JP6578618B1 - カーボンナノチューブ分散液およびその利用 - Google Patents
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Abstract
Description
下記(1)〜(4)を満たすことを特徴とするカーボンナノチューブ分散液。
(1)カーボンナノチューブ(A)と、水溶性分散樹脂(B)と、水とを含有すること。
(2)カーボンナノチューブ(A)は、単層であり、透過型電子顕微鏡における画像解析における平均外径が0.5〜5nmであり、比表面積が400〜800m2/gであること。
(3)カーボンナノチューブ(A)の炭素成分100質量部に対して、水溶性樹脂(B)を400質量部以上、2000質量部以下含有すること。
(4)カーボンナノチューブ分散液のレーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50径)が1.5〜40μmであること。
本発明に用いるカーボンナノチューブ(A)は、単層カーボンナノチューブである。単層カーボンナノチューブは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状を有しており、一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。
カーボンナノチューブの炭素成分(%) =
(1−(焼成後の灰分重量(g)/焼成前のカーボンナノチューブ重量(g)))×100
・・・・式(1)
炭素成分が70〜90%の範囲であれば、カーボンナノチューブの凝集力が弱く水溶性樹脂(B)の吸着が容易に進み、貯蔵安定性、導電性に優れたカーボンナノチューブ分散体が得られる。
なお、本明細書において50%粒子径(D50)とは、特に記載がない限りレーザー回折式粒度分布測定によって算出された値を示す。
水溶性分散樹脂(B)は、カーボンナノチューブに対して、分散工程における濡れを促進させ、分散安定化に寄与する分散剤として機能する水溶性の樹脂を表す。水溶性分散樹脂(B)は特に限定されないが、好適な例として以下の化合物が例示できる。
界面活性剤は、分散能、分散安定能、高濃度化に優れることから、非イオン性界面活性剤が好ましく、特に芳香族系非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレンフェニルエーテルが好ましい。
本発明の分散液は、水溶性樹脂(B)を分散剤として、カーボンナノチューブ(A)を水中に分散したものである。この場合、水溶性樹脂(B)とカーボンナノチューブ(A)を同時、または順次添加し、混合することで、水溶性樹脂(B)をカーボンナノチューブ(A)に作用(吸着)させつつ分散する。但し、カーボンナノチューブ分散液の製造をより容易に行うためには、水溶性樹脂(B)を水中に溶解、膨潤、または分散させ、その後、液中にカーボンナノチューブ(A)を添加し、混合することで水溶性樹脂(B)をカーボンナノチューブ(A)に作用(吸着)させることが、より好ましい。
本発明のカーボンナノチューブ塗料は、少なくとも本発明のカーボンナノチューブ分散液とバインダー樹脂(C)とを含む水性塗料である。水溶性分散樹脂(B)は、カーボンナノチューブ(A)を分散する際に用いる樹脂であり主に顔料吸着の機能を有するのに対し、バインダー樹脂(C)は、塗膜を作製するために用いる樹脂であり造膜する機能を有する。また、バインダー樹脂(C)は、硬化剤と反応させるため、水酸基などの架橋性官能基を有する場合が多い。
バインダー樹脂(C)としては、通常、塗料のバインダー樹脂として用いられるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、縮合系合成樹脂、付加系合成樹脂、天然高分子化合物、などが挙げられる。前記縮合系合成樹脂としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、珪素樹脂などが挙げられる。前記付加系合成樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリビニルエステル系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、不飽和カルボン酸系樹脂などが挙げられる。前記天然高分子化合物としては、例えば、セルロース類、ロジン類、天然ゴムなどが挙げられる。前記水分散性樹脂は、ホモポリマーとして使用されてもよく、また、コポリマーとして使用して複合系樹脂として用いてもよく、単相構造型、コアシェル型、及びパワーフィード型エマルジョンのいずれのものも使用できる。
