JP5435437B2 - 複合導電性ポリマー組成物、その製造法、当該組成物を含有する溶液、および当該組成物の用途 - Google Patents

複合導電性ポリマー組成物、その製造法、当該組成物を含有する溶液、および当該組成物の用途 Download PDF

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Description

本発明は、複合導電性ポリマー組成物、その製造法、当該組成物を含有する溶液、および当該組成物の用途に関し、更に詳細には、アルコキシ基を有するアニリン、チオフェン、ピロール等の芳香族系、複素環系化合物をモノマー構成成分とするπ共役系高分子に溶剤可溶性を付与するために、高分子化合物をドーピングした複合導電性ポリマー組成物、その製造法、当該組成物を含有する溶液、および当該組成物の色素増感型太陽電気用電極や帯電防止フィルムなどへの利用に関する。
π共役系高分子における高い導電性付与にはドーパントによるドーピングが必須である。しかし、本来π共役が発達した高分子は、高分子鎖の平面性が高く、π結合の親和力による高分子鎖間の結晶性(スタッキング性)が高い構造となっている。しかも、ドーパントにより、ドーピングされたπ共役系高分子は、更に平面性およびπ共役による親和力が高くなり、スタッキング性が更に顕著となる。このため、π共役系高分子の溶解(熱または溶剤による)と電気伝導度の両立は難しい課題であった。
そこで、π共役系高分子の側鎖へアルキル基やアルコキシ基等を導入した高分子が提案されているが(特許文献1)、実際に十分導電体と言える10のマイナス5乗s・m以下まで電気伝導度を上げるためには、ドーピングが必要となる。そして、このドーピングを行うと、この結果として、導電性高分子の平面性発達とπ共役親和性の発達により、十分な溶剤可溶性が得られなくなってしまうという問題があった。
導電性高分子の利用を考えた場合、取り扱いの容易さからは、溶剤による溶解や、熱による溶融が可能で、且つ成型製膜後は十分な電気伝導度を有する自立膜や自立形成体が得られることが望まれており、従来、これら導電性ポリマーの使用の際には、直接導電性を付与したい基体上で電解重合や蒸気暴露による重合体膜の成膜、酸化剤と導電性ポリマー前躯体モノマー溶液に浸漬後加熱等による薄膜重合等を行い、その後得られた重合体膜にドーピングする等の処理を行っている。
しかしこの場合、電解重合では基体が半導体若しくは導電体である必要が有り、また、電解液への耐腐食性も求められる為、使用される基体が制限される。また、直接蒸気による薄膜重合では、重合場となる薄膜に酸化剤を均質に存在させる必要があり、成膜制御の面では十分と言えず、また、これら手法で用いられるポリマーコンデンサー用途では、表面積を大きくする為に微細な凹凸を形成しており、十分均質な表面への導電性ポリマー形成は困難であった。
そこで、導電性ポリマーを有機溶媒に溶解させる試みがなされ、そのための手段がいくつか提案されている。特許文献2には、3,4−ジ置換チオフェンを無機第2鉄塩類および酸化剤を用いて重合させるポリ(3,4ージ置換チオフェン)の製造法が開示されており、また、特許文献3には、主に繰り返しチオフェン単位を有するポリマーTおよび少なくとも1個の他のポリアニオンポリマーPを有する水分散性粉末が開示されている。しかし、特許文献2の方法は、粉末物を得る手法若しくは直接対象被着体表面で酸化重合する方法であって、本手法では得られた重合物を溶剤若しくは水等へ溶解させることは不可能であり、また特許文献3のものも、水分散性良好な分散体でしかなく、有機溶剤に対し分子可溶するようなものではない。
また、より直接的な溶剤ナノ分散化の手段として各種検討がされており、特許文献4では、本質的に溶剤に可溶しないポリアニリンを、ナノサイズレベルまで粉砕微粉化しポリアニリンおよび溶剤に親和性の高いSDS(ドデシルベンゼンスルホン酸)やPTS(パラトルエンスルホン酸)等のスルホン酸アニオン乳化剤を分散剤として用いながら溶剤に共分散させ、ナノレベルでの微分散体溶液の提供を開示しているが、実質的に溶剤に可溶している訳ではないので、塗工膜の表面は凸凹としており、また、ポリアニリンのみでの自立膜(均質膜ともいう。単独でピンホールなどを生じずに膜化したものを意味する)とすることは出来ないため、バインダーなどと組み合わせない限りコーティング後に膜化させることは不可能である。
更に、特許文献5では、分子量2,000〜500,000の範囲の分子量を有する、ポリスチレンスルホン酸のポリ陰イオンの存在下で酸化化学重合されたポリチオフェンと、分子量2,000〜500,000の、ポリスチレンスルホン酸由来のポリ陰イオンを水または水と水混和性有機溶媒の混合溶媒中に含んでなるポリチオフェンの溶液が開示されている。
この特許文献は、ポリスチレンスルホン酸(PSS)と酸化剤共存下での酸化重合で、水またはアルコール溶剤へ溶解または分散可能なポリ(エチレンジオキサイド置換チオフェン)(PEDOT)の製造法の提案であるが、ここで得られるPEDOT/PSSは水に分散はされているが、完全な溶解はされておらず、部分的なPEDOT間のスタッキングを抑えることは難しく、導電性ポリマーを溶解するには不十分なものであった。また、本特許文献で示されたポリスチレンスルホン酸では、イオン解離性の強い溶媒もしくは、水以外への展開は困難であり、更にはアルコキシ基を有するアニリン、チオフェン、ピロール等の芳香族系、複素環系化合物をモノマー構成成分とした場合において、本来スルホン酸基はドーパント基もしくは水溶性官能基としての効果は発揮出来るが、実質的なモノマー単量体との親和性、相溶性は有していないため、アルコキシ基を有する芳香族系、複素環系化合物をモノマーが有するアルコキシ基の局在化を制御し、π共役系高分子の平面性を十分阻害し得るためのアルコキシ基との相溶化官能基を有していない為、十分なスタッキングの抑制は困難である。
更にまた、特許文献6には、疎水性の大きなアニオン性界面活性剤の存在下において、アニリン、もしくはアニリン誘導体を、有機酸や無機酸を含む溶媒中で酸化重合して析出、単離、精製した後、水と混和しない有機溶媒で抽出して有機溶液を形成することが開示されている。
しかし、この特許文献で使用されている乳化剤は低分子スルホン酸系であり、重合前にアニリンを塩酸塩化し、その後スルホン酸系乳化剤によりアニリン塩置換を行っているが、実際には十分な塩交換は起こり難く、また、本特許文献の合成法により得られるポリアニリンは実際には溶剤に溶解せず、微分散状態の溶剤分散液しか得られないという問題がある。また、アニリンに対して等量モル以上のスルホン酸系乳化剤が使用される為、実質ドープされた乳化剤以外の乳化剤が50%以上残存し、使用に当たっては、これら乳化剤を取り除くことが必要であり、この為には洗浄工程が煩雑であるという問題がある。更には、低分子乳化剤では溶剤への溶解付与効果と、ポリアニリンのスタックを抑止する効果を1分子の設計として導入することは非常に困難であり、仮に一時的に溶剤に溶解したポリアニリンの状態でも直ぐにスタック(PANIの結晶化)による微凝集が発生してしまうという問題がある。また、本特許文献の手法ではアルコキシル基を有するアニリン誘導体でのアルコキシル基の局在化とポリアニリンのキノイミド結合位およびアミノ結合位における親和性に対する化学的、構造的な緩和は不十分で、スタッキング抑制には至らないことは本発明者らの追試により確認されている。
また更に特許文献7では、(A)スルホン酸官能基とラジカル重合性官能基とを有するモノマーおよび(B)アニリンまたはその誘導体からなるモノマーを水もしくは有機溶剤に溶解した溶液を乳化し、(B)のモノマー中に(A)のモノマーに由来するスルホン酸構造を導入した後、重合開始剤下記の共存下に(A)および(B)のモノマーを重合して、(B)の重合体と(A)の重合体とが絡み合った状態の導電性ポリマーを作製する方法が開示されている。
しかし、この特許文献の方法では、水系酸化剤兼ラジカル開始剤として過硫酸アンモニウム塩を使用している為、実際には本明細に書かれているような理想的なビニル系ポリマーとポリアニリンの相互網目状構造は困難である。従って、本特許文献方法では、実際には、PANIを含まないビニルポリマーが相当数存在したり、逆にビニルポリマーに取り込まれないドープモノマーがPANI中で存在したりして、非常に不均一且つ不安定な物となるという問題がある。
例えば特許文献8には、実質的に水と混和しない有機溶剤に溶解している、(a)プロトネーションされた置換または未置換ポリアニリン複合体、および(b)フェノール性水酸基を有する化合物を含む導電性ポリアニリン組成物が開示されている。
