JP2014500375A - 金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子を含む分散体 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
本発明の分散体は金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子又は金属プリカーサのナノ粒子を含む。
本発明のポリマー分散剤は、310℃以下の温度での完全な分解によって、そして熱重量分析(TGA)によって測定すると300℃以下、より好ましくは290℃以下、最も好ましくは280℃以下の95重量%の分解によって特徴づけられる。95重量%の分解は、ポリマー分散剤の95重量%が分解されることを意味する。熱分解は1,2又は3工程で起こりうる。主要な分解(ポリマー分散剤の少なくとも75重量%が分解される)は、100℃〜300℃、より好ましくは125℃〜250℃、最も好ましくは150℃〜240℃で起こる。一般的に、主要な分解が起こる温度を導出するために減量曲線の導関数が使用される。かかる減量曲線の導関数の最高ピーク、即ち主要な分解は、100℃〜300℃、より好ましくは125℃〜250℃、最も好ましくは150℃〜240℃で観察される。
式中、mは1〜500の整数であり、oは0〜340の整数であり、qは0〜250の整数であり、pは1〜7の整数であり、m+o+qは14〜500の整数であり、R1は(CH2)p単位を表わし、pは1〜7の整数であり、R2は水素、メチル又は任意選択的に置換されたアルキル基を表わす。
式中、R3,R4,R7,R8,R9,R10、及びR12は独立してハロゲン、任意選択的に置換されたチオール、ヒドロキシル、カルボン酸、アルデヒド、エステル、アミド、第一アミン、第二アミン、第三アミン、任意選択的に置換されたアルキル、アリール、アラルキル又はアルキレン基を表わし、R7及びR8は任意選択的に連結され、環構造を形成することができ、R5,R6,R11は独立してハロゲン、任意選択的に置換されたチオール、カルボン酸、第一アミン、第二アミン、第三アミン、任意選択的に置換されたアルキル、アリール又はアラルキル基を表わし、Xは独立して−N−,−CH−,又は−C(CR13)−を表わし、R13はメチル、任意選択的に置換されたアルキル、アリール又はアラルキルを表わし、Xは任意選択的にR9又はR10に連結され、環構造を形成することができ、Yは酸素、硫黄、又は−NR14−を表わし、R14はメチル、又は任意選択的に置換されたアルキル、アリールもしくはアラルキル基を表わす。
− アンカー基の存在下での環式アセタールもしくはオキシランの開環重合、開環共重合又は他の重合もしくは共重合;
− Macromol.Symp.1994,85,167−174に記載されるように、アンカー基分子又はアンカー基部分を持つ分子での誘導体化又は急冷を含む後重合法によるポリエーテル又はポリアセタールプリカーサの後官能化。
a)90〜99.4mol%の式VI,VIIもしくはVIII、又はそれらの組み合わせによって表わされるモノマー;
式中、R1は(CH2)p単位であり、pは1〜7の整数であり、R2は水素、メチル又は任意選択的に置換されたアルキル基を表わす。
b)0.1〜10mol%の式II,III,IV、もしくはV、又はそれらの組み合わせによる金属アンカー基;
c)0.1〜0.5mol%のプロトン酸、ルイス酸及びオキソニウム化合物からなる群から選択される重合開始剤、又はアルコラート及び有機金属化合物からなる群から選択されるアニオン開始剤。
本発明のナノ粒子分散体に使用される任意選択的な分散媒体は非水性液体である。分散媒体は単一の有機溶媒又は有機溶媒の組み合わせからなってもよい。好適な有機溶媒は、アルコール、芳香族炭化水素、ケトン、エステル、脂肪族炭化水素、高級脂肪酸、カルビトール、セロソルブ、及び高級脂肪酸エステルである。好適なアルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、1−ブタノール、1−ペンタノール、2−ブタノール、及びt−ブタノールである。好適な芳香族炭化水素はトルエン及びキシレンを含む。好適なケトンは、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、2,4−ペンタンジオン及びヘキサフルオロアセトンである。また、グリコール、グリコールエーテル、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドを使用してもよい。好ましい実施形態では、1−メトキシ−2−プロパノール、メタノール、エタノール及びイソプロパノールが特に好ましい。
ナノ粒子分散体は、分散媒体におけるポリマー分散剤の存在下で金属、金属酸化物又は金属プリカーサを分散することによって調製される。分散方法は、沈殿、混合もしくは微粉砕又はそれらの組み合わせを含む。温度、処理時間、エネルギー入力量などの実験条件は、選択される方法に依存する。分散工程は、連続、バッチ又は半バッチ方式で実施されることができる。
