JP7177912B2 - ナノカーボン分散液の製造方法、ナノカーボン分散剤及び電磁波遮蔽材 - Google Patents
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Description
本実施形態に係るナノカーボン分散液は、ナノカーボンとセルロースナノクリスタルと分散媒とを含有する。
本実施形態に係るナノカーボン分散液の製造方法は、ナノカーボンとセルロースナノクリスタルと分散媒とを含有する混合液を分散機で分散処理することを特徴とする。
ナノカーボン分散剤は、ナノカーボンを分散させるための薬剤である。本実施形態に係るナノカーボン分散剤は、セルロースナノクリスタルを含有する。ナノカーボン分散剤の形態としては、例えば、セルロースナノクリスタルを水に分散させた状態のスラリー品(以下、形態Lという。)、該スラリー品を乾燥させて得られるセルロースナノクリスタルのスプレードライ品(以下、形態Mという。)、又は該スラリー品の分散媒を水以外の分散媒に置換した分散液(以下、形態Nという。)がある。ナノカーボン分散剤が、形態Lである場合、ナノカーボンを形態Lのスラリー品に添加することによって、分散媒が水であるナノカーボン分散液を容易に調製することができる。ナノカーボン分散剤が、形態Mである場合、使用の形態としては、例えば、ナノカーボンとナノカーボン分散剤とを分散媒に同時に添加すること、又はナノカーボンを分散媒に分散させた液中にナノカーボン分散剤を添加することがある。ここにおいて、分散媒が水ならば、ナノカーボンの疎水性の観点から、ナノカーボンとナノカーボン分散剤とを分散媒に同時に添加することが好ましい。ナノカーボン分散剤が、形態Nである場合、ナノカーボンを形態Nの分散液に添加することによって、分散媒が水以外の分散媒であるナノカーボン分散液を容易に調製することができる。
本実施形態に係る電磁波遮蔽材は、基材と該基材の表面に設けられた塗工層とを有し、該塗工層がナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有する。
本実施形態に係る電磁波遮蔽材は、フィルムの形状を有し、該フィルムがナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有する。
針葉樹サルファイトパルプのシートを乾式で粗粉砕して綿状繊維とし、この綿状繊維の固形分濃度が3質量%となるように、64%硫酸水溶液に綿状繊維を添加して第1の懸濁液を調製し、懸濁液中にて45℃で60分間綿状繊維を加水分解させた。第1の懸濁液をイオン交換水により5倍に希釈し、懸濁物を沈降させて上澄み液を除く操作を、上澄み液のpHが5以上になるまで繰り返した。得られた懸濁物を遠心分離により濃縮し、その後イオン交換水を添加して固形分濃度を2質量%に調整し、第2の懸濁液を得た。第2の懸濁液を超音波ホモジナイザー(US300E、日本精機製作所製)により解繊処理し、次いでスプレードライ方式により水を除去しパウダー状のCNCを得た。
各実施例及び比較例で用いるカーボンナノチューブは下記のとおりである。尚、各カーボンナノチューブは市販品である。
CNT(A):カーボンナノチューブ
(商品名:K-nanos100P、多層型CNT、Kumho Petrochemical社製、繊維長(Bundle Diameter)3μm、繊維径8~15nm、比表面積220m2/g)
CNT(B):カーボンナノチューブ
(商品名:nanocyl-7000、多層型CNT、nanocyl社製、数平均繊維長1.5μm、数平均繊維径9.5nm、比表面積250~300m2/g)
得られたCNCを分散剤としてイオン交換水に添加して攪拌し、次いでCNT(A)をイオン交換水と共に徐々に添加し、混合液を得た。混合液中のCNCの濃度は2質量%であり、CNT(A)の濃度は2質量%であった。得られた混合液を、バイオミキサー(BM-2型、日本精機製作所)を用いて30分間分散処理し、60メッシュ篩で濾した後、高圧ホモジナイザー(商品名:アルティマイザー、スギノマシン社製)により200MPaの圧力にて10回パスさせカーボンナノチューブ分散液を得た。
混合液中のCNCの濃度が0.2質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
混合液中のCNCの濃度が10質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
混合液中のCNT(A)の濃度が1質量%になるようにCNT(A)を添加し、CNCの濃度が1質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
混合液中のCNT(A)の濃度が1質量%になるようにCNT(A)を添加し、CNCの濃度が0.1質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
混合液中のCNT(A)の濃度が1質量%になるようにCNT(A)を添加し、CNCの濃度が10質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
CNT(A)をCNT(B)に変更し、混合液中のCNT(B)の濃度が1.5質量%になるようにCNT(A)を添加し、CNCの濃度が1.5質量%になるようにCNCを添加した以外は実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を得た。