しかしこの特許文献において有効な溶媒の条件は、実質的に水に対して幾分溶解するような溶剤への展開は不可能である。また、適用が可能なモノマーとしては油溶性が高いモノマーもしくは置換基として油溶性の高いアルキル基などを有している必要があり、アルコキシル基などの親水性置換基を有すモノマーにおいては、重合溶媒の条件および使用するドーパントとしてのスルホン酸基を有する化合物では十分な機能は期待出来ない。
一方、導電性ポリマー組成物を用いた用途として、色素増感型太陽電池用対極や帯電防止フィルムがある。特許文献10には、透明導電層を設けられたプラスチックフィルムに導電性高分子層を設けてなる色素増感型太陽電池の対極が開示されている。
しかし、この特許文献では、導電性高分子を含む分散液を塗布し、溶媒を除去して導電性高分子層を形成しているが、導電性高分子は微粒子の分散膜であるため、透明導電層に対する密着性が悪く、予めプラズマ処理などを行い透明導電層の表面エネルギーを高める必要がある。また、この特許文献の実施例において、分散剤にポリスチレンスルホン酸を用いていることが記載されているが、この場合は導電性高分子のドープに寄与しないフリーのスルホン酸が存在することとなり、溶媒は水溶液となる為にフィルム基板上に塗工する場合に溶媒とフィルム基板表面の選択性が非常に大きく、導電性高分子塗膜の不均一性に由来するピンホールが発生し易いこと、残存スルホン酸基により塗膜の極性が高いことから電解質溶液で一般的に使用されるアセトニトリルやイオン性液体等への耐久性が悪く塗膜の剥がれが発生し易いこと、等を原因として透明導電膜が電解液中のヨウ素により腐食される問題が挙げられることから、対極としての長期的な安定性に問題があることで白金対極を置き換えるには不十分であった。
また、特許文献11には、ポリチオフェン系化合物、酸性ポリマーおよび糖アルコールを含有する帯電防止材料を熱可塑性樹脂フィルムに塗布した帯電防止フィルムが開示されている。
しかし、この特許文献では、帯電防止材料として糖アルコールを必須成分とすることにより、得られる帯電防止フィルムの透明性や帯電防止性は良好であるが、ポリチオフェン系化合物へのドーピング剤としてポリスチレンスルホン酸などの酸性ポリマーのみを使用しているため、帯電防止膜が経時で吸湿することによって、密着性および帯電防止性が低下する問題がある。
特表2002−539287 特開平01−313521 特表2004−514753 特表2007−518859 特許第2636968 特開2008−169255 特開2007−314606 WO2005/052058 特開2000−344823 特開2006−155907 特開2008−179809
そこで、本発明は、溶剤への溶解性に優れ、自立膜、すなわち、単独でピンホールなどの生じない均質な膜若しくは成形体となる導電性ポリマー組成物およびその製造法等を提供することを課題としている。
本発明者らは、上記課題を解決すべく前記の先行技術を追試し検討した結果、<1>π共役系高分子の重合場では十分な電解資質溶媒を使用し、酸化が進むアニオン場を安定且つ均一系を与える必要が有ること、<2>重合成長中のπ共役系高分子のスタッキングを制御し且つ安定なモノマー供給を与える為の場が必要なこと、<3>これら重合成長場でのπ共役系ポリマーへのドーピングが積極的に進むこと、<4>これらドーピングの過程で水等の初期重合場電解資質溶媒から析出可能であること、<5>重合後のπ共役系高分子が何らかの立体的分子障害により主鎖骨格のスタッキングが抑止されていること、<6>これら立体障害性因子がこの物自身で結晶性を有しておらず、且つ溶剤や熱などでの溶融が可能であること等の要素が導電性ポリマー合成の初期から精製、溶剤への再溶解に必要である事実が明確になった。
そこで、本発明者らは更に検討した結果、特定のモノマーを共重合した高分子化合物を、π共役系高分子の重合時に添加剤として使用すると、乳化剤としての重合場を均一状態化する機能に加えて、ドープ材としての機能を発揮すると共に、π共役系高分子への適度な立体障害性を有するために、特定の溶剤への可溶性に優れた複合導電性ポリマー組成物が得られることを見いだした。また、本発明者らは前記の複合導電性ポリマー組成物が、色素増感型太陽電気用対極や帯電防止フィルムなどに利用できることを見いだし、本発明の完成に至った。
すなわち本発明は、次の成分(a−1)ないし(a−3)
(a−1)スルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー
20〜60mol%
(a−2)親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマー
20〜60mol%
(a−3)成分(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマー
20〜60mol%
を重合させることにより得られる高分子化合物Aを、次式(I)〜(III)
(各式中、RないしRは、そのうち少なくとも一つは、炭素数1ないし10のアルコキシ基を、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、RおよびRは、そのうち少なくとも一つは炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示すか、RおよびRが一緒になって、炭素数1ないし8のアルキレンジオキシ基を示し、Rは、水素原子、炭素数1ないし6のアルキル基または芳香族環基を示す)
から選ばれる化合物をモノマー構成成分とするπ共役系高分子(β)に、ドーピングさせてなる複合導電性ポリマー組成物である。
また本発明は、次の成分(a−1)ないし(a−3)
(a−1)スルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー
20〜60mol%
(a−2)親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマー
20〜60mol%
(a−3)成分(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマー
20〜60mol%
を重合させることにより得られる高分子化合物と、前記式(I)〜(III)から選ばれる化合物とを電解性基質溶媒中にて共存させ、酸化剤を用いて化学酸化重合することを特徴とする複合導電性ポリマー組成物の製造法である。
更に本発明は、前記の複合導電性ポリマー組成物を、芳香族系溶剤、エステル系溶剤またはケトン系溶剤中に0.1〜10質量%、溶解状態で含有してなる複合導電性ポリマー組成物溶液である。
また更に本発明は、前記の複合導電性ポリマー組成物を用いてなる色素増感型太陽電池用対極である。
更にまた本発明は、前記の複合導電性ポリマー組成物を用いてなる帯電防止フィルムである。
本発明の高分子化合物の存在下で、酸化剤の作用により重合して得られた複合導電性ポリマーは、芳香族系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤中に安定に溶解するものである。
従って、これら溶剤中にこの複合導電性ポリマーを溶解した溶液を、導電性付与を必要とする部位に塗布し、溶剤を揮発、乾燥させることにより、簡単に導電性皮膜を得ることが可能となる。
本発明において使用される高分子化合物(A)は、常法に従って成分(a−1)のスルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー、成分(a−2)の親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーおよび成分(a−3)のこれら以外の重合性モノマーを、重合開始剤の存在下で重合させることにより製造される。
成分(a−1)のスルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマーは、スチレンスルホン酸基や、スルホエチル基等のスルホン酸基を有するモノマーであり、この例としては、スチレンスルホン酸やスチレンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸カリウム、スチレンスルホン酸カルシウム等のスチレンスルホン酸塩、(メタ)アクリル酸エチル2−スルホン酸や、(メタ)アクリル酸エチル2−スルホン酸ナトリウム、(メタ)アクリル酸エチル2−スルホン酸カリウム、(メタ)アクリル酸エチル2−スルホン酸カルシウム等の(メタ)アクリル酸エチル2−スルホン酸塩が挙げられる。
