JP2015127364A - Nanodiamond containing composite and method for producing the same - Google Patents
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- Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
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Abstract
Description
本発明は、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を製造する方法、及びナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤を含む組成物に関する。本発明はさらに、ナノダイヤモンド含有熱複合体を製造する方法、及びナノダイヤモンド材料、少なくとも1種類の充填剤及び少なくとも1種類のポリマーを含むナノダイヤモンド含有熱複合体に関する。 The present invention relates to a method for producing a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material, and to a composition comprising a nanodiamond material and at least one filler. The present invention further relates to a method for producing a nanodiamond-containing thermal composite and a nanodiamond-containing thermal composite comprising a nanodiamond material, at least one filler and at least one polymer.
ナノダイヤモンド(ND)は超ナノ結晶ダイヤモンドまたは超分散ダイヤモンド(UDD)とも呼ばれており、爆轟(デトネーション)合成によって数百kgを製造することのできる特別なナノ材料である。これらナノダイヤモンドは、爆轟ナノダイヤモンドと呼ばれる。 Nanodiamond (ND), also called ultra-nanocrystalline diamond or ultradispersed diamond (UDD), is a special nanomaterial that can produce hundreds of kilograms by detonation synthesis. These nanodiamonds are called detonated nanodiamonds.
合成ナノダイヤモンドは公知のいくつかの方法(例えば化学蒸着法や高圧法)で製造することができる。 Synthetic nanodiamond can be produced by several known methods (for example, chemical vapor deposition and high pressure).
爆轟ナノダイヤモンドは、ソビエト連邦の研究者により、爆発性の強い混合物を非酸化媒体中で酸素欠乏状態にして爆発的に分解させることによって1963年に初めて合成された。典型的な爆発性混合物はトリニトロトルエン(TNT)とヘキソーゲン(RDX)の混合物であり、TNT/RDXの好ましい重量比は40/60である。 Detonated nanodiamonds were first synthesized by researchers in the Soviet Union in 1963 by explosively decomposing a highly explosive mixture in an oxygen-deficient state in a non-oxidizing medium. A typical explosive mixture is a mixture of trinitrotoluene (TNT) and hexogen (RDX), with a preferred TNT / RDX weight ratio of 40/60.
爆轟合成の結果として、ダイヤモンドを含む煤(爆轟混合物とも呼ばれる)が得られる。この混合物は、平均粒子サイズの典型値が約2〜8nmのナノダイヤモンド粒子と、爆轟室の材料と使用した爆発物に由来する金属類と金属酸化物粒子で汚染されたさまざまな種類の非ダイヤモンド炭素を含んでいる。爆轟混合物に含まれるナノダイヤモンドの含有量の典型値は30〜75重量%である。 As a result of detonation synthesis, a soot containing diamond (also called detonation mixture) is obtained. This mixture consists of nanodiamond particles with a typical average particle size of about 2 to 8 nm, and various types of non-contaminated materials with metal and metal oxide particles derived from detonation chamber materials and explosives used. Contains diamond carbon. A typical value for the content of nanodiamond contained in the detonation mixture is 30-75% by weight.
爆轟によって得られたナノダイヤモンド含有混合物は、直径の典型値が1mmを超える複数の同じ硬い塊を含んでいる。そのような塊は壊すのが難しい。それに加え、その混合物の粒子サイズ分布は非常に広く、一般に数十ミクロンにわたる。 The nanodiamond-containing mixture obtained by detonation contains a plurality of identical hard masses with a typical value of diameter exceeding 1 mm. Such lumps are difficult to break. In addition, the particle size distribution of the mixture is very wide, generally extending over tens of microns.
ダイヤモンドの炭素はsp3炭素を含んでおり、ダイヤモンドでない炭素は主としてsp2炭素種(例えばカーボン・オニオン、炭素フラーレン・シェル、アモルファス炭素、グラファイト炭素や、これらの任意の組み合わせ)を含んでいる。 Diamond carbon includes sp 3 carbon, and non-diamond carbon mainly includes sp 2 carbon species (eg, carbon onion, carbon fullerene shell, amorphous carbon, graphite carbon, or any combination thereof).
爆轟混合物を精製するには多数の方法がある。精製段階は、ナノダイヤモンドの製造において最も複雑で最も費用がかかる段階であると考えられている。 There are many ways to purify detonation mixtures. The purification step is considered to be the most complex and most expensive step in the production of nanodiamonds.
最終的なダイヤモンド含有生成物を分離するため、その材料中に存在する不純物を溶かしたり気化させたりするための化学的操作が組み合わせて利用される。不純物は一般に2種類である。すなわち非炭素(金属酸化物、塩など)と、ダイヤモンドとは異なる形態の炭素(グラファイト、カーボン・ブラック、アモルファス炭素)である。 In order to separate the final diamond-containing product, a combination of chemical operations is used to dissolve or vaporize impurities present in the material. There are generally two types of impurities. That is, non-carbon (metal oxide, salt, etc.) and carbon in a form different from diamond (graphite, carbon black, amorphous carbon).
化学的精製技術は、ダイヤモンドの形態の炭素とダイヤモンドでない形態の炭素が酸化剤に対して異なる安定性を有することに基づく。液相の酸化剤は、気体系または固体系よりも有利である。なぜなら液相の酸化剤は反応領域において反応物の濃度をより大きくでき、したがって反応速度をより大きくできるからである。 The chemical purification technique is based on the fact that diamond form carbon and non-diamond form carbon have different stability to oxidants. Liquid phase oxidants are advantageous over gaseous or solid systems. This is because the liquid-phase oxidant can increase the concentration of reactants in the reaction region, and thus increase the reaction rate.
近年、爆轟ナノダイヤモンドは、めっき(電界めっきと無電解めっきの両方)、研磨、ポリマー製のさまざまな機械複合体と熱複合体、CVDの種、油や潤滑剤の添加物での既存のいくつかの用途のほか、蛍光イメージング、ドラッグ・デリバリー、量子エンジニアリングといった可能な新たな用途があるため、ますます注目されるようになっている。爆轟ナノダイヤモンドの利用可能性は、例えば粉砕や篩によるミクロン・サイズのダイヤモンドに由来するナノダイヤモンドとは異なり、爆轟ナノダイヤモンドの外面がさまざまな表面官能基で覆われていることに基づく。 In recent years, detonation nanodiamonds have been pre-existing in plating (both electroplating and electroless plating), polishing, various mechanical and thermal composites made of polymers, CVD seeds, oils and lubricant additives In addition to several applications, there is an increasing interest due to the possible new applications such as fluorescence imaging, drug delivery and quantum engineering. The availability of detonation nanodiamonds is based on the outer surface of detonation nanodiamonds being covered with various surface functional groups, unlike nanodiamonds derived from micron-sized diamonds, for example by grinding and sieving.
最近、熱を管理するためポリマーでナノダイヤモンドを用いることが研究されている。 Recently, the use of nanodiamonds in polymers to manage heat has been studied.
例えば電子デバイスや電子回路で発生する熱を散逸させることで、信頼性を向上させ、早すぎる故障を防止する必要がある。熱の散逸技術として、ヒート・シンク、空気冷却ファンや、他の形態の冷却として例えば液冷が可能である。ヒート・シンクは、用途に応じて金属やセラミック材料で製造できるが、ときにはポリマー材料で製造することもできる。後者は、一般に、熱インターフェイス材料であるシリコーンやエポキシドのような熱グリースを一般に構成し、回路をデバイス構造そのものの中に接着させるのに用いられる。例えばそのようなデバイスを収容するとき、デバイス全体の熱管理に熱可塑性熱複合体も用いられる。ポリカーボネートとシリコーンもLEDの封止材として用いられる。これは、より効率的な熱管理がますます問題になっている分野でもある。一般に、熱可塑性材料は、いわゆる二次的ポリマーをベースとしたヒート・シンクと、熱インターフェイス材料(TIM)(一次的ポリマーをベースとしたヒート・シンクとも呼ばれる)におけるシリコーンなどの熱硬化性材料で用いられる。 For example, it is necessary to improve reliability and prevent premature failure by dissipating heat generated in electronic devices and electronic circuits. As heat dissipation techniques, heat sinks, air cooling fans, and other forms of cooling, such as liquid cooling, are possible. The heat sink can be made of a metal or ceramic material depending on the application, but sometimes it can also be made of a polymer material. The latter is typically used to construct thermal greases such as silicone and epoxide, which are thermal interface materials, and to bond the circuit into the device structure itself. For example, when housing such devices, thermoplastic thermal composites are also used for thermal management of the entire device. Polycarbonate and silicone are also used as LED encapsulants. This is also an area where more efficient thermal management is increasingly an issue. In general, thermoplastic materials are thermoset materials such as silicones in so-called secondary polymer based heat sinks and thermal interface materials (TIM) (also called primary polymer based heat sinks). Used.
ポリマー材料の使用増加は、デバイスの重量とコストの削減という単純な事実に基づいている。さらに、熱伝導性プラスチックは一般に、例えばアルミニウムよりも小さな熱膨張係数(CTE)を有するため、膨張の違いに起因する応力を減らすことができる。なぜならプラスチックのCTEは、そのプラスチックに接触するケイ素またはセラミックのCTEにより近いからである。熱化合物とケイ素/セラミックの表面の間の接触状態が変化すると、素子の機能と寿命に悪い影響が生じるであろう。ポリマー複合体も成形機能と部品一体化に関して設計の自由度があるため、コストのかかる事後加工処理をなくすことができる。しかしポリマー材料の使用は、その元々の熱伝導特性によって制限される。なぜなら熱伝導率の典型値は約0.2W/m・Kにしかならないからである。 The increased use of polymeric materials is based on the simple fact of reducing device weight and cost. Furthermore, since the thermally conductive plastic generally has a smaller coefficient of thermal expansion (CTE) than, for example, aluminum, stress due to the difference in expansion can be reduced. This is because the plastic CTE is closer to the silicon or ceramic CTE in contact with the plastic. Changes in the contact state between the thermal compound and the silicon / ceramic surface will adversely affect device function and lifetime. Since the polymer composite also has a degree of design freedom regarding the molding function and component integration, costly post-processing can be eliminated. However, the use of polymer materials is limited by its original heat transfer properties. This is because the typical value of thermal conductivity is only about 0.2 W / m · K.
例えばエレクトロニクス用チップの微細化が、集積回路の開発における重要なテーマになっている。エレクトロニクス素子のサイズはより小さくなり、その動作速度はより速くなっているため、そのエレクトロニクス素子から発生する熱をいかにして散逸させて動作中のエレクトロニクス素子の動作性能と安定性を維持するかが研究上の1つのポイントになっている。 For example, miniaturization of electronic chips has become an important theme in the development of integrated circuits. Because electronic devices are smaller in size and faster in operation, how to dissipate the heat generated by the electronic devices to maintain the operational performance and stability of the electronic devices in operation. It is one point in research.
ポリマーの熱伝導特性を改善する方法がいくつか提案されている。電気的絶縁も同時に行なう熱の解決法を用意する場合には、現在の解決法は、さまざまなセラミック粒子(例えばアルミナ、六方晶系窒化ホウ素、立方晶系窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化物(例えば炭化ホウ素)など)の使用に基づいている。断熱と電気的絶縁が同時になされる解決法では、さまざまな形態のグラファイト炭素とアモルファス炭素(例えばグラファイト、グラフェン、炭素繊維、熱分解性炭素、カーボン・ナノチューブ、ミクロン・ダイヤモンド、ミクロン・サイズのダイヤモンドを粉砕し篩にかけることによって得られるナノダイヤモンド)が熱充填剤として用いられる。金属粒子(さまざまなサイズの銀粒子)を用いても高効率の熱管理法が容易に得られる。 Several methods have been proposed to improve the thermal conductivity properties of polymers. When preparing a thermal solution that also provides electrical insulation, current solutions include various ceramic particles (eg, alumina, hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, aluminum nitride, carbides (eg, carbonized). Based on the use of boron). Solutions with simultaneous thermal and electrical insulation include various forms of graphite and amorphous carbon (eg graphite, graphene, carbon fiber, pyrolytic carbon, carbon nanotubes, micron diamonds, micron size diamonds). Nanodiamond obtained by grinding and sieving) is used as a hot filler. Even if metal particles (silver particles of various sizes) are used, a highly efficient thermal management method can be easily obtained.
添加する充填材料をポリマー・マトリックスに均一に分布させることができず、生成するマトリックス中で大きな塊を形成する場合には、添加剤を使用すると、やはり最初の元々のポリマー材料におけるように機械特性と熱特性が劣ったものになる可能性がある。この問題はますます深刻になっているため、既存のポリマー複合体に含まれるさまざまな充填剤の全含有量がますます増えている。さらに、さまざまな無機粒子または金属粒子の含有量が多くなるにつれ、化合物のコストが上昇し、使用する処理具の摩耗が激しくなり、生成される化合物の重量が多くなる。 If the filler material to be added cannot be evenly distributed in the polymer matrix and forms large lumps in the resulting matrix, the use of the additive will still provide mechanical properties as in the original polymer material first. The thermal characteristics may be inferior. As this problem becomes more and more serious, the total content of various fillers in existing polymer composites is increasing. Further, as the content of various inorganic particles or metal particles increases, the cost of the compound increases, the wear of the treatment tool used increases, and the weight of the generated compound increases.
ポリマー系ヒート・シンクの熱伝導率は、使用する材料の熱伝導率だけでなく、親ポリマーと添加する熱粒子表面の境界の熱伝導率にも依存するため、熱粒子表面と親ポリマー材料の間の湿潤効果またはカップリング効果が、受け入れられた化合物の熱伝導率に大きな影響を与える。特に現在のセラミック充填剤と金属充填剤は著しく不活性な表面特性を示すため、親ポリマーへの湿潤化またはカップリングに対する効果が損なわれ、受け入れられた化合物の熱伝導率に悪影響があることが一般に知られている。 The heat conductivity of the polymer heat sink depends not only on the thermal conductivity of the material used, but also on the boundary between the parent polymer and the hot particle surface to be added. The intervening wetting or coupling effect greatly affects the thermal conductivity of the accepted compound. In particular, current ceramic fillers and metal fillers exhibit significantly inert surface properties that can impair the effect of wetting or coupling to the parent polymer and adversely affect the thermal conductivity of the accepted compound. Generally known.
一般に、熱伝導率は、材料の面内方向と面貫通方向の両方で測定される。面内方向熱伝導率は、通常は、面貫通方向熱伝導率よりも大きい。一般に、面内方向熱伝導率を改善するには非等方性充填剤(例えば六方晶系窒化ホウ素、グラファイト)が用いられ、面内方向方向と面貫通方向方向の両方の熱伝導率を改善するには等方性球形充填剤(例えばアルミナ粒子)が用いられる。使用する充填剤は、用途での必要性に応じて選択される。 In general, thermal conductivity is measured in both the in-plane direction and the through-plane direction of the material. The in-plane direction thermal conductivity is usually larger than the in-plane direction thermal conductivity. In general, anisotropic fillers (eg hexagonal boron nitride, graphite) are used to improve in-plane thermal conductivity, improving both in-plane and through-plane thermal conductivity. For this purpose, an isotropic spherical filler (for example, alumina particles) is used. The filler to be used is selected according to the needs in the application.
面内方向熱伝導率と面貫通方向熱伝導率は、レーザー・フラッシュ法によって求めることができる。熱伝導率を測定する別の方法はホット・ディスク法であり、この方法では平均熱伝導率の値だけが求まる。 The in-plane direction thermal conductivity and the in-plane direction thermal conductivity can be obtained by a laser flash method. Another method of measuring thermal conductivity is the hot disk method, which only determines the average thermal conductivity value.
熱複合体の電気的特性は、誘電性または導電性の充填添加物を選択することによって調節が可能である。一般に、熱複合体の全体にフォノンを浸透させるには、添加剤の全含有量は非常に多く、20%から出発するが、80%を超えもする。最も進んだ熱複合体のいくつかは、上記の充填剤を何種類か含むことができる。 The electrical properties of the thermal composite can be adjusted by selecting a dielectric or conductive filler. In general, for the penetration of phonons throughout the thermal complex, the total content of additives is very high, starting from 20% but exceeding 80%. Some of the most advanced thermal composites can contain some of the above fillers.
現在の熱伝導率には上限が存在する。また、充填剤の含有量はすでに極めて多いためにさらに改善することは難しい。充填剤の含有量が多すぎるとポリマー複合体の他の重要な特性(例えば機械特性や重量)が損なわれる。充填剤の装填量がある値を超えると、使用するポリマーはその湿潤化能力を失い、化合物が壊れて粉末または断片化された破片になる。 There is an upper limit to current thermal conductivity. Further, since the content of the filler is already extremely high, it is difficult to further improve. If the filler content is too high, other important properties (eg mechanical properties and weight) of the polymer composite are impaired. When the filler loading exceeds a certain value, the polymer used loses its wetting ability and the compound breaks down into powder or fragmented fragments.
したがって充填材料の一部をナノダイヤモンドで置き換えてポリマー複合体の熱伝導率を改善する試みがなされてきた。 Accordingly, attempts have been made to improve the thermal conductivity of polymer composites by replacing part of the filler material with nanodiamonds.
アメリカ合衆国特許出願公開2010/0022423 A1には、ポリマー材料(ポリマー製グリース)で熱伝導率を向上させるためにナノダイヤモンドを用いることが開示されている。ナノダイヤモンド熱グリースは、ナノダイヤモンド粉末と、熱粉末と、基質を含んでいる。ナノダイヤモンド粉末は体積率が5%〜30%、熱粉末は40%〜90%、基質は5%〜30%である。 US Patent Application Publication 2010/0022423 A1 discloses the use of nanodiamonds to improve thermal conductivity in polymer materials (polymer greases). The nanodiamond thermal grease includes nanodiamond powder, thermal powder, and a substrate. Nanodiamond powder has a volume ratio of 5% to 30%, hot powder 40% to 90%, and substrate 5% to 30%.
アメリカ合衆国特許出願公開2010/0022423 A1に開示されているポリマー製グリースは、ナノダイヤモンドと熱粉末(充填剤)の含有量が多く、基質の含有量が少ない。基質の含有量と比べて充填剤とナノダイヤモンドの含有量が多いため、充填剤の含有量が多いことの欠点が相変わらず存在している。 The polymer grease disclosed in US Patent Application Publication No. 2010/0022423 A1 has a high content of nanodiamonds and hot powder (filler), and a low content of substrate. Since the filler and nanodiamond contents are higher than the substrate content, the disadvantage of having a high filler content still exists.
アメリカ合衆国特許出願公開2010/0022423 A1にはさらに、ナノダイヤモンド熱グリースを製造する方法が開示されている。最初に基質を加熱し、次いでナノダイヤモンド粉末をそのあらかじめ加熱した基質に組み込む。分散剤を用いてナノダイヤモンド粉末を基質に分散させる。基質とナノダイヤモンドの混合物に熱粉末を組み込み、この混合物を混合してナノダイヤモンド熱グリースを形成する。 United States Patent Application Publication 2010/0022423 A1 further discloses a method for producing nanodiamond thermal grease. The substrate is first heated and then the nanodiamond powder is incorporated into the preheated substrate. The nanodiamond powder is dispersed in the substrate using a dispersant. A hot powder is incorporated into the substrate and nanodiamond mixture and the mixture is mixed to form a nanodiamond thermal grease.
アメリカ合衆国特許出願公開2013/0206273 A1には、ポリマー・マトリックス・ナノ複合体と、そのナノ複合体を製造する方法が開示されている。ナノ粒子(例えばナノダイヤモンド)を溶液または分散液にし、ポリマー樹脂マトリックスに噴射または被覆するか、機械で分散させる。ナノ粒子は充填剤粒子(例えば雲母やカーボン・ブラック)と混合してもよい。充填剤とポリマー樹脂の混合と分散は、押し出し、剪断混合、3ロール粉砕などの方法で実現することができる。 United States Patent Application Publication 2013/0206273 A1 discloses a polymer matrix nanocomposite and a method for producing the nanocomposite. Nanoparticles (eg, nanodiamonds) are made into a solution or dispersion and sprayed or coated onto a polymer resin matrix or mechanically dispersed. The nanoparticles may be mixed with filler particles (eg mica or carbon black). Mixing and dispersion of the filler and the polymer resin can be realized by methods such as extrusion, shear mixing, and 3-roll pulverization.
