JP2003268249A - 導電性硬化性樹脂組成物、その硬化体およびその製造方法 - Google Patents

導電性硬化性樹脂組成物、その硬化体およびその製造方法

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JP2003268249A JP2002078114A JP2002078114A JP2003268249A JP 2003268249 A JP2003268249 A JP 2003268249A JP 2002078114 A JP2002078114 A JP 2002078114A JP 2002078114 A JP2002078114 A JP 2002078114A JP 2003268249 A JP2003268249 A JP 2003268249A
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匡 飯野
Masayuki Noguchi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】炭素質材料と樹脂の成形加工時における分離が
なく、モールド成形性(圧縮成形、トランスファー成
形、射出成形、射出圧縮成形等)に優れ、高い導電性の
硬化体が得られる導電性硬化性樹脂組成物、さらに、該
組成物をモールド成形して得られる導電性及び放熱性に
優れた低コストな燃料電池用セパレータ等に用いる導電
性硬化体及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】(A)80℃における粘度が0.1〜10
00Pa・s、100℃における粘度が0.01〜10
0Pa・sの硬化性樹脂及び/または硬化性樹脂組成
物、及び(B)炭素質材料を、(A)成分と(B)成分
の質量比で、80〜1:20〜99の割合で含むことを
特徴とする導電性硬化性樹脂組成物、外組成物を成型し
て得られる導電性硬化体、その製造方法および燃料電池
用セパレータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、硬化性樹脂組成物
に関するものであり、さらに詳しくは、導電性、放熱性
に優れ、さらにモールド成形性に優れた導電性硬化性樹
脂組成物及びその硬化体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、高い導電性が必要な用途には金属
や炭素材料などが用いられてきた。特に炭素材料は導電
性以外に金属のような腐食がなく、耐熱性、潤滑性、熱
伝導性、耐久性等にも優れた材料であることから、エレ
クトロニクス、電気化学、エネルギー、輸送機器などの
分野で重要な役割を果たしてきた。そして、炭素材料と
高分子材料の組み合わせによる複合材料においても、目
覚ましい発展を遂げ高性能化、高機能性化の一躍を担っ
た。特に高分子材料との複合化により成形加工性の自由
度が向上したことが、導電性が要求される各分野で炭素
材料が発展してきたひとつの理由である。
【0003】近年、環境問題、エネルギー問題の観点か
ら燃料電池が、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応
で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置と
して注目されているが、ここでも炭素材料と高分子材料
が大きな役割を担うことができる。中でも固体高分子型
燃料電池は、低温で作動するため、自動車や民生用とし
て最も有望である。前記燃料電池は、高分子固体電解
質、ガス拡散電極、触媒、セパレータから構成された単
セルを積層することによって高出力の発電が達成でき
る。
【0004】この単セルを仕切るために、ここで用いら
れるセパレータは、通常、燃料ガスと酸化剤ガスが供給
される溝があり、これらのガスを完全に分離できる高い
気体不透過性が要求され、また、内部抵抗を小さくする
ために高い導電性が要求される。さらには、熱伝導性、
耐久性、強度などに優れていることが要求される。
【0005】これらの要求を達成する目的で、従来、こ
のセパレータは金属と炭素材料の両面から検討されてき
た。金属は耐食性の問題から、表面に貴金属や炭素を被
覆させる試みがされてきたが、十分な耐久性が得られ
ず、さらに被覆にかかるコストが問題になる。
【0006】一方、炭素材料も多く検討が成され、膨張
黒鉛シートをプレス成形して得られた成形品、炭素焼結
体に樹脂を含浸させ硬化させた成形品、熱硬化性樹脂を
焼成して得られるガラス状カーボン、炭素粉末と樹脂を
混合後成形した成形品などが例として上げられる。
【0007】例えば、信頼性と寸法精度の問題から、特
開平8−222241号公報には、炭素質粉末に結合材
を加えて加熱混合後CIP成形し、次いで焼成、黒鉛化
して得られた等方性黒鉛材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化
処理し、溝を切削加工によって彫るという煩雑な工程が
開示されている。また、特開昭60−161144号公
報には、炭素粉末または炭素繊維を含む紙に熱硬化性樹
脂を含浸後、積層圧着し、焼成することが開示されてい
る。
【0008】特開2001−68128号公報には、フ
ェノール樹脂をセパレータ形状の金型に射出成形し、焼
成することが開示されている。これらの例のように焼成
処理された材料は高い導電性を示すが、焼成に要する時
間が長く生産性が乏しい。そして、切削加工が必要な場
合は、さらに量産性が乏しく高コストであるため、将来
普及する材料としては難しい面が多い。
【0009】一方、量産性が高く低コストが期待できる
手段としてモールド成形法が考えられているが、それに
適用可能な材料としては、炭素質材料と樹脂のコンポジ
ットが一般的である。例えば、特開昭58−53167
号公報、特開昭60−37670号公報、特開昭60−
246568号公報、特公昭64−340号公報、特公
平6−22136号公報には、フェノール樹脂等の熱硬
化性樹脂と黒鉛、カーボンからなるセパレータが、特公
昭57−42157号公報には、エポキシ樹脂等の熱硬
