JPS6020944A - 高分子電導体の製造方法 - Google Patents

高分子電導体の製造方法

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JPS6020944A
JPS6020944A JP12787483A JP12787483A JPS6020944A JP S6020944 A JPS6020944 A JP S6020944A JP 12787483 A JP12787483 A JP 12787483A JP 12787483 A JP12787483 A JP 12787483A JP S6020944 A JPS6020944 A JP S6020944A
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Yoshitsugu Isamoto
勇元 喜次
Mutsuaki Murakami
睦明 村上
Susumu Yoshimura
吉村 進
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Japan Science and Technology Agency
Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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Research Development Corp of Japan
Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 a、産業上の利用分野 本発明は高分子よシ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
パラフェ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400
0S/cmの電導度が実現されており、−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フッ化ヒ素のような超強酸あ
るいはヨウ素のよりなノ・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
性に劣シ、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P
AN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/αの電導度が(
N、 GrassieおよびJ、O,McHei1氏、
 Journalof Polymer 5cienc
e誌27巻707頁(1958年))またPIでは80
0℃48時間の熱分解で1008/mの電導度が(H,
B、 Br1m氏等、 5O1j−d 5tate C
iOm−muniCatiOns誌35巻135頁(1
980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、寸だ、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って得られる電導性高分子より遥
かに重要な拐料であると言える。
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、又せっ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ットと
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。
C0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
間頌点を解決するだ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
、従来の熱処理湿度に比べて、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
って安定性と高電導性に加えて可撓性をもそ々えだ電導
性高分子を提供する事を目的とする。
d3発明の構成 熱分解により高電導体とlる1脅分子が従来PANとp
H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って
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
おいて酢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っ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だ。そしてその様な電導パスを化学
的なドーピングによって作り出そうと考えた。
したがって、本発明の最も基本的な構造は高分子を、最
高で、その高分子の可撓性が失われるif前の温度に壕
で加熱し、その後その材料に化学的なドーピングを行な
って高電導性を付与する。と言う2段階の処理によって
成り立っている。
上記の様な考察にもとす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ったが、芳香族ポリアミド項、
芳香族ポリイミド類、芳香族ポリアミドイミド頒、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
、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンサルファイ
ド、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾイミダフェナ
ントロリン等の加熱により熱分解と再結合によシ芳香族
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った。
一般にこれらの高分子は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。しだがって、本発明に
おける熱処理温度の上限はこの様な減量反応の終了前の
温度を意味1〜、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
。したがっ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。したがって
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
υ、一般に200℃以下の温度では長時間の熱処理によ
っても高分子はほとんど変化しない事が知られている。
したがって本発明による熱処理温度範囲の下限は通常2
00℃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った。
その結果本発明における高分子類の場合には、ナトリウ
ム、ナトリウムナフタレンのドーピングは最も大きな効
果をもたらし最高12桁の電導度の向上が見られた。ま
た、リチウム、カリウム、リチウムナフタレン、カリウ
ムナフタレン等では6〜7桁の電導度の向上があり、ル
ビジウム、セシウム、リチウムビフェニル。
ナトリウムビフェニル、カリウムビフェニル、リチウム
アントラセン、ナトリウムアントラセン。
カリウムアントラセン等では、3〜5桁の電導度の向上
が見られた。従って本発明による化学的ドーピングの課
程には、これらのドナ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541M
類の高分子膜を選択した。
0ポリイミド Oポリアミ ドイミ ド Oポリアミド 0ポリオキサジアゾール 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
サンドインチし、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は各高分子皮膜を毎分1
0℃の速度でTGAを測定した場合の第一次減量反応の
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端子電極を伺与し、定電流電源およびディジタルボ
ルトメータを用いて電気伝導度を測定した。
その後試料をガラス反応容器内にて、ナトリウムナフタ
レンの脱水及び脱酸素処理したテトラヒドロフラン溶液
中に24時間浸漬した。次いで24時間浸漬後の試料を
脱水及び脱酸素処理したテトラヒドロフランで、5〜6
回洗浄して真空乾燥した。第1表には、各試料の熱処理
後及びナトリウムナフタレンドーピング後の電導塵を示
す。
第 1 表 第1表から明らかな様に、PI−A、PI−B。
PAI 、 PA 、 PODのいずれの場合にも、1
03〜106倍にもおよぶ電導塵変化が観察された。又
これらの皮膜はいずれも優れた可撓性を有していた。
実施例2 代表例としてPODを使用し、種々の熱処理温度で1時
間熱処理しくアルゴン中)、その後実施例】と同じ方法
で、ナトリウムナフタレンのドーピングを行ない、電導
塵を測定した。その結果を第2表に示す。200℃、 
300℃、400℃で熱処理を行なった試料をドーピン
グした場合には、最高12桁にも及ぶ大きな電導塵変化
が見られ、10 のオーダーの電導塵を示した。このよ
うに、ナトリウムナフタレンは有効なドーパントである
。一方700℃以上の温度で熱処理した試料に対しては
、ドーピングによる電導塵 第 2 表 の向上は認められず、むしろ電導塵の低下を招いており
、さらに試料の可撓性も失われた。500〜520℃付
近での電導塵の低下が認められるが、これは熱分解反応
による電導塵の向上と熱分解反応の進行に伴うドーピン
グ効果の減少とのバランスによって生じるものである。
なお、芳香族ポリチアジアゾール、ポリバーy−yエニ
レン、ポリパラフェニレンザルファイド、ポリベンゾイ
ミダゾール、ポリベンゾイミダゾツェナトロリンを使用
したものもほぼ同様な結果がInられた。
f1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。奮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
電導体は空気中でも極めて安定で旦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、曾た高電導性
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が1!!!潰し得られる。
特許出願人 新技術開発事業団 同 勇 元 喜 次 回 村 上 陸 間 開 吉 村 進 329−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 加熱によシ、熱分解と再結合による芳香族多環構
    造を形成する耐熱性高分子を、真空中まだは不活性気体
    中で、該耐熱性高分子が熱分解と再結合による芳香族多
    環構造を形成するが、可撓性を失わない条件下で熱処理
    し、得られた生成物にドナー性のドーノマントを化2、
     前記高分子が芳香族ポリアミド、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、ポリパラフェニレン、ボ
    リノ々ラフエニレンサルファイド、ポリベンゾイミダゾ
    ール、及びポリベンゾイミダゾツェナトロリンから選ば
    れたものである特許請求の範囲第1七 項記載の高分子電導体の製造法。 Δ 3、 ドナー性のドーパントがLi、 、 Na 、 
    K、Rb。 Osから選ばれたものであシ、これらアルカリ金属を直
    接または合金としてドープするか、あるいはリチウムナ
    フタレン、ナトリウムナフタレン、カリウムナフタレン
    、リチウムビフェニル、ナトリウムビフェニル、カリウ
    ムビフェニル9.リチウムアントラセン、ナトリウムア
    ントラセン、カリウムアントラセンから選ばれた化合物
    を用いてドープするかのいずれかによシドープされる特
    許請求の範@第1項記載の高分子電導体の製(法。
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