JP7719438B2 - Method for forming a sheet or film comprising a collection of carbon black aggregates and a collection of metal nanoparticles - Google Patents
Method for forming a sheet or film comprising a collection of carbon black aggregates and a collection of metal nanoparticlesInfo
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Description
本発明は、第一に、カーボンブラックのアグリゲート同士がアルコールを介して絡み合った該アグリゲートの集まりを、アルコールに分散させた第一の懸濁液を作成する。第二に、熱分解で金属を析出する金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりをアルコールに混合した第二の懸濁液を作成する。第三に、2種類の懸濁液の混合物を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5まで減圧し、チャンバー内にシートまたはフィルムを形成する際の原料を作成する。第四に、前記原料を用いて、Tダイ法によって、シートまたはフィルムを形成する。第五に、前記シートまたは前記フィルムを、金属化合物が熱分解を完了する温度まで昇温し、金属のナノ粒子の集まりを一斉に析出させる。
この結果、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合った間隙が、金属のナノ粒子で埋め尽くされ、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりを、金属のナノ粒子が積層して覆う。
いっぽう、気体や水蒸気の大きさが0.3-0.5nmであるのに対し、アグリゲートは、10-100nmの大きさからなる炭素粒子同士が、不規則で複雑な形状で数珠つなぎした構造からなる。従って、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、大きさが0.3-0.5nm以上の孔が多数存在する。このため、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムにガスバリアー性はない。
また、アグリゲートの大きさは100-500nmからなる。このため、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、アグリゲート同士が結合していないため、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、機械的強度が小さい。
さらに、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、アグリゲートの色彩が反映され、黒みがかったシートまたはフィルムになり、見栄えが良くない。
また、カーボンブラックの比抵抗は、金属の比抵抗より6桁大きいが、合成樹脂の比抵抗より13桁小さい。従って、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、金属に準じる導電性と熱伝導性を持たない。
これに対し、本発明のシートまたはフィルムは、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合った間隙を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くし、かつ、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う。これによって、様々な優れた性質を同時に兼備する。
第一に、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりが、シートおよびフィルムを構成するため、シートまたはフィルムは、優れた遮光性と放熱性を持つ。
第二に、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが、電子が連続して移動する通路を、シートまたはフィルムに形成するため、シートまたはフィルムは、金属に準じる導電性と熱伝導性とを持つ。
第三に、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層してシートまたはフィルムを覆うため、気体や水蒸気が透過する孔を塞ぐため、シートまたはフィルムにガスバリアー性が付与される。
第四に、液体は表面張力を持つため、シートまたはフィルムを透過することができない。
第五に、金属結合した金属のナノ粒子の集まりによって、アグリゲート同士が結合され
るため、シートまたはフィルムは、引っ張り強度と圧縮強度とせん断強度とを併せ持つ。
第六に、シートまたはフィルムの耐熱性と耐難燃性とは、プラスチックのシートまたはフィルムより高い。
第七に、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが、シートまたはフィルムの表面を覆うため、シートまたはフィルムは金属の光沢を持つ。
このように、本発明のシートまたはフィルムは、従来のプラスチックのシートまたはフィルムの性質をしのぐ、様々の性質を同時に兼備する。
なお、JISの包装用語によれば、フィルムとは「厚さが250μm未満のプラスチックからなる膜状のもの」で、シートとは「厚さ250μm以上のプラスチックからなる薄い板状のもの」と規定されている。本発明においても、JISに則り、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなる幅が広く厚みが薄い膜状体について、厚さ250μm以上のものをシートとし、厚さが250μm未満のものをフィルムとする。
本発明に先立ち、本発明者は、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなる薄膜またはフィルムを作成し、該薄膜または該フィルムの表面を、積層した金属のナノ粒子の集まりからなる被膜で覆い、該薄膜または該フィルムに、ガスバリアー性と金属の光沢性とを兼備させる発明を、特願2021-07055号として出願している。
本発明は、先願の改良出願であり、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりについて、アグリゲート同士が絡み合った間隙を、積層した金属のナノ粒子の集まりで埋め尽くし、かつ、アグリゲートの集まりの表面を、積層した金属のナノ粒子の集まりで覆うことで、引っ張り強度と圧縮強度とせん断強度とを同時に付与させることが改良点である。
In this invention, first, a first suspension is prepared by dispersing a collection of carbon black aggregates, in which the aggregates are entangled with each other via alcohol, in alcohol. Second, a second suspension is prepared by mixing a collection of nano-sized fine crystals of a metal compound that precipitates a metal upon thermal decomposition with alcohol. Third, the mixture of the two suspensions is filled into the chamber of a vacuum impregnation device, and the pressure inside the chamber is reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol as the minimum pressure, to prepare a raw material for forming a sheet or film in the chamber. Fourth, a sheet or film is formed using the raw material by the T-die method. Fifth, the sheet or film is heated to a temperature at which the metal compound completes thermal decomposition, causing the collection of metal nanoparticles to precipitate simultaneously.
As a result, the gaps between the entangled carbon black aggregates are filled with metal nanoparticles, and the entangled aggregates are covered with a layer of metal nanoparticles.
On the other hand, while the size of gases and water vapor is 0.3-0.5 nm, aggregates are made up of carbon particles with sizes of 10-100 nm strung together in an irregular and complex shape. Therefore, a sheet or film made up of a collection of entangled aggregates has many pores with sizes of 0.3-0.5 nm or more. For this reason, a sheet or film made up of a collection of entangled aggregates does not have gas barrier properties.
The size of the aggregates is 100 to 500 nm. Therefore, a sheet or film made of a collection of entangled aggregates has low mechanical strength because the aggregates are not bonded to each other.
Furthermore, a sheet or film made of a collection of aggregates in which the aggregates are entangled with one another reflects the color of the aggregates, resulting in a blackish sheet or film that does not look attractive.
Furthermore, the resistivity of carbon black is six orders of magnitude greater than that of metals, but thirteen orders of magnitude less than that of synthetic resins. Therefore, a sheet or film made of aggregates does not have electrical and thermal conductivity comparable to that of metals.
In contrast, in the sheet or film of the present invention, the gaps between entangled carbon black aggregates are filled with layers of metal-bonded metal nanoparticles, and the surfaces of the entangled aggregates are covered with layers of metal-bonded metal nanoparticles, thereby simultaneously providing a variety of excellent properties.
First, since the sheet or film is made up of a collection of aggregates in which aggregates are entangled with one another, the sheet or film has excellent light-blocking and heat-dissipating properties.
Second, the collection of metallically bonded metal nanoparticles forms a path in the sheet or film through which electrons can travel continuously, giving the sheet or film electrical and thermal conductivity comparable to that of a metal.
Thirdly, the sheet or film is covered with a layer of metal-bonded nanoparticles, which blocks pores through which gases and water vapor pass, thereby imparting gas barrier properties to the sheet or film.
Fourth, liquids have surface tension and cannot penetrate the sheet or film.
Fifth, the aggregates are held together by the metallurgically bonded nanoparticles, giving the sheet or film a combination of tensile , compressive, and shear strength.
Sixth, the heat resistance and flame resistance of the sheet or film are higher than those of plastic sheets or films.
Seventh, the surface of the sheet or film is covered with a cluster of metal-bonded nanoparticles, giving the sheet or film a metallic luster.
Thus, the sheet or film of the present invention simultaneously possesses a variety of properties that surpass those of conventional plastic sheets or films.
According to the JIS packaging terminology, a film is defined as "a membrane-like material made of plastic with a thickness of less than 250 μm," and a sheet is defined as "a thin plate-like material made of plastic with a thickness of 250 μm or more." In the present invention, in accordance with the JIS, a wide and thin membrane-like material made of a collection of carbon black aggregates is defined as a sheet when it is 250 μm or more thick, and as a film when it is less than 250 μm thick.
Prior to the present invention, the inventors of the present invention filed an invention in which a thin film or film made of a collection of carbon black aggregates is prepared, and the surface of the thin film or film is covered with a coating made of a collection of laminated metal nanoparticles, thereby imparting both gas barrier properties and metallic gloss to the thin film or film. This invention was filed as Japanese Patent Application No. 2021-07055.
The present invention is an improvement application of an earlier application, and the improvement lies in that the gaps between entangled aggregates of carbon black aggregates are filled with clusters of stacked metal nanoparticles, and the surface of the aggregate cluster is covered with clusters of stacked metal nanoparticles, thereby simultaneously imparting tensile strength, compressive strength, and shear strength.
本発明に近い従来技術に、遮光性薄膜および遮光性フィルムと、放熱薄膜および放熱フィルムとがある。
例えば、遮光性フィルムの従来技術として特許文献1がある。つまり、液体飲料の容器の外側を遮光性シュリンクフィルムで覆い、液体飲料に対する光線の入射を防ぎ、光線の照射による液体飲料の機能性成分の劣化を抑制する。しかしながら、遮光性シュリンクフィルムの全光線透過率は、最も高いフィルムであっても92%台であり、紫外線が継続してフィルムに照射すると、液体飲料の劣化が緩やかに進む。
Prior art close to the present invention includes light-shielding thin films and light-shielding films, and heat-dissipating thin films and heat-dissipating films.
For example, Patent Document 1 discloses a conventional light-blocking film. Specifically, the exterior of a liquid beverage container is covered with a light-blocking shrink film to prevent light from reaching the liquid beverage and suppress deterioration of the functional ingredients in the liquid beverage due to light exposure. However, even the highest light-blocking shrink film has a total light transmittance of only 92%, and continuous exposure to ultraviolet light slowly deteriorates the liquid beverage.
また、放熱フィルムの従来技術として特許文献2がある。つまり、赤外線放射による放熱性に優れる熱放射層を、水不溶性無機化合物と耐熱性合成樹脂とを、伝熱性に優れる金属フィルム上に積層した。しかしながら、水不溶性無機化合物と耐熱性合成樹脂とからなる熱放射層の放射率は、0.8-0.9と低い。 Also, Patent Document 2 describes a conventional heat-dissipating film. Specifically, a heat-dissipating layer with excellent heat dissipation properties due to infrared radiation is formed by laminating a water-insoluble inorganic compound and a heat-resistant synthetic resin on a metal film with excellent thermal conductivity. However, the emissivity of the heat-dissipating layer made of a water-insoluble inorganic compound and a heat-resistant synthetic resin is low, at 0.8-0.9.
本発明が解決しようとする課題は、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムに、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させるのみならず、引っ張り強度と圧縮強度とせん断強度とを同時に付与させることである。 The problem to be solved by the present invention is to impart not only gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to those of metals to a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates, but also tensile strength, compressive strength, and shear strength at the same time.
ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を作成する方法は、
カーボンブラックを構成する炭素粒子の1次凝集体であるアグリゲート同士が、該カーボンブラックの集まりより多い重量からなる第一のアルコールを介して絡み合うとともに、該絡み合ったアグリゲートの集まりが前記第一のアルコールに分散した第一の懸濁液を予め作成し、沸点が、前記第一のアルコールの沸点より15℃以上高く、かつ、熱分解で金属を析出する金属化合物の熱分解が始まる温度より低い性質を持つ第二のアルコールに、前記アグリゲートより1桁小さい大きさからなる前記金属化合物の微細結晶の集まりを、前記第二のアルコールより少ない重量として混合した第二の懸濁液を予め作成する、この後、前記第一の懸濁液より多い重量からなる前記第二の懸濁液と前記第一の懸濁液とを容器に充填し、該2種類の懸濁液を攪拌し、該2種類の懸濁液の混合物を作成する、この後、該2種類の懸濁液の混合物を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、該チャンバーを密閉する、さらに、前記真空含浸装置の真空ポンプを稼働させ、前記チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、前記チャンバー内の温度における前記第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧する、これによって、前記第一のアルコールの4/5以下の量が気化して前記チャンバー内から排出され、また、前記チャンバー内の温度における前記第二のアルコールの飽和蒸気圧の大きさに準じて、前記第二のアルコールの一部が気化して前記チャンバー内から排出され、前記第一のアルコールと前記第二のアルコールの双方が減量することで、前記2種類の懸濁液の混合物が新たな懸濁液になり、前記2種類のアルコールの気化に伴って、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に前記新たな懸濁液が移動し、また、前記絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に前記新たな懸濁液が吸着する、これによって、前記新たな懸濁液と前記アグリゲートの集まりからなる混合体が前記チャンバー内に形成され、該混合体を、シートまたはフィルムを形成する際の原料として用いる、
ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を作成する方法。
A method for producing a raw material used in forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates that has been given gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity equivalent to those of a metal, is as follows:
A first suspension is prepared in advance, in which aggregates, which are primary agglomerates of carbon particles constituting carbon black, are entangled with each other via a first alcohol having a weight greater than that of the aggregates of carbon black, and the entangled aggregates are dispersed in the first alcohol. A second suspension is prepared in advance, in which aggregates of fine crystals of the metal compound, which are one order of magnitude smaller than the aggregates, are mixed with a second alcohol having a boiling point 15°C or more higher than that of the first alcohol and lower than the temperature at which thermal decomposition of a metal compound that precipitates a metal by thermal decomposition begins, in a weight less than that of the second alcohol. Thereafter, the second suspension, which is greater in weight than the first suspension, and the first suspension are filled into a container, and the two suspensions are stirred to prepare a mixture of the two suspensions. Thereafter, the mixture of the two suspensions is filled into the chamber of a vacuum impregnation device, and the chamber is sealed. Furthermore, the vacuum pump of the vacuum impregnation device is operated. and reducing the pressure inside the chamber to a minimum pressure that is 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber, thereby causing 4/5 or less of the first alcohol to be vaporized and discharged from the chamber, and also causing a portion of the second alcohol to be vaporized and discharged from the chamber in accordance with the magnitude of the saturated vapor pressure of the second alcohol at the temperature inside the chamber, and the amounts of both the first alcohol and the second alcohol to decrease, causing the mixture of the two types of suspensions to become a new suspension, and as the two types of alcohols evaporate, the new suspension moves into gaps between the entangled aggregates, and also adsorbs onto the surfaces of the entangled aggregate groups, thereby forming a mixture consisting of the new suspension and the aggregate groups in the chamber, and the mixture is used as a raw material for forming a sheet or film.
A method for producing raw materials used in forming sheets or films consisting of aggregates of carbon black that have gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to those of metals.
以下に説明する極めて簡単な2つの処理を連続して実施すると、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料が作成される。なお、原料の作成に先立って、第一の懸濁液と第二の懸濁液とを予め作成する。
第一の処理は、第一の懸濁液と第二の懸濁液とを容器に充填し、2種類の懸濁液を攪拌するだけの処理である。第二の処理は、攪拌した2種類の懸濁液を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、チャンバーを密閉した後に、真空含浸装置の真空ポンプを稼働し、チャンバー内を、最低の圧力として、チャンバー内の温度で有する第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧するだけの処理である。
なお、カーボンブラックは、油やガスを酸素が多い状態で大きな炉の中で燃やして生成する安価な工業用素材である。アルコールは、最も汎用的な有機溶剤である。また、2つの処理は極めて簡単な処理で、真空含浸装置における処理も、極めて簡単な処理である。このため、安価な原料を用いて安価な加工費用で、シートまたはフィルムを形成する際に用いる原料が安価に作成される。
次に、2つの処理で起こる現象と、2つの処理がもたらす作用効果とを説明する。
第一の処理において、第一の懸濁液と第二の懸濁液とを容器に充填し、2種類の懸濁液を攪拌する。この際、熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一のアルコールと第二のアルコールとの双方に、分散および溶解しない。また、第一のアルコールと第二のアルコールとは混和する。いっぽう、カーボンブラックのアグリゲートは、10-100nmの大きさからなる炭素粒子同士が、不規則で複雑な形状で数珠つなぎした構造(これをストラクチャーと呼ぶ)で結合した炭素粒子の集まりである。さらに、アグリゲートの大きさは100-500nmからなり、炭素粒子の数は100-1000個からなる。また、金属化合物の微細結晶は、アグリゲートの大きさより1桁小さいナノサイズである。従って、第一の懸濁液と第二の懸濁液とを攪拌すると、第一のアルコールと第二のアルコールとが混和し、混和したアルコールに金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりが混合した第三の懸濁液になる。これによって、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に、第一のアルコールに代わって第三の懸濁液が入り込み、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりが、第三の懸濁液に分散した混合物になる。なお、金属化合物は混和したアルコールに分散および溶解しないため、第三の懸濁液における微細結晶は、第二の懸濁液における微細結晶と同様の大きさであり、アグリゲートの大きさより1桁小さい。
つまり、熱分解で金属を析出する金属化合物は、炭素原子数が1つであるメタノールに、10重量%前後の割合で分散する。アルコールの炭素原子の数が増えると、金属化合物がアルコールに分散する重量割合が減少し、一定数以上の炭素原子の数からなるアルコールに、金属化合物は分散も溶解もしない。従って、第一の懸濁液は、一定数以上の炭素原子の数からなるアルコールで構成する。また、第二のアルコールは、第一のアルコールの沸点より15℃以上高い沸点を持つため、第二のアルコールの炭素原子の数は、第一のアルコールの炭素原子の数以上である。従って、第二のアルコールも、第一のアルコールと同様に、金属化合物が分散も溶解もしない。このため、金属化合物は2種類のアルコールが混和したアルコールに分散および溶解しない。さらに、第二のアルコールは、第一のアルコールより高い粘度を持つ。
第二の処理において、攪拌した2種類の懸濁液の混合物を、真空含浸装置のチャンバー内に充填し、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧する。これによって、混和したアルコールから、第一のアルコールの4/5以下の量が気化し、気化した第一のアルコールは、チャンバー内から真空含浸装置の外に排出される。また、第二のアルコールの一部の量が、チャンバー内の温度における第二のアルコールの飽和蒸気圧の大きさに準じて気化し、気化した第二のアルコールは、チャンバー内から真空含浸装置の外に排出される。この結果、前記第三の懸濁液は、2種類のアルコールの双方の量が減った該2種類のアルコールが混和し、該混和した2種類のアルコールに、金属化合物の微細結晶の集まりが混合した第四の懸濁液になる。前記した2種類のアルコールの気化に伴い、第四の懸濁液は、混和した2種類のアルコール中で移動する。これによって、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が入り込む。また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が吸着する。この結果、第四の懸濁液とアグリゲートの集まりからなる混合体が、チャンバー内に作成される。この混合体を、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に原料として用いる。気化した2種類のアルコールは、回収機で回収し、再利用する。
つまり、2種類のアルコールの沸点に15℃以上の違いがあると、2種類のアルコールの各温度における飽和蒸気圧は、互いに異なる飽和蒸気圧を持つ。例えば、エタノールの飽和蒸気圧は、沸点の78.5℃に近い80℃で1.068気圧であり、70℃で0.712気圧であり、沸点に近い僅か10℃の温度の上昇で、飽和蒸気圧は50%近く増大する。従って、2種類のアルコールの沸点に15℃以上の違いがあると、各温度において、第一のアルコールの飽和蒸気圧は、第二のアルコールの飽和蒸気圧より高い。このため、真空含浸装置のチャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧すると、第一のアルコールの4/5以下の量が気化する。いっぽう、第二のアルコールは、チャンバー内の温度における第二のアルコールの飽和蒸気圧の大きさに準じて気化するが、第二のアルコールの沸点が第一のアルコールより15℃以上高いため、第二のアルコールが気化する量は、第一のアルコールが気化する量の1/2より少ない。この結果、2種類のアルコールの双方が減量し、第三の懸濁液が新たな第四の懸濁液になる。いっぽう、第一のアルコールの4/5以下の量が気化し、第一のアルコールが気化する量の1/2より少ない量として、第二のアルコールが気化しても、2種類のアルコールの総量は、第三の懸濁液における2種類のアルコールの総量の1/2より多い。このため、第四の懸濁液は、固体である金属化合物の微細結晶の性質より、液体のアルコールの性質が依然として優勢である。従って、チャンバー内の圧力を、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧させると、アグリゲート同士が絡み合った間隙に第四の懸濁液が移動し、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が、アグリゲート同士が絡み合った間隙に入り込む。また、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面に、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が吸着する。
これに対し、第二のアルコールを、第一のアルコールに近い沸点を持つアルコールで構成し、チャンバー内の圧力を、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧すると、双方のアルコールの沸点が近いほど、双方のアルコールの気化する量が著しく増え、第四の懸濁液は、液体のアルコールの性質より、固体である金属化合物の微細結晶の性質が優勢になる。この結果、第四の懸濁液は、アグリゲート同士が絡み合った間隙に入り込みにくくなり、第四の懸濁液を介して、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合わない。この理由から、第一のアルコールの沸点より15℃以上沸点が高いアルコールを、第二のアルコールとして用いた。
以上に説明したように、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧しても、2種類のアルコールの総量は、第三の懸濁液における2種類のアルコールの総量の1/2より多く、アルコールの性質が優勢な第四の懸濁液が、第三の懸濁液に代わってカーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合った間隙に入り込み、第四の懸濁液を介して、カーボンブラックのアグリゲート同士が絡み合う。また、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面に、第四の懸濁液が吸着する。こうして、アグリゲートの集まりと第四の懸濁液との混合体がチャンバー内に形成される。この混合体を、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際の原料として用いる。
By sequentially performing two extremely simple processes described below, a raw material for forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates that has gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to that of a metal is produced. Prior to the preparation of the raw material, a first suspension and a second suspension are prepared in advance.
The first process involves simply filling a container with the first suspension and the second suspension and stirring the two suspensions. The second process involves filling a chamber of a vacuum impregnation apparatus with the stirred suspensions, sealing the chamber, and then operating the vacuum pump of the vacuum impregnation apparatus to reduce the pressure inside the chamber to a minimum pressure that is one-fifth of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber.
Carbon black is an inexpensive industrial material produced by burning oil or gas in a large furnace under oxygen-rich conditions. Alcohol is the most commonly used organic solvent. The two processes are extremely simple, and the process in a vacuum impregnation device is also extremely simple. Therefore, the raw material used to form sheets or films can be produced inexpensively using inexpensive raw materials at low processing costs.
Next, the phenomena that occur in the two processes and the effects that the two processes bring about will be described.
In the first process, the first and second suspensions are filled into a container and the two suspensions are stirred. During this process, the metal compound that precipitates metal upon thermal decomposition does not disperse or dissolve in either the first or second alcohol. Furthermore, the first and second alcohols are miscible. On the other hand, carbon black aggregates are clusters of carbon particles, each 10-100 nm in size, bound together in an irregular, complex, string-like structure (called a "structure"). Furthermore, the aggregates are 100-500 nm in size, and the number of carbon particles is 100-1000. Furthermore, the microcrystals of the metal compound are nanosized, an order of magnitude smaller than the aggregate size. Therefore, when the first and second suspensions are stirred, the first and second alcohols are mixed, resulting in a third suspension in which the mixed alcohols are mixed with clusters of nanosized microcrystals of the metal compound. As a result, the third suspension, instead of the first alcohol, fills the gaps between the entangled aggregates of carbon black, and the aggregates become a mixture dispersed in the third suspension. Note that, because the metal compound does not disperse or dissolve in the mixed alcohol, the microcrystals in the third suspension are similar in size to the microcrystals in the second suspension and are one order of magnitude smaller than the aggregates.
In other words, metal compounds that precipitate metals upon thermal decomposition disperse at a rate of approximately 10% by weight in methanol, which has one carbon atom. As the number of carbon atoms in the alcohol increases, the weight percentage of metal compounds dispersed in the alcohol decreases, and metal compounds do not disperse or dissolve in alcohols with a certain number of carbon atoms or more. Therefore, the first suspension is composed of an alcohol with a certain number of carbon atoms or more. Furthermore, since the second alcohol has a boiling point 15°C or more higher than that of the first alcohol, the number of carbon atoms in the second alcohol is equal to or greater than that of the first alcohol. Therefore, like the first alcohol, metal compounds do not disperse or dissolve in the second alcohol. Therefore, metal compounds do not disperse or dissolve in a mixture of two types of alcohol. Furthermore, the second alcohol has a higher viscosity than the first alcohol.
In the second process, the stirred mixture of the two suspensions is filled into the chamber of a vacuum impregnation device, and the pressure inside the chamber is reduced to a minimum pressure of 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber. This causes 4/5 or less of the first alcohol to evaporate from the mixed alcohol, and the evaporated first alcohol is discharged from the chamber to the outside of the vacuum impregnation device. A portion of the second alcohol evaporates in an amount corresponding to the saturated vapor pressure of the second alcohol at the temperature inside the chamber, and the evaporated second alcohol is discharged from the chamber to the outside of the vacuum impregnation device. As a result, the third suspension becomes a mixture of the two alcohols with reduced amounts of both alcohols, and becomes a fourth suspension in which the mixed two alcohols are mixed with aggregates of fine crystals of the metal compound. As the two alcohols evaporate, the fourth suspension moves within the mixed two alcohols. As a result, the fourth suspension, instead of the third suspension, enters the gaps between the entangled carbon black aggregates. Furthermore, the fourth suspension, instead of the third suspension, is adsorbed onto the surface of the entangled aggregates. As a result, a mixture consisting of the fourth suspension and the aggregates is created in the chamber. This mixture is used as a raw material for forming a sheet or film consisting of the carbon black aggregates. The two vaporized alcohols are recovered in a recovery machine and reused.
