JP2017220469A - Thermoelectric conversion material and method of producing thermoelectric conversion material - Google Patents

Thermoelectric conversion material and method of producing thermoelectric conversion material Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric conversion material suitable for an improvement in thermoelectric conversion performance.SOLUTION: A thermoelectric conversion material has a porous structure including a conductive polymer compound, the ratio of gaps in the porous structure being 60 vol.% or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、熱電変換材料及び熱電変換材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a method for producing the thermoelectric conversion material.

無機材料を用いた熱電変換材料の研究では、主に、ビスマスやテルルといったレアメタルを用い、材料の種類と合金の結晶構造を変えることで熱電変換効率の上昇を試みる探索が行われ(例えば非特許文献1等)、レアメタルを用いない無機材料の熱電変換材料(例えば非特許文献2等)も報告されている。
また、無機材料を用いた熱電変換材料については、材料をナノスケールの細線にすることによるゼーベック係数の増大(例えば非特許文献3等)、ラットリング効果による熱電変換効率の向上(例えば非特許文献4等)に関する報告もされている。
さらに、特許文献1には、アルミニウムの多孔質陽極酸化皮膜を有する基板上に、無機酸化物半導体を主成分として含有し且つ空隙構造を有する熱電変換層を積層してなる熱電変換素子が開示されている。
In research on thermoelectric conversion materials using inorganic materials, a search for increasing thermoelectric conversion efficiency by using rare metals such as bismuth and tellurium and changing the type of material and the crystal structure of the alloy is conducted (for example, non-patented). Reference 1), inorganic thermoelectric conversion materials that do not use rare metals (for example, Non-Patent Document 2) have also been reported.
In addition, for thermoelectric conversion materials using inorganic materials, the Seebeck coefficient is increased by making the material nanoscale fine wires (for example, Non-Patent Document 3), and the thermoelectric conversion efficiency is improved by the rattling effect (for example, Non-Patent Documents). 4 etc.) is also reported.
Furthermore, Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion element in which a thermoelectric conversion layer containing an inorganic oxide semiconductor as a main component and having a void structure is laminated on a substrate having an aluminum porous anodic oxide film. ing.

一方、有機材料を用いた熱電変換材料の研究では、主に、導電性高分子化合物の薄膜において、高分子化合物の種類を変えることで熱電変換効率の上昇を試みる探索が行われている(例えば非特許文献5等)。
また、特許文献2には、中空粒子と導電性高分子とを含有する熱電変換層を備える熱電変換素子が開示され、特許文献3には、π共役系導電性高分子および水を含む混合溶液を霧化して混合溶液の微粒子を基板に付着させて乾燥させる熱電変換材料の製造方法が開示されている。
On the other hand, in the research of thermoelectric conversion materials using organic materials, mainly in thin films of conductive polymer compounds, search for trying to increase thermoelectric conversion efficiency by changing the type of polymer compound has been performed (for example, Non-patent document 5).
Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion element including a thermoelectric conversion layer containing hollow particles and a conductive polymer, and Patent Document 3 discloses a mixed solution containing a π-conjugated conductive polymer and water. A method for manufacturing a thermoelectric conversion material is disclosed in which the fine particles of a mixed solution are attached to a substrate and dried by atomization.

国際公開第2013/058327号International Publication No. 2013/058327 特開2015−38961号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-38961 特開2016−1711号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2006-1711

Science, 320, 634-638 (2008) .Science, 320, 634-638 (2008). Nature, 508, 373-377 (2014).Nature, 508, 373-377 (2014). Adv. Mater., 19, 1043-1053 (2007).Adv. Mater., 19, 1043-1053 (2007). Appl. Phys. Lett., 73, 178-180 (1998).Appl. Phys. Lett., 73, 178-180 (1998). Energy Environ. Sci. 6, 788-792 (2013).Energy Environ. Sci. 6, 788-792 (2013).

前記の通り、有機材料を用いた熱電変換材料の研究は、主に、導電性高分子化合物の薄膜について行われている。しかし、導電性高分子化合物の薄膜は、一般的に薄く、かつ、熱伝導率が高いことにより、薄膜の両面に温度差をつけても熱が伝わりやすいため、高い熱電変換性能を実現することは難しい。   As described above, research on thermoelectric conversion materials using organic materials is mainly performed on thin films of conductive polymer compounds. However, thin films of conductive polymer compounds are generally thin and have high thermal conductivity, so that heat can be transferred easily even if there is a temperature difference on both sides of the thin film, so high thermoelectric conversion performance must be realized. Is difficult.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。
即ち、本発明の課題は、熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料及び熱電変換材料の製造方法を提供することである。
The present invention has been made in view of the above circumstances.
That is, the subject of this invention is providing the manufacturing method of the thermoelectric conversion material suitable for improvement of the thermoelectric conversion performance, and the thermoelectric conversion material.

本発明者等は鋭意検討した結果、熱電変換材料の多孔構造における空隙の割合を60体積%以上とすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、上記課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problem can be solved by setting the void ratio in the porous structure of the thermoelectric conversion material to 60% by volume or more, and have completed the present invention.
That is, specific means for solving the above problems include the following aspects.

<1> 導電性高分子化合物を含む多孔構造を有し、
前記多孔構造における空隙の割合が60体積%以上である熱電変換材料。
<2> 前記空隙の数平均径は300μm以下である<1>に記載の熱電変換材料。
<1> It has a porous structure containing a conductive polymer compound,
A thermoelectric conversion material having a void ratio in the porous structure of 60% by volume or more.
<2> The thermoelectric conversion material according to <1>, wherein the number average diameter of the voids is 300 μm or less.

<3> 前記導電性高分子化合物を含む組成物の凍結乾燥体である<1>又は<2>に記載の熱電変換材料。
<4> 前記導電性高分子化合物が繊維状である<1>〜<3>のいずれか1つに記載の熱電変換材料。
<5> 前記空隙の割合が90体積%以上である<3>又は<4>に記載の熱電変換材料。
<6> 前記空隙の数平均径は100μm以上220μm以下である<3>〜<5>のいずれか1つに記載の熱電変換材料。
<3> The thermoelectric conversion material according to <1> or <2>, which is a lyophilized product of the composition containing the conductive polymer compound.
<4> The thermoelectric conversion material according to any one of <1> to <3>, wherein the conductive polymer compound is fibrous.
<5> The thermoelectric conversion material according to <3> or <4>, wherein the void ratio is 90% by volume or more.
<6> The thermoelectric conversion material according to any one of <3> to <5>, wherein the number average diameter of the voids is 100 μm or more and 220 μm or less.

<7> 前記導電性高分子化合物を含む組成物の発泡体である<1>又は<2>に記載の熱電変換材料。
<8> 前記空隙の数平均径は15μm以上100μm以下である<7>に記載の熱電変換材料。
<7> The thermoelectric conversion material according to <1> or <2>, which is a foam of a composition containing the conductive polymer compound.
<8> The thermoelectric conversion material according to <7>, wherein the number average diameter of the voids is 15 μm or more and 100 μm or less.

<9> 導電性高分子化合物と溶媒とを含む凍結乾燥用組成物を凍結する凍結工程と、
凍結された前記凍結乾燥用組成物を乾燥し、空隙の割合が60体積%以上の多孔構造を形成する乾燥工程と、
を有する熱電変換材料の製造方法。
<10> 前記凍結工程は、液体窒素により前記凍結乾燥用組成物を凍結する工程である、<9>に記載の熱電変換材料の製造方法。
<11> 導電性高分子化合物と発泡剤とを含む発泡用組成物中の前記発泡剤を発泡させて気泡を生成し、空隙の割合が60体積%以上の多孔構造を形成する発泡工程を備えた熱電変換材料の製造方法。
<12> 前記発泡剤は超臨界二酸化炭素である<11>に記載の熱電変換材料の製造方法。
<9> A freezing step of freezing a composition for freeze-drying comprising a conductive polymer compound and a solvent;
Drying the frozen composition for lyophilization to form a porous structure having a void ratio of 60% by volume or more;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion material which has this.
<10> The method for producing a thermoelectric conversion material according to <9>, wherein the freezing step is a step of freezing the freeze-dried composition with liquid nitrogen.
<11> A foaming step of foaming the foaming agent in the foaming composition containing a conductive polymer compound and a foaming agent to form bubbles and forming a porous structure having a void ratio of 60% by volume or more is provided. A method for producing a thermoelectric conversion material.
<12> The method for producing a thermoelectric conversion material according to <11>, wherein the foaming agent is supercritical carbon dioxide.

本発明によれば、熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料及び熱電変換材料の製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the thermoelectric conversion material suitable for improvement of the thermoelectric conversion performance and the thermoelectric conversion material is provided.

本発明の実施形態における凍結乾燥体の一例について断面を観測して得られたSEM画像である。It is a SEM image obtained by observing a section about an example of a freeze-dried body in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における凍結乾燥体の他の一例について断面を観測して得られたSEM画像である。It is a SEM image obtained by observing a section about other examples of a freeze-drying object in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における発泡体の一例について断面を観測して得られたSEM画像である。It is a SEM image obtained by observing a section about an example of a foam in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における発泡体の他の一例について断面を観測して得られたSEM画像である。It is a SEM image obtained by observing a section about other examples of a foam in an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について説明する。
本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

〔熱電変換材料〕
本実施形態の熱電変換材料は、導電性高分子化合物を含む多孔構造を有し、前記多孔構造における空隙の割合(以下「空隙率」ともいう)が60体積%以上である。
本実施形態では、上記構成とすることより、熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料が得られる。
導電性高分子化合物を用いた材料において、例えば導電性の向上を目的とする場合、空隙が多くなりすぎると導電率が下がりやすいため、空隙を減らすことで材料の性能を向上させようとすることが一般的である。しかし、本発明者らは、熱電変換材料に関しては、むしろ空隙率を60体積%以上にまで高い値にすることで、熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料が得られることを見出した。
[Thermoelectric conversion material]
The thermoelectric conversion material of this embodiment has a porous structure containing a conductive polymer compound, and the ratio of voids in the porous structure (hereinafter also referred to as “void ratio”) is 60% by volume or more.
In this embodiment, the thermoelectric conversion material suitable for the improvement of thermoelectric conversion performance is obtained by setting it as the said structure.
In a material using a conductive polymer compound, for example, when the purpose is to improve conductivity, the conductivity tends to decrease if the number of voids increases too much, so try to improve the performance of the material by reducing the voids Is common. However, the present inventors have found that a thermoelectric conversion material suitable for improving the thermoelectric conversion performance can be obtained by setting the porosity to a value as high as 60% by volume or more.

ここで、「空隙」とは、室温(25℃)において固体又は液体である物質が存在しない領域を言う。なお、空隙には気体が存在してもよい。
つまり、空隙は、真空の領域又は気体が充填された領域であるため、導電性高分子化合物を含む固形部(つまり、空隙以外の領域)に比べて熱伝導率が低い。そして本実施形態の熱電変換材料は、空隙率の低いものと比べて熱伝導率の低い空隙を多く含むため、熱電変換材料全体としての熱伝導率も低くなる。
熱電変換材料では、ゼーベック係数が大きく、導電率が高く、かつ、熱伝導率が低いほど、熱電変換性能が高くなる。そして本実施形態の熱電変換材料は、例えばキャスト膜のように空隙を有さない熱電変換材料や、空隙率の小さい熱電変換材料に比べて熱伝導率が低い。そのため本実施形態の熱電変換材料では、熱伝導率の低い熱電変換材料に比べて、熱電変換性能の向上に適していると考えられる。
Here, the “void” refers to a region where there is no solid or liquid substance at room temperature (25 ° C.). A gas may be present in the gap.
In other words, since the void is a vacuum region or a region filled with gas, the thermal conductivity is lower than that of a solid portion containing a conductive polymer compound (that is, a region other than the void). And since the thermoelectric conversion material of this embodiment contains many space | gap with low heat conductivity compared with the thing with a low porosity, the heat conductivity as the whole thermoelectric conversion material also becomes low.
In the thermoelectric conversion material, the higher the Seebeck coefficient, the higher the electrical conductivity, and the lower the thermal conductivity, the higher the thermoelectric conversion performance. And the thermoelectric conversion material of this embodiment has low heat conductivity compared with the thermoelectric conversion material which does not have a space | gap, for example like a cast film, and the thermoelectric conversion material with a small porosity. Therefore, it is considered that the thermoelectric conversion material of the present embodiment is suitable for improving the thermoelectric conversion performance as compared with the thermoelectric conversion material having low thermal conductivity.

