(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-20
(45)【発行日】2023-03-01
(54)【発明の名称】高誘電率及び低誘電散逸のポリマー複合体
(51)【国際特許分類】
C08L 83/04 20060101AFI20230221BHJP
C08K 3/013 20180101ALI20230221BHJP
C08K 7/02 20060101ALI20230221BHJP
【ＦＩ】
C08L83/04
C08K3/013
C08K7/02
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019557588
(86)(22)【出願日】2018-04-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-07-02
(86)【国際出願番号】 US2018028088
(87)【国際公開番号】W WO2018208446
(87)【国際公開日】2018-11-15
【審査請求日】2021-04-05
(31)【優先権主張番号】62/505,270
(32)【優先日】2017-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】590001418
【氏名又は名称】ダウ シリコーンズ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】チュー、ピチョン
【審査官】吉田 早希
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０５７３０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３３９８６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１３５２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１１６８２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／０８４３２２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０９－３２１１９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００５／００５９７５４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０８Ｋ ３／００ － １３／０８
Ｃ０８Ｌ １／００ － １０１／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ａ）炭素又は導電性酸化物を含み、１～２０，０００ｎｍの平均直径及び前記平均直径の少なくとも５倍の平均長さを有する、導電性繊維と、ｂ）１～２０，０００ｎｍの平均直径を有する非導電性粒子と、
ｃ）前記導電性繊維及び前記非導電性粒子を取り囲むポリシロキサンポリマーマトリックスと、
を含み、
前記非導電性粒子が、前記導電性繊維上に吸着されている、組成物。
【請求項2】
前記導電性繊維が、３ｎｍ～１，０００ｎｍの平均直径及び１０～１×１０８Ｓ／ｍの導電率を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項3】
