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JP2013014448A - Carbon nanotube dispersion composition and carbon nanotubes containing composition using the same - Google Patents

Carbon nanotube dispersion composition and carbon nanotubes containing composition using the same Download PDF

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JP2013014448A
JP2013014448A JP2011146914A JP2011146914A JP2013014448A JP 2013014448 A JP2013014448 A JP 2013014448A JP 2011146914 A JP2011146914 A JP 2011146914A JP 2011146914 A JP2011146914 A JP 2011146914A JP 2013014448 A JP2013014448 A JP 2013014448A
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JP
Japan
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carbon nanotube
carbon nanotubes
dispersant
dispersion
carbon
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Withdrawn
Application number
JP2011146914A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Inoue
均 井上
Shigeo Horii
滋夫 堀井
Kunihiko Tozaki
邦彦 戸崎
Takashi Minobe
隆 美濃部
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NIPPON SHIZAI KK
Original Assignee
NIPPON SHIZAI KK
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon nanotube dispersion composition, having high dispersion stability of carbon nanotubes and capable of adding to other material conductivity, size stability and impact resistance with a small amount of addition.SOLUTION: The amount of a dispersant in the carbon nanotube dispersion composition is set to be at least 3 mg to at most 15 mg for a geometric surface area 1 mof the carbon nanotube. Also, using the carbon nanotube dispersion composition, and by removing a solvent therefrom, the carbon nanotubes containing composition is produced.

Description

本発明は、分散安定性にすぐれるカーボンナノチューブ分散組成物、およびそのカーボンナノチューブ分散組成物を用いて作製するカーボンナノチューブ含有組成物に関する。   The present invention relates to a carbon nanotube dispersion composition having excellent dispersion stability, and a carbon nanotube-containing composition produced using the carbon nanotube dispersion composition.

カーボンナノチューブ(CNT)は、炭素が正六角形を敷き詰めた形に配置したグラファイトのシートを筒状に巻いた構造を基本とした炭素の一形態であり、一層だけのものを単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、複数層を有するものを多層カーボンナノチューブ(MWCNT)と呼ぶ。基本構造がグラファイトシートであることから、高い導電性や強度を有しており、その特性を活かした様々な応用が考えられている。例えば特許文献1〜5には、少量の添加で高い導電性が得られることを利用した導電性塗料や透明導電性膜が開示されている。また特許文献6には、同じくカーボンナノチューブの導電性を活かしたヒーター部材としての利用が、さらに特許文献7、特許文献8には、カーボンナノチューブを含有することにより寸法安定性を増した樹脂材料が、それぞれ開示されている。   A carbon nanotube (CNT) is a form of carbon based on a structure in which a sheet of graphite in which carbon is arranged in a regular hexagonal shape is wound into a cylindrical shape, and a single-walled carbon nanotube (SWCNT) ), Those having a plurality of layers are called multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). Since the basic structure is a graphite sheet, it has high conductivity and strength, and various applications utilizing its characteristics are considered. For example, Patent Documents 1 to 5 disclose conductive paints and transparent conductive films that utilize the fact that high conductivity can be obtained with a small amount of addition. Patent Document 6 discloses the use of a carbon nanotube as a heater member that takes advantage of the conductivity of carbon nanotubes. Patent Document 7 and Patent Document 8 also include resin materials that have increased dimensional stability by containing carbon nanotubes. , Respectively.

これらの利用形態で最も重要なのは、カーボンナノチューブの分散性である。カーボンナノチューブは、その繊維状の形態から、繊維が絡み合ったり、束状に集まったりする凝集を起こしやすい。特に粘度の低い液体中に分散させる場合、カーボンナノチューブが自由に動けることから、一時的には分散できても、しだいに凝集する傾向が強くなる。このような凝集が起こると、分散組成物中での均一性が損なわれ、導電性の低下、光散乱の増加、強度の低下などにつながることになる。   The most important of these utilization forms is the dispersibility of the carbon nanotubes. Carbon nanotubes tend to agglomerate due to their fibrous form, in which the fibers are intertwined or gathered in bundles. In particular, when dispersed in a low-viscosity liquid, the carbon nanotubes can move freely. Therefore, even if they can be dispersed temporarily, the tendency to gradually aggregate increases. When such agglomeration occurs, the uniformity in the dispersion composition is impaired, leading to a decrease in conductivity, an increase in light scattering, a decrease in strength, and the like.

