JP6020165B2 - 導電性組成物及び前記導電性組成物を用いた導電体、並びに固体電解コンデンサ - Google Patents
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Description
しかし、これらの導電性高分子は、一部の非プロトン系極性溶媒を除くほとんどの一般溶剤に不溶であり、成形、加工面で問題があった。
また、これらの導電性高分子のうち、ポリチオフェン系、ポリパラフェニレンビニレン系の導電性高分子は、ポリアニリン系の導電性高分子に比べて高い導電性を示すものの、原料が高価、製造工程が煩雑等の問題を有している。
この方法により得られたアニリン系導電性ポリマー(高分子)は、酸性からアルカリ性の広いpH範囲において、各種溶剤に優れた溶解性を示す。
一方、ドーパントとなる酸性基を分子内に有する導電性高分子溶液を予め調製し、塗膜化する方法では、陽極酸化皮膜上で重合する方法に比べ簡便な製造方法であるが、導電性高分子の性能が十分とは言えず、同様な問題を有している。
また、高温雰囲気下における導電性が、未だ不充分であり、特にコンデンサ等へ適用するためには、さらなる導電性及び耐熱性の向上が望まれている。
固体電解質として下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有する可溶性のアニリン系導電性高分子と、同一分子内に2つ以上のカルボン酸又はその塩を有する化合物を添加することで、得られる組成物の導電性が大きく向上し、さらに、上記組成物を用いることで耐熱性に優れ、かつ、静電容量が高い固体電解コンデンサが得られることを見出した。
位を有する導電性高分子である、前記第1〜3の何れか1つの態様に記載の導電性組成物
である。
(I)水とメタノールを、容積比が水:メタノール=8:2となるように混合した混合溶媒に、炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムを、それぞれの固形分濃度が20mmol/L、30mmol/Lになるように添加して、溶離液を調製し、得られた溶離液は、25℃でのpHが10以上となるように調製した溶離液に、導電性高分子を固形濃度が0.1質量%となるように溶解させて試験溶液を調製する工程、
(II)前記試験溶液について、ゲル浸透クロマトグラフを備えた高分子材料評価装置を使用して分子量分布を測定し、クロマトグラムを得る工程、
(III)前記工程(II)により得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算する工程、
(IV)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da以上の領域の面積(X)を求める工程、
(V)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da未満の領域の面積(Y)を求める工程、
(VI)面積(X)と面積(Y)との面積比(X/Y)を求める工程
また、本発明によれば、静電容量(電気容量)が高く、耐熱性に優れた高導電率の導電性高分子層を備えた固体電解コンデンサを製造することができる。
なお、本発明において「可溶性」とは、水、塩基及び塩基性塩を含む水、酸を含む水、又はメチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール等の溶媒、又は、それらの混合物10g(液温25℃)に、0.1g以上均一に溶解することを意味する。
また、「導電性」とは、109Ω・cm以下の体積抵抗率(10−9S/cm以上の導電率(電気伝導率))を有する
また、本発明において「分子量(M)」とは、重量平均分子量(Mw)を意味する。
また、本発明において、「酸性基」とは、スルホン酸基又はカルボキシ基である。スルホン酸基及びカルボキシ基は、それぞれ酸の状態(−SO3H、−COOH)で含まれていてもよく、イオンの状態(−SO3−、−COO−)で含まれていてもよい。
本発明の組成成分であるスルホン酸及び/又はカルボキシル基を有する導電性高分子(A)としては、特に限定されず、公知の導電性高分子を用いることができる。
但し、一般式(2)のR11〜R12、一般式(3)のR13〜R16、一般式(4)のR17〜R21はそれぞれ少なくとも一つは−SO3H、−R61SO3H、−COOH、−R61COOH又はこれらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩及び置換アンモニウム塩からなる群より選ばれた基である。
ここで、前記塩基性化合物の含有量が0.1質量%以下であれば、高い導電性を有する。
また、「塩」とは、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩及び置換アンモニウム塩のうち、少なくとも一種を示す。
導電性高分子の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって測定される質量平均分子量(ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算)である。
導電性高分子の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって測定される質量平均分子量(ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算)である。
ここで、導電性高分子の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって測定される質量平均分子量(ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算)である。
本発明の固体電解コンデンサは、例えば、誘電体酸化膜が形成された被膜形成金属(陽極)と、グラファイト層および金属層(陰極)との間に、セパレータを設けることができる。陽極と陰極との間にセパレータが設けられた固体電解コンデンサとしては、図2に示すような巻回型の固体電解コンデンサ20が挙げられる。
なお、図2において符号21は「陽極」であり、符号22は「陰極」であり、符号23は「セパレータ」である。
また、陽極21と陰極22との間にセパレータ23を設けた後、上述した積層型の固体電解コンデンサと同様にして被膜形成金属上に形成された誘電体酸化膜上に固体電解質層を形成してから、これらを巻き回して巻回体としてもよい。
また、セパレータ23として、絶縁油を染み込ませたセパレータが用いられることもある。上記絶縁油としては、鉱油、ジアリルエタン油、アルキルベンゼン油、脂肪族エステル油(レイン酸エステル、フマル酸エステルなど)、芳香族エステル油(フタル酸エステルなど)、多環芳香族油、シリコーン油等の電気絶縁油またはこれらの混合物などが挙げられる。
(I)pHが10以上となるように調製した溶離液に、導電性高分子を固形濃度が0.1質量%となるように溶解させて試験溶液を調製する工程。
(II)前記試験溶液について、ゲル浸透クロマトグラフを備えた高分子材料評価装置を使用して分子量分布を測定し、クロマトグラムを得る工程。
(III)前記工程(II)により得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算する工程。
(IV)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da以上の領域の面積(X)を求める工程。
(V)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da未満の領域の面積(Y)を求める工程。
(VI)面積(X)と面積(Y)との面積比(X/Y)を求める工程。
溶離液は、溶媒に溶質が溶解した液である。溶媒としては、水、アセトニトリル、アルコール(メタノール、エタノールなど)、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、及びこれらの混合溶媒などが挙げられる。
溶質としては、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸三ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、グリシン、水酸化ナトリウム、塩化カリウム、ホウ酸などが挙げられる。
pHが10以上の溶離液は、例えば以下のようにして調製することができる。
まず、水(超純水)とメタノールを、容積比が水:メタノール=8:2となるように混合して、混合溶媒を得る。ついで、得られた混合溶媒に、炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムを、それぞれの固形分濃度が20mmol/L、30mmol/Lになるように添加して、溶離液を得る。