また、成分(a−2)の親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーは、室温でのpH7.0の蒸留水に対し、0.1mmol/lで溶解させたときのpHが5.5を超え8.0未満(5.5<pH<8.0)を示すものであり、その具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸、(無水)マレイン酸、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、2−アセトアセトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトール(メタ)アクリレート、メトキシトリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、β−(メタ)アクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネート等が挙げられる。
更に、成分(a−3)の、モノマー(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマーとしては、例えば、芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマー、アルキルメタアクリレート等が例示される。
このうち、芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマーの例としては、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸エチル2−フタル酸メチルエステル、(メタ)アクリル酸エチル2−フタル酸エチルエステル、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、シジクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、t−ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリレートモルホリン、ペンタメチルピペリジニルメタクリレート、テトラメチルピペリジニルメタクリレート、1−アダンマンチル(メタ)アクリレート、2−メチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、2−エチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、3−ヒドロキシ−1−アダマンチル(メタ)アクリレート、スチレン、ジメチルスチレン、ナフタレン(メタ)アクリレート、ビニルナフタレン、ビニルピリジン、n−ビニルカルバゾール、ビニルn−エチルカルバゾール、ビニルフルオレン等が挙げられる。
また、アルキルメタアクリレートとしては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、nープロピル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、i−ブチル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、n−ペンチル(メタ)アクリレート、i−ペンチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
本発明の高分子化合物(A)を製造するための、成分(a−1)の配合量は、20〜60mol%であり、好ましくは、30〜40mol%である。また、成分(a−2)の配合量は、20〜60mol%であり、好ましくは、30〜40mol%である。更に、成分(a−3)の配合量は、20〜60mol%であり、好ましくは、30〜40mol%である。
本発明で用いる高分子化合物(A)の製造に当たっては、モノマー(a−1)、モノマー(a−2)およびモノマー(a−3)のモル比が重要である。すなわち、本発明の高分子化合物は導電性ポリマー重合時における各モノマーの極性に応じた乳化能と、導電性ポリマーの重合安定性とドープ率に影響する導電性ポリマー骨格に対する親和性などを適宜バランスさせることにより、導電性ポリマー組成物に作用し、これを溶剤中に溶解可能とするためである。
上記成分(a−1)、成分(a−2)および成分(a−3)の重合反応は、公知の方法で行うことができる。例えば、これら各成分を混合した後、これに重合開始剤を添加し、加熱、光照射等により重合を開始することで製造することができる。
上記高分子化合物(A)を製造するために採用可能な重合法は、モノマー混合物から成分(a−2)が分離状態とならない状態で実施可能な方法であれば特に限定されず、例えば、溶液重合法、塊状(バルク)重合法、析出重合法等が採用される。
また、重合反応に使用される重合開始剤は、上記各成分や、反応時に使用する溶媒に溶解可能なものであれば、特に限定されるものではない。この重合開始剤の例としては、過酸化ベンゾイル(BPO)等の油溶性過酸化物系熱重合開始剤、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)等の油溶性アゾ系熱重合開始剤、アゾビスシアノ吉草酸(ACVA)等の水溶性アゾ系熱重合開始剤等が挙げられる。また、溶液重合の溶媒中の水割合が多い場合は、過硫酸アンモニウムや過硫酸カリウム等の水溶性過酸化物系熱重合開始剤、過酸化水素水等も使用することができる。さらに、フェロセンやアミン類等のレドックス剤の組み合わせも可能である。
これらの重合開始剤の使用範囲は、上記化合物1モルに対し0.001〜0.1モルの範囲で任意に使用することができ、一括投入、滴下投入、逐次投入のいずれの方法も利用できる。また、塊状重合や少量(モノマーに対して50wt%以下)の溶剤を使用した溶液重合の場合は、メルカプタンとメタロセンの組み合わせによる重合方法(特許文献9)も可能である。
更に、上記重合反応に用いる溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコール系溶剤、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溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、プロピレングリコールメチルエーテル、プロピレングリコールエチルエーテル等のグリコール系溶剤、酢酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル等のエステル系溶剤等を挙げることができる。
更にまた、重合時には重合開始剤以外にも連鎖移動剤を併用しても良く、分子量を調整したい場合は、適宜使用可能である。使用できる連鎖移動剤としては、上記モノマーや溶剤に溶解する物であれば何れの化合物も使用可能であり、例えば、ドデシルメルカプタンやヘプチルメルカプタン等のアルキルチオール、メルカプトプロピオン酸(BMPA)の様な極性基を有する水溶性チオール、αスチレンダイマー(ASD)等の油性ラジカル抑止剤等も適宜使用可能である。
また更に、この重合反応は、使用する溶剤(バルク重合の場合を除く)の沸点以下で行うのが好ましく、例えば、65℃〜80℃程度が好ましい。但し、バルク重合やメルカプタンとメタロセンで行う特許文献9の様な重合を行う際は、25℃〜80℃で行うことが好ましい。
かくして得られる重合物は、必要により精製し、高分子化合物(A)とすることができる。この精製方法の例としては、ヘキサン等の油性貧溶媒を使用し、油性低分子不純物および残存モノマー、低分子不純物を取り除き、その後、アセトニトリルやメタノールなどの水性貧溶剤でポリマー析出等を行い、水系不純物、残存物を取り除く方法を挙げることができる。
このように精製することが好ましい理由は、高分子化合物(A)は、導電性ポリマー組成物中へドープ剤として導入され、スタック抑止剤、かつ溶剤可溶剤として作用するため、重合後の残存物としてそれ以外の重合開始剤残物、モノマー、オリゴマー、不均一組成物等が残存すると導電性ポリマー組成物の機能低下が問題となるので、これらを除去する必要が有るのである。そして、このように精製する結果、特許文献7の様な不均一なラジカル重合物が混在せず、均一な導電性ポリマー組成物の組成と高分子化合物(A)の組成が一様に相溶化したような可溶状態を発現できるのである。
以上のようにして得られる高分子化合物(A)は、そのGPC換算重量平均分子量が、3,000〜100,000であることが好ましい。重量平均分子量が3,000に満たない場合は、高分子化合物としての機能が不十分である。逆に100,000を超えると、導電性ポリマー合成時の重合場(酸性水溶液)への溶解性が十分でない場合があり、また、高分子化合物自身の溶剤溶解性が悪くなり、導電性ポリマーの可溶化性に著しく悪い影響を与えることがある。