CNCを、広葉樹クラフトパルプを機械的に解繊処理(処理機:スーパーマスコロイダー、増幸産業社製)することにより得られたセルロースナノファイバー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を得た。
CNCをカルボキシメチルセルロース(CMC、セロゲンPR、第一工業製薬製)に変更した以外は実施例1と同様にして処理したが、高圧ホモジナイザー処理中に粘度が上昇し、高圧ホモジナイザー内が閉塞して目的とするカーボンナノチューブ分散液を得ることができなかった。
CNCをカルボキシメチルセルロース(CMC、セロゲンWS-C、第一工業製薬製)に変更し、混合液中のCNT(A)の濃度が1.5質量%になるようにCNT(A)を添加し、カルボキシメチルセルロースの濃度が1.5質量%になるようにカルボキシメチルセルロースを添加した以外は実施例1と同様にして処理したが、高圧ホモジナイザー処理中に粘度が上昇し、高圧ホモジナイザー内が閉塞して目的とするカーボンナノチューブ分散液を得ることができなかった。
混合液にCNCを添加しなかった以外は実施例1と同様にして、カーボンナノチューブ分散液を得た。
CNCを、分散効果を有する界面活性剤(ドデシル硫酸ナトリウム、東京化成工業社製)に変更した以外は実施例1と同様としたが、バイオミキサーでの分散処理の段階で多量の泡が発生し、高圧ホモジナイザーでの処理を行うことができなかった。
分散処理して得られたナノカーボン分散液をCNT濃度が0.05質量%となるようイオン交換水で希釈し、ガラス製バイアル瓶で1時間放置した後に目視観察にて以下の基準で評価した。
A:凝集物の沈降及びCNTと水との分離が無く良好である。
B:凝集物の沈降は無く、CNTと水との分離が僅かであり良好である。
C:細かい凝集物があり、CNTと水との小さな分離も確認できる(実用下限)。
D:凝集物の殆どが大きく、水との分離も大きい(実用不可)。
分散処理して得られたナノカーボン分散液の粘度をB型粘度計(No.1~4ローター)(商品名:B型粘度計、型式:BM、東京計器製作所製)を用い、20℃にて回転数60rpmで1分間回転させて粘度を測定し、その数値から下記A~Dの基準で評価した。
A:B型粘度は100mPa・s以下であり、流動性が非常に良好である。
B:B型粘度は1000mPa・s以下であり、流動性が良好である。
C:B型粘度は2000mPa・s以下であり、流動性が確認できる(実用下限)。
D:B型粘度は5000mPa・sを超え、流動性に欠ける(実用不可)。
実施例6の分散液に相当する分散液1、実施例3の分散液に相当する分散液2、実施例1の分散液に相当する分散液3、及び実施例5の分散液に相当する分散液4をそれぞれ調製した。分散液1~分散液4の調製で用いるカーボンナノチューブはCNT(A)であり、分散剤はCNCであった。
支持体である上質紙に顔料塗工層が設けられた紙(北越コーポレーション社製の「ミューコートネオス」(登録商標)、坪量157g/m2)を「紙基材」として準備し、分散液1をバーコーターによって紙に塗工させた後、120℃で3分間乾燥させて水分を蒸発させ、塗工紙を作製した。すなわち、「塗工紙」は、紙基材に、CNTとCNCとを含有する塗工層が設けられたものである。分散液2、分散液3及び分散液4についても、それぞれ、分散液1の場合と同様の操作によって、塗工紙をそれぞれ作製した。塗工量については、各塗工紙の塗工層の理論的な厚さが一定になるように塗工量を調整した。
分散液1、分散液2、分散液3及び分散液4を、それぞれ直径8.5cmのシャーレに入れて、50℃で一晩乾燥させて水分を蒸発させ、乾燥フィルムをそれぞれ作製した。すなわち、「乾燥フィルム」は、CNTとCNCとを含有するシートであり、紙などの基材に設けられていない状態のものである。作製後、得られた各乾燥フィルムの成膜性を観察した。具体的な評価基準は、以下のとおりである。
A:シャーレ全面に、フィルムの形状及び柔軟性を有し、クラックがなく、かつナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有する固形物が形成された。
B:シャーレ全面に、フィルムの形状及び柔軟性を有し、かつナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有する固形物が形成されたが、この固形物には、クラックが生じていた。
C:シャーレの黒いスポットの部分のみに、フィルムの形状及び柔軟性を有し、クラックがなく、かつナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有する固形物が形成された。
図1a~図1dは、カーボンナノチューブ分散液をシャーレに入れて50℃で一晩乾燥させて得られた乾燥フィルムの外観の画像である。表2に、乾燥フィルムの製膜性の評価結果を示した。
同軸管法において、「S21」を測定することにより、電磁波シールド性を評価した。「S21」は透過損失に相当し、「S21」の絶対値が大きいほど、電磁波シールド性が高い。試験機としては、ROHDE&SCHWARZ社製のネットワークアナライザー「ZVA67」、及びKEYCOM社製のシールド効果測定キット「S-39D」と「GPC7」を用いた。測定周波数を、45MHz~3GHzと、500MHz~18GHzと、で分けて測定を行った。
