JP6571008B2 - 導電性ナノファイバーの製造方法 - Google Patents
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Description
従来、ファイバー素材に導電性を付与する方法として、例えば、ファイバー素材表面の無電解めっき処理が知られている。しかしながら、通常、無電解めっきは、エッチング、コンディショニング、キャタライジング、アクセラレーティングなどの各処理からなるめっき前処理が必要であるため、製造工程が煩雑であり、高コストである。また、化学的なエッチング処理を行う場合には、クロム酸やアルカリ金属水酸化物溶液等の薬品を用いるため、廃液処理が必要となる。
すなわち、十分な導電性を有する導電性ナノファイバーを、煩雑な操作なしで、しかも種々のめっき金属種やめっき液を使用できる導電性ナノファイバーの製造方法が望まれていた。
(a)熱可塑性樹脂、(b)アンモニウム基を分子末端に有し且つ重量平均分子量が1,000〜5,000,000であるハイパーブランチポリマー、及び(c)金属微粒子を含む樹脂組成物を紡糸材料として、エレクトロスピニング法に従いナノファイバーを作製する紡糸工程、及び前記工程で作製したナノファイバーを無電解めっき処理するめっき工程、を含むことを特徴とする、導電性ナノファイバーの製造方法に関する。
第2観点として、前記(c)金属微粒子に、前記(b)ハイパーブランチポリマーのアンモニウム基が付着して複合体を形成している、第1観点に記載の製造方法に関する。
第3観点として、前記(b)ハイパーブランチポリマーが、式[1]で表されるハイパーブランチポリマーである、第1観点又は第2観点に記載の製造方法に関する。
第4観点として、前記(b)ハイパーブランチポリマーが、式[3]で表されるハイパーブランチポリマーである、第3観点に記載の製造方法に関する。
第5観点として、前記(c)金属微粒子が、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、スズ(Sn)、白金(Pt)及び金(Au)からなる群より選択される少なくとも一種の金属の微粒子である、第1観点乃至第4観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第6観点として、前記(c)金属微粒子が、パラジウム微粒子である、第5観点に記載の製造方法に関する。
第7観点として、前記(c)金属微粒子が、1〜100nmの平均粒径を有する微粒子である、第1観点乃至第6観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第8観点として、前記(a)熱可塑性樹脂がポリフッ化ビニリデンである、第1観点乃至第7観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第9観点として、前記ナノファイバーの平均直径が50〜2,000nmである、第1観点乃至第8観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第10観点として、前記めっき工程に引き続きさらに他の無電解めっき処理をする第二のめっき工程を含む、第1観点乃至第9観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第11観点として、前記めっき工程が無電解銅めっき処理であり、且つ、前記第二のめっき工程が無電解スズめっき処理である、第10観点に記載の製造方法に関する。
第12観点として、前記紡糸工程は、ナノファイバーとしてナノファイバー集合体を作製する工程である、第1観点乃至第11観点のうち何れか一項に記載の製造方法に関する。
第13観点として、第1観点乃至第12観点のうち何れか一項に記載の製造方法により作製される導電性ナノファイバーに関する。
第14観点として、第12観点に記載の製造方法により作製される導電性ナノファイバー集合体に関する。
第15観点として、体積抵抗値が1×104Ω・cm以下である、第14観点に記載の導電性ナノファイバー集合体に関する。
また本発明の製造方法は、種々のめっき金属種にて無電解めっき処理が可能であり、幅広い種類のめっき液を用いて電気伝導性に優れる導電性ナノファイバーを得ることができる。
そして本発明の製造方法によれば、1×104Ω・cm以下という非常に低い体積抵抗値を有し、導電材料としての電気伝導性を満足できる導電性ナノファイバー及びその集合体を提供することができる。
本発明の導電性ナノファイバーの製造方法は、後述する樹脂組成物を紡糸材料として、エレクトロスピニング法に従いナノファイバーを作製する紡糸工程と、前記工程で作製したナノファイバーを無電解めっき処理するめっき工程とを含むことを特徴とする。なお本発明の製造方法により作製される導電性ナノファイバーも本発明の対象である。
そして本発明の導電性ナノファイバーの製造方法に用いる樹脂組成物は、(a)熱可塑性樹脂、(b)アンモニウム基を分子末端に有し且つ重量平均分子量が1,000〜5,000,000であるハイパーブランチポリマー、及び(c)金属微粒子を含む。
<(a)熱可塑性樹脂>
