JP2525488B2 - Highly conductive polypyrrole molding - Google Patents

Highly conductive polypyrrole molding

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JP2525488B2 JP1272770A JP27277089A JP2525488B2 JP 2525488 B2 JP2525488 B2 JP 2525488B2 JP 1272770 A JP1272770 A JP 1272770A JP 27277089 A JP27277089 A JP 27277089A JP 2525488 B2 JP2525488 B2 JP 2525488B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、導電性有機材料用の高導電性ポリピロール
成形体に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a highly conductive polypyrrole molded article for a conductive organic material.

<従来の技術> 複素五員環化合物は、電解酸化重合により容易に導電
性高分子フイルムを与えるものとして最近特に注目を集
めている。電解重合時に同時にドーピングが起こり、高
い電導度を示す重合体フイルムが得られる。また、その
安定性も良好である。これら重合体は電気化学的にドー
パント量を出し入れすることが可能であり、広い範囲で
導電性をコントロールすることが出来る。従ってこれら
の性質を利用して、各種センサー,電池,エレクトロク
ロミック材料,電子デバイス,配線材料などに用いられ
る。また、極低温で金属的性質を示すことによりジョセ
フソン素子などの接合素子に用いられる。
<Prior Art> Hetero five-membered ring compounds have recently attracted a great deal of attention because they can easily give a conductive polymer film by electrolytic oxidation polymerization. Doping occurs at the same time during electrolytic polymerization to obtain a polymer film having high conductivity. Further, its stability is also good. The amount of dopant in these polymers can be electrochemically adjusted and the conductivity can be controlled in a wide range. Therefore, by utilizing these properties, they are used for various sensors, batteries, electrochromic materials, electronic devices, wiring materials, and the like. Moreover, it is used for a junction device such as a Josephson device because it exhibits metallic properties at extremely low temperatures.

電解酸化重合で得られるポリピロールは電導度と機械
的強度に優れている。
Polypyrrole obtained by electrolytic oxidation polymerization has excellent electrical conductivity and mechanical strength.

しかしながら導電材料として用いる場合は、電導度に
ついては未だ十分なレベルとは言いがたい。先に、低温
でピロールを電解重合し、得られたポリピロールを延伸
配向処理することにより著しく導電性が向上することを
見いだした。
However, when used as a conductive material, it cannot be said that the conductivity is still at a sufficient level. First, it was found that the electroconductivity of pyrrole is electropolymerized at a low temperature and the polypyrrole thus obtained is subjected to a stretch orientation treatment to remarkably improve the conductivity.

一般的にポリピロールは熱活性型なので、その電導度
の温度依存性を示す電気伝導の見かけの活性化エネルギ
ーは正を示す。すなわち、電導度は温度の低下と共に降
下する。この場合高い電導度を得る目的からすれば、低
温域での電導度の低下の少ないものが望ましい。或いは
これとは逆に温度の低下と共に電導度が上昇するものが
望ましい。
In general, polypyrrole is a heat-activated type, so that the apparent activation energy of electric conduction, which shows the temperature dependence of its electric conductivity, is positive. That is, the conductivity decreases as the temperature decreases. In this case, for the purpose of obtaining high electric conductivity, it is desirable that the electric conductivity is less reduced in the low temperature region. Alternatively, on the contrary, it is desirable that the electric conductivity increases as the temperature decreases.

<発明を解決しようとする課題> 本発明はかかる現状に鑑み成されたもので、導電性材
料として優れた特性を発揮する高導電性ポリピロール成
形体、就中フイルムを得ることを目的とするものであ
る。
<Problems to be Solved by the Invention> The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to obtain a highly conductive polypyrrole molded article that exhibits excellent properties as a conductive material, and in particular a film. Is.