本発明による低粘性分散体は被覆溶液又は印刷液として直接使用されることができる。しかしながら、その被覆又は印刷特性を、それが使用される用途に依存して最適化するために、余分な溶媒及び/又は添加剤、例えばプロトン酸、還元剤、塩、湿潤/レべリング剤、流動改善剤、又は接着剤もしくは粘着付与剤が低粘性ナノ粒子分散体又は好適な溶媒での再分散後の再分散されたペーストに添加されることができる。
以下の実施例に使用される全ての材料は、他に特記しない限り、ALDRICH CHEMICAL Co.(ベルギー)及びACROS(ベルギー)のような標準的な出所源から容易に入手可能である。
・PVP 90Kは、90000Daの分子量を有するBASF AGからのポリ(ビニルピロリドン)である。
・PAAは、12000Daの分子量を有するALLIED COLLOIDS MANUFACTURING CO LTDからのポリ(アクリル酸)である。
・DISPERBYK190(D190)は、BYK CHEMIE GMBHからのポリ(アクリレート/アクリル)ブロックコポリマー(水において40重量%)である。
・PVAは、SHAWINIGANからの8000Daのポリ(ビニルアルコール/酢酸ビニル;60/40mol%)コポリマーである。
・硝酸銀(AgNO3)は、AGFA GEVAERT N.V.によって製造される。
・酸化銀(Ag2O)は、水酸化ナトリウムのアルカリ性水溶液(33重量%)における硝酸銀の沈殿後の濾過及び乾燥によって製造される。酸化銀は、ALDRICHから商業的に入手可能である。
・AgOAcは、ALDRICHからの酢酸銀である。
・アスコルビン酸は、UCB PFIZER MERCKからのものである。
・DMDTは、ROBINSON BROTHERS LTDからの2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールである。
・DMAEMTは、DYNAMITE NOBER AGからの1−(2−ジメチルアミノ−エチル)−5−メルカプト−テトラゾールである。
・DCMは、ACROSからのジクロロメタン又は塩化メチレン(CH2Cl2)である。
・MOPは、ACROSからの1−メトキシ−2−プロパノールである。
・トリフルオロメタンスルホン酸は、ALDRICHからのものである。
・n−デカンは、ALDRICHからのものである。
・PDXLは、23℃で24時間、エチレングリコール及びトリフルオロメタンスルホン酸の存在下でジクロロメタン中での1,3−ジオキソランの開環重合によって合成されたポリジオキソランである。
ポリマー分散剤の熱重量分析(TGA)は、TGA Q500 V6.7装置(Build203)を使用してHi−Res−動的法(Hi−Res感度=2.0、分解能=5.0)で実施された。温度範囲は、50℃/分の最大加熱勾配で25〜500℃であった。加熱速度は、高分解モードを可能にした試料の蒸発速度によって制御された。Td(95%)は、95重量%の分解(又は炭化物量が5重量%である;炭化物量は分解後の残留重量%である)に対して測定された温度を表わす。
この実施例は、本発明によるポリマー分散剤(PD)の製造を示す。
414.4gの1,3−ジオキサンを2lの三ツ首丸底フラスコにおける0.43lのDCMに溶解し、窒素雰囲気下で室温で撹拌した。33.6gのDMDTをフラスコに加えた。10分の一定の撹拌後、1.6mlのトリフルオロメタンスルホン酸を反応混合物に加え、23℃で20時間撹拌した。3.5mlのトリエチルアミンを反応混合物に加え、23℃でさらに4時間撹拌した。反応混合物を35℃で減圧下で蒸発し、35℃で真空炉で乾燥した。358.4gのポリマー分散剤PD−01を黄色粘性液体として回収した(収率=80%)。
500gの1,3−ジオキサンを2lの三ツ首丸底フラスコにおける377gのDCMに溶解し、窒素雰囲気下で室温で撹拌した。70.4gのDMDT及び10gのn−デカンをフラスコに加えた。10分の一定の撹拌後、2.5gのトリフルオロメタンスルホン酸を反応混合物に加え、23℃で4時間撹拌した。2.6gのトリエチルアミンを反応混合物に加え、それを次いで35℃で減圧下で蒸発し、35℃で真空炉で乾燥した。506gのポリマー分散剤PD−02を黄色粘性液体として回収した(収率=88.7%)。
1000gの1,3−ジオキサンを5lの三ツ首丸底フラスコにおける994gのDCMに溶解し、窒素雰囲気下で室温で撹拌した。27.4gのDMDTをフラスコに加えた。10分の一定の撹拌後、2.5gのトリフルオロメタンスルホン酸を反応混合物に加え、23℃で24時間撹拌した。5.1gのトリエチルアミンを反応混合物に加え、混合物を機械的撹拌下の6lの冷たいn−ヘキサンに液滴で移した。沈殿した生成物をブフナー上に濾別し、35℃で真空炉で乾燥した。885gのポリマー分散剤PD−03を白黄色粉末として回収した(収率=86%)。
