JP2022533996A - 二成分型界面材料、界面材料を含む系、及びその方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書の教示に従う組成物は、組成物の熱伝導性を増加させるために1つ以上の充填材を含む。充填材としては、超高伝導性充填材(例えば、約100W/mKの熱伝導性を有する充填材)が挙げられ得るものの、こうした充填材は典型的には摩耗性及び/又は高価である。好ましくは、1つ以上の充填材は、約80W/mK以下、約50W/mK以下、約30W/mK以下、約20W/mK以下、又は約15W/mK以下の熱伝導性を有する1つ以上の伝導性充填材を含むか、本質的にそれからなるか、又は完全にそれからなる。伝導性充填材は、好ましくは、約3W/mK以上、約4W/mK以上、約5W/mK以上、又は約6W/mK以上の熱伝導性を有する。伝導性充填材は、約10+/-10%、約10+/-20%、又は約10+/-30%の熱伝導性によって特性決定され得る。好ましくは、組成物中の超高伝導性充填材の量は、1つ以上の充填材の総重量を基準に約15重量パーセント以下、より好ましくは約4重量パーセント以下、更により好ましくは約1重量パーセント以下、最も好ましくは約0.3重量パーセント以下である。組成物中の超高伝導性充填材の量は、1つ以上の充填材の総重量を基準に、約0.0パーセント以上であり得る。伝導性充填材(すなわち超高伝導性充填材)の量は、1つ以上の充填材の総重量を基準に、約80重量パーセント以上、約85重量パーセント以上、約90重量パーセント以上、約93重量パーセント以上、約96重量パーセント以上、約98重量パーセント以上、約99重量パーセント以上、又は約99.7重量パーセント以上であり得る。伝導性充填材の量は、1つ以上の充填材の総重量を基準に、約100重量パーセント以下であり得る。
1/[(ma/va)+(mb/vb)]。
組成物の高い熱伝導性と組成物を混合及び加工する能力との組み合わせを達成するために、伝導性充填材は、好ましくは広い粒度分布を有する。
多くの充填ポリマー系においては、マトリックス相と充填材相との間に良好な相溶性及び/又は結合を有することが望ましいものの、本出願人は、これらの高度充填組成物に関して、こうした相溶性及び/又は結合が、隣接する充填材粒子の間に組成物の流動を妨げる架橋を生成し得ることを明らかにした。マトリックス相材料は、充填材の表面と結合しないことが好ましい。例えば、共有結合、イオン結合、及び水素結合は、低減されるか、最小化されるか、又は更には完全に回避されてもよい。これは、マトリックス相材料及び伝導性充填材料の選択によって達成することができる。或いは、マトリックス相材料との結合を低減、最小化、又は排除するために、充填材料を1つ以上の表面改質剤で処理してもよい。
熱界面材料のマトリックス相は、典型的には、1つ以上の液状材料を含むか、本質的にそれからなるか、又は完全にそれからなる。例えば、第1の成分、第2の成分、又はその両方のマトリックス相は、室温で液体である1つ以上の材料を含んでもよい。第1の成分、第2の成分、又はその両方中の液状化合物の量は、成分のマトリックス相の総重量を基準に、好ましくは約50重量パーセント以上、より好ましくは約70重量パーセント以上、更により好ましくは約85重量パーセント以上、更により好ましくは約95重量パーセント以上、最も好ましくは約98重量パーセント以上である。第1の成分、第2の成分、又はその両方中の液状化合物の量は、成分のマトリックス相の総重量を基準に約100重量パーセント以下であってよい。マトリックス相は、好ましくは副相(すなわち、組成物の約50容積パーセント以下の量で存在する)であるため、第1の成分、第2の成分、又はその両方中の液状化合物の量は、成分の総重量を基準に好ましくは約50容積パーセント以下である。各成分が崩壊することなく混合され得るように、1つ以上の液体が十分な量で存在するべきである。好ましくは、第1の成分、第2の成分、又はその両方中の1つ以上の液状化合物の重量パーセントは、成分の総重量を基準に、約3重量パーセント以上、約5重量パーセント以上、又は約7重量パーセント以上である。1つ以上の液体は、充填材粒子間の分離が低減され、成分又は組成物全体の熱伝導性が、ASTM5470-12に従い、ZFW Stuttgart製熱界面材料テスター上で測定し、試験を厚さ1.8~1.2mmのSpaltplusモードで実施し、約2.0W/mK以上、約2.5W/mK以上、約2.8W/mK以上、約2.9W/mK以上、又は約3.0W/mK以上であるように十分に少ない量で存在するべきであり、記載される熱界面材料は、ASTM5470-12に記載されるタイプI(粘稠液体)であると考えられ、上部接触部は約40℃に加熱され、下部接触部は約10℃に加熱されて、約25℃の試料温度をもたらす。好ましくは、第1の成分、第2の成分、又はその両方中の1つ以上の液状化合物は、成分の総重量を基準に、約30重量パーセント以下、より好ましくは約25重量パーセント以下、更により好ましくは約20重量パーセント以下、更により好ましくは約15重量パーセント以下、最も好ましくは約13重量パーセント以下である。
