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WO2011018935A1 - 組成物およびカーボンナノチューブ含有膜 - Google Patents

組成物およびカーボンナノチューブ含有膜 Download PDF

Info

Publication number
WO2011018935A1
WO2011018935A1 PCT/JP2010/062296 JP2010062296W WO2011018935A1 WO 2011018935 A1 WO2011018935 A1 WO 2011018935A1 JP 2010062296 W JP2010062296 W JP 2010062296W WO 2011018935 A1 WO2011018935 A1 WO 2011018935A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
silica particles
silica
composition
carbon nanotube
dispersion
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/062296
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
民智明 安藤
智隆 篠田
青木　修
Original Assignee
Jsr株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2009187616A external-priority patent/JP2011037677A/ja
Priority claimed from JP2009187615A external-priority patent/JP2011037676A/ja
Application filed by Jsr株式会社 filed Critical Jsr株式会社
Publication of WO2011018935A1 publication Critical patent/WO2011018935A1/ja

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/22—Expanded, porous or hollow particles
    • C08K7/24—Expanded, porous or hollow particles inorganic

Definitions

  • the present invention relates to a composition containing carbon nanotubes, and a carbon nanotube-containing film formed using the composition.
  • Carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “CNT”) have a structure that is formed by rolling a uniform flat graphite into a cylindrical shape. Both ends of the CNT are closed like a fullerene hemisphere, and always have six 5-membered rings. Since CNT has such a unique structure, it has various characteristics, and its application is being studied in a wide range of fields.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-88341 proposes a method of dispersing CNTs in a conjugated polymer solution.
  • the present invention provides a composition that can be applied, and a carbon nanotube-containing film formed from the composition.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and can be realized as the following aspects or application examples.
  • composition according to the present invention is: (A) carbon nanotubes; (B1) silica particles having an average primary particle diameter of 5 nm to 100 nm and an association degree of 1 to 3, (C) a dispersion medium; Containing.
  • the (B1) silica particles have a sodium and potassium content of 0.1 to 5000 ppb and a potassium content of 0.00 as measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry.
  • the relationship of 1 to 10000 ppb can be satisfied.
  • composition according to the present invention is: (A) carbon nanotubes; (B2) silica particles having a silanol group density of 1 to 8 / nm 2 calculated from the specific surface area measured using the BET method and the amount of silanol groups measured by titration; (C) a dispersion medium; Containing.
  • the BET converted particle diameter of the (B2) silica particles may be 10 nm or more and 150 nm or less.
  • the (B2) silica particles have a sodium and potassium content of 0.1 to 5000 ppb and a potassium content of 0.1 as measured from elemental analysis by ICP emission spectrometry or ICP mass spectrometry. The relationship of 1 to 10000 ppb can be satisfied.
  • the average length of the (A) carbon nanotube may be 0.1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the average diameter of the carbon nanotube (A) may be 0.8 nm or more and 100 nm or less.
  • the (C) dispersion medium can contain at least water.
  • One aspect of the carbon nanotube-containing film according to the present invention is: It is formed from the composition described in any one of Application Examples 1 to 8.
  • composition according to the present invention since the carbon nanotubes are uniformly dispersed in the dispersion medium, long-term storage stability can be ensured.
  • the composition according to the present invention is excellent in film formability and moldability, and can be applied on a substrate by a simple method.
  • the carbon nanotube-containing film formed from the composition described above is a film having excellent film formability (particularly flatness) without impairing the characteristics of the carbon nanotube.
  • composition 1.1 Composition 1.1.
  • a composition according to a first embodiment of the present invention comprises (A) carbon nanotubes, (B1) an average primary particle diameter of 5 nm to 100 nm, and an association degree of 1 to 3. Contains certain silica particles and (C) a dispersion medium.
  • each component constituting the composition according to the first embodiment will be described.
  • CNT Carbon nanotube
  • SWCNT Single-walled single-walled carbon nanotube
  • DWCNT Double wall carbon nanotube
  • MWCNT multi-wall carbon nanotube
  • SWCNT, DWCNT, and MWCNT may be used alone or in combination of two or more.
  • SWCNT and DWCNT are more preferable, and SWCNT is particularly preferable from the viewpoint of excellent properties in conductivity and semiconductor characteristics.
  • CNTs as described above are produced in a preferable size by, for example, an arc discharge method, a laser ablation method, a chemical vapor deposition method (hereinafter also referred to as “CVD method”), or the like.
  • the CNT used in the present embodiment may be manufactured using any method.
  • fullerene, graphite, and amorphous carbon may be generated as by-products at the same time, and catalyst metals such as nickel, iron, cobalt, yttrium may remain. Therefore, it is preferable to remove these impurities as purified as possible.
  • a method for removing impurities a method of performing ultrasonic treatment together with acid treatment with nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid or the like or base treatment with tetramethylammonium hydroxide (TMAH), ammonia, potassium hydroxide, etc. is effective. From the viewpoint of improving the purity, it is preferable to use a separation operation by a filter or a separation operation by centrifugation.
  • CNT can be used as it is after the above purification, but in order to prevent a short circuit between the device electrodes when the coating film (carbon nanotube-containing film) is used as a semiconductor, It is preferable to use CNTs shorter than the distance between them. Since CNTs are usually formed in a string shape, it is desirable to cut them beforehand in order to use them in a short fiber shape. In order to cut CNTs into short fibers, a method of ultrasonic treatment together with acid treatment with nitric acid, sulfuric acid or the like is effective, and the purity can be improved by using a separation operation with a filter in combination. In the present embodiment, not only the cut short fiber CNTs but also CNTs prepared in advance in the short fiber shape may be used.
  • the short fibrous CNTs as described above can be produced, for example, as follows. First, a substrate is prepared, and a catalytic metal such as iron or cobalt is formed on the substrate. Next, the carbon compound is pyrolyzed on the surface of the substrate by vapor deposition at 700 to 900 ° C. using the CVD method. Thereby, CNTs having a shape oriented in the vertical direction on the substrate surface are formed. The obtained short fibrous CNTs can be taken out by a method such as peeling off from the substrate. The short fibrous CNTs can also be obtained by supporting a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina and growing them on the surface by CVD.
  • a catalytic metal such as iron or cobalt
  • a method of producing CNTs on a substrate by using a CVD method in a gas flow of argon / hydrogen using a molecule such as iron phthalocyanine containing a catalytic metal in the molecule, and oriented short fibrous CNTs can be produced. Furthermore, it is also possible to obtain short fiber CNTs oriented on the SiC single crystal surface by an epitaxial growth method.
  • the average length of the CNT is preferably 0.1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, more preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, although it depends on the distance between the electrodes. is there. When the average length of the CNT is within the above range, a short circuit between the device electrodes can be prevented.
  • the average length of CNTs was determined by applying an aqueous dispersion containing CNTs to a silicon wafer and then drying, observing the CNTs on the silicon wafer with an SEM (scanning electron microscope), and analyzing the image by 50 points. It is the value which measured this and calculated the average value of length.
  • the average diameter of CNT is not particularly limited, but is preferably 0.8 nm or more and 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and particularly preferably 15 nm or less.
  • the average diameter of CNTs was determined by applying an aqueous dispersion containing CNTs to a silicon wafer and then drying, observing the CNTs on the silicon wafer with an AFM (atomic force microscope), and analyzing the CNTs with 50 points. This is a value obtained by measuring and calculating an average length.
  • the content of (A) CNT in the composition according to the present embodiment can be set as necessary, but is preferably 0.00001 parts by mass to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composition. Preferably they are 0.0001 mass part or more and 1 mass part or less.
  • CNT may be subjected to a surface treatment in advance before being added to the composition.
  • the surface treatment include ion implantation treatment, sputter etching treatment, and plasma treatment.
  • (B1) Silica Particles The (B1) silica particles used in the present embodiment have an average primary particle diameter of 5 nm to 100 nm and an association degree of 1 to 3.
  • Silica particles are not particularly limited, but fumed silica synthesized by a fumed method in which silicon chloride or the like is reacted with oxygen and hydrogen in a gas phase; by a sol-gel method synthesized by hydrolytic condensation from a metal alkoxide. Synthesized silica; colloidal silica synthesized by an inorganic colloid method in which impurities are removed by purification, and the like. Among these, as (B1) silica particles, colloidal silica synthesized by an inorganic colloid method in which impurities are removed by purification is preferable.
  • the average primary particle diameter of the silica particles can be determined by measuring the particle diameter of 50 silica particles by TEM (transmission electron microscope) observation and calculating the average value thereof.
  • the average primary particle size of the silica particles used in the present embodiment is 5 nm to 100 nm, preferably 5 nm to 50 nm, more preferably 5 nm to 30 nm.
  • B1 When the average primary particle diameter of the silica particles is within the above range, a composition having excellent dispersion stability of the silica particles can be obtained, and a carbon nanotube-containing film formed using the composition can be obtained. The film property is improved.
  • the average secondary particle diameter of the silica particles is represented by a particle diameter of D50 volume% measured by a dynamic light scattering method.
  • a measuring apparatus it can measure with apparatuses, such as a dynamic light scattering type particle size distribution measuring apparatus (model number "LB550") by Horiba, Ltd., for example.
  • the particle diameter of D50 volume% measured by the dynamic light scattering method of silica particles used in the present embodiment is preferably 10 nm or more and 100 nm or less, more preferably 10 nm or more and 50 nm or less.
  • the particle diameter of D90 volume% measured by the dynamic light scattering method of silica particles used in the present embodiment is preferably 50 nm to 300 nm, more preferably 50 nm to 100 nm.
  • the particle diameter of D50 volume% or D90 volume% measured by the dynamic light scattering method is within the above range because the dispersion stability of the composition according to the present embodiment is improved.
  • an association degree of 2 represents a state in which two silica particles are aggregated in the composition. In principle, it cannot exist when the degree of association is less than 1. As described above, the degree of association can be taken as an index indicating the average aggregation state of the silica particles in the composition.
  • the degree of association of (B1) silica particles used in the present embodiment is 1.0 or more and 3.0 or less, preferably 1.0 or more and 2.5 or less, more preferably 1.0 or more and 2.0 or less. It is. (B1) When the degree of association of the silica particles is within the above range, a composition having excellent dispersion stability of the silica particles can be obtained, and when the carbon nanotube-containing film is applied using the composition, Generation
  • the average primary particle diameter and the degree of association are in the above ranges.
  • the silica particles used in the present embodiment may contain at least one selected from sodium and potassium.
  • the sodium content is preferably 0.1 to 5000 ppb, more preferably 1 to 1000 ppb, and particularly preferably 10 to 500 ppb.
  • the potassium content is preferably 0.1 to 10000 ppb, more preferably 1 to 5000 ppb, and particularly preferably 200 to 2000 ppb.
  • content of sodium and potassium is the weight of sodium and potassium with respect to the weight of (B1) silica particles.
  • the sodium and potassium contents of the (B1) silica particles described above can be quantified using ICP emission analysis (ICP-AES) or ICP mass spectrometry (ICP-MS).
  • ICP emission analyzer for example, “ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation)” or the like can be used.
  • ICP mass spectrometer for example, “ICPM-8500 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ELAN DRC PLUS (manufactured by Perkin Elmer)”, etc. can be used.
  • the sodium and potassium contained in the silica particles may be sodium ion and potassium ion, respectively. By measuring the content of sodium ions and potassium ions, the content of sodium and potassium in (B1) silica particles can be quantified.
  • the method for producing (B1) silica particles used in the present embodiment is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. For example, it can be produced according to the method for producing a silica particle dispersion described in JP-A No. 2003-109921 and JP-A No. 2006-80406. Further, as a known method, there is a method of producing silica particles by removing alkali from an aqueous alkali silicate solution.
  • the alkali silicate aqueous solution include a sodium silicate aqueous solution, an ammonium silicate aqueous solution, a lithium silicate aqueous solution, and a potassium silicate aqueous solution that are generally known as water glass.
  • ammonium silicate include silicates made of ammonium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide.
  • a sodium silicate aqueous solution containing 20 to 38% by mass of silica and having a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 2.0 to 3.8 is diluted with water, and diluted silica with a silica concentration of 2 to 5% by mass A sodium aqueous solution is used.
  • a dilute sodium silicate aqueous solution is passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to generate an active silicate aqueous solution from which most of the sodium ions have been removed.
  • This aqueous silicic acid solution is aged with heat while adjusting the pH to 7-9 with alkali, and grown to the desired particle size to produce colloidal silica particles.
  • silica particles having a desired particle size can be prepared, for example, in the range of an average primary particle size of 10 to 100 nm by adding small amounts of active silicic acid aqueous solution and small particles of colloidal silica. .
