JP5132075B2 - 導電性ないし制電性成形体及びその製造方法 - Google Patents
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該成形体の表面抵抗率が、1010Ω/□以下であり、
該成形体の表層を走査型電子顕微鏡で観察した場合に、 上記ナノスケールカーボンチューブの2本以上が部分的に接続した状態で直列的に配列している長さ10μm以上の連続体から形成されたネットワーク構造を有しており、
上記連続体は、20μm×20μmの範囲の視野を100視野観察した場合に、80以上の視野において、1個以上存在する
ことを特徴とする導電性ないし制電性成形体。
(b)ネットワーク形成剤で表面処理されたナノスケールカーボンチューブ
を含み、
該表面処理されたナノスケールカーボンチューブの2本以上が部分的に接続してなる長さ10μm以上の連続体から形成されたネットワーク構造を有し、
表面抵抗率が1010Ω/□以下である
ことを特徴とする導電性ないし制電性成形体。
で表されるグリコール化合物の少なくとも1種である上記項6〜9のいずれかに記載の成形体。
(a-2)ナノスケールカーボンチューブ、ネットワーク形成剤及び揮発性溶媒を含む混合物を調製し、該混合物を乾燥処理することにより、
第1組成物を調製する工程、
(b)上記工程(a)で得られた第1組成物と樹脂とを混合して、第2組成物を調製する工程、
(c)上記工程(b)で得られた第2組成物を、20℃〜120℃の温度にて一方向に撹拌してエージング処理を行う工程、及び
(d)上記工程(c)でエージング処理された第2組成物を、所望の形状に成形し、樹脂を固化させる工程
を含むことを特徴とする導電性ないし制電性成形体の製造方法。
で表されるグリコール化合物の少なくとも1種である上記項15〜19のいずれかに記載の製造方法。
上記ナノスケールカーボンチューブの含有量が、導電性ないし制電性樹脂コーティング組成物全量の0.01〜3重量%であり、
上記ネットワーク形成剤が、一般式(1)
で表されるグリコール化合物の少なくとも1種であり、
上記ネットワーク形成剤の含有量が、ナノスケールカーボンチューブに対して、1〜500重量%である
ことを特徴とする組成物。
本発明で使用するナノスケールカーボンチューブは、ナノサイズの直径を有するカーボンチューブを指し、該カーボンチューブのチューブ内空間部には鉄等が内包されていてもよい。本発明で使用するナノスケールカーボンチューブとしては、所望の導電性ないし制電性成形体を与えるものであれば、いずれも使用できる。
カーボンナノチューブは、黒鉛シート(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシート)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を有している。カーボンナノチューブのうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチューブと呼ばれている。本発明では、これら単層カーボンナノチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブがいずれも使用できる。
また、本発明で使用する上記鉄−炭素複合体は、特開2002−338220号公報(特許第3569806号公報)に記載されており、(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている。即ち、チューブ内空間部の100%の範囲に完全に充填されているものではなく、上記炭化鉄又は鉄がそのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に充填されている(即ち、部分的に充填されている)ことを特徴とするものである。壁部は、パッチワーク状ないし張り子状(いわゆるpaper mache状)のナノフレークカーボンチューブである。
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10-5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10-10〜1×10-1となる濃度に調整した反応炉内でハロゲン化鉄を600〜900℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内に不活性ガスを導入し、圧力10−5Pa〜200kPaで熱分解性炭素源を導入して600〜900℃で加熱処理を行う工程
を包含する製造方法により製造される。
本発明のナノフレークカーボンチューブと炭化鉄又は鉄からなる鉄−炭素複合体は、典型的には円柱状であるが、そのような円柱状の鉄−炭素複合体(特開2002−338220号公の実施例1で得られたもの)の長手方向に垂直な断面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図3に示し、側面のTEM写真を図1に示す。
前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特定の加熱工程を行うことにより、得られる鉄−炭素複合体を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。