特開2001−11344号公報JP 2001-11344 A 特開2001−30200号公報JP 2001-30200 A 特許3665969号公報Japanese Patent No. 3665969 特開2005−255985号公報JP 2005-255985 A 特開2008−24568号公報JP 2008-24568 A 特表2010−517231号公報Special table 2010-517231 特開2003−82202号公報JP 2003-82202 A 特開2008−255256号公報JP 2008-255256 A

上記のように、カーボンナノチューブを様々な部材に適用するには、その分散性、特に長時間にわたって分散状態を維持できる分散安定性が求められる。本発明は、このような高い分散安定性を有するカーボンナノチューブ分散組成物を提供し、これを用いた高性能のカーボンナノチューブ含有組成物を提供することを課題とする。   As described above, in order to apply the carbon nanotube to various members, its dispersibility, particularly dispersion stability capable of maintaining the dispersion state for a long time is required. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube dispersion composition having such a high dispersion stability, and to provide a high-performance carbon nanotube-containing composition using the same.

発明者は上記課題を解決するために種々検討した結果、分散剤の量を最適化することが重要であることを見出した。   As a result of various studies to solve the above problems, the inventor has found that it is important to optimize the amount of the dispersant.

即ち、少なくともカーボンナノチューブと分散剤と溶媒から成り、分散剤の量が、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3mg以上15mg以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ分散組成物である。 That is, the carbon nanotube dispersion composition comprises at least carbon nanotubes, a dispersant, and a solvent, and the amount of the dispersant is 3 mg or more and 15 mg or less per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotubes.

また、上記カーボンナノチューブ分散組成物から溶媒を除去してなるカーボンナノチューブ含有組成物である。   Moreover, it is a carbon nanotube containing composition formed by removing a solvent from the said carbon nanotube dispersion composition.

本発明を用いれば、カーボンナノチューブが長期間にわたって安定に分散した組成物が得られる。このような分散性が良好なカーボンナノチューブ分散組成物は、他の材料に対してごく少量の添加で、導電性、寸法安定性、耐衝撃性等を付与することができるため、各種塗料や電極材料、樹脂組成物などを高機能化するのに有効である。また、本発明の樹脂組成物から溶媒を除去してなる組成物は、極めて薄い膜状態でも導電性を発現できるので、透明性と高い導電性、帯電防止性が両立できる。   By using the present invention, a composition in which carbon nanotubes are stably dispersed over a long period of time can be obtained. Such a carbon nanotube dispersion composition having good dispersibility can impart conductivity, dimensional stability, impact resistance, etc. with a very small amount of addition to other materials. This is effective for enhancing the functionality of materials, resin compositions, and the like. Moreover, since the composition formed by removing the solvent from the resin composition of the present invention can exhibit conductivity even in an extremely thin film state, both transparency, high conductivity, and antistatic properties can be achieved.

本発明を構成する第1の発明は、少なくともカーボンナノチューブと分散剤と溶媒から成り、分散剤の量が、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3mg以上15mg以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ分散組成物である。 The first invention constituting the present invention is characterized by comprising at least carbon nanotubes, a dispersant and a solvent, and the amount of the dispersant is 3 mg or more and 15 mg or less per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotubes. It is a carbon nanotube dispersion composition.

カーボンナノチューブは表面が不活性で、凝集しやすい性質を持つため、溶媒中に安定に分散させるために様々な分散剤が用いられている。特に、電気的な反発力が働かない非水系の溶媒中においては、表面に吸着して立体的な反発効果を発現する高分子系の分散剤が用いられる。その際、分散剤の量がカーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3mgよりも少ないと、必要な厚さの吸着層をカーボンナノチューブ表面に形成することができず、立体反発力が不足して、十分な分散効果が得られない。一方、分散剤が多すぎて、幾何学的な表面積1mあたり15mg以上になると、カーボンナノチューブの含有率が低下して導電性などの性能を損なうばかりか、過剰な分散剤が架橋剤として働いて、かえって凝集を引き起こすことにつながる。 Since carbon nanotubes have an inert surface and tend to aggregate, various dispersing agents are used for stable dispersion in a solvent. In particular, in a non-aqueous solvent in which an electric repulsive force does not work, a polymer dispersant that is adsorbed on the surface and exhibits a steric repulsive effect is used. At that time, if the amount of the dispersant is less than 3 mg per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube, an adsorption layer having a required thickness cannot be formed on the surface of the carbon nanotube, and the steric repulsive force is insufficient. Thus, a sufficient dispersion effect cannot be obtained. On the other hand, if there are too many dispersants and the geometric surface area is 15 mg or more per 1 m 2 , not only the content of carbon nanotubes is lowered and the performance such as conductivity is impaired, but the excess dispersants act as crosslinking agents. On the contrary, it leads to aggregation.

