JP4302456B2 - 金属粉末の分散方法及びその方法によって得られる金属粉末分散体 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末の分散方法及びその方法から得られる金属粉末の分散体に関する。より詳しくは、微細な一次粒子径を有する金属粉末を、ほぼ一次粒子単独のレベルまで分散でき、更に、金属粉末を高濃度で含む場合においても、分散安定性が長期に渡って優れることとなる金属粉末の分散方法、並びに、その方法から得られる、インキ、塗料及び導電性ペースト等で好適に利用することができる金属粉末の分散体に関する。

金属微粉末は、従来、金属の持つ光沢や導電性等の特性を生かして、光沢性被膜や導電性被膜を形成する材料として、インキや塗料の分野で利用されてきた。例えば、ＡｌやＣｕ合金等の微粉末は、金属光沢等の諸性能を有する印刷物や塗工物に利用され、また、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉといった導電性の高い各種金属の微粉末は、古くは家電製品から最近では固体素子その他の精密電子材料までも含む広い分野において、プリント基板の電気回路や電子部品の電極を形成する材料として利用されている。

従来、このような金属粒子を分散するために種々の方法が検討されている。例えば、ヒドロキシカルボン酸の重合物を用いて金属粉末を分散させる方法の１つとしては、ポリ１２−ヒドロキシステアリン酸とポリオールとのエステル化合物を利用する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、１分子あたりに複数のアニオン基を有する高分子分散剤が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

ところが、最近では、塗膜の平滑性や導電性等の諸性能の要求レベルは年々高くなり、特に塗膜中の金属粒子のパッキング性の向上、さらには、プリント基板の電気回路や電子部品の電極の高集積化等により、使用する金属粒子は、平均一次粒子径が非常に微細な粒子であることが要望されている。

しかしながら、一次粒子の凝集体である金属粉末においては、一次粒子の粒子径が小さくなればなるほど、粒子間に働く凝集力が強固になるため、一旦凝集した金属微粒子を、再度、一次粒子まで分散させることが困難となる。
特許文献１に記載の方法では、ポリヒドロキシカルボン酸のカルボキシル基がポリオール化合物の水酸基との反応によって消失するため、ポリ１２−ヒドロキシステアリン酸とポリオールとのエステル化合物は金属表面に強固に吸着することができない。このような化合物では、凝集した金属粉末を分散させるために充分なエネルギーを与えることができない上に、得られる分散組成物の分散安定性も不充分である。

また、特許文献２に記載の方法では、金属粒子の粒子径が充分に大きい場合、高分子分散剤１分子中のアニオン基のほとんどが一つの金属粒子表面に吸着して、厚い吸着層を形成できるために、分散安定性が高くなると推察される。しかしながら、金属粒子の粒子径が微小になるにしたがって、高分子分散剤１分子中のアニオン基が複数の金属粒子表面に吸着する可能性が高くなることから、金属微粒子間に働く凝集力と相まって、逆に金属粒子の凝集を引き起こす原因となる。このように、従来の金属粉末の分散方法では、平均一次粒子径が小さい金属粉末を一次粒子まで分散するには不充分であった。
さらに、金属微粒子は、分散状態を安定に維持することが極めて困難であり、たとえ、最初の段階で一次粒子まで分散できたとしても、経時的に再凝集して大粒子径化を起こす。そして、大粒子径化した分散組成物では、系の流動性が低下して良好な印刷物や塗工物が得られなくなる。

このような理由で流動性が低下した分散組成物を用いた導電性ペーストから得られる被膜は、平滑性が低いため、例えば電極として使用した場合には、表面接触の確実性が不充分であり、電極機能としての信頼性が損なわれるという問題があった。また、均一な膜厚が要求される精密電子部品の回路として使用した場合は、導電性も微妙に変化して、設計した回路どおりの電流値や電圧値が得られない等の問題が発生する。
特開平０８−５７２８８号公報 特開２００１−６７９５１号公報

そこで、本発明の課題は、上述した問題点を全て解決することである。すなわち、微細な一次粒子が凝集した金属粉末を、一次粒子に近い状態まで分散でき、このような金属粉末を高濃度で含む場合であっても、長期保存において凝集を起こしにくい、金属粉末の分散方法を提供することである。さらに、上記金属粉末の分散方法を用いて得られた、良好な印刷適性、塗工適性を有するインキ、塗料及び導電性ペースト等を製造することができる金属粉末の分散体を提供することである。

