JP6266341B2 - 水性導電性ペースト - Google Patents
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Description
前記炭素材料の、灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下であり、
前記分散剤は、アニオン性高分子分散剤を含み、
前記アニオン性高分子分散剤は、その原料モノマーが、少なくとも、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和された、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物である。
灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下の炭素材料と、原料モノマーが、少なくとも酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和され、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物であるアニオン性高分子分散剤と、前記水性媒体とを混合する工程、又は、
前記炭素材料と、前記高分子の未中和物又は前記酸性基の一部がリチウムイオンによって中和された前記高分子の中和物と、前記水性媒体とを、混合しながら又はこれらの混合後に、前記酸性基をリチウムイオンによって中和して、前記炭素材料と前記アニオン性高分子分散剤と前記水性媒体とを含む混合液を得る工程を含む。
(成分A):灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下の、炭素材料
(成分B):アニオン性高分子分散剤を含む分散剤。アニオン性高分子分散剤は、その原料モノマーが、少なくとも酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和された、重量平均分子量が5000以上100000以下の高分子の中和物である。
(成分C):水性媒体
前記炭素材料(成分A)において、導電性向上の観点、及び灰分の溶出による副次的なトラブルを起こす可能性を低減する観点から、灰分は1質量%以下であり、炭素の含有比率は、好ましくは99.5%以上、より好ましくは99.8%以上である。炭素材料中の灰分の含有量の測定はJIS K 6218−2に記載の方法により行うことができる。
J. Sanchez-Gonzalez et al. Carbon 43 (2005) p741-747
S.BRUNAUER, P.H.EMMETT, E.TELLER, J.Am.Chem.Soc.1938, 60, pp.309-319
前記分散剤(成分B)は、アニオン性高分子分散剤を主成分として含み、当該アニオン性高分子分散剤は、アニオン性高分子分散剤の製造に用いる全原料モノマー量を100質量%とすると、原料モノマーが、少なくとも、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、酸性基の対イオンのうちの30モル%以上100モル%以下がリチウムイオンであり、重量平均分子量が5000以上100000以下の高分子の中和物である。分散剤の主成分が前記アニオン性高分子分散剤であれば、他の分散剤が併用されてもよいが、分散剤中のアニオン性高分子分散剤の含有割合は、高導電性と低粘性の両立の観点から、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、更に好ましくは実質的に100質量%であり、更により好ましくは100質量%である。
(メタ)アクリルアミド類は、窒素原子に水素、アルキル基、シクロアルキル基、フェニル基、ベンジル基等が直接結合している(メタ)アクリルアミドであって、具体的には、(メタ)アクリルアミド、エチル(メタ)アクリルアミド、イソプロピル(メタ)アクリルアミド、t−ブチル(メタ)アクリルアミド、ドデシル(メタ)アクリルアミド、オクタデシル(メタ)アクリルアミド、ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジエチル(メタ)アクリルアミド、ジブチル(メタ)アクリルアミド、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミドが挙げられ、(メタ)アクリルアミド、ジメチル(メタ)アクリルアミドが好ましい。これらは、それぞれ単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
ノニオン基含有モノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキル、(メタ)アクリル酸ポリアルキレングリコールエステル、ポリアルキレングリコールビニルエーテルが挙げられ、具体的には、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸3-ヒドロキシプロピル、及び下記化学式(1)で表される(メタ)アクリル酸ポリアルキレングリコールモノエステルが挙げられる。
CH2=C(R1)COO(R2O)pR3 (1)