In other words, if the boiling points of two alcohols differ by 15°C or more, the saturated vapor pressures of the two alcohols at each temperature will be different. For example, the saturated vapor pressure of ethanol is 1.068 atmospheres at 80°C, which is close to its boiling point of 78.5°C, and 0.712 atmospheres at 70°C. A temperature increase of just 10°C, close to the boiling point, increases the saturated vapor pressure by nearly 50%. Therefore, if the boiling points of two alcohols differ by 15°C or more, the saturated vapor pressure of the first alcohol will be higher than that of the second alcohol at each temperature. Therefore, if the pressure inside the chamber of a vacuum impregnation device is reduced to a minimum pressure that is one-fifth of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber, less than four-fifths of the first alcohol will vaporize. Meanwhile, the second alcohol evaporates in accordance with the magnitude of its saturated vapor pressure at the temperature inside the chamber. However, because the boiling point of the second alcohol is 15°C or more higher than that of the first alcohol, the amount of the second alcohol that evaporates is less than half the amount of the first alcohol that evaporates. As a result, the amounts of both alcohols decrease, and the third suspension becomes a new fourth suspension. Meanwhile, even if the second alcohol evaporates in an amount less than four-fifths of the first alcohol, less than half the amount of the first alcohol that evaporates, the total amount of the two alcohols is still more than half the total amount of the two alcohols in the third suspension. Therefore, the fourth suspension still exhibits the properties of a liquid alcohol rather than the properties of the microcrystalline solid metal compound. Therefore, when the pressure in the chamber is reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature in the chamber, the fourth suspension moves into the gaps between the entangled aggregates, and the fourth suspension fills the gaps between the entangled aggregates, replacing the third suspension. Furthermore, the fourth suspension is adsorbed onto the surface of the collection of entangled aggregates, replacing the third suspension.
In contrast, when the second alcohol is composed of an alcohol having a boiling point close to that of the first alcohol and the pressure inside the chamber is reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber, the closer the boiling points of the two alcohols are, the greater the amount of vaporization of both alcohols, and the properties of the solid metal compound microcrystals become dominant over the properties of the liquid alcohol in the fourth suspension. As a result, the fourth suspension is less likely to penetrate into the gaps between the entangled aggregates, and the carbon black aggregates do not become entangled through the fourth suspension. For this reason, an alcohol with a boiling point 15°C or more higher than that of the first alcohol was used as the second alcohol.
As described above, even when the pressure inside the chamber is reduced to a minimum pressure of 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber, the total amount of the two alcohols is more than 1/2 of the total amount of the two alcohols in the third suspension, and the fourth suspension, which has predominantly alcoholic properties, replaces the third suspension and enters the gaps between the entangled carbon black aggregates, causing the carbon black aggregates to entangle with each other through the fourth suspension. Furthermore, the fourth suspension is adsorbed onto the surface of the entangled aggregate clusters. In this way, a mixture of the aggregate clusters and the fourth suspension is formed inside the chamber. This mixture is used as a raw material for forming a sheet or film composed of the carbon black aggregate clusters.
6段落に記載した第一の懸濁液を作成する方法は、
6段落に記載した第一のアルコールとして、20℃において3-5mPa・秒の粘度を有するアルコールを用い、該アルコールと、該アルコールより少ない重量からなるカーボンブラックの集まりを、容器に充填し、該カーボンブラックの集まりを攪拌し、該カーボンブラックの集まりを前記アルコール中に浸漬させる、この後、前記容器内に超音波方式のホモジナイザー装置を配置し、該ホモジナイザー装置を前記アルコール中で稼働させ、前記カーボンブラックを構成する炭素粒子の1次凝集体であるアグリゲートの大きさより小さい気泡が前記アルコール中に発生し、この後、前記気泡が殆ど同時に消滅する、この際、前記気泡がはじける際の衝撃波が、前記アルコール中に継続して発生し、該衝撃波が、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの凝集塊であるアグロメレートの細部に継続して照射される、これによって、前記アグリゲート同士が絡み合った部位が解除され、該絡み合いが解除した部位に、前記アルコールが吸着し、該アルコールを介して絡み合ったアグリゲートの集まりが、該アルコールに分散した第一の懸濁液が作成される、6段落に記載した第一の懸濁液を作成する方法。
The method of making the first suspension described in paragraph 6 comprises:
As the first alcohol described in paragraph 6, an alcohol having a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20°C is used, and the alcohol and carbon black aggregates having a weight less than that of the alcohol are filled into a container, and the carbon black aggregates are stirred and immersed in the alcohol. Thereafter, an ultrasonic homogenizer is placed in the container, and the homogenizer is operated in the alcohol to homogenize the carbon black aggregates, which are primary agglomerates of carbon particles constituting the carbon black, to a size smaller than that of the aggregates. A method for preparing a first suspension according to paragraph 6, wherein small bubbles are generated in the alcohol, and then the bubbles disappear almost simultaneously, at which time shock waves generated when the bubbles burst are continuously generated in the alcohol, and the shock waves are continuously irradiated to the fine parts of the agglomerates, which are clumps of the aggregates entangled with each other, thereby releasing the entangled parts of the aggregates, and the alcohol is adsorbed to the released entangled parts, thereby preparing a first suspension in which a collection of aggregates entangled via the alcohol is dispersed in the alcohol .
つまり、カーボンブラックが分解できない最小単位は、炭素粒子の1次凝集体であるアグリゲートである。このアグリゲートは、7段落に記載したように、10-100nmの大きさからなる炭素粒子同士が、不規則で複雑な形状で数珠つなぎした構造(これをストラクチャーと呼ぶ)で結合した炭素粒子の集まりである。アグリゲートの大きさは100-500nmからなり、炭素粒子の数は100-1000個からなる。このアグリゲートは、ストラクチャーによって容易に絡み合い、炭素粒子の2次凝集体であり、アグリゲートの凝集塊であるアグロメレートを形成する。従って、カーボンブラックは、その多くがアグロメレートで構成され、大きなものは1mm近くまで及ぶ粉体になる。このため、アグロメレートの集まりをアルコールに分散した懸濁液を作成することは困難で、また、アグロメレートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成することはさらに困難である。この理由から、20℃において3-5mPa・秒からなる低粘度のアルコール中でホモジナイザー装置を稼働させ、アグロメレートの集まりに衝撃波を継続して加え、アグリゲート同士が直接絡み合った部位を、衝撃波の照射によって分離させ、該分離した部位に前記アルコールを吸着させ、前記アルコールを介してアグリゲート同士を絡み合わせる。これによって、前記アルコールを介して絡み合ったアグリゲートの集まりが、低粘度のアルコールに分散した第一の懸濁液が形成される。
つまり、次の3つの理由から、第一のアルコールとして、20℃において3-5mPa・秒からなる粘度を有するアルコールを用いた。
第一に、炭素数が5個以上のアルコールに、金属化合物は分散せず、また、金属化合物は溶解しない。つまり、金属化合物は、炭素原子数が1つのメタノールに対し10重量%近くの割合で分散し、金属化合物が分子状態になって、メタノールに分散する。いっぽう、炭素原子の数が増え、分子量が増えるほど、金属化合物のアルコールへの分散割合が減り、炭素数が5個以上のアルコールに、金属化合物は分散せず、また、溶解しない。このため、第一のアルコールとして、炭素数が5個以上のアルコールを用いて、第一の懸濁液を形成する。また、第二のアルコールの沸点は、第一のアルコールの沸点より15℃以上高いため、第二のアルコールの炭素原子の数は、第一のアルコールの炭素原子の数以上である。従って、第二のアルコールも、第一のアルコールと同様に、金属化合物が分散も溶解もしない。このため、第一の懸濁液を第二の懸濁液に混合しても、金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の大きさは変わらず、該ナノサイズからなる微細結晶の集まりが、混和した2種類のアルコールに混合した第三の懸濁液になる。こうした炭素原子の数が5個以上のアルコールの一部に、20℃において3-5mPa・秒からなる粘度を有するアルコールが存在する。
第二に、相対的に高い粘度を持つアルコールは、相対的に低い粘度を持つアルコールより沸点は高い。つまり、20℃で6mPa・秒の粘度を持つアルコールの沸点は、20℃で5mPa・秒の粘度を持つアルコールの沸点より高い。いっぽう、第二のアルコールの沸点は、第一のアルコールの沸点より15℃以上高く、かつ、金属化合物の熱分解が始まる温度より低い。このため、第一のアルコールが、20℃において5mPa・秒より高い粘度を持つと、第一のアルコールの沸点が高まり、第一のアルコールより15℃以上高い第二のアルコールの沸点が、一部の金属化合物の熱分解温度を超え、熱分解で金属を析出する金属化合物の選択幅が狭くなる。
第三に、20℃において3-5mPa・秒からなる粘度を有するアルコール中で、ホモジナイザー装置を稼働させると、アグリゲート同士が直接絡み合った部位が短時間で解除し、該部位に前記粘度を有するアルコールが吸着し、アグリゲート同士が該アルコールを介して絡み合い、第一の懸濁液が作成できる。
つまり、ホモジナイザー装置をアルコール中で稼働させると、微細な衝撃波がアルコールに発生し、該衝撃波がアルコールの分子を励起させながら、アルコール中を移動する。いっぽう、アルコールの粘度が低いほど、衝撃波によってアルコールの分子が励起されにくく、衝撃波のエネルギーが失われにくい。アルコールの粘度が3-5mPa・秒と低いため、衝撃波のエネルギーが失われにくく、効率よく凝集塊であるアグロメレートの集まりに微細な衝撃波が繰り返し照射される。これによって、アグリゲート同士が直接絡み合った部位にも微細な衝撃波が繰り返し照射し、アグリゲートが100-500nmの大きさからなる極めて軽量な物質であるため、直接絡み合った部位が解除し、アグロメレートの集まりが低粘度のアルコールに浸漬しているため、絡み合いが解除したアグリゲートの部位に、低粘度のアルコールが吸着する。これによって、アルコールを介して絡み合ったアグリゲートの集まりが、アルコールに分散する。この結果、低粘度のアルコールを介して、アグリゲート同士が絡み合うとともに、絡み合ったアグリゲートの集まりが、低粘度のアルコールに分散した第一の懸濁液が作成される。
なお、ホモジナイザー装置として、超音波方式のホモジナイザー装置を用いると、アグリゲートの大きさより小さい気泡が、莫大な数からなる気泡として同時に発生し、この後、気泡が殆ど同時に消滅する。この気泡の発生と消滅とが、超音波の発生周期に応じて繰り返し起こり、低粘度のアルコール中で、気泡の発生と消滅とが繰り返される(この現象をキャビテーションという)。この気泡がはじける際の衝撃波が、低粘度のアルコール中に継続して発生し、衝撃波が殆ど吸収されずに、アグロメレートの細部にも継続して照射され、アグリゲート同士が直接絡み合った部位が短時間で分離し、分離した部位にアルコールが吸着する。従って、超音波方式のホモジナイザー装置は、超音波の発生周期に応じて、気泡の発生と消滅とを繰り返すため、短時間でアグリゲート同士が直接絡み合った部位を分離させる。
なお、アグリゲートが、不規則で複雑な形状で炭素粒子同士が数珠つなぎしたストラクチャーの構造を持ち、かつ、個々のアグリゲートの大きさと個々のアグリゲートのストラクチャーの形状が異なる。このため、ホモジナイザー装置が発する衝撃波をアグロメレートに繰り返し照射しても、アグリゲートの集まりにおけるアグリゲート同士が直接絡み合う全ての部位が分離され、これによって、アグリゲートの集まりが1つ1つのアグリゲートに分離し、1つ1つに分離されたアグリゲートをアルコールに分散させることはできない。従って、ホモジナイザー装置によるアグリゲート同士の絡み合いの分離は、アグリゲート同士が直接絡み合った部位にアルコールを吸着させる処理である。この処理によって、アルコールを介してアグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりが、アルコールに容易に分散する。なお、アグリゲートは、10-100nmの大きさからなる炭素粒子同士が、不規則で複雑な形状で数珠つなぎした構造で結合した炭素粒子の集まりで、アグリゲートの大きさは100-500nmからなる。従って、アルコールを介してアグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりにおいては、絡み合ったアグリゲート同士は結合せず、絡み合ったアグリゲートがアルコールに分散している。
ところで、20℃で3-5mPa・秒の粘度を持つアルコールとして、次のアルコールが存在する。20℃の粘度が3.3mPa・秒で、沸点が138℃である1-ペンタノールと、炭素原子の数が5個からなるペンチルアルコールのその他の構造異性体がある。すなわち、20℃の粘度が4.1mPa・秒で、沸点が119℃である2-ペンタノールと、20℃の粘度が3.5mPa・秒で、沸点が102℃である2-メチル―2-ブタノール(t-アミルアルコールとも呼ばれる)と、20℃の粘度が3.7mPa・秒で、沸点が131℃である3-メチル―1-ブタノール(イソアミルアルコールとも呼ばれる)と、20℃の粘度が5.1mPa・秒で、沸点が128℃である2-メチル-1-ブタノールと、20℃の粘度が3.4mPa・秒で、沸点が113℃である3-メチル-2-ブタノールなどがある。
第一の懸濁液は、第一のアルコールとカーボンブラックの集まりとの混合物に、ホモジナイザー装置を稼働させることで作成される。第一のアルコールは汎用的な有機溶剤で、カーボンブラックは汎用的な工業用素材である。このため、安価な費用で安価な第一の懸濁液が作成される。
以上に説明したように、6段落に記載した第一のアルコールとして、20℃において3-5mPa・秒の粘度を有するアルコールを用い、該アルコールと、該アルコールより少ない重量からなるカーボンブラックの集まりを容器に充填し、この後、ホモジナイザー装置をアルコール中で稼働させ、アルコールを介して、カーボンブラックの集まりに衝撃波を繰り返し照射すると、アグリゲート同士がアルコールを介して絡み合い、該絡み合ったアグリゲートの集まりがアルコールに分散した第一の懸濁液が作成される。
In other words, the smallest unit that cannot be decomposed of carbon black is the aggregate, which is a primary agglomeration of carbon particles. As described in paragraph 7, this aggregate is a collection of carbon particles, each 10-100 nm in size, bound together in an irregular, complex, string-like structure (called a "structure"). The size of the aggregate is 100-500 nm, and the number of carbon particles is 100-1000. This structure easily entangles these aggregates, forming agglomerates, which are secondary agglomerations of carbon particles and aggregate clusters. Therefore, carbon black is largely composed of agglomerates, the largest of which can reach nearly 1 mm in size, forming a powder. For this reason, it is difficult to prepare a suspension of agglomerate clusters in alcohol, and it is even more difficult to form a sheet or film composed of agglomerate clusters. For this reason, a homogenizer is operated in a low-viscosity alcohol of 3-5 mPa·sec at 20°C, shock waves are continuously applied to the collection of agglomerates, and the sites where aggregates are directly entangled are separated by the irradiation of shock waves, and the alcohol is adsorbed onto the separated sites, entangling the aggregates via the alcohol. As a result, a first suspension is formed in which the collection of aggregates entangled via the alcohol is dispersed in the low-viscosity alcohol.
That is, an alcohol having a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20° C. was used as the first alcohol for the following three reasons.
First, metal compounds do not disperse or dissolve in alcohols with 5 or more carbon atoms. That is, metal compounds disperse at a rate of nearly 10% by weight in methanol with one carbon atom, and the metal compounds disperse in a molecular state in methanol. On the other hand, as the number of carbon atoms and molecular weight increase, the dispersibility of metal compounds in alcohol decreases, and metal compounds do not disperse or dissolve in alcohols with 5 or more carbon atoms. Therefore, the first suspension is formed using an alcohol with 5 or more carbon atoms. Furthermore, because the boiling point of the second alcohol is 15°C or more higher than that of the first alcohol, the number of carbon atoms in the second alcohol is equal to or greater than the number of carbon atoms in the first alcohol. Therefore, like the first alcohol, metal compounds do not disperse or dissolve in the second alcohol. Therefore, even when the first suspension is mixed with the second suspension, the size of the nano-sized crystals of the metal compound remains unchanged, and a collection of these nano-sized crystals forms a third suspension mixed with the two alcohols. Some of these alcohols with 5 or more carbon atoms have a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20°C.
Second, alcohols with relatively high viscosities have higher boiling points than alcohols with relatively low viscosities. That is, the boiling point of an alcohol with a viscosity of 6 mPa·s at 20°C is higher than the boiling point of an alcohol with a viscosity of 5 mPa·s at 20°C. On the other hand, the boiling point of the second alcohol is 15°C or more higher than the boiling point of the first alcohol and lower than the temperature at which thermal decomposition of the metal compound begins. Therefore, if the first alcohol has a viscosity of more than 5 mPa·s at 20°C, the boiling point of the first alcohol increases, and the boiling point of the second alcohol, which is 15°C or more higher than the first alcohol, exceeds the thermal decomposition temperature of some metal compounds, narrowing the range of metal compounds that can be selected to precipitate metals by thermal decomposition.
Third, when a homogenizer is operated in alcohol having a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20°C, the sites where aggregates are directly entangled with each other are released in a short time, and alcohol having the viscosity is adsorbed to the sites, causing the aggregates to entangle with each other via the alcohol, thereby producing a first suspension.
In other words, when a homogenizer device is operated in alcohol, fine shock waves are generated in the alcohol, and these shock waves move through the alcohol while exciting the alcohol molecules. On the other hand, the lower the viscosity of the alcohol, the less likely the alcohol molecules are excited by the shock waves, and the less likely the energy of the shock waves is lost. Because the viscosity of alcohol is low at 3-5 mPa·sec, the energy of the shock waves is less likely to be lost, and fine shock waves are repeatedly irradiated onto the collection of agglomerates, which are coagulated masses. As a result, fine shock waves are repeatedly irradiated onto the areas where aggregates are directly entangled with each other, and because the aggregates are extremely lightweight substances with sizes of 100-500 nm, the directly entangled areas are released, and because the collection of agglomerates is immersed in the low-viscosity alcohol, the low-viscosity alcohol is adsorbed onto the areas of the aggregates where the entanglement has been released. As a result, the collection of aggregates entangled via the alcohol is dispersed in the alcohol. As a result, the aggregates become entangled with each other via the low-viscosity alcohol, and a first suspension is created in which a collection of entangled aggregates is dispersed in the low-viscosity alcohol.
When an ultrasonic homogenizer is used as the homogenizer, a huge number of bubbles smaller than the size of the aggregates are simultaneously generated, and then the bubbles disappear almost simultaneously. This generation and disappearance of bubbles occurs repeatedly according to the ultrasonic generation cycle, and the generation and disappearance of bubbles is repeated in low-viscosity alcohol (this phenomenon is called cavitation). The shock waves generated when the bubbles burst are continuously generated in the low-viscosity alcohol, and the shock waves are hardly absorbed and are continuously irradiated even to the fine details of the agglomerates, causing the areas where aggregates are directly entangled to separate in a short period of time, and alcohol is adsorbed to the separated areas. Therefore, the ultrasonic homogenizer repeatedly generates and disappears bubbles according to the ultrasonic generation cycle, thereby separating the areas where aggregates are directly entangled in a short period of time.
The aggregates have an irregular, complex structure in which carbon particles are strung together, and the size and structure of each aggregate are different. Therefore, even if the shock waves emitted by the homogenizer device are repeatedly irradiated onto the agglomerates, all of the sites where the aggregates in the aggregate collection are directly entangled are separated, resulting in the collection of aggregates being separated into individual aggregates, and the separated aggregates cannot be dispersed in alcohol. Therefore, the separation of entangled aggregates using the homogenizer device is a process in which alcohol is adsorbed onto the sites where the aggregates are directly entangled. This process allows the collection of aggregates in which the aggregates are entangled via alcohol to be easily dispersed in alcohol. The aggregates are collections of carbon particles with sizes of 10-100 nm, which are bonded together in an irregular, complex, string-like structure, with the size of the aggregates being 100-500 nm. Therefore, in collections of aggregates in which aggregates are entangled with each other via alcohol, the entangled aggregates are not bonded to each other, but are dispersed in the alcohol.
Incidentally, the following alcohols exist as alcohols with a viscosity of 3-5 mPa·s at 20°C: 1-pentanol, which has a viscosity of 3.3 mPa·s at 20°C and a boiling point of 138°C, and other structural isomers of pentyl alcohol, which has five carbon atoms. These include 2-pentanol, which has a viscosity of 4.1 mPa·s at 20°C and a boiling point of 119°C; 2-methyl-2-butanol (also known as t-amyl alcohol), which has a viscosity of 3.5 mPa·s at 20°C and a boiling point of 102°C; 3-methyl-1-butanol (also known as isoamyl alcohol), which has a viscosity of 3.7 mPa·s at 20°C and a boiling point of 131°C; 2-methyl-1-butanol, which has a viscosity of 5.1 mPa·s at 20°C and a boiling point of 128°C; and 3-methyl-2-butanol, which has a viscosity of 3.4 mPa·s at 20°C and a boiling point of 113°C.
The first suspension is prepared by running a homogenizer on a mixture of the first alcohol and the carbon black aggregate. The first alcohol is a general-purpose organic solvent, and the carbon black is a general-purpose industrial material. Therefore, the first suspension can be prepared inexpensively.
As described above, an alcohol having a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20°C is used as the first alcohol described in paragraph 6, and the alcohol and carbon black aggregates having a weight less than that of the alcohol are filled into a container. Thereafter, a homogenizer is operated in the alcohol, and shock waves are repeatedly applied to the carbon black aggregates via the alcohol, causing the aggregates to entangle with each other via the alcohol, and a first suspension is created in which the entangled aggregate aggregates are dispersed in the alcohol.
8段落に記載した第一の懸濁液を作成する方法は、
8段落に記載したカーボンブラックがケッチェンブラックであり、該ケッチェンブラックを、8段落に記載したカーボンブラックとして用い、8段落に記載した第一の懸濁液を作成する方法に従って第一の懸濁液を作成する、8段落に記載した第一の懸濁液を作成する方法。
The method of making the first suspension described in paragraph 8, comprising:
The method for preparing the first suspension described in paragraph 8, wherein the carbon black described in paragraph 8 is Ketjen black, and the first suspension is prepared according to the method for preparing the first suspension described in paragraph 8, using the Ketjen black as the carbon black described in paragraph 8.
つまり、カーボンブラックは、カーボンブラックの製造方法によって、カーボンブラックの特徴が大きく変わり、製造方法の名称でカーボンブラックが分類されている。この製造方法によって、カーボンブラックの性質が変わる。
ファーネスブラックは、油やガスを高温ガス中で不完全燃焼させて製造したカーボンブラックであり、燃焼させる原料により、オイルファーネスとガスファーネスとに細分化される。ファーネスブラックの中で、ケッチェンブラックは、原料として炭化水素からなるオイルを用い、オイルの不完全燃焼で、カーボンブラックを生成する。
その他のカーボンブラックに、天然ガスを燃焼させ、チャンネル鋼に析出させたものを掻き集めたチャンネルブラックと、アセチレンガスを熱分解して得たアセチレンブラックと、蓄熱した炉の中でガスの燃焼と分解を繰り返して製造するサーマルブラックがある。
アセチレンブラックは、カーボンブラックの原料の中で、純度が最も高いアセチレンガスを使ってアセチレンブラックを生成するため、カーボンブラックの中で不純物が最も少なく、また、ストラクチャーと1次粒子とが最も発達している。
これに対し、ケッチェンブラックは、カーボンブラックの中で、一次粒子が最も小さく、単位質量当たりの一次粒子の数が最も多く、BET表面積(気体分子の吸着によって比表面積の大きさを表す指標)が最も大きいため、カーボンブラックの中で、最も優れた遮光性を持つ。このため、カーボンブラックとしてケッチェンブラックを用い、ケッチェンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、紫外線劣化防止の優れたシートまたはフィルムとして作用する。さらに、ケッチェンブラックの熱放射率は0.97であり、カーボンブラックの中で最も熱放射率が高いため、ケッチェンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、優れた放熱シートまたは放熱フィルムとして作用する。
すなわち、ケッチェンブラックには、一次粒子径が34nmで、単位質量当たりの一次粒子の数は1×107個/gに及び、BET表面積が1270m2/gに及び、多孔度が78%に及ぶ。これに対し、アセチレンブラックは、一次粒子径が40nmで、BET表面積が76m2/gと小さく、多孔度は22%と少ない。従って、ケッチェンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、他のカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムより遮光性に優れる。
従って、8段落に記載したカーボンブラックとしてケッチェンブラックを用い、8段落に記載した方法に従って第一の懸濁液を作成し、さらに、該第一の懸濁液を6段落に記載した第一の懸濁液として用い、6段落に記載した原料を作成し、該原料を用いて、シートまたはフィルムを形成すると、他のカーボンブラックの集まりからなるシートまたはフィルムより、遮光性に優れ、かつ、熱放射率が高いシートまたはフィルムが形成される。
In other words, the characteristics of carbon black vary greatly depending on the manufacturing method, and carbon black is classified by the name of the manufacturing method. The properties of carbon black vary depending on this manufacturing method.
