JP5007970B2

JP5007970B2 - 透明導電粉末の製造方法

Info

Publication number: JP5007970B2
Application number: JP2006356032A
Authority: JP
Inventors: 正道室田; 素彦吉住
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Jemco Inc
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Electronic Chemicals Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008166177A

Description

本発明は、アンチモン等の有害成分を含有せずに優れた導電性を有する透明粉末に関する。より詳しくは、本発明は、雲母を基材とし、アンチモン等の有害成分を含有せずに優れた導電性を有し、環境汚染等を生じる虞のない透明導電粉末の製造方法に関する。

導電粉末は帯電防止・帯電制御・静電防止・防塵等の用途に現在広く用いられている。従来、導電性を高めるために、アンチモン等をドープした導電粉末が使用されているが、アンチモンは有毒物質であり、近時、環境汚染防止等の観点から、アンチモンフリーの導電材料が求められている。さらに、従来の導電粉末は水に分散し難く、有機溶剤に分散させて使用しているが、環境への負荷を低減するため、水に分散可能であってプラスチックとの密着性も良い導電粉末が求められている。

具体的には、従来、白色導電粉末として、例えば、酸化アルミニウムをドープした酸化亜鉛、二酸化チタン粉末等の表面に酸化アンチモンをドープした酸化錫膜を形成した白色導電粉末が知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。また、アンチモン成分を含有する酸化錫からなる導電被膜をチタン酸カリウム繊維に形成した白色導電繊維が知られている（特許文献４、特許文献５）。さらに、二酸化チタン粒子表面に酸化スズおよびリンを含む導電層を形成した白色導電性二酸化チタン粉末が知られている（特許文献６）。これらは、透明性を有しない。透明導電粉としては、アンチモンドープ酸化スズが知られている（特許文献７）。また、これらのドープ成分を含有しない表面改質した透明導電性酸化スズ粉末が知られている（特許文献８）。

しかし、酸化アンチモンをドープした酸化錫膜を有する白色導電粉末は、導電性が安定しているものの、アンチモンは有毒成分であるので、アンチモンフリーの導電粉末が求められている。一方、リンをドープした酸化錫は、導電性が不安定であり、またリンの偏在性の問題があった。さらに、表面改質されたノンドープ酸化錫からなる透明導電性酸化スズ粉末はカーボン残存等の問題がある。

この他に、基板表面に気相反応によってフッ素含有酸化スズ膜を形成し、これを酸素導入下の不活性ガス下で熱処理することによって低抵抗にしたフッ素含有酸化スズ膜を形成する方法が知られているが（特許文献９）、粉体原料を気相処理したものは粉体表面に被膜が十分に形成されないので、粉体原料の処理方法として適さない。
特開昭５８−２０９００２号公報特開昭６１−０２８６２２号公報特開昭６２−１８０９０３号公報特開昭６１−１３６５３２号公報特開平０７−０５３２１７号公報国際公開ＷＯ２００５／０１２４４９号公報特開昭５５−１４９０３６号公報特開２００６−５９８０６号公報特開２００３−８１６３３号公報

本発明は、従来の透明導電粉末における上記問題を解決したものであり、雲母を基材とし、アンチモン等の有害成分を含有せずに優れた導電性を有し、環境汚染等を生じる虞れがなく、かつ水に分散可能で環境への負担が少ない透明導電粉末の製造方法を提供する。

本発明は、以下の構成によって上記課題を解決した透明導電粉末の製造方法を提供する。
〔１〕基材の雲母を水に分散し、これにスズ源を加え、ｐＨ４以下で加水分解して該雲母表面にスズ化合物を析出させ、乾燥後、水蒸気またはアルコール蒸気を含む不活性ガス雰囲気下、酸素を排除し、熱処理して、雲母表面に導電性酸化スズ層を形成することを特徴とする透明導電粉末の製造方法。
〔２〕上記[１]の製造方法において、基材の雲母表面にスズ化合物を析出させる時または析出させた後に、フッ素を導入して該雲母表面にフッ素含有スズ化合物を形成し、乾燥後、水蒸気またはアルコール蒸気を含む不活性ガス雰囲気下、酸素を排除し、熱処理して、雲母表面に導電性フッ素含有酸化スズ層を形成する透明導電粉末の製造方法。
〔３〕上記[１]または上記[２]に記載する製造方法において、水またはアルコールの蒸気圧が飽和蒸気圧３０％以上である透明導電粉末の製造方法。

