JP2008214446A - Electroconductive polymer composition and production method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加工性に優れた導電性高分子組成物およびその製造方法に関し、より詳しくは、各種溶媒に可溶で加工性に優れ、電気的、機械的特性に優れた導電性物質、成形体の製法に適用可能である導電性高分子組成物およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a conductive polymer composition excellent in processability and a method for producing the same, and more specifically, a conductive material and molding that are soluble in various solvents, excellent in processability, excellent in electrical and mechanical properties, and molding. The present invention relates to a conductive polymer composition applicable to a body manufacturing method and a method for producing the same.
導電性高分子は、共役系有機高分子として、そのπ電子の電気的、化学的、さらには光学的な特性を利用し、多くの機能を有する材料として注目されている。ところが、導電性高分子は、不溶不融のため高分子特有の成型性に欠け、その応用範囲が限られていた。最近では、共役系主鎖に置換基を導入して可溶化することが提案され、同時に、溶解した高分子を溶液状態のまま酸化ドープする試みもなされている。 Conductive polymers are attracting attention as materials having many functions as conjugated organic polymers, utilizing the electrical, chemical, and optical properties of π electrons. However, conductive polymers lack insolubility and infusibilities and lack the moldability unique to polymers, and their application range is limited. Recently, it has been proposed to introduce a substituent into a conjugated main chain to solubilize, and at the same time, an attempt has been made to oxidize and dope a dissolved polymer in a solution state.
電子伝導性を有する有機高分子材料は、近年、帯電防止材料、電磁波シールド材料、二次電池、コンデンサ、エレクトロクロミック表示素子などへの広範囲な応用が検討されている。電子伝導性高分子としては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン等が知られている。中でも溶媒に可溶な材料として、N−メチル−2−ピロリドンに可溶なポリアニリン(M. Abe et al. ; J. Chm. Soc., Chem. Commun.,
1989, p. 1736参照)、アルキル基などの置換基を導入したポリピロール、ポリチオフェン(M. -A. Sato, S. Tanaka, K. Kaeriyama: Synth. Met.,
1987, 18, p. 229参照)がある。また、ポリフェニレンビニレン等の高分子は、その前駆体の高分子が可溶性であることが知られている。これらの高分子は、キャスティングによって製膜することが可能であることから、各種高分子フィルムの帯電防止材料などへの応用が検討されている。しかしながら、導電性高分子に導電性を付与するためには、成形後に電子受容性あるいは電子供与性の化合物で処理(ドーピング)する必要があり、酸性溶液に浸す、ドーパント蒸気に曝す等の操作を伴うため、加工面での問題があった。
In recent years, organic polymer materials having electron conductivity have been studied for a wide range of application to antistatic materials, electromagnetic wave shielding materials, secondary batteries, capacitors, electrochromic display elements, and the like. As the electron conductive polymer, polyacetylene, polyaniline, polyphenylene vinylene, polypyrrole, polythiophene and the like are known. Among them, polyaniline soluble in N-methyl-2-pyrrolidone (M. Abe et al .; J. Chm. Soc., Chem. Commun.,
1989, p. 1736), polypyrrole and polythiophene introduced with substituents such as alkyl groups (M. -A. Sato, S. Tanaka, K. Kaeriyama: Synth. Met.,
1987, 18, p. 229). Further, it is known that a polymer such as polyphenylene vinylene is soluble in its precursor polymer. Since these polymers can be formed by casting, application of various polymer films to antistatic materials and the like has been studied. However, in order to impart conductivity to the conductive polymer, it is necessary to treat (doping) with an electron-accepting or electron-donating compound after molding, and operations such as immersion in an acidic solution and exposure to a dopant vapor are required. Therefore, there was a problem in the processing surface.
上記した導電性ポリマーの問題点を解決する手段として、ドーパントとなる対イオンを重合体に共有結合させた自己ドープ性を有する導電性ポリマーが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。しかしながら、この種の導電性高分子は、高分子鎖中にスルホン酸基などを有するために、高分子自体が強酸性で、腐食や酸による分解を伴う材料と接触するような用途には適用することができなかった。また、有機電子受容体とポリピロール誘導体との均一溶液を用いる導電性高分子フィルムの製法が提案されている。しかしながら、高濃度の高分子溶液においては、混合溶液がゲル状態になり易いといった問題点がある。 As means for solving the problems of the conductive polymer described above, a conductive polymer having a self-doping property in which a counter ion serving as a dopant is covalently bonded to a polymer has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). . However, this type of conductive polymer has a sulfonic acid group in the polymer chain, so the polymer itself is strongly acidic and applied to applications that come into contact with materials that are subject to corrosion or acid degradation. I couldn't. In addition, a method for producing a conductive polymer film using a homogeneous solution of an organic electron acceptor and a polypyrrole derivative has been proposed. However, a high-concentration polymer solution has a problem that the mixed solution tends to be in a gel state.