アメリカ合衆国特許出願公開2010/0022423 A1と2013/0206273 A1の方法だと、ナノダイヤモンド粒子と充填剤をポリマー・マトリックスに均一に分布させることが難しい。分布が不均一だと、熱伝導率や機械特性が劣ったものになる。 With the methods of US Patent Application Publication Nos. 2010/0022423 A1 and 2013/0206273 A1, it is difficult to uniformly distribute the nanodiamond particles and the filler in the polymer matrix. If the distribution is not uniform, the thermal conductivity and mechanical properties will be inferior.
H. Ebadi-Dehaghani、M. Nazempour、「ナノ粒子充填ポリマーの熱伝導率」、Smart Nanoparticles Technologies、2012年、519〜540ページには、ナノ粒子を充填したポリマーの熱伝導率が議論されている。ナノサイズの充填材料(例えばグラファイト、窒化ホウ素、カーボン・ナノチューブ)を充填したポリマーの熱伝導率が改善されることが、この刊行物に開示されている。しかしこの刊行物には、ポリマーの熱伝導率を改善するための充填材料としてのナノダイヤモンドは言及されていない。 H. Ebadi-Dehaghani, M. Nazempour, “Thermal conductivity of nanoparticle-filled polymers”, Smart Nanoparticles Technologies, 2012, pp. 519-540 discusses the thermal conductivity of polymers filled with nanoparticles. . It is disclosed in this publication that the thermal conductivity of polymers filled with nano-sized filler materials (eg graphite, boron nitride, carbon nanotubes) is improved. However, this publication does not mention nanodiamond as a filler material to improve the thermal conductivity of the polymer.
上記のことに基づき、熱伝導率は改善されるが他の重要な特性は損なわれないことが好ましいナノダイヤモンド含有熱複合体が必要とされている。熱複合体の全重量を小さくし、複合体の製造に用いる処理具の摩耗を減らす必要のあることが認められている。さらに、特に自動車その他の輸送手段に適用される解決法では、製造される複合体の機械特性を改善することが同時に必要とされている。さらに、自動車その他の輸送手段は電気を供給されるため、その中にあるポリマー熱化合物の重要性がますます大きくなっている。自動車の分野では、特にE-ドライブに関係する解決法と使用するバッテリーの解決法を見いだす必要性が生じている。 Based on the above, there is a need for nanodiamond-containing thermal composites that preferably improve thermal conductivity but do not compromise other important properties. It has been recognized that there is a need to reduce the overall weight of the thermal composite and reduce the wear on the processing tool used to make the composite. In addition, solutions that are particularly applicable to automobiles and other means of transportation require at the same time improving the mechanical properties of the composite produced. In addition, automobiles and other means of transportation are supplied with electricity, so the polymer thermal compounds within them are becoming increasingly important. In the automotive field, there is a need to find solutions, particularly for E-drives and the batteries used.
好ましい場合には、ナノダイヤモンド含有熱複合体は、複合体の全製造コストを低下させつつ、同じか改善された熱特性にする必要がある。したがってナノダイヤモンドの添加が著しく少ないナノダイヤモンド含有熱複合体を利用できねばならない。 In preferred cases, the nanodiamond-containing thermal composite should have the same or improved thermal properties while reducing the overall manufacturing cost of the composite. Therefore, it must be possible to use a nanodiamond-containing thermal composite with significantly less nanodiamond added.
さらに、熱伝導率が改善されたナノダイヤモンド含有熱複合体の製造方法を改善することが必要とされている。ナノダイヤモンド含有熱複合体は、容易かつ安価に製造でき、さまざまな熱用途に容易に適用できる必要もある。 Furthermore, there is a need to improve the process for producing nanodiamond-containing thermal composites with improved thermal conductivity. Nanodiamond-containing thermal composites must be easy and inexpensive to manufacture and must be easily applicable to a variety of thermal applications.
本発明は、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を製造する請求項1の方法に関する。 The present invention relates to the method of claim 1 for producing a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material.
本発明はさらに、熱複合体を含むナノダイヤモンドを製造するための請求項17の方法に関する。 The invention further relates to the method of claim 17 for producing nanodiamond comprising a thermal composite.
本発明はさらに、ナノダイヤモンドと少なくとも1種類の充填剤を含む請求項33の組成物に関する。 The present invention further relates to the composition of claim 33 comprising nanodiamond and at least one filler.
それに加え、本発明は、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤と少なくとも1種類のポリマーを含む請求項47のナノダイヤモンド含有熱複合体に関する。 In addition, the present invention relates to the nanodiamond-containing thermal composite of claim 47 comprising a nanodiamond material, at least one filler, and at least one polymer.
今や驚くべきことに、ナノダイヤモンドを含む分散液または懸濁液を充填剤と接触させ、生成した懸濁液から液体媒体を除去し、得られた組成物をポリマーと混合することにより、熱特性(例えば面内方向熱伝導率と面貫通方向熱伝導率)が改善されたナノダイヤモンド含有熱複合体が得られることが見いだされた。 Surprisingly, the thermal properties are obtained by contacting a dispersion or suspension containing nanodiamond with a filler, removing the liquid medium from the resulting suspension and mixing the resulting composition with a polymer. It has been found that nanodiamond-containing thermal composites with improved (for example, in-plane thermal conductivity and through-plane thermal conductivity) can be obtained.
改善された熱特性は、本発明の方法の複数ステップにより、ナノダイヤモンドを含む分散液または溶液を充填材料と接触させた後、液体媒体を除去することで、ナノダイヤモンド材料が充填材料の表面に接着していて充填材料と親ポリマーの間のカップリング剤として機能する組成物になることに起因する。このようなカップリング効果は、充填材料と親ポリマーの両方に適合したナノダイヤモンドの表面の官能化によって利用可能になる。 The improved thermal properties are achieved by contacting the nanodiamond-containing dispersion or solution with the filler material and then removing the liquid medium by multiple steps of the method of the present invention so that the nanodiamond material is applied to the surface of the filler material. This results from a composition that adheres and functions as a coupling agent between the filler material and the parent polymer. Such a coupling effect is made available by functionalization of the nanodiamond surface adapted to both the filler material and the parent polymer.
今や驚くべきことに、正と負の両方に帯電したナノダイヤモンド材料粒子(例えばアミノ官能化ナノダイヤモンド粒子またはカルボン酸官能化ナノダイヤモンド粒子)は、負のゼータ電位を持つ六方晶系窒化ホウ素などの充填剤粒子の表面に塊を形成することが見いだされた。この現象は、驚くべきことに、程度はより少ないものの、水素を末端に有する極性がより小さいナノダイヤモンド粒子を用いても見られた。 Surprisingly now, both positively and negatively charged nanodiamond material particles (eg, amino-functionalized nanodiamond particles or carboxylic acid-functionalized nanodiamond particles), such as hexagonal boron nitride with negative zeta potential, It has been found that lumps form on the surface of the filler particles. This phenomenon was surprisingly seen even to a lesser extent with the less polar nanodiamond particles terminated with hydrogen.
今や驚くべきことに、グラファイトとアモルファス炭素のマトリックスに埋め込まれたナノダイヤモンドを含むナノダイヤモンド含有混合材料を用いてもグラファイトなどの充填剤粒子の表面に塊が形成され、充填材料と親ポリマーの間にカップリング効果が生じることが見いだされた。この効果は、用いるナノダイヤモンド材料(表面官能化ナノダイヤモンドと、グラファイトとアモルファスの表面官能化マトリックスの両方を含む)の表面の官能化を選択することによって細かい調節が可能である。 Surprisingly, using nanodiamond-containing mixed materials, including nanodiamonds embedded in a matrix of graphite and amorphous carbon, can also form lumps on the surface of filler particles such as graphite, between the filler material and the parent polymer. It has been found that a coupling effect occurs. This effect can be finely tuned by selecting the surface functionalization of the nanodiamond material used (including both surface functionalized nanodiamonds and graphite and amorphous surface functionalized matrices).
本発明のナノダイヤモンド含有熱複合体は、熱エネルギーをより効率的に伝える。なぜならナノダイヤモンド材料と充填剤粒子は、既知の解決法と比べてよりよく相互作用するとともに、ポリマー・マトリックス中により均一に分布しているからである。ナノダイヤモンド材料の選択、添加するその濃度、他の充填剤と親ポリマーの選択に応じ、添加されるナノダイヤモンド材料の一部も識別可能な材料として親ポリマーに分布させることができる。そのため面内方向熱伝導率と面貫通方向熱伝導率の両方を、したがって平均熱伝導率を、さらに細かく調節することが可能になる。 The nanodiamond-containing thermal composite of the present invention transfers thermal energy more efficiently. This is because nanodiamond materials and filler particles interact better than known solutions and are more uniformly distributed in the polymer matrix. Depending on the choice of the nanodiamond material, its concentration to be added, and the choice of other fillers and the parent polymer, a portion of the added nanodiamond material can also be distributed in the parent polymer as an identifiable material. Therefore, it is possible to finely adjust both the in-plane direction thermal conductivity and the in-plane direction thermal conductivity, and thus the average thermal conductivity.
本発明の第1の側面では、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を製造する方法が提供される。 In a first aspect of the present invention, a method for producing a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material is provided.
より詳細には、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を製造する方法として、(i)ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて懸濁液を生成させるステップと;(ii)液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去して少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させるステップを含む方法が提供される。 More specifically, as a method for producing a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material, (i) a liquid medium containing nanodiamond material is brought into contact with at least one filler to form a suspension. And (ii) removing the liquid medium from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material.
ステップ(i)では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料と液体媒体を含む懸濁液を生成させる。 In step (i), the nanodiamond material-containing liquid medium is contacted with at least one filler to produce a suspension comprising at least one filler, the nanodiamond material and the liquid medium.
「接触させる」という表現は、この明細書では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させる公知の任意の方法を意味する。そのような方法の例は、例えば磁気撹拌機を用いてナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と混合するというものである。別の例は、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤の表面に散布するというものである。 The expression “contacting” as used herein means any known method of contacting a nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler. An example of such a method is mixing the nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler using, for example, a magnetic stirrer. Another example is to spread a nanodiamond material-containing liquid medium on the surface of at least one filler.
好ましい一実施態様では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と機械で混合する。この混合は、スピード・ミキサーを用いて実行することが好ましい。 In a preferred embodiment, the nanodiamond material-containing liquid medium is mechanically mixed with at least one filler. This mixing is preferably carried out using a speed mixer.
ナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、1種類の充填剤、または2種類以上の充填剤の混合物と接触させることができる。 The nanodiamond material-containing liquid medium can be contacted with one type of filler or a mixture of two or more types of fillers.
充填剤の主要粒子の平均サイズは、10nm〜2000μmであることが好ましく、50nm〜500μmであることがより好ましく、500nm〜200μmであることがさらに好ましい。 The average size of the main particles of the filler is preferably 10 nm to 2000 μm, more preferably 50 nm to 500 μm, and further preferably 500 nm to 200 μm.
充填剤のサイズは、一般に、用途とコストに応じて選択される。
充填剤の形態は、非等方性でも等方性でもよく、その混合でもよい。
The size of the filler is generally selected depending on the application and cost.
The form of the filler may be anisotropic or isotropic, or a mixture thereof.
充填剤の形態は規則的でも不規則でもよい。
充填剤の表面は、そのままでもよいし、さまざまな化学種または処理を利用して活性化してもよい。
The form of the filler may be regular or irregular.
The surface of the filler may be left as is, or may be activated using various chemical species or treatments.
充填剤は、熱伝導性および/または導電性、またはその混合が可能である。 The filler can be thermally conductive and / or conductive, or a mixture thereof.
充填剤の選択は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素化合物、ケイ素化合物、ホウ素化合物(例えば窒化ホウ素)、セラミック材料、天然繊維、これらの組み合わせからなるグループの中から行なうことが好ましい。 The choice of filler should be made from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, carbon compounds, silicon compounds, boron compounds (eg boron nitride), ceramic materials, natural fibers, and combinations thereof. Is preferred.
炭素化合物の選択は、爆轟ダイヤモンド以外のダイヤモンド材料、グラファイト、カーボン・ブラック、炭素繊維、グラフェン、酸化したグラフェン、煤、カーボン・ナノチューブ、熱分解性炭素、炭化ケイ素、炭化アルミニウム、窒化炭素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。 Carbon compounds are selected from diamond materials other than detonated diamond, graphite, carbon black, carbon fiber, graphene, oxidized graphene, soot, carbon nanotube, pyrolytic carbon, silicon carbide, aluminum carbide, carbon nitride, etc. This is done from the group consisting of
ホウ素化合物の選択は、六方晶系形窒化ホウ素、立方晶系窒化ホウ素、炭化ホウ素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。ホウ素化合物は六方晶系形窒化ホウ素であることが好ましい。 The boron compound is selected from the group consisting of hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, boron carbide, and combinations thereof. The boron compound is preferably hexagonal boron nitride.
一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物の混合物である。
別の一実施態様では、充填剤は、アルミニウム酸化物とグラファイトの混合物である。さらに別の一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とグラファイトである。
In one embodiment, the filler is a mixture of boron nitride and aluminum oxide.
In another embodiment, the filler is a mixture of aluminum oxide and graphite. In yet another embodiment, the filler is boron nitride and graphite.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、分散液の形態にすることができる。すなわちナノダイヤモンド材料粒子は、液体媒体中で実質的に単独の形態になっている。 The nanodiamond material-containing liquid medium of step (i) can be in the form of a dispersion. That is, the nanodiamond material particles are substantially in a single form in the liquid medium.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、懸濁液の形態にすることができる。すなわちナノダイヤモンド材料粒子は、液体媒体中で一部が塊の形態になるか、実質的に塊の形態になっている。 The nanodiamond material-containing liquid medium of step (i) can be in the form of a suspension. That is, the nanodiamond material particles are partially in the form of lumps or substantially in the form of lumps in the liquid medium.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は分散液の形態が好ましい。 The nanodiamond material-containing liquid medium in step (i) is preferably in the form of a dispersion.
ナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、ナノダイヤモンド材料の含有量を調節できる。 The nanodiamond material-containing liquid medium can adjust the content of the nanodiamond material.
ナノダイヤモンド材料は、爆轟ナノダイヤモンド材料である。すなわちナノダイヤモンドは、爆轟法によって製造される。言い換えるならば、ナノダイヤモンドは、爆轟合成から生じる。ナノダイヤモンドは爆轟合成によって生じるため、ナノダイヤモンド材料粒子の表面は、いくつかの表面官能基(例えばアミノ官能基、カルボン酸官能基、水素官能基)を含むことができる。 The nanodiamond material is a detonated nanodiamond material. That is, nanodiamond is manufactured by the detonation method. In other words, nanodiamonds result from detonation synthesis. Since nanodiamonds are generated by detonation synthesis, the surface of nanodiamond material particles can include several surface functional groups (eg, amino functional groups, carboxylic acid functional groups, hydrogen functional groups).
前駆ナノダイヤモンド材料として、ナノダイヤモンドの含有量が好ましくは少なくとも87重量%、より好ましくは少なくとも97重量%の実質的に純粋なナノダイヤモンド材料が可能である。ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンドの製造に由来するグラファイトとアモルファス炭素を含んでいる可能性がある。ナノダイヤモンド材料は、残留金属不純物も、金属、金属塩、金属酸化物、金属窒化物、金属ハロゲン化物としていくらか含んでいる可能性がある。 The precursor nanodiamond material can be a substantially pure nanodiamond material, preferably having a nanodiamond content of at least 87% by weight, more preferably at least 97% by weight. Nanodiamond materials can include graphite and amorphous carbon derived from the production of nanodiamonds. Nanodiamond materials may also contain some residual metal impurities as metals, metal salts, metal oxides, metal nitrides, metal halides.
本発明の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料は、爆轟煤(例えばグラファイトとアモルファス炭素)を含んでいる可能性があり、酸化可能な炭素の含有量は、少なくとも5重量%であることが好ましく、少なくとも10重量%であることがより好ましい。 In one embodiment of the invention, the nanodiamond material may contain detonation (eg, graphite and amorphous carbon), and the oxidizable carbon content is preferably at least 5% by weight. More preferably, it is at least 10% by weight.
ナノダイヤモンド材料のゼータ電位の値は、水に分散させたときに±35mVを超えることが好ましい。 The value of the zeta potential of the nanodiamond material preferably exceeds ± 35 mV when dispersed in water.
ナノダイヤモンド材料がナノダイヤモンド混合物からなるとき、ナノダイヤモンド混合物材料のゼータ電位を信頼性よく求めることは、現在利用できる器具では難しい。 When the nanodiamond material is composed of a nanodiamond mixture, it is difficult to reliably determine the zeta potential of the nanodiamond mixture material with currently available instruments.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の表面を官能化して充填材料の表面への接着を増大させる。そのように官能化されたナノダイヤモンド材料粒子の一例は、アミノ官能化ナノダイヤモンド材料である。そのような官能化ナノダイヤモンドの別の一例は、カルボン酸官能化ナノダイヤモンド材料粒子であり、そのようなナノダイヤモンドのさらに別の一例は、水素を末端に有するナノダイヤモンド材料粒子である。そのような官能化ナノダイヤモンド材料粒子のさらに別の例として、ヒドロキシル、チオール、ハロゲン、ケトン、エステル、エーテル、シリル、エポキシ、シアノ、アルデヒドで官能化したナノダイヤモンド材料粒子が挙げられる。表面の官能基は、ナノダイヤモンド材料の表面に直接共有結合することが好ましいが、鎖構造の位置に存在することもできる。この鎖構造は、ナノダイヤモンド材料粒子の表面に共有結合する。ナノダイヤモンド材料粒子は、主に1種類の活性な表面官能基で官能化することが好ましいが、2種類以上の表面官能基を含んでいてもよい。 In one embodiment, the surface of the nanodiamond material particles is functionalized to increase adhesion of the filler material to the surface. One example of such functionalized nanodiamond material particles is an amino-functionalized nanodiamond material. Another example of such a functionalized nanodiamond is a carboxylic acid functionalized nanodiamond material particle, and yet another example of such a nanodiamond is a hydrogen-terminated nanodiamond material particle. Still other examples of such functionalized nanodiamond material particles include nanodiamond material particles functionalized with hydroxyl, thiol, halogen, ketone, ester, ether, silyl, epoxy, cyano, aldehyde. The surface functional groups are preferably covalently bonded directly to the surface of the nanodiamond material, but can also be present in the chain structure. This chain structure is covalently bonded to the surface of the nanodiamond material particles. The nanodiamond material particles are preferably functionalized mainly with one type of active surface functional group, but may contain two or more types of surface functional groups.
充填材料の表面への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Adhesion of the filler material to the surface can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
さらに、親ポリマー材料への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Furthermore, adhesion to the parent polymer material can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
単独の形態のナノダイヤモンド材料粒子は、主要粒子の平均サイズが、1nm〜10nm、好ましくは2nm〜8nm、より好ましくは3nm〜7nm、最も好ましくは4nm〜6nmである。塊の形態になった粒子のサイズは、5nm〜10000nm、好ましくは60nm〜800nmである。 The nanodiamond material particles in a single form have an average primary particle size of 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 8 nm, more preferably 3 nm to 7 nm, and most preferably 4 nm to 6 nm. The size of the particles in the form of lumps is 5 nm to 10000 nm, preferably 60 nm to 800 nm.