本発明はさらに以下の製造方法を提供する。
〔４〕上記[１]に記載する製造方法において、基材の雲母表面の酸化スズ層が２０〜６０質量％であり、粉末体積抵抗が１０ ⁵ Ω・cm以下の透明導電粉末を製造する方法。
〔５〕上記[２]に記載する製造方法において、基材の雲母表面の酸化スズ層が２０〜６０質量％であり、粉末体積抵抗が１０ ⁴ Ω・cm以下の透明導電粉末を製造する方法。

本発明の導電粉末は、雲母を基材とした高い導電性を有する透明導電粉末である。雲母を基材とするので透明性を有し、従って、透明性が要求される用途、例えば、自動車ガラスや、帯電防止プレート、帯電防止シート、静電プライマーなどにおける導電材料として好適である。

また、本発明の透明導電粉末は、酸スズ層にアンチモン、リン、インジウムを何れも含まないので環境汚染等を生じる懸念がない。また、アンチモン、リン、インジウムを含まないので低コストである。なお、本発明において、アンチモン、リン、およびインジウムを含まないとは、原料および工程中でアンチモン、リン、およびインジウム源を使用せず、従って検出限界５００ppmの標準的な測定装置によってこれらの元素が検出されないことを云う。

本発明の透明導電粉末は、上記アンチモン等のドープ成分を含まずに高い導電性を有しており、とくに酸化スズ層にフッ素が含有されているものは安定した高い導電性を有するので、安全な導電材料として各種の機器に広く用いることができる。具体的には、例えば、静電塗装プライマー、帯電防止効果を有する樹脂やタイル、導電性塗料、静電記録材料、複写機関連の帯電ローラー、感光ドラム、トナー、静電ブラシなどにおける導電材料として好適である。

本発明の透明導電粉末は水に分散可能であるので、水性塗料等の導電材料として用いることができる。さらに本発明の透明導電粉末は平板状を有する雲母を基材としているので樹脂成分や塗料成分に分散させて用いるときに、使用量が従来の導電粉末より少量で足り、コスト低下に有利であると共に樹脂等の性質を損なう懸念が少ない。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。なお、％は特に示さない限り、また数値固有の場合を除いて質量％である。
〔透明導電粉末〕
本発明に係る第一態様の導電粉末は、雲母を基材とし、アンチモン、リン、およびインジウムを含まない酸化スズ層を該基材表面に有することを特徴とする透明導電粉末である。
また、本発明に係る第二態様の導電粉末は、雲母を基材とし、アンチモン、リン、およびインジウムを含まず、０.１〜５.０％のフッ素を含有する酸化スズ層を該基材表面に有することを特徴とする透明導電粉末である。

本発明の透明導電粉末は、その基材として雲母を用いる。一般に雲母は薄片状をなし、薄いものは光を透過する透明材料であるので、雲母を基材として透明導電粉末を得ることができる。雲母の大きさは１〜３０μmのものが好ましい。

上記雲母表面に形成された酸化スズ層はアンチモン、リン、およびインジウムを含まない。従来の導電粉末は上記アンチモンやリン等をドープすることによって導電性を高めているが、本発明の透明導電粉末は、雲母表面に湿式処理によってスズ化合物を形成し、これを雰囲気調整した不活性ガス雰囲気下で熱処理することによって、高い導電性を達成しているので、上記各元素を含有する必要がない。

また、本発明のフッ素含有酸化スズ層を有する透明導電粉末は、雲母表面に湿式処理によってスズ化合物を形成し、これにフッ素を導入し、雰囲気調整した不活性ガス雰囲気下で熱処理することによって、高い導電性を達成しているので、上記各元素を含有する必要がない。さらに上記フッ素を含有した酸化スズ層は導電性が高く、かつ安定である。

本発明の透明導電粉末において、粉末中の酸化スズ層ないしフッ素含有酸化スズ層の割合は２０〜６０％が適当であり、３０〜５０％が好ましい。この量が２０％未満では所望の導電性が得るのが難しい。また、この量が６０％より多いと低抵抗にはなるものの、凝集の問題が生じるので好ましくない。

