JP6822124B2

JP6822124B2 - 表面修飾カーボンナノチューブの製造方法およびその分散液

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Publication number: JP6822124B2
Application number: JP2016246239A
Authority: JP
Inventors: 玉野　美智子; 美智子玉野
Original assignee: Toyo Ink SC Holdings Co Ltd
Current assignee: Artience Co Ltd
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: JP2017137232A

Description

本発明は、混酸処理温度を制御して、導電性を高めた表面修飾カーボンナノチューブの製造方法と、その分散液に関する。

カーボンナノチューブが最初に広く報告されたのは１９９１年である。カーボンナノチューブは実質的にグラファイトの１枚面を巻いて筒状にした形状を有しており、１層に巻いたものを単層カーボンナノチューブ、多層に巻いたものを多層カーボンナノチューブという。多層カーボンナノチューブのなかでも特に２層に巻いたものを２層カーボンナノチューブという。カーボンナノチューブは、自体が優れた真性の導電性を有し、導電性材料として使用されることが期待されている。

カーボンナノチューブの製造方法として、アーク放電法、レーザー蒸発法、化学気相成長法などが知られている。化学気相成長法のなかでも、触媒を担体に担持して行う触媒化学気相成長法が知られている。

カーボンナノチューブの中で、単層カーボンナノチューブは、高グラファイト構造を有しているために導電性や熱伝導性などの特性が高いことが知られている。しかしながら、単層カーボンナノチューブは強固で非常に太いバンドル構造を有しているため、１本１本のカーボンナノチューブが有しているナノ効果を発揮できず、各種用途展開が困難であった。特に樹脂や溶媒への分散が非常に困難であるために、予想される高特性を発揮できず、種々の用途への展開が妨げられているのが現状であった。特に透明導電性フィルム、成型品、膜等への用途にカーボンナノチューブを用いて実用性能を発揮させることは困難であった。

多層カーボンナノチューブの中でも層数の比較的少ない２〜５層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブの特性と多層カーボンナノチューブの両方の特性を有しているために、種々の用途において有望な素材として注目を集めている。その中でも２層カーボンナノチューブは最も特性が良好と考えられており、いくつかの合成法が開発されてきた。最近では純度の高い２層カーボンナノチューブの合成法として遠藤らの方法が知られている（非特許文献１、２、３）（特許文献１）。この方法は、主触媒として鉄塩を、副触媒としてモリブデン酸塩を配置して炭素源を反応させて２層カーボンナノチューブを合成している。またここで得られた２層カーボンナノチューブの用途としては、２層カーボンナノチューブが高い熱安定性を有しているために、高電流で用いられるフィールドエミッタとしての用途が記載されている。

しかしながら、高品質な２層カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブと同様にチューブ間の疎水性相互作用や、π電子間の相互作用から強固にバンドルを形成しており、カーボンナノチューブを分散するのは困難と考えられている。遠藤らの２層カーボンナノチューブも同様に強固に太いバンドルを形成していると考えられる。強固に太いバンドル構造を有している間接的証拠として、カーボンナノチューブ集合体の耐熱性が挙げられる。耐熱性が高いカーボンナノチューブ集合体は、より太いバンドル構造を形成していると推測される（非特許文献３）。カーボンナノチューブの耐熱性は空気中での燃焼ピーク温度で判別できる。空気中での燃焼は酸素分子の攻撃による酸化反応と考えられる。

１本１本は同じカーボンナノチューブであったとしても、そのバンドルが太い、つまりより多くのカーボンナノチューブが集合しているバンドルでは、内側のカーボンナノチューブは酸素の攻撃を受けにくいために酸化反応が起こりにくくなり、カーボンナノチューブ集合体の燃焼ピーク温度は上昇する。逆にバンドルが細い、つまり少ないカーボンナノチューブが集合しているバンドルでは、内側のカーボンナノチューブも容易に酸素の攻撃を受けるために、カーボンナノチューブ集合体の燃焼ピーク温度が低下すると考えられる。

これら非特許文献１、２、３、特許文献１記載のカーボンナノチューブは同じ合成法で製造されたものであり、非特許文献２に記載されているとおり、その燃焼ピーク温度は７１７℃と高く、これらのカーボンナノチューブは強固に太いバンドルを形成していると考えられ、高度の分散性が要求される場合には満足できるものではなかった。

