. Among these, chemical reduction using a reducing agent such as hydrazine or sodium borohydride is preferred. The amount of reducing agent is preferably 0.01 to 10 parts by mass, more preferably 0.1 to 5 parts by mass, and even more preferably 0.5 to 3 parts by mass, per part by mass of flaky carbon oxide. Furthermore, heating during reduction facilitates reduction. The heating temperature is preferably 40 to 200°C, more preferably 50 to 150°C, and even more preferably 60 to 120°C. The reduction time is preferably 10 minutes to 64 hours, more preferably 30 minutes to 48 hours, and even more preferably 1 to 24 hours. However, it is preferable to do so to the extent that the graphene structure is not excessively destroyed.
なお、得られる本発明の熱伝導性及び放熱性の観点からは、磨砕法が最も好ましい。 In addition, from the viewpoint of the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting product, the grinding method is most preferable.
従来は、湿式法にて薄片状カーボンを作製する場合、薄片状カーボンの酸化物及び水性溶媒を含む水分散体に還元処理を施していたが、この方法ではグラフェン構造を維持することが困難であるとともに、得られる薄片状カーボンが激しく凝集してしまうため、薄片状カーボン水分散体を得ることは困難である。また、安全性の観点でも問題がある。 Conventionally, when producing flaky carbon using a wet method, a water dispersion containing flaky carbon oxide and an aqueous solvent is subjected to a reduction treatment. However, this method makes it difficult to maintain the graphene structure, and the resulting flaky carbon aggregates severely, making it difficult to obtain a flaky carbon water dispersion. There are also safety issues.
高圧処理を行う際には薄片状カーボン水分散液を得ることはできるが、得られる薄片状カーボンが破壊されやすく、製造に時間がかかる傾向があるうえに、剥離し損ねた塊が残存することもある。 When high-pressure treatment is performed, it is possible to obtain a water dispersion of flaky carbon, but the resulting flaky carbon is easily destroyed, production tends to take a long time, and clumps that have not been peeled off may remain.
一方、本発明においては、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を使用することにより、グラフェン構造を維持した薄片状カーボンが凝集することなく、均一分散した状態(薄片状カーボン分散液)で薄片状カーボンを得ることができ、得られる薄片状カーボンも破壊されにくく、短時間で薄片状カーボンを得ることもできるうえに剥離し損ねた塊も残存しにくい。この際、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物は、薄片状カーボンを均一分散させるための分散剤としても機能し得る。 In contrast, in the present invention, by using an organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group, it is possible to obtain flaky carbon that maintains its graphene structure without agglomeration and in a uniformly dispersed state (flaky carbon dispersion liquid).The resulting flaky carbon is also less likely to be destroyed, can be obtained in a short period of time, and is less likely to leave behind any clumps that have not been peeled off.In this case, the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group can also function as a dispersant to uniformly disperse the flaky carbon.
同様に、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量は、特に制限されない。但し、本発明の熱伝導材料の組成としやすいという理由から、薄片状カーボン分散体の総量を100質量%として、0.00001~99.9質量%とすることが好ましく、0.0001~50質量%とすることがより好ましく、0.001~30質量%とすることがさらに好ましい。 Similarly, the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinitive hydrophobic group is not particularly limited. However, because it is easier to formulate the thermal conductive material of the present invention, the content is preferably 0.00001 to 99.9 mass%, more preferably 0.0001 to 50 mass%, and even more preferably 0.001 to 30 mass%, assuming the total amount of flaky carbon dispersion to be 100 mass%.
同様に、上記薄片状カーボン分散体中における親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量は、特に制限されず、本発明の熱伝導材料の組成としやすい観点から、薄片状カーボン100質量部に対して、1~100質量部とすることが好ましく、2~80質量部とすることがより好ましい。 Similarly, the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group in the flaky carbon dispersion is not particularly limited, but from the viewpoint of facilitating the composition of the thermal conductive material of the present invention, it is preferably 1 to 100 parts by mass, and more preferably 2 to 80 parts by mass, per 100 parts by mass of flaky carbon.