868gの1,3−ジオキサンを2lの三ツ首丸底フラスコにおける886gのDCMに溶解し、窒素雰囲気下で室温で撹拌した。70.4gのDMDT及び10gのn−デカンをフラスコに加えた。10分の一定の撹拌後、2.2gのトリフルオロメタンスルホン酸を反応混合物に加え、23℃で24時間撹拌した。6.1gのトリエチルアミンを反応混合物に加えた。反応混合物の2/3を機械的撹拌下で6lの冷たいn−ヘキサン中に沈殿した。沈殿した生成物をブフナー上に濾別し、23℃で真空炉で乾燥した。490gのポリマー分散剤PD−04を白黄色粉末として回収した(収率=78%)。
この実施例は、代表的な従来技術のポリマー分散剤(比較)と比較したときの本発明のポリマー分散剤(PD01〜PD04)の低温での熱分解を示す。表2では、ポリマー分散剤の95重量%が分解される温度(TMAで測定するとTd(95%))が与えられている。
この実施例は、本発明のポリマー分散剤(PD−01〜PD−04)の貯蔵安定性を示す。ポリマー分散剤は23℃で1〜3ヶ月間通常の条件下で貯蔵された。貯蔵後の分散剤のMn及びMz値は次いで元の値と比較された(表3では%損失として与えられる)。
この実施例は、本発明の熱分解性ポリマー分散剤を使用することによって安定な金属ナノ粒子分散体(MNPD)を製造するための利点を示す。全てのMNPDは銀金属ナノ粒子を含む。それらは酸化銀(MNPD−3〜MNPD−6)又は酢酸銀(MNPD−1及び2,MNPD−7〜MNPD−18)の還元によって製造される。
11.3gのPD−01を、機械的撹拌機及び温度計を備えた2lの三ツ首丸底フラスコにおける900gのMOPに溶解した。反応混合物温度が60℃に達したら78gのトリエチルアミンを加えた。34.5gの蟻酸を30分間にわたって液滴状に加えた後、酢酸銀を液滴状に加えた(1時間にわたって37.5g)。反応混合物を80℃でさらに20分間撹拌した。それを次いで50℃で減圧下で蒸発した。黒色粘性ペーストを0.75lのDCMに溶解し、0.75lの脱イオン水で2回洗浄した。有機相を40℃で減圧下で蒸発した。30.5g(収率=86%)の均一黒色ペーストを68/32重量:重量のAg/PD−01の組成で生成した。
6gの酸化銀及び1.9gのPD−02を、温度計を備えた125ml反応器における29.8gのMOP(灰色懸濁液)において撹拌した。自動化された注射器(流量=0.1ml/分)を使用することによって1.95mlの蟻酸を40℃で反応混合物に加えた。さらなる精製なしで、溶媒を40℃で減圧下で蒸発した。7.5gの均一黒色ペーストを75/25重量:重量のAg/PD−02の組成で生成した。
温度計を備えた250mlフラスコにおいて65℃で30分間106gのMOP(灰色懸濁液)における4gの酸化銀及び1.9gのPD−03を撹拌することによってMNPD−04を製造した。1.6gの蟻酸を液滴状に加え、さらに65℃で1時間撹拌した。さらなる精製なしで、溶媒を40℃で減圧下で蒸発した。5.7gの均一黒色ペーストを67/33重量:重量のAg/PD−03の組成で製造した。
94.4gのMOP(灰色懸濁液)における4gの酸化銀及び1.2gのPD−04を、温度計を備えた125ml反応器において40℃で30分間撹拌した。自動化された注射器(流量=0.2ml/分)を使用することによって1.3mlの蟻酸を40℃で反応混合物に加えた。蟻酸の完全な添加後、反応混合物をさらに40℃で1時間撹拌した。さらなる精製なしで、溶媒を40℃で減圧下で蒸発した。5.0gの均一黒色ペーストを75/25重量:重量のAg/PD−04の組成で製造した。
2.51gの分散剤(表4参照)、17.3gのトリエチルアミン及び7.67gの蟻酸を、窒素雰囲気下で温度計を備えた0.25lの三ツ首丸底フラスコにおける125mlのMOPにおいて室温で撹拌した。反応混合物温度が60℃に達したら、8.3gの硝酸銀を30分にわたって液滴状に加えた。反応混合物を80℃でさらに20分間撹拌した。
MNPD−14をMNPD−07に対して上で記載したように製造したが、分散剤として0.32gのDMDTを使用した。
MNPD−16をMNPD−07に対して上で記載したように製造したが、硝酸銀を8.3gの代わりに4.15g使用し、分散剤として1.25gのPAAを使用した。
MNPD−17をEP−A2030706に従って製造した。8.0gの酢酸銀を50℃でPVP15K(8g)の水溶液に液滴状に加えた。続いて反応混合物を95℃で45分間撹拌した。8.8gのアスコルビン酸を一定の撹拌下で35℃で溶液に加えた。水の全量は1570gであった。
MNPD−18をEP−A2119747に従って製造した。水に14.10gのホルムアルデヒドを添加する前に8gの硝酸銀、0.35gのDisperbyk190(D190)及び1.88gのナトリウムを水中で10分間撹拌した。水の全量は1800gであった。反応混合物は即座に黒色に変わり、30分間一定の撹拌下で60℃に加熱された。
分散体は分散体製造時に評価された。結果は表5に与えられる。「OK」は、製造時に分散体の凝集、沈殿又はゼリー状化が全く観察されなかったことを意味する。「FLOC」は、分散体の凝集が観察されたことを意味する。凝集された分散体はさらに評価されなかった。
Claims (15)