その上、本実施形態の熱電変換材料は、空隙を多く含むため、空隙を含まない同じ質量の導電性高分子化合物の薄膜(例えばキャスト膜)に比べて、膜厚を厚くすることができる。したがって、本実施形態の熱電変換材料は、同じ質量の導電性高分子化合物を用い、かつ、空隙率の低い熱電変換材料に比べて、熱伝導率が低く、かつ、厚いことにより、両面に温度差をつけても熱が伝わりにくい(すなわち断熱性が高い)。そして、熱電変換材料の断熱性が高いと、温度差が維持されやすいため、より熱電変換材料として適していると考えられる。   In addition, since the thermoelectric conversion material of this embodiment includes many voids, it can be made thicker than a thin film (for example, cast film) of a conductive polymer compound having the same mass and not including voids. Therefore, the thermoelectric conversion material of the present embodiment uses the same mass of the conductive polymer compound, and has a low thermal conductivity and a high temperature compared to the thermoelectric conversion material with a low porosity, and thus the temperature on both sides. Even if it makes a difference, it is difficult for heat to be transmitted (that is, heat insulation is high). And since the temperature difference is easy to be maintained when the heat insulation property of the thermoelectric conversion material is high, it is considered that it is more suitable as a thermoelectric conversion material.

なお、空隙としては、例えば、後述する凍結乾燥体における溶媒除去痕のほか、後述する発泡体における気泡痕等が挙げられる。
空隙率の測定及び算出方法は、以下の通りである。具体的には、まず、試料をミクロトームにより切断し、その断面を走査型電子顕微鏡(SEM、JEOL社製、型番:JSM−6510)によって100〜1500倍で撮影し、SEM画像を得て、SEM画像から多孔構造を有することを確認する。次に、得られたSEM画像を画像解析ソフト(pickmap32−2.4)により二値化し、空隙の面積と固形部の面積とを求め、その割合から空隙率を算出する。
なお、空隙率としては、例えば、60体積%以上99.7体積%以下が好ましい。
In addition, as a space | gap, the bubble trace in the foam mentioned later other than the solvent removal trace in the freeze-dried body mentioned later is mentioned, for example.
The method for measuring and calculating the porosity is as follows. Specifically, first, the sample was cut with a microtome, and the cross section was photographed at 100 to 1500 times with a scanning electron microscope (SEM, manufactured by JEOL, model number: JSM-6510) to obtain an SEM image. It confirms that it has a porous structure from an image. Next, the obtained SEM image is binarized by image analysis software (pickmap 32-2.4), the void area and the solid portion area are obtained, and the void ratio is calculated from the ratio.
In addition, as a porosity, 60 volume% or more and 99.7 volume% or less are preferable, for example.

空隙の数平均径としては、例えば300μm以下が好ましい。空隙率を高くすると、空隙率の低いものに比べて熱電変換材料全体としてのゼーベック係数及び導電率が下がる場合があるが、空隙の数平均径を小さくすることでゼーベック係数の低下及び導電率の低下が抑制される。その理由は定かではないが、径の大きい空隙は導電性高分子化合物の導電パスを阻害しやすいが、空隙の数平均径を小さくすることで、導電性高分子化合物の導電パスの数が増え、ゼーベック係数の低下及び導電率の低下が抑制され、より熱電変換性能の向上に適していると推測される。   The number average diameter of the voids is preferably, for example, 300 μm or less. When the porosity is increased, the Seebeck coefficient and conductivity of the thermoelectric conversion material as a whole may be lower than those with a low porosity, but by reducing the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient is decreased and the conductivity is decreased. Reduction is suppressed. The reason for this is not clear, but voids with a large diameter tend to obstruct the conductive path of the conductive polymer compound, but reducing the number average diameter of the voids increases the number of conductive paths of the conductive polymer compound. The decrease in Seebeck coefficient and the decrease in conductivity are suppressed, and it is presumed that the Seebeck coefficient is more suitable for improving the thermoelectric conversion performance.

空隙の数平均径の測定及び算出方法は、以下の通りである。具体的には、まず、上記空隙率の測定と同様に、試料をミクロトームにより切断した断面のSEM画像を得る。次に、得られたSEM画像を、画像解析ソフト(Image J)により粒子解析を行い、空隙の数平均径(具体的には、500〜1000個の空隙における径の数平均)を算出する。
なお、空隙が円形ではない場合、空隙と面積が等しい円の径を算出し、その値を「径」とする。
なお、空隙の数平均径としては、ゼーベック係数の低下抑制及び導電率の低下抑制の観点から、10μm以上250μm以下が好ましく、15μm以上220μm以下がより好ましく、15μm以上200μm以下がさらに好ましく18μm以上150μm以下が特に好ましい。
The method for measuring and calculating the number average diameter of the voids is as follows. Specifically, first, similarly to the measurement of the porosity, an SEM image of a cross section obtained by cutting the sample with a microtome is obtained. Next, the obtained SEM image is subjected to particle analysis using image analysis software (Image J), and the number average diameter of voids (specifically, the number average of diameters in 500 to 1000 voids) is calculated.
When the gap is not circular, the diameter of a circle having the same area as the gap is calculated, and the value is defined as “diameter”.
The number average diameter of the voids is preferably 10 μm or more and 250 μm or less, more preferably 15 μm or more and 220 μm or less, further preferably 15 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 18 μm or more and 150 μm, from the viewpoint of suppressing the decrease in Seebeck coefficient and the decrease in conductivity. The following are particularly preferred:

本明細書中において、「導電性高分子化合物」とは、ドーパントによるドーピング(すなわち、少量の電子受容性物質又は電子供与物質の添加)によって導電性を示す高分子化合物を言う。
導電性高分子化合物としては、例えば共役系高分子化合物が挙げられ、具体的には、例えば、ポリアセチレン等の脂肪族共役系高分子化合物、ポリ(p−フェニレン)等の芳香族共役系高分子化合物、ポリ(p−フェニレンビニレン)等の混合型共役系高分子化合物、ポリピロール及びポリチオフェン等の複素環共役系高分子化合物、ポリアニリン等の含ヘテロ原子共役系高分子化合物、並びにこれらの誘導体等が挙げられる。これらの導電性高分子化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In this specification, the “conductive polymer compound” refers to a polymer compound that exhibits conductivity by doping with a dopant (that is, addition of a small amount of an electron-accepting substance or an electron-donating substance).
Examples of the conductive polymer compound include conjugated polymer compounds. Specifically, for example, aliphatic conjugated polymer compounds such as polyacetylene, and aromatic conjugated polymers such as poly (p-phenylene). Compounds, mixed conjugated polymer compounds such as poly (p-phenylene vinylene), heterocyclic conjugated polymer compounds such as polypyrrole and polythiophene, heteroatom-conjugated polymer compounds such as polyaniline, and derivatives thereof Can be mentioned. These conductive polymer compounds may be used alone or in combination of two or more.

これらの中でも、導電性高分子化合物としては、熱電変換性能の観点から、複素環共役系高分子化合物及び含ヘテロ原子共役系高分子化合物等のヘテロ原子を有する高分子化合物が好ましい。
また、ヘテロ原子を有する高分子化合物としては、ポリチオフェン系高分子化合物、ポリアニリン系高分子化合物、ポリピロール系高分子化合物が好ましい。
ポリチオフェン系高分子化合物の具体例としては、ポリチオフェン、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリ(3−チオフェン−β−エタンスルホン酸)、ポリアルキレンジオキシチオフェン等が挙げられる。また、ポリアルキレンジオキシチオフェンとしては、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン(以下「PEDOT」ともいう)、ポリプロピレンジオキシチオフェン、ポリ(エチレン/プロピレン)ジオキシチオフェン等が挙げられる。
ポリアニリン系高分子化合物の具体例としては、ポリアニリン、ポリメチルアニリン、ポリメトキシアニリン等が挙げられる。
ポリピロール系高分子化合物の具体例としては、ポリピロール、ポリ3−メチルピロール、ポリ3−オクチルピロール等が挙げられる。
Among these, the conductive polymer compound is preferably a polymer compound having a hetero atom such as a heterocyclic conjugated polymer compound or a heteroatom-containing conjugated polymer compound from the viewpoint of thermoelectric conversion performance.
The polymer compound having a hetero atom is preferably a polythiophene polymer compound, a polyaniline polymer compound, or a polypyrrole polymer compound.
Specific examples of the polythiophene polymer compound include polythiophene, poly (3-alkylthiophene), poly (3-thiophene-β-ethanesulfonic acid), polyalkylenedioxythiophene, and the like. Examples of the polyalkylene dioxythiophene include polyethylene dioxythiophene (hereinafter also referred to as “PEDOT”), polypropylene dioxythiophene, poly (ethylene / propylene) dioxythiophene, and the like.
Specific examples of the polyaniline polymer compound include polyaniline, polymethylaniline, polymethoxyaniline and the like.
Specific examples of the polypyrrole-based polymer compound include polypyrrole, poly-3-methylpyrrole, poly-3-octylpyrrole and the like.

これらの中でも、導電性高分子化合物としては、硫黄原子を有する高分子化合物が好ましく、ポリチオフェン系高分子化合物がより好ましく、ポリアルキレンジオキシチオフェンがさらに好ましく、PEDOTが特に好ましい。   Among these, as the conductive polymer compound, a polymer compound having a sulfur atom is preferable, a polythiophene-based polymer compound is more preferable, polyalkylenedioxythiophene is further preferable, and PEDOT is particularly preferable.

導電性高分子化合物の重量平均分子量は、導電性高分子化合物の種類によっても異なり、特に限定されないが、例えば1000以上200000以下が挙げられる。また、PEDOTの重量平均分子量としては、例えば1000以上2500以下が挙げられる。
なお、上記重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定された値である。
The weight average molecular weight of the conductive polymer compound varies depending on the type of the conductive polymer compound and is not particularly limited, and examples thereof include 1000 or more and 200,000 or less. Moreover, as a weight average molecular weight of PEDOT, 1000 or more and 2500 or less are mentioned, for example.
The weight average molecular weight is a value measured by gel permeation chromatography (GPC).