液体媒体として、適切な任意の液体媒体が可能である。一実施態様では、液体媒体の選択は、極性プロトン性溶媒、極性非プロトン性溶媒、双極性非プロトン性溶媒、有機溶媒、これら溶媒の混合物からなるグループの中からなされる。 The liquid medium can be any suitable liquid medium. In one embodiment, the liquid medium is selected from the group consisting of polar protic solvents, polar aprotic solvents, dipolar aprotic solvents, organic solvents, and mixtures of these solvents.
極性プロトン性溶媒は、水、アルコール、直線状脂肪族ジオール、分岐したジオール、カルボン酸である。 The polar protic solvent is water, alcohol, linear aliphatic diol, branched diol, carboxylic acid.
極性非プロトン性溶媒は、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、炭酸プロピレン、ラクタムである。 The polar aprotic solvent is dichloromethane, tetrahydrofuran, propylene carbonate, lactam.
双極性非プロトン性溶媒は、ケトン、エステル、N,N-メチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドである。
有機溶媒は、トルエン、または別の芳香族溶媒である。
Dipolar aprotic solvents are ketones, esters, N, N-methylformamide, dimethyl sulfoxide.
The organic solvent is toluene or another aromatic solvent.
好ましい一実施態様では、液体媒体の選択は、水、メタノール、エタノール、イソ-プロパノール、直線状脂肪族ジオール、分岐したジオール、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、これら溶媒の任意の混合物からなるグループの中からなされる。 In one preferred embodiment, the choice of liquid medium is water, methanol, ethanol, iso-propanol, linear aliphatic diol, branched diol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N-ethyl-2-pyrrolidone (NEP), dimethyl sulfoxide (DMSO), from the group consisting of any mixture of these solvents.
最も好ましい液体媒体は水である。 The most preferred liquid medium is water.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤と液体媒体を含む懸濁液は、ステップ(ii)の前にあらかじめ処理される。組成物を超音波処理して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくすることが好ましい。 In one embodiment, the suspension comprising the nanodiamond material, at least one filler and a liquid medium is pretreated prior to step (ii). It is preferred to sonicate the composition to reduce the particle size distribution of the suspension.
ナノダイヤモンド材料を含む懸濁液の別の一実施態様では、組成物を機械で粉砕して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくする。 In another embodiment of a suspension comprising nanodiamond material, the composition is mechanically ground to reduce the particle size distribution of the suspension.
ナノダイヤモンド材料を含む懸濁液のさらに別の一実施態様では、組成物をBASD粉砕して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくする。 In yet another embodiment of a suspension comprising nanodiamond material, the composition is BASD milled to reduce the particle size distribution of the suspension.
ステップ(ii)では、液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去し、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させる。 In step (ii), the liquid medium is removed from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material.
液体媒体の除去は、適切な任意の方法で実行できる。そのような方法の例は、高温での乾燥および/または真空中の乾燥である。 The removal of the liquid medium can be performed in any suitable manner. Examples of such methods are drying at high temperature and / or drying in vacuum.
好ましい一実施態様では、液体媒体を除去した後の組成物は実質的に乾燥している。 In one preferred embodiment, the composition after removal of the liquid medium is substantially dry.
組成物の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着しているが、液体媒体の含有量はそれでも10重量%を超える。 In one embodiment of the composition, the nanodiamond material is substantially adhered to the surface of at least one filler, but the liquid medium content is still greater than 10% by weight.
本発明の方法を用いると、ナノダイヤモンド材料が少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着する。 Using the method of the present invention, the nanodiamond material substantially adheres to the surface of at least one filler.
本発明の方法によって製造された組成物の活性表面積は、乾燥ナノダイヤモンド材料と充填材料を混合するだけで製造した組成物の活性表面積よりも小さい。すなわち本発明の方法によって製造された組成物の活性表面積は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着したナノダイヤモンド材料がない組成物の活性表面積よりも小さい(少なくとも5%小さいことが好ましい)。 The active surface area of the composition produced by the method of the present invention is less than the active surface area of the composition produced by simply mixing the dried nanodiamond material and the filler material. That is, the active surface area of the composition produced by the method of the present invention is less than the active surface area of the composition without nanodiamond material substantially adhered to the surface of at least one filler (which should be at least 5% lower). preferable).
ナノダイヤモンド材料と充填材料が同じ量の組成物の間で活性表面積を比較する。唯一の違いは、組成物の製造方法である。すなわち本発明の方法で製造した組成物と、乾燥ナノダイヤモンド材料と充填材料を混合するだけで製造した組成物である。
活性表面積は、例えばBET法によって測定することができる。
The active surface area is compared between compositions with the same amount of nanodiamond material and filler material. The only difference is how the composition is made. That is, the composition produced by the method of the present invention and the composition produced simply by mixing the dried nanodiamond material and the filler material.
The active surface area can be measured by, for example, the BET method.
組成物のゼータ電位は、充填材料のゼータ電位とは異なる。ゼータ電位は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物のゼータ電位は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子のゼータ電位特性によって決まる。 The zeta potential of the composition is different from the zeta potential of the filler material. The zeta potential is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the zeta potential of the composition is mainly determined by the zeta potential characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物の表面電荷は、充填材料の表面電荷とは異なる。表面電荷は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物の表面電荷は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子の表面電荷特性によって決まる。 The surface charge of the composition is different from the surface charge of the filler material. The surface charge is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the surface charge of the composition is mainly determined by the surface charge characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物に含まれる粒子の表面特性は、親ポリマーに対する組成物の静電相互作用に影響を与え、フォノンを移動しやすくするため、形成される熱化合物マトリックス全体の熱伝導率が改善される。 The surface properties of the particles contained in the composition affect the electrostatic interaction of the composition with the parent polymer and facilitate the movement of the phonons, thereby improving the overall thermal conductivity of the formed thermal compound matrix.
接着したナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nm未満であり、300nm未満が好ましく、100nm未満がより好ましく、50nm未満が最も好ましい。 The size of the clumps of adhered nanodiamond material particles is less than 500 nm, preferably less than 300 nm, more preferably less than 100 nm, and most preferably less than 50 nm.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えてもよい。 In one embodiment, the size of the nanodiamond material particle mass may exceed 500 nm.
本発明の別の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えており、ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンド粒子を含むナノダイヤモンド混合材料である。 In another embodiment of the present invention, the size of the mass of nanodiamond material particles is greater than 500 nm and the nanodiamond material is a nanodiamond mixed material comprising nanodiamond particles.
少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物では、充填剤の表面のナノダイヤモンド材料は、別の材料に対するカップリング効果を発生させることができる。その別の材料は、ポリマー、金属、セラミック材料、これらの混合物からなるグループの中から選択される。 In a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material, the nanodiamond material on the surface of the filler can generate a coupling effect to another material. The other material is selected from the group consisting of polymers, metals, ceramic materials, and mixtures thereof.
一実施態様では、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む生成された組成物は、その組成物を機械処理でさらに粉砕することにより、組成物の塊を形成する。 In one embodiment, the resulting composition comprising at least one filler and a nanodiamond material forms a mass of the composition by further grinding the composition by mechanical processing.
機械処理は、ビーズ・ミル粉砕であることが好ましい。ビーズ・ミル粉砕は一般に使用されている用語であり、当業者に知られている。 The mechanical treatment is preferably bead mill grinding. Bead milling is a commonly used term and is known to those skilled in the art.
ビーズ・ミルは機械式粉砕装置の一種であり、さまざまな材料の粉砕(または混合)に使用される円筒形の装置である。ミルには、粉砕する材料と粉砕媒体が装填される。さまざまな材料が粉砕媒体として使用される。例えば、セラミック製ボール、火打石、ステンレス鋼製ボールなどが挙げられる。内部カスケード効果によって材料が小さくされて細かい粉末になる。ビーズ・ミルは、連続的に、または周期的に作動させることができる。 A bead mill is a kind of mechanical grinding device, and is a cylindrical device used for grinding (or mixing) various materials. The mill is loaded with the material to be ground and the grinding media. Various materials are used as grinding media. For example, ceramic balls, flint, stainless steel balls and the like can be mentioned. The internal cascade effect reduces the material to a fine powder. The bead mill can be operated continuously or periodically.
ビーズ・ミル装置は、通過法または循環法で作動させることができる。通過法では、材料をミルの一端に供給し、他端から取り出す。循環法では、粉砕する材料を、必要な粒子サイズになるまでシステム内で循環させる。粉砕媒体が小さくなるにつれて、最終生成物の粒子サイズも小さくなる。それと同時に、粉砕媒体粒子は、粉砕する材料の最大断片よりも大きくなければならない。 The bead mill apparatus can be operated in a passing or circulating manner. In the pass method, material is fed to one end of the mill and removed from the other end. In the circulation method, the material to be ground is circulated in the system until the required particle size is reached. As the grinding media gets smaller, the particle size of the final product also gets smaller. At the same time, the grinding media particles must be larger than the largest piece of material to be ground.
ビーズ・ミルの粉砕室には、ミル内に存在する空気との間で発生する可能性がある酸化反応または爆発反応を防止するため、粉砕する材料と反応しない不活性な遮蔽ガス(例えば窒素)も装填することができる。 The bead mill grinding chamber contains an inert shielding gas (eg nitrogen) that does not react with the material to be ground to prevent any oxidation or explosion reactions that may occur with the air present in the mill. Can also be loaded.
ビーズ・ミルのためのビーズは、粉砕される粒子が適切な直径となるように選択する。ビーズ・ミル粉砕は、適切な粒子サイズになるまで実施する。 The beads for the bead mill are selected so that the particles to be ground are of an appropriate diameter. The bead milling is performed until an appropriate particle size is obtained.
ビーズ・ミル粉砕は、乾燥条件で実施してもよいし、湿潤条件で実施してもよい。湿潤条件では、組成物を液体媒体に懸濁させ、形成された懸濁液をビーズ・ミル粉砕する。懸濁液のビーズ・ミル粉砕を超音波処理で支援することができる。すなわち懸濁液のビーズ・ミル粉砕と超音波処理を同時に行なう。ビーズ・ミル粉砕と超音波処理の組み合わせは、ビーズ支援音波分解法(BASD法)としても知られる。超音波処理は、粉砕中を通じて継続すること、または任意の段階で停止し、必要に応じて再開することができる。ビーズ・ミル粉砕の後に液体媒体を公知の方法で除去し、ビーズ・ミル粉砕された組成物を生成させる。 Bead milling may be performed under dry conditions or wet conditions. In wet conditions, the composition is suspended in a liquid medium and the formed suspension is bead milled. Sonication of the suspension can be aided by bead milling. That is, the bead-milling of the suspension and ultrasonic treatment are performed simultaneously. The combination of bead milling and sonication is also known as bead-assisted sonication (BASD). Sonication can be continued throughout the milling or can be stopped at any stage and resumed as needed. After bead milling, the liquid medium is removed in a known manner to produce a bead milled composition.
本発明の第2の側面では、ナノダイヤモンド含有熱複合体を製造する方法が提供される。 In a second aspect of the invention, a method for producing a nanodiamond-containing thermal composite is provided.
より詳細には、ナノダイヤモンド含有熱複合体を製造する方法として、(i)ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて懸濁液を生成させるステップと;(ii)液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去して少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させるステップと;(iii)ステップ(ii)の組成物と少なくとも1種類のポリマーを混合してナノダイヤモンド材料含有熱複合体を生成させるステップを含む方法が提供される。 More specifically, the method of producing a nanodiamond-containing thermal composite includes: (i) contacting a nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler to form a suspension; (ii) a liquid Removing the medium from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material; (iii) the composition of step (ii) and at least one polymer. To produce a nanodiamond material-containing thermal composite.
ステップ(i)では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料と液体媒体を含む懸濁液を生成させる。 In step (i), the nanodiamond material-containing liquid medium is contacted with at least one filler to produce a suspension comprising at least one filler, the nanodiamond material and the liquid medium.
「接触させる」という表現は、この明細書では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させる適切な任意の方法を意味する。そのような方法の例は、例えば磁気撹拌機を用いてナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と混合するというものである。別の例は、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤の表面に散布するというものである。 The expression “contacting” means herein any suitable method of contacting a nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler. An example of such a method is mixing the nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler using, for example, a magnetic stirrer. Another example is to spread a nanodiamond material-containing liquid medium on the surface of at least one filler.
好ましい一実施態様では、ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と機械で混合する。この混合は、スピード・ミキサーを用いて実行することが好ましい。 In a preferred embodiment, the nanodiamond material-containing liquid medium is mechanically mixed with at least one filler. This mixing is preferably carried out using a speed mixer.
ナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、1種類の充填剤、または2種類以上の充填剤の混合物と接触させることができる。 The nanodiamond material-containing liquid medium can be contacted with one type of filler or a mixture of two or more types of fillers.
充填剤の主要粒子の平均サイズは、10nm〜2000μmであることが好ましく、50nm〜500μmであることがより好ましく、500nm〜200μmであることがさらに好ましい。 The average size of the main particles of the filler is preferably 10 nm to 2000 μm, more preferably 50 nm to 500 μm, and further preferably 500 nm to 200 μm.
充填剤は、熱伝導性および/または電気伝導性、またはその混合が可能である。 The filler can be thermally conductive and / or electrically conductive, or a mixture thereof.
充填剤の選択は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素化合物、ケイ素化合物、ホウ素化合物(例えば窒化ホウ素)、セラミック材料、天然繊維、これらの組み合わせからなるグループの中から行なうことが好ましい。 The choice of filler should be made from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, carbon compounds, silicon compounds, boron compounds (eg boron nitride), ceramic materials, natural fibers, and combinations thereof. Is preferred.
炭素化合物の選択は、爆轟ダイヤモンド以外のダイヤモンド材料、グラファイト、カーボン・ブラック、炭素繊維、グラフェン、酸化したグラフェン、煤、カーボン・ナノチューブ、熱分解性炭素、炭化ケイ素、炭化アルミニウム、窒化炭素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。 Carbon compounds are selected from diamond materials other than detonated diamond, graphite, carbon black, carbon fiber, graphene, oxidized graphene, soot, carbon nanotube, pyrolytic carbon, silicon carbide, aluminum carbide, carbon nitride, etc. This is done from the group consisting of
ホウ素化合物の選択は、六方晶系形窒化ホウ素、立方晶系窒化ホウ素、炭化ホウ素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。ホウ素化合物は六方晶系形窒化ホウ素であることが好ましい。 The boron compound is selected from the group consisting of hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, boron carbide, and combinations thereof. The boron compound is preferably hexagonal boron nitride.
一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物の混合物である。
別の一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物とグラファイトの混合物である。
In one embodiment, the filler is a mixture of boron nitride and aluminum oxide.
In another embodiment, the filler is a mixture of boron nitride, aluminum oxide and graphite.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、分散液の形態にすることができる。すなわちナノダイヤモンド材料粒子は、液体媒体中で実質的に単独の形態になっている。 The nanodiamond material-containing liquid medium of step (i) can be in the form of a dispersion. That is, the nanodiamond material particles are substantially in a single form in the liquid medium.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、懸濁液の形態にすることができる。すなわちナノダイヤモンド材料粒子は、液体媒体中で一部が塊の形態になるか、実質的に塊の形態になっている。 The nanodiamond material-containing liquid medium of step (i) can be in the form of a suspension. That is, the nanodiamond material particles are partially in the form of lumps or substantially in the form of lumps in the liquid medium.
ステップ(i)のナノダイヤモンド材料含有液体媒体は分散液の形態であることが好ましい。 The nanodiamond material-containing liquid medium in step (i) is preferably in the form of a dispersion.
ナノダイヤモンド材料含有液体媒体は、ナノダイヤモンド材料の含有量を調節することができる。 The nanodiamond material-containing liquid medium can adjust the content of the nanodiamond material.
ナノダイヤモンド材料は、爆轟ナノダイヤモンド材料である。すなわちナノダイヤモンドは、爆轟法によって製造される。言い換えるならば、ナノダイヤモンドは、爆轟合成から生じる。ナノダイヤモンドは爆轟合成によって生じるため、ナノダイヤモンド材料粒子の表面は、いくつかの表面官能基(例えばアミノ官能基、カルボン酸官能基、水素官能基)を含むことができる。 The nanodiamond material is a detonated nanodiamond material. That is, nanodiamond is manufactured by the detonation method. In other words, nanodiamonds result from detonation synthesis. Since nanodiamonds are generated by detonation synthesis, the surface of nanodiamond material particles can include several surface functional groups (eg, amino functional groups, carboxylic acid functional groups, hydrogen functional groups).
前駆ナノダイヤモンド材料として、ナノダイヤモンドの含有量が好ましくは少なくとも87重量%、より好ましくは少なくとも97重量%である実質的に純粋なナノダイヤモンド材料が可能である。ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンドの製造に由来するグラファイトとアモルファス炭素を含んでいる可能性がある。ナノダイヤモンド材料は、残留金属不純物も、金属、金属塩、金属酸化物、金属窒化物、金属ハロゲン化物としていくらか含んでいる可能性がある。 The precursor nanodiamond material can be a substantially pure nanodiamond material, preferably having a nanodiamond content of at least 87% by weight, more preferably at least 97% by weight. Nanodiamond materials can include graphite and amorphous carbon derived from the production of nanodiamonds. Nanodiamond materials may also contain some residual metal impurities as metals, metal salts, metal oxides, metal nitrides, metal halides.
本発明の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料は、爆轟煤(例えばグラファイトとアモルファス炭素)を含んでいる可能性があり、酸化可能な炭素の含有量は、好ましくは少なくとも5重量%、より好ましくは少なくとも10重量%である。 In one embodiment of the invention, the nanodiamond material may contain detonation (eg, graphite and amorphous carbon), and the oxidizable carbon content is preferably at least 5% by weight, more preferably Is at least 10% by weight.
ナノダイヤモンド材料のゼータ電位の値は、水に分散させたときに±35mVを超えることが好ましい。 The value of the zeta potential of the nanodiamond material preferably exceeds ± 35 mV when dispersed in water.
ナノダイヤモンド材料がナノダイヤモンド混合物からなるとき、ナノダイヤモンド混合物材料のゼータ電位を信頼性よく求めることは、現在利用できる器具では難しい。 When the nanodiamond material is composed of a nanodiamond mixture, it is difficult to reliably determine the zeta potential of the nanodiamond mixture material with currently available instruments.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の表面を官能化して充填材料の表面への接着を増大させる。そのように官能化されたナノダイヤモンド材料粒子の一例は、アミノ官能化ナノダイヤモンド材料である。そのような官能化ナノダイヤモンドの別の一例は、カルボン酸官能化ナノダイヤモンド材料粒子であり、そのようなナノダイヤモンドのさらに別の一例は、水素を末端に有するナノダイヤモンド材料粒子である。そのような官能化ナノダイヤモンド材料粒子のさらに別の例として、ヒドロキシル、チオール、ハロゲン、ケトン、エステル、エーテル、シリル、エポキシ、シアノ、アルデヒドで官能化したナノダイヤモンド材料粒子が挙げられる。表面の官能基は、ナノダイヤモンド材料の表面に直接共有結合することが好ましいが、鎖構造の位置に存在することもできる。この鎖構造は、ナノダイヤモンド材料粒子の表面に共有結合する。ナノダイヤモンド材料粒子は、1種類の活性な表面官能基で主に官能化することが好ましいが、2種類以上の表面官能基を含んでいてもよい。 In one embodiment, the surface of the nanodiamond material particles is functionalized to increase adhesion of the filler material to the surface. One example of such functionalized nanodiamond material particles is an amino-functionalized nanodiamond material. Another example of such a functionalized nanodiamond is a carboxylic acid functionalized nanodiamond material particle, and yet another example of such a nanodiamond is a hydrogen-terminated nanodiamond material particle. Still other examples of such functionalized nanodiamond material particles include nanodiamond material particles functionalized with hydroxyl, thiol, halogen, ketone, ester, ether, silyl, epoxy, cyano, aldehyde. The surface functional groups are preferably covalently bonded directly to the surface of the nanodiamond material, but can also be present in the chain structure. This chain structure is covalently bonded to the surface of the nanodiamond material particles. The nanodiamond material particles are preferably mainly functionalized with one type of active surface functional group, but may contain two or more types of surface functional groups.
