JP5178509B2 - Method for producing conductive material using carbon nanotube, and electric double layer capacitor using conductive material - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法に関するものである。本発明の方法により作製された導電性材料は、例えば、大容量の電気を蓄えることが可能な電気二重層キャパシタの主構成部材である分極性電極として適用できる。 The present invention relates to method for producing a conductive material using the card must be installed carbon nanotubes. The conductive material produced by the method of the present invention can be applied as, for example, a polarizable electrode that is a main constituent member of an electric double layer capacitor capable of storing a large amount of electricity.
特許請求の範囲および明細書全体を通して、「カーボンナノチューブ」とは、ブラシ毛状の複数本のカーボンナノチューブを意味する。 Throughout the claims and the specification, “carbon nanotube” means a plurality of brush-like carbon nanotubes.
カーボンナノチューブは、炭素原子からなる六員環が連続して形成されるグラファイトシートが丸まった、通常穴径ナノ(1ナノは10億分の1)メートルサイズの極微細な筒(チューブ)状の物質であり、非常にアスペクト比の大きい材料である。カーボンナノチューブは化学的安定性、高強度、幅広い電気特性を持つなど様々なユニークな特性を持つことから、新しい炭素材料として産業上への応用が期待されている。 Carbon nanotubes are made of ultra-fine cylinders (tubes) that are usually nano-sized (one nano is one billionth) in diameter, with a graphite sheet formed by continuously forming six-membered rings of carbon atoms. It is a material and a material with a very large aspect ratio. Carbon nanotubes have various unique properties such as chemical stability, high strength, and a wide range of electrical properties, and are therefore expected to be industrially applied as new carbon materials.
その応用の一つとして、電気二重層キャパシタの構成部材である分極性電極への応用が挙げられている。電気二重層キャパシタを用いたエネルギー回生システムは、寿命が半永久的であり、環境負荷物質を殆ど含まない上、瞬時充放電特性に優れている。近年、地球環境問題における二酸化炭素排出量抑制技術が重要な課題となっており、無駄に排出していた電気を蓄電・再利用するため、上記回生システムの開発が盛んに行われている。 As one of the applications, application to a polarizable electrode which is a constituent member of an electric double layer capacitor is cited. An energy regenerative system using an electric double layer capacitor has a semi-permanent life, contains almost no environmental load substance, and is excellent in instantaneous charge / discharge characteristics. In recent years, carbon dioxide emission suppression technology for global environmental problems has become an important issue, and the regeneration system described above has been actively developed to store and reuse the wasteful electricity.
本発明者らは、先に、基板上に成長させたカーボンナノチューブを導電性フィルムや導電性接着剤層にその表面に対し実質上垂直方向に転写することで得られるカーボンナノチューブ導電性材料、その製造方法およびそれを用いた電極を提案した(特許文献1、特許文献2参照)。
The inventors of the present invention previously described a carbon nanotube conductive material obtained by transferring carbon nanotubes grown on a substrate onto a conductive film or a conductive adhesive layer in a direction substantially perpendicular to the surface thereof, A manufacturing method and an electrode using the same have been proposed (see
電気二重層キャパシタを用いたエネルギー回生システムの用途は、多方面に広がる傾向にあり、そのためには、より安価で大量生産性に富み、より厳しい条件、例えば、高温環境下での使用に耐えるものが求められる。 Applications of energy regenerative systems using electric double layer capacitors tend to be widespread, and for this purpose, they are cheaper, more productive, and can withstand use in more severe conditions, such as high temperature environments. Is required.
また、エネルギー回生システムの形状としては、他の電子部品、回路等と同様に短小軽薄であることが求められ、より効率の良い大容量の電気二重層キャパシタが望まれている。電気二重層キャパシタに充電される電気容量は、もちろん大きい方が優れているが、電気二重層キャパシタの電気容量は、次式[I]で示されるように、作動電圧が高いほどより大容量となり有利である。 Further, the shape of the energy regeneration system is required to be short, small and light like other electronic components, circuits, etc., and a more efficient large capacity electric double layer capacitor is desired. The electric capacity charged to the electric double layer capacitor is, of course, better when it is larger, but the electric capacity of the electric double layer capacitor becomes larger as the operating voltage is higher, as shown by the following equation [I]. It is advantageous.
E=1/2CV2 ……… [I]
一般に、電気二重層キャパシタにおいては、有機電解液を用いた方がより高電圧での作動が可能であるが、最近では構成材料の進歩により、有機電解質系電気二重層キャパシタよりもさらに高電圧での使用が可能となってきている。作動電圧の測定法は後述する。
E = 1 / 2CV 2 ……… [I]
In general, in an electric double layer capacitor, an organic electrolyte can be operated at a higher voltage, but recently, due to the advancement of constituent materials, a higher voltage than an organic electrolyte electric double layer capacitor is possible. Can be used. A method for measuring the operating voltage will be described later.
また、電気二重層キャパシタの大容量化には、更なる構成部品の薄型化、分極性電極の低抵抗化も必要とされる。構成部品の薄型化は、電気二重層キャパシタの小型化・薄型化を可能にし、分極性電極の低抵抗化は、電気二重層キャパシタ自身の導電性向上、ひいては大容量化へつなげることができる。 Further, in order to increase the capacity of the electric double layer capacitor, it is necessary to further reduce the thickness of the component parts and lower the resistance of the polarizable electrode. The reduction in the thickness of the component enables the electric double layer capacitor to be reduced in size and thickness, and the reduction in the resistance of the polarizable electrode can lead to an improvement in the electric conductivity of the electric double layer capacitor itself and, consequently, an increase in capacity.
カーボンナノチューブは、その高導電性・堅牢性・高いアスペクト比等の性質から、電子放出型の電子源としての有効性が注目され、多数の検討がなされている。例えば、垂直配向性をもたせたカーボンナノチューブをパターン形成された導電性バインダーの表面へ転写する工程で電界放出型冷陰極を製造する方法(特許文献3参照)や、垂直配向性を持ったカーボンナノチューブを種々の特性を持った機能性シートに転写し固定化させ、配向性を保ちつつ、取り扱い上の利便性を高めることを目的とした三層構造のシートとする方法(特許文献4参照)や、カーボンナノチューブの成長を支持できる第一の基体上に整列したカーボンナノチューブ層を合成し、同層の上面にポリマーフィルムからなる第二の基体の層を適用し、第一の基体を除去し、第二の基体上に支持され、整列したカーボンナノチューブフィルムを提供する方法(特許文献5参照)が提案されている。
特許文献1に記載のカーボンナノチューブ導電性材料は、図3に示すように、基板上の触媒粒子を核として成長させたブラシ毛状カーボンナノチューブ(51)を導電性フィルム(52)上に実質上垂直に転写したものであるが、導電性フィルム(52)はポリエチレン層(54)を添加してなるので、耐熱性や強度に劣る。そのため、周囲温度がポリエチレンの溶融温度以上に達した場合には、導電性フィルム(52)に実質上垂直に突き刺す形で転写されたカーボンナノチューブ(51)は、垂直配向を維持できなくなり、ひどい場合には、脱落してしまう恐れがある。
As shown in FIG. 3, the carbon nanotube conductive material described in
また、ポリエチレンベースの導電性フィルムや多孔性フィルム、さらに特許文献5のポリマーフィルムは強度に劣るため、図4に示すように、導電性フィルム(52)とこれに積層された補強層(55)からなる多層フィルム(56)を用いることもある。しかし、この場合にはフィルムの全厚はどうしても大きくならざるを得なくなる。
Further, since the polyethylene-based conductive film and porous film, and the polymer film of
さらに、カーボンナノチューブの転写工程では、転写前の導電性フィルムを一旦軟化温度以上に昇温し、その状態で転写、保持しておき、その後、カーボンナノチューブを導電性フィルムに保持するためにその後軟化温度以下に冷却する必要があり、これら一連の工程には長時間を要し、生産性が劣る原因になっていた。しかも、カーボンナノチューブの転写が確実に行えず、基板上に成長させたカーボンナノチューブが残ってしまったり、逆に導電性フィルムのポリエチレン層が溶融し剥離してしまうという現象が見られた。 Furthermore, in the carbon nanotube transfer process, the conductive film before transfer is once heated above the softening temperature, transferred and held in that state, and then softened to hold the carbon nanotubes on the conductive film. It was necessary to cool to below the temperature, and a series of these steps required a long time, which was a cause of poor productivity. Moreover, carbon nanotubes could not be transferred reliably, and carbon nanotubes grown on the substrate remained, or the polyethylene layer of the conductive film melted and peeled.