本明細書において、上記ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブからなる群から選ばれるカーボンチューブ内空間部の炭化鉄又は鉄による充填率(10〜90%)は、本発明で使用する鉄−炭素複合体を透過型電子顕微鏡で観察し、各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、炭化鉄又は鉄が充填されている部分の像の面積の割合である。
本発明で使用する鉄−炭素複合体は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているので、全長に亘って均質な形状を有している。その形状は、柱状で、主に円柱状である。
上記のようなナノスケールカーボンチューブはいずれも公知であり、各種のものが入手可能である。
本発明において使用する樹脂は、各種の樹脂が使用でき、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、感光性樹脂等が挙げられる。これらのなかでも、感光性樹脂が好ましい。感光性樹脂としては、特に限定されることなく、従来から使用されている各種のものが使用できる。感光性樹脂としては、例えば、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂等のいずれであってもよい。
本発明で使用するネットワーク形成剤は、上記ナノスケールカーボンチューブによるネットワーク形成を容易ならしめる化合物であり、一般には、有機溶媒が好ましい。特に、前記樹脂、特に感光性樹脂との溶解度パラメーターの差の絶対値が0.2〜5程度、特に0.3〜4程度である有機溶剤が好ましい。
上記式(s)中、Mは、分子量を示し、dは密度を示し、Gは原子団・基に固有の定数を示す。
で表されるグリコール化合物が好ましく、該グリコール化合物は、1種単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
本発明の成形体は、典型的には、少なくとも次の工程(a)、(b)、(c)及び(d)を行うことにより製造できる。
(a-2)ナノスケールカーボンチューブ、ネットワーク形成剤及び揮発性溶媒を含む混合物を調製し、該混合物を乾燥処理することにより、
ネットワーク形成剤で表面処理されたナノスケールカーボンチューブ含有炭素材料を含む第1組成物を調製する工程、
(b)上記工程(a)で得られた第1組成物と樹脂とを混合して、第2組成物を調製する工程及び
(c)上記工程(b)で得られた第2組成物を、20℃〜120℃の温度にて一方向に撹拌してエージング処理を行う工程、及び
(d)上記工程(c)で得られたエージング処理後の第2組成物を、所望の形状に成形し、樹脂を固化させる工程。
工程(a)においては、ネットワーク形成剤で表面処理されたナノスケールカーボンチューブを含む第1組成物を調製するために、(a-1)ナノスケールカーボンチューブとネットワーク形成剤とを接触させるか、又は、(a-2)ナノスケールカーボンチューブ、ネットワーク形成剤及び揮発性溶媒を含む混合物を得、該混合物を乾燥処理に供する。
上記(a-1)のように、ナノスケールカーボンチューブとネットワーク形成剤とを接触させるには、典型的には、ネットワーク形成剤とナノスケールカーボンチューブとを混合して混合物とすればよい。そのような混合物を調製するには、各成分を均一混合するのが好ましい。混合方法としては、ニーダー、バンバリータイプミキサー、ヘンシルミキサー、ローター、ボールミル、遊星ミル等の公知の方法を用いることができる。ネットワーク形成剤が揮発しない密閉型混合法が好ましい。
工程(a-2)では、ナノスケールカーボンチューブ、ネットワーク形成剤及び揮発性溶媒を含む混合物(第1組成物製造用の混合物)を得、該混合物を乾燥処理に供することにより、第1組成物を得る。
工程(b)においては、上記工程(a)で得られた第1組成物を、樹脂に分散させて第2組成物を得る。第2組成物を調製するには、第1組成物と樹脂とを均一混合する。混合方法としては、ニーダー、バンバリータイプミキサー、ヘンシルミキサー、ローター、ボールミル、遊星ミル、3本ロール等の公知の方法を用いることができる。
また、本発明では、上記工程(b)で得られる第2組成物をエージング処理する。
工程(d)においては、上記工程(c)で得られた上記エージング処理後の第2組成物を、所望の形状に成形し、固化させる。
上記方法により得られる本発明の樹脂成形体は、必ずしも導電性ないし制電性である必要はないが、導電性ないし制電性であるのが好ましい。また、本発明の樹脂成形体は、感光性樹脂を用いて製造された場合、その製造に使用した感光性樹脂のモノマー、オリゴマー等を含んでいてもよい。
(a)樹脂(特に感光性樹脂)及び
(b)ネットワーク形成剤(特に前記一般式(1)で表されるグリコール化合物)で表面処理されたナノスケールカーボンチューブ
を含み、
該表面処理されたナノスケールカーボンチューブの2本以上(特に2〜10本程度)が部分的に接続してなる長さ10μm以上(特に10〜100μm程度)の連続体から形成されたネットワーク構造を有し、
