圓形熔融氧化鋁顆粒、其生產方法和包含該顆粒的樹脂組合物的製作方法

2023-09-24 02:17:25 2

專利名稱：圓形熔融氧化鋁顆粒、其生產方法和包含該顆粒的樹脂組合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及圓形熔融氧化鋁顆粒，更具體地涉及適用於耐磨地板材料、電子部件的密封材料、散熱基材、填料、終研磨材料以及結合到耐火材料、陶瓷或其複合材料中的聚集體和填料，減少裝置磨損並表現出優異流動特性和填充特性的圓形熔融氧化鋁顆粒。本發明還涉及用於生產該圓形熔融氧化鋁顆粒的經濟可行的工業方法，包含該氧化鋁顆粒的耐磨樹脂組合物、高導熱率的橡膠組合物和高導熱率的樹脂組合物。
背景技術：
近年來，電動車、混合動力車、燃料電池車和類似車輛發展顯著，以應對環境問題。其中所用的電子部件在大電流運行，增加了這些部件產生的熱。此外，對更高集成度和更高密度的電子部件的需求增加了單位晶片的電力消耗。因此，有效移除所生成的熱，以抑制電氣和電子元件的溫度上升是關鍵問題。
為解決這些問題，令人期望地將大量剛玉(α-氧化鋁，具有優異的導熱性)結合到高導熱率的橡膠或樹脂組合物中。氧化鋁材料中，由於熔融氧化鋁顆粒通過粉碎形成，所以熔融氧化鋁顆粒具有尖銳的邊緣，用作磨料。因此，不能將熔融氧化鋁顆粒大量結合到這些部件中，它們會磨損例如捏合機或模具的設備，由此增加了含氧化鋁顆粒部件的製造成本。為此，熔融氧化鋁顆粒沒有用作填料。
當前，已知通過在加入化學試劑之後燒結(參見例如日本待審專利公開(kokai)No.4-32004、5-294613和No.2002-348116)或熱噴霧(參見例如日本待審專利公開(kokai)No.5-193908、63-156011和No.2001-19425)製造圓形氧化鋁顆粒。這種圓形氧化鋁顆粒不是熔融氧化鋁顆粒。
在加入化學試劑之後通過燒結製得的圓形氧化鋁顆粒是燒結氧化鋁顆粒，每個顆粒都是多晶氧化鋁，具有晶粒間界。通過熱噴射製得的圓形氧化鋁顆粒也是多晶氧化鋁，包含α-氧化鋁、δ-氧化鋁和γ-氧化鋁。與基本由單晶組成的熔融氧化鋁相比，這類氧化鋁顆粒的導熱率低，並且從經濟角度考慮存在缺陷，因為這類顆粒要求很多生產步驟和大量熱能。
同時，已有將熔融氧化鋁顆粒結合到某些耐磨樹脂組合物中，例如要求耐磨的地板材料。所用的熔融氧化鋁顆粒也存在缺陷不能將用於增強耐磨性的大量氧化鋁顆粒結合到部件中，而且在層壓製品的形成中氧化鋁顆粒會因其尖銳的邊緣而刮傷模製板。
根據前述專利文件所公開的方法，可以生產無邊緣的圓形氧化鋁顆粒。但是，這些方法要求大量熱能，而這在經濟上不利，並且所得的氧化鋁顆粒表現出低的導熱率。為了解決所有上述問題，優選地，圓形熔融氧化鋁顆粒必須是導熱率高、無需熱處理的熔融氧化鋁顆粒。
如果可以僅通過成型和圓化來生產圓形熔融氧化鋁顆粒，而無需進行熱處理，則不再要求加熱裝置和冷卻裝置，從而降低了設施成本。