前記単官能の(メタ)アクリル酸エステル類としては、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、n−アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、オクチルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、オクタデシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、フェニルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、メタクリロキシエチルトリメチルアンモニウム塩、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、n−アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、n−へキシルアクリレート、2−エチルへキシルアクリレート、オクチルアクリレート、デシルアクリレート、ドデシルアクリレート、オクタデシルアクリレート、シクロへキシルアクリレート、フェニルアクリレート、ベンジルアクリレート、グリシジルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、アクリロキシエチルトリメチルアンモニウム塩、などが挙げられる。
プロパン、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールエタントリメタクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、1,3−ブチレングリコールジアクリレート、1,4−ブチレングリコールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、1,9−ノナンジオールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、2,2'−ビス(4−アクリロキシプロピロキシフェニル)プロパン、2,2'−ビス(4−アクリロキシジエトキシフェニル)プロパントリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールエタントリアクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、ジトリメチロールテトラアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、などが挙げられる。
前記芳香族ビニル単量体類としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、4−t−ブチルスチレン、クロルスチレン、ビニルアニソール、ビニルナフタレン、ジビニルベンゼン等が挙げられる。
前記アリル化合物単量体類としては、例えば、アリルスルホン酸又はその塩、アリルアミン、アリルクロライド、ジアリルアミン、ジアリルジメチルアンモニウム塩等が挙げられる。
前記オレフィン単量体類としては、例えば、エチレン、プロピレン等が挙げられる。
前記ジエン単量体類としては、例えば、ブタジエン、クロロプレン等が挙げられる。
前記ビニル単量体類としては、例えば、酢酸ビニル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ビニルエーテル、ビニルケトン、ビニルピロリドン、ビニルスルホン酸又はその塩、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等が挙げられる。
<カーボンナノチューブ(A)>
・TUBALL(80%):OCSiAl社製シングルウォールカーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分80%、平均長さ12μm、50%粒子径(D50)920μm、比表面積490m2/g
・TUBALL(93%):OCSiAl社製シングルウォールカーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分93%、平均長さ10μm、50%粒子径(D50)1010μm、比表面積850m2/g
・カーボンナノチューブ(A−1):平均外径:1.5nm、炭素成分70%、平均長さ8μm、50%粒子径(D50)1190μm、比表面積750m2/g
・カーボンナノチューブ(A−2):平均外径:1.5nm、炭素成分91%、平均長さ9μm、50%粒子径(D50)1350μm、比表面積1200m2/g
(カーボンナノチューブ(A−1)の製造)
スパッタ蒸着装置を用い、シリコンウェハー上へ厚さ1nmの鉄金属を蒸着した。これを反応炉に挿入し、アルゴン雰囲気下で800℃まで昇温させた後、アルゴン水素混合ガスを1000cc/分、エチレンガスを100cc/分中で10分間反応させ、カーボンナノチューブを回収した。さらに、ステンレス容器にカーボンナノチューブとガラスビーズを仕込み、ペイントコンディショナーで乾式粉砕処理を1時間行い、カーボンナノチューブを任意の長さに調整し、カーボンナノチューブ(A−1)を得た。
(カーボンナノチューブ(A−2)の製造)