そこで、可溶性導電性高分子とドーパントとの組み合わせを検討することにより、高濃度の溶液においても安定な均一混合液が得られるようにする試みが種々行われている(例えば、特許文献1参照。)。また、ポリピロール誘導体の溶液と有機電子受容体との均一溶液を調製するのに当たり、ピロール環上の置換基を限定し、有機電子受容体として2,3,7,8−テトラシアノ−1,4,6,9−テトラアザナフタレンを用いることにより、成膜性に優れた導電性高分子フィルム形成用溶液を調製することが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特許文献1、2に記載された方法では、目的とする導電性高分子を作成するために大量の有機溶剤が必要であり、近年の環境問題への対応が望まれている、といった現況からみて問題がある。また、有機電子受容体として2,3,7,8−テトラシアノ−1,4,6,9−テトラアザナフタレンを用いることが必須である、といった問題点がある。このため、新たな導電性高分子組成物の開発が望まれている。
The methods described in
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造工程において環境負荷が少なく、成膜性、導電性に優れた新規な導電性高分子組成物を提供すること、および、その製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a novel conductive polymer composition having a low environmental load in the production process and excellent in film formability and conductivity. And providing a manufacturing method thereof.
本願発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した。その結果、ポリピロール誘導体とイオン性液体とが共存することにより、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項1に係る発明の導電性高分子組成物は、化1に示す化学式で表される構造単位を有し重量平均分子量が500〜1,000,000である可溶性ポリピロール誘導体と、イオン性液体とから構成される。
That is, the conductive polymer composition of the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の導電性高分子組成物において、前記イオン性液体が、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、脂肪族四級アンモニウム塩および脂環式四級アンモニウム塩からなる群より選ばれた1種もしく2種以上の組合せであることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the conductive polymer composition according to
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の導電性高分子組成物を製造する方法において、化2に示す化学式で表されるモノマーの重合をイオン性液体中で行うことを特徴とする。
上記した構成によれば、過剰の有機溶剤を用いることなく目的とする導電性高分子組成物を得ることができる。
According to a third aspect of the present invention, in the method for producing the conductive polymer composition according to the first or second aspect, the polymerization of the monomer represented by the chemical formula shown in Chemical Formula 2 is performed in an ionic liquid. It is characterized by.
According to the configuration described above, the intended conductive polymer composition can be obtained without using an excessive organic solvent.
本発明の導電性高分子組成物は、上記したように、可溶性ポリピロール誘導体とイオン性液体とを含む構成である。したがって、この導電性高分子組成物は、導電性発現のために必ずしも、通常用いられる有機電子受容体を共存させる必要の無い新規な組成物である。また、製造工程において、共存すべきイオン性液体中で重合反応を行うため、必要以上に大過剰の有機溶剤を使用する必要が無い、といった利点を有する。 As described above, the conductive polymer composition of the present invention includes a soluble polypyrrole derivative and an ionic liquid. Therefore, this conductive polymer composition is a novel composition that does not necessarily require the commonly used organic electron acceptor to coexist for the development of conductivity. Further, since the polymerization reaction is carried out in an ionic liquid that should coexist in the production process, there is an advantage that it is not necessary to use an excessively large amount of organic solvent.
この発明に係る導電性高分子組成物は、化1に示す化学式で表される構造単位を有し重量平均分子量が500〜1,000,000である可溶性ポリピロール誘導体とイオン性液体とから構成される。
化1に示す化学式で表されるポリピロール誘導体の好ましい具体例としては、R1 が直鎖アルキル基で、より好ましくはメチル基、R2が直鎖アルキル基で、より好ましくは炭素数2〜18のアルキル基である。本発明で言うところのポリピロール誘導体には、化1に示す化学式で表される構造単位同士のコポリマー、および、化1に示す化学式で表される構造単位を形成するモノマーとそれ以外のモノマー、例えばピロール、N−メチルピロール、3−メチルピロール、チオフェン、3−メチルチオフェン等のモノマーとから得られるコポリマーも含まれる。代表的な分子量は、重量平均分子量で10,000から200,000であり、高い溶解性を得るためには200,000以下とすることが好ましく、高い導電性と強靱性を得るためには20,000以上とすることが好ましい。
Preferable specific examples of the polypyrrole derivative represented by the chemical formula shown in
本発明の導電性高分子組成物は、例えば化2に示す化学式(式中、R1、R2は、前記と同じ意味を示す。)で表される1種もしくは2種以上の化合物を、イオン性液体を溶剤として、酸化性遷移金属ハロゲン化物の存在下で、化1に示すポリピロール誘導体を化学重合し、中和洗浄などの後処理を行うなどの方法により製造することができる。また、それ以外のモノマー単位を含むコポリマーも同様にして製造することができる。
化1に示す化学式で表されるポリピロール誘導体の製造方法は、公知の反応または類似の反応を適宜選択することにより製造することができる。 The method for producing a polypyrrole derivative represented by the chemical formula shown in Chemical Formula 1 can be produced by appropriately selecting a known reaction or a similar reaction.