發明內容
為解決傳統技術中存在的問題，本發明人進行了廣泛研究，發現可以通過使用噴射式碾磨機的生產方法生產圓形熔融氧化鋁顆粒來解決這些問題。基於這一發現，本發明得以完成。
因此，解決這些問題的本發明涉及以下方面[1]圓形熔融氧化鋁顆粒，其平均粒徑為5-4000μm，圓度為0.85或更高。
用於生產如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其特徵在於該方法包括通過使熔融氧化鋁顆粒彼此碰撞，去除熔融氧化鋁顆粒的邊緣。
用於生產如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其特徵在於該方法包括通過噴射式碾磨機來去除熔融氧化鋁顆粒的邊緣。
如以上[3]中所述的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中噴射式碾磨機是逆流型碾磨機。
如以上[3]中所述的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中噴射式碾磨機是旋流型噴射式碾磨機。
如以上[4]中所述的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機可以隨意地控制其噴嘴壓力、料粒分選器的轉速和運行時間。
如以上[4]或[6]中所述的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機在0.6-0.8MPa的噴嘴壓力下運行。
如以上[4]、[6]或[7]中所述的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機間歇運行，殘餘物作為產物。
耐磨樹脂組合物，其特徵在於該樹脂組合物包含如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
高導熱率的橡膠組合物，其特徵在於該橡膠組合物包含如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
高導熱率的樹脂組合物，其特徵在於該樹脂組合物包含如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
用於生產耐磨樹脂組合物的方法，其特徵在於使用如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
用於生產高導熱率橡膠組合物的方法，其特徵在於使用如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
用於生產高導熱率樹脂組合物的方法，其特徵在於使用如以上[1]中所述的圓形熔融氧化鋁顆粒。
根據本發明，可以在工業上低成本地生產圓形熔融氧化鋁顆粒。本發明的圓形熔融氧化鋁顆粒與傳統圓形氧化鋁顆粒相比具有高的導熱率和優異的填充特性。本發明的圓形熔融氧化鋁顆粒減少了對用於生產含氧化鋁顆粒組合物的機器和裝置的磨損。