前記非導電性粒子が、５ｎｍ～１，０００ｎｍの平均直径及び０．１Ｓ／ｍ以下の導電率を有する、請求項２に記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、繊維状及び粒子状充填剤を含むポリマー複合体、特に、電気作動用途において有用な、繊維状導電性充填剤及び非導電性粒子状充填剤を含むポリマー複合体に関する。更に、繊維状充填剤をポリマーマトリックスに組み込む方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気作動に加えて、ポリマーの誘電率を上げることが望ましい多くの他の用途がある。主鎖及び側基の化学修飾、並びに高誘電率充填剤の組み込みを含む多くの技術がこの目的に適用されてきた。誘電率の増加の一般的な欠点は、誘電損失の同時増加である。誘電損失の増加は、エネルギー消費量の更なる増加、デバイスの作動中の発熱、信号遅延、及びリーク電流の増加を引き起こす可能性がある。シリコーンフィルムには、誘電体フィルムアクチュエータを提供するためにチタン酸バリウムが充填されて来た（例えばＹ．Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．，Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒ．Ｓｔｒｕｃｔ．，１８（２００９）０９５０２４を参照されたい）。しかしながら、この参考文献は、チタン酸バリウムの量の増加に伴う誘電損失の増加を開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
これらの手法を完全に利用して、誘電率は増加させるが、革新的な技術を使用して誘電損失の増加を抑制するという未解決の問題が存在する。更に、弾性率の増加は最小限に抑えるべきである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明は、
ａ）炭素、導電性酸化物又は金属を含み、１～２０，０００ｎｍの平均直径及び平均直径の少なくとも５倍の平均長さを有する、導電性繊維と、
ｂ）１～２０，０００ｎｍの平均直径を有する非導電性粒子と、を含む組成物を提供する。
ａ）炭素、導電性酸化物又は金属を含み、１～２０，０００ｎｍの平均直径及び平均直径の少なくとも５倍の平均長さを有する、導電性繊維と、
ｂ）１～２０，０００ｎｍの平均直径を有する非導電性粒子と、を含む組成物を提供する。
【0005】
本発明はまた、
ｃ）物理的吸着又は化学酸化によって繊維状材料上に表面電荷を生成することと、
ｄ）表面上に反対電荷を有する粒子状材料を添加して混合物を形成することと、
ｅ）混合物をポリマーと組み合わせることと、を含む方法を提供する。
ｃ）物理的吸着又は化学酸化によって繊維状材料上に表面電荷を生成することと、
ｄ）表面上に反対電荷を有する粒子状材料を添加して混合物を形成することと、
ｅ）混合物をポリマーと組み合わせることと、を含む方法を提供する。
【発明を実施するための形態】
【0006】
特に指定しない限り、百分率は重量百分率（重量％）であり、温度は℃である。特に指定しない限り、操作は室温で行った。本明細書で使用するとき、別途記載のない限り、分子量Ｍｎ、Ｍｗ及びＭｚは、従来の意味を有し、ゲル浸透クロマトグラフィにより測定される。本明細書で、分子量を、ｇ／ｍｏｌ単位で報告する。シラノール指数は、実施例に記載されているように、ＦＴ－ＩＲによって決定される。
【0007】
好ましくは、組成物は、ポリマーマトリックス、好ましくはポリシロキサンを含むものを更に含む。好ましくは、ポリシロキサンは、（ａ）ヒドロシリル化硬化性シリコーン組成物と、（ｂ）縮合硬化性シリコーン組成物と、（ｃ）チオール－エン反応硬化性シリコーン組成物と、（ｄ）フリーラジカル硬化性シリコーン組成物と、（ｅ）開環反応硬化性シリコーン組成物と、から選択される硬化性シリコーン組成物から製造される。前述した各々は、明示した手段以外の手段を使用して、又は手段の組み合わせによって、硬化させることができる。
【0008】
