JP2005082768A - 導電性組成物、耐水性導電体及びその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スルホン酸基及び/またはカルボキシル基を有する水溶性導電性ポリマー(a)、水溶性導電性ポリマーの溶媒(b)及び下記一般式(1)で表されるアルコキシシラン誘導体、ハロゲン化シラン誘導体及びシラザン誘導体から選ばれた少なくとも一種のシラン化合物(c)を必須成分とする、水溶性導電性ポリマーの特性を保持し、且つ、水溶性導電性ポリマーの弱点である耐水性あるいは硬度性等の特性が改善された導電性組成物、また、さらにコロイダルシリカ及び/又は特定の高分子化合物を加えることにより特性が向上する。
【化1】
(式中、Yは炭素原子1〜6の直鎖又は分岐のアルコキシ基であり、R43、R44、R45は各々独立に、水素、炭素数1〜20の直鎖又は分岐のアルキル基若しくはアルコキシ基、アミノ基、アセチル基、フェニル基及びハロゲン原子よりなる群から選ばれた基である。)
【選択図】なし
Description
また、スルホン酸基やカルボキシル基を有する水溶性導電性ポリマーは、塗膜にした場合の硬度が弱く塗膜が脆いため、この面でも使用用途が制限される。
上記のような問題を解決するために、スルホン酸基やカルボキシル基等の酸性基を有する水溶性導電性ポリマーに、シランカップリング剤を添加する方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。しかしながら、このような方法によって得られた水溶性導電性ポリマー組成物であっても、耐水性及び硬度が満足できるものではなかった。
また、本発明の第2は、スルホン酸基及び/又はカルボキシル基を有する水溶性導電性ポリマー(a)、水溶性導電性ポリマーの溶媒(b)及び特定のアルコキシシラン誘導体、ハロゲン化シラン誘導体及びシラザン誘導体から選ばれた少なくとも一種のシラン化合物(c)を含有する組成物に、さらにコロイダルシリカ及び/又は特定の高分子化合物を含有せしめることにより、特性が改善された導電性組成物を提供することにある。
さらに、本発明の第3は、前記導電性組成物から形成される耐水性に優れた透明導電性高分子膜、さらに、基材の少なくとも一面に前記導電性組成物を塗布し透明導電性高分子膜を形成した後、常温で放置あるいは加熱処理を行うことを特徴とする耐水性導電体を形成する方法を提供することにある。
したがって、本発明の導電性組成物は、電池、コンデンサー、化学センサー、表示素子、非線形材料、防食剤、接着剤、繊維、防食塗料、電着塗料、メッキプライマー等の導電性材料として、また、磁気カード、磁気テープ、磁気ディスク、写真フィルム、印刷材料、離形フィルム、ヒートシールテープ・フィルム、ICトレイ、ICキャリアテープ、カバーテープ等の帯電防止剤として、広い分野での利用が期待される。
本発明の組成成分であるスルホン酸及び/又はカルボキシル基を有する水溶性導電性ポリマー(a)としては、特に限定されず、公知の水溶性導電性ポリマーを用いることができる。
具体的には、無置換又は置換基を有するポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリイソチアナフテン、ポリフラン、ポリカルバゾール、ポリジアミノアントラキノン及びポリインドールからなる群より選ばれた少なくとも1種以上のπ共役系高分子中の骨格または該高分子中の窒素原子上に、スルホン酸基及び/又はカルボキシル基及びこれらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩及び置換アンモニウム塩、あるいはスルホン酸基及び/又はカルボキシル基及びこれらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩及び置換アンモニウム塩で置換されたアルキル基又はエーテル結合を含むアルキル基を有している水溶性導電性ポリマーが挙げられる。この中でもポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリイソチアナフテン骨格を含む水溶性導電性ポリマーが好ましい。特に、好ましい水溶性導電性ポリマーは、下記一般式(5)
ここでポリマーの繰り返し単位の総数に対するスルホン酸基及び/又はカルボキシル基を有する繰り返し単位の含有量が50%以上の水溶性導電性ポリマーは、溶解性が非常に良好なため、好ましく用いられ、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上、特に好ましくは100%のポリマーが用いられる。
また、塩基性化合物を含む溶液中で酸化剤により重合させることにより得られた水溶性導電性ポリマー100質量部中に、塩基性化合物が0.001〜1質量部残存している水溶性導電性ポリマーがより好ましい。
また、水溶性導電性ポリマーが有する酸性基は、導電性向上の観点から少なくともその一部が遊離酸型であることが望ましい。また、水溶性導電性ポリマーの質量平均分子量は、GPCのポリエチレングリコール換算で、2000以上、300万以下のものが導電性、成膜性及び膜強度に優れており好ましく用いられ、質量平均分子量3000以上、100万以下のものがより好ましく、5000以上、50万以下のものが最も好ましい。