本発明で用いる熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えばPE(ポリエチレン)、PP(ポリプロピレン)、EVA(エチレン−酢酸ビニル共重合体)、EVOH(エチレン−ビニルアルコール共重合体)、PVA(ポリビニルアルコール)、EEA(エチレン−アクリル酸エチル共重合体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのポリオレフィン系樹脂;PS(ポリスチレン)、HIPS(ハイインパクトポリスチレン)、AS(アクリロニトリル−スチレン共重合体)、ABS(アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体)、SBS(スチレン−ブタジエン−スチレン共重合体)、MS(メタクリル酸メチル−スチレン共重合体)などのポリスチレン系樹脂;ポリカーボネート樹脂;塩化ビニル樹脂;ポリアミド樹脂;ポリイミド樹脂;PUE(ポリウレタンエラストマー)などのポリウレタン樹脂;PMMA(ポリメチルメタクリレート)などの(メタ)アクリル樹脂;PAN(ポリアクリロニトリル);PET(ポリエチレンテレフタレート)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、PLA(ポリ乳酸)、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート/アジペートなどのポリエステル樹脂;PEO(ポリエチレンオキシド);ポリフェニレンエーテル樹脂;変性ポリフェニレンエーテル樹脂;ポリアセタール樹脂;PES(ポリエーテルスルホン)樹脂、ポリスルホン樹脂;ポリフェニレンサルファイド樹脂;ポリビニルアルコール樹脂;ポリグルコール酸;変性でんぷん;酢酸セルロース、三酢酸セルロース;キチン、キトサン;リグニン等が挙げられる。
中でも、熱可塑性樹脂として、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体及びポリウレタン樹脂を用いることが好ましい。
本発明で使用する樹脂組成物に用いられるハイパーブランチポリマーは、アンモニウム基を分子末端に有し且つ重量平均分子量が1,000〜5,000,000であるポリマーであり、具体的には下記式[1]で表されるハイパーブランチポリマーが挙げられる。
また、R2乃至R4は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20の直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキル基、炭素原子数7乃至20のアリールアルキル基、又は−(CH2CH2O)mR5(式中、R5は水素原子又はメチル基を表し、mは2乃至100の任意の整数を表す。)を表す。上記アルキル基及びアリールアルキル基は、アルコキシ基、ヒドロキシ基、アンモニウム基、カルボキシル基又はシアノ基で置換されていてもよい。また、R2乃至R4のうちの2つの基が一緒になって、直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキレン基を表すか、又はR2乃至R4はそれらが結合する窒素原子と一緒になって環を形成してもよい。
またX−は陰イオンを表し、nは繰り返し単位構造の数であって、5乃至100,000の整数を表す。
枝分かれ状のアルキル基としては、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基等が挙げられる。
環状のアルキル基としては、シクロペンチル環、シクロヘキシル環構造を有する基等が挙げられる。
またR2乃至R4における炭素原子数7乃至20のアリールアルキル基としては、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。
さらに、R2乃至R4のうちの2つの基が一緒になった直鎖状のアルキレン基としては、メチレン基、エチレン基、n−プロピレン基、n−ブチレン基、n−ヘキシレン基等が挙げられる。枝分かれ状のアルキレン基としては、イソプロピレン基、イソブチレン基、2−メチルプロピレン基等が挙げられる。環状のアルキレン基としては、炭素原子数3乃至30の単環式、多環式、架橋環式の環状構造の脂環式脂肪族基が挙げられる。具体的には、炭素原子数4以上のモノシクロ、ビシクロ、トリシクロ、テトラシクロ、ペンタシクロ構造等を有する基を挙げることができる。これらアルキレン基は基中に窒素原子、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい。
そして、式[1]で表される構造でR2乃至R4がそれらと結合する窒素原子と一緒になって形成する環は、環中に窒素原子、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよく、例えばピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、キノリン環、ビピリジル環等が挙げられる。
これらR2乃至R4の組合せとしては、例えば、[メチル基、メチル基、メチル基]、[メチル基、メチル基、エチル基]、[メチル基、メチル基、n−ブチル基]、[メチル基、メチル基、n−ヘキシル基]、[メチル基、メチル基、n−オクチル基]、[メチル基、メチル基、n−デシル基]、[メチル基、メチル基、n−ドデシル基]、[メチル基、メチル基、n−テトラデシル基]、[メチル基、メチル基、n−ヘキサデシル基]、[メチル基、メチル基、n−オクタデシル基]、[エチル基、エチル基、エチル基]、[n−ブチル基、n−ブチル基、n−ブチル基]、[n−ヘキシル基、n−ヘキシル基、n−ヘキシル基]、[n−オクチル基、n−オクチル基、n−オクチル基]等が挙げられ、中でも[メチル基、メチル基、n−オクチル基]、[n−オクチル基、n−オクチル基、n−オクチル基]の組合せが好ましい。
