СТОЛБЧАТЫЕ ЧАСТИЦЫ ОКСИДА ЦИНКА И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C01G9/00 C01G15/00 C01G23/00 C01G49/00 C01F7/00 C08K7/00 C08L101/00 H01B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к новым частицам оксида цинка. Более конкретно, оно относится к столбчатым частицам оксида цинка, пригодным для использования в качестве добавки, улучшающей теплопроводность, или добавки, улучшающей электропроводность.

Уровень техники

Является обычной практикой вводить в смоляные композиции, содержащие резину или пластмассу, различные добавки, улучшающие физические свойства смоляных композиций.

Например, в качестве добавок, улучшающих теплопроводность, используют кристаллический оксид кремния, оксид магния, нитрид бора, нитрид алюминия, оксид алюминия, оксид бериллия и т.д. В качестве добавок, улучшающих электропроводность, используют оксид олова, оксид цинка, технический углерод, оксид титана с покрытием из оксида олова и т.д. Хорошо известно, что для придания композиции надлежащей проводимости необходимо ввести в эту композицию большое количество добавок, улучшающих электропроводность, чтобы эти добавки контактировали друг с другом, а дорогие добавки, улучшающие электропроводность, имеют ограничения в использовании. Технический углерод является недорогой добавкой, улучшающей электропроводность, однако, его использование ограничено вариантами, где допустим черный цвет, а на стадии формования он иногда просыпается и пачкает производственную площадку. В качестве улучшающей электропроводность добавки, которую смешивают со смоляной композицией, нужна улучшающая электропроводность добавка белого цвета, которая позволяет использовать любой необходимый цвет основного материала.

Поэтому оксид цинка, который относительно дешев, нетоксичен и химически стабилен, недавно стали широко использовать в качестве добавки, улучшающей теплопроводность, или добавки, улучшающей электропроводность.

За последние годы, поскольку функциональные композиционные материалы вызывают все больший интерес, улучшающие физические свойства добавки были усовершенствованы, были проведены различные исследования не только функциональных свойств добавок, улучшающих физические свойства материала, но также формы этих добавок.

Оксид цинка может иметь форму сфер, массива, пластинок, чешуек, иголок, тетраподов, морских ежей или ультратонких частиц. Из них оксид цинка в форме иголок или тетраподов, которые, как считается, легко образуют в смоляной композиции сетчатую структуру, даже когда их используют в небольшом количестве, предлагается в качестве добавки, улучшающей теплопроводность, или добавки, улучшающей электропроводность.

Например, в патентных документах 1, 2 и 3 предлагаются частицы оксида цинка, полученные путем смешивания игольчатого оксида цинка с присадкой, такой как Al, Ge, Ga, Sn и In, и последующего восстанавливающего обжига этой смеси. Однако эти частицы оксида цинка представляют собой тонкие иголки и легко ломаются в ходе перемешивания со смолой. Сломанные частицы хуже образуют сетчатую структуру в смоляной композиции, они не могут полностью реализовать свойство электропроводности или теплопроводности.

Кроме того, в патентном документе 4 раскрыт способ получения частиц оксида цинка в форме тонкого порошка, в соответствии с которым водный раствор, содержащий водорастворимую соль цинка и водорастворимую соль металла, которая может быть преобразована в оксид алюминия, оксид галлия или оксид индия, нейтрализуют щелочью или щелочным карбонатом с целью получения совместно осажденного продукта, этот продукт подвергают предварительному обжигу, затем обжигают при температуре от 600 до 1000°С в атмосфере азота. Однако, поскольку частицы, полученные этим способом, имеют форму тонкого порошка и слишком малое отношение размеров, их проводимость недостаточна.

В патентном документе 5 предлагается способ, в соответствии с которым частицы алюминия и частицы оксида цинка со средним диаметром от 0,1 до 5 мкм используют в сочетании в качестве добавок, улучшающих теплопроводность.

Как указано выше, в качестве добавок, улучшающих электропроводность, или добавок, улучшающих теплопроводность, предлагается использовать частицы оксида цинка в форме иголок или тонкого порошка. Однако, если принимать во внимание устойчивость к излому во время смешивания со смолой и способность к образованию в смоле сетчатой структуры, идеальной формой оксида цинка является столбчатая, а не игольчатая или порошкообразная.

(Патентный документ 1) JP-A 3-60429

(Патентный документ 2) JP-A 5-17298

(Патентный документ 3) JP-A 7-2519

(Патентный документ 4) JP-В 62-35970

(Патентный документ 5) JP-A 2005-64281

Сущность изобретения

Следовательно, задачей настоящего изобретения является обеспечение столбчатых частиц оксида цинка, устойчивых к излому во время введения в смесь и перемешивания со смолой и придающих ей достаточную теплопроводность или электропроводность. Кроме того, еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа получения указанных столбчатых частиц оксида цинка. Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение смоляной композиции, содержащей указанные столбчатые частицы оксида цинка и обладающей непревзойденной теплопроводностью или электропроводностью.

Автором настоящего изобретения проведены кропотливые исследования по отысканию способа получения столбчатых частиц оксида цинка. В результате было обнаружено, что когда водный раствор, содержащий соль цинка (а), и водный раствор соединения щелочного металла (с) вступают в реакцию друг с другом, 80% или более образующихся после гидротермической обработки частиц имеют столбчатую форму, если количество соединения щелочного металла (с) относительно количества цинка меньше, чем эквивалентный вес, и если рН реакции нейтральный. Также было обнаружено, что полученные таким образом столбчатые частицы устойчивы к излому и сохраняют свою форму, не разрушаясь во время введения в смесь и перемешивания со смолой; таким образом и состоялось настоящее изобретение.

То есть, настоящим изобретением обеспечиваются частицы оксида цинка, представленные следующей формулой (1):

ZnMⁿ⁺ _xO_1+nx/2 · aH₂O (1)

где Мⁿ⁺ означает трехвалентный или четырехвалентный металл, х и а удовлетворяют соотношению 0,002<х<0,05 и 0≤а<0,5, соответственно, n означает валентность металла, и характеризующиеся содержанием столбчатых частиц 80% или более.

Кроме того, настоящим изобретением обеспечивается способ получения указанных частиц оксида цинка, который включает стадии:

(I) осуществления реакции водного раствора, содержащего соль цинка (а) и соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), с водным раствором, содержащим соединение щелочного металла (с), так, что рН реакционной смеси по окончании реакции составляет от 5,0 до 7,0,

(II) промывки полученных таким образом частиц,

(III) эмульгирования промытых частиц и их последующей гидротермической обработки, и

(IV) сушки прошедших гидротермическую обработку частиц.

Настоящим изобретением обеспечиваются обожженные частицы (А), полученные путем обжига описанных выше частиц оксида цинка при температуре от 300 до 1100°С в невосстанавливающей атмосфере. Кроме того, настоящее изобретение включает смоляную композицию (А), содержащую 100 вес. частей смолы и от 150 до 400 вес. частей указанных обожженных частиц (А).

Кроме того, настоящим изобретением обеспечиваются обожженные частицы (В), полученные путем обжига описанных выше частиц оксида цинка при температуре от 300 до 1100°С в восстанавливающей атмосфере. Кроме того, настоящее изобретение включает смоляную композицию (В), содержащую 100 вес. частей смолы и от 200 до 400 вес. частей указанных обожженных частиц (В).

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 1 примера 1.

Фиг.2 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 2 примера 1.

Фиг.3 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 3 примера 1.

Фиг.4 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 4 примера 1.

Фиг.5 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 5 примера 1.

Фиг.6 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 6 примера 1.