本発明の複合導電性ポリマー組成物は、上記のようにして得られた高分子化合物(A)を用い、次のようにして製造される。すなわち、上記高分子化合物(A)を電解性基質溶媒に溶解し、次いでこの溶液中に、π共役系高分子(β)の原料となる前記式(I)ないし(III)で表される化合物を添加し、更にこれを酸化剤により酸化することにより、前記式(I)ないし(III)で表される化合物をモノマー構成成分とするπ共役系高分子(β)に前記高分子化合物(A)がドーピングされた、複合導電性ポリマー組成物を得ることができる。
原料である化合物のうち、式(I)で表される化合物は、置換基がアルコキシ基であるアニリンである。この化合物の具体例としては、o−アニシジン、p−アニシジン、m−アニシジン、メトキシアニリン、ブトキシアニリン等を挙げることができる。
また、式(II)で表される化合物は、置換基が水素、アルコキシ基またはアルキレンジオキシ基のチオフェンであり、その具体例としては、3−メトキシチオフェン、3,4−エチレンジオキシチオフェン、3,4−プロピレンジオキシチオフェン、3,4−ジメトキシチオフェン、3,4−(2',2'−ジメチルプロピレン)ジオキシチオフェン、3,4−(2',2'−ジエチルプロピレン)ジオキシチオフェン等を挙げることができる。
更に、式(III)で表される化合物は、置換基が水素、アルコキシ基またはアルキレンジオキシ基のピロールであり、その具体例としては、3,4−エチレンジオキシピロール、3,4−プロピレンジオキシピロール等を挙げることができる。
本発明方法により複合導電性ポリマー組成物を製造する具体的方法の一例としては、まず、電解性基質溶媒としてのイオン交換水を、必要により酸性とした後、この中に、前記のようにして得た高分子化合物(A)を添加し、次いでこの中に原料である式(I)ないし(III)の化合物の1種または2種以上を加え、更に酸化剤を加えて酸化重合させる方法を挙げることができる。なお、高分子化合物(A)のイオン交換水への溶解性により、適宜アセトン、メチルエチルケトン等ケトン系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等アルコール系溶剤の親水性の高い有機溶剤を併用しても良い。
上記反応において電解性基質溶媒を酸性とするために使用される酸性成分としては、塩酸、硫酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)等が挙げられ、その量は、式(I)〜(III)の化合物1molに対し、0.5〜4.0mol程度とすればよい。
また、反応に使用する酸化剤も複合導電性ポリマー組成物を形成する芳香族化合物(モノマー)のレドックスポテンシャルによって適宜調整が必要であるが、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、テトラフルオロホウ酸鉄(III)、ヘキサフルオロ燐酸鉄(III)、硫酸銅(II)、塩化銅(II)、テトラフルオロホウ酸銅(II)、ヘキサフルオロ燐酸銅(II)等が使用可能である。
また、反応における高分子化合物(A)と化合物(I)ないし(III)との割合は、最終的に得られる複合導電性ポリマー組成物の性質にもよるため、単純に決定できるものではないが、たとえば、好ましい範囲の例は、高分子化合物(A)中のスルホン酸基の数と、使用する化合物(I)〜(III)のモル比により次のように示すことができる。
すなわち、式(I)〜(III)から選ばれる化合物1モルに対し、高分子化合物(A)を、当該化合物中のスルホン酸基のモル比が、0.3〜1.5となる量で共存せしめればよい。
更に、酸化剤の使用量は、通常化合物(I)ないし(III)1モルに対し1.0〜3.0モル(1価換算)程度使用するが、系内の酸化度(酸性度)によっては、モノマー1モルに対し1モル以下でも十分重合は可能である。
更にまた、複合導電性ポリマー組成物を得るための重合反応の温度は、酸化反応後の発熱量や水素引き抜かれ易さが化合物(I)ないし(III)の種類により異なるため、好適な温度範囲が異なる。
一般的には、化合物(I)を利用する場合は、40℃以下が好ましく、化合物(II)の場合は、90℃以下、化合物(III)の場合は、20℃以下とすることが好ましい。
また更に、複合導電性ポリマー組成物を高分子量化したい場合は、反応温度を相対的に低くし、反応時間を相対的に長めにすれば良く、低分子量化する場合は、この逆とすれば良い。
このようにして得られた重合物は、必要により更に洗浄等を行った後、目的物である複合導電性ポリマー組成物とすることができる。このものは、後記するように従来の導電性ポリマー組成物が溶解しなかった芳香族系溶剤、エステル系溶剤およびケトン系溶剤等の中で安定に溶解するものである。
かくして得られた本発明の複合導電性ポリマー組成物の利用方法の例としては、これを芳香族系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤中に均質状態で溶解させた複合導電性ポリマー組成物溶液を挙げることができる。この複合導電性ポリマー組成物溶液は、これを導電性皮膜の形成が求められる部分に塗布し、次いで乾燥等の手段により当該組成物中の溶剤を揮発させることにより、目的部分に均一な導電性皮膜を形成することができる。
上記複合導電性ポリマー組成物溶液を調製するには、好ましくは、複合導電性ポリマー組成物をベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族溶剤、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル等のエステル系溶剤、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン等のケトン系溶剤に0.1〜10質量%程度で溶解させれば良い。
また、上記の複合導電性ポリマー組成物溶液には、更に、溶液の安定性向上および塗膜状態での導電性向上を目的として、ベンジルアルコール、フェノール、m−クレゾール、o−クレゾール、2−ナフタノール、1−ナフタノール、グアイコール、2,6−ジメチルフェノール等のヒドロキシル基を有する芳香族化合物を加えることができる。これらの化合物は、複合導電性ポリマー組成物溶液の溶剤量100重量部に対し、50〜500重量部程度加えることが好ましい。
また、上記の複合導電性ポリマー組成物溶液には、更に、帯電防止塗料としての自立膜の導電性の向上および太陽電池用対極材としての触媒性能の向上を目的として、銅、銀、アルミニウム、白金等の金属、酸化チタン、酸化インジウムスズ、フッ素ドープ酸化スズ、アルミナ、シリカ等の金属酸化物、導電性ポリマー組成物、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン、カーボンブラック等の炭素粉末、または分散体をフィラー成分として含むことができる。これらの粉末または分散体は複合導電性ポリマー組成物溶液の固形分100重量部に対し、固形分0.01〜50重量部程度加えることが好ましい。
さらに、上記複合導電性ポリマー組成物は色素増感型太陽電池用対極に用いることができる。この色素増感型太陽電池用対極は、透明性が要求される場合には透明基板の片面に上記複合導電性ポリマー組成物を積層する、または透明基板の一方の面に光透過性電極を配置し、その光透過性電極に上記複合導電性ポリマー組成物を積層することにより形成することができる。また、透明性が要求されない場合には、金属箔等に積層することで形成することができる。この複合導電性ポリマー組成物の厚さは通常は0.01〜100μm、好ましくは0.1〜50μmの範囲内にある。
上記で用いる透明基板としては、光透過率が通常は50%以上、好ましくは80%以上のフィルムまたは板を使用することができる。このような透明基板の例としては、ガラス等の無機透明基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエステルスルホン、ポリアルキル(メタ)アクリレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリシクロオレフィン等の高分子透明基板等を挙げることができる。また、金属箔としては、金、白金、銀、錫、銅、アルミ、ステンレス、ニッケル等の金属箔を挙げることができる。