圖1是用來根據JIS-R6126(1970)測定體積密度的裝置的示意圖。
具體實施例方式
以下將詳細描述本發明。
本發明涉及平均粒徑為5-4000μm、圓度為0.85或更高的圓形熔融氧化鋁顆粒，以及用於生產該圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其特徵在於該方法包括通過一般用作粉碎機的噴射式碾磨機使熔融氧化鋁顆粒圓化。
在本發明中，術語「圓度」指(a)與(b)之比，其中(a)是顆粒的投影面積，(b)是周長等於顆粒投影周長的實際圓的面積。當顆粒形狀近似實際圓時，該顆粒的圓度接近1。
本發明的圓形熔融氧化鋁顆粒的圓度為0.85或更高，優選0.86或更高，更優選0.87或更高，還更優選0.88或更高。本發明的圓形熔融氧化鋁顆粒的圓度自然可以為0.90或更高。但是，超過必要的圓度會帶來經濟上的缺陷，例如長的成型時間。一般而言，該圓度優選不大於0.91。
可以通過已知方法生產本發明中用作原料的熔融氧化鋁。該熔融氧化鋁的平均粒徑優選為5-4000μm，更優選為5-500μm。當該平均粒徑小於5μm時，產率變低，因為與噴射式碾磨機連接的料粒分選器的分選下限一般為約2-3μm。當該平均粒徑超過4000μm時，顆粒在噴射式碾磨機中沒有被充分加速，由此不能得到使顆粒彼此碰撞而圓化所需的動能。
雖然本發明中所用的噴射式碾磨機的類型沒有特別限制，但是例子包括逆流型(相向的)噴射式碾磨機(例如Majac(Hosokawa Alpine))和旋流型噴射式碾磨機(例如STJ(Seishin Enterprise Co.，Ltd.)和PJM(Nippon PneumaticMfg.Co.，Ltd.))。
由於傳統地熔融氧化鋁顆粒本身用作磨料，所以它們會在處理它們的機器中造成大量帶來問題的磨損。因此，必須考慮機器的運行成本。鑑於此，優選使用逆流型噴射式碾磨機，其中很少顆粒直接接觸碾磨機的內壁。
對於相向型噴射式碾磨機的操作模式沒有特別限制。但是，採用間歇操作，而不是典型的連續操作。在優選的模式中，將原料預先進料到碾磨機中，其進料量要使得推料器噴嘴埋在原料中，再開始運行。在運行期間，不再向碾磨機中進料額外的原料。在運行預定時間之後，碾磨機停止，將碾磨機中的粉末作為產物通過底部的排放口移出。
熔融氧化鋁基本由單晶形成，硬度高。因此，所謂的氧化鋁「粉碎」在噴射式碾磨機中幾乎沒有發生。通過噴射式碾磨機形成圓形熔融氧化鋁顆粒的一個可能原因如下。當通過噴射式碾磨機處理熔融氧化鋁顆粒時，熔融氧化鋁顆粒的特徵邊緣通過顆粒間的碰撞而破壞。反覆進行這種碰撞，減少了尖銳邊緣。通過料粒分選器將碰撞形成的細碎屑排到系統外，而沒有尖銳邊緣的粗顆粒保留在碾磨機中。
優選地，基於運行時間控制圓度。當運行時間太短，圓度不夠，而當運行時間過長，該方法則不經濟。
對噴射式碾磨機的噴嘴壓力沒有特別限制，但從成型效率考慮，優選高的噴嘴壓力。考慮到機器的耐壓成本，噴嘴壓力優選為0.6-0.8MPa。
對料粒分選器的分割下限點沒有特別限制，並且可以基於期望產物來預設分割下限點。
優選地，將本發明的圓形熔融氧化鋁顆粒結合到橡膠或樹脂組合物中，特別是高導熱率的橡膠或樹脂組合物中和特別高填充比地含有氧化鋁的耐磨樹脂組合物中。
高導熱率的橡膠或樹脂組合物優選包含80質量％或更多的圓形熔融氧化鋁顆粒。
在本發明中，對於用來形成前述高導熱率樹脂組合物的樹脂沒有特別限制，可以使用任何已知樹脂。該樹脂的例子包括不飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基酯樹脂、環氧樹脂、二甲苯-甲醛樹脂、胍胺樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、酚樹脂、呋喃樹脂、聚醯亞胺樹脂、蜜胺樹脂和脲醛樹脂。其中，優選不飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基酯樹脂、環氧樹脂等。
在本發明中，對於用來形成前述耐磨樹脂組合物的樹脂沒有特別限制，可以使用任何已知樹脂。該樹脂的例子包括不飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基酯樹脂、環氧樹脂、二甲苯-甲醛樹脂、胍胺樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙酯樹脂、酚樹脂、呋喃樹脂、聚醯亞胺樹脂、蜜胺樹脂和脲醛樹脂。其中，優選蜜胺樹脂、酚樹脂等。
在本發明中，對於用來形成前述高導熱率橡膠組合物的橡膠沒有特別限制，可以使用任何已知橡膠。
接下來通過實施例和對比實施例來詳細描述本發明，但不應將這些實施例視為是限制本發明。
圓度測定方法
測量顆粒的投影面積(a)和該投影區域的周長。計算其周長等於該顆粒投影區域周長的實際圓的面積(b)。將(a)/(b)計算圓度。當顆粒形狀近似實際圓時，該顆粒的圓度接近1。
在發現平均粒徑為200μm或更低的情況下，使用FPIA-2000(Sysmex的產品)測定平均圓度。
在發現平均粒徑為200μm或更高的情況下，使用Luzex圖形分析儀測定平均圓度。
體積密度
按照JIS-R6126(1976)測定體積密度。也就是說，採用圖1所示的由漏鬥1、塞子2、圓柱件3和支撐件4組成的裝置來測定體積密度(按照JIS R6126-1970，漏鬥1由不鏽鋼製成，塞子2和圓柱件3由黃銅製得，圓柱件3是JIS H3631(帶黃銅底的黃銅無縫管)。圖1中尺寸單位為mm，並且可以適當測定圖1中沒有標示出的部件的尺寸和形狀)。
(1)測定圓柱件的體積V(ml)；(2)用塞子堵住圓柱件的出口，向漏鬥中裝入約120g樣品，接著將圓柱件放置在漏鬥下方；(3)拉出塞子，以使所有樣品落入圓柱件內，將樣品堆積部分鏟起一樣地從圓柱件中移出，接著對圓柱件中的樣品進行稱重；(4)對相同樣品重複以上步驟(2)和(3)，得到3個測量值W1(g)、W2(g)和W3(g)；以及(5)根據下式，由以上步驟(1)的體積V(ml)和步驟(4)的3個測量值W1(g)、W2(g)和W3(g)計算體積密度體積密度(g/ml)＝{(W1+W2+W3)/3}/V。
實施例1
將氧化鋁球(HD-2，20mmφ，Nikkato Corporation的產品)(8kg)置入逆流型噴射式碾磨機(200AFG，Hosokawa Alpine的產品)中。在氧化鋁球上放置熔融氧化鋁(平均粒徑70μm，Showa Denko K.K.的產品)(10kg)。在0.6MPa的噴嘴壓力，2000rpm料粒分選器轉速下，進行預定時間(15min、30min、60min和120min)的成型，以使顆粒圓化。圓化後，測定所得顆粒的圓度、體積密度和平均粒徑(Micro-truck HRA)。結果示於表1中。
表1