このようにして得られる溶離液は25℃でのpHが10.8である。
なお、溶離液のpHは、溶離液の温度を25℃に保持した状態で、pHメータを用いて測定した値である。
なお、導電性高分子溶液を用いる場合、溶離液に加えたときに導電性高分子の固形分濃度が0.1質量%になれば、導電性高分子溶液の固形分濃度については特に制限されないが、1.0質量%以上が好ましい。導電性高分子溶液の固形分濃度が1.0質量%未満であると、溶離液に加えたときに溶離液のpH緩衝作用が十分に働かず、試験溶液のpHが10未満となり、定量値がぶれて、安定した測定結果が得られにくくなる。
また、導電性高分子溶液に用いる溶媒としては、後述する導電性高分子が可溶な溶媒が挙げられる。中でも、水が好ましい。
高分子材料評価装置は、ゲル浸透クロマトグラフを備えており、分子量の大きさにより化合物(ポリマー、オリゴマー、モノマー)を分離して分析できる。
ゲル浸透クロマトグラフには、フォトダイオードアレイ検出器、UV検出器などの検出器が接続されている。
図1に示すクロマトグラムは、縦軸が吸光度、横軸が保持時間であり、高分子量体は比較的短い保持時間で検出され、低分子量体は比較的長い保持時間で検出される。
具体的には、ピークトップ分子量が206、1030、4210、13500、33500、78400、158000、2350000のポリスチレンスルホン酸ナトリウムを標準試料として用い、試験溶液と同様にして、各標準試料を固形分濃度が0.05質量%、ただし、ピークトップ分子量が206の標準試料については固形分濃度が25ppmとなるように溶離液に溶解させて、標準溶液を調製する。そして、各標準溶液についてGPCにより保持時間と分子量の関係を求め、検量線を作成する。作成した検量線から、工程(II)で得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算する。
また、工程(V)は、分子量(M)が15000Da未満の領域(y)の面積(Y)を求める工程である。
工程(VI)は、面積(X)と面積(Y)との面積比(X/Y)を求める工程である。
面積(Y)は、分子量(M)が15000Da未満の領域の面積であり、この領域には主にオリゴマー、モノマー、不純物などの低分子量体が存在する。面積比(X/Y)が1.20以上であれば、導電性高分子に含まれる低分子量体の割合が少なく、導電性アニリン系ポリマーの分子量が高いので、高い導電性を示す。
なお、面積比(X/Y)の値が大きいほど、導電性高分子に含まれる低分子量体の割合が少ない。従って、面積比(X/Y)の値は大きくなるほど好ましく、具体的には1.30以上がより好ましく、1.50以上がさらに好ましい。
導電性高分子(A)は、アニリン誘導体を、塩基性化合物の存在下、酸化剤を用いて重合することで得られる。
本発明で用いるアニリン誘導体は、スルホン基及び/又はカルボキシ基を有し、このような酸性基置換アニリン誘導体としては、酸性基置換アニリン、そのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、及び置換アンモニウム塩よりなる群から選ばれる化合物が好ましい。
また、酸性基置換アニリンとしては、優れた導電性を発現し、且つ水溶性を向上させるという点を考慮すると、下記一般式(6)で表される化合物が好ましい。
これらの中では、導電性や溶解性に特に優れる導電性高分子が得られる点で、アルキル基置換アミノベンゼンスルホン酸類、アルコキシ基置換アミノベンゼンスルホン酸類、ヒドロキシ基置換アミノベンゼンスルホン酸類、又は、ハロゲン置換アミノベンゼンスルホン酸類が好ましい。
これらのスルホン酸基置換アニリンはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を任意の割合で混合して用いてもよい。
これらのカルボキシ基置換アニリンはそれぞれ1種単独で用いてもよいし、2種(異性体を含む。)以上を任意の割合で混合して用いてもよい。
これら一般式(6)で表される酸性基置換アニリンの中でも、製造が容易な点で、アルコキシ基置換アミノベンゼンスルホン酸類、そのアルカリ金属塩、アンモニウム塩及び置換アンモニウム塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が特に好ましい。
無機塩類やこれらの塩基性化合物を用いれば、高導電性で、かつ高純度な導電性高分子を得ることができる。
これらの塩基性化合物はそれぞれ1種単独で用いてもよいし、2種以上を任意の割合で混合して用いてもよい。
環式不飽和アンモニウム類としては、ピリジニウム、α−ピコリニウム、β−ピコリニウム、γ−ピコリニウム、キノリニウム、イソキノリニウム、ピロリニウム及びこれらの骨格を有する誘導体などが例示される。
これらの酸化剤は、それぞれ1種単独で用いてもよいし、2種以上を任意の割合で混合して用いてもよい。
本発明においては、モノマーに対して酸化剤がモル比で等モル以上存在している系にて重合を行うことが重要である。また、触媒として、鉄、銅などの遷移金属化合物を酸化剤と併用することも有効である。
なお、溶媒として混合溶媒を用いる場合、水と水溶性有機溶媒との混合比は任意であるが、水:水溶性有機溶媒=1:100〜100:1が好ましい。
洗浄液としては、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、n−ブタノール、イソブタノール、2−ブタノール、3−ブタノール、t−ブタノール、1−ペンタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−ペンタノール、n−ヘキサノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチルブチノール、ベンジルアルコール、フルフリルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール等のアルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、メトキシメトキシエタノール、プロピレングリコールモノエチルエーテル、グリセリルモノアセテート等の多価アルコール誘導体;アセトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド,N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド等が、高純度のものが得られるため好ましい。特にメタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、アセトニトリルが効果的である。
前記製造方法により得られる導電性高分子(A)は未反応モノマー、低分子量物質及び不純物質などを含んでいる場合があり、導電性を阻害する要因となっていることから、これら不純物質などを除去することが望ましい。
未反応モノマーや低分子量物質などの不純物質を除去するには、前記導電性高分子の分散液又は溶解液を膜濾過する方法が好ましい。膜濾過する際に用いる溶媒としては、水、塩基性塩を含む水、酸を含む水、アルコールを含む水等の溶媒やそれらの混合物などを用いることができる。膜濾過に用いる分離膜としては、未反応モノマー、低分子量物質及び不純物質の除去効率を考慮すると、限外濾過膜が好ましい。
分離膜の材質としてはセルロース、セルロースアセテート、ポリスルホン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリフッ化ビニリデン等の高分子を用いた有機膜やセラミックスに代表される無機材料を用いた無機膜を用いることができ、通常、限外濾過膜の材質として使用するものであれば、特に制限はない。
さらに、前記製造方法により得られる導電性高分子(A)は酸化剤由来などの陽イオンと塩を形成しており、導電性を阻害する要因となっている。これら陽イオンを除去することで導電性を向上させることができる。
陽イオンなどの不純物を除去するには、導電性高分子の分散液又は溶解液を陽イオン交換樹脂に接触させる方法が好ましい。
陽イオン交換樹脂により不純物除去する場合、導電性高分子(A)を溶媒に分散又は溶解させた状態で用いる。