そして、これらのシラン誘導体は、成分(c)として、単独でもしくは2種以上を混合して用いることができる。
また、コロイダルシリカの粒子径としては、1nm〜300nmのものが用いられ、好ましくは1nm〜150nm、更に好ましくは1nm〜50nmの範囲のものが用いられる。この粒子径が大きすぎると硬度が不足し、またコロイダルシリカ自体の安定性も低下する。
また、成分(a)と成分(c)の使用割合は、成分(a)100質量部に対して成分(c)が0.1〜10000質量部であり、好ましくは1〜1000質量部、より好ましくは5〜100質量部である。成分(c)0.1質量部未満では耐水性の向上幅が比較的小さく、一方、10000質量部を越えると溶解性、平坦性、透明性及び導電性が悪化することがある。
また、成分(a)と成分(d)の使用割合は、成分(a)100質量部に対して成分(d)が0.1〜10000質量部であり、好ましくは0.1〜1000質量部である。成分(d)0.1質量部未満では耐水性の向上幅が小さい場合があり、一方、1000質量部を越えると溶解性、平坦性、透明性及び導電性が悪化することがある。
また、水系でエマルジョンを形成する高分子化合物の具体例としては、水系アルキッド樹脂、水系メラミン樹脂、水系尿素樹脂、水系フェノール樹脂、水系エポキシ樹脂、水系ポリブタジエン樹脂、水系アクリル樹脂、水系ウレタン樹脂、水系アクリル/スチレン樹脂、水系酢酸ビニル/アクリル共重合樹脂、水系ポリエステル樹脂、水系スチレン/マレイン酸共重合樹脂、水系フッ素樹脂及びこれらの共重合体等が挙げられる。
本発明の耐水性導電体に用いる基材には、プラスチック、木材、紙材、セラミックス、ガラス板あるいは各種材料からなるフィルム等が用いられる。プラスチック及びそのフィルムに用いられる高分子化合物としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂、メタクリル樹脂、ポリブタジエン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリアラミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルニトリル、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリウレタン等が挙げられる。これらの高分子フィルムは、透明導電性高分子膜を形成させる面を該高分子膜との密着性を向上させる目的で、予めコロナ表面処理またはプラズマ処理することが好ましい。
上記塗工法により形成した透明性導電性高分子膜は、常温で放置してもよいが、加熱処理する方法が、成分(c)、成分(d)と成分(a)の架橋反応が促進されて、耐水性がより短時間で付与され、また残留する成分(b)の量も少なくなって導電性が向上するので好ましい。加熱処理温度は、300℃以下、好ましくは40℃〜250℃、より好ましくは80℃〜200℃である。加熱処理温度が300℃より高いと水溶性導電性ポリマー(a)自体が分解し導電性が低下する。
2−メトキシアニリン−5−スルホン酸100mmolを25℃で4mol/Lのアンモニア水溶液に攪拌溶解し、ペルオキソ二硫酸アンモニウム100mmolの水溶液を滴下した。滴下終了後、25℃で12時間更に攪拌した後に反応生成物を濾別洗浄後乾燥し、重合体粉末15gを得た[導電性重合体(A−1)]。この重合体の体積抵抗値は9.0Ω・cmであった。
m−アミノベンゼンスルホン酸100mmolを25℃で4モル/リットルのトリメチルアミン水溶液に攪拌溶解し、ペルオキソ二硫酸アンモニウム100mmolの水溶液を滴下した。滴下終了後25℃で12時間更に攪拌したのち、反応生成物を濾別洗浄後乾燥し、重合体粉末10gを得た[導電性重合体(A−2)]。この重合体の体積抵抗値は12.0Ω・cmであった。
スルホン化ポリアニリンをJ.Am.Chem.Soc.,(1991),113,2665−2666に記載された方法に従って合成した[導電性重合体(A−3)]。この重合体のスルホン酸含有量は、芳香環に対して52%であった。また、体積抵抗値は50Ω・cmであった。
ポリ(アニリンプロパンスルホン酸)をJ.Chem.Soc.,Chem.Commun.,(1990),180に記載の方法に従って合成した[導電性重合体(A−4)]。
ポリ(3−チオフェン−β−エタンスルホン酸)を第39回高分子学会予稿集,1990,561に記載の方法に従って合成した[導電性重合体(A−5)]。
アニリン100mmolを25℃で1mol/L 硫酸水溶液に攪拌溶解し、ペルオキソ二硫酸アンモニウム100mmolの水溶液を滴下した。滴下終了後、25℃で12時間更に攪拌した後に反応生成物を濾別洗浄後乾燥し、重合体粉末8gを得た[導電性重合体(A−6)]。この重合体の体積抵抗値は1.0Ω・cmであった。この重合体を25℃で1時間で1mol/Lアンモニア水中で分散攪拌した後に濾別洗浄後乾燥し、脱ドープ状態の重合体粉末5gを得た。
[導電性組成物1]
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ヘキシルトリメトキシシラン0.1質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物1を調製した。