化性樹脂とグラファイト等の導電性物質とからなる双極
隔離板が、特開平1−311570号公報には、フェノ
ール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂に膨張黒鉛及び
カーボンブラックを配合してなるセパレータが開示され
ている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、炭素質
材料と樹脂のコンポジットでは、高い導電性を発現させ
るため、炭素質材料の充填量を大幅に増やす必要がある
が、モールド成形性を保持するために樹脂の含有量を多
くすることから、十分に高い導電性を得ることができな
かった。
【0011】また、モールド成形性を高めるため、でき
るだけ粘度の低い硬化性樹脂を用いるが、炭素質材料で
も特に高度に黒鉛化されたものは表面に官能基が存在し
ないため、表面処理を施してもほとんど樹脂との密着性
が上がらず、樹脂と炭素質材料が成形時に分離してしま
い均一な成形品が得られなかった。その分離を抑制する
手段としてPCT/US00/06999号公報で増粘
剤により樹脂の粘度を増粘する方法が開示されている
が、さらに高い導電性と良好なモールド成形性を両立さ
せるためには増粘剤を添加するだけでは十分でなかっ
た。
【0012】さらに、高い導電性を得るために成形体を
1000〜3000℃の高温で長時間加熱を行う焼成の
工程を含むと、製造に要する時間が長くなるとともに、
製造工程が煩雑となってコストが上昇してしまうという
問題もあった。
【0013】本発明は、かかる状況に鑑みてなされたも
のであり、炭素質材料と樹脂の成形加工時における分離
がなく、モールド成形性(圧縮成形、トランスファー成
形、射出成形、射出圧縮成形等)に優れ、高い導電性の
硬化体が得られる導電性硬化性樹脂組成物を提供するも
のである。さらに、該組成物をモールド成形して得られ
る、導電性及び放熱性に優れた低コストな燃料電池用セ
パレータ及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意研究の結果、ある特定の粘度特性を有す
る硬化性樹脂及び/または硬化性樹脂組成物を用いるこ
とによって、モールド成形性に優れ、その硬化体が優れ
た導電性を有し、かつ放熱性に優れた導電性硬化性樹脂
組成物の開発するに至った。
【0015】また、ホウ素を含有する特定の炭素材料と
該硬化性樹脂組成物との組合せにより、さらに高導電性
を有し、燃料電池用セパレータ、コンデンサー用もしく
は各種電池用集電体、電磁波遮蔽材、電極、放熱板、放
熱部品、エレクトロニクス部品、半導体部品、軸受、P
TC素子、またはブラシ等に応用できる導電性硬化体及
びその製造方法を見出し、本発明を完成するに至った。
【0016】すなわち、本発明は以下の事項に関する。 [1](A)80℃における粘度が0.1〜1000P
a・s、100℃における粘度が0.01〜100Pa
・sの硬化性樹脂及び/または硬化性樹脂組成物、及び
(B)炭素質材料を、(A)成分と(B)成分の質量比
で、80〜1:20〜99の割合で含むことを特徴とす
る導電性硬化性樹脂組成物。 [2](A)成分の40〜200℃の範囲における硬化
曲線の最低粘度が、昇温速度20℃/分の条件で0.0
1〜100Pa・sであることを特徴とする上記[1]
に記載の導電性硬化性樹脂組成物。
【0017】[3](B)成分が、天然黒鉛、人造黒
鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭
素繊維及びカーボンナノチューブからなる群より選ばれ
た1種以上であることを特徴とする上記[1]または
[2]に記載の導電性硬化性樹脂組成物。 [4](B)成分が、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法炭素
繊維またはカーボンナノチューブであることを特徴とす
る上記[3]に記載の導電性硬化性樹脂組成物。
【0018】[5](B)成分の炭素質材料の嵩密度が
1g/cm3となるように加圧した状態において、加圧
方向に対して直角方向の(B)成分の粉末電気比抵抗が
0.1Ωcm以下であることを特徴とする上記[1]な
いし[4]のいずれかに記載の導電性硬化性樹脂組成
物。 [6](B)成分の炭素質材料が0.05質量%〜10
質量%のホウ素を含有することを特徴とする上記[1]
ないし[5]のいずれかに記載の導電性硬化性樹脂組成
物。
【0019】[7]上記[1]ないし[6]のいずれか
に記載の導電性硬化性樹脂組成物を、圧縮成形、トラン
スファー成形、射出成形または射出圧縮成形のいずれか
の方法で成形してなる導電性硬化体。 [8]体積固有抵抗が2×10-2Ωcm以下であること
を特徴とする上記[7]に記載の導電性硬化体。
【0020】[9]接触抵抗が2×10-2Ωcm2以下
であることを特徴とする上記[7]または[8]に記載
の導電性硬化体。 [10]熱伝導率が1.0W/m・K以上であることを
特徴とする上記[7]ないし[9]のいずれかに記載の
導電性硬化体。 [11]0.1ppm以上のホウ素を含有することを特
徴とする上記[7]ないし[10]のいずれかに記載の
導電性硬化体。
【0021】[12]上記[1]ないし[11]のいず
れかに記載の導電性硬化性樹脂組成物を圧縮成形、トラ
ンスファー成形、射出成形または射出圧縮成形のいずれ
かの方法によって成形してなることを特徴とする導電性
硬化体の製造方法。 [13]導電性硬化性樹脂組成物が、粉砕品、ペレット
またはシート状であることを特徴とする上記[12]に
記載の導電性硬化体の製造方法。 [14]金型内または金型全体を真空状態で成形するこ
とを特徴とする上記[12]または[13]に記載の導
電性硬化体の製造方法。
【0022】[15]射出圧縮成形が、1)金型を開い
た状態で射出して閉じる方法、2)金型を閉じながら射
出する方法、3)閉じた金型の型締め力をゼロにして射
出してから型締め力をかける方法のいずれかである上記
[12]ないし[14]のいずれかに記載の導電性硬化
体の製造方法。 [16]シートが、押出成形、ロール成形、カレンダー
成形、圧縮成形等のいずれかの方法で成形したものであ