溶媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、エチルイソブチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;エチレングリコール、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールモノ−n−プロピルエーテル等のエチレングリコール類;プロピレングリコール、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、プロピレングリコールブチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル等のプロピレングリコール類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類;N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン等のピロリドン類;乳酸メチル、乳酸エチル、β−メトキシイソ酪酸メチル、α−ヒドロキシイソ酪酸メチル等のヒドロキシエステル類、及びこれらを混合したものが好ましい。
陽イオン交換樹脂の形態については特に限定されることなく、種々の形態のものを使用でき、例えば球状細粒、膜状や繊維状などが挙げられる。
導電性高分子に対する陽イオン交換樹脂の量は、導電性高分子100質量部に対して100〜2000質量部が好ましく、500〜1500質量部がより好ましい。陽イオン交換樹脂の量が1質量部未満であると、陽イオンなどの不純物が十分に除去されにくい。一方、陽イオン交換樹脂の量が1500質量部を超えると、導電性高分子の分散液又は溶解液に対し過剰量となるため、陽イオン交換樹脂に接触させて陽イオン交換処理した後の、分離液又は溶離液の回収が困難となる。
また、陽イオン交換樹脂をカラムに充填し、導電性高分子の分散液又は溶解液を、好ましくはSV=0.01〜20、より好ましくは0.2〜10の流量で通過させて、陽イオン交換処理を行う方法でもよい。
ここで、空間速度SV(1/hr)=流量(m3/hr)/濾材量(体積:m3)である。
なお、接触時間の上限値については特に制限されず、導電性高分子の分散液又は溶離液の濃度、陽イオン交換樹脂の量、後述する接触温度などの条件に併せて、適宜設定すればよい。
陽イオン交換樹脂への接触により精製された導電性高分子(A)にアルカリ金属水酸化物及び/又はアルカリ土類金属水酸化物(B)を添加することで加熱処理後の導電性の低下を抑制する。これは、導電性高分子(A)の側鎖が加熱によって熱分解するのをアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンが抑制するためと考えられる。
これらの水酸化物は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。
精製して得られた前記導電性高分子(A)に前記化合物(C)を添加することで加熱処理後の導電性の低下を抑制することができる。
その理由として、導電性高分子(A)の側鎖が加熱によって脱離するのを、前記化合物(C)の金属イオンが抑制するためと考えられる。
これらの中でも、反応性や経済性の面からリチウム、ナトリウム、マグネシウム又はカルシウムとの酢酸塩、炭酸塩、リン酸塩又はハロゲン化物が好ましい。
また、取り扱い性の観点から、前記化合物の中でも、酢酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物が好ましい。
なお、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の酢酸塩、炭酸塩、リン酸塩及びハロゲン化物からなる群より選択される少なくとも一種の化合物を、単に、アルカリ金属塩及び/又はアルカリ土類金属塩(C)ということがある。
また、上記酢酸塩、炭酸塩、リン酸塩又はハロゲン化物以外に、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の硝酸塩であってもよい。
精製して得られた前記導電性高分子(A)に同一分子内に塩基性基及び2つ以上のヒドロキシ基を含み、かつ、融点が30℃以上の化合物(D)を添加することで加熱処理後の導電性の低下を抑制することができる。
その理由として、導電性高分子(A)の側鎖が加熱によって脱離するのを、前記化合物(D)に含まれる塩基性基が抑制する、及び/又は、導電性高分子(A)に対して前記化合物(D)に含まれるヒドロキシ基がドープ剤として働き導電性を向上するためと考えられる。
有機基としては、例えば、脂肪族、脂環式、芳香族、直鎖若しくは分岐鎖、飽和及び/又は不飽和の有機基が挙げられる。
また、一部の前記化合物(D)には、L体とD体の幾何異性体が存在するが、L体とD体のどちらか一方を用いてもよく、L体とD体の種々の比率の混合物として用いてもよい。
また、一部の前記化合物(D)には、o−位とm−位とp−位の置換基位置異性体が存在するが、o−位とm−位とp−位のどちらか一方を用いてもよく、種々の比率の混合物として用いてもよい。
中でも、導電性や耐熱性の観点から、2−アミノ−1,3−プロパンジオール、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、2−アミノ−2−メチル−1,3−プロパンジオール、2−アミノ−2−エチル−1,3−プロパンジオール、3−[N−トリス(ヒドロキシメチル)メチルアミノ]−2−ヒドロキシプロパンスルホン酸、N−トリス(ヒドロキシメチル)メチル−2−アミノエタンスルホン酸がより好ましい。これらの化合物(D)は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。
また、前記化合物(D)の含有量は、前記導電性高分子(A)のスルホン酸基及び/又はカルボキシ基を有する繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、導電性や耐熱性の観点から、0.01〜0.65モルが好ましく、特に、0.05〜0.45モルが好ましい。
また、同一分子内に基性基及び2つ以上のヒドロキシ基を含み、かつ、融点が30℃以上の化合物であって、上記測定方法以外の測定方法により測定した融点が30℃未満であっても、上記測定方法によれば、融点が30℃以上であれば、本発明の導電性組成物を構成する化合物(D)に含まれる。
前記導電性高分子(A)に同一分子内に酸性基及び塩基性基を少なくとも1種以上含む化合物(E)を添加することで加熱処理後の導電性の低下を抑制することができる。
その理由として、導電性高分子(A)の側鎖が加熱によって脱離するのを、前記化合物(E)に含まれる塩基性基が抑制する、及び/又は、導電性高分子(A)に対して前記化合物(E)に含まれる酸性基がドープ剤として働き導電性を向上するためと考えられる。
塩基性基としては、例えば、アレニウス塩基、ブレンステッド塩基、ルイス塩基、等で定義される塩基性基が挙げられる。
有機基としては、例えば、脂肪族、脂環式、芳香族、直鎖若しくは分岐鎖、飽和及び/又は不飽和の有機基が挙げられる。
同一分子内に酸性基及び塩基性基を少なくとも各々1種以上含む化合物(E)としては、例えば、グリシン、L−アラニン、β−アラニン、4−アミノ酪酸、2−アミノメタンスルホン酸、2−アミノエタンスルホン酸、2−アミノプロパンスルホン酸、サルコシン、4−ピペリジンカルボン酸、プロリン、2−ベンズイミダゾールプロピオン酸、ノルバリン、セリン、トレオニン、2−(4−ヒドロキシフェニル)グリシン、N,N−ジ(2−ヒドロキシエチル)グリシン、チロシン、3−(3,4−ジヒドキシフェニル)−アラニン、イソセリン、4−アミノ−3−ヒドロキシ酪酸、ホモセリン、ヒスチジン、アスパラギン酸、システイン、システイン酸、リジン、アルギニン、イミノ二酢酸、グルタミン酸、2−アミノアジピン酸、2,6−ジアミノピメリン酸、グアニジノ酢酸、チアゾリジン−2,4−ジカルボン酸、シスチン等が挙げられる。
また、一部の前記化合物(E)には、L体とD体の立体異性体や対掌体(エナンチオマー)が存在するが、L体とD体のどちらか一方を用いてもよく、L体とD体の種々の比率の混合物として用いてもよい。
中でも、導電性や耐熱性の観点から、2−(4−ヒドロキシフェニル)グリシン、イソセリン、セリン、システイン酸、アスパラギン酸、2−アミノエタンスルホン酸、グリシン、アラニン、ホモセリン、トレオニンが好ましく、2−(4−ヒドロキシフェニル)グリシン、イソセリン、セリン、システイン酸、アスパラギン酸、2−アミノエタンスルホン酸、グリシン、アラニン、ホモセリン、トレオニンがより好ましい。これらの化合物(E)は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上混合して用いてもよい。
また、前記化合物(E)の含有量は、前記導電性高分子(A)のスルホン酸基及び/又はカルボキシ基を有する繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、耐熱性及び導電性の観点から、0.1〜0.65モルが好ましく、特に、0.15〜0.45モルが好ましい。