但し、前記化学式(1)中、R1は水素原子又はメチル基を示し、R2はヘテロ原子を有していてもよい炭素数1以上6以下の2価の炭化水素基を示し、R3はヘテロ原子を有していてもよい炭素数1〜22の1価の炭化水素基を示し、pは平均付加モル数を示し、1以上100以下、好ましくは1〜60の数である。上記ノニオン基含有モノマーの中でも、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチルおよび下記化学式(2)で表される(メタ)アクリル酸ポリアルキレングリコールモノエステルが好ましい。
CH2=C(R4)COO(R5O)pR6 (2)
但し、前記化学式(2)中、R4は水素原子又はメチル基を示し、R5はエチレン基又はプロピレン基を示し、R6は炭素数1〜4の1価の炭化水素基を示し、pは平均付加モル数を示し、1以上100以下、好ましくは1以上60以下の数である。これらのノニオン基含有モノマーは、それぞれ単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
カチオン性モノマーとは、分子内にアンモニウム基を有するモノマーであって、(メタ)アクリル酸ジアルキルアミノアルキルの中和塩及び4級化物、ジアリルジメチルアンモニウム塩、アリルアミンの中和塩及び4級化物が挙げられる。具体的には、(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチル、(メタ)アクリル酸ジメチルアミノプロピルのメチルハライド4級化物やベンジルハライド4級化物、ジアリルジメチルアンモニウムハライド、アリルジメチルアミンのメチルハライド4級化物やベンジルハライド4級化物が挙げられ、(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチルのメチルクロリド4級化物及びジアリルジメチルアンモニウムクロリドが好ましい。これらは、それぞれ単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
不飽和ニトリル類とは、一分子中に、炭素−炭素不飽和結合とニトリル基を有する化合物であり、(メタ)アクリロニトリル、シアノ酢酸ビニル、(メタ)アクリル酸シアノエチル等が挙げられ、好ましくは(メタ)アクリロニトリルである。
架橋性モノマーとは、一分子中に少なくとも2以上の炭素−炭素不飽和結合を有する化合物であり、好ましくは、ジビニル化合物、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ビス(メタ)アクリルアミドが挙げられる。具体的には、ジビニル化合物としては、ジビニルベンゼン、アジピン酸ジビニル、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、ポリエチレングリコールジビニルエーテルが挙げられ、ジビニルベンゼン、ジエチレングリコールジビニルエーテル、ポリエチレングリコールジビニルエーテルが好ましい。ポリ(メタ)アクリル酸エステルとしては、ジ(メタ)アクリル酸エチレングリコール、ジ(メタ)アクリル酸ジエチレングリコール、ジ(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコール、ジ(メタ)アクリル酸−1,4−ブタンジオール、ジ(メタ)アクリル酸−1,5−ペンタンジオール、ジ(メタ)アクリル酸−1,6−ヘキサンジオール、ジ(メタ)アクリル酸−1,4−フェニレン、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレートが挙げられ、ジ(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコールが好ましい。ビス(メタ)アクリルアミドとしては、ビス(メタ)アクリルアミド、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、エチレンビス(メタ)アクリルアミド、ヘキサメチレンビス(メタ)アクリルアミドが挙げられ、メチレンビス(メタ)アクリルアミドが好ましい。これらは、それぞれ単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
マクロモノマーとは、ラジカル重合性モノマーを重合して分子量1000〜100000としたポリマーの一末端に炭素−炭素不飽和結合を付与した反応性のポリマーであり、他のモノマーとの共重合によりグラフトポリマーを得ることができる。マクロモノマーとしては、ポリスチレンマクロマー、ポリ(メタ)アクリル酸エステルマクロマー、ポリシリコンマクロマーが挙げられる。ポリ(メタ)アクリル酸エステルマクロマーとしては、ポリ(メタ)アクリル酸メチルマクロマー、ポリ(メタ)アクリル酸ブチルマクロマー、ポリ(メタ)アクリル酸ベンジルマクロマーが挙げられる。中でも、ポリスチレンマクロマー、ポリ(メタ)アクリル酸メチルマクロマー、ポリ(メタ)アクリル酸ベンジルマクロマーが好ましい。マクロマーを構成するポリマーの分子量としては、2000以上が好ましく、3000以上がより好ましい。また、50000以下が好ましく、20000以下がより好ましく、10000以下が更に好ましい。
前記アニオン性高分子分散剤の製造は、例えば、以下の方法で行うことができる。
(中和工程1):酸性基を有するラジカル重合性モノマーと疎水基を有するラジカル重合性モノマーとを含む原料モノマーを重合させて得た高分子と水とを含有する組成物と、アミン型中和剤を含む第1の中和剤とを混合する工程