なお、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量は、少ないほうが相対的に層状構造を有する炭素質材料の含有量が大きくなり熱伝導性及び放熱性が向上しやすいとともに、安価に処理しやすい。一方、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量が多いほうが薄片化(層間剥離)がより起こりやすいために薄片状カーボンをより効率的に得られる傾向があるが、粘度が高くなると逆に薄片化効率が下がる可能性もある。 Note that the lower the content of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups, the higher the content of carbonaceous material with a layered structure, which tends to improve thermal conductivity and heat dissipation, and makes processing easier and less expensive. On the other hand, the higher the content of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups, the more likely it is that exfoliation (delamination) will occur, and flaky carbon tends to be obtained more efficiently, but higher viscosity may also result in lower exfoliation efficiency.
このため、熱伝導性、放熱性、コスト、薄片化の効率等のバランスの観点から、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量を適宜設定することが好ましい。なお、この製造方法において、炭素質材料分散体を使用する場合は、当該炭素質材料分散体中の親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の含有量を上記範囲内とすることが好ましい。 For this reason, it is preferable to appropriately set the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group from the perspective of balancing thermal conductivity, heat dissipation, cost, exfoliation efficiency, etc. When a carbonaceous material dispersion is used in this manufacturing method, it is preferable to set the content of the organic compound having a hydrophilic group and a carbon-affinity hydrophobic group in the carbonaceous material dispersion within the above range.
また、せん断方法によれば、力のかかる方向が層状構造を有する炭素質材料の面方向と平行であり、且つ、狭い空間で処理するため、従来の高速攪拌、超音波処理、高圧処理等による製造方法と比較して、破壊が少なく、大きめのサイズの薄片状カーボン(例えば、大きさが1μm以上の薄片状カーボン)を得ることができ、剥離の効率がよく短時間(少ないパス回数)で処理を行うことができるとともに、剥離し損ねた厚みのある塊が残りにくい。 Furthermore, with the shearing method, the direction of force application is parallel to the surface direction of the carbonaceous material having a layered structure, and processing is carried out in a narrow space. This results in less breakage and allows for larger-sized flake carbon (e.g., flake carbon with a size of 1 μm or more) to be obtained compared to conventional manufacturing methods using high-speed stirring, ultrasonic treatment, high-pressure treatment, etc., and the peeling is efficient, allowing processing to be carried out in a short time (few passes), while also leaving fewer thick lumps that were not peeled.
上記した層状構造を有する炭素質材料としては、特に制限はされず、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、土状黒鉛、酸化黒鉛等が挙げられる。酸化黒鉛とは、例えば、硫酸、硝酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素等の1種以上の酸化剤により酸化された黒鉛が使用され得る。例えば、ハマーズ法により酸化黒鉛を得る場合には、黒鉛を濃硫酸中に浸し、過マンガン酸カリウムを加えて黒鉛を酸化させた後、反応物を希硫酸及び/又は過酸化水素でクエンチし、その後、蒸留水で洗浄すること等により、炭素原子に酸素原子が結合し、層間に酸素原子が導入されて酸化黒鉛を得ることができる。 The carbonaceous material having the layered structure described above is not particularly limited, and examples include natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, amorphous graphite, and graphite oxide. Graphite oxide can be graphite oxidized with one or more oxidizing agents, such as sulfuric acid, nitric acid, potassium permanganate, and hydrogen peroxide. For example, when obtaining graphite oxide using the Hummers process, graphite is immersed in concentrated sulfuric acid, potassium permanganate is added to oxidize the graphite, and the reaction mixture is quenched with dilute sulfuric acid and/or hydrogen peroxide. The reaction mixture is then washed with distilled water, and oxygen atoms are bonded to the carbon atoms, introducing oxygen atoms between the layers to obtain graphite oxide.