實施例2
將氧化鋁球(HD-2，20mmφ，Nikkato Corporation的產品)(8kg)置入逆流型噴射式碾磨機(200AFG，Hosokawa Alpine的產品)中。在氧化鋁球上放置熔融氧化鋁(平均粒徑500μm，Showa Denko K.K.的產品)(10kg)。在0.6MPa的噴嘴壓力，2000rpm料粒分選器轉速下，進行預定時間(15min、30min、60min和120min)的成型，以使顆粒圓化。圓化後，測定所得顆粒的圓度、體積密度和晶粒大小(篩析晶粒大小)。結果示於表2中。


實施例3
將氧化鋁球(HD-2，20mmφ，Nikkato Corporation的產品)(8kg)置入逆流型噴射式碾磨機(200AFG，Hosokawa Alpine的產品)中。在氧化鋁球上分別放置表3-8中所示的平均粒徑為5-4000μm的熔融氧化鋁樣品(4000μm，2000μm，500μm，75μm，10μm和5μm，Showa Denko K.K.的產品)(10kg)。在0.6MPa的噴嘴壓力，根據相關晶粒大小而調節的料粒分選器轉速下，進行成型，以使顆粒圓化。圓化後，測定所得顆粒的圓度和體積密度。
結果示於表3-8中。附在表3-8其中每一表上方的大小為平均粒徑。
表3平均粒徑4000μm

表4平均粒徑2000μm

表5平均粒徑500μm

表6平均粒徑75μm

表7平均粒徑10μm

表8平均粒徑5μm

實施例4
將原料(熔融氧化鋁，平均粒徑70μm，Showa Denko K.K.的產品)(15kg/hr)進料到旋流型噴射式碾磨機(STJ-200，Seishin Enterprise Co.，Ltd.的產品)中。在0.74MPa的推料器噴嘴壓力和0.64MPa的滑移噴嘴壓力下，進行成型，以使顆粒圓化。圓化後，測定顆粒的圓度、體積密度和平均粒徑(Micro-truckHRA)。結果示於表4中。
表9

實施例5
將氧化鋁球(HD-2，20mmφ，Nikkato Corporation的產品)(8kg)置入逆流型噴射式碾磨機(200AFG，Hosokawa Alpine的產品)中。在氧化鋁球上放置平均粒徑為30μm的熔融氧化鋁樣品(Showa Denko K.K.的產品，WA No.400)(10kg)。在0.6MPa的噴嘴壓力，6000rpm料粒分選器轉速下，進行60min的成型，以使顆粒圓化。所得圓形熔融氧化鋁的平均粒徑為23.4μm，圓度為0.90。
通過混合器(型號T.K.HIVIS MIX03，Tokushukikakogyo Co.，Ltd.的產品)在50rpm下將矽氧烷樹脂(TSE-3070(A)，GE Toshiba silicone的產品)(25g)、矽氧烷樹脂(TSE-3070(B)，GE Toshiba silicone的產品)和所得的圓形熔融氧化鋁(200g)混合10分鐘，接著通過離心消泡機(型號NBK-1，Nippon Seiki Co.，Ltd.的產品)在500rpm下進行5分鐘的消泡。將所得混合物在140℃下固化60分鐘，以得到樹脂產品。
通過快速導熱儀(QTM-500，Kyoto Electronics Manufacturing Co.，Ltd.的產品)測定所得樹脂產品的導熱率。結果示於表10中。
對比實施例1
按照以上實施例5得到樹脂產品，並測定其導熱率，不同之處在於使用幾乎完全球狀的氧化鋁珠(CB-A20A，平均粒徑22.8μm，圓度0.96，Showa DenkoK.K.的產品)，而不是圓形熔融氧化鋁。結果示於表10中。
對比實施例2
按照以上實施例5得到樹脂產品，並測定其導熱率，不同之處在於使用不是熔融氧化鋁的圓形氧化鋁(AS-20，平均粒徑23.1μm，圓度0.90，Showa DenkoK.K.的產品)，而不是圓形熔融氧化鋁。結果示於表10中。
表10