一方上記より層数の多い多層カーボンナノチューブは、一般に直径も太く、グラファイト層に欠陥も多く、上記層数の少ないカーボンナノチューブよりもバンドルを組みにくいため、分散性には優れる。しかし、このような多層カーボンナノチューブは、品質に劣るため、特にすぐれた光透過率と表面抵抗が求められる透明導電性フィルム、成型品、膜等への用途において実用性能を発揮させることは困難であった。

現在、カーボンナノチューブを代表とした各種のカーボンナノ材料が開発されており、例えば、導電フィラー、熱伝導材料、発光素子、電池やキャパシターの電極材料、配線材料や配線どうしの電極接合材料、補強材料、黒色顔料などの各種用途において、多様な機能を有する材料として有望視されている。

しかし、一般にカーボンナノ材料は、製造されたままの状態では凝集体を形成しており、溶媒中で十分に分散させた状態にするのが非常に難しい。このため、製品にした際に特性を十分に発揮できないという問題がある。

従来、カーボンナノ材料の分散性を高める手段として、例えば、微細炭素繊維の酸性懸濁液に酸化剤を添加して表面を酸化させたもの（特許文献２）や、硝酸あるいは硝酸と硫酸との混酸を用いて湿式酸化してＣＯＯＭ基を導入したもの（特許文献３）や、発煙硝酸中または発煙硝酸と濃硫酸との混酸中で超音波処理してニトロ基を導入したもの（特許文献４）、１００℃以上で混酸酸化処理する（特許文献５）などが知られている。

しかし、これらの従来例は、過度な酸化処理によるカーボンナノチューブの切断によって導電性が劣化することや、酸化処理が不十分で分散性が劣るという問題があり、また、ニトロ化では分散媒が有機溶剤であって高濃度のときにカーボンナノチューブの分散性が十分ではない、また、高温で酸化処理することによりカーボンナノチューブが破壊されてしまい、分散性は良くなるが導電性が低下するという問題があった。

特開２００５−３４３７２６号公報特開２００８−２７０２０４号公報特開２００８−２５１２７２号公報特開２０１０−２４１２７号公報国際公開ＷＯ２０１３／０４７８７１号

Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４３３，４７６（２００５）ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，４１４（２００５）４４４−４４８ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｍｅｒｉｃａｎＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１２８（２００６）１２６３６−１２６３７

本発明は、上記のような問題を解決したものであり、分散性に優れ、高い導電性を有する表面修飾カーボンナノチューブ、およびこの表面修飾カーボンナノチューブを含有し分散剤を必要としない分散液、さらには、これらの分散液によって製造される塗料組成物およびペースト組成物を提供することにある。

すなわち本発明は、カーボンナノチューブの酸化物である表面修飾カーボンナノチューブであって、平均粒子径Ｄ５０が１〜５０μｍであり、体積抵抗率が０．１〜０．０１Ω・ｃｍである表面修飾カーボンナノチューブに関する。

また本発明は、カーボンナノチューブを、濃度が６０〜７０質量％の硝酸と硫酸とからなる混酸を用い、６０℃以下の温度で酸化処理する、表面修飾カーボンナノチューブの製造方法に関する。

また本発明は、上記の表面修飾カーボンナノチューブと、極性溶媒からなる１種以上の分散媒とを含む、カーボンナノチューブ分散液に関する。

また本発明は、上記のカーボンナノチューブ分散液と、バインダーとを含有する組成物に関する。

また本発明は、上記の組成物から形成された塗膜に関する。

本発明の表面修飾カーボンナノチューブは、従来と比較して、特に極性溶剤中に分散させた際に、高濃度でも均一に分散が可能である。さらに、この表面修飾カーボンナノチューブの分散液を利用した塗料組成物またはペースト組成物を用いることによって、優れた導電性を有する導電性塗膜を容易に形成することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。

本発明の表面修飾カーボンナノチューブは、濃度が６０〜７０質量％の硝酸と硫酸とからなる混酸を用い、６０℃以下で酸化処理したことを特徴とし、平均粒子径Ｄ５０が１〜５０μｍ、体積抵抗率が０．１〜０．０１Ω・ｃｍであることを特徴とする表面修飾カーボンナノチューブである。