金属粒子は、有機顔料やポリマー粒子等と比較して表面エネルギーが非常に大きいという特徴がある。表面エネルギーが大きい粒子では粒子間の凝集力が強固となるため、一旦、凝集を起こすと再分散のために大きなエネルギーが必要となる。また、比表面積が大きい微細粒子は、表面エネルギーが高いため、表面積を小さくしようとして、粒子を凝集させる力が働くことになる。このような理由から、微細な一次粒子の凝集体からなる金属粉末を、一次粒子まで再分散させること、また、そのままの状態を維持することは共に極めて困難であった。

そこで、本発明では、分散剤としてモノカルボン酸化合物である１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーを用いて、微細な一次粒子からなる金属粉末を分散させることを特徴とするものである。
本発明は、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーからなる分散剤を用いて、金属粉末を分散する金属粉末の分散方法である。
本発明はまた、上記分散方法によって得られる金属粉末分散体である。

本発明で用いる分散剤は、カルボキシル基を有する化合物であるので、金属粒子の表面に対する吸着性が高く、また、１分子中に１つのカルボキシル基を有するモノカルボン酸化合物であるので、金属粒子が微細であっても、１つの分散剤分子が複数の金属粒子に吸着することがほとんどないものである。従って、吸着した分子が金属粒子同士の凝集を防止するための立体障害層を形成できることから、経時においても分散安定性の高い金属粒子の分散体が得られると考えられる。さらに、本発明で好適な範囲として特定する、酸価が５〜９６ｍｇＫＯＨ／ｇである１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーでは、金属粒子に対する吸着性と立体障害層の形成とにおいて、バランスが良好になると考えられ、上記効果がより一層高くなるものである。

以下、本発明の金属粉末の分散方法について詳細に説明する。
１．金属粉末
本発明で使用できる金属粉末としては特に限定はしないが、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ等の金属粉末又はこれら金属からなる合金粉末を主成分とすることが好ましい。上記「主成分とすることが好ましい」とは、「好ましくは、金属粉末を構成する全成分が上記金属又はこれら金属からなる合金であるか、又は、他の金属粉末を含む場合であっても上記金属又はこれら金属からなる合金が最も高い割合で含まれる」ことを意味する。これら金属粉末及び合金粉末のうち、光沢感が強く安価なＡｌやＣｕ系のものは、インキや塗料の分野で好適に使用でき、一方、導電性が高いＡｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ等は導電性インキの分野で好適に使用できる。特に、Ｎｉは安価な材料であるので、上記金属粉末は、Ｎｉ（ニッケル）粉末であることがより好適である。

上記金属粉末の含有量としては、通常、得られる金属粉末分散体１００質量部あたり３０〜８０質量部であることが好ましい。本発明で使用できる金属粉末は、平均一次粒子径が１μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ（０．２μｍ）以下である。ここで、金属粉末の一次粒子径の測定方法としては、凝集体のままでも粒子の形状から一次粒子径の測定がある程度可能であり、また、一次粒子まで分散したものについてはより正確な粒子径の測定ができるという点から、電子顕微鏡を用いた測定が好適である。
このような微細な一次粒子径を有する金属粉末は、例えば、溶媒中の金属イオンを還元剤等で還元・析出させる還元析出法、金属の蒸気を分散安定化ガス中で凝集させるガス中蒸発法等で製造可能である。

２． 分散剤
次に、本発明で使用できる分散剤としては、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーからなるものである。なお、上記分散剤は、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーとともに、その他の分散剤を含むものであってもよい。上記ホモポリマーの合成方法としては、一般的に公知な方法で合成できる。１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーは、酸価が５〜９６ｍｇＫＯＨ／ｇであることが好ましい。より好ましくは、酸価の範囲が２０〜５０ｍｇＫＯＨ／ｇのものである。ここで、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーの酸価については、ＪＩＳ Ｋ ００７０に準じて滴定法により測定することができる。１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーは、酸価が上記範囲内であると、金属粉末を微細粒子にまで分散でき、また、長期に渡ってその状態を維持できるという点から好適である。

上記分散剤の含有量は、金属粉末分散体１００質量部中に０．３〜３０質量部が好ましい。上記金属粉末：上記１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーの質量比率としては、（金属粉末の質量）：（１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーの質量）＝１：０．０１〜１：０．５が好ましい。
分散剤の量が上記範囲より少なくなると、金属粉末表面に吸着する分散剤量が充分といえず、金属粉末が凝集を起こしやすくなる。一方、分散剤の量が上記範囲より多くなっても、分散性が変わらないばかりか、導電性インキ用途では導電性を阻害する不純物として残り、好ましくない。