り、厚さが0.5〜5mm、幅が20〜1000mmで
あることを特徴とする上記[13]に記載の導電性硬化
体の製造方法。
【0023】[17]上記[1]ないし[11]のいず
れかに記載の導電性硬化体からなる燃料電池用セパレー
タ、コンデンサー用もしくは各種電池用集電体、電磁波
遮蔽材、電極、放熱板、放熱部品、エレクトロニクス部
品、半導体部品、軸受、PTC素子、またはブラシ。 [18]上記[12]ないし[16]のいずれかに記載
の製造方法により製造されてなる燃料電池用セパレー
タ。 [19]4つ以上の貫通孔をもち、セパレータの両面に
幅0.2〜2mm、深さ0.2〜1.5mmの溝があ
り、最薄部の厚さが1mm以下、比重が1.7以上、通
気率が1×10-6cm2/sec以下であることを特徴
とする上記[18]に記載の燃料電池用セパレータ。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明における(A)成分の硬化性樹脂及び/または硬
化性樹脂組成物は、80℃における粘度が0.1〜10
00Pa・s、及び100℃における粘度が0.01〜
100Pa・sであることが好ましい。より好ましく
は、80℃における粘度が1〜500Pa・s、及び1
00℃における粘度が0.01〜50Pa・sであり、
さらに好ましくは80℃における粘度が1〜100Pa
・s、及び100℃における粘度が0.1〜10Pa・
sである。
【0025】80℃における粘度が0.1Pa・s以
下、及び/または、100℃における粘度が0.01P
a・s以下では、樹脂と炭素系フィラーが成形加工時に
分離してしまい成形不良が起こりやすくなるため好まし
くない。また、80℃における粘度が1000Pa・s
以上、及び/または100℃における粘度が100Pa
・s以上では、粘度が高いため流動性が悪く、薄肉の製
品は特に成形し難くなり、所望の硬化体が得られない。
【0026】さらに、本発明においては(A)成分の4
0〜200℃の範囲における硬化曲線の最低粘度が、昇
温速度20℃/分の条件下、0.01〜100Pa・s
であることが好ましい。より好ましくは、0.01〜5
0Pa・sであり、さらに好ましくは、0.1〜10P
a・sである。40〜200℃の範囲における硬化曲線
の最低粘度が、昇温速度20℃/分の条件下において
0.01Pa・s以下では、粘度が低すぎるため樹脂と
炭素系フィラーが成形時に分離してしまいモールド成形
するには充分でなく、また、100Pa・s以上では、
粘度が高すぎるため流動性が悪く充分な成形条件とはい
えない。
【0027】本発明の(A)成分の粘度及び硬化特性
は、フィジカ社製レオメーターMCR300を用いて測
定した。具体的には、粘度測定はコーンプレート(CP
25)を用いて、ギャップ0.5mm、歪み速度1(1
/S)、測定温度80℃及び100℃の条件で静的粘弾
性測定を行ったものである。
【0028】一方、硬化特性は、パラレルプレート(P
P25)を用いて、ギャップ1mm、振幅20%、周波
数10Hz、測定温度範囲40〜200℃、昇温速度2
0℃/分の条件で動的粘弾性測定を行って、硬化曲線の
最低粘度を測定したものである。
【0029】本発明において用いる(A)成分の硬化性
樹脂としては、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹
脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アルキド樹
脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、グア
ナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アリルエステル
樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、ユリア
樹脂等が挙げられる。
【0030】これらの中でも、フェノール樹脂、不飽和
ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂
及びアリルエステル樹脂から選ばれた少なくとも1種の
硬化性樹脂であることが好ましい。さらに、耐熱性、耐
酸性などが要求される分野においては、同素環、複素環
のような環式の構造を分子骨格にもつ樹脂が好ましい。
【0031】分子骨格に環式構造をもつ樹脂として、例
えば、ビスフェノール系の不飽和ポリエステルやビニル
エステル樹脂、ノボラック型ビニルエステル樹脂、アリ
ルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などを含む場
合には、得られる導電性硬化体の耐熱性、耐薬品性、耐
熱水性を向上することができるという点で好ましい。長
期の耐熱水性が要求される用途には、フッ素を含む分子
構造を持つ硬化性樹脂が最も好ましい。
【0032】また、(A)成分の硬化性樹脂組成物に
は、上記に記載した硬化性樹脂の他に、さらに反応性モ
ノマー、滑剤、増粘剤、架橋剤、架橋助剤、硬化開始
剤、硬化促進剤、硬化遅延剤、可塑剤、低収縮剤、チク
ソ剤、界面活性剤、溶剤等から選ばれる少なくとも1種
以上を含んでいてもよい。
【0033】本発明における(B)成分の炭素質材料と
しては、炭化されたものであれば特に限定はないが、例
えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラッ
ク、炭素繊維、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ
からなる群より選ばれた少なくとも1種以上を用いる。
特に好ましくは、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法炭素繊
維、カーボンナノチューブが用いられる。
【0034】本発明において用いられる(B)成分の炭
素質材料は、嵩密度を1g/cm3としたときの加圧方
向に対して、直角方向の粉末電気比抵抗ができるだけ低
いことが望ましく、好ましくは0.1Ωcm以下、より
好ましくは0.07Ωcm以下である。(B)成分の炭
素質材料の電気比抵抗が0.1Ωcmを超えると、硬化