Фиг.7 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в примере синтеза 7 примера 1.

Фиг.8 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение кубических частиц оксида цинка, образовавшихся в сравнительном примере синтеза 1 примера 1.

Фиг.9 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение кубических и столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в сравнительном примере синтеза 2 примера 1.

Фиг.10 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение игольчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в сравнительном примере синтеза 3 примера 1.

Фиг.11 представляет собой полученное на сканирующем электронном микроскопе изображение кубических и столбчатых частиц оксида цинка, образовавшихся в сравнительном примере синтеза 4 примера 1.

Фиг.12 представляет собой дифракционную рентгенограмму столбчатых частиц оксида цинка, полученных в примере синтеза 1 примера 1.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Столбчатые частицы оксида цинка

Частицы оксида цинка настоящего изобретения обладают составом, представленным нижеследующей формулой (1):

ZnMⁿ⁺ _xO_1+nx/2 · aH₂O (1)

В формуле (1) Мⁿ⁺ означает трехвалентный или четырехвалентный металл. Мⁿ⁺ охватывает Al³⁺, Ga³⁺, In³⁺, Ge⁴⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺ и Ti⁴⁺. Предпочтительно, Al³⁺ или Fe³⁺.

При этом х удовлетворяет соотношению 0,002<х<0,05, предпочтительно, 0,004<х<0,02, более предпочтительно, 0,0065<х<0,01, и а удовлетворяет соотношению 0≤а<10, более предпочтительно, 0≤а<0,5.

Столбчатая форма

Каждая из частиц настоящего изобретения имеет столбчатую форму. В контексте настоящего изобретения «столбчатая форма» частиц означает, что по отношению, по меньшей мере, к 10 частицам в поле зрения, увеличенном посредством сканирующего электронного микроскопа до 5000 диаметров, число частиц, обладающих средним отношением размеров 10 или менее и средней степенью столбчатости в диапазоне от 0,5 до 1 (содержание столбчатых частиц) составляет 80% или более. Форма каждой частицы настоящего изобретения - это, предпочтительно, форма квадратной колонны (столба) или шестигранной колонны.

Среднее отношение размеров

В контексте настоящего изобретения среднее отношение размеров - это величина отношения (L/D) длины (L) столба к ширине (D) или диаметру средней части столба. Длина столба (L) и ширина столба (D) столбчатого кристалла могут быть измерены при помощи сканирующего электронного микроскопа. Когда длина столба (L) и ширина столба (D) большие, увеличение следует уменьшить так, чтобы в поле зрения находилось, по меньшей мере, 10 частиц, таким образом можно измерить отношение размеров.

Среднее отношение размеров определяют как среднее величин отношения размеров, полученных на основании измеренных длины столба (L) и ширины столба (D) для 10 или более частиц в поле зрения, увеличенном при помощи сканирующего электронного микроскопа до 1000 диаметров или более. Среднее отношение размеров частиц настоящего изобретения составляет, предпочтительно, от 1 до 10, более предпочтительно, от 2 до 6, еще более предпочтительно, от 5 до 6.

Средняя степень столбчатости

Отношение (D₂/D₁) ширины (диаметра) D₂ одного конца частицы к ширине (диаметру) D₁ другого конца частицы представляет собой степень столбчатости. В соответствии с этим определением, частица со степенью столбчатости, близкой к 1, является столбчатой, частица со степенью столбчатости, близкой к 0, является игольчатой. Ширина столба (D) столбчатого кристалла может быть измерена при помощи сканирующего электронного микроскопа. Когда ширина столба (D) большая, увеличение сканирующего электронного микроскопа следует уменьшить так, чтобы в поле зрения находилось, по меньшей мере, 10 частиц, таким образом можно измерить степень столбчатости.

Среднюю степень столбчатости определяют как среднее величин степени столбчатости, рассчитанных для ширины D₁ одного конца и ширины D₂ другого конца для 10 или более частиц в поле зрения, увеличенном при помощи сканирующего электронного микроскопа до 1000 диаметров или более. Средняя степень столбчатости частиц настоящего изобретения составляет, предпочтительно, от 0,5 до 1, более предпочтительно, от 0,7 до 1.

Средняя длина столба частиц настоящего изобретения составляет, предпочтительно, от 0,5 до 20 мкм, более предпочтительно, от 1 до 10 мкм. Средняя ширина столба частиц настоящего изобретения составляет, предпочтительно, от 0,25 до 1,5 мкм, более предпочтительно, от 0,5 до 1 мкм.

Частицы настоящего изобретения, предпочтительно, обладают средней длиной столба от 0,5 до 20 мкм, средней шириной столба от 0,25 до 1,5 мкм, средним отношением размеров от 1 до 10 и средней степенью столбчатости от 0,5 до 1. Более предпочтительно, частицы настоящего изобретения обладают средней длиной столба от 1 до 10 мкм, средней шириной столба от 0,5 до 1 мкм, средним отношением размеров от 2 до 6 и средней степенью столбчатости от 0,7 до 1.

Удельная площадь поверхности по БЭТ (Брунауэр-Эмметт-Теллер) частиц настоящего изобретения составляет, предпочтительно, от 1 до 10 м²/г, более предпочтительно, от 1 до 7 м²/г.

Способ получения частиц

Столбчатые частицы оксида цинка настоящего изобретения могут быть получены посредством следующих стадий (I)-(IV).

Стадия (I)

Стадия (I) представляет собой стадию, на которой водный раствор, содержащий соль цинка (а) и соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), вступает в реакцию с водным раствором, содержащим соединение щелочного металла (с), предназначенное для совместного осаждения, так, что рН реакционной смеси по окончании реакции составляет от 5,0 до 7,0, с образованием частиц основного соединения цинка нижеследующей формулы (2):

ZnMⁿ⁺ _x(OН)_yА^m- _(2+nx-y)/m · aH₂O (2)

В формуле (2) Mⁿ⁺, x и а те же, что и в формуле (1).

y соответствует соотношению 1≤y≤1,6, предпочтительно, 1,1≤y≤1,5, более предпочтительно, 1,2≤y≤1,4. A^m- означает анион, выбранный из группы, состоящей из Cl^-, NO₃ ^-, SO₄ ^2- и CO₃ ^2-, m означает валентность этого аниона.

Соль цинка (а)

Соль цинка (а), которую используют в качестве материала в данном изобретении, может представлять собой любую соль цинка при условии, что она растворима в воде. Например, она может быть выбрана из группы, в которую входит нитрат цинка, сульфат цинка, хлорид цинка и ацетат цинка.

Соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b)

Соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), которую используют в качестве присадки, включает соли алюминия, галлия, индия, германия, железа (III), хрома, титана и т.д. То есть, могут быть использованы такие соли металлов, как хлориды, нитраты, сульфаты, карбонаты, ацетаты, формиаты и оксалаты этих металлов. Данную соль, предпочтительно, выбирают из группы, состоящей из сульфата алюминия, хлорида алюминия, нитрата алюминия, нитрата железа и нитрата хрома.

Соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), которую используют в качестве присадки, может быть добавлена в реакционную систему после образования основного соединения цинка приведенной выше формулы (2), несмотря на то, что количество присадки в этом случае достаточно низкое. Следовательно, желательно смешивать эту соль с водным раствором соли цинка (а) заранее.

При примешивании соли трехвалентного или четырехвалентного металла (b) или при разбавлении водного раствора соли цинка (а) может выпадать в осадок гидроксид цинка. Следовательно, в водный раствор соли цинка (а) заранее можно добавить небольшое количество неорганический кислоты. Добавляемую неорганическую кислоту выбирают из соляной кислоты, серной кислоты, азотной кислоты и т.д.