なかでも、酸素等の異種原子を含まない純度の高い薄片状カーボンを得ようとする場合には、黒鉛を原料として用いることが好ましく、天然黒鉛及び膨張黒鉛を用いることがより好ましい。なお、膨張黒鉛を使用する場合は、グラフェン構造の酸化が少ない膨張黒鉛を採用することが好ましい。また、膨張黒鉛を使用する場合は、300~1000℃程度で10秒~5時間程度加熱処理を加えてから用いてもよい。これにより、適度に膨張させた膨張黒鉛とすることも可能である。 In particular, when attempting to obtain highly pure flaky carbon that does not contain heteroatoms such as oxygen, it is preferable to use graphite as the raw material, and it is even more preferable to use natural graphite and expanded graphite. When using expanded graphite, it is preferable to use expanded graphite that has less oxidation of the graphene structure. Furthermore, when using expanded graphite, it may be heat-treated at approximately 300 to 1000°C for 10 seconds to 5 hours before use. This makes it possible to obtain expanded graphite that has been appropriately expanded.
また、製造の容易さを重視する場合には、酸化黒鉛を使用してもよい。酸化黒鉛を使用することにより、層間に溶媒分子が挿入されやすく、層方向にのみ剥離させることが容易であり、薄片化効率及び分散性が向上するため、処理時間をより短くすることが可能である。ただし、酸化黒鉛を使用する場合には、後に還元処理が必要となり、グラフェン構造、導電性及び強度をより維持する観点からは、他の材料(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、土状黒鉛)が好ましい。 Graphite oxide may also be used when ease of production is important. The use of graphite oxide allows solvent molecules to easily intercalate between layers, facilitating exfoliation only in the layer direction, improving exfoliation efficiency and dispersibility, and enabling shorter processing times. However, when graphite oxide is used, a subsequent reduction treatment is required, and from the perspective of better maintaining the graphene structure, conductivity, and strength, other materials (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, amorphous graphite) are preferred.
一方、分散性をより向上させるために、土状黒鉛を採用することも可能である。ただし、結晶性,純度及び構造維持の観点からは、他の材料(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、酸化黒鉛)が好ましい。 On the other hand, amorphous graphite can also be used to further improve dispersibility. However, from the standpoint of crystallinity, purity, and structural maintenance, other materials (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, graphite oxide) are preferred.
また、得られる薄片状カーボンの結晶性、強度、構造維持等を重視する場合には、人造黒鉛を使用することもできる。 In addition, if the crystallinity, strength, and structural integrity of the resulting flaky carbon are important, artificial graphite can also be used.
本発明において、回転する回転盤と,それに対して概平行に設置された盤の間で,二面間の最短距離が200μm以下を保持した状態でせん断を加える処理を行う際の系中における層状構造を有する炭素質材料の含有量は、特に制限されないが、薄片状カーボン分散体を製造するために用いられる組成物の総量を100質量%として、20質量%以下が好ましく、0.0001~15質量%がより好ましく、0.001~10質量%がさらに好ましい。なお、層状構造を有する炭素質材料の含有量は、薄いほうが薄片化(層間剥離)がより起こりやすいために薄片状カーボンをより効率的に得られ、処理回数をより少なくできる傾向があるとともに、粘度を適切に維持してせん断処理等を行いやすい傾向がある。一方、層状構造を有する炭素質材料の含有量が濃いほうがより生産性に優れている。このため、薄片化の効率、粘度、生産性等のバランスの観点から、層状構造を有する炭素質材料の含有量を適宜設定することが好ましい。なお、炭素質材料分散体を使用する場合は、当該薄片状カーボン分散体中の層状構造を有する炭素質材料の含有量を上記範囲内とすることが好ましい。 In the present invention, when shearing is performed between a rotating turntable and a plate placed approximately parallel to it, with the shortest distance between the two surfaces maintained at 200 μm or less, the content of the carbonaceous material having a layered structure in the system is not particularly limited. However, it is preferably 20% by mass or less, more preferably 0.0001 to 15% by mass, and even more preferably 0.001 to 10% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the composition used to produce the flaky carbon dispersion. Note that a thinner content of the carbonaceous material having a layered structure is more likely to cause exfoliation (delamination), resulting in more efficient production of flaky carbon and fewer treatment cycles. It also tends to maintain an appropriate viscosity and facilitate shearing and other processes. On the other hand, a higher content of the carbonaceous material having a layered structure results in better productivity. Therefore, it is preferable to appropriately set the content of the carbonaceous material having a layered structure from the perspective of balancing exfoliation efficiency, viscosity, productivity, and other factors. When using a carbonaceous material dispersion, it is preferable to keep the content of the carbonaceous material having a layered structure in the flaky carbon dispersion within the above range.
