JP5034330B2 - フィブリル状導電性ポリマーの製造方法および導電性塗料の製造方法 - Google Patents
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Description
このような導電性材料を提供する方法として、PETフィルム等の基材の上にITO(インジウム錫酸化物)を蒸着して用いる方法が一般に採用されているが、ITO蒸着層を蒸着する方法は大掛かりな装置が必要でコストが比較的高くなるという問題がある。また、各種包装材等に使用する場合、例えば、真空成形等で深絞り加工をする際等に基材の変形にITO層が追従できず、割れが生じる等の問題もあった。
また、非特許文献1に記載された方法は、実験室レベルで用いられる方法であり、工業的に同一の形状のフィブリル状導電性ポリマーを製造することは困難である。
また、本発明は、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できるフィブリル状導電性ポリマー分散液を提供することを目的とする。
また、本発明は、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できる導電性塗料を提供すること、および、この導電性塗料を工業的に製造し得る、導電性塗料の製造方法を提供することを目的とする。
また、(i)導電性ポリマーの凝集体とバインダーと溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして得られる、上記溶媒に繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーと上記バインダーとが分散した導電性塗料、(ii)重量平均分子量が20,000〜1,000,000である導電性ポリマーの凝集体と、バインダーと、溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、せん断速度10,000s-1以上でかくはんして得られる、上記溶媒にフィブリル状導電性ポリマーと上記バインダーとが分散した導電性塗料、(iii)上記フィブリル状導電性ポリマー分散液に、バインダーを加えて得られる、上記溶媒に上記フィブリル状導電性ポリマーと上記バインダーとが分散した導電性塗料は、それぞれ、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できることを見出した。
本発明は、導電性ポリマーの凝集体に極めて高いせん断力をかける事によって凝集がナノサイズのフィブリル状態にまで解けるようにできることを見出し、これを利用して透明性と導電性の両立した導電性ポリマー分散液および導電性塗料を提供するものである。
本発明者は、これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
(1)導電性ポリマーの凝集体と溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして、繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーを得る、かくはん工程を備えるフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(2)前記導電性ポリマーの重量平均分子量が、20,000〜1,000,000である上記(1)に記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(3)前記導電性ポリマーが、ポリアニリンおよび/またはポリアニリン誘導体である上記(1)または(2)に記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(4)前記導電性ポリマーの凝集体が、乾燥されていない上記(1)〜(3)のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(5)前記導電性ポリマーの凝集体の含有量が、前記混合液中の10質量%以下である上記(1)〜(4)のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(6)前記かくはん機が、円筒状のかくはん槽内に回転軸を同心に設け、かくはん槽より僅かに小径の回転羽根を前記回転軸に取付け、回転羽根の高速回転により混合液をかくはん槽の内面に薄膜円筒状に拡げながらかくはんする高速かくはん機であって、
前記回転羽根が、円筒体に半径方向の小孔を多数貫通して設けた多孔円筒部を外周側に備える高速かくはん機である上記(1)〜(5)のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(7)前記混合液が、界面活性剤を含有する上記(1)〜(6)のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(8)前記かくはん工程の前に、
モノマーと酸化剤と溶媒とを混合し、前記モノマーを重合させて導電性ポリマーの凝集体を得る、導電性ポリマー製造工程を備える、上記(1)〜(7)のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
