JP7512243B2 - ペースト組成物ならびに多孔質体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明のペースト組成物は、中空ガラス粒子、金属粒子および有機ビヒクルを含む。本発明では、このペースト組成物を、前記中空ガラス粒子の軟化温度(軟化点)以上の温度で焼成することで、中空ガラス粒子の殻(シェル)であるガラスが溶融して中空ガラス粒子が互いに連結し、連続した空隙を形成する。この時、金属粒子同士も焼結し、空隙を多く含む金属多孔質体(金属を主要な構成要素とする複合多孔質体または金属多孔質体)を形成する。中空ガラス粒子を構成していて溶融したガラス成分は、多孔質体に残存するが、中空ガラス粒子の殻は薄いため、ガラス成分自体の実質的な体積は小さく、空隙の形成や熱伝導性を阻害しない。そのため、得られた複合多孔質体は、機能的には、金属多孔質体とみなすことができる。
金属粒子の金属種は特に制限されない。具体的には、金属としては、例えば、Al、Ti、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Pd、Ag、W、Pt、Auなどが挙げられる。これらの金属は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。金属粒子は、異種の金属粒子の組み合わせであってもよく、二種以上を組み合わせた合金で形成されていてもよい。これらの金属の中で、ヒートパイプやベーパーチャンバー本体の外壁部が熱伝導性金属または合金、特に、Cuで形成されることが多いことを考慮すれば、熱伝導性金属または合金粒子、特に、Cu単体粒子、Cuの融点よりも低い温度で焼結が可能なAlやAu、Agなどの金属単体粒子、またはAg-Pd、Ag-Cu、Ag-Pt、Cu-Niの混合もしくは合金粒子が好ましく、筐体の外壁部と同種であるうえに、性能(熱伝導性)、経済性などの観点で、Cu単体粒子が特に好ましい。
本発明における中空ガラス粒子は、中空ビーズまたはガラスバルーンとも称され、ガラス成分で形成され、粒子の外周を形成する殻(シェル)を有し、前記シェルの内部が空洞である構造を有している。中空ガラス粒子の内部の空洞は、多孔質体の空隙になるべき役割を担う。中空ガラス粒子の外周のシェルは、ペースト組成物中に溶媒が存在し、流動(変形)可能な状態であっても、ペースト組成物中で空洞を担保し、金属粒子同士の距離を離して金属粒子の過度な焼結を進みにくくして、空隙率を向上させる役割を担う。
有機ビヒクルは、ペースト組成物の有機ビヒクルとして利用される慣用の有機ビヒクル、例えば、有機バインダーおよび/または有機溶剤であってもよい。有機ビヒクルは、有機バインダーおよび有機溶剤のいずれか一方であってもよいが、通常、有機バインダーと有機溶剤との組み合わせ(有機バインダーの有機溶剤による溶解物)である。
ペースト組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、慣用の添加剤をさらに含んでいてもよい。慣用の添加剤としては、例えば、無機バインダー(中実のガラスフリットなど)、硬化剤(アクリル系樹脂の硬化剤など)、分解促進剤(金属酸化物など)、着色剤(染顔料など)、色相改良剤、染料定着剤、光沢付与剤、金属腐食防止剤、安定剤(酸化防止剤、紫外線吸収剤など)、界面活性剤又は分散剤(アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤、両性界面活性剤など)、分散安定化剤、粘度調整剤又はレオロジー調整剤、保湿剤、チクソトロピー性賦与剤、レベリング剤、消泡剤、殺菌剤、充填剤などが挙げられる。これらの他の成分は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。他の成分の割合は、成分の種類に応じて選択でき、通常、ペースト組成物全体に対して10質量%以下(例えば0.01~10質量%)程度である。