カーボンナノチューブの分散において、分散剤の最適量が、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3mg以上15mg以下になる理由としては、以下のようなことが考えられる。 In the dispersion of the carbon nanotubes, the reason why the optimum amount of the dispersing agent is 3 mg or more and 15 mg or less per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube is considered as follows.

まず、表面積の決め方であるが、粉体試料の表面積を求める方法として、一般的には窒素ガスなどの吸着量を基に算出するBET法などが用いられる。通常の粉体試料は形状が複雑で一定しないことが多いので、粒子径などから算出することが困難だからである。しかし、カーボンナノチューブは形状が単純であるので、これを理想的な円柱形と見なして幾何学的に表面積を求めることが可能である。また、ガス吸着によって表面積を求める場合、カーボンナノチューブが束状に凝集する、いわゆるバンドルを形成していると正確な表面積を得るのが困難であることや、分散剤の吸着には関係しない、チューブの内壁部分の面積も加算される場合があるなど、かえって実情に合致しなくなる可能性が高い。従って、幾何学的に求めた表面積の方が、カーボンナノチューブが理想的に分散した系に対しては適切であると考えられる。   First, the surface area is determined. As a method for determining the surface area of the powder sample, a BET method for calculating based on the amount of adsorption of nitrogen gas or the like is generally used. This is because a normal powder sample has a complicated shape and is often not constant, so that it is difficult to calculate from a particle diameter or the like. However, since the shape of the carbon nanotube is simple, the surface area can be obtained geometrically by regarding this as an ideal cylindrical shape. In addition, when determining the surface area by gas adsorption, it is difficult to obtain an accurate surface area when a so-called bundle is formed, in which carbon nanotubes are aggregated in a bundle. There is also a possibility that the area of the inner wall portion is not added to the actual situation. Therefore, the geometrically determined surface area is considered appropriate for a system in which carbon nanotubes are ideally dispersed.

次に、カーボンナノチューブの分散に、分散剤がどのように寄与しているかを考え、必要な分散剤の量を見積もってみる。   Next, considering how the dispersant contributes to the dispersion of the carbon nanotubes, the amount of the required dispersant is estimated.

電気的な反発力が期待できない場合、カーボンナノチューブの安定な分散に寄与するのは熱運動のエネルギーであり、その大きさは、ボルツマン定数をk、絶対温度をTとすると、ほぼkT程度である。これに対して、カーボンナノチューブを凝集させるのは、主にナノチューブ間に働くvan der Waalsエネルギーであり、この両者の大小関係によって、分散系が安定になるかどうかが決まる。van der Waalsエネルギーは距離が近付くにつれて急激に増加するので、安定に分散させるには、カーボンナノチューブどうしが接近するのを防ぎ、van der Waalsエネルギーが熱運動エネルギーを大きく超えないようにすることが重要である。この働きをするのが、カーボンナノチューブの表面に形成された分散剤の吸着層である。   When electric repulsive force cannot be expected, it is the energy of thermal motion that contributes to the stable dispersion of carbon nanotubes, and the magnitude is about kT, where B is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature. . On the other hand, the carbon nanotubes are aggregated mainly by van der Waals energy acting between the nanotubes, and the magnitude relationship between the two determines whether the dispersion system becomes stable. Since van der Waals energy increases rapidly as the distance approaches, it is important to prevent the carbon nanotubes from approaching each other and to ensure that the van der Waals energy does not greatly exceed the thermal kinetic energy in order to disperse stably. It is. This function is the adsorbing layer of the dispersant formed on the surface of the carbon nanotube.

