JP2018170273A - 導電性粒子およびその製造方法ならびに導電性樹脂 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に用いられるポリマー粒子を構成するポリマーは、特に限定されないが、ポリエステル系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、ポリイミド系ポリマー、ポリオレフィン系ポリマーやその他ビニル基の付加重合により合成されるビニル系ポリマー、フッ素系ポリマー、ポリカーボネート系ポリマー、ポリエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン系ポリマー、ポリエーテルケトンケトン系ポリマー、セルロース系ポリマー、芳香族あるいは脂肪族ケトン系ポリマー、天然ゴムや合成ゴムなどのエラストマー、エポキシ樹脂、その他多種多様なエンジニアリングプラスチックなどを挙げることができる。
グラフェンとは、一般には1原子の厚みのsp2結合炭素原子のシート(単層グラフェン)のみを指すこともあるが、本明細書においては、単層グラフェンが積層した薄片上の形態を持つ物質を含めてグラフェンと呼称するものとする。
本発明の導電性粒子は、ポリマー粒子の表面がグラフェンで被覆されてなる。なお、本明細書において「導電性」とは、体積抵抗率が500Ω・cm以下であることを示し、「導電性粒子」とは、導電性粒子の粉体を30MPaで加圧した状態で、粉体抵抗率測定装置の粉体用プローブ(4探針、リング電極)により測定した体積抵抗率が500Ω・cm以下である粒子を意味する。当該手法により測定される導電性粒子の体積抵抗率は100Ω・cm以下であることが好ましい。
本発明の導電性樹脂は、前述の導電性粒子を樹脂中に分散させてなるものである。導電性粒子を樹脂中に分散させる手法に制限は無いが、熱可塑性樹脂と導電性粒子を二軸混練器などで加熱しながら混練し冷却する方法、溶剤中に樹脂と導電性粒子を混合させた後に溶剤を除去する方法、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を硬化前に導電性粒子と混合してから硬化する方法、などが挙げられる。
本発明における導電性粒子は、一例として、ポリマー粒子を酸化グラフェンで被覆した後、酸化グラフェンを還元する方法により製造することができる。
ポリマー粒子・導電性粒子の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社、S−5500)を用いて測定した。粒子をカーボンテープに付着させて、粒子が観察しやすいように300倍〜3000倍の範囲で適宜調節して観察した。そして、各粒子の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)を測定し、(長径+短径)/2で求められる数値を粒子径とした。このようにして、視野を変えながらランダムに50個の粒子の粒子径を測定し、その平均値を求めた。
ポリマー粒子に水を添加し、0.1質量%の濃度に調整し、水分散液中におけるゼータ電位測定を行った。装置は大塚電子(株)製 電気泳動光散乱光度計ELS−Z2を使用した。レーザー・ドプラー電気泳動法により、測定は2回行い、2回の平均値をポリマー粒子のゼータ電位とした。
溶剤としてN−メチルピロリドンを用いて、0.002wt%にまで希釈し、ガラス基板上に滴下・乾燥した。キーエンス社製レーザー顕微鏡VK−X250で基板上に付着したグラフェンを観察して、グラフェン小片の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)をランダムに50個測定し、(長径+短径)/2で求められる数値の平均値をグラフェン面方向の大きさとした。
ポリマー粒子としてナイロン12粒子を用いた場合はぎ酸(98質量%)で溶解し、ポリスチレン粒子を用いた場合はアセトンで溶解し、洗浄した後得られたグラフェンを、真空乾燥により乾燥して、グラフェン粉末を得た。このグラフェンのO/C比を、X線光電子測定Quantera SXM(PHI社製)を使用して測定した。励起X線は、monochromatic Al Kα1,2 線(1486.6eV)であり、X線径は200μm、光電子脱出角度は45°である。炭素原子に基づくC1sメインピークを284.3eVとし、酸素原子に基づくO1sピークを533eV付近のピークに帰属し、各ピークの面積比からO/C比を求めた。
