JP6970324B1 - 金属粒子組成物、金属粒子組成物の製造方法、及び、ペースト - Google Patents

金属粒子組成物、金属粒子組成物の製造方法、及び、ペースト Download PDF

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Abstract

遷移金属触媒が不要で、既存の金属粒子に対しても適用可能な、耐酸化性に優れる金属粒子組成物、金属粒子組成物の製造方法、及び、ペーストを提供する。上記金属粒子組成物は、金属粒子100質量部に対して、下記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を0.1〜5質量部含む。(一般式(I)中、R1及びR2は、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R3及びR4は、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;アルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)

Description

本発明は、金属粒子組成物、金属粒子組成物の製造方法、及び、ペーストに関する。
従来、金属粒子は種々の用途に用いられており、例えば、粉末冶金用の原料粉末や、積層セラミックコンデンサ用の焼成ペースト、インクジェット印刷等により配線を形成するための導電性ペーストや導電性インク等に用いられる材料等の用途が知られている。
近年、金属粒子の微細化のニーズが高まっている。その主な理由は、金属粒子は微細化することで融点が低下するため、金属粒子同士の焼結をより低温で進行させることができることにある。金属粒子を微細化することにより、従来は適用することが難しかった耐熱性の低い基材にも金属粒子やそれを含むペーストを適用することが可能となる。また、電子部品の微細化に伴って、より精細な電子回路が必要とされるようになり、配線形成用途においては、より粒径の小さな金属粒子が求められている。
一方、金属粒子の微細化により、金属粒子全体としては比表面積が増加することになる。このため、金属粒子の表面が酸化されやすくなり、金属粒子を焼結後に、熱伝導性の低下や電気抵抗の増大等の問題が生じやすくなる。
これらの問題を解決する方法として、特許文献1及び2においては、金属粒子の製造時にコラーゲンやクエン酸を用いて粒子表面を被覆する方法が提案されている。また、特許文献3においては、酸化防止剤としてエタノールアミン類を添加する方法が提案されている。また、金属粒子の酸化防止についての記載はないが、特許文献4及び5には、酸素吸収剤としてアリルグリシジルエーテル等を用いる技術が記載されている。
特開2010−189681号公報 特開2016−138296号公報 特開2013−108005号公報 特開昭61−101518号公報 米国特許第3644568号明細書
しかしながら、上記各特許文献に記載されるような従来の手法では、金属粒子の酸化防止は未だ十分であるとはいえず、特に、金属粒子を微細化する際に酸化に起因する上述したような問題を抑制することが難しく、改善の余地がある。特に、上記特許文献1及び2に記載される製造方法は、金属粒子の造粒時に被覆層を形成する工程を含むものであり、製造方法が複雑であることに加え、既存の金属粒子には被覆できないという問題がある。このため、特許文献1及び2に記載されるような特殊な工程を含む方法とは異なる、金属粒子の酸化防止策が求められる。また、金属粒子以外の対象物に用いられる一般的な酸素吸収剤を単純に金属粒子に適用することはできない。例えば、上記の特許文献4及び5に記載されるような遷移金属触媒を含む酸素吸収剤は、異種金属の導入に繋がるため金属粒子への適用が難しいという問題がある。
本発明は、このような従来の課題を鑑みてなされたものであって、遷移金属触媒が不要で、既存の金属粒子に対しても適用可能な、耐酸化性に優れる金属粒子組成物及び金属粒子組成物の製造方法の提供を目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、金属粒子とともに不飽和二重結合を含む特定の構造を有する化合物を用いることにより、遷移金属触媒が不要で、既存の金属粒子に対しても適用可能な、耐酸化性に優れる金属粒子組成物が得られることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は下記[1]〜[8]を提供する。
[1]金属粒子100質量部に対して、下記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を0.1〜5質量部含む金属粒子組成物。
Figure 0006970324

(一般式(I)中、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
[2]前記一般式(I)におけるR及びRが、それぞれ独立して炭素数1〜4のアルキル基である、上記[1]に記載の金属粒子組成物。
[3]前記金属粒子が、銅及び鉄からなる群から選択される少なくとも1種の金属からなる、上記[1]又は[2]に記載の金属粒子組成物。
[4]前記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)が、下記一般式(II)で表される構造を含む化合物である、上記[1]〜[3]のいずれか一つに記載の金属粒子組成物。
Figure 0006970324

(一般式(II)中、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。Rは、水素原子;(メタ)アクリル基;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
[5]化合物(A)の少なくとも一部が、前記金属粒子に付着している、上記[1]〜[4]のいずれか一つに記載の金属粒子組成物。
[6]上記[1]〜[5]のいずれか一つに記載の金属粒子組成物の製造方法であって、前記金属粒子と化合物(A)とを混合する混合工程を含む、金属粒子組成物の製造方法。
[7]前記混合工程においては、前記金属粒子と化合物(A)と有機溶剤とを混合し、更に、前記有機溶剤を除去する溶剤除去工程を含む、上記[6]に記載の金属粒子組成物の製造方法。
[8]上記[1]〜[5]のいずれか一つに記載の金属粒子組成物を含むペースト。
本発明によれば、遷移金属触媒が不要で、既存の金属粒子に対しても適用可能な、耐酸化性に優れる金属粒子組成物、金属粒子組成物の製造方法、及び、ペーストを提供することができる。
[金属粒子組成物]
本発明の実施形態に係る金属粒子組成物は、金属粒子と下記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)とを含み、前記金属粒子100質量部に対して、前記化合物(A)を0.1〜5質量部含む金属粒子組成物である。
Figure 0006970324