カーボンナノチューブの凝集を引き起こすvan der Waalsエネルギーは、このエネルギーの大きさにかかわる定数であるHamaker定数をグラファイトの一般的な値である5×10−13ergとして計算することができる。例えば、比較的細いカーボンナノチューブが弱く凝集する例として、直径5nmのカーボンナノチューブが、長さ10nmにわたる部分で互いに接近して来た場合、van der Waalsエネルギーは表面間距離5nmで、0.3kT、表面間距離3nmで1kT、表面間距離2nmで3kT程度となる(T=298度の場合)。これは、表面に1.5nm以上の厚さの吸着層を形成して表面間距離を3nm以上に保てば、凝集エネルギーは1kT以下に抑えられる、即ち、凝集エネルギーと熱運動エネルギーが同レベルになって、熱運動による分散が可能になることを意味する。また、比較的強い相互作用のモデルとして、直径15nmのカーボンナノチューブが長さ100nmにわたる部分で接近する例を考えると、その時のvan der Waalsエネルギーは、表面間距離20nmで0.5kT、表面間距離15nmで1kT、表面間距離10nmで3kTとなる。これは、表面に7.5nmの厚さの分散剤吸着層を形成して表面間距離を15nmにすれば、やはり熱運動エネルギーによる分散が可能であることを意味している。 The van der Waals energy that causes aggregation of carbon nanotubes can be calculated by setting the Hamaker constant, which is a constant related to the magnitude of this energy, as 5 × 10 −13 erg, which is a general value of graphite. For example, as an example in which relatively thin carbon nanotubes are weakly aggregated, when carbon nanotubes having a diameter of 5 nm approach each other in a portion extending over a length of 10 nm, the van der Waals energy is 0.3 kT at a surface-to-surface distance of 5 nm. The distance is about 1 kT when the distance between the surfaces is 3 nm, and about 3 kT when the distance between the surfaces is 2 nm (when T = 298 degrees). This means that if an adsorption layer with a thickness of 1.5 nm or more is formed on the surface and the distance between the surfaces is kept at 3 nm or more, the cohesive energy can be suppressed to 1 kT or less, that is, the cohesive energy and the thermal kinetic energy are the same level. It means that dispersion by thermal motion becomes possible. As an example of a relatively strong interaction model, when an example in which a carbon nanotube with a diameter of 15 nm approaches in a portion extending over 100 nm is considered, the van der Waals energy at that time is 0.5 kT at a distance between surfaces of 20 nm, and a distance between surfaces. It is 1 kT at 15 nm and 3 kT at a surface-to-surface distance of 10 nm. This means that if a dispersion adsorbing layer having a thickness of 7.5 nm is formed on the surface and the distance between the surfaces is 15 nm, dispersion by thermal kinetic energy is still possible.

カーボンナノチューブの表面に1.5nmの厚さの吸着層を形成して上記の弱い凝集を防ぐには、分散剤の比重を1とすると、表面積1mあたり1.5mgの分散剤が必要である。液中に存在する分散剤の半分が表面に吸着すると仮定すると、必要な分散剤量は、カーボンナノチューブの表面積1mあたり3mgということになる。一方、カーボンナノチューブの表面に7.5nmの厚さの吸着層を形成して上記の強い凝集も防ぐには、表面積1mあたり7.5mgの分散剤が必要である。従って、やはり液中の分散剤の半分が吸着すると仮定すると、必要な分散剤量は、カーボンナノチューブの表面積1mあたり15mgとなる。ただし、分散剤の量が多くなりすぎると、前記のように、カーボンナノチューブの相対的な濃度の低下や、分散剤の架橋による別のタイプの凝集を引き起こすことにつながるため、これ以上に分散剤を多く添加するのは好ましくないと考えられる。 In order to prevent the above-mentioned weak aggregation by forming an adsorption layer having a thickness of 1.5 nm on the surface of the carbon nanotube, assuming that the specific gravity of the dispersant is 1, 1.5 mg of the dispersant is required per 1 m 2 of the surface area. . Assuming that half of the dispersant present in the liquid is adsorbed on the surface, the amount of dispersant required is 3 mg per 1 m 2 of carbon nanotube surface area. On the other hand, in order to form an adsorption layer having a thickness of 7.5 nm on the surface of the carbon nanotube to prevent the above-mentioned strong aggregation, 7.5 mg of a dispersant per 1 m 2 of the surface area is required. Accordingly, assuming that half of the dispersant in the liquid is adsorbed, the required amount of dispersant is 15 mg per 1 m 2 of the surface area of the carbon nanotube. However, if the amount of the dispersant is too large, as described above, the relative concentration of the carbon nanotubes may be reduced, and another type of aggregation may be caused by the crosslinking of the dispersant. It is considered undesirable to add a large amount of.

本発明に用いるカーボンナノチューブは特に限定されるものではなく、各種方法で合成された単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブなどを適用することができ、その直径についても、上記の計算例でも示しているように、一般的な5nmから15nm程度のものが使用できる。また、これよりも直径の大きいナノチューブに関しても、計算上はvan der Waalsエネルギーが大きくなって、より多量の分散剤が必要になるが、実際には大粒径のものの方が攪拌などの効果が及びやすいので、この範囲の分散剤量で十分に対応可能であると期待される。   The carbon nanotubes used in the present invention are not particularly limited, and single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes and the like synthesized by various methods can be applied, and the diameter is also calculated as described above. As shown in the example, a general one of about 5 nm to 15 nm can be used. Also, for nanotubes with a larger diameter, the van der Waals energy is increased in calculation, and a larger amount of dispersant is required. Therefore, it is expected that the amount of dispersant in this range can be adequately accommodated.