本発明で用いられるイオン性液体は、ポリピロール誘導体の重合反応を行う温度域において液体であれば特に限定されるものではないが、好ましくは、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、脂肪族四級アンモニウム塩および脂環式四級アンモニウム塩からなる群より選ばれた1種もしく2種以上の組合せより選定される。 The ionic liquid used in the present invention is not particularly limited as long as it is a liquid in the temperature range where the polymerization reaction of the polypyrrole derivative is carried out, but preferably an imidazolium salt, a pyridinium salt, an aliphatic quaternary ammonium salt and It is selected from one or a combination of two or more selected from the group consisting of alicyclic quaternary ammonium salts.
イミダゾリウム塩としては、例えば、化3、化4および化5に示す各化学式(化5に示す式中、R1はHまたはアルキルを表し、R2はアルキルを表す。)でそれぞれ表される化合物が使用される。
ピリジウム塩としては、例えば、化6に示す化学式(式中、Rはアルキルを表す。)で表される化合物が使用される。
脂肪族四級アンモニウム塩としては、例えば、化7に示す化学式(式中、Rはアルキルを表す。)で表される化合物が使用される。
また、脂環式四級アンモニウム塩としては、例えば、化8および化9に示す各化学式(各式中、R1およびR2は、それぞれアルキルを表す。)でそれぞれ表される化合物が使用される。
本発明に係る方法で得られる導電性高分子組成物は、適当な溶媒に溶解し、有機電子受容体を加えることも可能である。 The conductive polymer composition obtained by the method according to the present invention can be dissolved in a suitable solvent and an organic electron acceptor can be added.
そして、本発明の導電性高分子組成物は、例えば帯電防止膜、透明導電膜、各種電子デバイス用電極等への応用が挙げられる。 The conductive polymer composition of the present invention can be applied to, for example, an antistatic film, a transparent conductive film, and various electronic device electrodes.
エトキシメチルピロール0.5g(3.2mmol)を1−エチル−3−メチル−イミダゾール四フッ化ホウ素塩2.0gに溶解させて室温で撹拌した。無水塩化第二鉄3.13g(9.65mmol)の1−エチル−3−メチル−イミダゾール四フッ化ホウ素塩10.35g溶液を、エトキシメチルピロール溶液中に乾燥空気を吹き込みながら、溶液温度が25℃±2℃を保つようにして滴下した。滴下終了後から4時間、溶液中に乾燥空気を吹き込みながら室温で撹拌することにより、エトキシメチルピロールの重合反応を行わせた。溶液中への乾燥空気の吹込みを止めて、溶液中に乾燥メタノール2.5gを添加することにより反応を終了させた。さらに、溶液中に15gの乾燥メタノールを添加して15分撹拌した後、反応溶液を減圧濾過して、黒色粉末を得た。この黒色粉末をメタノール15g中に投入して撹拌した後、濾過することにより、過剰な1−エチル−3−メチル−イミダゾール四フッ化ホウ素塩および塩化第二鉄残渣を洗浄して除去した。 Ethoxymethylpyrrole (0.5 g, 3.2 mmol) was dissolved in 1-ethyl-3-methyl-imidazole boron tetrafluoride (2.0 g) and stirred at room temperature. An anhydrous ferric chloride solution (3.13 g, 9.65 mmol) in 1-ethyl-3-methyl-imidazole boron tetrafluoride (10.35 g) solution was blown into the ethoxymethylpyrrole solution while the solution temperature was 25. The solution was added dropwise so as to keep the temperature ± 2 ° C. The polymerization reaction of ethoxymethylpyrrole was carried out by stirring at room temperature while blowing dry air into the solution for 4 hours after the completion of the dropping. The reaction was terminated by stopping the blowing of dry air into the solution and adding 2.5 g of dry methanol into the solution. Further, 15 g of dry methanol was added to the solution and stirred for 15 minutes, and then the reaction solution was filtered under reduced pressure to obtain a black powder. The black powder was put into 15 g of methanol and stirred, and then filtered to remove excess 1-ethyl-3-methyl-imidazole tetratetrafluoroboron salt and ferric chloride residue by washing.