充填材料の表面への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Adhesion of the filler material to the surface can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
さらに、親ポリマー材料への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Furthermore, adhesion to the parent polymer material can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
単独の形態のナノダイヤモンド材料粒子は、主要粒子の平均サイズが、1nm〜10nm、好ましくは2nm〜8nm、より好ましくは3nm〜7nm、最も好ましくは4nm〜6nmである。塊の形態になった粒子のサイズは、5nm〜10000nm、好ましくは60nm〜800nmである。 The nanodiamond material particles in a single form have an average primary particle size of 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 8 nm, more preferably 3 nm to 7 nm, and most preferably 4 nm to 6 nm. The size of the particles in the form of lumps is 5 nm to 10000 nm, preferably 60 nm to 800 nm.
液体媒体として、適切な任意の液体媒体が可能である。一実施態様では、液体媒体の選択は、極性プロトン性溶媒、極性非プロトン性溶媒、双極性非プロトン性溶媒、有機溶媒、これら溶媒の混合物からなるグループの中からなされる。 The liquid medium can be any suitable liquid medium. In one embodiment, the liquid medium is selected from the group consisting of polar protic solvents, polar aprotic solvents, dipolar aprotic solvents, organic solvents, and mixtures of these solvents.
極性プロトン性溶媒は、水、アルコール、直線状脂肪族ジオール、分岐したジオール、カルボン酸である。 The polar protic solvent is water, alcohol, linear aliphatic diol, branched diol, carboxylic acid.
極性非プロトン性溶媒は、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、炭酸プロピレン、ラクタムである。 The polar aprotic solvent is dichloromethane, tetrahydrofuran, propylene carbonate, lactam.
双極性非プロトン性溶媒は、ケトン、エステル、N,N-メチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドである。
有機溶媒は、トルエン、または別の芳香族溶媒である。
Dipolar aprotic solvents are ketones, esters, N, N-methylformamide, dimethyl sulfoxide.
The organic solvent is toluene or another aromatic solvent.
好ましい一実施態様では、液体媒体の選択は、水、メタノール、エタノール、イソ-プロパノール、直線状脂肪族ジオール、分岐したジオール、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、これら溶媒の任意の混合物からなるグループの中からなされる。
最も好ましい液体媒体は水である。
In one preferred embodiment, the choice of liquid medium is water, methanol, ethanol, iso-propanol, linear aliphatic diol, branched diol, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N-ethyl-2-pyrrolidone (NEP), dimethyl sulfoxide (DMSO), from the group consisting of any mixture of these solvents.
The most preferred liquid medium is water.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤と液体媒体を含む懸濁液は、ステップ(ii)の前にあらかじめ処理される。組成物を超音波処理して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくすることが好ましい。 In one embodiment, the suspension comprising the nanodiamond material, at least one filler and a liquid medium is pretreated prior to step (ii). It is preferred to sonicate the composition to reduce the particle size distribution of the suspension.
ナノダイヤモンド材料を含む懸濁液の別の一実施態様では、組成物を機械で粉砕して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくする。 In another embodiment of a suspension comprising nanodiamond material, the composition is mechanically ground to reduce the particle size distribution of the suspension.
ナノダイヤモンド材料を含む懸濁液のさらに別の一実施態様では、組成物をBASD粉砕して懸濁液の粒子サイズの分布を小さくする。 In yet another embodiment of a suspension comprising nanodiamond material, the composition is BASD milled to reduce the particle size distribution of the suspension.
ステップ(ii)では、液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去し、少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させる。 In step (ii), the liquid medium is removed from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material.
液体媒体の除去は、適切な任意の方法で実行することができる。そのような方法の例は、高温での乾燥および/または真空中の乾燥である。 The removal of the liquid medium can be performed in any suitable manner. Examples of such methods are drying at high temperature and / or drying in vacuum.
好ましい一実施態様では、液体媒体を除去した後の組成物は実質的に乾燥している。 In one preferred embodiment, the composition after removal of the liquid medium is substantially dry.
組成物の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着しているが、液体媒体の含有量はそれでも10重量%を超える。 In one embodiment of the composition, the nanodiamond material is substantially adhered to the surface of at least one filler, but the liquid medium content is still greater than 10% by weight.
ナノダイヤモンド材料は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着している。 The nanodiamond material is substantially adhered to the surface of at least one filler.
ステップ(ii)の組成物の活性表面積は、乾燥ナノダイヤモンド材料と充填材料を混合するだけで製造した組成物の活性表面性よりも小さい。すなわちステップ(ii)の組成物の活性表面積は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着したナノダイヤモンド材料がない組成物の活性表面積よりも小さい(少なくとも5%小さいことが好ましい)。 The active surface area of the composition of step (ii) is less than the active surface properties of the composition produced simply by mixing the dry nanodiamond material and the filler material. That is, the active surface area of the composition of step (ii) is smaller (preferably at least 5% smaller) than the active surface area of the composition without the nanodiamond material substantially adhered to the surface of at least one filler.
ナノダイヤモンド材料と充填材料が同じ量の組成物の間で活性表面積を比較する。唯一の違いは、組成物の製造方法である。すなわち本発明の方法で製造した組成物と、乾燥ナノダイヤモンド材料と充填材料を混合するだけで製造した組成物である。 The active surface area is compared between compositions with the same amount of nanodiamond material and filler material. The only difference is how the composition is made. That is, the composition produced by the method of the present invention and the composition produced simply by mixing the dried nanodiamond material and the filler material.
活性表面積は、例えばBET法によって測定することができる。 The active surface area can be measured by, for example, the BET method.
組成物のゼータ電位は、充填材料のゼータ電位とは異なる。ゼータ電位は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物のゼータ電位は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子のゼータ電位特性によって決まる。 The zeta potential of the composition is different from the zeta potential of the filler material. The zeta potential is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the zeta potential of the composition is mainly determined by the zeta potential characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物の表面電荷は、充填材料の表面電荷とは異なる。表面電荷は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物の表面電荷は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子の表面電荷特性によって決まる。 The surface charge of the composition is different from the surface charge of the filler material. The surface charge is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the surface charge of the composition is mainly determined by the surface charge characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物に含まれる粒子の表面特性は、親ポリマーに対する組成物の静電相互作用に影響を与え、フォノンを移動しやすくするため、形成される熱化合物マトリックス全体の熱伝導率が改善される。 The surface properties of the particles contained in the composition affect the electrostatic interaction of the composition with the parent polymer and facilitate the movement of the phonons, thereby improving the overall thermal conductivity of the formed thermal compound matrix.
接着したナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nm未満であり、300nm未満が好ましく、100nm未満がより好ましく、50nm未満が最も好ましい。 The size of the clumps of adhered nanodiamond material particles is less than 500 nm, preferably less than 300 nm, more preferably less than 100 nm, and most preferably less than 50 nm.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えてもよい。 In one embodiment, the size of the nanodiamond material particle mass may exceed 500 nm.
本発明の別の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えており、ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンド粒子を含むナノダイヤモンド混合材料である。 In another embodiment of the present invention, the size of the mass of nanodiamond material particles is greater than 500 nm and the nanodiamond material is a nanodiamond mixed material comprising nanodiamond particles.
少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含むステップ(ii)の組成物では、充填剤の表面のナノダイヤモンド材料は、別の材料(例えばポリマー)に対するカップリング効果を発生させることができる。 In the composition of step (ii) comprising at least one filler and a nanodiamond material, the nanodiamond material on the surface of the filler can generate a coupling effect on another material (eg a polymer).
一実施態様では、組成物を機械処理でさらに粉砕することにより、組成物の塊を形成する。機械処理は、ビーズ・ミル粉砕であることが好ましい。 In one embodiment, the composition is further ground by mechanical processing to form a mass of the composition. The mechanical treatment is preferably bead mill grinding.
ステップ(iii)では、ステップ(ii)の組成物と少なくとも1種類の充填剤を混合してナノダイヤモンド含有熱複合体を生成させる。 In step (iii), the composition of step (ii) and at least one filler are mixed to form a nanodiamond-containing thermal composite.
ポリマーの選択は、エポキシ、シリコーン、熱可塑性ポリマー、アクリレート、ポリウレタン、ポリエステル、フルオロポリマー、シロキサン、ポリイミド、これらの混合物からなるグループの中から行なう。 The polymer is selected from the group consisting of epoxy, silicone, thermoplastic polymer, acrylate, polyurethane, polyester, fluoropolymer, siloxane, polyimide, and mixtures thereof.
好ましい一実施態様では、ポリマーは、熱可塑性ポリマー、または熱可塑性ポリマーの混合物である。熱可塑性ポリマーの例は、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル樹脂、セルロイド、酢酸セルロース、環式オレフィンコポリマー、エチレン-酢酸ビニル、エチレンビニルアルコール、フルオロプラスチック(例えばポリテトラフルオロエチレン)、イオノマー、液晶ポリマー、ポリオキシメチレン、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミド-イミド、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリテレフタル酸ブチレン、ポリカプロラクトン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテレフタル酸エチレン、ポリテレフタル酸シクロヘキシレンジメチレン、ポリカーボネート、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリケトン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリ酢酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメチルペンテン、ポリフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリテレフタル酸トリメチレン、ポリウレタン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、スチレン-アクリロニトリルである。 In one preferred embodiment, the polymer is a thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers. Examples of thermoplastic polymers are acrylonitrile butadiene styrene, acrylic resin, celluloid, cellulose acetate, cyclic olefin copolymer, ethylene-vinyl acetate, ethylene vinyl alcohol, fluoroplastic (eg polytetrafluoroethylene), ionomer, liquid crystal polymer, polyoxy Methylene, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyamide, polyamide-imide, polyimide, polyaryletherketone, polybutadiene, polybutylene, butylene polyterephthalate, polycaprolactone, polychlorotrifluoroethylene, polyetheretherketone, polyethylene terephthalate, poly Cyclohexylene dimethylene terephthalate, polycarbonate, polyhydroxyalkanoate, polyketone, polyester , Polyethylene, polyetherketoneketone, polyetherimide, polyethersulfone, polysulfone, chlorinated polyethylene, polyacetic acid, polymethyl methacrylate, polymethylpentene, polyphenylene, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphthalamide, polypropylene, polystyrene, Polysulfone, trimethylene polyterephthalate, polyurethane, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, and styrene-acrylonitrile.
好ましい熱可塑性ポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリテレフタル酸トリメチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリエーテルエーテルケトンのいずれか、またはこれらの混合物である。 Preferred thermoplastic polymers are acrylonitrile butadiene styrene, polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polysulfone, polyetherimide, trimethylene polyterephthalate, polycarbonate, polyamide, polyphthalamide, polyetheretherketone, or It is a mixture of these.
別の好ましい一実施態様では、ポリマーはシリコーンである。シリコーンは、純粋なポリマー・スラリーの形態で、または溶媒に分散された形態で入手することができる。 In another preferred embodiment, the polymer is silicone. Silicones can be obtained in the form of pure polymer slurries or dispersed in a solvent.
さらに別の好ましい一実施態様では、ポリマーはエポキシである。エポキシは、純粋なポリマー・スラリーの形態で、または溶媒に分散された形態で入手することができる。 In yet another preferred embodiment, the polymer is an epoxy. The epoxy can be obtained in the form of a pure polymer slurry or dispersed in a solvent.
混合は、ステップ(ii)の組成物を少なくとも1種類のポリマーと接触させる任意の方法で実施することができる。そのような方法の例は、機械による混合、機械による高温での混合、押し出しである。 Mixing can be performed in any manner that contacts the composition of step (ii) with at least one polymer. Examples of such methods are mechanical mixing, mechanical high temperature mixing, extrusion.
一実施態様では、ステップ(ii)の組成物と少なくとも1種類のポリマーを押し出し機の中で高温にて混合する。 In one embodiment, the composition of step (ii) and at least one polymer are mixed in an extruder at an elevated temperature.
さらに別の一実施態様では、ステップ(ii)の組成物と少なくとも1種類のポリマーを高温で混合して成形し、ナノダイヤモンド含有熱複合体を生成させる。成形は、公知の任意の方法で実施することができる。例えば射出成形、圧縮成形、回転成形などがある。成形は射出成形であることが好ましい。好ましい一実施態様では、混合と成形は単一の装置(例えば射出成形装置)の中で実施される。 In yet another embodiment, the composition of step (ii) and at least one polymer are mixed and molded at an elevated temperature to produce a nanodiamond-containing thermal composite. Molding can be performed by any known method. For example, there are injection molding, compression molding, and rotational molding. The molding is preferably injection molding. In a preferred embodiment, mixing and molding are performed in a single device (eg, an injection molding device).
一実施態様では、ポリマーの形態は、そのモノマーから形成される。ナノダイヤモンド含有熱複合体は、モノマー混合物に含まれるモノマーと、ナノダイヤモンド含有組成物を硬化させることによって形成される。 In one embodiment, the polymer form is formed from the monomers. The nanodiamond-containing thermal composite is formed by curing the monomer contained in the monomer mixture and the nanodiamond-containing composition.
一実施態様では、ポリマーの形態は、溶媒に分散されたモノマーから形成される。ナノダイヤモンド含有熱複合体は、モノマー混合物に含まれるモノマーと、溶媒と、ナノダイヤモンド含有組成物を硬化させることによって形成される。 In one embodiment, the polymer form is formed from monomers dispersed in a solvent. The nanodiamond-containing thermal composite is formed by curing the monomer contained in the monomer mixture, the solvent, and the nanodiamond-containing composition.
ナノダイヤモンド含有組成物は、粉末として、または分散液/懸濁液の形態で、液相ポリマーに、またはモノマーに、またはこれらの混合物に添加することができる。 The nanodiamond-containing composition can be added as a powder or in the form of a dispersion / suspension, to the liquid phase polymer, to the monomer, or to a mixture thereof.
場合によっては追加の諸成分をステップ(iii)で添加することができる。そのような成分の例は、界面活性剤(例えばチタン酸塩)である。 Optionally, additional components can be added in step (iii). An example of such a component is a surfactant (eg titanate).
ナノダイヤモンド含有熱複合体は、さまざまな形態(例えば製品、ペレット、粉末)を取ることができる。 Nanodiamond-containing thermal composites can take a variety of forms (eg, products, pellets, powders).
生成したナノダイヤモンド含有熱複合体は、ナノダイヤモンド材料と、少なくとも1種類の充填剤と、少なくとも1種類のポリマーを含んでおり、ナノダイヤモンド材料は、少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着している。 The resulting nanodiamond-containing thermal composite includes a nanodiamond material, at least one filler, and at least one polymer, wherein the nanodiamond material is substantially on the surface of the at least one filler. Glued.
この複合体の平均熱伝導率は、ナノダイヤモンド材料が少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着していないナノダイヤモンド含有複合体の平均熱伝導率よりも少なくとも5%大きい。 The average thermal conductivity of the composite is at least 5% greater than the average thermal conductivity of a nanodiamond-containing composite in which the nanodiamond material is not substantially adhered to the surface of at least one filler.
この複合体の熱伝導率は、ナノダイヤモンド材料が少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着していないナノダイヤモンド含有複合体の平均熱伝導率よりも少なくとも20%大きいことが好ましく、50%大きいことがさらに好ましく、70%大きいことがより好ましい。 The thermal conductivity of the composite is preferably at least 20% greater than the average thermal conductivity of the nanodiamond-containing composite in which the nanodiamond material is not substantially adhered to the surface of the at least one filler, % Larger is more preferable, and 70% larger is more preferable.
ナノダイヤモンド材料と充填材料とポリマーが同じ量の組成物を含む複合体の間で熱伝導率を比較する。唯一の違いは、組成物の製造方法である。すなわち本発明の方法で製造した組成物と、乾燥ナノダイヤモンド材料と充填材料を混合した後にポリマー材料を混合するだけで製造した組成物である。 The thermal conductivity is compared between a composite comprising nanodiamond material, filler material and polymer containing the same amount of composition. The only difference is how the composition is made. That is, the composition produced by the method of the present invention and the composition produced simply by mixing the dry nanodiamond material and the filler material and then the polymer material.
本発明の第3の側面では、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤を含む組成物が提供される。 In a third aspect of the invention, a composition comprising a nanodiamond material and at least one filler is provided.
より詳細には、0.01〜80重量%のナノダイヤモンド材料と、1〜99.99重量%の少なくとも1種類の充填剤を含んでいて、ナノダイヤモンド材料がその少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着している組成物が提供される。 More particularly, it comprises 0.01 to 80% by weight of nanodiamond material and 1 to 99.99% by weight of at least one filler, the nanodiamond material being substantially on the surface of the at least one filler. Adhering compositions are provided.
組成物は、ナノダイヤモンド材料を0.01〜40重量%含むことが好ましく、0.01〜20重量%含むことがより好ましく、0.01〜5重量%含むことが最も好ましい。 The composition preferably contains 0.01 to 40% by weight of nanodiamond material, more preferably 0.01 to 20% by weight, and most preferably 0.01 to 5% by weight.
組成物は、少なくとも1種類の充填剤を10〜90重量%含むことが好ましく、20〜99.99重量%含むことがより好ましく、15〜85重量%含むことがさらに好ましく、15〜70重量%含むことがさらに好ましく、20〜50重量%含むことが最も好ましい。 The composition preferably contains 10 to 90% by weight of at least one filler, more preferably 20 to 99.99% by weight, even more preferably 15 to 85% by weight, and 15 to 70% by weight. Is more preferable, and it is most preferable to contain 20 to 50% by weight.
一実施態様では、組成物は、0.01〜5重量%のナノダイヤモンド材料と、95〜99.99重量%の少なくとも1種類の充填剤を含んでいる。 In one embodiment, the composition comprises 0.01-5% by weight nanodiamond material and 95-99.99% by weight of at least one filler.
組成物の活性表面積は、ナノダイヤモンド材料が少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着していない組成物の活性表面積よりも小さい(少なくとも5%小さいことが好ましい)。 The active surface area of the composition is less than the active surface area of the composition in which the nanodiamond material is not substantially adhered to the surface of at least one filler (preferably at least 5% less).
ナノダイヤモンド材料と充填材料が同じ量の組成物の間で活性表面積を比較する。すなわち唯一の違いは、本発明の組成物では、ナノダイヤモンド材料が充填材料の表面に実質的に接着しているのに対し、比較する組成物では接着がないことである。 The active surface area is compared between compositions with the same amount of nanodiamond material and filler material. That is, the only difference is that in the composition of the present invention, the nanodiamond material is substantially adhered to the surface of the filler material, whereas the comparative composition has no adhesion.
活性表面積は、例えばBET法によって測定することができる。 The active surface area can be measured by, for example, the BET method.
組成物のゼータ電位は、充填材料のゼータ電位とは異なる。ゼータ電位は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物のゼータ電位は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子のゼータ電位特性によって決まる。 The zeta potential of the composition is different from the zeta potential of the filler material. The zeta potential is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the zeta potential of the composition is mainly determined by the zeta potential characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物の表面電荷は、充填材料の表面電荷とは異なる。表面電荷は、組成物に含まれるナノダイヤモンド材料の方向に駆動される。したがって組成物の表面電荷は、主として、組成物に含まれる充填剤粒子の表面のナノダイヤモンド材料粒子の表面電荷特性によって決まる。 The surface charge of the composition is different from the surface charge of the filler material. The surface charge is driven in the direction of the nanodiamond material included in the composition. Therefore, the surface charge of the composition is mainly determined by the surface charge characteristics of the nanodiamond material particles on the surface of the filler particles contained in the composition.