前記導電性高分子(A)に同一分子内に2つ以上のカルボン酸又はその塩を有する化合物(F)を添加することで、加熱処理後の導電性の低下を抑制することができる。
その理由として、導電性高分子(A)の側鎖の酸性基が加熱によって脱離し、脱ドープ状態となるのを、前記化合物(F)に含まれるジカルボン酸がドーパントとして働き導電性の低下を抑制するためと考えられる。
また、前記カルボン酸が塩を形成していた場合でも、ドーパントとして働くことから、塩を形成していない場合と同様の効果が得られると推測できる。
前記ジカルボン酸塩を添加することで、導電性高分子の側鎖の酸性基と塩を形成し、熱脱離が抑制されるため、耐熱性の観点からは、塩を形成していることが好ましい。
置換基としては、例えば、アミノ基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、フェノキシ基、アルキル基、アリール基、アセチル基、チオール基、ハロゲン基、シリル基、並びにナトリウム塩などのその塩などが挙げられる。
溶剤(G)としては、導電性高分子(A)と前記化合物(B)、導電性高分子(A)と前記化合物(C)、導電性高分子(A)と前記化合物(D)、導電性高分子(A)と前記化合物(E)、又は導電性高分子(A)と前記化合物(F)を溶解するものであればよく、例えば、水又は水と水溶性有機溶剤との混合溶媒が挙げられる。
混合溶媒を用いる場合、水と水溶性有機溶剤との混合比は特に限定されないが、水:水溶性有機溶剤=1:100〜100:1の混合溶媒が好ましい。
水溶性有機溶剤は、水と混合するものであれば特に限定はない。水溶性有機溶剤として、具体的には、アセトニトリルやメタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、n−ブタノール等のアルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、エチルイソブチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;エチレングリコール、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールモノ−n−プロピルエーテル等のエチレングリコール類;プロピレングリコール、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、プロピレングリコールブチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル等のプロピレングリコール類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類;N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン等のピロリドン類;N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン等のピロリドン類;乳酸メチル、乳酸エチル、β−メトキシイソ酪酸メチル、α−ヒドロキシイソ酪酸メチル等のヒドロキシエステル類などが挙げられる。
これらの中でも、溶解性の観点から、アルコール類、アセトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等が好ましく、特にアルコール類が好ましい。アルコール類としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等が好ましい。
導電性組成物中、成分(A)の含有量は、導電性や加工性の観点から、溶剤(G)100質量部に対して0.1〜20質量部が好ましく、0.5〜10質量部が好ましく、0.5〜5質量部がより好ましい。濃度が高いほど十分な膜厚の導電性高分子層を形成することができる。一方、濃度が低いほど溶液中の導電性高分子及び化合物が凝集するのを抑制でき、高粘度化しにくくなり、陽極酸化皮膜の微細な凹凸の内部に含浸しやすくなる。
本発明においては、前記導電性組成物を基材に塗布して塗膜を形成する工程と、必要であれば前記塗膜に対し、加熱処理を行う工程とを順次行うことにより導電体を製造することができる。
導電性組成物を塗工する基材としては、特に限定されず、高分子化合物、木材、紙材、金属、金属酸化物、セラミックス及びそれらフィルム又はガラス板などが用いられる。例えば、高分子化合物からなる基材としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂、メタクリル樹脂、ポリブタジエン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアラミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルニトリル、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリブチレンテレフタレート等のいずれか1種又は2種以上を含有する高分子フィルムなどが挙げられる。
本発明において、導電性高分子層は、可溶性アニリン系導電性高分子と、分子内に2つ以上のカルボン酸もしくはその塩を有する化合物と、溶剤とを混合して得られた導電性組成物から形成される。
ディップコート法により導電性組成物を塗布する場合、作業性の観点から、導電性組成物への浸漬時間は、1〜30分が好ましい。また、ディップコートする際に、減圧時にディップさせて常圧に戻す、あるいは、ディップ時に加圧するなどの方法も有効である。
また、乾燥条件は、前記導電性高分子(A)や前記化合物(B)〜(F)、前記溶剤(G)の種類により決定されるが、通常、乾燥温度は乾燥性の観点から50℃〜190℃が好ましく、乾燥時間は1〜120分が好ましい。
導電性高分子層を形成する方法としては、導電性高分子の分散水溶液を陽極箔に又はコンデンサ素子に含浸させる方法が挙げられる。
次に、導電性高分子層上にカーボンペーストを塗布することにより、導電性高分子層上にカーボン層を形成する。さらに、カーボン層上に銀ペーストを塗布し、所定の温度で乾燥させることによりカーボン層上に銀ペイント層を形成する。銀ペイント層に導電性接着剤を介して陰極端子を接続する。また、陽極箔に陽極端子を接続する。
その後、陽極端子及び陰極端子の端部が外部に引き出されるようにモールド外装樹脂を形成する。
以上の方法により、固体電解コンデンサが作製される。
本発明の実施の形態において、巻回型固体電解コンデンサは、導電性高分子層の形成工程の他、公知の技術により製造される。
例えば、アルミニウム箔の表層近傍をエッチングにより多孔質体化した後、陽極酸化により陽極酸化皮膜を形成し、本実施の形態による導電性高分子層を含む固体電荷質を形成した後、陰極部を形成し、陽極部及び陰極部には外部端子を接続し外装を施して、本実施の形態にかかる巻回型固体電解コンデンサを得ることが出来る。
前記陽極酸化皮膜は、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ニッケル等の金属材料(皮膜形成金属)からなる電極(弁作用金属体)を陽極酸化して形成されたものである。多孔質の弁作用金属体を陽極酸化して形成される陽極酸化皮膜は、弁作用金属体の表面状態を反映し、表面が微細な凹凸構造と成っている。この凹凸の周期は弁作用金属体の種類などに依存するが、通常、200nm以下程度である。
また、凹凸を形成する凹部(細孔部)の深さは、弁作用金属体の種類などに特に依存しやすいので一概には決められないが、例えば、アルミニウムを用いる場合、凹部の深さは数十nm〜1μm程度である。
本発明の実施の形態において、積層型固体電解コンデンサは、導電性高分子層の形成工程の他、公知の技術により製造される。
例えば、アルミニウム箔などの弁作用金属体の表層近傍をエッチングにより多孔質体化した後、陽極酸化により陽極酸化皮膜を形成する。ついで、陽極酸化皮膜上に導電性高分子層を形成した後、これをグラファイト液に浸漬させて、又はグラファイト液を塗布して導電性高分子層上にグラファイト層を形成し、さらにグラファイト層上に金属層を形成する。さらに、陰極部及び陽極部に外部端子を接続して外装することで、本実施の形態にかかる積層型固体電解コンデンサを得ることが出来る。
なお、実施例及び比較例における評価方法は以下の通りである。
まず、水(超純水)とメタノールを、容積比が水:メタノール=8:2となるように混合した混合溶媒に、炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムを、それぞれの固形分濃度が20mmol/L、30mmol/Lになるように添加して、溶離液を調製した。得られた溶離液は、25℃でのpHが10.8であった。