フッ素を含有する酸化スズ層において、酸化スズ層中のフッ素量は０.１〜５.０％である。フッ素量が０.１％未満では粉末体積抵抗が低下しない。またフッ素量が５.０％より多くても粉末体積抵抗は５.０％の場合と大差なく、抵抗値の低下の割合は小さい。

本発明の透明導電粉末の導電性は、粉末中の酸化スズ層の量が２０〜６０％において、例えば、酸化スズ層がフッ素を含有しないものは粉末体積抵抗が１０⁵Ω・cm以下の導電性を有することができる。また、酸化スズ層がフッ素を含有するものは粉末体積抵抗が１００００Ω・cm以下、好ましくは５０００Ω・cm以下の導電性を有することができる。
なお、粉末体積抵抗が１０⁵Ω・cmより大きいと、この粉末を樹脂に混入したときの表面抵抗が概ね１０¹⁰Ω／□以上になるので帯電防止効果が不十分になる。本発明の透明導電粉末の導電性は粉末体積抵抗が小さいのでこのような問題がない。

〔製造方法〕
本発明の透明導電粉末について、フッ素を含有しない酸化スズ層を有するものは、雲母の表面に湿式処理によってスズ化合物を形成し、これを雰囲気調整した不活性ガス雰囲気下で熱処理して酸化スズ層を形成することによって製造することができる。

好ましくは、基材の雲母を水に分散させ、これにスズ源を加え、低ｐＨ下、例えばｐＨ４以下で加水分解して雲母表面にスズ化合物を析出させ、乾燥後、不活性ガス雰囲気および水蒸気の存在下、酸素を排除し、熱処理して雲母表面に導電性酸化スズ層を形成する。

また、フッ素含有酸化スズ層を有するものは、雲母の表面に湿式処理によってスズ化合物を析出させ、これにフッ素を導入し、雰囲気調整した不活性ガス雰囲気下で熱処理してフッ素含有酸化スズ層を形成することによって製造することができる。

好ましくは、基材の雲母を水に分散し、これにスズ源を加え、低ｐＨ下、例えばｐＨ４以下で加水分解して雲母表面にスズ化合物を析出させ、この析出時またはその後にフッ素を導入して該粉末表面にフッ素含有スズ化合物を形成し、乾燥後、不活性ガス雰囲気および水蒸気の存在下、酸素を排除し、熱処理して基材表面にフッ素含有酸化スズ層を形成する。

具体的には、基材の雲母を水に分散させて４０〜１００℃に加温し、スズ源を加え、これを加水分解して雲母表面にスズ化合物を析出させる。スズ源としては塩化スズ、硝酸スズ、酢酸スズ、その他の可溶性スズ塩を用いることができる。

雲母表面にスズ化合物を析出させた後、デカンテーションにより残留塩分を除去して乾燥する。なお、スズ源として塩化スズを用いる場合には、塩酸水溶液を加え、ｐＨ４以下でスズ化合物を析出させ、その後の洗浄は塩酸が僅かに残留する程度に止めるのが良い。

フッ素を導入するには、デカンテーションの後に、フッ素源、例えば、フッ化第一スズを加える。このとき、水酸基とフッ素が置換してフッ素が取り込まれる。フッ素を含むことによって紛体はやや黄色味を帯びる。このフッ素はほとんど全てがスズ化合物に取り込まれるので遊離のフッ素が無く、熱処理において炉を傷めることが少ない。
なお、スズ源の塩化スズと共にフッ素源のフッ化第一スズを加え、フッ素を含むスズ化合物を析出させても良い。

なお、従来、ＣＶＤ法などの気相反応によってシリカ基板表面にフッ素ドープ酸化スズ膜を形成することが知られているが（特許文献９）、粉末原料を用いる場合には気相処理では粉末全体に十分な酸化スズ層を形成することができない。

本発明の透明導電粉末は、上記湿式処理の後に乾燥し、熱処理を行って酸化スズ層ないしフッ素含有酸化スズ層を形成する。熱処理温度は４００℃以上〜８００℃以下が好ましい。熱処理温度が４００℃より低いと十分な導電性が得られず、また８００℃より高いと粉末の焼結が始まるので好ましくない。