組成物に含まれる粒子の表面特性は、親ポリマーに対する組成物の静電相互作用に影響を与え、フォノンを移動しやすくするため、形成される熱化合物マトリックス全体の熱伝導率が改善される。 The surface properties of the particles contained in the composition affect the electrostatic interaction of the composition with the parent polymer and facilitate the movement of the phonons, thereby improving the overall thermal conductivity of the formed thermal compound matrix.
充填剤の選択は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素化合物、ケイ素化合物、ホウ素化合物(例えば窒化ホウ素)、セラミック材料、天然繊維、これらの組み合わせからなるグループの中から行なうことが好ましい。 The choice of filler should be made from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, carbon compounds, silicon compounds, boron compounds (eg boron nitride), ceramic materials, natural fibers, and combinations thereof. Is preferred.
炭素化合物の選択は、爆轟ダイヤモンド以外のダイヤモンド材料、グラファイト、カーボン・ブラック、炭素繊維、グラフェン、酸化したグラフェン、煤、カーボン・ナノチューブ、熱分解性炭素、窒化炭素、炭化ケイ素、炭化アルミニウム、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。 Carbon compounds are selected from diamond materials other than detonated diamond, graphite, carbon black, carbon fiber, graphene, oxidized graphene, soot, carbon nanotubes, pyrolytic carbon, carbon nitride, silicon carbide, aluminum carbide, etc. This is done from the group consisting of
ホウ素化合物の選択は、六方晶系形窒化ホウ素、立方晶系窒化ホウ素、炭化ホウ素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。ホウ素化合物は六方晶系形窒化ホウ素であることが好ましい。 The boron compound is selected from the group consisting of hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, boron carbide, and combinations thereof. The boron compound is preferably hexagonal boron nitride.
一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物の混合物である。 In one embodiment, the filler is a mixture of boron nitride and aluminum oxide.
別の一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物とグラファイトの混合物である。 In another embodiment, the filler is a mixture of boron nitride, aluminum oxide and graphite.
充填剤の主要粒子の平均サイズは、10nm〜2000μm、より好ましくは50nm〜500μm、さらに好ましくは500nm〜200μmである。 The average size of the main particles of the filler is 10 nm to 2000 μm, more preferably 50 nm to 500 μm, and still more preferably 500 nm to 200 μm.
ナノダイヤモンド材料は、爆轟ナノダイヤモンド材料である。すなわちナノダイヤモンドは、爆轟法によって製造される。言い換えるならば、ナノダイヤモンドは、爆轟合成から生じる。ナノダイヤモンドは爆轟合成によって生じるため、ナノダイヤモンド材料粒子の表面は、いくつかの表面官能基(例えばアミノ官能基、カルボン酸官能基、水素官能基)を含むことができる。 The nanodiamond material is a detonated nanodiamond material. That is, nanodiamond is manufactured by the detonation method. In other words, nanodiamonds result from detonation synthesis. Since nanodiamonds are generated by detonation synthesis, the surface of nanodiamond material particles can include several surface functional groups (eg, amino functional groups, carboxylic acid functional groups, hydrogen functional groups).
前駆ナノダイヤモンド材料として、ナノダイヤモンドの含有量が好ましくは少なくとも87重量%、より好ましくは少なくとも97重量%である実質的に純粋なナノダイヤモンド材料が可能である。ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンドの製造に由来するグラファイトとアモルファス炭素を含んでいる可能性がある。ナノダイヤモンド材料は、残留金属不純物も、金属、金属塩、金属酸化物の形態でいくらか含んでいる可能性がある。 The precursor nanodiamond material can be a substantially pure nanodiamond material, preferably having a nanodiamond content of at least 87% by weight, more preferably at least 97% by weight. Nanodiamond materials can include graphite and amorphous carbon derived from the production of nanodiamonds. Nanodiamond materials may also contain some residual metal impurities in the form of metals, metal salts, metal oxides.
本発明の一実施態様では、ナノダイヤモンド粒子は、爆轟煤(例えばグラファイトとアモルファス炭素)を含んでいる可能性があり、酸化可能な炭素の含有量は、好ましくは少なくとも5重量%、より好ましくは少なくとも10重量%である。 In one embodiment of the invention, the nanodiamond particles may contain detonation (eg graphite and amorphous carbon), and the oxidizable carbon content is preferably at least 5% by weight, more preferably Is at least 10% by weight.
ナノダイヤモンド材料のゼータ電位の値は、水に分散させたときに±35mVを超えることが好ましい。 The value of the zeta potential of the nanodiamond material preferably exceeds ± 35 mV when dispersed in water.
ナノダイヤモンド材料がナノダイヤモンド混合物からなるとき、ナノダイヤモンド混合物材料のゼータ電位を信頼性よく求めることは、現在利用できる器具では難しい。 When the nanodiamond material is composed of a nanodiamond mixture, it is difficult to reliably determine the zeta potential of the nanodiamond mixture material with currently available instruments.
単独の形態のナノダイヤモンド材料粒子は、主要粒子の平均サイズが、1nm〜10nm、好ましくは2nm〜8nm、より好ましくは3nm〜7nm、最も好ましくは4nm〜6nmである。塊の形態になった粒子のサイズは、5nm〜1000nm、好ましくは60nm〜800nmである。 The nanodiamond material particles in a single form have an average primary particle size of 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 8 nm, more preferably 3 nm to 7 nm, and most preferably 4 nm to 6 nm. The size of the particles in the form of lumps is 5 nm to 1000 nm, preferably 60 nm to 800 nm.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の表面を一官能化して充填材料の表面への接着を増大させる。そのような一官能化ナノダイヤモンド材料粒子の一例は、アミノ官能化ナノダイヤモンド材料である。 In one embodiment, the surface of the nanodiamond material particles is monofunctionalized to increase the adhesion of the filler material to the surface. An example of such monofunctionalized nanodiamond material particles is an amino functionalized nanodiamond material.
接着したナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは、500nm未満、好ましくは300nm未満、より好ましくは100nm未満、最も好ましくは50nm未満である。 The size of the clumps of adhered nanodiamond material particles is less than 500 nm, preferably less than 300 nm, more preferably less than 100 nm, and most preferably less than 50 nm.
充填剤の表面のナノダイヤモンド材料は、別の材料に対するカップリング効果を発生させることができる。その別の材料は、ポリマー、金属、セラミック材料、これらの混合物からなるグループの中から選択される。 The nanodiamond material on the surface of the filler can generate a coupling effect to another material. The other material is selected from the group consisting of polymers, metals, ceramic materials, and mixtures thereof.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤を含む本発明の組成物は、上に開示した方法で得ることができる。 In one embodiment, a composition of the present invention comprising a nanodiamond material and at least one filler can be obtained by the method disclosed above.
本発明の第4の側面では、ナノダイヤモンド粒子と少なくとも1種類の充填剤と少なくとも1種類のポリマーを含むナノダイヤモンド含有熱複合体が提供される。 In a fourth aspect of the invention, a nanodiamond-containing thermal composite comprising nanodiamond particles, at least one filler, and at least one polymer is provided.
より詳細には、0.01〜80重量%のナノダイヤモンド材料と、1〜90重量%の少なくとも1種類の充填剤と、5〜95重量%の少なくとも1種類のポリマーを含んでいて、ナノダイヤモンド材料がその少なくとも1種類の充填剤の表面に実質的に接着しているナノダイヤモンド含有熱複合体が提供される。 More particularly, the nanodiamond material comprises 0.01 to 80% by weight of nanodiamond material, 1 to 90% by weight of at least one filler, and 5 to 95% by weight of at least one polymer. A nanodiamond-containing thermal composite is provided that is substantially adhered to the surface of the at least one filler.
好ましいのは、複合体がナノダイヤモンド材料を0.01〜40重量%含むこと、好ましくは0.01〜20重量%含むこと、より好ましくは0.01〜5重量%含むことである。 Preference is given to the composite comprising 0.01 to 40% by weight of nanodiamond material, preferably 0.01 to 20% by weight, more preferably 0.01 to 5% by weight.
好ましいのは、複合体が少なくとも1種類の充填剤を10〜70重量%含むこと、好ましくは10〜50重量%含むこと、より好ましくは15〜45重量%含むことである。 Preference is given to the composite comprising 10 to 70% by weight, preferably 10 to 50% by weight, more preferably 15 to 45% by weight, of at least one filler.
好ましいのは、複合体が少なくとも1種類のポリマーを20〜90重量%含むこと、好ましくは50〜85重量%含むことである。 Preference is given to the composite comprising 20 to 90% by weight, preferably 50 to 85% by weight, of at least one polymer.
複合体の平均熱伝導率は、少なくとも1種類の充填剤の表面にナノダイヤモンド材料が実質的に接着していない複合体の平均熱伝導率よりも少なくとも5%大きい。 The average thermal conductivity of the composite is at least 5% greater than the average thermal conductivity of the composite in which the nanodiamond material is not substantially adhered to the surface of at least one filler.
好ましいのは、複合体の平均熱伝導率が、少なくとも1種類の充填剤の表面にナノダイヤモンド材料が実質的に接着していない複合体の平均熱伝導率よりも少なくとも20%大きいこと、好ましくは50%大きいこと、より好ましくは70%大きいことである。 Preferably, the average thermal conductivity of the composite is at least 20% greater than the average thermal conductivity of the composite with substantially no nanodiamond material adhered to the surface of at least one filler, preferably It is 50% larger, more preferably 70% larger.
ナノダイヤモンド材料と充填材料とポリマーが同じ量の組成物を含む複合体の間で平均熱伝導率を比較する。唯一の違いは、組成物の製造方法である。すなわち本発明の複合体ではナノダイヤモンド材料が少なくとも1種類の充填材料の表面に実質的に接着しているのに対し、比較する組成物では接着していないことである。 The average thermal conductivity is compared between composites comprising nanodiamond material, filler material and polymer containing the same amount of composition. The only difference is how the composition is made. That is, in the composite of the present invention, the nanodiamond material is substantially adhered to the surface of at least one filler material, whereas the comparative composition is not.
ポリマーの選択は、エポキシ、シリコーン、熱可塑性ポリマー、アクリレート、ポリウレタン、ポリエステル、フルオロポリマー、シロキサン、ポリイミド、これらの混合物からなるグループの中から行なう。 The polymer is selected from the group consisting of epoxy, silicone, thermoplastic polymer, acrylate, polyurethane, polyester, fluoropolymer, siloxane, polyimide, and mixtures thereof.
好ましい一実施態様では、ポリマーは、熱可塑性ポリマー、または熱可塑性ポリマーの混合物である。熱可塑性ポリマーの例は、アクリロニトリルブタジエンスチレン、アクリル樹脂、セルロイド、酢酸セルロース、環式オレフィンコポリマー、エチレン-酢酸ビニル、エチレンビニルアルコール、フルオロプラスチック(例えばポリテトラフルオロエチレン)、イオノマー、液晶ポリマー、ポリオキシメチレン、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミド-イミド、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリブタジエン、ポリブチレン、ポリテレフタル酸ブチレン、ポリカプロラクトン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテレフタル酸エチレン、ポリテレフタル酸シクロヘキシレンジメチレン、ポリカーボネート、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリケトン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、塩素化ポリエチレン、ポリ酢酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメチルペンテン、ポリフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリテレフタル酸トリメチレン、ポリウレタン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、スチレン-アクリロニトリルである。 In one preferred embodiment, the polymer is a thermoplastic polymer or a mixture of thermoplastic polymers. Examples of thermoplastic polymers are acrylonitrile butadiene styrene, acrylic resin, celluloid, cellulose acetate, cyclic olefin copolymer, ethylene-vinyl acetate, ethylene vinyl alcohol, fluoroplastic (eg polytetrafluoroethylene), ionomer, liquid crystal polymer, polyoxy Methylene, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyamide, polyamide-imide, polyimide, polyaryletherketone, polybutadiene, polybutylene, butylene polyterephthalate, polycaprolactone, polychlorotrifluoroethylene, polyetheretherketone, polyethylene terephthalate, poly Cyclohexylene dimethylene terephthalate, polycarbonate, polyhydroxyalkanoate, polyketone, polyester , Polyethylene, polyetherketoneketone, polyetherimide, polyethersulfone, polysulfone, chlorinated polyethylene, polyacetic acid, polymethyl methacrylate, polymethylpentene, polyphenylene, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphthalamide, polypropylene, polystyrene, Polysulfone, trimethylene polyterephthalate, polyurethane, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, and styrene-acrylonitrile.
好ましい熱可塑性ポリマーは、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリテレフタル酸トリメチレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリエーテルエーテルケトンのいずれか、またはこれらの混合物である。 Preferred thermoplastic polymers are acrylonitrile butadiene styrene, polyphenylene sulfide, liquid crystal polymer, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polysulfone, polyetherimide, trimethylene polyterephthalate, polycarbonate, polyamide, polyphthalamide, polyetheretherketone, or It is a mixture of these.
別の好ましい一実施態様では、ポリマーはシリコーンである。シリコーンは、純粋なポリマー・スラリーの形態で、または溶媒に分散された形態で入手することができる。 In another preferred embodiment, the polymer is silicone. Silicones can be obtained in the form of pure polymer slurries or dispersed in a solvent.
さらに別の好ましい一実施態様では、ポリマーはエポキシである。エポキシは、純粋なポリマー・スラリーの形態で、または溶媒に分散された形態で入手することができる。 In yet another preferred embodiment, the polymer is an epoxy. The epoxy can be obtained in the form of a pure polymer slurry or dispersed in a solvent.
一実施態様では、ポリマーの形態は、モノマーから形成される。ナノダイヤモンド含有熱複合体は、モノマー混合物に含まれるモノマーと、ナノダイヤモンド含有組成物を硬化させることによって形成される。 In one embodiment, the polymer form is formed from monomers. The nanodiamond-containing thermal composite is formed by curing the monomer contained in the monomer mixture and the nanodiamond-containing composition.
一実施態様では、ポリマーの形態は、溶媒に分散されたモノマーから形成される。ナノダイヤモンド含有熱複合体は、モノマー混合物に含まれるモノマーと、溶媒と、ナノダイヤモンド含有組成物を硬化させることによって形成される。 In one embodiment, the polymer form is formed from monomers dispersed in a solvent. The nanodiamond-containing thermal composite is formed by curing the monomer contained in the monomer mixture, the solvent, and the nanodiamond-containing composition.
ナノダイヤモンド含有組成物は、粉末として、または分散液/懸濁液の形態で、液相ポリマーに、またはモノマーに、またはこれらの混合物に添加することができる。 The nanodiamond-containing composition can be added as a powder or in the form of a dispersion / suspension, to the liquid phase polymer, to the monomer, or to a mixture thereof.
充填剤の選択は、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、炭素化合物、ケイ素化合物、ホウ素化合物(例えば窒化ホウ素)、セラミック材料、天然繊維、これらの組み合わせからなるグループの中から行なうことが好ましい。 The choice of filler should be made from the group consisting of metals, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, carbon compounds, silicon compounds, boron compounds (eg boron nitride), ceramic materials, natural fibers, and combinations thereof. Is preferred.
炭素化合物の選択は、爆轟ダイヤモンド以外のダイヤモンド材料、グラファイト、カーボン・ブラック、炭素繊維、グラフェン、酸化したグラフェン、煤、カーボン・ナノチューブ、熱分解性炭素、窒化炭素、炭化ケイ素、炭化アルミニウム、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。 Carbon compounds are selected from diamond materials other than detonated diamond, graphite, carbon black, carbon fiber, graphene, oxidized graphene, soot, carbon nanotubes, pyrolytic carbon, carbon nitride, silicon carbide, aluminum carbide, etc. This is done from the group consisting of
ホウ素化合物の選択は、六方晶系形窒化ホウ素、立方晶系窒化ホウ素、炭化ホウ素、これらの組み合わせからなるグループの中から行なう。ホウ素化合物は六方晶系形窒化ホウ素であることが好ましい。 The boron compound is selected from the group consisting of hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, boron carbide, and combinations thereof. The boron compound is preferably hexagonal boron nitride.
一実施態様では、充填剤は、窒化ホウ素とアルミニウム酸化物とグラファイトの混合物である。 In one embodiment, the filler is a mixture of boron nitride, aluminum oxide and graphite.
充填剤の主要粒子の平均サイズは、10nm〜100μm、より好ましくは50nm〜50μm、さらに好ましくは500nm〜20μmである。 The average size of the main particles of the filler is 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and still more preferably 500 nm to 20 μm.
ナノダイヤモンド材料は、爆轟ナノダイヤモンド材料である。すなわちナノダイヤモンドは、爆轟法によって製造される。言い換えるならば、ナノダイヤモンドは、爆轟合成から生じる。ナノダイヤモンドは爆轟合成によって生じるため、ナノダイヤモンド材料粒子の表面は、いくつかの表面官能基(例えばアミノ官能基、カルボン酸官能基、水素官能基)を含むことができる。 The nanodiamond material is a detonated nanodiamond material. That is, nanodiamond is manufactured by the detonation method. In other words, nanodiamonds result from detonation synthesis. Since nanodiamonds are generated by detonation synthesis, the surface of nanodiamond material particles can include several surface functional groups (eg, amino functional groups, carboxylic acid functional groups, hydrogen functional groups).
前駆ナノダイヤモンド材料として、ナノダイヤモンドの含有量が好ましくは少なくとも87重量%、より好ましくは少なくとも97重量%である実質的に純粋なナノダイヤモンド材料が可能である。ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンドの製造に由来するグラファイトとアモルファス炭素を含んでいる可能性がある。ナノダイヤモンド材料は、残留金属不純物も、金属、金属塩、金属酸化物、金属窒化物、金属ハロゲン化物としていくらか含んでいる可能性がある。 The precursor nanodiamond material can be a substantially pure nanodiamond material, preferably having a nanodiamond content of at least 87% by weight, more preferably at least 97% by weight. Nanodiamond materials can include graphite and amorphous carbon derived from the production of nanodiamonds. Nanodiamond materials may also contain some residual metal impurities as metals, metal salts, metal oxides, metal nitrides, metal halides.
本発明の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料は、爆轟煤(例えばグラファイトとアモルファス炭素)を含んでいる可能性があり、酸化可能な炭素の含有量は、好ましくは少なくとも5重量%、より好ましくは少なくとも10重量%である。 In one embodiment of the invention, the nanodiamond material may contain detonation (eg, graphite and amorphous carbon), and the oxidizable carbon content is preferably at least 5% by weight, more preferably Is at least 10% by weight.
ナノダイヤモンド材料のゼータ電位の値は、水に分散させたときに±35mVを超えることが好ましい。 The value of the zeta potential of the nanodiamond material preferably exceeds ± 35 mV when dispersed in water.
ナノダイヤモンド材料がナノダイヤモンド混合物からなるとき、ナノダイヤモンド混合物材料のゼータ電位を信頼性よく求めることは、現在利用できる器具では難しい。 When the nanodiamond material is composed of a nanodiamond mixture, it is difficult to reliably determine the zeta potential of the nanodiamond mixture material with currently available instruments.