３．溶剤
本発明の金属粉末の分散方法としては、上記分散剤を溶解させた溶剤中にさらに金属粉末を分散させる金属粉末の分散方法であることが好ましい。本発明で使用できる溶剤成分としては、通常の印刷インキ、塗料、導電性インキ等の分野で用いられている有機溶剤が利用できる。そのようなものとしては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等のアルコール系有機溶媒；（ポリ）エチレングリコール、（ポリ）プロピレングリコール、（ポリ）グリセリン等の多価アルコール及びその誘導体；酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等のエステル系有機溶媒；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系有機溶媒；ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン等の脂肪族炭化水素系有機溶媒；シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン等の脂環族炭化水素系有機溶媒；トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系有機溶媒；テルピネオール、ブチルカルビトール、ケロシン等が挙げられ、これらは１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーを溶解できる範囲で、それぞれ用途に応じて単独又は適宜組み合わせて使用できる。

更に、本発明の金属粉末の分散方法によって得られた金属粉末の分散体を、導電性材料としてセラミックコンデンサー等の積層電子材料の電極形成用途に利用する場合、極性の高い溶剤ではセラミックグリーンシートを侵す可能性が高いため、上記溶剤としては、極性の低い溶剤であることが好ましい。
このように、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーを溶解し、セラミックグリーンシートを侵すことが少ないという条件を満足する代表的な溶剤としては、テルピネオール（ターピネオール）等を挙げることができる。

４．その他の樹脂
本発明の方法から得られる金属粉末分散体は、さらに、印刷インキ、塗料、導電性ペースト等で用いる際に必要な性能を付与するために、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマー以外のその他の樹脂を加えてもよい。その他の樹脂として使用できる樹脂としては、印刷インキ、塗料、導電性ペースト等の分野で一般に用いられている各種バインダー樹脂等が好ましく、例えば、セルロース系樹脂、アクリル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマー以外のポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、スチレン−アクリル系樹脂、スチレン−マレイン酸系樹脂、スチレン−アクリル−マレイン酸系樹脂、ウレタン−アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、アルキッド系樹脂、ロジンエステル系樹脂、アミノプラスト樹脂等を挙げることができる。なお、導電性ペースト用途においては、上記その他の樹脂の中でもセルロ−ス樹脂やアクリル系樹脂を用いることが好ましい。

上記金属粉末分散体において、その他の樹脂を併用して得られる性能としては、特に、分散剤として用いる１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマー自体は粘着性樹脂であるため、金属粉末の含有量が少ない系では、皮膜としても粘着性を有するが、上記その他の樹脂のうち非粘着性樹脂を添加することにより、非粘着性の皮膜を得ることが可能である。さらに、印刷や塗工に必要な粘度や流動性の調整、フィルムやシートに対する接着性や金属粉末と樹脂とからなる皮膜に凝集力を付与することも可能である。その他の樹脂は、それぞれの目的とする性能に合わせて、単独又は適宜組み合わせて併用することができる。その他の樹脂の使用量としては特に制限はないが、通常、金属粉末分散体１００質量部中に０〜４０質量部程度である。

５．分散方法
これらの材料を使用して金属粉末分散体を分散する方法としては、一般的に知られている分散機を用いることができる。例えば、１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマー、必要に応じてその他の樹脂を溶解した溶剤中に金属粉末を添加混合し、３本ロール、ビーズミル、ボールミル、サンドミル、パールミル、アトライター、ニーダー、高速攪拌装置、高圧乳化機等の各種分散機を用いて分散する方法が利用できる。
なお、金属粉末の中でも一次粒子の凝集力がより高いものについては、充分な分散力を得ることができるように、分散時の配合処方、分散機種、分散時間等の条件を設定することが好ましい。

６．金属粉末分散体の特徴と用途
上記金属粉末の分散方法から得られた金属粉末分散体は、微細な金属粉末の一次粒子を高濃度で含む場合であっても、長期保存において凝集を起こすことがなく、良好な印刷適性、塗工適性を有する、インキ、塗料及び導電性ペースト等に利用できる金属粉末の分散体である。
更に、テルピネオール等の極性の低い溶剤を用いて得られる導電性ペーストは、セラミックコンデンサーの電極等の形成材料として利用しても、セラミックグリーンシートを侵すことがなく、また、高集積化された電子材料においても安定した電気的特性が得られる等、より安価な材料で優れた性能を有する導電性ペーストである。