硝酸と硫酸の混酸を用いてカーボンナノチューブの酸化処理を行う場合、混酸温度が高くなるほどカーボンナノチューブの分解も進み、平均粒子径Ｄ５０が小さくなり、極性溶媒に対する分散性が向上する。

しかし、カーボンナノチューブの分解が進み、平均粒子径Ｄ５０が小さくなると、導電性が低下するという弊害が発生する。導電性を保つには、平均粒子径Ｄ５０を１μｍ以上にする必要が有り、この粒子径を保つ混酸酸化条件の検討を行った結果、６０℃以下で混酸処理を行うことにより、平均粒子径Ｄ５０を１μｍ以上に保つことが可能となった。

混酸処理温度は、硝酸と硫酸の混酸中にカーボンナノチューブ原料を浸漬し、６０℃以下の温度で反応させればよい。液温は好ましくは６０〜２０℃が良く、６０〜４０℃がさらに好ましい。１００℃以上の液温ではカーボンナノチューブの分解が進み、平均粒子径Ｄ５０が１μｍ以下となり易い。

混酸処理の好ましい反応時間は、例えば２〜８時間であるが、この範囲に限定はされない。酸化処理中の混合物は攪拌し続けることが好ましい。

上記酸化処理において、硝酸と硫酸の混酸とカーボンナノチューブ原料との質量比は、カーボンナノチューブ原料の１質量部に対して混酸５０〜１００質量部の範囲が適当である。

混酸の処理温度条件を上記のように調整した酸化処理を行うことによって、カーボンナノチューブ表面にカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、カルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ）、エーテル基（Ｃ−Ｏ−Ｃ）、フェノール性水酸基（−ＯＨ）などが導入される。

本発明の表面修飾カーボンナノチューブとは、酸性の置換基であるカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、フェノール性水酸基（−ＯＨ）がカーボンナノチューブの表面に結合された状態のカーボンナノチューブを示す。

カーボンナノチューブの生産時、分離した別個のナノチューブ、もしくはナノチューブの凝集体の形態で存在しており、ランダムに互いに絡み合い鳥の巣類似の絡み合った玉を形成している。このカーボンナノチューブ凝集体の形成に関する更なる詳細は、Ｔｅｎｎｅｎｔの米国特許第５，１６５，９０９号、Ｍｏｙらの米国特許第５，４５６，８９７号、Ｓｎｙｄｅｒらの１９９１年５月１日に出願された米国特許第５，７０７，９１６号、及び１９８９年１月２８日に出願されたＰＣＴ出願第ＵＳ８９／００３２２号、ＷＯ８９／０７１６３、及び１９９４年８月２日出願されたＭｏｙらの米国特許第５，４５６，８９７号及び１９９０年９月２７日に出願されたＰＣＴ出願第ＵＳ９０／０５４９８号、ＷＯ９１／０５０８９、及び１９９５年６月７日に出願されたＭａｎｄｅｖｉｌｌｅらの米国特許第５，５００，２００号及び１９９４年８月２日に出願された米国特許第５，４５６，８９７号及び１９９４年１０月１１日に出願されたＭｏｙらの米国特許第５，５６９，６３５号の開示で説明されている。

尚、本願明細書で示す平均粒子径Ｄ５０とは、カーボンナノチューブの直径ではなく、凝集体の大きさを示している。カーボンナノチューブは、一般的に凝集体の形態で存在している。これを混酸処理することにより、解すことが可能である。

このカーボンナノチューブの凝集体の大きさは、レーザー回折式粒子径分布測定装置により測定する事が出来る。具体的には、Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００等の分析装置がある。

カーボンナノチューブの平均粒子径Ｄ５０が、１μｍ以上であれば、分散液や塗膜状態でのカーボンナノチューブ間の繋がりが保たれ、導電性が良好となる。そこで、分散液や塗膜状態での導電性を保ち、かつ極性溶媒中での分散性を維持する平均粒子径Ｄ５０として、表面修飾カーボンナノチューブの平均粒子径Ｄ５０は、１〜５０μｍが好ましい。