特許文献2に記載のカーボンナノチューブ導電性材料は、図5に示すように、触媒粒子を核として成長させたカーボンナノチューブ(63)を、基材(61)に積層された導電性接着剤層(62)に転写するものである。しかし、接着剤としてはポリ塩化ビニル樹脂等の熱可塑性樹脂が好適とされているが、この導電性材料も前記特許文献1のものと同様に、耐熱性や溶融温度以上の高温時でのカーボンナノチューブの保持に対する信頼性に劣り、加えて、カーボンナノチューブの転写工程には、確実にカーボンナノチューブを保持するためには長時間(例えば10〜30分)を要し、生産性は依然として劣る。
As shown in FIG. 5, the carbon nanotube conductive material described in
この導電性材料を電気二重層キャパシタの分極性電極として使用する場合、転写されたカーボンナノチューブは、単に該接着剤層表面で接着されたものであるため、特許文献1の導電性材料と同等に温度変化等の外的要因によってカーボンナノチューブが脱着する恐れがあり、信頼性に劣る。
When this conductive material is used as a polarizable electrode of an electric double layer capacitor, since the transferred carbon nanotubes are simply bonded on the surface of the adhesive layer, they are equivalent to the conductive material of
さらに、導電性接着剤層は強度に劣るため、カーボンナノチューブが転写された導電性材料としては、無機または有機合成樹脂からなるフィルム、シート、薄板等の支持体を張り合わせる必要があり、導電性材料としての厚みが大きくならざるを得なかった。 Furthermore, since the conductive adhesive layer is inferior in strength, the conductive material to which the carbon nanotubes are transferred needs to be bonded to a support such as a film, sheet, or thin plate made of an inorganic or organic synthetic resin. The thickness as a material had to be large.
また、特許文献2による導電性材料を、電気二重層キャパシタ用の分極性電極として用いた場合の作動電圧は、反応電流が比較的低電圧領域で発生することから、電解液の持つ高電圧領域での使用に耐えられるものではなかった。従って、大容量電気二重層キャパシタ用の分極性電極として特性面で満足できないものとなっていた。
Further, since the reaction current is generated in a relatively low voltage region when the conductive material according to
特許文献3には、基板上にパターン化した導電性バインダー層を表面に配向性カーボンナノチューブを接着させる工程と、必要に応じて導電性バインダー層を硬化させる工程と、導電性バインダー層に接着した配向性カーボンナノチューブ部分のみを残して基板を剥離する工程とからなる電解放出型冷陰極を製造する方法が記載されている。また、可逆的接着性表面を有する可撓性基板への配向性カーボンナノチューブの転写を行うための方法、および、電極上への配向性カーボンナノチューブの固定化方法が記載されている。
In
しかしながら、この方法における導電性バインダーおよび可逆的接着性表面を有する可撓性基板に関する特性上の記載は殆どなされておらず、さらに、いずれの場合においても、転写されるカーボンナノチューブは、単に表面粘着または表面接着されたものであり、完全にかつ高い信頼性を保つように固定することを目的としたものではない。また、上記転写工程はアルゴン雰囲気中で加熱下に行われ、その後冷却を要するので、生産効率は特許文献1と同様に劣る。
However, there has been little characterization on the conductive binder and the flexible substrate having a reversible adhesive surface in this method, and in any case, the transferred carbon nanotubes are simply surface tacky. Alternatively, it is bonded to the surface and is not intended to be fixed so as to maintain complete and high reliability. Moreover, since the said transfer process is performed under heating in argon atmosphere and cooling is required after that, production efficiency is inferior similarly to
特許文献4は、図6に示すように、配向性カーボンナノチューブの移送時における汚染防止や利便性の向上を企図した三層構造の機能性シートを提案したものである。配向性カーボンナノチューブ膜(71)の両面に配置される2枚の機能性シート(72)(73)は、カーボンナノチューブ膜(71)を固定化している。カーボンナノチューブ膜(71)の固定化とは、機能性シート(72)(73)表面と配向性カーボンナノチューブ膜(71)表面が接触・接着することを意味すると記載されている。このため、特許文献4によって得られた導電性材料を電極として使用する場合には、前述の特許文献と同様に、カーボンナノチューブの配向の乱れや脱落の恐れがあり、該導電性材料はカーボンナノチューブ保持の信頼性に劣り、使用できないことがある。 As shown in FIG. 6, Patent Document 4 proposes a functional sheet having a three-layer structure intended to prevent contamination and improve convenience during the transfer of oriented carbon nanotubes. Two functional sheets (72) and (73) arranged on both surfaces of the oriented carbon nanotube film (71) fix the carbon nanotube film (71). The immobilization of the carbon nanotube film (71) is described as meaning that the surfaces of the functional sheets (72) and (73) and the surface of the oriented carbon nanotube film (71) contact and adhere. For this reason, when using the conductive material obtained by patent document 4 as an electrode, like the above-mentioned patent document, there exists a possibility that the orientation of carbon nanotube may be disordered or fallen, and this conductive material is carbon nanotube. It is inferior in holding reliability and may not be used.
このため、特許文献4によって得られた導電性材料を電極として使用する場合には、前述の特許文献と同様に、カーボンナノチューブの配向の乱れや脱落の恐れがあり、該導電性材料はカーボンナノチューブ保持の信頼性に劣り、使用できないことがある。これは、片面の機能性シートを剥離して、もう片面の機能性シートを硬化することでカーボンナノチューブ膜を固定化し、そのまま使用する場合も同様であり、カーボンナノチューブ膜は機能性シート表面との接着だけで保持されているので、この導電性材料は、電極としての使用を想定した場合やはりカーボンナノチューブ保持の信頼性に劣る。 For this reason, when using the conductive material obtained by patent document 4 as an electrode, like the above-mentioned patent document, there exists a possibility that the orientation of carbon nanotube may be disordered or fallen, and this conductive material is carbon nanotube. It is inferior in holding reliability and may not be used. The same applies to the case where the functional sheet on one side is peeled off and the functional sheet on the other side is cured to fix the carbon nanotube film and used as it is. Since the conductive material is held only by adhesion, the conductive material is still inferior in the reliability of holding the carbon nanotube when it is assumed to be used as an electrode.
従って、本発明の目的は、前記特許文献における諸問題を解決すべく、より薄型で高い導電性を保持し、強度およびカーボンナノチューブ保持の信頼性に優れ、かつ、生産効率に優れ大量生産に向いており、コスト的に有利である、カーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法を提供することにある。また、本発明は、該導電性材料が、より薄型で高い導電性を保持することができ、高電圧領域において作動が確保されることから、該導電性材料を分極性電極として用いた大容量電気二重層キャパシタ提供することをも目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems in the above-mentioned patent documents, to maintain a thinner and high conductivity, excellent in strength and reliability of carbon nanotube retention, and excellent in production efficiency and suitable for mass production. And providing a method for producing a conductive material using carbon nanotubes, which is advantageous in terms of cost. In addition, the present invention provides a large capacity in which the conductive material is used as a polarizable electrode because the conductive material can maintain a thinner and higher conductivity and the operation is ensured in a high voltage region. Another object is to provide an electric double layer capacitor.
本発明者らは、上記問題を解決すべく研究を重ねた結果、より薄型で高い導電性、強度、カーボンナノチューブ保持の信頼性を保持し、大量生産性に優れ、コスト的にも有利な、カーボンナノチューブを用いた導電性材料を製造するために、予め形成されたエポキシ樹脂組成物層の表面に対して、カーボンナノチューブが同樹脂組成物層を貫通するようにカーボンナノチューブを転写してなる導電性材料の製造方法を見出した。 As a result of repeated researches to solve the above problems, the inventors of the present invention are thinner and have higher conductivity, strength, reliability of holding carbon nanotubes, excellent mass productivity, and advantageous in cost. In order to produce a conductive material using carbon nanotubes, a conductive material formed by transferring carbon nanotubes to the surface of a previously formed epoxy resin composition layer so that the carbon nanotubes penetrate the resin composition layer. The manufacturing method of the property material was discovered.
また、該導電性材料を分極性電極として用いた場合、低抵抗化と高い作動電圧が確保されることで大容量の電気二重層キャパシタとなりうることを見出した。 Moreover, when this electroconductive material was used as a polarizable electrode, it discovered that it could become a high capacity | capacitance electric double layer capacitor by ensuring low resistance and a high operating voltage.