Furnace black is carbon black produced by incomplete combustion of oil or gas in high-temperature gas, and is subdivided into oil furnaces and gas furnaces depending on the raw material used. Among furnace blacks, Ketjenblack uses hydrocarbon oil as the raw material, and produces carbon black through incomplete combustion of the oil.
Other types of carbon black include channel black, which is made by burning natural gas and scraping off the deposits that form on channel steel; acetylene black, which is obtained by thermally decomposing acetylene gas; and thermal black, which is produced by repeatedly burning and decomposing gas in a heat-storing furnace.
Acetylene black is produced using acetylene gas, which has the highest purity among the raw materials for carbon black, so it has the fewest impurities of all carbon blacks and has the most developed structure and primary particles.
In contrast, Ketjenblack has the smallest primary particles of all carbon blacks, the largest number of primary particles per unit mass, and the largest BET surface area (an index that represents the size of the specific surface area due to the adsorption of gas molecules), and therefore has the best light-blocking properties of all carbon blacks. For this reason, a sheet or film made of Ketjenblack aggregates using Ketjenblack as the carbon black acts as a sheet or film with excellent UV degradation prevention. Furthermore, Ketjenblack has a thermal emissivity of 0.97, the highest thermal emissivity of any carbon black, and therefore a sheet or film made of Ketjenblack aggregates acts as an excellent heat-dissipating sheet or film.
That is, Ketjen black has a primary particle diameter of 34 nm, the number of primary particles per unit mass is 1 x 107 particles/g, a BET surface area of 1270 m2 /g, and a porosity of 78%. In contrast, acetylene black has a primary particle diameter of 40 nm, a small BET surface area of 76 m2 /g, and a low porosity of 22%. Therefore, a sheet or film made of aggregates of Ketjen black has better light-blocking properties than a sheet or film made of aggregates of other carbon blacks.
Therefore, if Ketjen black is used as the carbon black described in paragraph 8, a first suspension is prepared according to the method described in paragraph 8, and the first suspension is then used as the first suspension described in paragraph 6 to prepare the raw material described in paragraph 6, and a sheet or film is formed using the raw material, a sheet or film is formed that has better light-blocking properties and higher thermal emissivity than sheets or films made of other aggregates of carbon black.
6段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法は、
メタノールに分子状態で分散するが、メタノールに溶解しない第一の性質と、熱分解で金属を析出する第二の性質を兼備する金属化合物をメタノールに分散し、該金属化合物のメタノール分散液を作成し、さらに、該金属化合物のメタノール分散液からメタノールを気化させ、前記金属化合物の微細結晶の集まりを析出させる、この後、該金属化合物の微細結晶の集まりを容器に充填し、該金属化合物の微細結晶の集まりの表面全体を覆う板材を、該金属化合物の微細結晶の集まりの上に被せる、さらに、該板材の表面全体に、容器の大きさに応じて、1-10kg重に相当する圧縮荷重を加え、前記金属化合物の微細結晶の集まりを破砕する、さらに、前記容器の側面と底面とに、容器の大きさに応じて、前後、左右、上下の3方向の0.2-0.5Gからなる衝撃加速度を繰り返し加え、前記破砕された金属化合物の微細結晶の集まりが、空隙を埋めるように前記容器内で移動するとともに、該微細結晶の集まりが前記容器内で再配列する、この後、前記板材の表面全体に再度前記圧縮荷重を加え、さらに、前記容器の側面と底面とに、前記3方向の衝撃加速度を再度繰り返し加える、こうした前記圧縮荷重を加える処理と前記衝撃加速度を加える処理とからなる一対の処理を繰り返し、前記結晶の微細化が限界になると、前記板材に圧縮荷重を加えても、該結晶の破砕が行われないため、前記板材に前記圧縮荷重を加えても、該板材の動きが無くなり、この時点で前記一対の処理を停止し、前記容器内に前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりを作成する、この後、前記板材を前記容器から取り出し、さらに、6段落に記載した第二のアルコールを、前記金属化合物の微細結晶の集まりの重量より多い重量として前記容器に充填し、前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりを攪拌し、前記容器内に、前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりが、前記第二のアルコールに混合した第二の懸濁液を作成する、6段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法。
The method of making the second suspension described in paragraph 6 comprises:
A metal compound having a first property of dispersing in a molecular state in methanol but not dissolving in methanol, and a second property of precipitating a metal by thermal decomposition, is dispersed in methanol to prepare a methanol dispersion of the metal compound, and the methanol is evaporated from the methanol dispersion of the metal compound to precipitate a cluster of fine crystals of the metal compound. The cluster of fine crystals of the metal compound is then filled into a container, and a plate covering the entire surface of the cluster of fine crystals of the metal compound is placed on top of the cluster of fine crystals of the metal compound. A compressive load equivalent to 1-10 kg weight is applied to the entire surface of the plate, depending on the size of the container, to crush the cluster of fine crystals of the metal compound. An impact acceleration of 0.2-0.5 G is then repeatedly applied to the sides and bottom of the container in three directions, front-to-back, left-to-right, and up-to-down, depending on the size of the container, causing the crushed cluster of fine crystals of the metal compound to move within the container so as to fill voids, and the cluster of fine crystals is rearranged within the container. The entire surface of the plate is then crushed. the plate is then removed from the container, and the second alcohol described in paragraph 6 is filled into the container in a weight greater than the weight of the collection of fine crystals of the metal compound, and the collection of fine crystals of the metal compound with the second alcohol is stirred to create a second suspension in the container, wherein the collection of fine crystals of the metal compound with the second alcohol is mixed with the second alcohol.
次の4つの極めて簡単な処理を連続して実施すると、容器内に、金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりを、第二のアルコールに混合した第二の懸濁液が作成される。
第一に、熱分解で金属を析出する金属化合物をメタノールに分散し、金属化合物が分子状態となってメタノールに分散させる。なお、金属化合物がメタノールに溶解すると、金属化合物を構成する金属が金属イオンとなってメタノール中に溶出し、溶解した金属化合物は、溶解前の金属化合物に戻ることができない。このため、メタノール溶解液からメタノールを気化させると、溶解前の金属化合物の結晶が析出しない。従って、メタノールに溶解せず分散する金属化合物を用いる。
第二に、金属化合物のメタノール分散液からメタノールを気化し、100nmより小さい金属化合物の微細結晶の集まりを析出させる。つまり、金属化合物のメタノール分散液において、金属化合物が分子状態となってメタノールに均一に分散しため、メタノールを気化させると、分散前の金属化合物が、100nmより小さい粒状の微細結晶として析出する。この微細結晶は、分子状態でメタノール中に分散した金属化合物が、微細結晶として析出したため、金属化合物の単分子が形成する結晶が集積した結晶の集まりである。従って、微細結晶に応力を加えると、微細結晶が容易に破砕し、さらに微細な結晶になる。しかし、結晶が微細になるほど、結晶に応力を加えることが難しくなり、結晶の微細化には限界がある。なお、気化したメタノールは回収機で回収し、再利用する。
第三に、第二の処理で析出させた金属化合物の微細結晶を、ナノサイズからなる微細結晶に破砕する。このため、容器内に、第二の処理で作成した粒状の微細結晶の集まりを充填し、板材を容器内の粒状の金属化合物の微細結晶の集まりの全体に被せ、板材を介して圧縮荷重を微細結晶の集まりの全体に加える。この際、微細結晶の大きさが相対的に大きい微細結晶ほど破砕されやすい。このため、相対的に大きい微細結晶が優先して破砕され、圧縮荷重が加えられている間は、微細結晶の破砕が進む。いっぽう、微細結晶の破砕によって空隙が形成され、圧縮荷重が加えられている間は、空隙を埋めるように微細結晶が移動する。さらに、均一な大きさの微細結晶の集まりに微細化されるように、印加する圧縮荷重を一旦停止し、この後、容器の側面と底面とに、前後、左右、上下の3方向の衝撃加速度を繰り返し加える。これによって、微細結晶の集まりは、板材で容器内に拘束されているため飛散せず、空隙を埋めるように微細結晶が容器内で移動するとともに、微細結晶の集まりが再配列する。微細結晶の集まりが再配列すると、空隙が微細結晶で埋められる。この後、さらに微細結晶の集まりを破砕し、均一な大きさの微細結晶の微細化を進める。このため、再度、板材を介して微細結晶の集まりに前記圧縮荷重を加える。この際、より微細になった結晶の集まりに対し、微細結晶の破砕が進む。この後、再度、容器に3方向の前記衝撃加速度を繰り返し加え、微細になった結晶の集まりの再配列を進める。こうした圧縮荷重を加える処理と、3方向の衝撃加速度を繰り返し加える処理とからなる一対の処理を繰り返し、大きさが均一な微細結晶の集まりになるように微細化を進める。いっぽう、結晶が微細になるほど、圧縮荷重を加えも、結晶に応力を加えることが難しくなり、結晶の微細化には限界がある。結晶の微細化が限界になると、板材に圧縮荷重を加えても、結晶の破砕が行われず、板材に圧縮荷重を加えても、板材の動きがなくなる。この時点で、一対の処理を停止する。この結果、微細結晶は、析出した時点の大きさに比べ、1/5の大きさに近い18-22nmまで小さくなる。なお、板材に加える圧縮荷重は、容器の大きさに応じて、1-10kg重に相当する圧縮荷重を加える。また、容器に加える衝撃加速度は、容器の大きさに応じて、0.2-0.5Gの衝撃加速度を加える。
第四に、第二のアルコールを、容器内の金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりの重量より多い重量として容器に充填し、該第二のアルコールを攪拌すると、ナノサイズからなる微細結晶の集まりをアルコールに混合した第二の懸濁液が、容器内に作成される。なお、前記粘度を有するアルコールの重量を、微細結晶の集まりより多い重量とし加え、懸濁液における微細結晶の混合性を高めた。
以上に説明したように、懸濁液は、前記した極めて簡単な4つの処理を連続して実施することで作成される。さらに、金属化合物とアルコールとは汎用的な工業用の薬品である。このため、安価な費用で安価な懸濁液が作成される。
いっぽう、第二のアルコールの沸点は、6段落に記載したように、第一のアルコールの沸点より15℃以上高く、かつ、熱分解で金属を析出する金属化合物の熱分解が始まる温度より低い。この沸点の性質によって、第二の懸濁液に次の4つの作用効果をもたらす。
第一に、熱分解で金属を析出する金属化合物は、第一のアルコールと同様に、第二のアルコールにも分散せず、溶解もしない。つまり、第一のアルコールは、炭素原子数が5個からなる1-ペンタノールと、炭素原子の数が5個からなるペンチルアルコールのその他の構造異性体である。沸点が第一のアルコールより15℃以上高い第二のアルコールは、炭素原子の数が5個以上である。従って、炭素原子数が5個以上である第二のアルコールに、金属化合物は分散せず、溶解もしない。このため、金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりに、第二のアルコールを混合し、さらに、該第二のアルコールを攪拌すると、金属化合物のナノサイズからなる微細結晶の集まりが、ナノサイズからなる微細結晶の状態で第二のアルコールに混合した第二の懸濁液が作成される。
第二に、7段落に記載したように、第一の懸濁液と第二の懸濁液の混合物を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧すると、第一のアルコールの4/5以下の量と、第二のアルコールの一部が気化し、第三の懸濁液を構成した2種類のアルコールの双方が減量し、第三の懸濁液が第四の懸濁液になる。いっぽう、第二のアルコールの沸点が、第一のアルコールの沸点より15℃以上高いため、第二のアルコールが気化する量は、第一のアルコールが気化する量の1/2より少ない。従って、第四の懸濁液の性質は、残存した2種類のアルコールの性質が依然として優勢になる。このため、2種類のアルコールの気化に伴い、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に第四の懸濁液が移動し、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が、アグリゲートの間隙に入り込む。また、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面に、第四の懸濁液が吸着する。この結果、アグリゲートの集まりと第四の懸濁液との混合体がチャンバー内に形成され、該混合体を、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際の原料として用いることができる。
第三に、沸点が第一のアルコールより15℃以上高い第二のアルコールの粘度は、第一のアルコールの粘度より高い。いっぽう、第二のアルコールが気化する量は、第一のアルコールが気化する量の1/2より少ない。このため、第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度は、第三の懸濁液を構成するアルコールの粘度より高い。これによって、金属化合物のナノレベルの微細結晶同士が、第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度に基づいて吸着し、互いに吸着した微細結晶の集まりが、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に移動する。また、第四の懸濁液が、アルコールの粘度に基づいてアグリゲートの集まりの表面に吸着する。第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度が、第三の懸濁液を構成するアルコールの粘度より高いため、真空含浸装置のチャンバー内に形成された第四の懸濁液とアグリゲートの集まりからなる混合体は、ハンドリングが可能になり、混合体を押出機に充填できる。また、Tダイに押し出した混合体は、Tダイにおいてシートまたはフィルムの形状に広がる。このため、混合体は、シートまたはフィルムを形成する際の原料となる。
第四に、第二のアルコールの沸点は、金属化合物の熱分解が開始する温度より低いため、第四の懸濁液を昇温し、第二のアルコールの沸点に到達すると、第二のアルコールが気化し、金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりが積層して析出する。さらに、金属化合物が熱分解を開始する温度に到達すると、18-22nmの大きさからなる微細結晶が、無機物の分子ないしは有機物の分子と金属分子とに分解し、無機物の分子ないしは有機物の分子が気化熱を奪って気化し、気化が完了すると、金属分子の集まりが10nm前後の大きさからなる金属のナノ粒子を形成し、該金属のナノ粒子の集まりが一斉に析出し、金属のナノ粒子の集まりが積層する。金属のナノ粒子は不純物を含まず、活性状態で析出するため、隣接する金属のナノ粒子が接触部で金属結合し、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層する。この結果、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くす。また、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う。これによって、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが、電子が連続して移動する通路を、シートまたはフィルムに形成する。このため、シートまたはフィルムは、金属に準じる導電性と熱伝導性と電磁波シールド性と、帯電防止の機能を兼備する。また、金属結合した金属のナノ粒子の集まりは、アグリゲート同士の絡み合いを結合するのみならず、全ての絡み合ったアグリゲート同士を結合するため、シートまたはフィルムに引っ張り強度と圧縮強度とせん断強度とをもたらす。
以上に説明したように、第二のアルコールは、優れた4つの性質を発揮して、熱分解で金属を析出する金属化合物のナノサイズからなる微細結晶が、第二のアルコールに混合した第二の懸濁液を形成する。
ところで、第二のアルコールとして、以下のアルコールが存在する。なお、第一のアルコールの沸点は、11段落で記載したように、102-138℃からなる。
炭素原子の数が5個からなるペンチルアルコールの構造異性体がある。ペンチルアルコールの8種類の構造異性体のうち、次のペンチルアルコールの構造異性体が、第二のアルコールとして用いることができる。3-ペンタノールは、示性式がCH3CH2CH(OH)CH2CH3からなり、沸点が115℃で、20℃での粘度が6.5mPa・秒である。2-メチル-1-ブタノールは、示性式がCH3CH2CH(CH3)CH2OHからなり、沸点が128℃で、20℃での粘度が5.1mPa・秒である。
さらに、炭素原子の数が6個からなる1-ヘキサノールは、示性式がCH3(CH2)5OHからなり、沸点が157℃で、20℃における粘度が5.2mPa・秒である。炭素原子の数が7個からなる1-ヘプタノールは、示性式がCH3(CH2)6OHからなり、沸点が176℃で、20℃における粘度が7.4mPa・秒である。さらに、炭素原子の数が6個からなる4-メチル-2-ペンタノールは、示性式が(CH3)2CHCH2CH(OH)CH3からなり、沸点が132℃で、20℃における粘度が5.2mPa・秒である。
従って、第二のアルコールとして、沸点が128℃である2-メチル-1-ブタノールを用いる場合は、沸点が102℃である2-メチル―2-ブタノールと、沸点が113℃である3-メチル-2-ブタノールとからなるいずれかのアルコールを第一のアルコールとして用いることができる。さらに、第二のアルコールとして、沸点が132℃である4-メチル-2-ペンタノールを用いる場合は、沸点が102℃である2-メチル―2-ブタノールと、沸点が113℃である3-メチル-2-ブタノールとからなるいずれかのアルコールを第一のアルコールとして用いることができる。また、第二のアルコールとして、沸点が157℃である1-ヘキサノールを用いる場合は、沸点が102℃である2-メチル―2-ブタノールと、沸点が113℃である3-メチル-2-ブタノールと、沸点が119℃である2-ペンタノールと、沸点が131℃である3-メチル―1-ブタノールと、沸点が138℃である1-ペンタノールとからなるいずれかのアルコールを第一のアルコールとして用いることができる。また、第二のアルコールとして、沸点が176℃で、粘度が7.4mPa・秒ある1-ヘプタノールを用いる場合は、沸点が128℃で、粘度が5.1mPa・秒である2-メチル-1-ブタノールを、前記5種類のアルコールに加え、6種類のアルコールからなるいずれかのアルコールを第一のアルコールとして用いることができる。
ここで、第二のアルコールの沸点と、第一のアルコールの沸点との差が19℃である2種類のアルコールを取り上げ、第四の懸濁液がアルコールの性質が優勢であり続けるには、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧することであることを、2種類のアルコールの気化した量によって説明する。つまり、チャンバー内で減圧処理を受けても、第四の懸濁液がアルコールの性質が優勢であり続ければ、2種類のアルコールの気化に伴って第四の懸濁液が移動し、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が入り込み、シートまたはフィルムを形成する際に用いる原料がチャンバー内に形成できる。さらに、チャンバー内で形成した原料が、第一のアルコールより高い粘度を持てば、原料を押出機に充填できる。また、Tダイに押し出した原料は、Tダイにおいてシートまたはフィルムの形状に広がる。ここで取り上げる2種類のアルコールは、第二のアルコールは沸点が157℃で、25℃で0.124kPaの飽和蒸気圧を有する1-ヘキサノールで、第一のアルコールは沸点が138℃で、25℃で0.293kPaの飽和蒸気圧を有する1-ペンタノールである。
最初に、25℃であるチャンバー内を、第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/3に減圧する。チャンバー内の圧力を、1-ペンタノールの25℃における飽和蒸気圧である0.293kPaの1/3に相当する0.098kPaに減圧すると、1-ペンタノールの67%が気化する。これに対し、1-ヘキサノールの21%が気化する。この結果、1-ペンタノールの33%が残存し、1-ヘキサノールの79%が残存する。従って、残存したアルコールの総量は、第三の懸濁液におけるアルコールの総量の1/2より多い。このため、第四の懸濁液は、残存したアルコールの性質が優勢になる。いっぽう、第四の懸濁液は、1-ヘキサノールの残存割合が高いため、1-ヘキサノールの粘度が反映され、20℃で4.6mPa・秒の粘度を持つ。この粘度は、1-ペンタノールの粘度の1.4倍である。なお、20℃における1-ヘキサノールの粘度は5.2mPa・秒で、20℃における1-ペンタノールの粘度は3.3mPa・秒である。従って、チャンバー内を0.098kPaに減圧しても、第四の懸濁液はアルコールの性質が優勢である。このため、2種類のアルコールの気化に伴って、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に第四の懸濁液が移動する。さらに、第四の懸濁液は、1-ヘキサノールに近い粘度を持つため、チャンバー内に形成した原料を押出機に充填でき、Tダイに押し出した原料は、Tダイにおいてシートまたはフィルムの形状に広がる。
次に、25℃であるチャンバー内を、25℃であるにおける第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/4に減圧する。チャンバー内の圧力を、1-ペンタノールの飽和蒸気圧である0.293kPaの1/4に減圧すると、1-ペンタノールの75%が気化する。いっぽう、チャンバー内の圧力を0.073kPaに減圧すると、1-ヘキサノールの41%が気化する。この結果、1-ペンタノールの25%が残存し、1-ヘキサノールの59%が残存する。従って、残存したアルコールの総量は、第三の懸濁液におけるアルコールの総量の1/2より多い。このため、第四の懸濁液は、残存したアルコールの性質が優勢になる。さらに、第四の懸濁液は、1-ヘキサノールの残存割合が高いため、1-ヘキサノールの粘度が反映され、20℃で4.6mPa・秒の粘度を持つ。従って、チャンバー内を、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/4に減圧しても、第四の懸濁液はアルコールの性質が優勢である。このため、2種類のアルコールの気化に伴って、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に第四の懸濁液が移動する。さらに、第四の懸濁液は、1-ヘキサノールに近い粘度を持つため、チャンバー内に形成した原料を押出機に充填でき、Tダイに押し出した原料は、Tダイにおいてシートまたはフィルムの形状に広がる。
さらに、25℃であるチャンバー内を、25℃における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5に減圧する。チャンバー内の圧力を、25℃における1-ペンタノールの飽和蒸気圧である0.293kPaの1/5に減圧すると、1-ペンタノールの80%が気化する。いっぽう、チャンバー内の圧力を0.059kPaに減圧すると、1-ヘキサノールの52%が気化する。この結果、1-ペンタノールの20%が残存し、1-ヘキサノールの48%が残存する。従って、残存したアルコールの総量は、第三の懸濁液におけるアルコールの総量の1/2より多い。このため、第四の懸濁液は、残存したアルコールの性質が優勢になる。また、第四の懸濁液は、残存割合が高い1-ヘキサノールの粘度が反映され、20℃で4.7mPa・秒の粘度を持つ。
なお、2種類のアルコールの沸点の差が19℃で、第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5に減圧した際に、68%のアルコールが残存した。いっぽう、2種類のアルコールの沸点の差が4℃縮小し、沸点の差が15℃になっても、2種類のアルコールの蒸気圧が僅かに近づくだけであるため、残存したアルコールの総量は、第三の懸濁液におけるアルコールの総量の50%を超え、第四の懸濁液は、残存したアルコールの性質が優勢になる。
さらに、25℃であるチャンバー内を、25℃における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/10に減圧する。チャンバー内の圧力を、25℃における1-ペンタノールの飽和蒸気圧である0.293kPaの1/10に減圧すると、1-ペンタノールの90%が気化する。いっぽう、チャンバー内の圧力を0.029kPaに減圧すると、1-ヘキサノールの77%が気化する。この結果、1-ペンタノールの10%が残存し、1-ヘキサノールの23%が残存する。従って、残存したアルコールの総量は、第三の懸濁液におけるアルコールの総量の1/2より少ない。従って、第四の懸濁液は、残存したアルコールの性質が劣勢になり、固体である金属化合物の微細結晶の性質が優勢になる。
以上の検討結果から、チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、チャンバー内の温度における第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5まで減圧することができる。チャンバー内において、第四の懸濁液はアルコールの性質が優勢であり、2種類のアルコールが気化すると、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に第四の懸濁液が移動する。これによって、第三の懸濁液に代わって第四の懸濁液が、アグリゲートの間隙に入り込む。また、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面に、第四の懸濁液が吸着する。この結果、アグリゲートの集まりと第四の懸濁液との混合体がチャンバー内に形成され、該混合体を、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際の原料として用いることができる。
By carrying out the following four extremely simple steps in succession, a second suspension containing a collection of nano-sized microcrystals of a metal compound mixed in a second alcohol is created in a container.
First, a metal compound that precipitates metals upon thermal decomposition is dispersed in methanol, and the metal compound becomes a molecular state and disperses in the methanol. When the metal compound dissolves in methanol, the metals that make up the metal compound become metal ions and are eluted into the methanol, and the dissolved metal compound cannot return to the metal compound before dissolution. Therefore, when the methanol is evaporated from the methanol solution, crystals of the metal compound before dissolution do not precipitate. Therefore, a metal compound that does not dissolve in methanol and disperses is used.
Second, methanol is evaporated from the methanol dispersion of the metal compound to precipitate a collection of fine crystals of the metal compound smaller than 100 nm. In other words, in the methanol dispersion of the metal compound, the metal compound is in a molecular state and uniformly dispersed in the methanol. Therefore, when the methanol is evaporated, the metal compound before dispersion precipitates as granular fine crystals smaller than 100 nm. These fine crystals are a collection of crystals formed by the accumulation of crystals formed by single molecules of the metal compound, since the metal compound dispersed in the methanol in a molecular state precipitates as fine crystals. Therefore, when stress is applied to the fine crystals, they easily break down and become even finer. However, the finer the crystals, the more difficult it is to apply stress to them, and there is a limit to how fine the crystals can be. The evaporated methanol is recovered in a recovery machine and reused.