またX−の陰イオンとして好ましくはハロゲン化物イオン、PF6 −、BF4 −又はパーフルオロアルカンスルホナートが挙げられる。
Y1乃至Y4は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1乃至20のアルキル基、炭素原子数1乃至20のアルコキシ基、ニトロ基、ヒドロキシ基、アミノ基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。
なお、分子末端にハロゲン原子を有するハイパーブランチポリマーは、国際公開第2008/029688号パンフレットの記載に従い、ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーより製造することができる。該ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーは、市販品を用いることができ、日産化学工業(株)製のハイパーテック(登録商標)HPS−200等を好適に使用可能である。
本反応で使用できる溶媒としては、本反応の進行を著しく阻害しないものであればよく、水;イソプロパノール等のアルコール類;酢酸等の有機酸類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;テトラヒドロフラン(THF)、ジエチルエーテル等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、メチルイソブチルケトン(MIBK)、シクロヘキサノン等のケトン類;クロロホルム、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン等のハロゲン化物;n−ヘキサン、n−ヘプタン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類;N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等のアミド類が使用できる。これらの溶媒は1種を用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、使用量は、分子末端にハロゲン原子を有するハイパーブランチポリマーの質量に対して0.2〜1,000倍質量、好ましくは1〜500倍質量、より好ましくは5〜100倍質量、最も好ましくは5〜50倍質量の溶媒を使用することが好ましい。
塩基の非存在下で、第一級アミン又は第二級アミン化合物と分子末端にハロゲン原子を有するハイパーブランチポリマーを反応させた場合、それぞれに対応するハイパーブランチポリマーの末端第二級アミン及び第三級アミンがプロトン化されたアンモニウム基末端のハイパーブランチポリマーが得られる。また、塩基を用いて反応を行った場合においても、有機溶媒中で塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素等の酸の水溶液と混合することにより、対応するハイパーブランチポリマーの末端第二級アミン及び第三級アミンがプロトン化されたアンモニウム基末端のハイパーブランチポリマーが得られる。
本発明で使用する樹脂組成物に用いられる金属微粒子としては特に限定されず、金属種としては鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、スズ(Sn)、白金(Pt)及び金(Au)が挙げられ、これらの金属の1種類でもよいし2種以上の合金でも構わない。中でも好ましい金属微粒子としてはパラジウム微粒子が挙げられる。なお、金属微粒子として、前記金属の酸化物を用いてもよい。
前記還元剤としては、特に限定されるものではなく、種々の還元剤を用いることができ、後に得られる樹脂組成物(すなわちナノファイバー)に含有させる金属種等により還元剤を選択することが好ましい。用いることができる還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム等の水素化ホウ素金属塩;水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムカリウム、水素化アルミニウムセシウム、水素化アルミニウムベリリウム、水素化アルミニウムマグネシウム、水素化アルミニウムカルシウム等の水素化アルミニウム塩;ヒドラジン化合物;クエン酸及びその塩;コハク酸及びその塩;アスコルビン酸及びその塩;メタノール、エタノール、イソプロパノール、ポリオール等の第一級又は第二級アルコール類;トリメチルアミン、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、ジエチルメチルアミン、テトラメチルエチレンジアミン[TMEDA]、エチレンジアミン四酢酸[EDTA]等の第三級アミン類;ヒドロキシルアミン;トリ−n−プロピルホスフィン、トリ−n−ブチルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリベンジルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリエトキシホスフィン、1,2−ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン[DPPE]、1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン[DPPP]、1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン[DPPF]、2,2’−ビス(ジフェニルホスフィノ)−1,1’−ビナフチル[BINAP]等のホスフィン類などが挙げられる。
