JP4193094B2 - 金属構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体などの、複雑な立体形状を有する金属構造体と、その製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
上記金属多孔質体は従来、ウレタンフォームなどの樹脂製の多孔質体を前駆体として、その表面に、
(1) 無電解めっき、
(2) 真空蒸着法、
(3) 導電ペーストの塗布、
などの方法によって導電膜を形成した状態で、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させた後、必要に応じて熱処理して多孔質体を除去することで製造される。
【０００３】
しかし(1)の無電解めっきでは、多孔質体の表面にパラジウムなどの触媒を付与する工程が必要であり、工程数が多い上、高価な触媒を多量に必要とするため製造コストが高くつくという問題がある。
また(2)の真空蒸着法は、実施するための設備が高くつくという問題がある上、平面かまたはそれに近い形状の、比較的小面積の対象物であれば、その全面にわたって膜厚の均一な導電膜を形成できるが、前述したウレタンフォームなどの、大面積でかつ入り組んだ立体形状を有する多孔質体の表面には、膜厚の均一な導電膜を形成することが難しいという問題がある。とくに立体形状のうち、蒸着物質の蒸発源から陰になる部分には十分な導電膜を形成できないので、多孔質体の立体形状を忠実に再現した金属多孔質体を製造するのは困難である。
【０００４】
そこで(3)の導電ペーストを用いる方法が検討された。
一般に導電ペーストは、粉末状の導電成分を、樹脂等の結着剤、および溶媒とともに所定の割合で配合して製造される。また、例えば液状硬化性樹脂等の液状の結着剤を用いて溶媒を省略した導電ペーストもある。
導電成分としては、カーボン粉末や金属粉末等が一般的に用いられる。
しかしカーボン粉末を用いた導電ペーストは、カーボン自体の電気抵抗が高いことから、電気めっきの際に、めっき被膜にめっきむらを生じやすいこと、電流密度を高めてめっき速度を向上する効果に限界があり、金属多孔質体の生産性を向上できないこと、などの問題がある。
【０００５】
また金属粉末としては、例えば平均粒径が１〜数十μｍ程度で、かつ形状が粒状、薄片状（鱗片状、フレーク状）などである銀、銅、ニッケル、アルミニウムなどの粉末が一般的に使用される。
しかし発明者の検討によると、これらの金属粉末を用いた通常の導電ペーストを使用した場合には、形成されためっき被膜中の、金属の結晶粒の粒径が、当該めっき被膜の厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなるため、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜が得られないこと、したがって電池用の極板などとして良好な特性を有する金属多孔質体を製造できないことが判明した。
【０００６】
この原因についてさらに検討したところ、以下の事実が明らかとなった。
すなわち上記のように平均粒径が１μｍ以上という、金属多孔質体の立体形状に比べてもあまり小さくない金属粉末を含む導電ペーストにて形成した導電膜の表面を、上記立体形状の大きさのベレルで微視的に見ると、金属粉末が露出した導電部分とその間の絶縁部分とが、金属粉末の大きさにあわせて不規則な斑状に分布した状態となっており、電気的に均一でない。
【０００７】
電気めっきによるめっき被膜の結晶構造は下地の影響を受けやすく、上記のようにその表面が電気的に均一でない導電膜を下地としてめっき被膜を成長させた際には、とくに成膜初期の段階で生成する結晶粒の粒径が、例えば電気的に均一な金属表面にめっき被膜を成長させた際に得られる本来の粒径よりもかなり大きくなる傾向を示す。そして膜の成長が進み、その表面が金属表面に近づいた段階で、はじめて、本来の粒径を有する結晶粒が生成するようになり、その後はこの粒径で膜が成長する。
【０００８】
このためめっき被膜は、その全体にわたって均一な結晶構造を有するものとはならず、当該めっき被膜を形成する金属の結晶粒の粒径が厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなる。
具体的には、めっき被膜を形成する金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域と、本来の粒径である領域との２層構造に形成され、この２つの領域では、物理的、機械的あるいは電気的な特性が全く異なったものとなる。
【０００９】
金属多孔質体を、例えば前述した電池用の極板に使用する場合は、多孔質の孔に電池活物質を充てんしたのちプレスし、さらに電池の形状、構造に応じてカット、巻き付け、折り曲げなどの加工をしなければならない。
しかし、上記のようにめっき被膜が物理的、機械的な特性の相違する２層構造となっている場合には十分な強度を発揮することができないため、これらの加工時に金属多孔質体が破損しやすいという問題を生じる。また２層構造のうち、金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域では所期の電気的な特性が得られないため、金属多孔質体の全体として見たときに、多孔質の孔に充てんした電池活物質に対する集電性能が不十分になるおそれもある。
【００１０】
このため金属多孔質体は、電池用の極板などとして良好な特性を有するものとはなり得ないのである。
本発明の目的は、全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜にて形成されるため、金属多孔質体などとして極めて良好な特性を有する新規な金属構造体と、その製造方法とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成した後、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて形成されたことを特徴とする金属構造体である。
【００１２】
金属粉末を、導電成分として導電膜中に均一に分散させるためには、その粒径をサブミクロンオーダー、好ましくは４００ｎｍ以下程度まで小さくする必要がある。しかし金属粉末の粒径をこのように小さくした場合には、粉末間の接触点数が増加するため接触抵抗が増大して、かえって導電膜の抵抗が高くなる傾向を示す。また、このように微細な金属粉末は凝集等を生じやすく、導電膜中に均一に分散させることも難しい。
【００１３】
そこで発明者は、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を用いることを検討した。
かかる鎖状の金属粉末は、例えば後述する還元析出法などによって、サブミクロンオーダーの微細な金属粒が、最初から多数、鎖状に繋がった形状に形成される。また、とくに後述するように多数の金属粒が繋がった周囲にさらに金属膜が析出した構造を有する金属粉末では、個々の金属粒間が直接に接続される。このため従来のものに比べて、個々の金属粒間における接触抵抗の増加を抑制することができる。
【００１４】
また鎖状の金属粉末は、従来のものに比べて比表面積が大きいため、凝集等を生じることなしに、導電膜中に均一に分散させることもできる。
したがって鎖状の金属粉末を含む導電ペーストを用いて形成した導電膜は、従来は実現不可能であった、鎖状の金属粉末を形成する個々の金属粒と同程度の、サブミクロンオーダーの微小な金属粉末を、接触抵抗の増加や凝集等を生じることなく、結着剤中に高密度でかつ均一に充てんできた場合と同等の高い導電性を有するものとなる。
【００１５】
しかも鎖状の金属粉末は、鎖の長さと太さとの比がおよそ１０〜１００程度と大きい上、適度に枝分かれした構造を有しているため、導電膜中で良好な導電ネットワークを形成することができる。このため導電膜の表面を、金属構造体の立体形状の大きさのレベルで微視的に見ると、鎖状の金属粉末を構成する、上記立体形状よりも十分に小さい金属粒が、導電ネットワークを通して電気的に一体に接続された状態となっており、前記のように金属粒が均一に分散されていることと相まって、導電膜の表面は電気的に均一である。
【００１６】