Количество соли трехвалентного или четырехвалентного металла (b), которую используют в качестве присадки, регулируют так, чтобы ее количество в форме ионов металла на моль металлического цинка составляло, предпочтительно, от 0,002 до 0,05 моль, более предпочтительно, от 0,005 до 0,01 моль. Когда количество соли металла (b) слишком мало, столбчатые кристаллы растут плохо, что нежелательно. Когда оно слишком велико, образуется большое количество соединения гидроталькита, что также нежелательно.

Соединение щелочного металла (с)

Соединение щелочного металла (с), которое используют в качестве материала, включает гидроксид натрия, гидроксид калия, аммиак, мочевину, карбонат натрия, бикарбонат натрия и т.д. Предпочтительно, это гидроксид натрия, гидроксид калия, карбонат натрия или бикарбонат натрия.

Реакция

В ходе данной реакции водный раствор, содержащий соединение щелочного металла (с), может быть добавлен к водному раствору, содержащему соль цинка (а) и соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), и наоборот. Либо эти два водных раствора могут быть одновременно добавлены в реакционный резервуар, содержащий воду.

Для совместного осаждения в ходе данной реакции необходимо регулировать рН реакции вблизи нейтрального значения. рН реакции составляет, предпочтительно, от 5,0 до 7,0, более предпочтительно, 5,0 или более, но менее 7,0, еще более предпочтительно, от 5,5 до 6,5. рН реакции зависит от количества добавляемой щелочи. Когда рН реакции выше 7,0, что нежелательно, содержание столбчатых частиц после гидротермической обработки становится 50% или менее. Когда рН реакции ниже 5,0, что нежелательно, снижается выход.

Когда эквивалентная весовая доля щелочи (молярное отношение [NaOH]/[ZnCl₂]) в ходе реакции мала, имеется в наличии большое количество анионов, являющихся примесью в основном соединении цинка, и в ходе обжига образуется большое количество кислого газа. Когда добавляют 2 моля щелочи, которые составляют весовой эквивалент 1 молю цинка, рН реакции становится равным 12 или более, и цинк при таком высоком рН может растворяться повторно, так как он является амфотерным элементом. Для регулирования рН реакции вблизи нейтральной величины, количество щелочи на моль цинка, предпочтительно, должно быть равным от 1 до 1,6 моль, более предпочтительно, от 1,1 до 1,5 моль, наиболее предпочтительно, от 1,2 до 1,4 моль. Температура реакции, предпочтительно, соответствует диапазону от 10 до 60°С.

Стадия (II)

Стадия (II) представляет собой стадию промывки описанных выше частиц. В суспензии, получаемой в результате данной реакции, содержится большое количество солей, поэтому их удаляют путем промывки частиц водой.

Стадия (III)

Стадия (III) представляет собой стадию, на которой промытые частицы эмульгируют, после чего подвергают гидротермической обработке. В ходе эмульгирования промытые частицы суспендируют в деионизированной воде, затем суспензию подвергают гидротермической обработке. Температура гидротермической обработки составляет, предпочтительно, от 100 до 170°С, более предпочтительно, от 150 до 170°С. Гидротермическую обработку осуществляют, предпочтительно, от 2 до 24 часов, более предпочтительно, от 12 до 20 часов. Когда температура гидротермической обработки ниже 100°С, что нежелательно, отсутствует достаточный рост кристаллов, либо нельзя получить столбчатые кристаллы. Кроме того, даже когда температуру гидротермической обработки устанавливают равной 170°С или выше, изменения роста кристаллов не происходит. Путем такой гидротермической обработки получают столбчатые частицы оксида цинка. Полученные таким образом частицы частично содержат основное соединение цинка или соединение гидроталькита.

Стадия (IV)

Стадия (IV) представляет собой стадию сушки прошедших гидротермическую обработку частиц. Сушка может быть осуществлена в сушилке с естественной циркуляцией, сушилке с обогревом горячим воздухом и т.д. Достаточно сушить частицы при температуре от 105 до 120°С в течение от 10 до 20 часов.

Обожженные частицы (А)

Обожженные частицы (А) настоящего изобретения могут быть представлены нижеследующей формулой (3):

ZnMⁿ⁺ _xO_1+nx/2 (3)

В формуле (3) Mⁿ⁺ и x те же, что и в формуле (1). Форма обожженных частиц (А) такая же, как у столбчатых частиц оксида цинка формулы (1).

Обожженные частицы (А) настоящего изобретения могут быть получены путем обжига столбчатых частиц оксида цинка приведенной выше формулы (1) в присутствии невосстанавливающего газа при температуре от 300 до 1100°С, предпочтительно, от 600 до 900°С. Атмосферный воздух, гелий, кислород, азот и т.д. являются примерами невосстанавливающего газа. В качестве устройства для обжига может быть использовано любое предназначенное для обжига устройство при условии, что оно обеспечивает возможность нагревания и обжига при температуре от 300 до 1100°С. К конкретным примерам такого устройства относятся конвертер, мартеновская печь, вращающаяся печь, туннельная печь, муфельная печь и т.д.

Обожженные частицы (А) настоящего изобретения могут быть использованы в качестве добавки, улучшающей теплопроводность. Кроме того, обожженные частицы (А) настоящего изобретения могут быть использованы в качестве добавки, улучшающей теплопроводность, в сочетании с другими добавками, улучшающими теплопроводность, такими как оксид магния, нитрид бора, нитрид алюминия, оксид алюминия и кристаллический оксид кремния.

Смоляная композиция (А)

Смоляная композиция (А) настоящего изобретения содержит 100 вес. частей смолы и от 150 до 400 вес. частей обожженных частиц (А). Содержание обожженных частиц (А) на 100 вес. частей смолы составляет, предпочтительно, от 100 до 500 вес. частей, более предпочтительно, от 150 до 400 вес. частей.

Смола включает полиолефиновые смолы, такие как полиэтилен, полипропилен и полистирол, виниловые смолы, такие как поливинилхлорид и сополимер этилен-винилацетат, сложные полиэфирные смолы, такие как полиэтилентерефталат и полибутилентерефталат, полиамидные смолы, такие как найлон 6 и найлон 6,6, простые полиэфирные смолы, такие как полифениленоксид, акриловые смолы, такие как полиметилметакрилат, синтетические каучуки, такие как стирол-бутадиеновый каучук и акрилонитрил-бутадиеновый каучук, фенольные смолы, такие как фенол-формальдегидная смола, эпоксидные смолы, такие как эпоксидная смола типа бисфенол А и эпоксидная смола типа новолак, силиконовый каучук, природный каучук (подходит любой молекулярный вес), полиимидные смолы, полифениленсульфид, АБС-пластик и т.д.

Смола и обожженные частицы (А) могут быть смешаны при помощи любого перемешивающего устройства, такого как пластикатор, универсальная мешалка, вращающийся цилиндр и т.д. Для смешивания, предпочтительно, применяют способ экструдирования смоляной композиции в форме нитей при помощи пластикатора непрерывного действия, которые затем нарезают, получая гранулы.

Смоляная композиция (А) настоящего изобретения имеет непревзойденную теплопроводность и может быть использована в качестве материала для изготовления охлаждающих ребер тепловыделяющих частей, таких как транзистор большой мощности, тиристор, выпрямитель, трансформатор, нагреватель и интегральная схема.

Настоящее изобретение включает способ повышения теплопроводности смоляной композиции (А), полученной путем добавления обожженных частиц (А) к этой смоле. Кроме того, настоящее изобретение охватывает использование обожженных частиц (А) в качестве улучшающей теплопроводность добавки к смоле.

