JP2008510048A - 強磁性コアを有する導電性顔料、その製造、およびその使用 - Google Patents

強磁性コアを有する導電性顔料、その製造、およびその使用 Download PDF

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Abstract

本発明は導電性顔料に関し、ここでその顔料は、強磁性コアおよび少なくとも1種の導電性コーティングを示し、そしてその導電性コーティングが、金属もしくは金属合金であるかまたはそれらを含むか、または、その導電性コーティングが、導電性ポリマーもしくは導電性ポリマーを含むプラスチック材料であるかまたはそれらを含む。本発明はさらに、前記導電性顔料を製造するためのプロセス、および前記導電性顔料の使用にも関する。

Description

本発明は、導電性顔料、その製造、およびその使用に関する。
鉄顔料は装飾目的で一般に使用されているが、機能性顔料として使用することもできる。主として光学的効果を有する用途としては、たとえば、ペイントおよびエナメルコーティング、プラスチックのための着色剤、印刷インキ、ならびにガラスおよびセラミックのための着色剤などが挙げられる。
微小板状(platelet)タイプの鉄顔料は一般に、微粒化した鉄グリットを、潤滑剤を添加しながら粉砕または摩砕することによって製造される。そのようなプロセスは、EP673 980に詳しく記述されている。この方法では、特に、広い粒径分布を有する比較的粗い粒子が得られる。
微小板状タイプの鉄顔料を製造するためのまた別なプロセスは、好ましくは電子ビームによるPVD法を使用した真空蒸着法であって、それによれば鉄の薄膜を支持材料の上に堆積させ、次いでそれを微粉砕して顔料とすることができる。この方法では、均一な厚みと高い反射率を有する粒子が得られる。
還元処理を施したカルボニル鉄粉体から鉄顔料を製造することが、DE101 14 446A1に記載されている。摩砕(湿式、乾式のいずれであってもよい)の間に、実質的には最初の材料だけが微小板に変形され、微粉砕されることはない。摩砕の間に鉄の粒子が冷間圧接されるのを防止するために、潤滑剤、たとえば、ステアリン酸またはオレイン酸のような脂肪酸を添加しなければならない。DE101 14 446A1に記載されている発明の目的は、光学的に高度の要求があるコーティングに使用することが可能な鉄顔料を得ることである。
本発明の目的は、新規な用途の可能性を与える導電性顔料を見出すことにある。本発明のまた別な目的は、物体に塗布または導入したときに、明確な磁気的および/または電気的性質を有する顔料を提供することである。
驚くべきことには、本発明者らは、強磁性コアと少なくとも1種の導電性コーティングを有する、請求項1に定義されるような導電性顔料を調製した結果として、さらなる用途の可能性が生じるということを今や見出した。
導電性顔料の好適な展開は、従属請求項2〜10に定義されている。
本発明の好適な展開においては、本発明による顔料の強磁性コアは微小板の形態で存在する。好ましくは本発明の微小板状タイプの顔料は、2〜500μm、好ましくは5〜200μm、より好ましくは10〜50μmの範囲のサイズを有している。
また別な好ましい実施態様においては、本発明による顔料の強磁性コアは球の形態で存在する。
通常、微小板状タイプの顔料は、微小板状タイプの強磁性コアに導電性コーティングを施した後に得られる。通常、球状の顔料は、球状の強磁性コアに導電性コーティングを施した後に得られる。
強磁性コアは、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、これらの元素を含む合金、δ−FeOOH、EuS、CrO、CuMnAl、およびそれらの混合物からなる群より選択される1種または複数の金属または金属化合物を含むかまたはそれらからなることが好ましい。CuMnAlタイプの合金は、ホイスラー(Heusler)合金と呼ばれることもある。
強磁性コアは、鉄からなるかまたは鉄を含むことが好ましい。
鉄の強磁性コアは、カルボニル鉄グリッドの湿式摩砕によって製造することがより好ましく、150nm未満の厚みを有していることが好ましい。たとえば、そのような顔料の一つは、DE101 14 446A1に従って製造される(この特許を参考として引用し本明細書に組み入れる)。
導電性材料は、金属合金を含むか、または金属合金である。その金属または金属合金は、ロジウム、ニッケル、銀、それらの混合物、およびこれらの金属を含む合金、からなる群より選択されることが好ましい。
別な方法として、導電性ポリマー、またはそのような導電性ポリマーを含むプラスチック材料を導電性材料として使用することもできる。
導電性ポリマーは、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、およびそれらの混合物、からなる群より選択されることが好ましい。
導電性コーティングの厚みは、好ましくは5〜200nm、より好ましくは10〜100nmである。