(10)前記導電性ポリマーの重量平均分子量が、20,000〜1,000,000である上記(9)に記載の導電性塗料の製造方法。
(11)せん断速度10,000s-1以上でかくはんして、前記導電性塗料を得る上記(9)または(10)に記載の導電性塗料の製造方法。
(13)前記導電性ポリマーが、ポリアニリンおよび/またはポリアニリン誘導体である上記(9)〜(12)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(14)前記導電性ポリマーの凝集体が、乾燥されていない上記(9)〜(13)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(15)前記導電性ポリマーの凝集体の含有量が、前記混合液中の10質量%以下である上記(9)〜(14)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(16)前記かくはん機が、円筒状のかくはん槽内に回転軸を同心に設け、かくはん槽より僅かに小径の回転羽根を前記回転軸に取付け、回転羽根の高速回転により混合液をかくはん槽の内面に薄膜円筒状に拡げながらかくはんする高速かくはん機であって、
前記回転羽根が、円筒体に半径方向の小孔を多数貫通して設けた多孔円筒部を外周側に備える高速かくはん機である上記(9)〜(15)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(17)前記混合液が、界面活性剤を含有する上記(9)〜(16)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(18)前記かくはん工程の前に、
モノマーと酸化剤と溶媒とを混合し、前記モノマーを重合させて導電性ポリマーの凝集体を得る、導電性ポリマー製造工程を備える、上記(9)〜(17)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(20)前記バインダーが、アクリルモノマー、アクリルオリゴマー、ポリエステルおよびポリウレタンからなる群から選択される少なくとも1種である上記(9)〜(19)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
(21)前記バインダーの含有量が、前記導電性ポリマーの凝集体100質量部に対して100〜3000質量部である上記(9)〜(20)のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
また、本発明のフィブリル状導電性ポリマーを溶媒に分散させた分散液(以下、「本発明のフィブリル状導電性ポリマー分散液」という。)は、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できる。
また、本発明の導電性塗料の製造方法により製造される導電性塗料(以下、「本発明の導電性塗料」という。)は、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できる。また、本発明の導電性塗料の製造方法によれば、この導電性塗料を工業的に製造し得る。
まず、本発明のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法および本発明のフィブリル状導電性ポリマーについて説明する。
本発明のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法は、導電性ポリマーの凝集体と溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして、繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーを得る、かくはん工程を備える。
上記かくはん工程により得られるフィブリル状導電性ポリマーの繊維径は、20nm以下が好ましく、10nm以下がより好ましい。繊維径の下限は特に限定されない。
本明細書において、「導電性ポリマーの凝集体」とは、上記のような繊維状の導電性ポリマーが複雑に絡まった塊状の導電性ポリマーをいう。
なお、本明細書における重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法を用いて、UV検出器で測定、算出した。標準試料としてはポリスチレンを使用した。
上記界面活性剤としては、具体的には、例えば、ノニオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性イオン界面活性剤等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記混合液をかくはんして、非常に強いせん断力をかけると、凝集している導電性ポリマーが極めて細いフィブリル状になり、その結果、この導電性ポリマーの溶媒中での分散性を向上できる。その導電性ポリマー分散液または後述する導電性塗料を塗布した面にはフィブリル状の導電性ポリマーが均一かつ緊密に存在し、導電パスを形成するので、高い透明度と導電性を両立できる材料が得られる。
上記かくはん工程においては、せん断速度10,000s-1以上でかくはんすることが、上記導電性ポリマーの凝集がほどけてフィブリル状になり易い点から好ましい。より短時間に分散でき、高い透明度と導電性を両立できる材料を提供できるフィブリル状導電性ポリマーが得られる点から、せん断速度15,000s-1以上がより好ましく、25,000s-1以上が更に好ましい。