したがってこの導電膜の表面に、電気めっきによってめっき被膜を成長させた際には、成膜初期の段階から、金属表面に成長させた場合と同等の、本来の粒径を有する結晶粒が生成するため、その全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜を形成することができる。
よって請求項１の構成によれば、結晶粒が本来の粒径を有するため所期の物理的、機械的、電気的な特性を発揮しうる単一の層構造を備えた、良好な特性を有する金属構造体が得られる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前駆体が、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体である請求項１記載の金属構造体である。
金属構造体の好適な用途としては、先に述べたように、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体があげられ、かかる金属多孔質体を形成するための前駆体としては、ウレタンフォームなどの、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体が好ましい。
【００１８】
また、とくに上記金属多孔質体を電池用の極板に使用する場合は、樹脂製の多孔質体が強アルカリである電解液によって冒されるなどして、電池特性に影響を及ぼすのを防止したり、あるいは電池の重量を軽減したりするため、電気めっき後に多孔質体を除去するのが好ましい。
したがって請求項３記載の発明は、電気めっき後に熱処理して多孔質体を除去した請求項２記載の金属構造体である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、金属粉末を形成する金属粒の粒径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体である。また、請求項５記載の発明は、金属粉末の鎖の径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体である。
金属粒の粒径は、前記のようにサブミクロンオーダーであればよい。また鎖の径は１μｍ以下であればよい。ただし導電膜を、さらに均一でかつ良好な導電性を有するものとするためには、金属粒の粒径を４００ｎｍ以下とするのが好ましい。また、鎖の径を４００ｎｍ以下とするのが好ましい。
請求項６記載の発明は、金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成する工程と、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて金属構造体を形成する工程とを含むことを特徴とする金属構造体の製造方法である。
【００２０】
かかる製造方法によれば、以上で説明したように、結晶粒が本来の粒径を有するため所期の物理的、機械的、電気的な特性を発揮しうる単一の層構造を備えた、良好な特性を有する金属構造体を製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
〈前駆体〉
金属構造体のもとになる、立体形状を有する前駆体としては、金属構造体の用途、種類、形状、構造等に応じた種々の材質からなるものが使用できる。
先に述べたように金属構造体の好適な用途としては、電池用の極板等に使用される金属多孔質体があげられ、かかる金属多孔質体を形成するための前駆体としては、ウレタンフォームなどの、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体が好ましい。
【００２２】
連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体の例としては、ウレタンフォームに代表される、三次元網目状構造を有する樹脂の発泡体と、樹脂の繊維からなる織布または不織布とがあげられる。
このうち前者の発泡体としては、例えばウレタンフォームの他、メラミン樹脂の発泡体や、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂の発泡体等があげられ、また後者の織布や不織布を形成する樹脂の繊維としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等の繊維があげられる。
【００２３】
金属多孔質体を、とくに電池用の極板に使用する際には、前記のように樹脂製の多孔質体を、電気めっき後に熱処理して除去するのが好ましい。その点、ウレタンフォームは、比較的低温で熱分解して除去されるため好適である。またウレタンフォームは安価でもあるため、とくに金属多孔質体を大量に製造する際には、コストダウンをはかることができるという利点もある。
ただし、強アルカリである電解液に対する耐性に優れた、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂製の発泡体や織布、不織布を多孔質体として使用することで、当該多孔質体を、電気めっき後に除去せずに残すことも可能である。
【００２４】
また、金属多孔質体を含む金属構造体の用途が電池用の極板以外であるとき、多孔質体などの前駆体は、その材質の如何にかかわらず、電気めっき後に除去せずに残すことも可能である。
〈導電ペースト〉
前駆体の表面に導電膜を形成するための導電ペーストは、前記のように導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する金属粉末を含有している。
【００２５】
（金属粉末）
鎖状の金属粉末としては、気相法、液相法等の種々の方法で製造される、鎖状構造を有する種々の金属粉末が、いずれも使用可能である。
鎖状の金属粉末の、鎖の径は１μｍ以下である必要がある。また、金属粉末を形成する個々の金属粒の粒径はサブミクロンオーダー、特に４００ｎｍ以下であるのが好ましい。これらの理由は先に述べたとおりである。
なお金属粒の粒径は、電気的に均一な導電膜を形成することを考慮すると、上記の範囲内でも特に２００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。ただし粒径があまりに小さすぎると、鎖状に繋がれた金属粉末自体のサイズが小さくなりすぎて、導電成分としての機能が十分に得られないおそれがある。したがって金属粒の粒径は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。
【００２６】
また鎖の径は、やはり均一でかつ良好な導電性を有する導電膜を形成することを考慮すると、４００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。ただし鎖の径があまりに小さすぎると、導電ペーストを製造する際や塗布する際の応力程度で簡単に切れやすくなるおそれがある。したがって鎖の径は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。
鎖状の金属粉末としては、当該金属粉末、またはこの金属粉末を形成する個々の金属粒を、常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、常磁性を有する金属と他の金属との合金、もしくは常磁性を有する金属を含む複合体にて形成したものが好ましい。
【００２７】
上記の構成では、以下に述べる還元析出法などによってサブミクロンオーダーの微細な金属粒を析出させると、当該金属粒が磁性を帯び、そして多数の金属粒が磁力によって鎖状に繋がることで、鎖状の金属粉末が自動的に形成される。
よって上記の構成によれば、鎖状の金属粉末の製造が容易であり、導電ペーストの生産効率の向上やコストダウンなどが可能となる。
また上記金属粉末としては、多数の微細な金属粒が単に磁力によって鎖状に繋がったものから、繋がった金属粒の周囲にさらに金属層が析出して金属粒間が強固に結合されたものまで種々の構造を有するものが含まれるが、このいずれのものにおいても、基本的に金属粒は磁力を保持している。
【００２８】
