JPWO2012053474A1 - 導電性組成物及び導電性被膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
下記一般式(1)で示されるポリエーテル基(a)、
炭素数1〜15であるアルコキシ基(b)、
炭素数2〜19であるアルコキシアルキル基(c)並びに
炭素数1〜15であるアルキル基、又は該アルキル基の水素原子が前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)
からなる群から選ばれる少なくとも1つの基でチオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)である置換ポリチオフェン(P)並びに三酸化硫黄錯体を含有することを特徴とする導電性組成物(A)である。
炭素数2〜4のオキシアルキレン基としては、オキシエチレン基、オキシプロピレン基及びオキシブチレン等が挙げられる。
アルキル基(d)としては、上記アルキル基の水素原子が前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基であってもよい。
nが0の場合、R4として導電性の観点から好ましいのは、炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数6〜12の直鎖又は分岐のアルキル基である。
mが0の場合、R7として導電性の観点から好ましいのは、炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数6〜12の直鎖又は分岐のアルキル基である。
置換されていないチオフェン繰り返し単位に相当するモノマーとしては、チオフェンが挙げられる。
置換ポリチオフェン(P)の結合の種類は下記の一般化学式に示すように、HT−HT結合(B1)、TT−HT結合(B2)、HT−HH結合(B3)、TT−HH結合(B4)の4種類ある。尚ここで、HTはヘッドtoテール、TTはテールtoテール、HHはヘッドtoヘッドの略称である。
立体規則性(RR)=B1×100/(B1+B2+B3+B4) (1)
ただし、B1:HT−HT結合の個数、B2:TT−HT結合の個数、B3:HT−HH結合の個数、B4:TT−HH結合の個数を表す。
一般式(3)で表される繰り返し単位(α3)を有するポリチオフェン誘導体の場合、具体的には、HT−HT結合(B1):δ=6.98、TT−HT結合(B2):δ=7.00、HT−HH結合(B3):δ=7.02、TT−HH結合(B4):δ=7.05を示す。よって(B1)、(B2)、(B3)、(B4)特有のケミカルシフトにおけるピークの積分値S1、S2、S3、S4を計算し、その積分値の和に対する(B1)特有のケミカルシフトにおけるピークの積分値S1の割合(%)から立体規則性(RR)を下記数式(2)を用いて算出する。
立体規則性(RR)=S1×100/(S1+S2+S3+S4) (2)
なお、上記1H−NMRの測定は、測定機器:AVANCEIII400型デジタルNMR[ブルカ−・バイオスピン(株)製]を用いて、測定溶媒:重クロロホルム、測定温度:27℃、の条件で行った。
(1)3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェンの合成:
N,N−ジメチルホルムアミド50部に水素化ナトリウム(パラフィンに濃度60重量%で分散させたもの)6.0部を分散させ、そこにトリエチレングリコールモノメチルエーテル36.9部を滴下した。反応溶液は発泡し、白濁した。発泡が収まったところで、反応溶液に3−ブロモチオフェン24.5部と臭化銅(I)2.0部を順に加えた。反応溶液を110℃まで加熱し、2時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、1mol/Lの塩化アンモニウム水溶液50部を加え、酢酸エチル50部を使って分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、酢酸エチルを留去し、3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン34.0部を得た。
上記の3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン7.4部とN−ブロモスクシンイミド10.7部をTHF40部に溶解させ、室温で2時間反応させた。酢酸エチル50部を使ってグラスフィルターで沈殿物を除去し、THFと酢酸エチルを留去した。得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、2,5−ジブロモ−3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン10.5部を得た。
上記の2,5−ジブロモ−3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン8.1部をTHF150部に溶かした後、1mol/LのメチルマグネシウムブロマイドTHF溶液21部を加え、75℃で30分反応させた。その反応溶液に[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]−ジクロロニッケル(II)0.1部を加え、75℃のまま、更に5時間反応させた。反応溶液を室温まで放冷した後、メタノール20部を加えた。溶剤を留去した後、反応混合物をソックスレー抽出器に移し、メタノール150部とヘキサン150部で順に洗浄した。最後に残留物をクロロホルム150部で抽出し、溶剤を留去してポリ[3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン](P−1)3.1部を得た。前述の1H−NMRを用いた方法で算出した立体規則性は96.3%であった。