Third, the microcrystals of the metal compound precipitated in the second process are crushed into nano-sized microcrystals. To this end, a container is filled with a collection of granular microcrystals created in the second process, a plate is placed over the entire collection of granular metal compound microcrystals in the container, and a compressive load is applied to the entire collection of microcrystals via the plate. At this time, the larger the microcrystals, the more easily they are crushed. Therefore, the larger the microcrystals, the more easily they are crushed, and the crushing of the microcrystals progresses while the compressive load is applied. Meanwhile, voids are formed by the crushing of the microcrystals, and the microcrystals move to fill the voids while the compressive load is applied. Furthermore, to crush the microcrystals into a collection of uniformly sized microcrystals, the applied compressive load is temporarily stopped, and then impact acceleration is repeatedly applied to the sides and bottom of the container in three directions: front-to-back, left-to-right, and up-to-down. As a result, the collection of fine crystals is restrained within the container by the plate material and does not scatter, but moves within the container to fill the voids, and the collection of fine crystals is rearranged. When the collection of fine crystals is rearranged, the voids are filled with fine crystals. After this, the collection of fine crystals is further crushed, and the finer crystals are further refined into uniformly sized fine crystals. For this purpose, the compressive load is again applied to the collection of fine crystals via the plate material. At this time, the finer crystal collection is further crushed into fine crystals of uniform size. After this, the impact acceleration is again repeatedly applied to the container in three directions, and the rearrangement of the finer crystal collection is further promoted. This pair of processes consisting of the process of applying a compressive load and the process of repeatedly applying impact acceleration in three directions is repeated, and the crystals are further refined into a collection of uniformly sized fine crystals. On the other hand, the finer the crystals, the more difficult it becomes to apply stress to the crystals even when a compressive load is applied, and there is a limit to the degree to which the crystals can be refined. When the crystal size reaches its limit, applying a compressive load to the plate material does not crush the crystals, and the plate material stops moving even when a compressive load is applied to the plate material. At this point, the pair of processes is stopped. As a result, the fine crystals are reduced to 18-22 nm, which is nearly one-fifth the size at the time of precipitation. The compressive load applied to the plate material is equivalent to 1-10 kg weight, depending on the size of the container. The impact acceleration applied to the container is 0.2-0.5 G, depending on the size of the container.
Fourth, a second alcohol is filled into the container in a weight greater than the weight of the nano-sized cluster of microcrystals of the metal compound in the container, and when the second alcohol is stirred, a second suspension in which the nano-sized cluster of microcrystals is mixed with the alcohol is produced in the container. Note that the weight of the viscous alcohol added is greater than the weight of the cluster of microcrystals, thereby improving the mixing of the microcrystals in the suspension.
As explained above, the suspension is prepared by successively carrying out the four extremely simple steps described above. Furthermore, the metal compound and alcohol are common industrial chemicals. Therefore, the suspension can be prepared inexpensively at low cost.
On the other hand, the boiling point of the second alcohol is at least 15°C higher than the boiling point of the first alcohol, and lower than the temperature at which the thermal decomposition of the metal compound that precipitates the metal by thermal decomposition begins, as described in paragraph 6. This boiling point property provides the second suspension with the following four effects:
First, metal compounds that precipitate metals upon thermal decomposition do not disperse or dissolve in second alcohols, just as they do in first alcohols. That is, the first alcohols are 1-pentanol, which has five carbon atoms, and other structural isomers of pentyl alcohol, which also has five carbon atoms. The second alcohols, which have boiling points 15°C or more higher than that of the first alcohol, have five or more carbon atoms. Therefore, metal compounds do not disperse or dissolve in second alcohols, which have five or more carbon atoms. For this reason, when a collection of nano-sized microcrystals of a metal compound is mixed with the second alcohol and the second alcohol is further stirred, a second suspension is created in which the collection of nano-sized microcrystals of the metal compound is mixed in the second alcohol in the form of nano-sized microcrystals.
Second, as described in paragraph 7, when a mixture of the first suspension and the second suspension is filled into the chamber of a vacuum impregnation apparatus and the pressure in the chamber is reduced to a minimum pressure of 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature in the chamber, 4/5 or less of the first alcohol and a portion of the second alcohol evaporate, reducing the amounts of both alcohols constituting the third suspension, and the third suspension becomes a fourth suspension. Meanwhile, because the boiling point of the second alcohol is 15°C or more higher than that of the first alcohol, the amount of the second alcohol that evaporates is less than half the amount of the first alcohol that evaporates. Therefore, the properties of the fourth suspension remain dominated by the properties of the remaining two alcohols. As the two alcohols evaporate, the fourth suspension migrates into the gaps between the entangled aggregates, and the fourth suspension fills the gaps between the aggregates, replacing the third suspension. The fourth suspension is adsorbed onto the surface of the aggregates, which are entangled with each other, and as a result, a mixture of the aggregates and the fourth suspension is formed in the chamber, and the mixture can be used as a raw material for forming a sheet or film made of the aggregates of carbon black.
Third, the viscosity of the second alcohol, which has a boiling point 15°C or more higher than that of the first alcohol, is higher than that of the first alcohol. Meanwhile, the amount of vaporization of the second alcohol is less than half the amount of vaporization of the first alcohol. Therefore, the viscosity of the alcohol constituting the fourth suspension is higher than that of the alcohol constituting the third suspension. As a result, nano-level fine crystals of the metal compound are adsorbed to each other based on the viscosity of the alcohol constituting the fourth suspension, and the clusters of adsorbed fine crystals move into the gaps between the entangled aggregates. Furthermore, the fourth suspension is adsorbed to the surface of the clusters of aggregates based on the viscosity of the alcohol. Because the viscosity of the alcohol constituting the fourth suspension is higher than that of the alcohol constituting the third suspension, the mixture formed in the chamber of the vacuum impregnation device, consisting of the fourth suspension and the clusters of aggregates, can be handled, and the mixture can be filled into an extruder. Furthermore, the mixture extruded into a T-die spreads into the shape of a sheet or film in the T-die. Therefore, the mixture can be used as a raw material for forming a sheet or film.
Fourth, because the boiling point of the second alcohol is lower than the temperature at which thermal decomposition of the metal compound begins, when the temperature of the fourth suspension is raised and reaches the boiling point of the second alcohol, the second alcohol vaporizes, and clusters of fine crystals of the metal compound having a size of 18-22 nm are deposited in layers. Furthermore, when the temperature at which the metal compound begins to thermally decompose is reached, the fine crystals having a size of 18-22 nm decompose into inorganic or organic molecules and metal molecules, and the inorganic or organic molecules absorb the heat of vaporization and vaporize. When vaporization is complete, the clusters of metal molecules form metal nanoparticles having a size of approximately 10 nm, and the clusters of metal nanoparticles precipitate simultaneously, forming a cluster of metal nanoparticles. Since the metal nanoparticles do not contain impurities and are deposited in an active state, adjacent metal nanoparticles are metallically bonded at the contact points, and the clusters of metal-bonded metal nanoparticles are laminated. As a result, the gaps between the entangled aggregates are filled by clusters of metal-bonded metal nanoparticles. Furthermore, the surface of the aggregates, in which the aggregates are entangled, is covered by a layer of metal-bonded metal nanoparticles. As a result, the metal-bonded metal nanoparticles form a path in the sheet or film through which electrons continuously move. Therefore, the sheet or film has metal-like electrical conductivity, thermal conductivity, electromagnetic wave shielding properties, and antistatic properties. Furthermore, the metal-bonded metal nanoparticles not only bond the entanglements between the aggregates but also bond all of the entangled aggregates together, thereby providing the sheet or film with tensile strength, compressive strength, and shear strength.
As described above, the second alcohol exhibits four excellent properties, and forms a second suspension in which nano-sized fine crystals of a metal compound that precipitates a metal upon thermal decomposition are mixed in the second alcohol.
Incidentally, the following alcohols exist as second alcohols: The boiling points of the first alcohols, as described in paragraph 11, are in the range of 102-138°C.
There is a structural isomer of pentyl alcohol with five carbon atoms. Of the eight structural isomers of pentyl alcohol, the following structural isomer of pentyl alcohol can be used as the second alcohol. 3 - Pentanol has the rational formula CH3CH2CH (OH) CH2CH3 , a boiling point of 115 °C, and a viscosity of 6.5 mPa·s at 20°C. 2-Methyl-1-butanol has the rational formula CH3CH2CH ( CH3 ) CH2OH , a boiling point of 128°C, and a viscosity of 5.1 mPa·s at 20°C.
Furthermore, 1-hexanol, which has six carbon atoms, has the rational formula CH3 ( CH2 ) 5OH , a boiling point of 157°C, and a viscosity of 5.2 mPa·s at 20°C. 1-heptanol, which has seven carbon atoms, has the rational formula CH3 ( CH2 ) 6OH , a boiling point of 176°C, and a viscosity of 7.4 mPa·s at 20°C. Furthermore, 4-methyl-2-pentanol, which has six carbon atoms, has the rational formula (CH3)2CHCH2CH ( OH ) CH3 , a boiling point of 132°C, and a viscosity of 5.2 mPa·s at 20°C.
Therefore, when 2-methyl-1-butanol having a boiling point of 128° C. is used as the second alcohol, any one of 2-methyl-2-butanol having a boiling point of 102° C. and 3-methyl-2-butanol having a boiling point of 113° C. can be used as the first alcohol. Furthermore, when 4-methyl-2-pentanol having a boiling point of 132° C. is used as the second alcohol, any one of 2-methyl-2-butanol having a boiling point of 102° C. and 3-methyl-2-butanol having a boiling point of 113° C. can be used as the first alcohol. Furthermore, when 1-hexanol having a boiling point of 157° C. is used as the second alcohol, any one of 2-methyl-2-butanol having a boiling point of 102° C., 3-methyl-2-butanol having a boiling point of 113° C., 2-pentanol having a boiling point of 119° C., 3-methyl-1-butanol having a boiling point of 131° C., and 1-pentanol having a boiling point of 138° C. can be used as the first alcohol. Furthermore , when 1-heptanol having a boiling point of 176° C. and a viscosity of 7.4 mPa sec is used as the second alcohol, any one of six alcohols can be used as the first alcohol, including 2-methyl-1-butanol having a boiling point of 128° C. and a viscosity of 5.1 mPa sec, in addition to the five alcohols.
Here, we consider two types of alcohols, the difference between the boiling points of the second alcohol and the first alcohol being 19°C. For the fourth suspension to maintain its predominantly alcoholic properties, the pressure in the chamber must be reduced to a minimum pressure of 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature in the chamber. This is explained using the amount of vaporized alcohol. In other words, if the fourth suspension maintains its predominantly alcoholic properties even after reduced pressure treatment in the chamber, the fourth suspension will move as the two alcohols evaporate, filling the gaps between the entangled aggregates in place of the third suspension, forming a raw material in the chamber for use in forming a sheet or film. Furthermore, if the raw material formed in the chamber has a higher viscosity than the first alcohol, the raw material can be filled into an extruder. Furthermore, the raw material extruded into a T-die will expand into the shape of a sheet or film in the T-die. The two alcohols discussed here are 1-hexanol, a second alcohol with a boiling point of 157°C and a saturated vapor pressure of 0.124 kPa at 25°C, and 1-pentanol, a first alcohol with a boiling point of 138°C and a saturated vapor pressure of 0.293 kPa at 25°C.
First, the chamber, which is at 25°C, is reduced in pressure to one-third of the saturated vapor pressure of the first alcohol. When the pressure in the chamber is reduced to 0.098 kPa, which corresponds to one-third of the saturated vapor pressure of 1-pentanol at 25°C (0.293 kPa), 67% of the 1-pentanol evaporates. In contrast, 21% of the 1-hexanol evaporates. As a result, 33% of the 1-pentanol and 79% of the 1-hexanol remain. Therefore, the total amount of remaining alcohol is greater than half of the total amount of alcohol in the third suspension. Therefore, the properties of the remaining alcohol dominate in the fourth suspension. On the other hand, because the remaining proportion of 1-hexanol is high in the fourth suspension, the viscosity of 1-hexanol is reflected, resulting in a viscosity of 4.6 mPa·s at 20°C. This viscosity is 1.4 times that of 1-pentanol. The viscosity of 1-hexanol at 20°C is 5.2 mPa·s, and the viscosity of 1-pentanol at 20°C is 3.3 mPa·s. Therefore, even when the pressure inside the chamber is reduced to 0.098 kPa, the alcohol properties of the fourth suspension are dominant. Therefore, as the two types of alcohol evaporate, the fourth suspension moves into the gaps between the aggregates that are entangled with each other. Furthermore, since the fourth suspension has a viscosity close to that of 1-hexanol, the raw material formed in the chamber can be filled into an extruder, and the raw material extruded into the T-die spreads into the shape of a sheet or film in the T-die.
Next, the pressure inside the chamber, which is at 25°C, is reduced to one-quarter of the saturated vapor pressure of the first alcohol at 25°C. When the pressure inside the chamber is reduced to one-quarter of the saturated vapor pressure of 0.293 kPa, which is the saturated vapor pressure of 1-pentanol, 75% of the 1-pentanol vaporizes. On the other hand, when the pressure inside the chamber is reduced to 0.073 kPa, 41% of the 1-hexanol vaporizes. As a result, 25% of the 1-pentanol remains, and 59% of the 1-hexanol remains. Therefore, the total amount of remaining alcohol is greater than one-half of the total amount of alcohol in the third suspension. Therefore, the properties of the remaining alcohol dominate in the fourth suspension. Furthermore, because the fourth suspension has a high remaining proportion of 1-hexanol, the viscosity of 1-hexanol is reflected, and the fourth suspension has a viscosity of 4.6 mPa·s at 20°C. Therefore, even if the pressure inside the chamber is reduced to ¼ of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature inside the chamber, the properties of the alcohol are dominant in the fourth suspension. Therefore, as the two types of alcohol evaporate, the fourth suspension moves into the gaps between the aggregates that are entangled with each other. Furthermore, because the fourth suspension has a viscosity similar to that of 1-hexanol, the raw material formed inside the chamber can be filled into an extruder, and the raw material extruded into the T-die spreads into the shape of a sheet or film in the T-die.
Furthermore, the pressure inside the chamber, which is at 25°C, is reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at 25°C. When the pressure inside the chamber is reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of 0.293 kPa, which is the saturated vapor pressure of 1-pentanol at 25°C, 80% of the 1-pentanol vaporizes. On the other hand, when the pressure inside the chamber is reduced to 0.059 kPa, 52% of the 1-hexanol vaporizes. As a result, 20% of the 1-pentanol remains, and 48% of the 1-hexanol remains. Therefore, the total amount of remaining alcohol is greater than 1/2 of the total amount of alcohol in the third suspension. Therefore, the properties of the remaining alcohol dominate in the fourth suspension. Furthermore, the viscosity of the fourth suspension reflects the viscosity of the 1-hexanol, which has a high remaining proportion, and has a viscosity of 4.7 mPa·s at 20°C.
When the difference in boiling points between the two alcohols was 19°C and the pressure was reduced to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol, 68% of the alcohol remained. On the other hand, even when the difference in boiling points between the two alcohols was reduced by 4°C to 15°C, the vapor pressures of the two alcohols only became slightly closer, so the total amount of remaining alcohol exceeded 50% of the total amount of alcohol in the third suspension, and the properties of the remaining alcohol became dominant in the fourth suspension.
Furthermore, the pressure inside the chamber, which is at 25°C, is reduced to 1/10 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at 25°C. When the pressure inside the chamber is reduced to 1/10 of the saturated vapor pressure of 0.293 kPa of 1-pentanol at 25°C, 90% of the 1-pentanol vaporizes. On the other hand, when the pressure inside the chamber is reduced to 0.029 kPa, 77% of the 1-hexanol vaporizes. As a result, 10% of the 1-pentanol remains, and 23% of the 1-hexanol remains. Therefore, the total amount of remaining alcohol is less than 1/2 of the total amount of alcohol in the third suspension. Therefore, in the fourth suspension, the properties of the remaining alcohol become inferior, and the properties of the fine crystals of the solid metal compound become dominant.
From the above results, it is possible to reduce the pressure in the chamber to 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature in the chamber as the minimum pressure. In the chamber, the fourth suspension has predominantly alcoholic properties, and when the two types of alcohol evaporate, the fourth suspension moves into the gaps between the entangled aggregates. This causes the fourth suspension to enter the gaps between the aggregates, replacing the third suspension. Furthermore, the fourth suspension is adsorbed onto the surface of the entangled aggregates. As a result, a mixture of the aggregates and the fourth suspension is formed in the chamber, and this mixture can be used as a raw material for forming a sheet or film composed of the aggregates of carbon black.
12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法は、
12段落に記載した金属化合物が、無機物の分子ないしは無機物のイオンが金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物であり、該無機金属化合物を12段落に記載した金属化合物として用い、12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法に従って、12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法。
The method of making the second suspension described in paragraph 12 comprises:
The metal compound described in paragraph 12 is an inorganic metal compound consisting of an inorganic salt having a metal complex ion in which an inorganic molecule or an inorganic ion is coordinately bonded to a metal ion, and the inorganic metal compound is used as the metal compound described in paragraph 12, and a method for preparing the second suspension described in paragraph 12 is performed in accordance with the method for preparing the second suspension described in paragraph 12.
つまり、無機物からなる分子または無機物からなるイオンが配位子となって、金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物を、還元雰囲気で熱処理すると、最初に配位結合部が分断され、無機物と金属とに分解する。さらに昇温すると、無機物が気化熱を奪って気化し、180-220℃の温度範囲で無機物の気化が完了して金属が析出する。
すなわち、無機金属化合物を構成するイオンの中で、分子の中央に位置する金属イオンが最も大きく、金属イオンと配位子との距離が最も長い。この無機金属化合物を還元雰囲気で熱処理すると、金属イオンが配位子と結合する配位結合部が最初に分断され、金属と無機物とに分解する。さらに温度が上がると、無機物が気化熱を奪って気化し、無機物の気化が完了すると金属が析出し、熱分解を終える。金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属が析出する温度の中で最も低い。また、金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物は、メタノールに10重量%近く分散し、メタノールに溶解しない。このため、金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物は、12段落に記載した熱分解で金属を析出する金属化合物として用いることができる。
いっぽう、無機物からなる分子または無機物からなるイオンが配位子になって、金属イオンに配位結合する金属錯イオンは、他の金属錯イオンに比べて合成が容易である。このような金属錯イオンとして、アンモニアNH3が配位子となって金属イオンに配位結合するアンミン金属錯イオン、水H2Oが配位子となって金属イオンに配位結合するアクア金属錯イオン、水酸基OH―が配位子となって金属イオンに配位結合するヒドロキソ金属錯イオン、塩素イオンCl―が、または塩素イオンCl―とアンモニアNH3とが配位子となって金属イオンに配位結合するクロロ金属錯イオンなどがある。さらに、このような金属錯イオンを有する塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの無機塩からなる無機金属化合物は、合成が容易で、無機塩の分子量が小さいため、180-220℃の温度範囲で無機物の気化が完了し金属を析出する。この金属が析出する温度は、金属化合物の熱分解で金属を析出する温度の中で最も低い。こうした無機金属化合物は、汎用的な工業用の薬品である。
以上に説明したように、無機物の分子ないしは無機物のイオンが金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物を、12段落に記載した金属化合物として用い、12段落に記載した方法に従って第二の懸濁液を作成すると、6段落に記載した第二の懸濁液が作成される。
In other words, when an inorganic metal compound consisting of an inorganic salt in which inorganic molecules or inorganic ions act as ligands and have metal complex ions coordinated to metal ions is heat-treated in a reducing atmosphere, the coordinate bonds are first broken and the compound decomposes into the inorganic substance and the metal. As the temperature is further increased, the inorganic substance absorbs the heat of vaporization and vaporizes, and the vaporization of the inorganic substance is completed in the temperature range of 180-220°C, resulting in the deposition of the metal.
That is, among the ions constituting the inorganic metal compound, the metal ion located at the center of the molecule is the largest, and the distance between the metal ion and the ligand is the longest. When this inorganic metal compound is heat-treated in a reducing atmosphere, the coordinate bond between the metal ion and the ligand is first broken, resulting in decomposition into the metal and the inorganic substance. As the temperature rises further, the inorganic substance absorbs the heat of vaporization and vaporizes. Once the inorganic substance has completely vaporized, the metal precipitates, completing the thermal decomposition. The temperature at which the metal precipitates is the lowest among the temperatures at which metal precipitates during the thermal decomposition of metal compounds. Furthermore, inorganic metal compounds composed of inorganic salts containing metal complex ions disperse in methanol at nearly 10% by weight and are insoluble in methanol. Therefore, inorganic metal compounds composed of inorganic salts containing metal complex ions can be used as the metal compounds that precipitate metals upon thermal decomposition described in paragraph 12.
On the other hand, metal complex ions in which inorganic molecules or inorganic ions act as ligands and are coordinated to metal ions are easier to synthesize than other metal complex ions. Examples of such metal complex ions include ammine metal complex ions in which ammonia (NH3 ) acts as a ligand and is coordinated to a metal ion; aqua metal complex ions in which water ( H2O ) acts as a ligand and is coordinated to a metal ion; hydroxo metal complex ions in which a hydroxyl group (OH- ) acts as a ligand and is coordinated to a metal ion; and chloro metal complex ions in which chloride ions (Cl- ) or chloride ions (Cl- ) and ammonia (NH3 ) act as ligands and are coordinated to a metal ion. Furthermore, inorganic metal compounds containing such metal complex ions and inorganic salts such as chlorides, sulfates, and nitrates are easy to synthesize. Because the molecular weight of the inorganic salt is small, the inorganic compounds are vaporized and the metal precipitates in a temperature range of 180-220°C. This temperature at which the metal precipitates is the lowest temperature at which metals precipitate through thermal decomposition of metal compounds. These inorganic metal compounds are common industrial chemicals.
As explained above, when an inorganic metal compound consisting of an inorganic salt having a metal complex ion in which an inorganic molecule or an inorganic ion is coordinately bonded to a metal ion is used as the metal compound described in paragraph 12 and a second suspension is prepared according to the method described in paragraph 12, the second suspension described in paragraph 6 is prepared.
12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法は、
12段落に記載した金属化合物が、オクチル酸金属化合物であり、該オクチル酸金属化合物を12段落に記載した金属化合物として用い、12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法に従って、12段落に記載した第二の懸濁液を作成する方法。
The method of making the second suspension described in paragraph 12 comprises:
The metal compound described in paragraph 12 is an octylate metal compound, and the method for preparing the second suspension described in paragraph 12 is performed by using the octylate metal compound as the metal compound described in paragraph 12 and following the method for preparing the second suspension described in paragraph 12.
つまり、オクチル酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合するオクチル酸金属化合物は、金属イオンが最も大きいイオンであり、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの距離が、他のイオン同士の距離より長い。こうした分子構造上の特徴を持つオクチル酸金属化合物を、大気雰囲気で熱処理すると、オクチル酸の沸点を超えると、カルボキシル基を構成する酸素イオンと金属イオンとの結合部が最初に分断され、オクチル酸と金属とに分離する。オクチル酸が飽和脂肪酸から構成され、炭素原子が水素原子に対して過剰となる不飽和構造を持たないため、オクチル酸が気化熱を奪って気化し、気化が完了すると金属が析出する。また、オクチル酸金属化合物は、メタノールに10重量%前後まで分散し、メタノールに溶解しない。このため、オクチル酸金属化合物は、12段落に記載した熱分解で金属を析出する金属化合物として用いることができる。
なお、オクチル酸金属化合物は、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンに共有結合する第一の特徴と、カルボン酸が飽和脂肪酸からなる第二の特徴とを兼備するカルボン酸金属化合物に属する有機金属化合物である。いっぽう、オクチル酸が分岐構造からなり、直鎖が短く、オクチル酸の沸点は228℃と最も低い。このため、大気雰囲気の290℃で熱分解が完了し、金属を析出する。いっぽう、2つの特徴を兼備するカルボン酸金属化合物として、オクチル酸金属化合物の他に、ラウリン酸金属化合物、ステアリン酸金属化合物などがある。ラウリン酸とステアリン酸とは何れも直鎖構造であるため、ラウリン酸の沸点は296℃で、ステアリン酸の沸点は376℃であり、オクチル酸の沸点より高い。このため、熱分解が完了して金属を析出する温度は、オクチル酸金属化合物より高い。従って、オクチル酸金属化合物は、有機金属化合物の中で最も低い熱分解温度で金属を析出する。
つまり、オクチル酸は、分岐構造の飽和脂肪酸であり、示性式がCH3(CH2)3CH(C2H5)COOHで示され、CHでCH3(CH2)3とC2H5とのアルカンに分岐され、CHにカルボキシル基COOHが結合する。分岐構造の飽和脂肪酸は、直鎖構造の飽和脂肪酸より鎖の長さが短く、沸点が228℃と低い。これに対し、ラウリン酸とステアリン酸は、直鎖構造の飽和脂肪酸であり、沸点が分岐構造の飽和脂肪酸より高い。
なお、オクチル酸とカプリル酸(オクタン酸とも言う)とは、同一の分子式C8H16O2であるが、分子構造が異なる異性体である。つまり、オクチル酸は前記したように分岐構造を持つ脂肪酸である。いっぽう、カプリル酸は直鎖構造を持つ脂肪酸で、示性式はCH3(CH2)6COOHである。従って、オクチル酸金属化合物とカプリル酸金属化合物とは、同一の分子式であるが、オクチル酸とカプリル酸とが分子構造が異なる。すなわち、カプリル酸金属化合物は、カプリル酸が電離して生じるアニオンであるカルボキシラートアニオンに、金属イオンが配位結合する。このため、カプリル酸金属化合物は、大気雰囲気での熱分解で金属酸化物を析出する。つまり、カプリル酸金属化合物は、最も大きいイオンである金属イオンにカルボキシラートイオンが近づいて配位結合するため、金属イオンと、カルボキシラートイオンを構成する酸素イオンとの距離は短くなる。これによって、酸素イオンが金属イオンの反対側で共有結合するイオンとの距離が最も長くなる。こうした分子構造を持つカプリル酸金属化合物は、カプリル酸の沸点を超えると、酸素イオンが金属イオンの反対側で共有結合するイオンとの結合部が分断され、金属イオンと酸素イオンとの化合物である金属酸化物とカプリル酸とに分解する。さらに昇温すると、カプリル酸が気化熱を奪って気化し、気化が完了した直後に、金属酸化物が析出する。
また、オクチル酸金属化合物は、容易に合成できる安価な工業用薬品である。すなわち、最も汎用的な有機酸であるオクチル酸を、強アルカリと反応させるとオクチル酸アルカリ金属化合物が生成され、オクチル酸アルカリ金属化合物を無機金属化合物と反応させると、様々な金属からなるオクチル酸金属化合物が合成される。従って、オクチル酸金属化合物は、最も安価な有機金属化合物である。このため、14-15段落で説明した無機金属化合物より熱処理温度が高いが、無機金属化合物より安価な有機金属化合物である。
以上に説明したように、オクチル酸金属化合物を、12段落に記載した金属化合物として用い、12段落に記載した方法に従って第二の懸濁液を作成すると、6段落に記載した第二の懸濁液が作成される。
In other words, in a metal octylate compound in which the oxygen ion constituting the carboxyl group of octylic acid is covalently bonded to a metal ion, the metal ion is the largest ion, and the distance between the oxygen ion constituting the carboxyl group and the metal ion is longer than the distance between other ions. When a metal octylate compound with this molecular structure is heat-treated in an air atmosphere, the bond between the oxygen ion constituting the carboxyl group and the metal ion is first broken when the temperature exceeds the boiling point of octylic acid, resulting in separation into octylic acid and the metal. Because octylic acid is composed of saturated fatty acids and does not have an unsaturated structure in which carbon atoms are in excess of hydrogen atoms, octylic acid absorbs the heat of vaporization and vaporizes, and the metal precipitates upon completion of vaporization. Furthermore, metal octylate compounds disperse in methanol up to approximately 10 wt % and are insoluble in methanol. Therefore, metal octylate compounds can be used as metal compounds that precipitate metals by thermal decomposition as described in paragraph 12.