多くの充填ポリマー系においては、マトリックス相と充填材相との間に良好な相溶性及び/又は結合を有することが望ましいものの、驚くべきことに、これらの高度充填組成物に関して、こうした相溶性及び/又は結合が、隣接する充填材粒子の間に組成物の流動を妨げる架橋を生成し得ることが明らかになった。マトリックス相材料は、充填材の表面と結合しないことが好ましい。例えば、共有結合、イオン結合、及び水素結合は、低減されるか、最小化されるか、又は更には完全に回避されてもよい。これは、マトリックス相材料及び伝導性充填材料の選択によって達成することができる。或いは、マトリックス相材料との結合を低減、最小化、又は排除するために、充填材料を1つ以上の表面改質剤で処理してもよい。
組成物は、好ましくは、カルバメート含有化合物とカルバメート反応性化合物(ポリアミン含有化合物など)との間の反応を促進するための1つ以上の触媒を含む。触媒は、ルイス酸又はルイス塩基触媒を含んでもよい。ルイス酸触媒は、好ましくは1つ以上の脂肪族基を含む有機金属化合物であってよい。各脂肪族基は、好ましくは、4個以上、6個以上、又は8個以上の炭素原子を含む。有機金属化合物は、好ましくはスズ化合物である。スズ含有ルイス酸触媒の例は、ジオクチルスズジネオデカノエートである。1つ以上の触媒は、アミン触媒を含んでもよい。含んでいるアミン触媒は、好ましくは、脂肪族基、芳香族基、又はその両方を含み得る。アミン触媒の例は、トリス-2,4,6-ジメチルアミノメチルフェノール、又はDABCO(1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン)である。触媒は、カルバメート含有化合物とポリアミンとの間の反応を促進するのに十分な量で使用されるべきである。好ましくは、触媒の量は、総組成物中のマトリックス相の総重量を基準に(又は組成物中の液状材料の総重量を基準に)、約0.05重量パーセント以上、より好ましくは約0.10重量パーセント以上、更により好ましくは約0.20重量パーセント以上、更により好ましくは約0.4重量パーセント以上、最も好ましくは約0.75重量パーセント以上である。好ましくは、触媒の量は、総組成物中のマトリックス相の総重量を基準に(又は組成物中の液状材料の総重量を基準に)、約10重量パーセント以下、より好ましくは約8重量パーセント以下、更により好ましくは約5重量パーセント以下、最も好ましくは約4重量パーセント以下である。
第1の成分、第2の成分、又はその両方の成分は、1つ以上の可塑剤を含んでもよい。可塑剤は、好ましくは、第1の成分のカルバメート基と反応しない化合物である。可塑剤は、好ましくは、第2の成分のアミン基と反応しない化合物である。可塑剤は室温で液体であり、マトリックス相の一部分を形成する。可塑剤は、第1の成分、第2の成分、又はその両方中に、成分のマトリックス相の総重量を基準に約0重量パーセント以上、好ましくは約10重量パーセント以上、より好ましくは約20重量パーセント以上、最も好ましくは約25重量パーセント以上の量で存在してもよい。可塑剤は、第1の成分、第2の成分、又はその両方中に、成分のマトリックス相の総重量を基準に約75重量パーセント以下、好ましくは約65重量パーセント以下、より好ましくは約60重量パーセント以下、最も好ましくは約55重量パーセント以下の量で存在してもよい。
組成物は、任意選択的に、組成物に所定の色彩を提供するための染料、顔料、又はその他の着色剤を含んでもよい。着色剤は、使用される場合、第1の成分、第2の成分、又はその両方に含まれてよい。着色剤は、典型的には、二成分型組成物の総重量を基準に、約1重量パーセント以下、約0.5重量パーセント以下、又は約0.2重量パーセント以下の量で存在する。着色剤は、無希釈材料として提供されてもよく、或いは担体材料(典型的には担体液)と混合されてもよい。担体材料は、好ましくは、第1の成分及び/又は第2の成分中で用いるための本明細書に記載される材料である。例えば、担体材料は、本明細書の教示に従って、エポキシ樹脂、カルバメート含有化合物、可塑剤、ポリオール、触媒、カルバメート反応性化合物、又は表面改質剤であってもよい。