表面抵抗率が1010Ω/□以下である
ことを特徴とする成形体というべきものでもある。
本発明の前記導電性ないし制電性成形体の製造方法の工程(c)で得られるエージング処理後の第2組成物は、そのまま、導電性ないし制電性樹脂コーティング組成物として使用することができる。
本発明の導電性ないし制電性樹脂コーティング組成物は、樹脂(特に感光性樹脂)を含有し、更に、ネットワーク形成剤(特に前記一般式(1)で表されるグリコール化合物)で表面処理されたナノスケールカーボンチューブを主成分とする。本発明の導電性ないし制電性樹脂コーティング組成物において、各成分の割合は、次のような範囲であるのが好ましい。
ネットワーク形成剤:ナノスケールカーボンチューブに対して、1〜500重量%程度、特に5〜470重量%程度。
本発明の導電性ないし制電性樹脂コーティング組成物をコーティングする基材としては、コーティング可能な基材であればよく、樹脂、ガラス、金属、木材、紙等が例示される。
上記のコーティング組成物を上記コーティング方法で基材に塗布して塗膜を形成し、次いで光硬化により固化させる工程を行うことにより、基材上に導電性樹脂皮膜(導電層)ないし制電性樹脂皮膜(制電層)を形成する。
(1)原料ナノスケールカーボンチューブ及びそれらの物性
原料ナノスケールカーボンチューブとして、下記表1に記載の単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、鉄−炭素複合体(炭化鉄がチューブ内空間部に部分的に内包されたナノフレークカーボンチューブ)を使用した。
(a)第1組成物の調製
原料ナノスケールカーボンチューブとして、上記表1に記載の単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ又は鉄−炭素複合体を用いた。
上記工程(a)で得られた第1組成物と、感光性樹脂(感光性エポキシアクリレートモノマー(日本化薬社製 EAM−2160)96重量%、光重合開始剤(日本化薬社製DETX−S)2重量%、光重合促進剤(日本化薬社製EPA)2重量%)とを、各成分が表4の割合となるように混合し、第2組成物を得た(実施例1〜3)。
上記工程(b)で得られた第2組成物(実施例1〜3)及び比較混合物(比較例1及び2)を、エージング処理に供した。エージング処理は、図7に示すように、ポリプロピレン製容器3を、該容器3のほぼ全体が加熱できるエージング用加熱装置5内に設置し、該容器3に第2組成物4を入れ、該容器3の温度を50℃に保持し、モーター1で駆動されるポリプロピレン製円柱状回転棒2を60rpmで一方向に回転させながら0.1時間行った。
上記工程(c)でエージング処理された第2組成物を用い、ガラス基板上に、硬化後の厚みが50μmとなるようにブレードコーティング法で塗布し、低圧水銀ランプにて10分間UV照射して塗膜を硬化させた。
上記実施例3で得られた硬化皮膜中のネットワーク構造を確認するため、硬化皮膜の表面を10重量%KOH水溶液中に5分間浸漬してエッチングし、水洗、エタノール洗浄の後、乾燥した。電子顕微鏡(JEOL社製の「JSM−6700F」)によりエッチング表面を観察した。結果を、図5に示す。
(a)第1組成物の調製
実施例3で使用したのと同じ鉄−炭素複合体、PGME及びアセトンを表6の割合で混合した。混合は、ZrO2ボールをPP製密閉容器に入れて、遊星ミルにて400rpmの回転数で1時間行った。
上記工程(a)で得られた第1組成物と、感光性樹脂(感光性エポキシアクリレートモノマー(日本化薬社製 EAM−2160)96重量%、光重合開始剤(日本化薬社製DETX−S)2重量%、光重合促進剤(日本化薬社製EPA)2重量%)とを、各成分が表8の割合となるように混合した。混合は、混合装置としてノリタケカンパニー製の3本ロールを用い、回転数100rpm、温度30℃、混合時間0.1時間の条件で行った。
上記工程(b)で得られた第2組成物の一部を、エージング処理に供した。エージングは、図7に示すように、ポリプロピレン製容器3を、該容器3のほぼ全体が加熱できるエージング用加熱装置5内に設置し、該容器3に第2組成物4を入れ、該容器3の温度を50℃に保持し、モーター1で駆動されるポリプロピレン製円柱状回転棒2を60rpmで一方向に回転させながら行った。
上記工程(b)で得られた第2組成物および上記工程(c)でのエージング処理を施した3種の第2組成物のそれぞれを、4枚のガラス基板上に、硬化後の厚みが50μmとなるようにブレードコーティング法で塗布し、低圧水銀ランプにて10分間UV照射して塗膜を硬化させた。
本実施例5及び6では、ネットワーク形成剤のSP値と沸点について検討を行った。
実施例3で使用したのと同じナノスケールカーボンチューブ(鉄−炭素複合体)と有機溶媒(エチレングリコール、PGME、アセトン)を、表11の割合で混合した。混合は、ZrO2ボールをポリプロピレン製密閉容器に入れて、遊星ミルにて400rpmの回転数で1時間行った。