(一般式(I)中、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
上記金属粒子組成物は、不飽和二重結合を有する特定の化合物である化合物(A)を用いているため、金属粒子組成物の耐酸化性が向上する。この理由は、これに限るものではないが、以下のとおりであると考えられる。
上記の一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を金属粒子に添加すると、上記化合物(A)のアリルエーテル骨格に由来する部分が、ラジカルを介した反応により酸素を捕捉するため、金属粒子の表面や表面近傍に存在する酸素が化合物(A)によって吸収・除去される。これによって、酸素に起因する金属粒子の酸化が抑えられるものと推定される。
特に、上記化合物(A)は、アリル位の隣に電子供与性を示すエーテル骨格が存在しているため、アリル位の電子密度を高めやすくなる。また、酸素原子によってエーテル骨格が構成されるため、他のカルコゲン原子に比べると化合物(A)の安定性が高く、また、製造も容易である。
更に、上記化合物(A)は、金属を含まない有機物のみで酸素吸収するので、遷移金属触媒を使用せずとも、金属粒子の耐酸化性を向上させることができ、目的外の金属が混入するという問題を回避することができる。
加えて、上記化合物(A)が金属粒子の近傍に存在していればよいので、上記化合物(A)と金属粒子を混合する等によって、特殊な工程を経ることなく、既存の金属粒子に対して上記化合物(A)を適用し、得られる金属粒子組成物の耐酸化性を向上させることができる。
上記金属粒子組成物は、上記化合物(A)と金属粒子との混合物であってもよいし、化合物(A)の少なくとも一部が上記金属粒子に付着しているものであってもよい。また、金属粒子の表面を化合物(A)が被覆していてもよい。上記化合物(A)と金属粒子との混合物であって、かつ、一部の化合物(A)が金属粒子表面に付着又は金属粒子表面を被覆していてもよい。
<金属粒子>
上記金属粒子組成物に含まれる金属粒子としては、金属からなる粒子であれば特に制限なく各種のものを使用することができる。金属粒子を構成する金属としては、例えば、銅、銀、鉄、ニッケル、錫、鉛、チタンなどが挙げられる。
上記金属は、いずれかの元素を含むものであれば、合金であってもよく、いずれかの元素を含むものであれば、水素、酸素、炭素、窒素、硫黄等の金属元素以外の元素を含有していてもよい。これらのうち任意の2種類以上を含む混合粒子でもよい。好ましくは、銅及び鉄からなる群から選択される少なくとも1種の金属からなる金属粒子である。これらのうち、導電性等の、金属が本来有する高い性能を発揮させやすいという観点から、銅又は鉄が好ましく、銅がより好ましい。
金属粒子の形状に特に制限はないが、例えば、顆粒状、ペレット状、フレーク状、球状、針状、スティック状、円盤状等が挙げられる。これらの中でも、形状は、球状であることが好ましい。金属粒子が球状である場合、流動性を向上させやくなる。
金属粒子の最大粒子径は、特に限定されないが、好ましくは1nm〜100μm、より好ましくは0.1μm〜10μm、更に好ましくは1μm〜3μmである。
本明細書において、金属粒子の最大粒子径とは、金属粒子の重心を通る直線のうち最大になる径を意味する。したがって、金属粒子が球状の場合は直径に相当する。
上記金属粒子を含む金属粉末全体の比表面積は、導電性の観点から、好ましくは3〜20m/gである。上記比表面積は、公知のBET法により測定することができる。
このような金属粒子は、金属を粒子状にしたものであり、公知の各種製造方法によって作製することができる。市販の金属粒子を用いてもよい。
金属粒子組成物中の金属粒子の含有量は、70〜99.9質量%であることが好ましく、80〜99.8質量%であることがより好ましく、90〜99.7質量%であることが更に好ましい。金属粒子の含有量が上記下限値以上であると、必要な分量の金属を確保しやすくなり、また、導電性等の必要な物性を確保しやすくなる。金属粒子の含有量が上記上限値以下であると相対的に上記化合物(A)の含有量が多くなるため、金属粒子組成物の耐酸化性を向上させやすくなる。
<一般式(I)で表される構造を有する化合物(A)>
上述したように、化合物(A)は下記一般式(I)で表される構造を有する。
Figure 0006970324