上記した薄片状カーボン分散液を製造する際には、上記のとおり、層状構造を有する炭素質材料を、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の共存下で、特定の処理を行うことが好ましいが、層状構造を有する炭素質材料の薄片化効率、得られる薄片状カーボンの熱伝導性、放熱性等の観点から、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物とを含む炭素質材料分散体に対して、特定の処理を行うことが好ましい。 When producing the above-mentioned flaky carbon dispersion, as described above, it is preferable to subject the carbonaceous material having a layered structure to a specific treatment in the presence of an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups. However, from the standpoint of the exfoliation efficiency of the carbonaceous material having a layered structure, the thermal conductivity and heat dissipation properties of the resulting flaky carbon, etc., it is preferable to subject a carbonaceous material dispersion containing the carbonaceous material having a layered structure and an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups to a specific treatment.
溶媒としては、上記したものを採用できる。この際、炭素質材料分散体(炭素質材料分散液又は炭素質材料塗膜)を作製するために使用される溶媒としては、上記したものを採用できる。 The solvents described above can be used. In this case, the solvents used to prepare the carbonaceous material dispersion (carbonaceous material dispersion or carbonaceous material coating) can be used as well.
本発明において、溶媒を使用した炭素質材料分散液を用いて特定の処理を行う場合、炭素質材料分散液中の溶媒の総量は、特に制限されないが、層状構造を有する炭素質材料の薄片化効率、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物の溶解度等の観点から、炭素質材料分散液の総量を100質量%として、40~99.9998質量%とすることが好ましく、63~99.998質量%とすることがより好ましく、85~99.98質量%とすることがさらに好ましい。 In the present invention, when a specific process is performed using a carbonaceous material dispersion liquid containing a solvent, the total amount of solvent in the carbonaceous material dispersion liquid is not particularly limited. However, from the viewpoints of the exfoliation efficiency of the carbonaceous material having a layered structure, the solubility of organic compounds having hydrophilic groups and carbon-affinic hydrophobic groups, and the like, the total amount of the carbonaceous material dispersion liquid is preferably 40 to 99.9998 mass%, more preferably 63 to 99.998 mass%, and even more preferably 85 to 99.98 mass%, taking the total amount of the carbonaceous material dispersion liquid as 100 mass%.
本発明において、溶媒を使用した炭素質材料分散液を用いて特定の処理を行う場合、炭素質材料分散液は、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物分散液に層状構造を有する炭素質材料を投入してもよいし、層状構造を有する炭素質材料分散液に親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物を投入してもよい。また、溶媒中に、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素親和性疎水基を有する有機化合物とを同時に投入してもよい。 In the present invention, when a specific process is performed using a carbonaceous material dispersion using a solvent, the carbonaceous material dispersion may be prepared by adding a carbonaceous material having a layered structure to a dispersion of an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups, or by adding an organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups to a dispersion of a carbonaceous material having a layered structure. Alternatively, the carbonaceous material having a layered structure and the organic compound having hydrophilic groups and carbon-affinity hydrophobic groups may be simultaneously added to the solvent.