製造例2の導電性重合体(A−2)5質量部、デシルトリメトキシシラン0.1質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物2を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)2質量部、ヘキシルトリメトキシシラン0.5質量部、水系エマルジョンであるアクリル/スチレン樹脂「ニカゾールRX−832A」(日本カーバイド工業社製)20質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物3を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ヘキサメチルジシラザン0.5質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物4を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ヘキシルトリメトキシシラン1質量部、コロイダルシリカ(粒子径:20nm)8質量部を、水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物5を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ヘキシルトリメトキシシラン1質量部、コロイダルシリカ(粒子径:100nm)8質量部を、水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物6を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ヘキシルトリメトキシシラン1質量部、コロイダルシリカ(粒子径:20nm)5質量部、水系エマルジョンであるアクリル/スチレン樹脂「ニカゾールRX−832A」(日本カーバイド工業(株)製)20質量部を、水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物7を調製した。
製造例3の導電性重合体(A−3)2質量部、ジメチルジメトキシシラン1質量部、コロイダルシリカ(粒子径:20nm)3質量部を、水/メタノール混合溶媒(質量比9/1)100質量部中に室温で溶解して導電性組成物8調製した。
製造例4の導電性重合体(A−4)5質量部、ジメチルジエトキシシラン0.5質量部、コロイダルシリカ(粒子径:20nm)10質量部、を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物9を調製した。
製造例5の導電性重合体(A−5)5質量部、ジメチルジクロロシラン0.5質量部、コロイダルシリカ(粒子径:10nm)5質量部、水系エマルジョンであるアクリル/スチレン樹脂「ニカゾールRX−832A」(日本カーバイド工業(株)製)20質量部を、水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物10を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物11を調製した。
製造例2の導電性重合体(A−2)5質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物12を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、水系エマルジョンであるアクリル/スチレン樹脂「ニカゾールRX−832A」(日本カーバイド工業(株)製)20質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物13を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、ポリビニルアルコール0.5質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物14を調製した。
製造例2の導電性重合体(A−2)5質量部、1,4−シクロヘキサンジオール1質量部を水100質量部中に室温にて溶解して導電性組成物15を調製した。
製造例6の導電性重合体(A−6)5質量部、ヘキシルトリメトキシシラン1質量部、コロイダルシリカ8質量部を、N−メチルピロリドン100質量部中に室温にて混合してのち不溶物を濾別し導電性組成物16を調製した。
製造例1の導電性重合体(A−1)5質量部、γ−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン0.1質量部を水100質量部中に室温で溶解して導電性組成物17を調製した。
1)ガラス基板に上記導電性組成物をスピンコート塗布(500rpm×5sec+2000rpm×60sec)し透明導電性高分子膜を形成後、ホットプレート上にて加熱処理した。
2)上記1)で調製したガラス基板を70℃の温水に浸漬し、透明導電性高分子膜の溶解(溶出)の具合を観察した。なお、耐水性評価は以下の基準とした。
○:透明導電性高分子膜を形成したガラス基板をビーカー中70℃の温水に浸漬し1時間後、目視観察で透明導電性高分子膜が完全に残り、水に膜から由来する溶出(着色)が認められない。
△:透明導電性高分子膜を形成したガラス基板をビーカー中70℃の温水に浸漬し1時間後、目視観察で透明導電性高分子膜が完全に残るが、水に膜から由来する溶出(着色)が若干認められる。