熱電変換材料は、導電性高分子化合物に導電性を付与するドーパントを含んでもよい。
ドーパントとしては、例えばポリアニオン等が挙げられる。ポリアニオンの具体例としては、例えば、ポリビニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イオン(以下「PSS」ともいう)、ポリアリルスルホン酸イオン、ポリアクリル酸エチルスルホン酸イオン、ポリアクリル酸ブチルスルホン酸イオン、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸イオン、ポリイソプレンスルホン酸イオン等のスルホ基を有する重合体のポリアニオンのほか、ポリビニルカルボン酸イオン、ポリスチレンカルボン酸イオン、ポリアリルカルボン酸イオン、ポリアクリルカルボン酸イオン、ポリメタクリルカルボン酸イオン、ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンカルボン酸イオン、ポリイソプレンカルボン酸イオン、ポリアクリル酸イオン等が挙げられる。
なお、ポリアニオンは、単独重合体のイオンであってもよく、共重合体のイオンであってもよく、ポリアニオンの重量平均分子量としては、例えば5000以上150000以下が挙げられる。
The thermoelectric conversion material may include a dopant that imparts conductivity to the conductive polymer compound.
Examples of the dopant include polyanions. Specific examples of the polyanion include, for example, polyvinyl sulfonate ion, polystyrene sulfonate ion (hereinafter also referred to as “PSS”), polyallyl sulfonate ion, polyacrylate ethyl sulfonate ion, polybutyl acrylate ion, In addition to polyanions of polymers having sulfo groups such as 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonate ion and polyisoprene sulfonate ion, polyvinyl carboxylate ion, polystyrene carboxylate ion, polyallyl carboxylate ion, polyacryl carboxyl Acid ions, polymethacrylic acid ions, poly-2-acrylamido-2-methylpropanecarboxylic acid ions, polyisoprenecarboxylic acid ions, polyacrylic acid ions and the like can be mentioned.
The polyanion may be a homopolymer ion or a copolymer ion, and the weight average molecular weight of the polyanion is, for example, from 5000 to 150,000.

また、ドーパントとして、その他にも、4−フッ化ホウ酸イオン(BF )、p−トルエンスルホン酸イオン(以下「TOS」ともいう)、アントラキノン−2−スルホン酸イオン、トリイソプロピルナフタレンスルホン酸イオン、ポリビニルスルホン酸イオン、アルキルベンゼンスルホン酸イオン(例えばドデシルベンゼンスルホン酸イオン等)、アルキルスルホン酸イオン、カンファースルホン酸イオン等のスルホン酸イオンのほか、n−プロピルリン酸イオン、過塩素酸イオン(ClO )、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF )、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドイオン(以下「BTFMSI」ともいう)、塩化鉄イオン(FeCl )、塩化金イオン(AuCl )、塩化物イオン(Cl)、硫化物イオン(SO 2ー)、ヨウ素イオン、リン酸イオン等が挙げられる。 Further, as a dopant, Besides, 4- tetrafluoroborate ion (BF 4 over), (hereinafter also referred to as "TOS") p-toluenesulfonic acid ion, an anthraquinone-2-sulfonic acid ion, triisopropyl naphthalene sulfonic acid Ions, polyvinyl sulfonate ions, alkylbenzene sulfonate ions (for example, dodecylbenzene sulfonate ions, etc.), sulfonate ions such as alkyl sulfonate ions, camphor sulfonate ions, n-propyl phosphate ions, perchlorate ions ( ClO 4 over), hexafluorophosphate ion (PF 6 chromatography), bis (also referred to as a trifluoromethanesulfonyl) imide ion (hereinafter "BTFMSI"), iron chloride ions (FeCl 4 over), gold chloride ions (AuCl 4 over), chloride ion (Cl chromatography), sulfides Lee ON (SO 4 2- ), iodine ion, phosphate ion, and the like.

導電性高分子化合物100質量部に対するドーパントの添加量は、導電性高分子化合物及びドーパントの種類によっても異なるが、例えば100質量部以上1000質量部以下が挙げられる。特に、導電性高分子化合物がPEDOTであり、かつ、ドーパントがPSSである場合、導電性高分子化合物100質量部に対するドーパントの添加量は、熱電変換材料の導電率向上の観点から、250質量部以上600質量部以下が好ましい。   Although the addition amount of the dopant with respect to 100 mass parts of conductive polymer compounds changes with kinds of a conductive polymer compound and a dopant, 100 mass parts or more and 1000 mass parts or less are mentioned, for example. In particular, when the conductive polymer compound is PEDOT and the dopant is PSS, the amount of dopant added to 100 parts by mass of the conductive polymer compound is 250 parts by mass from the viewpoint of improving the conductivity of the thermoelectric conversion material. The amount is preferably 600 parts by mass or less.

導電性高分子化合物とドーパントとの組み合わせとしては、例えば、ポリチオフェン−ClO、ポリチオフェン−BF、ポリチオフェン−PF、ポリチオフェン−FeCl、ポリチオフェン−AuCl、ポリチオフェン−ヨウ素、ポリ(3−アルキルチオフェン)−ClO、ポリ(3−アルキルチオフェン)−BF、ポリ(3−アルキルチオフェン)−PF、ポリ(3−アルキルチオフェン)−FeCl、ポリ(3−アルキルチオフェン)−AuCl、ポリ(3−アルキルチオフェン)−ヨウ素、PEDOT−PSS、PEDOT−TOS、PEDOT−BTFMSI、PEDOT−ClO、PEDOT−BF、PEDOT−PF、PEDOT−Cl、PEDOT−SO、ポリアニリン−アルキルベンゼンスルホン酸、ポリアニリン−カンファースルホン酸、ポリアニリン−Cl、ポリアニリン−SO、ポリアニリン−リン酸、ポリピロール−ClO、ポリピロール−BF、ポリピロール−PF、ポリピロール−FeCl、ポリピロール−AuCl、ポリピロール−アルキルベンゼンスルホン酸、ポリピロール−ヨウ素等が挙げられる。 Examples of the combination of the conductive polymer compound and the dopant include, for example, polythiophene-ClO 4 , polythiophene-BF 4 , polythiophene-PF 6 , polythiophene-FeCl 4 , polythiophene-AuCl 4 , polythiophene-iodine, poly (3-alkylthiophene). ) -ClO 4 , poly (3-alkylthiophene) -BF 4 , poly (3-alkylthiophene) -PF 6 , poly (3-alkylthiophene) -FeCl 4 , poly (3-alkylthiophene) -AuCl 4 , poly (3-alkylthiophene) - iodine, PEDOT-PSS, PEDOT-TOS , PEDOT-BTFMSI, PEDOT-ClO 4, PEDOT-BF 4, PEDOT-PF 6, PEDOT-Cl, PEDOT-SO 4, polyaniline - alkylbenzene Sulfonic acid, polyaniline-camphorsulfonic acid, polyaniline-Cl, polyaniline-SO 4 , polyaniline-phosphoric acid, polypyrrole-ClO 4 , polypyrrole-BF 4 , polypyrrole-PF 6 , polypyrrole-FeCl 4 , polypyrrole-AuCl 4 , polypyrrole— Examples thereof include alkylbenzenesulfonic acid and polypyrrole-iodine.

上記の組み合わせの中でも、導電性高分子化合物とドーパントとの好ましい組み合わせとしては、熱電変換性能の観点から、共役系高分子化合物がポリチオフェン系高分子化合物であり、かつ、ドーパントがスルホ基を有する重合体のポリアニオン及びスルホン酸イオンの少なくとも一種である組み合わせが挙げられる。また、これらの中でも、導電性高分子化合物とドーパントとのより好ましい組み合わせとしては、PEDOT−PSS、PEDOT−TOS、PEDOT−BTFMSI、PEDOT−ClO、PEDOT−BF、PEDOT−PFが挙げられ、さらに好ましくはPEDOT−PSS、PEDOT−TOSであり、特に好ましくはPEDOT−PSSである。 Among the above combinations, as a preferable combination of the conductive polymer compound and the dopant, from the viewpoint of thermoelectric conversion performance, the conjugated polymer compound is a polythiophene polymer compound, and the dopant has a sulfo group-containing heavy compound. A combination which is at least one of a combined polyanion and sulfonate ion is exemplified. Among these, more preferable combinations of the conductive polymer compound and the dopant include PEDOT-PSS, PEDOT-TOS, PEDOT-BTFMSI, PEDOT-ClO 4 , PEDOT-BF 4 , and PEDOT-PF 6. More preferred are PEDOT-PSS and PEDOT-TOS, and particularly preferred is PEDOT-PSS.

熱電変換材料は、導電性高分子化合物及びドーパント以外に、添加剤としてその他の成分を含んでもよい。
その他の成分としては、例えば、導電性高分子化合物の二次ドーパント、フィラー(無機粒子、金属単体粒子、有機系粒子等)等が挙げられる。
The thermoelectric conversion material may contain other components as additives in addition to the conductive polymer compound and the dopant.
Examples of other components include secondary dopants of conductive polymer compounds, fillers (inorganic particles, simple metal particles, organic particles, etc.), and the like.

導電性高分子化合物の二次ドーパントとしては、例えば、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
熱電変換材料が上記二次ドーパントを含む場合、導電性高分子化合物100質量部に対する二次ドーパントの添加量は、導電性高分子化合物及び二次ドーパントの種類や組み合わせによっても異なるが、例えば10000質量部以上20000質量部以下の範囲が挙げられる。
Examples of the secondary dopant of the conductive polymer compound include ethylene glycol and dimethyl sulfoxide.
When the thermoelectric conversion material contains the secondary dopant, the addition amount of the secondary dopant with respect to 100 parts by mass of the conductive polymer compound varies depending on the type and combination of the conductive polymer compound and the secondary dopant. A range of not less than 200 parts and not more than 20000 parts by mass is exemplified.

熱電変換材料の形状は、使用目的に応じて適宜選択され、特に限定されるものではないが、例えば膜状のもの等が挙げられる。熱電変換材料が膜状である場合、厚みとしては、例えば、1μm以上3000μm以下が挙げられ、断熱性の観点から、200μm以上3000μm以下が好ましく、1000μm以上3000μm以下がより好ましい。   The shape of the thermoelectric conversion material is appropriately selected according to the purpose of use, and is not particularly limited, and examples thereof include a film-like material. When the thermoelectric conversion material is in the form of a film, the thickness is, for example, from 1 μm to 3000 μm, and from the viewpoint of heat insulation, it is preferably from 200 μm to 3000 μm, and more preferably from 1000 μm to 3000 μm.

本実施形態の熱電変換材料としては、例えば、前記導電性高分子化合物を含む組成物の凍結乾燥体(以下単に「凍結乾燥体」ともいう)又は前記導電性高分子化合物を含む組成物の発泡体(以下単に「発泡体」ともいう)が挙げられる。
凍結乾燥体又は発泡体であり、かつ、空隙率を前記範囲とすることで、ゼーベック係数及び導電率を維持しつつ、断熱性が高くなるため、熱電変換性能の向上に適している。
As the thermoelectric conversion material of the present embodiment, for example, a freeze-dried composition (hereinafter also simply referred to as “lyophilized product”) containing the conductive polymer compound or foaming of the composition containing the conductive polymer compound is used. Body (hereinafter also simply referred to as “foam”).
It is a lyophilized product or a foamed product, and by setting the porosity to the above range, the heat insulating property is enhanced while maintaining the Seebeck coefficient and the electrical conductivity, so that it is suitable for improving the thermoelectric conversion performance.

例えば、導電性高分子化合物と中空粒子とを混合して得られた多孔質の薄膜では、中空粒子の中空部のみを「空隙」として利用しており、高い空隙率の実現は難しい。特に、中空粒子として導電性高分子化合物以外の材料で形成されたものを用いた場合、空隙率を高くするほど、固形部における導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量が下がるため、ゼーベック係数及び導電率も下がりやすい。それに比べて凍結乾燥体及び発泡体では、高い空隙率を実現しやすく、かつ、固形部における導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量の低下も抑制されるため、ゼーベック係数及び導電率を維持しつつ、断熱性を高められる。   For example, in a porous thin film obtained by mixing a conductive polymer compound and hollow particles, only the hollow portions of the hollow particles are used as “voids”, and it is difficult to achieve a high porosity. In particular, when a hollow particle made of a material other than the conductive polymer compound is used, the higher the porosity, the lower the total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part. In addition, the conductivity tends to decrease. Compared to that, freeze-dried products and foams can easily achieve a high porosity and also maintain the Seebeck coefficient and conductivity because the total content of the conductive polymer compound and dopant in the solid part is suppressed. However, the heat insulation can be improved.