本発明において、層状構造を有する炭素質材料と、親水基及び炭素と親和性の高い疎水基を有する有機化合物とを含む組成物(例えば、炭素質材料分散体等)には、他の成分を含ませてもよい。これにより、最終的に得られる薄片状カーボン分散体や熱伝導材料中にも、これら他の成分を含ませることができる。このような他の成分としては、上記したものを採用でき、本発明の効果を損なわない範囲で使用してもよい。ただし、樹脂中に分散させやすく、塗布する際の塗膜の均一性、密着性等をさらに向上させる熱伝導材料を得やすい観点からは、他の成分の含有量は少ないことが好ましく、炭素質材料分散体の総量を100質量%として、0.00001~5質量%が好ましく、0.0001~2質量%がより好ましい。 In the present invention, other components may be included in a composition (e.g., a carbonaceous material dispersion, etc.) containing a carbonaceous material having a layered structure and an organic compound having a hydrophilic group and a hydrophobic group that has a high affinity for carbon. This allows these other components to be included in the final flaky carbon dispersion or thermally conductive material. The above-mentioned components can be used as such other components, and they may be used within a range that does not impair the effects of the present invention. However, from the perspective of easily dispersing these other components in a resin and easily obtaining a thermally conductive material that further improves the uniformity and adhesion of the coating film when applied, it is preferable that the content of these other components is low. Taking the total amount of the carbonaceous material dispersion as 100% by mass, 0.00001 to 5% by mass is preferred, and 0.0001 to 2% by mass is more preferred.
(2.2.ナノファイバー分散液の製造方法)
ナノファイバー分散液の製造に際して、ナノファイバーについては上記したセルロース又はセルロース誘導体からなり、繊維径1~500nmのナノファイバーを使用する。
(2.2. Method for producing nanofiber dispersion)
When producing the nanofiber dispersion, nanofibers made of the above-mentioned cellulose or cellulose derivative and having a fiber diameter of 1 to 500 nm are used.
ナノファイバー分散液における分散媒としては、水、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、およびそれらの混合物を使用することができる。中でも、最も極性が高くナノファイバーとの親和性が高い、かつ1.1に記載の表面に親水基を有する有機物を吸着した薄片状カーボンの分散性を損なわない、および加熱もしくは減圧により除去しやすいという条件を兼ね備えていることから、水を使用することが好ましい。 The dispersion medium for the nanofiber dispersion can be water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, or a mixture thereof. Among these, water is preferred because it has the highest polarity and affinity with nanofibers, does not impair the dispersibility of the flaky carbon having adsorbed organic matter with hydrophilic groups on its surface as described in 1.1, and is easily removed by heating or reducing pressure.
ナノファイバー分散液中のナノファイバーの含有量は、薄片状カーボンとの複合後の溶媒の留去量が少ないという理由、および薄片状カーボンとの配合の自由度が高いという理由から、0.1質量%以上とすることが好ましく、0.5質量%以上とすることがより好ましく、1.0質量%以上とすることがさらに好ましい。 The content of nanofibers in the nanofiber dispersion is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and even more preferably 1.0% by mass or more, because this reduces the amount of solvent that is distilled off after compounding with the flaky carbon and allows for greater flexibility in blending with the flaky carbon.
一方、ナノファイバー分散液の流動性を確保し、薄片状カーボン分散液との混合を容易にするという理由から、ナノファイバー分散液中のナノファイバーの含有量は、10質量%以下とすることが好ましく、7質量%以下とすることがより好ましく、5質量%以下とすることがさらに好ましい。 On the other hand, in order to ensure the fluidity of the nanofiber dispersion and facilitate mixing with the flaky carbon dispersion, the content of nanofibers in the nanofiber dispersion is preferably 10% by mass or less, more preferably 7% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or less.
ただし、混合する薄片状カーボン分散液の溶媒比率が高い場合、ナノファイバー分散液の流動性は必ずしも高い必要がなく、湿潤した固体を用いてもよい。その場合のナノファイバーの含有量は10質量%以上50質量%以下であってよく、好ましくは10質量パーセント以上30質量%以下である。 However, if the solvent ratio of the flaky carbon dispersion to be mixed is high, the fluidity of the nanofiber dispersion does not necessarily need to be high, and a wet solid may be used. In this case, the nanofiber content may be 10% by mass or more and 50% by mass or less, and preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less.
(3.3.薄片状カーボン分散液とナノファイバー分散液を混合する工程)
薄片状カーボンの水分散体とセルロースもしくはセルロース誘導体のナノファイバーの水分散体を混ぜることによって均一な複合体を作製できるが、片方を濾過や遠心分離などによって作製した湿潤した固体を用いてもよい。
(3.3. Step of mixing flaky carbon dispersion and nanofiber dispersion)
A uniform composite can be prepared by mixing an aqueous dispersion of flaky carbon with an aqueous dispersion of nanofibers of cellulose or a cellulose derivative, but it is also possible to use a wet solid prepared by filtration or centrifugation as one of the components.