相比較實施例5的氧化鋁，對比實施例1和2的氧化鋁具有相近的平均粒徑和更好的圓度。但是，如表10所示的，實施例5樹脂產品的導熱率比對比實施例1和2的要高約10％。也就是說，實施例5的圓形熔融氧化鋁是優異的導熱填料。
實施例6
將實施例1中成型60分鐘、平均直徑為70μm的圓形熔融氧化鋁(1.5g)混在蜜胺樹脂(Suntop M-700，Nissan Chemical Industries，Ltd.的產品)(10g)中，並固化成直徑為25μm的圓柱體。用自動拋光機(Automet II拋光機/EcometIII拋光機，BUEHLER的產品)將該固化圓柱體拋光，以測定由於拋光造成樣品的重量損失。通過在EcometIII拋光機上施用SiC防水磨砂紙(No.240)，將3個樣品置於Automet II拋光機上，接著以150rpm旋轉Ecomet III拋光機，並提供水以將樣品拋光20分鐘，同時以30rpm旋轉的Automet II拋光機提供5.4kg向下的力，從而完成拋光。結果示於表11中。
對比實施例3
將平均直徑為75μm的熔融氧化鋁(1.5g)混在蜜胺樹脂(Suntop M-700，Nissan Chemical Industries，Ltd.的產品)(10g)中，並固化成直徑為25μm的圓柱體。如實施例6中用自動拋光機將該固化圓柱體拋光，以測定由於拋光造成樣品的重量損失。結果示於表11中。
表11

從表11中看到使用圓形熔融氧化鋁的實施例6中的樣品重量損失小於使用常規熔融氧化鋁的對比實施例3。據認為這是由於圓形填料在改善耐磨性方面更好。
權利要求
1.圓形熔融氧化鋁顆粒，其平均粒徑為5-4000μm，圓度為0.85或更高。
2.一種用於生產根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其特徵在於所述方法包括通過使熔融氧化鋁顆粒彼此碰撞，去除熔融氧化鋁顆粒的邊緣。
3.一種用於生產根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其特徵在於所述方法包括通過噴射式碾磨機來去除熔融氧化鋁顆粒的邊緣。
4.根據權利要求3的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中噴射式碾磨機是逆流型噴射式碾磨機。
5.根據權利要求3的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中噴射式碾磨機是旋流型噴射式碾磨機。
6.根據權利要求4的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機的噴嘴壓力、料粒分選器的轉速和運行時間可以隨意地控制。
7.根據權利要求4的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機在0.6-0.8MPa的噴嘴壓力下運行。
8.根據權利要求4的用於生產圓形熔融氧化鋁顆粒的方法，其中逆流型噴射式碾磨機間歇運行，殘餘物作為產物。
9.一種耐磨樹脂組合物，其特徵在於所述樹脂組合物包含根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
10.一種高導熱率的橡膠組合物，其特徵在於所述橡膠組合物包含根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
11.一種高導熱率的樹脂組合物，其特徵在於所述樹脂組合物包含根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
12.一種用於生產耐磨樹脂組合物的方法，其特徵在於使用根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
13.一種用於生產高導熱率橡膠組合物的方法，其特徵在於使用根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
14.一種用於生產高導熱率樹脂組合物的方法，其特徵在於使用根據權利要求1的圓形熔融氧化鋁顆粒。
全文摘要
本發明提供了平均粒徑為5－4000μm、圓度為0.85或更高的圓形熔融氧化鋁顆粒及其生產方法。該方法包括通過使熔融氧化鋁顆粒彼此碰撞，去除熔融氧化鋁顆粒的邊緣。
文檔編號C08K3/22GK1930085SQ20058000817
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月15日 優先權日2004年3月15日
發明者宮澤宏和, 富川伸一郎 申請人:昭和電工株式會社