スパッタ蒸着装置を用い、シリコンウェハー上へ厚さ1nmの鉄金属を蒸着した。これを反応炉に挿入し、アルゴン雰囲気下で1000℃まで昇温させた後、アルゴン水素混合ガスを1000cc/分、エチレンガスを100cc/分中で10分間反応させ、カーボンナノチューブを回収した。さらに、ステンレス容器にカーボンナノチューブとガラスビーズを仕込み、ペイントコンディショナーで乾式粉砕処理を1時間行い、カーボンナノチューブを任意の長さに調整し、カーボンナノチューブ(A−2)を得た。
・Joncryl HPD−96J:BASFジャパン社製、スチレン−アクリル酸系、固形分酸価240mg KOH/g、不揮発分34%
・Joncryl JDX−6500:BASFジャパン社製、オールアクリル系(スチレンフリー)、固形分酸価215mg KOH/g、不揮発分29.5%
・Dispex Ultra PA 4550:BASFジャパン社製、変性ポリアクリル酸塩ポリマー、固形分酸価0mg KOH/g、固形分アミン価54mg KOH/g、不揮発分50%
・BYK−190:ビックケミー社製、スチレン系ブロック共重合、固形分酸価25mg KOH/g、不揮発分40%
・BYK−2010:ビックケミー社製、アクリルエマルション、固形分酸価50mg KOH/g、固形分アミン価50mg KOH/g、不揮発分40%
<バインダー樹脂(C)>
ウォーターゾールS−751:DIC社製焼き付け塗料用アクリル樹脂、不揮発分50%
ウォーターゾールS−212:DIC社製アルキッド樹脂、不揮発分65%
サイメル303:三井サイテック社製メラミン樹脂、不揮発分100%
[実施例1]
カーボンナノチューブ(A)としてTUBALL 0.5部、水溶性樹脂(B)としてJoncryl JPD−96J 4.7部、消泡剤としてサーフィノール104E 0.3部、精製水94.5部をヘラで予備分散をした後に、直径0.5mmのジルコニアビーズ200gを分散メディアとして仕込み、ペイントシェーカーにて、4時間分散処理し、カーボンナノチューブ分散液D−1を得た。
表1に示す水溶性樹脂(B)の種類と量、分散処理時間に変更した以外は、実施例1と同様にして、カーボンナノチューブ分散液D−2〜D−13、D−15〜D−33を得た。
界面活性剤としてデモールN(花王ケミカル社製、βーナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物ナトリウム塩)を0.04部加えたこと以外は、実施例7と同様にして、カーボンナノチューブ分散液D−14を得た。
得られたカーボンナノチューブ分散液について、以下の評価を行った。その結果を表2に示した。
(粘度)
粘度値の測定は、B型粘度計(東機産業社製「BL」)を用いて、分散液温度25℃、B型粘度計ローター回転速度60rpmにて、分散液をヘラで充分に撹拌した後、直ちに行った。測定に使用したローターは、粘度値が0.1Pa・s未満の場合はNo.1を、0.1Pa・s以上0.5Pa・s未満の場合はNo.2を、0.5Pa・s以上2.0Pa・s未満の場合はNo.3を、2.0Pa・s以上10Pa・s未満の場合はNo.4のものをそれぞれ用いた。得られた粘度値が10Pa・s以上の場合については、「>10」と記載したが、これは評価に用いたB型粘度計では評価不可能なほどに高粘度であったことを表す。分散直後から5時間以内に測定した粘度を、初期粘度とした。
貯蔵安定性の評価は、カーボンナノチューブ分散液を50℃にて、10日間静置して保存した後の、粘度値の変化から評価した。変化率は式(2)によって算出され、算出された結果に基づき下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。また、粘度値が「>10」の場合は、計算が不可能なため、「−」(評価不可)と表記した。
変化率(%)=(50℃10日後粘度)/(初期粘度)×100・・・・・・式(2)
○:変化率が80%以上120%未満
△:変化率が50%以上80%未満または120%以上150%未満
×:変化率が50%未満または150%以上
透過型電子顕微鏡(日本電子社製)によって、カーボンナノチューブの形態観察を行い、100本の長軸の長さを計測し、その数平均値をもってカーボンナノチューブ平均長さ(μm)とした。下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
〇:5μm以上10μm以下
△:2μm以上5μm未満
×:2μm未満または10μmを超える
分散後の平均長さをA、分散前の平均長さをBとし、下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
〇:A/B=0.3以上
△:A/B=0.3未満0.2以上
×:A/B=0.2未満
分散液のカーボンナノチューブ(A)の粒度分布は、レーザー回折式粒度分布(マイクロトラック・ベル社製「マイクロトラック MT300II」)により、50%粒子径(D50)を算出した。
[実施例18]
実施例1で得られたカーボンナノチューブ分散液D−1及びバインダー樹脂(C)を、下記組成にあるように配合し、塗料P−1を得た。
カーボンナノチューブ分散液D−1 :11.4部
ウォーターゾールS−751 :56部
サイメル303 :12部