ヒドロシリル化硬化性シリコーン組成物は、典型的には、（Ａ）１分子当たり平均して少なくとも２個のケイ素結合アルケニル基又はケイ素結合水素原子を有するオルガノポリシロキサンと、（Ｂ）オルガノポリシロキサン（Ａ）中のケイ素結合アルケニル基又はケイ素結合水素原子と反応することができる、１分子当たり平均して少なくとも２個のケイ素結合水素原子又はケイ素結合アルケニル基を有する有機ケイ素化合物と、（Ｃ）ヒドロシリル化触媒と、を含む。オルガノポリシロキサン（Ａ）及び有機ケイ素化合物（Ｂ）は独立して、直鎖、分枝鎖、環状、又は樹脂性であってもよい。特に、オルガノポリシロキサン（Ａ）及び有機ケイ素化合物（Ｂ）は、Ｍ単位、Ｄ単位、Ｔ単位、及びＱ単位の任意の組み合わせを含んでもよい。Ｍは、１官能性単位Ｒ０
３ＳｉＯ１／２を表す。Ｄは、２官能性単位Ｒ０
２ＳｉＯ２／２を表す。Ｔは、３官能性単位Ｒ０ＳｉＯ３／２を表す。Ｑは、４官能性単位ＳｉＯ４／２を表す。各Ｒ０は任意の炭化水素基、芳香族基、脂肪族基、アルキル基、アルケニル基、又はアルキニル基であってもよい。繰り返しＤ単位を含むオルガノポリシロキサンは、実質的に直鎖であるが、Ｔ単位及び／又はＱ単位に起因するいくつかの分枝鎖を含むことがある。オルガノポリシロキサンが主に直鎖状であるとき、得られる構造はエラストマーである。好ましい実施形態では、オルガノポリシロキサン（Ａ）は、一般式：
（Ｒ１Ｒ２ ２ＳｉＯ１／２）ｗ（Ｒ２ ２ＳｉＯ２／２）ｘ（Ｒ２ＳｉＯ３／２）ｙ（ＳｉＯ４／２）ｚ （Ｉ）
（式中、各Ｒ１は独立して選択されるヒドロカルビル基であり、置換でも非置換であってもよく、かつヒドロカルビル基内にヘテロ原子（例えばＯ、Ｎ、Ｓ）を含んでいてもよく、各Ｒ２は独立して、Ｒ１及びアルケニル基から選択されるが、ただし、Ｒ２のうちの少なくとも２つはアルケニル基であり、ｗ、ｘ、ｙ、及びｚは、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１となるモル分率である）を有する。直鎖オルガノポリシロキサンでは、下付き文字ｙ及びｚは一般に０であるのに対し、樹脂では、下付き文字ｙ及び／又はｚは＞０である。好ましくは、下付き文字ｗは、０～０．９、好ましくは０～０．６、好ましくは０～０．３、好ましくは０～０．１、好ましくは０．００００１～０．００１の値を有する。好ましくは、下付き文字ｘは、０～０．９９９９９、好ましくは０～０．９９９９、好ましくは０～０．９９９、好ましくは０～０．９９、好ましくは０．９～０．９９９９９、好ましくは０．９～０．９９９９、好ましくは０．９～０．９９９の値を有する。下付き文字ｙは、好ましくは０～０．９９、好ましくは０～０．４５、好ましくは０～０．２５、好ましくは０．２５～０．８、好ましくは０．５～０．８の値を有する。下付き文字ｚは、好ましくは０～０．９９、好ましくは０～０．８５、好ましくは０．８５～０．９５、好ましくは０．６～０．８５、好ましくは０．４～０．６５、好ましくは０．２～０．５、好ましくは０．１～０．４５、好ましくは０～０．５、好ましくは０～０．２５、好ましくは０～０．１５の値を有する。好ましくは、Ｒ１がハロゲン置換されているとき、Ｒ１は、３，３，３－トリフルオロプロピル、３－クロロプロピル、クロロフェニル、ジクロロフェニル、２，２，２－トリフルオロエチル、２，２，３，３－テトラフルオロプロピル、又は２，２，３，３，４，４，５，５－オクタフルオロペンチルである。好ましくは、Ｒ１は、Ｃ１～Ｃ１０ヒドロカルビル基であり、好ましくは、アルキル、アリール、又はアラルキルである。好ましくは、アルケニル基は、Ｒ２で表され、Ｒ２は、オルガノポリシロキサン（Ａ）内において同一のものでも異なっていてもよく、２～１０個の炭素原子、好ましくは２～６個の炭素原子を有していてもよく、好ましくはビニル又はアリル、好ましくはビニルであってもよい。
（Ｒ１Ｒ２ ２ＳｉＯ１／２）ｗ（Ｒ２ ２ＳｉＯ２／２）ｘ（Ｒ２ＳｉＯ３／２）ｙ（ＳｉＯ４／２）ｚ （Ｉ）