(中和工程2):前記高分子と第1の中和剤との混合物と、リチウム化合物を含む第2の中和剤とを混合して、重量平均分子量が5000以上100000以下であり、原料モノマーの全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和された前記アニオン性高分子分散剤組成物を得る工程
中和工程1では、原料モノマーを重合して得た高分子の未中和物と水とを含有する組成物と、アミン系中和剤を含む第1中和剤とを混合する。中和作業の容易さの観点から、予め高分子の未中和物に水を混合しておいてもよい。
中和工程2では、中和工程1で得た前記高分子の未中和物とアミン系中和剤との混合物と、リチウム化合物を含む第2の中和剤とを混合する。
水性媒体(成分C)は、水に均一混和する有機溶媒を含んでいてもよいが、高導電性と低粘性の両立の観点から、水性媒体(成分C)中の水の含有量は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、更により好ましくは実質的100質量%、特に好ましくは100質量%である。
本発明の水性導電性ペースト中の炭素材料の含有量は、高導電性と低粘性の両立の観点から、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上、更に好ましくは1質量%以上であり、好ましくは50質量%以下、より好ましくは30質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
前記炭素材料の、灰分が1%質量以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下であり、
前記分散剤は、アニオン性高分子分散剤を含み、
前記アニオン性高分子分散剤は、その原料モノマーが、少なくとも、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和された、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物である、水性導電性ペースト。
<2> 前記アニオン性高分子分散剤の重量平均分子量が、好ましくは8000以上、より好ましくは10000以上、更に好ましくは15000以上であり、好ましくは80000以下、より好ましくは60000以下、更に好ましくは50000以下である前記<1>に記載の水性導電性ペースト。
<3> 前記原料モノマーが、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを、好ましくは30質量%以上、より好ましくは45質量%以上、好ましくは80質量%以下、より好ましくは70質量%以下含む、前記<1>又は<2>に記載の水性導電性ペースト。
<4> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーの酸性基が、カルボン酸基又はスルホン酸基である、前記<1>〜<3>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<5> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーが、(メタ)アクリル酸、マレイン酸及び無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1以上のモノマーである、前記<1>〜<4>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<6> 前記原料モノマーが、疎水基を有するラジカル重合性モノマーを、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上であり、好ましくは60質量%以下、より好ましくは55質量%以下含む、前記<1>〜<5>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<7> 前記疎水基を有するラジカル重合性モノマーは、好ましくは(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、(メタ)アクリル酸ベンジル、スチレン、イソブチレン、ジイソブチレン、1−オクタデセン、及び1−エイコセンからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーであり、より好ましくは(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、及びジイソブチレンからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーであり、更に好ましくは(メタ)アクリル酸ステアリル及びジイソブチレンから選ばれる少なくとも1以上のモノマーである、前記<1>〜<6>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<8> 