Metal octylate compounds are organometallic compounds belonging to the carboxylic acid metal compounds, which have both a first characteristic that the oxygen ions constituting the carboxyl group of the carboxylic acid are covalently bonded to the metal ion and a second characteristic that the carboxylic acid is a saturated fatty acid. Octylate compounds have a branched structure, a short linear chain, and the boiling point of octylate is the lowest at 228°C. Therefore, thermal decomposition is completed at 290°C in the air, resulting in the deposition of metal. Other carboxylic acid metal compounds that combine these two characteristics include metal laurate compounds and metal stearates, in addition to metal octylate compounds. Because both lauric acid and stearic acid have linear structures, the boiling points of lauric acid and stearic acid are 296°C and 376°C, respectively, which are higher than the boiling point of octylate. Therefore, the temperature at which thermal decomposition is completed and metal is deposited is higher than that of metal octylate compounds. Therefore, metal octylate compounds deposit metal at the lowest thermal decomposition temperature among organometallic compounds.
That is, octylic acid is a branched saturated fatty acid with the rational formula CH3 ( CH2 ) 3CH ( C2H5 )COOH, branched at CH to form alkanes CH3 ( CH2 ) 3 and C2H5 , with a carboxyl group COOH bonded to CH. Branched saturated fatty acids have shorter chain lengths than straight-chain saturated fatty acids and a lower boiling point of 228°C. In contrast, lauric acid and stearic acid are straight-chain saturated fatty acids with higher boiling points than branched saturated fatty acids.
Octylic acid and caprylic acid (also known as octanoic acid) have the same molecular formula, C8H16O2 , but are isomers with different molecular structures. As mentioned above, octylic acid is a fatty acid with a branched structure. On the other hand, caprylic acid is a fatty acid with a linear structure and the rational formula is CH3 ( CH2 ) 6COOH . Therefore, although metal octylic acid compounds and metal caprylic acid compounds have the same molecular formula, their molecular structures are different. In other words, in metal caprylic acid compounds, a metal ion is coordinated to a carboxylate anion, which is an anion generated by the ionization of caprylic acid. Therefore, metal caprylic acid compounds precipitate metal oxides upon thermal decomposition in an atmospheric environment. In other words, in metal caprylic acid compounds, the carboxylate ion approaches and coordinates with the metal ion, which is the largest ion, thereby shortening the distance between the metal ion and the oxygen ion that constitutes the carboxylate ion. This results in the longest distance between the oxygen ion and the ion covalently bonded on the opposite side of the metal ion. When the temperature of a metal caprylic acid compound with this molecular structure exceeds the boiling point of caprylic acid, the bond between the oxygen ion and the ion covalently bonded on the opposite side of the metal ion is severed, and the compound decomposes into caprylic acid and the metal oxide, which is a compound of the metal ion and the oxygen ion. If the temperature is further increased, the caprylic acid absorbs the heat of vaporization and vaporizes, and immediately after the vaporization is complete, the metal oxide precipitates.
Furthermore, metal octylate compounds are inexpensive industrial chemicals that can be easily synthesized. That is, when octylic acid, the most commonly used organic acid, is reacted with a strong alkali, an alkali metal octylate compound is produced, and when an alkali metal octylate compound is reacted with an inorganic metal compound, metal octylate compounds composed of various metals are synthesized. Therefore, metal octylate compounds are the least expensive organometallic compounds. For this reason, although the heat treatment temperature is higher than that of the inorganic metal compounds described in paragraphs 14-15, they are less expensive organometallic compounds than inorganic metal compounds.
As described above, when a metal octylate compound is used as the metal compound described in paragraph 12 and a second suspension is prepared according to the method described in paragraph 12, the second suspension described in paragraph 6 is prepared.
6段落に記載したシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を用いて、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを連続して形成する方法は、
8段落に記載した方法に従って第一の懸濁液を作成し、該第一の懸濁液を6段落に記載した第一の懸濁液として用い、12段落に記載した方法に従って第二の懸濁液を作成し、該第二の懸濁液を6段落に記載した第二の懸濁液として用い、6段落に記載した方法に従って、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を作成し、該原料を押出機に継続して充填し、さらに、前記押出機のスクリューを継続して動かし、該押出機に充填された前記原料を、該押出機からTダイに継続して押出し、作成するシートまたはフィルムの幅からなる幅を有し、かつ、作成するシートまたはフィルムの厚みからなる間隙を有する前記Tダイのリップから、前記押出機からの圧力によって、前記原料をシートまたはフィルムの形状として継続して押し出し、さらに、該押し出されたシートまたは該押し出されたフィルムを、前記原料を構成する金属化合物が熱分解を完了する温度まで昇温された熱処理炉を継続して通過させる、この際に、12段落に記載した18-22nmの大きさからなる微細結晶が、無機物の分子ないしは有機物の分子と金属分子とに分解し、該無機物の分子ないしは該有機物の分子が気化熱を奪って気化し、該気化が完了すると、前記金属分子の集まりが10nm前後の大きさからなる金属のナノ粒子を形成し、該金属のナノ粒子の集まりが一斉に析出する、該金属のナノ粒子は不純物を含まず、活性状態で析出するため、隣接する前記金属のナノ粒子同士が接触部で金属結合し、該金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層する、これによって、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙を、前記金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くし、また、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面を、前記金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う、さらに、該熱処理炉を通過したシートまたは該熱処理炉を通過したフィルムを、巻き取り機で連続して巻き取る、これによって、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムが連続して形成される、6段落に記載したシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を用いて、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを連続して形成する方法。
A method for continuously forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates that has gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity equivalent to those of a metal, using the raw material used in forming the sheet or film described in paragraph 6, is as follows:
A first suspension is prepared according to the method described in paragraph 8, the first suspension is used as the first suspension described in paragraph 6, a second suspension is prepared according to the method described in paragraph 12, the second suspension is used as the second suspension described in paragraph 6, a raw material to be used in forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates is prepared according to the method described in paragraph 6, the raw material is continuously charged into an extruder, and further, the screw of the extruder is continuously moved, the raw material charged in the extruder is continuously extruded from the extruder into a T-die, and a sheet or film to be formed is continuously extruded. The raw material is continuously extruded in the form of a sheet or film by the pressure from the extruder from the lip of the T-die having a width of 18-22 nm and a gap corresponding to the thickness of the sheet or film to be produced, and the extruded sheet or film is continuously passed through a heat treatment furnace heated to a temperature at which the metal compound constituting the raw material completes its thermal decomposition. During this process, the fine crystals having a size of 18-22 nm described in paragraph 12 decompose into inorganic molecules or organic molecules and metal molecules, and the inorganic molecules or organic molecules absorb the heat of vaporization and vaporize. When the vaporization is complete, the clusters of metal molecules form metal nanoparticles with a size of about 10 nm, and the clusters of metal nanoparticles precipitate all at once. Since the metal nanoparticles do not contain impurities and precipitate in an active state, adjacent metal nanoparticles are metallically bonded at the contact points, and the clusters of metallically bonded metal nanoparticles are stacked. As a result, the gaps between the aggregates, where the aggregates are entangled with each other, are filled with the clusters of metallically bonded metal nanoparticles, and the surfaces of the clusters of aggregates, where the aggregates are entangled with each other, are covered with the clusters of metallically bonded metal nanoparticles. a sheet or film that has passed through the heat treatment furnace is continuously wound up by a winding machine, thereby continuously forming a sheet or film that is made of an aggregate of carbon black that has been endowed with gas barrier properties, metallic luster, electrical conductivity and thermal conductivity similar to that of a metal; and a method for continuously forming a sheet or film that is made of an aggregate of carbon black that has been endowed with gas barrier properties, metallic luster, electrical conductivity and thermal conductivity similar to that of a metal, using the raw materials used in forming the sheet or film described in paragraph 6.
つまり、次の5つの処理を連続して実施すると、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムが連続して形成される。
第一に、8段落に記載した方法に従って第一の懸濁液を作成し、該第一の懸濁液を6段落に記載した第一の懸濁液として用い、12段落に記載した方法に従って第二の懸濁液を作成し、該第二の懸濁液を6段落に記載した第二の懸濁液として用い、6段落に記載した方法に従って作成した原料を押出機に継続して充填する。第二に、押出機のスクリューを継続して動かし、押出機に充填された原料を、押出機からTダイに継続して押出す。第三に、Tダイに押出された原料を、押出機からの圧力によって、Tダイのリップから、シートまたはフィルムとして継続して押し出す。第四に、Tダイのリップから押し出されたシートまたはフィルムを、熱処理炉を継続して通過させる。第五に、熱処理炉を通過したシートまたはフィルムを、巻き取り機で連続して巻き取る。この結果、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムが連続して形成される。
次に、5つの処理で起こる現象と、5つの処理がもたらす作用効果とを説明する。
第一の処理において、6段落に記載した方法に従って作成した原料は、6段落に記載した新たな懸濁液、すなわち、第7段落、第13段落および第19段落に記載した第四の懸濁液が、アルコールの性質が優勢で、第一のアルコールより高い粘度を持つため、原料を押出機に充填できる。
第二の処理において、押出機に充填された原料は、押出機のスクリューの動きによって、Tダイに押し出される。この際も、6段落に記載した新たな懸濁液、すなわち、第7段落、第13段落および第19段落に記載した第四の懸濁液が、アルコールの性質が優勢であるため、原料がTダイに押し出される。
第三の処理において、Tダイに押し出した原料は、Tダイのリップから、シートまたはフィルムとして継続して押し出される。
つまり、Tダイは、衣装用のハンガーに似た形状を持つ金型で、3つの部分から構成される。最初に、押出機から押し出された原料は、押出機の出口より狭い間隙からなり、かつ、一定の長さを持つ導入部に押し出される。この際、原料は、押出機からの圧縮応力を受けながら導入部を進み、この後、マニホールドと呼ばれる扇形に広がった領域に押し出される。次に、マニホールドに押し出された原料は、押出機からの圧縮応力を常時受けているため、マニホールドでシートまたはフィルムの形状の幅に引き伸ばされるとともに、シートまたはフィルムの長さ方向に引き伸ばされ、原料がシートまたはフィルムに近い形状に形成される。この後、シートまたはフィルムの厚みからなる間隙を有し、シートまたはフィルムの幅を有するリップと呼ばれる一定の長さを持つ領域に押し出される。最後に、リップに押し出されたシートまたはフィルムは、圧縮応力を受けながらリップからTダイの外に押し出される。なお、シートまたはフィルムの厚みは、予め設定したリップの間隙で決定され、また、予め設定したリップの幅でシートまたはフィルムの幅が決まる。
次に、Tダイにおける原料とシートまたはフィルムの挙動を説明する。原料がTダイに押し出されると、間隙が狭くなったTダイの導入部で、原料は継続して圧縮される。原料に圧縮応力が加わると、原料が変形し、原料の変形によって液体であるアルコールが原料の表面に滲み出る。これに対し、金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりは、アルコールが原料の表面に滲み出ることで僅かに移動するが、第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度に基づいて互いに吸着した固体の微粒子の集まりであるため、絡み合ったアグリゲート同士の間隙に留まる。また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着した金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりも、アルコールが原料の表面に滲み出ることで僅かに移動するが、第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度に基づいて互いに吸着した固体の微粒子の集まりであるため、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着し続ける。すなわち、原料の表面に滲み出たアルコールは、原料を構成する過剰なアルコールであり、アグリゲートの表面に吸着したアルコールは、アグリゲートの表面から移動しない。原料の表面に滲み出たアルコールは、原料が継続して圧縮されるため、原料の表面から排出される。いっぽう、原料を構成するアグリゲートの集まりも継続して圧縮され、アグリゲートが変形し、アグリゲート同士の絡み合いが進む。これに対し、金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりも、絡み合ったアグリゲート同士の間隙で圧縮され、アグリゲートの変形に伴って変形し、アグリゲートに吸着してアグリゲートとともに移動するが、第四の懸濁液を構成するアルコールの粘度に基づいて互いに吸着した固体の微粒子の集まりであるため、絡み合ったアグリゲート同士の間隙に留まる。また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着した金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりも、アグリゲートの変形に伴って変形し、アグリゲートに吸着してアグリゲートとともに移動するが、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着し続ける。この後、原料はマニホールドに入り込む。マニホールドに入り込んだ原料は、シートまたはフィルム形状の幅に引き伸ばされ、引き伸ばされた原料が継続して押し出される。マニホールドの体積が導入部の体積より大きいため、マニホールドに入り込んだ原料は負圧状態になり、再度、アルコールが原料の表面に滲み出る。いっぽう、原料が引き伸ばされる際にアグリゲートが変形し、金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりは、アグリゲートの変形に伴って変形し、アグリゲートに吸着してアグリゲートともに移動する。また、アグリゲートが変形しかつ移動する際に、アグリゲート同士の絡み合いが進む。次に、シートまたはフィルムがリップで継続して圧縮され、再々度、アルコールがシートまたはフィルムの表面に滲み出る。滲み出たアルコールは、シートまたはフィルムがリップを移動する際に、シートまたはフィルムが継続して圧縮されているため、シートまたはフィルムの表面から排出される。いっぽう、シートまたはフィルムを構成するアグリゲートの集まりも、継続して圧縮され、アグリゲートが変形し、アグリゲート同士が複雑に絡み合う。また、金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりは、絡み合ったアグリゲート同士の間隙で圧縮され、圧縮応力によって移動するが、絡み合ったアグリゲート同士の間隙に留まる。また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着した金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりも、圧縮応力を継続して受け、アグリゲートの変形によって、アグリゲートに吸着してアグリゲートとともに移動するが、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着し続ける。こうして、リップから押し出されたシートまたはフィルムは、アルコールの多くが排出され、複雑に絡み合ったアグリゲートの集まりと、該絡み合ったアグリゲート同士の間隙に入り込んだ金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりと、該絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着した金属化合物のナノサイズの微細結晶の集まりで構成される。いっぽう、押し出されたシートまたはフィルムに僅かにアルコールが残存し、該アルコールの粘度によって、リップから押し出されたシートまたはフィルムは、切断することなく、熱処理炉に移動する。なお、排出されたアルコールは、回収機で回収し、再利用する。
第四の処理において、Tダイのリップから押し出されたシートまたはフィルムを、熱処理炉を継続して通過させ、金属化合物のナノサイズの微細結晶を熱分解し、10nm前後の大きさからなる金属の微粒子の集まりを一斉に析出させる。
すなわち、シートまたはフィルムが熱処理炉に入ると、最初に、僅かに残存したアルコールがシートまたはフィルムから気化し、これによって、金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりが積層して析出する。次に、金属化合物が熱分解を開始する温度に到達し、18-22nmの大きさからなる微細結晶が、無機物の分子ないしは有機物の分子と金属分子とに分解し、無機物または有機物の分子が気化熱を奪って気化する。さらに、無機物の分子ないしは有機物の分子の気化が完了すると、金属分子の集まりが10nm前後の大きさからなる金属のナノ粒子を形成し、該金属のナノ粒子の集まりが一斉に析出し、金属のナノ粒子の集まりが積層する。金属のナノ粒子は不純物を含まず、活性状態で析出するため、隣接する金属のナノ粒子同士が接触部で金属結合し、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層する。この結果、アグリゲート同士が複雑に絡み合った該アグリゲート同士の間隙を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くす。また、アグリゲート同士が複雑に絡み合った該アグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う。
第五の処理において、熱処理炉を通過したシートまたはフィルムを、巻き取り機で連続して巻き取る。この結果、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムが連続して形成される。
こうして形成されたアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、次の作用効果を持つ。
第一に、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりが、シートまたはフィルムを構成するため、シートまたはフィルムは全光線透過率が0%と小さく、優れた遮光性を持つ。従って、紫外線がシートまたはフィルムに連続照射されても、シートまたはフィルムは劣化しない。また、カーボンブラックの熱放射率が0.95―0.97と高く、シートまたはフィルムは放熱膜として作用する。
第二に、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲート同士の間隙を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くし、また、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う。このため、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが、電子が連続して移動する通路を、シートまたはフィルムに形成する。これによって、シートまたはフィルムは、金属に準じる導電性と熱伝導性と電磁波シールド性と、帯電防止の機能を兼備する。
第三に、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが20層近く積層して覆うことで、シートまたはフィルムは、ガスバリアー性を持つ。すなわち、気体や水蒸気の大きさが0.3-0.5nmであるのに対し、アグリゲートは、10-100nmの大きさからなる炭素粒子同士が、不規則で複雑な形状で数珠つなぎした構造からなる。従って、アグリゲート同士が複雑に絡み合ったアグリゲートの集まりにおいては、大きさが0.3-0.5nm以上の孔が多数存在する。また、10nm程度の大きさからなる粒状の金属のナノ粒子の集まりが、互いに接触する部位で金属結合した金属のナノ粒子の集まりは、隣接する金属のナノ粒子に、1-2nmの空隙を多数形成する。このため、アグリゲート同士が複雑に絡み合った該アグリゲート同士の間隙を埋め尽くした金属結合した金属のナノ粒子の集まりは、大きさが0.3-0.5nm以上の孔が存在する。これに対し、アグリゲート同士が複雑に絡み合った該アグリゲートの集まりの表面に、金属結合した金属のナノ粒子の集まりを積層させ、金属結合した金属のナノ粒子の集まりの積層数を増やすと、金属結合した金属のナノ粒子の集まりを貫通する空隙は、ランダムに積層した金属結合した金属のナノ粒子の集まりで塞がれる。実験によれば、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが、20層近くまでランダムに積層すると、金属結合した金属のナノ粒子の集まりを、大気、窒素ガス、水蒸気が透過しないことが分かった。このため、10nm程度の大きさからなる粒状の金属のナノ粒子の集まりを、20層近くまで積層した金属のナノ粒子の集まりで、シートまたはフィルムの表面全体を覆った。なお、第二の懸濁液の重量が、第一の懸濁液の重量より多いため、アグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが20層近く積層して覆う。第二の懸濁液の重量をさらに増やせば、金属結合した金属のナノ粒子の集まりからなる積層数が増える。
第四に、シートまたはフィルムは液体を遮断する。すなわち、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが20層近く積層して覆うため、液体の表面張力によって、シートまたはフィルムは、液体を遮断する性質を持つ。従って、液体を遮断するシートまたはフィルムとして利用できる。
第五に、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムの色彩は、黒色に近く見栄えが良くない。シートまたはフィルムの表面を積層した金属のナノ粒子の集まりで覆うと、シートまたはフィルムは金属の光沢を持つ。これによって、シートまたはフィルムは、ガスバリアー性と金属の光沢とを兼備する。
第六に、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲート同士の間隙を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くす。また、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの集まりの表面を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う。このため、金属結合した金属のナノ粒子の集まりは、アグリゲート同士を結合させ、さらに、絡み合ったアグリゲート同士を結合させる。従って、シートまたはフィルムは、金属結合した金属のナノ粒子の集まりの結合力に基づき、一定の大きさからなる引っ張り強度と圧縮強度とせん断強度とを併せ持つ。
第七に、耐熱性と耐難燃性とが、プラスチックからなるシートまたはフィルムより高い。すなわち、カーボンブラックの大気中での発火温度は500℃を超える。このため、金属のナノ粒子の集まりと、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、プラスチックからなるシートまたはフィルムより、耐熱性と耐難燃性とが高い。
第八に、シートまたはフィルムの幅は、Tダイのマニホールドの形状とリップの形状で自在に変えられる。
第九に、シートまたはフィルムの膜厚は、Tダイにおけるリップの間隙で自在に変えられる。
第十に、カーボンブラックは安価な工業用素材で、アルコールは最も汎用的な有機溶剤である。さらに、Tダイにおける処理は、押出成形の簡単な処理である。従って、安価な原料を用い、安価な加工費で安価なシートまたはフィルムが形成できる。
第十一に、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを安全に作成できる。つまり、カーボンブラックをアルコールに浸漬させ、また、カーボンブラックを第一の懸濁液及び第二の懸濁液として処理し、シートまたはフィルムを形成させるため、カーボンブラックが粉塵として飛散しない。また、金属化合物が熱分解する温度が、カーボンブラックの大気中での発火温度より200℃以上低いため、カーボンブラックは発火しない。
この結果、本発明のシートまたはフィルムは、5段落に記載した課題を解決するのみでなく、様々な優れた性質を兼備し、様々な分野にシートまたはフィルムが応用できる。
In other words, by carrying out the following five processes in succession, a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates is continuously formed, which has gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to that of a metal.
First, a first suspension is prepared according to the method described in paragraph 8, and the first suspension is used as the first suspension described in paragraph 6. A second suspension is prepared according to the method described in paragraph 12, and the second suspension is used as the second suspension described in paragraph 6. The raw material prepared according to the method described in paragraph 6 is continuously charged into an extruder. Second, the extruder screw is continuously driven, and the raw material charged into the extruder is continuously extruded from the extruder into a T-die. Third, the raw material extruded into the T-die is continuously extruded as a sheet or film from the lip of the T-die by pressure from the extruder. Fourth, the sheet or film extruded from the lip of the T-die is continuously passed through a heat treatment oven. Fifth, the sheet or film that has passed through the heat treatment oven is continuously wound up by a winder. As a result, a sheet or film composed of aggregates of carbon black that is endowed with gas barrier properties, metallic luster, and metallic-like electrical and thermal conductivity is continuously formed.
Next, the phenomena occurring in the five processes and the effects brought about by the five processes will be described.
In the first process, the feedstock prepared according to the method described in paragraph 6 can be loaded into an extruder because the new suspension described in paragraph 6, i.e., the fourth suspension described in paragraphs 7, 13 and 19, is predominantly alcoholic in nature and has a higher viscosity than the first alcohol.
In the second process, the material charged in the extruder is forced through a T-die by the action of the extruder screw, and again, the new suspension described in paragraph 6, i.e., the fourth suspension described in paragraphs 7, 13 and 19, is predominantly alcoholic in nature, so the material is forced through the T-die.
In the third process, the material extruded into the T-die continues to be extruded from the lip of the T-die as a sheet or film.
In other words, a T-die is a mold shaped like a clothing hanger and consists of three sections. First, the material extruded from the extruder is extruded into an inlet section with a narrow gap and a fixed length from the extruder outlet. During this process, the material advances through the inlet section while being subjected to compressive stress from the extruder, and is then extruded into a fan-shaped area called a manifold. Next, the material extruded into the manifold is constantly subjected to compressive stress from the extruder, so it is stretched to the width of the desired sheet or film shape in the manifold and also stretched in the longitudinal direction of the sheet or film, forming the material into a shape similar to that of a sheet or film. After this, it is extruded into a region with a fixed length called a lip, which has a gap equal to the thickness of the sheet or film and the width of the sheet or film. Finally, the sheet or film extruded into the lip is extruded out of the T-die through the lip while being subjected to compressive stress. The thickness of the sheet or film is determined by the preset lip gap, and the width of the sheet or film is determined by the preset lip width.