γ=dw/dr
本発明に好適に用いられるかくはん機は、容器(かくはん槽)の内側に回転羽根を有し、この回転羽根が高速で回転することによって、容器の内面と回転羽根の外面との間にせん断力がかかり、導電性ポリマーの凝集を解いていくものである。このかくはん機を例に挙げると、容器内面近傍および回転羽根外面の近傍の流速を、それぞれ容器および回転羽根の速度と同じであると仮定すると、容器は静止しているので上記dwの値は回転羽根の回転速度となる。また、距離rは容器と回転羽根の間のクリアランスとなる。
以下、図面を参照して、この高速かくはん機の好適な実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に限定されないのはいうまでもない。
図3において、1は円筒形断面をもつかくはん槽、2は外槽で、両槽1、2間に冷却水室3が形成され、この冷却水室3に冷却水が流入管4から供給され、かくはんで生じる摩擦熱を吸収して図外の流出管から排出される。かくはん槽1の底部には、弁5a、6aをもつ供給管5、6が接続されて原料の供給に使用されるが、バッチ生産の場合は製品の排出にも使用される。
まず、上記モノマーとしてアニリン、上記溶媒として水、および必要に応じて界面活性剤を混合し、酸を加えてpH1程度に調整した後、上記酸化剤として過硫酸アンモニウムを添加し、低温(−35〜10℃程度)で酸化重合してポリアニリンを得ることができる。その後、メタノール等の適当な溶媒を加えてポリアニリンを析出させ、ろ過して得られた固体を水等を用いて洗浄するのが好ましい。得られた導電性ポリマー(ポリアニリン)は乾燥させないで上記かくはん工程に用いるのが、フィブリル状にし易く、分散性に優れる点から好ましい。
上記酸化剤の使用量は、上記モノマーを酸化重合し得る量であれば特に制限されないが、上記モノマー1モルに対して0.01〜10モルであることが好ましく、0.1〜5モルであることがより好ましい。
上記界面活性剤としては、上述した界面活性剤等が例示される。
また、本発明の製造方法により製造された本発明のフィブリル状導電性ポリマーは、優れた導電性を有し、透明度の高い材料を提供できる。
本発明のフィブリル状導電性ポリマー分散液は、溶媒に、上述したフィブリル状導電性ポリマーが分散したものである。
本発明のフィブリル状導電性ポリマー分散液は、上述した本発明のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法によって得ることができる。上記溶媒は、本発明のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法に用いられる溶媒と基本的に同様でよく、本発明のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法に用いられる溶媒であることが好ましい。
本発明の導電性塗料の製造方法の第1の態様(以下、「第1の製造方法」という。)は、導電性ポリマーの凝集体とバインダーと溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして、上記溶媒に繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーと上記バインダーとが分散した導電性塗料を得る、かくはん工程を備える。
上記バインダーとしては、具体的には、例えば、アクリルモノマー、アクリルオリゴマー;ポリエステル、ポリウレタン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレン、ポリカーボネートポリビニルブチラール等の合成樹脂バインダー;ゼラチン、デキストラン、ポリアクリルアミド、デンプン、ポリビニルアルコール等の水溶性バインダー等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、アクリルモノマー、アクリルオリゴマー、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂が、汎用性、接着性という点から好ましい。
これらの他に、アクリロニトリル、スチレン、α−メチルスチレン、アルキルビニルエーテル、塩化ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、エチレン等を併用してもよい。
第2の製造方法によれば、通常、得られる導電性塗料に含有されるフィブリル状導電性ポリマーの繊維径を100nm以下にすることができる。
第3の製造方法に用いられるバインダーは、上述した第1および第2の製造方法に用いられるバインダーと同様のものでよく、その含有量も同様である。
上記基材は、特に限定されないが、透明なフィルムが好ましい。具体的には、例えば、ポリエステル、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン等のフィルムが好適に挙げられる。
(合成例1)
アニリン1g、ドデシルベンゼンスルホン酸6.3gおよび蒸留水100mlを混合した。次に、この混合液に、蒸留水50mlに6N塩酸5.4mlを加えて調製した希塩酸を全量加えた。この混合液を−10℃に冷却した後、酸化剤として蒸留水30mlに溶解させた過硫酸アンモニウム2.7gを加えて、30時間酸化重合させた。