双方を湿潤固体とし、強いせん断をかけて混合することもできる。 Both can also be made into wet solids and mixed under high shear.
片方もしくは両方の溶媒を有機溶媒に置換した分散液もしくはその湿潤固体を用いてもよく、そのことにより水に不溶の樹脂を添加することができる。 A dispersion or wet solid thereof in which one or both solvents are replaced with an organic solvent may also be used, allowing a water-insoluble resin to be added.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 The above describes embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these examples and can, of course, be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention.
以下、実施例に基づき、本発明の実施形態をより具体的に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。 The following provides a more detailed explanation of embodiments of the present invention based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
500gの天然黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製)、ポリオキシエチレンナフチルエーテル(HLB値17)50g、水10000gを混合し、セラミックグラインダーで1パス処理した。得られた分散液は固形分5.5重量%であり、うち炭素分が5.0質量%であった。同様にコットンリンターパルプ300gと水9700gを混合し、グラインダーで5パス処理し、3wt%のセルロースナノファイバー分散液を作製した。得られた分散液(カーボン5質量%)10gとCNF分散液(セルロース3質量%)16.7gを混合したところ、CNFの表面にカーボンが吸着された。液を濾過し、20MPaで加圧しながら200℃で乾燥することで、カーボン/セルロース=50/50のシートが得られた。熱伝導性を測定したところ67W/m・Kと高い熱伝導性が得られた。
Example 1
500 g of natural graphite (manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd.), 50 g of polyoxyethylene naphthyl ether (HLB value 17), and 10,000 g of water were mixed and processed once in a ceramic grinder. The resulting dispersion had a solids content of 5.5 wt%, of which the carbon content was 5.0 wt%. Similarly, 300 g of cotton linter pulp and 9,700 g of water were mixed and processed five times in a grinder to produce a 3 wt% cellulose nanofiber dispersion. When 10 g of the resulting dispersion (carbon 5 wt%) was mixed with 16.7 g of a CNF dispersion (cellulose 3 wt%), carbon was adsorbed onto the CNF surface. The liquid was filtered and dried at 200°C under a pressure of 20 MPa, resulting in a 50/50 carbon/cellulose sheet. Thermal conductivity was measured and found to be high at 67 W/m·K.
(実施例2)
カーボン/セルロース=5/95とする以外は実施例1と同様にシートを作製した。熱伝導性を測定したところ6W/m・Kと高い熱伝導性が得られた。また、表面抵抗を測定したところ、109Ω/□より大きく、絶縁であった。
Example 2
A sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that the carbon/cellulose ratio was 5/95. When the thermal conductivity was measured, a high thermal conductivity of 6 W/m·K was obtained. Furthermore, when the surface resistance was measured, it was greater than 10 9 Ω/□, indicating insulation.
(実施例3)
カーボン/セルロース=10/90とする以外は実施例1と同様にシートを作製した。熱伝導性を測定したところ10W/m・Kと高い熱伝導性が得られた。また、表面抵抗を測定したところ、109Ω/□より大きく、絶縁であった。
Example 3
A sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that the carbon/cellulose ratio was 10/90. When the thermal conductivity was measured, a high thermal conductivity of 10 W/m·K was obtained. Furthermore, when the surface resistance was measured, it was greater than 10 9 Ω/□, indicating insulation.
(実施例4)
カーボン/セルロース=30/70とする以外は実施例1と同様にシートを作製した。熱伝導性を測定したところ31W/m・Kと高い熱伝導性が得られた。また、表面抵抗を測定したところ、15Ω/□であった。
Example 4
A sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that the carbon/cellulose ratio was 30/70. The thermal conductivity was measured and found to be high at 31 W/m·K. The surface resistance was also measured and found to be 15 Ω/□.