(1)CNTとCNCとの比率を変えたときの評価結果
上記のように作製した塗工紙および乾燥フィルムの電磁波シールド性を評価した。表2に、塗工紙の電磁波シールド性の評価結果を示した。図2及び図3は、測定周波数に対する塗工紙の「S21」の変化を示すグラフであって、図2における測定周波数は45MHz~3GHzであり、図3における測定周波数は500MHz~18GHzである。表2に示す@300MHzと表記した「S21」は、図2から周波数が300MHzのときの値を抜き出したものである。表2に示す@7GHzと表記した「S21」は、図3から周波数が7GHzのときの値を抜き出したものである。図4は、表2に示す「CNTとCNCとの合計質量に対するCNTの質量割合」に対して「S21」をプロットしたグラフである。「CNTとCNCとの合計質量に対するCNTの質量割合」は、CNTの質量とCNCの質量との合計を100質量%としたときのCNTが占める割合(質量%)である。
上述した分散液3(分散液中のCNTと分散剤との質量基準の含有比率1:1)を用い、分散液3の塗工量を変えることによって分散液の塗工層の厚さをそれぞれ変えた以外は、上述した塗工紙の作製と同様に、塗工紙をそれぞれ作製した。また、上述した分散液3を用い、分散液3をシャーレに入れる量を変えることによって乾燥フィルムの厚さを変えた以外は、上述した乾燥フィルムの作製と同様に、乾燥フィルムを作製した。乾燥フィルムの厚さは、分散液の塗工層の厚さの測定と同様に、SEMの解析にて測定した。そして、塗工紙及び乾燥フィルムの電磁波シールド性を評価した。
以上の電磁波シールド性の評価は同軸管法で行ったが、本評価ではIEC 62333に準拠した近傍界用電磁波評価システムを用いて、マイクロストリップライン法によって電磁波吸収性の評価を行った。上述した「(2)厚さを変えたときの評価」での塗工紙の作製と同様に、塗工量を変えて分散液3を塗工して、分散液の塗工層の厚さが異なる(分散液の塗工層の厚さ0.4μm、2.4μm、4.5μm)塗工紙を作製した。そして、塗工紙の電磁波吸収性を評価した。さらに、参考例として、紙基材(北越コーポレーション社製の「ミューコートネオス」、坪量157g/m2)、及びアルミ箔(厚さ6.5μm)の電磁波吸収性を評価した。
図9は、マイクロストリップライン法による電磁波吸収性の評価結果を示すグラフである。なお、図9の縦軸の「Rtp」は、伝送減衰率を示す。伝送減衰率の絶対値が大きいほど、電磁波吸収性が高い。
Claims (11)
- ナノカーボンとセルロースナノクリスタルと分散媒とを含有する混合液を分散機で分散処理する工程を有し、
前記混合液が、前記分散媒に前記セルロースナノクリスタルを添加して攪拌した後に前記ナノカーボンを添加して調製した混合液であることを特徴とするナノカーボン分散液の製造方法。 - 前記ナノカーボンの濃度が1質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記ナノカーボンと前記セルロースナノクリスタルとの質量基準の含有比率(ナノカーボン:セルロースナノクリスタル)が1:0.1~1:10であることを特徴とする請求項1又は2に記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記ナノカーボンの濃度が1質量%以上4質量%以下であり、かつ前記ナノカーボンと前記セルロースナノクリスタルとの合計濃度が1質量%を超えて15質量%以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1つに記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記分散媒が極性溶媒であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1つに記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記極性溶媒が、アルコール類、ケトン類、アミド類若しくは水又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項5に記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記セルロースナノクリスタルがスプレードライ品であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1つに記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- 前記分散機がホモジナイザーであることを特徴とする請求項1~7のいずれか1つに記載のナノカーボン分散液の製造方法。
- セルロースナノクリスタルを含有することを特徴とするナノカーボン分散剤。
- 基材と該基材の表面に設けられた塗工層とを有し、該塗工層がナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有することを特徴とする電磁波遮蔽材。
- フィルムの形状を有し、該フィルムがナノカーボンとセルロースナノクリスタルとを相互に混合状態で含有することを特徴とする電磁波遮蔽材。
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