专利名称：膨胀石墨薄片的制作方法
技术领域：
本发明涉及面方向的热传导率比厚度方向大的、具有热各向异性的膨胀石墨薄片。
背景技术：
面方向的热传导率比厚度方向大的、具有热各向异性的膨胀石墨薄片，正作为用于将来自热源的热量移动到其它部位的构件来使用，由于其面方向的热传导率越大，热的移动可以越快，因此，人们正在开发面方向的热传导率大的材料。
作为这样的面方向的热传导率大的材料，已经公开了从前例1的薄片状石墨材料(例如，专利文献1)。
从前例1的薄片状石墨材料，是将聚酰亚胺等高分子薄膜在2400℃以上进行热处理而制造的，结果表明能够将其面方向的热传导率设定为500～800W/(m·K)。
但是，从前例1的薄片状石墨材料，其作为原料的高分子薄膜是价格昂贵的，且热处理所需要的时间较长，故而生产效率也较低。因此，所制造的薄片状石墨材料非常昂贵，因而能够使用该薄片状石墨材料的装置等受到限制。
另外，从前例1的薄片状石墨材料，尽管其面方向的热传导性非常高，但当高分子薄膜的厚度和密度等不均匀时，则形成局部热传导率较低的部位。于是，当作为用于将来自热源的热量移动到其它部位的构件来使用时，热传导率低的部位成为热点(heat point)，有可能对其附近的机器和构件产生不利影响。但是，从前例1并没有记载防止这种热点发生的方法，其中该热点起因于热传导率的不均匀性。
专利文献1日本专利特开2001-79977号
发明内容
本发明鉴于上述的情况，目的在于提供一种膨胀石墨薄片，该膨胀石墨薄片在面方向的热传导率比厚度方向大，热传导率保持均匀，而且能够廉价和高效地进行生产。
第1发明的膨胀石墨薄片的特征在于面方向的热传导率为350W/(m·K)以上。
第2发明的膨胀石墨薄片的特征在于对于第1发明，上述薄片表面的算术平均粗糙度为5μm以下。
第3发明的膨胀石墨薄片的特征在于对于第1或第2发明，在上述薄片中对该薄片的热传导率基于位置不同而产生的偏差进行调整，以便使该薄片的热传导率的最大值与最小值之差除以该薄片的平均热传导率的值为0.1以下。
第4发明的膨胀石墨薄片的特征在于对于第1、第2或第3发明，所述薄片的电磁波屏蔽效率被调整成在电磁波频率处于100～800MHz之间时，为60dBμV/m以上。
第5发明的膨胀石墨薄片的特征在于对于第1、第2、第3或第4发明，将上述薄片所含有的杂质总量调整为10ppm以下。
第6发明的膨胀石墨薄片的特征在于对于第1、第2、第3、第4或第5发明，其体积密度为1.6Mg/m3以上。
根据第1发明，其面方向的热传导率为350W/(m·K)以上，因此，热量向薄片面方向的移动能够加快，能够设计为适于热扩散移动的薄片。特别是仅由膨胀石墨形成薄片时，与其厚度方向的热传导率相比，可以使其面方向的热传导率非常大，因此能够设计为更加适于热扩散移动的薄片。另外，在仅由膨胀石墨形成的情况下，使普通的石墨含浸硫酸等液体，然后将含浸液体的石墨进行加热而形成膨胀石墨，如果将该膨胀石墨例如经压延等而进行加压压缩，便能够形成薄片，因为不需要特别的热处理，所以能够容易地且在短时间内进行薄片的制造。而且通过辊子压延而形成薄片时，能够连续地进行薄片的制造，所以生产效率能够得以提高。并且在仅由膨胀石墨形成的情况下，原材料也比较廉价，所以也能够廉价地制造薄片本身。
根据第2发明，薄片表面的算术平均粗糙度为5μm以下，因此能够减小薄片的热传导率基于位置不同而产生的偏差，从而热量在薄片内移动时，能够防止在薄片上形成热点。
根据第3发明，因为使薄片的热传导率基于位置不同而产生的偏差得以减小，因此热量在薄片内移动时，能够防止在薄片上形成热点。