単独の形態のナノダイヤモンド材料粒子は、主要粒子の平均サイズが、1nm〜10nm、好ましくは2nm〜8nm、より好ましくは3nm〜7nm、最も好ましくは4nm〜6nmである。塊の形態になった粒子のサイズは、5nm〜1000nm、好ましくは60nm〜800nmである。 The nanodiamond material particles in a single form have an average primary particle size of 1 nm to 10 nm, preferably 2 nm to 8 nm, more preferably 3 nm to 7 nm, and most preferably 4 nm to 6 nm. The size of the particles in the form of lumps is 5 nm to 1000 nm, preferably 60 nm to 800 nm.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の表面を官能化して充填材料の表面への接着を増大させる。そのように官能化されたナノダイヤモンド材料粒子の一例は、アミノ官能化ナノダイヤモンド材料である。そのような官能化ナノダイヤモンドの別の一例は、カルボン酸官能化ナノダイヤモンド材料粒子であり、そのようなナノダイヤモンドのさらに別の一例は、水素を末端に有するナノダイヤモンド材料粒子である。そのような官能化ナノダイヤモンド材料粒子のさらに別の例として、ヒドロキシル、チオール、ハロゲン、ケトン、エステル、エーテル、シリル、エポキシ、シアノ、アルデヒドで官能化したナノダイヤモンド材料粒子が挙げられる。表面の官能基は、ナノダイヤモンド材料の表面に直接共有結合することが好ましいが、鎖構造の位置に存在することもできる。この鎖構造は、ナノダイヤモンド材料粒子の表面に共有結合する。ナノダイヤモンド材料粒子は、1種類の活性な表面官能基で主に官能化することが好ましいが、2種類以上の表面官能基を含んでいてもよい。 In one embodiment, the surface of the nanodiamond material particles is functionalized to increase adhesion of the filler material to the surface. One example of such functionalized nanodiamond material particles is an amino-functionalized nanodiamond material. Another example of such a functionalized nanodiamond is a carboxylic acid functionalized nanodiamond material particle, and yet another example of such a nanodiamond is a hydrogen-terminated nanodiamond material particle. Still other examples of such functionalized nanodiamond material particles include nanodiamond material particles functionalized with hydroxyl, thiol, halogen, ketone, ester, ether, silyl, epoxy, cyano, aldehyde. The surface functional groups are preferably covalently bonded directly to the surface of the nanodiamond material, but can also be present in the chain structure. This chain structure is covalently bonded to the surface of the nanodiamond material particles. The nanodiamond material particles are preferably mainly functionalized with one type of active surface functional group, but may contain two or more types of surface functional groups.
充填材料の表面への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Adhesion of the filler material to the surface can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
さらに、親ポリマー材料への接着は、1種類または数種類の表面官能化ナノダイヤモンド材料粒子を用いて調節することができる。 Furthermore, adhesion to the parent polymer material can be adjusted using one or several surface functionalized nanodiamond material particles.
接着したナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nm未満であり、300nm未満が好ましく、100nm未満がより好ましく、50nm未満が最も好ましい。 The size of the clumps of adhered nanodiamond material particles is less than 500 nm, preferably less than 300 nm, more preferably less than 100 nm, and most preferably less than 50 nm.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えてもよい。 In one embodiment, the size of the nanodiamond material particle mass may exceed 500 nm.
本発明の別の一実施態様では、ナノダイヤモンド材料粒子の塊のサイズは500nmを超えており、ナノダイヤモンド材料は、ナノダイヤモンド粒子を含むナノダイヤモンド混合材料である。 In another embodiment of the present invention, the size of the mass of nanodiamond material particles is greater than 500 nm and the nanodiamond material is a nanodiamond mixed material comprising nanodiamond particles.
充填剤の表面のナノダイヤモンド材料は、少なくとも1種類のポリマーに対するカップリング効果を発生させることができる。 The nanodiamond material on the surface of the filler can generate a coupling effect on at least one polymer.
ナノダイヤモンド含有熱複合体は、さまざまな形態(例えば製品、ペレット、粉末)にすることができる。 Nanodiamond-containing thermal composites can be in various forms (eg, products, pellets, powders).
本発明の一実施態様では、ナノダイヤモンド含有熱複合体は、溶媒の形態で入手することができ、そのナノダイヤモンド含有熱複合体は、適切な溶媒の中に分散または懸濁されている。ナノダイヤモンド熱複合体を含むそのような溶媒形態を硬化させることで、フィルム、コーティング、粒子、製品、ペレット、粉末の形態になった固体または実質的に固体のナノダイヤモンド含有熱複合体を形成することができる。 In one embodiment of the invention, the nanodiamond-containing thermal composite can be obtained in the form of a solvent, the nanodiamond-containing thermal composite being dispersed or suspended in a suitable solvent. Curing such solvent forms, including nanodiamond thermal composites, forms solid or substantially solid nanodiamond-containing thermal composites in the form of films, coatings, particles, products, pellets, powders be able to.
本発明の別の一実施態様では、ナノダイヤモンド含有組成物をシリコーンに添加してナノダイヤモンド含有熱複合体を形成する。そのシリコーン含有熱複合体は、熱によって、および/または光照射(例えばUV光)によって、および/または触媒の使用によって硬化させることができる。特に好ましい1つの触媒は白金である。 In another embodiment of the invention, a nanodiamond-containing composition is added to silicone to form a nanodiamond-containing thermal composite. The silicone-containing thermal composite can be cured by heat and / or by light irradiation (eg, UV light) and / or by use of a catalyst. One particularly preferred catalyst is platinum.
本発明の別の一実施態様では、ナノダイヤモンド含有組成物をエポキシドに添加してナノダイヤモンド含有熱複合体を形成する。そのエポキシド含有熱複合体は、熱によって、および/または照射によって、および/または硬化剤の使用によって硬化させることができる。特に好ましい1つの硬化剤はアミン硬化剤である。 In another embodiment of the invention, the nanodiamond-containing composition is added to the epoxide to form a nanodiamond-containing thermal composite. The epoxide-containing thermal composite can be cured by heat and / or by irradiation and / or by use of a curing agent. One particularly preferred curing agent is an amine curing agent.
一実施態様では、ナノダイヤモンド含有熱複合体は、そのナノダイヤモンド含有熱複合体と同じ充填剤を使用していてその装填量が同じ重量%である熱複合体よりも大きなヤング率を示す。 In one embodiment, the nanodiamond-containing thermal composite exhibits a Young's modulus greater than a thermal composite that uses the same filler as the nanodiamond-containing thermal composite and has the same weight percent loading.
一実施態様では、ナノダイヤモンド含有熱複合体は、そのナノダイヤモンド含有熱複合体と同じ充填剤を使用していてその装填量が同じ重量%である熱複合体よりも大きな引っ掻き抵抗を示す。 In one embodiment, the nanodiamond-containing thermal composite exhibits greater scratch resistance than a thermal composite that uses the same filler as the nanodiamond-containing thermal composite and has the same weight percent loading.
一実施態様では、ナノダイヤモンド含有熱複合体は、そのナノダイヤモンド含有熱複合体と同じ充填剤を使用していてその装填量が同じ重量%である熱複合体よりも小さな摩擦係数を示す。 In one embodiment, the nanodiamond-containing thermal composite exhibits a smaller coefficient of friction than a thermal composite that uses the same filler as the nanodiamond-containing thermal composite and has the same weight percent loading.
一実施態様では、ナノダイヤモンド材料と少なくとも1種類の充填剤と少なくとも1種類のポリマーを含む本発明のナノダイヤモンド含有熱複合体は、上に開示した方法によって得ることができる。 In one embodiment, the nanodiamond-containing thermal composite of the present invention comprising a nanodiamond material, at least one filler and at least one polymer can be obtained by the method disclosed above.
以下に、実施例によって本発明をより詳細に説明する。実施例の目的は、請求項の範囲を制限することではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The purpose of the examples is not to limit the scope of the claims.
実施例1(本発明による)
この実施例では、熱伝導性かつ電気絶縁性のPA-66組成物の調製を示す。
Example 1 (according to the invention)
This example demonstrates the preparation of a thermally conductive and electrically insulating PA-66 composition.
材料
ポリアミド-66(PA-66):
試験で用いたPA-66は、PA-66グレードZytel 135F(粉末PA-66)であった。これは市販されている。
Material Polyamide-66 (PA-66):
The PA-66 used in the test was PA-66 grade Zytel 135F (powder PA-66). This is commercially available.
窒化ホウ素:
この実施例で用いた窒化ホウ素は、ESK Ceramics GmbHから入手できる15ミクロンの六方晶系窒化ホウ素粉末Boronid(登録商標)TCP015-100であった。
Boron nitride:
The boron nitride used in this example was a 15 micron hexagonal boron nitride powder Boronid® TCP015-100 available from ESK Ceramics GmbH.
ゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド水中分散液:
ゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液は、Carbodeon社が開発したアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液であり、ナノダイヤモンドの含有量が5重量%である。ナノダイヤモンドの結晶サイズは4〜6nmである。固相中のナノダイヤモンドの含有量は97重量%以上である。アミノ官能化ナノダイヤモンド分散液のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドであり、滴定によって測定したその塩基値は最小で10.0、その酸値は3.0未満である。この水性分散液のpHは、5重量%の含有量で測定したときに最小で8.0である。このアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液のゼータ電位は、pH調節剤なしの分散液で測定したときに少なくとも+35mVである。このグレードのD90粒子サイズ分布は30nm未満である。用いる水性アミノ官能化ナノダイヤモンド・グレードの含有量は5重量%であった。
Zeta positive amino functionalized nanodiamond dispersion in water:
The zeta positive amino functionalized nanodiamond dispersion is an amino functionalized nanodiamond dispersion developed by Carbodeon with a nanodiamond content of 5% by weight. The crystal size of nanodiamond is 4-6 nm. The content of nanodiamond in the solid phase is 97% by weight or more. The nanodiamond particles of the amino-functionalized nanodiamond dispersion are detonated nanodiamonds, whose base value measured by titration is at least 10.0 and its acid value is less than 3.0. The pH of this aqueous dispersion is a minimum of 8.0 when measured at a content of 5% by weight. The zeta potential of this amino-functionalized nanodiamond dispersion is at least +35 mV when measured with a dispersion without pH modifier. This grade of D90 particle size distribution is less than 30 nm. The content of the aqueous amino functionalized nanodiamond grade used was 5% by weight.
水中のVox D
(Carbodeon社の)「Vox D」という名称の製品は、表面に主にカルボン酸官能化ナノダイヤモンドを有する球形ナノダイヤモンド粒子を水と多彩な他の溶媒に分散させたものを含んでいる。ナノダイヤモンドの結晶サイズは4〜6nmである。固相中のナノダイヤモンドの含有量は97重量%以上である。「Vox D」は市販されている。「Vox D」のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドである。この市販されている分散液のゼータ電位の典型値は少なくとも-50mVであり、D90粒子サイズ分布は30nm未満、好ましくは15nm未満である。用いる水性Vox Dグレード・ナノダイヤモンドの含有量は5重量%であった。
Underwater Vox D
The product named “Vox D” (from Carbodeon) contains a dispersion of spherical nanodiamond particles, mainly having carboxylic acid functionalized nanodiamonds on the surface, in water and various other solvents. The crystal size of nanodiamond is 4-6 nm. The content of nanodiamond in the solid phase is 97% by weight or more. “Vox D” is commercially available. “Vox D” nanodiamond particles are detonated nanodiamonds. The typical value of the zeta potential of this commercially available dispersion is at least -50 mV and the D90 particle size distribution is less than 30 nm, preferably less than 15 nm. The content of aqueous Vox D grade nanodiamond used was 5% by weight.
水中の水素D
(Carbodeon社の)「水素D」という名称の製品は、表面に主に水素官能化ナノダイヤモンドを有する球形ナノダイヤモンド粒子を水と多彩な他の溶媒に分散させたものを含んでいる。ナノダイヤモンドの結晶サイズは4〜6nmである。固相中のナノダイヤモンドの含有量は97重量%以上である。「Vox D」は市販されている。「Vox D」のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドである。この市販されている分散液のゼータ電位の典型値は、pH調節剤なしの水性分散液で測定したときに少なくとも+40mVであり、D90粒子サイズ分布は30nm未満、好ましくは15nm未満である。「水素D」のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドである。用いる水性分散液の含有量は3.5重量%であった。
Underwater hydrogen D
A product named “Hydrogen D” (from Carbodeon) contains a dispersion of spherical nanodiamond particles, mainly having hydrogen-functionalized nanodiamonds on the surface, in water and various other solvents. The crystal size of nanodiamond is 4-6 nm. The content of nanodiamond in the solid phase is 97% by weight or more. “Vox D” is commercially available. “Vox D” nanodiamond particles are detonated nanodiamonds. Typical values for the zeta potential of this commercially available dispersion are at least +40 mV when measured with an aqueous dispersion without a pH modifier and the D90 particle size distribution is less than 30 nm, preferably less than 15 nm. “Hydrogen D” nanodiamond particles are detonated nanodiamonds. The content of the aqueous dispersion used was 3.5% by weight.
ナノダイヤモンド分散液と窒化ホウ素充填剤からの組成物の調製:
アミノ-2:
24.722gの窒化ホウ素と5.5mlのゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液(0.0275gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこのアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.05重量%のゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンドと44.95重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル4)。
Preparation of composition from nanodiamond dispersion and boron nitride filler:
Amino-2:
24.722g boron nitride and 5.5ml zeta positive amino functionalized nanodiamond dispersion (0.5wt% aqueous dispersion containing 0.0275g solids) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV ) For 1 minute. This amino-functionalized nanodiamond dispersion with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.05 wt% zeta positive amino functionalized nanodiamond and 44.95 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (Sample 4). ).
24.695gの窒化ホウ素と11.0mlのゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液(0.055gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこのアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.1重量%のゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンドと44.9重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル5)。 24.695 g boron nitride and 11.0 ml zeta positive amino-functionalized nanodiamond dispersion (0.5 wt% aqueous dispersion containing 0.055 g solids) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV ) For 1 minute. This amino-functionalized nanodiamond dispersion with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.1 wt% zeta-positive amino-functionalized nanodiamond and 44.9 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (Sample 5). ).
48.95gの窒化ホウ素と55.0mlのゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液(0.55gの固体を含む1.0重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこのアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.5重量%のゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンドと44.5重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル6)。 48.95 g boron nitride and 55.0 ml zeta positive amino-functionalized nanodiamond dispersion (1.0 wt% aqueous dispersion containing 0.55 g solid) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV ) For 1 minute. This amino-functionalized nanodiamond dispersion with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.5 wt% zeta-positive amino-functionalized nanodiamond and 44.5 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (Sample 6). ).
64.35gの窒化ホウ素と33.0mlのゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液(1.65gの固体を含む5.0重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこのアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.5重量%のゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンドと19.5重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル7)。 64.35 g boron nitride and 33.0 ml zeta positive amino-functionalized nanodiamond dispersion (5.0 wt% aqueous dispersion containing 1.65 g solid) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV ) For 1 minute. This amino-functionalized nanodiamond dispersion with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.5 wt% zeta positive amino functionalized nanodiamond and 19.5 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (Sample 7). ).
Vox-2:
24.722gの窒化ホウ素と5.5mlのVox-Dナノダイヤモンド分散液(0.0275gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが負のこのカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.05重量%のゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンドと44.95重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル8)。
Vox-2:
24.722g boron nitride and 5.5ml Vox-D nanodiamond dispersion (0.5wt% aqueous dispersion containing 0.0275g solids) are mixed together and using a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) Treated for 1 minute. This carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion with negative zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. A portion of the composition thus prepared was used to prepare a PA-66 compound containing 0.05 wt% zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond and 44.95 wt% hexagonal boron nitride material (sample) 8).
24.695gの窒化ホウ素と11.0mlのゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液Vox-D(0.055gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが負のこのカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.1重量%のゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンドと44.9重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル9)。 24.695 g boron nitride and 11.0 ml zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion Vox-D (0.5 wt% aqueous dispersion containing 0.055 g solid) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) was used for 1 minute. This carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion with negative zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.1 wt% zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond and 44.9 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (sample 9).
47.85gの窒化ホウ素と33.0mlのゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液Vox D(1.65gの固体を含む5.0重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが負のこのカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、1.5重量%のゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンドと43.5重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル10)。 47.85 g boron nitride and 33.0 ml zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion Vox D (5.0 wt% aqueous dispersion containing 1.65 g solids) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) for 1 minute. This carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion with negative zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. A portion of the composition thus prepared was used to prepare a PA-66 compound containing 1.5 wt% zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond and 43.5 wt% hexagonal boron nitride material (sample) Ten).
61.05gの窒化ホウ素と99.0mlのゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液Vox D(4.95gの固体を含む5.0重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが負のこのカルボン酸官能化ナノダイヤモンド分散液は、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、1.5重量%のゼータが負のカルボン酸官能化ナノダイヤモンドと18.5重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル11)。 61.05 g boron nitride and 99.0 ml zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion Vox D (5.0 wt% aqueous dispersion containing 4.95 g solid) are mixed together and a Speed Mixer DAC 150.1 FV) for 1 minute. This carboxylic acid functionalized nanodiamond dispersion with negative zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. A portion of the composition thus prepared was used to prepare a PA-66 compound containing 1.5 wt% zeta negative carboxylic acid functionalized nanodiamond and 18.5 wt% hexagonal boron nitride material (sample) 11).
水素-2:
21.89gの窒化ホウ素と22.0mlのゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンド分散液水素D(0.11gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこの水素官能化ナノダイヤモンド分散液水素Dは、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.1重量%のゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンドと19.9重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル12)。
Hydrogen-2:
21.89 g of boron nitride and 22.0 ml of zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond dispersion hydrogen D (0.5 wt% aqueous dispersion containing 0.11 g of solid) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) for 1 minute. This hydrogen-functionalized nanodiamond dispersion hydrogen D with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. A portion of the composition thus prepared was used to prepare a PA-66 compound containing 0.1 wt% zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond and 19.9 wt% hexagonal boron nitride material (Sample 12). ).
24.695gの窒化ホウ素と11.0mlのゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンド分散液水素D(0.055gの固体を含む0.5重量%の水性分散液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ゼータが正のこの水素官能化ナノダイヤモンド分散液水素Dは、窒化ホウ素マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。このようにして調製した組成物の一部を用い、0.1重量%のゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンドと49.9重量%の六方晶系窒化ホウ素材料を含むPA-66化合物を調製した(サンプル13)。 24.695 g boron nitride and 11.0 ml zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond dispersion hydrogen D (0.5 wt% aqueous dispersion containing 0.055 g solid) are mixed together and a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) for 1 minute. This hydrogen-functionalized nanodiamond dispersion hydrogen D with positive zeta spread evenly throughout the boron nitride matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles. Using a portion of the composition thus prepared, a PA-66 compound containing 0.1 wt% zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond and 49.9 wt% hexagonal boron nitride material was prepared (Sample 13). ).
処理
どの材料も乾燥させた後に混合した(PA-66:乾燥空気乾燥機の中で2時間/120℃)。
混合は、Xplore15マイクロコンパウンダを用いて実施し、Thermo-Haake Minijetを用いて試験片を射出成形した。Minijetのための特殊な鋳型(25×25×3mm)を使用した。各シリーズについて同様の3つの複合体を製造した後、熱伝導率と密度を分析した。
Treatment All materials were dried and then mixed (PA-66: 2 hours in a dry air dryer / 120 ° C).
Mixing was performed using an Xplore 15 microcompound and test specimens were injection molded using a Thermo-Haake Minijet. A special mold (25 x 25 x 3mm) for Minijet was used. After producing three similar composites for each series, the thermal conductivity and density were analyzed.
サンプル1:PA-66熱可塑性ポリマーをコンパウンダの中に配置した。混合と成形の温度は290℃であった。混合におけるスクリューの回転速度は100rpmであり、混合の時間は少なくとも5分間であった。鋳型の温度は70℃であった。Minijetを用いると、800バールでの装填時間は5秒間であり、500バールでの冷却時間は15秒間であった。サンプルの全重量はそれぞれ11グラムであった。サンプル1は、充填剤を含まない基準サンプルである。 Sample 1: PA-66 thermoplastic polymer was placed in a compound. The mixing and molding temperature was 290 ° C. The screw rotation speed during mixing was 100 rpm and the mixing time was at least 5 minutes. The mold temperature was 70 ° C. With the Minijet, the loading time at 800 bar was 5 seconds and the cooling time at 500 bar was 15 seconds. The total weight of the samples was 11 grams each. Sample 1 is a reference sample containing no filler.