すなわち、本発明は、フィルムからなる基材(1)上にBステージ状態でかつ硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層(2)を形成する工程と、基板(3)上に触媒粒子を核としてカーボンナノチューブ(4)を成長させ、基板(3)上に実質上垂直配向されたカーボンナノチューブ付き基板(5)を作製する工程と、カーボンナノチューブ付き基板(5)およびエポキシ樹脂組成物層(2)を50℃以上200℃以下に加熱し、同樹脂組成物層(2)の表面にカーボンナノチューブ付き基板(5)をカーボンナノチューブ先端から押し付け、先端部をエポキシ樹脂組成物層(2)内に差し込んで同組成物層(2)を貫通させて、カーボンナノチューブ先端部を基材(1)に当接させる工程と、次いで、カーボンナノチューブ(4)をエポキシ樹脂組成物層(2)に残すように、シリコン基板(3)をカーボンナノチューブ(4)から剥離する工程と、得られたカーボンナノチューブ埋込みエポキシ樹脂組成物層付き基材(1)のエポキシ樹脂組成物層(2)を硬化させる工程と、硬化後、フィルムからなる基材(1)をエポキシ樹脂硬化物層(6)から剥離して、エポキシ樹脂硬化物層(6)にカーボンナノチューブ(4)を植え付けた導電性材料(7)を得る工程とからなり、カーボンナノチューブ(4)はエポキシ樹脂硬化物層(6)表面に対し、実質上垂直に突き刺さっており、同樹脂硬化物層(6)を貫通して反対側の面まで達した状態になっていることを特徴とする、カーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法を提供するものである。 That is, the present invention includes a step of forming an epoxy resin composition layer (2) containing a curing agent in a B-stage state on a substrate (1) made of a film, and catalyst particles as nuclei on a substrate (3). A step of growing carbon nanotubes (4) to produce a substrate (5) with carbon nanotubes that is substantially vertically aligned on the substrate (3), a substrate with carbon nanotubes (5), and an epoxy resin composition layer (2) Is heated to 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the substrate (5) with carbon nanotubes is pressed from the tip of the carbon nanotubes onto the surface of the resin composition layer (2), and the tip is inserted into the epoxy resin composition layer (2). The step of passing the composition layer (2) through and bringing the tip of the carbon nanotube into contact with the base material (1), and then the carbon nanotube (4) with the epoxy resin The step of peeling the silicon substrate (3) from the carbon nanotube (4) so as to remain in the composition layer (2), and the epoxy resin composition of the base material (1) with the obtained carbon nanotube embedded epoxy resin composition layer A step of curing the layer (2), and after curing, the base material (1) made of a film is peeled from the cured epoxy resin layer (6), and the carbon nanotubes (4) are bonded to the cured epoxy resin layer (6). The carbon nanotube (4) has pierced substantially perpendicularly to the surface of the cured epoxy resin layer (6), and the cured resin layer (6) is obtained. penetrating though in a state of reaching the opposite surface, characterized in Rukoto, there is provided a method for producing a conductive material using a carbon nanotube.
本発明において、カーボンナノチューブは、エポキシ樹脂組成物層に転写され、その表面に対して実質上垂直に突き刺さり、かつ、同樹脂組成物層を貫通させた状態を保持する。カーボンナノチューブはエポキシ樹脂組成物層を貫通することで同樹脂組成物層に確実に保持され、カーボンナノチューブ保持の信頼性は、従来技術に比べて大きく向上する。 In the present invention , the carbon nanotubes are transferred to the epoxy resin composition layer, pierced substantially perpendicularly to the surface thereof, and maintained in a state of being penetrated through the resin composition layer. The carbon nanotubes are securely held in the resin composition layer by penetrating the epoxy resin composition layer, and the reliability of holding the carbon nanotubes is greatly improved as compared with the prior art.
基板上に実質上垂直配向されたカーボンナノチューブは、公知の方法で作製できる。例えば、シリコン基板の少なくとも片面上に、ニッケル、コバルト、鉄などの金属の錯体を含む溶液をスプレーや刷毛で塗布した後、加熱し、皮膜を形成し、あるいは上記金属もしくはその化合物の粒子をクラスター銃で基板に打ち付けて皮膜を形成する。この皮膜を好ましくは不活性ガス雰囲気で好ましくは、700〜800℃で、好ましくは1〜30分間加熱し、皮膜から触媒粒子を形成する。得られた粒子状に好ましくは、アセチレンガスを用いて一般的な化学蒸着法(CVD法)を施すことにより、直径10〜38nm、長さ1〜300μm、カーボンナノチューブ同士の間隔10〜1000nmのカーボンナノチューブが多層構造で基板上に起毛される。 Carbon nanotubes that are substantially vertically aligned on the substrate can be produced by a known method. For example, a solution containing a metal complex such as nickel, cobalt, or iron is applied to at least one surface of a silicon substrate by spraying or brushing, and then heated to form a film, or cluster the particles of the metal or a compound thereof. A film is formed by striking the substrate with a gun. The coating is preferably heated in an inert gas atmosphere at 700 to 800 ° C., preferably for 1 to 30 minutes, to form catalyst particles from the coating. Preferably, carbon particles having a diameter of 10 to 38 nm, a length of 1 to 300 μm, and a distance between carbon nanotubes of 10 to 1000 nm are obtained by subjecting the obtained particles to a general chemical vapor deposition method (CVD method) using acetylene gas. Nanotubes are brushed on the substrate in a multilayer structure.
カーボンナノチューブは多層構造のものであることが好ましく、その外径は10〜30nmであることが好ましい。このようなカーボンナノチューブを分極性電極として用いて構成した電気二重層キャパシタは、良好な充放電特性を示す。 The carbon nanotubes preferably have a multilayer structure, and the outer diameter is preferably 10 to 30 nm. An electric double layer capacitor configured using such a carbon nanotube as a polarizable electrode exhibits good charge / discharge characteristics.
カーボンナノチューブが転写されるべきかつ硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層は、さらに、a)分子内にエポキシ基を3個以上もつ多官能エポキシ樹脂、b)フェノキシ樹脂、c)合成ゴムまたはその誘導体、およびd)ポリアミド樹脂またはその誘導体のうちの少なくとも1種類を含むことが好ましい。 The epoxy resin composition layer to which the carbon nanotubes are to be transferred and which contains a curing agent is further composed of a) a polyfunctional epoxy resin having three or more epoxy groups in the molecule, b) a phenoxy resin, c) a synthetic rubber or a derivative thereof. And d) it preferably contains at least one of polyamide resins or derivatives thereof.
硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物は、上記成分a)〜d)の少なくとも1種類を含むことで、適度な弾性を得られるので、カーボンナノチューブがエポキシ樹脂組成物層に転写されやすく、かつ、エポキシ樹脂組成物層を貫通した状態で保持される。 Since the epoxy resin composition containing a curing agent includes at least one of the above components a) to d), an appropriate elasticity can be obtained, so that the carbon nanotubes can be easily transferred to the epoxy resin composition layer, and the epoxy It is held in a state of penetrating the resin composition layer.
エポキシ樹脂組成物層は、さらに、導電性フィラーを含むことが好ましい。導電性フィラーの添加により、カーボンナノチューブ間の電気的な接合性が向上することで、導電性が改善し、得られた導電性材料の内部抵抗を低減させることが可能である。 The epoxy resin composition layer preferably further contains a conductive filler. By adding the conductive filler, the electrical bondability between the carbon nanotubes is improved, whereby the conductivity is improved and the internal resistance of the obtained conductive material can be reduced.
本発明は、カーボンナノチューブを用いた導電性材料を製造する方法を提供する。本発明による方法は、基板上の触媒粒子を核として成長させたカーボンナノチューブをエポキシ樹脂組成物層に転写し、その表面に対し実質上垂直方向に突き刺し、同樹脂組成物層を貫通させるに当たり、転写前に上記エポキシ樹脂組成物層を50℃以上200℃以下に加熱することを特徴とするカーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法である。 The present invention provides a method for producing a conductive material using the card must be installed carbon nanotubes. In the method according to the present invention, carbon nanotubes grown with catalyst particles on the substrate as nuclei are transferred to the epoxy resin composition layer, pierced in a direction substantially perpendicular to the surface, and penetrated through the resin composition layer. A method for producing a conductive material using carbon nanotubes, wherein the epoxy resin composition layer is heated to 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower before transfer.
本発明による導電性材料の製造方法において、上記エポキシ樹脂組成物層は、上記加熱前の段階ではBステージ状態(半硬化状態)であることが好ましい。 In the method for producing a conductive material according to the present invention, the epoxy resin composition layer is preferably in a B-stage state (semi-cured state) before the heating.
エポキシ樹脂組成物層は、上記成分a)〜d)の少なくとも1種類を含むことで、カーボンナノチューブが転写されるのに適度な弾性を持つようになり、カーボンナノチューブが同樹脂組成物層を容易に貫通することができる。 The epoxy resin composition layer contains at least one of the above components a) to d), so that the carbon nanotube has appropriate elasticity for transferring the carbon nanotube, and the carbon nanotube facilitates the resin composition layer. Can penetrate.