して得られる硬化体の導電性が低くなり、所望の硬化体
が得られない傾向がある。
【0035】本発明において用いる(B)成分の炭素質
材料の一例として、黒鉛粉末を用いた場合の電気比抵抗
の測定法を図1に示す。図1において1、1’は銅板か
らなる電極、2は樹脂からなる圧縮ロッド、3は受け
台、4は側枠で、いずれも樹脂からなる。5は試料の黒
鉛粉末である。6は試料の下端で、紙面に垂直方向の中
央部に設けられている電圧測定端子である。
【0036】この図1に示す四端子法を用いて、以下の
ようにして試料の電気比抵抗を測定する。試料を圧縮ロ
ッド2により圧縮する。電極1より電極1’へ電流
(I)を流す。端子6により端子間の電圧(V)を測定
する。このとき電圧は試料を圧縮ロッドにより嵩密度
1.5g/cm3としたときの値を用いる。
【0037】試料の電気抵抗(端子間)をR(Ω)とす
るとR=V/Iとなる。これからρ=R・S/Lにより
電気比抵抗を求めることができる〔ρ:電気比抵抗、S
=試料の通電方向、即ち加圧方向に対し、直角方向の断
面積(cm2)、Lは端子6間の距離(cm)であ
る。〕。実際の測定においては、試料は直角方向の断面
は横が約1cm、縦(高さ)が0.5cm〜1cm、通
電方向の長さ4cm、端子間の距離(L)は1cmであ
る。
【0038】次に本発明において用いる(B)成分の炭
素質材料の一例として、人造黒鉛を用いた場合について
説明する。人造黒鉛を得るためには、通常は先ずコーク
スを製造する。コークスの原料には石油系ピッチ、石炭
系のピッチなどが、これらの原料を炭化してコークスと
する。コークスから黒鉛化粉末を得るためには一般的に
コークスを粉砕後黒鉛化処理する方法、コークス自体を
黒鉛化した後粉砕する方法、あるいはコークスにバイン
ダーを加え成形、焼成した焼成品(以下コークス及びこ
の焼成品を合わせて「コークス等」という。)を黒鉛化
処理後粉砕して粉末とする方法等が挙げられる。原料の
コークス等はできるだけ、結晶の発達していないものが
よく、好ましくは2000℃以下、より好ましくは12
00℃以下で加熱処理したものが適当である。
【0039】コークス及び天然黒鉛等の(B)炭素質材
料の粉砕には、高速回転粉砕機(ハンマーミル、ピンミ
ル、ケージミル)や各種ボールミル(転動ミル、振動ミ
ル、遊星ミル)、撹拌ミル(ビーズミル、アトライタ
ー、流通管型ミル、アニュラーミル)等が使用できる。
また、微粉砕機のスクリーンミル、ターボミル、スーパ
ーミクロンミル、ジェットミルでも条件を選定すること
によって使用可能である。これらの粉砕機を用いてコー
クス及び天然黒鉛等の(B)炭素質材料を粉砕し、その
際の粉砕条件の選定、及び必要により粉末を分級し、平
均粒径や粒度分布をコントロールすることができる。
【0040】コークス及び天然黒鉛等の(B)炭素質材
料粉末を分級する方法としては、分離が可能であれば何
れの方法でもよいが、例えば、箭分方や強制渦流型遠心
分級機(ミクロンセパレーター、ターボプレックス、タ
ーボクラシファイアー、スーパーセパレーター)、慣性
分級機(改良型バーチュウアルインパクター、エルボジ
ェット)等の気流分級機を使用することができる。また
湿式の沈降分離法や遠心分級法等も使用できる。
【0041】さらに本発明において、高導電性の天然黒
鉛粉末及び人造黒鉛粉末等を得るために、黒鉛化処理前
の粉末にホウ素源としてB単体、H3BO3、B23、B
4C、BN等を添加し、よく混合して黒鉛化する。ホウ
素化合物の混合が不均一だと、黒鉛粉末が不均一になる
だけでなく、黒鉛化時に焼結する可能性が高くなる。ホ
ウ素化合物を均一に混合させるために、これらのホウ素
源は50μm以下、好ましくは20μm以下程度の粒径
を有する粉末にして混合することが好ましい。
【0042】また、ホウ素源を含む粉末の黒鉛化温度は
高い方が好ましいが、装置等の制約があるので、250
0〜3200℃の範囲が好ましい。黒鉛化方法は、特に
限定はないが、粉末を黒鉛ルツボに入れ直接通電するア
チソン炉を用いる方法、黒鉛発熱体により粉末を加熱す
る方法等を用いることができる。
【0043】本発明において(B)炭素質材料として用
いられる膨張黒鉛粉末は、例えば、天然黒鉛、熱分解黒
鉛等の高度に結晶構造が発達した黒鉛を、濃硫酸と硝酸
との混液、濃硫酸と過酸化水素水との混液の強酸化性の
溶液に浸漬処理して黒鉛層間化合物を生成させ、水洗し
てから急速加熱して、黒鉛結晶のC軸方向を膨張処理す
ることによって得られた粉末や、それを一度シート状に
圧延したものを粉砕した粉末である。
【0044】さらに(B)炭素質材料として用いられる
炭素繊維としては、重質油、副生油、コールタール等か
ら作られるピッチ系と、ポリアクリロニトリルから作ら
れるPAN系が挙げられる。
【0045】(B)炭素質材料として用いられる気相法
炭素繊維とは、例えばベンゼン、トルエン、天然ガス等
の有機化合物を原料に、フェロセン等の遷移金属触媒の
存在下で、水素ガスとともに800〜1300℃で熱分
解反応させることによって得られる。さらに、その後約
2500〜3200℃で黒鉛化処理したものが好まし
い。より好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウ
ム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに約2
500〜3200℃で黒鉛化処理したものである。
【0046】本発明において用いられる気相法炭素繊維
としては、繊維径が0.05〜10μm、繊維長が1〜
500μmの気相法炭素繊維を用いることが好ましい。
より好ましい繊維径としては、0.1〜5μmであり、
さらに好ましくは0.1〜0.5μmである。繊維長
は、より好ましくは5〜100μmであり、さらに好ま
しくは10〜20μmである。
【0047】(B)炭素質材料として用いられるカーボ
ンナノチューブとは、近年その機械的強度のみでなく、
電界放出機能や、水素吸蔵機能が産業上注目され、さら
に磁気機能にも目が向けられ始めている。この種のカー
ボンナノチューブは、グラファイトウィスカー、フィラ
メンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素
チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カ
ーボンマイクロチューブ、カーボンナノファイバーなど
とも呼ばれている。
【0048】カーボンナノチューブにはチューブを形成
するグラファイト膜が一層である単層カーボンナノチュ
ーブと、多層である多層カーボンナノチューブがある。
本発明では、どちらも使用可能であるが、好ましくは単
層カーボンナノチューブを用いた方が、より高い導電性
や機械的強度の硬化体が得られる。
【0049】カーボンナノチューブは、例えば、コロナ
社出版「カーボンナノチューブの基礎」(P23〜P5
7、1998年発行)に記載のアーク放電法、レーザ蒸
発法及び熱分解法などにより作製し、さらに純度を高め
るために水熱法、遠心分離法、限外ろ過法及び酸化法等
により精製することによって得られる。
【0050】より好ましくは、不純物を取り除くために
約2500〜3200℃の不活性ガス雰囲気中で高温処
理する。さらに好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリ
リウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒ととも
に、不活性ガス雰囲気中、約2500〜3200℃で高
温処理するのがよい。
【0051】本発明においては、繊維径が0.5〜10
0nm、繊維長が0.01〜10μmのカーボンナノチ
ューブを用いることが好ましく、より好ましい繊維径
は、1〜10nm、さらに好ましくは1〜5nmであ
り、より好ましい繊維長は0.05〜5μmであり、さ
らに好ましくは0.1〜3μmである。
【0052】本発明において用いる気相法炭素繊維とカ
ーボンナノチューブの繊維径、及び繊維長は電子顕微鏡
により測定することができる。
【0053】本発明において用いるカーボンブラックと
しては、天然ガス等の不完全燃焼、アセチレンの熱分解
により得られるケッチェンブラック、アセチレンブラッ
ク、炭化水素油や天然ガスの不完全燃焼により得られる
ファーネスカーボン、天然ガスの熱分解により得られる
サーマルカーボン等が挙げられる。
【0054】また、本発明の(B)成分の炭素質材料に
含まれるホウ素は、炭素材料中に0.05質量%〜10
質量%含まれることが好ましい。ホウ素量が0.05質
量%未満では、目的とする高導電性の黒鉛粉末が得られ
ないことがある。ホウ素量が10質量%を超えて含まれ
ていても、炭素材料の導電性向上の改善効果は小さい。
【0055】(B)成分の炭素質材料にホウ素を含有さ
せる方法としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張
黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭素繊維、
カーボンナノチューブ等の単品、あるいはそれらの1種
以上の混合物にホウ素源として、B単体、B4C、B
N、B23、H3B03等を添加し、よく混合して約25
00〜3200℃で黒鉛化処理することによって含有さ
せることができる。
【0056】ホウ素化合物の混合が不均一だと、黒鉛粉
末が不均一になるだけでなく、黒鉛化時に焼結する可能
性が高くなる。均一に混合させるために、これらのホウ
素源は50μm以下、好ましくは20μm以下程度の粒
径を有する粉末にしてコークス等の粉末に混合すること
が好ましい。
【0057】(B)成分の炭素質材料にホウ素を添加し
ない場合、黒鉛化すると黒鉛化度(結晶化度)が下が
り、格子間隔が大きくなり、高導電性の黒鉛粉末が得ら
れない。また、ホウ素の含有の形態は黒鉛中にホウ素及
び/またはホウ素化合物が混合されてさえいれば構わな
いが、黒鉛結晶の層間に存在するもの、黒鉛結晶を形成
する炭素原子の一部がホウ素原子に置換されたものも、
より好適なものとして挙げられる。また、炭素原子の一
部がホウ素原子に置換された場合のホウ素原子と炭素原
子の結合は、共有結合、イオン結合等どのような結合様
式であっても構わない。
【0058】本発明の(A)成分の硬化性樹脂及び/ま
たは硬化性樹脂組成物と(B)成分の炭素質材料は、質
量比で、80〜1:20〜99の割合である。(A)成
分の添加量が80質量%を超え、(B)炭素材料が20
質量%未満になると、硬化体の導電性が低くなるため好
ましくない。
【0059】さらに本発明の導電性硬化性樹脂組成物に
は、硬度、強度、導電性、成形性、耐久性、耐候性、耐
水性等を改良する目的で、さらにガラスファイバー、有
機繊維、紫外線安定剤、酸化防止剤、消泡剤、レベリン
グ剤、離型剤、滑剤、撥水剤、増粘剤、低収縮剤、親水
性付与剤等の添加剤を添加することができる。
【0060】本発明の導電性硬化性樹脂組成物を得るに
は、上記各成分をロール、押出機、ニーダー、バンバリ
ーミキサー、ヘンシェルミキサー、プラネタリーミキサ
ー等の樹脂分野で一般的に用いられている混合機、混練
機を使用し、硬化が開始しない温度で一定に保ちなが
ら、なるべく均一に混合させるのが好ましい。また、有
機過酸化物を添加する場合は、その他の全ての成分を均
一に混合してから、最後に有機過酸化物を加えて混合す
るのがよい。
【0061】本発明の導電性硬化性組成物は、混練また
は混合した後、モールド成形機や金型への材料供給を容
易にする目的で、粉砕あるいは造粒することができる。
【0062】導電性硬化性組成物の粉砕には、ホモジナ
イザー、ウィレー粉砕機、高速回転粉砕機(ハンマーミ
ル、ピンミル、ケージミル、ブレンダー)等が使用で
き、材料同士の凝集を防ぐため冷却しながら粉砕するこ
とが好ましい。造粒には、押出機、ルーダー、コニーダ
ー等を用いてペレット化する方法、あるいはパン型造粒
機等を使用する。
【0063】本発明の導電性硬化性組成物をモールド成
形する方法としては、圧縮成形、トランスファー成形、
射出成形または射出圧縮成形等を使用する。好ましく
は、各種成形加工時に金型内あるいは金型全体を真空状
態にして成形する。
【0064】圧縮成形において成形サイクルを上げるに
は、多数個取り金型を用いることが好ましい。さらに好