これら透明基板の厚さは、無機透明基板の場合には、通常は200〜7000μmの範囲内であり、高分子透明基板の場合には、通常は20〜4000μm、好ましくは20〜2000μmの範囲内にある。金属箔基板の場合には、0.1μm〜1000μm、好ましくは1μm〜500μmの範囲内にある。この範囲内の厚さの高分子透明基板および金属箔基板は、得られる色素増感太陽電池に可撓性を付与することができる。
また、上記透明基板の一方の面には必要に応じて光透過性電極を配置してもよい。ここで用いる光透過性電極としては、膜状導電性金属電極、メッシュ状導電性金属電極などを挙げることができる。
上記膜状導電性金属電極は酸化錫、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)などを膜状に形成させたものである。この膜状導電性金属電極は透明基板の表面に、酸化錫、ITO、FTOなどを蒸着あるいはスパッタリングなどすることにより形成することができる。 この膜状導電性金属電極の厚さは、通常は0.01〜1μm、好ましくは0.01〜0.5μmの範囲内にある。
一方、メッシュ状導電性金属電極は、銅、ニッケル、アルミニウムなどの導電性金属をメッシュ状に形成させたものである。具体的にメッシュ状導電性金属電極は、銅、ニッケル、アルミニウムなどの導電性金属を用いて、例えばフォトリソグラフ法により、線幅が通常は10〜70μm、好ましくは10〜20μmであり、ピッチ幅が通常は50〜300μm、好ましくは50〜200μmのメッシュとなるようにエッチングすることにより形成することができる。このときのメッシュ状導電性金属電極の導線の厚さは、使用する導電性金属の厚さと略同一になり、通常は8〜150μm、好ましくは8〜15μmの範囲内にある。 このメッシュ状導電性金属電極は、透明基板の表面に粘着剤などを用いて貼着することができる。
上記色素増感型太陽電池用対極を製造するにあたり、複合導電性ポリマー組成物を上記透明基板の片面または透明基板の一方の面に配置した光透過性電極に積層する方法としては、例えば、上記透明基板の片面または透明基板の一方の面に配置した光透過性電極に上記複合導電性ポリマー組成物溶液を塗布し、溶液中の溶媒を除去することを1ないし複数回行う方法が挙げられる。
上記複合導電性ポリマー組成物溶液の塗布は、ディップコーター、マイクロバーコーター、ロールコーター、コンマコーター、ダイコーター、グラビアコーターなど公知のコーターを適用できる。
また、溶媒の除去は、放置による自然乾燥、熱風・赤外線による加熱条件下での強制乾燥などの方法を適用できる。
上記色素増感型太陽電池用対極は、これに用いる上記複合導電性ポリマー組成物が、有機溶剤に可溶であるため、従来の複合導電性ポリマー組成物を水性媒体で分散された分散液に比べ、塗布工程が容易であり、生産性に優れている。また、酸性水溶液に由来する対極作製段階での金属の腐食劣化を抑制することができる。
また、上記色素増感型太陽電池用対極は、これに用いる上記複合導電性ポリマー組成物が、上記成分(a−1)、成分(a−2)および成分(a−3)を所定範囲で共重合させた得られる高分子化合物(A)を用いることにより、上記透明基板や光透過性電極や金属箔に対する密着性に優れているので、長期間使用できる。
更に、上記色素増感型太陽電池用対極は、これに用いる上記複合導電性ポリマー組成物が、上記成分(a−1)、成分(a−2)および成分(a−3)を所定範囲で共重合させて得られる酸性度が抑えられた高分子化合物(A)を用いることにより、光透過性電極(導電性金属)が腐食されにくくなる上、電解液に対する耐久性が向上するので、長期間使用できる。
また更に、上記色素増感型太陽電池用対極は、従来電解液に対する耐酸化性を有する電極として用いられていた高価な白金電極に対して、均一な耐酸化性膜として複合導電性ポリマー膜が作用することで各種金属が使用可能となる為に廉価に提供できる。
また、上記複合導電性ポリマー組成物を用いてなる帯電防止フィルムは、上記複合導電性ポリマー組成物単独で、塗工・乾燥を行い自立膜として成膜可能である為に低抵抗の帯電防止フィルムが加工できる。また、必要に応じて複合導電性ポリマー組成物と熱可塑性樹脂および/または熱硬化性樹脂とを混合する場合には、(1)押出機やエクストルーダーなどで溶融混練したものをTダイなどを用いて成膜する方法、(2)熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、およびガラス製のフィルムの片面または両面に上記複合導電性ポリマー組成物溶液を塗布し、溶液中の溶媒を除去して帯電防止層を形成する方法などによって得ることができる。
上記帯電防止フィルムで用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアクリロニトリルスチレン、ポリメタクリル、ポリアクリル、飽和ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ変性フェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルホン、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドなどが挙げられ、これらの熱可塑性樹脂のポリマーアロイや熱可塑性エラストマーも含まれる。
上記帯電防止フィルムで用いられる熱硬化性樹脂としては、ポリフェノール、ポリエポキシ、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリ尿素、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、アルキド樹脂などが挙げられる。
また、上記帯電防止フィルムは、上記成分(a−1)、成分(a−2)および成分(a−3)を所定範囲で共重合させて得られる高分子化合物(A)を用いることにより、各種高湿低湿環境条件下での性能バラツキが少なく、高い透過性を有した帯電防止膜の形成が可能となる。
次に合成例および実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例により何ら制約されるものではない。なお、本実施例中における分子量および表面抵抗値は下記方法により測定した。
< 分子量 >
下記条件でのGPCにより測定した。
装置名:HLC−8120(東ソー(株)製)
カラム:GF−1G7B+GF−510HQ(Asahipak:登録商標、
昭和電工(株)製)
基準物質:ポリスチレンおよびポリスチレンスルホン酸ナトリウム
サンプル濃度:1.0mg/ml
溶離液:50ミリモル塩化リチウム水溶液/CHCN=60/40wt
流量:0.6ml/min
カラム温度:30℃
検出器:UV254nm
< 表面抵抗 >
(株)ダイアインスツルメンツ製の、低抵抗率計ロレスタGP、PSPタイププローブを用い、四端子四探針法により測定した。
合 成 例 1
高分子化合物の重合:
撹拌機、窒素ガス導入管、環流冷却器、投入口および温度計を備えた容量1000cmの四つ口フラスコに、スチレンスルホン酸(NaSS)を25g、2−ヒドロキシエチルメタクリレート(2−HEMA)を20g、フェノキシエチルメタクリレート(PEMA)を55g、イオン交換水を100g、イソプロピルアルコール(IPA)を100g、メチルエチルケトン(MEK)を150g投入した。フラスコ内に窒素ガスを導入しながら、フラスコ内の混合物を70℃まで昇温した。次いで、アゾビスイソブチロニトリルを0.3gフラスコ内に投入し、70℃を保ち、18時間重合反応を行ってポリマー溶液(A−1)を得た。
合 成 例 2
高分子化合物の重合:
合成例1の高分子化合物の重合方法において、モノマーおよび重合溶媒を表1に示す組成に代えた以外は同様にして、ポリマー溶液(A−2〜14)を得た。なお、表1には合成例1で得たポリマー溶液(A−1)も示した。
合 成 例 3
高分子化合物の精製:
合成例1および合成例2で得られたポリマー溶液A−1〜14について、以下に示す方法の何れかで、高分子化合物の粉体AP−1〜14を得た。得られた粉体AP−1〜14をゲルパーミュエーションクロマトグラフ(GPC)で測定した重量平均分子量(Mw)を表2に示す。
[ 精製方法A ]
得られたポリマー溶液の全量を、2000cmのビーカーに移し、スターラーにより撹拌しながらアセトンを600g添加した。その後、撹拌を止めたところ沈殿物が得られた。それを減圧ろ過し、残渣を100℃乾燥機で24時間乾燥した後、乳鉢で粉砕して高分子化合物の粉体を得た。
[ 精製方法B ]
得られたポリマー溶液の全量を、2000cmのビーカーに移し、スターラーにより撹拌しながらIPAを600g添加した。その後、撹拌を止めたところ沈殿物が得られた。それを減圧ろ過し、残渣を100℃乾燥機で24時間乾燥した後、乳鉢で粉砕して高分子化合物の粉体を得た。