上記一般式(I)において、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。
及びRが表す炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。
及びRが表す炭素数1〜6のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、ブチルオキシ基、ヘキシルオキシ基等が挙げられる。
及びRが表す炭素数2〜6のアルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、イソブテニル基、ペンテニル基、プレニル基、ヘキセニル基(cis−3−ヘキセニル基等)、シクロヘキセニル基等が挙げられる。
及びRが表すアリール基としては、製造容易性の観点から、炭素数6〜18のアリール基が好ましく、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基等が挙げられる。
及びRが表すアラルキル基としては、製造容易性の観点から、炭素数7〜18のアラルキル基が好ましく、例えば、ベンジル基、2−フェニルエチル基、2−ナフチルエチル基、ジフェニルメチル基等が挙げられる。
これらの中でも、金属粒子組成物の耐酸化性を向上させる観点から、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数2〜6のアルケニル基であることが好ましく、炭素数1〜4のアルキル基であることがより好ましく、メチル基であることが更に好ましい。
一般式(I)において、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。
及びRが表す炭素数2〜6のアルケニルオキシ基としては、例えば、ビニルオキシ基、1−プロペニルオキシ基、2−n−プロペニルオキシ基(アリルオキシ基)、1−n−ブテニルオキシ基、プレニルオキシ基等が挙げられる。
及びRが表す炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数2〜6のアルケニル基、アリール基及びアラルキル基の例示は、上記のR及びRについてのものと同じであり、重複する説明は省略する。
これらの中でも、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜3のアルキル基;炭素数2又は3のアルケニル基;又は、アリール基であることが好ましく、水素原子又はメチル基であることがより好ましく、水素原子であることが更に好ましい。中でも得られる金属粒子組成物の耐酸化性を向上させる観点等から、R及びRはいずれも水素原子であることが好ましい。
一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)としては、金属粒子組成物の耐酸化性を向上させる観点等から、下記一般式(II)で表される構造を含む化合物であることが好ましい。
Figure 0006970324

(一般式(II)中、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。Rは、水素原子;(メタ)アクリル基;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
一般式(II)において、R及びRが表す炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数2〜6のアルケニル基、アリール基、及びアラルキル基の例示は、上記のR及びRについてのものと同じである。
また、R及びRが表す炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数2〜6のアルケニル基、炭素数2〜6のアルケニルオキシ基、アリール基、及びアラルキル基の例示は、上記のR及びRについてのものと同じである。
また、Rが表す炭素数1〜6のアルキル基、炭素数2〜6のアルケニル基、アリール基、及びアラルキル基の例示は、上記のR及びRについてのものと同じである。
また、化合物(A)は、例えば、下記の一般式(III)〜(VII)のうちの少なくとも一つで表される分子構造を有する化合物である。金属粒子組成物の耐酸化性を向上させやすくするとともに化合物(A)の安定性を高める観点から、一般式(III)〜(VI)のうちの少なくとも一つで表される化合物であることが好ましく、一般式(III)、(V)及び(VI)のうちの少なくとも一つで表される化合物であることがより好ましい。
Figure 0006970324

(ただし、一般式(III)で表される化合物は、ポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)が200〜50,000である。)
Figure 0006970324

(ただし、一般式(IV)で表される化合物は、ポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)が200〜50,000である。)
Figure 0006970324

(一般式(V)中、R10、R11、R13及びR14は、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R12は、水酸基、(メタ)アクリロイルオキシ基、4−ビニルフェノキシ基及び炭素数2〜6のアルケニルオキシ基のいずれかを表す。Lは、R12を置換基として有する炭素数1〜6のアルキレン基を表す。A及びBは、それぞれ独立して、置換又は無置換の、炭素数1〜6のアルキレン基を表す。a、bはそれぞれ独立して0又は1〜100の整数を表す。)
一般式(V)において、R12は、好ましくは水酸基、又は(メタ)アクリロイルオキシ基である。なお、前記炭素数2〜6のアルケニルオキシ基は、炭素数2〜6のビニルオキシ基であってもよい。
12が表すアルケニルオキシ基としては、例えば、ビニルオキシ基、1−プロペニルオキシ基、2−n−プロペニルオキシ基(アリルオキシ基)、1−n−ブテニルオキシ基、プレニルオキシ基等が挙げられる。
一般式(V)において、A及びBが置換基を有する場合の置換基としては、上記R12と同じものが挙げられる。その例示についても同様であるため、重複する説明は省略する。
一般式(V)におけるR10、R11、R13及びR14の例示や好ましいものは、それぞれ前記一般式(I)におけるR及びRについてのものと同じであるため、重複する説明を省略する。
Figure 0006970324

(一般式(VI)中、R15、R16、R21及びR22は、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R17及びR18は、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R19は、水素原子又はメチル基を表し、R20は、水酸基、(メタ)アクリロイルオキシ基、4−ビニルフェノキシ基及び炭素数2〜6のアルケニルオキシ基のいずれかを表す。)
一般式(VI)において、R19は好ましくは水素原子である。
一般式(VI)におけるR15、R16、R21、R22は、それぞれ前記一般式(I)におけるR及びRについてのものと同じであり、一般式(VI)におけるR17及びR18は、それぞれ前記一般式(I)におけるR及びRについてのものと同じであり、一般式(VI)におけるR20は、前記一般式(V)におけるR12についてのものと同じである。これらの例示や好ましいものについても同様であるため、重複する説明は省略する。
上記一般式(III)及び(IV)で表される化合物の分子中には水酸基が存在しており、また、上記一般式(V)及び(VI)で表される化合物の分子中には、電子供与性を示す官能基であるR12とR20とがそれぞれ存在する。これらの基の存在により、化合物の安定性を維持しながら、アリル位の電子密度が高められることで酸素吸収性を向上させやすくなるとともに、金属粒子への化合物(A)の吸着性も高めやすくなる。特に、一般式(III)、(V)、(VI)は両末端の二重結合に比較的電子供与性の高い基が結合しているため、酸素吸収性をより向上させやすい。
Figure 0006970324