また、同樹脂組成物層が上記の条件で加熱される場合、カーボンナノチューブを同樹脂組成物層に貫通した状態で確実に保持することができる。加えて、同樹脂組成物層およびこれを形成するための基材の厚みを極めて薄くすることができるために、同脂組成物層へのカーボンナノチューブの転写を行った後には、基材を直ちに剥離して、目的とする導電性材料を得ることができる。したがって、転写後に強制冷却工程は不要である。 Moreover, when the same resin composition layer is heated on said conditions, a carbon nanotube can be reliably hold | maintained in the state which penetrated the same resin composition layer. In addition, since the thickness of the resin composition layer and the base material for forming the resin composition layer can be made extremely thin, the carbon nanotube is transferred to the fat composition layer immediately after the transfer of the carbon nanotubes. By peeling, a target conductive material can be obtained. Therefore, a forced cooling process is not necessary after transfer.
さらに、同樹脂組成物層をBステージ状態で上記加熱を行うことにより、カーボンナノチューブを同樹脂組成物層に確実に貫通した状態で保持することができるという効果を一段と高めることができる。 Furthermore, by heating the resin composition layer in the B-stage state, it is possible to further enhance the effect that the carbon nanotubes can be reliably held in a state of penetrating the resin composition layer.
本発明は、上記の方法により作製した導電性材料を分極性電極として用いたことを特徴とする電気二重層キャパシタを提供する。上記の導電性材料を分極性電極に用いることで、低抵抗化と高い作動電圧が確保されることで大容量の電気二重層キャパシタが実現できる。 The present invention provides an electric double layer capacitor using the conductive material produced by the above method as a polarizable electrode. By using the above conductive material for the polarizable electrode, it is possible to realize a large-capacity electric double layer capacitor by ensuring a low resistance and a high operating voltage.
また、本発明は、上記の方法により作製した導電性材料を分極性電極として用いてかつ、電解液としてイオン性液体を用いることで、さらに高い作動電圧が確保された大容量の電気二重層キャパシタが実現できる。 The present invention also provides a large-capacity electric double layer capacitor in which a higher operating voltage is secured by using the conductive material produced by the above method as a polarizable electrode and using an ionic liquid as an electrolyte. Can be realized.
電気二重層キャパシタの作動電圧は、サイクリックボルタメトリー法によって測定される反応電流を元に導き出される電位窓により決定される。電位窓は、反応電流の発生しない電圧領域の範囲であり、この範囲が大きいほど高い作動電圧が確保されることとなり、大容量化が実現できる。反応電流の発生は、一旦電気二重層キャパシタに充電した電気が外部にロスすることであり、すなわち反応電流の発生する電圧領域では、電気二重層キャパシタを作動させることが困難であることを意味する。 The operating voltage of the electric double layer capacitor is determined by a potential window derived from a reaction current measured by a cyclic voltammetry method. The potential window is a range of a voltage region in which no reaction current is generated. A larger operating range ensures a higher operating voltage, and a large capacity can be realized. The generation of the reaction current means that electricity once charged in the electric double layer capacitor is lost to the outside, that is, it is difficult to operate the electric double layer capacitor in the voltage region where the reaction current is generated. .
請求項1に記載のカーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法の発明は、例えばポリエチレンテレフタレートフィルムなどのフィルムからなる基材(1)上にBステージ状態でかつ硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層(2)を形成する工程と、シリコン基板などの基板(3)上に触媒粒子を核としてカーボンナノチューブ(4)を成長させ、基板(3)上に実質上垂直配向されたカーボンナノチューブ付き基板(5)を作製する工程と、カーボンナノチューブ付き基板(5)およびエポキシ樹脂組成物層(2)を加熱し、同樹脂組成物層(2)の表面にカーボンナノチューブ付き基板(5)をカーボンナノチューブ先端から押し付け、先端部をエポキシ樹脂組成物層(2)内に差し込んで同組成物層(2)を貫通させて、カーボンナノチューブ先端部を基材(1)に当接させる工程と、次いで、カーボンナノチューブ(4)をエポキシ樹脂組成物層(2)に残すように、基板(3)をカーボンナノチューブ(4)から剥離する工程と、得られたカーボンナノチューブ埋込みエポキシ樹脂組成物層付き基材(1)のエポキシ樹脂組成物層(2)を硬化させる工程と、硬化後、フィルムからなる基材(1)をエポキシ樹脂硬化物層(6)から剥離して、エポキシ樹脂硬化物層(6)にカーボンナノチューブ(4)を植え付けた導電性材料(7)を得る工程とからなり、カーボンナノチューブ(4)はエポキシ樹脂硬化物層(6)表面に対し、実質上垂直に突き刺さっており、同樹脂硬化物層(6)を貫通して反対側の面まで達した状態になっていることを特徴とするもので、請求項1に記載の発明によれば、加熱前のエポキシ樹脂組成物層がBステージ状態であることにより、カーボンナノチューブを同樹脂組成物層に確実に貫通した状態で保持することができる。また転写前に上記エポキシ樹脂組成物層を特定の温度範囲に加熱しておくことで、同樹脂組成物層は転写に適度な柔軟性をもち、転写されたカーボンナノチューブは同樹脂組成物層を貫通した状態に保持することができる。
本発明の方法により作製された導電性材料は、カーボンナノチューブがエポキシ樹脂組成物層を貫通する構造とすることで、強度とカーボンナノチューブ保持の信頼性に優れ、より薄型でかつ導電性が高く、作動電圧が高くて高電圧領域において作動が確保され、生産効率に優れ大量生産に向いており、コスト的にも有利である。
The invention of the method for producing a conductive material using carbon nanotubes according to
The conductive material produced by the method of the present invention has a structure in which carbon nanotubes penetrate the epoxy resin composition layer, so that the strength and reliability of holding the carbon nanotubes are excellent, thinner and highly conductive, The operation voltage is high, the operation is ensured in a high voltage region, the production efficiency is excellent, and it is suitable for mass production, which is advantageous in terms of cost.
また、カーボンナノチューブはエポキシ樹脂組成物層を貫通するので、エポキシ樹脂組成物層が基材上に形成されている場合には、基材表面と直接接触することとなる。したがって、エポキシ樹脂組成物層とその基材とからなる積層体にカーボンナノチューブを起毛させてなる導電性材料を集電電極として用いる場合は、カーボンナノチューブの持つ高い導電性が電極自体の導電性に対して相乗効果を発現させることができ、低抵抗の電極を形成することができる。 Moreover, since a carbon nanotube penetrates an epoxy resin composition layer, when the epoxy resin composition layer is formed on a base material, it will be in direct contact with the base material surface. Therefore, when a conductive material formed by raising carbon nanotubes in a laminate composed of an epoxy resin composition layer and its base material is used as a collecting electrode, the high conductivity of the carbon nanotubes becomes the conductivity of the electrode itself. On the other hand, a synergistic effect can be expressed and a low-resistance electrode can be formed.
請求項2に記載の発明によれば、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層がさらに特定の成分a)〜d)の少なくとも1種類を含むことで、請求項1に記載の発明による上記効果に加え、エポキシ樹脂組成物層は適度な弾性を有し、従ってカーボンナノチューブがエポキシ樹脂組成物層に転写されやすく、かつ、エポキシ樹脂組成物層を貫通した状態で保持される。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明によれば、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層がさらに導電性フィラーを含むことで、請求項1および2に記載の発明による上記効果に加え、カーボンナノチューブ間の電気的な接合性が向上することで、導電性が改善し、導電性材料として内部抵抗を低減させることが可能である。
According to the invention described in
請求項4に記載の発明によれば、本発明の導電性材料の製造方法により作製した導電性材料を電気二重層キャパシタの電極として使用することで、より薄型でかつ、作動電圧が高く高電圧領域において作動が確保され、大容量の電気二重層キャパシタ用材料を提供することができる。 According to the invention described in claim 4, by using the conductive material produced by the method for producing a conductive material of the present invention as an electrode of an electric double layer capacitor, it is thinner and has a high operating voltage and a high voltage. The operation is ensured in the region, and a large capacity electric double layer capacitor material can be provided.
請求項5に記載の発明によれば、請求項4に記載の発明による上記効果を一段と高めることができる。
According to invention of
以下に、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
まず、カーボンナノチューブの形成について説明をする。 First, the formation of carbon nanotubes will be described.