Обожженные частицы (В)

Формула состава обожженных частиц (В) настоящего изобретения аналогична приведенной выше формуле (3).

Форма обожженных частиц (В) такая же, как и у столбчатых частиц оксида цинка формулы (1).

Обожженные частицы (В) настоящего изобретения могут быть получены путем обжига столбчатых частиц оксида цинка приведенной выше формулы (1) в присутствии восстанавливающего газа при температуре от 600 до 1000°С, предпочтительно, от 700 до 900°С. Водород, монооксид углерода и т.д. являются примерами восстанавливающего газа. В качестве устройства для обжига может быть использовано любое предназначенное для обжига устройство при условии, что оно обеспечивает возможность нагревания и обжига при температуре от 600 до 1000°С. К конкретным примерам такого устройства относятся конвертер, мартеновская печь, вращающаяся печь, туннельная печь, муфельная печь и т.д. Обожженные частицы (В) настоящего изобретения могут быть использованы в качестве повышающей электропроводность добавки в сочетании с другими улучшающими электропроводность добавками, такими как обычно используемый электропроводный оксид цинка.

Смоляная композиция (В)

Смоляная композиция (В) настоящего изобретения содержит 100 вес. частей смолы и от 200 до 400 вес. частей обожженных частиц (В). Содержание обожженных частиц (В) на 100 вес. частей смолы составляет, предпочтительно, от 100 до 500 вес. частей, более предпочтительно, от 200 до 300 вес. частей.

Смола включает полиолефиновые смолы, такие как полиэтилен, полипропилен и полистирол, виниловые смолы, такие как поливинилхлорид и сополимер этилен-винилацетат, сложные полиэфирные смолы, такие как полиэтилентерефталат и полибутилентерефталат, полиамидные смолы, такие как найлон 6 и найлон 6,6, простые полиэфирные смолы, такие как полифениленоксид, акриловые смолы, такие как полиметилметакрилат, синтетические каучуки, такие как стирол-бутадиеновый каучук и акрилонитрил-бутадиеновый каучук, фенольные смолы, такие как фенол-формальдегидная смола, эпоксидные смолы, такие как эпоксидная смола типа бисфенол А и эпоксидная смола типа новолак, силиконовый каучук, природный каучук (подходит любой молекулярный вес), полиимидные смолы, полифениленсульфид, АБС-пластик и т.д.

Смола и обожженные частицы (В) могут быть смешаны при помощи любого перемешивающего устройства, такого как пластикатор, универсальная мешалка и вращающийся цилиндр. Для смешивания, предпочтительно, применяют способ экструдирования смоляной композиции в форме нитей при помощи пластикатора непрерывного действия, которые затем нарезают, получая гранулы.

Смоляная композиция (В) настоящего изобретения имеет непревзойденную электропроводность и может быть использована в качестве добавки, предотвращающей накопление статического электричества на электрических частях, или в качестве добавки, улучшающей электропроводность, в композициях электропроводных покрытий для пола.

Настоящее изобретение включает способ повышения электропроводности смоляной композиции (В), полученной путем добавления обожженных частиц (В) к этой смоле. Кроме того, настоящее изобретение охватывает использование обожженных частиц (В) в качестве улучшающей электропроводность добавки к смоле.

Обработка поверхности

Столбчатые частицы оксида цинка формулы (1), обожженные частицы (А) и обожженные частицы (В), обеспечиваемые настоящим изобретением, предпочтительно, имеют на каждой своей поверхности, по меньшей мере, одно покрытие, выбранное из группы, включающей высшие жирные кислоты, эфиры фосфорной кислоты, эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов, анионогенные поверхностно-активные вещества (ПАВ) и связующие вещества на основе силана, титаната и алюминия. Благодаря наличию такого покрытия улучшается их способность к смешиванию со смолой или каучуком.

Например, применяют, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, состоящей из высших жирных кислот, анионогенных ПАВ, эфиров фосфорной кислоты, связующих веществ (на основе силана, титаната и алюминия) и эфиров многоатомных спиртов и жирных кислот.

К высшим жирным кислотам относятся высшие жирные кислоты, включающие 10 или более атомов углерода, такие как стеариновая кислота, эруковая кислота, пальмитиновая кислота, лауриновая кислота, бегеновая кислота и соли этих кислот и щелочных металлов.

К анионогенным ПАВ относятся соли сложных эфиров серной кислоты и высших спиртов, таких как стеариловый спирт и олеиловый спирт, соль сложного эфира серной кислоты и полиэтиленгликолевого простого эфира, соли сложных эфиров серной кислоты с амидными связями, соли сложных эфиров серной кислоты со сложноэфирными связями, сульфонаты со сложноэфирными связями, соли сульфоновой кислоты с амидными связями, соли сульфоновой кислоты с простыми эфирными связями, соли алкиларилсульфоновой кислоты с простыми эфирными связями, соли алкиларилсульфоновой кислоты с амидными связями и т.д.; к эфирам фосфорной кислоты относятся моно- и диэфиры ортофосфорной кислоты и олеилового спирта, стеарилового спирта и т.д., их смеси или их соли кислого или щелочного типа или их аминные соли.

К связующим веществам на основе силана относятся γ-хлорпропилтриметоксисилан, винилтрихлорсилан, винилтриэтоксисилан, винилтриметоксисилан, винил-трис(β-метоксиэтокси)силан, γ-метакрилоксипропилтриметоксисилан, β-(3,4-эпоксициклогексил)этилтриметоксисилан, γ-глицидоксипропилтриметоксисилан, γ-меркаптопропилтриметоксисилан, γ-аминопропилтриметоксисилан, N-β-(аминоэтил)-γ-аминопропилтриметоксисилан, γ-уреидопропилтриэтоксисилан и т.д.

К связующим веществам на основе титаната относятся изопропилтриизостеароил титанат, изопропил-трис(диоктилпирофосфат) титанат, изопропилтри(N-аминоэтил-аминоэтил) титанат, изопропилтридецилбензолсульфонил титанат и т.д.

К связующим веществам на основе алюминия относятся диизопропилат ацетоалкоксиалюминия и т.д.

Эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот включают глицеринмоностеарат, глицеринмоноолеат и т.д.

Количество агента для обработки поверхности может быть подобрано по мере необходимости, однако, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно ограничивать указанное количество относительно веса столбчатых частиц оксида цинка формулы (1), обожженных частиц (А) или обожженных частиц (В), приблизительно, 10% вес. или менее. Описанные выше частицы с обработанной поверхностью могут быть преобразованы в форму конечного продукта путем осуществления, например, промывки водой, дегидратации, гранулирования, сушки, пульверизации или классификации, по мере необходимости.

Способ обработки поверхности указанным выше агентом для обработки поверхности может быть осуществлен как сухой способ или влажный способ, по существу, известный. Например, сухой способ может быть осуществлен путем добавления агента для обработки поверхности в форме жидкости, эмульсии или твердого материала, в то время как столбчатые частицы оксида цинка или порошок столбчатых частиц оксида цинка тщательно перемешивают при помощи перемешивающего устройства, такого как мешалка Хенкеля, и затем тщательно перемешивают при нагревании или без нагревания. Влажный способ может быть осуществлен путем добавления указанного выше агента для обработки поверхности в форме жидкости или эмульсии к столбчатым частицам оксида цинка или суспензии столбчатых частиц оксида цинка в спирте и т.д. и механического тщательного их перемешивания при температуре до, приблизительно, 100°С. Количество агента для обработки поверхности относительно веса столбчатых частиц оксида цинка составляет, предпочтительно, от 0,1 до 10% вес., более предпочтительно, от 0,1 до 5% вес.