カーボンナノチューブはその構造上の導電性が高いという特徴が有り、例えば、株式会社三菱化学製ロレスターＧＰによって測定したＦｌｏＴｕｂｅ９１００（ＣＮａｎｏ社製多層カーボンナノチューブ）の体積抵抗率は、０．０１５Ω・ｃｍである。

しかし、硝酸と硫酸からなる混酸を用いた酸化処理により製造した表面修飾カーボンナノチューブは、平均粒子径Ｄ５０が小さくなることにより、体積抵抗率が増大する。そこで、極性溶媒中での分散性を維持し、分散液や塗膜状態での導電性を保つ表面修飾カーボンナノチューブの体積抵抗率は、０．１Ω・ｃｍ以下である。

上記表面修飾カーボンナノチューブをアルコールなどの極性溶媒から選択した一種以上の分散媒に分散させることにより、カーボンナノチューブの分散性に優れた分散液が得られる。

本発明の分散液を得るのに用いる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。

例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類；エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはＰＲＩＭＩＸ社「フィルミックス」等のホモジナイザー類；スキャンデックス（株式会社スキャンデックス社製）、ペイントコンディショナー（レッドデビル社製）、ボールミル、サンドミル（シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等）、アトライター、パールミル（アイリッヒ社製「ＤＣＰミル」等）、若しくはコボールミル等のメディア型分散機；湿式ジェットミル（ジーナス社製「ジーナスＰＹ」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等）、エム・テクニック社製「クレアＳＳ−５」、若しくは奈良機械社製「ＭＩＣＲＯＳ」等のメディアレス分散機；または、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

また、分散液の作製方法としては、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、または、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、１種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。

本発明のカーボンナノチューブ分散液にバインダー成分（樹脂成分）を加えることにより、塗料組成物、またはペースト組成物を得ることができる。このような組成物において、樹脂成分は絶縁性であるので、樹脂成分の量が多く、表面修飾カーボンナノチューブの量が少ないと、組成物の導電性が低下するが、本発明の表面修飾カーボンナノチューブは分散性が良いので、少ない含有量でも高い導電性を発揮し、良好な導電性塗膜を得ることができる。

塗料組成物またはペースト組成物の好ましい組成としては、例えば、極性溶媒を３０〜９４質量％、表面修飾カーボンナノチューブを１〜８質量％、バインダー成分を５〜６０質量％含む組成が挙げられる。極性溶媒の他に必要であれば無極性溶媒を含んでも良いし、塗料組成物又はペースト組成物として必要な他の成分を加えても良い。

湿式混合装置としては、例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類；
エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはＰＲＩＭＩＸ社製「フィルミックス」等のホモジナイザー類；
スキャンデックス（株式会社スキャンデックス社製）、ペイントコンディショナー（レッドデビル社製）、ボールミル、サンドミル（シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等）、アトライター、パールミル（アイリッヒ社製「ＤＣＰミル」等）、若しくはコボールミル等のメディア型分散機；
湿式ジェットミル（ジーナス社製「ジーナスＰＹ」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等）、エム・テクニック社製「クレアＳＳ−５」、奈良機械製作所社製「マイクロス」等のメディアレス分散機；その他ロールミル、ニーダー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、湿式混合装置としては、装置からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい場合がある。

例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面がタングステンカーバイド溶射又は樹脂コーティング等で処理された分散機を用いることが好ましい。メディアは、ガラスビーズ、又は、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合は、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、１種のみを使用してもよいし、複数種の装置を組み合わせて使用してもよい。また、原料の溶媒への濡れ性、分散性を向上させるために、一般的な親水性官能基を有する分散剤を一緒に添加し、分散、及び混合することができる。

湿式混合する際、各原料が均一に溶解しないケースにおいては、各原料の溶媒への濡れ性、及び分散性を向上させるために、市販の分散剤を一緒に添加し、分散して混合してもよい。分散剤としては、水系分散剤及び溶剤系分散剤を使用でき、具体的には、以下のものが挙げられる。