(一般式(VII)中、R23、R24、R27及びR28は、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R25及びR26は、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
一般式(VII)におけるR23、R24、R27及びR28は、それぞれ前記一般式(I)におけるR及びRについてのものと同じであり、一般式(VII)におけるR25及びR26は、それぞれ前記一般式(I)におけるR及びRについてのものと同じである。これらの例示や好ましいものについても同様であるので、重複する説明は省略する。
一般式(VII)で表される化合物の分子内にはアセタール構造が存在するため、当該構造付近の電子密度が高くなり、当該化合物の酸素吸収性を向上させやすい。
一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)の具体例としては、以下のものが挙げられる。
Figure 0006970324
Figure 0006970324
一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)の製造方法に特に制限はなく、公知の方法を単独で又は組み合わせて応用することにより製造することができる。
上記金属粒子組成物は、金属粒子100質量部に対して、上記の一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を0.1〜5質量部含む。化合物(A)の含有量が0.1質量部未満であると、耐酸化性を十分に得られなくなる。一方、化合物(A)の含有量が5質量部を超えると、相対的に金属粒子の量が減るため、必要な分量の金属を確保できなくなったり、導電性等の必要な物性を確保できなくなったり、製造コストと得られる効果とのバランスが悪くなる。このような観点から、化合物(A)の含有量は、0.1〜4質量部であることが好ましく、0.15〜3質量部であることがより好ましく、0.2〜3質量部であることが更に好ましく、0.2〜2質量部であることがより更に好ましい。
上記化合物(A)は、金属粒子の近傍に存在することで極めて高い酸素吸収性を発揮するため、少量でも金属粒子の耐酸化性を向上させることができる。このため、できるだけ金属粒子の存在量を大きくしたい場合は、化合物(A)の含有量を金属粒子100質量部に対して0.1〜1質量部、更には0.1〜0.5質量部とすることができる。
<その他の成分>
金属粒子組成物は、希釈剤、顔料、染料、充填剤、紫外線吸収剤、増粘剤、低収縮化剤、老化防止剤、可塑剤、骨材、難燃剤、安定剤、繊維強化材、酸化防止剤、レベリング剤、たれ止め剤等、上記した成分以外の他の成分を更に含んでもよい。
なお、金属粒子組成物を含むペーストについては後述する。
[金属粒子組成物の製造方法]
本発明の実施形態に係る金属粒子組成物の製造方法は、金属粒子と化合物(A)とを混合する混合工程を含む。
上記混合工程において、金属粒子と化合物(A)とが混合されることにより、金属粒子近傍に化合物(A)が存在するようになるため、金属粒子の表面付近の酸素が化合物(A)によって吸収されやすくなる。
上記金属粒子組成物の製造方法は、金属粒子と化合物(A)とを均一に混合しやすくする観点から、混合工程において金属粒子と化合物(A)と有機溶剤とを混合し、更に上記有機溶剤を除去する溶剤除去工程を含むことが好ましい。
混合工程においては、各成分を添加する順序に特に制限はなく、化合物(A)を有機溶剤に混合してから金属粒子を更に添加してもよいし、金属粒子を有機溶剤に混合してから化合物(A)を更に添加してもよいし、化合物(A)と金属粒子とを同時に有機溶剤に添加してもよい。
混合工程においては、金属粒子及び化合物(A)とともに、必要に応じて用いるその他の成分を混合してもよい。その他の成分を添加する順序には特に制限はなく、化合物(A)とともに有機溶剤に添加してもよいし、金属粒子とともに有機溶剤に添加してもよい。
溶剤除去工程においては、上記の有機溶剤をエバポレーター等によって留去することにより、混合工程において調製された混合物から有機溶剤を除去することで、金属粒子組成物が得られる。
金属粒子組成物の製造に用いられる有機溶剤としては、例えば、アセトン、メタノール、テトラヒドロフラン等が挙げられる。
有機溶剤の使用量は、特に制限はないが、化合物(A)10gに対して、例えば1〜10Lとする。
[金属粒子組成物の用途]
上記金属粒子組成物は、耐酸化性に優れ、遷移金属触媒が不要で、既存の金属粒子に対しても適用可能であるため、幅広い分野に利用することができ、例えば、粉末冶金用の原料粉末や、積層セラミックコンデンサ用の焼成ペースト、インクジェット印刷等により配線を形成するための導電性ペーストや導電性インク用の材料として用いることができる。
[ペースト]
本発明の実施形態に係るペーストは、上記金属粒子組成物を含む。前述のとおり、上記金属粒子組成物は耐酸化性に優れるため、金属粒子の粒径が小さくても、電気抵抗が増大したり、熱伝導性が低下したりする問題を生じにくいペーストを得ることができる。
上記ペーストは、上述したように、金属粒子の粒径が小さくても、電気抵抗の増大や熱伝導性が低下等の問題を生じにくいため、例えば、電子部品の配線形成用の導電性ペーストや、積層セラミックコンデンサ用の焼成ペーストに用いることができる。
上記ペーストは、バインダーを含んでいてもよい。
バインダーとしては、樹脂と溶媒とを含むものが挙げられる。ペーストがバインダーを含むことで、金属粒子をプリント配線板等の対象物に密着固化させる機能を付与することができる。
バインダーに含まれる樹脂としては、熱硬化性樹脂又は紫外線硬化樹脂であることが好ましい。電子線等の他のエネルギー線により硬化される樹脂であってもよい。例えば、樹脂が熱硬化性樹脂である場合、ペーストを加熱することにより、固化させることができ、樹脂が紫外線硬化樹脂である場合、ペーストに紫外線を照射することにより、当該ペーストを固化させることができる。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ポリエステル樹脂、ウレタン変性ポリエステル樹脂、エポキシ変性ポリエステル樹脂、アクリル変性ポリエステル樹脂などの各種変性ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエーテルウレタン樹脂、ポリカーボネートウレタン樹脂、アクリルウレタン樹脂、塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、アルキド樹脂、アルキドフェノール樹脂、ブチラール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、ニトロセルロース、セルロース・アセテート・ブチレート、セルロース・アセテート・プロピオネート等の変性セルロース等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。過酸化物等の熱重合触媒を熱硬化性樹脂と併用してもよい。