ましくは、多段プレス(積層プレス)方法を用いると小
さな出力で多数の製品を成形することができる。平面状
の製品で面精度を向上させるためには、一度未硬化のシ
ートを成形してから圧縮成形することが好ましい。
【0065】射出成形においては、さらに成形性を向上
させる目的で、炭酸ガスを成形機シリンダーの途中から
注入し、材料中に溶かし込んで超臨界状態で成形するこ
とができる。製品の面精度を上げるには、射出圧縮方法
を用いることが好ましい。
【0066】射出圧縮法としては、1)金型を閉じた状
態で型締め力0の状態で射出する方法、2)金型を所定
の位置まで開いた状態で材料を射出した後に金型を閉め
る方法または3)金型を開けた状態で射出しながら閉じ
る方法等を用いることができる。
【0067】金型温度は組成物の種類に応じて最適温度
を選定、探索することが重要である。材料の種類により
適宜選定されるが、例えば120〜200℃の温度範囲
において、30秒間〜1200秒間という範囲で決定す
ることができる。特に、ラジカル反応性の硬化性樹脂、
エポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いた場合には、1
50〜180℃の範囲で30〜120秒間が好ましい。
また、硬化後、150〜200℃の温度範囲で10分間
〜600分間アフターキュアーを施すことによって完全
な硬化を実施し得る。アフターキュアーは5MPa以上
に加圧して行うことによって製品の反りを抑制すること
ができる。
【0068】本発明の導電性硬化体としては、以下に述
べる特性を有するものが好ましい。すなわち、体積固有
抵抗は2×10-2Ωcm以下が好ましく、より好ましく
は8×10-3Ωcm以下であり、特に燃料電池用セパレ
ータ、コンデンサー用もしくは各種電池用集電体、電磁
波遮蔽材、電極、放熱板、放熱部品、エレクトロニクス
部品、半導体部品、軸受、PTC素子、またはブラシ等
の用途には5×10-3Ωcm以下が好適に用いられる。
【0069】接触抵抗は2×10-2Ωcm2以下が好ま
しく、より好ましくは1×10-2Ωcm2以下であり、
とりわけ7×10-3Ωcm2以下が好適である。熱伝導
率は1.0W/m・K以上が好ましく、より好ましくは
4.0W/m・K以上であり、とりわけ10W/m・K
以上が好適である。
【0070】また、本発明の導電性硬化体は、0.1p
pm以上のホウ素を含有することが好ましい。より好ま
しくは0.5ppm以上であり、さらに好ましくは1p
pm以上である。ホウ素の含有量が0.1ppm未満で
は、高い導電性が得られない傾向がある。
【0071】本発明の燃料電池用セパレータの比重測定
法は、JIS K7112のA法(水中置換法)に準じ
て測定する。また、通気率測定法は、JIS K712
6A法に準拠し、23℃でヘリウムガスを用いて測定す
る。
【0072】また、本発明の導電性硬化性樹脂組成物
は、モールド成形が容易なため燃料電池用セパレータの
ように厚み精度を要求される分野の複合材料として最適
である。さらに、その硬化体は、黒鉛の導電性や熱伝導
性を限りなく再現でき、耐熱性、耐食性、成形精度等に
優れる点で極めて高性能なものが得られる。
【0073】従って、エレクトロニクス分野、電機、機
械、車輌などの各種部品等の各用途に有用であり、特
に、コンデンサー用もしくは各種電池用集電体、電磁波
遮蔽材、電極、放熱板、放熱部品、エレクトロニクス部
品、半導体部品、軸受、PTC素子、ブラシまたは燃料
電池用セパレータ等に好適な材料として挙げられる。
【0074】
【実施例】以下に本発明を実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるも
のではない。用いた材料を表1に示す。
【0075】
【表1】
【0076】硬化性樹脂及び/または硬化性樹脂組成物
の粘度測定、及び硬化特性測定にはフィジカ社製レオメ
ーターMCR300を用いて測定した。粘度測定は、コ
ーンプレート(CP25)を用いて、ギャップ0.5m
m、歪み速度1(1/s)、測定温度80℃及び100
℃の条件で静的測定を行った。硬化特性は、パラレルプ
レート(PP25)を用いて、ギャップ1mm、振幅2
0%、周波数10Hz、測定温度40〜200℃、昇温
速度20℃/分の条件で動的粘弾性測定を行って、硬化
曲線の最低粘度を測定した。
【0077】(B)成分(炭素質材料) B1:非針状コークス(然か焼品)である新日鉄化学
(株)製LPC−Sコークスをパルベライザー〔ホソカ
ワミクロン(株)製〕で2mm〜3mm以下の大きさに
粗粉砕した。この粗粉砕品をジェットミル(IDS2U
R、日本ニューマチック(株)製)で微粉砕した。その
後、分級により所望の粒径に調整した。5μm以下の粒
子除去は、ターボクラシファイアー(TC15N、日清
エンジニアリング(株)製)を用い、気流分級を行っ
た。
【0078】この調整した微粉砕品の一部14.4kg
に炭化ホウ素(B4C)0.6kgを加え、ヘンシェル
ミキサーにて800rpmで5分間混合した。これを内
径40cm、容積40リットルの蓋付き黒鉛ルツボに封
入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れてアルゴン
ガス雰囲気下2900℃の温度で黒鉛化した。これを放
冷後、粉末を取り出し、14kgの粉末を得た。得られ
た黒鉛微粉は平均粒径20.5μm、B含有量1.3w
t%であった。
【0079】B2:非針状コークス(然か焼品)である
新日鉄化学(株)製LPC−Sコークス(以下「コーク
スA」という。)をパルベライザー〔ホソカワミクロン
(株)製〕で2mm〜3mm以下の大きさに粗粉砕し
た。この粗粉砕品をジェットミル(IDS2UR、日本
ニューマチック(株)製)で微粉砕した。その後、分級
により所望の粒径に調整した。5μm以下の粒子除去
は、ターボクラシファイアー(TC15N、日清エンジ
ニアリング(株)製)を用い、気流分級を行った。
【0080】この調整した微粉砕品の一部14.2kg
と気相法炭素繊維(昭和電工株式会社製VGCF−G
(「VGCF」は昭和電工株式会社登録商標である。)
繊維径0.1〜0.3μm、繊維長10〜50μm)0.