市販の水系分散剤は特に限定されないが、例えば、下記のものが挙げられる。
ビックケミー社製の分散剤としては、Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ−１８０、１８３、１８４、１８５、１８７、１９０、１９１、１９２、１９３、１９８、２０９０、２０９１、２０９５、２０９６、又はＢＹＫ−１５４等が挙げられる。
日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、ＳＯＬＳＰＥＲＳＥ１２０００、２００００、２７０００、４１０００、４１０９０、４３０００、４４０００、又は４５０００等が挙げられる。
エフカアディティブズ社製の分散剤としては、ＥＦＫＡ１１０１、１１２０、１１２５、１５００、１５０３、４５００、４５１０、４５２０、４５３０、４５４０、４５５０、４５６０、４５７０、４５８０、又は５０７１等が挙げられる。
ＢＡＳＦジャパン社製の分散剤としては、ＪＯＮＣＲＹＬ６７、６７８、５８６、６１１、６８０、６８２、６８３、６９０、５２Ｊ、５７Ｊ、６０Ｊ、６１Ｊ、６２Ｊ、６３Ｊ、７０Ｊ、ＨＰＤ−９６Ｊ、５０１Ｊ、３５４Ｊ、６６１０、ＰＤＸ−６１０２Ｂ、７１００、３９０、７１１、５１１、７００１、７４１、４５０、８４０、７４Ｊ、ＨＲＣ−１６４５Ｊ、７３４、８５２、７６００、７７５、５３７Ｊ、１５３５、ＰＤＸ−７６３０、３５２Ｊ、２５２Ｄ、５３８Ｊ、７６４０、７６４１、６３１、７９０、７８０、７６１０、ＪＤＸ−Ｃ３０００、ＪＤＸ−３０２０、又はＪＤＸ−６５００等が挙げられる。また、ＬｕｖｉｔｅｃＫ１７、Ｋ３０、Ｋ６０、Ｋ８０、Ｋ８５、Ｋ９０、Ｋ１１５、ＶＡ６４Ｗ、ＶＡ６４、ＶＰＩ５５Ｋ７２Ｗ、又はＶＰＣ５５Ｋ６５Ｗ等が挙げられる。
川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトＡ−１１０、３００、３０３、又は５０１等が挙げられる。
ニットーボーメディカル社製の分散剤としては、ＰＡＡシリーズ、ＰＡＳシリーズ、両性シリーズＰＡＳ−４１０Ｃ、４１０ＳＡ、８４、２４５１、又は２３５１等が挙げられる。
アイエスピー・ジャパン社製の分散剤としては、ポリビニルピロリドンＰＶＰＫ−１５、Ｋ−３０、Ｋ−６０、Ｋ−９０、又はＫ−１２０等が挙げられる。
丸善石油化学社製の分散剤としては、ポリビニルイミダゾールＰＶＩ等が挙げられる。

市販の溶剤系分散剤としては、特に限定されないが、例えば下記のものが挙げられる。
ビックケミー社製の分散剤としては、Ａｎｔｉ-Ｔｅｒｒａ-Ｕ、Ｕ１００、２０３、２０４、２０５、Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ−１０１、１０２、１０３、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１６、１３０、１４０、１４２、１６１、１６２、１６３、１６４、１６６、１６７、１６８、１７０、１７１、１７４、１８０、１８２、１８３、１８４、１８５、２０００、２００１、２０５０、２０７０、２０９６、２１５０、ＢＹＫ−Ｐ１０４、Ｐ１０４Ｓ、Ｐ１０５、９０７６、９０７７及び２２０Ｓ等が挙げられる。
日本ルーブリゾール社製の分散剤としては、ＳＯＬＳＰＥＲＳＥ３０００、５０００、９０００、１３２４０、１３６５０、１３９４０、１７０００、１８０００、１９０００、２１０００、２２０００、２４０００ＳＣ、２４０００ＧＲ、２６０００、２８０００、３１８４５、３２０００、３２５００、３２６００、３３５００、３４７５０、３５１００、３５２００、３６６００、３７５００、３８５００、又は５３０９５が挙げられる。
エフカアディティブズ社製の分散剤としては、ＥＦＫＡ１５００、１５０１、１５０２、１５０３、４００８、４００９、４０１０、４０１５、４０２０、４０４６、４０４７、４０５０、４０５５、４０６０、４０８０、４３００、４３３０、４４００、４４０１、４４０２、４４０３、４４０６、４５１０、４５２０、４５３０、４５７０、４８００、５０１０、５０４４、５０５４、５０５５、５０６３、５０６４、５０６５、５０６６、５０７０、５０７１、５２０７、又は５２４４等が挙げられる。
味の素ファインテクノ社製の分散剤としては、アジスパーＰＢ７１１、ＰＢ８２１、ＰＢ８２２、ＰＮ４１１、又はＰＡ１１１が挙げられる。
川研ファインケミカル社製の分散剤としては、ヒノアクトＫＦ−１０００、１３００Ｍ、１５００、１７００、Ｔ−６０００、８０００、８０００Ｅ、又は９１００等が挙げられる。ＢＡＳＦジャパン社製の分散剤としては、Ｌａｖａｃａ等が挙げられる。

本発明において、使用されるカーボンナノチューブとは、炭素原子が６角形をなす平面構造を有するカーボンナノチューブが、ファンデルワールス力により弱く結合した複層構造を有している。カーボンナノチューブは、欠陥の少ない平面構造を有しているため、高い電子伝導性、高い熱伝導性や高い機械的強度を示す。
複層構造のカーボンナノチューブの厚みは特に限定されないが単層以上であることが好ましい。厚すぎると、電子伝導性や比表面積などが低くなり好ましくない場合がある。

単層カーボンナノチューブは、ナノメートル領域の直径を持つ継ぎ目のない円筒状で、グラフェンシート（２次元のグラファイト平面）が丸まった状態としてイメージすることができる。ナノチューブの構造は、直径とチューブの軸に対する炭素の６員環の相対的な方向で規定される。例えば、名城ナノカーボン（ＥＣ１．０，ＥＣ１．５，ＥＣ２．０，ＥＣ１．５−Ｐ）等が挙げられる。

多層カーボンナノチューブは同心円筒状のこれらチューブから構成され、幾つかの単層チューブが入れ子になっていると考えられており、少ない場合は６層、多い場合で２５層ほどの同心多層構造をとる。そのため、多層カーボンナノチューブの直径は、典型的な単層カーボンナノチューブの０．７−２．０ｎｍに対して、３０ｎｍと大きい値を示す。カーボンナノチューブの持つ優れた独特の特性によって、新たな応用開発や既存の用途における性能改善を行うことが可能となる。例えば、ＣＮａｎｏ社（ＦｌｏＴｕｂｅ９０００、ＦｌｏＴｕｂｅ９１００、ＦｌｏＴｕｂｅ９１１０、ＦｌｏＴｕｂｅ９２００）、Ｎａｎｏｃｙｌ社（ＮＣ７０００）、Ｋｎａｎｏ社（１００Ｔ）等が挙げられる。

バインダーとしては、水性の樹脂が好ましく、アクリルウレタン樹脂やイソシアネート系ポリエステル樹脂、スチレンアクリル系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂などが例示できるがこれらに限定はされない。

水性のアクリルウレタン樹脂としては、ＤＳＭＣｏａｔｉｎｇＲｅｓｉｎｓ社製のＮｅｏＰａｃ：Ｒ−９６９９、Ｒ−９０２９、Ｅ−１２３、Ｅ−１２５や、大成ファインケミカル株式会社製のＷＥＭ−０３１Ｕ、ＷＥＭ−２００Ｕ、ＷＥＭ−３２１Ｕ、ＷＥＭ−３０００、ＷＥＭ−２９０Ａ等が挙げられる。
イソシアネート系ポリエステル樹脂としては、大日本印刷社製の１１−４０８、Ｄ−２１０−８０、Ｄ−１６１、Ｊ−５１７、Ｄ−１２８−６５ＢＡ、Ｄ−１４４−６５ＢＡ、Ｄ−１４５−５５ＢＡ等が挙げられる。
スチレンアクリル系樹脂としては、三井化学社製のアルマテックス：７８５−５、７４９．５Ｍ、７４９−１７ＡＥ、７４９−１６ＡＥ等が挙げられる。
アクリル樹脂としては、荒川化学工業社製のポリマロン等の水系アクリル樹脂エマルジョンが挙げられる。
ポリウレタン樹脂としては、大日本印刷社製のハイドラン：ＨＷ−１７１、ＣＯＲ−７０、ＨＷ−３５０等が挙げられる。
ポリエステル系樹脂の水系分散液は、バイロナールＭＤ１２４５（東洋紡績（株）製）等が挙げられる。
ポリオレフィン樹脂としては、三菱化学社製のサーフレンが挙げられる。
エポキシ樹脂としては、三菱化学社製の８２５、８２７、８２８、８２８ＥＬ、８２８ＵＳ、８２８ＸＡ、８３４等が挙げられる。