根据第4发明，不仅能够作为用于使来自热源的热移动到其它部位的构件、而且也能够作为电磁波屏蔽构件加以使用。
根据第5发明，薄片含有的杂质量较少，因此能够防止使用薄片的装置等因杂质而发生退化。
根据第6发明，膨胀石墨之间的结合可以很牢固，因此薄片的强度得以提高，不容易发生破损。
图1是本发明的膨胀石墨薄片1的制造工序的流程图。
图2比较了本发明的膨胀石墨薄片与从前的膨胀石墨薄片的电磁波屏蔽性的实验结果。
图3比较了改变送进速度时的膨胀石墨薄片的表面性状。
符号说明1膨胀石墨薄片11膨胀石墨具体实施方式
本发明的膨胀石墨是加压压缩膨胀石墨而形成的薄片，实质上是仅以膨胀石墨为原料而形成的。
此外，本发明的膨胀石墨薄片在概念上也将于后述原薄片压缩前的膨胀石墨中混合若干(例如5％左右)酚醛树脂或橡胶成分等粘合剂的薄片包括在内，但不混合粘合剂的薄片，因其热传导率和耐热性优良，因而是优选的。
也包括混合有粘合剂的薄片在内，下面就膨胀石墨薄片或膨胀石墨进行说明。
本发明的膨胀石墨薄片将纤维状石墨相互缠绕而成为棉状的膨胀石墨进行加压压缩，从而成形为薄片状。在该膨胀石墨薄片的内部，纤维状石墨处于下述的状态，即轴向沿薄片的面(即垂直于薄片成形时的加压方向的面)进行排列，并且在薄片的厚度方向相互重叠，因此纤维状石墨的轴向即薄片的面方向的热传导率比薄片的厚度方向的热传导率大。而且在本发明的膨胀石墨薄片中，其面方向的热传导率被调整为350W/(m·K)以上。由于本发明的膨胀石墨薄片在其面方向的热传导率远大于薄片厚度方向的热传导率，所以能够设计为适于热的扩散移动的薄片。在此，面方向的热传导率如果小于350W/(m·K)，则与薄片的厚度方向的热传导率之差缩小，热向薄片的面方向的扩散变得不充分，因此本发明的膨胀石墨薄片在面方向的热传导率必须设定为350W/(m·K)以上。特别是将面方向的热传导率设定为380W/(m·K)以上、优选设定为400W/(m·K)以上时，能够进一步增大与薄片厚度方向的热传导率之差，即使在减薄薄片厚度的情况下，也可以使面方向与薄片厚度方向的热传导率之差增大，也能够设计为热向薄片面方向的扩散优良的薄片。
另外，本发明的膨胀石墨薄片的体积密度也较大，具体地说，体积密度为1.6～2.1Mg/m3。
因此，纤维状石墨的相互缠绕程度增强，纤维状石墨彼此之间的结合加强，所以薄片的强度也升高，薄片不容易发生破损。
另外，本发明的膨胀石墨薄片如上述那样，由于其体积密度增大，因此电池波屏蔽性也提高，在采用社团法人关西电子工业振兴中心(KEC)开发的KEC法进行测定的情况下，进行调整使衰减量在电磁波频率处于100～800MHz之间时，为60dBμV/m以上。因此，本发明的膨胀石墨薄片，不仅能够作为用于使来自热源的热移动到其它部位的构件、而且也能够作为电磁波屏蔽构件加以使用。
此外，如果增大膨胀石墨薄片的体积密度而且增加其厚度，则能够使电磁波屏蔽性得以提高；而在电磁波频率处于100～800MHz之间时，如果使电磁波屏蔽性维持在60dBμV/m以上，则厚度可以设定为0.10～3.0mm，体积密度可以设定为1.0～2.1Mg/m3；在电磁波频率处于100～800MHz之间时，如果可以使电磁波屏蔽性维持在40dBμV/m以上，则厚度可以设定为0.10～3.0mm，体积密度可以设定为0.5～2.1Mg/m3。
再者，本发明的膨胀石墨薄片被形成为其表面粗糙度按JIS B0601-2001规定的算术平均粗糙度测量小于5μm，并且进行调整使得薄片基于位置不同而产生的表面粗糙度的偏差减少。于是，薄片基于位置不同而产生的热传导率的偏差得以减少，因此，当热量在薄片内移动时，热量在薄片内几乎以相同的速度移动扩散，所以能够防止在薄片内形成热点。关于薄片基于位置不同而产生的表面粗糙度的偏差，例如当对一枚薄片在多个部位测定热传导率时，所测定的热传导率的最大值与最小值之差除以薄片的平均热传导率的值可以被调整为0.1以下，即热传导率相对于平均热传导率的偏差的最大幅度为平均热传导率的10％以下。