  • the silica particle dispersion thus obtained is concentrated to a silica concentration of 20 to 30% by mass, and then again passed through a hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of the sodium ions and adjust the pH with an alkali.
  • silica particles containing 0.1 to 5000 ppb sodium and 0.1 to 10000 ppb potassium can be produced.
  • the contents of sodium and potassium in (B1) silica particles were recovered by collecting (B1) silica particles by a separation means such as centrifugal separation and ultrafiltration from a composition containing (B1) silica particles. It can be determined by quantifying sodium and potassium contained in the silica particles by the method described above.
  • the silica particles preferably exclude impurities metals other than sodium and potassium as much as possible.
  • the impurity metal include iron, nickel, zinc, and the like other than sodium and potassium described above.
  • the content of the impurity metal in the silica particles is preferably 10 ppb or less, more preferably 5 ppb or less, still more preferably 3 ppb or less, and particularly preferably 1 ppb or less with respect to the total weight of the silica particles.
  • the shape of the silica particles is preferably approximately spherical or approximately elliptical.
  • the ratio Rmax / Rmin between the major axis and the minor axis is preferably 1.0 to 3.0, more preferably 1.0 to 2.5. Particularly preferred is 1.0 to 2.0.
  • the content of (B1) silica particles contained in the composition according to the present embodiment is determined as necessary, but is preferably 0.00001 parts by mass or more and 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composition. Hereinafter, it is more preferably 0.0001 part by mass or more and 1 part by mass or less.
  • the content of the silica particles is within the above range, the surface charge of the CNTs and the surface charge of the silica particles interact to improve the storage stability. Moreover, a favorable coating film can be produced without impairing dispersion stability even when the concentration changes suddenly during coating.
  • Dispersion medium used in the present embodiment can uniformly disperse (A) CNT and (B1) silica particles, and quickly volatilizes when the carbon nanotube-containing film is formed. If it is a component, it will not specifically limit.
  • the (C) dispersion medium include at least one selected from water, alcohol-based dispersion media, ketone-based dispersion media, amide-based dispersion media, ester-based dispersion media, and aprotic dispersion media. Among these dispersion media, those having a boiling point of 50 to 300 ° C. are preferable, and those having a boiling point of 80 to 250 ° C. are more preferable.
  • the dispersion medium (C) from the viewpoint of safety, a medium containing water is preferable, and water (particularly deionized water) is more preferable.
  • a medium containing water is preferable, and water (particularly deionized water) is more preferable.
  • composition according to the present embodiment may contain additives as shown below as required.
  • composition according to the present embodiment may be added with at least one organic polymer selected from polyether, polyester, polycarbonate, polyanhydride, polystyrene polymer, and (meth) acrylic polymer. .
  • the organic polymer used in the present embodiment is preferably such that the residue after decomposition does not affect the properties of CNT, and more preferably decomposed by depolymerization.
  • the content of the organic polymer contained in the composition according to the present embodiment is preferably 0.01 to 99 parts by mass, more preferably 0.1 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of (A) the carbon nanotube. Part.
  • the composition according to the present embodiment may contain a surfactant from the viewpoint of improving the dispersion stability of CNTs.
  • a surfactant any one of an anionic surfactant, a nonionic surfactant, and a cationic surfactant may be used.
  • the anionic surfactant include fatty acid salts, alkyl sulfate salts, alkylaryl sulfonates, and the like.
  • nonionic surfactants include polyoxyethylene alkyl ethers and polyoxyethylene alkyl aryl ethers.
  • the cationic surfactant include alkylamine salts and quaternary ammonium salts.
  • pH adjusting agent may be added to the composition according to the present embodiment.
  • the pH adjuster include inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid; alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide and cesium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), Examples include basic substances such as ammonia.
  • the composition according to the present embodiment is a basic substance having decomposability or volatility, and preferably has a weight reduction rate of 90% or more by differential thermogravimetric analysis at 30 to 250 ° C. in a nitrogen atmosphere. More preferably 95% or more, particularly preferably 99% or more.
  • the weight loss rate was determined by increasing the temperature of a sample dried at 30 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere from 30 ° C. to 250 ° C. under a condition of 10 ° C./min by TG-DTA (simultaneous differential thermothermal weight measurement) The change in the weight of the sample is traced, and a value calculated by ((30 ° C. sample weight) ⁇ (250 ° C. sample weight)) / (30 ° C. sample weight) ⁇ 100.
  • additives such as a dispersant, a viscosity modifier, a coating surface modifier, and a preservative may be further added to the composition according to the present embodiment as necessary.
  • composition according to the present embodiment is obtained by mixing (C) a dispersion medium with (A) CNT, (B1) silica particles, and additives as necessary, and uniformly dispersing the mixture. be able to.
  • the order of addition is not particularly limited, and all the raw materials may be mixed together or the components may be mixed in a desired order.
  • the method of dispersing is not particularly limited, and any method can be used as long as it can be uniformly dispersed.
  • CNT is preliminarily dispersed in a dispersion medium by ultrasonic irradiation and then silica particles are added and dispersed, or CNT and silica particles are mixed in a dispersion medium and then super-dispersed.
  • a method of dispersing by sonication is preferred.
  • ultrasonic irradiation can be performed using an ultrasonic cleaner, an ultrasonic crusher, or the like.
  • CNT having silica particles attached to at least a part thereof means a state in which the entire or part of the CNT surface is covered with silica particles. Such a state can be identified by measuring the presence of deposits and the weight ratio of deposits to CNTs by elemental analysis. That is, in other words, “CNT having silica particles attached to at least a part thereof” can be said to be a state in which the weight ratio of silica particles to, for example, 1.0 g of CNTs is 0.1.
  • the composition according to the present embodiment can be obtained by dispersing the CNT having the silica particles attached to at least a part thereof in a dispersion medium.
  • the dispersion means in the dispersion medium can be selected from means such as stirring, ultrasonic irradiation dispersion, and vibration dispersion.
  • it can confirm that the silica particle is adsorb
  • Second Embodiment A composition according to a second embodiment of the present invention is calculated from (A) carbon nanotubes, (B2) specific surface area measured using the BET method, and the amount of silanol groups measured by titration. And silica particles having a silanol group density of 1 to 8 / nm 2 and (C) a dispersion medium.
  • the composition according to the second embodiment is replaced with “(B2) BET method.
  • the composition according to the first embodiment is used in that the silica particles having a silanol group density of 1 to 8 / nm 2 calculated from the specific surface area measured using a titration and the amount of silanol groups measured by titration are used.
  • (B2) components other than the silica particles and the method for producing the composition shall be in accordance with the first embodiment described above, and (B2) silica particles will be described below.
  • B2 Silica Particles
  • B2 Silica particles used in the present embodiment have a silanol group density of 1 to 8 calculated from the specific surface area measured using the BET method and the amount of silanol groups measured by titration. / Nm 2 .
  • the silica particles are not particularly limited, but fumed silica synthesized by a fumed method in which silicon chloride or the like is reacted with oxygen and hydrogen in a gas phase; by a sol-gel method synthesized by hydrolytic condensation from a metal alkoxide. Synthesized silica; colloidal silica synthesized by an inorganic colloid method in which impurities are removed by purification, and the like. Among these, as (B2) silica particles, colloidal silica synthesized by an inorganic colloid method in which impurities are removed by purification is preferable.
  • the “silanol group” of the silica particle refers to a hydroxyl group directly bonded to a silicon atom on the surface of the silica particle, and the configuration or configuration is not particularly limited. Moreover, the production
  • the “silanol group density” in the present embodiment is the number of silanol groups per unit area on the surface of the silica particles, and serves as an index representing the electrical characteristics or chemical characteristics of the surface of the silica particles.
  • Silanol groups, the composition SiO and H + dissociation of SiOH - to exist in the state, are normally negatively charged. Thereby, the electrical characteristics or chemical characteristics of the silica particles are developed.
  • the unit of silanol group density is expressed in units / nm 2 .
  • the silanol group density can be calculated from the specific surface area measured using the BET method and the amount of silanol groups measured by titration.
  • the specific surface area measured using the BET method is preferably 50 to 500 m 2 / g, more preferably 50 to 480 m 2 / g, and particularly preferably 50 to 450 m 2 / g.
  • the specific surface area of the silica particles can be measured using, for example, a flow type specific surface area automatic measuring device “micrometrics FlowSorb II 2300 (manufactured by Shimadzu Corporation)”.
  • the amount of silanol groups is determined by a generally known method of potentiometric titration or silica particle water as described in the 2005 Annual Meeting of the Precision Engineering Society Spring Conference, p847-848. It can be measured by a method in which the dispersion is titrated with a known base such as sodium hydroxide.
  • the silica particles (B2) used in the present embodiment have a silanol group density calculated from the specific surface area and the amount of silanol groups measured using the BET method described above, and are preferably 1 to 8 / nm 2 , preferably 1.1 to 7.5 / nm 2 , more preferably 1.2 to 7.0 / nm 2 .
  • silanol group density is within the above range, silica particles are attached to the surface of the CNT.
  • the surface of the silica particles is usually negatively charged as described above. Therefore, it is considered that the CNTs to which the silica particles are attached are repelled by the surface charge and the dispersion stability is improved.
  • CNTs tend to aggregate in a stable form (hereinafter referred to as “bundle”) aggregated like a bundle, but silica particles having a shape different from that of CNTs are contained in the composition.
  • the CNTs When the CNTs are present, aggregates shared with the silica particles must be formed when the CNTs are aggregated, so that the formation of CNT bundles can be inhibited. Thereby, it is thought that aggregation of CNT can be suppressed.
  • the composition containing silica particles having a silanol group density within the above range does not form an aggregate because the dispersion stability of CNTs is greatly improved by the interaction between CNTs and silica particles. Rai. Therefore, it is difficult for defects generated by the aggregates of CNTs to occur when the composition is applied.
  • the BET equivalent particle diameter of the (B2) silica particles according to the present embodiment is preferably 10 to 150 nm, more preferably 10 to 100 nm, still more preferably 10 to 50 nm, and particularly preferably 10 to 30 nm.
  • the BET equivalent particle diameter of (B2) silica particles in the present embodiment can be calculated from the specific surface area measured using the BET method described above by the following method.
  • the diameter of the silica particles is d [nm], and the specific gravity is ⁇ [g / cm 3 ].
  • the specific surface area S is represented by the surface area of all the constituent particles per unit mass of the powder.
  • the silica particles may contain at least one selected from sodium and potassium.
  • the sodium content is preferably 0.1 to 5000 ppb, more preferably 1 to 1000 ppb, and particularly preferably 10 to 500 ppb.
  • the potassium content is preferably 0.1 to 10000 ppb, more preferably 1 to 5000 ppb, and particularly preferably 200 to 2000 ppb.
  • content of sodium and potassium is the weight of sodium and potassium with respect to the weight of (B2) silica particles.
  • the sodium and potassium contents of the (B2) silica particles described above can be quantified using ICP emission spectrometry (ICP-AES) or ICP mass spectrometry (ICP-MS).
  • ICP emission analyzer for example, “ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation)” or the like can be used.
  • ICP mass spectrometer for example, “ICPM-8500 (manufactured by Shimadzu Corporation)”, “ELAN DRC PLUS (manufactured by Perkin Elmer)”, etc. can be used.
  • Sodium and potassium contained in the silica particles may be sodium ion and potassium ion, respectively. By measuring the content of sodium ions and potassium ions, the content of sodium and potassium in (B2) silica particles can be quantified.
  • the method for producing (B2) silica particles used in the present embodiment is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. For example, it can be produced according to the method for producing a silica particle dispersion described in JP-A No. 2003-109921 and JP-A No. 2006-80406. Further, as a known method, there is a method of producing silica particles by removing alkali from an aqueous alkali silicate solution.
  • the alkali silicate aqueous solution include a sodium silicate aqueous solution, an ammonium silicate aqueous solution, a lithium silicate aqueous solution, and a potassium silicate aqueous solution that are generally known as water glass.
  • ammonium silicate include silicates made of ammonium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide.
  • a sodium silicate aqueous solution containing 20 to 38% by mass of silica and having a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 2.0 to 3.8 is diluted with water, and diluted silica with a silica concentration of 2 to 5% by mass A sodium aqueous solution is used.
  • a dilute sodium silicate aqueous solution is passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to generate an active silicate aqueous solution from which most of the sodium ions have been removed.
  • This aqueous silicic acid solution is aged with heat while adjusting the pH to 7-9 with alkali, and grown to the desired particle size to produce colloidal silica particles.
  • an aqueous solution of active silicic acid or small particles of colloidal silica are added in small amounts, whereby silica particles having a target particle size in the range of, for example, an average particle size of 10 to 100 nm can be prepared.