Примеры

Далее настоящее изобретение конкретно пояснено со ссылкой на приводимые ниже примеры. В примерах использовались высококачественные реагенты, поставляемые Wako Pure Chemical Industries, Ltd., если не указано иное. Свойства измеряли следующими способами.

Измерительные приборы и способы измерения

(1) Измерение удельной площади поверхности по БЭТ

Способ: в соответствии со способом трех точек

Прибор: высокоскоростной прибор для измерения удельной площади поверхности/распределения пор NOVA2000 (Yuasa Ionics, Inc.)

(2) Наблюдение частиц на изображении, полученном на сканирующем электронном микроскопе

Прибор: сканирующий электронный микроскоп S-3000N (Hitachi)

Способ: ускоряющее напряжение 15 кВ, рабочее расстояние 10 мм

(i) Содержание столбчатых частиц

Для, по меньшей мере, 10 частиц в поле зрения, увеличенном до 5000 диаметров при помощи сканирующего электронного микроскопа, измеряли долю частиц со средним отношением размеров (%) 10 или менее и средней степенью столбчатости в диапазоне от 0,5 до 1.

(ii) Средняя длина столба

Для, по меньшей мере, 10 частиц в поле зрения, увеличенном до 1000 диаметров или более при помощи сканирующего электронного микроскопа, измеряли длины столба (L), для которых рассчитывали среднее значение.

(iii) Средняя ширина столба

Для, по меньшей мере, 10 частиц в поле зрения, увеличенном до 1000 диаметров или более при помощи сканирующего электронного микроскопа, измеряли величины ширины столба (D), для которых рассчитывали среднее значение.

(iv) Среднее отношение размеров

Для, по меньшей мере, 10 частиц в поле зрения, увеличенном до 1000 диаметров или более при помощи сканирующего электронного микроскопа, измеряли величины длины столба (L) и ширины столба (D), рассчитывали отношение размеров (L/D), величины которого затем усредняли.

(v) Средняя степень столбчатости

Для, по меньшей мере, 10 частиц в поле зрения, увеличенном до 1000 диаметров или более при помощи сканирующего электронного микроскопа, для каждой частицы измеряли ширину (диаметр) D₁ одного конца и ширину (диаметр) D₂ другого конца, рассчитывали степень столбчатости (D₂/D₁), полученные величины усредняли.

(3) Рентгеноструктурный анализ

Прибор: рентгеновский спектрометр RINT2200N (производства Rigaku Corporation)

Способ: CU-Кα, угол (2θ): 5-65°, шаг: 0,02°, скорость сканирования: 4°/мин, рабочее напряжение: 40 кВ, рабочий ток: 20 мВ

(4) Измерение теплопроводности

Способ: в соответствии со способом «горячего стола» по ISO/CD22007-2

Прибор: прибор для измерения физических свойств горячих материалов ТРА-501 (Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd.): датчик Φ7 мм RTK-7.

(5) Измерение сопротивления порошка

Способ: порошок спрессовали в гранулы под нагрузкой 200 кН при помощи BRIQUETTING PRESS BRE-30 (MAEKAWA), измерения проводили путем присоединения измерительных наконечников пробника цепей (L-22/Yokokawa) к двум точкам, находящимся на расстоянии 1 см друг от друга.

(6) Измерение удельного объемного сопротивления

Способ: в соответствии со способом двухкольцевого электрода (при 23°С и 50% относительной влажности)

Прибор: R8340 (производства ADVANTEST CORPORATION)

Пример 1. Синтез столбчатых частиц оксида цинка

Пример синтеза 1

Реакция

К жидкой смеси водного раствора хлорида цинка и водного раствора сульфата алюминия с концентрацией хлорида цинка 1,011 моль/л и концентрацией сульфата алюминия 0,00505 моль/л при перемешивании добавили гидроксид натрия в количестве, соответствующем эквивалентной весовой доле щелочи 1,2, то есть, 1,2 моля гидроксида натрия на моль хлорида цинка, реакцию в полученной смеси проводили при 25°С в течение 30 минут. рН реакционной суспензии составил 5,91.

Промывка

Полученную таким образом реакционную суспензию промыли водой.

Гидротермическая обработка

Промытую суспензию повторно суспендировали в деионизированной воде и подвергли гидротермической обработке при температуре 120°С в течение 15 часов.

Сушка

Полученный таким образом продукт дегидратировали, очистили и высушили, получив частицы. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Пример синтеза 2

Частицы получили так же, как в примере синтеза 1, за исключением того, что эквивалентную весовую долю щелочи изменили на 1,4, сульфат алюминия заменили на сульфат титана (IV), а условия гидротермической обработки были 170°С и 20 часов. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Пример синтеза 3

Частицы получили так же, как в примере синтеза 1, за исключением того, что эквивалентную весовую долю щелочи изменили на 1,6, сульфат алюминия заменили на ацетат индия (III). В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Пример синтеза 4

Реакция

К жидкой смеси водного раствора хлорида цинка, водного раствора сульфата алюминия и соляной кислоты с концентрацией хлорида цинка 1,458 моль/л, концентрацией сульфата алюминия 0,00417 моль/л и концентрацией соляной кислоты 0,025 моль/л при перемешивании добавили гидроксид натрия в количестве 1,2 моля на моль хлорида цинка, реакцию в полученной смеси проводили при 25°С в течение 30 минут. рН реакционной суспензии составил 5,97.

Очистка

Полученную реакционную суспензию очистили путем промывки водой.

Гидротермическая обработка

Промытую суспензию повторно суспендировали в деионизированной воде и подвергли гидротермической обработке при температуре 170°С в течение 13 часов. Полученный таким образом продукт дегидратировали, очистили и высушили, получив частицы. Посредством рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Пример синтеза 5

Частицы получили так же, как в примере синтеза 4, за исключением того, что концентрацию сульфата алюминия изменили на 0,0073 моль/л и заменили сульфат алюминия на нитрат галлия (III). В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Пример синтеза 6

Реакция

К жидкой смеси водного раствора хлорида цинка, водного раствора хлорида алюминия и соляной кислоты с концентрацией хлорида цинка 1,458 моль/л, концентрацией хлорида алюминия 0,0146 моль/л и концентрацией соляной кислоты 0,025 моль/л при перемешивании добавили гидроксид натрия в количестве 1,4 моля на моль хлорида цинка, реакцию в полученной смеси проводили при 40єС в течение 30 минут. рН реакционной суспензии составил 6,03.

Очистка

Полученную реакционную суспензию очистили путем промывки водой.

Гидротермическая обработка

Промытую суспензию повторно суспендировали в деионизированной воде и подвергли гидротермической обработке при температуре 170°С в течение 13 часов.

Сушка

Полученный таким образом продукт дегидратировали, очистили и высушили. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, также было зафиксировано, что их удельная площадь поверхности по БЭТ составляет 3,1 м²/г, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что частица является столбчатым кристаллом с длиной столба от 0,6 до 3,8 мкм, шириной столба от 0,25 до 0,35 мкм, отношением размеров от 2 до 10,86 и степенью столбчатости от 0,73 до 0,89.

Пример синтеза 7

Реакция

К жидкой смеси водного раствора хлорида цинка, водного раствора нитрата железа и соляной кислоты с концентрацией хлорида цинка 1,458 моль/л, концентрацией нитрата железа 0,0073 моль/л и концентрацией соляной кислоты 0,025 моль/л при перемешивании добавили гидроксид натрия в количестве 1,4 моля на моль хлорида цинка, реакцию в полученной смеси проводили при 25°С в течение 1 час. рН реакционной суспензии составил 6,02.

