JP6514212B2 - 導電性炭素粉末、その製造方法及びその使用 - Google Patents
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Description
従って、導電性プラスチック製造用の新規な競争力のある高性能導電性材料が必要である。
化学パルプ工程の間に、セルロース繊維は、針葉樹(軟材)、広葉樹(硬材)、及び一年生植物のバイオマスから分離されて、紙、厚紙、ティッシュペーパー製品又は化学物質に更に処理される。分離は、液中、例えばクラフトパルプ工程における所謂白液中又はオルガノソルブプロセスにおけるような有機溶媒中で行われる。リグニンは、使用済み液から単離し、そしてその後、バイオ燃料として、又は化学物質及び材料用の原料として使用することができる。
本発明は、第2の態様に従って、粉末、又は成形体、例えばウェーハ、バー、ロッド、フィルム、フィラメント又はフリース等の形態を有する、リグニンから本質的に生じる導電性炭素中間体生成物も提供する。
a)導電性炭化リグニン中間体生成物を得るための、炭素含量を少なくとも80%に高めるリグニン含有化合物の熱処理段階、及び
b)導電性のある炭化リグニン粉末を得るための、前記導電性炭化リグニン中間体生成物の機械処理段階。
本発明は、第4の態様に従って、以下の段階を含む、第1及び第2の態様に従う導電性炭素粉末を製造する方法も提供する:
i)リグニンと少なくとも1種の添加剤を供給する段階;
ii)前記成分を混合する段階;
iii)前記混合物を成形して成形体を形成する段階;
iv)最後の段階が不活性雰囲気下で室温から約2000℃までの温度勾配を含む少なくとも1つの段階で前記成形体の熱処理を行い、このようにして導電性炭化中間体生成物を供給する段階;
v)前記導電性炭化中間体生成物を粉砕し、このようにして導電性炭素粉末を供給する段階。
vi)リグニンと少なくとも1種の添加剤を供給する段階;
vii)前記成分を混合し、そして前記混合物をモノフィラメント又はマルチフィラメントの束成分に溶融紡糸する段階、
viii)最後の段階が不活性雰囲気下で室温から約2000℃までの温度勾配を含む2つの段階で前記成形体の熱処理を行い、このようにして、導電性炭化中間体生成物をフィラメント形態で供給する段階。
本発明は、第6の態様に従って、第3又は第4の態様の方法により得ることができる導電性炭素粉末も提供する。
本発明は、第7の態様に従って、第5の態様の方法により得ることができるフィラメント形態の導電性炭化中間体生成物も提供する。
本発明は、第8の態様に従って、コンピュータ及び携帯電話の筐体、自動車の装置、電線、ケーブル、パイプ及び航空機の装置等の用途で使用される、導電性ポリマー組成物製造用の添加剤としての、第1、2又は5の態様に従う導電性炭素粉末の使用も提供する。
本発明は、第10の態様に従って、第1、2又は5の態様に従う導電性炭素粉末とポリマー、好ましくは熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマー又はこのようなポリマーの混合物を含む組成物も提供する。
本発明は、第11の態様に従って、導電性炭素粉末をポリマー、好ましくは熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマー又はこのようなポリマーの混合物と混合することを含む第10態様に従う組成物の製造方法も提供する。
本発明は、第13の態様に従って、コンピュータ、携帯電話、自動車の装置、電線、ケーブル、パイプ及び航空機の装置に使用される材料等の導電性材料における第10又は第12の態様に従うポリマー組成物の使用も提供する。
本発明は、第14の態様に従って、第1、2又は5の態様に従う導電性炭素粉末と熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマー又はこのようなポリマーの混合物を含むケーブルの半導電性層用のポリマー組成物も提供する。
「導電性炭素粉末」の表現は、80%以上の炭素からなり、例えば熱可塑性物質又は熱硬化性物質に導電性を付与する能力を有する粉末状物質を含むことを、本明細書を通して意図する。更に、前記熱可塑性物質又は熱硬化性物質は、化石起源のポリマーとすることができる。更に、前記粉末は、化石供給源から得られるカーボンブラックの代替物とすることができる。
本発明の第4の態様の好ましい実施態様に従って、添加剤は、ポリエチレングリコールである。
本発明の第4の態様の好ましい実施態様に従って、室温からの温度勾配は、1600℃までである。
本発明の第10の態様の好ましい実施態様に従って、ポリマーは、導電性化合物の製造に使用される熱可塑性ポリマー若しくは熱硬化性ポリマー、又はこのようなポリマーの混合物である。
本発明の第10の態様の好ましい実施態様に従って、ポリマーは、ポリマーオレフィン、ポリオレフィンを含むコポリマー又はポリオレフィンの混合物である。
本発明の第10の態様の好ましい実施態様に従って、ポリマーはポリプロピレン(PP)である。
本発明の第10態様の好ましい実施態様に従って、導電性炭素粉末は、配合される場合、浸透点(percolation point)後のポリマー化合物の体積抵抗率を100〜106Ω・cmに下げる。