この溶離液に、導電性高分子溶液を固形分濃度が0.1質量%となるように溶解させ、試験溶液を調製した(工程(I))。
得られた試験溶液について、フォトダイオードアレイ(PDA)検出器が接続されたゲル浸透クロマトグラフを備えた高分子材料評価装置(Waters社製、「Waters Alliance2695、2414(屈折率計)、2996(PDA)」)で、カラム(TSK−GEL ALPHA−M 7.8×300mm 2本;東ソー株式会社製)を用いて分子量分布を測定し、クロマトグラムを得た(工程(II))。また、測定は、流速0.6mL/min、カラム温度40℃で行った。
ついで、得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算した(工程(III))。具体的には、ピークトップ分子量が206、1030、4210、13500、33500、78400、158000、2350000のポリスチレンスルホン酸ナトリウムを標準試料として用い、試験溶液と同様にして、各標準試料を固形分濃度が0.05質量%、ただし、ピークトップ分子量が206の標準試料については固形して、各標準溶液についてGPCにより保持時間と分子量の関係を求め、検量線を作成した。作成した検量線から、工程(II)で得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算した。
そして、分子量(M)が15000Da以上の領域の面積(X)と、15000Da未満の領域の面積(Y)をそれぞれ求めた(工程(IV)、(V))。
これら面積(X)と面積(Y)との面積比(X/Y)を求めた(工程(VI))。
導電性高分子中の塩を形成している塩基性化合物の含有量は、陽イオンクロマトグラフィーにより以下の条件で測定した。濃度は、検出されたピーク面積と既知濃度のトリエチルアミン及びアンモニア溶液のピーク面積とを比較して計算された。
カラム:TSKgel IC−Cation I/IIカラム(東ソー製)
溶離液:1.0mmol/Lの硝酸溶液と10質量%のアセトニトリル溶液との混合溶液
導電性高分子濃度:1000質量ppm
流速:0.5mL/min
注入量30μL
温度40℃
静電容量及び等価直列抵抗は、LCRメータ(アジレント・テクノロジー株式会社製E4980A プレシジョンLCRメータ)を用いて周波数120Hzにて静電容量、100kHzにて等価直列抵抗を測定した。
導電性高分子の粉末に対し、粉末の重量を高分子の繰り返し単位の分子量で除して、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)[mol]を求めた。
導電性高分子の分散液又は溶解液の場合、溶解液又は分散液を100℃で1時間乾燥し、残存した固形分を導電性高分子の粉末として、同様に導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)[mol]を求めた。
導電性組成物をマニュアルスピンナーASC−4000(Actes inc.製)によりガラス基板上に塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、膜厚が0.1μm程度の導電体(塗膜)を作製した。
得られた導電体の表面抵抗値を、抵抗率計ロレスタGP(三菱化学社製)に直列四探針プローブを装着して、室温で測定した。膜厚はナノスケールハイブリッド顕微鏡VN−8000(キーエンス製)を用いて測定し、これに表面抵抗値を乗じて体積抵抗率を求めた。
また、この体積抵抗率の逆数を計算し、導電率を求めた。
導電性組成物2.5mlを直径75mmの時計皿に入れ、オーブンの中で150℃30分間乾燥することで、塗膜を作製した。
前記塗膜の性状を観察し、塗膜に割れや剥がれの有無を目視にて評価した。
以下、実施例及び比較例における導電性組成物は、溶剤として水を用いて、導電性高分子(A)の濃度が、3〜5質量%になるように調製した。
以下、実施例及び比較例における化合物の融点(℃)は、ACROS ORGANICS(2004,vol.4)、Aldrich(2005−2006,JAPAN)、The MERCK INDEX(TWELFTH EDITION)
記載の値である。
2−アミノアニソール−4−スルホン酸1molを0℃で、4mol/Lのトリエチルアミン水溶液(水:アセトニトリル=3:7)300mlに溶解し、モノマー溶液を得た。
別途、ペルオキソ二硫酸アンモニウム1molを水/アセトニトリル=3:7の溶液1Lに溶解し、酸化剤溶液を得た。
続いて、酸化剤溶液を5℃に冷却しながら、酸化剤溶液中にモノマー溶液を滴下した。滴下終了後、25℃で12時間さらに攪拌した後、反応生成物を遠心濾過器にて濾別した。
さらに、反応生成物をメタノールにて洗浄した後、乾燥させ、前記式(1)で表される繰り返し単位(式(1)中、R1がスルホン酸基であり、R2〜R3が水素原子であり、R4がメトキシ基である。)を有する導電性高分子の粉末185gを得た。
得られた導電性高分子中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は16.7質量%であった。
なお、「室温」とは、25℃のことである。
得られた導電性高分子(A1´)溶液100質量部に対して、50質量部となるように酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)をカラムに充填し、該カラムに導電性高分子(A1´)溶液をSV=8の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A1)溶液を得た。
得られた導電性高分子(A1)溶液において、導電性高分子の割合は4.5質量%であった。また導電性高分子(A1)溶液中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は0.1質量%以下であった。
また、分子量(M)は、24300であり、X/Y=0.98であった。
水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlにペルオキソ二硫酸アンモニウム200mmolと硫酸1.0gを溶解させた溶液をエチレングリコールを用いたバスで0℃に冷却し、撹拌動力0.7kw/m3下、2−アミノアニソール−4−スルホン酸200mmolとトリエチルアミン200mmolを水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlに溶解させた溶液を200mmol/hrで滴下した。
滴下終了後、撹拌下2時間冷却を保持したのち、反応生成物を冷却下で減圧濾過装置にて濾別し、メチルアルコールにて洗浄後乾燥し、導電性高分子の粗ポリマーを得た。
得られた粗ポリマー20gを400mlの水で溶解し、酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)100mlをカラムに充填し、該カラムに前記粗ポリマー溶液をSV=0.3の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A2)溶液を得た。
得られた導電性高分子(A2)溶液において、導電性高分子(A2)の割合は4.5質量%であった。また、得られた導電性高分子中に含まれる塩を形成している塩基性化合物の含有量は0.1質量%以下であった。
また、分子量(M)は、34900であり、X/Y=1.24であった。
水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlにペルオキソ二硫酸アンモニウム200mmolと硫酸1.0gを溶解させた溶液を、エチレングリコールを用いたバスで0℃に冷却し、撹拌動力0.7kw/m3下、2−アミノアニソール−4−スルホン酸200mmolとトリエチルアミン200mmolを水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlに溶解させた溶液を200mmol/hrで滴下した。
滴下終了後、撹拌下2時間冷却を保持したのち、反応生成物を冷却下で減圧濾過装置にて濾別し、メチルアルコールにて洗浄後乾燥し、導電性高分子の粗ポリマーを得た。
得られた粗ポリマー20gを400mlの水で溶解し、酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)100mlをカラムに充填し、該カラムに前記粗ポリマー溶液をSV=0.3の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A3)溶液を得た。
また、分子量(M)は、36800であり、X/Y=1.28であった。
