(57)【要約】【課題】本発明は、リサイクルが可能であり、射出成形可能な高い流動性を維持しつつ、優れた導電性及び耐久性を有する導電性樹脂組成物及びこれを成形してなる燃料電池用セパレータに好適な樹脂成形体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂４０〜６０体積％と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマー４０〜６０体積％とを混練した導電性樹脂組成物及びこれを射出成形してなる樹脂成形体である。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂４０〜６０体積％と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマー４０〜６０体積％とを混練した導電性樹脂組成物。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂が、ビニル系熱可塑性樹脂、ポリエーテル系熱可塑性樹脂又はこれらの混合物であり、
前記熱可塑性エラストマーが、ビニル系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー、ポリスチレン系エラストマー、ポリ塩化ビニル系エラストマー又はこれらの混合物である請求項１に記載の導電性樹脂組成物。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂には、３０〜５０体積％の導電性粒子及び繊維材料を配合し、熱可塑性エラストマーには、４０〜７０体積％の導電性粒子を配合する請求項１に記載の導電性樹脂組成物。
【請求項４】
前記導電性粒子が、平均粒子径の異なる二種以上の導電性粒子の混合物である請求項１に記載の導電性樹脂組成物。
【請求項５】
最小の平均粒子径を有する導電性粒子とそれ以外の導電性粒子との平均粒子径比が、２〜１０である請求項４に記載の導電性樹脂組成物。
【請求項６】
導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂４０〜６０体積％と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマー４０〜６０体積％とを混練した導電性樹脂組成物を射出成形してなる樹脂成形体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リサイクルが可能であり、射出成形可能な高い流動性を維持しつつ、優れた導電性及び耐久性を有する導電性樹脂組成物及びこれを成形してなる樹脂成形体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、イオン交換膜、白金触媒担持のガス拡散電極及びセパレータからなる単位セルで構成されており、中でもセパレータは、単位セルに供給される水素及び酸素（空気）の分離境界膜の機能と集電の機能を果たす重要な構成部材である。
セパレータには、導電性、耐久性及び機械的強度などが要求される。従来、この種のセパレータは、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂に炭素粉末を添加した混練物を成形する方法などにより製造されている。しかし、前記方法で得られるセパレータは、十分な導電性及び耐久性を有するものではなく、再溶融できないためにリサイクル性に乏しいという欠点があった。また、殆どのセパレータは、圧縮成形して製造されるために生産性の向上が困難であった。
【０００３】
そこで、ポリフェニレンスルフィド系樹脂等の熱可塑性樹脂に炭素粉末を添加し、溶融混練した混練物を成形したセパレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記セパレータは、炭素粉末を多量に添加することにより導電性は改善されるものの、流動性が低いために射出成形することができない。
また、熱可塑性エラストマーに炭素粉末を添加し、溶融混練した混練物を射出成形したセパレータが提案されている（例えば特許文献２参照）。しかし、前記セパレータは、導電性及び流動性は優れているものの、十分な耐久性を得ることができない。また、セパレータ自体の弾性が低いためにクリープ変形が発生し、ガス漏れが生じる恐れがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２６７４４号公報（第４〜１０頁）
【特許文献２】
特開２００１−３１３０４５号公報（第３〜８頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、リサイクルが可能であり、射出成形可能な高い流動性を維持しつつ、優れた導電性及び耐久性を有する導電性樹脂組成物及びこれを成形してなる燃料電池用セパレータに好適な樹脂成形体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、上記の課題を解決することができた。
即ち、本発明は、導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂４０〜６０体積％と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマー４０〜６０体積％とを混練した導電性樹脂組成物である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の実施の形態による導電性樹脂組成物は、導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマーとを特定の割合で混練した導電性樹脂組成物である。以下に、実施の形態１を説明する。