本発明において使用する樹脂組成物において、前記ハイパーブランチポリマーと前記金属微粒子とが複合体を形成していることが好ましい。
ここで複合体とは、前記ハイパーブランチポリマーの末端のアンモニウム基の作用により、金属微粒子に接触又は近接した状態で両者が共存し、粒子状の形態を為すものであり、言い換えると、前記ハイパーブランチポリマーのアンモニウム基が金属微粒子に付着又は配位した構造を有する複合体であると表現される。
従って、本発明における「複合体」には、上述のように金属微粒子とハイパーブランチポリマーが結合して一つの複合体を形成しているものだけでなく、金属微粒子とハイパーブランチポリマーが結合部分を形成することなく、夫々独立して存在しているものも含まれていてもよい。
使用する溶媒としては、金属微粒子とハイパーブランチポリマーとを必要濃度以上に溶解できる溶媒であれば特に限定はされないが、具体的には、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類;塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類;テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類など及びこれらの溶媒の混合液が挙げられ、好ましくは、テトラヒドロフランが挙げられる。
金属微粒子の反応混合液と、ハイパーブランチポリマーを混合する温度は、通常0℃〜溶媒の沸点の範囲を使用することができ、好ましくは、室温(およそ25℃)〜60℃の範囲である。
なお、配位子交換法において、アミン系分散剤(低級アンモニウム配位子)以外にホスフィン系分散剤(ホスフィン配位子)を用いることによっても、あらかじめ金属微粒子をある程度安定化することができる。
ここで用いられる金属イオン源としては、上述の金属塩が使用できる。
使用する溶媒としては、金属イオンとハイパーブランチポリマーを必要濃度以上に溶解できる溶媒であれば特に限定はされないが、具体的には、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類;塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類;テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等のアミド類;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類など及びこれらの溶媒の混合液が挙げられ、好ましくは、アルコール類、ハロゲン化炭化水素類、環状エーテル類が挙げられ、より好ましくは、エタノール、イソプロパノール、クロロホルム、テトラヒドロフランなどが挙げられる。
還元反応の温度は、通常0℃〜溶媒の沸点の範囲を使用することができ、好ましくは、室温(およそ25℃)〜60℃の範囲である。
ここで用いられる金属イオン源としては、上述の金属塩や、ヘキサカルボニルクロム[Cr(CO)6]、ペンタカルボニル鉄[Fe(CO)5]、オクタカルボニルジコバルト[Co2(CO)8]、テトラカルボニルニッケル[Ni(CO)4]等の金属カルボニル錯体が使用できる。また金属オレフィン錯体や金属ホスフィン錯体、金属窒素錯体等の0価の金属錯体も使用できる。
使用する溶媒としては、金属イオンとハイパーブランチポリマーを必要濃度以上に溶解できる溶媒であれば特に限定はされないが、具体的には、エタノール、n−プロパノール等のアルコール類;塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類など及びこれらの溶媒の混合液が挙げられ、好ましくは、テトラヒドロフランが挙げられる。
金属イオンとハイパーブランチポリマーを混合する温度は、通常0℃〜溶媒の沸点の範囲を使用することができる。
ここで用いられる金属イオン源としては、上述の金属塩や金属カルボニル錯体やその他の0価の金属錯体、酸化銀等の金属酸化物が使用できる。
使用する溶媒としては、金属イオンとハイパーブランチポリマーを必要濃度以上に溶解できる溶媒であれば特に限定はされないが、具体的には、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、エチレングリコール等のアルコール類;塩化メチレン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素類;テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル類;アセトニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類;ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素類など及びこれらの溶媒の混合液が挙げられ、好ましくはトルエンが挙げられる。
金属イオンとハイパーブランチポリマーを混合する温度は、通常0℃〜溶媒の沸点の範囲を使用することができ、好ましくは溶媒の沸点近傍、例えばトルエンの場合は110℃(加熱還流)である。