其次，就制造上述膨胀石墨薄片的方法进行说明。
图1是本发明的膨胀石墨薄片1的制造工序的流程图。在该图中，符号11表示成为本发明的膨胀石墨薄片原料的膨胀石墨。
膨胀石墨11是使天然石墨或キヤツシユ石墨等在硫酸或硝酸等液体中浸渍后，于400℃以上进行热处理而形成的由棉状石墨(膨胀石墨)构成的薄片状原料。
该膨胀石墨11的厚度为1.0～30.0mm，体积密度为0.1～0.5Mg/m3，对该膨胀石墨11进行压缩加压成形，直到厚度为0.1～3.0mm、体积密度为0.8～1.0Mg/m3，从而形成原薄片12。
此外，在将厚度为2.0mm、体积密度为0.1Mg/m3的膨胀石墨11压缩成厚度为0.2mm、体积密度为1.0Mg/m3的原薄片12时，可以防止压缩时气泡等的发生，能够制造均质的原薄片12。于是，能够更加切实地防止本发明的膨胀石墨薄片1的热传导率的偏差，因此是优选的。
此外，作为压缩膨胀石墨11的方法，有压力成形法和辊子压延法，但如果采用辊子压延法，则能够提高原薄片12的生产效率，即提高膨胀石墨薄片的生产效率。
然后，利用卤素气体等去除原薄片12中含有的硫和铁等杂质，进行处理使原薄片12中含有的杂质的总量为10ppm以下、特别使硫为1ppm以下，从而形成纯化薄片13。
此外，当纯化薄片13的杂质的总量优选为5ppm以下时，能够更加切实地防止安装本发明的膨胀石墨薄片1的构件和装置的退化。
再者，从原薄片12中去除杂质的方法并不局限于上述的方法，可以根据原薄片12的厚度和体积密度而采用最佳的方法。
采用辊子压延等方法，如果对上述纯化薄片13进一步进行加压压缩，使其厚度为0.05～1.5mm、体积密度为1.6～2.1Mg/m3，则形成本发明的膨胀石墨薄片1。
此外，作为压缩纯化薄片13的方法，有压力成形法和辊子压延法，但如果采用辊子压延法，则能够提高原薄片12的生产效率，即提高膨胀石墨薄片的生产效率。
在制造膨胀石墨薄片的情况下，通常将厚度为1.0～30.0mm、体积密度0.1～0.5Mg/m3的膨胀石墨11压缩至厚度为0.1～3.0mm、体积密度为0.8～1.0Mg/m3而制造原薄片12，但当采用辊子压延法将厚度为0.1～3.0mm、体积密度为0.8～1.0Mg/m3的原薄片12(纯化薄片13)压缩成厚度0.05～1.5mm、体积密度1.6～2.1Mg/m3而制作膨胀石墨薄片时，送进速度设定为低于3m/min。究其原因，这是因为在送进速度为3m/min以上时，所形成的膨胀石墨薄片的表面发生褶皱，且表面精度下降。于是，褶皱部分的热传导率降低，而且表面的散热性也降低，从而不能制造具有所期望性能的膨胀石墨薄片。
本发明者发现使厚度为0.1～3.0mm、体积密度为0.8～1.0Mg/m3的纯化薄片13一边以低于3m/min的送进速度移动，一边压缩成厚度为0.05～1.5mm、体积密度1.6～2.1Mg/m3时，所制造的膨胀石墨薄片1的表面不会形成褶皱，其表面粗糙度得以提高。
也就是说，当使纯化薄片13一边以低于3m/min的送进速度移动、一边进行压缩成形时，则能够制造热传导率均匀的本发明的膨胀石墨薄片1，其厚度为0.05～1.5mm，体积密度为1.6～2.0Mg/m3、且表面粗糙度为5μm以下。此外，尽管送进速度只要低于3m/min即可，但当设定为1～2m/min时，可防止生产效率的降低，并能够形成具有上述性质的膨胀石墨薄片1，因此是更加优选的。