[ 精製方法C ]
得られたポリマー溶液の全量を、2000cmのビーカーに移し、スターラーにより撹拌しながらイオン交換水100gとヘキサン500gを添加し、その後1時間静置して不純物を含むヘキサン層を除去した。水層側の溶液をエバポレーターに移し、IPAを留去した。再び、残液の全量を2000cmのビーカーに移し、スターラーにより撹拌しながらアセトンを400g添加した。その後、撹拌を止めたところ沈殿物が得られた。それを減圧ろ過し、残渣を100℃乾燥機で24時間乾燥した後、乳鉢で粉砕して高分子化合物の粉体を得た。
実 施 例 1
撹拌機、窒素ガス導入管、環流冷却器、投入口および温度計を備えた容量1000cmの四つ口フラスコに、合成例3で得られた高分子化合物(AP−1)を3.3g、イオン交換水を500g、25%塩酸水溶液を1.46g投入し、60℃に加熱して3時間撹拌を行った後、25℃まで冷却した。フラスコ内の溶液は、均一透明なものであった。
ついで、フラスコ内の溶液に、3,4−エチレンジオキシチオフェンを1.42g投入し、攪拌して均一な乳化液とした後、80℃に昇温した。ついで、硫酸鉄(III)n水和物14.3gをフラスコ内に投入し、80℃を保ちながら、48時間重合反応を続けた。
重合反応終了後の反応液の全量を減圧ろ過し、残渣を500cmビーカーに移し、アセトニトリル100gおよびイオン交換水100gを投入し、スターラーで30分撹拌してた後、減圧ろ過を行った。残渣を減圧下、70℃にて24時間乾燥して複合導電性ポリマー組成物(E−1)を得た。
実 施 例 2
撹拌機、窒素ガス導入管、環流冷却器、投入口および温度計を備えた容量1000cmの四つ口フラスコに、合成例3で得られた高分子化合物(AP−2)を2.95g、イオン交換水を500g、25%塩酸水溶液を1.46g投入し、60℃に加熱して3時間撹拌を行った後、25℃まで冷却した。フラスコ内の溶液は、均一透明なものであった。
ついで、フラスコ内の溶液に、3,4−エチレンジオキシチオフェンを1.42g投入し、攪拌して均一な乳化液とした後、80℃に昇温した。ついで、4.1gの塩化鉄(III)をイオン交換水30gに溶解したものを、80℃に保ったフラスコ内に2時間かけて滴下した。滴下終了後、80℃を保ちながら、48時間重合反応を続けた。
重合反応終了後の反応液の全量を減圧ろ過し、残渣を500cmビーカーに移し、イオン交換水100gを投入し、スターラーで30分攪拌した後、減圧濾過を行った。さらに、これを2回繰り返した後、再び500cmビーカーに移し、アセトニトリル100g投入し、スターラーで30分撹拌した後、減圧ろ過を行った。残渣を減圧下、70℃にて24時間乾燥して複合導電性ポリマー組成物(E−2)を得た。
実 施 例 3
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−3)3.17gに代えた以外は実施例2と同様にして、複合導電性ポリマー組成物(E−3)を得た。
実 施 例 4
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−4)1.29gに、イオン交換水500gをイオン交換水400gと25℃飽和食塩水100gに代えた以外は実施例2と同様にして、複合導電性ポリマー組成物(E−4)を得た。
実 施 例 5
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−5)1.96gに代えた以外は実施例2と同様にして、複合導電性ポリマー組成物(E−5)を得た。
実 施 例 6
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−6)1.87gに代えた以外は実施例2と同様にして、複合導電性ポリマー組成物(E−6)を得た。
実 施 例 7
撹拌機、窒素ガス導入管、環流冷却器、投入口および温度計を備えた容量1000cmの四つ口フラスコに、合成例3で得られた高分子化合物(AP−7)を3.30g、イオン交換水を500g、25%塩酸水溶液を1.46g投入し、60℃に加熱して3時間撹拌を行った後、25℃まで冷却した。フラスコ内の溶液は、均一透明なものであった。
ついで、フラスコ内の溶液にo−アニシジンを1.23g投入し、攪拌して均一な乳化液とした後、0℃にした。ついで、3.00gの過硫酸アンモニウムをイオン交換水30gに溶解したものを、0℃に保ったフラスコ内に2時間かけて滴下した。滴下終了後、0℃を保ちながら、48時間重合反応を続けた。
重合反応終了後の反応液の全量を減圧ろ過し、残渣を500cmビーカーに移し、イオン交換水100gを投入し、スターラーで30分攪拌した後、減圧濾過を行った。さらに、これを2回繰り返した後、再び500cmビーカーに移し、アセトニトリル100g投入し、スターラーで30分撹拌した後、減圧ろ過を行った。残渣を減圧下、70℃にて24時間乾燥して複合導電性ポリマー組成物(E−7)を得た。
実 施 例 8
高分子化合物(AP−7)3.30gを高分子化合物(AP−8)3.43gに、o−アニシジン1.23gを3,4−エチレンジオキシピロール1.25gに代えた以外は実施例7と同様にして、複合導電性ポリマー組成物(E−8)を得た。
比 較 例 1
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−9)4.34gに代えた以外は実施例2と同様にして、比較導電性ポリマー組成物(C−1)を得た。
比 較 例 2
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−10)1.07gに代えた以外は実施例2と同様にして、重合を行った。
重合反応終了後に重合溶液から固体の析出が見られなかったため、反応液の全量をエバポレーターに移し、反応液の容量が50gになるまで、減圧下加熱留去を行ったところ、反応液中に不溶解物が析出してきた。得られた反応液を減圧ろ過し、残渣を200cmビーカーに移し、イオン交換水50gを投入し、スターラーで30分撹拌して、減圧ろ過を行った。同様の水洗浄・減圧ろ過をさらに1回繰り返して行った後、残渣を200cmビーカーに移し、n―ヘキサンを50g添加し、30分撹拌混合し、減圧ろ過を行った。残渣を減圧下、70℃にて24時間乾燥して比較導電性ポリマー組成物(C−2)を得た。
比 較 例 3
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−11)1.44gに代えた以外は実施例2と同様にして、比較導電性ポリマー組成物(C−3)を得た。
比 較 例 4
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−12)2.94gに代えた以外は実施例2と同様にして、比較導電性ポリマー組成物(C−4)を得た。
比 較 例 5
実施例2の高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−13)6.34gに代えた以外は同様にして、比較導電性ポリマー組成物(C−5)を得た。
比 較 例 6
高分子化合物(AP−2)2.95gを高分子化合物(AP−14)4.34gに代えた以外は実施例2と同様にして、比較導電性ポリマー組成物(C−6)を得た。
実施例 9〜16 および 比較例 7〜12
導電性ポリマー組成物溶液の調製および評価:
200cmビーカーに、実施例1ないし8で得た複合導電性ポリマー組成物および比較例1ないし6で得た比較導電性ポリマー組成物(E−1〜8、C−1〜6)2gと、下記表3に示す溶剤を投入し、室温で撹拌溶解して導電性ポリマー組成物溶液を得た。なお、C−1ないしC−6の組成物(比較例7〜12)では、表3の5種類の単独溶剤では溶解せず、また、表3の混合溶剤でも溶解せず、微分散状態であった
ついで、それらの導電性ポリマー組成物溶液または微分散液を、ドクターブレードを用い、乾燥後の厚みが10μmとなるようにガラス基板上に塗工して乾燥を行った。その塗膜状態および測定した表面抵抗値を表4に示す。
実施例17〜実施例23および比較例13〜比較例15
国際公開番号WO/2009/013942の実施例1で用いている対向電極(開口銅メッシュ電極)ならび対向電極基板(厚さ80μmのPETフィルム)を、実施例1〜4で調製した複合導電性ポリマー組成物溶液または比較例2で調製した導電性ポリマー組成物をドクターブレードを用い乾燥後の厚みが5μmとなるように、SUS箔、ITO PENフィルム、ガラス基板、ITOガラス基板またはFTOガラス基板上に塗工したものに替えて色素増感型太陽電池素子を製造した。