本発明において紡糸材料として使用する樹脂組成物における(a)熱可塑性樹脂に対する(b)ハイパーブランチポリマー及び(c)金属微粒子の配合量は、ハイパーブランチポリマーと金属微粒子より形成された複合体として、熱可塑性樹脂100質量部に対して好ましくは0.1〜20質量部であり、特に1〜10質量部であることが好ましい。
<紡糸工程>
本発明の導電性ナノファイバーの製造方法における紡糸工程は、前記(a)熱可塑性樹脂、(b)ハイパーブランチポリマー、及び(c)金属微粒子を含む樹脂組成物を紡糸材料として、エレクトロスピニング法に従い、ナノファイバーを作製する工程である。実際には、前記組成物を溶媒に溶解又は分散してワニスの形態とし、これを静電紡糸してナノファイバーを作製する工程である。
また上記溶媒に溶解又は分散させる濃度は任意であるが、熱可塑性樹脂、ハイパーブランチポリマー及び金属微粒子と溶媒の総質量(合計質量)に対して、熱可塑性樹脂、ハイパーブランチポリマー及び金属微粒子の濃度(固形分濃度とも称する)は1〜50質量%であり、好ましくは10〜40質量%であり、より好ましくは20〜30質量%である。
紡糸条件は適宜選択され、例えば、ノズルの長さ:3〜5cm、紡糸距離(電極−コレクター間距離):5〜30cm、紡糸量:0.1〜5.0mL/時間、電極間の印加電圧:5〜40kV、である。
本発明の導電性ナノファイバーの製造方法におけるめっき工程は、前述の<紡糸工程>で作製したナノファイバーを無電解めっき処理する工程である。
なお前述の紡糸工程にて作製されたナノファイバーは、繊維表面部(界面)に前記ハイパーブランチポリマー及び金属微粒子(これらから形成された複合体)が存在した状態にある。このため、エッチング、コンディショニング、キャタライジング、アクセラレーティングといった各処理からなるめっき前処理を必要とすることなく、エレクトロスピニング法によって得られたナノファイバーをそのまま無電解めっき処理に供することができる。
無電解めっき処理(工程)は特に限定されず、一般的に知られている何れの無電解めっき処理にて行うことができ、例えば、従来一般に知られている無電解めっき液を用い、上述の紡糸工程で得られたナノファイバーを該めっき液(浴)に浸漬する方法が一般的である。
ここで無電解めっきにより形成される金属めっき膜に用いられる金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、スズ、白金、金及びそれらの合金が挙げられ、目的に応じて適宜選択される。
また上記錯化剤、還元剤についても金属イオンに応じて適宜選択すればよい。
また無電解めっき液は市販のめっき液を使用してもよく、例えばメルテックス(株)製の無電解ニッケルめっき薬品(メルプレート(登録商標)NIシリーズ)、無電解銅めっき薬品(メルプレート(登録商標)CUシリーズ);奥野製薬工業(株)製の無電解ニッケルめっき液(ICPニコロン(登録商標)シリーズ)、無電解銅めっき液(OPC−700無電解銅M−K、ATSアドカッパーIW)、無電解スズめっき液(サブスターSN−5)、無電解金めっき液(フラッシュゴールド330、セルフゴールドOTK−IT);小島化学薬品(株)製の無電解パラジウムめっき液(パレットII)、無電解金めっき液(ディップGシリーズ、NCゴールドシリーズ);佐々木化学薬品(株)製の無電解銀めっき液(エスダイヤAG−40);日本カニゼン(株)製の無電解ニッケルめっき液(シューマー(登録商標)シリーズ、シューマー(登録商標)カニブラック(登録商標)シリーズ)、無電解パラジウムめっき液(S−KPD);ダウケミカル社製の無電解銅めっき液(キューポジット(登録商標)カッパーミックスシリーズ、サーキュポジット(登録商標)シリーズ)、無電解パラジウムめっき液(パラマース(登録商標)シリーズ)、無電解ニッケルめっき液(デュラポジット(登録商標)シリーズ)、無電解金めっき液(オーロレクトロレス(登録商標)シリーズ)、無電解スズめっき液(ティンポジット(登録商標)シリーズ);上村工業(株)製の無電解銅めっき液(スルカップ(登録商標)ELC−SP、同PSY、同PCY、同PGT、同PSR、同PEA);アトテックジャパン(株)製の無電解銅めっき液(プリントガント(登録商標)PV)等を好適に用いることができる。
得られるめっき膜厚は特に限定されないが、一般に10〜500nm程度、例えば30〜300nmとすることができる。
また導電性ナノファイバー集合体は、体積抵抗値が好ましくは1×104Ω・cm以下であり、1×102Ω・cm以下であることが望ましい。
なお、実施例において、試料の調製及び物性の分析に用いた装置及び条件は、以下の通りである。
装置:東ソー(株)製 HLC−8220GPC
カラム:昭和電工(株)製 Shodex(登録商標) KF−804L + KF−803L
カラム温度:40℃
溶媒:テトラヒドロフラン
検出器:UV(254nm)、RI
(2)1H NMRスペクトル
装置:日本電子(株)製 JNM−L400
溶媒:CDCl3
内部標準:テトラメチルシラン(0.00ppm)
(3)13C NMRスペクトル
装置:日本電子(株)製 JNM−ECA700
溶媒:CDCl3
緩和試薬:トリスアセチルアセトナートクロム(Cr(acac)3)
基準:CDCl3(77.0ppm)
(4)ICP発光分析(誘導結合プラズマ発光分析)
装置:(株)島津製作所製 ICPM−8500
(5)TEM(透過型電子顕微鏡)画像
装置:(株)日立ハイテクノロジーズ製 H−8000
