JP2014527010A - 導電性を改善した溶解性の高いカーボンナノチューブ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は米国標準技術局の技術革新プログラムにより授与された契約番号 70N ANB 10H001 の元で政府支援により行われた。米国政府は本発明の所定の権利を保有する。
本発明による方法は広くCNT、多環芳香族部分(少なくとも1つの多環芳香族部分を持つ化合物の一部として供給される)、および酸を反応させる方向に向けられている。互いに束状または塊になっている可能性のあるCNTをバラバラにするために先ずCNTを酸に加え、次いで少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物を加える。代案として、少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物を酸と混ぜ合わせ、次いでCNTを加えることも可能である。さらなる選択肢として、少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物およびCNTを先ず混ぜ合わせ、次いで酸を加えることもできる。
本発明による方法に用いる適当なCNTには全ての単層、二層、または多層のCNT(それぞれ、SWCNTs、DWCNTs、およびMWCNTs)が含まれる。CNTは新品同様、すなわちCNTに側壁欠陥、機能性付与の存在、またはドーピングがほとんどか、または全くないことが好ましい。新品同様ではないCNTを使用する場合もあるが、存在する機能性またはドーピングは酸処理により損傷する可能性があり、このため結果的に導電性が影響を受ける可能性がある。この処理過程用のCNTの典型的なタイプにはCG200 CNTおよびSG65 CNT(SWeNT社から入手可能)、XBC3350 CNT (CCNI社から入手可能)、HiPcoTM CNT(Nanointegris社から入手可能)、同様にThomas Swan社 および Cheap Tubes社から入手可能なものが含まれるが、これらに限定されるものではない。
上に説明した二重に機能性が付与される本発明による方法によりCNTはその望ましい電子特性を損なうことなく約0.5g/L(重量で約0.05%)を越える濃度で分散することが可能となり、約1g/L(重量で約0.10%)を越えることが好ましく、約1.5g/Lを越えることが好ましく、約1.5g/Lから約3g/Lがより好ましい。その上、処理後にCNTをさらに分散するとかインクを作成するとか、などのために何らかの溶媒を加えること以上のさらなる措置は必要ない。すなわち、ひとたびCNTが分散してしまうと導電添加物類またはドーパント類は必要ない。
カーボンナノチューブの1−ピレン酪酸との反応
この手順において、203mgのCG200カーボンナノチューブ(製品番号724777、SouthWest NanoTechnologies社、オクラホマ州ノーマン)および205mgの1−ピレン酪酸(製品番号257354、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を250mlのシュレンクフラスコに入れ窒素を吹き込んだ。次いで、60mlの発煙硫酸(20%遊離SO3、製品番号435597、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)をフラスコ内にカニューレで入れた。溶液を室温で一晩中かき混ぜた。溶液を冷水中に入れて急冷する試みを行ったが、カニューレが詰まった。発煙硫酸をフラスコ内に溶液が自由流動するまでカニューレで入れ、それから溶液を再度室温で一晩中かき混ぜた。溶液は自由流動しかつ均一であった。この溶液を300mLの氷のように冷たいDI水内に滴状にカニューレで入れた。次いでこの溶液のpHを350mLの濃水酸化アンモニウム(重量で29%、製品番号5820、J.T. Baker社、ニュージャージー州フィリップスバーグ)で4.5まで調整した。溶液を常時機械的にかき混ぜることによりバッキーペーパーがフィルター表面に形成することを防ぎながら10−μmポリカーボネートフィルター(IsoporeTMメンブレンフィルター、カタログ番号TCTP04700、直径47mm、Millipore社、マサチューセッツ州ビレリカ)を通してろ過した。ろ過は連続的に100mLのDI水を溶液が透明になるまで加えながら実施した。
カーボンナノチューブの1−ピレン酪酸およびグラフェンとの反応