製造例1の(1)において、トリエチレングリコールモノメチルエーテルをヘキサエチレングリコールモノメチルエーテル(東京化成社製)としたこと以外は製造例1と同様の実験操作を行い、立体規則性が95.1%であるポリ[3−(1,4,7,10,13,16,19−ヘプタオキサエイコシル)チオフェン](P−2)2.9部を得た。
尚、トリエチレングリコールモノメチルエーテルをヘキサエチレングリコールモノメチルエーテルに変更するに際して、反応成分のモル比及び非反応成分(溶剤等)の重量比が、製造例1における場合と同等となるように各原料の量を調整して実験操作を行った。
製造例1の(1)において、トリエチレングリコールモノメチルエーテルを1−ヘプタノールとしたこと以外は製造例1と同様の実験操作を行い、立体規則性が95.4%であるポリ(3−ヘプチルオキシチオフェン)(P−3)2.7部を得た。
(1)3−ブロモメチルチオフェンの合成:
3−メチルチオフェン[東京化成工業(株)製]5部(50.9mmol)、N−ブロモスクシンイミド9.97部(56.0mmol)、ジベンゾイルパーオキサイド[東京化成工業(株)製]0.12部(0.50mmol)をベンゼン30部に溶解させた後、100℃まで昇温し、4時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、1Mのチオ硫酸ナトリウム水溶液30部を加え、分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、ベンゼンを留去し、3−ブロモメチルチオフェン6.32部(35.7mmol)を得た。
2−エトキシエタノール3.54部(39.3mmol)をTHF15部に溶解させ、そこに水素化ナトリウム(60%パラフィン分散)を加えた。上記の3−ブロモメチルチオフェン6.32部(35.7mmol)をTHF15部に溶かし、2時間かけて滴下した後、100℃まで昇温し、4時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、蒸留水30部を加え、分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、THFを留去し、得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン5.68部(30.5mmol)を得た。
上記の3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン5.68部(30.5mmol)とN−ブロモスクシンイミド11.9部(67.1mmol)をTHFに溶解させ、室温で2時間反応させた。酢酸エチル50部を使ってグラスフィルターで沈殿物を除去し、THFと酢酸エチルを留去した。得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、2,5−ジブロモ−3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン8.11部(23.6mmol)を得た。
上記の2,5−ジブロモ−3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン8.11部(23.6mmol)をTHF30部に溶かした後、メチルマグネシウムブロマイドTHF溶液25部を加え、75℃で30分反応させた。その反応溶液に[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]−ジクロロニッケル(II)0.127部を加え、75℃のまま、さらに、2時間反応させた。反応溶液を室温まで放冷した後、メタノール5部を加えた。反応混合物をソックスレー抽出機に移し、メタノール150部とヘキサン150部で順に洗浄した。最後に残留物をクロロホルム150部で抽出し、溶剤を留去して、立体規則性が94.6%であるポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}(P−4)2.85部を得た。
製造例1の(3)において、2,5−ジブロモ−3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェンを2,5−ジブロモ−3−ドデシルチオフェン(アルドリッチ社製)としたこと以外は製造例1と同様の実験操作を行い、立体規則性が96.4%であるポリ(3−ドデシルチオフェン)(P−5)3.5部を得た。
表1に記載の配合部数の製造例1〜5で得られた置換ポリチオフェン(P−1)〜(P−5)、表1に示した三酸化硫黄錯体及び有機溶剤を配合することにより、本発明導電性組成物(A−1)〜(A−16)を得た。
置換ポリチオフェン(P−1)1.0部、クロラニル酸0.3部及び有機溶剤として1,3−ジオキソラン30.0部を配合することにより、比較用の導電性組成物(A’−1)を得た。
ポリチオフェンの水分散体として知られている、「PEDOT/PSS」(H.C.スタルク社製のBaytron−P;3,4―エチレンジオキシチオフェンを高分子量ポリスチレンスルホン酸水溶液中で重合してなる導電性ポリマー)をそのまま比較用の導電性組成物(A’−2)とした。
置換ポリチオフェン(P−1)1.0部、p−トルエンスルホン酸鉄2.7部並びに有機溶剤として1,3−ジオキソラン32.3部及びメタノール8.4部を配合することにより、比較用の導電性組成物(A’−3)を得た。
実施例1〜16の導電性組成物(A−1)〜(A−16)及び比較用の導電性組成物(A’−1)〜(A’−3)をガラス基板上にドクターブレードを用いて3cm×7cmの長方形パターンに塗布して、室温で30分減圧乾燥した後、170℃で60分間ホットプレートで加熱して導電被膜を得た。