基板上に触媒粒子を形成し、触媒粒子を核として高温雰囲気で原料ガスからカーボンナノチューブを成長させる。基板は触媒粒子を支持するものであればよく、触媒粒子がぬれにくいものが好ましく、シリコン基板であってよい。触媒粒子は、ニッケル、コバルト、鉄などの金属粒子であってよい。これらの金属またはその錯体等の化合物の溶液をスプレーや刷毛で基板に塗布し、皮膜を形成する。皮膜の厚さは、好ましくは1〜100nmである。この皮膜を好ましくは、不活性ガス雰囲気で好ましくは700〜800℃で、好ましくは1〜30分間加熱し、触媒粒子を形成する。 Catalyst particles are formed on a substrate, and carbon nanotubes are grown from a raw material gas in a high temperature atmosphere using the catalyst particles as nuclei. The substrate is not particularly limited as long as it supports the catalyst particles, and is preferably one in which the catalyst particles are not easily wetted, and may be a silicon substrate. The catalyst particles may be metal particles such as nickel, cobalt, and iron. A solution of a compound such as these metals or their complexes is applied to the substrate by spraying or brushing to form a film. The thickness of the film is preferably 1 to 100 nm. This film is preferably heated in an inert gas atmosphere at 700 to 800 ° C., preferably for 1 to 30 minutes, to form catalyst particles.
カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレン等の脂肪族炭化水素が使用でき、とりわけアセチレンガスが好ましい。アセチレンの場合、CVD法により、多層構造で太さ12〜60nmのカーボンナノチューブが触媒粒子を核として基板上にブラシ状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは650〜800℃である。 As a raw material gas for carbon nanotubes, aliphatic hydrocarbons such as acetylene, methane, and ethylene can be used, and acetylene gas is particularly preferable. In the case of acetylene, carbon nanotubes having a multilayer structure and a thickness of 12 to 60 nm are formed in a brush shape on a substrate with catalyst particles as nuclei by a CVD method. The formation temperature of the carbon nanotube is preferably 650 to 800 ° C.
つぎに、エポキシ樹脂組成物について、説明をする。 Next, the epoxy resin composition will be described.
本発明において、エポキシ樹脂組成物で用いられるエポキシ樹脂は、分子内にグリシジル基を2個以上有するものであればよい。エポキシ樹脂の例としては、ジグリジジルエーテル型、ジグリシジルエステル型、グリジジルアミン型、線状脂肪族エポキサイド型、脂環族エポキサイド型等を挙げることができる。これらは1種類を使用してもよいし2以上の組み合わせを使用してもよい。 In the present invention, the epoxy resin used in the epoxy resin composition, as long as it has two or more glycidyl groups in the molecular. Examples of the epoxy resin include diglycidyl ether type, diglycidyl ester type, glycidyl amine type, linear aliphatic epoxide type, and alicyclic epoxide type. One of these may be used, or a combination of two or more may be used.
また、エポキシ樹脂は、公知の手法による変性がなされたものであってもよい。 The epoxy resin may be modified by a known method.
エポキシ樹脂は、室温において液状、半固形、固形いずれであってもよいが、エポキシ樹脂組成物は、取り扱いやすくするために、単独または混合の有機溶剤や反応性希釈剤を含むことが好ましい。反応性希釈剤としては、1官能、2官能、多官能等種々のものが適宜使用できる。有機溶剤としては、メタノール、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、メチルセロソルブ、ジメチルフォルムアミド等が適宜使用できる。 The epoxy resin may be liquid, semi-solid, or solid at room temperature, but the epoxy resin composition preferably contains a single or mixed organic solvent or reactive diluent for easy handling. Various reactive diluents such as monofunctional, bifunctional, and polyfunctional can be used as appropriate. As the organic solvent, methanol, acetone, methyl ethyl ketone, toluene, methyl cellosolve, dimethylformamide and the like can be used as appropriate.
エポキシ樹脂組成物は硬化剤を含むが、硬化剤としては、例えば脂肪族、脂環族、芳香族等のポリアミン;ポリアミドアミン;変成ポリアミン;ヘキサヒドロ無水フタル酸、ドデセニル無水コハク酸、無水トリメリット酸等の酸無水物;2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール等のイミダゾールおよびその誘導体;ジシアンジアミドまたはその誘導体;セバチン酸ジヒドラジド等の有機酸ジヒドラジド;3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1ジメチル尿素等の尿素誘導体;フッ化ホウ素−モノエチルアミン錯体やフェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリイソシアネート化合物、ジアミノジフェニルスルフォン等を挙げることができる。硬化剤は、使用されるエポキシ樹脂と重付加反応、付加重合反応して架橋硬化するものであれば、いずれも使用することができ、特に限定されることは無い。硬化剤は、1種類を使用してもよいし2以上の組み合わせを使用してもよい。 The epoxy resin composition contains a curing agent. Examples of the curing agent include aliphatic, alicyclic and aromatic polyamines; polyamidoamines; modified polyamines; hexahydrophthalic anhydride, dodecenyl succinic anhydride, trimellitic anhydride Acid anhydrides such as 2-imidazole and derivatives thereof such as 2-methylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole; dicyandiamide or derivatives thereof; organic acid dihydrazides such as sebacic acid dihydrazide; 3- (3,4-dichlorophenyl)- Examples include urea derivatives such as 1,1 dimethylurea; boron fluoride-monoethylamine complex, phenol resin, amino resin, polyisocyanate compound, diaminodiphenyl sulfone and the like. Any curing agent can be used as long as it is crosslinked and cured by a polyaddition reaction or an addition polymerization reaction with the epoxy resin used, and is not particularly limited. One type of curing agent may be used, or a combination of two or more may be used.
エポキシ樹脂組成物には、他の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂をブレンドすることも可能である。また、必要な特性を付与させるために、有機、無機の添加剤、フィラーを添加することが好ましい。 The epoxy resin composition can be blended with other thermosetting resins or thermoplastic resins. Moreover, in order to give a required characteristic, it is preferable to add an organic and inorganic additive and a filler.
硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層は、さらに、a)分子内にエポキシ基を3個以上もつ多官能エポキシ樹脂、b)フェノキシ樹脂、c)合成ゴムまたはその誘導体、およびd)ポリアミド樹脂またはその誘導体のうちの少なくとも1種類を含むことが好ましい。 The epoxy resin composition layer containing a curing agent further includes a) a polyfunctional epoxy resin having three or more epoxy groups in the molecule, b) a phenoxy resin, c) a synthetic rubber or a derivative thereof, and d) a polyamide resin or a mixture thereof. It is preferable to include at least one of the derivatives.
a)分子内にエポキシ基を3個以上もつ多官能エポキシ樹脂としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリグリシジル−p−アミノフェノール、トリグリシジルイソシアヌレート、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン等の多官能エポキシ樹脂を挙げることができる。これらの多官能エポキシ樹脂のうち、フェノールノボラック型エポキシ樹脂またはクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を使用することが、エポキシ樹脂組成物層の耐熱性およびカーボンナノチューブの転写のしやすさ等から好ましい。 a) Polyfunctional epoxy resins having 3 or more epoxy groups in the molecule include phenol novolac epoxy resins, cresol novolac epoxy resins, triglycidyl-p-aminophenol, triglycidyl isocyanurate, tetraglycidyl metaxylenediamine, Polyfunctional epoxy resins such as tetraglycidyldiaminodiphenylmethane and tetraglycidyl-1,3-bisaminomethylcyclohexane can be exemplified. Of these polyfunctional epoxy resins, it is preferable to use a phenol novolac type epoxy resin or a cresol novolac type epoxy resin from the viewpoint of the heat resistance of the epoxy resin composition layer and the ease of transfer of the carbon nanotubes.
また、上記多官能エポキシ樹脂を、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物に添加する場合には、同硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物100質量部に対して5〜50質量部添加することが好ましい。この添加量が5質量部より少ないか50質量部より多いと、同硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物層を貫通する形でのカーボンナノチューブの転写が困難になる。 Moreover, when adding the said polyfunctional epoxy resin to the epoxy resin composition containing a hardening | curing agent, it is preferable to add 5-50 mass parts with respect to 100 mass parts of epoxy resin compositions containing the same hardening | curing agent . When this addition amount is less than 5 parts by mass or more than 50 parts by mass, it becomes difficult to transfer the carbon nanotubes through the epoxy resin composition layer containing the same curing agent .
b)フェノキシ樹脂は、線状エポキシ樹脂のうち、一般的に分子量が30000以上のものであって、熱可塑性樹脂的な特性を持つ。本発明においては、基本構造がビスフェノールA型、ビスフェノールF型のいずれのものも使用することができる。また、臭素、リン等による難燃化変性、その他の官能基による変性がなされているものも使用することができる。このような変性体の例としては、東都化成社の「フェノトート」等が挙げられる。 b) A phenoxy resin is generally a linear epoxy resin having a molecular weight of 30000 or more, and has a thermoplastic resin characteristic. In the present invention, those having a basic structure of either bisphenol A type or bisphenol F type can be used. In addition, flame retardant modification with bromine, phosphorus or the like, or modification with other functional groups can also be used. An example of such a modified product is “Phenotote” manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.