前記全酸性基のモル数を100モルとした場合の好ましくは40モル以上、より好ましくは50モル以上がリチウムイオンによって中和されている、前記<1>〜<7>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<9> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーと前記疎水基を有するラジカル重合性モノマーの組み合わせは、好ましくは(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリル酸ステアリル、マレイン酸とジイソブチレン、又は無水マレイン酸とジイソブチレンであり、より好ましくはマレイン酸とジイソブチレン、又は無水マレイン酸とジイソブチレンである、前記<1>〜<8>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<10> 前記アニオン性高分子分散剤が、ジイソブチレン/無水マレイン酸共重合体のリチウム塩である前記<1>〜<8>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<11> 前記アニオン性高分子分散剤が、(メタ)アクリル酸ステアリル/(メタ)アクリル酸共重合体のリチウム塩である前記<1>〜<8>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<12> 前記炭素材料がケッチェンブラックである、前記<1>〜<11>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<13>前記水性媒体中の水の含有量が、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、更により好ましくは実質的100質量%、特に好ましくは100質量%である、前記<1>〜<12>のいずれかに記載の水性導電性ペースト。
<14>
前記<1>〜<13>のいずれかにに記載の水性導電性ペーストの製造方法であって、
灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下の炭素材料と、原料モノマーが、少なくとも酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和され、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物であるアニオン性高分子分散剤と、前記水性媒体とを混合する工程、又は、
前記炭素材料と、前記高分子の未中和物又は前記酸性基の一部がリチウムイオンによって中和された前記高分子の中和物と、前記水性媒体とを、混合しながら又はこれらの混合後に、前記酸性基をリチウムイオンによって中和して、前記炭素材料と前記アニオン性高分子分散剤と前記水性媒体とを含む混合液を得る工程を含む、水性導電性ペーストの製造方法。
<15> 前記アニオン性高分子分散剤の重量平均分子量が、好ましくは8000以上、より好ましくは10000以上、更に好ましくは15000以上であり、好ましくは80000以下、より好ましくは60000以下、更に好ましくは50000以下である前記<14>に記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<16> 前記原料モノマーが、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを、好ましくは30質量%以上、より好ましくは45質量%以上、好ましくは80質量%以下、より好ましくは70質量%以下含む、前記<14>又は<15>に記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<17> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーの酸性基が、カルボン酸基又はスルホン酸基である、前記<14>〜<16>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<18> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーが、(メタ)アクリル酸、マレイン酸及び無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1以上のモノマーである、前記<14>〜<17>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<19> 前記原料モノマーが、疎水基を有するラジカル重合性モノマーを、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上であり、好ましくは60質量%以下、より好ましくは55質量%以下含む、前記<14>〜<18>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<20> 前記疎水基を有するラジカル重合性モノマーは、好ましくは(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、(メタ)アクリル酸ベンジル、スチレン、イソブチレン、ジイソブチレン、1−オクタデセン、及び1−エイコセンからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーであり、より好ましくは(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、及びジイソブチレンからなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーであり、更に好ましくは(メタ)アクリル酸ステアリル及びジイソブチレンから選ばれる少なくとも1以上のモノマーである、前記<14>〜<19>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<21> 