なお、多孔構造の固形部における導電性高分子化合物の含有量としては、例えば20質量%以上が挙げられ、ゼーベック係数の低下抑制及び導電率の低下抑制の観点から、25質量%以上が好ましく、30質量%以上がさらに好ましい。
また、多孔構造の固形部における、導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量としては、例えば70質量%以上が挙げられ、ゼーベック係数の低下抑制及び導電率の低下抑制の観点から、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がさらに好ましい。
以下、本実施形態における熱電変換材料の一例として、凍結乾燥体及び発泡体についてそれぞれ説明する。
In addition, the content of the conductive polymer compound in the solid part of the porous structure includes, for example, 20% by mass or more. From the viewpoint of suppressing the decrease in Seebeck coefficient and suppressing the decrease in conductivity, 25% by mass or more is preferable. 30 mass% or more is more preferable.
The total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part of the porous structure is, for example, 70% by mass or more, and 90% by mass from the viewpoint of suppressing the decrease in Seebeck coefficient and the conductivity. The above is preferable, and 95% by mass or more is more preferable.
Hereinafter, a freeze-dried body and a foamed body will be described as examples of the thermoelectric conversion material in the present embodiment.

<凍結乾燥体>
凍結乾燥体は、導電性高分子化合物を含む組成物(熱電変換材料がドーパントを含む場合は、導電性高分子化合物及びドーパントを含む組成物)が凍結乾燥されたものである。凍結乾燥体の一例を図1及び図2に示す。図1は、液体窒素を用いた凍結によって得られた凍結乾燥体の断面SEM画像であり、図2は、−20℃での凍結によって得られた凍結乾燥体の断面SEM画像である。
図1及び図2に示されるように、凍結乾燥体の形態としては、例えば、繊維状の導電性高分子化合物が集まった綿状構造体が挙げられる。
<Freeze dried product>
The freeze-dried product is obtained by freeze-drying a composition containing a conductive polymer compound (a composition containing a conductive polymer compound and a dopant when the thermoelectric conversion material contains a dopant). An example of a freeze-dried product is shown in FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional SEM image of a lyophilized product obtained by freezing with liquid nitrogen, and FIG. 2 is a cross-sectional SEM image of a lyophilized product obtained by freezing at −20 ° C.
As shown in FIGS. 1 and 2, examples of the form of the lyophilized body include a cotton-like structure in which fibrous conductive polymer compounds are collected.

凍結乾燥体における空隙率は、断熱性の観点から、80体積%以上99.7体積%以下が好ましく、90体積%以上99.7体積%以下がより好ましく、95体積%以上99.5体積%以下がさらに好ましい。
凍結乾燥体における空隙率の制御は、例えば、後述する凍結乾燥用組成物全体に対する導電性高分子化合物の含有量、凍結温度、凍結工程における降温速度等の調整によって行われる。また、空隙率は、既述の方法により求められる。
The porosity in the freeze-dried body is preferably 80% by volume or more and 99.7% by volume or less, more preferably 90% by volume or more and 99.7% by volume or less, and 95% by volume or more and 99.5% by volume from the viewpoint of heat insulation. The following is more preferable.
Control of the porosity in the lyophilized body is performed, for example, by adjusting the content of the conductive polymer compound, the freezing temperature, the temperature lowering rate in the freezing step, etc. with respect to the entire composition for lyophilization described later. The porosity is determined by the method described above.

凍結乾燥体における空隙の数平均径は、特に限定されないが、例えば300μm以下が挙げられ、ゼーベック係数の低下抑制及び導電率の低下抑制の観点から、80μm以上250μm以下が好ましく、100μm以上220μm以下がより好ましく、100μm以上200μm以下がさらに好ましく、110μm以上150μm以下が特に好ましい。
凍結乾燥体における空隙の数平均径の制御は、例えば、後述する凍結乾燥用組成物全体に対する導電性高分子化合物の含有量、凍結温度、凍結工程における降温速度等の調整によって行われる。また、数平均径は、既述の方法により求められる。
The number average diameter of the voids in the lyophilized product is not particularly limited, and examples thereof include 300 μm or less. From the viewpoint of suppressing Seebeck coefficient decrease and conductivity decrease, 80 μm or more and 250 μm or less are preferable, and 100 μm or more and 220 μm or less are preferable. More preferably, it is 100 μm or more and 200 μm or less, and particularly preferably 110 μm or more and 150 μm or less.
Control of the number average diameter of the voids in the lyophilized body is performed, for example, by adjusting the content of the conductive polymer compound in the entire composition for lyophilization described later, the freezing temperature, the temperature-decreasing rate in the freezing step, and the like. The number average diameter is obtained by the method described above.

凍結乾燥体に含まれる導電性高分子化合物としては、例えば、前述の導電性高分子化合物が挙げられ、好ましい導電性高分子化合物の種類も前述の通りである。
凍結乾燥体の多孔構造の固形部における、導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。
特に凍結乾燥体は、凍結及び乾燥の工程を経ることで、添加剤を添加しなくても得られることから、固形部における導電性高分子化合物及びドーパント以外の成分(添加剤)の含有量を少なくしやすい。そして、固形部における導電性高分子化合物の含有量を高くすることで、空隙率を上げて断熱性を高めても、ゼーベック係数の低下及び導電率の低下が抑制されると考えられる。
また凍結乾燥体は、導電性高分子化合物を含む組成物が凍結乾燥される過程において、導電性高分子化合物が配向しやすいと考えられ、導電性高分子化合物が配向することで、空隙率を上げて断熱性を高めても、導電率の低下が抑制されると推測される。
Examples of the conductive polymer compound contained in the lyophilized product include the above-described conductive polymer compounds, and preferred types of conductive polymer compounds are also as described above.
The total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part of the porous structure of the lyophilized body is preferably 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass or more.
In particular, a freeze-dried product can be obtained without adding an additive by undergoing freezing and drying steps, so the content of components (additives) other than the conductive polymer compound and the dopant in the solid part can be reduced. Easy to reduce. And even if it raises the porosity and raises heat insulation by raising content of the conductive polymer compound in a solid part, it is thought that the fall of Seebeck coefficient and the fall of conductivity are controlled.
The freeze-dried product is considered to be easily oriented in the process in which the composition containing the conductive polymer compound is lyophilized, and the porosity is reduced by the orientation of the conductive polymer compound. Even if it raises and heat insulation is improved, it is estimated that the fall of electrical conductivity is suppressed.

−凍結乾燥体の製造方法−
凍結乾燥体である熱電変換材料は、例えば、導電性高分子化合物と溶媒とを含む凍結乾燥用組成物を凍結する凍結工程と、凍結された凍結乾燥用組成物を乾燥する乾燥工程と、を経ることで得られる。
-Method for producing freeze-dried product-
The thermoelectric conversion material that is a freeze-dried product includes, for example, a freezing step of freezing a freeze-drying composition containing a conductive polymer compound and a solvent, and a drying step of drying the frozen freeze-drying composition. It is obtained by going through.

(凍結乾燥用組成物)
凍結乾燥用組成物は、少なくとも導電性高分子化合物と溶媒とを含み、必要に応じてドーパントのほか、その他の添加物等を含んでもよい。ただし、得られた凍結乾燥体の固形部における導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量を多くする観点からは、その他の添加物が少ないほど好ましく、その他の添加物を添加しないことがより好ましい。
(Composition for lyophilization)
The composition for lyophilization contains at least a conductive polymer compound and a solvent, and may contain other additives in addition to a dopant as necessary. However, from the viewpoint of increasing the total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part of the obtained lyophilized product, the smaller the other additives, the more preferable, and the addition of no other additives is more preferable. .

凍結乾燥用組成物に用いる導電性高分子化合物及びドーパントとしては、前述の導電性高分子化合物及びドーパントが挙げられる。
凍結乾燥用組成物に用いる溶媒としては、水、ジメチルスルホキシド等が挙げられ、その中でも水が好ましい。
必要に応じて凍結乾燥用組成物に用いられる添加剤としては、例えば、導電性高分子化合物の二次ドーパント(例えば、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド等)、フィラー(無機粒子、金属単体粒子、有機系粒子等)等が挙げられる。
Examples of the conductive polymer compound and the dopant used for the freeze-drying composition include the aforementioned conductive polymer compound and dopant.
Examples of the solvent used for the freeze-drying composition include water, dimethyl sulfoxide and the like, and among them, water is preferable.
Additives used in the lyophilization composition as necessary include, for example, secondary dopants (for example, ethylene glycol, dimethyl sulfoxide, etc.) of conductive polymer compounds, fillers (inorganic particles, single metal particles, organic systems). Particles) and the like.

溶媒を含む凍結乾燥用組成物全体に対する導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量としては、例えば0.2質量%以上1.3質量%以下が挙げられ、空隙の数平均径を小さくする観点から、0.2質量%以上0.7質量%以下が好ましく、0.2質量%以上0.5質量%以下がより好ましい。
また、添加剤として上記二次ドーパントを用いる場合、導電性高分子化合物及びドーパントの合計100質量部に対する二次ドーパントの添加量としては、例えば100質量部以上500質量部以下の範囲が挙げられる。
Examples of the total content of the conductive polymer compound and the dopant with respect to the entire composition for lyophilization including the solvent include 0.2% by mass or more and 1.3% by mass or less, and the viewpoint of reducing the number average diameter of the voids. Therefore, 0.2 mass% or more and 0.7 mass% or less are preferable, and 0.2 mass% or more and 0.5 mass% or less are more preferable.
Moreover, when using the said secondary dopant as an additive, as an addition amount of the secondary dopant with respect to a total of 100 mass parts of an electroconductive polymer compound and a dopant, the range of 100 mass parts or more and 500 mass parts or less is mentioned, for example.

(凍結工程)
凍結工程では、上記凍結乾燥用組成物を凍結することで、固体の凍結乾燥用組成物を得る。具体的には、例えば、凍結乾燥用組成物を容器(例えばスクリュー管、シャーレ等)に入れた状態で凍結させる。凍結工程において用いられる容器の大きさ及び形状は、目的とする凍結乾燥体の形状に応じて適宜選択される。
(Freezing process)
In the freezing step, the lyophilized composition is frozen to obtain a solid lyophilized composition. Specifically, for example, the freeze-dried composition is frozen in a state where it is put in a container (for example, a screw tube, a petri dish or the like). The size and shape of the container used in the freezing step are appropriately selected according to the shape of the intended lyophilized body.

凍結温度は、凍結乾燥用組成物の凝固点よりも低い温度であれば限定されないが、例えば−10℃以下が挙げられ、−20℃以下が好ましく、−40℃以下がより好ましく、−100℃以下がさらに好ましく、−150℃以下が特に好ましい。凍結温度の下限値は特に限定されないが、例えば−270℃以上が挙げられ、−200℃以上が好ましい。
なお、上記凍結温度は、凍結工程における凍結乾燥用組成物の環境温度であり、凍結乾燥用組成物自体の温度が上記凍結温度に到達している必要はない。
The freezing temperature is not limited as long as it is lower than the freezing point of the composition for lyophilization, and examples thereof include −10 ° C. or lower, preferably −20 ° C. or lower, more preferably −40 ° C. or lower, and −100 ° C. or lower. Is more preferable, and −150 ° C. or lower is particularly preferable. Although the lower limit of freezing temperature is not specifically limited, For example, -270 degreeC or more is mentioned, -200 degreeC or more is preferable.
The freezing temperature is the environmental temperature of the freeze-drying composition in the freezing step, and the temperature of the freeze-drying composition itself does not have to reach the freezing temperature.