その後、メタノールを加えてポリアニリンを析出させ、ろ過して得られた固体を多量の蒸留水により洗浄して、ドデシルベンゼンスルホン酸や過硫酸アンモニウムの残分を除去した後、乾燥させないで蓋付きの瓶に入れて保管した。得られた導電性ポリマーの固形分を測定すると20質量%であった。
ろ過終了時にポリアニリンの一部をとり、アンモニア水で脱ドープした後、NMPに溶解させ、GPCにより重量平均分子量を測定したところ、得られたポリアニリンの重量平均分子量は30万であった。
原料にトリメチルアニリン0.02gを更に加えた以外は、合成例1と同様の方法で導電性ポリマーを合成した。得られた導電性ポリマーの固形分を測定すると20質量%であった。
合成例1と同様の方法で得られた導電性ポリマーの重量平均分子量を測定したところ、得られた導電性ポリマーの重量平均分子量は3万であった。
(合成例3)
合成例1の導電性ポリマーとトルエンとを質量比(導電性ポリマー/トルエン)5/77.5で混合した。この混合液をプライミクス社製のT.K.フィルミックスを用いて、室温で、せん断速度25,000s-1で5分間かくはんして、フィブリル状導電性ポリマー分散液を得た。
(実施例1〜6および比較例1〜2)
下記第1表に示す各成分を、第1表に示す組成(質量部)で混合し、かくはん機(T.K.フィルミックス、プライミクス社製)を用いて、室温で、第1表に示すせん断速度で第1表に示す混合時間かくはんして、各導電性塗料を得た。
沈殿が生じていないものを「○」、わずかに沈殿が生じていたものを「△」、かなり沈殿が生じていたものを「×」とした。
PETフィルム上に形成した膜について、以下に示す方法により、繊維径を測定し、また、外観、透明度、導電性、接着性を評価した。
結果を第1表に示す。
合成例3のフィブリル状導電性ポリマー分散液82.5質量部と、ポリエステル溶液17.5質量部とを混合し、ガラス棒を用いて手動でかくはんして導電性塗料を得た。
得られた導電性塗料について、実施例1〜6および比較例1〜2と同様の方法で、長期安定性、繊維径、外観、透明度、導電性および接着性を評価した。
結果を第1表に示す。
導電性ポリマー膜を目視にて観察し、均一になっているものを「○」、凝集体が少量残っているものを「△」、導電性ポリマーが凝集した粒が多く見られたものを「×」とした。
PETフィルム上に形成した膜を光学顕微鏡または透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、倍率からフィブリル状導電性ポリマーの繊維径を換算して算出した。
ガラス板に導電性ポリマーが塗布された状態で、ヘーズメーター(村上色彩技術研究所社製、HM−150)により、全光透過率を求めた。
ガラス板上に導電性ポリマーが塗布された状態で、抵抗測定器(ダイアインスツルメンツ社製、ロレスタIP)を用い、4端子法にて表面抵抗を求めた。
接着性の評価は、碁盤目テープはく離試験により行った。
得られたPETフィルム上に形成した膜に1mmの基盤目100個(10×10)を作り、基盤目上にセロハン粘着テープ(幅18mm)を完全に付着させ、直ちにテープの一端を直角に保ち、瞬間的に引き離し、完全に剥がれないで残った基盤目の個数を調べた。
99〜100個残っていたものを「○」、80〜98個残っていたものを「△」とした。
実施例および比較例に用いた各成分は、下記のとおりである。
・粉末ポリアニリン:アルドリッチ社製、重量平均分子量1万
・ポリエステル溶液:ポリエステル(バイロン240、東洋紡社製)とMEKとを質量比40/100で混合した溶液
・ポリウレタン溶液:ポリウレタン(パンデックス1520、大日本インキ化学工業社製)とトルエンとを質量比40/100で混合した溶液
・アクリルモノマー:ペンタエリスリトールアクリレート、M−305、東亞合成社製
・ラジカル重合開始剤:4,4−アゾビス−4シアノ吉草酸、イルガキュア500、チバガイギー社製
そこで、実施例1〜6についてはTEMで1000倍に拡大して観察した。その結果、一様に分散しているフィブリル状の導電性ポリマーが観察された。
実施例2のTEM写真(1000倍)を図1に、比較例1の光学顕微鏡写真(400倍)を図2に示す。
一方、実施例1〜7は、長期安定性、外観、透明度、導電性および接着性が優れていた。
2 外槽
3、8b 冷却水室
4 流入管
5、6 供給管
5a、6a 弁
7 堰板
8 上部容器
8a 蓋
9 流出管
10 回転軸
11 回転羽根
12 多孔円筒部
12a 小孔
13 アーム
13a 連通孔
14 ボス
L 混合液
S 間隙
Claims (21)
