JPH046222B2 - - Google Patents

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JPH046222B2
JPH046222B2 JP7411283A JP7411283A JPH046222B2 JP H046222 B2 JPH046222 B2 JP H046222B2 JP 7411283 A JP7411283 A JP 7411283A JP 7411283 A JP7411283 A JP 7411283A JP H046222 B2 JPH046222 B2 JP H046222B2
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JP
Japan
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polymer
aromatic
conductivity
heat
weight loss
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Application number
JP7411283A
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English (en)
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JPS59199754A (ja
Inventor
Yoshitsugu Isamoto
Mutsuaki Murakami
Susumu Yoshimura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Synthetic Chemical Industry Co Ltd
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Nippon Synthetic Chemical Industry Co Ltd
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nippon Synthetic Chemical Industry Co Ltd, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Nippon Synthetic Chemical Industry Co Ltd
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Publication of JPH046222B2 publication Critical patent/JPH046222B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/31Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating aromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/312Non-condensed aromatic systems, e.g. benzene

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
a 産業上の利用分野 本発明は高分子よりなる新規な電導体に関す
る。特に本発明は電子回路素子用電導体、各種セ
ンサー材料などに利用される熱的および化学的安
定性が高くかつ可撓性を有する高電導性高分子電
導体に関する。 b 従来例の構成とその問題点 従来絶縁体として知られている高分子材料に電
気伝導性を付与し、新規な機能を発現させようと
いう動きが最近活発に行なわれているが、その手
法としては大きく分けて2つの方法がある。その
第一はポリアセチレン、ポリパラフエニレンなど
に代表される線状の共役高分子に不純物を多量に
添加するいわゆる化学的ドーピングによる方法で
ある。この方法ではポリアセチレンで最高
4000S/cmの電導度が実現されており、一見最良
の方法であるように思われる。しかしながら、高
電導度を達成するには、添加物として5フツ化ヒ
素のような超強酸あるいはヨウ素のようなハロゲ
ン分子を用いることが必須で、このようにして得
られた電導体は空気中での安定性に劣り、エレク
トロニクス部品等の高度の信頼性を要求される分
野で使用することはほとんど不可能である。高電
導性高分子を実現する第二の方法として、高分子
の熱分解がある。この方法は高分子を真空中ある
いは不活性気体中で熱処理し、分解および重縮合
反応を経て、炭素質物を形成させる方法である
が、どのような高分子を出発材料として用いても
高電導性生成物が得られるのではない。たとえば
従来知られている高分子で比較的高い電導度を与
えるものは、ポリアクリロニトリル(以下PAN
と記載する)とポリイミド(以下PIと記載する)
のみである。PANでは900℃の熱分解で20S/cm
の電導度が(N.GrassieおよびJ.C.McHeil氏,
Journal of Polymer Science誌27巻707頁(1958
年))またPIでは800℃48時間の熱分解で100S/
cmの電導度が(H.B.Brom氏等、Solid State
Communications誌35巻135頁(1980年))得られ
ている。このような熱分解高分子は耐熱性および
化学的安定性に優れ、また、出発高分子の性質に
従い、皮膜、粉末、繊維など任意の形状で得られ
るという利点があるため、工業的な利用を考える