得られた黒色粉末をテトラヒドロフラン6ml中に分散させて撹拌し、80%ヒドラジン水和物をpH9になるまで滴下した後、1時間撹拌した。次に、10%硫酸−テトラヒドロフラン溶液をpH7になるまで滴下した後、1時間撹拌した。さらに、トルエン5mlおよび蒸留水0.1mlを添加し、1時間撹拌してから静置し、セライトを敷き詰めたロートで沈殿物を濾過した。ろ液を10mlの蒸留水で2回洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させ、エトキシメチルポリピロールのテトラヒドロフラン−トルエン混合溶液を得た。ここで得られたエトキシメチルポリピロールの分子量は、18,000(スチレン換算重量平均分子量)であった。この導電性高分子組成物溶液を成膜して得られた導電性高分子組成物膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表1に示す。また、得られた導電性高分子組成物の赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)の測定を行った。この測定結果を図1に示す。 The obtained black powder was dispersed in 6 ml of tetrahydrofuran and stirred, and 80% hydrazine hydrate was added dropwise until the pH reached 9, followed by stirring for 1 hour. Next, a 10% sulfuric acid-tetrahydrofuran solution was added dropwise until pH 7 was reached, followed by stirring for 1 hour. Further, 5 ml of toluene and 0.1 ml of distilled water were added, stirred for 1 hour, allowed to stand, and the precipitate was filtered through a funnel covered with celite. The filtrate was washed twice with 10 ml of distilled water and dried over magnesium sulfate to obtain a tetrahydrofuran-toluene mixed solution of ethoxymethyl polypyrrole. The molecular weight of the ethoxymethyl polypyrrole obtained here was 18,000 (weight average molecular weight in terms of styrene). The electrical conductivity of the conductive polymer composition film obtained by forming this conductive polymer composition solution was measured (Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta), and the pencil hardness was measured. The measurement results are shown in Table 1. Moreover, the infrared absorption spectrum (IR spectrum) of the obtained conductive polymer composition was measured. The measurement results are shown in FIG.
実施例1と同様の方法により、イオン性液体のみをN−メチル−N−プロピルピペリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドに変更して、ポリピロールの合成を行った。得られた導電性高分子組成物溶液を成膜して得られた導電性高分子組成物膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表1に示す。 In the same manner as in Example 1, polypyrrole was synthesized by changing only the ionic liquid to N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide. Measurement of electrical conductivity of the conductive polymer composition film obtained by forming the resulting conductive polymer composition solution (Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta) and pencil hardness were performed. . The measurement results are shown in Table 1.
[比較例1]
上記した実施例1での1−エチル−3−メチル−イミダゾール四フッ化ホウ素塩を酢酸ブチルに変更して、同様の方法によりエトキシメチルポリピロールのテトラヒドロフラン−トルエン混合溶液を得た。ここで得られたエトキシメチルポリピロールの分子量は、52,000(スチレン換算重量平均分子量)であった。この導電性高分子組成物溶液を成膜して得られた導電性高分子組成物膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表1に示す。なお、表1には、PETフィルムの電気伝導度も併せて示す。また、得られた導電性高分子組成物の赤外吸収スペクトルの測定を行った。この測定結果を図3に示す。
[Comparative Example 1]
The 1-ethyl-3-methyl-imidazole boron tetrafluoride salt in Example 1 described above was changed to butyl acetate, and a tetrahydrofuran-toluene mixed solution of ethoxymethyl polypyrrole was obtained in the same manner. The molecular weight of ethoxymethyl polypyrrole obtained here was 52,000 (weight average molecular weight in terms of styrene). The electrical conductivity of the conductive polymer composition film obtained by forming this conductive polymer composition solution was measured (manufactured by Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta), and the pencil hardness was measured. The measurement results are shown in Table 1. Table 1 also shows the electrical conductivity of the PET film. Moreover, the infrared absorption spectrum of the obtained conductive polymer composition was measured. The measurement results are shown in FIG.