【０００８】
本実施の形態では、導電性粒子として、黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、窒化チタンや炭化タングステン等の無機フィラーなどが挙げられ、これらを単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、特に黒鉛が好ましい。黒鉛は、天然に産出したものであっても人工的に製造したものであってもよく、球状、針状などの如何なる形状であってもよい。無機フィラーを用いる場合には、カップリング剤によって処理することが望ましく、カップリング剤処理は溶融混練前であっても、溶融混練と同時であってもよい。カップリング剤としては、例えば、アルミニウム系カップリング剤が挙げられる。
導電性粒子の平均粒子径は好ましくは１００μｍ以下であり、この範囲内であれば、成形したセパレータの表面粗度を小さくすることができる。また、平均粒子径の異なる二種以上の導電性粒子の混合物を用いることにより、組成物の流動性を向上させることができる。平均粒子径の異なる二種以上の導電性粒子を用いる場合には、最小の平均粒子径を有する導電性粒子とそれ以外の導電性粒子との平均粒子径比は好ましくは２〜１０、より好ましくは４〜７であり、この範囲内であれば、組成物の流動性をより向上させることができる。
【０００９】
熱可塑性エラストマーへの導電性粒子の配合量は、好ましくは４０〜７０体積％、より好ましくは５５〜６５体積％である。この範囲内であれば、射出成形可能な流動性を維持しつつ、導電性を向上させることができる。
【００１０】
本実施の形態では、繊維材料として、カーボン繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、鉄やアルミ等の金属繊維などが挙げられ、これらを単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、特にカーボン繊維が好ましく、例えば、セルロース系カーボン繊維、ＰＡＮ系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維が挙げられる。また、上記の繊維材料の他に、カーボンウィスカやカーボンナノチューブなどを併用することもできる。
繊維材料の平均繊維径は、０．００５〜２０μｍが好ましく、アスペクト比は１０以上が好ましい。
【００１１】
熱可塑性樹脂への導電性粒子及び繊維材料の配合量は、好ましくは３０〜５０体積％、より好ましくは４０〜５０体積％であり、導電性粒子と繊維材料との割合は、７５／１００〜１５０／１００（体積比）が好ましい。この範囲内であれば、高い導電性及び流動性を維持しつつ、耐久性を向上させることができる。
【００１２】
熱可塑性樹脂としては、８０〜９０℃の熱水環境下にさらされても劣化し難いもの、即ち、分子中に加水分解し易いエステル結合の少ないものを用いることが望ましい。好ましい熱可塑性樹脂としては、ビニル系熱可塑性樹脂、ポリエーテル系熱可塑性樹脂及びこれらの混合物を挙げることができる。ビニル系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂などが挙げられる。ポリエーテル系熱可塑性樹脂としては、例えば、変性ポリフェニレンエーテル樹脂などが挙げられる。
前記の好ましい熱可塑性樹脂を用いることにより、流動性及び導電性を維持しながら、優れた耐久性を導電性樹脂組成物に付与することができる。
熱可塑性エラストマーとしては、８０〜９０℃の熱水環境下にさらされても劣化し難いもの、即ち、分子中に加水分解し易いエステル結合の少ないものを用いることが望ましい。好ましい熱可塑性エラストマーとしては、ビニル系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー、ポリスチレン系エラストマー、ポリ塩化ビニル系エラストマー及びこれらの混合物を挙げることができる。
前記の好ましい熱可塑性エラストマーを用いることにより、耐久性を維持しながら、優れた流動性及び導電性を導電性樹脂組成物に付与することができる。
【００１３】
上記のような導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマーとの混練割合は、導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂４０〜６０体積％、及び導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマー４０〜６０体積％が適当である。この範囲内であれば、前記熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーが三次元網目状に分散し、射出成形可能な高い流動性を維持しつつ、優れた導電性と耐久性を達成することができる。
【００１４】
更に、本実施の形態では、上記の組成物の他に、必要に応じて、カップリング剤、離型剤、滑剤、可塑剤、安定剤などを配合してもよい。
【００１５】