上記工程(a)で得られた第1組成物と、感光性樹脂(感光性エポキシアクリレートモノマー(日本化薬社製 EAM−2160)96重量%、光重合開始剤(日本化薬社製DETX−S)2重量%、光重合促進剤(日本化薬社製EPA)2重量%)とを、各成分が表13の割合となるように混合した。即ち、1重量%のナノスケールカーボンチューブ(鉄−炭素複合体)を含有するように調合し、3本ロールで、混合分散した。こうして第2組成物を得た。
上記工程(b)で得られた第2組成物を、実施例3(c)と同様にして50℃で0.6時間エージング処理した。
上記工程(c)で得られたエージング処理後の第2組成物を、ガラス基板上に、硬化後の厚みが50μmとなるようにブレードコーティング法で塗布し、低圧水銀ランプにて10分間UV照射して塗膜を硬化させた。
実施例5の(a)と同様にして第1組成物を製造した。
110 略直線状のグラフェンシート像
200 ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像
210 弧状グラフェンシート像
300 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像
400 入れ子構造の多層カーボンナノチューブの長手方向に垂直な断面のTEM像
10 起点ナノスケールカーボンチューブ
10e 起点ナノスケールカーボンチューブの最外端
15 起点ナノスケールカーボンチューブと第2のナノスケールカーボンチューブとの接続点
20 第2のナノスケールカーボンチューブ
25 第2のナノスケールカーボンチューブと第3のナノスケールカーボンチューブとの接続点
30 第3のナノスケールカーボンチューブ
40 第(n−1)番目のナノスケールカーボンチューブ
45 第(n−1)番目のナノスケールカーボンチューブと他末端のナノスケールカーボンチューブ(即ち、第n番目のナノスケールカーボンチューブ)との接続点
50 第n番目のナノスケールカーボンチューブ
50e 第n番目のナノスケールカーボンチューブの最外端
1 モーター
2 円柱状回転棒
3 ポリプロピレン製容器
4 第2組成物
5 エージング用加熱装置
Claims (12)
- 樹脂及びプロピレングリコールモノメチルエーテルで表面処理されたナノスケールカーボンチューブを含有する導電性ないし制電性成形体であって、
該成形体の表面抵抗率が、1010Ω/□以下であり、
該成形体の表層を走査型電子顕微鏡で観察した場合に、
上記ナノスケールカーボンチューブの2本以上が部分的に接続した状態で直列的に配列している長さ10μm以上の連続体から形成されたネットワーク構造を有しており、
上記連続体は、20μm×20μmの範囲の視野を100視野観察した場合に、80以上の視野において、1個以上存在する
ことを特徴とする導電性ないし制電性成形体。 - 樹脂が、感光性樹脂である請求項1に記載の成形体。
- ナノスケールカーボンチューブが、外径3〜50nm、アスペクト比5以上を有する請求項1又は2に記載の成形体。
- 皮膜の形態にある請求項1〜3のいずれかに記載の成形体。
- ナノスケールカーボンチューブを0.01〜3重量%含有する請求項1〜4のいずれかに記載の成形体。
- (a)(a-1)ナノスケールカーボンチューブとネットワーク形成剤とを接触させることにより、又は、
(a-2)ナノスケールカーボンチューブ、ネットワーク形成剤及び揮発性溶媒を含む混合物を調製し、該混合物を乾燥処理することにより、
第1組成物を調製する工程、
(b)上記工程(a)で得られた第1組成物と樹脂とを混合して、第2組成物を調製する工程、
(c)上記工程(b)で得られた第2組成物を、20℃〜120℃の温度にて一方向に撹拌してエージング処理を行う工程、及び
(d)上記工程(c)でエージング処理された第2組成物を、所望の形状に成形し、樹脂を固化させる工程
を含むことを特徴とする導電性ないし制電性成形体の製造方法であって、前記ネットワーク形成剤は、一般式(1)
で表されるグリコール化合物の少なくとも1種である、製造方法。 - 樹脂が、感光性樹脂である請求項6に記載の製造方法。
- ナノスケールカーボンチューブが、加圧500kg/cm2での粉体抵抗率1Ω・cm以下を有する請求項6又は7に記載の製造方法。
- ナノスケールカーボンチューブが、外径3〜50nm、アスペクト比5以上を有する請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(b)において、第1組成物と樹脂とを、ナノスケールカーボンチューブの割合が第2組成物全量に対して0.01〜3重量%となるように混合して、第2組成物を調製する請求項6〜9のいずれかに記載の製造方法。
- ネットワーク形成剤が、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール及びプロピレングリコールモノメチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項6〜10のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(d)において、エージング処理後の第2組成物を皮膜状に成形し、固化させる請求項6〜11のいずれかに記載の製造方法。
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