（式中、各Ｒ１は独立して選択されるヒドロカルビル基であり、置換でも非置換であってもよく、かつヒドロカルビル基内にヘテロ原子（例えばＯ、Ｎ、Ｓ）を含んでいてもよく、各Ｒ２は独立して、Ｒ１及びアルケニル基から選択されるが、ただし、Ｒ２のうちの少なくとも２つはアルケニル基であり、ｗ、ｘ、ｙ、及びｚは、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１となるモル分率である）を有する。直鎖オルガノポリシロキサンでは、下付き文字ｙ及びｚは一般に０であるのに対し、樹脂では、下付き文字ｙ及び／又はｚは＞０である。好ましくは、下付き文字ｗは、０～０．９、好ましくは０～０．６、好ましくは０～０．３、好ましくは０～０．１、好ましくは０．００００１～０．００１の値を有する。好ましくは、下付き文字ｘは、０～０．９９９９９、好ましくは０～０．９９９９、好ましくは０～０．９９９、好ましくは０～０．９９、好ましくは０．９～０．９９９９９、好ましくは０．９～０．９９９９、好ましくは０．９～０．９９９の値を有する。下付き文字ｙは、好ましくは０～０．９９、好ましくは０～０．４５、好ましくは０～０．２５、好ましくは０．２５～０．８、好ましくは０．５～０．８の値を有する。下付き文字ｚは、好ましくは０～０．９９、好ましくは０～０．８５、好ましくは０．８５～０．９５、好ましくは０．６～０．８５、好ましくは０．４～０．６５、好ましくは０．２～０．５、好ましくは０．１～０．４５、好ましくは０～０．５、好ましくは０～０．２５、好ましくは０～０．１５の値を有する。好ましくは、Ｒ１がハロゲン置換されているとき、Ｒ１は、３，３，３－トリフルオロプロピル、３－クロロプロピル、クロロフェニル、ジクロロフェニル、２，２，２－トリフルオロエチル、２，２，３，３－テトラフルオロプロピル、又は２，２，３，３，４，４，５，５－オクタフルオロペンチルである。好ましくは、Ｒ１は、Ｃ１～Ｃ１０ヒドロカルビル基であり、好ましくは、アルキル、アリール、又はアラルキルである。好ましくは、アルケニル基は、Ｒ２で表され、Ｒ２は、オルガノポリシロキサン（Ａ）内において同一のものでも異なっていてもよく、２～１０個の炭素原子、好ましくは２～６個の炭素原子を有していてもよく、好ましくはビニル又はアリル、好ましくはビニルであってもよい。
【0009】
好ましくは、シリコーン組成物のうちの少なくとも１つは、（Ａ’）１分子当たり平均して少なくとも２つのケイ素結合ヒドロキシル基又は加水分解性基を有するオルガノポリシロキサン、任意選択的に（Ｂ’）１分子当たり平均して少なくとも２つのケイ素結合水素原子、ヒドロキシル基、又は加水分解性基を有する有機ケイ素化合物、及び（Ｃ’）縮合触媒、を含む縮合硬化性シリコーン組成物を含む。好ましくは、縮合触媒（Ｃ’）は、ケイ素結合ヒドロキシ（シラノール）基の縮合を促進してＳｉ－Ｏ－Ｓｉ連結を形成するために典型的に使用される、任意の縮合触媒、好ましくはアミンであり、又はカルボン酸、アルキル、及びアルコキシド基を有するチタン、鉛、スズ、亜鉛、ジルコニウム、及び鉄の化合物であり、好ましくはスズ（ＩＩ）及びスズ（ＩＶ）化合物、例えば、ジラウリン酸スズ、ジオクタン酸スズ、ジブチルスズジラウレート、ジブチルスズジアセテート、及びテトラブチルスズ、及びチタン化合物、例えばチタンテトラブトキシドである。
【0010】
好ましくは、シリコーン組成物のうちの少なくとも１つは、典型的には、（Ａ”）平均して少なくとも２つのケイ素結合不飽和基を有するオルガノポリシロキサン及び（Ｃ”）フリーラジカル開始剤、を含む、フリーラジカル硬化性シリコーン組成物を含む。
【0011】
好ましくは、シリコーン組成物のうちの少なくとも１つは、典型的には、（Ａ’’’）少なくとも２つのエポキシ置換基、シラシクロブタン環及び／又はベンゾシクロブテン環を有するオルガノポリシロキサン、及び（Ｃ’’’）硬化剤を含む、開環反応硬化性シリコーン組成物を含む。
【0012】
