(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体中の導電性粒子凝集塊にギガヘルツ領域のマイクロ波を照射して分散処理することを特徴とする導電性粒子凝集塊の分散方法。
【請求項２】
ギガヘルツ領域のマイクロ波を照射した後超音波照射する請求項１記載の導電性粒子凝集塊の分散方法。
【請求項３】
ギガヘルツ領域のマイクロ波を照射した後高速撹拌処理する請求項１記載の導電性粒子凝集塊の分散方法。
【請求項４】
ギガヘルツ領域のマイクロ波を照射した後、超音波照射および高速攪拌処理を任意の順序で行なう請求項１記載の導電性粒子凝集塊の分散方法。
【請求項５】
界面活性剤または分散剤の存在下の水性媒体中で分散処理が行われる請求項１、２、３または４記載の導電性粒子凝集塊の分散方法。
【請求項６】
超音波照射または高速攪拌処理に先立ってギガヘルツ領域のマイクロ波の照射が行われる請求項１記載の導電性粒子凝集塊の分散方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、導電性粒子凝集塊の分散方法に関する。更に詳しくは、カーボンブラック、炭素繊維、金属粒子、金属繊維等の液体への微分散が困難な導電性粒子凝集塊の分散方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンブラック等の導電性粒子の主要な用途は、ゴムまたは樹脂に配合して弾性率および強度を高めるための充填剤、導電性を付与する目的の導電性付与剤である。このような用途に用いられる充填剤は、一次粒子の形状が球形または繊維状であるが、その多くは凝集して塊となっているものが多い。あるいは、粉体のままでは飛散するので、それを防止する目的で造粒して塊として用いられることも多い。
【０００３】
これらの粉体の塊(凝集体)をゴムや樹脂に配合する際、特にゴムや樹脂のラテックスや溶液に配合する際、その一部は分散することなく塊状のまま残り、そのため目的とする効果が得られないばかりではなく、材料強度を著しく低下させる原因ともなり、製造工程上の大きな問題となっている。
【０００４】
特に、導電性カーボンブラックとして分類されている種類のカーボンブラックは、この塊の破壊強度が通常の補強用途のカーボンブラックに比べて大きく、分散不良を発生し易いという問題がみられる。従って、これを有効に分散できれば、極めて高い導電性を得ることができ、また高い補強性の材料を得ることができるが、良好な分散状態のものを得ることは一般には困難である。
【０００５】
粉体の混合方法としては様々な方法が従来から行われており、その主な方法は攪拌翼、ボールミル、シェイカ、超音波ホモジナイザ、ニーダ、ロールミル等を用いる方法であるが、これらの方法は凝集力が強くて粒子凝集塊が壊れ難く、導電性カーボンブラックなどではしばしば分散が不十分な混合状態となり易い。
【０００６】
例えば、導電性カーボンブラックの形態は、１nmサイズの一次粒子が部分的に融着して糸状に、あるいは所々枝状につながったサブミクロンサイズのアグリゲートと呼ばれる凝集体を形成し、更にこのアグリゲートが物理的に凝集してミクロンからミリサイズのアグロメレートを形成している。
【０００７】
アグリゲートとアグロメレートを合せてストラクチャーといい、後者は前者に比べて凝集力は弱いものの、アグリゲートが糸のように高度に絡み合い、ほぐれ難くなっているため、攪拌などの機械的なせん断力による方法では、その凝集塊の一部はなお塊状のまま残り、分散不良の原因となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、カーボンブラック等の導電性粒子の凝集塊の効果的な分散方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の目的は、媒体中の導電性粒子凝集塊にギガヘルツ領域のマイクロ波を照射し、更に好ましくはその後超音波照射および高速攪拌処理の少くとも一方を適用して、分散処理することによって達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明方法は、導電性粒子の凝集塊、特にストラクチャーが発達して分散し難い導電性カーボンブラック凝集塊に適用され、他の分散方法にはみられない有効な分散効果を発揮する。導電性カーボンブラックとしては、アセチレンブラック・ケッチェンブラック等の特殊なカーボンブラックや気相成長炭素繊維等が挙げられ、これらのカーボンブラックは効果的に分散させると、少量の配合でも高い導電性をゴムや樹脂に付与する。