上記実施例1で得られた導電性高分子組成物溶液に、2,3,7,8−テトラシアノ−1,4,6,9−テトラアザナフタレン(TCNA)を、導電性高分子組成物に対して25重量パーセント添加して得られた膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表2に示す。また、得られた導電性高分子組成物の赤外吸収スペクトルの測定を行った。この測定結果を図2に示す。 In the conductive polymer composition solution obtained in Example 1, 2,3,7,8-tetracyano-1,4,6,9-tetraazanaphthalene (TCNA) was added to the conductive polymer composition. On the other hand, the electrical conductivity of the film obtained by adding 25 weight percent (Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta) and pencil hardness were measured. The measurement results are shown in Table 2. Moreover, the infrared absorption spectrum of the obtained conductive polymer composition was measured. The measurement results are shown in FIG.
上記実施例2で得られた導電性高分子組成物溶液に、2,3,7,8−テトラシアノ−1,4,6,9−テトラアザナフタレン(TCNA)を、導電性高分子組成物に対して25重量パーセント添加して得られた膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表2に示す。 In the conductive polymer composition solution obtained in Example 2, 2,3,7,8-tetracyano-1,4,6,9-tetraazanaphthalene (TCNA) was added to the conductive polymer composition. On the other hand, the electrical conductivity of the film obtained by adding 25 weight percent (Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta) and pencil hardness were measured. The measurement results are shown in Table 2.
[比較例2]
上記比較例1で得られた導電性高分子組成物溶液に、2,3,7,8−テトラシアノ−1,4,6,9−テトラアザナフタレン(TCNA)を、導電性高分子組成物に対して25重量パーセント添加して得られた膜の電気伝導度の測定(三菱化学製、ハイレスタまたはロレスタ)、および、鉛筆硬度の測定を行った。この測定結果を表2に示す。また、導電性高分子組成物の赤外吸収スペクトルの測定を行った。この測定結果を図4に示す。
[Comparative Example 2]
In the conductive polymer composition solution obtained in Comparative Example 1, 2,3,7,8-tetracyano-1,4,6,9-tetraazanaphthalene (TCNA) was added to the conductive polymer composition. On the other hand, the electrical conductivity of the film obtained by adding 25 weight percent (Mitsubishi Chemical, Hiresta or Loresta) and pencil hardness were measured. The measurement results are shown in Table 2. Moreover, the infrared absorption spectrum of the conductive polymer composition was measured. The measurement results are shown in FIG.
本発明の上記実施例で得られた導電性高分子組成物は、その明確な構造を特定することができていないが、比較例で得られた導電性高分子組成物とのIRスペクトルの比較より、ポリピロールとイオン性液体との単純な混合物ではなく、ポリピロールとイオン性液体との間での何らかの相互作用を呈し、その結果として、導電性発現のために通常必要とされるドーパントの存在が無くても導電性の発現が確認されたものと考えられる。 The conductive polymer compositions obtained in the above examples of the present invention have not been able to specify a clear structure, but comparison of IR spectra with the conductive polymer compositions obtained in Comparative Examples Thus, rather than a simple mixture of polypyrrole and ionic liquid, it exhibits some interaction between polypyrrole and ionic liquid, resulting in the presence of dopants normally required for conductivity development. It is considered that conductivity was confirmed even without it.
本発明の導電性組成物は、例えば、帯電防止膜、透明導電膜、各種電子デバイス用電極などを製造するために利用される。 The conductive composition of the present invention is used to produce, for example, an antistatic film, a transparent conductive film, and various electronic device electrodes.
Claims (3)
前記イオン性液体が、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、脂肪族四級アンモニウム塩および脂環式四級アンモニウム塩からなる群より選ばれた1種もしく2種以上の組合せであることを特徴とする導電性高分子組成物。 The conductive polymer composition according to claim 1,
The ionic liquid is one or a combination of two or more selected from the group consisting of imidazolium salts, pyridinium salts, aliphatic quaternary ammonium salts and alicyclic quaternary ammonium salts. Conductive polymer composition.
化2に示す化学式(式中、R1 は、置換もしくは未置換のアルキル、置換もしくは未置換のアルコキシ、ハロゲンまたは置換もしくは未置換のフェニルを表し、R2は、置換もしくは未置換のアルキルまたは置換もしくは未置換のフェニルを表す。)で表されるモノマーの重合をイオン性液体中で行うことを特徴とする導電性高分子組成物の製造方法。
Chemical formula shown in Chemical Formula 2 (wherein R 1 Represents substituted or unsubstituted alkyl, substituted or unsubstituted alkoxy, halogen or substituted or unsubstituted phenyl, and R 2 represents substituted or unsubstituted alkyl or substituted or unsubstituted phenyl. ) Is carried out in an ionic liquid. A method for producing a conductive polymer composition.
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