本発明の多孔質体は、前記ペースト組成物を焼成することにより製造でき、例えば、前記ペースト組成物を基材の上に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、前記塗膜を焼成して多孔質を得る焼成工程を含む製造方法により製造できる。
(金属粒子)
Cu粒子1…球状、平均粒子径D50:0.2μm、D90:0.3μm、比重8.9
Cu粒子2…球状、平均粒子径D50:0.5μm、D90:0.8μm、比重8.9
Cu粒子3…球状、平均粒子径D50:5μm、D90:8μm、比重8.9
Cu粒子4…球状、平均粒子径D50:65μm、D90:118μm、比重8.9
Cu粒子5…樹枝状、電解銅粉、平均粒子径D50:20μm、D90:40μm、見掛密度:0.8g/cm3
Cu粒子6…樹枝状、電解銅粉、平均粒子径D50:85μm、D90:140μm、見掛密度:2.1g/cm3
Ag粒子…球状、平均粒子径D50:1μm、D90:1.7μm、比重10.5。
中空ガラス粒子1…ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:80μm、D90:150μm、見掛密度:0.14g/cm3、耐熱温度(中空形状の維持に関係する耐熱温度であり、厳密には軟化点とは異なる温度)450℃
中空ガラス粒子2…ホウ珪酸ガラス、球状、平均粒子径D50:12μm、D90:20μm、見掛密度1.10g/cm3、耐熱温度550℃
中空ガラス粒子3…ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:20μm、D90:35μm、見掛密度:0.46g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子4…ホウ珪酸ガラス、球状、平均粒子径D50:35μm、D90:45μm、見掛密度:0.34g/cm3、耐熱温度550℃
中空ガラス粒子5:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:40μm、D90:80μm、見掛密度:0.20g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子6:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:60μm、D90:105μm、見掛密度:0.18g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子7:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:100μm、D90:170μm、見掛密度:0.11g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子8:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:120μm、D90:185μm、見掛密度:0.10g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子9:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:150μm、D90:220μm、見掛密度:0.08g/cm3、耐熱温度450℃
中空ガラス粒子10:ホウ珪酸ナトリウムガラス、球状、平均粒子径D50:180μm、D90:255μm、見掛密度:0.07g/cm3、耐熱温度450℃
有機バインダーであるアクリル樹脂と、有機溶剤であるテレピネオールとを、有機バインダー:有機溶剤=1:4の質量比で混合した混合物。
表1~4に示す組成で各原料を秤量し、遊星式脱泡撹拌機にて十分に混合することによって、ペースト組成物を調製した。