紫外線硬化樹脂としては、光重合性モノマーが用いられる。すなわち、光重合性モノマーが重合することにより、紫外線硬化樹脂となる。
光重合性モノマーとしては、特に限定されないが、例えば、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリウレタンジ(メタ)アクリレート、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、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性トリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
これらは、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、光重合開始剤や光増感剤等を紫外線硬化樹脂と併用してもよい。
バインダーに含まれる溶媒は、金属粒子と樹脂とを混合する機能を有する。なお、溶媒は、ペーストをプリント配線板等の対象物に密着固化させる際に揮発除去される。
かかる溶媒としては、不活性であれば特に限定されないが、例えば、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、テトラメチルベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン、デカン、オクタン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類、セロソルブ、メチルセロソルブ、カルビトール、メチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールノルマルブチルエーテル等のグリコールエーテル類、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジヒドロターピニルアセテート、イソボニルアセテート、イソボニルプロキネート、イソボニルブチレート、イソボニルイソブチレート、セロソルブアセテート、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチル−3−エトキシプロピオネート、ブチルセロソルブアセテート、カルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート等のエステル類、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、テルピネオール、ブチルカルビトール等のアルコール類、当該高級アルコールとカルボン酸とのエステル類等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
上記ペーストにおけるバインダーの含有量は、導電性及び密着性の観点から、金属粒子100質量部に対して、好ましくは10〜50質量部、より好ましくは12.5〜33.3質量部である。
上記ペーストの25℃における粘度は、取り扱い性の観点から、好ましくは10〜200,000mPa・s、より好ましくは1,000〜100,000mPa・sである。上記の粘度は、例えば、コーンプレート型粘度計により測定することができる。なお、上記ペーストをインクジェット等のノズルからの吹き付けによって対象物に付与する場合は、上記ペーストを有機溶媒等で更に希釈して用いればよい。
上記ペーストの25℃におけるチキソ比は、取り扱い性の観点から、好ましくは1.0〜4.0、より好ましくは、1.5〜3.5である。ここで、25℃におけるチキソ比とは、25℃における剪断速度10s−1での粘度/25℃における剪断速度100s−1での粘度、で表される値である。
上記ペーストを構成する金属粒子組成物に含まれる金属粒子の形状に特に制限はなく、上述したように各種の形状とすることができるが、特に球状であることが好ましい。
ペーストに含まれる金属粒子が球状であると流動性が向上するので、球状の金属粒子を含むペーストをインクジェットヘッド等のノズルから対象物に吹き付ける場合、ノズルの目詰まりを抑制しやすくなり、延いては、プリント配線板の導電回路等を所望の位置に形成しやすくなる。
上記ペーストには、上記金属粒子組成物に含まれ得る他の成分として挙げた各種の成分が更に含まれていてもよい。
また、上記ペーストは導電性有機化合物を含んでいてもよい。導電性有機化合物としては、導電性を有する共役系の有機化合物を用いることができ、例えば、ペンタセン等の多環式芳香族、ポリアセチレン、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ(p−フェニレンスルフィド)、ポリフェニレンビニレン等の導電性高分子、導電性液晶等が挙げられる。
これらの中でも、導電性をより向上させる観点から、導電性液晶が好ましく、2種類以上の導電性液晶の混合物であることがより好ましい。導電性液晶は、金属粒子間に規則的に配向することにより、ペーストの導電性をより向上させる。
上記ペーストの製造方法に特に制限はなく、従来公知の各種の製造方法を用いることができる。例えば、金属粒子組成物とバインダーと、必要に応じて用いられる他の成分とを、公知の方法で混合することにより製造することができる。
上記ペーストは、プリント配線板等の対象物に付与された後、例えば100℃以上で加熱処理することにより、バインダー中の溶媒が揮発するとともに、バインダー中の樹脂が熱硬化性樹脂である場合は、これが硬化する。バインダー中の樹脂が紫外線硬化性樹脂である場合は、加熱後又は加熱に加えて紫外線を照射することにより、これが硬化する。
こうして、ペーストを固化すると、隣り合う金属粒子同士が接触した状態、あるいは、隣り合う金属粒子同士が導電性有機化合物を介して連結した状態を維持しつつ、均一に分散された状態でプリント配線板等に密着固化させることができる。
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例及び比較例で得られた組成物の評価方法を以下に説明する。
<酸化された金属粒子の割合>
各組成物の耐酸化性を評価するため、以下の手順で、酸化された金属粒子の割合を測定した。