<課題を解決するための手段> 本発明は、PF6 -存在下に0℃以下の温度での電解重合
により得られ、かつPF6 -を対イオンとして含有するポリ
ピロールからなり、温度が100K以下、好ましくは50K以
下に冷却されている高導電性ポリピロール成形体であ
る。かかる成形体は100K以下、好ましくは50K以下の温
度領域において電導度の温度依存性が金属的性質を示
す、結果として電導度反転温度を有することを特徴とす
る高導電性ポリピロール成形体となり、そしてかかるポ
リピロール成形体は、また、電気伝導の見かけの活性化
エネルギーが10meV以下であることを特徴とする。
<Means for Solving the Problems> The present invention comprises polypyrrole obtained by electrolytic polymerization in the presence of PF 6 − at a temperature of 0 ° C. or lower and containing PF 6 as a counter ion, and having a temperature of 100 K or lower. It is a highly conductive polypyrrole molded article that is cooled to preferably 50 K or less. Such a molded body is 100 K or less, preferably a highly conductive polypyrrole molded body characterized by having a temperature reversal temperature of conductivity in which temperature dependence of conductivity exhibits a metallic property in a temperature range of 50 K or less, and Such a polypyrrole molded article is also characterized in that the apparent activation energy of electric conduction is 10 meV or less.

ここで電導度反転温度とは、温度の低下に伴い降下す
る電導度が再び上昇する温度をいう。
Here, the electric conductivity reversal temperature means a temperature at which the electric conductivity that drops with a decrease in temperature rises again.

以下、本発明の具体的内容について、詳細に説明す
る。以下、“成形体”を代表して“フイルム”で説明す
る。
Hereinafter, specific contents of the present invention will be described in detail. The "film" will be described below as a representative of the "molded body".

本発明のポリピロールフイルムはピロールおよび/ま
たはその誘導体を必要に応じて水を含む有機溶剤を溶媒
として、電解質存在下に定電位電解重合することにより
陽極板上に析出させることにより得られる。この方法に
よると反応系に共存する陰イオンがドーパントとして取
り込まれるため、新たに電子受容性化合物をドーピング
しなくても高い導電性を発現する。
The polypyrrole film of the present invention can be obtained by depositing pyrrole and / or a derivative thereof on an anode plate by carrying out potentiostatic electropolymerization in the presence of an electrolyte using an organic solvent containing water as a solvent. According to this method, anions coexisting in the reaction system are taken in as a dopant, so that high conductivity is exhibited without newly doping an electron-accepting compound.

本発明において用いられるピロールおよびその誘導体
は、純度の高いものが好ましく、使用前蒸留精製して用
いるのが望ましい。ピロールの誘導体としては、ピロー
ル環のN位の置換体、ピロール環のβ位のモノ置換体、
β,γ位2置換体等が用いられ、具体的な例としてはピ
ロール、N−メチルピロール、N−エチルピロールなど
のN−アルキルピロール、N−フェニルピロール、3−
メチルピロールなどの3−アルキルピロール、3,4−ジ
メチルピロールなどの3,4−ジアルキルピロールなどが
挙げられる。
The pyrrole and its derivatives used in the present invention preferably have a high purity, and are preferably purified by distillation before use. As the derivative of pyrrole, a substitution product at the N position of the pyrrole ring, a mono substitution product at the β position of the pyrrole ring,
A β-, γ-position 2-substituted product or the like is used, and specific examples thereof include N-alkylpyrroles such as pyrrole, N-methylpyrrole and N-ethylpyrrole, N-phenylpyrrole, 3-
Examples thereof include 3-alkylpyrrole such as methylpyrrole, and 3,4-dialkylpyrrole such as 3,4-dimethylpyrrole.

ピロールまたはその誘導体は溶媒に対して0.0001モル
/リットル(M)〜1M、好ましくは0.001M〜0.5Mで用い
られて重合が行なわれる。
The pyrrole or its derivative is used in an amount of 0.0001 mol / liter (M) to 1 M, preferably 0.001 M to 0.5 M, relative to the solvent, to carry out the polymerization.