水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlにペルオキソ二硫酸アンモニウム200mmolと硫酸1.0gを溶解させた溶液をエチレングリコールを用いたバスで内温0℃に冷却し、撹拌動力0.7kw/m3下、2−アミノアニソール−4−スルホン酸200mmolとトリエチルアミン200mmolを水/アセトニトリル(体積比1/1)混合液150mlに溶解させた溶液を200mmol/hrで滴下した。
滴下終了後、撹拌下2時間冷却を保持したのち、反応生成物を冷却下で減圧濾過装置にて濾別し、メチルアルコールにて洗浄後乾燥し、導電性高分子の粗ポリマーを得た。
得られた粗ポリマー20gを10Lの水で溶解し、固形分濃度が0.2質量%のポリマー溶液を調製した後、限外濾過ユニットを用い、固形分濃度が3質量%となるまで処理した。酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)100mlをカラムに充填し、該カラムに前記処理溶液をSV=0.3の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A4)溶液を得た。
また、分子量(M)は、43600であり、X/Y=1.51であった。
上記製造例A1と同様の方法により、前記式(1)で表される繰り返し単位(式(1)中、R1がスルホン酸基であり、R2〜R3が水素原子であり、R4がメトキシ基である。)を有する導電性高分子(A)の粉末185gを得た。
得られた導電性高分子中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は16.7質量%であった
得られた導電性高分子5質量部を水95質量部に室温で溶解させ、導電性高分子(A5´)を得た。
なお、「室温」とは、25℃のことである。
得られた導電性高分子(A5´)溶液100質量部に対して、50質量部となるように酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)をカラムに充填し、該カラムに導電性高分子(A5´)溶液をSV=8の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A5)溶液を得た。
得られた導電性高分子(A5)溶液において、導電性高分子の割合は4.5質量%であった。また導電性高分子(A5)中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は0.1質量%以下であった。
また、分子量(M)は、21600であり、X/Y=0.89であった。
2−アミノアニソール−4−スルホン酸1molを0℃で、4mol/Lのトリエチルアミン水溶液(水:アセトニトリル=3:7)300mlに溶解し、モノマー溶液を得た。
別途、ペルオキソ二硫酸アンモニウム1molを水/アセトニトリル=3:7の溶液1Lに溶解し、酸化剤溶液を得た。
続いて、酸化剤溶液を5℃に冷却しながら、酸化剤溶液中にモノマー溶液を滴下した。滴下終了後、25℃で12時間さらに攪拌した後、反応生成物を遠心濾過器にて濾別した。
さらに、反応生成物をメタノールにて洗浄した後、乾燥させ、前記式(1)で表される繰り返し単位(式(1)中、R1がスルホン酸基であり、R2〜R3が水素原子であり、R4がメトキシ基である。)を有する導電性高分子の粉末185gを得た。
得られた導電性高分子中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は16.7質量%であった。
得られた導電性高分子5質量部を水95質量部に室温で溶解させ、導電性高分子(A6´)溶液を得た。
なお、「室温」とは、25℃のことである。
得られた導電性高分子(A6´)溶液100質量部に対して、50質量部となるように酸性陽イオン交換樹脂(オルガノ株式会社製、「アンバーライト」)をカラムに充填し、該カラムに導電性高分子(A6´)溶液をSV=8の流量で通過させて陽イオン交換処理を行い、精製された導電性高分子(A6)溶液を得た。
得られた導電性高分子(A6)溶液において、導電性高分子の割合は4.5質量%であった(溶剤100質量部に対して、4.7質量部)。また導電性高分子(A6)中に含まれる塩を形成している塩基性化合物(トリエチルアミン及びアンモニア)の含有量は0.1質量%以下であった。
また、分子量(M)は、21800であり、X/Y=1.11であった。
[実施例1−1〜1−9]
製造例B1で得た導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、表1に示す配合量で塩基性化合物としてアルカリ金属水酸化物(B)([実施例1−1〜1−8]、アルカリ土類金属水酸化物(B)[実施例1−9]を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表1に併せて示す。
導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、表1に示す配合量でアルカリ金属水酸化物やアルカリ土類金属水酸化物以外の塩基性化合物を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表1に併せて示す。
(耐熱性評価基準1)
A:120℃×5分間加熱乾燥した時の体積抵抗率に比べ、更に180℃×60分間加熱乾燥した時の体積抵抗率の増加が、100倍未満である。
B:120℃×5分間加熱乾燥した時の体積抵抗率に比べ、更に180℃×60分間加熱乾燥した時の体積抵抗率の増加が、100以上かつ250倍未満である。
C:120℃×5分間加熱乾燥した時の体積抵抗率に比べ、更に180℃×60分間加熱乾燥した時の体積抵抗率の増加が、250倍以上である。
A:基準となる[比較例1−1]の導電率に比べ、導電率が20倍以上である。
B:基準となる[比較例1−1]の導電率に比べ、導電率が3倍以上かつ20倍未満である。
C:基準となる[比較例1−1]の導電率に比べ、導電率が3倍未満である。
表1より、アルカリ金属水酸化物を添加した実施例1−1〜1−8と、アルカリ土類金属水酸化物を添加した実施例1−9では、加熱しても導電率の低下が抑制され、加熱後の導電体でも優れた導電性及び耐熱性を示した。
一方、塩基性化合物無添加の比較例1−1、アルカリ金属水酸化物又はアルカリ土類金属水酸化物以外の塩基性化合物を用いた比較例1−2及び1−3は、加熱により導電率が低下し、加熱後の導電体では、実施例と比較して、導電性も耐熱性も悪かった。
導電性組成物溶液の調製、及び導電体の形成は、実施例1−1〜1−9と同様の方法、条件で行った。
一方、水酸化リチウムを添加していない比較例1−4、0.7mol〜1.0molの水酸化リチウムを含有する導電性組成物を用いた、比較例1−5及び1−6は、加熱により導電率が低下した。
製造例A1で得た導電性高分子(A1)溶液と製造例B1で得た導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、下記表3に示す配合量で、アルカリ金属水酸化物の代表例として、水酸化リチウムを添加し、導電性組成物を調整した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表3に併せて示す。
[実施例2−1〜2−14]
製造例B1で得た導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表4に示す量のアルカリ金属塩及び/又はアルカリ土類金属塩(C)を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、180℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表4に示す。
導電性高分子(A2)溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、180℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表4に示す。
導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表4に示す量の塩基性化合物としてトリエチルアミン、アンモニア水を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、180℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表4に示す。
A:基準となる[比較例2−1]の導電率に比べ、導電率が20倍以上である。
B:基準となる[比較例2−1]の導電率に比べ、導電率が3倍以上かつ20倍未満である。
C:基準となる[比較例2−1]の導電率に比べ、導電率が3倍未満である。