無酸素銅板(60mm×60mm×0.2mm厚み)の表面にメタルマスクを用いて縦50mm×横15mmのパターンをスクリーン印刷法で塗布して塗膜を形成した。メタルマスクの厚さは、中空ガラス粒子の平均粒子径に応じて使い分け、中空ガラス粒子の平均粒子径D50が150μm以下の場合は、厚さ0.12mmのメタルマスクを用い、中空ガラス粒子の平均粒子径D50が150μm以上の場合は、厚さ0.30mmのメタルマスクを用いた。120℃の送風乾燥機で10分間、塗膜を乾燥させた後、焼成して焼成膜を形成した。なお、焼成条件としては、金属粒子としてCu粒子を用いた場合は、ベルト式連続焼成炉にて窒素雰囲気中、温度800℃、ピーク保持時間10分間焼成した。排出するまでの総時間は60分であった。金属粒子としてAg粒子を用いた場合は、ベルト式連続焼成炉にて大気雰囲気中、温度600℃であること以外は、Cu粒子を用いた場合と同様に焼成した。
焼成膜をマイクロスコープで観察し、膜の状態を観察した。
焼成膜をSEM-EDS分析により元素分析し、中空ガラス粒子に由来するケイ素が検出されるか確認した。SEM-EDS分析は、走査型電子顕微鏡(日本電子(株)製「JSM-IT300LA」)に付属のエネルギー分散型蛍光X線分析装置(JED-2300)を用いた。
マイクロメーターを用い、銅板と焼成膜との厚み、および銅板のみの厚みを測定し、その差を焼成膜の厚みとした(3カ所の平均値)。膜厚が120μm以下であれば、適正な薄膜が形成できていると評価した。
焼成膜の表面にセロテープ(登録商標)を貼り、テープを剥がした後のセロテープの粘着面に、焼成膜や金属粉の付着がないかをマイクロスコープで観察し、以下の判定方法で焼成膜の強度を評価した。
a:テープに何も付着していない(合格)
b:テープに金属粉が付着している(合格)
c:膜自体が剥離する(不合格)。
JIS K5600-5-4、引っかき硬度(鉛筆法)に準じて、焼成膜の鉛筆硬度を測定した。焼成膜に傷跡が生じなかった最も硬い鉛筆硬度を測定値とし、以下の判定方法で焼成膜の強度を評価した。
a:鉛筆硬度3H以上(合格)
b:鉛筆硬度H以上、3H未満(合格)
c:鉛筆硬度H未満(不合格)
以下に示す式にて、焼成膜の重量と見掛密度から空隙率を算出し、以下の判定方法で多孔質性を評価した。
焼成膜の見掛密度=焼成膜の重量(g)/(焼成膜の厚み×塗布面積)
焼成膜の空隙率(%)=100×(1-焼成膜の見掛密度/金属の真比重)
a:焼成膜の空隙率が70%以上(合格)
b:焼成膜の空隙率が50%以上(合格)
c:焼成膜の空隙率が50%未満(不合格)。
焼成膜の縦方向に対して、上端から10mm、下端から10mmの位置にそれぞれ横方向に延びる標線を記し、焼成膜中央部分(対向する標線で区切られた中央領域)の30mmの距離の範囲を試験範囲とした。水を張ったシャーレを準備し、焼成膜面を上面にして斜め45度に傾けた評価試料を、焼成膜の下端側の標線まで水中に浸漬し、焼成膜が水を吸い上げる挙動を評価した。詳しくは、下端側の標線から上端側の標線まで30mmの距離を水が吸い上げられる時間を測定した。測定は3回行い、その平均値を吸い上げ時間とし、以下の判定方法で吸水性を評価した。
a:水を吸い上げる時間が10秒以内(合格)
b:水を吸い上げる時間が20秒以内(合格)
c:水を吸い上げる時間が40秒以内(合格)
d:水を吸い上げる時間が40秒以上(不合格)。
焼成膜の強度(テープ剥離、鉛筆硬度)、多孔質性(空隙率)、吸水性(吸い上げ時間)を確認した結果に基づく総合的な判定として、以下の基準で優劣を判定(ランク付け)した。
B:強度、多孔質性、吸水性がaまたはb判定(合格)
C:強度、多孔質性がaまたはb判定、吸水性がc判定(合格)
D:強度、多孔質性、吸水性に不合格の項目がある(不合格)。
実施例1~24および比較例1~9について、配合組成および評価結果を表1~4に示す。比較例1~8は、中空ガラス粒子を含まないペースト組成物を用いた例であり、実施例1~24および比較例9は、中空ガラス粒子を含むペースト組成物を用いた例である。