サンプル2〜3:窒化ホウ素粉末とPA-66熱可塑性ポリマーをコンパウンダの中に配置した。混合と成形の温度は290℃であった。混合におけるスクリューの回転速度は100rpmであり、混合の時間は少なくとも5分間であった。鋳型の温度は70℃であった。Minijetを用いると、800バールでの装填時間は5秒間であり、500バールでの冷却時間は15秒間であった。サンプルの全重量はそれぞれ11グラムであり、充填剤の全装填量は、20重量%(サンプル2)または45重量%(サンプル3)であった。サンプル2と3は、窒化ホウ素充填剤だけを含む代表的な基準サンプルである。 Samples 2-3: Boron nitride powder and PA-66 thermoplastic polymer were placed in a compound. The mixing and molding temperature was 290 ° C. The screw rotation speed during mixing was 100 rpm and the mixing time was at least 5 minutes. The mold temperature was 70 ° C. With the Minijet, the loading time at 800 bar was 5 seconds and the cooling time at 500 bar was 15 seconds. The total weight of the samples was 11 grams each and the total loading of the filler was 20 wt% (Sample 2) or 45 wt% (Sample 3). Samples 2 and 3 are representative reference samples containing only boron nitride filler.
サンプル4〜14:PA-66熱可塑性ポリマーと、窒化ホウ素粒子の表面で乾燥させたナノダイヤモンドを含む組成物をコンパウンダの中に配置した。混合と成形の温度は290℃であった。混合におけるスクリューの回転速度は100rpmであり、混合の時間は少なくとも5分間であった。鋳型の温度は70℃であった。Minijetを用いると、800バールでの装填時間は5秒間であり、500バールでの冷却時間は15秒間であった。サンプルの全重量はそれぞれ11グラムであり、充填剤の全装填量は、20重量%または45重量%であった。調製したサンプルの充填剤の全装填量が20重量%であるとき、窒化ホウ素充填剤の装填量を18.5〜19.95重量%の間で変化させ、ナノダイヤモンドの含有量を0.05〜1.5重量%の間で変化させた。調製したサンプルの充填剤の全装填量が45重量%であるとき、窒化ホウ素充填剤の装填量を44.5〜44.95重量%の間で変化させ、ナノダイヤモンドの含有量を0.05〜0.5重量%の間で変化させた。 Samples 4-14: A composition comprising PA-66 thermoplastic polymer and nanodiamond dried on the surface of boron nitride particles was placed in a compound. The mixing and molding temperature was 290 ° C. The screw rotation speed during mixing was 100 rpm and the mixing time was at least 5 minutes. The mold temperature was 70 ° C. With the Minijet, the loading time at 800 bar was 5 seconds and the cooling time at 500 bar was 15 seconds. The total weight of the samples was 11 grams each and the total loading of the filler was 20% or 45% by weight. When the total loading of the prepared sample filler is 20% by weight, the loading of boron nitride filler is varied between 18.5 and 19.95% by weight and the nanodiamond content is between 0.05 and 1.5% by weight It was changed with. When the total loading of the prepared sample filler is 45 wt%, the boron nitride filler loading is varied between 44.5 and 44.95 wt% and the nanodiamond content is between 0.05 and 0.5 wt% It was changed with.
分析
製造したPA-66熱化合物サンプルの熱伝導率(λ)を、ESK Ceramics GmbHにおいてレーザー・フラッシュ法(ISO 18755;LFA 447、Netzsch GmbH)で求め、基準材料としてはPyroseram を用いた(5回の測定と平均)。測定値は、熱拡散率aである。この値は、空間の3方向、すなわちx方向、y方向、z方向で測定する(面貫通方向=zサンプル、成形方向に平行な面内方向=yサンプル、成形方向に垂直な面内方向=xサンプル)。測定は室温(25℃)で実施した。サンプルの密度(ρ)はアルキメデス法によって測定した。zサンプルに関する測定結果を用いて比熱CPを計算した。密度ρ、CP、aを用い、λ=a×CP×ρに従って熱伝導率を計算した。
Analysis The thermal conductivity (λ) of the manufactured PA-66 thermal compound sample was determined by the laser flash method (ISO 18755; LFA 447, Netzsch GmbH) at ESK Ceramics GmbH, and Pyroseram was used as the reference material (5 times). And average). The measured value is the thermal diffusivity a. This value is measured in three directions of space, that is, the x direction, the y direction, and the z direction (plane penetration direction = z sample, in-plane direction parallel to the molding direction = y sample, in-plane direction perpendicular to the molding direction = x samples). The measurement was performed at room temperature (25 ° C.). The density (ρ) of the sample was measured by the Archimedes method. calculated specific heat C P using the measurement results for z samples. The thermal conductivity was calculated according to λ = a × C P × ρ using the density ρ, C P , and a.
結果
結果を表1にまとめてある。密度測定の誤差は±0.002g/cm3であり、熱拡散率測定の誤差は±5%であり、計算したCPの誤差は15%以下である。各サンプルの比熱の値は、x方向、y方向、z方向で同じであったため、各サンプルについて1つの値だけを示してある。
Results The results are summarized in Table 1. Error of the density measurement is ± 0.002g / cm 3, the error of the thermal diffusivity measuring is ± 5%, the error of the calculated C P is 15% or less. Since the specific heat value of each sample is the same in the x, y, and z directions, only one value is shown for each sample.
ナノダイヤモンド充填剤を窒化ホウ素充填剤とともにボール・ミル粉砕によって粉砕した後、得られた充填剤混合物を熱可塑性ポリマーそのものに組み込むと、複数の充填剤を熱可塑性マトリックスに別々に添加する方法と比べて熱伝導率が改善されることが以前に示されている。45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、44.95重量%の窒化ホウ素充填剤と0.05重量%のアミノ-2を含む組成物は、面内方向熱伝導率が21.9%改善され、平均熱伝導率が14.0%改善される(サンプル4)。したがって熱伝導率の顕著な改善が、ナノダイヤモンド材料の含有量が非常に少ない化合物ですでに得られる。 After grinding nanodiamond filler with boron nitride filler by ball milling, the resulting filler mixture is incorporated into the thermoplastic polymer itself, compared to the method of adding multiple fillers to the thermoplastic matrix separately. It has been shown previously that thermal conductivity is improved. Compared to a reference sample containing 45.0 wt% boron nitride filler (Sample 3), the composition containing 44.95 wt% boron nitride filler and 0.05 wt% amino-2 has an in-plane thermal conductivity of 21.9 %, The average thermal conductivity is improved by 14.0% (Sample 4). Thus, a significant improvement in thermal conductivity is already obtained with compounds with a very low content of nanodiamond material.
45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、44.9重量%の窒化ホウ素充填剤と0.1重量%のアミノ-2を含む組成物の使用により、面内方向熱伝導率が42.3%、平均熱伝導率が31.1%改善される(サンプル5)。この結果は、別の同様のサンプルを調製することによって再現されており、面内方向熱伝導率が39.8%、平均熱伝導率が34.1%改善された(X:4.58;Y:5.26;Z:1.96)。窒化ホウ素充填剤をアミノ官能化ナノダイヤモンドMolto Nuevo(この実施例で用いるアミノ官能化ナノダイヤモンド材料と比べてアミノ官能基の割合が少ない)と機械で乾燥粉末として混合して同様の化合物を調製し、得られた組成物を混合する場合には、対応する改善は、面内方向熱伝導率が25.0%、平均熱伝導率が24.9%である。 Compared to a reference sample containing 45.0 wt% boron nitride filler (Sample 3), the use of a composition containing 44.9 wt% boron nitride filler and 0.1 wt% amino-2 results in in-plane thermal conductivity Is improved by 42.3% and the average thermal conductivity by 31.1% (Sample 5). This result has been reproduced by preparing another similar sample, improving the in-plane thermal conductivity by 39.8% and the average thermal conductivity by 34.1% (X: 4.58; Y: 5.26; Z: 1.96). Similar compounds were prepared by mixing boron nitride filler with amino functionalized nanodiamond Molto Nuevo (which has a lower proportion of amino functional groups compared to the amino functionalized nanodiamond material used in this example) as a dry powder on a machine. When mixing the resulting compositions, the corresponding improvements are in-plane thermal conductivity of 25.0% and average thermal conductivity of 24.9%.
さらに、45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、44.5重量%の窒化ホウ素充填剤と0.5重量%のアミノ-2を含む組成物(サンプル6)の使用により、面内方向熱伝導率が16.8%、平均熱伝導率が17.4%増大する。同じ含有量の窒化ホウ素とゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド粉末(ゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド分散液を製造するための前駆材料)を乾燥粉末として互いに粉砕した後に混合する場合には、面内方向熱伝導率が12.8%、平均熱伝導率が11.9%改善される。 In addition, the use of a composition containing 44.5 wt% boron nitride filler and 0.5 wt% amino-2 (sample 6) compared to a reference sample containing 45.0 wt% boron nitride filler (sample 3) The in-plane thermal conductivity increases by 16.8% and the average thermal conductivity increases by 17.4%. When mixing the same content of boron nitride and zeta-positive amino-functionalized nanodiamond powder (precursor for producing a positive-functional aminofunctional nanodiamond dispersion of zeta) after pulverizing each other as dry powder In-plane thermal conductivity is improved by 12.8% and average thermal conductivity is improved by 11.9%.
さらに、19.5重量%の窒化ホウ素材料と0.5重量%のアミノ官能化ナノダイヤモンド(アミノ-2)を含む組成物では、PA-66マトリックス中に窒化ホウ素を20重量%含む基準サンプルと比べて面内方向熱伝導率が10.6%、平均熱伝導率が11.8%改善される(サンプル7)。 In addition, a composition comprising 19.5 wt% boron nitride material and 0.5 wt% amino functionalized nanodiamond (amino-2) is in-plane compared to a reference sample containing 20 wt% boron nitride in a PA-66 matrix. The directional thermal conductivity is improved by 10.6% and the average thermal conductivity is improved by 11.8% (Sample 7).
45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、44.95重量%の窒化ホウ素充填剤と0.05重量%のカルボキシル化ナノダイヤモンド粒子(Vox-2)を含む組成物の使用により、面内方向熱伝導率が36.3%、平均熱伝導率が29.4%改善される(サンプル8)。したがって熱伝導率の顕著な改善が、ナノダイヤモンド材料の含有量が非常に少ない化合物ですでに得られる。 Compared to a reference sample containing 45.0 wt% boron nitride filler (Sample 3), the use of a composition containing 44.95 wt% boron nitride filler and 0.05 wt% carboxylated nanodiamond particles (Vox-2) The in-plane thermal conductivity is improved by 36.3% and the average thermal conductivity is improved by 29.4% (Sample 8). Thus, a significant improvement in thermal conductivity is already obtained with compounds with a very low content of nanodiamond material.
44.9重量%の窒化ホウ素充填剤と0.1重量%のカルボキシル化ナノダイヤモンド粒子を含むVox-2の組成物を用いて複合体を製造するとき、PA-66化合物に45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、面内方向熱伝導率が26.7%、平均熱伝導率が19.1%改善される(サンプル9)。 When making a composite using a composition of Vox-2 containing 44.9 wt% boron nitride filler and 0.1 wt% carboxylated nanodiamond particles, 45.0 wt% boron nitride filler is added to the PA-66 compound. Compared with the included reference sample (sample 3), the in-plane thermal conductivity is improved by 26.7% and the average thermal conductivity is improved by 19.1% (sample 9).
45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、43.5重量%の窒化ホウ素材料と1.5重量%のカルボキシル化ナノダイヤモンド粒子を含むVox-2組成物(サンプル10)を用いることによって面内方向熱伝導率が19.9%、平均熱伝導率が17.7%改善される。窒化ホウ素をカルボキシル化ナノダイヤモンド粉末(Vox D分散液のための前駆材料)と機械で乾燥粉末として混合して同様の化合物を調製し、得られた組成物を混合する場合には、熱伝導率の改善を検出することはできない。充填剤を順番に混合すること、すなわち最初にカルボキシル化ナノダイヤモンド粉末(Vox P)を混合し、次いで窒化ホウ素充填剤を混合することによってサンプルを調製する場合には、面内方向熱伝導率の改善は得られず、平均熱伝導率のわずかな改善(1.1%)だけを測定することができた。 Using a Vox-2 composition (sample 10) containing 43.5 wt% boron nitride material and 1.5 wt% carboxylated nanodiamond particles compared to a reference sample (sample 3) containing 45.0 wt% boron nitride filler This improves the in-plane thermal conductivity by 19.9% and the average thermal conductivity by 17.7%. When boron nitride is mixed with carboxylated nanodiamond powder (precursor for Vox D dispersion) mechanically as a dry powder to prepare similar compounds and the resulting composition is mixed, thermal conductivity It is not possible to detect improvement. When preparing the sample by mixing the fillers sequentially, ie first by mixing the carboxylated nanodiamond powder (Vox P) and then by mixing the boron nitride filler, the in-plane thermal conductivity of No improvement was obtained and only a slight improvement (1.1%) in average thermal conductivity could be measured.
20重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル2)と比較すると、18.5重量%の窒化ホウ素と1.5重量%のカルボキシル化ナノダイヤモンド粒子を含むVox-2組成物(サンプル11)を用いることによって面内方向熱伝導率が132%、平均熱伝導率が105%改善される。窒化ホウ素をカルボキシル化ナノダイヤモンド粉末(Vox D分散液のための前駆材料)と機械で乾燥粉末として混合することによって同様の化合物を調製し、得られた組成物を混合する場合には、対応する改善は、面内方向熱伝導率が19.4%、平均熱伝導率が20.4%である。充填剤を順番に混合すること、すなわち最初にカルボキシル化ナノダイヤモンド粉末(Vox P)を混合し、次いで窒化ホウ素充填剤を混合することによってサンプルを調製する場合には、面内方向熱伝導率が6.8%改善されることと、平均熱伝導率も同様に改善されること(6.8%)を測定できた。 Use a Vox-2 composition (sample 11) containing 18.5 wt% boron nitride and 1.5 wt% carboxylated nanodiamond particles compared to a reference sample (sample 2) containing 20 wt% boron nitride filler Improves the in-plane thermal conductivity by 132% and the average thermal conductivity by 105%. A similar compound is prepared by mixing boron nitride with carboxylated nanodiamond powder (precursor for Vox D dispersion) mechanically as a dry powder, and the resulting composition is corresponding when mixed The improvement is that the in-plane thermal conductivity is 19.4% and the average thermal conductivity is 20.4%. When preparing samples by mixing the fillers sequentially, ie first by mixing the carboxylated nanodiamond powder (Vox P) and then by mixing the boron nitride filler, the in-plane thermal conductivity is It was measured that 6.8% was improved and that the average thermal conductivity was improved as well (6.8%).
20重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル2)と比較すると、19.9重量%の窒化ホウ素と0.1重量%の水素官能化ナノダイヤモンド粒子を含む水素-2組成物(サンプル12)を用いることによって面内方向熱伝導率が10.6%、平均熱伝導率が11.8%改善される。窒化ホウ素を水素官能化ナノダイヤモンド粉末(水素D分散液のための前駆材料)と機械で乾燥粉末として混合することによって同様の化合物を調製し、得られた組成物を混合する場合には、熱伝導率の改善を検出することはできない。 Using a hydrogen-2 composition (sample 12) containing 19.9 wt% boron nitride and 0.1 wt% hydrogen functionalized nanodiamond particles compared to a reference sample (sample 2) containing 20 wt% boron nitride filler This improves the in-plane thermal conductivity by 10.6% and the average thermal conductivity by 11.8%. A similar compound was prepared by mixing boron nitride with a hydrogen-functionalized nanodiamond powder (precursor for hydrogen D dispersion) as a dry powder on a machine, and when mixing the resulting composition, heat No improvement in conductivity can be detected.
45.0重量%の窒化ホウ素充填剤を含む基準サンプル(サンプル3)と比較すると、44.9重量%の窒化ホウ素と0.1重量%の水素官能化ナノダイヤモンド粒子を含む水素-2組成物(サンプル13)を用いることによって面内方向熱伝導率が15.9%、平均熱伝導率が9.6%改善される。窒化ホウ素を水素官能化ナノダイヤモンド粉末(水素D分散液のための前駆材料)と機械で乾燥粉末として混合することによって同様の化合物を調製し、得られた組成物を混合する場合には、面内方向熱伝導率の対応する改善は28.4%であり、平均熱伝導率の改善は18.8%である。この結果は、水素を末端に有するナノダイヤモンド材料粒子が、アミノ官能化ナノダイヤモンド粒子およびカルボン酸官能化ナノダイヤモンド粒子ほど窒化ホウ素粒子の表面と静電相互作用しなかった可能性のあることを示している。 Compared to a reference sample (sample 3) containing 45.0 wt% boron nitride filler, a hydrogen-2 composition (sample 13) containing 44.9 wt% boron nitride and 0.1 wt% hydrogen functionalized nanodiamond particles is used. This improves the in-plane thermal conductivity by 15.9% and the average thermal conductivity by 9.6%. When preparing similar compounds by mixing boron nitride with hydrogen functionalized nanodiamond powder (precursor for hydrogen D dispersion) as a dry powder on the machine, the resulting composition is The corresponding improvement in inward thermal conductivity is 28.4% and the average thermal conductivity improvement is 18.8%. This result indicates that the hydrogen-terminated nanodiamond material particles may not have interacted with the surface of the boron nitride particles as electrostatically as the amino-functionalized nanodiamond particles and the carboxylic acid-functionalized nanodiamond particles. ing.
さらに改善された熱伝導率は、充填材料と親ポリマー材料の間にナノダイヤモンド材料粒子の表面が発生させるカップリング効果に基づく。充填材料粒子の表面に接着した熱伝導率が大きいナノダイヤモンド材料粒子(熱組成物を形成している)を用いることによって得られる充填材料粒子とポリマーの改善された湿潤状態は、疑いなく、フォノンの移動を改善し、したがって熱伝導率を改善する。こうした改善は、組成物の含有率が非常に低い状態ですでに得られる。 Further improved thermal conductivity is based on the coupling effect generated by the surface of the nanodiamond material particles between the filler material and the parent polymer material. The improved wet state of the filler material particles and polymer obtained by using nano-diamond material particles with high thermal conductivity (forming the thermal composition) adhered to the surface of the filler material particles is undoubtedly the phonon Improve the thermal conductivity. Such an improvement is already obtained with a very low content of the composition.
図1は、充填剤の全装填量が20重量%のPA-66熱複合体であり、ここではナノダイヤモンド材料が乾燥粉末として六方晶系窒化ホウ素とともにボール・ミル粉砕された。化合物中のナノダイヤモンドの含有量は1.5重量%であり、六方晶系窒化ホウ素の含有量は18.5重量%である。 FIG. 1 is a PA-66 thermal composite with a total filler loading of 20% by weight, where the nanodiamond material was ball milled with hexagonal boron nitride as a dry powder. The content of nanodiamond in the compound is 1.5% by weight, and the content of hexagonal boron nitride is 18.5% by weight.
図2は、充填剤の全装填量が20重量%の本発明のPA-66熱複合体であり、ここではナノダイヤモンド材料を分散液の形態で六方晶系窒化ホウ素の表面に導入した後、その分散液を乾燥させてナノダイヤモンドを六方晶系窒化ホウ素粒子の表面に直接接着させた。化合物中のナノダイヤモンドの含有量は1.5重量%であり、六方晶系窒化ホウ素の含有量は18.5重量%である。 FIG. 2 is a PA-66 thermal composite of the present invention with a total filler loading of 20 wt%, where nanodiamond material is introduced into the surface of hexagonal boron nitride in the form of a dispersion, The dispersion was dried to directly adhere the nanodiamond to the surface of the hexagonal boron nitride particles. The content of nanodiamond in the compound is 1.5% by weight, and the content of hexagonal boron nitride is 18.5% by weight.