本発明の第14の態様の好ましい実施態様に従って、熱可塑性ポリマーは、ポリオレフィン、ポリオレフィンを含むコポリマー又はポリオレフィンの混合物である。
本発明の第15の態様に従って、第2熱処理段階の温度範囲は、室温から1600℃まで、又は1200℃まで、又は1000℃までとすることもできる。第1熱処理段階では、温度は300℃までとすることができる。
例1
繊維を、88w%の針葉樹クラフトリグニン、7w%の無水フタル酸及び5w%のDMSO(純度97%、Sigma−Aldrich)から構成される混合物から、単一のキャピラリーを備えた実験室用二軸スクリュー押出機(DSM Xplore マイクロコンパウンダー)を使用して溶融紡糸した。得られたリグニン含有化合物は、直径が150μmのフィラメントの形態であった。
例1からの混合物を、実験室用二軸スクリュー押出機(Brabender GmbH&CO.KG社製のKEDSE20/40”)を用いて、62のキャピラリーを備えたマルチフィラメントダイを使用して押出した。得られたリグニン含有化合物は、単一フィラメントの直径が72μmのマルチフィラメントの束の形態であった。
90w%の針葉樹リグニン及び10%のPEG400(Sigma−Aldrich社製のポリエチレングリコール、分子量400Da)を含む混合物を調製した。
混合物を、実験室用二軸スクリュー押出機について、62のキャピラリーを備えたダイを使用して押出した。得られたリグニン含有化合物は、単一フィラメントの直径が90μmのマルチフィラメントの束の形態であった。
混合物を、例3で記載したように調製し、そして平坦な金属管に入れた。圧力を、ピストンを使用して適用し、その結果、リグニン含有化合物は、ウェーハの形状になった。
導電性炭素中間体生成物に関する例
例1からのリグニン含有フィラメントを、2段階熱処理にて転化して、導電性炭素中間体生成物を得た。第1段階では、フィラメントを、空気中で室温から250℃に、0.2℃/分と5℃/分の間で変化する加熱速度で加熱し、そしてその後、第2段階では窒素中で室温から1600℃に、加熱速度1℃/分で加熱した。得られた導電性炭素中間体生成物は、直径が約60μmのフィラメントの形状をしており、そして電気体積抵抗率が1.4×10−3Ω・cmであった。体積抵抗率は、LCRメーターを使用して測定した。
例2から得られた紡糸フィラメントを、例5に記載したのと同じ方法で加熱処理した。得られた炭化マルチフィラメントは、直径が約80μmであり、そして電気体積抵抗率が0.5×10−3Ω・cmであった。
例3から得られたフィラメントを、例5に記載したのと同じ方法で加熱処理した。得られた炭化マルチフィラメントは、直径が約75μmであり、そして電気体積抵抗率が0.6×10−3Ω・cmであった。
例3から得られたフィラメントを、以下の段階に従って、加熱処理した。第1段階では、フィラメントを、空気中で室温から250℃に、0.2℃/分と5℃/分の間で変化する加熱速度で加熱し、そしてその後、第2段階では窒素中で室温から1000℃に、加熱速度2℃/分で加熱した。得られた炭化繊維は、電気体積抵抗率が0.72×10−3Ω・cmであった。
例3から得られたフィラメントを、以下の段階に従って、加熱処理した。第1段階では、フィラメントを、空気中で室温から250℃に、0.2℃/分と5℃/分の間で変化する加熱速度で加熱し、そしてその後、第2段階では窒素中で室温から1200℃に、加熱速度2℃/分で加熱した。得られた炭化繊維は、電気体積抵抗率が0.33×10−3Ω・cmであった。
例3から得られたフィラメントを、以下の段階に従って、加熱処理した。第1段階では、フィラメントを、空気中で室温から250℃に、0.2℃/分と5℃/分の間で変化する加熱速度で加熱し、そしてその後、第2段階では窒素中で室温から1400℃に、加熱速度2℃/分で加熱した。得られた炭化繊維は、電気体積抵抗率が0.23×10−3Ω・cmであった。
例3から得られたフィラメントを、以下の段階に従って、加熱処理した。第1段階では、フィラメントを、空気中で室温から250℃に、0.2℃/分と5℃/分の間で変化する加熱速度で加熱し、そしてその後、第2段階では窒素中で室温から1600℃に、加熱速度2℃/分で加熱した。得られた炭化繊維は、電気体積抵抗率が0.54×10−3Ω・cmであった。
例4からのウェーハを、窒素雰囲気中で、温度を室温から1600℃に加熱速度1℃/分で上げることにより加熱処理して、炭化ウェーハ(carbonized wafer)を得た。
例13
例12からの炭化ウェーハを、実験室用乳鉢を利用して手動で粉砕して、導電性炭化リグニン粉末を得た。
例14
例14からの導電性炭化リグニン粉末を、ポリプロピレンマトリクス(Lyondell Basell社製のHP561R)に、DSM Xplore マイクロコンパウンダーを使用して配合した。MFRは、25g/10分であった(230℃/2.16kg/10分)。組成物は、95w%のポリプロピレンと5%の導電性炭化リグニン粉末からなるものであった。押出したストランドは、体積抵抗率が5.2×105Ω・cmであり、これは、文献(Debowska,M.ら:Positron annihilation in carbon black−polymer composites,Radiation Physics and Chemistry 58(2000),H.5〜6,S.575〜579)で報告された純粋なPPの体積抵抗率約1×1017Ω・cmよりもかなり低かった。この例から、例13からの導電性炭化リグニン粉末は、実際に導電性であることがわかった。