一方、化合物(C)無添加の比較例2−1、化合物(C)の代わりにトリエチルアミンやアンモニアを添加した比較例2−2、2−3は、180℃で60分間加熱すると、実施例と比べて導電率が低く、耐熱性が低いことが示された。
製造例A1で得た導電性高分子(A1)溶液と製造例B1で得た導電性高分子(A2)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、下記表3に示す配合量で、前記化合物(C)の代表例として、酢酸リチウム、酢酸ナトリウムを添加し、導電性組成物を調整した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表3に併せて示す。
[実施例3−1〜3−17]
製造例F1で得た導電性高分子(A6)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表F1に示す量の同一分子内に塩基性基と2つ以上のヒドロキシ基を含み、かつ融点30℃以上の化合物(D)を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、160℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表6に示す。
導電性高分子(A6)溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、160℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表6に示す。
また、前記導電性高分子(A6)溶液2.5mlを直径75mmの時計皿に入れ、オーブンの中で150℃30分間乾燥することで、塗膜を作製した。この塗膜の性状を観察した時の割れや剥がれの有無を表7に示す。
導電性高分子(A6)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表6に示す量の塩基性基のみを持つ化合物としてアンモニア水、トリエチルアミン、ヒドロキシ基のみを持つ化合物として2−メトキシエタノールを添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で、120℃で10分間乾燥した後、160℃で60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表6に示す。
A:基準となる[比較例3−1]の導電率に比べ、導電率が10倍以上である。
B:基準となる[比較例3−1]の導電率に比べ、導電率が2倍以上かつ10倍未満である。
C:基準となる[比較例3−1]の導電率に比べ、導電率が2倍未満である。
一方、前記化合物(D)無添加の比較例3−1、塩基性基のみを持つ化合物を添加した比較例3−2〜3−3、ヒドロキシ基のみを持つ化合物を添加した比較例3−4は、160℃で60分間加熱した後では、実施例と比較して、導電性も耐熱性も悪かった。
一方、前記化合物(D)無添加の比較例3−6は、150℃30分間加熱乾燥により、塗膜の性状に割れや剥がれが観察され、実施例と比較して、塗膜性は悪かった。
以上より、本発明により、耐熱性だけでなく、成膜性にも優れた導電体を得ることができる。
製造例D1で得た導電性高分子(A4)溶液と製造例F1で得た導電性高分子(A6)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、下記表8に示す配合量で、前記化合物(D)の代表例として、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、2−アミノ−2−メチル−1,3−プロパンジオールを添加し、導電性組成物を調整した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表8に併せて示す。
[実施例4−1〜4−22]
製造例E1で得た導電性高分子(A5)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表9に示す量の同一分子内に酸性基及び塩基性基を少なくとも各々1種以上含む化合物(E)を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、10分間乾燥した後、160℃、60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表9に示す。
導電性高分子(A5)溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、10分間乾燥した後、160℃、60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表9に示す。
導電性高分子(A5)溶液を用い、導電性高分子の繰り返し単位(モノマーユニット)1モルに対して、表9に示す量の塩基性基のみを有する化合物としてアンモニア水、トリエチルアミン、酸性基のみを持つ化合物として酢酸、p−トルエンスルホン酸を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、10分間乾燥した後、160℃、60分間加熱処理し、導電体を形成した。得られた導電体の導電率を表9に示す。
A:基準となる[比較例4−1]の導電率に比べ、導電率が5倍以上である。
B:基準となる[比較例4−1]の導電率に比べ、導電率が2倍以上かつ5倍未満である。
C:基準となる[比較例4−1]の導電率に比べ、導電率が2倍未満である。
一方、同一分子内に酸性基及び塩基性基を少なくとも各々1種以上含む化合物(E)無添加の比較例4−1、塩基性基のみを有する化合物を添加した比較例4−2及び4−3、酸性基のみを有する化合物を添加した比較例4−4及び4−5は、160℃で60分間加熱により導電率が低下し、実施例と比較して、導電性も耐熱性も悪かった。
製造例D1で得た導電性高分子(A4)溶液と製造例E1で得た導電性高分子(A5)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、下記表10に示す配合量で、前記化合物(E)の代表例として、L−システイン酸、L−セリンを添加し、導電性組成物を調整した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表10に併せて示す。
[実施例5−1〜5−17]
製造例D1で得た導電性高分子(A4)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1モルに対して、表11に示す配合量で、同一分子内に2つ以上のカルボン酸又はその塩を有する化合物(F)を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
導電性高分子(A4)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1モルに対して、表11又は表12に示す配合量で酸性化合物を添加した以外は、実施例と同様に行った。
得られた導電体の導電率を表11又は表12に併せて示す。
A:120℃×10分間加熱乾燥した時の導電率が20S/cm以上である。
B:120℃×10分間加熱乾燥した時の導電率が10S/cm以上かつ20S/cm未満である。
C:120℃×10分間加熱乾燥した時の導電率が10S/cm未満である。
一方、前記化合物(F)を添加していない比較例5−1、同一分子内に1つのカルボン酸を有する化合物を添加した比較例5−2及び5−3は、120℃で10分間加熱後の導電率が10S/cm未満であり、耐熱性及び導電性が低かった。
A:180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が0.5S/cm以上である。
B:180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が0.1S/cm以上かつ0.5S/cm未満である。
C:180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が0.01S/cm以上かつ0.1S/cm未満である。
D:180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が0.01S/cm未満である。
特に、前記化合物(F)としてカルボン酸塩を用いた実施例5−12〜5−17は、180℃で60分間加熱しても、比較例5−4と比較して、より導電性が高かった。
以上より、前記化合物(F)を含む導電性組成物は、高温下でも無添加の比較例5−1及び比較例5−4、前記化合物(F)以外の化合物を添加した比較例5−2及び5−3と比較して、高温下で加熱した後の導電性が高かった。