場合は、化学ドーピングによつて得られる電導性
高分子より遥かに重要な材料であると言える。し
かしながら、この様な高分子の熱分解法をもちい
て高い電導度を得るためには800℃以上の高温が
必要である事、又せつかく得られた生成物に可撓
性がなく、可撓性の要求される様な利用は出来な
い事、の2つの欠点を有している。すなわち、比
較的低温で上記の様な高電導性が実現出来れば、
製造コストの面で大きなメリツトとなり、さらに
生成物が可撓性を有しているならば、その応用の
範囲は大きく広がるものと考えられる。 c 発明の目的 本発明は以上のような電導性高分子に関するい
くつかの問題点を解決するためになされたもの
で、特定条件による熱分解法と化学的ドーピング
法を組み合せる事により、従来の熱処理温度に比
べて、より低温で安定性と高電導性をかねそなえ
た電導性高分子を提供する事を目的とする。さら
に本発明は上記熱処理温度を限定する事によつて
安定性と高電導性に加えて可撓性をもそなえた電
導性高分子を提供する事を目的とする。 d 発明の構成 熱分解により高電導体となる高分子が従来
PANとPIに限られていたことは、一方ではその
ような高分子を設計および合成することの難しさ
を意味し、他方では高分子構造が電導性と密接に
関係している事を示している。すなわち、真空中
又は不活性ガス中の熱処理によつて高い電導性を
得るためには、出発高分子は次の2つの条件を具
備していなければならない。(1)熱分解反応におい
て単に高分子が低分子に分解して反応系から揮発
するだけではなく、同時に再結合反応が進行する
事。(2)その再結合反応によつてベンゼン環などが
縮合した多環構造が発達する事。 しかしながら、この(2)の条件が進行する事は同
時に高分子の可撓性が減少する事を意味してお
り、可撓性を保つためには縮合芳香族環の発達を
適当な段階で止める必要がある。むろんそれは高
い電導性が表われない事を意味しているが、我々
はこの様な芳香族環未発達の構造の物質において
も、未発達の縮合芳香族環同志の間に適当な電導
パスを作る事が出来れば高い電導度が得られるの
ではないかと考えた。そしてその様な電導パスを
化学的なドーピングによつて作り出そうと考え
た。 したがつて、本発明の最も基本的な構成は高分
子を、最高で、その高分子の可撓性が失われる直
前の温度にまで加熱し、その後その材料に化学的
なドーピングを行なつて高電導性を付与する、と
言う2段階の処理によつて成り立つている。 上記の様な考察にもとずき我々は数多くの高分
子を検討した。その結果、多くの高分子は、上記
(1),(2)の条件を満足しなかつたが、芳香族ポリア
ミド類、芳香族ポリイミド類、芳香族ポリアミド
イミド類、芳香族ポリオキサジアゾール類、芳香
族ポリアチジアゾール、ポリパラフエニレン、ポ
リパラフエニレンサルフアイド、ポリベンゾイミ
ダゾール、ポリベンゾイミダフエナントロリン等
の加熱により熱分解と再結合により芳香族多環構
造を形成する各高分子においては適当な熱処理温
度範囲で処理し、かついくつかのドーパントを選
択して化学的ドーピングを行えばすぐれた電導
性、熱的安定性、可撓性の条件がみたされる事が
分つた。 一般にこれらの高分子は第1図に示す様な
TGA(thermogravimetric analysis、温度重量分
析)曲線を示し、400〜650℃の間で減量反応(分
解反応)が起こる。この反応の終了と共に高分子
の可撓性は急激に失われて行く。したがつて、本
発明における熱処理温度の上限はこの様なTGA
曲線で決定される減量反応の終了前の温度を意味
し、それは一般的には400〜650℃である。しかし
この様な反応は時間の経過と共に進行するので短
時間であればより高温の熱処理も十分可能であ
る。したがつて本発明による熱処理条件とは高分
子の可撓性が失われる条件以下の温度及び時間の
条件を意味する。又、この熱処理が空気中又は酸
素の存在下中で行われた場合には酸化反応が進行
する場合が多い。したがつて本発明による熱処理
は真空中又はアルゴン、ヘリウム、窒素などの不
活性ガス中で行う必要がある。一方、本発明に使
用する高分子は耐熱性高分子と言われるものであ
り、一般に200℃以下の温度では長時間の熱処理
によつても高分子はほとんど変化しない事が知ら
れている。したがつて本発明による熱処理温度範
囲の下限は通常200℃以上である。 次に本発明の第2段階の処理である化学的ドー
ピング課程について述べる。我々は上記の様な熱
処理の後に行われる化学的ドーピングについても
多くの検討を行つた。その結果本発明における高
分子類の場合には、H2SO4,SO3ガスのドーピン
グは最も大きな効果をもたらし最高1012桁の電導
度の向上が見られた。又、I2,HF,FeCl3,K,
等では106〜107桁の電導度の向上があり、ICl,
Br2,Cl2,HNO3,HCl,Et3O+BF- 4,NO+ 2BF- 4
SbF5,AsF5,SbCl5,Ag+BF- 4,Ag+F3CSO- 3
は105〜102桁の電導度の向上が観察された。した
がつて本発明による化学的ドーピング法の課程に
はこれらのアクセプター性のドーパントはいずれ
も有効である。 e 実施例 実施例 1 代表例として次の式に表す化学構造式を有する
5種類の高分子膜を選択した。 ただし、nは重合度を表わす整数である。 これらの高分子皮膜(25ミクロン)をアルミナ
基板でサンドイツチし、アルゴン気流中で、毎分
10℃の速度で昇温し、所望の温度TPで1時間処
理し、毎分40℃の速度で降温させた。温度TP
各高分子皮膜を毎分10℃の速度でTGAを行なつ
た場合、第一次減量反応の終了点よりも20℃低い