【００１１】
これに対して、充填剤、補強剤などとして用いられているMTカーボンブラックやFTカーボンブラック、インキ用カーボンブラック、一般的な炭素繊維等は、勿論本発明方法によっても分散処理できるが、他の攪拌処理や超音波照射でも十分に良好な分散状態を形成し得るので、特に本発明方法の優位性は認められない。
【００１２】
カーボンブラック以外の導電性粒子としては、例えば銅、ニッケル、銀等の金属の微粒子や繊維が挙げられる。
【００１３】
カーボン系粒子凝集塊の場合、それは約1.8〜2.1程度の比重を有するので、水、アルコール、炭化水素系有機溶媒、オリゴマー等の媒体中に入れると、媒体を入れた容器の底部に沈殿するが、これをマイクロ波の発振器としてマグネトロンを用いた密閉容器のマイクロ波照射の場に置くと、その凝集塊は直ちに媒体中ではじかれたような動き方で、激しく勢い良く不規則に動き回りながら徐々に小さくなっていく様子が観察される。また、粒径約2〜10μmの銅粉に水を加えてマイクロ波を照射すると、カーボンブラックの場合と同様に、銅粒子は激しく動き回って分散していく様子が観察される。
【００１４】
はじかれる方向は、ランダムなように見えるが、照射場の環境によるものと推定される。一方、媒体なしでは、マイクロ波をカーボン系粒子凝集塊に照射すると、局部的に火花がみられ、またカーボン系粒子が飛散する現象が観察される。
【００１５】
こうしたことからみて、導電性粒子凝集塊にマイクロ波を照射した際の分散過程は、導電性粒子凝集塊面で反射された電磁波により、表面近傍の媒体が局部的に急激に過熱され、媒体が急激にガス化する際の瞬間的な膨張力や急速過熱による凝集部の切断などが、凝集塊を小さく破壊するメカニズムをとっているものと考えられる。
【００１６】
マイクロ波としては、ギガヘルツ領域のものが用いられ、その照射密度は、分散媒の種類や濃度によって異なるが、約0.01〜5Wh/g、好ましくは約0.02〜0.1Wh/gである。
【００１７】
マイクロ波を照射する代りに、超音波照射したりあるいはコロイドミル、ホモジナイザ等を用いて高速撹拌しただけではカーボン凝集塊の有効な分散は達成されないが、マイクロ波を照射した後に、これらの方法を組合せて適用することは有効である。具体的には、マイクロ波を照射した後、超音波照射する方法、高速攪拌処理する方法あるいはこれら両者の方法を任意の順序で適用する方法は、分散性を一段と高める上で有効である。あるいは、予め超音波照射または高速攪拌処理した後、マイクロ波を照射する方法をとることもできる。
【００１８】
媒体としては、無公害、非可燃性という点から水が好んで用いられるが、これ以外にもアルコール、トルエン等の有機溶媒またはオリゴマー等が目的に応じて用いられる。水性媒体の場合には、それと導電性粒子との間の親和性を高めるために、ノニオン系界面活性剤またはアニオン系界面活性剤剤あるいはポリビニルアルコール等の分散剤を、約0.1〜5％、好ましくは約１〜３％程度添加して用いることも行われる。
【００１９】
例えば水媒体にカーボン系凝集塊を分散させる場合、約１〜20重量％、好ましくは約５〜10重量％の割合で添加されたカーボン系凝集塊は、最初は下部に沈殿しているが、マイクロ波を照射し始めると、激しく攪拌されているかのように激しく動き回り、その塊は照射量の増加と共に小さくなり、最後には照射を止めても沈殿することのない水分散液を形成する。水媒体に対して約10重量％程度のケッチェンブラックを添加した場合には、分散が進むにつれて水分散液の粘度の急激な増加がみられるようになり、チキソトロピー性、即ち弾性が示されるようになる。同時に水分散液の直流電気抵抗を測定すると、直流電気抵抗もこの急激な粘度変化に対応して、急激に低下するようになる。
【００２０】