前記全酸性基のモル数を100モルとした場合の好ましくは40モル以上、より好ましくは50モル以上がリチウムイオンによって中和されている、前記<14>〜<20>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<22> 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーと前記疎水基を有するラジカル重合性モノマーの組み合わせは、好ましくは(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリル酸ステアリル、マレイン酸とジイソブチレン、又は無水マレイン酸とジイソブチレンであり、より好ましくはマレイン酸とジイソブチレン又は無水マレイン酸とジイソブチレンである、前記<14>〜<21>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<23> 前記アニオン性高分子分散剤が、ジイソブチレン/無水マレイン酸共重合体のリチウム塩である前記<14>〜<21>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<24> 前記アニオン性高分子分散剤が、(メタ)アクリル酸ステアリル/(メタ)アクリル酸共重合体のリチウム塩である前記<14>〜<21>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<25> 前記炭素材料がケッチェンブラックである、前記<14>〜<24>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<26>前記水性媒体中の水の含有量が、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、更により好ましくは実質的100質量%、特に好ましくは100質量%である、前記<14>〜<25>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<27> 前記高分子の中和物は、前記原料モノマーを重合させて高分子を得た後、前記高分子が有する酸性基を中和させることにより得たものであり、
前記酸性基の中和は、前記高分子と水とを含有する組成物と、アミン型中和剤を含む第1の中和剤とを混合した後、前記組成物と第1の中和剤との混合物に、リチウム化合物を含む第2の中和剤とを混合することにより行う、前記<14>〜<26>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
<28> 前記炭素材料と前記アニオン性高分子分散剤と前記水性媒体とを混合して得たペーストを、目開き200μm以下のストレーナーを通過させる工程を更に含む、前記<14>〜<27>のいずれかに記載の水性導電性ペーストの製造方法。
攪拌機、温度計、還流冷却管、窒素導入管、滴下ロートを備えたガラス製反応容器内に、ジイソブチレン(丸善石油化学社製) 621.8g及びルトナールA−50(BASF社製、ポリビニルエチルエーテル) 3.1gを仕込んだ。反応容器内を窒素雰囲気とし、攪拌を開始した。反応容器内容物を105℃まで加熱し、これ以降、重合反応を完結させるまで、反応容器内容物の温度を105℃に保った。70℃に保温した溶融状態の無水マレイン酸(三井化学ポリウレタン社製) 190.0g、及びジイソブチレン23.1gにパーブチルO(日油社製、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート)10.3gを溶解させて得た開始剤溶液を、それぞれ別の滴下ロートから反応容器内に4時間かけて滴下した。滴下の終了から20分後に、ジイソブチレン7.3gに溶解させたパーブチルO 1.2gを反応容器内に加え、さらに2時間40分熟成を行って重合反応を完結させ、アニオン性高分子の未中和物Aを含む溶液を得た。反応容器内にイオン交換水 800gを加え、アニオン性高分子の未中和物Aの沈殿物を析出させた。次いで、水蒸気蒸留によって、未反応のジイソブチレンの留去を行った。前記水蒸気蒸留は、常圧で反応容器を加熱し、反応容器内容物が100℃に達し、ジイソブチレンの留出が無くなるまで行った。デカンテーションにより水を除去したのち、水で湿潤したアニオン性高分子の未中和物Aの沈殿物を105℃100mmHg24時間で乾燥させた。以上の操作を経て、アニオン性高分子の未中和物A(共重合比:ジイソブチレン/無水マレイン酸=53.4質量%/46.6質量%)を得た。アニオン性高分子の未中和物Aの重量平均分子量は25000であった。
開始剤溶液として、ジイソブチレン23.1gにパーブチルO13.5gを溶解させて得た開始剤溶液を用いたこと以外は、前記アニオン性高分子の未中和物Aの製造例1に従い、アニオン性高分子の未中和物B(共重合比:ジイソブチレン/無水マレイン酸=53.4質量%/46.6質量%)を得た。アニオン性高分子の未中和物Bの重量平均分子量は12000であった。