導電性粒子を、走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社、S−5500)により3千倍〜40万倍にて観察し、観察像を二次元平面画像とみなした上でポリマー粒子の面積に占めるグラフェン被覆部分の面積から平均被覆率を算出した。この操作をランダムに選択した導電性粒子50個について行い、その平均値をグラフェン被覆率とした。
導電性粒子をエポキシ樹脂と混練し、PETフィルムに塗布した後、硬化させて樹脂包埋した。このフィルムごと、イオンミリング装置(日立製作所、IM4000)によりミリングして、樹脂及びポリマー粒子の断面を出して測定サンプルを作製した。このサンプルを、透過型電子顕微鏡(日本電子製 ARM200F)を用いて観察し、ポリマー粒子表面上に存在するグラフェンのうち最も厚い部分と最も薄い部分の厚みの平均値をランダムに10個のポリマー粒子について測定し、その平均値をグラフェン被覆厚とした。
エポキシ樹脂Quetol−812(日新EM社)と、導電性粒子を10g:10gで混合して、Brookfield DV−E(Brookfield AMETEK製)を使用し、粘度測定を行った。せん断速度0.84(1/s)における粘度値を読み取った。
エポキシ樹脂Quetol−812(日新EM社)100mlと、硬化剤MNA(日新EM社)89mlと、促進剤DMP−30(日新EM社)3mlとを混合した液を調製した。上記混合液と、本発明の複合導電性粒子を1g:1gで混合した導電性樹脂を、40℃で48時間硬化させ、80×10×4(mm)寸法の試験片を加工し、JIS K 7171(2008)に従って曲げ強度を測定した。
エポキシ樹脂Quetol−812(日新EM社)100mlと、硬化剤MNA(日新EM社)89mlと、促進剤DMP−30(日新EM社)3mlとを混合した液を調製した。上記混合液と、本発明の導電性粒子を1g:1gで混合した導電性樹脂を、40℃で48時間硬化させて、直径13mm、高さ0.5mmのペレットに成型し、ペレットの抵抗率を4端針型抵抗率計で体積抵抗率を測定した。
1500メッシュの天然黒鉛粉末(上海一帆石墨有限会社)を原料として、氷浴中の黒鉛(石墨粉)15gと硝酸ナトリウム7.5gを98%濃硫酸330ml中に入れて攪拌しながら、過マンガン酸カリウム45gを温度が10℃以下になるように徐々に添加し、添加終了後1.5時間攪拌した後、35℃で2.5時間攪拌する。その後イオン交換水を690ml加えて希釈して懸濁液とし、90℃で15分間反応する。最後に過酸化水素水50mlと脱イオン水1020mlを加え30分間反応して、酸化グラフェン分散液を得る。得られた酸化グラフェン分散液を、pH5になるまで濾過洗浄した。この酸化グラフェンの面方向の大きさは7.5μmであり、厚みは9.6nmであった。
合成例1で調製した酸化グラフェン分散液から0.5質量%酸化グラフェン分散液1000mlを調製し、超音波ホモジナイザーにより出力200Wで1時間処理した。この酸化グラフェンの面方向の大きさは1.0μmであり、厚みは7.2nmであった。
合成例1で調製した酸化グラフェン分散液から0.5質量%酸化グラフェン分散液1000mlを調製し、超音波ホモジナイザーにより出力200Wで10時間処理した。この酸化グラフェンの面方向の大きさは0.2μmであり、厚みは7.0nmであった。
市販のポリアミド粒子(ナイロン12粒子、東レ製)をポリマー粒子として使用した。測定例1に従って測定した当該ナイロン12粒子の平均粒径は10μm、ゼータ電位は10mVであった。
酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:0.8とした以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:1.2とした以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
前駆体粒子を200℃で熱還元した以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
合成例1で作製した酸化グラフェン水分散液作製時を使用した以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
合成例3で作製した酸化グラフェン水分散液を使用した以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