本発明に用いる分散剤としては、使用する溶媒への溶解性が高く、カーボンナノチューブへの吸着能を有するものであればよい。例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、アクリル酸、メタクリル酸などのアクリルモノマーの共重合体や、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン、ポリアセタール、ポリエステル、セルロース誘導体等のポリマーまたはこれらの共重合体、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムなどの各種界面活性剤などが、目的に応じて使用可能である。   The dispersant used in the present invention is not particularly limited as long as it has high solubility in the solvent to be used and has an ability to adsorb to the carbon nanotubes. For example, co-polymerization of acrylic monomers such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, hydroxyethyl (meth) acrylate, dimethylaminoethyl acrylate, acrylic acid and methacrylic acid Polymers such as coalescence, polyallylamine, polyethyleneimine, polyvinylpyrrolidone, polyacetal, polyester, and cellulose derivatives, or copolymers thereof, various surfactants such as polyethylene glycol alkyl ether, ammonium dodecylbenzenesulfonate, etc. Can be used.

溶媒としては、用途や分散剤に適するものを用いればよく、水、エタノール、イソプロパノール、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン、酢酸セロソルブ、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなど、種々の溶媒を単独で、あるいは複数種を混合して使用することができる。   Solvents that are suitable for applications and dispersants may be used. Various solvents such as water, ethanol, isopropanol, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, cyclohexanone, cellosolve acetate, and propylene glycol methyl ether acetate may be used alone or in combination. Can be used.

分散組成物の作製方法も特に限定されるものではないが、例えば、カーボンナノチューブを分散剤と共に溶媒に投入し、超音波照射やビーズミルなどの手法で均一に混合する方法や、カーボンナノチューブと分散剤と少量の溶媒とをニーダーなどを用いて混練した後、所定の濃度に希釈する方法などが適用できる。   The method for producing the dispersion composition is not particularly limited. For example, the carbon nanotubes are added to a solvent together with a dispersant, and the mixture is uniformly mixed by a method such as ultrasonic irradiation or bead mill. And a small amount of solvent are kneaded using a kneader or the like and then diluted to a predetermined concentration.

本発明のカーボンナノチューブ分散組成物には、他の成分が添加されていてもよい。例えば、成膜性や接着性を持たせるためのアクリル、エポキシ、ポリエステル、ウレタンなどの樹脂成分が含まれていてもよく、後の工程で硬化させるための反応性モノマーや架橋剤、重合開始剤などが添加されていてもよい。また、シリカやアルミナ、硫酸バリウムなどの無機フィラー、シリカゾルなどの金属酸化物ゾル、金属アルコキシドなどを添加することもできる。さらには、カーボンブラックやフラーレンなどの別種の炭素材料と組み合わせることも可能である。   Other components may be added to the carbon nanotube dispersion composition of the present invention. For example, resin components such as acrylic, epoxy, polyester, and urethane may be included to provide film formability and adhesion, and reactive monomers, crosslinking agents, and polymerization initiators for curing in later steps Etc. may be added. Further, inorganic fillers such as silica, alumina and barium sulfate, metal oxide sols such as silica sol, metal alkoxides and the like can be added. Further, it can be combined with other types of carbon materials such as carbon black and fullerene.

本発明を構成する第2の発明は、第1の発明のカーボンナノチューブ分散組成物から溶媒を除去してなるカーボンナノチューブ含有組成物である。具体的な形態としては、基材に塗布して乾燥させた塗膜や、それを基材から剥離した独立薄膜、プラスティックやゴムなどの他成分と共に固めた成型物、粉体や焼結体などとの複合物等が挙げられる。なお、ここで言う「溶媒を除去する」とは、作製する際に用いた溶媒を、それぞれの用途に適した程度に取り除くことを指し、必ずしも溶媒を完全に除去することを意味しているわけではない。   The second invention constituting the present invention is a carbon nanotube-containing composition obtained by removing a solvent from the carbon nanotube dispersion composition of the first invention. Specific forms include a coating applied to a base material and dried, an independent thin film peeled from the base material, a molded product solidified with other components such as plastic and rubber, a powder and a sintered body, etc. And the like. As used herein, “removing the solvent” refers to removing the solvent used in the production to an extent suitable for each application, and does not necessarily mean that the solvent is completely removed. is not.