導電性コーティングを有する本発明の顔料、好ましくはカルボニル鉄からの鉄顔料は、その全厚みが、好ましくは80〜550nm、より好ましくは100〜350nm、最も好ましくは120〜250nmである。これらの顔料の利点は、それらが、電場または磁場において極めて良好に配向するような、特に薄い顔料であるという点にある。
導電性であるばかりではなく強磁性をも有する顔料もまた、本発明に従って製造される。
導電性顔料、好ましくは鉄顔料は、(特にそれらが強磁性であることから)セキュリティ要素を製造するのに使用することができる。したがって、本発明による導電性顔料は、明確なある種の電気的および/または磁気的性質を示す。
上述のセキュリティ要素は通常、セキュリティを確保する必要がある書類や物品の上に平面的に配置される、平面的な要素として設計される。本発明の顔料は、当然のことながら、セキュリティを確保する必要がある物品の一部であってもよい、すなわち、それらが、たとえば、プラスチック材料の中に組み込まれていてもよい。そのような場合には、周囲にある媒体が硬化されるより前に、電場または磁場を印加することによって、本発明の顔料をただ一度だけ配向させることができる。そうすることによって、本発明の導電性顔料が配向した結果として、その物品は、輪郭のくっきりとした、あるいは明確な磁気的および/または電気的性質を示す。
セキュリティ要素は、いわゆるインテリジェントスイッチにおいて好適に使用される。インテリジェントスイッチは、たとえば、磁場および/または電場を印加することによって、コーティングまたは物品中の強磁性鉄顔料を所望の方向に配向させることが可能である、という点に特徴がある。電場および/または磁場を印加することによって、コーティングまたは物品の導電性および/または光学的性質を、実質的に可逆的に、好ましくは完全に可逆的に変化させることが可能である。使用される印加媒体は、一方では顔料に再配向させるのに充分な易動性を与えるような粘稠な媒体であるが、もう一方では、それらの顔料が元の位置に戻ろうと移動するための充分な回復力も有している。
このことは、本発明の導電性鉄顔料を含むコーティングに対して予め決められた電場および/または磁場を印加することによって、ある種の電気的および/または光学的な効果を得ることが可能であるということを意味している。したがって、予め決められた電場および/または磁場を印加しても、予想される電気的および/または光学的効果が得られないような場合には、それは、そのセキュリティ物品が偽物であることを示している。
本発明の範囲内において、たとえば、ホログラムのようなセキュリティ要素は、セキュリティ書類、たとえば、紙幣、パスポート、IDカード、チェックカード、クレジットカード、証券(securities)、およびセキュリティ物品、たとえば、医薬品、データ記憶媒体などが本物であることを鑑定するために使用することが好ましい。
好ましくは鉄顔料のコアを有する、本発明の導電性顔料は、透明な支持材料、たとえば、ガラスまたはプラスチック材料のディスクの上へのコーティングまたはそれらの中間層として使用することもできる。印加した電場に応じて、本来的に透明な支持材料の透明性や光学的透明性をそれぞれ調節したり変更したりすることが可能である。たとえば、ガラスまたはプラスチック材料のディスクを、可視光線、UV光線および/またはIR光線に対して不透過性とすることができる。
そのため、本発明の導電性顔料、好ましくは鉄顔料のコアを有するものを、保護コーティングとしてガラスまたはプラスチック材料のディスクに塗布することで、それらが、電場を印加した後では、入射太陽光線を反射して、それによって建物の温度上昇を防止するようにすることが可能となる。そのコーティングが、電場を印加した後では、可視光線の透過性を低下させて、それにより、ガラス張りの室内が外部の目からはもはや見えないようにすることも可能である。
本発明の導電性顔料はまた、電磁遮蔽に使用することもできる。たとえば、電気または電子機器の筐体に、本発明の導電性顔料を含むコーティングを施してもよい。導電性顔料をプラスチック材料の中に組み込むことも可能であって、それにより、その材料を用いて、電磁線に対して信頼性のある遮蔽ができるプラスチック筐体を組み立てることができる。
このように、本発明の導電性顔料の電磁気的性質が理由で、電磁線からの信頼性のある遮蔽が可能となる。
したがって、本発明の導電性顔料は、導電性コーティング、導電性物品、電磁線遮蔽性を有するコーティングまたは物品において、さらにはスイッチまたはインテリジェントスイッチにおいて、用途を見出すことができる。
本発明の基本的な目的はさらに、本発明による微小板状タイプの導電性顔料と球状の導電性顔料との混合物を含む顔料混合物を提供することにより達成される。
驚くべきことには、本発明の顔料混合物を、たとえば、物品にコーティングの形態で塗布したり、物品の中に導入したりすることにより、それらの導電性を改良することが可能であることが見出された。この場合の導電性の改良は、顔料混合物中の球状および微小板状タイプの顔料による、接触確率の上昇および接触点の数の増大がその理由である。