後述する実施例1〜10及び比較例2〜4で得た金属粒子組成物と、比較例1の金属粒子とを、それぞれ100mg使用し、空気下、80℃で5時間加熱した。加熱後の金属粒子組成物及び金属粒子に10%塩酸水溶液を5mL加えて一晩静置した。得られた溶液の上澄みを、UVスペクトロメーター(株式会社日立ハイテクサイエンス製UV−3900)を用いてUV−vis吸収分光分析を行い、塩化銅(II)を標品として820nmでの吸光度にて定量を行い、酸化された銅粒子の割合を算出した。
また、後述する実施例11で得た金属粒子組成物と、比較例5の金属粒子とを、それぞれ100mg使用し、空気下、80℃で5時間加熱した。加熱後の金属粒子組成物及び金属粒子に10%臭素メタノール溶液を10mL加えて一晩静置した。残渣の重量測定により、酸化された鉄粒子の割合を算出した。
<熱重量測定>
後述する実施例1で得た金属粒子組成物について、熱重量示差熱分析装置(株式会社島津製作所製TGA−50)を用いて、窒素雰囲気下、室温から600℃へ昇温して試料を加熱した。そして、加熱後の各試料の重量変化を分析することにより、金属粒子への化合物(A)の添加による金属粒子以外の成分の残存量を調べた。
実施例及び比較例で使用した金属粒子及び化合物は以下のとおりである。
<金属粒子>
・銅粒子:富士フイルム和光純薬株式会社製銅粉末、最大粒子径75μm
・鉄粒子:富士フイルム和光純薬株式会社製アトマイズ鉄粉、最大粒子径180μm
<化合物(A)>
・化合物(A−1):1,3−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−2−ヒドロキシプロパン
・化合物(A−2):α−(3−メチル−2−ブテノキシ)−ω−ヒドロキシポリ[オキシ(3−メチル−2−ブテノキシメチルエタン−1,2−ジイル)]
・化合物(A−3):α−メトキシ−ω−ヒドロキシポリ[オキシ(3−メチル−2−ブテノキシメチルエタン−1,2−ジイル)]
・化合物(A−4):ペンタエリスリトールテトラアリルエーテル
・化合物(A−5):1,9−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−ノナン
・化合物(A−6):シクロヘキサン−1,1−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ−メタノール)
・化合物(A−7):ジエチレングリコール−ビス(3−メチル−2−ブテン)エーテル
・化合物(A−8):1,1−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−3−メチル−2−ブテン
<比較化合物>
・プレノール(株式会社クラレ製)
・酢酸プレニル(富士フイルム和光純薬株式会社製)
・MDEA:メチルジエタノールアミン(富士フイルム和光純薬株式会社製)
化合物(A−1)〜(A−8)は以下の方法によって合成した。
[製造例1](化合物(A−1)の合成)
撹拌機、温度計、滴下ロートを備えた反応器に、窒素気流下、3−メチル−2−ブテン−1−オール61.8g(0.717mol)、水酸化カリウム36.84g(0.657mol)を仕込んだ。内温を10℃以下に保持し、撹拌しながらエピクロロヒドリン19.34g(0.209mol)を滴下し、滴下終了後50℃に昇温した。内温50℃で6時間撹拌し、その後25℃まで冷却した。反応液を4M塩酸水溶液で中和し、上層をイオン交換水310mLで洗浄した。得られた有機層を蒸留により精製し、下記の式(A−1)で表される1,3−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−2−ヒドロキシプロパン28.77g(0.126mol;収率60.3%)を得た。
Figure 0006970324
[製造例2](化合物(A−2)の合成)
撹拌機、温度計、滴下ロートを備えた反応器に、窒素気流下、3−メチル−2−ブテン−1−オール1654g(19.2mol)、50%水酸化ナトリウム水溶液1842g(23.0mol)、ドデシルベンジルジメチルアンモニウムクロリド28g(0.084mol)を仕込んだ。内温を60℃以下に保持し、撹拌しながらエピクロロヒドリン1776g(19.2mol)を滴下し、滴下終了後90℃に昇温した。内温90℃で9時間撹拌し、その後25℃まで冷却した。反応液を7.5%炭酸水素ナトリウム水溶液5000gで洗浄後、上層をイオン交換水5000mLで洗浄した。得られた有機層から蒸留により水及び未反応の3−メチル−2−ブテン−1−オールを留去し、前記一般式(A−1)で表されるα−(3−メチル−2−ブテノキシ)−ω−ヒドロキシポリ[オキシ(3−メチル−2−ブテノキシメチルエタン−1,2−ジイル)]1,996g(収率73%)を得た。GPC測定より、得られた化合物の数平均分子量=300、重量平均分子量=360(ポリスチレン換算)であった。
Figure 0006970324
[参考例1]
1−(3−メチル−2−ブテノキシ)−2,3−エポキシプロパンの合成
撹拌機、温度計、滴下ロートを備えた反応器に、窒素気流下、3−メチル−2−ブテン−1−オール324g(株式会社クラレ製、3.77mol)、シクロヘキサン2300mL、水酸化ナトリウム226g(富士フイルム和光純薬株式会社製、5.65mol)、トリオクチルメチルアンモニウムクロリド15.2g(東京化成工業株式会社製、37.3mmol)、精製水226mLを仕込んだ。内温を25℃以下に保持し、撹拌しながら、エピクロロヒドリン698g(富士フイルム和光純薬株式会社製、7.54mol)を90分かけて滴下し、滴下終了後は30分かけて40℃に昇温した。内温40℃で3時間撹拌し、その後25℃まで冷却した。反応液の上層を飽和食塩水670mLで5回洗浄し、有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した。その後、硫酸ナトリウムをろ過して除去し、ろ液を濃縮して濃縮物536gを得た。係る濃縮物を蒸留により精製し、下記式(a)に示した1−(3−メチル−2−ブテノキシ)−2,3−エポキシプロパン242g(1.67mol;収率44%)を得た。
Figure 0006970324
[製造例3](化合物(A−3)の合成)
撹拌機、温度計、滴下ロートを備えた反応器に、窒素気流下、1−(3−メチル−2−ブテノキシ)−2,3−エポキシプロパン20g(0.14mol)、ナトリウムメトキシド76mg(1.4mmol)を仕込んだ。内温を110℃に昇温して9時間撹拌し、その後25℃まで冷却した。反応液に1mlの酢酸を加えた後、エバポレーションにより低沸成分を除去し、下記の一般式(A−3)で表されるα−メトキシ−ω−ヒドロキシポリ[オキシ(3−メチル−2−ブテノキシメチルエタン−1,2−ジイル)]18.8g(収率94%)を得た。GPC測定より、得られた化合物の数平均分子量=4,800、重量平均分子量=7,600(ポリスチレン換算)であった。