特に、前記化合物(F)としてカルボン酸塩を用いた場合、より高い温度で加熱しても、無添加の場合と比較して導電性は高かった。
表12中の耐熱性の評価は、下記基準で行った。
A:基準となる180℃×60分間加熱乾燥した時の[比較例5−1]の導電率に比べ、180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が20倍以上である。
B:基準となる180℃×60分間加熱乾燥した時の[比較例5−1]の導電率に比べ、180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が3倍以上かつ20倍未満である。
C:基準となる180℃×60分間加熱乾燥した時の[比較例5−1]の導電率に比べ、180℃×60分間加熱乾燥した時の導電率が3倍未満である。
製造例A1で得た導電性高分子(A1)溶液と製造例D1で得た導電性高分子(A4)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、下記表13に示す配合量で、前記化合物(F)の代表例として、シュウ酸を添加し、導電性組成物を調整した。
調製した導電性組成物溶液をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布し、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥し、更に180℃、60分間加熱乾燥し、導電体を形成した。得られた導電体の体積抵抗値及び導電率を表13に併せて示す。
固体電解コンデンサの評価1
[実施例6−1〜6−6]
製造例C1で得た導電性高分子(A3)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、表14に示す配合量で、分子内に2つ以上のカルボン酸又はその塩を有する化合物(F)として、アルキルジカルボン酸(シュウ酸)[実施例6−1〜6−3]又は置換アルキルジカルボン酸(L−アスパラギン酸)[実施例6−4〜6−6]を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
アルミコンデンサの陽極酸化被膜に導電性組成物溶液を2分間浸漬させた後、熱風乾燥機により120℃、30分間乾燥させ、更に180℃、120分間加熱処理を行い、陽極酸化被膜上に導電性高分子層を形成させた。得られた巻回型固体電解コンデンサの静電容量と等価直列抵抗を表14に併せて示す。
導電性高分子(A3)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、表14に示す配合量で酸性化合物を添加した以外は、実施例と同様に行った。
得られた固体電解コンデンサの静電容量と等価直列抵抗を表14に併せて示す。
A:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、10%未満、且つ、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、10倍未満である。
B:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、50%未満、且つ、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、10倍未満である。
C:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、50%未満、且つ、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×120分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、10倍以上である。
一方、ジカルボン酸無添加の比較例6−1、ジカルボン酸以外の有機酸を用いた比較例6−2及び6−3は、加熱により等価直列抵抗が著しく増加し、加熱処理後は耐熱性が悪かった。
製造例D1で得た導電性高分子(A4)溶液を用い、導電性高分子のモノマーユニット1つに対して、表15に示す配合量で、実施例7−1〜7−13として、前記化合物(B)に含まれる水酸化リチウム、前記化合物(C)に含まれる酢酸リチウム、前記化合物(D)に含まれるトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン、前記化合物(F)に含まれるシュウ酸、前記化合物(E)及び(F)に含まれるL−アスパラギン酸を添加し、また、比較例7−1〜7−4として、無添加、トリエチルアミン、酢酸、p−トルエンスルホン酸を添加し、導電性組成物溶液を調製した。
アルミコンデンサの陽極酸化被膜に導電性組成物溶液を2分間浸漬させた後、熱風乾燥機により120℃、30分間乾燥させ、更に180℃、60分間加熱処理を行い、陽極酸化被膜上に導電性高分子層を形成させた。得られた巻回型固体電解コンデンサの静電容量と等価直列抵抗を表15に併せて示す。
A:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、20%未満、且つ、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、2倍未満である。
B:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、40%未満、且つ、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、3倍未満である。
C:120℃×30分間加熱乾燥した時の静電容量値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の静電容量値の減少が、40%以上、又は、120℃×30分間加熱乾燥した時の等価直列抵抗値に比べ、更に180℃×60分間加熱処理した時の等価直列抵抗値の増加が、3倍以上である。
一方、化合物(B)〜(F)無添加の比較例7−1、化合物(B)〜(F)以外の化合物を用いた比較例7−2〜7−4は、加熱により等価直列抵抗が著しく増加し、加熱処理後は耐熱性が悪かった。
y 領域(y)
20 固体電解コンデンサ
21 陽極
22 陰極
23 セパレータ
24 外部端子
Claims (7)
- スルホン酸基及び/又はカルボキシ基を有する導電性高分子(A)並びにアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の酢酸塩、炭酸塩、リン酸塩及びハロゲン化物より選択される少なくとも一種の化合物(C)を含む導電性組成物。
- スルホン酸基及び/又はカルボキシ基を有する導電性高分子(A)並びに同一分子内に塩基性基と2つ以上のヒドロキシ基を含み且つ融点30度以上の化合物(D)を含む導電性組成物。
- スルホン酸基及び/又はカルボキシ基を有する導電性高分子(A)並びに同一分子内に塩基性基及び酸性基を少なくとも各々1種以上含む化合物(E)を含む導電性組成物。
- 前記導電性高分子(A)が、下記工程(I)〜(VI)を含む評価方法にて算出した面積比(X/Y)が1.20以上である、請求項1〜4の何れか一項に記載の導電性組成物。
(I)水とメタノールを、容積比が水:メタノール=8:2となるように混合した混合溶媒に、炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムを、それぞれの固形分濃度が20mmol/L、30mmol/Lになるように添加して、溶離液を調製し、得られた溶離液は、25℃でのpHが10以上となるように調製した溶離液に、導電性高分子を固形濃度が0.1質量%となるように溶解させて試験溶液を調製する工程。
(II)前記試験溶液について、ゲル浸透クロマトグラフを備えた高分子材料評価装置を使用して分子量分布を測定し、クロマトグラムを得る工程。
(III)前記工程(II)により得られたクロマトグラムについて、保持時間をポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算の分子量(M)へと換算する工程。
(IV)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da以上の領域の面積(X)を求める工程。
(V)ポリスチレンスルホン酸ナトリウム換算した分子量(M)において、分子量(M)が15000Da未満の領域の面積(Y)を求める工程。
(VI)面積(X)と面積(Y)との面積比(X/Y)を求める工程。 - 請求項1〜5の何れか一項に記載の導電性組成物を用いた導電体。
- 請求項1〜5の何れか一項に記載の導電性組成物を用いた固体電解コンデンサ。
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