温度に設定した。この様にして得られた高分子皮
膜は黒色に変色していたがまだ十分な可撓性を有
していた。得られた皮膜に銀ペーストを用いて4
端子電極を付与し、定電流電源およびデイジタル
ボルトメータを用いて電気伝導度を測定した。電
導度を測定後、試料を減圧に引いたセルにセツト
し硫酸蒸気をセル中に導入して電気伝導度の変化
を測定した。硫酸蒸気の導入とともに電導度は急
激に増大し、約1時間後にはほぼ一定値に達す
る。第1表には各皮膜の熱処理後及び化学的ドー
ピング後の電導度の変化を示す。
【表】 第1表より明らかな様にPI−A,PI−B,
PAI,PA,PODいずれの場合にも106〜109倍に
もおよぶ大きな電導度変化が観察され、ドーピン
グ後の電導度は10-3〜100S/cmのオーダーに達し
た。又これらの皮膜はいずれもすぐれた可撓性を
有していた。 実施例 2 代表例としてPODを取り上げ、いろいろな熱
処理温度で1時間熱処理し(アルゴン中)、その
後濃硫酸に10分間浸漬した場合の電気伝導度の値
及び硫酸蒸気(減圧下)でドーピングを行つた場
合の電気伝導度の値を測定した。その結果を第2
表に示す。200℃,300℃,400℃で熱処理を行つ
た試料を濃硫酸に浸漬した場合には1012桁に及ぶ
大きな電導度変化を示し10-1オーダーの電気伝導
度を示した。一方、200℃以下の処理温度で熱処
理した試料では硫酸中での浸漬が5分以内に試料
が硫酸に溶解してしまつた。又、700℃以上の温
度で熱処理した試料に対しては硫酸のドーピング
効果はあまり認められず、高々電気伝導度が1.03
〜5倍程度増加するだけであり、試料の可撓性も
失われてしまつた。
【表】 浸漬したPOD試料においては、500〜550℃付
近での電導度の低下が認められるが、これは熱分
解反応による電導度の向上と熱分解反応の進行に
よるドーピング効果の減少の兼合いによつて生じ
るものである。したがつて、このような現象は出
発高分子の種類やドーパントの種類、あるいはド
ーピングの方法によつて変化する。実際に第2表
に示した様に550℃熱処理試料の硫酸蒸気中での
ドーピングではその電導度は1×10-3S/cmであ
るのに対し硫酸浸漬法によるドーピングでは5×
10-6S/cmであつた。 実施例 3 実施例2と同様の方法で熱処理した高分子をヨ
ウ素飽和ヘキサン溶液に浸漬しヨウ素ドーピング
を行つた。浸漬時間は84時間である。第3表には
その結果を示す。
【表】 ドーピング法の効果は高分子材料および熱処理
温度により異なり、電導度向上の程度は1〜105
桁の範囲である。PODの500℃での熱処理試料で
は105桁の電導度の向上があり熱処理によつてド
ーピング効果が増大する場合がある事が分る。こ
の様にI2は本発明における有効なドーパントであ
る。 実施例 4 実施例2と同様の方法で熱処理したPODを
FeCl3飽和ニトロメタン中に浸漬しFeCl3ドーピ
ングを行つた。浸漬時間は84時間である。第4表
にはその結果を示す。
【表】
【表】 I2と同様にFeCl3の場合にも最高106桁に及ぶ電
導度の向上(500℃熱処理の場合)があり有効な
ドーパントである事が分る。 なお、芳香族ポリチアジアゾール、ポリパラフ
エニレン、ポリパラフエニレンサルフアイド、ポ
リベンゾイミダゾール、ポリベンゾイミダゾフエ
ナトロリンを使用したものもほぼ同様な結果が得
られた。 f 発明の効果 本発明の製造法によると、従来の高分子電導体
の製造法における欠点、すなわち、800℃以上の
高温熱処理を必要としたり、得られる高分子電導
体が空気中で不安定であり、また可撓性がない等
の欠点をことごとく無くし得られ、400〜650℃の
比較的低温熱処理でよいため経済的に容易に製造
し得られ、また得られる高分子電導体は安気中で
も極めて安定で且つ可撓性を保持するうえ、高電
導性を有する優れた効果を有する。 本発明の電導体を用いれば、温度センサー、風
流センサーなどの各種センサーが製造し得られ、
また高電導性を利用して太陽熱吸収体あるいは微
小回路用抵抗体、更には電磁シールド材料などで
製造し得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は各種耐熱性高分子の不活性ガス中での
TGA曲線を示す。 Aは芳香族ポリアミド、Bは芳香族ポリアミド
イミド、Cは芳香族ポリイミド、Dは芳香族ポリ
オキサジアゾールのそれぞれのTGA曲線である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミ
    ド、芳香族ポリイミド、芳香族ポリオキサジアゾ
    ール、芳香族ポリチアジアゾール、ポリパラフエ
    ニレン、ポリパラフエニレンサルフアイド、ポリ
    ベンゾイミダゾール、及びポリベンゾイミダゾフ
    エナトロリンから選ばれた耐熱性高分子を、真空
    中または不活性気体中で、200℃以上でかつTGA
    曲線で決定される減量反応終了温度以下の温度で
    加熱し、該耐熱性高分子の減量反応を生起させ、
    該減量反応終了前に加熱を終了し、得られた減量
    反応生成物にアクセプター性のドーバントを化学
    的にドープすることを特徴とする高分子電導体の
    製造法。 2 アクセプター性のドーバントがH2SO4
    SO3,I2,HF,FeCl3,ICl,Br2,Cl2,HNO3
    HCl,Et2O+BF4 -,NO2 +BF4 -,SbF5から選ばれ
    たものである特許請求の範囲第1項記載の高分子
    電導体の製造法。
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