Очистка

Полученную реакционную суспензию очистили путем промывки водой.

Гидротермическая обработка

Промытую суспензию повторно суспендировали в деионизированной воде и подвергли гидротермической обработке при температуре 170°С в течение 13 часов.

Сушка

Полученный таким образом продукт дегидратировали, очистили и высушили. В результате анализа полученных частиц, посредством рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, также было зафиксировано, что их удельная площадь поверхности по БЭТ составляет 7,0 м²/г, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что частица является столбчатым кристаллом с длиной столба от 0,76 до 3,95 мкм, шириной столба от 0,25 до 0,5 мкм, отношением размеров от 3,03 до 9,88 и степенью столбчатости от 0,83 до 0,96.

Сравнительный пример синтеза 1

Частицы получили так же, как в примере синтеза 1, за исключением того, что эквивалентную весовую долю щелочи изменили на 1,65. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные таким образом частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является столбчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Сравнительный пример синтеза 2

Частицы получили так же, как в примере синтеза 1, за исключением того, что эквивалентную весовую долю щелочи изменили на 1,70. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные таким образом частицы представляли собой смесь кристаллов столбчатой формы и кристаллов кубической формы. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Сравнительный пример синтеза 3

Реакция

К жидкой смеси водного раствора хлорида цинка и водного раствора сульфата алюминия с концентрацией хлорида цинка 1,05 моль/л и концентрацией сульфата алюминия 0,00525 моль/л при перемешивании добавили одновременно водный раствор карбоната натрия с концентрацией 0,746 моль/л и 1,096 Н гидроксид натрия таким образом, что количество карбоната натрия на моль хлорида цинка составило 0,005 моль, а количество гидроксида натрия на моль хлорида цинка составило 2 моля, реакцию в полученной смеси проводили при 40°С в течение 30 минут. рН реакционной суспензии составил 8,63.

Очистка

Полученную реакционную суспензию очистили путем промывки водой.

Гидротермическая обработка

Промытую суспензию повторно суспендировали в деионизированной воде и подвергли гидротермической обработке при температуре 170°С в течение 13 часов.

Сушка

Полученный таким образом продукт дегидратировали, очистили и высушили, получив частицы. Посредством рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные таким образом частицы представляли собой смесь оксида цинка с основным соединением гидроксида цинка, при помощи изображения, полученного на сканирующем электронном микроскопе, обнаружили, что каждая частица является игольчатым кристаллом. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Сравнительный пример синтеза 4

Частицы получили так же, как в примере синтеза 4, за исключением того, что сульфат алюминия не добавляли. В результате рентгеноструктурного анализа было обнаружено, что полученные частицы представляли собой смесь столбчатых кристаллов и кубических кристаллов оксида цинка. Свойства частиц приведены в таблице 1.

Таблица 1   ПС 1 ПС 2 ПС 3 ПС 4 ПС 5 ПС 6 ПС 7 [ZnO/[Al₂O₃] 200 200 200 350 200 200 200 Соль - присадка Al₂(SO₄)₃ Ti(SO₄)₂ In(CH₃COO)₃ Al₂(SO₄)₃ Ga(NO₃)₃ AlCl₃ Fe(NO₃)₃ х в формуле (1) 0,01 0,01 0,01 0,0057 0,01 0,01 0,01 Эквивалентная весовая доля щелочи 1,2 1,2 1,6 1,2 1,2 1,4 1,4 рН по окончании реакции 5,91 6,12 6,92 5,97 5,81 6,03 6,02 Условия гидротермической обработки 120°С 12 ч 170°С 20 ч 120°С 12 ч 170°С 13 ч 170°С 13 ч 170°С 13 ч 170°С 13 ч Удельная площадь поверхности по БЭТ, м²/г 3,1 3,4 4,1 1,6 1,3 3,1 7,0 Форма частиц Столбчатая Столбчатая Столбчатая Столбчатая Кубическая Столбчатая Столбчатая Столбчатая Содержание столбчатых частиц, % 80,0 85,0 85,0 82,0 85,0 80,0 80,0 Средняя длина столба, мкм 4,60 7,38 3,65 2,33 4,90 2,20 2,36 Средняя ширина столба, мкм 0,75 0,75 0,65 0,38 0,75 0,30 0,38 Среднее отношение размеров 5,70 10,13 5,71 2,13 5,95 6,43 6,46 Средняя степень столбчатости 0,81 0,88 0,84 0,82 0,81 0,81 0,90 ПС - пример синтеза

Таблица 1 (продолжение)   СПС 1 СПС 2 СПС 3 СПС 4 [ZnO/[Al₂O₃] 200 200 200 - Соль - присадка Al₂(SO₄)₃ Al₂(SO₄)₃ Al₂(SO₄)₃ - х в формуле (1) 0,01 0,01 0,01 0 Эквивалентная весовая доля щелочи 1,65 1,7 2,025 1,2 рН по окончании реакции 8,16 10,21 8,63 5,947 Условия гидротермической обработки 120°С 12 ч 120°С 12 ч 170°С 13 ч 170°С 13 ч Удельная площадь поверхности по БЭТ, м²/г 6,2 4,8 2,3 3,1 Форма частиц Столбчатая Столбчатая Кубическая Игольчатая Столбчатая Кубическая Содержание столбчатых частиц, % 5,0 50,0 0,0 25,0 Средняя длина столба, мкм 0,34 0,74 2,33 0,83 Средняя ширина столба, мкм 0,24 0,24 0,12 0,25 Среднее отношение размеров 1,09 2,64 30,00 1,59 Средняя степень столбчатости 0,80 0,92 0,20 0,92 СПС - сравнительный пример синтеза

Пример 2. Получение обожженных частиц (А)

Частицы, полученные в примере 1, подвергли обжигу в условиях, приведенных в таблице 2, с целью получения обожженных частиц (А)-1-(А)-4, пригодных для использования в качестве добавок, улучшающих теплопроводность. Кроме того, были получены сравнительные обожженные частицы (А)-5 и (А)-6. Эти частицы затем были подвергнуты обработке поверхности с использованием агентов для обработки поверхности, указанных в таблице 2.

Таблица 2   Обожженные частицы (А)-1 Обожженные частицы (А)-2 Обожженные частицы (А)-3 Обожженные частицы (А)-4 Обожженные частицы (А)-5 Обожженные частицы (А)-6 Оксид цинка ПС 2 ПС 3 ПС 4 ПС 7 СПС 2 СПС 3 Условия обжига окружающая атмосфера
400°С
4 ч окружающая атмосфера
800°С
2 ч окружающая атмосфера
700°С
2 ч окружающая атмосфера
1100°С
2 ч окружающая атмосфера
800°С
2 ч окружающая атмосфера
800°С
2 ч Агент для обработки поверхности Nil Олеат натрия Винилтрихлорсилан Стеарат натрия Nil Стеарат натрия Количество агента для обработки поверхности, % вес. относительно оксида цинка - 5,0 5,0 0,1 - 0,1 ПС - пример синтеза; СПС - сравнительный пример синтеза

Пример 3. Получение композиции теплопроводной смолы

Обожженные частицы одного из типов (А)-1-(А)-6, отраженные в таблице 2, и выпускаемый серийно оксид цинка (для сравнения) в количествах, представленных в таблице 3, смешали с 100 вес. частями промышленного кремнийорганического полимера (название продукта: TSE201/GE Toshiba Silicones), затем все перемешивали в пластикаторе в течение 1 час (23 об/мин, начальная температура 25°С). После этого добавили отверждающий агент (название продукта: TC-8/GE Toshiba Silicones), смесь перемешивали аналогичным образом в течение 20 минут. В качестве выпускаемого серийно оксида цинка использовали оксид цинка А (название продукта: 23-K/Hakusui Tech Co., Ltd.) и оксид цинка В (название продукта: #1/Seido Chemical Industry Co., Ltd.).