(比較例1)
500gの天然黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製)、タンニン酸50g、水10000gを混合し、セラミックグラインダーで1パス処理した。この液を濃縮し、薄片状炭素を90.9質量%含むパウダーを得た。このパウダー0.55g(薄片状炭素0.50gを含む)と1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル0.23gと硬化剤ヘキサヒドロフタル酸無水物0.22g(合計0.45g)とを乳鉢および自転公転ミルで混合し、150℃でプレス成形することにより、薄片状炭素を50質量%含むシートを得た。熱伝導性を測定したところ19W/m・Kであり、実施例1より低かった。
(Comparative Example 1)
500 g of natural graphite (manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd.), 50 g of tannic acid, and 10,000 g of water were mixed and processed once in a ceramic grinder. The resulting solution was concentrated to obtain a powder containing 90.9% by mass of flaky carbon. 0.55 g of this powder (containing 0.50 g of flaky carbon), 0.23 g of 1,6-hexanediol diglycidyl ether, and 0.22 g of the curing agent hexahydrophthalic anhydride (total: 0.45 g) were mixed in a mortar and a planetary mill and press-molded at 150 °C to obtain a sheet containing 50% by mass of flaky carbon. The thermal conductivity was measured to be 19 W/m·K, lower than that of Example 1.
(比較例2)
CNF分散液(セルロース3質量%)16.7gの代わりに1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル0.23gと硬化剤ヘキサヒドロフタル酸無水物0.22g(合計0.45g)を用いる以外は実施例1と同様に試験を行い、炭素分50質量%を含むシートを得た。熱伝導性を測定したところ30W/m・Kと実施例1よりも低かった。
(Comparative Example 2)
A test was conducted in the same manner as in Example 1, except that 0.23 g of 1,6-hexanediol diglycidyl ether and 0.22 g of the curing agent hexahydrophthalic anhydride (total 0.45 g) were used instead of 16.7 g of the CNF dispersion (cellulose 3% by mass), to obtain a sheet containing 50% by mass of carbon. The thermal conductivity was measured and found to be 30 W/m K, which was lower than that of Example 1.
(比較例3)
CNF分散液(セルロース3質量%)33.3gを濾過し、実施例1と同様にシートを作製し、カーボンスプレーでセルロースに対して約5質量パーセントの炭素を担持した。熱伝導性を測定したところ2W/m・Kと実施例2よりも低かった。また、表面抵抗を測定したところ、9×104Ω/□と導電性であった。
(Comparative Example 3)
33.3 g of the CNF dispersion (cellulose 3% by mass) was filtered, and a sheet was prepared in the same manner as in Example 1. Approximately 5% by mass of carbon relative to the cellulose was supported by carbon spray. The thermal conductivity was measured to be 2 W/m·K, which was lower than that of Example 2. The surface resistance was also measured to be 9×10 4 Ω/□, which was conductive.
(比較例4)
500gの天然黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製)、タンニン酸50g、水10000gを混合し、セラミックグラインダーで1パス処理した。この液を濃縮し、薄片状炭素を90.9質量%含むパウダーを得た。このパウダー0.055g(薄片状炭素0.050gを含む)とビスフェノールAジグリシジルエーテル0.548gと硬化剤ヘキサヒドロフタル酸無水物0.397g(合計0.945g)を乳鉢および自転公転ミルで混合し、150℃でプレス成形することにより、薄片状炭素を5質量%含むシートを得た。熱伝導性を測定したところ1.2W/m・Kであり、実施例2より低かった。また、表面抵抗を測定したところ、1.3×105Ω/□であり、導電性があった。
(Comparative Example 4)
500 g of natural graphite (manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd.), 50 g of tannic acid, and 10,000 g of water were mixed and processed once in a ceramic grinder. The resulting solution was concentrated to obtain a powder containing 90.9% by mass of flaky carbon. 0.055 g of this powder (containing 0.050 g of flaky carbon), 0.548 g of bisphenol A diglycidyl ether, and 0.397 g of curing agent hexahydrophthalic anhydride (total 0.945 g) were mixed in a mortar and a planetary mill and press-molded at 150°C to obtain a sheet containing 5% by mass of flaky carbon. The thermal conductivity was measured to be 1.2 W/m·K, lower than that of Example 2. The surface resistivity was also measured to be 1.3 × 10 5 Ω/□, demonstrating electrical conductivity.