フェノキシ樹脂を、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物100質量部に対し5〜45質量部添加することにより、適度な剛性、柔軟性が付与されるため、エポキシ樹脂組成物層を貫通する形でのカーボンナノチューブの転写が可能となる。この添加量が5質量部より少なくおよび50質量部より多くなると、同樹脂組成物層を貫通する形でのカーボンナノチューブの転写ができない。 By adding 5 to 45 parts by mass of the phenoxy resin to 100 parts by mass of the epoxy resin composition containing a curing agent , moderate rigidity and flexibility are imparted, so that the epoxy resin composition layer is penetrated. The carbon nanotube can be transferred. When this addition amount is less than 5 parts by mass and more than 50 parts by mass , the carbon nanotubes cannot be transferred in a form penetrating the resin composition layer.
c)合成ゴムは、スチレンブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロルヒドリンゴム等であってよい。合成ゴムの誘導体は、合成ゴムの水素化、カルボキシル化等の変性による誘導体であってよい。中高ニトリル型、高ニトリル型のアクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル化アクリロニトリルブタジエンゴムは、カーボンナノチューブを転写するにあたってエポキシ樹脂組成物層が適切な柔軟性、剛性を得られることから好ましい。その一例としては、日本ゼオン社製「Nipol」等が挙げられる。合成ゴムまたはその誘導体をエポキシ樹脂組成物に添加することにより、エポキシ樹脂組成物層に柔軟性、剛性が付与されるため、同樹脂組成物層を貫通する形でのカーボンナノチューブの転写が可能となる。 c) The synthetic rubber may be styrene butadiene rubber, polyisoprene rubber, acrylonitrile butadiene rubber, epichlorohydrin rubber or the like. The derivative of the synthetic rubber may be a derivative obtained by modification such as hydrogenation or carboxylation of the synthetic rubber. Medium / high nitrile type, high nitrile type acrylonitrile butadiene rubber and carboxylated acrylonitrile butadiene rubber are preferable because the epoxy resin composition layer can obtain appropriate flexibility and rigidity when transferring carbon nanotubes. As an example, “Nipol” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. can be mentioned. By adding synthetic rubber or its derivative to the epoxy resin composition, flexibility and rigidity are imparted to the epoxy resin composition layer, so that carbon nanotubes can be transferred through the resin composition layer. Become.
また、これらの合成ゴムをエポキシ樹脂に変性させた、いわゆるゴム変性エポキシ樹脂を使用することも可能である。 It is also possible to use so-called rubber-modified epoxy resins obtained by modifying these synthetic rubbers with epoxy resins.
合成ゴムまたはその誘導体の添加量は、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物100質量部に対し5〜50質量部である。添加量が5質量部以下であると、同樹脂組成物にカーボンナノチューブを転写することが困難となり、50質量部以上になると転写されたカーボンナノチューブが同樹脂組成物層に保持することが困難となる。 The addition amount of synthetic rubber or its derivative is 5-50 mass parts with respect to 100 mass parts of epoxy resin compositions containing a hardening | curing agent . When the addition amount is 5 parts by mass or less, it is difficult to transfer the carbon nanotubes to the resin composition. When the addition amount is 50 parts by mass or more, it is difficult to hold the transferred carbon nanotubes in the resin composition layer. Become.
合成ゴムまたはその誘導体には、ゴム自体の強度、接着性等を向上させるために適当な加硫剤、例えば、フェノール樹脂およびその誘導体等を併用することもできる。フェノール樹脂およびその誘導体は、合成ゴムまたはその誘導体100質量部に対して5〜20質量部添加することが好ましい。 A synthetic rubber or a derivative thereof may be used in combination with a suitable vulcanizing agent such as a phenol resin and a derivative thereof in order to improve the strength and adhesiveness of the rubber itself. The phenol resin and its derivative are preferably added in an amount of 5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the synthetic rubber or its derivative.
d)ポリアミド樹脂は、基本構造が6−ナイロン、6,6−ナイロン等のいずれのものであってもよく、それらの共重合体であってもよい。その一例として、東レ社製の共重合ナイロン「アミラン」のCM4000、CM8000が挙げられる。また、日本化薬社製の「カヤフレックス」等の分子構造内にポリアミド基を持つエラストマーや合成樹脂等も使用することができる。ポリアミド樹脂またはその誘導体は、粉状微粒子、室温において液状、固形のいずれの形状のものであってもよく、有機溶媒等適度な溶媒に溶解・分散させた形で添加することができる。 d) The polyamide resin may have any basic structure such as 6-nylon or 6,6-nylon, or a copolymer thereof. As an example, CM4000 and CM8000 of copolymer nylon “Amilan” manufactured by Toray are listed. Further, elastomers or synthetic resins having a polyamide group in the molecular structure such as “Kayaflex” manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd. can be used. The polyamide resin or derivative thereof may be in the form of fine powder particles, liquid or solid at room temperature, and can be added in a form dissolved or dispersed in an appropriate solvent such as an organic solvent.
ポリアミド樹脂またはその誘導体の添加により、カーボンナノチューブの転写時においての適度な柔軟性と保持性を同樹脂組成物層に付与することができる。 By adding a polyamide resin or a derivative thereof, moderate flexibility and retention at the time of transferring the carbon nanotube can be imparted to the resin composition layer.
ポリアミド樹脂またはその誘導体の添加量は、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物100質量部に対して好ましくは5〜60質量部である。この添加量が5質量部以下であると、同樹脂組成物層の柔軟性が不足し、60質量部よりも多くなると、転写されたカーボンナノチューブが同樹脂組成物層に保持することが困難となる。 The amount of the polyamide resin or derivative thereof added is preferably 5 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin composition containing the curing agent . When the addition amount is less than 5 parts by mass, insufficient flexibility of the tree fat composition layer, if larger than 60 parts by weight, it is difficult to transfer carbon nanotubes is maintained at the same resin composition layer It becomes.
本発明の方法により作製された導電性材料にさらに導電性を付与するためには、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物に導電性フィラーを含めることが好ましい。導電性フィラーとしてはカーボンナノチューブ片、カーボンナノホーン片、カーボンナノコイル片、導電性炭素繊維、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系導電性片または炭素系導電性粉末が例示される。これらは、導電性材料の電気二重層キャパシタへの使用の際、電解液等への影響が無く、さらに電極自体の低抵抗化を達成することができる。 In order to further impart conductivity to the conductive material produced by the method of the present invention, it is preferable to include a conductive filler in the epoxy resin composition containing a curing agent . Examples of the conductive filler include carbon-based conductive pieces such as carbon nanotube pieces, carbon nanohorn pieces, carbon nanocoil pieces, conductive carbon fibers, graphite, and carbon black, or carbon-based conductive powders. These have no influence on the electrolytic solution or the like when the conductive material is used for the electric double layer capacitor, and can further reduce the resistance of the electrode itself.
つぎに、カーボンナノチューブの転写について、説明をする。 Next, the transfer of carbon nanotubes will be described.
まず、金属箔等の無機材料や耐熱フィルムからなる基材の表面に、硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物をコーター、ドクターブレード等で塗工することにより、エポキシ樹脂組成物層を形成する。金属箔としては、銅箔、ステンレス箔、アルミニウム箔が入手のしやすさや経済性等の面から好ましい。耐熱性フィルムはポリエチレンテレフタレートフィルムであることが好ましい。 First, an epoxy resin composition layer is formed by applying an epoxy resin composition containing a curing agent to the surface of a base material made of an inorganic material such as a metal foil or a heat-resistant film using a coater, a doctor blade, or the like. As the metal foil, a copper foil, a stainless steel foil, and an aluminum foil are preferable from the viewpoints of easy availability and economy. The heat resistant film is preferably a polyethylene terephthalate film.
エポキシ樹脂組成物層の厚みは、好ましくは0.1〜1000μmであり、さらに好ましくは、10〜200μmである。同樹脂組成物層の厚みが0.1μmよりも小さいと、カーボンナノチューブを確実に保持することができず、1000μmよりも大きいと同樹脂組成物層を形成することが著しく困難となり、生産性に劣る。 The thickness of the epoxy resin composition layer is preferably 0.1 to 1000 μm, more preferably 10 to 200 μm. If the thickness of the resin composition layer is smaller than 0.1 μm, the carbon nanotubes cannot be reliably held. If the thickness is larger than 1000 μm, it becomes extremely difficult to form the resin composition layer, which increases productivity. Inferior.
エポキシ樹脂組成物層へのカーボンナノチューブの転写工程は、基材表面へのエポキシ樹脂組成物の塗工後、溶剤を蒸発させ同樹脂組成物を乾燥させた段階で行われる。 The process of transferring the carbon nanotubes to the epoxy resin composition layer is performed at a stage where the solvent is evaporated and the resin composition is dried after the epoxy resin composition is applied to the substrate surface.