(6)エレクトロスピニング
インフュージョンポンプ(シリンジポンプ):(有)メルクエスト製 FP−1000
高圧電源:松定プレシジョン(株)製 HR−40R0.75
(7)SEM(走査型電子顕微鏡)画像
装置:(株)キーエンス製 3Dリアルサーフェスビュー顕微鏡 VE−9800
(8)体積抵抗値測定
装置:(株)三菱化学アナリテック製 ロレスタ(登録商標)AX MCP−T370
HPS:ハイパーブランチポリスチレン[日産化学工業(株)製 ハイパーテック(登録商標)HPS−200]
IPA:2−プロパノール
IPE:ジイソプロピルエーテル
PVDF:ポリフッ化ビニリデン[アルドリッチ社製 製品番号:427152、Mw(GPC):180,000、Mn:71,000]
PVDF/HFP:フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体[アルドリッチ社製 製品番号:427160、Mw(GPC):400,000、Mn:130,000]
PU:ポリウレタン[BASFジャパン(株)製 エラストラン(登録商標)ET385、Mw(GPC):146,000]
DMAc:N,N−ジメチルアセトアミド
DMF:N,N−ジメチルホルムアミド
THF:テトラヒドロフラン
別の300mLの反応フラスコに、ジチオカルバメート基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーHPS15g及びクロロホルム150gを仕込み、窒素気流下均一になるまで撹拌した。
前述の0℃に冷却されている塩化スルフリル/クロロホルム溶液中に、窒素気流下、HPS/クロロホルム溶液が仕込まれた前記300mLの反応フラスコから、送液ポンプを用いて、該溶液を反応液の温度が−5〜5℃となるように60分間かけて加えた。添加終了後、反応液の温度を−5〜5℃に保持しながら6時間撹拌した。
さらにこの反応液へ、シクロヘキセン[東京化成工業(株)製]16gをクロロホルム50gに溶かした溶液を、反応液の温度が−5〜5℃となるように加えた。添加終了後、この反応液をIPA1,200gに添加してポリマーを沈殿させた。この沈殿をろ取して得られた白色粉末をクロロホルム100gに溶解し、これをIPA500gに添加してポリマーを再沈殿させた。この沈殿物を減圧ろ過し、真空乾燥して、塩素原子を分子末端に有するハイパーブランチポリマー(HPS−Cl)8.5gを白色粉末として得た(収率99%)。
得られたHPS−Clの1H NMRスペクトルを図1に示す。ジチオカルバメート基由来のピーク(4.0ppm、3.7ppm)が消失していることから、得られたHPS−Clは、HPS分子末端のジチオカルバメート基がほぼ全て塩素原子に置換されていることが明らかとなった。また、得られたHPS−ClのGPCによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは14,000、分散度Mw/Mnは2.9であった。
液温30℃まで冷却後、溶媒を留去した。得られた残渣を、クロロホルム60gに溶解し、この溶液をIPE290gに添加して再沈精製した。析出したポリマーを減圧ろ過し、50℃で真空乾燥して、ジメチルオクチルアンモニウム基を分子末端に有するハイパーブランチポリマー(HPS−N(Me)2OctCl)9.3gを白色粉末として得た。
得られたHPS−N(Me)2OctClの13C NMRスペクトルを図2に示す。ベンゼン環のピークと、オクチル基末端のメチル基のピークから、得られたHPS−N(Me)2OctClは、HPS−Cl分子末端の塩素原子がほぼ定量的にアンモニウム基に置換されていることが明らかとなった。また、HPS−ClのMw(14,000)及びアンモニウム基導入率(100%)から算出されるHPS−N(Me)2OctClの重量平均分子量Mwは28,000となった。
凝縮器を設置した300mLの反応フラスコに、酢酸パラジウム[川研ファインケミカル(株)製]2.1g及びクロロホルム20gを仕込み、均一になるまで撹拌した。この溶液へ、製造例2で製造したHPS−N(Me)2OctCl9.0gをクロロホルム135gに溶解させた溶液を、滴下ロートを使用して加えた。この滴下ロート内を、エタノール45gを使用して前記反応フラスコへ洗い込んだ。この混合物を、60℃で8時間撹拌した。
液温30℃まで冷却後、この反応混合物を0℃のIPE2,000gに添加して再沈精製した。析出したポリマーを減圧ろ過し、60℃で真空乾燥して、アンモニウム基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーとPd粒子の複合体(Pd[HPS−N(Me)2OctCl])9.8gを黒色粉末として得た。
ICP発光分析の結果から、得られたPd[HPS−N(Me)2OctCl]のPd含有量は10質量%であった。また、TEM(透過型電子顕微鏡)画像から、そのPd粒子径はおよそ2〜4nmであった。
液温30℃まで冷却後、溶媒を留去した。得られた残渣を、クロロホルム150gに溶解し、0℃に冷却した。この溶液を0℃のIPE3,000gに添加して再沈精製した。析出したポリマーを減圧ろ過し、40℃で真空乾燥して、トリオクチルアンモニウム基を分子末端に有するハイパーブランチポリマー(HPS−NOct3Cl)9.6gを淡黄色粉末として得た。