このため、例えば導電ペーストを製造する際や塗布する際の応力程度では鎖が簡単に切れたりしない上、もし切れた場合でも、応力が加わらなくなった時点で鎖の再結合等を生じやすい。しかも塗布後の塗膜中では、複数の金属粉末が、金属粒の磁力に基づいて互いに接触して導電ネットワークを形成しやすい。
よって上記の構成によれば、導電膜の電気抵抗値をさらに小さくすることも可能である。
【００２９】
かかる、常磁性を有する金属を含む金属粉末の具体例としては、下記(a)〜(e)のいずれか１種、もしくは２種以上の混合物などが挙げられる。
(a) 常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金から形成したサブミクロンオーダーの金属粒を、自身の磁性によって多数個、鎖状に繋がらせた金属粉末。
(b) 上記(a)の金属粉末の表面にさらに、常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
(c) 上記(a)または(b)の金属粉末の表面にさらに、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
(d) 常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金から形成した粒状の芯材の表面を、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金で被覆して複合体を得、この複合体を金属粒として、芯材の磁性によって多数個、鎖状に繋がらせた金属粉末。
(e) 上記(d)の金属粉末の表面にさらに、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
【００３０】
上記のうち常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金によって形成される金属粉末または金属粒の全体、もしくは
常磁性を有する金属を含む複合体によって形成される金属粉末または金属粒のうち、常磁性を有する金属を含む部分は、
還元析出法によって、その形成材料である常磁性を有する金属のイオンを含む溶液に還元剤を加えることで、液中に析出させて形成するのが好ましい。還元析出法によれば、前記のように鎖状の金属粉末を自動的に製造することができる。
【００３１】
還元析出法においては、まず還元剤、例えば三塩化チタンなどの３価のチタン化合物と、例えばクエン酸三ナトリウム等とを溶解させた溶液（以下「還元剤溶液」とする）に、アンモニア水等を加えてｐＨを９〜１０に調整する。これにより、３価のチタンイオンが錯化剤としてのクエン酸と結合して配位化合物を形成して、Ｔｉ(III)からＴｉ(IV)に酸化する際の活性化エネルギーが低くなり、還元電位が高くなる。具体的には、Ｔｉ(III)とＴｉ(IV)との電位差が１Ｖを超える。この値は、Ｎｉ(II)からＮｉ(０)への還元電位や、Ｆｅ(II)からＦｅ(０)への還元電位などに比べて著しく高い値である。よって各種の金属のイオンを効率よく還元して、金属粒や金属膜などを析出、形成することができる。
【００３２】
次に上記の還元剤溶液に、例えばニッケル等の、常磁性を有する金属単体のイオンを含む溶液、または常磁性を有する金属を含む合金を形成する２種以上のイオンを含む溶液を加える。
そうすると、Ｔｉ(III)が還元剤として機能して、自身がＴｉ(IV)に酸化する際に、金属のイオンを還元して液中に析出させる。すなわち液中に、上記金属単体または合金からなる金属粒が析出するとともに、自身の磁性によって多数が鎖状に繋がって鎖状の金属粉末を形成する。また、このあとさらに析出を続けると、上記金属粉末の表面にさらに金属層が析出して、金属粒同士を強固に結合する。
【００３３】
つまり前記(a)(b)などの金属粉末や、その元になる金属粒、あるいは前記(d)の金属粉末の元になる複合体のうち芯材などが、上記の方法によって製造される。
このうち金属粒や芯材は個々の粒径が揃っており、粒度分布がシャープである。これは、還元反応が系中で均一に進行するためである。したがってかかる金属粒や芯材から製造される金属粉末は、導電膜の表面を電気的に均一な状態とする効果にさらに優れたものとなる。
【００３４】
金属粒や芯材等を析出させた後の還元剤溶液は、電解再生を行うことで、何度でも繰り返し、還元析出法による鎖状の金属粉末の製造に利用することができる。すなわち、金属粒や芯材等を析出させた後の還元剤溶液を電解槽に入れるなどして電圧を印加することで、Ｔｉ(IV)をＴｉ(III)に還元してやれば、再び電解析出用の還元剤溶液として使用することができる。これは、電解析出時にチタンイオンが殆ど消費されない、つまり析出させる金属とともに析出されないためである。
【００３５】
金属粒や芯材等を形成する、常磁性を有する金属または合金としては、例えばニッケル、鉄、コバルトおよびこれらのうち２種以上の合金等が挙げられ、特にニッケル単体やニッケル−鉄合金（パーマロイ）等が好適に使用される。かかる金属や合金にて形成した、特に金属粒は、鎖状に繋がる際の磁気的な相互作用が強いため、金属粒間の接触抵抗を低減する効果に優れている。
また上記の、常磁性を有する金属や合金とともに、前記(c)(d)(e)の複合体を形成する他の金属としては銀、銅、アルミニウムなどが挙げられ、特に導電率が高いことから銀が好適に使用される。
【００３６】
複合体のうち、上記他の金属で形成される部分は、例えば無電解めっき法、電解めっき法、還元析出法、真空状着法などの種々の成膜方法によって形成できる。
また鎖状の金属粉末としては、めっき被膜に含まれるのと同じ、少なくとも１種の金属を含有するものを用いるのが好ましい。この構成では、導電膜の表面に露出した金属粒の表面から、めっき被膜を連続的に結晶成長させることができる。このため、めっき被膜の結晶粒の大きさを、本来の粒径に制御することがさらに容易になる。
【００３７】
（結着剤）
鎖状の金属粉末とともに導電ペーストを形成する結着剤としては、導電ペースト用の結着剤として従来公知の種々の化合物がいずれも使用可能である。かかる結着剤としては、例えば熱可塑性樹脂や硬化性樹脂、液状硬化性樹脂などが挙げられる。特に好ましくはアクリル系樹脂、フッ素系樹脂、フェノール系樹脂等が挙げられる。
【００３８】
（導電ペースト）
導電ペーストは、鎖状の金属粉末と結着剤とを、適当な溶媒とともに所定の割合で配合して製造される。また、前記のように液状硬化性樹脂等の液状の結着剤を用いて溶媒を省略してもよい。かかる導電ペーストによれば、前記のように鎖状の金属粉末の機能によって、これまでよりも高い導電性を有する導電膜を形成することができる。
【００３９】
上記各成分の配合割合は特に限定されないが、固形分、すなわち鎖状の金属粉末と結着剤との総量に占める金属粉末の割合で表される金属充てん量は、５〜９５重量％とするのが好ましい。
金属充てん量が５重量％未満では、鎖状の金属粉末の接触点数が著しく減少するため、十分な導電性を有する導電膜を形成できないおそれがある。
また逆に金属充てん量が９５重量％を超えた場合には、相対的に結着剤の割合が不足して、当該結着剤による、多数の金属粉末を結着して強固な導電膜を形成する機能が不十分になるおそれがある。
【００４０】
〈導電膜〉
前駆体の表面に導電ペーストを塗布して乾燥、固化させるとともに、必要に応じて樹脂を硬化させることで導電膜が形成される。
導電膜の体積固有抵抗は、１Ω・ｃｍ以下に調整するのが好ましい。
体積固有抵抗をこの範囲内としたときには、電気めっき時の電気抵抗を小さくして、発熱等のエネルギーロスを低減することができる。体積固有抵抗を上記の範囲に調整するには、金属充てん率を高くすればよい。
【００４１】
なお体積固有抵抗の下限はとくに限定されない。前記の導電ペーストを用いて実現可能な限界値まで問題なく採用できる。
また、金属構造体の立体形状や構造によっては、前記の手順で導電膜を形成する際に、鎖状の金属粉末として、前述した常磁性を有する金属を含むものを用いるとともに、乾燥、固化する前の塗膜に一定方向から磁場をかけて、膜中の鎖状の金属粉末を、上記磁場に応じた所定の方向に配向させて、導電膜に導電率異方性を付与するのも、導電膜の体積固有抵抗値を高めるために有効な方法である。
【００４２】
鎖状の金属粉末を配向させるために塗膜にかける磁場の強さは、およそ７．９Ａ／ｍ以上であるのが好ましい。