得られた色素増感型太陽電池素子評価は山下電装(株)製のソーラーシュミレーターYSS−80Aを用いた。セル面積1cmの素子に対してAM1.5(1sun;100mW/cm2)照射下のI−V特性を調べることにより、セルの短絡電流、開放電圧、フィルファクターおよび発電効率を評価した。その結果を表に示した。
以上の結果より、本発明の複合導電性ポリマー組成物を用いてなる色素増感型太陽電池素子は高い光電変換効率を示した。
実施例24〜実施例25および比較例16〜比較例17
実施例1〜2で調製した複合導電性ポリマー組成物溶液または比較例4〜5で調製した導電性ポリマー組成物溶液を、それぞれ固形分2.5%に再調整し、それらをスピンコート法により4000rpm−15secの条件で、厚さが1000μmのガラス基板および100μmのPETフィルム基板に対して塗布し、熱風乾燥機で溶媒を除去させて帯電防止層を形成した帯電防止フィルムを作製した。なお、帯電防止層の膜厚を触針式表面形状測定器(Dektak 6M:アルバック製)で測定を行ったところ、帯電防止層の厚さはいずれもおよそ25nmであった。
得られた帯電防止フィルムについて、以下のような条件下で静置した後に表面抵抗値の評価を行った。評価結果を表に示した。
条件(1):23℃50%RHにて192hr
条件(2):40℃80%RHにて168hr
以上の結果より、本発明の帯電防止フィルムは、高温多湿下での環境で使用されても、帯電防止特性を十分に示す結果であった。
本発明の複合導電性ポリマー組成物は、(a−1)スルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー、(a−2)親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマー、(a−3)成分(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマーの3成分で構成された高分子化合物(A)をドープ剤として使用したものであり、芳香族系、エステル系、ケトン系溶剤等に安定に可溶化させることが可能となったものである。
そして、このようにして得られる複合導電性ポリマー組成物を芳香族系、エステル系、ケトン系溶剤中に透明状態で溶解させた複合導電性ポリマー組成物溶液は、導電性が要求される部分に簡単に導電性皮膜を形成することが可能であり、電子部品等の分野において、きわめて有利に使用できるものである。

さらに、本発明の複合導電性ポリマー組成物を用いた色素増感型太陽電気用電極や帯電防止フィルムは、優れた性能を有する。

Claims (22)

  1. 次の成分(a−1)ないし(a−3)
    (a−1)スルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー 20〜60mol%
    (a−2)親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーであって、かつ、スルホン酸基を有さないモノマー 20〜60mol%
    (a−3)成分(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマー 20〜60mol%
    を重合させることにより得られる水溶性の高分子化合物(A)を、次式(I)〜(III)
    (各式中、RないしRは、そのうち少なくとも一つは、炭素数1ないし10のアルコキシ基を、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、RおよびRは、そのうち少なくとも一つは炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示すか、RおよびRが一緒になって、炭素数1ないし8のアルキレンジオキシ基を示し、Rは、水素原子、炭素数1ないし6のアルキル基または芳香族環基を示す)
    から選ばれる化合物をモノマー構成成分とするπ共役系高分子(β)にドーピングさせてなり、
    成分(a−1)〜(a−3)の合計が100mol%であり、
    成分(a−2)は、室温でのpH7.0の蒸留水に対し0.1mmol/lで溶解させたときに、その溶液のpHが5.5を超え8.0未満(5.5<pH<8.0)を示すものである複合導電性ポリマー組成物。
  2. 成分(a−1)のスルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマーが、スチレンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸、2−ソジウムスルホエチル(メタ)アクリレートおよび2−スルホエチル(メタ)アクリレートよりなる群から選ばれたものである請求項第1項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  3. 成分(a−2)の親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーが、アクリル酸、メタクリル酸、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸、(無水)マレイン酸、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、2−アセトアセトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトール(メタ)アクリレート、メトキシトリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレートおよびβ−(メタ)アクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネートよりなる群から選ばれたものである請求項第1項または第2項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  4. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマーである請求項第1項ないし第3項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  5. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコール(メタ)アクリル酸安息香酸エステル、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、t−ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ペンタメチルピペリジニル(メタ)アクリレート、テトラメチルピペリジニル(メタ)アクリレート、1−アダンマンチル(メタ)アクリレート、2−メチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、2−エチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ビニルピリジンおよび(メタ)アクリロイルモルホリンよりなる群から選ばれた芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマーである請求項第1項ないし第4項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  6. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、アルキル(メタ)アクリレートである請求項第1項ないし第3項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  7. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、nープロピル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、i−ブチル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、n−ペンチル(メタ)アクリレート、i−ペンチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレートおよびステアリル(メタ)アクリレートよりなる群から選ばれたアルキルメタアクリレートである請求項第1項ないし第3項および請求項6の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物。