合成例3で作製した酸化グラフェン水分散液を使用し、酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:1.2とした以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
〔比較例1〕
酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:1.6とした以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:1.4とした以外は実施例1と同様に複合導電性粒子を作製し、各種評価を行った。
酸化グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:0.1とした以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。体積抵抗率については、測定例9の手法では107Ω・cm以上は測定できないところ、測定値が107Ω・cm以上であることが示唆されたため、測定不能とした。
合成例2により作製した酸化グラフェン水分散液を希釈して0.5質量%酸化グラフェン水分散液を調製した。その分散液200mlに3.0gの亜ジチオン酸ナトリウムを入れて、40℃に保温して1時間還元反応を行った。その後、減圧吸引ろ過器でろ過し、さらにイオン交換水で0.5質量%まで希釈して吸引ろ過する洗浄工程を3回繰り返して洗浄して、グラフェン水分散液を得た。グラフェン水分散液とナイロン12粒子の重量比を1:1となるように、高速攪拌機(プライミクス社、ホモディスパー2.5型)で撹拌した。高速攪拌機の撹拌羽の周長は12.5cmで、3000rpmで処理した。このときの撹拌羽の周速は6.25m/sである。得られた分散液を凍結乾燥により乾燥して酸化グラフェンで被覆されたポリマー粒子を得た。
ポリマー粒子として平均粒径が10μmの市販のポリスチレン粒子(ナノ・ミール(株)製、PS10V)を使用した以外は実施例1と同様に導電性粒子を作製し、各種評価を行った。体積抵抗率は、測定値が107Ω・cm以上であることが示唆されたため、測定不能とした。
亜ジチオン酸ナトリウム10gを、10gの40℃の水に溶解させて50質量%の水溶液に調製した後、合成例2で作製した酸化グラフェン水分散液200gに、添加し混合することで、酸化グラフェンを還元し、グラフェン水分散液を得た。
Claims (15)
- ポリマー粒子の表面がグラフェンで被覆されてなる導電性粒子であって、グラフェンによる前記ポリマー粒子の平均被覆率が0.40以上0.90以下である導電性粒子。
- グラフェンの面方向の大きさの、導電性粒子の平均粒径に対する比が0.01以上0.90以下である、請求項1に記載の導電性粒子。
- グラフェンによる被覆の厚みが30nm以下である、請求項1または2に記載の導電性粒子。
- 前記ポリマー粒子の平均被覆率が0.60以上0.85以下である、請求項1〜3のいずれかに記載の導電性粒子。
- 前記ポリマー粒子の被覆率の標準偏差が0.16以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の導電性粒子。
- 前記ポリマー粒子がポリアミドからなる粒子である、請求項1〜5のいずれかに記載の導電性粒子。
- 前記ポリマー粒子の平均粒径が1μm以上30μm以下である、請求項1〜6のいずれかに記載の導電性粒子。
- 前記ポリマー粒子の水分散液のゼータ電位が3mV以上である、請求項1〜7のいずれかに記載の導電性粒子。
- グラフェンの、X線電子分光法により測定される炭素に対する酸素の元素比(O/C比)が0.08以上0.30以下である、請求項1〜8のいずれかに記載の導電性粒子。
- ポリマー粒子を酸化グラフェンで被覆した後、酸化グラフェンを還元する導電性粒子の製造方法。
- 前記酸化グラフェンの還元を化学還元により行う、請求項10に記載の導電性粒子の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の導電性粒子を樹脂中に分散させてなる導電性樹脂。
- 前記樹脂がエポキシ樹脂である、請求項12に記載の導電性樹脂。
- 導電性粒子/樹脂の重量比が0.25以上2.3以下である、請求項12または13に記載の導電性樹脂。
- 前記導電性粒子として、導電性粒子/エポキシ樹脂の重量比を1.0とした混合物の粘度が6000mPa・s以上のものを用いる、請求項12〜14のいずれかに記載の導電性樹脂。
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