好ましくは、シリコーン組成物のうちの少なくとも１つは、（Ａ’’’’）１分子当たり平均して少なくとも２つのケイ素結合アルケニル基又はケイ素結合メルカプトアルキル基を有するオルガノポリシロキサンと、（Ｂ’’’’）オルガノポリシロキサン（Ａ’’’’）中のケイ素結合アルケニル基又はケイ素結合メルカプト－アルキル基と、反応することができる、１分子当たり平均して少なくとも２個のケイ素結合メルカプト－アルキル基又はケイ素結合アルケニル基を有する有機ケイ素化合物と、（Ｃ’’’’）触媒と；（Ｄ’’’’）２つ以上のメルカプト基を含有する任意の有機化合物と、を含むチオール－エン硬化性シリコーン組成物を含む。触媒（Ｃ’’’’）は、オルガノポリシロキサン（Ａ’’’’）と、有機ケイ素化合物（Ｂ’’’’）及び／又は有機化合物（Ｄ’’’’）との間の反応を触媒するのに好適な任意の触媒であり得る。典型的には、触媒（Ｃ’’’’）は、ｉ）フリーラジカル触媒、ｉｉ）求核試薬、及びｉｉｉ）ｉ）及びｉｉ）の組み合わせから選択される。触媒（Ｃ’’’’）として使用するのに好適なフリーラジカル触媒としては、光活性フリーラジカル触媒、熱活性フリーラジカル触媒、室温フリーラジカル触媒、例えばレドックス触媒及びアルキルボラン触媒、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。触媒（Ｃ’’’’）として使用するのに好適な求核試薬としては、アミン、ホスフィン、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【0013】
好ましくは、シリコーン組成物のうちの少なくとも１つは、典型的には、（Ａ’’’’’）１分子当たり平均して少なくとも２つのケイ素結合水素原子又は少なくとも２つのシリコーン結合ヒドロキシル基を有するオルガノポリシロキサンと、（Ｂ’’’’’）オルガノポリシロキサン（Ａ’’’’’）中のケイ素結合水素原子又はケイ素結合ヒドロキシル基と反応することができる、１分子当たり平均して少なくとも２個のケイ素結合ヒドロキシル基又は少なくとも２個のケイ素結合水素原子を有する有機ケイ素化合物と、（Ｃ’’’’’）触媒と、（Ｄ’’’’’）任意の活性水素含有化合物と、を含む水素化ケイ素－シラノール反応硬化性シリコーン組成物を含む。典型的には、触媒（Ｃ’’’’’）は、ｉ）第Ｘ族金属含有触媒、例えば白金、ｉｉ）塩基、例えば金属水酸化物、アミン、又はホスフィン、及びｉｉｉ）これらの組み合わせから選択される。
【0014】
ポリマーマトリックスは、シリコーンに限定されない。他のポリマーも好適であり、熱可塑性ポリマー、例えばポリオレフィン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアクリレート、及び熱硬化性ポリマー、例えばエポキシド、シアン酸エステル、ポリイミド、ポリウレタンなどが挙げられる。
【0015】
好ましくは、導電性繊維は、１メートル当たり０．１～１×１０８ジーメンス（Ｓ／ｍ）、好ましくは１～１×１０８Ｓ／ｍ、好ましくは４～１×１０８Ｓ／ｍ、好ましくは１０～１×１０８Ｓ／ｍ、好ましくは１００～１×１０８Ｓ／ｍ、好ましくは１×１０３～１×１０８Ｓ／ｍの導電率を有する。好ましくは、繊維は、表面酸化されている炭素を含む。
【0016】
好ましくは、非導電性粒子は、少なくとも１ｎｍ、好ましくは少なくとも５ｎｍ、好ましくは少なくとも１０ｎｍ、好ましくは２０，０００ｎｍ以下、好ましくは１０，０００ｎｍ以下、好ましくは１，０００ｎｍ以下の平均直径を有する。平均直径は、算術平均として決定され、多くの技術、好ましくは透過型電子顕微鏡、続いて画像解析によって測定することができる。好ましくは、ナノ粒子は、非導電性であり、すなわち、０．１Ｓ／ｍ以下、好ましくは１×１０－２Ｓ／ｍ以下、好ましくは１×１０－３Ｓ／ｍ以下の導電率を有する。好ましくは、ナノ粒子は、無機又は有機ポリマー組成物を含む。