- 導電性ポリマーの凝集体と溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして、繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーを得る、かくはん工程を備えるフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記導電性ポリマーの重量平均分子量が、20,000〜1,000,000である請求項1に記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記導電性ポリマーが、ポリアニリンおよび/またはポリアニリン誘導体である請求項1または2に記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記導電性ポリマーの凝集体が、乾燥されていない請求項1〜3のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記導電性ポリマーの凝集体の含有量が、前記混合液中の10質量%以下である請求項1〜4のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記かくはん機が、円筒状のかくはん槽内に回転軸を同心に設け、かくはん槽より僅かに小径の回転羽根を前記回転軸に取付け、回転羽根の高速回転により混合液をかくはん槽の内面に薄膜円筒状に拡げながらかくはんする高速かくはん機であって、
前記回転羽根が、円筒体に半径方向の小孔を多数貫通して設けた多孔円筒部を外周側に備える高速かくはん機である請求項1〜5のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。 - 前記混合液が、界面活性剤を含有する請求項1〜6のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。
- 前記かくはん工程の前に、
モノマーと酸化剤と溶媒とを混合し、前記モノマーを重合させて導電性ポリマーの凝集体を得る、導電性ポリマー製造工程を備える、請求項1〜7のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法。 - 導電性ポリマーの凝集体とバインダーと溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、かくはんして、前記溶媒に繊維径100nm以下であるフィブリル状導電性ポリマーと前記バインダーとが分散した導電性塗料を得る、かくはん工程を備える導電性塗料の製造方法。
- 前記導電性ポリマーの重量平均分子量が、20,000〜1,000,000である請求項9に記載の導電性塗料の製造方法。
- せん断速度10,000s-1以上でかくはんして、前記導電性塗料を得る請求項9または10に記載の導電性塗料の製造方法。
- 重量平均分子量が20,000〜1,000,000である導電性ポリマーの凝集体と、バインダーと、溶媒とを含有する混合液を、かくはん機を用いて、せん断速度10,000s-1以上でかくはんして、前記溶媒にフィブリル状導電性ポリマーと前記バインダーとが分散した導電性塗料を得る、かくはん工程を備える導電性塗料の製造方法。
- 前記導電性ポリマーが、ポリアニリンおよび/またはポリアニリン誘導体である請求項9〜12のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
- 前記導電性ポリマーの凝集体が、乾燥されていない請求項9〜13のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
- 前記導電性ポリマーの凝集体の含有量が、前記混合液中の10質量%以下である請求項9〜14のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
- 前記かくはん機が、円筒状のかくはん槽内に回転軸を同心に設け、かくはん槽より僅かに小径の回転羽根を前記回転軸に取付け、回転羽根の高速回転により混合液をかくはん槽の内面に薄膜円筒状に拡げながらかくはんする高速かくはん機であって、
前記回転羽根が、円筒体に半径方向の小孔を多数貫通して設けた多孔円筒部を外周側に備える高速かくはん機である請求項9〜15のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。 - 前記混合液が、界面活性剤を含有する請求項9〜16のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
- 前記かくはん工程の前に、
モノマーと酸化剤と溶媒とを混合し、前記モノマーを重合させて導電性ポリマーの凝集体を得る、導電性ポリマー製造工程を備える、請求項9〜17のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれかに記載のフィブリル状導電性ポリマーの製造方法で製造された繊維径100nm以下のフィブリル状導電性ポリマーを溶媒に分散させたフィブリル状導電性ポリマー分散液に、バインダーを加えて、前記溶媒に前記フィブリル状導電性ポリマーと前記バインダーとが分散した導電性塗料を得る導電性塗料の製造方法。
- 前記バインダーが、アクリルモノマー、アクリルオリゴマー、ポリエステルおよびポリウレタンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項9〜19のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
- 前記バインダーの含有量が、前記導電性ポリマーの凝集体100質量部に対して100〜3000質量部である請求項9〜20のいずれかに記載の導電性塗料の製造方法。
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