得られたHPS−NOct3Clの13C NMRスペクトルを図3に示す。塩素原子が結合したメチレン基と、アンモニウム基が結合したメチレン基のピークから、得られたHPS−NOct3Clは、HPS−Cl分子末端の塩素原子の71%がアンモニウム基に置換されていることが明らかとなった。また、HPS−ClのMw(14,000)及びアンモニウム基導入率(71%)から算出されるHPS−NOct3Clの重量平均分子量Mwは37,000となった。
1Lの二つ口フラスコに、酢酸パラジウム[川研ファインケミカル(株)製]4.3g及びクロロホルム200gを仕込み、均一になるまで撹拌した。この溶液へ、製造例4に従って製造したHPS−NOct3Cl18.0gをクロロホルム200gに溶解させた溶液を、滴下ロートを使用して加えた。この滴下ロート内を、エタノール100gを使用して前記反応フラスコへ洗い込んだ。この混合物を60℃で17時間撹拌した。
液温30℃まで冷却後、溶媒を留去した。得られた残渣をTHF300gに溶解し、0℃に冷却した。この溶液を0℃のIPE6,000gに添加して再沈精製した。析出したポリマーを減圧ろ過し、60℃で真空乾燥して、アンモニウム基を分子末端に有するハイパーブランチポリマーとPd粒子の複合体(Pd[HPS−NOct3Cl])19.9gを黒色粉末として得た。
ICP発光分析の結果から、得られたPd[HPS−NOct3Cl]のPd含有量は11質量%であった。また、TEM(透過型電子顕微鏡)画像から、そのPd粒子径はおよそ2〜4nmであった。
1Lのフラスコに、メルプレート(登録商標、以下同様)CU−390A[メルテックス(株)製]80mL、メルプレートCU−390B[メルテックス(株)製]80mL及びメルプレートCU−390C[メルテックス(株)製]20mLを仕込み、さらに純水を加えて溶液の総量を1Lとした。この溶液へ界面活性剤としてアデカ(登録商標)プルロニックL−34[(株)ADEKA製]0.7gを加えて、無電解銅めっき液A(Cu−A)とした。
1Lのフラスコに、キューポジット(登録商標、以下同様)カッパーミックス328A[ダウケミカル社製]125mL、キューポジットカッパーミックス328L[ダウケミカル社製]125mL及びキューポジットカッパーミックス328C[ダウケミカル社製]15mLを仕込み、さらに純水を加えて溶液の総量を1Lとした。この溶液へ界面活性剤としてアデカ(登録商標)プルロニックL−34[(株)ADEKA製]0.7gを加えて、無電解銅めっき液B(Cu−B)とした。
500mLのフラスコに、イオン交換水200mL、スルカップ(登録商標)PSY−1A[上村工業(株)製]25mL、スルカップ(登録商標)PSY−1B[上村工業(株)製]10mL及び18.5質量%ホルムアルデヒド水溶液0.5mLを仕込み、さらにイオン交換水を加えて溶液の総量を500mLとした。この溶液へ界面活性剤としてアデカ(登録商標)プルロニックL−34[(株)ADEKA製]0.05gを加えて、無電解銅めっき液C(Cu−C)とした。
1Lのフラスコに、メルプレート(登録商標、以下同様)NI−6522LF1[メルテックス(株)製]50mL、メルプレートNI−6522LF2[メルテックス(株)製]150mL及びメルプレートNI−6522LFアディティブ[メルテックス(株)製]5mLを仕込み、さらに純水を加えて溶液の総量を1Lとした。この溶液を無電解ニッケルめっき液A(Ni−A)とした。
200mLのフラスコに、カニゼン(登録商標)ブルーシューマー[日本カニゼン(株)製]70mLを仕込み、さらに純水を加えて溶液の総量を100mLとした。この溶液へ界面活性剤として塩化ベンザルコニウム[東京化成工業(株)製]0.01gを加えて、無電解ニッケルめっき液B(Ni−B)とした。
ティンポジット(登録商標)LT−34C[ダウケミカル社製]を、無電解スズめっき液A(Sn−A)とした。
PVDF100質量部、製造例3に従って製造したPd[HPS−N(Me)2OctCl]5質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMF/アセトン混合液(質量比9:1)300質量部を均一に混合し、樹脂組成物(紡糸材料)を調製した。
この組成物を、エレクトロスピニング装置を用いて表1に記載の条件で紡糸し、マット上のナノファイバーの集合体(以下、ナノファイバーマットと称する)を作製した。得られたナノファイバーマットをSEMで観察し、ナノファイバー径(平均直径)を算出した。ナノファイバー径は、異なる5箇所のSEM画像から無作為に選択した100本のナノファイバーの直径を計測し、その平均値とした。結果を表1に示す。
次に、このナノファイバーマットを、表1に記載のめっき液に表1に記載の時間浸漬した。その後取り出したナノファイバーマットを水洗し、風乾した。得られた無電解めっき処理したナノファイバーマットのナノファイバー径を、上記同様に算出した。また、ナノファイバーマットの体積抵抗値を測定した。結果を表1に併せて示す。また、得られた無電解めっき処理したナノファイバーマットのSEM画像を図4に示す。
PVDF100質量部、製造例5に従って製造したPd[HPS−NOct3Cl]4.5質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMAc/アセトン混合液(質量比7:3)300質量部を均一に混合し、樹脂組成物を調製した。
この組成物を用い、表1に記載のめっき液を用いた以外は実施例1と同様に操作し、評価した。結果を表1に併せて示す。
めっき液を変更した以外は実施例2と同様に操作し、評価した。結果を表1に併せて示す。