2kg及び炭化ホウ素(B4C)0.6kgをヘンシェ
ルミキサーにて800rpmで5分間混合した。これを
内径40cm、容積40リットルの蓋付き黒鉛ルツボに
封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れてアルゴ
ンガス雰囲気下2900℃の温度で黒鉛化した。これを
放冷後、粉末を取り出し、14.1kgの粉末を得た。
得られた黒鉛微粉は平均粒径19.5μm、B含有量1
wt%であった。
【0081】B3:昭和電工株式会社製人造黒鉛(UF
G30)(「UFG」は昭和電工株式会社登録商標であ
る。)14.85kgと炭化ホウ素(B4C)0.15
kgをヘンシェルミキサーにて800rpmで5分間混
合した。これを内径40cm、容積40リットルの蓋付
き黒鉛ルツボに封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉
に入れてアルゴンガス雰囲気下2900℃の温度で黒鉛
化した。これを放冷後、粉末を取り出し、14.4kg
の粉末を得た。得られた黒鉛微粉は平均粒径12.1μ
m、B含有量0.2wt%であった。
【0082】B4:日本黒鉛工業製天然黒鉛(LB−C
G)14.85kgと炭化ホウ素(B4C)0.15k
gをヘンシェルミキサーにて800rpmで5分間混合
した。これを内径40cm、容積40リットルの蓋付き
黒鉛ルツボに封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に
入れてアルゴンガス雰囲気下2900℃の温度で黒鉛化
した。これを放冷後、粉末を取り出し、13.9kgの
粉末を得た。得られた黒鉛微粉は平均粒径20.6μ
m、B含有量0.1wt%であった。
【0083】B5:コークスAをパルベライザーで2m
m〜3mm以下の大きさに粗粉砕した。この粗粉砕品を
ジェットミルで微粉砕した。その後、分級により所望の
粒径に調整した。5μm以下の粒子除去は、ターボクラ
シファイアーを用い、気流分級を行った。これを内径4
0cm、容積40リットルの蓋付き黒鉛ルツボに封入
し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れて2900℃
の温度で黒鉛化した。これを放冷後、粉末を取り出し黒
鉛微粉を得た。得られた黒鉛微粉は平均粒径20.5μ
m、B含有量0wt%であった。
【0084】硬化体の物性の測定方法を以下に示す。体
積固有抵抗は、JIS K7194に準拠し、四探針法
により測定した。接触抵抗値は、図3に示した装置によ
り試験片11(20mm×20mm×2mm)とカーボ
ンペーパー12(株式会社東レ製TGP−H−60)
(20mm×20mm×0.1mm)を接触させ、それ
を銅板13ではさみ、1.96MPaの面圧を加える。
そして、1Aの定電流を貫通方向に流して、試験片11
とカーボンペーパー12の界面に端子14を接触させて
電圧を測定することによって抵抗値を計算した。その値
に、接触している断面積を積算して接触抵抗値とした。
【0085】曲げ強度及び曲げ弾性率は、JIS K6
911に準拠し、試験片(80mm×10mm×4m
m)をスパン間隔64mm、曲げ速度2mm/minの
条件で3点式曲げ強度測定法により測定した。サンプル
サイズは100×10×1.5mmで行った。
【0086】実施例1〜7及び比較例1〜2は加圧式ニ
ーダー(1L)を用いて、温度70℃、回転数40rp
mの条件で、5分間混練した。組成物は80wt%充填
されるように調整した。混練後、その混練物を100×
100×1.5mmの平板ができる金型に投入し、50
t圧縮成形機を用いて、金型温度170℃、30MPa
の加圧下で5分間硬化して硬化体を得た。
【0087】さらに、実施例1〜3、比較例1〜2につ
いては120×100×1.5mmサイズで1mmピッ
チ、ミゾ深さ0.5mmの蛇行状溝が両面にあるセパレ
ータ形状の平板を金型温度160℃、75t射出成形機
により射出成形テストを行った。表2に、熱硬化性樹脂
組成物の粘度差による成形性の違いを示す。
【0088】
【表2】
【0089】炭素質材料と熱硬化性樹脂組成物が分離し
てしまう低い粘度では、成形加工の際、樹脂だけが流れ
てフィラーが残るため、射出成形はできなかった。ま
た、粘度が高すぎる場合、流動性が悪く硬化速度が速い
ため射出成形できなかった。表3にホウ素が含まれる炭
素質材料を用いることで高い導電性の硬化物が得られる
ことを示す。
【0090】
【表3】
【0091】
【発明の効果】本発明の導電性硬化性樹脂組成物は、そ
の硬化体が導電性、放熱性に優れるので、従来実現が困
難であった領域の材料、例えば、エレクトロニクス分
野、電気製品、機械部品、車輌部品などの各種用途・部
品に広く適用可能であり、特にコンデンサー用もしくは
各種電池用集電体、電磁波遮蔽材、電極、放熱板、放熱
部品、エレクトロニクス部品、半導体部品、軸受、PT
C素子、ブラシまたは固体高分子型燃料電池等の燃料電
池のセパレータ用素材として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】黒鉛粉末の電気比抵抗の測定方法を表す図であ
る。
【図2】黒鉛粉末の電気比抵抗の計算方法を説明する図
である。
【図3】硬化体の接触抵抗の測定方法を表す図である。
【符号の説明】