本発明の根底にある目的はさらに、少なくとも1種の導電性材料のコーティングが強磁性の出発原料の顔料に塗布される、請求項11において定義されるような導電性顔料を製造するためのプロセスにより達成される。
本発明のプロセスの好適な展開は、従属請求項12〜14において定義されている。
電磁遮蔽またはいわゆる「インテリジェントスイッチ」の分野で適用する場合には、摩砕プロセスによって得られる顔料、好ましくは鉄顔料は通常、そのままでは使用することができないが、その理由は、顔料、好ましくは鉄顔料の上の潤滑剤の層が、それらに並はずれて強力に粘着しているからである。
出発原料の顔料に潤滑剤の層が存在している場合には、導電性材料を用いてそれをコーティングする前に、脱脂しなければならない。
特に、慣用される方法により、たとえば、潤滑剤を加えてボールミルの中で摩砕することにより製造した、好んで使用される鉄顔料の場合には、その鉄顔料の表面は、潤滑剤の望ましくない堅固に付着した層で覆われている。その潤滑剤の層は通常、ステアリン酸またはオレイン酸ならびにそれらの鉄塩および分解生成物からなる。その鉄顔料には通常さらに、鉄顔料の表面の上に酸化物層を有している。潤滑剤の層および酸化物層は、隣接する鉄顔料粒子との間に導電的な接触が存在しないという結果をもたらす。
摩砕により製造した顔料、特に鉄顔料を導電性とするためには、その顔料、好ましくは鉄顔料に、本発明に従って、導電性コーティングを与える。
しかしながら、慣用される方法によるのでは、顔料、好ましくは鉄顔料から潤滑剤を顕著な量で除去することは、不可能またはほとんど不可能であることが見出された。潤滑剤の層を実質的に除去するために、アルミニウム顔料を酸素含有ガスの中で移動させ、場合によってはさらにスチームを用いて処理する、公知のプロセスは、たとえば、EP580 022B1に記載されている。EP580 022に開示されているプロセスは、鉄顔料を脱脂するのにも適している。
しかしながら、最初の顔料、好ましくは鉄顔料は、有機溶媒中の濃NaOHを用いてそれらを処理することにより脱脂することが好ましい。使用する脱脂溶液は、濃アルコール性NaOH溶液、たとえば、エタノール中、重量で強度が約10%のNaOH溶液であることが好ましい。
驚くべきことには、強磁性顔料、好ましくは脱脂顔料、より好ましくは脱脂鉄顔料に導電性コーティングを施すことによって、強磁性を有する導電性顔料を得ることが可能である、ということを本発明者らは今や見出した。
すべての強磁性顔料が、出発原料として適しているが、公知の製造プロセスの一つにより製造された鉄顔料が好ましい。
カルボニル鉄の鉄顔料が使用するのに好ましいが、その理由は、慣用される鉄顔料に比較してそれらの厚みが薄いために、それらがコーティング中、あるいは物品の中もしくは上でより良好な配向挙動を示すからである。
鉄顔料を出発原料の顔料として使用する場合、後者を、鉄粉体、好ましくはカルボニル鉄粉体を摩砕することによって得ることが好ましい。
鉄顔料は、本発明の導電性顔料を製造するための出発原料の顔料として使用するための並々ならぬ適性を有しているが、その理由は、鉄顔料は比較的経済的に製造でき、良好な応用−工学特性を示すからである。
本発明の顔料の本質的な特徴は、導電性材料を用いてコーティングしているにもかかわらず、コアの強磁性が保持される点にある。
原理的には、PVDプロセスによって製造された顔料、好ましくは鉄顔料もまた使用することは可能である。しかしながら、PVD顔料は、その製造コストが高いためにきわめて高価であるので、それらを強磁性を有する導電性顔料として使用するに適しているのは、きわめて例外的な場合に限られる。
導電性材料は、たとえば、流動床プロセスで、適切な前駆体、たとえば、金属カルボニルから、出発原料の顔料に塗布することができる。
導電性金属材料Mはさらに、化学的湿式プロセスにおいて、式(I)による無電流析出(currentless deposition)によるか
Fe+MZ++Red → Fe/M+Ox (I)
および/または、Mが鉄よりも貴である場合には、式(II)により
Fe+MZ+ → Fe/M+Fe2/3+ (II)
好んで使用される鉄の出発原料の顔料に塗布することができる。ここで「Red」は還元剤を表し、それが転化されて酸化形の「Ox」となる。
使用される1種または複数の還元剤は、たとえば、ヒドラジン、アルデヒド、メタノール、エタノール、糖、次亜リン酸塩、および/またはホルムアルデヒドからなる群より選択される1種または複数の物質であってよい。
一つの可能な実施態様においては、最初に、より貴な金属は、還元剤が存在しなくても析出させることが可能であり、次いで還元剤の存在下に還元を実施することができる。このことが必要となるのは、式(II)に従う無電流析出の際には、コーティングが、それ以上では鉄がもはや反応の相手として利用できなくなる厚みと密度に達するとすぐに、その反応が停止してしまうからである。それにも関わらず、所望の層厚みを得るためには、式(I)に従う還元剤によって金属化合物を還元させることにより、さらなる析出をさせることが可能である。