- 金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子、ポリマー分散剤、及び任意選択的な分散媒体を含む分散体であって、ポリマー分散剤が、ポリマー骨格に化学結合されている、金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子に対して親和性を有するアンカー基を含むものにおいて、ポリマー分散剤が、熱重量分析によって測定すると300℃以下の温度で95重量%の分解を有することを特徴とする分散体。
- 分散剤のポリマー骨格が脂肪酸ポリエーテル骨格であることを特徴とする請求項1に記載の分散体。
- アンカー基が式II,III,IV又はVによるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の分散体:
式中、R3,R4,R7,R8,R9,R10、及びR12は独立してハロゲン、任意選択的に置換されたチオール、ヒドロキシル、カルボン酸、アルデヒド、エステル、アミド、第一アミン、第二アミン、第三アミン、任意選択的に置換されたアルキル、アリール、アラルキル又はアルキレン基を表わし、R7及びR8は任意選択的に連結され、環構造を形成することができ、R5,R6,R11は独立してハロゲン、任意選択的に置換されたチオール、カルボン酸、第一アミン、第二アミン、第三アミン、任意選択的に置換されたアルキル、アリール又はアラルキル基を表わし、Xは独立して−N−,−CH−,又は−C(CR13)−を表わし、R13はメチル、任意選択的に置換されたアルキル、アリール又はアラルキルを表わし、Xは任意選択的にR9又はR10に連結され、環構造を形成することができ、Yは酸素、硫黄、又は−NR14−を表わし、R14はメチル、任意選択的に置換されたアルキル、アリール又はアラルキル基を表わす。 - ポリマー分散剤の数平均分子量が1500〜6000Daであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の分散体。
- 少なくとも1重量%の金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の分散体。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の分散体の分散媒体の実質的に全てを蒸発させることによって作られ、かつ少なくとも75重量%の金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子を含むことを特徴とする均一ペースト。
- 分散媒体においてポリマー分散剤の存在下で金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子を分散する工程を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の分散体を製造する方法。
- 分散媒体が、1−メトキシ−2−プロパノール、メタノール、エタノール、イソプロパノール又はそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項9に記載の金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子を含む分散体を製造する方法。
- 還元剤、ポリマー分散剤及び分散媒体の存在下で、金属プリカーサ、金属酸化物、金属塩又はそれらの組み合わせの混合下でのインサイチュ還元によって請求項1〜7のいずれかに記載の金属ナノ粒子を含む分散体を製造する方法。
- 請求項4に記載の式Iによるポリマー骨格に化学結合されている、請求項5に記載の式II,III,IV又はVによる金属、金属酸化物又は金属プリカーサのナノ粒子に対して親和性を有するアンカー基を含むポリマー分散剤であって、熱重量分析によって測定すると300℃以下の温度で95重量%の分解を有することを特徴とするポリマー分散剤。
- 以下のものの間の反応によって請求項12に記載のポリマー分散剤を製造する方法:
− 90〜99.4mol%の式VI,VIIもしくはVIII、又はそれらの組み合わせによって表わされるモノマー;
式中、R1は(CH2)p単位であり、pは1〜7の整数であり、R2は水素、メチル又は任意選択的に置換されたアルキル基を表わす。
− 0.1〜10mol%の請求項4に記載の式II,III,IV、もしくはV、又はそれらの組み合わせによるアンカー基;
− 0.1〜0.5mol%のプロトン酸、ルイス酸及びオキソニウム化合物からなる群から選択される重合開始剤、又はアルコラート及び有機金属化合物からなる群から選択されるアニオン開始剤。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の分散体から又は請求項8に記載のペーストから製造され、かつ噴射温度において5〜20mPa・sの粘度を持つことを特徴とする印刷液。
- 請求項14に記載の印刷液を基板上に印刷した後に300℃以下の温度で焼結する工程を行なうことによって得られることを特徴とする金属層又はパターン。
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