無機粒子としては、チタン酸バリウム及びペロブスカイト構造の他の酸化物組成物、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素、及び他の金属、例えばハフニウム、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ニオブ、スカンジウム、イットリウム、バナジウム、及びランタニド、並びにアクチニド系列元素、例えばエルビウム、並びにユーロピウム、の酸化物、ホウ化物、窒化物、炭化物、及びケイ化物が挙げられるが、これらに限定されない。有機ポリマー粒子としては、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレンターポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、及び様々なコポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。
【0017】
好ましくは、導電性繊維は、少なくとも２ｎｍ、好ましくは少なくとも３ｎｍ、好ましくは少なくとも５ｎｍ、好ましくは少なくとも１０ｎｍ、好ましくは１０，０００ｎｍ以下、好ましくは５，０００ｎｍ以下、好ましくは１，０００ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の平均直径を有する。好ましくは、導電性繊維は、直径の少なくとも８倍、好ましくは少なくとも１０倍、好ましくは１，０００，０００倍以下、好ましくは１００，０００倍以下の平均長さを有する。
【0018】
好ましくは、ナノ粒子対導電性繊維の重量比は、０．０１：５０～５０：１、好ましくは０．１：１０～１０：１、好ましくは０．２：２～５：１である。好ましくは、組成物がポリマーマトリックスを含むとき、ナノ粒子及び導電性繊維の総重量は、ポリマーマトリックス、ナノ粒子、及び導電性繊維の総重量の０．１～８０重量％、好ましくは少なくとも０．５重量％、好ましくは少なくとも１重量％、好ましくは８０重量％以下、好ましくは６０重量％以下である。
【0019】
本発明の方法では、好ましくは、粒子及び繊維をポリマー樹脂と組み合わせ、次いで硬化させる。
【実施例】
【0020】
【表1】
【0021】
酸化カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の調製。
２．８４ｇのピログラフＩＩＩ ＰＲ－１９－ＸＴ－ＰＳカーボンナノファイバー（気相成長、平均直径約１５０ｎｍ、表面上にＣＶＤ堆積された炭素）を、機械的撹拌器、還流凝縮器、及び温度計を備えた３つ口丸底フラスコに入れた。９０ｇの７０重量％ＨＮＯ３を脱イオン水で２５０ｍＬの総体積まで希釈して、１ＭのＨＮＯ３溶液を調製し、溶液をフラスコに添加した。撹拌しながら、温度を１０５．１℃に上昇させ、還流を１１０時間維持した。次いで、内容物を冷却し、＃１濾紙で濾過した。濾紙の上に残ったケークを、ＤＩ水で８回洗浄した。７５％のケークを、２０ｇのＤＩ水中に分散させて、安定なスラリーを作製した。このスラリー中の固形分は、熱乾燥測定に基づいて～１０重量％であると判定された。残りのケークを、換気オーブン内で９５℃で２０時間乾燥させ、次いで１２０℃で１時間乾燥させた。
２．８４ｇのピログラフＩＩＩ ＰＲ－１９－ＸＴ－ＰＳカーボンナノファイバー（気相成長、平均直径約１５０ｎｍ、表面上にＣＶＤ堆積された炭素）を、機械的撹拌器、還流凝縮器、及び温度計を備えた３つ口丸底フラスコに入れた。９０ｇの７０重量％ＨＮＯ３を脱イオン水で２５０ｍＬの総体積まで希釈して、１ＭのＨＮＯ３溶液を調製し、溶液をフラスコに添加した。撹拌しながら、温度を１０５．１℃に上昇させ、還流を１１０時間維持した。次いで、内容物を冷却し、＃１濾紙で濾過した。濾紙の上に残ったケークを、ＤＩ水で８回洗浄した。７５％のケークを、２０ｇのＤＩ水中に分散させて、安定なスラリーを作製した。このスラリー中の固形分は、熱乾燥測定に基づいて～１０重量％であると判定された。残りのケークを、換気オーブン内で９５℃で２０時間乾燥させ、次いで１２０℃で１時間乾燥させた。