金属粒子として粒子径の小さい球状のCu粒子(Cu粒子1;平均粒子径D50が0.2μm、Cu粒子2;平均粒子径D50が0.5μm、Cu粒子3;平均粒子径D50が5μm)を用いた実施例1~3、比較例1~3を比較した。さらに、金属粒子として粒子径の小さい球状のAg粒子(平均粒径D50が1μm)を用いた実施例7と比較例7とを比較した。中空ガラス粒子を含まない比較例1~3、7では空隙率が非常に低く、吸水性評価で吸水しなかった。それに対して、中空ガラス粒子1を含む実施例1~3、7(中空ガラス粒子1:金属粒子=90:10の体積比率)では、高い多孔質性(空隙率70%以上)、高い吸水性(水の吸い上げ時間が20秒以内)が得られた。
比較例3に対して有機ビヒクルを増量した比較例8では、空隙率に差異は無く、固形分濃度が下がったことで焼成膜の厚みが小さくなっただけであった。これより、有機成分の量は空隙率に影響しないと云える。
金属粒子として粒子径の大きい球状のCu粒子4(平均粒径D50が65μm)を用いた実施例4と比較例4とを比較した。中空ガラス粒子を含まない比較例4では、焼成膜の強度は大きいが、空隙率が48%、水の吸い上げ時間が88秒であったのに対し、中空ガラス粒子1を含む実施例4では、焼成膜の強度が大きく、空隙率が71%、水の吸い上げ時間が27秒と多孔質性および吸水性が向上した。
金属粒子として樹枝状の電解銅粉(Cu粒子5;平均粒子径D50が20μm)を用いた実施例5と比較例5とを比較した。中空ガラス粒子を含まない比較例5では、金属粒子の樹枝状の形状により、高い多孔質性(空隙率78%)が得られたものの、吸水性は小さかった(水の吸い上げ時間が52秒)。それに対して、実施例5では、空隙率が82%、水の吸い上げ時間が18秒と多孔質性および吸水性が向上した。
なお、実施例1~7の結果から、金属粒子の粒子径と吸水性(および多孔質性)との関係を見ると、粒子径が大きい金属粒子を用いると見掛密度が大きくなるため吸水性(および多孔質性)が低下した。また、粒子径が大きいと焼成膜の厚みが大きくなった。ウィックに好適な薄型化(薄膜化)と高空隙率とが両立した金属多孔質体(焼成膜)を得るという観点では、金属粒子の粒子径は小さい方が好ましく、平均粒子径D50は20μm以下が好ましいと云える。
実施例3、比較例3の金属ペースト組成物に対して、中空ガラス粒子(中空ガラス粒子1)と金属粒子(Cu粒子3)との体積比率を変量した実施例8~15について、焼成膜の強度、多孔質性(空隙率)、吸水性(吸い上げ時間)を確認した。なお、中空ガラス粒子と金属粒子との体積比率(中空ガラス粒子:金属粒子)を、便宜上「中空ガラス粒子の割合」と記載する。
実施例3の金属ペースト組成物に対して、中空ガラス粒子の割合を90:10と一定にしたまま、金属粒子に対する中空ガラス粒子の平均粒子径D50を12~180μmの範囲で変量した実施例16~24について、焼成膜の強度、多孔質性(空隙率)、吸水性(吸い上げ時間)を確認した。
Claims (8)
- 空隙率70~98%の多孔質体を形成するためのペースト組成物であって、
中空ガラス粒子、金属粒子および有機ビヒクルを含み、かつ前記中空ガラス粒子と、前記金属粒子との体積比率が、前者:後者=70:30~97:3であるペースト組成物。 - 前記中空ガラス粒子の平均粒子径が20~150μmであり、かつ前記中空ガラス粒子の見掛密度が0.5g/cm3以下である請求項1記載のペースト組成物。
- 前記中空ガラス粒子が、ホウ珪酸ガラスまたはホウ珪酸ナトリウムガラスである請求項1または2記載のペースト組成物。
- 前記金属粒子がCu単体粒子である請求項1~3のいずれか一項に記載のペースト組成物。
- 前記金属粒子の平均粒子径が0.01~20μmである請求項1~4のいずれか一項に記載のペースト組成物。
- 前記多孔質体がヒートパイプまたはベーパーチャンバーのウィックである請求項1~5のいずれか一項に記載のペースト組成物。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載のペースト組成物を、前記中空ガラス粒子の軟化点以上の温度で焼成して多孔質体を製造する方法。
- 金属およびガラスで形成され、かつ空隙率が70~95%である多孔質体。
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