〈電気めっき〉
次に、上記の導電膜を電極として電気めっきを行う。すなわち導電膜を陰極とし、めっきしようとする金属または白金などを陽極として、電気めっき浴中に浸漬して電圧をかけることで、前記のように厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜を形成することができる。
【００４３】
そしてその結果として、上記のように均一な結晶構造を有するめっき被膜にて形成された、良好な特性を有する金属構造体が製造される。
〈熱処理〉
金属構造体が、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体である場合には、先に述べたように、電気めっき後に熱処理して、前駆体としての多孔質体を除去してもよい。熱処理の条件はとくに限定されず、前述したウレタンフォームなどの、除去すべき多孔質体の熱分解温度以上で、かつ金属多孔質体を構成する金属の溶融温度未満であればよい。
【００４４】
〈金属構造体〉
かくして製造される金属構造体としては、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体があげられる。その他、例えば直径が不連続であったり、途中に分岐があったりする複雑な金属パイプを、シームレスで一体物として製造することも可能である。すなわち所定の金属パイプの形状に対応した樹脂製の前駆体の表面に、本発明の構成によってめっき被膜を成長させたのち、熱処理して前駆体を除去すれば、これまでは製造することが不可能であった上記の複雑な形状を有する金属パイプを、シームレスで一体物として製造できるなど、工業的な応用範囲が広い。
【００４５】
【実施例】
以下に本発明を、実施例、比較例に基づいて説明する。
実施例１
〈導電ペーストの調製〉
導電成分としては、微細な金属粒が鎖状に繋がれた形状を有し、金属粒の粒径が１００ｎｍ、鎖の径が２００ｎｍであるニッケル粉末を用いた。
【００４６】
そしてこのニッケル粉末９０重量部と、結着剤としてのフェノール樹脂１０重量部とを混合し、水を加えて導電ペーストを調製した。
〈導電膜の形成〉
前駆体としては、厚み１．８ｍｍ、平均口径０．４５ｍｍ、空隙率９８％の、連続気孔構造を有するウレタンフォームを用いた。
そしてこのウレタンフォームに前記の導電ペーストを塗布した後、１００℃で４時間、乾燥するとともに樹脂を硬化させて、膜厚１０〜５０μｍの導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００４７】
〈めっき被膜の形成〉
次にこの導電膜に導電端子を取り付けて給電部とし、下記処方のニッケルめっき浴に浸漬して、電流密度１００〜１５０ｍＡ／ｃｍ2、液温４０〜６０℃の条件で３０分間の電気めっきを行った。
ニッケルめっき浴（ｐＨ３．５〜４．５）
（成 分） （濃 度）
スルファミン酸ニッケル ４５０ｇ／Ｌ
ほう酸 ３０ｇ／Ｌ
電気めっきによって導電膜上に形成されたニッケル被膜の目付量は、４５０ｇ／ｍ2であった。
【００４８】
電気めっき後、形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、厚み方向の上下それぞれ５％の位置の、結晶粒の大きさを測定した。そして導電膜側の結晶粒の大きさφ1と被膜表面側の結晶粒の大きさφ2とから、式(1)：
Ｒφ＝φ1／φ2 (1)
により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ１．１であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、ニッケル被膜は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
【００４９】
〈熱処理〉
上記の測定後、電気炉中で、水素還元雰囲気下、１０００℃に加熱して３０分間、熱処理することでウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
この金属多孔質体を直径３０ｍｍφの丸棒にあてがって１８０°に曲げたところ、破壊されずにきれいに曲げることができた。評価は○（良好）とした。
実施例２
導電成分として、微細な金属粒が鎖状に繋がれた形状を有し、金属粒の粒径が５０ｎｍ、鎖の径が１００ｎｍであるパーマロイ〔ニッケル（２０％）−鉄合金〕粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、２×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００５０】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ０．９であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、ニッケル被膜は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５１】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、破壊されずにきれいに曲げることができた。評価は○（良好）とした。
比較例１
導電成分として、平均粒径が１．２μｍの、球状のニッケル粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、８×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００５２】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ３．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５３】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、曲げの内側の構造が破壊されてしまった。評価は△（やや不良）とした。
比較例２
導電成分として、平均粒径が１．２μｍの、球状の銀粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１×１０-5Ω・ｃｍであった。
【００５４】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ２．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５５】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、曲げの内側の構造が破壊されてしまった。評価は△（やや不良）とした。
比較例３
導電ペーストとして、１次粒径が１００ｎｍの微小粒子が鎖状に繋がった形状を有する鎖状アセチレンブラック入りのペースト（カーボン量５０重量％、残部フェノール樹脂）を用いて、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１．０３×１０-2Ω・ｃｍであった。
【００５６】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ６．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５７】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、途中で折れてしまった。評価は×（不良）とした。
以上の結果を表１にまとめた。
【００５８】
【表１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体などの、複雑な立体形状を有する金属構造体と、その製造方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
上記金属多孔質体は従来、ウレタンフォームなどの樹脂製の多孔質体を前駆体として、その表面に、
(1) 無電解めっき、
(2) 真空蒸着法、
(3) 導電ペーストの塗布、
などの方法によって導電膜を形成した状態で、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させた後、必要に応じて熱処理して多孔質体を除去することで製造される。