開始剤溶液として、ジイソブチレン23.1gにパーブチルO2.6gを溶解させて得た開始剤溶液を用いたこと以外は、前記アニオン性高分子の未中和物Aの製造例1に従い、アニオン性高分子の未中和物C(共重合比:ジイソブチレン/無水マレイン酸=53.4質量%/46.6質量%)を得た。アニオン性高分子の未中和物Cの重量平均分子量は97000であった。
攪拌機、温度計、還流冷却管、窒素導入管、滴下ロートを備えたガラス製反応容器内に、2−プロパノール(三井化学社製) 74.7gを仕込んだ。反応容器内を窒素雰囲気とし、攪拌を開始した。反応容器内容物を80℃まで加熱し、これ以降、重合反応を完結させるまで、反応容器内容物の温度を80℃に保った。滴下ロートに、アクリル酸(東亜合成社製) 180.9g、アクリル酸ステアリル(大阪有機化学工業社製) 89.1g、2,2‘−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル(V−601;和光純薬工業社製) 1.44g、2−プロパノール 102.9gを仕込み、反応容器内に4時間かけて滴下した。滴下の終了から1時間後に、V−601 0.72gと2−プロパノール 6.5gを同じく滴下ロートから反応容器内に30分かけて滴下した。滴下の終了から6時間熟成を行い、イオン交換水 1060gを加えて希釈した。次いで、水蒸気蒸留によって、未反応のモノマーと2−プロパノールの留去を行ったのち、溶液をフッ素樹脂シートを敷いたステンレス角型バット(底部面積約1200cm2)に流しいれ、105℃100mmHg48時間で乾燥させた。以上の操作を経て、アニオン性高分子の未中和物D(共重合比:アクリル酸ステアリル/アクリル酸=33.3質量%/66.7質量%)を得た。アニオン性高分子の未中和物Dの重量平均分子量は15000であった。
製造例1で得られたアニオン性高分子の未中和物Aを、以下に示す中和工程で中和した。アニオン性高分子の未中和物A100gと水100gを反応容器に仕込み撹拌しながら75℃とし、以降、中和反応を完結させるまで、反応容器内の液体の温度を75℃に保った。最初に、中和工程1として、25質量%アンモニア水溶液(昭和電工社製) 3.3gを反応容器内に加えて15分間保持した。次に、中和工程2として、4N 水酸化リチウム水溶液 238mlを反応容器内に1.5時間かけて滴下し、中和反応を完結させた。遊離したアンモニアを揮散させるために減圧度47kPaの条件下で3時間保持し、常圧に戻して室温まで冷却し、固形分が25質量%となるようにイオン交換水を加え、30分間保持してから攪拌を停止し、アニオン性高分子分散剤組成物A1を得た。アニオン性高分子分散剤組成物A1中のアニオン性高分子分散剤の重量平均分子量は25000であった。
中和工程1及び中和工程2において使用するアンモニア水溶液及びアルカリ金属水酸化物の水溶液の量及び種類を表1記載の内容としたこと以外は、前記アニオン性高分子分散剤組成物A1の製造例に従い、アニオン性高分子分散剤組成物A2〜5を得た。
アニオン性高分子の未中和物Aの代わりに製造例2で得られたアニオン性高分子の未中和物Bを使用し、中和工程1及び2において使用するアンモニア水溶液及びアルカリ金属水酸化物の水溶液の量及び種類を表1記載の内容としたこと以外は、前記アニオン性高分子分散剤組成物A1の製造例に従い、アニオン性高分子分散剤組成物B1〜2を得た。
アニオン性高分子の未中和物Aの代わりに製造例3で得られたアニオン性高分子の未中和物Cを使用し、中和工程1及び2において使用するアンモニア水溶液及びアルカリ金属水酸化物の水溶液の量及び種類を表1記載の内容としたこと以外は、前記アニオン性高分子分散剤組成物A1の製造例に従い、アニオン性高分子分散剤組成物C1〜2を得た。
製造例4で得られたアニオン性高分子の未中和物Dを、以下に示す中和工程で中和した。アニオン性高分子の未中和物D 50gと水450gを反応容器に仕込み、25℃で撹拌を行った。中和工程として、4N 水酸化リチウム水溶液 117mlを反応容器内に1時間かけて滴下し、中和反応を完結させた。固形分が8質量%となるようにイオン交換水を加え、30分間保持してから攪拌を停止し、アニオン性高分子分散剤組成物D1を得た。アニオン性高分子分散剤組成物D1中のアニオン性高分子分散剤の重量平均分子量は15000であった。
中和工程において使用するアルカリ金属水酸化物の水溶液を表1記載の内容としたこと以外は、前記アニオン性高分子分散剤組成物D1の製造例に従い、アニオン性高分子分散剤組成物D2〜3を得た。
市販のポリアクリル酸(和光純薬工業社製;ポリアクリル酸 5,000)を、以下に示す中和工程で中和した。ポリアクリル酸 100gと水 200gを反応容器に仕込み、25℃で撹拌を行った。中和工程において、4N 水酸化リチウム水溶液 347mlを反応容器内に1時間かけて滴下し、中和反応を完結させた。固形分が10質量%となるようにイオン交換水を加え、30分間保持してから攪拌を停止し、アニオン性高分子分散剤組成物E1を得た。
アニオン性高分子の未中和物及びアニオン性高分子分散剤の重量平均分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)により、下記条件で測定した。重量平均分子量は、予め作成した検量線に基づき算出した。検量線の作成には、下記の標準試料を用いた。
測定装置:HLC−8120GPC(東ソー社製)
カラム:TSK α−M + α−M(いずれも東ソー株式会社製)
カラム温度:40℃
検出器:RI
溶離液:H3PO4(60mmol/L)及びLiBr(50mmol/L)を加えたN,N−ジメチルホルムアミド溶液