×:透明導電性高分子膜を形成したガラス基板をビーカー中70℃の温水に浸漬した直後に、目視観察で透明導電性高分子膜の完全溶解が認められる。
なお、表面抵抗値の測定には2端子法(電極間距離:20mm)を用いた。
JIS K5400 鉛筆引っかき試験に準拠して評価した。
導電性組成物1〜4をそれぞれガラス基板(5cm×5cm)上にスピンコート法(500rpm×5sec+2000rpm×60sec)により塗布し、下記表1に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、表面抵抗値を測定した。さらにこのガラス基板をビーカー中70℃の温水200mlに浸漬して、目視にて透明導電性高分子膜の状態を観察した。結果は表1のとおりであり、導電性を維持したまま耐水性が付与されたことが認められた。
導電性組成物11〜15をそれぞれガラス基板(5cm×5cm)上にスピンコート法(500rpm×5sec+2000rpm×60sec)により塗布し、下記表1に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、表面抵抗値を測定した。さらにこのガラス基板をビーカー中70℃の温水200mlに浸漬して、目視にて透明導電性高分子膜の状態を観察した。結果は表1のとおりである。
導電性組成物5〜10及び1をそれぞれガラス基板(5cm×5cm)上にスピンコート法(500rpm×5sec+2000rpm×60sec)により塗布し、下記表2に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、表面抵抗値を測定した。さらにこのガラス基板をビーカー中70℃の温水200mlに浸漬して、目視にて透明導電性高分子膜の状態を観察し耐水性評価を行った。結果は表2のとおりであり、導電性を維持したまま耐水性が付与されたことが認められた。
導電性組成物5〜10及び1をそれぞれ鋼板(150×70×0.8mm)上にバーコート法(No.5)により塗布し、下記表2に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、鉛筆引っかき試験(JIS K5400に準拠)により硬度評価した。結果は表2のとおりである。
導電性組成物13、16、17をそれぞれガラス基板(5cm×5cm)上にスピンコート法(500rpm×5sec+2000rpm×60sec)により塗布し、下記表2に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、表面抵抗値を測定した。さらにこのガラス基板をビーカー中70℃の温水200mlに浸漬して、目視にて透明導電性高分子膜の状態を観察し耐水性評価を行った。結果は表2のとおりである。
導電性組成物13、16、17をそれぞれ鋼板(150×70×0.8mm)上にバーコート法(No.5)により塗布し、下記表2に示した加熱条件下で処理をして表面が平滑な透明導電性高分子膜を形成し、鉛筆引っかき試験(JIS K5400に準拠)を行い硬度評価した。結果は表2のとおりである。
Claims (15)
- 前記導電性組成物が、コロイダルシリカ(d)を含むことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の導電性組成物。
- 前記導電性組成物が、水溶性高分子化合物及び水系でエマルジョンを形成する高分子化合物から選ばれた少なくとも一種の水溶性導電性ポリマーと異なる高分子化合物(e)を含むことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の導電性組成物。
- 前記水溶性導電性ポリマー(a)が、下記一般式(5)
下記一般式(6)
下記一般式(7)
又は、下記一般式(8)
- 前記水溶性導電性ポリマー(a)が、下記一般式(9)
- 前記水溶性導電性ポリマー(a)が、下記一般式(10)
- 前記水溶性導電性ポリマー(a)が、下記一般式(11)
- 前記水溶性導電性ポリマー(a)が、アルコキシ基置換アミノベンゼンスルホン酸、そのアルカリ金属塩、アンモニウム塩及び/又は置換アンモニウム塩を、塩基性化合物を含む溶液中で酸化剤により重合させることにより得られる水溶性導電性ポリマーである請求項1〜5いずれか1項記載の導電性組成物。
- 請求項11記載の重合によって得られた水溶性導電性ポリマー(a)100質量部中に、塩基性化合物が0.001〜1質量部残存している水溶性導電性ポリマーである請求項1〜5いずれか1項記載の導電性組成物。
- コロイダルシリカ(d)の粒子径が1nm〜300nmである請求項1〜11いずれか1項記載の導電性組成物。
- 請求項1〜12いずれか1項記載の導電性組成物から形成される透明導電性高分子膜を有することを特徴とする耐水性導電体。
- 基材の少なくとも一つの面上に、請求項1〜13いずれか1項記載の導電性組成物を塗布し透明導電性高分子膜を形成した後、常温で放置あるいは加熱処理を行うことを特徴とする耐水性導電体の形成方法。
- 加熱処理温度が常温から300℃の温度範囲である請求項14記載の耐水性導電体の形成方法。
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