二成分型組成物は、構成要素間の間隙を充填して2つの構成要素間に熱伝導性経路を提供し得るべきである。典型的には、二成分型組成物は、混合後(すなわち熱界面材料)に、構成要素のうちの一方上に配置され、続いてもう一方の構成要素が混合物中に圧入される。熱界面材料の2つの成分のそれぞれが、好ましくは、材料をもう一方の成分と混合することができ、構成要素を混合物中に容易に圧入することができるように、十分低い粘度を有する。二成分型組成物は、混合後は、混合物が適用された領域から流出しないように(例えば、第2の構成要素を混合物中に圧入する前に)、十分高い粘度を有するべきである。成分のうちの一方、又は混合物の粘度は、本明細書に記載される圧入力によって特性決定され得る。好ましくは、第1の成分、第2の成分、混合物、又は任意のこれらの組み合わせは、約1000N以下、約900N以下、約800N以下、約700N以下、約600N以下、約500N以下、又は約400N以下の圧入力(初期、23℃で測定)によって特性決定される。好ましくは、第1の成分、第2の成分、混合物、又は任意のこれらの組み合わせは、約5N以上、約10N以上、約30N以上、約60N以上、約80N以上、約90N以上、又は約100N以上の圧入力(初期、23℃で測定)によって特性決定される。
本明細書の教示に従う材料は、室温及び/又は輸送温度で貯蔵安定性であることが必要となる場合がある。材料の貯蔵安定性は、材料が約55℃の温度に3日間曝露される加速試験によって特性決定され得る。好ましくは、二成分型組成物の各成分は、混合前に約55℃の温度で約3日間エージングした後でさえもその良好な粘度を維持する。具体的には、第1の成分、第2の成分、又はその両方は、55℃で3日間エージングした後で粘度の増加がほとんど又は全くないように選択されるべきである。好ましくは、各成分は、約4.0以下、約3.0以下、約2.0以下、約1.5以下、又は約1.3以下のエージング(例えば55℃で3日間)後圧入力と初期圧入力との比によって特性決定される。典型的には、エージング後圧入力と初期圧入力との比は、約0.5以上、0.75以上、又は約1.0以上であるが、0.5以下の値もまた可能である。エージング(例えば55℃で3日間)後、第1の成分、第2の成分、又はその両方の圧入力は、好ましくは、約1000N以下、約900N以下、約800N以下、約700N以下、約600N以下、約500N以下、又は約400N以下である。
本明細書の教示に従う熱界面材料は、良好な熱伝導性を有するポリマー又はオリゴマー材料を必要とする任意のデバイス又はシステムで用いることができる。図5は、熱界面材料12を含むデバイス10の特徴を例示する図である。デバイスは、デバイスの第1の構成要素14からデバイス10の第2の構成要素16までの熱流20を必要とする場合がある。図5に示すように、熱流は熱界面材料12を通過し得る。デバイスの第2の構成要素16は、第2の構成要素から熱を除去することを可能にする表面20(内部又は外部)を有し得る。
粒度分布。
特に指定のない限り、充填材の粒度分布は、アセトン中のレーザー回折によって測定する。
熱伝導性は、ASTM5470-12に従い、ZFW Stuttgart製熱界面材料テスター上で測定する。試験は厚さ1.8~1.2mmのSpaltplusモードで実施する。記載される熱界面材料は、ASTM5470-12に記載されるタイプI(粘稠液体)であると考えられる。上部接触部は約40℃に加熱され、下部接触部は約10℃に加熱されて、約25℃の試料温度をもたらす。A及びB構成要素は手動カートリッジシステムから適用されるとスタティックミキサで混合される。これが本出願の実施例で用いられる方法である。
圧入力は、張力計(Zwick)で測定する。組成物(例えば間隙充填材料)を、金属表面上に配置する。直径約40mmのアルミニウムピストンを上部に配置し、材料を5mmの初期位置まで圧縮する。続いて、材料を約1mm/秒の速度で5mmから0.3mmまで圧縮し、力-たわみ曲線を記録する。続いて厚さ0.5mmにおける力(N)をデータテーブルに記録し、これを圧入力とみなす。低い粘度を有する材料は、700N以下の圧入力を有する。高粘度の材料は、700N超、又は約800N以上の圧入力を有する。低い粘度を有する材料は、好ましくは、約600N以下、更により好ましくは約500N以下、最も好ましくは約400N以下の圧入力を有する。
組成物を混合する能力を、滑らかな表面を有する材料の単一の塊を生成する能力によって判定した。こうした材料は「良好な」混合を有する。表面が粗く、且つ/又はミキサーから除去すると材料が崩壊する場合は、混合は不良である。