分散媒としては、水または水と親和性が高い極性溶媒が好ましく、特にアルコールが好適に使用できる。このようなアルコールとしては、例えば、沸点８０〜２００℃程度の１価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が４以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノール、プロピレングリコール、エチレングリコールなどが挙げられる。

また、１種以上の極性溶媒を用いるのが好ましく、その具体例としては、水とエタノールの混合溶媒、水と２−プロパノールの混合溶媒、水とプロピレングリコールの混合溶媒、水とジプロピレングリコールの混合溶媒、水とＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）の混合溶媒、水とＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）の混合溶媒等が例示できる。

以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。

実施例１
カーボンナノチューブとしてＣＮａｎｏ社の多層カーボンナノチューブ（ＦｌｏＴｕｂｅ９１００）を原料として用い、市販の濃硝酸（濃度６０質量％）および濃硫酸（濃度９６質量％）を用い、表１に示す温度条件にて４時間表面酸化処理を行い、表面修飾した多層カーボンナノチューブ（以下、ＭＷ−ＣＮＴと略す）を得た。
得られた表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを用いて作製した８質量％水分散液および８質量％ＤＭＦ分散液の分散状態を表１に示す。

８質量％水分散液は、スキャンデックスで分散したものであり、グラインドゲージで分散性を確認した。分散良好は〇、分散不良は×とした。

８質量％ＤＭＦ分散液は、スキャンデックスで分散したものであり、グラインドゲージで分散性を確認した。分散良好は〇、分散不良は×とした。

実施例２
反応温度を５０℃で混酸酸化を行った以外は、実施例１と同様に試験を行った。

比較例１
反応温度を１００℃で混酸酸化を行った以外は、実施例１と同様に試験を行った。

比較例２
反応温度を１２０℃で混酸酸化を行った以外は、実施例１と同様に試験を行った。

表１

実施例３
実施例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを水に分散させ、平均粒子径Ｄ５０を測定した。また、粉体での体積抵抗率を測定した結果を表２に示す。
尚、平均粒子径Ｄ５０は、Ｍａｌｖｅｒｎ社製のＭａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００によって測定した。体積抵抗率（Ω・ｃｍ）は、株式会社三菱化学製ロレスターＧＰによって測定した。

実施例４
実施例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴの代わりに、表２の表面修飾カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例３と同様に試験を行った。

比較例３
比較例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを使用した以外は、実施例３と同様に試験を行った。

比較例４
比較例２で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを使用した以外は、実施例３と同様に試験を行った。

表２

表２に示すように、混酸による酸化処理温度が５０〜６０℃の場合、実施例３〜４で示される通り、Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００による平均粒子径Ｄ５０が１μｍ以上であった。また、ロレスターによる体積抵抗率は、０．０８９〜０．０９５Ω・ｃｍであった。しかし、混酸による酸化処理温度が、１００℃の場合、比較例３で示される通り、Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００による平均粒子径Ｄ５０が０．８５μｍと１μｍ以下であった。また、ロレスターによる体積抵抗率は、３．５Ω・ｃｍであった。また、混酸による酸化処理温度が、１２０℃の場合も、比較例４で示される通り、Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ２０００による平均粒子径Ｄ５０が０．４７μｍと１μｍ以下であった。また、ロレスターによる体積抵抗率は、５．６７Ω・ｃｍであった。これは、混酸による酸化処理温度を上げると、酸化反応が進み、その結果として、カーボンナノチューブが分解され、平均粒子径Ｄ５０が小さくなった。それにより、粉体での体積抵抗率が増大したと考えられる。