(比較例5)
薄片状炭素を90.9質量%含むパウダー0.11g(薄片状炭素0.10gを含む)とビスフェノールAジグリシジルエーテル0.516gと硬化剤ヘキサヒドロフタル酸無水物0.374gを混合する以外は、比較例4と同様に実験を行い、薄片状炭素を10質量%含むシートを得た。熱伝導性を測定したところ1.3W/m・Kであり、実施例3より低かった。また、表面抵抗を測定したところ、1.2×103Ω/□であり、導電性があった。
(Comparative Example 5)
An experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 4, except that 0.11 g of powder containing 90.9 mass% flaky carbon (containing 0.10 g of flaky carbon), 0.516 g of bisphenol A diglycidyl ether, and 0.374 g of curing agent hexahydrophthalic anhydride were mixed to obtain a sheet containing 10 mass% flaky carbon. The thermal conductivity was measured to be 1.3 W/m·K, which was lower than that of Example 3. The surface resistance was also measured to be 1.2 × 10 3 Ω/□, indicating electrical conductivity.
(比較例6)
薄片状炭素を90.9質量%含むパウダー0.33g(薄片状炭素0.30gを含む)とビスフェノールAジグリシジルエーテル0.388gと硬化剤ヘキサヒドロフタル酸無水物0.282gを混合する以外は、比較例4と同様に実験を行い、薄片状炭素を30質量%含むシートを得た。熱伝導性を測定したところ3.2W/m・Kであり、実施例4より低かった。
(Comparative Example 6)
An experiment was conducted in the same manner as in Comparative Example 4, except that 0.33 g of powder containing 90.9 mass% flaky carbon (containing 0.30 g of flaky carbon) was mixed with 0.388 g of bisphenol A diglycidyl ether and 0.282 g of a curing agent, hexahydrophthalic anhydride, to obtain a sheet containing 30 mass% flaky carbon. The thermal conductivity was measured and found to be 3.2 W/m K, which was lower than that of Example 4.
実施例1と比較例1,2の比較、実施例2と比較例3・比較例4、実施例3と比較例5、実施例4と比較例6の比較から、薄片状炭素とセルロースナノファイバーの組み合わせにより、同じ炭素含有量であっても熱伝導性の高い材料を得ることができる。また、実施例2と比較例4,実施例3と比較例5より、炭素分が少ない場合は、同じ炭素比率でも絶縁かつ高熱伝導の材料を得やすいことがわかった。
Comparisons between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, between Example 2 and Comparative Examples 3 and 4, between Example 3 and Comparative Example 5, and between Example 4 and Comparative Example 6 show that a combination of flaky carbon and cellulose nanofibers can produce a material with high thermal conductivity even with the same carbon content. Furthermore, comparisons between Example 2 and Comparative Example 4, and between Example 3 and Comparative Example 5 show that when the carbon content is low, it is easier to obtain a material with both insulation and high thermal conductivity even with the same carbon ratio.
Claims (6)
ポリオキシエチレンナフチルエーテルと、
セルロース又はセルロース誘導体からなり、繊維径1~500nmのナノファイバーとを含有し、
前記薄片状カーボン/前記ナノファイバーの質量比が5/95~50/50である、熱伝導材料。 flaky carbon having a thickness of 1 to 100 nm;
Polyoxyethylene naphthyl ether ,
Nanofibers made of cellulose or a cellulose derivative and having a fiber diameter of 1 to 500 nm are contained,
A thermally conductive material in which the mass ratio of the flaky carbon to the nanofibers is 5/95 to 50/50 .
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Non-Patent Citations (1)
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| 石黒 稚可子 他,セルロースナノファイバー添加によるグラフェン積層構造への影響と熱伝導解析,第66回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集,2019年,14-057,10p-PA8-19 |
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