凍結方法としては、例えば、凍結乾燥用組成物を上記凍結温度に設定した冷凍庫で凍結させる方法、凍結乾燥用組成物を液体窒素に浸漬させる方法等が挙げられる。その中でも、凍結乾燥用組成物を液体窒素に浸漬させる方法により凍結を行うことが好ましく、それにより導電率の高い凍結乾燥体が得られやすくなる。その理由は定かではないが、凍結温度が低いことにより、凍結乾燥用組成物の降温速度が速くなり、繊維状の固形部が細く密なネットワークを形成することにより、導電性高分子化合物の導電パスが多く形成されるためと推測される。
凍結工程における凍結乾燥用組成物の降温速度としては、例えば、0.025℃/s以上25℃/s以下が挙げられ、20℃/s以上25℃/s以下が好ましい。
Examples of the freezing method include a method of freezing the freeze-dried composition in a freezer set at the freezing temperature, a method of immersing the freeze-dried composition in liquid nitrogen, and the like. Among these, it is preferable to perform freezing by a method of immersing the composition for freeze-drying in liquid nitrogen, which makes it easy to obtain a freeze-dried product having high conductivity. The reason for this is not clear, but because the freezing temperature is low, the temperature-decreasing rate of the composition for lyophilization is increased, and the fibrous solid part forms a fine and dense network. This is probably because many paths are formed.
As a temperature fall rate of the composition for freeze-drying in a freezing process, 0.025 degreeC / s or more and 25 degrees C / s or less are mentioned, for example, 20 degrees C / s or more and 25 degrees C / s or less are preferable.

凍結時間(すなわち、凍結乾燥用組成物を上記凍結温度の環境下におく時間)は、特に限定されず、凍結温度にもよって異なる。凍結時間としては、例えば、液体窒素を用いた凍結においては5秒以上30秒以下の範囲が挙げられ、凍結温度を−20℃に設定した冷凍庫での凍結においては1200秒以上6000秒以下の範囲が挙げられる。   The freezing time (that is, the time during which the composition for freeze-drying is placed in the environment of the freezing temperature) is not particularly limited, and varies depending on the freezing temperature. Examples of the freezing time include a range of 5 seconds to 30 seconds in freezing using liquid nitrogen, and a range of 1200 seconds to 6000 seconds in freezing in a freezer whose freezing temperature is set to −20 ° C. Is mentioned.

(乾燥工程)
乾燥工程では、凍結工程で得られた固体の凍結乾燥用組成物(すなわち、凍結された凍結乾燥用組成物)を乾燥することで、凍結乾燥用組成物から溶媒を除去する。具体的には、例えば、固体の凍結乾燥用組成物を減圧下におき、凍結乾燥用組成物に含まれる溶媒を昇華させることで除去する。
なお、乾燥工程では、減圧下で乾燥を行ってもよく、減圧せずに大気圧下で乾燥を行ってもよい。
乾燥工程におけるゲージ圧力(大気圧との差)としては、例えば−0.1MPa(G)以上0MPa(G)以下が挙げられる。
また、乾燥工程における温度としては、例えば20℃以上50℃以下が挙げられる。
なお、乾燥工程は、複数の段階を経て凍結乾燥用組成物を乾燥させる工程であってもよい。複数の段階を経る乾燥工程としては、例えば、凍結乾燥用組成物から気化された溶媒を凝結させて捕集する一次乾燥工程と、一次乾燥工程を経た凍結乾燥用組成物に残留した溶媒を除去する二次乾燥工程と、を経る乾燥工程等が挙げられる。
(Drying process)
In the drying step, the solid lyophilized composition obtained in the freezing step (that is, the frozen lyophilized composition) is dried to remove the solvent from the lyophilized composition. Specifically, for example, a solid lyophilization composition is placed under reduced pressure, and the solvent contained in the lyophilization composition is removed by sublimation.
In the drying step, drying may be performed under reduced pressure, or drying may be performed under atmospheric pressure without reducing pressure.
Examples of the gauge pressure (difference from atmospheric pressure) in the drying step include −0.1 MPa (G) or more and 0 MPa (G) or less.
Moreover, as temperature in a drying process, 20 degreeC or more and 50 degrees C or less are mentioned, for example.
The drying process may be a process of drying the freeze-drying composition through a plurality of stages. As the drying process that passes through multiple stages, for example, a primary drying process that condenses and collects the solvent evaporated from the freeze-drying composition, and a solvent that remains in the freeze-drying composition that has undergone the primary drying process is removed. Secondary drying process to be performed, and a drying process passing through.

<発泡体>
発泡体は、導電性高分子化合物を含む組成物(熱電変換材料がドーパントを含む場合は、導電性高分子化合物及びドーパントを含む組成物)が気泡を含む状態で固化したものである。発泡体の一例を図3及び図4に示す。図3は、発泡剤として炭酸水素ナトリウムを用い160℃に加熱して発泡させた発泡体の断面SEM画像であり、図4は、発泡剤としてアゾジカルボンアミドを用い160℃に加熱して発泡させた発泡体の断面SEM画像である。
発泡体の形態としては、例えば、独立気泡を含む形態のほか、連続気泡を含む形態が挙げられる。発泡体である熱電変換材料としては、断熱性と導電性とを両立させる観点から、独立気泡を含む形態であることが好ましい。
<Foam>
The foam is obtained by solidifying a composition containing a conductive polymer compound (in the case where the thermoelectric conversion material contains a dopant, a composition containing the conductive polymer compound and the dopant) containing bubbles. An example of the foam is shown in FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional SEM image of a foam foamed by heating to 160 ° C. using sodium bicarbonate as a foaming agent, and FIG. 4 is foamed by heating to 160 ° C. using azodicarbonamide as the foaming agent. 2 is a cross-sectional SEM image of a foam.
As a form of a foam, the form containing an open cell other than the form containing a closed cell is mentioned, for example. As a thermoelectric conversion material which is a foam, it is preferable that it is a form containing a closed cell from a viewpoint of making heat insulation and electroconductivity compatible.

発泡体の多孔構造における空隙率は、60体積%以上であり、断熱性、導電率、及び膜強度の観点から、60体積%以上90体積%以下が好ましく、60体積%以上70体積%以下がより好ましく、60体積%以上65体積%以下がさらに好ましい。
発泡体における空隙率の制御は、例えば、後述する発泡用組成物に添加する発泡剤の種類、発泡用組成物全体に対する発泡剤の含有量、発泡温度、発泡時間等の調整によって行われる。また、空隙率は、既述の方法により求められる。
The porosity in the porous structure of the foam is 60% by volume or more, and preferably 60% by volume or more and 90% by volume or less, and preferably 60% by volume or more and 70% by volume or less from the viewpoint of heat insulation, electrical conductivity, and film strength. More preferably, it is 60 volume% or more and 65 volume% or less.
The porosity of the foam is controlled, for example, by adjusting the type of foaming agent added to the foaming composition to be described later, the foaming agent content relative to the entire foaming composition, the foaming temperature, the foaming time, and the like. The porosity is determined by the method described above.

発泡体における空隙の数平均径は、特に限定されないが、例えば300μm以下が挙げられ、ゼーベック係数の低下抑制及び導電率の低下抑制の観点から、10μm以上150μm以下が好ましく、15μm以上100μm以下がより好ましく、15μm以上30μm以下がさらに好ましい。
発泡体における空隙の数平均径の制御は、例えば、後述する発泡用組成物に添加する発泡剤の種類、発泡用組成物全体に対する発泡剤の含有量、発泡温度、発泡時間等の調整によって行われる。また、数平均径は、既述の方法により求められる値である。
Although the number average diameter of the voids in the foam is not particularly limited, for example, 300 μm or less can be mentioned. From the viewpoint of suppressing the decrease in Seebeck coefficient and the decrease in conductivity, it is preferably 10 μm or more and 150 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 100 μm or less. Preferably, it is 15 μm or more and 30 μm or less.
The number average diameter of the voids in the foam is controlled by adjusting, for example, the type of foaming agent added to the foaming composition to be described later, the foaming agent content relative to the entire foaming composition, the foaming temperature, the foaming time, and the like. Is called. The number average diameter is a value determined by the method described above.

発泡体に含まれる導電性高分子化合物としては、例えば、前述の導電性高分子化合物が挙げられ、好ましい導電性高分子化合物の種類も前述の通りである。
また、発泡体がドーパントを含む場合、ドーパントとしては、例えば前述のドーパントが挙げられ、導電性高分子化合物とドーパントとの好ましい組み合わせも前述の通りである。
発泡体の固形部における、導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量は、70質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましく、95質量%以上がさらに好ましい。
なお、発泡体は、導電性高分子化合物を含む組成物中に気泡が生成する過程において、導電性高分子化合物が特定の方向に延伸されることにより、導電性高分子化合物が配向したものが得られやすいと考えられる。そのため、発泡体は、空隙率を上げて断熱性を高めても、導電率の低下が抑制されると推測される。
Examples of the conductive polymer compound contained in the foam include the above-described conductive polymer compounds, and preferred types of conductive polymer compounds are also as described above.
Moreover, when a foam contains a dopant, as a dopant, the above-mentioned dopant is mentioned, for example, The preferable combination of a conductive polymer compound and a dopant is also as above-mentioned.
The total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part of the foam is preferably 70% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and still more preferably 95% by mass or more.
In addition, the foam is a material in which the conductive polymer compound is oriented by stretching the conductive polymer compound in a specific direction in the process of generating bubbles in the composition containing the conductive polymer compound. It is thought that it is easy to obtain. Therefore, even if a foam raises the porosity and improves heat insulation, it is estimated that the fall of electrical conductivity is suppressed.

−発泡体の製造方法−
発泡体である熱電変換材料は、例えば、導電性高分子化合物と発泡剤とを含む発泡用組成物中において、発泡剤を発泡させて気泡を生成する発泡工程を経ることで得られる。
なお、目的の発泡体である熱電変換材料がドーパントを含む場合は、発泡用組成物は、導電性高分子化合物とドーパントと発泡剤とを少なくとも含む。
-Method for producing foam-
The thermoelectric conversion material that is a foam is obtained, for example, by passing through a foaming step in which a foaming agent is foamed to generate bubbles in a foaming composition containing a conductive polymer compound and a foaming agent.
In addition, when the thermoelectric conversion material which is the target foam contains a dopant, the foaming composition contains at least a conductive polymer compound, a dopant, and a foaming agent.