この実施例において、200mgのCG200カーボンナノチューブ、200mgの1−ピレン酪酸、および200mgのxGnPTMグラフィンナノプレートレット(直径25ミクロン、ロットSU52909、XG Sciences社、ミズリー州ランシング)を250mLのシュレンクフラスコに入れ窒素を吹き込んだ。次いで、276mgの発煙硫酸(20%遊離SO3)をフラスコ内にカニューレで入れた。溶液を2日間かき混ぜた。溶液は自由に流れかつ均一であった。この溶液を滴状に250mLの氷のように冷たいDI水内にカニューレで入れた。次に、それから300mLの水酸化アンモニウム(重量で24%、製品番号09870,Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を滴状で加えた。次いででき上がった溶液を常時機械的にかき混ぜることによりバッキーペーパーがフィルター表面に形成することを防ぎながら10−μmポリカーボネートフィルターを通してろ過した。ろ過は継続的に100mLのDI水を溶液が透明になるまで加えながら実施した。
半導体カーボンナノチューブの1−ピレン酪酸との反応
この手順において、320mgのSG65カーボンナノチューブ(South West NanoTechnologies社、オクラホマ州ノーマン)、および170mgの1−ピレン酪酸を250mLのシュレンクフラスコに入れ窒素を吹き込んだ。次いで、328.2グラムの発煙硫酸(20%遊離SO3)をフラスコ内にカニューレで入れた。この溶液を室温で一晩中かき混ぜた。この溶液を滴状に250mLの氷のように冷たいDI水内にカニューレで入れた。次いで、250mLの29%w/vの水酸化アンモニウムを滴状で加えた。この溶液を10リットルの反応容器内において8Lの脱イオン水で希釈した。溶液をクロスフローろ過を用いてろ過しそれから8リットルの脱イオン水内に回収した。次に、3mLの29%w/vの水酸化アンモニウムを加え、溶液を2時間超音波処理した。再度、溶液をクロスフローろ過を用いてろ過し8リットルの脱イオン水内に回収した。このろ過をもう一度繰り返し、チューブを4リットルの脱イオン水内に回収し、それから29%w/vの水酸化アンモニウムによりpHを8.5に調整した。
カーボンナノチューブの1−ピレンメチルアミン塩酸塩との反応
この実施例において、840mgのCG200カーボンナノチューブおよび1,230mgの1−ピレンメチルアミン塩酸塩(製品番号401633、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を3リットル、3つ首の丸底フラスコ内に入れ窒素を吹き込んだ。次いで、1.35リットルの濃硫酸(製品番号435589、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)をフラスコに注ぎ入れた。この溶液を容積で50%の水酸化アンモニウム(重量で29%)がDI水内に入った氷のように冷たい3.0リットルの溶液中に滴状にカニューレで入れた。でき上がった溶液を一晩中かき混ぜた。かき混ぜた後、溶液を10リットルの反応容器内において8リットルのDI水で希釈した。この溶液を温度を3℃に設定して2時間超音波処理した(Neptune Ultrasonics社の超音波発生器 モデルN1500−C−XHSKA−120−480/12 付の Blackstone−Ney Ultrasonics社、モデルPROHT1212 ソニケーターでポテンショメーターを最大に設定し、測定した出力は40〜45W/in2であった)。溶液を超音波処理しながらクロスフローろ過を用いてろ過し、それから8リットルの脱イオン水内に回収することを2回おこなった。次に、3mLの29%w/vの水酸化アンモニウムを加え、溶液を超音波処理しながらクロスフローろ過を用いてろ過し、それから4リットルの脱イオン水内に回収した。最後に、3mLの29%w/vの水酸化アンモニウムを加え、溶液を2時間超音波処理した。
カーボンナノチューブの1−ピレンメチルアミン塩酸塩との反応
この実施例において、458mgのXBC3350カーボンナノチューブ(Continental Carbon Nanotechnologies, Inc社、77084テキサス州ヒューストン パークロウ16850)および484mgの1−ピレンメチルアミンHCl(製品番号401633、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を窒素下で150mLのクロロスルホン酸(製品番号571024、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)内に入れた。これを3日間かき混ぜた。溶液を滴状に409グラムの氷内にカニューレで入れ、氷浴内で冷たく保った。フラスコ内に残ったカーボンナノチューブは20mLのDI水と共に冷却した溶液内に洗い流した。添加ロートを用い、290mLの29%w/v水酸化アンモニウム(重量で29%、製品番号5820、J.T. Baker社、ニュージャージー州フィリップスバーグ)を滴状で加えた。溶液はこの処理過程の間氷浴で低温に保った。溶液を室温で一晩中かき混ぜた。次いで溶液を氷内で冷却しそれから250mLの29%w/v水酸化アンモニウムを滴状で加えた。この処理過程の終わりでpHを測定したら9.8であった。