  • the silica particle dispersion thus obtained is concentrated to a silica concentration of 20 to 30% by mass, and then again passed through a hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of the sodium ions and adjust the pH with an alkali.
  • silica particles containing 0.1 to 5000 ppb sodium and 0.1 to 10000 ppb potassium can be produced.
  • the content of sodium and potassium in (B2) silica particles was determined by recovering (B2) silica particles from a composition containing (B2) silica particles by separation means such as centrifugation and ultrafiltration. It can be determined by quantifying sodium and potassium contained in the silica particles by the method described above.
  • the silica particles preferably exclude impurities metals other than sodium and potassium as much as possible.
  • the impurity metal include iron, nickel, zinc, and the like other than sodium and potassium described above.
  • the content of the impurity metal in the silica particles is preferably 10 ppb or less, more preferably 5 ppb or less, still more preferably 3 ppb or less, and particularly preferably 1 ppb or less with respect to the total weight of the silica particles.
  • the shape of the silica particles is preferably approximately spherical or approximately elliptical.
  • the ratio Rmax / Rmin between the major axis and the minor axis is preferably 1.0 to 3.0, more preferably 1.0 to 2.5. Particularly preferred is 1.0 to 2.0.
  • the content of (B2) silica particles contained in the composition according to the present embodiment is determined as necessary, but is preferably 0.00001 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the composition.
  • the amount is preferably 0.0001 to 1 part by mass.
  • a method for producing a carbon nanotube-containing film according to the present embodiment includes: (a) a step of applying the composition described above to at least one surface of a substrate to form a coating film; (B) drying the coating film.
  • the composition described above is applied onto a substrate to form a coating film (step (a)).
  • the substrate include not only inorganic materials such as glass, silicon wafers and structural materials, but also various materials such as films, fibers, woven membranes, boards and paper.
  • a method for forming the coating film general methods such as a casting method, a spin coating method, a spray coating method, an ink jet method, a blade coating method, a dip method, a bar coater method, and a dropping method can be used.
  • the carbon nanotube-containing film is produced on the substrate by volatilizing the dispersion medium remaining in the coating film and drying the coating film (step (b)).
  • it may be left to dry at room temperature, but is preferably heat-treated.
  • the coating film is preliminarily dried at a temperature of 50 to 150 ° C. for 0.5 to 2 minutes, and then dried at a temperature of 250 to 400 ° C. for 5 to 20 minutes.
  • the carbon nanotube-containing film according to this embodiment When used as a semiconductor layer of a field effect transistor, it may be manufactured as follows. First, the above composition is spin-coated on the gate electrode covered with the insulating layer to form a coating film, and the CNTs are uniformly formed on the gate electrode by volatilizing the dispersion medium remaining in the coating film. A dispersed semiconductor layer is formed. A field effect transistor structure is manufactured by forming a source electrode and a drain electrode so as to face each other on the semiconductor layer. Moreover, the porous film obtained by heat-baking the coating film formed by spin-coating the composition mentioned above can also be used as a switching element. Moreover, when forming the pattern of a carbon nanotube containing film
  • a method of forming a carbon nanotube-containing film once on a certain support and copying the obtained carbon nanotube-containing film on another support can also be used.
  • the carbon nanotube-containing film is copied onto another substrate by bringing the filter or film with the carbon nanotube-containing film attached thereon into contact with the carbon nanotube-containing film on another substrate.
  • the filter or film used at this time is preferably one having good releasability of the carbon nanotube-containing film.
  • the material of the filter or film having a good peelability of the carbon nanotube-containing film include PET (polyethylene terephthalate), nylon, PP (polypropylene), PTFE (polytetrafluoroethylene), and the like.
  • PET polyethylene terephthalate
  • nylon nylon
  • PP polypropylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the pattern can be formed by applying a necessary pattern to the support in advance.
  • a desired pattern can be obtained by stacking a film from which a pattern is removed on the upper surface of the filter.
  • a pattern-extracted film is sandwiched between another support or a pattern is formed using a material having a different affinity from the above composition. For example, a desired pattern can be obtained.
  • the carbon nanotube-containing film according to the present embodiment preferably has a film thickness of 1 nm to 10000 nm, more preferably 2 nm to 200 nm.
  • the film thickness is 2 nm to 200 nm
  • the transparency is excellent.
  • the visible light transmittance is 50% T or more, and the visible light transmittance exceeds 80% T.
  • the carbon nanotube-containing film can be reduced in resistance as the film thickness is increased, but at the same time, the light transmittance is decreased.
  • one CNT having a longer length is used, a thinner CNT is used, agitation used when dispersing CNT, ultrasonic irradiation, etc.
  • a method of making these conditions more powerful is preferably used.
  • the density of the carbon nanotube-containing film according to the present embodiment is preferably 0.5 to 3.0 g / cm 3 , more preferably 0.7 to 2.0 g / cm 3 .
  • a process such as heat treatment may be separately provided as necessary.
  • the carbon nanotube-containing film formed from the composition according to the present embodiment and the porous film obtained by heating and firing the film have characteristics (for example, a field effect type) that are close to CNT original conductivity (for example, switching elements) and semiconductor characteristics.
  • a field effect type for example, a field effect type
  • CNT original conductivity for example, switching elements
  • semiconductor characteristics for example, semiconductor characteristics.
  • the carbon nanotube-containing film according to the present embodiment and the porous film obtained by heating and baking the film can increase the in-plane uniformity, so that an electric field is uniformly applied at any location in the plane. Therefore, when used as a switching element, stable switching performance can be exhibited.
  • the dispersion aqueous solution containing the silica particles is concentrated under reduced pressure (boiling point 78 ° C.), and the silica concentration is 32.0% by mass, the average primary particle diameter of the silica particles is 26 nm, and the pH is 9.8.
  • a dispersion was obtained.
  • This silica particle dispersion is again passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of sodium, and then 10% by mass of potassium hydroxide aqueous solution is added, and the silica particle concentration: 28.0% by mass, pH A silica particle dispersion A of 10.0 was obtained.
  • Silica particles are recovered from the silica particle dispersion A by centrifugation, the silica particles recovered with dilute hydrofluoric acid are dissolved, and sodium is added using ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”). And potassium was measured. As a result, the sodium content was 88 ppb and the potassium content was 5500 ppb.
  • the average primary particle diameter of the silica particles was measured as follows.
  • the silica particle dispersion was diluted to 0.01% with ion-exchanged water, and one drop was placed on a collodion membrane having Cu grit having a mesh size of 150 ⁇ m and dried at room temperature.
  • the particle size was measured using a transmission electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, “H-7650”) at a photographing magnification of 20000 times. Images were taken, and an average value of the particle diameters of 50 silica particles was calculated.
  • the average secondary particle diameter of the silica particles was measured as follows.
  • the obtained silica particle dispersion A was diluted to a predetermined concentration and measured in a volume particle size mode using a dynamic light scattering particle size distribution analyzer (manufactured by Horiba, Ltd., model number “LB550”). From the obtained volume particle size distribution, particle sizes of D50 volume% and D90 volume% were determined, and the obtained D50 volume% was defined as the average secondary particle diameter.
  • the silica particle dispersion B was produced by the same method as described above while controlling the heat aging time, the type and amount of the basic compound, and the like.
  • Silica particle dispersion C was prepared by a known method using a sol-gel method using tetraethoxysilane as a raw material. Specifically, 9.2 g of pure water, 5.7 g of 28% ammonia water, and 73.5 g of methanol are put in a flask and mixed uniformly, and a mixed solution of 9.3 g of tetramethoxysilane (TMOS) and 2.4 g of methanol. Was added dropwise over 30 minutes while maintaining the liquid temperature at 35 ° C. to obtain a silica sol. Methanol and ammonia were removed from the obtained sol with an evaporator while appropriately adding pure water to obtain an aqueous dispersion colloidal silica having a pH of 7.6 and a silica solid content of 10%.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • Silica particle dispersions D to I were produced in the same manner as the production method of silica particle dispersion C by appropriately controlling the amount of ammonia, the amount of pure water, and the condensation reaction temperature.
  • Silica particle dispersion J was obtained by the same method as the method for preparing silica particle dispersion C described above, and then hydrothermally treated (filled in a pressure vessel and heat-treated at 200 ° C. for 3 hours). Made to go.
  • silica particle dispersions B to J were also measured in the same manner as silica particle dispersion A.
  • Table 1 summarizes the physical property values of the silica particle dispersions A to J produced.
  • composition [Example 1] Add 1 g of CNT (SWCNT: Science Laboratories, purity 95%) to 99 g of ion-exchanged water, and use an ultrasonic crusher (“VCX-502”, Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., output 250 W, direct irradiation). Then, 1% CNT aqueous dispersion was prepared by ultrasonic irradiation for 60 minutes. 10 g of the obtained 1% CNT aqueous dispersion, 0.357 g of silica particle dispersion A (0.1 g as silica solid content), and 89.6 g of ion-exchanged water were placed in a 100 mL sample tube, and this was ultrasonicated. A composition containing CNTs was prepared by ultrasonic irradiation for 60 minutes using a crusher (“VCX-502” manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., output 250 W, direct irradiation).
  • a crusher VCX-502” manufactured by
  • Examples 2 to 6, Comparative Examples 1 to 4 A composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica particle dispersion was changed to those shown in Table 2 or 3 and the contents of (A) CNT and (B1) silica particles were changed.
  • Example 7 A composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that DWCNT (purity 90%) manufactured by Nanocyl was used as the CNT.
  • Example 6 A composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that MWCNT manufactured by Nanocyl (product number “NC7000”, purity 90%) was used as the CNT and the silica particle dispersion H was changed.
  • MWCNT manufactured by Nanocyl product number “NC7000”, purity 90%
  • the composition according to Comparative Example 1 has an average primary particle size of (B1) silica particles of 146 nm, so that sedimentation and density differences of the particles are observed by standing storage at 25 ° C. for 6 months, and storage stability The sex was poor.
  • surface defects derived from particle aggregation were observed on the entire surface.
  • the composition according to Comparative Example 2 was gelled by standing storage at 25 ° C. for 6 months due to the average primary particle diameter of (B1) silica particles being 4 nm. Further, in the carbon nanotube-containing film produced using the composition according to Comparative Example 2, some surface defects derived from particle aggregation were recognized. This is considered to be because (B1) the average primary particle diameter of the silica particles is as small as 4 nm, so that they easily aggregate when applied.
  • composition according to Comparative Example 5 does not contain (B1) silica particles, sedimentation of the particles and a difference in density were observed after standing at 25 ° C. for 6 months, and storage stability was poor.
  • carbon nanotube-containing film produced using the composition according to Comparative Example 5 was found to have surface defects due to CNT aggregation.
  • the dispersion aqueous solution containing the silica particles was concentrated under reduced pressure (boiling point 78 ° C.), silica concentration: 32.0% by mass, silica particles having a BET conversion average particle diameter: 29 nm, pH: 9.8 A particle dispersion was obtained.
  • This silica particle dispersion is again passed through the hydrogen-type cation exchange resin layer to remove most of sodium, and then 10% by mass of potassium hydroxide aqueous solution is added, and the silica particle concentration: 28.0% by mass, pH A silica particle dispersion K of 10.0 was obtained.
  • the BET conversion average particle diameter of the silica particles is calculated by substituting the value of the specific surface area measured using the BET method into the above formula (2).
  • a flow-type specific surface area automatic measuring apparatus “micrometrics FlowSorb II 2300 (manufactured by Shimadzu Corporation)” was used.
  • the obtained silica particle dispersion K was titrated with a 0.1N sodium hydroxide aqueous solution in the range of pH 4 to pH 9, and the silanol group density was calculated from the titration value and the value of the BET specific surface area. Pieces / nm 2 .
  • Silica particles are recovered from the silica particle dispersion K by centrifugation, the silica particles recovered with dilute hydrofluoric acid are dissolved, and sodium is added using ICP-MS (manufactured by PerkinElmer, model number “ELAN DRC PLUS”). And potassium was measured. As a result, the sodium content was 88 ppb and the potassium content was 5500 ppb.
  • Silica particle dispersion K was diluted to 0.01% with ion-exchanged water, placed on a collodion membrane having Cu grit having a mesh size of 150 ⁇ m, and dried at room temperature. In this way, after preparing a sample for observation so as not to break the particle shape on the Cu grit, the particle size was measured using a transmission electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, “H-7650”) at a photographing magnification of 20000 times. Images were taken, the major axis and minor axis of the 50 silica particles were measured, and the average value was calculated. When the ratio (Rmax / Rmin) was calculated from the average value of the major axis (Rmax) and the average value of the minor axis (Rmin), it was 1.1.