塗膜の例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどのフィルムや成型物に塗布した導電膜、帯電防止膜が挙げられる。透明基材の場合はその透明性を、着色基材の場合はその下地の色を大きく損なうことなく導電性を付与することが可能であり、透明電極材の他に、電子部品の包装、搬送に用いる包装材、トレイ、キャリアテープ、カバーテープ、電子回路を形成した部材を保護するスペーサーテープ、帯電防止機能を持った間仕切り用のフィルムなどに適用することができる。また、電磁波遮蔽能を有する窓材や、カーボンナノチューブを発熱体とするヒーターを作製することも可能である。さらには、柔軟性のある基材に塗布すれば、柔軟性、衝撃緩和性のある電極材として用いることもできる。   Examples of the coating film include conductive films and antistatic films applied to films and molded articles such as polyethylene terephthalate (PET), polystyrene, polyvinyl chloride, and polycarbonate. In the case of a transparent substrate, the transparency can be imparted, and in the case of a colored substrate, the conductivity can be imparted without greatly detracting from the underlying color. It can be applied to packaging materials, trays, carrier tapes, cover tapes, spacer tapes for protecting members on which electronic circuits are formed, partition films having an antistatic function, and the like. It is also possible to produce a window material having electromagnetic wave shielding ability and a heater using a carbon nanotube as a heating element. Furthermore, if it is applied to a flexible substrate, it can also be used as an electrode material having flexibility and impact relaxation properties.

独立薄膜としては、例えばウレタンなどの樹脂を添加したカーボンナノチューブ分散液を離型フィルムに塗布し、乾燥させた後に剥離することで得られる導電性のシートなどを挙げることができる。このような薄膜は、柔軟性のある電極材や電磁波遮蔽用のシート、ヒーターの発熱体などに用いることが可能である。   As an independent thin film, the electroconductive sheet etc. which are obtained by apply | coating to a release film the carbon nanotube dispersion liquid which added resin, such as urethane, for example, and peeling after peeling can be mentioned. Such a thin film can be used for flexible electrode materials, electromagnetic wave shielding sheets, heater heating elements, and the like.

カーボンナノチューブ分散組成物を、プラスティックやゴムなどの他成分と共に固める場合には、加熱して軟化、溶融したプラスティックやゴムにカーボンナノチューブ分散組成物を添加して混練し、成型した後、冷却して固化させるのが一般的である。あるいは、プラスティックやゴムの前駆体に添加して混練し、成型後に硬化反応を起こさせて成型物を得ることもできる。これらの成型物は、カーボンナノチューブの特性により、導電性、強度、寸法安定性などの向上が期待できる。あるいは、ある程度の流動性を有する接着性材料と混合し、機能性接着剤として用いることもできる。このような接着剤は、カーボンナノチューブに基づく導電性を有していると同時に、固化後には、カーボンナノチューブによる強度向上も図れる。   When the carbon nanotube dispersion composition is hardened together with other components such as plastic and rubber, the carbon nanotube dispersion composition is added to the plastic or rubber that has been softened by heating, kneaded, molded, cooled. It is common to solidify. Alternatively, it can be added to a plastic or rubber precursor and kneaded, and a molding reaction can be caused after molding to obtain a molded product. These molded products can be expected to improve conductivity, strength, dimensional stability and the like due to the characteristics of carbon nanotubes. Or it can also mix with the adhesive material which has a certain amount of fluidity | liquidity, and can also be used as a functional adhesive agent. Such an adhesive has conductivity based on carbon nanotubes, and at the same time, the strength of carbon nanotubes can be improved after solidification.

粉体との複合物としては、電極材料への添加が挙げられる。リチウムイオン電池などの電極材は、金属酸化物やカーボンなどの粉末をバインダーと混合して、所定の形状に塗布あるいは成型したものであるが、材料粉末間の電気抵抗が電池の内部抵抗を増加させ、電池性能を低下させる原因になる場合がある。本発明のカーボンナノチューブ分散組成物をこれらの電極材に塗布、あるいは含浸させた後に溶媒を除去すれば、良好に分散したカーボンナノチューブが材料粉末間をつなぐ働きをすることにより、電極内部の抵抗を低減することが可能になる。   Examples of the composite with powder include addition to an electrode material. Electrode materials such as lithium ion batteries are made by mixing powders such as metal oxides and carbon with a binder and applying or molding them into a predetermined shape, but the electrical resistance between the material powders increases the internal resistance of the battery. The battery performance may be reduced. If the solvent is removed after the carbon nanotube dispersion composition of the present invention is applied to or impregnated with these electrode materials, the well-dispersed carbon nanotubes work to connect the material powder, thereby reducing the resistance inside the electrodes. It becomes possible to reduce.

以下に、例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限されるものではない。なお、以下において、「部」は重量部を表す。   The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples. In the following, “parts” represents parts by weight.