カーボンナノチューブのルブレンとの反応
この手順において、220mgのカーボンナノチューブおよび230mgのルブレン(製品番号R2206、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を窒素下で100mLの発煙硫酸(20%遊離SO3、製品番号435597、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)の中で2日間かきまぜた。次いでこれを250mLの氷のように冷やされたDI水内に滴状に入れて急冷した。次に、250mLの水酸化アンモニウム(重量で24%、製品番号09870、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を1時間かけて滴状で加えた。この溶液を10リットルの反応器内に4リットルのDI水と共に注ぎ込み17時間超音波処理した。この時点のpHを測定したら1.98であった。溶液をクロスフローろ過によりろ過しそれから2リットルのDI水内に回収した。6mLの水酸化アンモニウム(24%w/v)でpHを調整し2時間超音波処理し、次いでクロスフローろ過によりろ過した。再度、溶液を2リットルのDI水内に回収し、6mLの水酸化アンモニウム(24%w/v)で塩基性にし、2時間超音波処理した。次いで溶液を再度ろ過して2リットルのDI水内に回収し、それから6mLの水酸化アンモニウム(24%w/v)で塩基性にした。この溶液を一晩中超音波処理した。最後に、この溶液の250mLを取り出して23.5krpmで30分間遠心分離した。
カーボンナノチューブの発煙硫酸との反応(芳香族炭化水素なし)
この実施例において、219mgのCG200カーボンナノチューブを窒素下で182.8グラムの発煙硫酸(20%遊離SO3、製品番号435597、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)の中に入れ一晩中かき混ぜた。溶液を250mLの氷のように冷たいDI水中にカニューレで入れた。それからこの溶液を250mLの29%w/vの水酸化アンモニウム(重量で29%、製品番号5820、J.T. Baker社、ニュージャージー州フィリップスバーグ)で中和した。次いでこの混合物または分散系をフィルター表面にバッキーペーパーが形成することを防止するためにかき混ぜながら10μmポリカーボネートフィルター(IsoporeTMメンブレンフィルター、カタログ番号TCTP04700、直径47mm、Millipore社、マサチューセッツ州ビレリカ)を通してろ過した。でき上がったチューブを500mLのDI水中にかき混ぜながら入れそして3回ろ過した。次いでチューブをpH10.5の水酸化アンモニウム500mLの中に入れ超音波浴槽内で一晩中超音波処理した。溶液はひどく束状になっていて分散せず、CNTの発煙硫酸との反応はチューブに機能性を付与するためには不十分であることを示している。
CG200カーボンナノチューブの1−ピレンメチルアミン塩酸塩との反応(酸なし)
この手順において、202mgのCG200カーボンナノチューブ、210mgの1−ピレンメチルアミン塩酸塩、および1リットルのpH10.2のDI水内の水酸化アンモニウムを10リットルの反応器内で混ぜ合わせた。溶液を超音波浴槽内で12時間超音波処理してから、分散をチェックした。混合物は分散していなかった。混合物をさらに17時間超音波処理して分散をチェックした。混合物はまだ分散していなかった。1リットルのDI水を加えて濃度を下げた。次いで混合物をさらに24時間超音波処理して分散をチェックした。それでも混合物はまだ分散しておらず、強酸が不在の上記の条件の下では1−ピレンメチルアミンHClはCNTを溶解または分散させるためには不十分であることを示している。
カーボンナノチューブの1,3,6,8−ピレンテトラスルホン酸四ナトリウム塩水和物との反応(酸なし)
この実施例において、367mgのCG200カーボンナノチューブ、267mgの1,3,6,8−ピレンテトラスルホン酸四ナトリウム塩水和物(製品番号82658、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)、および250mLのpH10.0の水酸化アンモニウムを15時間超音波処理し一晩中放置した。この溶液を22.5krpmで30分間遠心分離し、それから分散した液体を集めた。でき上がった溶液のODを測定したところ550nmにおいて0.53であった。この溶液をガラス上にスプレーコートしたが、どのスライドも導電性はなかった。このことはスルホン酸化ピレン化合物がカーボンナノチューブを溶解はできるが,できた溶液は非常に希薄であることを示している。さらに、この処理過程ででき上がった溶液はスプレーコートした場合に導電性塗膜を作り出さない。