  • the silica particle dispersion L was produced by a known method using a sol-gel method using tetraethoxysilane as a raw material. Specifically, 9.2 g of pure water, 5.7 g of 28% ammonia water, and 73.5 g of methanol are put in a flask and mixed uniformly, and a mixed solution of 9.3 g of tetramethoxysilane (TMOS) and 2.4 g of methanol. was added dropwise over 30 minutes while maintaining the liquid temperature at 35 ° C. to obtain a silica sol. Methanol and ammonia were removed from the obtained sol with an evaporator while appropriately adding pure water to obtain an aqueous dispersion colloidal silica having a pH of 7.6 and a silica solid content of 10%.
  • TMOS tetramethoxysilane
  • Silica particle dispersions M to P were produced in the same manner as the production method of silica particle dispersion L by appropriately controlling the amount of ammonia, the amount of pure water, and the condensation reaction temperature.
  • the silica particle dispersion Q is obtained by obtaining a dispersion by a method similar to the method for preparing the silica particle dispersion L, and further hydrothermally treating (filling a pressure vessel and heating at 200 ° C. for 3 hours). Made to go.
  • Silica particle dispersion R was obtained by a method similar to the method for preparing silica particle dispersion L described above, and then hydrothermally treated (filled in a pressure vessel and heated at 200 ° C. for 6 hours). Made to go.
  • each physical property was measured in the same manner as the silica particle dispersion K.
  • Table 4 summarizes the physical property values of the silica particle dispersions KR prepared.
  • composition [Example 8] Add 1 g of CNT (SWCNT: Science Laboratories, purity 95%) to 99 g of ion-exchanged water, and use an ultrasonic crusher (“VCX-502”, Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., output 250 W, direct irradiation). Then, 1% CNT aqueous dispersion was prepared by ultrasonic irradiation for 60 minutes. 10 g of the obtained 1% CNT aqueous dispersion, 0.357 g of silica particle dispersion K (0.1 g as silica solid content), and 89.6 g of ion-exchanged water were placed in a 100 mL sample tube, and this was ultrasonicated. A composition containing CNTs was prepared by ultrasonic irradiation for 60 minutes using a crusher (“VCX-502” manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., output 250 W, direct irradiation).
  • a crusher VCX-502” manufactured by
  • Example 9 to 13 Comparative Examples 7 to 8
  • a composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the silica particle dispersion was changed to that shown in Table 5 or 6 and the contents of (A) CNT and (B2) silica particles were changed.
  • Example 14 A composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that DWCNT (purity 90%) manufactured by Nanocyl was used as the CNT.
  • composition was prepared in the same manner as in Example 8, except that (B) silica particles were not added and the content of (A) CNT was changed.
  • composition according to Comparative Example 9 does not contain (B2) silica particles, particle settling and density difference were observed by standing storage at 25 ° C. for 6 months, and storage stability was poor.
  • carbon nanotube-containing film produced using the composition according to Comparative Example 9 was found to have surface defects due to CNT aggregation.

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Abstract

　本発明に係る組成物の一態様は、（Ａ）カーボンナノチューブと、（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体と、を含有する。本発明に係る組成物の一態様は、（Ａ）カーボンナノチューブと、（Ｂ２）ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体と、を含有する。

Description

組成物およびカーボンナノチューブ含有膜
　本発明は、カーボンナノチューブを含有する組成物、およびこれを用いて形成されたカーボンナノチューブ含有膜に関する。
　カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」ともいう。）は、一様な平面のグラファイトを丸めて円筒状にしたような構造を有している。ＣＮＴの両端は、フラーレンの半球のような構造で閉じられており、必ず５員環を６個ずつ有している。ＣＮＴは、このような独特の構造を有するため様々な特性を具備しており、広範な分野において応用が検討されている。
　具体的には、ＣＮＴは電場をかけると５員環から電子が放出されるため、電子放出電極としての応用が検討されている。また、ＣＮＴは内部に筒状の中空空間を有しているため、該空間に様々な分子を内包させることにより、燃料電池用電極としての応用が検討されている。さらに、特開２００８－１６６５９１号公報では、ＣＮＴを分散させた導電性コンポジットのように膜としての応用が検討されている。
　ＣＮＴを膜として用いる場合、ＣＮＴを分散媒体中に分散させた塗工液を利用することが簡便である。例えば、特開２００８－８８３４１号公報には、共役系重合体の溶液中にＣＮＴを分散させる方法等が提案されている。
　しかしながら、ＣＮＴは、相互に凝集する性質を有するため、分散媒体中に均一に分散させることが困難であった。また、長期に亘りＣＮＴの分散安定性を有し、かつ、良好な成膜性および成形性を有する塗工液を得ることも困難であった。
　そこで、本発明に係る幾つかの態様は、上記課題を解決することで、ＣＮＴが分散媒体中に均一に分散されており、成膜性および成形性に優れ、かつ、簡便な方法で基板に塗工することができる組成物、ならびに該組成物から形成されたカーボンナノチューブ含有膜を提供するものである。
　本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
　［適用例１］
　本発明に係る組成物の一態様は、
　（Ａ）カーボンナノチューブと、
　（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子と、
　（Ｃ）分散媒体と、
を含有する。
　［適用例２］
　適用例１において、
　前記（Ｂ１）シリカ粒子は、ＩＣＰ発光分析法またはＩＣＰ質量分析法による元素分析から測定されるナトリウムおよびカリウムの含有量が、ナトリウムの含有量：０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムの含有量：０．１～１００００ｐｐｂの関係を満たすことができる。
　［適用例３］
　本発明に係る組成物の一態様は、
　（Ａ）カーボンナノチューブと、
　（Ｂ２）ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子と、
　（Ｃ）分散媒体と、
を含有する。
　［適用例４］
　適用例３において、
　前記（Ｂ２）シリカ粒子のＢＥＴ換算粒子径は、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることができる。
　［適用例５］
　適用例３または適用例４において、
　前記（Ｂ２）シリカ粒子は、ＩＣＰ発光分析法またはＩＣＰ質量分析法による元素分析から測定されるナトリウムおよびカリウムの含有量が、ナトリウムの含有量：０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムの含有量：０．１～１００００ｐｐｂの関係を満たすことができる。
　［適用例６］
　適用例１ないし適用例５のいずれか一例において、
　前記（Ａ）カーボンナノチューブの平均長さは、０．１μｍ以上２μｍ以下であることができる。
　［適用例７］
　適用例１ないし適用例６のいずれか一例において、
　前記（Ａ）カーボンナノチューブの平均直径は、０．８ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。
　［適用例８］
　適用例１ないし適用例７のいずれか一例において、
　前記（Ｃ）分散媒体は、少なくとも水を含有することができる。
　［適用例９］
　本発明に係るカーボンナノチューブ含有膜の一態様は、
　適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の組成物から形成されたものである。
　本発明に係る組成物は、分散媒体中にカーボンナノチューブが均一に分散されているため、長期の貯蔵安定性を確保することができる。また、本発明に係る組成物は、成膜性および成形性に優れており、基板上に簡便な方法で塗工することができる。
　上述した組成物から形成されたカーボンナノチューブ含有膜は、カーボンナノチューブの特性を損なうことなく、成膜性（特に平坦性）に優れた膜となる。
　以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例をも含む。
　１．組成物
　１．１．第１の実施形態
　本発明の第１の実施形態に係る組成物は、（Ａ）カーボンナノチューブと、（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体と、を含有する。以下、第１の実施形態に係る組成物を構成する各成分について説明する。
　１．１．１．（Ａ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
　本実施の形態で用いられるＣＮＴとしては、炭素によって作られる１枚の六員環ネットワーク（グラフェン・シート）が円筒状に巻かれた単層のシングルウォールカーボンナノチューブ（以下、「ＳＷＣＮＴ」という。）、２枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれたダブルウォールカーボンナノチューブ（以下、「ＤＷＣＮＴ」という。）、複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれたマルチウォールカーボンナノチューブ（以下、「ＭＷＣＮＴ」という。）等が挙げられる。本実施の形態では、ＳＷＣＮＴ、ＤＷＣＮＴ、ＭＷＣＮＴをそれぞれ単独で使用してもよいし、複数種組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、導電性および半導体特性において優れた性質を有する観点から、ＳＷＣＮＴおよびＤＷＣＮＴがより好ましく、ＳＷＣＮＴが特に好ましい。
　上記のようなＣＮＴは、例えばアーク放電法、レーザーアブレーション法、化学気相成長法（以下、「ＣＶＤ法」ともいう。）等によって好ましいサイズに作製される。本実施の形態で用いられるＣＮＴは、いずれの方法を用いて作製されたものであってもよい。
　上記の方法でＣＮＴを作製する際には、フラーレンやグラファイト、非晶性炭素が同時に副生成物として生成される場合があり、またニッケル、鉄、コバルト、イットリウム等の触媒金属が残存する場合があるので、これらの不純物をできるだけ精製して除去することが好ましい。不純物を除去する方法としては、硝酸、硫酸、フッ酸等による酸処理またはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）、アンモニア、水酸化カリウム等による塩基処理と共に超音波処理を行う方法が有効であり、さらにフィルターによる分離または遠心分離による分離操作を併用することが純度を向上させる観点から好ましい。