(発泡剤)
発泡剤は、化学発泡剤でもよく、物理発泡剤でもよい。
化学発泡剤としては、例えば、有機系の熱分解型発泡剤、有機系の反応型発泡剤、無機系の熱分解型発泡剤、無機系の反応型発泡剤等が挙げられるが、導電性高分子化合物のゼーベック係数の低下及び導電率の低下を抑制する観点から、有機系の熱分解型発泡剤及び無機系の熱分解型発泡剤が好ましい。
有機系の熱分解型発泡剤としては、例えば、アゾジカーボンアミド(以下「ADCA」ともいう)、N,N’−ジニトロペンタメチレンテトラミン、ベンゼンスルホニルホドラジド、トルエンスルホニルヒドラジド、4,4’−オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド等が挙げられる。
無機系の熱分解型発泡剤としては、例えば、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩;炭酸アンモニウム等の炭酸塩;亜硝酸ナトリウム等の亜硝酸塩;等が挙げられる。
物理発泡剤としては、例えば、炭化水素等の液化ガス;超臨界二酸化炭素、超臨界窒素等の超臨界流体;等が挙げられる。
(Foaming agent)
The foaming agent may be a chemical foaming agent or a physical foaming agent.
Examples of the chemical foaming agent include organic pyrolytic foaming agents, organic reactive foaming agents, inorganic pyrolytic foaming agents, inorganic reactive foaming agents, and the like. From the viewpoint of suppressing a decrease in Seebeck coefficient and electrical conductivity of the molecular compound, an organic pyrolytic foaming agent and an inorganic pyrolytic foaming agent are preferable.
Examples of the organic pyrolytic foaming agent include azodicarbonamide (hereinafter also referred to as “ADCA”), N, N′-dinitropentamethylenetetramine, benzenesulfonylhydrazide, toluenesulfonylhydrazide, 4,4 ′. -Oxybisbenzenesulfonyl hydrazide etc. are mentioned.
Examples of the inorganic pyrolytic foaming agent include hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate and ammonium hydrogen carbonate; carbonates such as ammonium carbonate; nitrites such as sodium nitrite; and the like.
Examples of the physical foaming agent include liquefied gases such as hydrocarbons; supercritical fluids such as supercritical carbon dioxide and supercritical nitrogen; and the like.

発泡体の固形部における、導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量を多くする観点からは、発泡剤は、物理発泡剤が好ましく、その中でも超臨界流体がより好ましく、超臨界二酸化炭素がさらに好ましい。
また、発泡体における空隙率を高くする観点から、発泡剤は超臨界流体が好ましく、超臨界二酸化炭素がより好ましい。発泡剤として超臨界流体を用いた場合、高圧下で発泡剤を導電性高分子化合物に溶解させることで、大量の発泡剤が導電性高分子化合物に浸透しやすく、空隙率の高い発泡体が得られやすいと考えられる。
また、発泡体における空隙率及び空隙の数平均径を制御しやすいという観点からは、発泡剤は、炭酸水素ナトリウム、ADCA、超臨界二酸化炭素が好ましい。
以下、発泡体の製造方法の一例として、発泡剤として炭酸水素ナトリウム等の化学発泡剤を用いる場合、及び発泡剤として超臨界二酸化炭素を用いる場合について、それぞれ説明する。
From the viewpoint of increasing the total content of the conductive polymer compound and the dopant in the solid part of the foam, the foaming agent is preferably a physical foaming agent, more preferably a supercritical fluid, and more preferably supercritical carbon dioxide. preferable.
From the viewpoint of increasing the porosity in the foam, the foaming agent is preferably a supercritical fluid, and more preferably supercritical carbon dioxide. When a supercritical fluid is used as a foaming agent, a foam with a high porosity can be obtained by dissolving a foaming agent in a conductive polymer compound under high pressure so that a large amount of the foaming agent can easily penetrate into the conductive polymer compound. It is thought that it is easy to obtain.
From the viewpoint of easily controlling the porosity and the number average diameter of the voids in the foam, the foaming agent is preferably sodium hydrogen carbonate, ADCA, or supercritical carbon dioxide.
Hereinafter, as an example of the foam production method, a case where a chemical foaming agent such as sodium hydrogen carbonate is used as the foaming agent and a case where supercritical carbon dioxide is used as the foaming agent will be described.

(化学発泡剤を用いた発泡体の製造方法)
発泡剤として化学発泡剤を用いた場合、発泡体の製造方法としては、導電性高分子化合物と(必要に応じてドーパントと)化学発泡剤とを含む発泡用組成物を準備し、例えば加熱等によって発泡用組成物に含まれる化学発泡剤を発泡させ、発泡体を得る方法が挙げられる。
発泡用組成物としては、例えば、導電性高分子化合物と(必要に応じてドーパントと)化学発泡剤と溶媒とを含む混合液を基材に塗布して塗布層を形成し、塗布層を乾燥させて溶媒を除去することで得られたものが挙げられる。
(Method for producing foam using chemical foaming agent)
When a chemical foaming agent is used as the foaming agent, the foam production method includes preparing a foaming composition containing a conductive polymer compound and a chemical foaming agent (and a dopant if necessary), for example, heating. The method of foaming the chemical foaming agent contained in the foaming composition to obtain a foam is mentioned.
As the foaming composition, for example, a coating solution is formed by applying a mixed liquid containing a conductive polymer compound, a dopant (if necessary), a chemical foaming agent, and a solvent to a base material, and then drying the coating layer. And the solvent obtained by removing the solvent.

なお、発泡工程に用いる発泡用組成物が溶媒を含んでいてもよい。具体的には、例えば、導電性高分子化合物と(必要に応じてドーパントと)化学発泡剤と溶媒とを含む混合液を基材に塗布して塗布層を形成し、塗布層から溶媒を除去していく過程において、塗布層を発泡用組成物として加熱することで発泡剤を発泡させてもよい。   In addition, the foaming composition used for a foaming process may contain the solvent. Specifically, for example, a coating liquid is formed by applying a mixed liquid containing a conductive polymer compound, (optionally a dopant) and a chemical foaming agent and a solvent to a substrate, and then removing the solvent from the coating layer. During the process, the foaming agent may be foamed by heating the coating layer as a foaming composition.

上記混合液に用いられる溶媒は、導電性高分子化合物及び発泡剤の種類等に応じて適宜選択されるが、例えば、水、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒、これらの混合物等が挙げられる。
上記混合液は、必要に応じてその他の添加剤を含んでもよい。その他の添加剤としては、例えば、導電性高分子化合物の二次ドーパント(例えば、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド等)、発泡助剤(尿素、酢酸亜鉛等)、フィラー(無機粒子、金属単体粒子、有機系粒子等)等が挙げられる。
Although the solvent used for the said liquid mixture is suitably selected according to the kind etc. of a conductive polymer compound and a foaming agent, Organic solvents, such as water and a dimethylsulfoxide, these mixtures etc. are mentioned, for example.
The mixed solution may contain other additives as necessary. Other additives include, for example, secondary dopants for conductive polymer compounds (for example, ethylene glycol, dimethyl sulfoxide, etc.), foaming aids (urea, zinc acetate, etc.), fillers (inorganic particles, single metal particles, organic materials) System particles, etc.).

混合液全体に対する導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量としては、例えば0.5質量%以上1.7質量%以下が挙げられ、1.0質量%以上1.7質量%以下が好ましく、1.0質量%以上1.3質量%以下がより好ましい。
導電性高分子化合物及びドーパントの合計100質量部に対する発泡剤の添加量としては、発泡剤の種類によっても異なるが、例えば25質量部以上50質量部以下の範囲が挙げられる。
なお、発泡剤を発泡させる際の加熱温度、加熱時間、及び圧力は、発泡剤の種類等によって適宜選択される。
Examples of the total content of the conductive polymer compound and the dopant with respect to the entire mixed solution include 0.5% by mass or more and 1.7% by mass or less, and preferably 1.0% by mass or more and 1.7% by mass or less. 1.0 mass% or more and 1.3 mass% or less are more preferable.
Although the amount of the foaming agent to be added relative to 100 parts by mass of the conductive polymer compound and the dopant varies depending on the type of the foaming agent, a range of 25 parts by mass to 50 parts by mass is exemplified.
The heating temperature, heating time, and pressure when foaming the foaming agent are appropriately selected depending on the type of foaming agent.

(超臨界二酸化炭素を用いた発泡体の製造方法)
発泡剤として超臨界二酸化炭素を用いた場合、発泡体の製造方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
まず、導電性高分子化合物(及び必要に応じてドーパント)を含む組成物を準備し、前記組成物を超臨界二酸化炭素環境下に置いて超臨界二酸化炭素を前記組成物に浸透させることで、導電性高分子化合物と(必要に応じてドーパントと)超臨界二酸化炭素とを含む発泡用組成物を得る。そして、圧力低下又は加熱によって、発泡用組成物に含まれる超臨界二酸化炭素を発泡させ、発泡させる。
(Method for producing foam using supercritical carbon dioxide)
When supercritical carbon dioxide is used as the foaming agent, examples of the method for producing the foam include the following methods.
First, by preparing a composition containing a conductive polymer compound (and optionally a dopant), placing the composition in a supercritical carbon dioxide environment and allowing the supercritical carbon dioxide to penetrate into the composition, A foaming composition comprising a conductive polymer compound and (optionally a dopant) and supercritical carbon dioxide is obtained. Then, the supercritical carbon dioxide contained in the foaming composition is foamed by pressure reduction or heating, and foamed.

上記導電性高分子化合物(及び必要に応じてドーパント)を含む組成物としては、例えば、導電性高分子化合物と(必要に応じてドーパントと)溶媒とを含む混合液を基材に塗布して塗布層を形成し、塗布層を乾燥させて溶媒を除去することで得られたものが挙げられる。
上記混合液に用いられる溶媒は、導電性高分子化合物及び発泡剤の種類等に応じて適宜選択されるが、例えば、水、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒、これらの混合物等が挙げられる。
上記混合液は、必要に応じてその他の添加剤を含んでもよい。その他の添加剤としては、例えば、導電性高分子化合物の二次ドーパント(例えば、エチレングリコール、ジメチルスルホキシド等)、超臨界二酸化炭素の溶解度を増大させるエントレーナー(例えば、ポリエチレングリコール等)、フィラー(無機粒子、金属単体粒子、有機系粒子等)等が挙げられる。
混合液全体に対する導電性高分子化合物及びドーパントの合計含有量としては、例えば1.0質量%以上1.7質量%以下が挙げられ、1.0質量%以上1.5質量%以下が好ましく、1.0質量%以上1.3質量%以下がより好ましい。
As a composition containing the said conductive polymer compound (and dopant as needed), for example, the liquid mixture containing a conductive polymer compound and (optionally a dopant) solvent is apply | coated to a base material. What was obtained by forming a coating layer, drying a coating layer, and removing a solvent is mentioned.
Although the solvent used for the said liquid mixture is suitably selected according to the kind etc. of a conductive polymer compound and a foaming agent, Organic solvents, such as water and a dimethylsulfoxide, these mixtures etc. are mentioned, for example.
The mixed solution may contain other additives as necessary. Examples of other additives include secondary dopants of conductive polymer compounds (for example, ethylene glycol and dimethyl sulfoxide), entrainers (for example, polyethylene glycol and the like) that increase the solubility of supercritical carbon dioxide, fillers ( Inorganic particles, simple metal particles, organic particles, etc.).
Examples of the total content of the conductive polymer compound and the dopant with respect to the entire mixture include 1.0% by mass to 1.7% by mass, preferably 1.0% by mass to 1.5% by mass, 1.0 mass% or more and 1.3 mass% or less are more preferable.

超臨界二酸化炭素環境下における圧力としては、例えば5MPa以上50MPa以下が挙げられる。また、超臨界二酸化炭素環境下における温度としては、例えば10℃以上200℃以下の範囲が挙げられる。前記組成物を超臨界二酸化炭素環境下に置く時間としては、例えば1分以上10時間以下が挙げられる。
超臨界二酸化炭素の発泡を圧力低下によって行う場合、圧力低下速度としては、例えば、0.1MPa/分以上20MPa/分以下の範囲が挙げられる。なお、圧力低下によって超臨界二酸化炭素の発泡を行う場合、圧力を低下させる前又は後に、温度を低下させる工程を経てもよい。温度を低下させる工程としては、例えば、等圧条件で急冷させる工程が挙げられ、温度低下速度としては、例えば、1℃/分以上100℃/分以下が挙げられる。
Examples of the pressure in the supercritical carbon dioxide environment include 5 MPa or more and 50 MPa or less. Moreover, as temperature in a supercritical carbon dioxide environment, the range of 10 to 200 degreeC is mentioned, for example. Examples of the time for placing the composition in a supercritical carbon dioxide environment include 1 minute to 10 hours.
When foaming of supercritical carbon dioxide is performed by reducing the pressure, examples of the pressure decreasing rate include a range of 0.1 MPa / min to 20 MPa / min. In addition, when foaming of supercritical carbon dioxide by pressure reduction, you may pass through the process of reducing temperature before or after reducing pressure. Examples of the step of lowering the temperature include a step of quenching under isobaric conditions, and examples of the temperature reduction rate include 1 ° C./min to 100 ° C./min.