この熱処理は、雰囲気調整した不活性ガス雰囲気下で行うのが良く、具体的には、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気および水蒸気の存在下、酸素を排除して行うのが好ましい。水蒸気はアルコール蒸気でも良い。水蒸気またはアルコール蒸気を導入する方法は限定されない。熱処理炉の不活性ガス雰囲気中に水蒸気またはアルコール蒸気を導入してもよく、湿式処理後の原料粉末の乾燥を適度にして湿った状態にし、または原料粉末に水をまたはアルコールを噴霧しても良い。あるいは不活性ガスを水やアルコールに通じてバブリングさせて熱処理炉に導入しても良い。

水またはアルコールの蒸気圧は飽和蒸気圧３０％以上が好ましい。この蒸気圧を保って熱処理するには密閉型の熱処理炉を用いるのが好ましい。なお、スズ化合物の加熱時には水分が抜けるので、この水分を利用して同様の効果を得るようにしても良い。

また、雰囲気から酸素を排除して加熱する。従来、酸素を含む不活性ガス下で熱処理する方法が知られているが（特許文献９）、酸素が含まれていると、安定して低抵抗粉末が得られず、また不均一である。

湿式処理した原料粉末を、水蒸気またはアルコール蒸気を含む不活性ガス雰囲気下で酸化を排除して熱処理することによって、低抵抗の透明導電粉末が得られる。なお、フッ素含有酸化スズ層を有するものは、不活性ガスが水蒸気やアルコール蒸気を含まない場合でも抵抗が比較的低い粉末が得られる。また、フッ素含有酸化スズ層を有する場合、水蒸気またはアルコール蒸気の存在下で熱処理することによって粉末の抵抗をさらに低下させることができる。本発明の製造方法は、フッ素含有酸化スズ層を有する透明導電粉末について、不活性ガスが水蒸気やアルコール蒸気を含まない熱処理、および不活性ガスが水蒸気やアルコール蒸気を含む熱処理の何れも含む。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示す。実施例および比較例において、粉末体積抵抗は試料粉末を圧力容器に入れて１００kgf/cm²で圧縮し、この圧粉をデジタルマルチメーター（横河電機製品：型式7561-02）によって測定した。塗布膜の表面抵抗は透明導電粉末を含む膜厚約１００μmの薄膜について表面抵抗計（ハイレスタ：三菱油化製品：型式HT-210、供給電圧１００Ｖ）を用いて測定した。全光線透過率は透明導電粉末を含む膜厚約１００μmの薄膜についてスガ試験機社製装置（SM-7-IS-2B）を用いて測定した。

〔実施例１〕
雲母粉末（キララ社製品）５０ｇを水３００ccに分散させて、９０℃に加温した。この分散液に、粉体中の酸化スズ含有量が表１の値になるように所定量の塩化スズを加え、塩酸水溶液を２０分〜３０分かけて添加してｐＨ３〜４に調整した。この湿式処理した雲母を取り出して洗浄し乾燥した。上記湿式処理で加えた塩化スズは実質的に全量が加水分解され、雲母表面にスズ化合物（Ｘ線回折ではＳｎＯ₂パターンを示す水酸化スズ）が析出していた。この乾燥雲母粉末２０ｇを石英管状炉に入れ、水を通して水蒸気を飽和させた窒素ガスを０.３Ｌ/分の割合で３０分間炉内に流し、酸素を排除して、表１に示す温度で熱処理した。処理した雲母粉末を取り出し、１００kgf/cm²で圧粉し、粉末体積抵抗を測定した。また上記粉末のＬａｂ表色系の値を測定した。この結果を表１に示した。

〔比較例１〕
酸化スズ含有量、熱処理温度、および加熱雰囲気を表２に示す条件にした以外は実施例１と同様にして透明導電粉末を製造した。この透明導電粉末について粉末体積抵抗を測定した。この結果を表１に示した。

〔実施例２・比較例２〕
実施例１および比較例１において製造した透明導電微粉末４.３ｇ（３０％）、または２.５ｇ（２０％）をおのおの市販のアクリル塗料（樹脂含有量10％）１００ｇに加え、ビーズを入れたペイントシェーカーで３０分攪拌した。この塗料をワーヤーバー（No.8）でＰＥＴフィルムに塗布し、乾燥後の表面抵抗を表面抵抗計にて測定した。また、塗膜の性状（凝集体によるブツの有無）を目視にて確認した。この結果を表１に示した。