Next, the behavior of the raw material and the sheet or film in the T-die will be described. When the raw material is extruded into the T-die, it continues to be compressed at the entrance of the T-die where the gap narrows. When compressive stress is applied to the raw material, it deforms, and the liquid alcohol seeps out to the surface of the raw material due to the deformation of the raw material. In contrast, the nano-sized microcrystal clusters of the metal compound move slightly as the alcohol seeps out to the surface of the raw material, but because they are a collection of solid particles adsorbed to each other due to the viscosity of the alcohol that constitutes the fourth suspension, they remain in the gaps between the entangled aggregates. Furthermore, the nano-sized microcrystal clusters of the metal compound adsorbed to the surface of the entangled aggregate clusters also move slightly as the alcohol seeps out to the surface of the raw material, but because they are a collection of solid particles adsorbed to each other due to the viscosity of the alcohol that constitutes the fourth suspension, they continue to adsorb to the surface of the entangled aggregate clusters. In other words, the alcohol that seeps out to the surface of the raw material is excess alcohol that constitutes the raw material, and the alcohol adsorbed to the surface of the aggregates does not move from the surface of the aggregates. The alcohol that seeps onto the surface of the raw material is expelled from the surface as the raw material continues to be compressed. Meanwhile, the aggregates that make up the raw material continue to be compressed, deforming the aggregates and causing them to become increasingly entangled. Meanwhile, the nano-sized crystallites of the metal compound are compressed in the gaps between the entangled aggregates, deforming as the aggregates deform, adsorbing to the aggregates and moving along with them. However, because they are a collection of solid particles adsorbed to each other based on the viscosity of the alcohol that makes up the fourth suspension, they remain in the gaps between the entangled aggregates. Furthermore, the nano-sized crystallites of the metal compound adsorbed on the surface of the entangled aggregates also deform as the aggregates deform, adsorbing to the aggregates and moving along with them, but continue to adsorb to the surface of the entangled aggregates. The raw material then enters the manifold. The raw material that enters the manifold is stretched to the width of the sheet or film shape, and the stretched raw material continues to be extruded. Because the volume of the manifold is larger than the volume of the inlet, the raw material entering the manifold is placed under negative pressure, and alcohol once again seeps out onto the surface of the raw material. Meanwhile, as the raw material is stretched, the aggregates are deformed, and the nano-sized crystal clusters of the metal compound deform along with the deformation of the aggregates, adsorb to the aggregates, and move along with them. Furthermore, as the aggregates deform and move, they become increasingly entangled with each other. Next, the sheet or film is continuously compressed by the lip, and alcohol seeps out onto the surface of the sheet or film once again. As the sheet or film moves along the lip, the exuded alcohol is expelled from the surface of the sheet or film due to the continued compression of the sheet or film. Meanwhile, the aggregate clusters that make up the sheet or film are also continuously compressed, causing the aggregates to deform and become intricately entangled with each other. Furthermore, the nano-sized crystals of the metal compound are compressed in the gaps between the entangled aggregates and move due to the compressive stress, but remain in the gaps between the entangled aggregates. The nano-sized crystals of the metal compound adsorbed on the surface of the entangled aggregates are also continuously subjected to compressive stress, and due to the deformation of the aggregates, they are adsorbed to the aggregates and move together with the aggregates, but continue to adsorb to the surface of the entangled aggregates. Thus, the sheet or film extruded from the lip is composed of a complexly entangled aggregate collection, with most of the alcohol having been expelled, a nano-sized crystals of the metal compound that has entered the gaps between the entangled aggregates, and a nano-sized crystals of the metal compound adsorbed on the surface of the entangled aggregate collection. Meanwhile, a small amount of alcohol remains in the extruded sheet or film, and due to the viscosity of the alcohol, the sheet or film extruded from the lip is moved to a heat treatment furnace without being cut. The discharged alcohol is recovered in a recovery machine and reused.
In the fourth treatment, the sheet or film extruded from the lip of the T-die is passed continuously through a heat treatment furnace, where the nano-sized crystallites of the metal compound are thermally decomposed, causing a cluster of metal particles with a size of about 10 nm to precipitate all at once.
That is, when the sheet or film enters the heat treatment furnace, the small amount of remaining alcohol first evaporates from the sheet or film, resulting in the deposition of a cluster of fine crystals of the metal compound, each 18-22 nm in size. Next, the temperature at which the metal compound begins to thermally decompose is reached, and the fine crystals, each 18-22 nm in size, decompose into inorganic or organic molecules and metal molecules, which then absorb the heat of vaporization and vaporize. Furthermore, once the vaporization of the inorganic or organic molecules is complete, the clusters of metal molecules form metal nanoparticles, each approximately 10 nm in size, which then precipitate en masse, forming a cluster of metal nanoparticles. Because the metal nanoparticles do not contain impurities and are deposited in an active state, adjacent metal nanoparticles form metal bonds at the contact points, resulting in a cluster of metal-bonded metal nanoparticles. As a result, the gaps between the complexly entangled aggregates are filled with clusters of metal-bonded metal nanoparticles. Furthermore, the surface of the aggregates, in which the aggregates are intricately entangled, is covered with a layer of metal-bonded metal nanoparticles.
In the fifth step, the sheet or film that has passed through the heat treatment furnace is continuously wound up by a winder, resulting in the continuous formation of a sheet or film made of aggregates of carbon black that has been endowed with gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to that of a metal.
The sheet or film formed from the aggregates thus formed has the following effects.
First, because the aggregates, which are entangled with each other, form a sheet or film, the sheet or film has a low total light transmittance of 0% and excellent light-blocking properties. Therefore, even if the sheet or film is continuously irradiated with ultraviolet light, it will not deteriorate. In addition, the thermal emissivity of carbon black is high, at 0.95-0.97, so the sheet or film acts as a heat-dissipating film.
Second, the gaps between the entangled aggregates are filled with metal-bonded nanoparticle clusters, and the surfaces of the entangled aggregate clusters are covered with metal-bonded nanoparticle clusters. Therefore, the metal-bonded nanoparticle clusters form a path for continuous electron movement in the sheet or film. This gives the sheet or film metal-like electrical conductivity, thermal conductivity, electromagnetic wave shielding, and antistatic properties.
Third, the surface of the aggregate clusters, in which the aggregates are entangled, is covered with nearly 20 layers of metal-bonded metal nanoparticle clusters, giving the sheet or film gas barrier properties. That is, while the size of gases and water vapor is 0.3-0.5 nm, aggregates are composed of carbon particles with sizes of 10-100 nm strung together in an irregular, complex shape. Therefore, in aggregate clusters in which aggregates are intricately entangled, numerous pores with sizes of 0.3-0.5 nm or larger are present. Furthermore, in clusters of granular metal nanoparticles with sizes of approximately 10 nm, clusters of metal nanoparticles that are metal-bonded at the contact points form numerous voids of 1-2 nm between adjacent metal nanoparticles. Therefore, clusters of metal-bonded metal nanoparticles that fill the gaps between the intricately entangled aggregates have pores with sizes of 0.3-0.5 nm or larger. In contrast, when metal-bonded metal nanoparticle clusters are stacked on the surface of a cluster of aggregates in which aggregates are intricately entangled, and the number of stacked metal-bonded metal nanoparticle clusters is increased, the voids penetrating the metal-bonded metal nanoparticle clusters are blocked by randomly stacked metal-bonded metal nanoparticle clusters. Experiments have shown that when metal-bonded metal nanoparticle clusters are randomly stacked up to nearly 20 layers, the metal-bonded metal nanoparticle clusters are impermeable to air, nitrogen gas, and water vapor. For this reason, the entire surface of the sheet or film is covered with metal nanoparticle clusters stacked up to nearly 20 layers of granular metal nanoparticle clusters having a size of about 10 nm. Note that because the weight of the second suspension is greater than the weight of the first suspension, the surface of the aggregate cluster is covered with nearly 20 stacked metal-bonded metal nanoparticle clusters. Further increasing the weight of the second suspension increases the number of stacked metal-bonded metal nanoparticle clusters.
Fourth, the sheet or film blocks liquids. That is, the surface of the aggregates, which are entangled with each other, is covered with nearly 20 layers of metal-bonded metal nanoparticles, and the surface tension of the liquid gives the sheet or film the ability to block liquids. Therefore, it can be used as a sheet or film that blocks liquids.
Fifth, the color of a sheet or film made of a collection of aggregates is close to black and looks unattractive. When the surface of a sheet or film is covered with a collection of stacked metal nanoparticles, the sheet or film has a metallic luster. This allows the sheet or film to have both gas barrier properties and a metallic luster.
Sixth, the gaps between the entangled aggregates are filled by stacking clusters of metal-bonded metal nanoparticles. Furthermore, the surfaces of the clusters of entangled aggregates are covered by stacking clusters of metal-bonded metal nanoparticles. Therefore, the clusters of metal-bonded metal nanoparticles bond the aggregates together and further bond the entangled aggregates together. Therefore, the sheet or film has a certain level of tensile strength, compressive strength, and shear strength based on the bonding strength of the clusters of metal-bonded metal nanoparticles.
Seventh, the heat resistance and flame retardancy are higher than those of sheets or films made of plastics. That is, the ignition temperature of carbon black in the atmosphere exceeds 500°C. Therefore, sheets or films made of clusters of metal nanoparticles and clusters of aggregates have higher heat resistance and flame retardancy than sheets or films made of plastics.
Eighth, the width of the sheet or film can be freely changed by changing the shape of the manifold and lip of the T-die.
Ninth, the thickness of the sheet or film can be freely changed by adjusting the gap between the lips of the T-die.
Tenth, carbon black is an inexpensive industrial material, and alcohol is the most commonly used organic solvent. Furthermore, the processing in a T-die is a simple extrusion molding process. Therefore, inexpensive raw materials can be used to form inexpensive sheets or films with low processing costs.
Eleventh, a sheet or film made of a collection of aggregates can be safely produced. Specifically, carbon black is immersed in alcohol and treated as a first suspension and a second suspension to form a sheet or film, so the carbon black does not scatter as dust. Furthermore, the temperature at which the metal compound thermally decomposes is more than 200°C lower than the ignition temperature of carbon black in the atmosphere, so the carbon black does not ignite.
As a result, the sheet or film of the present invention not only solves the problems described in paragraph 5, but also has a variety of excellent properties, making the sheet or film applicable in a variety of fields.
18段落に記載した方法で形成したシート同士またはフィルム同士を圧着する方法は、
18段落に記載した方法で形成したシート同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面に圧縮応力を加える、これによって、前記重ね合わせられた双方のシートの面に形成された金属のナノ粒子同士が接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子同士が接合し、該金属のナノ粒子同士の接合によって、前記重ね合わせた部位同士が圧着する、シート同士を圧着する方法、
または、
18段落に記載した方法で形成したフィルム同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面に圧縮応力を加える、これによって、前記重ね合わせられた双方のフィルムの面に形成された金属のナノ粒子同士が接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子同士が接合し、該金属のナノ粒子同士の接合によって、前記重ね合わせた部位同士が圧着する、フィルム同士を圧着する方法。
The method for bonding sheets or films formed by the method described in paragraph 18 together is as follows:
a method for pressing sheets together, comprising overlapping portions of the sheets formed by the method described in paragraph 18 to be pressed together, and applying compressive stress to one surface of the overlapped portions, thereby bringing metal nanoparticles formed on the surfaces of both the overlapped sheets into contact with each other, and further generating frictional heat at the contact portions of the metal nanoparticles, which causes the metal nanoparticles to bond together due to the frictional heat, and the overlapped portions to be pressed together due to the bonding of the metal nanoparticles ;
or
A method for laminating films formed by the method described in paragraph 18, in which the portions to be laminated are overlapped and compressive stress is applied to one surface of the overlapped portions, thereby causing metal nanoparticles formed on the surfaces of both of the overlapped films to come into contact with each other, and further, frictional heat is generated at the contact points of the metal nanoparticles, which causes the metal nanoparticles to bond together, and the overlapped portions are laminated together due to the bonding of the metal nanoparticles .
つまり、シート同士またはフィルム同士を圧着する部位を重ね合わせ、重ね合わせた部位に圧縮荷重を加える。これによって、重ね合わせられた双方の面において、金属のナノ粒子同士が接触し、さらに、金属のナノ粒子の接触部に過大な摩擦熱が瞬間的に発生し、該摩擦熱で金属のナノ粒子同士が接合し、該金属のナノ粒子同士の接合によって、シート同士またはフィルム同士が圧着する。圧着部は、莫大な数の金属のナノ粒子の集まりで形成されるため、質量が僅かであるシート同士またはフィルム同士が強固に圧着する。いっぽう、金属のナノ粒子同士の接合によって、隣接する金属のナノ粒子に形成される空隙は、1-2nmと極めて小さいため、表面張力によってすべての液体は圧着部から漏れない。このため、シート同士またはフィルム同士を重ね合わせて圧着することで、シートまたはフィルムからなる液体を充填する容器が作成できる。さらに、この容器は、前記したシートまたはフィルムの様々な性質を同時に持つ。
すなわち、18段落に記載した方法で形成したシート同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面を圧縮する。これによって、重ね合わせたシートの両面において、シートの表面を覆った莫大な数からなる金属のナノ粒子同士が互いに接触する。この際、接触した金属のナノ粒子同士の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって莫大な数からなる金属のナノ粒子同士が接合する。この莫大な数からなる金属のナノ粒子同士の接合によって、重なり合ったシートの面同士が圧着する。この結果、僅かな質量からなるシート同士が、莫大な数からなる金属のナノ粒子同士の接合によって、一定の接合力を持って圧着する。
同様に、18段落に記載した方法で形成したフィルム同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面を圧縮する。これによって、重ね合わせたフィルムの両面において、フィルムの表面を覆った莫大な数からなる金属のナノ粒子同士が互いに接触する。この際、接触した金属のナノ粒子同士の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって莫大な数からなる金属のナノ粒子同士が接合する。この莫大な数からなる金属のナノ粒子同士の接合によって、重なり合ったフィルムの面同士が圧着する。この結果、僅かな質量からなるフィルム同士が、莫大な数からなる金属のナノ粒子同士の接合によって、一定の接合力を持って圧着する。
なお、ポリ袋・ビニール袋用シーラーと呼ばれる圧着機を用いると、シート同士またはフィルム同士が容易に圧着できる。いっぽう、金属のナノ粒子同士の接合で、シート同士またはフィルム同士を圧着させるため、シートまたはフィルムの圧着部を加熱する必要はない。
That is, the portions where the sheets or films are to be bonded are overlapped, and a compressive load is applied to the overlapping portions. As a result, the metal nanoparticles come into contact with each other on both overlapping surfaces. Furthermore, excessive frictional heat is instantaneously generated at the contact points of the metal nanoparticles, which bonds the metal nanoparticles together. The bonding of the metal nanoparticles results in the sheets or films being bonded together. Because the bonded portions are formed by a collection of a huge number of metal nanoparticles, sheets or films with small masses are firmly bonded together. On the other hand, the gaps formed between adjacent metal nanoparticles by the bonding of the metal nanoparticles are extremely small, at 1-2 nm, so surface tension prevents all liquid from leaking from the bonded portions. Therefore, by overlapping and bonding sheets or films together, a container filled with liquid made of a sheet or film can be created. Furthermore, this container simultaneously possesses the various properties of the above-mentioned sheets or films.
That is, the sheets formed by the method described in paragraph 18 are overlapped at the portions to be bonded together, and one surface of the overlapping portions is compressed. As a result, the vast number of metal nanoparticles covering the surfaces of the sheets come into contact with each other on both sides of the overlapping sheets. At this time, frictional heat is generated at the contact points between the contacting metal nanoparticles, and this frictional heat bonds the vast number of metal nanoparticles together. The surfaces of the overlapping sheets are bonded together by the bonding of the vast number of metal nanoparticles together. As a result, the sheets, each having a small mass, are bonded together with a certain bonding force due to the bonding of the vast number of metal nanoparticles together.
Similarly, the films formed by the method described in paragraph 18 are overlapped at the portions to be bonded together, and one surface of the overlapped portion is compressed. As a result, the vast number of metal nanoparticles covering the surfaces of the films on both sides of the overlapped film come into contact with each other. At this time, frictional heat is generated at the contact points between the contacting metal nanoparticles, and the vast number of metal nanoparticles are bonded together by this frictional heat. The surfaces of the overlapped films are bonded together by the bonding of the vast number of metal nanoparticles. As a result, the films, each having a small mass, are bonded together with a certain bonding force due to the bonding of the vast number of metal nanoparticles.
It should be noted that sheets or films can be easily sealed together using a sealing machine known as a plastic bag sealer. However, because the sheets or films are sealed together by bonding metal nanoparticles, there is no need to heat the sealed area of the sheets or films.
18段落に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを、基材または部品に圧着させる方法は、
18段落に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを所定の形状に切断し、該切断したシートまたは該切断したフィルムを、基材または部品の表面に配置し、さらに、該切断したシートまたは該切断したフィルムの表面を圧縮する、これによって、前記切断したシートまたは前記切断したフィルムの表面を覆った金属のナノ粒子の集まりが、前記基材または前記部品の表面と接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子の集まりが前記基材または前記部品の表面に接合し、前記切断したシートまたは前記切断したフィルムが、前記基材または前記部品の表面に圧着する、18段落に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを、基材または部品に圧着させる方法。
The method for pressing the sheet or film formed by the method described in paragraph 18 onto a substrate or a part includes the steps of:
A method for pressing a sheet or film formed by the method described in paragraph 18 to a substrate or part, comprising cutting the sheet or film formed by the method described in paragraph 18 to a predetermined shape, placing the cut sheet or the cut film on the surface of a substrate or part, and further compressing the surface of the cut sheet or the cut film, thereby causing a cluster of metal nanoparticles covering the surface of the cut sheet or the cut film to come into contact with the surface of the substrate or the part, and further generating frictional heat at the contact points of the metal nanoparticles, which bonds the cluster of metal nanoparticles to the surface of the substrate or the part, and pressing the cut sheet or the cut film to the surface of the substrate or the part.
つまり、アグリゲートにおける炭素の一次粒子は、炭素原子のπ電子の相互作用で炭素原子同士が結合しているため、炭素原子の結合力は小さい。このため、一次粒子は容易に切断できる。また、金属のナノ粒子が粒状の微粒子で、隣接する金属のナノ粒子同士が金属結合する結合部の体積は極わずかである。このため、金属結合した金属のナノ粒子の集まりと、アグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムは、様々な大きさと様々な形状に切断できる。また、シートまたはフィルムの表面を覆う金属のナノ粒子の集まりは、圧着手段として利用できる。これによって、材質と形状とに関わらず、様々な基材または部品の表面に、切断したシートまたは切断したフィルムが圧着でき、基材または部品に、シートまたはフィルムが有する前記した様々な性質が同時に付与される。
すなわち、18段落に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを所定の形状に切断し、切断したシートまたは切断したフィルムを、基材または部品の表面に配置する。この後、切断したシートまたは切断したフィルムの表面を圧縮する。これによって、切断したシートまたは切断したフィルムの表面は、莫大な数からなる金属のナノ粒子の集まりで覆われているため、莫大な数からなる金属のナノ粒子の集まりが、基材または部品の表面と接触し、さらに、金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生する。この摩擦熱によって莫大な数からなる金属のナノ粒子が、基材または部品の表面に接合する。この結果、切断したシートまたは前記切断したフィルムが、基材または部品の表面に一定の接合力を持って圧着する。
In other words, the primary carbon particles in the aggregates are bonded to each other through the interaction of the π electrons of the carbon atoms, so the bonding strength between the carbon atoms is weak. Therefore, the primary particles can be easily cut. Furthermore, the metal nanoparticles are granular particles, and the volume of the bond between adjacent metal nanoparticles is extremely small. Therefore, a sheet or film consisting of a collection of metal-bonded metal nanoparticles and a collection of aggregates can be cut into various sizes and shapes. Furthermore, the collection of metal nanoparticles covering the surface of the sheet or film can be used as a bonding means. This allows the cut sheet or film to be bonded to the surface of various substrates or parts, regardless of their material and shape, simultaneously imparting the various properties of the sheet or film to the substrate or part.
That is, the sheet or film formed by the method described in paragraph 18 is cut into a predetermined shape, and the cut sheet or cut film is placed on the surface of a substrate or part. The surface of the cut sheet or cut film is then compressed. As a result, the surface of the cut sheet or cut film is covered with a vast number of metal nanoparticles, which come into contact with the surface of the substrate or part, and frictional heat is generated at the contact points of the metal nanoparticles. This frictional heat bonds the vast number of metal nanoparticles to the surface of the substrate or part. As a result, the cut sheet or the cut film is pressed against the surface of the substrate or part with a certain bonding force.
実施例1
カーボンブラックとしてケッチェンブラック(ライオン株式会社の製品EC600JD)を用い、アルコールとして1-ペンタノール(富士フィルム和光純薬株式会社の製品)を用い、10-11段落に記載した第一の懸濁液を作成する。なお、ケッチェンブラックは、平均粒子径が34nmと小さく、比表面積が1270m2/gと大きいため、優れた遮光性を示す。また、ケチェンブラックの粒子間の空隙を満たすに要するフタル酸ジブチルの量が495cm3/100gと大きく、粒子の繋がりと粒子の凝集の程度が大きい。このため、ケッチェンブラックのアグリゲート同士の絡み合いに、1-ペンタノールを介在させると、絡み合いが進んだアグリゲートが、1-ペンタノールに分散する。さらに、絡み合いが進んだアグリゲート同士を、金属結合した金属のナノ粒子の集まりで結合すると、シートまたはフィルムの機械的強度が増える。なお、1-ペンタノールは、20℃の粘度が3.3mPa・秒で、沸点が138℃である。
最初に、ケッチェンブラックの15gと、1-ペンタノールの20gとを容器に充填し、1-ペンタノールを攪拌して、ケッチェンブラックを1-ペンタノールに浸漬させた。
この後、超音波ホモジナイザー(ヤマト科学株式会社の製品LUH150)を容器内の1-ペンタノール中で稼働し、20kHzの超音波信号を5分間加え、アグリゲートの集まりが1-ペンタノールに分散した第一の懸濁液を作成した。
Example 1
The first suspension described in paragraphs 10-11 was prepared using Ketjenblack (EC600JD, a product of Lion Corporation) as the carbon black and 1-pentanol (a product of Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as the alcohol. Ketjenblack exhibits excellent light-blocking properties due to its small average particle diameter of 34 nm and large specific surface area of 1270 m 2 /g. Furthermore, the amount of dibutyl phthalate required to fill the voids between Ketjenblack particles is large at 495 cm 3 /100 g, resulting in a high degree of particle connection and particle aggregation. Therefore, when 1-pentanol is interposed between the entanglement of Ketjenblack aggregates, the highly entangled aggregates are dispersed in the 1-pentanol. Furthermore, when the highly entangled aggregates are bonded together with a collection of metal-bonded metal nanoparticles, the mechanical strength of the sheet or film is increased. 1-pentanol has a viscosity of 3.3 mPa·sec at 20°C and a boiling point of 138°C.
First, 15 g of Ketjen Black and 20 g of 1-pentanol were charged into a container, and the 1-pentanol was stirred to immerse the Ketjen Black in the 1-pentanol.
Thereafter, an ultrasonic homogenizer (LUH150, product of Yamato Scientific Co., Ltd.) was operated in the 1-pentanol in the container, and an ultrasonic signal of 20 kHz was applied for 5 minutes to prepare a first suspension in which aggregate groups were dispersed in 1-pentanol.
実施例2
アンモニアが銀イオンに配位結合した銀錯イオンを有する無機金属化合物であるジアンミン銀塩化物[Ag(NH3)2]Cl(田中貴金属工業株式会社の製品)を、熱分解で銀を析出する金属化合物として用い、ジアンミン銀塩化物の微細結晶を、1-ヘキサノール(富士フィルム和光純薬株式会社の製品)に混合し、12-13段落に記載した第二の懸濁液を作成する。なお、1-ヘキサノールは、沸点が157℃で、20℃における粘度が5.2mPa・秒である。
最初に、ジアンミン銀塩化物の18g(0.1モルに相当する)と、180gのメタノールを容器に充填し、メタノールを攪拌し、ジアンミン銀塩化物をメタノールに分散させた。この後、容器を65℃に昇温し、メタノールを気化させ、ジアンミン銀塩化物の結晶を析出させた。さらに、容器内のジアンミン銀塩化物の結晶の全体を覆う板材を、ジアンミン銀塩化物の結晶の集まりの上に被せ、板材に1kgの重りを載せた。重りを取り除いた後に、容器の底面と側面とに、上下、前後、左右の3方向の0.2Gからなる衝撃加速度を3回ずつ加えた。こうして、圧縮荷重と衝撃加速度とを、ジアンミン銀塩化物の結晶の集まりに各々3回ずつ加えた。この後、板材に重りを載せたが、板材に動きが見られなかったため、ジアンミン銀塩化物の結晶の破砕が完了したと考えた。この後、板材を取り出し、容器に20gの1-ヘキサノールを充填し、1-ヘキサノールを攪拌し、ジアンミン銀塩化物の微細結晶の集まりに1-ヘキサノールを混合した第二の懸濁液を作成した。
Example 2
Diamine silver chloride [Ag(NH 3 ) 2 ]Cl (a product of Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), an inorganic metal compound having a silver complex ion in which ammonia is coordinately bonded to a silver ion, is used as the metal compound that precipitates silver upon thermal decomposition, and fine crystals of diamine silver chloride are mixed with 1-hexanol (a product of Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to prepare the second suspension described in paragraphs 12 and 13. 1-Hexanol has a boiling point of 157°C and a viscosity of 5.2 mPa·s at 20°C.