　本実施の形態において、ＣＮＴは、上記の精製後そのまま使用することもできるが、塗工膜（カーボンナノチューブ含有膜）が半導体として利用される場合には素子電極間の短絡を防ぐために、素子電極間の距離よりも短いＣＮＴを使用することが好ましい。通常ＣＮＴは、紐状で形成されているため、短繊維状で使用するにはあらかじめカットしておくことが望ましい。ＣＮＴを短繊維状にカットするには、硝酸、硫酸等による酸処理と共に超音波処理する方法が有効であり、さらにフィルターによる分離操作を併用することにより純度を向上させることができる。なお、本実施の形態においては、カットした短繊維状ＣＮＴだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製されたＣＮＴを用いてもよい。
　上述したような短繊維状ＣＮＴは、例えば以下のようにして作製することができる。まず、基板を用意し、該基板上に鉄、コバルト等の触媒金属を形成させる。次いで、その基板の表面にＣＶＤ法を用いて７００～９００℃で炭素化合物を熱分解して気相成長させる。これにより、前記基板表面に垂直方向に配向した形状のＣＮＴが形成される。得られた短繊維状ＣＮＴは、基板から剥ぎ取る等の方法で取り出すことができる。また、短繊維状ＣＮＴは、ポーラスシリコンのようなポーラスな支持体またはアルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、それらの表面にＣＶＤ法にて成長させて得ることもできる。また、触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン／水素のガス流中でＣＶＤ法を用いることによって基板上にＣＮＴを作製する方法でも、配向された短繊維状ＣＮＴを作製することができる。さらには、ＳｉＣ単結晶表面にエピタキシャル成長法によって配向させた短繊維状ＣＮＴを得ることもできる。
　カーボンナノチューブ含有膜が半導体として利用される場合には、ＣＮＴの平均長さは、電極間距離にもよるが、好ましくは０．１μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。ＣＮＴの平均長さが前記範囲内であると、素子電極間の短絡を防ぐことができる。なお、ＣＮＴの平均長さは、ＣＮＴを含有する水分散液をシリコンウエハー上に塗布した後に乾燥させて、シリコンウエハー上のＣＮＴをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察し、画像解析により５０点の計測を行い長さの平均値を算出した値である。
　ＣＮＴの平均直径は、特に限定されないが、好ましくは０．８ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下、特に好ましくは１５ｎｍ以下である。ＣＮＴの平均直径が前記範囲内であると、ＣＮＴの分散安定性に優れた組成物を得ることができ、該組成物を用いて形成されたカーボンナノチューブ含有膜の成膜性が良好となる。なお、ＣＮＴの平均直径は、ＣＮＴを含有する水分散液をシリコンウエハー上に塗布した後に乾燥させて、シリコンウエハー上のＣＮＴをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察し、画像解析により５０点の計測を行い長さの平均値を算出した値である。
　本実施の形態に係る組成物中における（Ａ）ＣＮＴの含有量は、必要に応じて設定できるが、組成物１００質量部に対して、好ましくは０．００００１質量部以上１０質量部以下、より好ましくは０．０００１質量部以上１質量部以下である。
　なお、本実施の形態において、ＣＮＴは、組成物中に添加される前に、あらかじめ表面処理を行ってもよい。表面処理としては、例えばイオン注入処理、スパッタエッチング処理、プラズマ処理等が挙げられる。
　１．１．２．（Ｂ１）シリカ粒子
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子は、平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３である。
　（Ｂ１）シリカ粒子としては、特に制限されないが、気相中で塩化ケイ素等を酸素および水素と反応させるヒュームド法により合成されたヒュームドシリカ；金属アルコキシドから加水分解縮合して合成するゾルゲル法により合成されたシリカ；精製により不純物を除去した無機コロイド法等により合成されたコロイダルシリカ等が挙げられる。これらの中でも、（Ｂ１）シリカ粒子としては、精製により不純物を除去した無機コロイド法等により合成されたコロイダルシリカが好ましい。
　（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察によりシリカ粒子５０個の粒子径を測定し、それらの平均値を算出することにより求めることができる。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径が前記範囲内であると、シリカ粒子の分散安定性に優れた組成物を得ることができ、該組成物を用いて形成されたカーボンナノチューブ含有膜の成膜性が良好となる。
　（Ｂ１）シリカ粒子の平均二次粒子径は、動的光散乱法により測定したＤ５０体積％の粒子径で表される。測定装置としては、例えば株式会社堀場製作所製の動的光散乱式粒度分布測定装置（型番「ＬＢ５５０」）等の装置にて測定することができる。「Ｄ５０体積％の粒子径」とは、体積粒子径分布の中央値であり、粒子径ｄｉの小さい方から粒子の存在割合Ｖｉ（体積％）を積算していき、Ｖｉ＝５０％になったときの粒子径をいう。なお、Ｖｉ＝９０％となったときのｄｉをＤ９０体積％の粒子径とする。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の動的光散乱法により測定したＤ５０体積％の粒子径は、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の動的光散乱法により測定したＤ９０体積％の粒子径は、好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　動的光散乱法により測定したＤ５０体積％またはＤ９０体積％の粒子径が前記範囲内であると、本実施の形態に係る組成物の分散安定性が向上するため好ましい。
　（Ｂ１）シリカ粒子の会合度は、上述した方法により算出されたシリカ粒子の平均一次粒子径および平均二次粒子径より、以下の算出式を用いて求めることができる。
　会合度＝（平均二次粒子径）／（平均一次粒子径）　…（１）
　したがって、例えば会合度が２とは、組成物中でシリカ粒子が２個凝集したような状態を表している。なお、原理的には会合度が１未満である場合は存在しえない。以上のように、会合度は、組成物中におけるシリカ粒子の平均的な凝集状態を示す指標として捉えることができる。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の会合度は、１．０以上３．０以下であり、好ましくは１．０以上２．５以下、より好ましくは１．０以上２．０以下である。（Ｂ１）シリカ粒子の会合度が前記範囲内であると、シリカ粒子の分散安定性に優れた組成物を得ることができ、該組成物を用いてカーボンナノチューブ含有膜を塗工する際、シリカ粒子の凝集に由来する塗布欠陥の発生を抑制することができる。
　本実施の形態に係る組成物において、平均一次粒子径および会合度の値が前記範囲にある（Ｂ１）シリカ粒子の表面は通常アニオン性であるため、（Ａ）ＣＮＴの表面がアニオン性である場合には、両者の静電反発力により互いの凝集を防ぎ、分散安定性を向上させることができるものと考えられる。したがって、（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径および会合度の値が前記範囲から逸脱すると、ＣＮＴやシリカ粒子の分散安定性が損なわれると共に、該組成物の塗工性やカーボンナノチューブ含有膜の成膜性も劣化する。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子は、ナトリウムおよびカリウムから選択される少なくとも１種を含有してもよい。（Ｂ１）シリカ粒子がナトリウムを含有する場合において、該ナトリウムの含有量は、好ましくは０．１～５０００ｐｐｂ、より好ましくは１～１０００ｐｐｂ、特に好ましくは１０～５００ｐｐｂである。（Ｂ１）シリカ粒子がカリウムを含有する場合において、該カリウムの含有量は、好ましくは０．１～１００００ｐｐｂ、より好ましくは１～５０００ｐｐｂ、特に好ましくは２００～２０００ｐｐｂである。なお、ナトリウム、カリウムの含有量は、（Ｂ１）シリカ粒子の重量に対するナトリウム、カリウムの重量である。（Ｂ１）シリカ粒子のナトリウム、カリウムの含有量が前記範囲内であると、シリカ粒子の分散安定性をさらに高めることができると共に、ＣＮＴの表面電荷とシリカ粒子の表面電荷との相互作用により組成物の分散安定性がさらに良好となるため好ましい。
　なお、上述した（Ｂ１）シリカ粒子のナトリウムおよびカリウムの含有量は、ＩＣＰ発光分析法（ＩＣＰ－ＡＥＳ）またはＩＣＰ質量分析法（ＩＣＰ－ＭＳ）を用いて定量することができる。ＩＣＰ発光分析装置として、例えば「ＩＣＰＥ－９０００（島津製作所社製）」等を使用することができる。ＩＣＰ質量分析装置として、例えば「ＩＣＰＭ－８５００（島津製作所社製）」、「ＥＬＡＮ　ＤＲＣ　ＰＬＵＳ（パーキンエルマー社製）」等を使用することができる。
　また、（Ｂ１）シリカ粒子に含まれるナトリウム、カリウムは、それぞれナトリウムイオン、カリウムイオンであってもよい。ナトリウムイオン、カリウムイオンの含有量を測定することで、（Ｂ１）シリカ粒子中のナトリウム、カリウムの含有量を定量することができる。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の作製方法は、特に制限されず、従来の公知の方法を適用することができる。例えば、特開２００３－１０９９２１号公報や特開２００６－８０４０６号公報に記載のシリカ粒子分散液の製造方法に準じて作製することができる。また、公知の方法として、ケイ酸アルカリ水溶液からアルカリを除去することによりシリカ粒子を作製する方法がある。ケイ酸アルカリ水溶液としては、一般に水ガラスとして知られているケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸アンモニウム水溶液、ケイ酸リチウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等が挙げられる。また、ケイ酸アンモニウムとしては、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウム水酸化物からなるケイ酸塩が挙げられる。
　以下に、本実施の形態に用いられる（Ｂ１）シリカ粒子の具体的な作製方法の一つについて説明する。シリカを２０～３８質量％含み、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏのモル比が２．０～３．８であるケイ酸ナトリウム水溶液を水で希釈し、シリカ濃度が２～５質量％の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とする。続いて、希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去した活性ケイ酸水溶液を生成させる。このケイ酸水溶液を撹拌下、ｐＨを通常７～９にアルカリで調整しながら熱熟成し、目的とする粒子径となるまで成長させコロイド状のシリカ粒子を生成する。この熱熟成中、さらに活性ケイ酸水溶液や小さい粒子のコロイダルシリカを少量ずつ添加することにより、例えば平均一次粒子径が１０～１００ｎｍの範囲で目的とする粒子径のシリカ粒子を調製することができる。このようにして得られたシリカ粒子分散液を濃縮してシリカ濃度を２０～３０質量％とし、続いて再度水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンのほとんどを除去しアルカリでｐＨを調整することにより、ナトリウムを０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムを０．１～１００００ｐｐｂ含有するシリカ粒子を作製することができる。
　また、（Ｂ１）シリカ粒子のナトリウムおよびカリウムの含有量は、（Ｂ１）シリカ粒子を含有する組成物を、遠心分離、限外濾過等の分離手段により（Ｂ１）シリカ粒子を回収し、回収したシリカ粒子中に含まれるナトリウムおよびカリウムを上述した方法で定量することにより求めることができる。
　（Ｂ１）シリカ粒子は、できる限りナトリウムおよびカリウム以外の不純物金属を排除しておくことが好ましい。不純物金属としては、上述したナトリウム、カリウム以外の鉄、ニッケル、亜鉛等が挙げられる。（Ｂ１）シリカ粒子の不純物金属の含有量は、シリカ粒子全重量に対して、好ましくは１０ｐｐｂ以下、より好ましくは５ｐｐｂ以下、さらに好ましくは３ｐｐｂ以下、特に好ましくは１ｐｐｂ以下である。
　（Ｂ１）シリカ粒子の形状は、略球状または略楕円球状であることが好ましい。かかる形状において、その長径をＲｍａｘ、その短径をＲｍｉｎとした場合、長径と短径との比率Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎは、好ましくは１．０～３．０、より好ましくは１．０～２．５、特に好ましくは１．０～２．０である。
　本実施の形態に係る組成物中に含まれる（Ｂ１）シリカ粒子の含有量は、必要に応じて定められるが、組成物１００質量部に対して、好ましくは０．００００１質量部以上１０質量部以下、より好ましくは０．０００１質量部以上１質量部以下である。シリカ粒子の含有量が前記範囲内であると、ＣＮＴの表面電荷とシリカ粒子の表面電荷とが相互作用することで、貯蔵安定性が良好となる。また、塗工時の急激な濃度変化に対しても分散安定性を損なうことなく、良好な塗膜を作製することができる。
　１．１．３．（Ｃ）分散媒体
　本実施の形態で用いられる（Ｃ）分散媒体は、（Ａ）ＣＮＴおよび（Ｂ１）シリカ粒子を均一に分散させることができ、カーボンナノチューブ含有膜の成膜時に速やかに揮発する成分であれば特に限定されない。（Ｃ）分散媒体としては、例えば、水、アルコール系分散媒体、ケトン系分散媒体、アミド系分散媒体、エステル系分散媒体および非プロトン系分散媒体から選択される少なくとも１種が挙げられる。これらの分散媒体の中でも、５０～３００℃の沸点を有するものが好ましく、８０～２５０℃の沸点を有するものがより好ましい。さらに、（Ｃ）分散媒体としては、安全面の観点から、水を含有する媒体が好ましく、水（特に脱イオン水）がより好ましい。前記例示した分散媒体を用いることにより、カーボンナノチューブ含有膜を成膜する際に必要となる特性、すなわち適度な蒸気圧および蒸発速度、基板への濡れ性、ならびに粘度等を付与することができる。
　１．１．４．添加剤
　本実施の形態に係る組成物は、必要に応じて以下に示すような添加剤を加えてもよい。
　１．１．４．１．有機ポリマー