PU100質量部、製造例3に従って製造したPd[HPS−N(Me)2OctCl]5質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMF614質量部を均一に混合し、樹脂組成物を調製した。
この組成物を用い、表1に記載のめっき液を用いた以外は実施例1と同様に操作し、評価した。結果を表1に併せて示す。
PU100質量部、製造例5に従って製造したPd[HPS−NOct3Cl]4.5質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMF614質量部を均一に混合し、樹脂組成物を調製した。
この組成物を用い、表1に記載のめっき液を用いた以外は実施例1と同様に操作し、評価した。結果を表1に併せて示す。
PVDF/HFP100質量部、製造例3に従って製造したPd[HPS−N(Me)2OctCl]5質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMF400質量部を均一に混合し、樹脂組成物を調製した。
この組成物を用い、表1に記載のめっき液を用いた以外は実施例1と同様に操作し、評価した。結果を表1に併せて示す。
実施例6で得られたナノファイバーマットを、参考例6で調製した無電解スズめっき液A(Sn−A)に、20℃で5分間浸漬した。その後取り出したナノファイバーマットを水洗し、風乾した。得られた無電解めっき(置換型)処理したナノファイバーマットのナノファイバー径を、上記同様に算出した。また、ナノファイバーマットの体積抵抗値を測定した。結果を表1に併せて示す。また、得られた無電解めっき処理したナノファイバーマットのSEM画像を図5に示す。
PVDF100質量部、塩化パラジウム0.83質量部(Pdとして0.5質量部)、及びDMF300質量部を均一に混合し、樹脂組成物を調製した。
この組成物を用いた以外は実施例1と同様に操作したところ、金属めっき膜は形成されなかった。
一方、塩化パラジウムをPVDFに配合した紡糸材料を用いた比較例1では、銅めっきがなされず、導電性ナノファイバーを得ることができなかった。
Claims (12)
- (a)熱可塑性樹脂、(b)アンモニウム基を分子末端に有し且つ重量平均分子量が1,000〜5,000,000であるハイパーブランチポリマー、及び(c)金属微粒子を含み、前記(c)金属微粒子に、前記(b)ハイパーブランチポリマーのアンモニウム基が付着して複合体を形成している樹脂組成物を紡糸材料として、エレクトロスピニング法に従いナノファイバーを作製する紡糸工程、及び
前記工程で作製したナノファイバーを無電解めっき処理するめっき工程、
を含むことを特徴とする、導電性ナノファイバーの製造方法。 - 前記(b)ハイパーブランチポリマーが、式[1]で表されるハイパーブランチポリマーである、請求項1に記載の製造方法。
ルキル基及びアリールアルキル基は、アルコキシ基、ヒドロキシ基、アンモニウム基、カルボキシル基又はシアノ基で置換されていてもよい。)か、R2乃至R4のうちの2つの基が一緒になって、直鎖状、枝分かれ状又は環状のアルキレン基を表すか、又はR2乃至R4はそれらが結合する窒素原子と一緒になって環を形成してもよく、X−は陰イオンを表し、nは繰り返し単位構造の数であって、5乃至100,000の整数を表し、A1は式[2]で表される構造を表す。)
- 前記(b)ハイパーブランチポリマーが、式[3]で表されるハイパーブランチポリマーである、請求項2に記載の製造方法。
- 前記(c)金属微粒子が、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、スズ(Sn)、白金(Pt)及び金(Au)からなる群より選択される少なくとも一種の金属の微粒子である、請求項1乃至請求項3のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 前記(c)金属微粒子が、パラジウム微粒子である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記(c)金属微粒子が、1〜100nmの平均粒径を有する微粒子である、請求項1乃至請求項5のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 前記(a)熱可塑性樹脂がポリフッ化ビニリデンである、請求項1乃至請求項6のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 前記ナノファイバーの平均直径が50〜2,000nmである、請求項1乃至請求項7のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 前記めっき工程に引き続きさらに他の無電解めっき処理をする第二のめっき工程を含む、請求項1乃至請求項8のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 前記めっき工程が無電解銅めっき処理であり、且つ、前記第二のめっき工程が無電解スズめっき処理である、請求項9に記載の製造方法。
- 前記紡糸工程は、ナノファイバーとしてナノファイバー集合体を作製する工程である、請求項1乃至請求項10のうち何れか一項に記載の製造方法。
- 請求項11に記載の製造方法に従い、体積抵抗値が1×104Ω・cm以下である導電性ナノファイバー集合体を作製する方法。
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