First, 18 g (equivalent to 0.1 moles) of diamine silver chloride and 180 g of methanol were charged into a container, and the methanol was stirred to disperse the diamine silver chloride in the methanol. The container was then heated to 65°C, the methanol was evaporated, and diamine silver chloride crystals were precipitated. A plate covering the entire diamine silver chloride crystals in the container was then placed over the collection of diamine silver chloride crystals, and a 1 kg weight was placed on the plate. After the weight was removed, impact accelerations of 0.2 G were applied three times each to the bottom and sides of the container in three directions: up and down, front and back, and left and right. In this way, a compressive load and impact acceleration were each applied three times to the collection of diamine silver chloride crystals. A weight was then placed on the plate, but since no movement was observed in the plate, it was considered that the crushing of the diamine silver chloride crystals was complete. Thereafter, the plate material was removed, and the container was filled with 20 g of 1-hexanol. The 1-hexanol was stirred to prepare a second suspension in which the clusters of fine crystals of diammine silver chloride were mixed with 1-hexanol.
実施例3
実施例1で作成した第一の懸濁液と、実施例2で作成した第二の懸濁液とを用い、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に使用する原料を作成する。
実施例1で作成した第一の懸濁液と、実施例2で作成した第二の懸濁液とを、容器に充填し、2種類の懸濁液を攪拌し、攪拌した2種類の懸濁液を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、チャンバーを密閉した。この後、真空含浸装置の真空ポンプを稼働させ、チャンバー内の圧力を、25℃における1-ペンタノールの飽和蒸気圧である0.293kPaの1/5に相当する0.059kPaに減圧した。これによって、1-ペンタノールの80%が気化する。いっぽう、1-ヘキサノールは52%が気化する。この結果、1-ペンタノールの20%が残存し、1-ヘキサノールの48%が残存する。このため、第一の懸濁液と第二の懸濁液とを混合した懸濁液は、20%が残存した1-ペンタノールと、48%が残存した1-ヘキサノールとが混和し、この混和したアルコールに、ジアンミン銀塩化物の微細結晶の集まりが混合した新たな懸濁液になる。この新たな懸濁液が、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に入り込み、また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着する。この新たな懸濁液とアグリゲートの集まりとからなる混合体を、シートまたはフィルムを形成する際に使用する原料とする。
Example 3
The first suspension prepared in Example 1 and the second suspension prepared in Example 2 are used to prepare a raw material used in forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates.
The first suspension prepared in Example 1 and the second suspension prepared in Example 2 were filled into a container, and the two suspensions were stirred. The two stirred suspensions were filled into the chamber of a vacuum impregnation apparatus, and the chamber was sealed. The vacuum pump of the vacuum impregnation apparatus was then operated, and the pressure inside the chamber was reduced to 0.059 kPa, which corresponds to 1/5 of the saturated vapor pressure of 1-pentanol at 25°C (0.293 kPa). As a result, 80% of the 1-pentanol evaporated. Meanwhile, 52% of the 1-hexanol evaporated. As a result, 20% of the 1-pentanol remained, and 48% of the 1-hexanol remained. Therefore, the suspension obtained by mixing the first suspension and the second suspension was a mixture of 20% of the remaining 1-pentanol and 48% of the remaining 1-hexanol, and this mixed alcohol became a new suspension in which aggregates of fine crystals of diammine silver chloride were mixed. This new suspension penetrates into the gaps between the entangled aggregates and adsorbs onto the surfaces of the entangled aggregates. The mixture of this new suspension and the aggregates is used as the raw material for forming a sheet or film.
実施例4
実施例1で作成した第一の懸濁液について、実施例1で用いたケッチェンブラックの30gと、実施例1で用いた1-ペンタノールの35gとを、容器に充填し、1-ペンタノールを攪拌して、ケッチェンブラックを1-ペンタノールに浸漬させた。
この後、実施例1で用いた超音波ホモジナイザーを容器内の1-ペンタノール中で稼働し、20kHzの超音波信号を5分間加え、アグリゲートの集まりが1-ペンタノールに分散した第一の懸濁液を作成した。
Example 4
For the first suspension prepared in Example 1, 30 g of the Ketjen black used in Example 1 and 35 g of the 1-pentanol used in Example 1 were charged into a container, and the 1-pentanol was stirred to immerse the Ketjen black in the 1-pentanol.
Thereafter, the ultrasonic homogenizer used in Example 1 was operated in the 1-pentanol in the container, and an ultrasonic signal of 20 kHz was applied for 5 minutes to prepare a first suspension in which aggregate groups were dispersed in 1-pentanol.
実施例5
銅が熱分解で析出する金属化合物として、オクチル酸銅Cu[OOCCH(C2H5)C4H9]2(富士フィルム和光純薬株式会社の製品)を用い、また、実施例2で用いた1-ヘキサノールを用い、12-13段落に記載した第二の懸濁液を作成する。
最初に、オクチル酸銅の35g(0.1モルに相当する)と、350gのメタノールを容器に充填し、メタノールを攪拌し、オクチル酸銅をメタノールに分散させた。この後、容器を65℃に昇温し、メタノールを気化させ、オクチル酸銅の結晶を析出させた。さらに、容器内のオクチル酸銅の結晶の全体を覆う板材を、オクチル酸銅の結晶の集まりの上に被せ、板材に1kgの重りを載せた。重りを取り除いた後に、容器の底面と側面とに、上下、前後、左右の3方向の0.3Gからなる衝撃加速度を3回ずつ加えた。こうして、圧縮荷重と衝撃加速度とを、オクチル酸銅の結晶の集まりに各々3回ずつ加えた。この後、板材に重りを載せたが、板材に動きが見られなかったため、オクチル酸銅の結晶の破砕が完了したと考えた。この後、板材を取り出し、容器に40gの1-ヘキサノールを充填し、1-ヘキサノールを攪拌し、オクチル酸銅の微細結晶の集まりに1-ヘキサノールを混合した第二の懸濁液を作成した。
Example 5
The second suspension described in paragraphs 12-13 is prepared using copper octylate Cu[OOCCH(C 2 H 5 )C 4 H 9 ] 2 (a product of Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as the metal compound from which copper precipitates by thermal decomposition, and using the 1-hexanol used in Example 2.
First, 35 g (equivalent to 0.1 mole) of copper octylate and 350 g of methanol were charged into a container, and the methanol was stirred to disperse the copper octylate in the methanol. The container was then heated to 65°C, the methanol was evaporated, and copper octylate crystals were precipitated. A plate covering the entire copper octylate crystals in the container was then placed over the cluster of copper octylate crystals, and a 1 kg weight was placed on the plate. After the weight was removed, an impact acceleration of 0.3 G was applied three times each to the bottom and sides of the container in three directions: up and down, front and back, and left and right. In this way, a compressive load and an impact acceleration were each applied three times to the cluster of copper octylate crystals. A weight was then placed on the plate, but since no movement was observed in the plate, it was considered that the crushing of the copper octylate crystals was complete. Thereafter, the plate material was removed, and the container was filled with 40 g of 1-hexanol. The 1-hexanol was stirred to prepare a second suspension in which the clusters of copper octylate fine crystals were mixed with 1-hexanol.
実施例6
実施例4で作成した第一の懸濁液と、実施例5で作成した第二の懸濁液とを用い、実施例3と同様に、真空含浸装置を用い、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に使用する原料を作成する。
本実施例では、チャンバー内を、25℃における1-ペンタノールの飽和蒸気圧である0.293kPaの1/4に相当する0.073kPaに減圧した。これによって、1-ペンタノールの75%が気化する。いっぽう、1-ヘキサノールの41%が気化する。この結果、1-ペンタノールの25%が残存し、1-ヘキサノールの59%が残存する。残存した2種類のアルコールが混和し、混和したアルコールに、オクチル酸銅の微細結晶の集まりが混合した懸濁液になる。この懸濁液が、アグリゲート同士が絡み合ったアグリゲートの間隙に入り込み、また、絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に吸着する。この懸濁液とアグリゲートの集まりとからなる混合体を、シートまたはフィルムを形成する際に使用する原料とする。
Example 6
Using the first suspension prepared in Example 4 and the second suspension prepared in Example 5, a raw material to be used in forming a sheet or film composed of a collection of carbon black aggregates was prepared using a vacuum impregnation apparatus in the same manner as in Example 3.
In this example, the pressure inside the chamber was reduced to 0.073 kPa, which corresponds to 1/4 of the saturated vapor pressure of 1-pentanol at 25°C (0.293 kPa). As a result, 75% of the 1-pentanol evaporated. Meanwhile, 41% of the 1-hexanol evaporated. As a result, 25% of the 1-pentanol and 59% of the 1-hexanol remained. The remaining two alcohols mixed together to form a suspension in which the mixed alcohol contained clusters of fine crystals of copper octylate. This suspension penetrates into the gaps between the entangled aggregates and adsorbs onto the surfaces of the entangled aggregate clusters. The mixture consisting of this suspension and the aggregate clusters was used as the raw material for forming a sheet or film.
実施例7
実施例3で作成した原料を用い、Tダイ(Bax株式会社が所有する設備)を用いて、100mmの幅で、30μmの厚みで、50cmの長さのフィルムを成形した。なお、フィルムの幅と厚みは、Tダイにおけるリップの設定幅と設定間隙で自在に変えられる。
この後、作成したフィルムを、水素雰囲気の180℃に5分間放置し、熱処理した。
最初に、作成したフィルムの遮光性を、JIS-L-1055A法に基づいて測定した。99.99%の遮光率であり、優れた遮光フィルムであることが分かった。
次に、作成したフィルムの熱放射率を、フーリエ変換赤外分光光度計と放射測定ユニットからなる分析器(株式会社コベルコ科研が所有する設備)で測定した。熱放射率が0.97と高く、優れた放熱フィルムであることが分かった。
これら優れた遮光性と熱放射性との結果は、ケチェンブラックの性質に基づく。
さらに、作成したフィルムのガスバリアー性を、JIS-K-7126-1に記載されたガス透過度試験方法に基づき、差圧式ガスクロマトグラフ法で測定した(株式会社DJKが所有する分析装置)。20℃、湿度が65%の環境下において、二酸化炭素ガスにかかわるガス透過度は110(ml/m2d・MPa)であり、酸素ガスにかかわるガス透過度は60(ml/m2d・MPa)であり、窒素ガスにかかわるガス透過度は10(ml/m2d・MPa)であった。また、水蒸気透過度は2-3(g/m2・d)であった。
これらの結果は、プラスチックフィルとして最もガスの遮断性能が優れる、二軸延伸ポリプロピレンフィルムにポリ塩化ビニリデンをコーティングしたフィルムより、ガスの遮断性能が優れる。
次に、作成したフィルムの表面の複数個所の表面抵抗を、表面抵抗計によって測定した(例えば、シムコジャパン株式会社の表面抵抗計ST-4)。表面抵抗値は1×103Ω/□であったため、金属に近い表面抵抗を有した。このため、作成したフィルムは、金属の抵抗率に基づき、導電性、熱伝導性、電磁波シールド性、帯電防止の機能を兼備するフィルムとしても作用する。
さらに、作成したフィルムの引張強度を、JIS-K7127の規格に基づいて測定した。引張強度は200MPaであった。この引張強度は、PETフィルムの1.5倍で、銀箔の引張強度に近い値であった。
この後、作成したフィルムを切断し、フィルムの表面と切断面とを電子顕微鏡で観察した。電子顕微鏡は、JFEテクノリサーチ株式会社が所有する極低加速電圧SEMを用いた。この装置は、100ボルトからの極低加速電圧による表面観察が可能で、導電性の被膜を形成せずに直接フィルムの表面が観察できる。
最初に、フィルムの表面からの反射電子線について、900-1000ボルトの間にある2次電子線を取り出して画像処理を行った。フィルムの表面は、10nm前後の大きさからなる粒状の微粒子の集まりで覆われていた。さらに、フィルムの表面からの反射電子線の900-1000ボルトの間にあるエネルギーを抽出して画像処理を行い、画像の濃淡で粒状微粒子の材質を分析した。濃淡が認められなかったので、単一原子から構成されていることが分かった。さらに、表面の複数個所からの特性エックス線のエネルギーとその強度を画像処理し、粒状微粒子を構成する元素の種類を分析した。粒状微粒子は銀原子のみで構成されていた。以上の結果から、フィルムは、10nm前後の大きさからなる銀のナノ粒子で覆われた。
さらに、フィルムの切断面を顕微鏡で観察した。炭素原子のみからなる物質の表面に、銀のナノ粒子が20層前後積み重なり、フィルムの表面を覆っていた。さらに、炭素原子のみからなる物質が形成する間隙を、銀のナノ粒子が埋めていた。
これらの結果から、フィルムは、銀のナノ粒子が20層前後積み重なってフィルムの表面を覆い、さらに、炭素原子のみからなる物質であるケッチェンブラックのアグリゲートが形成する間隙を、銀のナノ粒子の集まりが埋めた。図1にフィルムの切断面を模式的に示す。1はケチェンブラックの炭素1次粒子の切断面で、2は10nm前後の大きさからなる銀のナノ粒子であり、絡み合ったケチェンブラック同士が形成する間隙を銀のナノ粒子の集まりが埋め尽くしている。
前記した優れたガスバリアー性と、金属に近い表面抵抗とは、銀のナノ粒子が20層前後積み重なって、フィルムの表面を覆うことによる。また、フィルムの表面は銀の光沢をもった。さらに、ケッチェンブラックのアグリゲートが形成する間隙を、銀のナノ粒子の集まりが埋めることで、銀箔に近い引張強度をもたらした。
なお、金属のナノ粒子は、銀に限定されない。14-15段落で説明したように、無機物の分子ないしは無機物のイオンが金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物を用いることで、様々な材質からなる金属のナノ粒子の集まりが、フィルムの表面を覆うとともに、アグリゲートが形成する間隙を埋め尽くす。
Example 7
Using the raw material prepared in Example 3, a film having a width of 100 mm, a thickness of 30 μm, and a length of 50 cm was formed using a T-die (equipment owned by Bax Co., Ltd.) The width and thickness of the film can be freely changed by adjusting the lip width and gap setting of the T-die.
Thereafter, the prepared film was left in a hydrogen atmosphere at 180° C. for 5 minutes for heat treatment.
First, the light-shielding property of the prepared film was measured according to JIS-L-1055A method, and it was found to be an excellent light-shielding film with a light-shielding rate of 99.99%.
Next, the thermal emissivity of the film was measured using an analyzer consisting of a Fourier transform infrared spectrophotometer and a radiation measurement unit (equipment owned by Kobelco Research Institute, Inc.) The thermal emissivity was found to be high at 0.97, making it an excellent heat dissipation film.
These excellent light blocking and heat radiation results are based on the properties of Ketjen Black.
Furthermore, the gas barrier properties of the prepared film were measured by differential pressure gas chromatography based on the gas permeability test method described in JIS-K-7126-1 (using an analyzer owned by DJK Corporation). Under an environment of 20°C and 65% humidity, the gas permeability for carbon dioxide gas was 110 (ml/ m2 d·MPa), the gas permeability for oxygen gas was 60 (ml/ m2 d·MPa), and the gas permeability for nitrogen gas was 10 (ml/ m2 d·MPa). The water vapor permeability was 2-3 (g/ m2 ·d).
These results show that the gas barrier performance is superior to that of a film made of biaxially oriented polypropylene film coated with polyvinylidene chloride, which is the plastic film with the best gas barrier performance.
Next, the surface resistance of the prepared film was measured at multiple points on its surface using a surface resistance meter (for example, a surface resistance meter ST-4 manufactured by Simco Japan Co., Ltd.). The surface resistance was 1 x 10 3 Ω/□, which is close to that of metal. Therefore, the prepared film also functions as a film that combines electrical conductivity, thermal conductivity, electromagnetic wave shielding, and antistatic properties based on the resistivity of metal.
Furthermore, the tensile strength of the produced film was measured in accordance with the standard of JIS-K7127. The tensile strength was 200 MPa. This tensile strength was 1.5 times that of a PET film and was close to the tensile strength of a silver foil.
The film was then cut, and the film surface and cut surface were observed using an electron microscope. An ultra-low accelerating voltage SEM owned by JFE Techno Research Corporation was used as the electron microscope. This device allows surface observation at ultra-low accelerating voltages starting from 100 volts, and allows the film surface to be observed directly without forming a conductive coating.
First, secondary electron beams between 900-1000 volts were extracted from the electron beam reflected from the film surface and image processing was performed. The film surface was covered with a collection of granular particles approximately 10 nm in size. Furthermore, energy between 900-1000 volts of the electron beam reflected from the film surface was extracted and image processing was performed, and the material of the granular particles was analyzed based on the image density. Since no density was observed, it was determined that the particles were composed of a single atom. Furthermore, the energy and intensity of characteristic X-rays from multiple points on the surface were image processed and the type of elements that made up the granular particles were analyzed. The granular particles were composed only of silver atoms. From these results, it was determined that the film was covered with silver nanoparticles approximately 10 nm in size.
Furthermore, the cut surface of the film was observed under a microscope. It was found that silver nanoparticles were stacked in layers of around 20 on the surface of the carbon-atom-only material, covering the film's surface. Furthermore, the silver nanoparticles filled the gaps formed by the carbon-atom-only material.
These results indicate that the film's surface is covered with around 20 layers of silver nanoparticles, and that the gaps formed by the aggregates of Ketjen Black, a substance composed only of carbon atoms, are filled with clusters of silver nanoparticles. Figure 1 shows a schematic diagram of a cross section of the film. 1 is the cross section of a primary carbon particle of Ketjen Black, and 2 is a silver nanoparticle with a size of around 10 nm, with the clusters of silver nanoparticles filling the gaps formed by the entangled Ketjen Black.
The excellent gas barrier properties and surface resistance close to that of metal are due to the fact that approximately 20 layers of silver nanoparticles are stacked to cover the surface of the film. The film also has a silvery luster. Furthermore, the gaps formed by the Ketjen Black aggregates are filled by the clusters of silver nanoparticles, resulting in a tensile strength close to that of silver foil.
The metal nanoparticles are not limited to silver. As explained in paragraphs 14 and 15, by using an inorganic metal compound made of an inorganic salt having a metal complex ion in which an inorganic molecule or an inorganic ion is coordinately bonded to a metal ion, a collection of metal nanoparticles made of various materials covers the surface of the film and fills the gaps formed by the aggregates.
実施例8
実施例6で作成した原料を用い、Tダイ(Bax株式会社が所有する設備)を用いて、100mmの幅で、300μmの厚みで、20cmの長さのシートを成形した。
さらに、作成したシートを、大気雰囲気の290℃に1分間放置し、熱処理した。
最初に、実施例7と同様に、作成したシートの遮光性を測定した。99.99%の遮光率であり、優れた遮光シートであることが分かった。
次に、実施例7と同様に、作成したシートの熱放射率を測定した。熱放射率が0.97と高く、優れた放熱シートであることが分かった。
さらに、実施例7と同様に、作成したシートのガスバリアー性を測定した。シートは、実施例7に近いガスバリアー性を持った。
次に、実施例7と同様に、作成したシートの表面の複数個所の表面抵抗を、表面抵抗計によって測定した。表面抵抗値は1×103Ω/□であり、金属に近い表面抵抗を有した。作成したシートは、金属の抵抗率に基づき、導電性、熱伝導性、電磁波シールド性、帯電防止の機能を兼備するシートとしても作用する。
さらに、作成したシートの引張強度を、JIS-K7127の規格に基づいて測定した。引張強度は380MPaであった。この引張強度は、アラミド繊維とナイロン繊維との複合繊維からなるシートの引張強度より大きく、銅箔の引張強度に近い値であった。
この後、作成したシートを切断し、実施例7と同様に、シートの表面と切断面とを電子顕微鏡で観察した。
シートの表面は、10nm前後の大きさからなる銅のナノ粒子で覆われていた。さらに、シートは、銅のナノ粒子が20層前後積み重なってシートの表面を覆い、さらに、ケッチェンブラックのアグリゲートが形成する間隙を、銅のナノ粒子の集まりが埋めていた。
前記した優れたガスバリアー性と、金属に近い表面抵抗は、銅のナノ粒子が20層前後積み重なって、シートの表面を覆うことによる。また、シートの表面は銅の光沢をもった。さらに、ケッチェンブラックのアグリゲートが形成する間隙を、銅のナノ粒子の集まりが埋めることで、銅箔に近い引張強度をもたらした。
なお、金属のナノ粒子は、銅に限定されることはない。16-17段落で説明したように、オクチル酸金属化合物を用いることで、様々な材質からなる金属のナノ粒子の集まりが、シートの表面を覆うとともに、アグリゲートが形成する間隙を埋め尽くす。
Example 8
The raw material prepared in Example 6 was molded into a sheet having a width of 100 mm, a thickness of 300 μm and a length of 20 cm using a T-die (equipment owned by Bax Corporation).
Furthermore, the prepared sheet was left in the air at 290° C. for 1 minute for heat treatment.
First, the light-shielding property of the prepared sheet was measured in the same manner as in Example 7. The light-shielding rate was 99.99%, and it was found to be an excellent light-shielding sheet.
Next, the thermal emissivity of the prepared sheet was measured in the same manner as in Example 7. The thermal emissivity was as high as 0.97, and it was found to be an excellent heat dissipation sheet.
Furthermore, the gas barrier properties of the prepared sheet were measured in the same manner as in Example 7. The sheet had gas barrier properties similar to those of Example 7.
Next, similarly to Example 7, the surface resistance of the prepared sheet was measured at multiple points on its surface using a surface resistance meter. The surface resistance was 1 x 10 Ω/□, which was close to that of metal. Based on the resistivity of metal, the prepared sheet also functions as a sheet that combines electrical conductivity, thermal conductivity, electromagnetic wave shielding, and antistatic properties.
Furthermore, the tensile strength of the produced sheet was measured in accordance with the standard of JIS-K7127. The tensile strength was 380 MPa. This tensile strength was greater than the tensile strength of a sheet made of composite fibers of aramid fiber and nylon fiber, and was close to the tensile strength of copper foil.
Thereafter, the prepared sheet was cut, and the surface and cut surface of the sheet were observed under an electron microscope in the same manner as in Example 7.
The surface of the sheet was covered with copper nanoparticles with a size of about 10 nm. Furthermore, the surface of the sheet was covered with about 20 layers of copper nanoparticles stacked together, and the gaps formed by the Ketjen Black aggregates were filled with clusters of copper nanoparticles.
The excellent gas barrier properties and surface resistance close to that of metal are due to the fact that copper nanoparticles are stacked in layers of around 20 to cover the surface of the sheet. The surface of the sheet also has the luster of copper. Furthermore, the gaps formed by the Ketjen Black aggregates are filled by clusters of copper nanoparticles, resulting in tensile strength close to that of copper foil.
The metal nanoparticles are not limited to copper. As explained in paragraphs 16-17, by using a metal octylate compound, a collection of metal nanoparticles made of various materials covers the surface of the sheet and fills the gaps formed by the aggregates.
実施例9
実施例7で作成したフィルムを、液晶ポリマーフィルムに圧着させる実施例である。なお、液晶ポリマーフィルムは、吸水率が低く、誘電正接が低く、ガスバリアー性で、耐熱性で難燃性のフィルムである。この液晶ポリマーフィルムに、実施例7で作成したフィルムを圧着させると、銀に近い導電性と熱伝導性と銀の光沢と、ケッチェンブラックの遮光性と放熱性と、さらに高いガスバリアー性と、さらに高い耐熱性が付加される。
膜厚が25μmからなる液晶ポリマーフィルム(株式会社クラレの製品CTQ-25)を、15cm×15cmの大きさに切断し、板材の上に配置し、虫ピンで四方の端部を固定した。次に、実施例7で作成したフィルムを12cm×12cmの大きさに切断し、液晶ポリマーフィルムの上に配置した。さらに、12cm×12cmの大きさの板材を被せ、板材の上に5kgの重り5個を、対角線上に均等な距離として配置した。
この後、重りと板材を取り除き、液晶ポリマーフィルムを12cm×12cmの大きさに切断し、液晶ポリマーフィルムに、銀のナノ粒子の集まりとアグリゲートの集まりからなるフィルムを圧着させた2重のフィルムを作成した。2重のフィルムを2mの高さから自然落下させたが、損傷はなかった。従って、一定の強度で2枚のフィルムが接合されているとともに、実施例7で作成したフィルムは、一定のせん断強度を持つ。
なお、実施例7で作成したフィルムを圧着させるフィルムは、液晶ポリマーフィルムに限定されない。金属のナノ粒子の集まりが、2種類のフィルムを接合させるため、接合するフィルムの材質上の制約はない。また、金属のナノ粒子は、銀のナノ粒子に限定されない。用途に応じて、2種類のフィルムの材質を選択し、2重のフィルムを作成する。
Example 9
This is an example in which the film prepared in Example 7 is pressure-bonded to a liquid crystal polymer film. The liquid crystal polymer film has low water absorption, a low dielectric loss tangent, gas barrier properties, heat resistance, and flame retardancy. When the film prepared in Example 7 is pressure-bonded to this liquid crystal polymer film, it is possible to add electrical conductivity and thermal conductivity similar to silver, the luster of silver, the light-shielding and heat-dissipating properties of Ketjen Black, and even higher gas barrier properties and heat resistance.