Полученные таким образом смоляные композиции подвергли прессованию при 160°С для придания формы листа диаметром 30 мм и толщиной 8 мм и последующему отверждению в печи при 200єС с целью получения образцов для испытаний. Измерили теплопроводность каждого образца при 300°С способом «горячего диска». Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3   ТП смола 1 ТП смола 2 ТП смола 3 ТП смола 4 ТП смола 5 ТП смола 6 Состав, % (частей на 100 частей смолы) Кремнийорганический полимер 100 100 100 100 100 100 Обожженные частицы (А)-1 350 150 - - - 200 Обожженные частицы (А)-2 - - 350 - - - Обожженные частицы (А)-3 - - - 400 - - Обожженные частицы (А)-4 - - - - 350 - Обожженные частицы (А)-5 (для сравнения) - - - - - - Обожженные частицы (А)-6 (для сравнения) - - - - - - Оксид цинка А (для сравнения) - - - - - 200 Оксид цинка В (для сравнения) - - - - - - Отверждающий агент (для сравнения) 1,8 1,8 1,0 1,8 1,8 1,8 Теплопроводность, В/м·K 1,16 1,11 1,10 1,13 1,03 1,24 Цвет листа бледно-желтый белый бледно-желтый бледно-желтый бледно-желтый бледно-желтый ТП смола - теплопроводная смола

Таблица 3 (продолжение)   ТП смола 7 ТП смола 8 ТП смола 9* ТП смола 10* ТП смола 11* ТП смола 12* Состав, % Кремнийорганический полимер 100 100 100 100 100 100 Обожженные частицы (А)-1 - 200 - - - - Обожженные частицы (А)-2 - - - - - - Обожженные частицы (А)-3 200 - - - - - Обожженные частицы (А)-4 - 100 - - - - Обожженные частицы (А)-5 (для сравнения) - - 400 - - - Обожженные частицы (А)-6 (для сравнения) 100 - - 400 - - Оксид цинка А (для сравнения) 100 - - - 350 - Оксид цинка В (для сравнения) - 100 - - - 350 Отверждающий агент (для сравнения) 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Теплопроводность, В/м·K 1,26 1,18 0,97 0,80 0,97 0,87 Цвет листа бледно-серый бледно-серый бледно-желтый серый серый серый ТП смола - теплопроводная смола; * для сравнения

В таблице 3, при сравнении теплопроводных смол 1-5 с теплопроводными смолами 10-12, можно видеть, что смолы, содержащие обожженные частицы (А) настоящего изобретения, обладают более высокой теплопроводностью, чем смолы, содержащие обычный игольчатый оксид цинка или оксид цинка, выпускаемый серийно.

Кроме того, при использовании обожженных частиц (А) настоящего изобретения совместно с оксидом цинка, выпускаемым серийно, как в теплопроводных смолах 6-8, эффект повышения теплопроводности не уменьшается.

Считается, что такое влияние является следствием того, что обожженные частицы (А) настоящего изобретения с трудом ломаются при замешивании, поэтому обожженные частицы (А) с большой вероятностью будут находиться в контакте друг с другом в составе смолы.

Пример 4 Получение обожженных частиц (В)

Соединения, полученные в примере 1, подвергли восстанавливающему обжигу в условиях, приведенных в таблице 4, с целью получения обожженных частиц (В), пригодных для использования в качестве добавок, улучшающих электропроводность.

Таблица 4   Обожженные частицы (В)-1 Обожженные частицы (В)-2 Обожженные частицы (В)-3 Обожженные частицы (В)-4 Оксид цинка ПС 1 ПС 2 ПС 4 ПС 5 Условия обжига атмосфера Н₂
700°С 2 ч атмосфера Н₂
900°С 2 ч атмосфера Н₂
900°С 2 ч атмосфера Н₂ 700°С 2 ч Величина сопротивления порошка, Ω 3,2×10⁴ 1,2×10⁴ 5,3×10⁴ 1,6×10⁴ Агент для обработки поверхности Nil Стеарат натрия Олеат натрия Винилтрихлорсилан Количество агента для обработки поверхности, % вес. (относительно оксида цинка) - 0,1 1,0 5,0 ПС - пример синтеза

Таблица 4 (продолжение)   Обожженные частицы (В)-5 Обожженные частицы (В)-6 Обожженные частицы (В)-7 Обожженные частицы (В)-8 Оксид цинка ПС 6 СПС 1 СПС 3 СПС 4 Условия обжига атмосфера Н₂ 1000°С 2 ч атмосфера Н₂ 800°С 2 ч атмосфера Н₂ 800°С 2 ч атмосфера Н₂ 800°С 2 ч Величина сопротивления порошка, Ω 1,4×10⁴ 4,2×10⁴ 1,4×10⁴ 6,2×10⁴ Агент для обработки поверхности Стеарат натрия Nil Стеарат натрия Стеарат натрия Количество агента для обработки поверхности, % вес. (относительно оксида цинка) 0,1 - 0,1 0,1 ПС - пример синтеза; СПС - сравнительный пример синтеза

Пример 5 Композиция электропроводной смолы

Обожженные частицы одного (В)-1-(В)-8, отраженные в таблице 4, и выпускаемый серийно оксид цинка (для сравнения) в количествах, представленных в таблице 5, смешали с 100 вес. частями линейного полиэтилена низкой плотности, полученного газофазным способом (название продукта: NOVATEC LL UF240/производства Japan Polyethylene Corporation), и измерили собственное удельное объемное сопротивление каждой полученной таким образом композиции. Результаты представлены в таблице 5. Оксид цинка А и оксид цинка В - те же, что и оксид цинка А и оксид цинка В, использованные в примере 3.

В частности, гранулы указанного полиэтилена низкой плотности поместили в шестеренчатую печь и предварительно подогрели при 130єС в течение 30 минут, расплавленные гранулы при перемешивании при помощи вальцов соединили с обожженными частицами (В). Затем пластицированный продукт подвергли прессованию при 190°С для придания формы листа толщиной 2 мм с целью получения образца для испытаний.

Таблица 5   ЭП смола 1 ЭП смола 2 ЭП смола 3 ЭП смола 4 ЭП смола 5 ЭП смола 6 Состав, % LLDPE 100 100 100 100 100 100 Обожженные частицы (В)-1 300 200 - - - - Обожженные частицы (В)-2 - - 300 - - - Обожженные частицы (В)-3 - - - 300 - - Обожженные частицы (В)-4 - - - - 300 - Обожженные частицы (В)-5 - - - - - 300 Обожженные частицы (В)-6 (для сравнения) - - - - - - Обожженные частицы (В)-7 (для сравнения) - - - - - - Обожженные частицы (В)-8 (для сравнения) - - - - - - Оксид цинка А (для сравнения) - - - - - - Оксид цинка В (для сравнения) - - - - - - Собственное удельное объемное сопротивление, Ω/см 1,16 6,79×10⁶ 2,32×10⁵ 8,21×10⁶ 1,16×10⁶ 4,54×10⁵ Цвет листа бледно-желтый белый бледно-желтый бледно-желтый бледно-желтый бледно-желтый ЭП смола - электропроводная смола; LLDPE - линейный полиэтилен низкой плотности