<熱電変換材料の用途>
本実施形態の熱電変換材料の用途としては、例えば、温度差を利用して発電する発電機や電源等に用いられる熱電変換素子等が挙げられる。
熱電変換素子としては、例えば、基板と、基板上に形成され本実施形態の熱電変換材料からなる熱電変換層と、電極と、含む熱電変換素子等が挙げられる。
<Uses of thermoelectric conversion materials>
As a use of the thermoelectric conversion material of this embodiment, the thermoelectric conversion element used for the generator, power supply, etc. which generate electric power using a temperature difference is mentioned, for example.
Examples of the thermoelectric conversion element include a substrate, a thermoelectric conversion layer formed on the substrate and made of the thermoelectric conversion material of the present embodiment, an electrode, and the like.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist thereof.

本実施例における、空隙率及び空隙の数平均径の測定及び算出方法は前述の通りである。
また、本実施形態における、ゼーベック係数、熱伝導率、及び導電率の測定方法、並びにこれらの算出方法は以下の通りである。
The method for measuring and calculating the porosity and the number average diameter of the voids in this example are as described above.
In addition, the method for measuring the Seebeck coefficient, thermal conductivity, and conductivity and the calculation method thereof in this embodiment are as follows.

−ゼーベック係数及び導電率−
得られた熱電変換材料に、導電性接着剤(藤倉化成社製、ドータイト)を用いて電極を2つ形成した試料(電極間距離:5mm)を用いて、熱起電力測定及び電流−電圧測定(I−V測定)を行った。
具体的には、実験チャンバーとして、PFEIFFER社製の真空装置TSH071E(ダイアフラムポンプとターボポンプを組み合わせたもの)を用い、チャンバー中の真空度を10−5Paまで到達させた。岩谷産業社製クライオミニコンプレッサーCA112型とLakeshore社製の温度制御装置Model331を用いて、試料を乗せたステージ上の温度コントロールを行った。また、試料の高温側の温度を制御するヒーターとしてCHINO社製の温度制御装置DB1000を用いてチャンバー内を加熱しながら電気物性を測定した。なお、冷凍機の振動が試料を乗せたステージに伝わらないように除振台を用いた。
-Seebeck coefficient and conductivity-
Thermoelectric force measurement and current-voltage measurement using a sample (distance between electrodes: 5 mm) in which two electrodes are formed on the obtained thermoelectric conversion material using a conductive adhesive (manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd., Dotite). (IV measurement) was performed.
Specifically, a vacuum apparatus TSH071E (combination of a diaphragm pump and a turbo pump) manufactured by PFEIFFER was used as an experimental chamber, and the degree of vacuum in the chamber was reached to 10 −5 Pa. Temperature control on the stage on which the sample was placed was performed using a cryomini compressor CA112 manufactured by Iwatani Corporation and a temperature controller Model 331 manufactured by Lakeshore. Further, the electrical properties were measured while heating the inside of the chamber using a temperature control device DB1000 manufactured by CHINO as a heater for controlling the temperature on the high temperature side of the sample. A vibration isolation table was used so that the vibration of the refrigerator would not be transmitted to the stage on which the sample was placed.

電圧計として、KEITHLEY社製2182A(測定可能電圧域:1nV〜100V)を用い、2つの電極間の温度差がΔT=2K、4K、6K、及び8Kである場合における熱起電力の値を測定してプロットし、その線形性からゼーベック係数を算出した。
また、二端子法でのI−V測定装置として、KEITHLEY社製6430(測定可能電圧域:1μV〜110V、測定可能電流域:10aA〜100mA)を用いた。I−V測定の制御は、PC上のLabVIEW(National Instruments社)を用いてGP−IBケーブルを通じて行った。I−V測定から得られた抵抗値と電極間距離と試料の断面積とを用いて導電率を算出した。なお、試料の断面積は、マイクロメーターを用いて測定された試料の膜厚と、試料幅と、SEM画像の解析で求めた固形部の面積率と、を用いて算出した固形部のみの断面積とした。
As the voltmeter, 2182A manufactured by KEITHLEY (measurable voltage range: 1 nV to 100 V) is used to measure the value of the thermoelectromotive force when the temperature difference between the two electrodes is ΔT = 2K, 4K, 6K, and 8K. And the Seebeck coefficient was calculated from the linearity.
Further, 6430 (measurable voltage range: 1 μV to 110 V, measurable current range: 10 aA to 100 mA) manufactured by KEITHLEY was used as an IV measuring apparatus in the two-terminal method. The control of the IV measurement was performed through a GP-IB cable using LabVIEW (National Instruments) on a PC. The conductivity was calculated using the resistance value obtained from the IV measurement, the distance between the electrodes, and the cross-sectional area of the sample. Note that the cross-sectional area of the sample is the fraction of the solid part calculated using the thickness of the sample measured using a micrometer, the sample width, and the area ratio of the solid part obtained by analysis of the SEM image. The area.

−熱伝導率−
熱拡散率、定圧比熱容量、及び密度をそれぞれ測定し、それらの積として熱伝導率を求めた(すなわち、熱伝導率=熱拡散率×定圧比熱容量×密度)。
具体的には、熱拡散率は、測定装置としてai−Phase(日立ハイテク製)を用い、周期加熱法により測定した。
定圧比熱容量は、示差走査熱量測定装置(thermo plus DSC 8230、リガク製)を用いて測定した。標準試料は、DSC用標準試料のアルミナ(リガク製)を用いた。
密度は、体積法により測定し、固体部分及び流体部分の密度については、それぞれPEDOT:PSSキャスト膜及び空気の密度の文献値を用いた。
-Thermal conductivity-
The thermal diffusivity, the constant pressure specific heat capacity, and the density were measured, and the thermal conductivity was obtained as the product of them (ie, thermal conductivity = thermal diffusivity × constant pressure specific heat capacity × density).
Specifically, the thermal diffusivity was measured by a periodic heating method using ai-Phase (manufactured by Hitachi High-Tech) as a measuring device.
The constant pressure specific heat capacity was measured using a differential scanning calorimeter (thermo plus DSC 8230, manufactured by Rigaku). As the standard sample, the standard sample alumina for DSC (manufactured by Rigaku) was used.
The density was measured by the volume method, and the literature values of the PEDOT: PSS cast film and the air density were used for the density of the solid part and the fluid part, respectively.

〔実施例A1〕
<凍結乾燥体A1の製造>
凍結乾燥機(EYELA社製、型番:FDU−1200)を用いて、以下のようにして凍結乾燥を行った。
具体的には、PEDOT:PSS水分散液(Clevios製、PH500、固形分濃度:1.0〜1.3質量%、質量比(PEDOT(導電性高分子化合物):PSS=1:2.5))を蒸留水で5倍に希釈した分散液を、スクリュー管に入れて液体窒素に30秒浸漬することにより凍結し(凍結工程)、乾燥させることで多孔構造を形成した(乾燥工程)。
なお、凍結工程における降温速度は20℃/sであり、乾燥工程におけるゲージ圧力は−0.1MPa(G)、乾燥工程における温度は15℃であった。
得られた凍結乾燥体は、膜状で厚みが1900μmであった。
得られた凍結乾燥体をミクロトームにより切断した断面のSEM画像を図1に示す。
また、得られた凍結乾燥体について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Example A1]
<Production of freeze-dried product A1>
Using a freeze dryer (manufactured by EYELA, model number: FDU-1200), freeze drying was performed as follows.
Specifically, PEDOT: PSS aqueous dispersion (manufactured by Clevios, PH500, solid content concentration: 1.0 to 1.3% by mass, mass ratio (PEDOT (conductive polymer compound): PSS = 1: 2.5) )) Was diluted 5 times with distilled water into a screw tube and immersed in liquid nitrogen for 30 seconds to freeze (freezing step) and dried to form a porous structure (drying step).
The temperature lowering rate in the freezing step was 20 ° C./s, the gauge pressure in the drying step was −0.1 MPa (G), and the temperature in the drying step was 15 ° C.
The obtained freeze-dried product was a film and had a thickness of 1900 μm.
The SEM image of the cross section which cut | disconnected the obtained freeze-dried body with a microtome is shown in FIG.
In addition, Table 1 shows the presence / absence of the porous structure and the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the conductivity, and the thermal conductivity of the obtained lyophilized product, which were measured by the method described above.

〔実施例A2〕
<凍結乾燥体A2の製造>
凍結工程において、分散液をスクリュー管に入れて液体窒素に浸漬する代わりに、分散液をシャーレに入れて冷凍庫内で凍結させた以外は、実施例A1と同様にして、凍結乾燥体を得た。
なお、凍結工程における凍結温度は−20℃、凍結工程における凍結時間は30分、凍結工程における降温速度は0.022℃/s、乾燥工程におけるゲージ圧力は−0.1MPa(G)、乾燥工程における温度は15℃であり、得られた凍結乾燥体は、膜状で厚みが1046μmであった。
また、得られた凍結乾燥体について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Example A2]
<Production of freeze-dried product A2>
In the freezing step, a lyophilized product was obtained in the same manner as in Example A1, except that the dispersion was placed in a screw tube and immersed in liquid nitrogen, except that the dispersion was placed in a petri dish and frozen in a freezer. .
The freezing temperature in the freezing step is −20 ° C., the freezing time in the freezing step is 30 minutes, the cooling rate in the freezing step is 0.022 ° C./s, the gauge pressure in the drying step is −0.1 MPa (G), and the drying step The temperature at 15 ° C. was 15 ° C., and the obtained lyophilized product was a film and had a thickness of 1046 μm.
In addition, Table 1 shows the presence / absence of the porous structure and the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the conductivity, and the thermal conductivity of the obtained lyophilized product, which were measured by the method described above.

〔実施例A3〕
<凍結乾燥体A3の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios製、PH500)を蒸留水で2倍に希釈した以外は、実施例A2と同様にして、凍結乾燥体を得た。
なお、凍結工程における凍結温度は−20℃、凍結工程における凍結時間は30分、凍結工程における降温速度は0.022℃/s、乾燥工程におけるゲージ圧力は−0.1MPa(G)、乾燥工程における温度は15℃であった。
得られた凍結乾燥体は、膜状で厚みが1059μmであった。得られた凍結乾燥体をミクロトームにより切断した断面のSEM画像を図2に示す。
また、得られた凍結乾燥体について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Example A3]
<Production of freeze-dried product A3>
A lyophilized product was obtained in the same manner as in Example A2, except that the PEDOT: PSS aqueous dispersion (manufactured by Clevios, PH500) was diluted 2-fold with distilled water.
The freezing temperature in the freezing step is −20 ° C., the freezing time in the freezing step is 30 minutes, the cooling rate in the freezing step is 0.022 ° C./s, the gauge pressure in the drying step is −0.1 MPa (G), and the drying step The temperature at was 15 ° C.
The obtained freeze-dried product was a film and had a thickness of 1059 μm. The SEM image of the cross section which cut | disconnected the obtained freeze-dried body with a microtome is shown in FIG.
In addition, Table 1 shows the presence / absence of the porous structure and the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the conductivity, and the thermal conductivity of the obtained lyophilized product, which were measured by the method described above.