流速:1.0mL/min
試料濃度:0.1質量%(固形分)
試料注入量:0.1mL
標準試料:東ソー社製ポリスチレン 5.26×102、1.02×105、8.42×106;西尾工業社製ポリスチレン 4.0×103、3.0×104、9.0×105(数字はそれぞれ分子量)
各組成物における固形分の測定は以下の方法で行った。質量W3(g)のシャーレに試料1gを採り、前記試料を含んだシャーレ全体の質量を測定し、W1(g)とした。シャーレ全体を、熱風循環型乾燥機(いすゞ製作所製 Hot Air Rapid Drying Oven Soyokaze)で170℃2時間の条件で乾燥させ、さらにデシケータで30分放冷した後、前記試料の不揮発分を含んだシャーレ全体の質量を測定し、W2(g)とした。次式より得られた値を固形分とした。
固形分(質量%)=100−(W1−W2)/(W1−W3)×100
100mLのポリ広口ビン(ニッコー・ハンセン社製)内に、炭素材料として、灰分が0.1質量%、BET比表面積800m2/g、荷重120kg/cm2における体積固有抵抗値0.10Ωcmのケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製、商品名EC300Jパウダー) 4g、分散剤組成物として、アニオン性高分子分散剤組成物A1 1.6g、及び水性媒体としてイオン交換水を全量で40gとなるように仕込み、さらに1mmφジルコニアビーズ(ニッカトー社製) 80gを仕込んで、容器を密閉した後、ペイントシェーカー(浅田鉄工社製)で3時間分散した。得られたペーストを30メッシュ(約600μm)のステンレス金網でジルコニアビーズを除去し、水性導電性ペースト1を得た。
炭素材料、分散剤組成物及び水性媒体の組成を表2記載の内容に変更し、前記水性導電性ペースト1の製造例に従い、水性導電性ペースト2〜16を得た。水性導電性ペースト11の製造に用いたアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名デンカブラック)の灰分は0.05質量%、BET比表面積は76m2/g、荷重120kg/cm2における体積固有抵抗値は0.17Ωcmである。
製造例1で得られたアニオン性高分子の未中和物A 100gと水 100gを反応容器に仕込み撹拌しながら75℃とし、中和工程1として、25質量%アンモニア水溶液 33gを反応容器内に加えて30分間保持した。撹拌をしたまま室温まで冷却した。得られた懸濁液 0.93g、ケッチェンブラック 4g、4N 水酸化リチウム水溶液 0.95mlを100mlのポリ広口ビンに仕込み、さらに全量が40gとなるようにイオン交換水を加え、1mmφジルコニアビーズ 80gを仕込んで、容器を密閉した後、ペイントシェーカーで3時間分散した。得られたペーストを30メッシュのステンレス金網でジルコニアビーズを除去し、水性導電性ペースト17を得た。水性導電性ペースト17中の組成は、ケッチェンブラック10%、分散剤1%であり、分散剤の全酸性基のモル数を100モルとした場合のリチウムイオンによって中和された酸性基は100モルである。
全酸性基の一部が中和されている高分子については、高分子に存在する全酸基をA(モル)とし、系内に存在するリチウムイオンの量をB(モル)として、下記式により、リチウムイオンによって中和された酸性基の割合を得た。
B/A×100(モル%)
全酸性基が全部中和され、系内に全酸性基と同量もしくは過剰量の陽イオンが存在する場合であって、全陽イオンの一部又は全部がリチウムである場合は、全陽イオン中に占めるリチウムイオンの割合で全酸性基が中和されているとみなし、全陽イオンの量をC(モル)とし、リチウムイオンの量をD(モル)として、下記式により、リチウムイオンによって中和された酸性基の割合を得た。
D/C×100(モル%)
水性導電性ペースト中のイオン量については、電位差滴定等の方法により測定でき、アルカリ金属等の量や割合については、水性導電性ペーストに強酸を添加する等して固体と液体とを分離した後、液相を元素分析等で定量すれば測定できる。
100メッシュのステンレスサポートスクリーン上に200メッシュ(目開き約75μm)のステンレス金網を設置したADVANTEC社製減圧濾過用フィルターホルダーKGS−25をストレーナーとして用い、得られた水性導電性ペースト 10gを、減圧度を60kPaに設定してろ過した際の、ろ過時間と金網上の残渣量を測定した。ろ過時間が1分以下で金網上に残渣がほとんどないものを良好(A)とし、それ以外を不良(C)とした。
粒径測定器(Malvern社製Zetasizer Nano−S)を用いて、水性導電性ペースト中の粉体の平均粒径/nmを測定した。平均粒径が小さい程、分散性が優れることを示す。測定にはGlass cubetteセルを使用し、測定用に採取したサンプルは予め光が透過する程度にイオン交換水で希釈したのち、直ちに測定を行い、下記の評価基準に従って分散性の評価を行った。尚、測定時のパラメーターは、機器に付属の資料に掲載されているカーボンブラックの数値(屈折率1.800、吸収10.000)を使用した。本評価基準においてA及びBは分散性が良好である。
<分散性の評価基準>
A:300nm以下
B:300nmを超えて1000nm以下
C:1000nmを超える
得られた水性導電性ペーストについて、E型粘度計(BROOKFIELD社製;DV−II+Pro)で、測定プレートCPE−52を用いて25℃での粘度を測定し、下記の