Таблица 5 (продолжение)   ЭП смола 7* ЭП смола 8* ЭП смола 9* ЭП смола 10* ЭП смола 11* ЭП смола 12 ЭП смола 13 Состав, % LLDPE 100 100 100 100 100 100 100 Обожженные частицы (В)-1 - - - - 200 200 - Обожженные частицы (В)-2 - - - - - - 200 Обожженные частицы (В)-3 - - -   - 100 - Обожженные частицы (В)-4 - - - - - - - Обожженные частицы (В)-5 - - - - - -   Обожженные частицы (В)-6* 300 - - - - - - Обожженные частицы (В)-7* - 300 - 200 - - - Обожженные частицы (В)-8* - - 300 - - - - Оксид цинка А* - - - 100 100 - - Оксид цинка В* - - - - - - 100 Собственное удельное объемное сопротивление, Ω/см 1,50×10¹⁵ 3,33×10¹² 7,45×10¹⁵ 2,60×10¹² 2,00×10⁶ 1,20×10⁵ 4,60×10⁵ Цвет листа бледно-желтый бледно-желтый бледно-желтый серый серый бледно-желтый серый ЭП смола - электропроводная смола; LLDPE - линейный полиэтилен низкой плотности; *для сравнения

Как видно из таблицы 5, электропроводная смола 7 или 9, содержащая оксид цинка со средним отношением размеров менее 2, и электропроводные смолы 8 и 10, содержащие игольчатые оксиды цинка, характеризуются собственным удельным объемным сопротивлением в диапазоне от 1×10¹² до 1×10¹⁶ Ω, тогда как электропроводные смолы 1-6, 12 и 13, содержащие обожженные частицы (В) настоящего изобретения, характеризуются собственным удельным объемным сопротивлением в диапазоне от 1×10⁵ до 1×10⁷ Ω.

Если принять во внимание, что имеется небольшое различие величины сопротивления порошка для первых и вторых, как видно из таблицы 4, можно утверждать, что обожженные частицы (В) настоящего изобретения с трудом ломаются при замешивании, поэтому обожженные частицы (В) с большой вероятностью будут находиться в контакте друг с другом в составе смолы, придавая ей соответствующее собственное удельное объемное сопротивление.

Значение изобретения

Форма частиц оксида цинка настоящего изобретения, в отличие от обычной, столбчатая, поэтому частицы не ломаются при замешивании со смолой, как игольчатые частицы, и легко образуют в смоле сетчатую структуру. Следовательно, частицы оксида цинка настоящего изобретения пригодны для использования в качестве добавок, улучшающих теплопроводность, или добавок, улучшающих электропроводность. Частицы оксида цинка настоящего изобретения могут присутствовать в смоле в значительном количестве. Столбчатые частицы оксида цинка настоящего изобретения обладают более низкой твердостью, чем оксид магния или оксид алюминия, поэтому оборудование и т.д. не подвергается риску абразивного износа. Кроме того, столбчатые частицы оксида цинка настоящего изобретения безопасны для здоровья людей и недороги, поэтому они имеют широкий спектр вариантов применения.

Указанные частицы оксида цинка могут быть произведены в соответствии со способом получения частиц настоящего изобретения. Композиция смолы настоящего изобретения обладает непревзойденной теплопроводностью или электропроводностью.

Промышленная применимость

Частицы оксида цинка настоящего изобретения пригодны для использования в качестве добавок, улучшающих свойства смоляных композиций, применяемых для изготовления охлаждающих ребер тепловыделяющих частей, таких как транзистор большой мощности, тиристор, выпрямитель, трансформатор, нагреватель и интегральная схема. Они также пригодны для использования в качестве добавки, предотвращающей накопление статического электричества на электрических частях, или в качестве добавки, улучшающей электропроводность, в композициях электропроводных покрытий для пола.

Изобретение относится к повышающим теплопроводность или электропроводность частицам оксида цинка. Частицы представлены следующей формулой (1):

ZnMⁿ⁺ _xO_1+nx/2 · aH₂O (1)

где Mⁿ⁺ означает трехвалентный или четырехвалентный металл, x и a удовлетворяют соотношению 0,002<x<0,05 и 0≤a<0,5, соответственно, n означает валентность металла. Частицы характеризуются содержанием столбчатых частиц 80% или более. Также предложены способ получения частиц оксида цинка, обожженные частицы (А) и (В), смоляные композиции (А) и (В). Изобретение позволяет получить частицы оксида цинка, используемые для улучшения электропроводности или теплопроводности смол. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл., 3 пр.

1. Повышающие теплопроводность или электропроводность частицы оксида цинка, представленные следующей формулой (1):
ZnMⁿ⁺ _xO_1+nx/2 · aH₂O (1)

где Mⁿ⁺ означает трехвалентный или четырехвалентный металл, x и a удовлетворяют соотношению 0,002<x<0,05 и 0≤a<0,5, соответственно, n означает валентность металла, и характеризующиеся содержанием столбчатых частиц 80% или более.

2. Частицы по п.1, которые имеют форму квадратного столба или шестигранного столба.

3. Частицы по п.1, которые имеют среднюю длину столба от 0,5 до 20 мкм, среднюю ширину столба от 0,25 до 1,5 мкм, среднее отношение размеров от 1 до 10 и среднюю степень столбчатости от 0,5 до 1.

4. Частицы по п.1, которые имеют среднюю длину столба от 1 до 10 мкм, среднюю ширину столба от 0,5 до 1 мкм, среднее отношение размеров от 2 до 6 и среднюю степень столбчатости от 0,7 до 1.

5. Частицы по п.1, обладающие удельной площадью поверхности по БЭТ от 1 до 10 м²/г.

6. Частицы по п.1, которые имеют на своей поверхности, по меньшей мере, одно покрытие, выбранное из группы, включающей высшие жирные кислоты, эфиры фосфорной кислоты, эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов, анионогенные поверхностно-активные вещества и связующие вещества на основе силана, титаната и алюминия.

7. Способ получения частиц оксида цинка по п.1, который включает стадии:
(I) осуществления реакции водного раствора, содержащего соль цинка (а) и соль трехвалентного или четырехвалентного металла (b), с водным раствором, содержащим соединение щелочного металла (c), так, что рН реакционной смеси по окончании реакции составляет от 5,0 до 7,0,
(II) промывки полученных таким образом частиц,
(III) эмульгирования промытых частиц и их последующей гидротермической обработки, и
(IV) сушки прошедших гидротермическую обработку частиц.

8. Повышающие теплопроводность обожженные частицы (А), полученные путем обжига частиц оксида цинка по п.1 при температуре от 300 до 1100°C в невосстанавливающей атмосфере.

9. Обожженные частицы (А) по п.8, которые имеют на своей поверхности, по меньшей мере, одно покрытие, выбранное из группы, включающей высшие жирные кислоты, эфиры фосфорной кислоты, эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов, анионогенные поверхностно-активные вещества и связующие вещества на основе силана, титаната и алюминия.

10. Теплопроводная смоляная композиция (А), содержащая 100 вес. частей смолы и от 150 до 400 вес. частей обожженных частиц (А) по п.8.

11. Повышающие электропроводность обожженные частицы (В), полученные путем обжига частиц оксида цинка по п.1 при температуре от 300 до 1100°C в восстанавливающей атмосфере.

12. Обожженные частицы (В) по п.11, которые имеют на своей поверхности, по меньшей мере, одно покрытие, выбранное из группы, включающей высшие жирные кислоты, эфиры фосфорной кислоты, эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов, анионогенные поверхностно-активные вещества и связующие вещества на основе силана, титаната и алюминия.

13. Электропроводная смоляная композиция (В), содержащая 100 вес. частей смолы и от 200 до 400 вес. частей обожженных частиц (В) по п.11.