反応生成物を特徴づけるための1−ピレンメチルアミン塩酸塩の発煙硫酸との反応
この実施例において、1.958グラムの1−ピレンメチルアミン塩酸塩(製品番号401633、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を窒素下で75mLの発煙硫酸(20%遊離SO3、製品番号435597、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)の中に入れ室温で24時間かき混ぜた。この混合物を氷浴内で冷却した75mLのDI水内にカニューレで入れた。次いで、75mLの24%w/v水酸化アンモニウム(製品番号09870、Sigma Aldrich社、ミズリー州セントルイス)を冷却を続けながら、滴状に加えた。pHを測定したら0.3であった。次いで水酸化アンモニウムをpHが7.7になるまでゆっくり加えた。全ての行程の間温度は25℃未満に保たれた。
カーボンナノチューブの1−ピレンメチルアミン−3,6,8−トリスルホン酸との溶解の試み
実施例10で説明したように合成した1−ピレンメチルアミン−3,6,8−トリスルホン酸の精製したサンプル(1.58グラム)を213mgのXBC3350カーボンナノチューブ(Continental Carbon Nanotechnologies, Inc.社、テキサス州ヒューストン)と共に250mLのpH10.3の水酸化アンモニウム中に入れた。スラリーを1インチプローブで出力を90%に設定して冷却浴内で45分間超音波処理し、それから溶液を放置して冷却した。スラリーをさらに1時間超音波処理し、次いで23.5krpmで30分間遠視分離した。でき上がった溶液を550nmにおいて測定した光学密度は2.25であった。濃度(フィルターディスクで測定)は0.0736g/Lであった。溶液のODおよび濃度の両方とも実施例5の発明の処理過程で得られたものより1桁低かった。
Claims (30)
- カーボンナノチューブの分散系を作成する方法で、前記方法が:
カーボンナノチューブ、少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物、および酸の混合物を準備する;
前記カーボンナノチューブと少なくとも1つの多環芳香族部分を含む前記化合物とを非共有的に結合する;および
前記の酸と前記の少なくとも1つの多環芳香族部分とを反応させる
ことを含む、カーボンナノチューブの分散系を作成する方法。 - 前記準備の前に、前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は互いに束状または塊になっていて、かつ前記準備の間に少なくとも前記の互いに束状または塊になっているカーボンナノチューブの少なくとも一部を前記酸が分離する、請求項1に記載の方法。
- 前記非共有的な結合および前記反応が実質的に同時に起こる、請求項1に記載の方法。
- 前記準備が最初に前記カーボンナノチューブを前記酸と混合し、それから少なくとも1つの多環芳香族部分を含む前記の化合物を加えることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は互いに束状または塊になっていて、前記混合の間に前記酸が互いに束状または塊になっている前記カーボンナノチューブの少なくとも一部を分離する、請求項4に記載の方法。
- 前記準備が最初に少なくとも1つの多環芳香族部分を含む前記の化合物と前記酸を混合し、それから前記カーボンナノチューブを加えることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブが単層、2層、および多層のカーボンナノチューブから成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つの芳香族部分を含む前記化合物がナフタレン、アントラセン、フェナントラセン、ピレン、テトラセン、テトラフェン、クリセン、トリフェニレン、ペンタセン、ペンタフェン、ペリレン、ベンゾ[a]ピレン、コロネン、アンタントレン、コランヌレン、オバレン、グラフェン、フラーレン、シクロパラフェニレン、ポリパラフェニレン、シクロフェン、およびこれらの一部を含む化合物から成る群から選択された置換および非置換化合物から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記酸のpKaが約−1未満である、請求項1に記載の方法。