【０００３】
しかし(1)の無電解めっきでは、多孔質体の表面にパラジウムなどの触媒を付与する工程が必要であり、工程数が多い上、高価な触媒を多量に必要とするため製造コストが高くつくという問題がある。
また(2)の真空蒸着法は、実施するための設備が高くつくという問題がある上、平面かまたはそれに近い形状の、比較的小面積の対象物であれば、その全面にわたって膜厚の均一な導電膜を形成できるが、前述したウレタンフォームなどの、大面積でかつ入り組んだ立体形状を有する多孔質体の表面には、膜厚の均一な導電膜を形成することが難しいという問題がある。とくに立体形状のうち、蒸着物質の蒸発源から陰になる部分には十分な導電膜を形成できないので、多孔質体の立体形状を忠実に再現した金属多孔質体を製造するのは困難である。
【０００４】
そこで(3)の導電ペーストを用いる方法が検討された。
一般に導電ペーストは、粉末状の導電成分を、樹脂等の結着剤、および溶媒とともに所定の割合で配合して製造される。また、例えば液状硬化性樹脂等の液状の結着剤を用いて溶媒を省略した導電ペーストもある。
導電成分としては、カーボン粉末や金属粉末等が一般的に用いられる。
しかしカーボン粉末を用いた導電ペーストは、カーボン自体の電気抵抗が高いことから、電気めっきの際に、めっき被膜にめっきむらを生じやすいこと、電流密度を高めてめっき速度を向上する効果に限界があり、金属多孔質体の生産性を向上できないこと、などの問題がある。
【０００５】
また金属粉末としては、例えば平均粒径が１〜数十μｍ程度で、かつ形状が粒状、薄片状（鱗片状、フレーク状）などである銀、銅、ニッケル、アルミニウムなどの粉末が一般的に使用される。
しかし発明者の検討によると、これらの金属粉末を用いた通常の導電ペーストを使用した場合には、形成されためっき被膜中の、金属の結晶粒の粒径が、当該めっき被膜の厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなるため、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜が得られないこと、したがって電池用の極板などとして良好な特性を有する金属多孔質体を製造できないことが判明した。
【０００６】
この原因についてさらに検討したところ、以下の事実が明らかとなった。
すなわち上記のように平均粒径が１μｍ以上という、金属多孔質体の立体形状に比べてもあまり小さくない金属粉末を含む導電ペーストにて形成した導電膜の表面を、上記立体形状の大きさのベレルで微視的に見ると、金属粉末が露出した導電部分とその間の絶縁部分とが、金属粉末の大きさにあわせて不規則な斑状に分布した状態となっており、電気的に均一でない。
【０００７】
電気めっきによるめっき被膜の結晶構造は下地の影響を受けやすく、上記のようにその表面が電気的に均一でない導電膜を下地としてめっき被膜を成長させた際には、とくに成膜初期の段階で生成する結晶粒の粒径が、例えば電気的に均一な金属表面にめっき被膜を成長させた際に得られる本来の粒径よりもかなり大きくなる傾向を示す。そして膜の成長が進み、その表面が金属表面に近づいた段階で、はじめて、本来の粒径を有する結晶粒が生成するようになり、その後はこの粒径で膜が成長する。
【０００８】
このためめっき被膜は、その全体にわたって均一な結晶構造を有するものとはならず、当該めっき被膜を形成する金属の結晶粒の粒径が厚み方向で不連続に変化した分布を有するものとなる。
具体的には、めっき被膜を形成する金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域と、本来の粒径である領域との２層構造に形成され、この２つの領域では、物理的、機械的あるいは電気的な特性が全く異なったものとなる。
【０００９】
金属多孔質体を、例えば前述した電池用の極板に使用する場合は、多孔質の孔に電池活物質を充てんしたのちプレスし、さらに電池の形状、構造に応じてカット、巻き付け、折り曲げなどの加工をしなければならない。
しかし、上記のようにめっき被膜が物理的、機械的な特性の相違する２層構造となっている場合には十分な強度を発揮することができないため、これらの加工時に金属多孔質体が破損しやすいという問題を生じる。また２層構造のうち、金属の結晶粒の粒径が本来の粒径よりも大きい領域では所期の電気的な特性が得られないため、金属多孔質体の全体として見たときに、多孔質の孔に充てんした電池活物質に対する集電性能が不十分になるおそれもある。
【００１０】
このため金属多孔質体は、電池用の極板などとして良好な特性を有するものとはなり得ないのである。
本発明の目的は、全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜にて形成されるため、金属多孔質体などとして極めて良好な特性を有する新規な金属構造体と、その製造方法とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成した後、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて形成されたことを特徴とする金属構造体である。
【００１２】
金属粉末を、導電成分として導電膜中に均一に分散させるためには、その粒径をサブミクロンオーダー、好ましくは４００ｎｍ以下程度まで小さくする必要がある。しかし金属粉末の粒径をこのように小さくした場合には、粉末間の接触点数が増加するため接触抵抗が増大して、かえって導電膜の抵抗が高くなる傾向を示す。また、このように微細な金属粉末は凝集等を生じやすく、導電膜中に均一に分散させることも難しい。
【００１３】
そこで発明者は、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を用いることを検討した。
かかる鎖状の金属粉末は、例えば後述する還元析出法などによって、サブミクロンオーダーの微細な金属粒が、最初から多数、鎖状に繋がった形状に形成される。また、とくに後述するように多数の金属粒が繋がった周囲にさらに金属膜が析出した構造を有する金属粉末では、個々の金属粒間が直接に接続される。このため従来のものに比べて、個々の金属粒間における接触抵抗の増加を抑制することができる。
【００１４】
また鎖状の金属粉末は、従来のものに比べて比表面積が大きいため、凝集等を生じることなしに、導電膜中に均一に分散させることもできる。
したがって鎖状の金属粉末を含む導電ペーストを用いて形成した導電膜は、従来は実現不可能であった、鎖状の金属粉末を形成する個々の金属粒と同程度の、サブミクロンオーダーの微小な金属粉末を、接触抵抗の増加や凝集等を生じることなく、結着剤中に高密度でかつ均一に充てんできた場合と同等の高い導電性を有するものとなる。
【００１５】
しかも鎖状の金属粉末は、鎖の長さと太さとの比がおよそ１０〜１００程度と大きい上、適度に枝分かれした構造を有しているため、導電膜中で良好な導電ネットワークを形成することができる。このため導電膜の表面を、金属構造体の立体形状の大きさのレベルで微視的に見ると、鎖状の金属粉末を構成する、上記立体形状よりも十分に小さい金属粒が、導電ネットワークを通して電気的に一体に接続された状態となっており、前記のように金属粒が均一に分散されていることと相まって、導電膜の表面は電気的に均一である。
【００１６】
したがってこの導電膜の表面に、電気めっきによってめっき被膜を成長させた際には、成膜初期の段階から、金属表面に成長させた場合と同等の、本来の粒径を有する結晶粒が生成するため、その全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜を形成することができる。
よって請求項１の構成によれば、結晶粒が本来の粒径を有するため所期の物理的、機械的、電気的な特性を発揮しうる単一の層構造を備えた、良好な特性を有する金属構造体が得られる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前駆体が、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体である請求項１記載の金属構造体である。