Figure 0006970324
[製造例4](化合物(A−4)の準備)
市販の富士フイルム和光純薬株式会社製ペンタエリスリトールテトラアリルエーテルを下記の一般式(A−4)で表される上記化合物(A−4)として使用した。
Figure 0006970324
[製造例5](化合物(A−5)の合成)
撹拌機、温度計を備えた反応器に、窒素気流下に1,9−ノナンジオール24.86g(155.12mmol)、水酸化カリウム19.27g(343.44mmol)、ヨウ化カリウム0.53g(3.17mmol)、テトラヒドロフラン100.15gを仕込んだ。内温を65℃に昇温し、撹拌しながら3−メチル−2−ブテンクロリド35.45g(338.97mmol)を滴下し、滴下終了後、内温65℃で6時間撹拌した。反応液にイオン交換水100gを加え、得られた有機層を蒸留によって精製し、下記一般式(A−5)で表される1,9−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−ノナン10.01g(33.76mmol;収率21.8%)を得た。
Figure 0006970324
[製造例6](化合物(A−6)の合成)
撹拌機、温度計を備えた反応器に、窒素気流下、シクロヘキサン−1,1−ジメタノール25.00g(173.33mmol)、水酸化カリウム21.42g(381.83mmol)、ヨウ化カリウム0.59g(3.53mmol)、テトラヒドロフラン100.25g、ジエチレングリコールジメチルエーテル10.00gを仕込んだ。内温を65℃に昇温し、撹拌しながら3−メチル−2−ブテンクロリド39.43g(377.03mmol)を滴下し、滴下終了後、内温65℃で6時間撹拌した。水酸化カリウム10.1g(180.15mmol)、ヨウ化カリウム1.22g(7.34mmol)、3−メチル−2−ブテンクロリド9.86g(94.28mmol)を加え、更に35時間攪拌した。反応液にイオン交換水100gを加え、得られた有機層を蒸留によって精製し、下記一般式(A−6)で表されるシクロヘキサン−1,1−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ−メタノール)17.42g(62.11mmol;収率36%)を得た。
Figure 0006970324
[製造例7](化合物(A−7)の合成)
撹拌機、温度計を備えた反応器に、窒素気流下にジエチレングリコール25.01g(235.70mmol)、水酸化カリウム29.12g(519.05mmol)、ヨウ化カリウム0.79g(4.73mmol)、テトラヒドロフラン100.30gを仕込んだ。内温を65℃に昇温し、撹拌しながら3−メチル−2−ブテンクロリド54.28g(519.07mmol)を滴下し、滴下終了後、内温65℃で7時間撹拌した。反応液にイオン交換水150gを加え、得られた有機層を蒸留によって精製し、下記一般式(A−7)で表されるジエチレングリコール−ビス(3−メチル−2−ブテン)エーテル33.34g(137.57mmol;収率58%)を得た。
Figure 0006970324
[製造例8](化合物(A−8)の合成)
撹拌機、温度計、冷却管およびディーンスターク装置を備えた反応器に、窒素気流下にプレノール172g(2.0mmol)、3−メチル−2−ブタナール84g(1.0mol)およびマレイン酸2.6g(22mmol)を攪拌しながら仕込んだ。内温を95℃に昇温し、内圧を10.6kPaまで減圧して、還流させながら脱水して4時間攪拌を行った。反応液に炭酸ナトリウム4.0gを加えて攪拌した後、得られた有機層を蒸留によって精製し、下記一般式(A−8)で表される1,1−ビス(3−メチル−2−ブテノキシ)−3−メチル−2−ブテン124g(0.52mol,収率52%)得た。
Figure 0006970324
<実施例1>
銅粒子1gに対してアセトン5mL及び化合物(A−1)を20mg(銅粒子100質量部に対して2質量部)加えて攪拌した後、エバポレーションによりアセトンを留去して金属粒子組成物を得た。実施例1の上記評価の結果を表1に示す。
<実施例2〜11、比較例1〜5>
使用する化合物(A)の種類と使用量、及び、金属粒子の種類を表1及び表2に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同じ手順で金属粒子組成物を得た。なお、比較例1及び比較例5は化合物(A)や有機溶剤を添加することなく、金属粒子を単独で用いた。実施例2〜11及び比較例1〜5の上記評価の結果を表1及び表2に示す。
Figure 0006970324
Figure 0006970324
表1の結果から明らかなように、一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を含む実施例1〜10の金属粒子組成物はいずれも、金属粒子単体の比較例1と比べて、酸化された粒子の割合が少なく、耐酸化性に優れていることが判る。また、実施例2及び実施例3の金属粒子組成物は、化合物(A)の量を少なくしても、化合物(A)を含まない比較例2〜4の組成物や金属粒子単体の比較例1に比べて高い耐酸化性を示すことが判る。
一方、上記化合物(A)とは構造が異なる化合物を含む比較例2、3の金属粒子組成物は、比較例1よりは酸化された粒子の割合が少なかったものの、実施例1〜10の金属粒子組成物に比べて、酸化された粒子の割合が非常に多かった。また、上記化合物(A)の代わりに、一般的な還元剤であるMDEAを用いた比較例1の金属粒子組成物も実施例1〜10の金属粒子組成物に比べて、酸化された粒子の割合が非常に多かった。プレノールのように分子末端がアルコール構造の化合物、酢酸プレニルのように分子末端がエステル構造の化合物、及び、MDEAのような還元剤では、金属粒子の耐酸化性を十分向上させられないことが判る。
また、表2の結果から明なように、金属粒子として鉄粒子を用いた場合も、一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を含む実施例11の金属粒子組成物は、鉄粒子単体の比較例5比べて、酸化された粒子の割合が少なく、耐酸化性に優れていることが判る。
また、実施例1の金属粒子組成物についての熱重量測定の結果、加熱後に残存する成分の総重量は金属粒子の処方量と同一であった。つまり、化合物(A)を添加しても、金属粒子に異種成分が残存せず、金属粒子を、化合物(A)を添加する前の純度で使用できることが判る。