A liquid crystal polymer film (CTQ-25, product of Kuraray Co., Ltd.) with a thickness of 25 μm was cut to a size of 15 cm x 15 cm, placed on a plate, and the four edges were fixed with insect pins. Next, the film prepared in Example 7 was cut to a size of 12 cm x 12 cm and placed on top of the liquid crystal polymer film. Furthermore, a plate measuring 12 cm x 12 cm was placed on top of the liquid crystal polymer film, and five 5 kg weights were placed on top of the plate at equal intervals diagonally.
After this, the weight and plate were removed, and the liquid crystal polymer film was cut into a size of 12 cm x 12 cm. A double film was created by pressing a film consisting of a collection of silver nanoparticles and a collection of aggregates onto the liquid crystal polymer film. The double film was allowed to fall from a height of 2 m, but no damage was found. Therefore, the two films were bonded with a certain strength, and the film produced in Example 7 had a certain shear strength.
The film to which the film prepared in Example 7 is pressed is not limited to a liquid crystal polymer film. Since a collection of metal nanoparticles bonds two types of films, there are no restrictions on the material of the films to be bonded. Furthermore, the metal nanoparticles are not limited to silver nanoparticles. Depending on the application, two types of film materials are selected to create a double film.
実施例10
実施例8で作成したシートを、最も汎用的なプラスチックシートであるポリプロピレンシートに圧着させる実施例である。これによって、ポリプロピレンシートに、銅に近い導電性と熱伝導性と銅の光沢と、ケッチェンブラックの遮光性と放熱性と、高いガスバリアー性が付加される。
膜厚が300μmからなるポリプロピレンシートを、15cm×15cmの大きさに切断し、板材の上に配置し、虫ピンで四方の端部を固定した。次に、実施例8で作成したシートを12cm×12cmの大きさに切断し、ポリプロピレンシートの上に配置した。さらに、12cm×12cmの大きさの板材を被せ、板材の上に5kgの重り5個を、対角線上に均等な距離として配置した。
この後、重りと板材を取り除き、ポリプロピレンシートを12cm×12cmの大きさに切断し、ポリプロピレンシートに、銅のナノ粒子の集まりとアグリゲートの集まりからなるシートを圧着させた2重のシートを作成した。2重のシートを2mの高さから自然落下させたが、損傷はなかった。従って、一定の強度で2枚のシートが接合されているとともに、実施例8で作成したシートは、一定のせん断強度を持つ。
なお、実施例8で作成したシートを圧着させるシートは、ポリプロピレンシートに限定されない。金属のナノ粒子の集まりが、2種類のフィルムを接合させるため、接合するシートの材質上の制約はない。また、金属のナノ粒子は、銅のナノ粒子に限定されない。用途に応じて、2種類のシートの材質を選択し、2重のシートを作成する。
Example 10
In this example, the sheet prepared in Example 8 is pressure-bonded to a polypropylene sheet, which is the most commonly used plastic sheet. This gives the polypropylene sheet electrical conductivity and thermal conductivity similar to copper, the luster of copper, the light-shielding and heat-dissipating properties of Ketjenblack, and high gas barrier properties.
A polypropylene sheet with a thickness of 300 μm was cut to a size of 15 cm × 15 cm, placed on a plate, and secured at all four edges with pins. Next, the sheet prepared in Example 8 was cut to a size of 12 cm × 12 cm and placed on the polypropylene sheet. A 12 cm × 12 cm plate was then placed on top of the polypropylene sheet, and five 5 kg weights were placed on top of the plate at equal intervals diagonally.
After this, the weight and plate material were removed, and the polypropylene sheet was cut into a size of 12 cm x 12 cm. A double sheet was created by pressing a sheet consisting of a collection of copper nanoparticles and a collection of aggregates onto the polypropylene sheet. The double sheet was allowed to fall from a height of 2 m, but no damage was caused. Therefore, the two sheets are bonded with a certain strength, and the sheet produced in Example 8 has a certain shear strength.
The sheet to which the sheet prepared in Example 8 is pressed is not limited to a polypropylene sheet. Since a collection of metal nanoparticles bonds two types of films, there are no restrictions on the material of the sheets to be bonded. Furthermore, the metal nanoparticles are not limited to copper nanoparticles. Depending on the application, two types of sheet materials are selected to create a double sheet.
1 ケチェンブラックの炭素1次粒子の切断面 2 銀のナノ粒子
1. Cross section of Ketjen Black primary carbon particle 2. Silver nanoparticles
Claims (9)
カーボンブラックを構成する炭素粒子の1次凝集体であるアグリゲート同士が、該カーボンブラックの集まりより多い重量からなる第一のアルコールを介して絡み合うとともに、該絡み合ったアグリゲートの集まりが、前記第一のアルコールに分散した第一の懸濁液を予め作成し、沸点が、前記第一のアルコールの沸点より15℃以上高く、かつ、熱分解で金属を析出する金属化合物の熱分解が始まる温度より低い性質を持つ第二のアルコールに、100-500nmの大きさからなる前記アグリゲートより1桁大きさが小さい18-22nmの大きさからなる前記金属化合物の微細結晶の集まりを、前記第二のアルコールより少ない重量として混合した第二の懸濁液を予め作成する、この後、前記第一の懸濁液より多い重量からなる前記第二の懸濁液と前記第一の懸濁液とを容器に充填し、該2種類の懸濁液を攪拌し、該2種類の懸濁液の混合物を作成する、この後、該2種類の懸濁液の混合物を真空含浸装置のチャンバー内に充填し、該チャンバーを密閉する、さらに、前記真空含浸装置の真空ポンプを稼働させ、前記チャンバー内の圧力を、最低の圧力として、前記チャンバー内の温度における前記第一のアルコールの飽和蒸気圧の1/5の圧力まで減圧する、これによって、前記第一のアルコールの4/5以下の量が気化して前記チャンバー内から排出され、また、前記チャンバー内の温度における前記第二のアルコールの飽和蒸気圧の大きさに準じて、前記第二のアルコールの一部が気化して前記チャンバー内から排出され、前記第一のアルコールと前記第二のアルコールの双方が減量することで、前記2種類の懸濁液の混合物が新たな懸濁液になり、前記2種類のアルコールの気化に伴って、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙に前記新たな懸濁液が移動し、また、前記絡み合ったアグリゲートの集まりの表面に前記新たな懸濁液が吸着する、これによって、前記新たな懸濁液と前記アグリゲートの集まりからなる混合体が前記チャンバー内に形成され、該混合体を、シートまたはフィルムを形成する際の原料として用いる、
ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を作成する方法。 A method for producing a raw material used in forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates that has gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity equivalent to those of a metal, is as follows:
A first suspension is prepared in advance, in which aggregates, which are primary agglomerates of carbon particles constituting carbon black, are entangled with each other via a first alcohol having a weight greater than that of the aggregates of carbon black, and the aggregates of the entangled aggregates are dispersed in the first alcohol. The first suspension is then dispersed in a second alcohol having a boiling point 15°C or more higher than that of the first alcohol and lower than the temperature at which thermal decomposition of a metal compound that precipitates a metal by thermal decomposition begins. A second suspension is prepared in advance by mixing a collection of fine crystals of the metal compound having a size of 18-22 nm , which is one order of magnitude smaller than the aggregates having a size of 100-500 nm , in a weight amount less than that of the second alcohol. Then, the second suspension having a weight greater than that of the first suspension and the first suspension are filled into a container, and the two types of suspensions are stirred to prepare a mixture of the two types of suspensions. Then, the mixture of the two types of suspensions is filled into a chamber of a vacuum impregnation device, and the chamber is sealed. Furthermore, the vacuum pump of the vacuum impregnation device is operated, and the pressure in the chamber is reduced to a minimum pressure that is 1/5 of the saturated vapor pressure of the first alcohol at the temperature in the chamber, thereby and a mixture of the two types of suspensions becomes a new suspension, and as the two types of alcohol evaporate, the new suspension moves into gaps between the aggregates that are entangled with each other, and is adsorbed onto the surfaces of the aggregates that are entangled with each other, thereby forming a mixture of the new suspension and the aggregates in the chamber, and the mixture is used as a raw material for forming a sheet or film.
A method for producing raw materials used in forming sheets or films consisting of aggregates of carbon black that have gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity comparable to that of metals.
請求項1に記載した第一のアルコールとして、20℃において3-5mPa・秒の粘度を有するアルコールを用い、該アルコールと、該アルコールより少ない重量からなるカーボンブラックの集まりを、容器に充填し、該カーボンブラックの集まりを攪拌し、該カーボンブラックの集まりを前記アルコール中に浸漬させる、この後、前記容器内に超音波方式のホモジナイザー装置を配置し、該ホモジナイザー装置を前記アルコール中で稼働させ、前記カーボンブラックを構成する炭素粒子の1次凝集体であるアグリゲートの大きさより小さい気泡が前記アルコール中に発生し、この後、該気泡が殆ど同時に消滅する、この際に、前記気泡がはじける際の衝撃波が、前記アルコール中に継続して発生し、該衝撃波が、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの凝集塊であるアグロメレートの細部に継続して照射される、これによって、前記アグリゲート同士が絡み合った部位が解除され、該絡み合いが解除した部位に、前記アルコールが吸着し、該アルコールを介して絡み合ったアグリゲートの集まりが、該アルコールに分散した第一の懸濁液が作成される、請求項1に記載した第一の懸濁液を作成する方法。 A method for preparing the first suspension according to claim 1, comprising the steps of:
The first alcohol described in claim 1 is an alcohol having a viscosity of 3-5 mPa·sec at 20°C, and the alcohol and carbon black aggregates, the weight of which is less than that of the alcohol, are filled into a container, and the carbon black aggregates are stirred and immersed in the alcohol. Thereafter, an ultrasonic homogenizer is placed in the container, and the homogenizer is operated in the alcohol, and bubbles smaller than the size of aggregates, which are primary agglomerates of carbon particles that make up the carbon black, are generated in the alcohol. 2. The method for preparing a first suspension according to claim 1, wherein bubbles are generated in the alcohol, and then the bubbles disappear almost simultaneously, and at this time, shock waves generated when the bubbles burst continue to be generated in the alcohol, and the shock waves are continuously irradiated to the fine parts of agglomerates, which are clumps of the aggregates entangled with each other, thereby disentangling the entangled parts of the aggregates, and the alcohol is adsorbed to the disentangled parts, thereby preparing a first suspension in which a collection of aggregates entangled via the alcohol is dispersed in the alcohol.
請求項2に記載したカーボンブラックがケッチェンブラックであり、該ケッチェンブラックを請求項2に記載したカーボンブラックとして用い、請求項2に記載した第一の懸濁液を作成する方法に従って、該第一の懸濁液を作成する、請求項2に記載した第一の懸濁液を作成する方法。 The method for preparing the first suspension according to claim 2 comprises the steps of:
A method for preparing the first suspension according to claim 2, wherein the carbon black according to claim 2 is Ketjen black, and the first suspension is prepared according to the method for preparing the first suspension according to claim 2, using the Ketjen black as the carbon black according to claim 2.
メタノールに分子状態で分散するが、メタノールに溶解しない第一の性質と、熱分解で金属を析出する第二の性質を兼備する金属化合物をメタノールに分散し、該金属化合物のメタノール分散液を作成し、さらに、該金属化合物のメタノール分散液からメタノールを気化させ、前記金属化合物の微細結晶の集まりを析出させる、この後、該金属化合物の微細結晶の集まりを容器に充填し、該金属化合物の微細結晶の集まりの表面全体を覆う板材を、該金属化合物の微細結晶の集まりの上に被せる、さらに、該板材の表面全体に、容器の大きさに応じて、1-10kg重に相当する圧縮荷重を加え、前記金属化合物の微細結晶の集まりを破砕する、さらに、前記容器の側面と底面とに、容器の大きさに応じて、前後、左右、上下の3方向の0.2-0.5Gからなる衝撃加速度を繰り返し加え、前記破砕された金属化合物の微細結晶の集まりが、空隙を埋めるように前記容器内で移動するとともに、該微細結晶の集まりが前記容器内で再配列する、この後、前記板材の表面全体に再度前記圧縮荷重を加え、さらに、前記容器の側面と底面とに、前記3方向の衝撃加速度を再度繰り返し加える、こうした前記圧縮荷重を加える処理と前記衝撃加速度を加える処理とからなる一対の処理を繰り返し、前記結晶の微細化が限界になると、前記板材に圧縮荷重を加えても、該結晶の破砕が行われないため、前記板材に前記圧縮荷重を加えても、該板材の動きが無くなり、この時点で前記一対の処理を停止し、前記容器内に前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりを作成する、この後、前記板材を前記容器から取り出し、さらに、請求項1に記載した第二のアルコールを、前記金属化合物の微細結晶の集まりの重量より多い重量として前記容器に充填し、前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりを攪拌し、前記容器内に、前記金属化合物の18-22nmの大きさからなる微細結晶の集まりが、前記第二のアルコールに混合した第二の懸濁液を作成する、請求項1に記載した第二の懸濁液を作成する方法。 The method for preparing the second suspension according to claim 1 comprises the steps of:
A metal compound having a first property of dispersing in a molecular state in methanol but not dissolving in methanol, and a second property of precipitating a metal by thermal decomposition, is dispersed in methanol to prepare a methanol dispersion of the metal compound, and then the methanol is evaporated from the methanol dispersion of the metal compound to precipitate a cluster of fine crystals of the metal compound. The cluster of fine crystals of the metal compound is then filled into a container, and a plate covering the entire surface of the cluster of fine crystals of the metal compound is placed over the cluster of fine crystals of the metal compound. A compressive load equivalent to 1-10 kg weight, depending on the size of the container, is applied to the entire surface of the plate to crush the cluster of fine crystals of the metal compound. Impact accelerations of 0.2-0.5 G are repeatedly applied to the sides and bottom of the container in three directions, front-to-back, left-to-right, and up-to-down, depending on the size of the container, causing the crushed clusters of fine crystals of the metal compound to move within the container to fill voids, and the clusters of fine crystals are rearranged within the container. The entire surface of the plate is then crushed. the compressive load is applied again to the plate, and further, the impact acceleration in the three directions is repeatedly applied to the side and bottom of the container; the pair of processes consisting of the process of applying the compressive load and the process of applying the impact acceleration are repeated; when the crystals reach their limit of micronization, the crystals do not break even when the compressive load is applied to the plate, and therefore the plate stops moving even when the compressive load is applied to the plate, and at this point, the pair of processes are stopped, and a cluster of fine crystals of 18-22 nm in size of the metal compound is created in the container; thereafter, the plate is removed from the container; the second alcohol described in claim 1 is filled into the container in a weight greater than the weight of the cluster of fine crystals of the metal compound; the cluster of fine crystals of 18-22 nm in size of the metal compound is stirred; and a second suspension is created in the container in which the cluster of fine crystals of 18-22 nm in size of the metal compound is mixed with the second alcohol.
請求項4に記載した金属化合物が、無機物の分子ないしは無機物のイオンが金属イオンに配位結合した金属錯イオンを有する無機塩からなる無機金属化合物であり、該無機金属化合物を請求項4に記載した金属化合物として用い、請求項4に記載した第二の懸濁液を作成する方法に従って、該第二の懸濁液を作成する、請求項4に記載した第二の懸濁液を作成する方法。 The method for preparing the second suspension according to claim 4 comprises the steps of:
A method for preparing the second suspension according to claim 4, wherein the metal compound according to claim 4 is an inorganic metal compound consisting of an inorganic salt having a metal complex ion in which an inorganic molecule or an inorganic ion is coordinately bonded to a metal ion, and the inorganic metal compound is used as the metal compound according to claim 4, and the second suspension is prepared according to the method for preparing the second suspension according to claim 4.
請求項4に記載した金属化合物が、オクチル酸金属化合物であり、該オクチル酸金属化合物を請求項4に記載した金属化合物として用い、請求項4に記載した第二の懸濁液を作成する方法に従って、該第二の懸濁液を作成する、請求項4に記載した第二の懸濁液を作成する方法。 The method for preparing the second suspension according to claim 4 comprises the steps of:
A method for preparing the second suspension described in claim 4, wherein the metal compound described in claim 4 is an octylate metal compound, and the second suspension is prepared using the octylate metal compound as the metal compound described in claim 4 according to the method for preparing the second suspension described in claim 4.
請求項2に記載した方法に従って第一の懸濁液を作成し、該第一の懸濁液を請求項1に記載した第一の懸濁液として用い、請求項4に記載した方法に従って第二の懸濁液を作成し、該第二の懸濁液を請求項1に記載した第二の懸濁液として用い、請求項1に記載した方法に従って、カーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を作成し、該原料を押出機に継続して充填し、さらに、前記押出機のスクリューを継続して動かし、該押出機に充填された前記原料を、該押出機からTダイに継続して押出し、作成するシートまたはフィルムの幅からなる幅を有し、かつ、作成するシートまたはフィルムの厚みからなる間隙を有する前記Tダイのリップから、前記押出機からの圧力によって、前記原料をシートまたはフィルムの形状として継続して押し出し、さらに、該押し出されたシートまたは該押し出されたフィルムを、前記原料を構成する金属化合物が熱分解を完了する温度まで昇温された熱処理炉を継続して通過させる、この際に、請求項4に記載した18-22nmの大きさからなる微細結晶が、無機物の分子ないしは有機物の分子と金属分子とに分解し、該無機物の分子ないしは該有機物の分子が気化熱を奪って気化し、該気化が完了すると、前記金属分子の集まりが10nm前後の大きさからなる金属のナノ粒子を形成し、該金属のナノ粒子の集まりが一斉に析出する、該金属のナノ粒子は不純物を含まず、活性状態で析出するため、隣接する前記金属のナノ粒子同士が接触部で金属結合し、該金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層する、これによって、アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの間隙を、前記金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して埋め尽くし、また、前記アグリゲート同士が絡み合った該アグリゲートの集まりの表面を、前記金属結合した金属のナノ粒子の集まりが積層して覆う、さらに、該熱処理炉を通過したシートまたは該熱処理炉を通過したフィルムを、巻き取り機で連続して巻き取る、これによって、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムが連続して形成される、請求項1に記載したシートまたはフィルムを形成する際に用いる原料を用いて、ガスバリアー性と金属の光沢性と金属に準じる導電性と熱伝導性とを付与させたカーボンブラックのアグリゲートの集まりからなるシートまたはフィルムを連続して形成する方法。 A method for continuously forming a sheet or film made of aggregates of carbon black, which has gas barrier properties, metallic luster, and electrical and thermal conductivity equivalent to those of a metal, using a raw material used in forming the sheet or film according to claim 1, comprises the steps of:
A sheet or film is produced by preparing a raw material used in forming a sheet or film made of a collection of carbon black aggregates according to the method of claim 1, by preparing a first suspension according to the method of claim 2, using the first suspension as the first suspension according to claim 1, preparing a second suspension according to the method of claim 4, using the second suspension as the second suspension according to claim 1, continuously charging the raw material into an extruder, and continuously moving the screw of the extruder to extrude the raw material charged in the extruder from the extruder into a T-die. The raw material is continuously extruded in the form of a sheet or film by the pressure from the extruder from the lip of the T-die having a width of 18-22 nm and a gap of the thickness of the sheet or film to be produced, and the extruded sheet or film is continuously passed through a heat treatment furnace heated to a temperature at which the metal compound constituting the raw material completes its thermal decomposition. During this process, the fine crystals having a size of 18-22 nm as described in claim 4 decompose into inorganic or organic molecules and metal molecules, and the inorganic or organic molecules absorb the heat of vaporization and vaporize. When the vaporization is completed, the clusters of metal molecules form metal nanoparticles with a size of about 10 nm, and the clusters of metal nanoparticles precipitate all at once. Since the metal nanoparticles do not contain impurities and precipitate in an active state, adjacent metal nanoparticles are metallically bonded at the contact points, and the clusters of metallically bonded metal nanoparticles are stacked. As a result , the gaps between the aggregates, where the aggregates are entangled with each other, are filled with the clusters of metallically bonded metal nanoparticles, and the surfaces of the clusters of aggregates, where the aggregates are entangled with each other, are covered with the clusters of metallically bonded metal nanoparticles. a sheet or film made of an aggregate of carbon black that has been imparted with gas barrier properties, metallic luster, electrical conductivity and thermal conductivity similar to that of a metal, using the raw material used in forming the sheet or film according to claim 1, the sheet or film being made of an aggregate of carbon black that has been imparted with gas barrier properties, metallic luster, electrical conductivity and thermal conductivity similar to that of a metal, and the raw material used in forming the sheet or film according to claim 1 being laminated and covered with carbon black; and the sheet or film that has been passed through the heat treatment furnace being continuously wound up by a winder, thereby continuously forming a sheet or film made of an aggregate of carbon black that has been imparted with gas barrier properties, metallic luster, electrical conductivity and thermal conductivity similar to that of a metal.
請求項7に記載した方法で形成したシート同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面に圧縮応力を加える、これによって、前記重ね合わせられた双方のシートの面に形成された金属のナノ粒子同士が接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子同士が接合し、該金属のナノ粒子同士の接合によって、前記重ね合わせた部位同士が圧着する、シート同士を圧着する方法、
または、
請求項7に記載した方法で形成したフィルム同士を圧着する部位を重ね合わせ、該重ね合わせた部位の一方の表面に圧縮応力を加える、これによって、前記重ね合わせられた双方のフィルムの面に形成された金属のナノ粒子同士が接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子同士が接合し、該金属のナノ粒子同士の接合によって、前記重ね合わせた部位同士が圧着する、フィルム同士を圧着する方法。 The method for press-bonding sheets or films formed by the method according to claim 7 to each other comprises the steps of:
A method for pressure-bonding sheets, comprising: overlapping portions of the sheets formed by the method according to claim 7 to be pressure-bonded together; applying compressive stress to one surface of the overlapping portions; thereby bringing metal nanoparticles formed on the surfaces of both the overlapping sheets into contact with each other; furthermore, generating frictional heat at the contact portions of the metal nanoparticles; bonding the metal nanoparticles together due to the frictional heat; and pressure-bonding the overlapping portions together due to the bonding of the metal nanoparticles together .
or
A method for laminating films together, comprising overlapping the portions of the films formed by the method described in claim 7 to be laminated together and applying compressive stress to one surface of the laminated portions, thereby bringing metal nanoparticles formed on the surfaces of both of the laminated films into contact with each other, and further generating frictional heat at the contact points of the metal nanoparticles, which causes the metal nanoparticles to bond together, and the bonding of the metal nanoparticles to each other causes the laminated portions to be laminated together .
請求項7に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを所定の形状に切断し、該切断したシートまたは該切断したフィルムを、基材または部品の表面に配置し、さらに、該切断したシートまたは該切断したフィルムの表面を圧縮する、これによって、前記切断したシートまたは前記切断したフィルムの表面を覆った金属のナノ粒子の集まりが、前記基材または前記部品の表面と接触し、さらに、該金属のナノ粒子の接触部に摩擦熱が発生し、該摩擦熱によって前記金属のナノ粒子の集まりが前記基材または前記部品の表面に接合し、前記切断したシートまたは前記切断したフィルムが、前記基材または前記部品の表面に圧着する、請求項7に記載した方法で形成したシートまたはフィルムを、基材または部品に圧着させる方法。
A method for press-bonding the sheet or film formed by the method according to claim 7 to a substrate or a part comprises the steps of:
A method for pressing a sheet or film formed by the method of claim 7 to a substrate or a part, comprising cutting the sheet or film formed by the method of claim 7 to a predetermined shape, placing the cut sheet or the cut film on the surface of a substrate or a part, and further compressing the surface of the cut sheet or the cut film, thereby causing a cluster of metal nanoparticles covering the surface of the cut sheet or the cut film to come into contact with the surface of the substrate or the part, and further generating frictional heat at the contact points of the metal nanoparticles, which causes the cluster of metal nanoparticles to bond to the surface of the substrate or the part, and pressing the cut sheet or the cut film to the surface of the substrate or the part.
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