光沢形成剤として機能する追加の添加物を、金属の無電流化学的湿式析出に添加することが好ましい。この場合、たとえば、乳酸を使用することができる。
本発明の基本的な目的はさらに、導電性コーティングおよび/または導電性物品の中に、本発明の導電性顔料または顔料混合物を使用することによって達成される。
本発明による導電性顔料または顔料混合物は、電磁線から遮蔽するためのコーティングまたは物品に好適に使用される。
本発明はさらに、インテリジェントスイッチまたはコーティングにおける本発明の導電性顔料または顔料混合物の使用にも関し、この場合、導電性顔料は、磁場および/または電場を印加することによって所望の方向に配向させることができる。
本発明の目的はさらに、本発明の導電性顔料または顔料混合物を含むかおよび/またはそれらからなる物品によっても達成される。その物品は好ましくは、セキュリティ要素、セキュリティ書類、セキュリティ物体、または透明材料である。
以下に示す実施例は、本発明を説明することを目的としたものであって、本発明がそれらに限定される訳ではない。
100gの鉄顔料(VP58031/G)を、500gの強度10%(w/w)のエタノール性NaOH溶液の中で、50℃で1時間撹拌する。次いでその生成物を、吸引濾過し、エタノールを用いて数回洗浄し、加熱空気中で乾燥させる。
このように脱脂された100gの鉄顔料を、300gの脱イオン水の中に懸濁させる。次いで、2Lの脱イオン水中、200gのNiSO・7HO、30gの乳酸および5gの硫酸ヒドラジンの溶液を添加し、その混合物を加熱して60℃とする。次いで、500mLの脱イオン水中、150gの次亜リン酸ナトリウムの溶液を添加する。1MのNaOH溶液を調節しながら添加して、そのpHをコンスタントに5.4に調節する。2時間撹拌してから、その反応バッチを吸引濾過し、エタノールを用いてその濾過ケーキを数回洗浄する。次いで、真空乾燥キャビネット中で一夜乾燥させる。
2.5gの顔料を、2.5gの酢酸エチルとエタノールの1:1(w/w)混合物の中に完全に予備分散させ、酢酸ブチルとイソプロパノールの1:1(v/v)混合物中、ネオクリルB725の強度40%の溶液2.5gと混合して、数回撹拌した。その材料を、100μmスクレーパーブレードを用いて、ホスタファン(Hostaphan)フォイルに塗布した。5分間のフラッシュ時間に続けて、そのフォイルを60℃で30分間乾燥させた。そのサンプルの異なった3カ所で、2点測定により抵抗値を測定した。その平均値は、1.1×10−3Ωであった。

Claims (30)

  1. 導電性顔料であって、前記顔料が、強磁性コアおよび少なくとも1種の導電性コーティングを示し、ここで、前記導電性コーティングが、金属もしくは金属合金であるかまたはそれらを含み、または、前記導電性コーティングが、導電性ポリマーもしくは導電性ポリマーを含むプラスチック材料であるかまたはそれらを含むことを特徴とする、導電性顔料。
  2. 前記強磁性コアが、微小板の形態であるか、または球状であることを特徴とする、請求項1に定義された導電性顔料。
  3. 前記強磁性コアが、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、上述の金属を含む合金、δ−FeOOH、EuS、CrO、CuMnAl、およびそれらの混合物からなる群より選択される、1種または複数の金属または金属複合体を含むかまたはそれらからなることを特徴とする、請求項1または請求項2に定義された導電性顔料。
  4. 前記強磁性コアが、鉄からなるかまたは鉄を含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  5. 前記鉄の強磁性コアが、湿式ミリング法によるカルボニル鉄グリットから製造され、好ましくは150nm未満の厚みを有することを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  6. 前記金属が、ロジウム、ニッケル、銀、それらの混合物、およびこれらの金属を含む合金からなる群より選択されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  7. 前記導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、およびそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  8. 前記コーティングの厚みが、5〜200nm、好ましくは10〜100nmであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  9. 前記顔料のサイズが、2〜500μm、好ましくは5〜200μmであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  10. 前記コーティングされた顔料の全厚みが、80〜550nm、好ましくは100nm〜350nmであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1項に定義された導電性顔料。