本発明の金属粉末の分散方法を利用すると、平均一次粒子径が１．０μｍ、特に０．２μｍ以下の金属粉末を、一次粒子の状態で分散することが可能であり、また、上記金属粉末を高濃度で含む場合においても、長期間に渡って優れた分散安定性を有する金属粉末の分散体を製造することができる。そして、このような分散方法を用いて得られた金属粉末分散体は、微細な金属粉末が凝集することなく安定に分散したものであり、インキ、塗料、導電性ペースト等に好適に用いることができる。

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
＜実施例１〜１１、比較例１〜１２＞
表１に示す配合で、導電性粉末、分散剤、その他の樹脂、溶剤を均一に攪拌混合し、ミルベースを得た。次にこのミルベースを３本ロールミルにて混練、分散処理を行い、実施例１〜１１及び比較例１〜１２の金属粉末分散体を得た。

（評価）
１．金属粉末分散体の粘度
Ｂ型粘度計（トキメック社製／ローターＮｏ．４）を用いて、２５℃にて金属粉末分散体の粘度測定を行い、初期粘度測定値を表２に示した。スクリーン印刷によってパターニングを行うインキとしては、初期粘度測定値が１５±５Ｐａ・ｓであるものが好適であることから、この範囲のものを○、この範囲から外れたものを×として評価を行った。また、４０℃で１ヶ月経過した後の粘度を上記と同一の条件で測定した時、（初期粘度測定値×０．６７）〜（初期粘度測定値×１．５）の範囲のものを○、その範囲より粘度の増減が大きなものを×として経時粘度の評価を行った。なお、比較例１〜１２については、いずれも初期粘度の評価が悪いものであるため、経時粘度についての評価は行わなかった。

２．金属粉末分散体の分散状態の判定
電子顕微鏡（日本電子社製、ＪＳＭ−Ｔ３３０型）を用いて、初期の分散状態の判定を目視にて行った。分散状態の判定においては、ほぼ１粒子ずつが単独で分散しているものを○、いくつかの粒子の凝集体形成が認められるものを×として評価を行った。また、４０℃で１ヶ月経過したものについて、上記電子顕微鏡を用いて、経時の分散状態の判定を目視にて行い、ほぼ１粒子ずつが単独で分散しているものを○、いくつかの粒子の凝集体形成が認められるものを×として経時の分散性の評価を行った。これらの評価結果を表２に示した。なお、比較例１〜１５については、いずれも初期分散性の評価が悪いものであるため、経時分散性についての評価は行わなかった。

実施例１〜１１においては、初期及び経時における分散状態、粘度ともに○判定で、分散性の良好な金属粉末分散体が得られた。次に比較例１〜１２においては、分散性が不充分で、得られた金属粉末分散体の粘度が非常に高いものとなった。以上のように、実施例においては導電性粉末の凝集粒子を均一に分散し、かつ低粘度の金属粉末分散体を得ることができた。

本発明の金属粉末の分散方法を利用すると、微細な一次粒子からなる金属粉末を、一次粒子の状態まで分散することが可能であり、更にその金属粉末を高濃度で含む場合においても、長期間に渡って優れた分散安定性を有する金属粉末の分散体を製造することができる。
また、この方法から得られた金属粉末の分散体は、良好な印刷適性、塗工適性を有し、インキ、塗料及び導電性ペースト等に好適に利用でき、特に、極性の低い溶剤を利用して得られる導電性ペーストは、セラミックコンデンサーの電極等の形成材料として利用しても、セラミックグリーンシートを侵すことがなく、また、高集積化された電子材料においても安定した電気的特性が得られる等の優れた性能を有するものである。

Claims (3)

1. 酸価が５〜９６ｍｇＫＯＨ／ｇの１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーからなる分散剤を用いて、金属粉末である平均一次粒径が０．２μｍ以下のＮｉ粉末を、溶剤であるターピネオール中に分散する
   ことを特徴とする金属粉末の分散方法。
2. 前記金属粉末：前記１２−ヒドロキシステアリン酸のホモポリマーの質量比率＝１：０．０１〜１：０．５である
   ことを特徴とする請求項１記載の金属粉末の分散方法。
3. 請求項１又は２記載の分散方法によって得られる
   ことを特徴とする金属粉末分散体。