〔実施例1〕
メチルエチルケトン100部に、分散剤としてメチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート共重合物(分散剤Aとする)1.6部を溶解させた。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3.0mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には、目視で確認できる凝集物はなく、均一に分散していた。この分散液をメチルエチルケトンで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布した。80℃で10分間加熱して溶媒を蒸発させ、カーボンナノチューブ塗膜を得た。この塗膜の表面抵抗を、三菱化学製LorestaGPにて測定したところ、3×10Ω/sqであった。
[Example 1]
In 100 parts of methyl ethyl ketone, 1.6 parts of methyl methacrylate, benzyl methacrylate, and dimethylaminoethyl acrylate copolymer (referred to as Dispersant A) were dissolved as a dispersant. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 3.0 mg of the dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. The obtained dispersion had no aggregates that could be visually confirmed, and was uniformly dispersed. This dispersion was diluted 10 times with methyl ethyl ketone and applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar. The solvent was evaporated by heating at 80 ° C. for 10 minutes to obtain a carbon nanotube coating film. When the surface resistance of this coating film was measured by LorestaGP manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, it was 3 × 10 5 Ω / sq.

〔実施例2〜8〕
カーボンナノチューブ(CNT)の種類と分散剤Aの量を表1に示すように変えて、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を作製した。目視による分散状態の評価結果、および実施例1と同様の方法で塗布して表面抵抗を測定した結果は、表1に示すとおりであった。なお表1の中で、「分散剤量」とは、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり何mgの分散剤が組成物中に含まれているかを表している。また、分散状態の評価基準は以下のとおりである。
○=目視で確認できる凝集物がなく、カーボンナノチューブが均一に分散している。△=目視で確認できる凝集物はないが、器壁への付着にムラがあり、不均一である。×=目視で確認できる凝集物がある。
[Examples 2 to 8]
A carbon nanotube dispersion was prepared in the same manner as in Example 1 except that the type of carbon nanotube (CNT) and the amount of the dispersant A were changed as shown in Table 1. The results of visual evaluation of the dispersion state and the results of measuring the surface resistance after coating by the same method as in Example 1 were as shown in Table 1. In Table 1, “dispersing agent amount” represents how many mg of dispersing agent per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube is contained in the composition. The evaluation criteria for the dispersion state are as follows.
○ = There are no aggregates that can be visually confirmed, and the carbon nanotubes are uniformly dispersed. Δ = Agglomerates that can be visually confirmed are not present, but adhesion to the vessel wall is uneven and non-uniform. X = There are aggregates that can be visually confirmed.

〔実施例9〕
エタノール100部に、分散剤としてヒドロキシプロピルセルロース(分散剤Bとする)1.6部を溶解させた。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3.0mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には、目視で確認できる凝集物はなく、均一に分散していた。この分散液をエタノールで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布した。80℃で10分間加熱して溶媒を蒸発させ、カーボンナノチューブ塗膜を得た。この塗膜の表面抵抗を、三菱化学製LorestaGPにて測定したところ、5×10Ω/sqであった。
Example 9
In 100 parts of ethanol, 1.6 parts of hydroxypropyl cellulose (referred to as Dispersant B) was dissolved as a dispersant. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 3.0 mg of the dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. The obtained dispersion had no aggregates that could be visually confirmed, and was uniformly dispersed. This dispersion was diluted 10 times with ethanol and applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar. The solvent was evaporated by heating at 80 ° C. for 10 minutes to obtain a carbon nanotube coating film. When the surface resistance of this coating film was measured by LorestaGP manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, it was 5 × 10 5 Ω / sq.

〔実施例10〜13〕
カーボンナノチューブ(CNT)の種類と分散剤の量を表1に示すように組み合わせて、実施例9と同様にしてカーボンナノチューブ分散液を作製した。目視による分散状態の評価結果、および実施例9と同様の方法で塗布して表面抵抗を測定した結果は、表1に示すとおりであった。
[Examples 10 to 13]
A carbon nanotube dispersion was prepared in the same manner as in Example 9 by combining the types of carbon nanotubes (CNT) and the amount of the dispersant as shown in Table 1. The results of visual evaluation of the dispersion state and the results of measuring the surface resistance after coating by the same method as in Example 9 were as shown in Table 1.

〔比較例1〕
メチルエチルケトン100部に、分散剤A1.3部を溶解させる。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり2.5mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には、凝集物が散在していた。この分散液をメチルエチルケトンで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布して表面抵抗を測定したところ、3×10Ω/sqであった。
[Comparative Example 1]
In 100 parts of methyl ethyl ketone, 1.3 parts of dispersant A is dissolved. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 2.5 mg of the dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. Aggregates were scattered in the obtained dispersion. The dispersion was diluted 10-fold with methyl ethyl ketone, applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar, and the surface resistance was measured. The result was 3 × 10 7 Ω / sq.