対イオンとして導入されるための電解質としては、ヘ
キサフルオロフォスフェートの無機酸のテトラアルキル
アンモニウム塩,アルカリ金属塩などが挙げられる。具
体的には、ヘキサフルオロフォスフェートのテトラメチ
ルアンモニウム塩,テトラエチルアンモニウム塩,テト
ラプロピルアンモニウム塩,テトラブチルアンモニウム
塩,更にリチウム塩,ナトリウム塩,カリウム塩等が挙
げられるが、これらに限定されるものではない。
Examples of the electrolyte to be introduced as a counter ion include a tetraalkylammonium salt of an inorganic acid of hexafluorophosphate, an alkali metal salt, and the like. Specific examples include hexafluorophosphate tetramethylammonium salt, tetraethylammonium salt, tetrapropylammonium salt, tetrabutylammonium salt, and further lithium salt, sodium salt, potassium salt, etc., but are not limited thereto. is not.

電解質は溶媒に対して0.0001M〜1M、好ましくは0.001
M〜0.5Mが用いられる。
The electrolyte is 0.0001M to 1M with respect to the solvent, preferably 0.001M
M-0.5M is used.

重合溶媒である有機溶媒としては、アセトニトリル,
ベンゾニトリル,ニトロベンゼン,テトラヒドロフラ
ン,ニトロメタン,プロピレンカーボネート,エチレン
カーボネート,スルホラン,ジメトキシエタン等の前記
電解質を溶解し易いものが好ましいが、必ずしもこれに
限定されない。
As the organic solvent which is a polymerization solvent, acetonitrile,
It is preferable to use a substance such as benzonitrile, nitrobenzene, tetrahydrofuran, nitromethane, propylene carbonate, ethylene carbonate, sulfolane, or dimethoxyethane, which easily dissolves the electrolyte, but is not limited thereto.

所望により使用される水の役割は電解質の効果を上
げ、ポリピロールの析出する形態を良好にするものであ
る。この使用量は使用する電解質の種類により異なり、
電解質溶液中での水の濃度は0.1Mから5M、好ましくは0.
3Mから3Mである。
The role of water, which is optionally used, enhances the effect of the electrolyte and improves the morphology of polypyrrole deposition. This amount depends on the type of electrolyte used,
The concentration of water in the electrolyte solution is 0.1M to 5M, preferably 0.
3M to 3M.

反応に用いられる陽極材料は該電極反応において欠
損,変質の伴わないものであれば汎用のもので良く、特
に限定されるものではないが、白金,金,銅,ニッケル
等の金属、またはこれらに類した導電性材料や炭素電極
等が用いられる。また、陰極の電極面積は陽極のそれよ
りも大きい方が一般的に生成するポリピロールの析出の
状態が良好である。陰極の陽極表面積に対する比率は1.
1倍以上が用いられるが、好ましくは1.5倍以上、更に好
ましくは2倍以上、特に好ましくは3倍以上である。
The anode material used in the reaction may be a general-purpose material as long as it does not cause defects or alteration in the electrode reaction, and is not particularly limited, but may be a metal such as platinum, gold, copper, nickel, or the like. A similar conductive material or carbon electrode is used. In addition, the larger the electrode area of the cathode is than that of the anode, the better the state of deposition of polypyrrole generally produced. The ratio of cathode to anode surface area is 1.
The amount is 1 time or more, preferably 1.5 times or more, more preferably 2 times or more, and particularly preferably 3 times or more.