〔実施例A4〕
<凍結乾燥体A4の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios製、PH500)を蒸留水で2倍に希釈した以外は、実施例A1と同様にして、凍結乾燥体を得た。
なお、凍結工程における降温速度は20℃/sであった。
得られた凍結乾燥体について前述の方法で多孔構造の有無及び空隙率、並びに空隙の数平均径を測定したところ、多孔構造は有り、空隙率は90.0体積%、空隙の数平均径は23.5μmであった。
[Example A4]
<Production of freeze-dried product A4>
A lyophilized product was obtained in the same manner as in Example A1, except that the PEDOT: PSS aqueous dispersion (manufactured by Clevios, PH500) was diluted 2-fold with distilled water.
In addition, the temperature-fall rate in the freezing process was 20 ° C./s.
About the obtained freeze-dried product, the presence or absence of the porous structure and the porosity, and the number average diameter of the voids were measured by the method described above. As a result, there was a porous structure, the porosity was 90.0% by volume, and the number average diameter of the voids was It was 23.5 μm.

〔実施例B1〕
<発泡体B1の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios製 PH500)1mlに、炭酸水素ナトリウム(国産化学株式会社製、試薬特級)0.048gを蒸留水0.5mlに溶解したものを混合し混合液を得た。得られた混合液400μlを、ポリテトラフルオロエチレン製の基板上にキャストし、真空乾燥を行い成膜した。
得られた膜を、ゲージ圧力−0.1MPa(G)の条件下で、25℃から昇温速度5℃/分で160℃まで昇温し、160℃で5分維持することで、発泡を行った。
得られた発泡体は、膜状で厚みが100μmであり、独立気泡を含む発泡体であった。得られた発泡体をミクロトームにより切断した断面のSEM画像を図3に示す。
また、得られた発泡体について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Example B1]
<Manufacture of foam B1>
A solution obtained by mixing 0.048 g of sodium hydrogen carbonate (manufactured by Kokusan Chemical Co., Ltd., reagent special grade) in 0.5 ml of distilled water was mixed with 1 ml of PEDOT: PSS aqueous dispersion (PH500, manufactured by Clevios). 400 μl of the obtained mixed solution was cast on a polytetrafluoroethylene substrate and vacuum-dried to form a film.
The obtained film was heated from 25 ° C. to 160 ° C. at a rate of temperature increase of 5 ° C./min under a gauge pressure of −0.1 MPa (G), and maintained at 160 ° C. for 5 minutes. went.
The obtained foam was a film-like foam having a thickness of 100 μm and containing closed cells. The SEM image of the cross section which cut | disconnected the obtained foam with the microtome is shown in FIG.
In addition, Table 1 shows the presence / absence of the porous structure and the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the electrical conductivity, and the thermal conductivity of the obtained foam, as measured by the method described above.

〔実施例B2〕
<発泡体B2の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios製 PH500)1mlに、アゾジカルボンアミド(ADCA、東京化成工業株式会社製)0.01gをジメチルスルホキシド(Sigma−Aldrich製)0.25mlに溶解したものを混合し、さらに発泡助剤である尿素(和光純薬工業株式会社製、試薬特級)0.005gを溶解させ、混合液を得た。得られた混合液400μlを、ポリテトラフルオロエチレン製の基板上にキャストし、真空乾燥を行い成膜した。
得られた膜を、ゲージ圧力−0.1MPa(G)の条件下で、25℃から昇温速度5℃/分で160℃まで昇温し、160℃で5分維持することで、発泡を行った。
得られた発泡体は、膜状で厚みが100μmであり、独立気泡を含む発泡体であった。得られた発泡体をミクロトームにより切断した断面のSEM画像を図4に示す。
また、得られた発泡体について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Example B2]
<Manufacture of foam B2>
PEDOT: PSS aqueous dispersion (PH500 made by Clevios) 1 ml mixed with 0.01 g azodicarbonamide (ADCA, Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) dissolved in 0.25 ml dimethyl sulfoxide (Sigma-Aldrich), Furthermore, 0.005 g of urea (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade reagent) as a foaming aid was dissolved to obtain a mixed solution. 400 μl of the obtained mixed solution was cast on a polytetrafluoroethylene substrate and vacuum-dried to form a film.
The obtained film was heated from 25 ° C. to 160 ° C. at a rate of temperature increase of 5 ° C./min under a gauge pressure of −0.1 MPa (G), and maintained at 160 ° C. for 5 minutes. went.
The obtained foam was a film-like foam having a thickness of 100 μm and containing closed cells. The SEM image of the cross section which cut | disconnected the obtained foam with the microtome is shown in FIG.
In addition, Table 1 shows the presence / absence of the porous structure and the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the electrical conductivity, and the thermal conductivity of the obtained foam, as measured by the method described above.

〔実施例B3〕
<発泡体B3の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios PH500)1mlに、ポリエチレングリコール10000(Sigma−Aldrich製)を1質量%となるように添加し、ポリエチレングリコール10000を溶解させ、混合液を得た。得られた混合液300μlを、ポリテトラフルオロエチレン製の基板上にキャストして乾燥させ、乾燥した膜上に混合液200μlをキャストして乾燥させる工程を2回繰り返した。得られた試料を、基板から剥がし、超臨界装置(Jasco社製、型番:SCF−Get、SCF−Bpg)のサンプル容器の中に入れた。試料の入ったサンプル容器を超臨界装置のヒーターの中に入れ、ヒーターの温度を50〜100℃に設定し、1時間温めた。二酸化炭素ガスを流入し、15〜25MPaで2時間保持した。その後、0℃、15〜25MPaに等圧条件で急冷した。その後、毎分0.5MPaの速度で圧力を開放することで、発泡を行った。
得られた発泡体は、膜状で厚みが200μmであり、独立気泡を含む発泡体であった。
また、得られた発泡体は、多孔構造を有し、空隙率が60体積%以上であった。
[Example B3]
<Manufacture of foam B3>
Polyethylene glycol 10000 (manufactured by Sigma-Aldrich) was added to 1 ml of PEDOT: PSS aqueous dispersion (Clevios PH500) so as to be 1% by mass, and polyethylene glycol 10000 was dissolved to obtain a mixed solution. The step of casting 300 μl of the obtained mixed solution on a polytetrafluoroethylene substrate and drying, and casting 200 μl of the mixed solution on the dried film and drying was repeated twice. The obtained sample was peeled from the substrate and placed in a sample container of a supercritical apparatus (manufactured by Jasco, model number: SCF-Get, SCF-Bpg). The sample container containing the sample was placed in the heater of the supercritical apparatus, the heater temperature was set to 50 to 100 ° C., and the sample was warmed for 1 hour. Carbon dioxide gas was introduced and held at 15-25 MPa for 2 hours. Then, it rapidly cooled on 0 degreeC and 15-25 MPa on the isobaric conditions. Then, foaming was performed by releasing the pressure at a rate of 0.5 MPa per minute.
The obtained foam was a film-like foam having a thickness of 200 μm and containing closed cells.
Moreover, the obtained foam had a porous structure and the porosity was 60 volume% or more.

〔比較例1〕
<比較薄膜C1の製造>
PEDOT:PSS水分散液(Clevios PH500)300μlを、ポリテトラフルオロエチレン製の基板上にキャストして乾燥させ、乾燥した膜上に混合液200μlをキャストして乾燥させる工程を2回繰り返し、積層された薄膜を得た。
得られた薄膜(キャスト膜)は、厚みが200μmであった。
また、得られた薄膜について前述の方法で測定した多孔構造の有無及び空隙率、空隙の数平均径、ゼーベック係数、導電率、並びに熱伝導率を表1に示す。
[Comparative Example 1]
<Manufacture of comparative thin film C1>
The PEDOT: PSS aqueous dispersion (Clevios PH500) 300 μl is cast on a polytetrafluoroethylene substrate and dried, and the process of casting 200 μl of the mixture on the dried film and drying is repeated twice. A thin film was obtained.
The obtained thin film (cast film) had a thickness of 200 μm.
In addition, Table 1 shows the presence or absence of the porous structure, the porosity, the number average diameter of the voids, the Seebeck coefficient, the conductivity, and the thermal conductivity of the obtained thin film measured by the method described above.

以上の結果より、実施例では、比較例に比べ、熱伝導率が低く、熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料が得られている。また、特に実施例A1及び実施例B2では、他の実施例に比べて、熱伝導率を下げつつ、ゼーベック係数の低下及び導電率の低下を抑制しており、より熱電変換性能の向上に適した熱電変換材料が得られていることが分かる。   From the above results, in the example, a thermoelectric conversion material having a lower thermal conductivity than that of the comparative example and suitable for improving the thermoelectric conversion performance is obtained. In particular, in Example A1 and Example B2, the decrease in Seebeck coefficient and the decrease in conductivity are suppressed while lowering the thermal conductivity compared to the other examples, which is more suitable for improving the thermoelectric conversion performance. It can be seen that a thermoelectric conversion material is obtained.

Claims (12)

導電性高分子化合物を含む多孔構造を有し、
前記多孔構造における空隙の割合が60体積%以上である熱電変換材料。
Having a porous structure containing a conductive polymer compound;
A thermoelectric conversion material having a void ratio in the porous structure of 60% by volume or more.
前記空隙の数平均径は300μm以下である請求項1に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the number average diameter of the voids is 300 μm or less. 前記導電性高分子化合物を含む組成物の凍結乾燥体である請求項1又は請求項2に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion material is a lyophilized product of the composition containing the conductive polymer compound. 前記導電性高分子化合物が繊維状である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductive polymer compound is fibrous. 前記空隙の割合が90体積%以上である請求項3又は請求項4に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 3 or 4, wherein a ratio of the voids is 90% by volume or more. 前記空隙の数平均径は100μm以上220μm以下である請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to any one of claims 3 to 5, wherein the number average diameter of the voids is 100 µm or more and 220 µm or less. 前記導電性高分子化合物を含む組成物の発泡体である請求項1又は請求項2に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion material is a foam of a composition containing the conductive polymer compound. 前記空隙の数平均径は15μm以上100μm以下である請求項7に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 7, wherein the number average diameter of the voids is 15 μm or more and 100 μm or less. 導電性高分子化合物と溶媒とを含む凍結乾燥用組成物を凍結する凍結工程と、
凍結された前記凍結乾燥用組成物を乾燥し、空隙の割合が60体積%以上の多孔構造を形成する乾燥工程と、
を有する熱電変換材料の製造方法。
A freezing step of freezing a composition for lyophilization comprising a conductive polymer compound and a solvent;
Drying the frozen composition for lyophilization to form a porous structure having a void ratio of 60% by volume or more;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion material which has this.
前記凍結工程は、液体窒素により前記凍結乾燥用組成物を凍結する工程である、請求項9に記載の熱電変換材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric conversion material according to claim 9, wherein the freezing step is a step of freezing the composition for freeze-drying with liquid nitrogen. 導電性高分子化合物と発泡剤とを含む発泡用組成物中の前記発泡剤を発泡させて気泡を生成し、空隙の割合が60体積%以上の多孔構造を形成する発泡工程を有する熱電変換材料の製造方法。   A thermoelectric conversion material having a foaming step of forming bubbles by foaming the foaming agent in a foaming composition comprising a conductive polymer compound and a foaming agent to form a porous structure having a void ratio of 60% by volume or more Manufacturing method. 前記発泡剤は超臨界二酸化炭素である請求項11に記載の熱電変換材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric conversion material according to claim 11, wherein the foaming agent is supercritical carbon dioxide.
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