また、適当な離型性をもった金属箔や耐熱フィルム等からなる基材にエポキシ樹脂組成物を塗工し、乾燥後、同樹脂組成物と基材からなる積層体から同樹脂組成物層を剥離することで、エポキシ樹脂組成物フィルムを形成し、これにカーボンナノチューブを転写することもできる。 In addition, the epoxy resin composition is applied to a base material made of a metal foil or a heat-resistant film having appropriate releasability, and after drying, the resin composition layer is formed from a laminate comprising the resin composition and the base material. Is peeled to form an epoxy resin composition film, and carbon nanotubes can be transferred to the film.
基板に成長させたカーボンナノチューブを先端から、エポキシ樹脂組成物層に押し付けることにより、同樹脂組成物層に植え付ける。その後、カーボンナノチューブを同樹脂組成物層に残して基板だけをカーボンナノチューブから剥離する。 The carbon nanotubes grown on the substrate are planted in the resin composition layer by pressing them against the epoxy resin composition layer from the tip. Thereafter, the carbon nanotubes are left in the resin composition layer, and only the substrate is peeled off from the carbon nanotubes.
こうして基板からエポキシ樹脂組成物層へのカーボンナノチューブの転写を完了し、ブラシ状カーボンナノチューブを用いた導電性材料を得る。ブラシ状カーボンナノチューブは、エポキシ樹脂組成物層を貫通している状態となり、エポキシ樹脂組成物層に確実に転写されることとなる。 Thus, the transfer of the carbon nanotubes from the substrate to the epoxy resin composition layer is completed, and a conductive material using the brush-like carbon nanotubes is obtained. The brush-like carbon nanotubes are in a state of penetrating the epoxy resin composition layer, and are reliably transferred to the epoxy resin composition layer.
転写を行う際のエポキシ樹脂組成物層は、好ましくは50℃以上200℃以下であり、より好ましくは60〜160℃である。この加熱は好ましくは遠赤外線または電磁誘導加熱方式で行われる。加熱時間は例えば1〜20分、好ましくは3〜10分であってよい。この温度範囲の条件下でカーボンナノチューブの転写を行うことにより、同樹脂組成物層は転写に適度な柔軟性をもつ温度に加熱され、転写されたカーボンナノチューブは同樹脂組成物層を貫通した状態となり、同時に転写が終了した後もカーボンナノチューブを確実に貫通状態に保持することができる。エポキシ樹脂組成物層の温度が、50℃以下であると、カーボンナノチューブが貫通した状態で転写することができず、200℃以上であると、カーボンナノチューブを転写させたときに、垂直に配向した状態に維持することが困難になる。 The epoxy resin composition layer at the time of transferring is preferably 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 60 to 160 ° C. This heating is preferably performed by far infrared or electromagnetic induction heating. The heating time may be, for example, 1 to 20 minutes, preferably 3 to 10 minutes. By transferring the carbon nanotubes under this temperature range, the resin composition layer is heated to a temperature having an appropriate flexibility for transfer, and the transferred carbon nanotubes penetrate the resin composition layer. At the same time, the carbon nanotubes can be reliably held in the penetrating state even after the transfer is completed. When the temperature of the epoxy resin composition layer is 50 ° C. or lower, the carbon nanotubes cannot be transferred in a penetrating state. When the temperature is 200 ° C. or higher, the carbon nanotubes are vertically aligned when transferred. It becomes difficult to maintain the state.
また、同樹脂組成物層は、上記加熱前の段階において、Bステージ状態にしておくことで、カーボンナノチューブは同樹脂組成物層により確実に貫通させることができる。 Moreover, the carbon nanotube can be reliably penetrated by the resin composition layer by setting the resin composition layer in a B stage state before the heating.
エポキシ樹脂組成物層にカーボンナノチューブを転写した後、エポキシ樹脂組成物層を、必要に応じて、加熱等により硬化させる。これにより、カーボンナノチューブを同樹脂組成物層に貫通した状態で確実に固定させることができる。 After transferring the carbon nanotubes to the epoxy resin composition layer, the epoxy resin composition layer is cured by heating or the like, if necessary. Thereby, a carbon nanotube can be reliably fixed in the state which penetrated the resin composition layer.
カーボンナノチューブはエポキシ樹脂組成物層表面に対し、実質上垂直に突き刺さっており、これを貫通して反対側の面まで達した状態になっている。 The carbon nanotubes are pierced substantially perpendicularly to the surface of the epoxy resin composition layer, and have penetrated through this to reach the opposite surface.
最後に、カーボンナノチューブを用いた電気二重層キャパシタについて、説明をする。 Finally, an electric double layer capacitor using carbon nanotubes will be described.
本発明の方法により作製した導電性材料を分極性電極として用いて電気二重層キャパシタを構成するには、例えば、一方の電極のカーボンナノチューブと他方の電極のカーボンナノチューブとを非接触状に互いに向き合わせ、カーボンナノチューブに電解液を含浸させ、これら全体を容器内に配置する。 In order to construct an electric double layer capacitor using the conductive material produced by the method of the present invention as a polarizable electrode, for example, the carbon nanotubes of one electrode and the carbon nanotubes of the other electrode face each other in a non-contact manner. In addition, carbon nanotubes are impregnated with an electrolytic solution, and the whole is placed in a container.
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited thereto.
[実施例1]
(第1工程)
図1aにおいて、まず、ポリエチレンテレフタレートフィルムからなる基材(1)上にビスフェノールA型固形エポキシ樹脂(旭化成社製、「AER−6051」)、硬化剤としてのジシアンジアミド、多官能エポキシ樹脂としてフェノールノボラック変性エポキシ樹脂(大日本インキ化学社製、「エピクロンN−770」、希釈用有機溶媒であるメチルエチルケトンからなるエポキシ樹脂組成物をドクターブレードで厚み10μmとなるように塗工し、150℃で3分間加熱することで、有機溶剤を蒸発させてBステージ状態のエポキシ樹脂組成物層(2)を形成した。
[Example 1]
(First step)
In FIG. 1a, first, a bisphenol A type solid epoxy resin (AER-6051, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), a dicyandiamide as a curing agent, and a phenol novolac modified as a polyfunctional epoxy resin on a substrate (1) made of a polyethylene terephthalate film. Epoxy resin (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd., “Epicron N-770”, an epoxy resin composition consisting of methyl ethyl ketone, an organic solvent for dilution, was applied with a doctor blade to a thickness of 10 μm and heated at 150 ° C. for 3 minutes. As a result, the organic solvent was evaporated to form the B-stage epoxy resin composition layer (2).
(第2工程)
図1bにおいて、CVD法により、シリコン基板(3)上に触媒粒子を核として直径10nm、長さ200μm、カーボンナノチューブ同士の間隔100nmのカーボンナノチューブ(4)を成長させ、カーボンナノチューブ付き基板(5)を作製した。
(Second step)
In FIG. 1b, carbon nanotubes (4) having a diameter of 10 nm, a length of 200 μm, and a spacing of 100 nm between carbon nanotubes are grown on a silicon substrate (3) by a CVD method, using a catalyst particle as a nucleus. Was made.
(第3工程)
図1cにおいて、カーボンナノチューブ付き基板(5)およびエポキシ樹脂組成物層(2)を遠赤外線で130℃に加熱し、同樹脂組成物層(2)の表面にカーボンナノチューブ付き基板(5)をカーボンナノチューブ先端から押し付け、図1dに示すように、先端部をエポキシ樹脂組成物層(2)内に差し込んで同組成物層(2)を貫通させた。カーボンナノチューブ先端部は基材(1)に当接している。
(Third step)
In FIG. 1c, the substrate with carbon nanotubes (5) and the epoxy resin composition layer (2) are heated to 130 ° C. with far infrared rays, and the substrate with carbon nanotubes (5) is carbonized on the surface of the resin composition layer (2). It pressed from the nanotube front-end | tip, and as shown to FIG. 1 d, the front-end | tip part was inserted in the epoxy resin composition layer (2), and the same composition layer (2) was penetrated. The tip of the carbon nanotube is in contact with the substrate (1).
(第4工程)
次いで、図1eに示すように、カーボンナノチューブ(4)をエポキシ樹脂組成物層(2)に残すように、シリコン基板(3)をカーボンナノチューブ(4)から機械的に剥離した。こうして、基板からエポキシ樹脂組成物層へのカーボンナノチューブの転写を完了した。シリコン基板(3)にはカーボンナノチューブ(4)は残存せず、シリコン基板(3)からエポキシ樹脂組成物層(2)へのカーボンナノチューブ転写は問題なく行うことができていた。
(4th process)
Next, as shown in FIG. 1e, the silicon substrate (3) was mechanically peeled from the carbon nanotubes (4) so as to leave the carbon nanotubes (4) in the epoxy resin composition layer (2). Thus, the transfer of the carbon nanotubes from the substrate to the epoxy resin composition layer was completed. The carbon nanotube (4) did not remain on the silicon substrate (3), and the carbon nanotube transfer from the silicon substrate (3) to the epoxy resin composition layer (2) could be performed without any problem.