重合方法は定電圧電解法または定電圧電解法が用いら
れる。定電位電解法では重合電位は、銀/塩化銀(Ag/A
gCl)参照電極に対して、0.7ボルト以上が用いられる。
好適には0.8〜1.2ボルトが、特に好ましくは0.9〜1.1ボ
ルトが用いられる。定電流電解法では0.01mA/cm2〜3mA/
cm2が用いられ、好適には0.05mA/cm2〜1mA/cm2が用いら
れる。
As the polymerization method, a constant voltage electrolysis method or a constant voltage electrolysis method is used. In the potentiostatic electrolysis method, the polymerization potential is silver / silver chloride (Ag / A
gCl) 0.7 volt or more is used for the reference electrode.
Suitably 0.8 to 1.2 volts are used, particularly preferably 0.9 to 1.1 volts. The constant current electrolysis 0.01mA / cm 2 ~3mA /
cm 2 is used, preferably 0.05 mA / cm 2 to 1 mA / cm 2 .

重合温度は0℃(273K)以下が用いられ、−20℃(25
3K)以下が好適に採用される。しかしながら、電解液の
融点以上で行なわれなければならない。
The polymerization temperature is 0 ° C (273K) or lower, and -20 ° C (25K
3K) or less is preferably adopted. However, it must be performed above the melting point of the electrolyte.

重合反応時間は、所望とする膜厚のフイルムが生成す
るために通電量と通電時間の関係から適宜選ばれる。
The polymerization reaction time is appropriately selected from the relationship between the amount of electricity supplied and the time of electricity application in order to produce a film having a desired film thickness.

<発明の効果> 本発明の100K以下に冷却されている高導電性ポリピロ
ール成形体は、100K以下に電導度反転温度を示すことか
ら、広い温度範囲において高い電導度を保持するという
優れた性能を有する。したがって、特に低温域で使用で
き、種々の用途に用いることができる。
<Effects of the Invention> The highly conductive polypyrrole molded article that has been cooled to 100 K or less of the present invention exhibits an electric conductivity reversal temperature of 100 K or less, and therefore has excellent performance of maintaining high conductivity in a wide temperature range. Have. Therefore, it can be used particularly in a low temperature range and can be used for various purposes.

<実施例> 以下、実施例により本発明を詳述する。但し、本発明
はこれに限定されない。電導度は銀ペーストを用いた四
端子法により測定した。
<Examples> Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to this. The electric conductivity was measured by a four-terminal method using a silver paste.

[実施例1,比較例1〜4] 500mlのセパラブルフラスコに陽極として表面研摩し
たガラス状カーボン板(東海カーボン製GC−20)、陰極
として白金ホイルを用いて、蒸留したてのプロピレンカ
ーボネート400ml、水4mlの混合溶液、テトラメチルアン
モニウムヘキサフルオロホスフェート5.26g(0.024モ
ル)(実施例1)を入れ、窒素ガスを導入し脱酸素を行
なった。その後ピロール1.61g(0.024モル)を入れた。
−30℃に冷却し窒素気流下、Ag/AgCl電極に対して1.0V
で24時間(通電量420クローン)電解酸化重合を行なっ
た。重合終了後生成した30μmのフイルムを陽極板から
剥離し、アセトニトリルで洗浄し、乾燥した。
[Example 1, Comparative Examples 1 to 4] 400 ml of freshly distilled propylene carbonate using a glass-like carbon plate (GC-20 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) whose surface was polished as an anode and a platinum foil as a cathode in a 500 ml separable flask. Then, a mixed solution of 4 ml of water and 5.26 g (0.024 mol) of tetramethylammonium hexafluorophosphate (Example 1) were added, and nitrogen gas was introduced to perform deoxidation. Thereafter, 1.61 g (0.024 mol) of pyrrole was added.
Cooled to -30 ℃, under nitrogen stream, 1.0V against Ag / AgCl electrode
Electrolytic oxidative polymerization was carried out for 24 hours (electricity of 420 clones). The 30 μm film formed after the completion of the polymerization was peeled from the anode plate, washed with acetonitrile and dried.