このことは、カーボン系凝集塊がほぐれて、水媒体中にアグリゲートあるいは小さなアグロメレートの単位で分散し、それらが媒体中で互いに接触する状態、即ち弾性および導電性を有するカーボンブラックのネットワーク構造が形成されている状態にあることを示している。このネットワークは、水を介在して形成されており、強度が極めて弱いので、静置しておくと水が徐々に浸み出るシネリシス現象がみられる。
【００２１】
この水分散液の濃度を約５重量％以下にすると、攪拌している間は水分散液の状態を呈しているが、攪拌を停止すると分散しているカーボンブラックの再凝集化、即ちフロキュレーションが起き、水と前記カーボンブラックのネットワーク構造部とに分離する現象がみられる。
【００２２】
このようにして分散処理されたカーボンブラックは、液体に分散して紙漉き方法などでシート状に成形したり、ポリテトラフルオロエチレンディスパージョンや他の高分子ラテックスとの共沈法でゴムや樹脂と複合化した後シート状やパイプ状に成形したりした上、高導電性で柔軟性のある材料として、導電性複合材料、気相反応や液相反応の触媒担体、各種電池の電極材料などとして有効に使用される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明方法により、カーボンブラック等の導電性粒子の凝集塊の効果的な分散が達成される。
【００２４】
【実施例】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００２５】
実施例１
容量300mlのガラス製ビーカに水200mlおよびアセチレンブラック(比重約1.9)５ｇを入れ、オーブン型マイクロ波発生装置(東芝製ER-250)を用い、周波数2450MHz(2.45GHz)、出力0.5KWのマイクロ波を照射した。照射を始めると、沈殿していたカーボンは、勢い良く水中で動き回り始める。カーボン凝集塊一つの大きさは、その動きと共にいくつかの小片に壊れ、やがでその小片は約１〜５μの大きさとなった。なお、照射10分後の分散液の直流電気抵抗は、360Ωであった。
【００２６】
比較例１
実施例１において、マイクロ波発生装置の代りに高速回転式ホモジナイザ(日本精機製MX型)を用い、回転数8000rpmで20分間高速攪拌処理すると、分散液の直流電気抵抗は11000Ωであった。
【００２７】
比較例２
実施例１において、マイクロ波発生装置の代りに超音波発生装置(Branson社製Sonifier450、ホーン:3/4インチ円筒形を使用)を用い、20分間超音波照射後の分散液の直流電気抵抗を測定すると、3100Ωであった。
【００２８】
実施例２
実施例１において、アセチレンブラックの代りにケッチェンブラック２ｇを用いた。マイクロ波照射10分後の分散液の直流電気抵抗は、7000Ωであった。
【００２９】
比較例３
実施例２において、マイクロ波発生装置の代りに高速回転式ホモジナイザ(日本精機製MX型)を用い、回転数8000rpmで20分間高速攪拌処理すると、分散液の直流電気抵抗は10000Ω以上であった。
【００３０】
比較例４
実施例２において、マイクロ波発生装置の代りに超音波発生装置(Branson社製Sonifier450、ホーン:3/4インチ円筒形を使用)を用い、20分間超音波照射後の分散液の直流電気抵抗を測定すると、13000Ωであった。
【００３１】
実施例３
容量300mlのガラス製ビーカーに、水200ml、ノニオン系界面活性剤(花王製品エマルゲン210)0.2gおよびアセチレンブラック２ｇを入れ、実施例１と同様にマイクロ波を照射して分散処理した。分散処理時間に対する分散液の直流電気抵抗の値は、図１のグラフの曲線(A)に示される。
【００３２】
また、図１のグラフには、このようなマイクロ波照射を施した後、前記高速回転式ホモジナイザを用い高速攪拌処理した場合(B)およびその後更に前記超音波発生装置を用いて超音波照射処理をした場合(C)の処理時間に対する分散液の直流電気抵抗値の関係が併記されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例３における分散処理時間に対する分散液の直流電気抵抗の値を示すグラフである。
【図１】
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