此外，当设计成厚度为0.1～0.5mm、体积密度为1.6Mg/m3以上的膨胀石墨薄片1时，不仅在热传导性、电传导性、电磁波屏蔽性方面能够较高地保持作为本发明的膨胀石墨1的功能，而且能够有效地抑制生产成本和不合格品的发生，因此是优选的。特别地，当将体积密度设定为1.75Mg/m3以上、优选设定为1.81Mg/m3以上时，则能够更进一步提高膨胀石墨薄片1的上述功能，而且也能够使薄片本身的强度提高，因此是优选的。
特别地，设定纯化薄片13的厚度以及体积密度，即将原薄片12的厚度设定为0.2mm、体积密度设定为1.0Mg/m3，并且将该纯化薄片13设计成厚度为0.1mm、体积密度为1.9Mg/m3的膨胀石墨薄片1，此时不仅能够保持热传导性、电传导性、节省空间、以及电磁波屏蔽性，而且制造也容易、并能够抑制生产成本，因此是优选的。
另外，本发明的膨胀石墨薄片1只采用压缩膨胀石墨11的工序、以及使之高纯化的工序便能够制造，因此生产效率非常高，而且也能使成本变得便宜。特别地，加压压缩膨胀石墨的方法虽然有压机成形法和压延法等，但当采用辊子压延进行压缩时，能够更进一步提高膨胀石墨薄片1的生产效率。
再者，本发明的膨胀石墨薄片1的制造工序也可以不使原薄片12高纯度化而直接进行加压压缩。
实施例1这里比较了本发明的膨胀石墨薄片与从前的膨胀石墨薄片在面方向的热传导率和电磁波屏蔽性、以及表面粗糙度。
比较是在厚度为1.0mm的纯化薄片形成成厚度为0.5mm、体积密度为1.9Mg/m3的膨胀石墨薄片的情况下，就送进速度设定为1～2m/min而形成的薄片(本发明的膨胀石墨薄片体积密度为1.9Mg/m3)与送进速度设定为3～10m/min而形成的薄片(从前的膨胀石墨薄片体积密度1.0Mg/m3)在面方向的热传导率和电磁波屏蔽性、以及表面性状进行了比较。
面方向的热传导率是采用如下的方法求出的，即从200×200×0.1mm的本发明的膨胀石墨薄片上切取9枚25×25×0.1mm的试片，然后平均各试片在面方向的热传导率。热传导率的测定是采用激光闪射(Laser Flash)法求出热扩散率，再从测定的热扩散率求出热传导率。
关于电磁波屏蔽性，根据KEC法测定了在0～1000MHz的各频率下的电磁波屏蔽效果。
关于表面粗糙度，对于上述的9枚试片，使用表面粗糙度形状测定仪(SURFCOM 473A株式会社东京精密制造)，在测定力设定为4mN(400gf)以下、测头的顶端为金刚石5μm 90°的圆锥、截断长度(也称取样长度cut-off)设定为0.8mm的条件下，测定了中心线平均粗糙度(JIS B0601-2001，算术平均粗糙度)。
关于9枚试片在面方向的热传导率的平均值，本发明的膨胀石墨薄片为400W/(m·K)，与此相对照，比较例的膨胀石墨薄片为200W/(m·K)，从而可以确认本发明的膨胀石墨薄片在面方向的热传导率较高。
另外，在本发明的膨胀石墨薄片的情况下，9枚试片在面方向的热传导率的最大值与最小值之差为30W/(m·K)，与此相对照，比较例的膨胀石墨薄片约为50W/(m·K)，从而可知本发明的膨胀石墨薄片在面方向的热传导率的均匀性较高。
而且对本发明的膨胀石墨薄片而言，9枚试片的中心线平均粗糙度的平均值为2μm，且其偏差为±1μm，与此相对照，对比较例的膨胀石墨薄片而言，9枚试片的中心线平均粗糙度的平均值为6μm，且其偏差为±2μm，从而可以确认本发明的膨胀石墨薄片的表面性状得以提高而且变得均匀。也就是说，如果表面性状得以提高而且变得均匀，则能够使膨胀石墨薄片在面方向的平均热传导率及其均匀性得以提高。