得られた導電被膜の表面抵抗をJIS K 7194「導電性プラスチックの4探針法による抵抗率試験方法」に準拠して測定した。
次に、導電被膜の膜厚をレーザー顕微鏡(キーエンス社製VK−8700)を用いて測定し、表面抵抗と膜厚から導電被膜の導電率を算出した。
<腐食性評価基準>
○(腐食がみられない)
×(腐食がみられる)
表1に示す通り、本発明の導電性組成物は腐食性がないことを示された。
(1)陽極上の誘電体膜の作製
陽極金属としてのアルミニウムエッチド箔(サイズ:4×3.3mm)を、3重量%アジピン酸アンモニウム水溶液に浸漬し、定電流定電圧電源装置を用いて0.53mA/secの条件で、0Vから40Vまで上げた後、40Vの定電圧を40分間印加して化成処理し、該アルミニウムエッチド箔の表面に酸化皮膜からなる誘電体膜を形成した。これを脱イオン水の流水により10分洗浄してから105℃で5分乾燥を行ない、陽極金属と誘電体膜とからなる陽極を作製した。得られた陽極を前記アジピン酸アンモニウム水溶液中に浸漬し、120Hzで静電容量測定し、その値である4.2μFを理論静電容量とした。
導電性組成物(A−1)〜(A−16)及び(A’−1)〜(A’−3)を陽極を浸漬し、引き上げた後、室温で30分減圧乾燥を行うことにより、電解質層を形成し固体電解コンデンサ用電極を作製した。
(3)電解コンデンサの作製
上記で得られた電解質層の上に、カーボンペースト[日本黒鉛(株)製の「バニーハイトFU」]を塗布、乾燥後、更に、銀ペースト[日本黒鉛(株)製の「エブリオームME」]を塗布乾燥し、陰極を形成した。銀ペーストからリード線を引き出し、端子を接続した。
得られた電解コンデンサの120Hzでの静電容量及び100kHzでの内部抵抗をLCRメーターで測定し、リークの有無及び耐電圧を以下の基準で評価した。
<リークの評価基準>
LCRメーターで測定時に、リーク電流が低下せずに静電容量、内部抵抗が測定できなかったものを×とし、リーク電流が低下して静電容量、内部抵抗が測定できたものを○とした。
<耐電圧の評価基準>
直流電源装置[高砂製作所製GP0650−05R]で0.2mAの低電流モードで電圧を印加、自動昇圧し、放電により電圧が急落する直前の電圧を耐電圧とした。
表1に示す通り、本発明の導電性組成物は導電性が高いことが示された。
Claims (10)
- チオフェン繰り返し単位のうちの少なくとも一部が、
下記一般式(1)で示されるポリエーテル基(a)、
炭素数1〜15であるアルコキシ基(b)、
炭素数2〜19であるアルコキシアルキル基(c)並びに
炭素数1〜15であるアルキル基、又は該アルキル基の水素原子が前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)
からなる群から選ばれる少なくとも1つの基でチオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)である置換ポリチオフェン(P)並びに三酸化硫黄錯体を含有することを特徴とする導電性組成物(A)。
- 前記繰り返し単位(α1)が、一般式(2)におけるOR3がオキシエチレン基であり、nが0の場合にはR4が炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基であり、nが1以上の場合にはR4が炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基であるものであり、前記繰り返し単位(α2)が、一般式(3)におけるR5が炭素数1〜3の直鎖又は分岐のアルキレン基であって、OR6がオキシエチレン基であり、mが0の場合にはR7が炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基であり、mが1以上の場合にはR7が炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基であるものであり、前記繰り返し単位(α3)が、一般式(4)におけるR8が炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基であるものである請求項2記載の導電性組成物。
- 前記置換ポリチオフェン(P)における前記チオフェン繰り返し単位(α)の含有量が、置換ポリチオフェン(P)中、50〜100重量%である請求項1〜3のいずれか1項に記載の導電性組成物。
- 前記置換ポリチオフェン(P)中のヘッドtoテール−ヘッドtoテール結合の百分率で定義される立体規則性が、90%以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の導電性組成物。
- 三酸化硫黄錯体が、三酸化硫黄N,N−ジメチルホルムアミド錯体、三酸化硫黄ピリジン錯体及び三酸化硫黄トリエチルアミン錯体からなる群から選択される少なくとも1種の三酸化硫黄錯体である請求項1〜5のいずれか1項に記載の導電性組成物。
- 前記置換ポリチオフェン(P)の重量に基づく三酸化硫黄錯体の含有量が、5〜300重量%である請求項1〜6のいずれか1項に記載の導電性組成物。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の導電性組成物を用いてなる固体電解コンデンサ用電極。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の導電性組成物を用いてなる固体電解コンデンサ。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の導電性組成物を基質に塗布後、加熱処理する工程を含む導電性被膜の製造方法。
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