実施例５
実施例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴ８質量部と水９２質量部をスキャンデックスで分散させたカーボンナノチューブ分散液を作製し、このカーボンナノチューブ分散液に、バインダーとしてＷＥＭ−２００Ｕ（大成ファインケミカル株式会社製、アクリルウレタン樹脂）を１０質量部加え、ペイントコンディショナーにて組成物を作成した。このようにして得られた組成物をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムにバーコーターにより塗布乾燥して、膜厚２μｍの塗膜を作成した。この塗膜の体積抵抗率を測定した結果を、表３に示す。
尚、体積抵抗率（Ω・ｃｍ）は、株式会社三菱化学製ロレスターＧＰによって測定した。

塗膜の水に対する再溶解性を確認する為、２ｃｍ角にカットし、ＰＥＴフィルムごと１００ｍｌのイオン交換水に浸漬し、８０ｋＨｚの周波数で1分間超音波を印加した。塗膜がイオン交換水に溶け出さない場合は〇、塗膜がイオン交換水に溶け出した場合は×とした。

実施例６
実施例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴの代わりに、表３の表面修飾カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例５と同様に試験を行った。

比較例５
比較例１で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを使用した以外は、実施例５と同様に試験を行った。

比較例６
比較例２で作成した表面修飾ＭＷ−ＣＮＴを使用した以外は、実施例５と同様に試験を行った。

表３

表３に示すように、混酸による酸化処理温度が５０〜６０℃の場合、実施例５〜６で示される通り、バインダーを加えた組成物をＰＥＴフィルムに塗布し、乾燥させた薄膜状態での塗膜の体積抵抗率は、０．７６〜０．５７Ω・ｃｍであった。しかし、混酸による酸化処理温度が、１００℃の場合、比較例５で示される通り、体積抵抗率は、１２．２Ω・ｃｍであった。また、混酸による酸化処理温度が、１２０℃の場合も、比較例６で示される通り、体積抵抗率は、１７．６Ω・ｃｍであった。これは、混酸による酸化処理温度を上げると、酸化反応が進み、その結果として、カーボンナノチューブが分解され、平均粒子径Ｄ５０が小さくなった。それにより、塗膜での体積抵抗率が増大したと考えられる。また、再溶解試験では、いずれも、塗膜がイオン交換水に溶け出さないことを確認した。

これらの結果より、混酸処理温度を６０℃以下にすることにより、カーボンナノチューブの分解を防ぐ効果が表れ、それにより、極性溶媒に対する分散性を保ちながら、導電性の低下も防ぐことが出来た。

本発明の表面修飾カーボンナノチューブは、特に極性溶剤中に分散させた際に、高濃度でも均一に分散が可能である。さらに、このカーボンナノチューブの分散液を利用した塗料組成物またはペースト組成物を用いることによって、優れた導電性を有する導電性塗膜を容易に形成することができるから、産業上利用が可能である。

Claims

カーボンナノチューブの酸化物である表面修飾カーボンナノチューブであって、
平均粒子径Ｄ５０が１〜５０μｍであり、
体積抵抗率が０．１〜０．０１Ω・ｃｍである表面修飾カーボンナノチューブ。
カーボンナノチューブ１質量部に対して、濃度が６０〜７０質量％の硝酸と、硫酸とからなる混酸５０〜１００質量部を用い、６０℃以下の温度で酸化処理する、表面修飾カーボンナノチューブの製造方法。
請求項１記載の表面修飾カーボンナノチューブと、極性溶媒と、バインダーとを含有する組成物であって、前記組成物の質量を基準として、極性溶媒を３０〜９４質量％、表面修飾カーボンナノチューブを１〜８質量％、バインダーを５〜６０質量％含む組成物。
請求項３記載の組成物の塗膜。
表面修飾カーボンナノチューブと、極性溶媒と、バインダーとを含有する組成物の製造方法であって、前記表面修飾カーボンナノチューブが、カーボンナノチューブ１質量部に対して、濃度が６０〜７０質量％の硝酸と、硫酸とからなる混酸５０〜１００質量部を用い、６０℃以下の温度で酸化処理されたものであり、前記組成物の質量を基準として、極性溶媒を３０〜９４質量％、表面修飾カーボンナノチューブを１〜８質量％、バインダーを５〜６０質量％含む組成物の製造方法。