カルバメートプレポリマー1は、表2に示す組成物を用いて調製する。カルダノール及びポリイソシアネートプレポリマー1を反応器に添加し、連続的に混合しながら約60℃に加熱する。続いてジブチルスズジラウレート触媒を添加し、約80℃の温度の窒素下で約45分間反応を実施する。45分後、真空を10分間適用してから、反応器を室温に冷却する。反応生成物(カルバメートプレポリマー1)は、表2に示す以下の特性を有する。ポリウレタンプレポリマーの分子量データを、Malvern Viscotek GPC max装置を用いたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって測定した。EMSURE-THF(ACS,Reag.Ph EUR、分析用)を溶出剤として用い、PL GEL MIXED D(Ailent、300×7.5mm、5μm)をカラムとして用い、MALVERN Viscotek TDAを検出器として用いた。
Claims (27)
- i)少なくとも、
a)2つ以上のカルバメート基を含むプレポリマーを含む第1の成分と、
ii)少なくとも、
b)前記プレポリマーと反応が可能な1つ以上のポリアミン化合物を含む第2の成分と、を含む、熱界面材料用二成分型組成物であって、
前記組成物は、
c)前記プレポリマーと前記ポリアミン化合物との間の反応を触媒するための1つ以上の触媒と、
d)前記二成分型組成物の総重量を基準に50重量パーセント以上の1つ以上の伝導性充填材と、を含む、二成分型組成物。 - 前記プレポリマーは、芳香族ポリイソシアネートプレポリマーのイソシアネート基のうちの1つ以上(好ましくは前記イソシアネート基のほぼそれぞれ、又は完全にそれぞれ)をブロック化化合物のフェノール基でブロック化することによって形成される、請求項1に記載の二成分型組成物。
- 前記ブロック化化合物は、直鎖炭化水素に結合した末端フェノール基(好ましくは単一の末端フェノール基)を含む(好ましくは、前記直鎖炭化水素は6個以上、8個以上、10個以上、又は12個以上の炭素原子を含む)(好ましくは、前記直鎖炭素は60個以下、30個以下、又は20個以下の炭素原子を含む)、請求項2に記載の二成分型組成物。
- 前記1つ以上のポリアミン、前記プレポリマー、又はその両方が、2超の平均官能性を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記1つ以上の熱伝導性充填材が、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、アルミニウム粉、酸化亜鉛、窒化ホウ素、及び/又はこれらのいずれかの混合物から選択される充填材を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記1つ以上の熱伝導性充填材が、水酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、及び/又はこれらのいずれかの混合物から選択される充填材を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記1つ以上の熱伝導性充填材は水酸化アルミニウムである、請求項1~4のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記1つ以上の伝導性充填材は水酸化アルミニウムを含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記第1の成分は75重量パーセント以上の水酸化アルミニウムを含み、前記第2の成分は75重量パーセント以上の水酸化アルミニウムを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記水酸化アルミニウムの表面が、前記表面の親水性を低減するために表面改質剤で部分的又は完全にコーティングされている、請求項1~9のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物が、約3以上のD90/D50比を含む広い粒度分布を有する水酸化アルミニウムを含み、前記粒度は、分散媒としてピロリン酸4ナトリウム10水和物の2.24×10-3M溶液(1000mlの脱イオン水中に1gのNa4P2O7×10H2O)を用いてISO13320に従って測定される、請求項1~10のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物が1つ以上の可塑剤を含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物が脂肪酸又は脂肪酸のエステルを含む、請求項1~12のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物が前記第1の成分中にエポキシ樹脂を含み、好ましくは、前記プレポリマーと前記エポキシ樹脂との重量比が、約0.5以上、より好ましくは約0.8以上、更により好ましくは約1.0以上である(好ましくは、前記プレポリマーと前記エポキシ樹脂との重量比が、約10以下、約5以下、又は約4以下である)、請求項1~13のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物がイソシアネート含有化合物を実質的に含まない(例えば、前記第1の成分のNCOの量が、好ましくは前記第1の成分の総重量を基準に約0.10重量パーセント以下、約0.05重量パーセント以下、又は約0.01重量パーセント以下である)、請求項1~14のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記第1の成分中の前記カルバメート基と前記第2の成分中の前記アミン基とのモル比が、約0.1以上、約0.2以上、約0.3以上、約0.4以上、約0.5以上、若しくは約0.6以上、及び/又は約10以下、約5.0以下、約3.5以下、約2.5以下、約2.0以下、若しくは約1.7以下である、請求項1~15のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記第1の成分が炭酸カルシウムを含む(好ましくは、前記第1の成分の総重量を基準に、約0.1重量パーセント以上、より好ましくは約0.5重量パーセント以上、最も好ましくは約1.0重量パーセント以上の量で)、請求項1~16のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記触媒はルイス酸又はルイス塩基である、請求項1~17のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記触媒はスズ触媒である、請求項1~18のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記触媒はアミン触媒である、請求項1~18のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記触媒はDABCO(1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン)である、請求項1~20のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記第1の成分が前記触媒の一部又は全部を含む、請求項1~21のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記組成物が、ASTM5470-12に従い、ZFW Stuttgart製熱界面材料テスター上で測定して約2.0W/mK以上(好ましくは約2.5以上、より好ましくは約2.8以上、更により好ましくは約2.9以上、及び最も好ましくは約3.0以上)の熱伝導性によって特性決定され、試験は厚さ1.8~1.2mmのSpaltplusモードで実施され、前記記載される熱界面材料は、ASTM5470-12に記載されるタイプI(粘稠液体)であると考えられ、上部接触部は約40℃に加熱され、下部接触部は約10℃に加熱されて、約25℃の試料温度をもたらす、請求項1~22のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記二成分型組成物は室温で硬化する(好ましくは、混合後24時間のエージング後に約100%以上の圧入力の増加によって特性決定して)、請求項1~23のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 前記第1の成分は貯蔵安定性である(例えば、55℃で3日間のエージング後に700N未満の前記第1の成分の圧入力によって特性決定して)、請求項1~24のいずれか一項に記載の二成分型組成物。
- 熱を発生させる第1の構成要素、熱を除去するための第2の構成要素、及び前記第1の構成要素と前記第2の構成要素との間に挟入された熱界面材料の層であって、前記熱界面材料は前記第1の構成要素から前記第2の構成要素に熱を移動させるための経路を提供し、且つ請求項1~25のいずれか一項に記載の二成分型組成物から形成される、層、を含む、物品。
- 第1の構成要素と第2の構成要素との間に熱界面材料の層を配置する工程と、前記熱界面材料が前記第1の構成要素及び前記第2の構成要素の両方と接触して前記2つの構成要素間の間隙を充填するように圧力を加える工程とを含み、前記熱界面材料は、請求項1~25のいずれか一項に記載の二成分型組成物から形成される、方法。
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