評価基準に従って水性導電性ペーストの粘性の評価を行った。本評価基準においてA及びBは粘性が良好である。
A:200mPa・s以下
B:200mPa・sを超えて1000mPa・s以下
C:1000mPa・sを超える
得られた水性導電性ペーストを、グラインドメーター(安田精機製作所製;No.527、測定可能範囲:0−25μm)を用いて塗工し、スジ発生時の粒径/μm(すなわち粗大粒子の大きさ)を測定した。スジ発生時の粒径が小さい程、粗大粒子が少なく塗工性が優れることを示す。下記の評価基準に従って塗工性の評価を行った。本評価基準においてA及びBは塗工性が良好である。
A:10μm以下
B:10μmを超えて25μm以下
C:25μmを超える
得られた水性導電性ペーストとフッ素樹脂エマルション(ダイキン工業社製POLYFLON D−1E)とを、炭素材料量/フッ素樹脂樹脂量(固形分)=8/2となるように配合し、これを、PET100μm二軸延伸フィルムに、100μmアプリケータを用いて塗布した。得られた塗膜を、100℃で10分間乾燥した後、温度25℃、相対湿度50%に調整した室内で、JIS K 7194に基づき、体積抵抗を測定した。なお、体積抵抗は、数値が小さいほど導電性に優れることを示す。下記の評価基準に従って導電性の評価を行った。本評価基準においてA及びBは導電性が良好である。
A:10Ωcm以下
B:10Ωcmを超えて100Ωcm以下
C:100Ωcmを超える
水性導電性ペースト1〜16について、前述の[ろ過性の測定]、[分散性の測定]、[粘性の測定]、[塗工性の測定]、及び[導電性の測定]を行った。その結果を表2に示す。
Claims (8)
- 炭素材料、分散剤、水性媒体を含有し、
前記炭素材料の、灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値は0.2Ωcm以下、BET比表面積は500m2/g以上2630m2/g以下であり、
前記炭素材料は、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる1種以上であり、
前記分散剤は、アニオン性高分子分散剤を含み、
前記アニオン性高分子分散剤は、その原料モノマーが、少なくとも、酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和された、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物である、水性導電性ペースト。 - 前記酸性基を有するラジカル重合性モノマーが、(メタ)アクリル酸、マレイン酸および無水マレイン酸から選ばれる少なくとも1以上のモノマーである請求項1に記載の水性導電性ペースト。
- 前記疎水基を有するラジカル重合性モノマーが、(メタ)アクリル酸ステアリル及びジイソブチレンから選ばれる少なくとも1以上のモノマーである請求項1又は2に記載の水性導電性ペースト。
- 前記アニオン性高分子分散剤が、ジイソブチレン/無水マレイン酸共重合体のリチウム塩である請求項1〜3のいずれかの項に記載の水性導電性ペースト。
- 前記アニオン性高分子分散剤が、(メタ)アクリル酸ステアリル/(メタ)アクリル酸共重合体のリチウム塩である請求項1〜3のいずれかの項に記載の水性導電性ペースト。
- 請求項1〜5のいずれかの項に記載の水性導電性ペーストの製造方法であって、
灰分が1質量%以下、体積固有抵抗値が0.2Ωcm以下、BET比表面積が500m2/g以上2630m2/g以下の炭素材料と、原料モノマーが、少なくとも酸性基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上90質量%以下と疎水基を有するラジカル重合性モノマーを10質量%以上70質量%以下含み、全酸性基のモル数を100モルとした場合の30モル以上100モル以下がリチウムイオンによって中和され、重量平均分子量が5000以上100000以下の、高分子の中和物であるアニオン性高分子分散剤と、前記水性媒体とを混合する工程、又は、
前記炭素材料と、前記高分子の未中和物又は前記酸性基の一部がリチウムイオンによって中和された前記高分子の中和物と、前記水性媒体とを、混合しながら又はこれらの混合後に、前記酸性基をリチウムイオンによって中和して、前記炭素材料と前記アニオン性高分子分散剤と前記水性媒体とを含む混合液を得る工程を含み、
前記炭素材料は、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる1種以上である、水性導電性ペーストの製造方法。 - 前記高分子の中和物は、前記原料モノマーを重合させて高分子を得た後、前記高分子が有する酸性基を中和させることにより得たものであり、
前記酸性基の中和は、前記高分子と水とを含有する組成物と、アミン型中和剤を含む第1の中和剤とを混合した後、前記組成物と第1の中和剤との混合物に、リチウム化合物を含む第2の中和剤とを混合することにより行う、請求項6に記載の水性導電性ペーストの製造方法。 - 前記炭素材料と前記アニオン性高分子分散剤と前記水性媒体とを混合して得たペーストを、目開き200μm以下のストレーナーを通過させる工程を更に含む、請求項6又は7に記載の水性導電性ペーストの製造方法。
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