　本実施の形態に係る組成物は、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアンハイドライド、ポリスチレン系重合体および（メタ）アクリル系重合体から選択される少なくとも１種の有機ポリマーを添加してもよい。
　本実施の形態に係る組成物においては、モノマー組成、分子量等を適切に選択することによって窒素雰囲気下において８０～２５０℃における示差熱熱重量分析による重量減少率が９０％以上となる有機ポリマーを用いることが好ましい。また、本実施の形態に用いられる有機ポリマーは、分解後の残渣がＣＮＴの性質に影響を及ぼさないものが好ましく、解重合により分解されるものがより好ましい。
　本実施の形態に係る組成物中に含まれる有機ポリマーの含有量は、（Ａ）カーボンナノチューブ１００質量部に対して、好ましくは０．０１～９９質量部、より好ましくは０．１～８０質量部である。
　１．１．４．２．界面活性剤
　本実施の形態に係る組成物は、ＣＮＴの分散安定性を向上させる観点から、界面活性剤を添加してもよい。界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤のいずれの界面活性剤を使用してもよい。アニオン系界面活性剤としては、例えば脂肪酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルアリールスルホン酸塩等が挙げられる。ノニオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル等が挙げられる。カチオン系界面活性剤としては、例えばアルキルアミン塩、第４級アンモニウム塩等が挙げられる。
　１．１．４．３．ｐＨ調整剤
　本実施の形態に係る組成物は、ｐＨ調整剤を添加してもよい。ｐＨ調整剤としては、例えば塩酸、硝酸、硫酸等の無機酸；水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属の水酸化物、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）、アンモニア等の塩基性物質が挙げられる。本実施の形態に係る組成物においては、分解性または揮発性を有する塩基性物質であって、窒素雰囲気下において３０～２５０℃での示差熱熱重量分析による重量減少率が好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは９９％以上のものを用いるとよい。重量減少率が９０％未満であると、カーボンナノチューブ含有膜を２５０℃以上の温度で加熱した場合に多量の分解物（残渣）が残留するので、良好な成膜性が得られない場合がある。なお、重量減少率は、窒素雰囲気下３０℃で１時間乾燥させた試料を、ＴＧ－ＤＴＡ（示差熱熱重量同時測定）により、３０℃から２５０℃まで１０℃／分の条件で昇温させ、試料の重量変化を追跡し、（（３０℃の試料重量）－（２５０℃の試料重量））／（３０℃の試料重量）×１００で計算される値である。
　１．１．４．４．その他の添加剤
　本実施の形態に係る組成物には、必要に応じて、さらに分散剤、粘度調整剤、塗面調整剤、保存剤等の各種添加剤を添加してもよい。
　１．１．５．組成物の製造方法
　本実施の形態に係る組成物は、（Ｃ）分散媒体中に（Ａ）ＣＮＴ、（Ｂ１）シリカ粒子、必要に応じて添加剤を混合し、均一に分散させることによって得ることができる。添加する順序は、特に限定されず、全ての原料を一括して混合してもよいし、各成分を所望の順に混合してもよい。分散させる方法についても、特に限定されず、均一に分散させることができればどのような方法でも構わない。
　各成分を均一に分散させる方法としては、ＣＮＴを分散媒体中であらかじめ超音波照射により予備分散した後シリカ粒子を添加し分散させる方法、またはＣＮＴとシリカ粒子とを分散媒体中に混合した後超音波照射により分散する方法等が好ましい。ここで、超音波照射は、超音波洗浄機、超音波破砕機等を用いて行うことができる。
　上記の方法は、シリカ粒子が少なくとも一部に付着したＣＮＴにも応用することができる。なお、「シリカ粒子が少なくとも一部に付着したＣＮＴ」とは、ＣＮＴ表面の全部または一部をシリカ粒子が被覆した状態を意味する。かかる状態は、元素分析によって付着物の存在およびＣＮＴに対する付着物の重量比を測定することによって同定することができる。すなわち、「シリカ粒子が少なくとも一部に付着したＣＮＴ」を別の表現に言い換えると、例えばＣＮＴの重量１．０ｇに対するシリカ粒子の重量比が０．１等である状態ということもできる。上記のシリカ粒子が少なくとも一部に付着したＣＮＴを分散媒体中に分散させることによって、本実施の形態に係る組成物が得られる。分散媒体中への分散手段としては、撹拌、超音波照射分散、振動分散等の手段から選択することができる。なお、シリカ粒子がＣＮＴの表面に吸着していることは、種々の分析法、例えば元素分析、表面分析装置で確認することができる。
　１．２．第２の実施形態
　本発明の第２の実施形態に係る組成物は、（Ａ）カーボンナノチューブと、（Ｂ２）ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体と、を含有する。
　第２の実施形態に係る組成物は、「（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子」の代わりに、「（Ｂ２）ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子」を用いる点で、第１の実施形態に係る組成物とは異なる。よって、（Ｂ２）シリカ粒子以外の成分や組成物の製造方法については前述した第１の実施形態に準ずるものとし、以下（Ｂ２）シリカ粒子について説明する。
　１．２．１．（Ｂ２）シリカ粒子
　本実施の形態で用いられる（Ｂ２）シリカ粒子は、ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２である。
　（Ｂ２）シリカ粒子としては、特に制限されないが、気相中で塩化ケイ素等を酸素および水素と反応させるヒュームド法により合成されたヒュームドシリカ；金属アルコキシドから加水分解縮合して合成するゾルゲル法により合成されたシリカ；精製により不純物を除去した無機コロイド法等により合成されたコロイダルシリカ等が挙げられる。これらの中でも、（Ｂ２）シリカ粒子としては、精製により不純物を除去した無機コロイド法等により合成されたコロイダルシリカが好ましい。
　本実施の形態におけるシリカ粒子の「シラノール基」とは、シリカ粒子の表面のケイ素原子に直接結合したヒドロキシル基をいい、立体配置または立体配位については特に限定されない。また、シラノール基の生成条件等も問わない。
　本実施の形態における「シラノール基密度」とは、シリカ粒子表面における単位面積当たりのシラノール基数であり、シリカ粒子表面の電気的特性または化学的特性を表す指標となる。シラノール基は、組成物中ではＳｉＯＨのＨ＋が解離してＳｉＯ－の状態で存在するため、通常マイナスにチャージしている。これにより、シリカ粒子の電気的特性または化学的特性が発現する。シラノール基密度の単位は、個／ｎｍ２で表される。
　シラノール基密度は、ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積と、滴定により測定されたシラノール基量と、から算出することができる。
　本実施の形態において、ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積は、好ましくは５０～５００ｍ２／ｇ、より好ましくは５０～４８０ｍ２／ｇ、特に好ましくは５０～４５０ｍ２／ｇである。シリカ粒子の比表面積は、例えば、流動式比表面積自動測定装置「ｍｉｃｒｏｍｅｔｒｉｃｓ　ＦｌｏｗＳｏｒｂ　ＩＩ　２３００（島津製作所社製）」を用いて測定することができる。
　本実施の形態において、シラノール基量は、一般的に知られている電位差滴定する方法や、２００５年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集ｐ８４７～８４８に記載されているようなシリカ粒子水分散体を水酸化ナトリウムのような公知の塩基で滴定する方法により測定することができる。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ２）シリカ粒子は、上述したＢＥＴ法を用いて測定される比表面積およびシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であり、好ましくは１．１～７．５個／ｎｍ２であり、より好ましくは１．２～７．０個／ｎｍ２である。シラノール基密度が前記範囲内であると、ＣＮＴの表面にシリカ粒子が付着するようになる。そして、当該シリカ粒子の表面は、上述したように通常負の電荷を帯びている。そのため、シリカ粒子が付着したＣＮＴは、その表面電荷により反発し、分散安定性が向上するものと考えられる。また、一般的にＣＮＴは、束のように集合した安定な形態（以下、「バンドル」という。）を形成して凝集する傾向があるが、ＣＮＴとは形状の異なるシリカ粒子が組成物中に存在すると、ＣＮＴが凝集する際にシリカ粒子と共有した凝集体を形成せざるを得ないため、ＣＮＴのバンドルの形成を阻害することができる。これにより、ＣＮＴの凝集を抑制することができるものと考えられる。
　以上のように、シラノール基密度が前記範囲内にあるシリカ粒子を含有する組成物は、ＣＮＴおよびシリカ粒子の相互作用によりＣＮＴの分散安定性が格段に向上しているため凝集体を形成しずらい。そのため、該組成物を塗工する際にＣＮＴの凝集体によって発生する欠陥が発生しにくい。
　本実施の形態に係る（Ｂ２）シリカ粒子のＢＥＴ換算粒子径は、好ましくは１０～１５０ｎｍ、より好ましくは１０～１００ｎｍ、さらに好ましくは１０～５０ｎｍ、特に好ましくは１０～３０ｎｍである。本実施の形態における（Ｂ２）シリカ粒子のＢＥＴ換算粒子径は、上述したＢＥＴ法を用いて測定される比表面積から下記の方法により算出することができる。
　シリカ粒子の形状を真球状であると仮定し、シリカ粒子の直径をｄ［ｎｍ］、比重をρ［ｇ／ｃｍ３］とする。シリカ粒子ｎ個の表面積Ａは、Ａ＝ｎπｄ２となる。粒子ｎ個の質量Ｎは、Ｎ＝ρｎπｄ３／６となる。比表面積Ｓは、粉体の単位質量当たりの全構成粒子の表面積で表される。そうすると、シリカ粒子ｎ個の比表面積Ｓは、Ｓ＝Ａ／Ｎ＝６／ρｄとなる。この式に、シリカ粒子の比重ρ＝２．２を代入し、単位を換算すると、下記式（１）を導き出すことができる。
　ＢＥＴ換算粒子径［ｎｍ］＝２７２７／Ｓ　…（２）
　なお、本明細書中におけるシリカ粒子のＢＥＴ換算粒子径は、全て上記式（２）に基づいて計算している。
　（Ｂ２）シリカ粒子は、ナトリウムおよびカリウムから選択される少なくとも１種を含有してもよい。（Ｂ２）シリカ粒子がナトリウムを含有する場合において、該ナトリウムの含有量は、好ましくは０．１～５０００ｐｐｂ、より好ましくは１～１０００ｐｐｂ、特に好ましくは１０～５００ｐｐｂである。（Ｂ２）シリカ粒子がカリウムを含有する場合において、該カリウムの含有量は、好ましくは０．１～１００００ｐｐｂ、より好ましくは１～５０００ｐｐｂ、特に好ましくは２００～２０００ｐｐｂである。なお、ナトリウム、カリウムの含有量は、（Ｂ２）シリカ粒子の重量に対するナトリウム、カリウムの重量である。（Ｂ２）シリカ粒子のナトリウム、カリウムの含有量が前記範囲内であると、シリカ粒子の分散安定性をさらに高めることができると共に、ＣＮＴの表面電荷とシリカ粒子の表面電荷との相互作用により組成物の分散安定性がさらに良好となるため好ましい。
　なお、上述した（Ｂ２）シリカ粒子のナトリウムおよびカリウムの含有量は、ＩＣＰ発光分析法（ＩＣＰ－ＡＥＳ）またはＩＣＰ質量分析法（ＩＣＰ－ＭＳ）を用いて定量することができる。ＩＣＰ発光分析装置として、例えば「ＩＣＰＥ－９０００（島津製作所社製）」等を使用することができる。ＩＣＰ質量分析装置として、例えば「ＩＣＰＭ－８５００（島津製作所社製）」、「ＥＬＡＮ　ＤＲＣ　ＰＬＵＳ（パーキンエルマー社製）」等を使用することができる。
　また、（Ｂ２）シリカ粒子に含まれるナトリウム、カリウムは、それぞれナトリウムイオン、カリウムイオンであってもよい。ナトリウムイオン、カリウムイオンの含有量を測定することで、（Ｂ２）シリカ粒子中のナトリウム、カリウムの含有量を定量することができる。
　本実施の形態に用いられる（Ｂ２）シリカ粒子の作製方法は、特に制限されず、従来の公知の方法を適用することができる。例えば、特開２００３－１０９９２１号公報や特開２００６－８０４０６号公報に記載のシリカ粒子分散液の製造方法に準じて作製することができる。また、公知の方法として、ケイ酸アルカリ水溶液からアルカリを除去することによりシリカ粒子を作製する方法がある。ケイ酸アルカリ水溶液としては、一般に水ガラスとして知られているケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸アンモニウム水溶液、ケイ酸リチウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等が挙げられる。また、ケイ酸アンモニウムとしては、水酸化アンモニウム、テトラメチルアンモニウム水酸化物からなるケイ酸塩が挙げられる。
　以下に、本実施の形態に用いられる（Ｂ２）シリカ粒子の具体的な作製方法の一つについて説明する。シリカを２０～３８質量％含み、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏのモル比が２．０～３．８であるケイ酸ナトリウム水溶液を水で希釈し、シリカ濃度が２～５質量％の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とする。続いて、希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去した活性ケイ酸水溶液を生成させる。このケイ酸水溶液を撹拌下、ｐＨを通常７～９にアルカリで調整しながら熱熟成し、目的とする粒子径となるまで成長させコロイド状のシリカ粒子を生成する。この熱熟成中、さらに活性ケイ酸水溶液や小さい粒子のコロイダルシリカを少量ずつ添加することにより、例えば平均粒径が１０～１００ｎｍの範囲で目的とする粒子径のシリカ粒子を調製することができる。このようにして得られたシリカ粒子分散液を濃縮してシリカ濃度を２０～３０質量％とし、続いて再度水素型陽イオン交換樹脂層に通過させ、ナトリウムイオンのほとんどを除去しアルカリでｐＨを調整することにより、ナトリウムを０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムを０．１～１００００ｐｐｂ含有するシリカ粒子を作製することができる。
　また、（Ｂ２）シリカ粒子のナトリウムおよびカリウムの含有量は、（Ｂ２）シリカ粒子を含有する組成物を、遠心分離、限外濾過等の分離手段により（Ｂ２）シリカ粒子を回収し、回収したシリカ粒子中に含まれるナトリウムおよびカリウムを上述した方法で定量することにより求めることができる。
　（Ｂ２）シリカ粒子は、できる限りナトリウムおよびカリウム以外の不純物金属を排除しておくことが好ましい。不純物金属としては、上述したナトリウム、カリウム以外の鉄、ニッケル、亜鉛等が挙げられる。（Ｂ２）シリカ粒子の不純物金属の含有量は、シリカ粒子全重量に対して、好ましくは１０ｐｐｂ以下、より好ましくは５ｐｐｂ以下、さらに好ましくは３ｐｐｂ以下、特に好ましくは１ｐｐｂ以下である。