  8. 次の成分(a−1)ないし(a−3)
    (a−1)スルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマー 20〜60mol%
    (a−2)親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーであって、かつ、スルホン酸基を有さないモノマー 20〜60mol%
    (a−3)成分(a−1)および(a−2)以外の重合性モノマー 20〜60mol%
    を重合させることにより得られる水溶性の高分子化合物(A)と、次式(I)〜(III)
    (各式中、RないしRは、そのうち少なくとも一つは、炭素数1ないし10のアルコキシ基を、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、RおよびRは、そのうち少なくとも一つは炭素数1ないし10のアルコキシ基を示し、他の基は水素原子、炭素数1ないし10のアルキル基または炭素数1ないし10のアルコキシ基を示すか、RおよびRが一緒になって、炭素数1ないし8のアルキレンジオキシ基を示し、Rは、水素原子、炭素数1ないし6のアルキル基または芳香族環基を示す)
    から選ばれる化合物とを電解性基質溶媒中にて共存させ、酸化剤を用いて化学酸化重合することによって前記高分子化合物(A)がドーピングされたπ共役系高分子(β)を得る工程を備え
    成分(a−1)〜(a−3)の合計が100mol%であり、
    成分(a−2)は、室温でのpH7.0の蒸留水に対し0.1mmol/lで溶解させたときに、その溶液のpHが5.5を超え8.0未満(5.5<pH<8.0)を示すものであることを特徴とする複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  9. 成分(a−1)のスルホン酸基と重合性ビニル基を有するモノマーが、スチレンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸、2−ソジウムスルホエチル(メタ)アクリレートおよび2−スルホエチル(メタ)アクリレートよりなる群から選ばれたものである請求項第8項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  10. 成分(a−2)の親水性基と重合性ビニル基を有する極性モノマーが、アクリル酸、メタクリル酸、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸、(無水)マレイン酸、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、2−アセトアセトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、エチルカルビトール(メタ)アクリレート、メトキシトリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレートおよびβ−(メタ)アクリロイルオキシエチルハイドロジェンサクシネートよりなる群から選ばれたものである請求項第8項または第9項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  11. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマーである請求項第8項ないし第10項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  12. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコール(メタ)アクリル酸安息香酸エステル、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、t−ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ペンタメチルピペリジニル(メタ)アクリレート、テトラメチルピペリジニル(メタ)アクリレート、1−アダンマンチル(メタ)アクリレート、2−メチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、2−エチル−2−アダマンチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ビニルピリジンおよび(メタ)アクリロイルモルホリンよりなる群から選ばれた芳香族基または脂環族基と重合性ビニル基を有するモノマーである請求項第8項ないし第11項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  13. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、アルキルメタアクリレートである請求項第8項ないし第10項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  14. 成分(a−3)の、成分(a−1)および成分(a−2)以外の重合性モノマーが、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、nープロピル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、i−ブチル(メタ)アクリレート、i−プロピル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、n−ペンチル(メタ)アクリレート、i−ペンチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレートおよびステアリル(メタ)アクリレートよりなる群から選ばれたアルキルメタアクリレートである請求項第8項ないし第10項および請求項第13項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  15. 式(I)〜(III)から選ばれる化合物1モルに対し、高分子化合物(A)を、そのスルホン酸基モル比が0.3〜1.5となるように共存せしめる請求項第8項ないし第14項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  16. 酸化剤が、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、塩化鉄(III)、硫酸鉄(III)、テトラフルオロホウ酸鉄(III)、ヘキサフルオロ燐酸鉄(III)、硫酸銅(II)、塩化銅(II)、テトラフルオロホウ酸銅(II)、ヘキサフルオロ燐酸銅(II)およびオキソ二硫酸アンモニウムからなる群より選ばれた酸化剤である請求項第8項ないし第14項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  17. 電解性基質溶媒がイオン交換水である請求項第8項ないし第16項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  18. 化学酸化重合を、1molの式(I)〜(III)から選ばれる化合物に対し、0.5〜4.0molの、塩酸、硫酸、過塩素酸、過ヨウ素酸、塩化鉄(II)および硫酸鉄(II)から選ばれる酸性成分を加えて行う請求項第8項ないし第17項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物の製造法。
  19. 請求項第1項ないし第7項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物を、芳香族系溶剤、エステル系溶剤またはケトン系溶剤中に0.1〜10質量%、溶解状態で含有してなる複合導電性ポリマー組成物溶液。
  20. 更に、金属、酸化金属、導電性ポリマー組成物、炭素粉末または分散体を含有する請求項第19項に記載の複合導電性ポリマー組成物溶液。
  21. 請求項第1項ないし第7項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物を用いてなる色素増感型太陽電池用対極。
  22. 請求項第1項ないし第7項の何れかの項記載の複合導電性ポリマー組成物を用いてなる帯電防止フィルム。
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