次に、本実施の形態による導電性樹脂組成物の調製方法を説明する。本発明の導電性樹脂組成物を調製する方法は特に限定されるものではなく、例えば、導電性粒子と繊維材料とを配合した熱可塑性樹脂及び導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマーそれぞれを、ミキシングロール、バンバリーミキサ、押出型混練機、高速二軸連続混練機等の混練装置により予め溶融混練した後、これらを併せて前記混練装置により更に溶融混練する方法などが挙げられる。前記方法により調製する場合、使用する樹脂やエラストマーの種類により異なるが、溶融混練時間は、２分〜２０分が好ましい。
【００１６】
実施の形態２．
上記実施の形態１において調製された導電性樹脂組成物を成形してなる樹脂成形体について、以下に説明する。上記導電性樹脂組成物を成形してなる樹脂成形体は、例えば、燃料電池用セパレータ、特に固体高分子型燃料電池用セパレータとして用いることができる。
【００１７】
本実施の形態では、樹脂成形体は、生産効率の観点から射出成形により成形することが好ましいが、圧縮成形、トランスファ成形等により成形してもよい。使用する樹脂やエラストマーの種類、配合等により異なるが、射出成形の条件としては、最大射出圧力１２０〜１８０ＭＰａ、射出時間５〜２０秒、シリンダ温度２００〜３００℃、金型温度５０〜１００℃、冷却時間５〜８０秒が好ましい。
【００１８】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に制限されるものではない。
【００１９】
表１（実施例１〜６及び比較例１〜３）に示す配合割合で、ニーダーヘッドを設置したラボプラストミル混練機（東洋精機製）により２３０〜２９０℃で溶融混練し、導電性粒子と繊維材料とを配合した熱可塑性樹脂及び導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマーをそれぞれ調製した。ただし、実施例６においては、熱可塑性エラストマーを溶融混練する際、１重量％のアルミニウム系カップリング剤（味の素株式会社、プレンアクトＡＬ−Ｍ）を添加した。
次いで、得られた熱可塑性樹脂配合物と熱可塑性エラストマー配合物とを、表１に示す混練割合で、前記ラボプラストミル（東洋精機製）により２３０〜２９０℃で溶融混練し、導電性樹脂組成物を得た。
得られた導電性樹脂組成物を射出成形機により、大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状樹脂成形体に成形した。得られた樹脂成形体を用いて、以下に示す方法により射出成形性、導電性及び耐久性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００２０】
＜射出成形性＞
成形した樹脂成形体を目視により以下の基準で評価した。
○：良好
×：不良
【００２１】
＜導電性＞
樹脂成形体の表面をサンドペーパー（＃１０００）で磨き、抵抗率計（三菱化学製、ＬｅｏｓｔａＨＰ　ＭＣＰ−Ｔ４１０）を用いて、４探針法で樹脂成形体の体積抵抗率を測定した。
【００２２】
＜耐久性＞
樹脂成形体を９０℃の熱水に２０００時間浸漬した。浸漬前後の樹脂成形体の重量及び体積抵抗率を測定し、重量変化及び体積抵抗率変化を算出した。以下の基準により樹脂成形体の耐久性を評価した。
（重量変化）
○：１％未満である
×：１％以上である
（体積抵抗率変化）
○：１０％未満である
×：１０％以上である
【００２３】
【表１】
2004146258.tif 000002
ＰＰ：ポリプロピレン樹脂（出光石油化学株式会社製、Ｊ−６０８３ＨＰ）
ＰＶＤＦ：ポリフッ化ビニリデン樹脂（呉羽化学工業株式会社製、ＫＦポリマー）
ｍＰＰＥ：変成ポリフェニレンエーテル樹脂（三菱エンジニアリングプラスチック株式会社製、ＡＨ４０）
ＰＢＴ：ポリブチレンテレフタレート樹脂（三菱エンジニアリングプラスチック株式会社製、５０１０Ｒ７）
オレフィン系：オレフィン系エラストマー（三井化学株式会社、ミラストマー５０３０）
スチレン系：スチレン系エラストマー（三菱化学株式会社製、ラバロンＳＪ９４００Ｂ）
大：平均粒子径１０．５μｍの黒鉛粉末（昭和電工株式会社製、ＵＦＧ−３０、最大粒子径約３０μｍ）
小：平均粒子径３μｍの黒鉛粉末（昭和電工株式会社製、ＵＦＧ−５、最大粒子径約５μｍ）
ＷＣ：平均粒子径１．２μｍの炭化タングステン（日本新金属株式会社製、ＷＣ−１０）
カーボン繊維：ピッチ系カーボン繊維（株式会社ドナック製、ドナカーボＳ、繊維径１８μｍ、平均アスペクト比２７）
【００２４】
表１から明らかなように、本発明の導電性樹脂組成物は、良好な射出成形性を維持しつつ、これを成形してなる成形体は、２８〜５８ｍΩ・ｃｍという高い導電性を示し、また、燃料電池用セパレータに要求される９０℃の熱水環境において優れた耐久性を示した。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導電性粒子及び繊維材料を配合した熱可塑性樹脂と、導電性粒子を配合した熱可塑性エラストマーとを特定の割合で混練した導電性樹脂組成物により、射出成形可能な高い流動性を維持しつつ、体積抵抗率６０ｍΩ・ｃｍ以下という優れた導電性を達成することができ、耐久性が向上した。また、熱硬化性樹脂を使用せずに、熱可塑性樹脂及び熱可塑性エラストマーを用いたので、リサイクルが可能であり、環境問題の観点からも大変優れている。