　（Ｂ２）シリカ粒子の形状は、略球状または略楕円球状であることが好ましい。かかる形状において、その長径をＲｍａｘ、その短径をＲｍｉｎとした場合、長径と短径との比率Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎは、好ましくは１．０～３．０、より好ましくは１．０～２．５、特に好ましくは１．０～２．０である。
　本実施の形態に係る組成物中に含まれる（Ｂ２）シリカ粒子の含有量は、必要に応じて定められるが、組成物１００質量部に対して、好ましくは０．００００１～１０質量部、より好ましくは０．０００１～１質量部である。シリカ粒子の含有量が前記範囲内であると、ＣＮＴの表面電荷とシリカ粒子の表面電荷とが相互作用することで、貯蔵安定性が良好となる。また、塗工時の急激な濃度変化に対しても分散安定性を損なうことなく、良好な塗膜を作製することができる。
　２．カーボンナノチューブ含有膜およびその製造方法
　本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜の製造方法は、（ａ）基板の少なくとも一方の面に上述した組成物を塗工して塗膜を形成する工程と、（ｂ）前記塗膜を乾燥させる工程と、を含む。
　以下、本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜の製造方法の一例について具体的に説明する。
　まず、上述した組成物を基板上に塗工して塗膜を形成する（工程（ａ））。基板としては、ガラス、シリコンウエハー、構造材等の無機物のみならず、フィルム、繊維、織物膜、板、紙等の種々の材質が挙げられる。塗膜の形成方法としては、キャスト法、スピンコート法、スプレーコート法、インクジェット法、ブレードコート法、ディップ法、バーコーター法、滴下法等の一般的な方法を使用することができる。
　次に、前記塗膜中に残存する分散媒体等を揮発させて、前記塗膜を乾燥させることにより、基板上にカーボンナノチューブ含有膜を作製する（工程（ｂ））。本工程では、室温で放置して自然乾燥させてもよいが、加熱処理することが好ましい。加熱処理としては、例えば５０～１５０℃の温度で０．５～２分間塗膜を予備乾燥させた後、２５０～４００℃の温度で５～２０分間本乾燥させるとよい。基板上にカーボンナノチューブ含有膜を形成することで、導電性や半導体特性等の機能を付与することができるようになる。
　本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜を電界効果型トランジスタの半導体層として用いる場合には、以下のようにして作製するとよい。まず、絶縁層で覆われたゲート電極上に上述した組成物をスピンコートして塗膜を形成し、該塗膜中に残存する分散媒体等を揮発させることによってゲート電極上にＣＮＴが均一に分散された半導体層を形成する。この半導体層の上にソース電極とドレイン電極とを対峙させて形成することによって、電界効果型トランジスタ構造が作製される。また、上述した組成物をスピンコートして形成された塗膜を加熱焼成することで得られた多孔質膜は、スイッチング素子として用いることもできる。また、基板上にカーボンナノチューブ含有膜のパターンを形成する場合には、感光性レジストを用いてフォトリソグラフィー法によってパターンを形成することが可能である。
　上述した組成物からカーボンナノチューブ含有膜を得る他の方法としては、ある支持体の上に一旦カーボンナノチューブ含有膜を形成し、得られたカーボンナノチューブ含有膜を他の支持体に写して形成する方法を用いることもできる。例えば、上記組成物をフィルターに通過させて、該フィルター上に堆積したＣＮＴを別の基板上に写し取る方法、またはフィルム上に塗布して得られたカーボンナノチューブ含有膜を別の基板上に写し取る方法等がある。これらの方法を採用する場合、カーボンナノチューブ含有膜の付着したフィルターやフィルムをそのカーボンナノチューブ含有膜が別の基板上に付着するように接触させることで、カーボンナノチューブ含有膜を別の基板上に写し取るができる。この際使用するフィルターやフィルムは、カーボンナノチューブ含有膜の剥離性の良好なものが好ましい。カーボンナノチューブ含有膜の剥離性が良好なフィルターやフィルムの材質としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ナイロン、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロオロエチレン）等が挙げられる。さらに、フィルターやフィルムのカーボンナノチューブ含有膜が形成されていない方の面から圧力を加えたり、少量の溶媒で湿潤させたりすることで、カーボンナノチューブ含有膜を良好に写し取ることができる。
　また、上記のようなカーボンナノチューブ含有膜を写し取る方法においては、あらかじめ必要なパターンを支持体に施しておくことでパターン形成をすることができる。例えばフィルター上にカーボンナノチューブ含有膜を形成する場合には、フィルターの上面にパターンの型を抜いたフィルム等を重ねておくことで、所望のパターンを得ることができる。また、フィルム上にカーボンナノチューブ含有膜を形成する場合には、別の支持体との間にパターンの型を抜いたフィルムを挟んだり、または上記組成物と親和性の異なる材料を用いてパターン形成しておくなどして、所望のパターンを得ることができる。
　本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜は、その膜厚が好ましくは１ｎｍ～１００００ｎｍ、より好ましくは２ｎｍ～２００ｎｍであるとよい。特に膜厚が２ｎｍ～２００ｎｍである場合には透明性に優れている。膜厚が２ｎｍ～２００ｎｍであれば可視光透過率が５０％Ｔ以上となり、可視光透過率は８０％Ｔを超える。カーボンナノチューブ含有膜は、膜厚が厚いほど抵抗を小さくできるが、同時に光の透過率が小さくなるので、目的に応じた膜厚を作製するとよい。より低抵抗で、かつ、高透過率の透明導電体を得るためには、１本の長さがより長いＣＮＴを用いたり、より細いＣＮＴを用いたり、ＣＮＴ分散時に用いる撹拌や超音波照射などの条件をより強力にする方法などが好ましく用いられる。
　本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜の密度は、好ましくは０．５～３．０ｇ／ｃｍ３、より好ましくは０．７～２．０ｇ／ｃｍ３である。上記のような密度を有するカーボンナノチューブ含有膜を作製するために、必要に応じて加熱処理等の工程を別途設けてもよい。
　本実施の形態に係る組成物から形成されるカーボンナノチューブ含有膜およびそれを加熱焼成した多孔質膜は、ＣＮＴ本来の導電性（例えば、スイッチング素子など）や半導体特性に近い特性（例えば電界効果型トランジスタに使用した場合には高いキャリア移動度）を備えており、かつ、面内均一性が高いため、例えば電子放出素子の電子放出源として好ましく用いることができる。以上のように、本実施の形態に係るカーボンナノチューブ含有膜およびそれを加熱焼成した多孔質膜は、面内均一性を高くすることができるので面内いずれの箇所においても均一に電界を印加することができ、スイッチング素子として利用する場合には安定したスイッチング性能を発現することができる。
　３．実施例
　以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
　３．１．実験例１
　３．１．１．シリカ粒子分散体の作製
　３号水硝子（シリカ濃度２４質量％）を水で希釈し、シリカ濃度３．０質量％の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とした。この希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を、水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去したｐＨ３．１の活性ケイ酸水溶液とした。その後、すぐに撹拌下１０質量％水酸化カリウム水溶液を加えてｐＨを７．２に調整し、さらに続けて加熱し沸騰させて３時間熱熟成した。得られた水溶液に、先にｐＨを７．２に調整した活性ケイ酸水溶液の１０倍量を６時間かけ少量ずつ添加し、シリカ粒子の平均一次粒子径を２６ｎｍに成長させた。
　次に、前記シリカ粒子を含有する分散体水溶液を減圧濃縮（沸点７８℃）し、シリカ濃度：３２．０質量％、シリカ粒子の平均一次粒子径：２６ｎｍ、ｐＨ：９．８であるシリカ粒子分散体を得た。このシリカ粒子分散体を、再度水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムの大部分を除去した後、１０質量％の水酸化カリウム水溶液を加え、シリカ粒子濃度：２８．０質量％、ｐＨ：１０．０であるシリカ粒子分散体Ａを得た。
　シリカ粒子分散体Ａから遠心分離によりシリカ粒子を回収し、希フッ化水素酸で回収されたシリカ粒子を溶解し、ＩＣＰ－ＭＳ（パーキンエルマー社製、型番「ＥＬＡＮ　ＤＲＣ　ＰＬＵＳ」）を用いてナトリウムおよびカリウムを測定した。その結果、ナトリウム含有量：８８ｐｐｂ、カリウム含有量：５５００ｐｐｂであった。
　シリカ粒子の平均一次粒子径は、以下のようにして測定した。シリカ粒子分散体をイオン交換水にて０．０１％に希釈し、メッシュサイズが１５０μｍのＣｕグリットを有するコロジオン膜に１滴載せ、室温にて乾燥させた。こうして、Ｃｕグリット上に粒子形状を崩さないように観察用のサンプルを調製した後、透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ社製、「Ｈ－７６５０」）を用いて撮影倍率２００００倍にて粒子の画像を撮影し、そのうち５０個のシリカ粒子の粒子径の平均値を算出した。
　また、その５０個のシリカ粒子の長径および短径を測定し、その平均値を算出した。長径の平均値（Ｒｍａｘ）および短径の平均値（Ｒｍｉｎ）から、その比率（Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ）を算出したところ１．１であった。
　シリカ粒子の平均二次粒子径は、以下のようにして測定した。得られたシリカ粒子分散体Ａを所定の濃度に希釈して、動的光散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製、型番「ＬＢ５５０」）を用いて体積粒子径モードにより測定した。得られた体積粒子径分布から、Ｄ５０体積％およびＤ９０体積％の粒子径を求め、得られたＤ５０体積％を平均二次粒子径とした。
　シリカ粒子の会合度は、前述した方法により得られたシリカ粒子の平均一次粒子径および平均二次粒子径より、以下の算出式を用いて求めた。
　会合度＝（平均二次粒子径）／（平均一次粒子径）　…（１）
　シリカ粒子分散体Ｂは、熱熟成の時間、塩基性化合物の種類および添加量等をコントロールしながら前記と同様の方法により作製した。
　シリカ粒子分散体Ｃは、テトラエトキシシランを原料としたゾルゲル法を用いて公知の方法により作製した。具体的には、純水９．２ｇ、２８％アンモニア水５．７ｇ、メタノール７３．５ｇをフラスコに投入し均一に混合し、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）９．３ｇ、メタノール２．４ｇの混合液を、液温を３５℃に保ち、３０分かけて滴下しシリカゾルを得た。得られたゾルは適宜純水を加えながらエバポレーターにてメタノールおよびアンモニアを除去し、ｐＨ７．６、シリカ固形分１０％の水分散体コロイダルシリカを得た。
　シリカ粒子分散体Ｄ～Ｉは、アンモニア量、純水量、縮合反応温度を適宜制御することによりシリカ粒子分散体Ｃの作製方法と同様の方法にて作製した。
　シリカ粒子分散体Ｊは、上記のシリカ粒子分散体Ｃの作製方法と同様の方法により分散体を得た後、さらに水熱処理（加圧容器に充填し、２００℃×３時間の加熱処理）を行って作製した。
　シリカ粒子分散体Ｂ～Ｊについても、シリカ粒子分散体Ａと同様にして各物性を測定した。表１に作製したシリカ粒子分散体Ａ～Ｊの物性値についてまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　３．１．２．組成物の調製
［実施例１］
　ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ：サイエンスラボラトリーズ社製、純度９５％）１ｇをイオン交換水９９ｇに加え、これを超音波破砕機（東京理化器械（株）製「ＶＣＸ－５０２」、出力２５０Ｗ、直接照射）を用いて６０分間超音波照射することで、１％ＣＮＴ水分散液を調製した。得られた１％ＣＮＴ水分散液１０ｇと、シリカ粒子分散体Ａ０．３５７ｇ（シリカ固形分として０．１ｇ）と、イオン交換水８９．６ｇと、を１００ｍＬのサンプル管に入れ、これを超音波破砕機（東京理化器械（株）製「ＶＣＸ－５０２」、出力２５０Ｗ、直接照射）を用いて６０分間超音波照射することで、ＣＮＴを含む組成物を調製した。
［実施例２～６、比較例１～４］
　シリカ粒子分散体を表２または表３に示すものに変更し、（Ａ）ＣＮＴおよび（Ｂ１）シリカ粒子の含有量を変更したこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
［実施例７］
　（Ａ）ＣＮＴとして、Ｎａｎｏｃｙｌ社製のＤＷＣＮＴ（純度９０％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
［比較例５］
　（Ｂ１）シリカ粒子を添加しないこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
［比較例６］
　（Ａ）ＣＮＴとして、Ｎａｎｏｃｙｌ社製のＭＷＣＮＴ（品番「ＮＣ７０００」、純度９０％）を用い、シリカ粒子分散体Ｈに変更したこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
　３．１．３．評価方法
　３．１．３．１．カーボンナノチューブ含有膜の平滑性評価
　上記「３．１．２．組成物の調製」で得られた調製直後の組成物を、８ｉｎｃｈシリコンウエハー上にスピンコートし、引き続きホットプレートで１００℃／６０秒間乾燥した後、さらに窒素雰囲気下３００℃で１０分間加熱することによりカーボンナノチューブ含有膜を作製した。得られたカーボンナノチューブ含有膜について、５０倍の光学顕微鏡を用いて平滑性を観察した。その結果を表２および表３に示す。表２および表３の平滑性の評価項目において、平滑で欠陥のない良好なカーボンナノチューブ含有膜である場合を「○」、カーボンナノチューブ含有膜の一部に欠陥が認められる場合を「△」、カーボンナノチューブ含有膜の全面に欠陥が認められる場合を「×」と評価した。
　３．１．３．２．組成物の保存安定性評価
　上記「３．１．２．組成物の調製」で得られた組成物を１００ｃｃのガラス管に入れ、２５℃で６ヶ月静置保管し沈降の有無を目視により確認した。その結果を表２および表３に示す。表２および表３の保存安定性の評価項目において、粒子の沈降および濃淡差が認められない場合を「○」、濃淡差のみが認められた場合を「△」、粒子の沈降および濃淡差のいずれも認められた場合を「×」と評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　３．１．４．評価結果