金属構造体の好適な用途としては、先に述べたように、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体があげられ、かかる金属多孔質体を形成するための前駆体としては、ウレタンフォームなどの、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体が好ましい。
【００１８】
また、とくに上記金属多孔質体を電池用の極板に使用する場合は、樹脂製の多孔質体が強アルカリである電解液によって冒されるなどして、電池特性に影響を及ぼすのを防止したり、あるいは電池の重量を軽減したりするため、電気めっき後に多孔質体を除去するのが好ましい。
したがって請求項３記載の発明は、電気めっき後に熱処理して多孔質体を除去した請求項２記載の金属構造体である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、金属粉末を形成する金属粒の粒径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体である。また、請求項５記載の発明は、金属粉末の鎖の径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体である。
金属粒の粒径は、前記のようにサブミクロンオーダーであればよい。また鎖の径は１μｍ以下であればよい。ただし導電膜を、さらに均一でかつ良好な導電性を有するものとするためには、金属粒の粒径を４００ｎｍ以下とするのが好ましい。また、鎖の径を４００ｎｍ以下とするのが好ましい。
請求項６記載の発明は、金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成する工程と、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて金属構造体を形成する工程とを含むことを特徴とする金属構造体の製造方法である。
【００２０】
かかる製造方法によれば、以上で説明したように、結晶粒が本来の粒径を有するため所期の物理的、機械的、電気的な特性を発揮しうる単一の層構造を備えた、良好な特性を有する金属構造体を製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
〈前駆体〉
金属構造体のもとになる、立体形状を有する前駆体としては、金属構造体の用途、種類、形状、構造等に応じた種々の材質からなるものが使用できる。
先に述べたように金属構造体の好適な用途としては、電池用の極板等に使用される金属多孔質体があげられ、かかる金属多孔質体を形成するための前駆体としては、ウレタンフォームなどの、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体が好ましい。
【００２２】
連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体の例としては、ウレタンフォームに代表される、三次元網目状構造を有する樹脂の発泡体と、樹脂の繊維からなる織布または不織布とがあげられる。
このうち前者の発泡体としては、例えばウレタンフォームの他、メラミン樹脂の発泡体や、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂の発泡体等があげられ、また後者の織布や不織布を形成する樹脂の繊維としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等の繊維があげられる。
【００２３】
金属多孔質体を、とくに電池用の極板に使用する際には、前記のように樹脂製の多孔質体を、電気めっき後に熱処理して除去するのが好ましい。その点、ウレタンフォームは、比較的低温で熱分解して除去されるため好適である。またウレタンフォームは安価でもあるため、とくに金属多孔質体を大量に製造する際には、コストダウンをはかることができるという利点もある。
ただし、強アルカリである電解液に対する耐性に優れた、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂製の発泡体や織布、不織布を多孔質体として使用することで、当該多孔質体を、電気めっき後に除去せずに残すことも可能である。
【００２４】
また、金属多孔質体を含む金属構造体の用途が電池用の極板以外であるとき、多孔質体などの前駆体は、その材質の如何にかかわらず、電気めっき後に除去せずに残すことも可能である。
〈導電ペースト〉
前駆体の表面に導電膜を形成するための導電ペーストは、前記のように導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する金属粉末を含有している。
【００２５】
（金属粉末）
鎖状の金属粉末としては、気相法、液相法等の種々の方法で製造される、鎖状構造を有する種々の金属粉末が、いずれも使用可能である。
鎖状の金属粉末の、鎖の径は１μｍ以下である必要がある。また、金属粉末を形成する個々の金属粒の粒径はサブミクロンオーダー、特に４００ｎｍ以下であるのが好ましい。これらの理由は先に述べたとおりである。
なお金属粒の粒径は、電気的に均一な導電膜を形成することを考慮すると、上記の範囲内でも特に２００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。ただし粒径があまりに小さすぎると、鎖状に繋がれた金属粉末自体のサイズが小さくなりすぎて、導電成分としての機能が十分に得られないおそれがある。したがって金属粒の粒径は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。
【００２６】
また鎖の径は、やはり均一でかつ良好な導電性を有する導電膜を形成することを考慮すると、４００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。ただし鎖の径があまりに小さすぎると、導電ペーストを製造する際や塗布する際の応力程度で簡単に切れやすくなるおそれがある。したがって鎖の径は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。
鎖状の金属粉末としては、当該金属粉末、またはこの金属粉末を形成する個々の金属粒を、常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、常磁性を有する金属と他の金属との合金、もしくは常磁性を有する金属を含む複合体にて形成したものが好ましい。
【００２７】
上記の構成では、以下に述べる還元析出法などによってサブミクロンオーダーの微細な金属粒を析出させると、当該金属粒が磁性を帯び、そして多数の金属粒が磁力によって鎖状に繋がることで、鎖状の金属粉末が自動的に形成される。
よって上記の構成によれば、鎖状の金属粉末の製造が容易であり、導電ペーストの生産効率の向上やコストダウンなどが可能となる。
また上記金属粉末としては、多数の微細な金属粒が単に磁力によって鎖状に繋がったものから、繋がった金属粒の周囲にさらに金属層が析出して金属粒間が強固に結合されたものまで種々の構造を有するものが含まれるが、このいずれのものにおいても、基本的に金属粒は磁力を保持している。
【００２８】
このため、例えば導電ペーストを製造する際や塗布する際の応力程度では鎖が簡単に切れたりしない上、もし切れた場合でも、応力が加わらなくなった時点で鎖の再結合等を生じやすい。しかも塗布後の塗膜中では、複数の金属粉末が、金属粒の磁力に基づいて互いに接触して導電ネットワークを形成しやすい。
よって上記の構成によれば、導電膜の電気抵抗値をさらに小さくすることも可能である。
【００２９】
かかる、常磁性を有する金属を含む金属粉末の具体例としては、下記(a)〜(e)のいずれか１種、もしくは２種以上の混合物などが挙げられる。
(a) 常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金から形成したサブミクロンオーダーの金属粒を、自身の磁性によって多数個、鎖状に繋がらせた金属粉末。
(b) 上記(a)の金属粉末の表面にさらに、常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