(第5工程)
得られたカーボンナノチューブ埋込みエポキシ樹脂組成物層付き基材(1)をオーブン中で温度150℃で加熱してエポキシ樹脂組成物層(2)を硬化させた。
(5th process)
The obtained carbon nanotube-embedded substrate (1) with an epoxy resin composition layer was heated in an oven at a temperature of 150 ° C. to cure the epoxy resin composition layer (2).
(第6工程)
硬化後、基材(1)をエポキシ樹脂硬化物層(6)から機械的に剥離して、図1fに示すように、エポキシ樹脂硬化物層(6)にカーボンナノチューブ(4)を植え付けた導電性材料(7)を得た。カーボンナノチューブ(4)はエポキシ樹脂硬化物層(6)表面に対し、実質上垂直に突き刺さっており、同樹脂硬化物層(6)を貫通して反対側の面まで達した状態になっていることが確認された。
(6th process)
After curing, the base material (1) is mechanically peeled from the cured epoxy resin layer (6), and the carbon nanotubes (4) are implanted in the cured epoxy resin layer (6) as shown in FIG. 1f. Sex material (7) was obtained. The carbon nanotube (4) has pierced substantially perpendicularly to the surface of the cured epoxy resin layer (6), and has penetrated through the cured resin layer (6) to reach the opposite surface. It was confirmed.
[実施例2]
(第1工程)
図2において、実施例1の第1工程で用いたエポキシ樹脂組成物に導電性フィラーとして、導電性炭素繊維をエポキシ樹脂組成物100質量部に対し10質量部添加し、得られた混合物を厚さ25μmのアルミニウム箔(8)に塗工して、エポキシ樹脂組成物層(2)を形成した以外は、実施例1の第1工程と同じ操作を行った。
[Example 2]
(First step)
In FIG. 2, 10 parts by mass of conductive carbon fiber is added to 100 parts by mass of the epoxy resin composition as a conductive filler to the epoxy resin composition used in the first step of Example 1, and the resulting mixture is thickened. The same operation as the 1st process of Example 1 was performed except having applied to the 25-micrometer-thick aluminum foil (8), and forming the epoxy resin composition layer (2).
(第2工程〜第5工程)
第2工程〜第5工程では、実施例1の対応する工程と同様の操作を行った。カーボンナノチューブ(4)はエポキシ樹脂組成物層(2)に対して実質上垂直に突き刺さっており、同樹脂組成物層(2)を貫通している状態が確認された。実施例1と同様に、シリコン基板にはカーボンナノチューブはなく、シリコン基板からエポキシ樹脂組成物層(2)へのカーボンナノチューブ転写は問題なく行うことができていた。
(2nd to 5th steps)
In the second to fifth steps, the same operations as those in the corresponding steps in Example 1 were performed. The carbon nanotube (4) was pierced substantially perpendicularly to the epoxy resin composition layer (2), and the state of penetrating the resin composition layer (2) was confirmed. As in Example 1, there was no carbon nanotube on the silicon substrate, and carbon nanotube transfer from the silicon substrate to the epoxy resin composition layer (2) could be performed without any problem.
(第6工程)
硬化後、アルミニウム箔(8)をエポキシ樹脂硬化物層から機械的に剥離して、エポキシ樹脂硬化物層にカーボンナノチューブ植え付けた導電性材料を得た。カーボンナノチューブ(4)はエポキシ樹脂硬化物層の表面に対し、実質上垂直に突き刺さっており、これを貫通して反対側の面まで達した状態になっていることが確認された。
(6th process)
After curing, the aluminum foil (8) was mechanically peeled from the cured epoxy resin layer to obtain a conductive material in which carbon nanotubes were planted in the cured epoxy resin layer. It was confirmed that the carbon nanotube (4) was pierced substantially perpendicularly to the surface of the cured epoxy resin layer, and reached the opposite surface through the carbon nanotube (4).
[実施例3]
実施例1および実施例2にて得られた導電性材料を分極性電極とし、電解液には、イオン性液体である四フッ化硼酸N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム塩(電位窓が5.5Vまで有するもの)を用いて、電気二重層キャパシタを作製した。
[Example 3]
The conductive material obtained in Example 1 and Example 2 was used as a polarizable electrode, and the electrolyte used was an ionic liquid tetrafluoroborate N, N-diethyl-N-methyl-N- (2- An electric double layer capacitor was fabricated using a methoxyethyl) ammonium salt (having a potential window up to 5.5V).
前記電気二重層キャパシタの正極・負極間に電圧を印加し、サイクリックボルタメトリーにより、反応電流を測定した。その結果、3.5Vまでの電位窓領域において、反応電流は認められず、電気二重層キャパシタとして高い電圧領域での作動が可能であることがわかった。 A voltage was applied between the positive electrode and the negative electrode of the electric double layer capacitor, and the reaction current was measured by cyclic voltammetry. As a result, no reaction current was observed in the potential window region up to 3.5 V, and it was found that the electric double layer capacitor can operate in a high voltage region.
[比較例1]
(第1工程)
ポリエチレンテレフタレートフィルムからなる基材上に熱可塑性樹脂(ポリ塩化ビニル)をバインダーとした導電性接着剤を厚み10μmとなるように塗工し、有機溶剤を蒸発させて塗工層を乾燥させ、導電性接着剤層を形成した。
[Comparative Example 1]
(First step)
A conductive adhesive using a thermoplastic resin (polyvinyl chloride) as a binder is coated on a base material made of polyethylene terephthalate film to a thickness of 10 μm, the organic solvent is evaporated, and the coating layer is dried. An adhesive layer was formed.
(第2工程)
実施例1の第2工程と同様の操作を行い、カーボンナノチューブ付き基板を作製した。
(Second step)
The same operation as in the second step of Example 1 was performed to prepare a substrate with carbon nanotubes.
(第3工程)
上記カーボンナノチューブ付き基板を、上記導電性接着剤層に常温でカーボンナノチューブ先端から押し付けて先端部を導電性接着剤内に差し込んだ。その後、導電性接着剤層が十分に硬化するまでに10分間を要した。
(Third step)
The substrate with carbon nanotubes was pressed against the conductive adhesive layer from the tip of the carbon nanotubes at room temperature, and the tip was inserted into the conductive adhesive. Thereafter, it took 10 minutes for the conductive adhesive layer to fully cure.
(第4工程)
次いで、カーボンナノチューブを導電性接着剤層に残すように、シリコン基板をカーボンナノチューブから機械的に剥離した。こうして、基板からエポキシ樹脂組成物層へのカーボンナノチューブの転写を完了した。しかし、基板上にはカーボンナノチューブが一部残っており、転写が良好に進んでいなかった。
(4th process)
Next, the silicon substrate was mechanically peeled from the carbon nanotubes so as to leave the carbon nanotubes in the conductive adhesive layer. Thus, the transfer of the carbon nanotubes from the substrate to the epoxy resin composition layer was completed. However, some carbon nanotubes remained on the substrate, and transfer did not proceed well.
(第5工程)
カーボンナノチューブ転写導電性接着剤層付き基材から基材を機械的に剥離しようとしたが、導電性接着剤層に破れが生じた。また、カーボンナノチューブは導電性接着剤層に実質上垂直に突き刺さっていたが、これを貫通して反対側の面まで達した状態になっていなかった。
(5th process)
An attempt was made to mechanically peel the substrate from the substrate with the carbon nanotube transfer conductive adhesive layer, but the conductive adhesive layer was torn. Moreover, although the carbon nanotube pierced substantially perpendicularly to the conductive adhesive layer, it did not reach the opposite surface through the carbon nanotube.
本発明のカーボンナノチューブを用いた導電性材料の製造方法により作製された導電性材料は、例えば、大容量の電気を蓄えることが可能な電気二重層キャパシタの主構成部材である分極性電極として適用できる。 The conductive material produced by the method for producing a conductive material using the carbon nanotube of the present invention is applied as, for example, a polarizable electrode which is a main component of an electric double layer capacitor capable of storing a large amount of electricity. it can.
(1) 基材
(2) エポキシ樹脂組成物層
(3) シリコン基板
(4) カーボンナノチューブ
(5) カーボンナノチューブ付き基板
(6) エポキシ樹脂硬化物層
(7) 導電性材料
(8) アルミニウム箔
(1) Base material (2) Epoxy resin composition layer (3) Silicon substrate (4) Carbon nanotube (5) Substrate with carbon nanotube (6) Epoxy resin cured material layer (7) Conductive material (8) Aluminum foil
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