Claims (8)

  1. 金属粒子100質量部に対して、下記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)を0.1〜5質量部含む金属粒子組成物。
    Figure 0006970324

    (一般式(I)中、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
  2. 前記一般式(I)におけるR及びRが、それぞれ独立して炭素数1〜4のアルキル基である、請求項1に記載の金属粒子組成物。
  3. 前記金属粒子が、銅及び鉄からなる群から選択される少なくとも1種の金属からなる、請求項1又は2に記載の金属粒子組成物。
  4. 前記一般式(I)で表される構造を含む化合物(A)が、下記一般式(II)で表される構造を含む化合物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属粒子組成物。
    Figure 0006970324

    (一般式(II)中、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。R及びRは、それぞれ独立して、水素原子;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数1〜6のアルコキシ基;炭素数2〜6のアルケニル基;炭素数2〜6のアルケニルオキシ基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。Rは、水素原子;(メタ)アクリル基;炭素数1〜6のアルキル基;炭素数2〜6のアルケニル基;アリール基;又は、アラルキル基を表す。)
  5. 化合物(A)の少なくとも一部が、前記金属粒子に付着している、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属粒子組成物。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属粒子組成物の製造方法であって、前記金属粒子と化合物(A)とを混合する混合工程を含む、金属粒子組成物の製造方法。
  7. 前記混合工程においては、前記金属粒子と化合物(A)と有機溶剤とを混合し、更に、前記有機溶剤を除去する溶剤除去工程を含む、請求項6に記載の金属粒子組成物の製造方法。
  8. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属粒子組成物を含むペースト。
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