1 電極(+) 1’電極(−) 2 圧縮ロッド 3 受け台 4 側枠 5 試料 6 電圧測定端子 11 試験片 12 炭素板 13 銅板 14 端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01B 13/00 501 H01B 13/00 501P H01M 4/66 H01M 4/66 A 8/02 8/02 B // H01M 8/10 8/10 (72)発明者 野口 雅之 神奈川県川崎市川崎区千鳥町3番2号 昭 和電工株式会社研究開発センター(川崎) 千鳥グループ内 Fターム(参考) 4F071 AA42 AA48 AA49 AA88 AB03 AB06 AE15 AF17 AF20 AF36 AF37 AF39 AF44 BA01 BB03 BC03 4J002 AA021 BF051 BG001 CC031 CC121 CC161 CC181 CC191 CD001 CF011 CF211 CK021 CM041 DA016 DA026 DA036 DA117 DK007 FA046 FD116 GM00 GM05 GQ00 5G301 DA18 DA19 DA20 DA42 DA51 DA53 DA55 DA57 DA59 DD06 DD10 5H017 AA10 BB03 BB06 BB17 CC01 EE06 EE07 EE09 HH00 HH01 HH03 HH06 HH08 HH10 5H026 AA06 BB02 CC03 EE01 EE05 EE18 HH00 HH03 HH05 HH06

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(A)80℃における粘度が0.1〜10
    00Pa・s、100℃における粘度が0.01〜10
    0Pa・sの硬化性樹脂及び/または硬化性樹脂組成
    物、及び(B)炭素質材料を、(A)成分と(B)成分
    の質量比で、80〜1:20〜99の割合で含むことを
    特徴とする導電性硬化性樹脂組成物。
  2. 【請求項2】(A)成分の40〜200℃の範囲におけ
    る硬化曲線の最低粘度が、昇温速度20℃/分の条件で
    0.01〜100Pa・sであることを特徴とする請求
    項1に記載の導電性硬化性樹脂組成物。
  3. 【請求項3】(B)成分が、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張
    黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭素繊維及
    びカーボンナノチューブからなる群より選ばれた1種以
    上であることを特徴とする請求項1または2に記載の導
    電性硬化性樹脂組成物。
  4. 【請求項4】(B)成分が、天然黒鉛、人造黒鉛、気相
    法炭素繊維またはカーボンナノチューブであることを特
    徴とする請求項3に記載の導電性硬化性樹脂組成物。
  5. 【請求項5】(B)成分の炭素質材料の嵩密度が1g/
    cm3となるように加圧した状態において、加圧方向に
    対して直角方向の(B)成分の粉末電気比抵抗が0.1
    Ωcm以下であることを特徴とする請求項1ないし4の
    いずれかに記載の導電性硬化性樹脂組成物。
  6. 【請求項6】(B)成分の炭素質材料が0.05質量%
    〜10質量%のホウ素を含有することを特徴とする請求
    項1ないし5のいずれかに記載の導電性硬化性樹脂組成
    物。
  7. 【請求項7】請求項1ないし6のいずれかに記載の導電
    性硬化性樹脂組成物を、圧縮成形、トランスファー成
    形、射出成形または射出圧縮成形のいずれかの方法で成
    形してなる導電性硬化体。
  8. 【請求項8】体積固有抵抗が2×10-2Ωcm以下であ
    ることを特徴とする請求項7に記載の導電性硬化体。
  9. 【請求項9】接触抵抗が2×10-2Ωcm2以下である
    ことを特徴とする請求項7または8に記載の導電性硬化
    体。
  10. 【請求項10】熱伝導率が1.0W/m・K以上である
    ことを特徴とする請求項7ないし9のいずれかに記載の
    導電性硬化体。
  11. 【請求項11】0.1ppm以上のホウ素を含有するこ
    とを特徴とする請求項7ないし10のいずれかに記載の
    導電性硬化体。
  12. 【請求項12】請求項1ないし11のいずれかに記載の
    導電性硬化性樹脂組成物を圧縮成形、トランスファー成
    形、射出成形または射出圧縮成形のいずれかの方法によ
    って成形してなることを特徴とする導電性硬化体の製造
    方法。
  13. 【請求項13】導電性硬化性樹脂組成物が、粉砕品、ペ
    レットまたはシート状であることを特徴とする請求項1
    2に記載の導電性硬化体の製造方法。
  14. 【請求項14】金型内または金型全体を真空状態で成形
    することを特徴とする請求項12または13に記載の導
    電性硬化体の製造方法。
  15. 【請求項15】射出圧縮成形が、1)金型を開いた状態
    で射出して閉じる方法、2)金型を閉じながら射出する
    方法、3)閉じた金型の型締め力をゼロにして射出して
    から型締め力をかける方法のいずれかである請求項12
    ないし14のいずれかに記載の導電性硬化体の製造方
    法。
  16. 【請求項16】シートが、押出成形、ロール成形、カレ
    ンダー成形、圧縮成形等のいずれかの方法で成形したも
    のであり、厚さが0.5〜5mm、幅が20〜1000
    mmであることを特徴とする請求項13に記載の導電性
    硬化体の製造方法。
  17. 【請求項17】請求項1ないし11のいずれかに記載の
    導電性硬化体からなる燃料電池用セパレータ、コンデン
    サー用もしくは各種電池用集電体、電磁波遮蔽材、電
    極、放熱板、放熱部品、エレクトロニクス部品、半導体
    部品、軸受、PTC素子、またはブラシ。
  18. 【請求項18】請求項12ないし16のいずれかに記載
    の製造方法により製造されてなる燃料電池用セパレー
    タ。
  19. 【請求項19】4つ以上の貫通孔をもち、セパレータの
    両面に幅0.2〜2mm、深さ0.2〜1.5mmの溝
    があり、最薄部の厚さが1mm以下、比重が1.7以
    上、通気率が1×10-6cm2/sec以下であること
    を特徴とする請求項18に記載の燃料電池用セパレー
    タ。
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