(c) 上記(a)または(b)の金属粉末の表面にさらに、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
(d) 常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金から形成した粒状の芯材の表面を、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金で被覆して複合体を得、この複合体を金属粒として、芯材の磁性によって多数個、鎖状に繋がらせた金属粉末。
(e) 上記(d)の金属粉末の表面にさらに、銀、銅、アルミニウムなどの他の金属や合金からなる金属層を析出させて、金属粒間を強固に結合した金属粉末。
【００３０】
上記のうち常磁性を有する金属単体、常磁性を有する２種以上の金属の合金、または常磁性を有する金属と他の金属との合金によって形成される金属粉末または金属粒の全体、もしくは
常磁性を有する金属を含む複合体によって形成される金属粉末または金属粒のうち、常磁性を有する金属を含む部分は、
還元析出法によって、その形成材料である常磁性を有する金属のイオンを含む溶液に還元剤を加えることで、液中に析出させて形成するのが好ましい。還元析出法によれば、前記のように鎖状の金属粉末を自動的に製造することができる。
【００３１】
還元析出法においては、まず還元剤、例えば三塩化チタンなどの３価のチタン化合物と、例えばクエン酸三ナトリウム等とを溶解させた溶液（以下「還元剤溶液」とする）に、アンモニア水等を加えてｐＨを９〜１０に調整する。これにより、３価のチタンイオンが錯化剤としてのクエン酸と結合して配位化合物を形成して、Ｔｉ(III)からＴｉ(IV)に酸化する際の活性化エネルギーが低くなり、還元電位が高くなる。具体的には、Ｔｉ(III)とＴｉ(IV)との電位差が１Ｖを超える。この値は、Ｎｉ(II)からＮｉ(０)への還元電位や、Ｆｅ(II)からＦｅ(０)への還元電位などに比べて著しく高い値である。よって各種の金属のイオンを効率よく還元して、金属粒や金属膜などを析出、形成することができる。
【００３２】
次に上記の還元剤溶液に、例えばニッケル等の、常磁性を有する金属単体のイオンを含む溶液、または常磁性を有する金属を含む合金を形成する２種以上のイオンを含む溶液を加える。
そうすると、Ｔｉ(III)が還元剤として機能して、自身がＴｉ(IV)に酸化する際に、金属のイオンを還元して液中に析出させる。すなわち液中に、上記金属単体または合金からなる金属粒が析出するとともに、自身の磁性によって多数が鎖状に繋がって鎖状の金属粉末を形成する。また、このあとさらに析出を続けると、上記金属粉末の表面にさらに金属層が析出して、金属粒同士を強固に結合する。
【００３３】
つまり前記(a)(b)などの金属粉末や、その元になる金属粒、あるいは前記(d)の金属粉末の元になる複合体のうち芯材などが、上記の方法によって製造される。
このうち金属粒や芯材は個々の粒径が揃っており、粒度分布がシャープである。これは、還元反応が系中で均一に進行するためである。したがってかかる金属粒や芯材から製造される金属粉末は、導電膜の表面を電気的に均一な状態とする効果にさらに優れたものとなる。
【００３４】
金属粒や芯材等を析出させた後の還元剤溶液は、電解再生を行うことで、何度でも繰り返し、還元析出法による鎖状の金属粉末の製造に利用することができる。すなわち、金属粒や芯材等を析出させた後の還元剤溶液を電解槽に入れるなどして電圧を印加することで、Ｔｉ(IV)をＴｉ(III)に還元してやれば、再び電解析出用の還元剤溶液として使用することができる。これは、電解析出時にチタンイオンが殆ど消費されない、つまり析出させる金属とともに析出されないためである。
【００３５】
金属粒や芯材等を形成する、常磁性を有する金属または合金としては、例えばニッケル、鉄、コバルトおよびこれらのうち２種以上の合金等が挙げられ、特にニッケル単体やニッケル−鉄合金（パーマロイ）等が好適に使用される。かかる金属や合金にて形成した、特に金属粒は、鎖状に繋がる際の磁気的な相互作用が強いため、金属粒間の接触抵抗を低減する効果に優れている。
また上記の、常磁性を有する金属や合金とともに、前記(c)(d)(e)の複合体を形成する他の金属としては銀、銅、アルミニウムなどが挙げられ、特に導電率が高いことから銀が好適に使用される。
【００３６】
複合体のうち、上記他の金属で形成される部分は、例えば無電解めっき法、電解めっき法、還元析出法、真空状着法などの種々の成膜方法によって形成できる。
また鎖状の金属粉末としては、めっき被膜に含まれるのと同じ、少なくとも１種の金属を含有するものを用いるのが好ましい。この構成では、導電膜の表面に露出した金属粒の表面から、めっき被膜を連続的に結晶成長させることができる。このため、めっき被膜の結晶粒の大きさを、本来の粒径に制御することがさらに容易になる。
【００３７】
（結着剤）
鎖状の金属粉末とともに導電ペーストを形成する結着剤としては、導電ペースト用の結着剤として従来公知の種々の化合物がいずれも使用可能である。かかる結着剤としては、例えば熱可塑性樹脂や硬化性樹脂、液状硬化性樹脂などが挙げられる。特に好ましくはアクリル系樹脂、フッ素系樹脂、フェノール系樹脂等が挙げられる。
【００３８】
（導電ペースト）
導電ペーストは、鎖状の金属粉末と結着剤とを、適当な溶媒とともに所定の割合で配合して製造される。また、前記のように液状硬化性樹脂等の液状の結着剤を用いて溶媒を省略してもよい。かかる導電ペーストによれば、前記のように鎖状の金属粉末の機能によって、これまでよりも高い導電性を有する導電膜を形成することができる。
【００３９】
上記各成分の配合割合は特に限定されないが、固形分、すなわち鎖状の金属粉末と結着剤との総量に占める金属粉末の割合で表される金属充てん量は、５〜９５重量％とするのが好ましい。
金属充てん量が５重量％未満では、鎖状の金属粉末の接触点数が著しく減少するため、十分な導電性を有する導電膜を形成できないおそれがある。
また逆に金属充てん量が９５重量％を超えた場合には、相対的に結着剤の割合が不足して、当該結着剤による、多数の金属粉末を結着して強固な導電膜を形成する機能が不十分になるおそれがある。
【００４０】
〈導電膜〉
前駆体の表面に導電ペーストを塗布して乾燥、固化させるとともに、必要に応じて樹脂を硬化させることで導電膜が形成される。
導電膜の体積固有抵抗は、１Ω・ｃｍ以下に調整するのが好ましい。
体積固有抵抗をこの範囲内としたときには、電気めっき時の電気抵抗を小さくして、発熱等のエネルギーロスを低減することができる。体積固有抵抗を上記の範囲に調整するには、金属充てん率を高くすればよい。
【００４１】
なお体積固有抵抗の下限はとくに限定されない。前記の導電ペーストを用いて実現可能な限界値まで問題なく採用できる。
また、金属構造体の立体形状や構造によっては、前記の手順で導電膜を形成する際に、鎖状の金属粉末として、前述した常磁性を有する金属を含むものを用いるとともに、乾燥、固化する前の塗膜に一定方向から磁場をかけて、膜中の鎖状の金属粉末を、上記磁場に応じた所定の方向に配向させて、導電膜に導電率異方性を付与するのも、導電膜の体積固有抵抗値を高めるために有効な方法である。
【００４２】
鎖状の金属粉末を配向させるために塗膜にかける磁場の強さは、およそ７．９Ａ／ｍ以上であるのが好ましい。
〈電気めっき〉
次に、上記の導電膜を電極として電気めっきを行う。すなわち導電膜を陰極とし、めっきしようとする金属または白金などを陽極として、電気めっき浴中に浸漬して電圧をかけることで、前記のように厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有するめっき被膜を形成することができる。
【００４３】
そしてその結果として、上記のように均一な結晶構造を有するめっき被膜にて形成された、良好な特性を有する金属構造体が製造される。
〈熱処理〉
金属構造体が、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体である場合には、先に述べたように、電気めっき後に熱処理して、前駆体としての多孔質体を除去してもよい。熱処理の条件はとくに限定されず、前述したウレタンフォームなどの、除去すべき多孔質体の熱分解温度以上で、かつ金属多孔質体を構成する金属の溶融温度未満であればよい。