其次，就电磁波屏蔽性进行比较。如图2所示，在本发明的膨胀石墨薄片的情况下，于100～800MHz的频带下，可以看到60dBμV/m以上的屏蔽效果，与此相对照，比较例的膨胀石墨薄片在100～800MHz的频带下，其屏蔽效果为50dBμV/m左右，从而可以确认本发明的膨胀石墨薄片的电磁波屏蔽性较高。
实施例2在厚度为1.0mm、体积密度为1.0Mg/m3的纯化薄片成形成厚度为0.5mm、体积密度为1.9Mg/m3的膨胀石墨薄片的情况下，使送进速度在1～10m/min之间发生变化，就改变送进速度时的膨胀石墨的表面粗糙度、其表面的褶皱的形成状况、以及热传导率的偏差进行了比较。
此外，关于热传导率的偏差，从200×200×0.1mm的本发明的膨胀石墨薄片上切取9枚25×25×0.1mm的试片，对以各试片在面方向的热传导率的最大值(Max)与最小值(Min)之差除以平均热传导率(Ave.)的值进行了比较。
如图3所示，可以确认当送进速度增加时，薄片表面的中心线平均粗糙度增大，随之热传导率的偏差增大。中心线平均粗糙度以及热传导率的偏差在送进速度从2m/min变为4m/min时，其值约变为2倍。由此可以确认表面粗糙度的变化影响热传导率的偏差。当表面粗糙度急剧恶化时，则热传导率的偏差也增大。而且在送进速度至2m/min之前看不到的表面褶皱，在达到4m/min时却发生，因此可以认为表面的褶皱的发生给热传导率的偏差以很大的影响。
此外，在送进速度为6m/min以上时，尽管中心线平均粗糙度在6μm保持恒定，但热传导率的偏差随送进速度的增加而增大。可以认为其原因包括因快速加压而不能充分进行薄片内的脱气，而且因快速加压而引起内部裂纹的产生。
本发明的膨胀石墨薄片在手机等电子设备中，适用于使热量扩散传导的构件、屏蔽电磁波的薄片、以及热点的均热材料等。
权利要求
1.一种膨胀石墨薄片，其特征在于面方向的热传导率为350W/(m·K)以上。
2.根据权利要求1所述的膨胀石墨薄片，其特征在于所述薄片表面的算术平均粗糙度小于5μm。
3.根据权利要求1或2所述的膨胀石墨薄片，其特征在于在所述薄片中，对该薄片的热传导率基于位置不同而产生的偏差进行调整，以便使该薄片的热传导率的最大值与最小值之差除以该薄片的平均热传导率的值为0.1以下。
4.根据权利要求1、2或3所述的膨胀石墨薄片，其特征在于所述薄片的电磁波屏蔽效率被调整成在电磁波频率处于100～800MHz之间时，为60dBμV/m以上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的膨胀石墨薄片，其特征在于所述薄片含有的杂质总量被调整为10ppm以下。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的膨胀石墨薄片，其特征在于体积密度为1.6Mg/m3以上。
全文摘要
本发明提供一种膨胀石墨薄片，该膨胀石墨薄片在面方向的热传导率比厚度方向大，热传导率保持均匀，而且能够廉价和高效地进行生产。另外，该膨胀石墨薄片是仅由膨胀石墨形成的薄片，薄片在面方向的热传导率被调整为350W/(m·K)以上。由于薄片是仅由膨胀石墨形成的，而且在面方向的热传导率为350W/(m·K)以上，因此其厚度方向的热传导率与其面方向的热传导率之差非常大，从而能够设计为适于热的扩散移动的薄片。另外，容易且在短时间内进行薄片的制造能够提高生产效率，能够廉价地制造薄片。
文档编号C01B31/04GK1926060SQ20058000656
公开日2007年3月7日 申请日期2005年7月11日 优先权日2004年8月27日
发明者广濑芳明 申请人:东洋炭素株式会社