次いで、上記実施例の電解質の代わりにテトラエチル
アンモニウムトリフロロメタンスルフォネート6.70g
(0.024モル)(比較例1),テトラエチルアンモニウ
ムパークロレート5.52g(0.024モル)(比較例2),テ
トラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート5.21g
(0.024モル)(比較例3),テトラエチルアンモニウ
ムトシレート7.22g(0.024モル)(比較例4)を夫々用
いた他はすべて上記実施例と同様にピロールの重合を行
なった。
Then, 6.70 g of tetraethylammonium trifluoromethanesulfonate instead of the electrolyte of the above example
(0.024 mol) (Comparative Example 1), tetraethylammonium perchlorate 5.52 g (0.024 mol) (Comparative Example 2), tetraethylammonium tetrafluoroborate 5.21 g
(0.024 mol) (Comparative Example 3) and tetraethylammonium tosylate (7.22 g, 0.024 mol) (Comparative Example 4) were used, and the polymerization of pyrrole was carried out in the same manner as in the above Examples.

これらポリピロールフイルムの電導度の温度依存性を
図1、室温の電導度、250K〜200Kでのアレニウスプロッ
トによる電気伝導の見掛けの活性化エネルギー(ΔE)
及び電導度の温度依存性より求めた、温度の低下に伴い
降下する電導度が再び上昇する温度(電導度反転温度)
を表1に示す。
Figure 1 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of these polypyrrole films. The electrical conductivity at room temperature and the apparent activation energy (ΔE) of the electrical conductivity by Arrhenius plot at 250K to 200K.
And the temperature at which the electrical conductivity that drops with a decrease in temperature rises again as determined from the temperature dependence of electrical conductivity (conductivity reversal temperature)
Is shown in Table 1.

図1,表1より本発明の対イオンがヘキサフルオロフォ
スフェートのポリピロールのみ電導度の反転温度(20
K)が認められ、かつまたΔE10と良好な結果を示し
た。
From FIG. 1 and Table 1, only the polypyrrole of the present invention whose counter ion is hexafluorophosphate is the reversal temperature (20
K) was recognized, and ΔE10 was also shown as a good result.

[実施例2〜4,比較例5] 実施例1で、重合温度が−30℃の代わりに夫々、−40
℃(233K)(実施例2),−20℃(253K)(実施例
3),0℃(273K)(実施例4),20℃(293K)(比較例
5)の他は、実施例1と同様にピロールの重合を行なっ
た。その結果を図2,表2に示す。
[Examples 2 to 4 and Comparative Example 5] In Example 1, the polymerization temperature was -40 ° C instead of -30 ° C.
Example 1 except ℃ (233K) (Example 2), -20 ℃ (253K) (Example 3), 0 ℃ (273K) (Example 4), 20 ℃ (293K) (Comparative Example 5) Polymerization of pyrrole was carried out in the same manner as in. The results are shown in Fig. 2 and Table 2.

図2,表2より本発明の重合温度−40℃(233K),−20
℃(253K),0℃(273K)で夫々重合したポリピロールの
場合は、電導度の反転温度(20K)のあることが認め
られ、かつまたΔE10meVと良好な結果を示した。
From FIG. 2 and Table 2, the polymerization temperature of the present invention is −40 ° C. (233 K), −20
In the case of polypyrrole polymerized respectively at ℃ (253K) and 0 ℃ (273K), it was recognized that there was an inversion temperature (20K) of conductivity, and ΔE10meV was also shown.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図1は対イオンの種類,図2は重合温度をかえて得られ
たポリピロールフイルムの電導度の温度依存性を示す。
FIG. 1 shows the type of counterion, and FIG. 2 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of the polypyrrole film obtained by changing the polymerization temperature.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】PF6 -存在下に0℃以下の温度での電解重合
により得られ、かつPF6 -を対イオンとして含有するポリ
ピロールからなり、温度が100K以下に冷却されているこ
とを特徴とする高導電性ポリピロール成形体。
1. A polypyrrole obtained by electrolytic polymerization in the presence of PF 6 − at a temperature of 0 ° C. or lower and containing PF 6 as a counter ion, and cooled to a temperature of 100 K or lower. Highly conductive polypyrrole molded article.
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