【００４４】
〈金属構造体〉
かくして製造される金属構造体としては、電池用の極板等に好適に使用される金属多孔質体があげられる。その他、例えば直径が不連続であったり、途中に分岐があったりする複雑な金属パイプを、シームレスで一体物として製造することも可能である。すなわち所定の金属パイプの形状に対応した樹脂製の前駆体の表面に、本発明の構成によってめっき被膜を成長させたのち、熱処理して前駆体を除去すれば、これまでは製造することが不可能であった上記の複雑な形状を有する金属パイプを、シームレスで一体物として製造できるなど、工業的な応用範囲が広い。
【００４５】
【実施例】
以下に本発明を、実施例、比較例に基づいて説明する。
実施例１
〈導電ペーストの調製〉
導電成分としては、微細な金属粒が鎖状に繋がれた形状を有し、金属粒の粒径が１００ｎｍ、鎖の径が２００ｎｍであるニッケル粉末を用いた。
【００４６】
そしてこのニッケル粉末９０重量部と、結着剤としてのフェノール樹脂１０重量部とを混合し、水を加えて導電ペーストを調製した。
〈導電膜の形成〉
前駆体としては、厚み１．８ｍｍ、平均口径０．４５ｍｍ、空隙率９８％の、連続気孔構造を有するウレタンフォームを用いた。
そしてこのウレタンフォームに前記の導電ペーストを塗布した後、１００℃で４時間、乾燥するとともに樹脂を硬化させて、膜厚１０〜５０μｍの導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００４７】
〈めっき被膜の形成〉
次にこの導電膜に導電端子を取り付けて給電部とし、下記処方のニッケルめっき浴に浸漬して、電流密度１００〜１５０ｍＡ／ｃｍ2、液温４０〜６０℃の条件で３０分間の電気めっきを行った。
ニッケルめっき浴（ｐＨ３．５〜４．５）
（成 分） （濃 度）
スルファミン酸ニッケル ４５０ｇ／Ｌ
ほう酸 ３０ｇ／Ｌ
電気めっきによって導電膜上に形成されたニッケル被膜の目付量は、４５０ｇ／ｍ2であった。
【００４８】
電気めっき後、形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、厚み方向の上下それぞれ５％の位置の、結晶粒の大きさを測定した。そして導電膜側の結晶粒の大きさφ1と被膜表面側の結晶粒の大きさφ2とから、式(1)：
Ｒφ＝φ1／φ2 (1)
により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ１．１であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、ニッケル被膜は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
【００４９】
〈熱処理〉
上記の測定後、電気炉中で、水素還元雰囲気下、１０００℃に加熱して３０分間、熱処理することでウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
この金属多孔質体を直径３０ｍｍφの丸棒にあてがって１８０°に曲げたところ、破壊されずにきれいに曲げることができた。評価は○（良好）とした。
実施例２
導電成分として、微細な金属粒が鎖状に繋がれた形状を有し、金属粒の粒径が５０ｎｍ、鎖の径が１００ｎｍであるパーマロイ〔ニッケル（２０％）−鉄合金〕粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、２×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００５０】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ０．９であって、結晶粒の大きさに殆どばらつきはなく、ニッケル被膜は、厚み方向の全体にわたって均一な結晶構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５１】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、破壊されずにきれいに曲げることができた。評価は○（良好）とした。
比較例１
導電成分として、平均粒径が１．２μｍの、球状のニッケル粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、８×１０-4Ω・ｃｍであった。
【００５２】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ３．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５３】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、曲げの内側の構造が破壊されてしまった。評価は△（やや不良）とした。
比較例２
導電成分として、平均粒径が１．２μｍの、球状の銀粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして導電ペーストを調製し、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１×１０-5Ω・ｃｍであった。
【００５４】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ２．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５５】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、曲げの内側の構造が破壊されてしまった。評価は△（やや不良）とした。
比較例３
導電ペーストとして、１次粒径が１００ｎｍの微小粒子が鎖状に繋がった形状を有する鎖状アセチレンブラック入りのペースト（カーボン量５０重量％、残部フェノール樹脂）を用いて、ウレタンフォームの表面に導電膜を形成した。導電膜の体積固有抵抗を測定したところ、１．０３×１０-2Ω・ｃｍであった。
【００５６】
次に、この導電膜を用いたこと以外は実施例１と同条件でニッケルの電気めっきを行った後、導電膜上に形成されたニッケル被膜の断面を金属顕微鏡で観察して、前記式(1)により、結晶粒の大きさの比率Ｒφを求めたところ６．０であって、結晶粒の大きさに大きなばらつきがあり、ニッケル被膜は、金属の結晶粒が大きい領域と小さい領域の２層構造を有することが確認された。
さらに上記の測定後、実施例１と同条件で熱処理してウレタンフォームを熱分解除去して、金属多孔質体を製造した。
【００５７】
この金属多孔質体を実施例１と同条件で曲げたところ、きれいに曲げることができずに、途中で折れてしまった。評価は×（不良）とした。
以上の結果を表１にまとめた。
【００５８】
【表１】
Claims (6)
- 金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成した後、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて形成されたことを特徴とする金属構造体。
- 前駆体が、連続気孔構造を有する樹脂製の多孔質体である請求項１記載の金属構造体。
- 電気めっき後に熱処理して多孔質体を除去した請求項２記載の金属構造体。
- 金属粉末を形成する金属粒の粒径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体。
- 金属粉末の鎖の径を４００ｎｍ以下とした請求項１記載の金属構造体。
- 金属構造体のもとになる立体形状を有する前駆体の表面に、導電成分として、微細な金属粒が多数、鎖状に繋がった形状を有する、鎖の径が１μｍ以下の金属粉末を含む導電ペーストを塗布して導電膜を形成する工程と、この導電膜を電極とする電気めっきによりめっき被膜を成長させて金属構造体を形成する工程とを含むことを特徴とする金属構造体の製造方法。
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