　実施例１～実施例７の結果より、（Ａ）ＣＮＴと、（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体としての水と、を含有する組成物は、２５℃で６ヶ月間静置保管しても粒子の沈降および濃淡差が認められず、良好な分散安定性を示した。また、実施例１～実施例７に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、欠陥のない平滑な膜であることが認められた。
　一方、比較例１に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径が１４６ｎｍであるため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例１に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が全面に認められた。
　比較例２に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径が４ｎｍであることに起因して、２５℃で６ヶ月間の静置保管によりゲル化した。また、比較例２に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が一部に認められた。これは、（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径が４ｎｍと小さいことにより、塗布する際に容易に凝集してしまうためであると考えられる。
　比較例３に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子の会合度が５．００であるため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例３に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が一部に認められた。
　比較例４に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子の平均一次粒子径が１１８ｎｍであり、かつ、会合度が３．５２であるため、２５℃で６ヶ月間静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例４に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が全面に認められた。
　比較例５に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子を含有しないため、２５℃で６ヶ月間の静置保存により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例５に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、ＣＮＴの凝集に由来する表面欠陥が認められた。
　比較例６に係る組成物は、（Ｂ１）シリカ粒子の会合度が５．００であるため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例６に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が全面に認められた。
　３．２．実験例２
　３．２．１．シリカ粒子分散体の作製
　３号水硝子（シリカ濃度２４質量％）を水で希釈し、シリカ濃度３．０質量％の希釈ケイ酸ナトリウム水溶液とした。この希釈ケイ酸ナトリウム水溶液を、水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムイオンの大部分を除去したｐＨ３．１の活性ケイ酸水溶液とした。その後、すぐに撹拌下１０質量％水酸化カリウム水溶液を加えてｐＨを７．２に調整し、さらに続けて加熱し沸騰させて３時間熱熟成した。得られた水溶液に、先にｐＨを７．２に調整した活性ケイ酸水溶液の１０倍量を６時間かけ少量ずつ添加し、シリカ粒子のＢＥＴ換算平均粒子径を２９ｎｍに成長させた。
　次に、前記シリカ粒子を含有する分散体水溶液を減圧濃縮（沸点７８℃）し、シリカ濃度：３２．０質量％、シリカ粒子のＢＥＴ換算平均粒子径：２９ｎｍ、ｐＨ：９．８であるシリカ粒子分散体を得た。このシリカ粒子分散体を、再度水素型陽イオン交換樹脂層を通過させ、ナトリウムの大部分を除去した後、１０質量％の水酸化カリウム水溶液を加え、シリカ粒子濃度：２８．０質量％、ｐＨ：１０．０であるシリカ粒子分散体Ｋを得た。
　なお、シリカ粒子のＢＥＴ換算平均粒子径は、ＢＥＴ法を用いて測定された比表面積の値を上記式（２）に代入して算出したものである。比表面積の測定には、流動式比表面積自動測定装置「ｍｉｃｒｏｍｅｔｒｉｃｓ　ＦｌｏｗＳｏｒｂ　ＩＩ　２３００（島津製作所社製）」を用いた。
　得られたシリカ粒子分散体Ｋを、０．１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液を用いてｐＨ４～ｐＨ９の範囲で滴定し、滴定値とＢＥＴ比表面積の値からシラノール基密度を算出したところ、２．０個／ｎｍ２であった。
　シリカ粒子分散体Ｋから遠心分離によりシリカ粒子を回収し、希フッ化水素酸で回収されたシリカ粒子を溶解し、ＩＣＰ－ＭＳ（パーキンエルマー社製、型番「ＥＬＡＮ　ＤＲＣ　ＰＬＵＳ」）を用いてナトリウムおよびカリウムを測定した。その結果、ナトリウム含有量：８８ｐｐｂ、カリウム含有量：５５００ｐｐｂであった。
　シリカ粒子分散体Ｋをイオン交換水にて０．０１％に希釈し、メッシュサイズが１５０μｍのＣｕグリットを有するコロジオン膜に１滴載せ、室温にて乾燥させた。こうして、Ｃｕグリット上に粒子形状を崩さないように観察用のサンプルを調製した後、透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ社製、「Ｈ－７６５０」）を用いて撮影倍率２００００倍にて粒子の画像を撮影し、その５０個のシリカ粒子の長径および短径を測定し、その平均値を算出した。長径の平均値（Ｒｍａｘ）および短径の平均値（Ｒｍｉｎ）から、その比率（Ｒｍａｘ／Ｒｍｉｎ）を算出したところ１．１であった。
　シリカ粒子分散体Ｌは、テトラエトキシシランを原料としたゾルゲル法を用いて公知の方法により作製した。具体的には、純水９．２ｇ、２８％アンモニア水５．７ｇ、メタノール７３．５ｇをフラスコに投入し均一に混合し、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）９．３ｇ、メタノール２．４ｇの混合液を、液温を３５℃に保ち、３０分かけて滴下しシリカゾルを得た。得られたゾルは適宜純水を加えながらエバポレーターにてメタノールおよびアンモニアを除去し、ｐＨ７．６、シリカ固形分１０％の水分散体コロイダルシリカを得た。
　シリカ粒子分散体Ｍ～Ｐは、アンモニア量、純水量、縮合反応温度を適宜制御することによりシリカ粒子分散体Ｌの作製方法と同様の方法にて作製した。
　シリカ粒子分散体Ｑは、上記のシリカ粒子分散体Ｌの作製方法と同様の方法により分散体を得た後、さらに水熱処理（加圧容器に充填し、２００℃×３時間の加熱処理）を行って作製した。
　シリカ粒子分散体Ｒは、上記のシリカ粒子分散体Ｌの作製方法と同様の方法により分散体を得た後、さらに水熱処理（加圧容器に充填し、２００℃×６時間の加熱処理）を行って作製した。
　シリカ粒子分散体Ｌ～Ｒについても、シリカ粒子分散体Ｋと同様にして各物性を測定した。表４に作製したシリカ粒子分散体Ｋ～Ｒの物性値についてまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　３．２．２．組成物の調製
［実施例８］
　ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ：サイエンスラボラトリーズ社製、純度９５％）１ｇをイオン交換水９９ｇに加え、これを超音波破砕機（東京理化器械（株）製「ＶＣＸ－５０２」、出力２５０Ｗ、直接照射）を用いて６０分間超音波照射することで、１％ＣＮＴ水分散液を調製した。得られた１％ＣＮＴ水分散液１０ｇと、シリカ粒子分散体Ｋ０．３５７ｇ（シリカ固形分として０．１ｇ）と、イオン交換水８９．６ｇと、を１００ｍＬのサンプル管に入れ、これを超音波破砕機（東京理化器械（株）製「ＶＣＸ－５０２」、出力２５０Ｗ、直接照射）を用いて６０分間超音波照射することで、ＣＮＴを含む組成物を調製した。
［実施例９～１３、比較例７～８］
　シリカ粒子分散体を表５または表６に示すものに変更し、（Ａ）ＣＮＴおよび（Ｂ２）シリカ粒子の含有量を変更したこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
［実施例１４］
　（Ａ）ＣＮＴとして、Ｎａｎｏｃｙｌ社製のＤＷＣＮＴ（純度９０％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして組成物を調製した。
［比較例９］
　（Ｂ）シリカ粒子を添加しないこと、および（Ａ）ＣＮＴの含有量を変更したこと以外は、実施例８と同様にして組成物を調製した。
［比較例１０］
　（Ａ）ＣＮＴとして、Ｎａｎｏｃｙｌ社製のＭＷＣＮＴ（品番「ＮＣ７０００」、純度９０％）を用いたこと、シリカ粒子分散体Ｆを使用したこと、および（Ａ）ＣＮＴおよび（Ｂ）シリカ粒子の含有量を変更したこと以外は、実施例８と同様にして組成物を調製した。
　３．２．３．評価方法
　３．２．３．１．カーボンナノチューブ含有膜の平滑性評価
　上記「３．２．２．組成物の調製」で得られた組成物を、８ｉｎｃｈシリコンウエハー上にスピンコートし、引き続きホットプレートで１００℃／６０秒間乾燥した後、さらに窒素雰囲気下３００℃で１０分間加熱することによりカーボンナノチューブ含有膜を形成した。形成されたカーボンナノチューブ膜について、５０倍の光学顕微鏡を用いて平滑性を観察した。その結果を表５および表６に示す。表５および表６の平滑性の評価項目において、平滑で欠陥のない良好なカーボンナノチューブ膜である場合を「○」、カーボンナノチューブ膜の一部に欠陥が認められる場合を「△」、カーボンナノチューブ膜の全面に欠陥が認められる場合を「×」と評価した。
　３．２．３．２．組成物の保存安定性評価
　上記「３．２．２．組成物の調製」で得られた組成物を１００ｃｃのガラス管に入れ、２５℃で６ヶ月静置保管し沈降の有無を目視により確認した。その結果を表５および表６に示す。表５および表６の保存安定性の評価項目において、粒子の沈降および濃淡差が認められない場合を「○」、濃淡差のみが認められた場合を「△」、粒子の沈降および濃淡差のいずれも認められた場合を「×」と評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　３．２．４．評価結果
　実施例８～実施例１４の結果より、（Ａ）ＣＮＴと、（Ｂ２）シラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子と、（Ｃ）分散媒体としての水と、を含有する組成物は、２５℃で６ヶ月間静置保管しても粒子の沈降および濃淡差が認められず、良好な保存安定性を示した。また、実施例８～実施例１４に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、欠陥のない平滑な膜であることが認められた。
　一方、比較例７に係る組成物は、（Ｂ２）シリカ粒子のシラノール基密度が１個／ｎｍ２未満であるため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例７に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が一部に認められた。
　比較例８に係る組成物は、（Ｂ２）シリカ粒子のシラノール基密度が８個／ｎｍ２を超えているため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により濃淡差が認められた。また、比較例８に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が全面に認められた。
　比較例９に係る組成物は、（Ｂ２）シリカ粒子を含有しないため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により粒子の沈降および濃淡差が認められ、保存安定性が不良であった。また、比較例９に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、ＣＮＴの凝集に由来する表面欠陥が認められた。
　比較例１０に係る組成物は、（Ｂ２）シリカ粒子のシラノール基密度が８個／ｎｍ２を超えているため、２５℃で６ヶ月間の静置保管により濃淡差が認められた。また、比較例１０に係る組成物を用いて作製されたカーボンナノチューブ含有膜は、粒子の凝集に由来する表面欠陥が一部に認められた。

Claims (9)

  1. 　（Ａ）カーボンナノチューブと、
    　（Ｂ１）平均一次粒子径が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、かつ、会合度が１～３であるシリカ粒子と、
    　（Ｃ）分散媒体と、
    を含有する、組成物。
  2. 　請求項１において、
    　前記（Ｂ１）シリカ粒子は、ＩＣＰ発光分析法またはＩＣＰ質量分析法による元素分析から測定されるナトリウムおよびカリウムの含有量が、ナトリウムの含有量：０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムの含有量：０．１～１００００ｐｐｂの関係を満たす、組成物。
  3. 　（Ａ）カーボンナノチューブと、
    　（Ｂ２）ＢＥＴ法を用いて測定される比表面積および滴定により測定されるシラノール基量から算出されるシラノール基密度が１～８個／ｎｍ２であるシリカ粒子と、
    　（Ｃ）分散媒体と、
    を含有する、組成物。
  4. 　請求項３において、
    　前記（Ｂ２）シリカ粒子のＢＥＴ換算粒子径は、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である、組成物。
  5. 　請求項３または請求項４において、
    　前記（Ｂ２）シリカ粒子は、ＩＣＰ発光分析法またはＩＣＰ質量分析法による元素分析から測定されるナトリウムおよびカリウムの含有量が、ナトリウムの含有量：０．１～５０００ｐｐｂ、カリウムの含有量：０．１～１００００ｐｐｂの関係を満たす、組成物。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
    　前記（Ａ）カーボンナノチューブの平均長さは、０．１μｍ以上２μｍ以下である、組成物。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
    　前記（Ａ）カーボンナノチューブの平均直径は、０．８ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、組成物。
  8. 　請求項１ないし請求項７のいずれか一項において、
    　前記（Ｃ）分散媒体は、少なくとも水を含有する、組成物。
  9. 　請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の組成物から形成された、カーボンナノチューブ含有膜。
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