〔比較例2〕
メチルエチルケトン100部に、分散剤A9.0部を溶解させる。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり17.1mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には目視で確認できる凝集物はなかったが、容器の壁への付着にムラが見られ、やや不均一な状態であった。この分散液をメチルエチルケトンで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布して表面抵抗を測定したところ、9×10Ω/sqであった。
[Comparative Example 2]
In 100 parts of methyl ethyl ketone, 9.0 parts of dispersant A is dissolved. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 17.1 mg of dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. Although there was no aggregate that could be visually confirmed in the obtained dispersion, there was unevenness in adhesion to the wall of the container, and it was in a slightly non-uniform state. This dispersion was diluted 10-fold with methyl ethyl ketone, applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar, and the surface resistance was measured. The result was 9 × 10 6 Ω / sq.

〔比較例3〕
エタノール100部に、分散剤B1.3部を溶解させる。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり2.5mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には、凝集物が散在していた。この分散液をエタノールで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布して表面抵抗を測定したところ、装置の測定可能範囲を超えていた。
[Comparative Example 3]
Dispersant B1.3 parts is dissolved in 100 parts of ethanol. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 2.5 mg of the dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. Aggregates were scattered in the obtained dispersion. When this dispersion was diluted 10 times with ethanol and applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar, the surface resistance was measured. As a result, it exceeded the measurable range of the apparatus.

〔比較例4〕
エタノール100部に、分散剤B9.0部を溶解させる。この溶液に、平均径12nm、平均層数10層のカーボンナノチューブ(幾何学的な比表面積は175m/g)3部を加えて、超音波を3時間照射し、カーボンナノチューブ分散液を調製した。この条件では、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり17.1mgの分散剤が含まれていることになる。得られた分散液には目視で確認できる凝集物はなかったが、容器の壁への付着にムラが見られた。この分散液をエタノールで10倍に希釈し、6番のワイヤーバーを用いて厚さ0.1mmのPETフィルムに塗布して表面抵抗を測定したところ、5×10Ω/sqであった。
[Comparative Example 4]
In 100 parts of ethanol, 9.0 parts of dispersant B is dissolved. To this solution, 3 parts of carbon nanotubes having an average diameter of 12 nm and an average number of layers of 10 (geometric specific surface area of 175 m 2 / g) were added and irradiated with ultrasonic waves for 3 hours to prepare a carbon nanotube dispersion. . Under this condition, 17.1 mg of dispersant is contained per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotube. There was no aggregate that could be visually confirmed in the obtained dispersion, but unevenness was observed on the wall of the container. The dispersion was diluted 10-fold with ethanol, applied to a PET film having a thickness of 0.1 mm using a No. 6 wire bar, and the surface resistance was measured. The result was 5 × 10 7 Ω / sq.

Figure 2013014448
Figure 2013014448

本発明のカーボンナノチューブ分散組成物は、各種塗料や電極材料、樹脂組成物などを高機能化する添加材料として有効である。また、本発明の樹脂組成物から溶媒を除去してなる組成物は、電子部品の包装材、キャリアテープ、カバーテープ、TABスペーサーテープ等のフィルム材や間仕切り用フィルム材、電磁波遮蔽材、窓用透明材などの作製に好適に利用できる。さらには、カーボンナノチューブ含有導電性固体組成物を発熱体とする高効率のヒーターに適用することも可能である。   The carbon nanotube dispersion composition of the present invention is effective as an additive material for enhancing the functions of various paints, electrode materials, resin compositions and the like. Moreover, the composition formed by removing the solvent from the resin composition of the present invention is a film material such as a packaging material for electronic parts, a carrier tape, a cover tape, a TAB spacer tape, a film material for partitioning, an electromagnetic shielding material, and a window. It can be suitably used for producing a transparent material. Furthermore, it can be applied to a highly efficient heater using a carbon nanotube-containing conductive solid composition as a heating element.

Claims (2)

少なくともカーボンナノチューブと分散剤と溶媒から成り、分散剤の量が、カーボンナノチューブの幾何学的な表面積1mあたり3mg以上15mg以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ分散組成物。 A carbon nanotube dispersion composition comprising at least carbon nanotubes, a dispersant, and a solvent, wherein the amount of the dispersant is 3 mg or more and 15 mg or less per 1 m 2 of the geometric surface area of the carbon nanotubes. 請求項1記載のカーボンナノチューブ分散組成物から溶媒を除去してなるカーボンナノチューブ含有組成物。   A carbon nanotube-containing composition obtained by removing a solvent from the carbon nanotube dispersion composition according to claim 1.
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