表3に示すカーボンナノチューブ分散液(A)に変更した以外は、実施例18と同様にして、塗料P−2〜P−9、P−15〜P−38を得た。
実施例2で得られたカーボンナノチューブ分散液D−2及びバインダー樹脂(C)を、下記組成にあるように配合し、塗料P−10を得た。
カーボンナノチューブ分散液D−2 :11.4部
ウォーターゾールS−212 :43部
サイメル303 :12部
表3に示すカーボンナノチューブ分散液(A)に変更した以外は、実施例27と同様にして、塗料P−11〜P−14を得た。
得られた塗料について、さらに、塗料をコロナ放電処理PETフィルムに膜厚が20±2μmになるようにアプリケーターで塗工し、30分間セッティング後、60℃にて30分間乾燥させた後、140℃にて20分間焼き付けを行って、各塗料の試験塗膜を作製し、塗料とその塗膜について以下の評価を行った。その結果を表3に示した。
(相溶性)
得られた塗料をJIS K56002−5に従い、粒子の密集を確認することで、カーボンナノチューブ分散液(A)と、バインダー樹脂(C)の相溶性を判断した。下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、×(不良)の2段階で評価した。
○:密集20μm未満
×:密集20μm以上
(全光線透過率)
透明性については、PETフィルムに塗工した試験塗膜を、日本電色工業社製:ヘーズメーター(300A)で全光線透過率を測定した。下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
〇:65%以上80%未満
△:60%以上65%未満
×:50%以上60%未満
(表面抵抗率)
導電性については、PETフィルムに塗工した試験塗膜を、三菱化学社製:ロレスターGP(CP−T610)を用いて表面抵抗率(Ω/□)を測定した。下記基準にて評価を行った。尚、〇(良好)、△(普通)、×(不良)の3段階で評価した。
〇:1.0×107未満
△:1.0×107以上1.0×108未満
×:1.0×108以上
Claims (10)
- 下記(1)〜(4)を満たすことを特徴とするカーボンナノチューブ分散液。
(1)カーボンナノチューブ(A)と、水溶性分散樹脂(B)と、水とを含有すること。
(2)カーボンナノチューブ(A)は、単層であり、透過型電子顕微鏡における画像解析における平均外径が0.5〜5nmであり、比表面積が400〜800m2/gであること。
(3)カーボンナノチューブ(A)の炭素成分100質量部に対して、水溶性樹脂(B)を400質量部以上、2000質量部以下含有すること。
(4)カーボンナノチューブ分散液のレーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50径)が1.5〜40μmであること。 - カーボンナノチューブ(A)は、レーザー回折式粒度分布測定によって算出される50%粒子径(D50)が500〜1300μmであることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- カーボンナノチューブ(A)が、透過型電子顕微鏡による画像解析によって測定される、分散後の平均長さが2〜10μmであることを特徴とする請求項1または2に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- カーボンナノチューブ(A)が、炭素成分が70〜90%であることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 水溶性分散樹脂(B)が、スチレン−アクリル構造を有し、酸価が10〜250mgKOH/gであることを特徴とする請求項1〜4いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 水溶性分散樹脂(B)が、酸価が10〜100mgKOH/gであることを特徴とする請求項1〜5いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 界面活性剤を含むことを特徴とする、請求項1〜6いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 分散液の粘度が8000〜30000mPa・sであることを特徴とする、請求項1〜7いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 分散液中のカーボンナノチューブ濃度が0.1〜1%であることを特徴とする、請求項1〜8いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- カーボンナノチューブ(A)は、分散後の平均長さをA、分散前の平均長さをBとしたときのA/Bが0.3以上であることを特徴とする請求項1〜9いずれか一項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
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