実施例2(本発明による)
この実施例では、熱伝導性かつ電気絶縁性のPA-66組成物の調製を示す。
Example 2 (according to the invention)
This example demonstrates the preparation of a thermally conductive and electrically insulating PA-66 composition.
材料
ポリアミド-66(PA-66):
試験で用いたPA-66は、PA-66グレードZytel 135F(粉末PA-66)であった。これは市販されている。
Material Polyamide-66 (PA-66):
The PA-66 used in the test was PA-66 grade Zytel 135F (powder PA-66). This is commercially available.
グラファイト:
この実施例で用いたグラファイトはTIMCAL TIMREX(登録商標)KS5-75TT Primary Synthetic Graphiteであり、以下の粒子サイズを有する:D10:9.1μm;D50:38.8μm;D90:70μm。
Graphite:
The graphite used in this example is TIMCAL TIMREX® KS5-75TT Primary Synthetic Graphite and has the following particle sizes: D10: 9.1 μm; D50: 38.8 μm; D90: 70 μm.
ブレンドNH2-Pと名づけたアミノ官能化ナノダイヤモンド混合物粉末:
ゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド粉末は、Carbodeon社が開発したナノダイヤモンド粉末材料であり、市販されているナノダイヤモンド混合物を700℃の純粋なアンモニア・ガスに6時間にわたって曝露することによって調製された。アミノ官能化ナノダイヤモンド混合物の懸濁液のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドであり、生成されたアミノ官能化混合材料の滴定によって測定した塩基値は24.6、酸値は1.7であった。
Amino-functionalized nanodiamond mixture powder named Blend NH 2 -P:
Zeta-positive amino-functionalized nanodiamond powder is a nanodiamond powder material developed by Carbodeon, which is prepared by exposing a commercially available nanodiamond mixture to pure ammonia gas at 700 ° C for 6 hours. It was. The nano-diamond particles of the suspension of the amino-functionalized nanodiamond mixture were detonated nanodiamond, and the base value measured by titration of the resulting amino-functionalized mixed material was 24.6 and the acid value was 1.7.
ブレンドNH2-Sと名づけたアミノ官能化ナノダイヤモンド混合物水中懸濁液:
ゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド粉末は、Carbodeon社が開発したナノダイヤモンド粉末材料であり、市販されているナノダイヤモンド混合物を700℃の純粋なアンモニア・ガスに6時間にわたって曝露した後、得られた粉末を1時間にわたる超音波処理(超音波装置:(Hielscher社の)Hielscher UP400S)の助けを借りて水に懸濁させることによって調製した。アミノ官能化ナノダイヤモンド混合物の懸濁液のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドであり、生成されたアミノ官能化混合材料の滴定によって測定した塩基値は24.6、酸値は1.7であった。この混合物のナノダイヤモンドの含有量は50〜70重量%の間で変化するが、ナノダイヤモンド粒子の含有量は懸濁液の安定性に大きな影響を与えない。生成されたゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド混合物水性懸濁液は、少なくとも6ヶ月の間実質的に安定な懸濁液であり、用いるアミノ官能化混合物懸濁液の混合物の含有量は1.5重量%であった。
Amino-functionalized nanodiamond mixture suspension in water named Blend NH 2 -S:
Zeta-positive amino-functionalized nanodiamond powder is a nanodiamond powder material developed by Carbodeon, obtained after exposure of a commercially available nanodiamond mixture to 700 ° C pure ammonia gas for 6 hours. The powder was prepared by suspending in water with the help of sonication for 1 hour (sonicator: Hielscher UP400S (from Hielscher)). The nano-diamond particles of the suspension of the amino-functionalized nanodiamond mixture were detonated nanodiamond, and the base value measured by titration of the resulting amino-functionalized mixed material was 24.6 and the acid value was 1.7. Although the nanodiamond content of this mixture varies between 50-70% by weight, the nanodiamond particle content does not significantly affect the stability of the suspension. The resulting zeta-positive amino-functionalized nanodiamond mixture aqueous suspension is a substantially stable suspension for at least 6 months, and the content of the mixture of amino-functionalized mixture suspension used is 1.5. % By weight.
ブレンドH-Pと名づけた水素官能化ナノダイヤモンド混合物粉末:
ゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンド粉末は、Carbodeon社が開発したナノダイヤモンド粉末材料であり、市販されているナノダイヤモンド混合物を600℃の(アルゴン中の)4%水素ガス流に6時間にわたって曝露することによって調製された。アミノ官能化ナノダイヤモンド分散液のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドであり、生成された水素官能化混合材料の滴定によって測定した塩基値は19.1、酸値は3.0であった。
Hydrogen functionalized nanodiamond mixture powder named Blend HP:
Zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond powder is a nanodiamond powder material developed by Carbodeon that exposes a commercially available nanodiamond mixture to a 4% hydrogen gas flow (in argon) at 600 ° C. for 6 hours. Was prepared by The nanodiamond particles of the amino-functionalized nanodiamond dispersion were detonated nanodiamond, the base value measured by titration of the produced hydrogen functionalized mixed material was 19.1, and the acid value was 3.0.
ブレンドH-Sと名づけた水素官能化ナノダイヤモンド混合物水中懸濁液:
ゼータが正の水素官能化ナノダイヤモンド粉末は、Carbodeon社が開発したナノダイヤモンド粉末材料であり、市販されているナノダイヤモンド混合物を600℃の(アルゴン中の)4%水素ガス流に6時間にわたって曝露した後、得られた粉末を1時間にわたる超音波処理(超音波装置:(Hielscher社の)Hielscher UP400S)の助けを借りて水に懸濁させることによって調製した。アミノ官能化ナノダイヤモンド分散液のナノダイヤモンド粒子は爆轟ナノダイヤモンドであり、生成された水素官能化混合材料の滴定によって測定した塩基値は19.1、酸値は3.0であった。この混合物のナノダイヤモンドの含有量は50〜70重量%の間で変化するが、ナノダイヤモンド粒子の含有量は、懸濁液の安定性に大きな影響を与えない。生成されたゼータが正のアミノ官能化ナノダイヤモンド混合物懸濁液は、少なくとも6ヶ月の間実質的に安定な懸濁液であり、用いるアミノ官能化混合物の懸濁液の混合物の含有量は1.5重量%であった。
Hydrogen functionalized nanodiamond mixture suspension in water named Blend HS:
Zeta positive hydrogen functionalized nanodiamond powder is a nanodiamond powder material developed by Carbodeon, which exposes a commercially available nanodiamond mixture to a 4% hydrogen gas flow (in argon) at 600 ° C. for 6 hours. The resulting powder was then prepared by suspending in water with the help of sonication for 1 hour (sonicator: Hielscher UP400S (from Hielscher)). The nanodiamond particles of the amino-functionalized nanodiamond dispersion were detonated nanodiamond, the base value measured by titration of the produced hydrogen functionalized mixed material was 19.1, and the acid value was 3.0. Although the nanodiamond content of this mixture varies between 50-70% by weight, the nanodiamond particle content does not significantly affect the stability of the suspension. The resulting zeta-positive amino-functionalized nanodiamond mixture suspension is a substantially stable suspension for at least 6 months, and the content of the amino-functionalized mixture suspension used is 1.5. % By weight.
ナノダイヤモンド混合物粉末とグラファイト充填剤からの組成物の調製:
ブレンドN-1
21.78gのグラファイトと0.22gのブレンドNH2-P粉末を、Retzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕によって互いに混合した。
Preparation of composition from nanodiamond mixture powder and graphite filler:
Blend N-1
Ball milling 21.78 g of graphite and 0.22 g of blended NH 2 -P powder using a Retzch 100 PM100 ball milling tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide containers) Mixed with each other.
ブレンドH-1:
21.78gのグラファイトと0.22gのブレンドH-P粉末を、Retzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕によって互いに混合した。
Blend H-1:
21.78 g of graphite and 0.22 g of blended HP powder are mixed together by ball milling using a Retzch 100 PM100 ball milling tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container). did.
ナノダイヤモンド混合物懸濁液とグラファイト充填剤からの組成物の調製:
ブレンドN-2:
21.78gのグラファイトと14.67mlのブレンドNH2-S懸濁液(0.22gの固体を含む1.5重量%水性懸濁液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ブレンドNH2-S懸濁液は、グラファイト・マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。
Preparation of composition from nanodiamond mixture suspension and graphite filler:
Blend N-2:
21.78 g of graphite and 14.67 ml of blend NH 2 -S suspension (1.5 wt% aqueous suspension containing 0.22 g of solid) are mixed together and using a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) Treated for 1 minute. The blend NH 2 —S suspension spread evenly throughout the graphite matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles.
ブレンドH-2:
21.78gのグラファイトと14.67mlのブレンドH-S懸濁液(0.22gの固体を含む1.5重量%水性懸濁液)を互いに混合し、スピード・ミキサー装置(Speed Mixer DAC 150.1 FV)を用いて1分間処理した。ブレンドNH2-S懸濁液は、グラファイト・マトリックス全体に均一に広がっていた。得られた混合物を炉(80℃)の中で一晩乾燥させ、その乾燥した材料をRetzch 100 PM100ボール・ミル粉砕ツール(30分間、200rpm;炭化タングステン製ボール(10mm)、炭化タングステン製容器)を用いてボール・ミル粉砕することで、ナノダイヤモンド混合材料がグラファイト粒子の表面によく接着した組成物を得た。
Blend H-2:
21.78 g of graphite and 14.67 ml of blended HS suspension (1.5 wt% aqueous suspension containing 0.22 g of solid) are mixed together and processed for 1 minute using a speed mixer device (Speed Mixer DAC 150.1 FV) did. The blend NH 2 —S suspension spread evenly throughout the graphite matrix. The resulting mixture was dried overnight in an oven (80 ° C.) and the dried material was retzch 100 PM100 ball mill grinding tool (30 minutes, 200 rpm; tungsten carbide balls (10 mm), tungsten carbide container) Was then used to obtain a composition in which the nanodiamond mixed material adhered well to the surface of the graphite particles.
処理
どの材料も乾燥させた後に混合した(PA-66:乾燥空気乾燥機の中で2時間/120℃)。
Treatment All materials were dried and then mixed (PA-66: 2 hours in a dry air dryer / 120 ° C).
混合は、Xplore15マイクロコンパウンダを用いて実施し、Thermo-Haake Minijetを用いて試験片を射出成形した。Minijetのための特殊な鋳型(25×25×3mm)を使用した。各シリーズについて同様の3つの複合体を製造した後、熱伝導率と密度を分析した。 Mixing was performed using an Xplore 15 microcompound and test specimens were injection molded using a Thermo-Haake Minijet. A special mold (25 x 25 x 3mm) for Minijet was used. After producing three similar composites for each series, the thermal conductivity and density were analyzed.
サンプル40:50重量%のグラファイト材料を含む基準サンプルを調製するため、グラファイト粉末とPA-66熱可塑性ポリマーをコンパウンダの中に配置した。混合と成形の温度は290℃であった。混合におけるスクリューの回転速度は100rpmであり、混合の時間は少なくとも5分間であった。鋳型の温度は70℃であった。Minijetを用いると、800バールでの装填時間は5秒間であり、500バールでの冷却時間は15秒間であった。 Sample 40: Graphite powder and PA-66 thermoplastic polymer were placed in a compound to prepare a reference sample containing 50% by weight graphite material. The mixing and molding temperature was 290 ° C. The screw rotation speed during mixing was 100 rpm and the mixing time was at least 5 minutes. The mold temperature was 70 ° C. With the Minijet, the loading time at 800 bar was 5 seconds and the cooling time at 500 bar was 15 seconds.
サンプル41〜44:組成物であるブレンドN-1、ブレンドN-2、ブレンドH-1、ブレンドH-2、PA-66熱可塑性ポリマーをサンプル40に関して示したようにして混合した。混合と成形の温度は290℃であった。混合におけるスクリューの回転速度は100rpmであり、混合の時間は少なくとも5分間であった。鋳型の温度は70℃であった。Minijetを用いると、800バールでの装填時間は5秒間であり、500バールでの冷却時間は15秒間であった。サンプルの全重量はそれぞれ11グラムであり、充填剤の全装填量は、50重量%であった。グラファイト充填剤の装填量はサンプルの全重量の49.5重量%であり、ブレンド組成物の装填量はサンプルの全重量の0.5重量%であった。 Samples 41-44: The compositions Blend N-1, Blend N-2, Blend H-1, Blend H-2, PA-66 thermoplastic polymer were mixed as indicated for Sample 40. The mixing and molding temperature was 290 ° C. The screw rotation speed during mixing was 100 rpm and the mixing time was at least 5 minutes. The mold temperature was 70 ° C. With the Minijet, the loading time at 800 bar was 5 seconds and the cooling time at 500 bar was 15 seconds. The total weight of the samples was 11 grams each and the total loading of the filler was 50% by weight. The graphite filler loading was 49.5% by weight of the total weight of the sample and the blend composition loading was 0.5% by weight of the total weight of the sample.
結果
結果を表2にまとめてある。密度測定の誤差は±0.002g/cm3であり、熱拡散率測定の誤差は±5%であり、計算したCPの誤差は15%以下である。各サンプルの比熱の値は、x方向、y方向、z方向で同じであったため、各サンプルについて1つの値だけを示してある。
Results The results are summarized in Table 2. Error of the density measurement is ± 0.002g / cm 3, the error of the thermal diffusivity measuring is ± 5%, the error of the calculated C P is 15% or less. Since the specific heat value of each sample is the same in the x, y, and z directions, only one value is shown for each sample.
結果から、ナノダイヤモンド含有組成物のわずかな添加によってすでに面内方向(xとy)熱伝導率と面貫通方向熱伝導率の両方を顕著に改善できることがわかる。また、ナノダイヤモンド材料を化合物に導入する方法が、生成物の最終的な熱伝導特性に大きな影響を与える。 The results show that both in-plane (x and y) thermal conductivity and through-plane thermal conductivity can be significantly improved by the slight addition of nanodiamond-containing composition. Also, the method of introducing the nanodiamond material into the compound has a significant impact on the final thermal conductivity properties of the product.
ナノダイヤモンド充填剤を窒化ホウ素充填剤とともにボール・ミル粉砕によって粉砕した後、得られた充填剤混合物を熱可塑性ポリマーそのものに組み込むと、充填剤を熱可塑性マトリックスに別々に添加する方法と比べて熱伝導率が改善されることが以前に示されている。50.0重量%のグラファイト充填剤を含む基準サンプル(サンプル40)と比較すると、49.5重量%のグラファイト充填剤と0.5重量%のブレンドN-1組成物を含む複合体は、面内方向熱伝導率が15.1%改善され、平均熱伝導率が13.9%改善される(サンプル41)。この結果は、グラファイト充填剤を同様のレベルのブレンドH-1組成物で置き換えることによって得られる結果と非常によく一致しており、その場合には、50重量%のグラファイトを含む基準サンプルと比較したときの面内方向熱伝導率の改善は14.9%、平均熱伝導率の改善は15.3%であった(サンプル43)。 After the nanodiamond filler is ground by ball milling with boron nitride filler, the resulting filler mixture is incorporated into the thermoplastic polymer itself, compared to a method in which the filler is added separately to the thermoplastic matrix. It has been previously shown that conductivity is improved. Compared to a reference sample containing 50.0 wt% graphite filler (Sample 40), the composite containing 49.5 wt% graphite filler and 0.5 wt% blend N-1 composition has in-plane thermal conductivity. 15.1% improvement and average thermal conductivity improved by 13.9% (Sample 41). This result is in very good agreement with that obtained by replacing the graphite filler with a similar level of blended H-1 composition, in which case it is compared to a reference sample containing 50% by weight of graphite. The improvement in the in-plane thermal conductivity was 14.9% and the average thermal conductivity was 15.3% (Sample 43).
49.5重量%のグラファイト充填剤と0.5重量%のブレンドN-2組成物を含んでいてグラファイト粒子へのナノダイヤモンド・ブレンド材料の接着が改善された同様の複合体(サンプル42)は、50重量%のグラファイトを含む基準サンプルと比較すると、面内方向熱伝導率が34.3%改善し、平均熱伝導率が32.7%改善していた。熱伝導率の改善は、グラファイト充填剤と乾燥状態の同じブレンドN充填剤を混合したもの(サンプル41)と比べて100%を超える。さらに、49.5重量%のグラファイト充填剤と0.5重量%びブレンドH-2組成物を含んでいてグラファイト粒子へのナノダイヤモンド・ブレンド材料の接着が改善された同様の複合体(サンプル44)は、50重量%のグラファイトを含む基準サンプルと比較すると、面内方向熱伝導率が30.7%改善し、平均熱伝導率が25.4%改善していた。ここでも、グラファイト充填剤と乾燥状態の同じブレンドN充填剤を混合したもの(サンプル43)と比べて熱伝導率のほぼ100%の改善が得られた。これは、ナノダイヤモンド材料が他の充填材料の表面に分布することの重要さをはっきりと示している。 A similar composite (Sample 42) containing 49.5 wt% graphite filler and 0.5 wt% blend N-2 composition with improved adhesion of the nanodiamond blend material to the graphite particles was 50 wt% Compared with a reference sample containing graphite, the in-plane thermal conductivity was improved by 34.3% and the average thermal conductivity was improved by 32.7%. The improvement in thermal conductivity is over 100% compared to a blend of graphite filler and the same blend N filler in the dry state (sample 41). In addition, a similar composite (Sample 44) containing 49.5 wt% graphite filler and 0.5 wt% and blend H-2 composition with improved adhesion of the nanodiamond blend material to the graphite particles is 50 Compared to a reference sample containing weight percent graphite, the in-plane thermal conductivity was improved by 30.7% and the average thermal conductivity was improved by 25.4%. Again, an almost 100% improvement in thermal conductivity was obtained compared to a blend of graphite filler and the same blend N filler in the dry state (sample 43). This clearly shows the importance of the nanodiamond material being distributed on the surface of other filler materials.
熱伝導率のさらなる改善は、少なくとも一部が、充填材料と親ポリマー材料の間にナノダイヤモンド材料が生じさせるカップリング効果に基づいている。充填材料粒子の表面に接着した熱伝導のよいナノダイヤモンド材料粒子(熱組成物を形成している)を用いることによって得られる充填材料粒子とポリマーの改善された湿潤状態は、疑いなく、フォノンの移動を改善し、したがって熱伝導率を改善する。組成物の含有量が非常に少ない状態ですでに改善が得られる。 Further improvements in thermal conductivity are based at least in part on the coupling effect produced by the nanodiamond material between the filler material and the parent polymer material. The improved wet state of the filler material particles and polymer obtained by using thermally conductive nanodiamond material particles (forming the thermal composition) bonded to the surface of the filler material particles is undoubtedly the phonon's Improves migration and thus improves thermal conductivity. Improvements are already obtained with a very low content of the composition.
Claims (61)
(i)ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて懸濁液を生成させるステップと;
(ii)前記液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去して少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させるステップを含む方法。 A method for producing a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material, comprising:
(I) contacting the nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler to form a suspension;
(Ii) removing the liquid medium from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material.
(i)ナノダイヤモンド材料含有液体媒体を少なくとも1種類の充填剤と接触させて懸濁液を生成させるステップと;
(ii)前記液体媒体をステップ(i)の懸濁液から除去して少なくとも1種類の充填剤とナノダイヤモンド材料を含む組成物を生成させるステップと;
(iii)ステップ(ii)の組成物と少なくとも1種類のポリマーを混合してナノダイヤモンド材料含有熱複合体を生成させるステップを含む方法。 A method for producing a nanodiamond material-containing thermal composite comprising:
(I) contacting the nanodiamond material-containing liquid medium with at least one filler to form a suspension;
(Ii) removing the liquid medium from the suspension of step (i) to produce a composition comprising at least one filler and a nanodiamond material;
(Iii) A method comprising the step of mixing the composition of step (ii) with at least one polymer to form a nanodiamond material-containing thermal composite.
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