例14からの導電性炭素粉末を、ポリプロピレンマトリクス(Lyondell Basell社製のHP561R)に、DSM Xplore マイクロコンパウンダーを使用して配合した。組成物は、90w%の(PP)と10%の導電性炭化リグニン粉末からなるものであった。押出したストランドは、体積抵抗率が2.6×105Ω・cmであった。
例16
図1は、異なる市販の導電性カーボンブラックを含む導電性ポリマー組成物の体積抵抗率に関する文献データ(Debowska,M.ら:Positron annihilation in carbon black−polymer composites,Radiation Physics and Chemistry 58(2000),H.5〜6,S.575〜579)を示す。市販のカーボンブラックは、SAPAC−6(CarboChemから)、Printex XE−2(Degussaから)そしてVulcan XC−72(Cabot)であった。
図1には、追加的に、上記のPP(Lyondell BasellからのHP561R)とそれぞれ5%と10%の導電性炭素粉末を含む組成物の体積抵抗率も開示する。
図から、本発明により提供された導電性炭化リグニン粉末は最良の市販のカーボンブラック(Printex XE−2)と少なくとも同じ導電性性能を有することがわかる。
粉末サンプルの導電性を測定するために、粉末を中空シリンダーに充填した。このシリンダーは、非導電性PMMA製であり、各測定間で完全に清浄化した。内径は5mmであった。シリンダーの底には、ベース電極として金メッキの銅プレートがあった。第2電極は、同じく金メッキし、第2電極を形成する銅スタンプであった。その後、スタンプをシリンダーに挿入し、そしてゆっくりと粉末を圧縮した。力測定とオンライン位置測定を介して、印加圧力及び粉末充填チャンバー内の体積をプロットした。DC電圧を2つの電極に適用して、絶対抵抗を測定することができた。スタンプの記録された位置と共に、体積抵抗率を計算することができた。
変化する可能性のある特定の体積を有する種々のサンプルについて比較するために、抵抗率の値は、等しい圧力レベルでのみ比較できるだろう。示された結果では、チャンバーは、粉末で満たされており、そして最大圧力31MPaまで圧縮された。測定値は図2に示す。
図に示された結果から、明らかに、リグニン系炭化粉末(CLP)は、Cabot(Cabot Vulcan XC−72−R)の市販用等級と同じ導電率/抵抗率の性能を示す。
図において、
例13−1=上記の例13、
例13−2=例13であるが、実験室用乳鉢を用いる手動での粉砕ではなく、低温粉砕(cryo mill)したものである。
上記の例8〜11における生成物も、市販用等級の炭素繊維(各々、Toho Tenax HTA406k及びMitsubishi Dialead K13C−それらの値を、各々、生成物シートとインターネットから得た。)と比較した。その結果を図3に示す。
本発明の種々の実施態様を上記したが、当業者は、本発明の範囲に入る更なる小さい変更を理解する。本発明の幅及び範囲は、上記の例示的な実施態様のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲及びその等価物に従ってのみ規定されるべきである。例えば、上記組成物又は方法のいずれかは、他の既知の方法と組み合わせることができる。本発明の範囲内の他の態様、利点及び変更は、発明の属する分野の当業者には明らかであろう。
Claims (5)
- 以下の段階を含む本質的にリグニンから生じる導電性炭素粉末を製造する方法:
a)導電性炭化リグニン中間体生成物を得るために、炭素含量を少なくとも80%に高めるリグニン含有化合物の熱処理段階、及び
b)導電性を有する炭化リグニン粉末を得るための、前記導電性炭化リグニン中間体生成物を粉砕する段階。 - 以下の段階を含む本質的にリグニンから生じる導電性炭素粉末を製造する方法:
i)リグニンと少なくとも1種の添加剤を供給する段階、
ii)前記成分を混合する段階、
iii)前記混合物を成形して成形体を形成する段階、
iv)最後の段階が不活性雰囲気下で室温から2000℃までの温度勾配を含む少なくとも1つの段階で前記成形体の熱処理を行い、このようにして導電性炭化中間体生成物を供給する段階、
v)前記導電性炭化中間体生成物を粉砕し、このようにして導電性炭素粉末を供給する段階。 - 前記添加剤がポリエチレングリコールである、請求項2に記載の方法。
- 室温からの前記温度勾配が、1600℃までである、請求項2に記載の方法。
- 前記室温からの温度勾配が、1400℃までである、請求項2に記載の方法。
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