表１に示すように、本発明に係るＡ１〜Ａ５は何れも粉末体積抵抗が１０⁵Ω・cm以下であり、酸化スズ量が２０％以上であって、熱処理温度が５００℃のＡ２〜Ａ３は粉末体積抵抗が５０００Ω・cmであり、導電性が高い。また、全光線透過率も８０％以上の良好な透明性を有している。一方、比較試料Ｂ１、Ｂ２，Ｂ４、Ｂ５は何れも粉末体積抵抗が各段に高く、導電性が低い。

〔実施例３〕
雲母粉末（キララ社製品）５０ｇを水３００ccに分散させて、９０℃に加温した。この分散液に、粉体中の酸化スズ含有量が表２の値になるように所定量の塩化スズを加え、塩酸水溶液を２０分〜３０分かけて添加してｐＨ３〜４に調整した。この湿式処理した粉末を取り出して洗浄した。上記湿式処理で加えた塩化スズは実質的に全量が加水分解され、粉末表面にスズ化合物（Ｘ線回折ではＳｎＯ₂パターンを示す水酸化スズ）が析出していた。これにフッ化第一スズを表２に示すフッ素含有量になるように所定量を加え、攪拌し乾燥した。この乾燥雲母粉末２０ｇを石英管状炉に入れ、水を通して水蒸気を飽和させた窒素ガスを０.３Ｌ/分の割合で３０分間炉内に流し、酸素を排除して、表２に示す温度で熱処理した。処理した雲母粉末を取り出し、１００kgf/cm²で圧粉し、粉末体積抵抗を測定した。

〔比較例３〕
酸化スズ含有量、酸化スズ中のフッ素量、熱処理温度、および加熱雰囲気を表２に示す条件にした以外は実施例３と同様にして透明導電粉末を製造した。この粉末について粉末体積抵抗の値を測定した。この結果を表２に示した。

〔実施例４・比較例４〕
実施例３および比較例３において製造した透明導電微粉末４.３ｇ（３０％）、または２.５ｇ（２０％）をおのおの市販のアクリル塗料（樹脂含有量10％）１００ｇに加え、ビーズを入れたペイントシェーカーで３０分攪拌した。この塗料をワイヤーバー（No.8）でＰＥＴフィルムに塗布し、乾燥後の表面抵抗を表面抵抗計にて測定した。また、塗膜の性状（凝集体によるブツの有無）を目視にて確認した。この結果を表２に示した。

表２に示すように、Ｃ１〜Ｃ５は何れも粉末体積抵抗が１００００Ω・cm以下であり、導電性が高い。また、全光線透過率も８０％以上で良好な透明性を有している。一方、比較試料Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ５は何れも粉末体積抵抗が各段に高く、導電性が低い。

Claims

基材の雲母を水に分散し、これにスズ源を加え、ｐＨ４以下で加水分解して該雲母表面にスズ化合物を析出させ、乾燥後、水蒸気またはアルコール蒸気を含む不活性ガス雰囲気下、酸素を排除し、熱処理して、雲母表面に導電性酸化スズ層を形成することを特徴とする透明導電粉末の製造方法。
請求項１に記載する製造方法において、基材の雲母表面にスズ化合物を析出させる時または析出させた後に、フッ素を導入して該雲母表面にフッ素含有スズ化合物を形成し、乾燥後、水蒸気またはアルコール蒸気を含む不活性ガス雰囲気下、酸素を排除し、熱処理して、雲母表面に導電性フッ素含有酸化スズ層を形成する透明導電粉末の製造方法。
請求項１または請求項２に記載する製造方法において、水またはアルコールの蒸気圧が飽和蒸気圧３０％以上である透明導電粉末の製造方法。
請求項１に記載する製造方法において、基材の雲母表面の酸化スズ層が２０〜６０質量％であり、粉末体積抵抗が１０ ⁵ Ω・cm以下の透明導電粉末を製造する方法。
請求項２に記載する製造方法において、基材の雲母表面の酸化スズ層が２０〜６０質量％であり、粉末体積抵抗が１０ ⁴ Ω・cm以下の透明導電粉末を製造する方法。