- 前記酸が硫酸、クロロスルホン酸、トリフル酸、p−トルエンスルホン酸、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブおよび少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物がカーボンナノチューブの多環芳香族部分に対するモル比が約25:75から約75:25であるような量で準備される、請求項1に記載の方法。
- 前記酸が、分散系の全重量を重量で100%としたものをベースとして、重量で約90%から約99.99%のレベルで存在する、請求項1に記載の方法。
- 前記の非共有結合および反応から得られたカーボンナノチューブ分散系のカーボンナノチューブの濃度が、分散系の全重量を重量で100%としたものをベースとして、少なくとも重量で約0.05%である、請求項1に記載の方法。
- 前記非共有結合および反応から得られたカーボンナノチューブ分散系が約7,000Ω/sq未満のシート抵抗であるフィルムに形成することが可能な、請求項1に記載の方法。
- それぞれの多環芳香族部分を含む化合物に非共有結合しているカーボンナノチューブを含む分散系で、前記多環芳香族部分の少なくとも一部が酸と反応していて、前記の分散系が:
カーボンナノチューブの濃度が分散系の全重量を重量で100%としたものをベースとして、少なくとも重量で約0.05%あり;および
シート抵抗が約7,000Ω/sq未満であるフィルムに形成することができる
分散系。 - 前記カーボンナノチューブが単層、2層、および多層カーボンナノチューブから成る群から選択される、請求項15に記載の分散系。
- 少なくとも1つの芳香族部分を含む前記化合物がナフタレン、アントラセン、フェナントラセン、ピレン、テトラセン、テトラフェン、クリセン、トリフェニレン、ペンタセン、ペンタフェン、ペリレン、ベンゾ[a]ピレン、コロネン、アンタントレン、コランヌレン、オバレン、グラフェン、フラーレン、シクロパラフェニレン、ポリパラフェニレン、シクロフェン、およびこれらの部分を含む化合物から成る群から選択された置換および非置換化合物から成る群から選択される、請求項15に記載の分散系。
- 前記酸のpKaが約−1未満である、請求項15に記載の分散系。
- 前記酸が硫酸、クロロスルホン酸、トリフル酸、p−トルエンスルホン酸、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項15に記載の分散系。
- 前記カーボンナノチューブおよび少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物がカーボンナノチューブの多環芳香族部分に対するモル比が約25:75から約75:25であるような量で準備される、請求項15に記載の分散系。
- 分散系内のカーボンナノチューブの濃度が分散系の全重量を重量で100%としたものをベースとして、少なくとも重量で約0.05%である、請求項15に記載の分散系。
- 分散系が約7,000Ω/sq未満のシート抵抗であるフィルムに形成することが可能な、請求項15に記載の分散系。
- 請求項1に記載の方法で作成された分散系。
- 前記カーボンナノチューブが単層、2層、および多層のカーボンナノチューブから成る群から選択される、請求項23に記載の分散系。
- 少なくとも1つの芳香族部分を含む前記化合物がナフタレン、アントラセン、フェナントラセン、ピレン、テトラセン、テトラフェン、クリセン、トリフェニレン、ペンタセン、ペンタフェン、ペリレン、ベンゾ[a]ピレン、コロネン、アンタントレン、コランヌレン、オバレン、グラフェン、フラーレン、シクロパラフェニレン、ポリパラフェニレン、シクロフェン、およびこれらの部分を含む化合物から成る群から選択された置換および非置換化合物から成る群から選択される、請求項23に記載の分散系。
- 前記酸のpKaが約−1未満である、請求項23に記載の分散系。
- 前記酸が硫酸、クロロスルホン酸、トリフル酸、p−トルエンスルホン酸、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項23に記載の分散系。
- 前記カーボンナノチューブおよび少なくとも1つの多環芳香族部分を含む化合物がカーボンナノチューブの多環芳香族部分に対するモル比が約25:75から約75:25であるような量で準備される、請求項23に記載の分散系。
- 分散系内のカーボンナノチューブの濃度が分散系の全重量を重量で100%としたものをベースとして、少なくとも重量で約0.05%である、請求項23に記載の分散系。
- 前記非共有結合および反応からでき上がったカーボンナノチューブ分散系が約7,000Ω/sq未満のシート抵抗であるフィルムに形成することが可能な、請求項26に記載の分散系。
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