  11. 少なくとも1種の導電性材料の少なくとも1種のコーティングを強磁性の出発原料の顔料に塗布するが、ここで、前記導電性材料が、金属もしくは金属合金であるかまたはそれらを含み、または、前記導電性材料が、導電性ポリマーもしくは導電性ポリマーを含むプラスチック材料であるかまたはそれらを含むことを特徴とする、導電性顔料を製造するためのプロセス。
  12. 前記強磁性の出発原料の顔料が、1種または複数の金属または金属複合体を含むかまたはそれらからなり、それらが、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、上述の金属を含む合金、δ−FeOOH、EuS、CrO、CuMnAl、およびそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項11に定義された導電性顔料を製造するためのプロセス。
  13. 前記出発原料の顔料が、鉄顔料であることを特徴とする、請求項11または請求項12に定義されたプロセス。
  14. 前記鉄顔料が、カルボニル鉄粉体を摩砕することにより得られることを特徴とする、請求項13に定義されたプロセス。
  15. 前記鉄顔料が、平面的な支持材料の上へ鉄の膜をPVD堆積させ、それに続けて前記鉄の膜を微粉砕することにより得られることを特徴とする、請求項13に定義されたプロセス。
  16. 前記鉄顔料が、導電性コーティングの塗布の前に脱脂されることを特徴とする、請求項13〜15のいずれか1項に定義されたプロセス。
  17. 前記脱脂が、有機溶媒、好ましくはエタノール中の水酸化ナトリウムを用いて前記鉄顔料を処理することにより実施されることを特徴とする、請求項16に定義されたプロセス。
  18. 前記導電性材料が、還元剤の存在下または非存在下で、無電流析出による化学的湿式プロセスにより塗布されることを特徴とする、請求項11〜17のいずれか1項に定義されたプロセス。
  19. 前記導電性材料が、流動床プロセスにおいて気相から鉄顔料に塗布されることを特徴とする、請求項11〜17のいずれか1項に定義されたプロセス。
  20. 前記導電性材料が、まず還元剤の非存在下に無電流析出により塗布され、次いで還元剤を用いて還元されることを特徴とする、請求項11〜17のいずれか1項に定義されたプロセス。
  21. 前記還元剤が、ヒドラジン、アルデヒド、メタノール、エタノール、糖、次亜リン酸塩、ホルムアルデヒド、およびそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項18または請求項20に定義されたプロセス。
  22. 前記金属または金属合金が、ロジウム、ニッケル、銀、混合物、およびそれらの合金からなる群より選択されることを特徴とする、請求項11〜21のいずれか1項に定義されたプロセス。
  23. 前記導電性ポリマーが、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン、およびそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする、請求項11〜21のいずれか1項に定義されたプロセス。
  24. 前記導電性顔料が、球状であるか、および/または微小板の形態であることを特徴とする、請求項11〜23のいずれか1項に定義されたプロセス。
  25. 顔料混合物であって、前記顔料混合物が、請求項1〜10のいずれか1項に定義された微小板状タイプおよび球状の導電性顔料の混合物を含むことを特徴とする顔料混合物。
  26. 導電性コーティングおよび/または導電性物体における、請求項1〜10のいずれか1項に定義された導電性顔料、または請求項25に定義された顔料混合物の使用。
  27. 電磁線からの遮蔽効果を得るためのコーティングまたは物体における、請求項1〜10のいずれか1項に定義された導電性顔料、または請求項25に定義された顔料混合物の使用。
  28. 磁場および/または電場を印加することにより、導電性顔料を所望の方向に配向させることが可能な、インテリジェントスイッチまたはコーティングにおける、請求項1〜10のいずれか1項に定義された導電性顔料、または請求項25に定義された顔料混合物の使用。
  29. 物体であって、前記物体が、請求項1〜10のいずれか1項に定義された導電性顔料、または請求項25に定義された顔料混合物を含むおよび/またはそれらからなることを特徴とする、物体。
  30. 前記物体が、セキュリティ要素、セキュリティ書類、セキュリティ物体、または透明材料であることを特徴とする、請求項29に定義された物体。
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