【0022】
ＢａＴｉＯ３ナノ粒子の処理及び分散
１０ｇの５０ｎｍのＢａＴｉＯ３乾燥粒子を、４０ｍＬのガラスバイアル瓶に入れ、２０ｇのＤＩ水を添加し、続いて０．１３ｇの３４～３７重量％塩酸を添加した。混合物を、室温において磁気撹拌棒で２０時間撹拌し、次いでＩＫＡ Ｔ１８ Ｕｌｔｒａ Ｔｕｒｒａｘローターステーターミキサーによって、２０ｋｒｐｍで６０秒間混合した。分散液は、更に処理せずに次のステップで使用するができた。
１０ｇの５０ｎｍのＢａＴｉＯ３乾燥粒子を、４０ｍＬのガラスバイアル瓶に入れ、２０ｇのＤＩ水を添加し、続いて０．１３ｇの３４～３７重量％塩酸を添加した。混合物を、室温において磁気撹拌棒で２０時間撹拌し、次いでＩＫＡ Ｔ１８ Ｕｌｔｒａ Ｔｕｒｒａｘローターステーターミキサーによって、２０ｋｒｐｍで６０秒間混合した。分散液は、更に処理せずに次のステップで使用するができた。
【0023】
ＣＮＦ上に吸着されたＢａＴｉＯ３を有するＣＮＦの調製（ＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３）
上記の調製したＣＮＦスラリーの半分の量を取り、そこに６５ｇのＤＩ水を添加した。混合物を振盪して安定な分散液を作製した。確実に均質混合するために、その混合物を、ＩＫＡ Ｔ１８ Ｕｌｔｒａ Ｔｕｒｒａｘローターステーターミキサーによって、２０ｋｒｐｍで６０秒間混合した。ローターステーターミキサーによる撹拌を維持しながら、上記の調製したＢａＴｉＯ３分散液１０ｇを添加した。混合を更に６０秒間継続し、次いで、内容物をガラス容器に入れ、容器を上部が開いた状態で、換気オーブン内に９５℃で２０時間、次いで１２０℃で１時間配置することによって水を除去した。４．５ｇの乾燥材料が得られ、２／４重量部の処理されたＢａＴｉＯ３中１重量部の処理されたＣＮＦからなると推定された。
上記の調製したＣＮＦスラリーの半分の量を取り、そこに６５ｇのＤＩ水を添加した。混合物を振盪して安定な分散液を作製した。確実に均質混合するために、その混合物を、ＩＫＡ Ｔ１８ Ｕｌｔｒａ Ｔｕｒｒａｘローターステーターミキサーによって、２０ｋｒｐｍで６０秒間混合した。ローターステーターミキサーによる撹拌を維持しながら、上記の調製したＢａＴｉＯ３分散液１０ｇを添加した。混合を更に６０秒間継続し、次いで、内容物をガラス容器に入れ、容器を上部が開いた状態で、換気オーブン内に９５℃で２０時間、次いで１２０℃で１時間配置することによって水を除去した。４．５ｇの乾燥材料が得られ、２／４重量部の処理されたＢａＴｉＯ３中１重量部の処理されたＣＮＦからなると推定された。
【0024】
ＣＮＦ上に吸着されたシリカナノ粒子を有するＣＮＦの調製（ＣＮＦ＠ＳｉＯ２）
８．６２ｇの上記の処理したＣＮＦスラリーを４０ｍＬのガラスバイアル瓶に入れ、８ｇのＤＩ水と混合した。その混合物を、最大出力１３０Ｗ、モデルＣＶ１８振動発生器、及び直径３／８”のステンレス鋼チップを有する超音波プロセッサ、モデルＧＥＸ１３０を用いて、９０％の振幅で３分間、混合した。次いで、５ｇのＮａｌｃｏ ＤＶＳＺＮ００２コロイダルシリカを添加し、同じ超音波プロセッサ及び同じプロセスパラメータを使用して混合した。得られた分散液は安定であった。次いで、それをペトリ皿に注ぎ、それを換気オーブン内に配置し、９５℃まで３℃／分で、９５℃／８時間、１００℃まで１℃／分で、１００℃／１時間、１１５℃まで１℃／分で、１１５℃／２時間、乾燥させた。２．２ｇの固形材料を得た。ＣＮＦ対シリカの重量比は１対２．３２であると推定された。
８．６２ｇの上記の処理したＣＮＦスラリーを４０ｍＬのガラスバイアル瓶に入れ、８ｇのＤＩ水と混合した。その混合物を、最大出力１３０Ｗ、モデルＣＶ１８振動発生器、及び直径３／８”のステンレス鋼チップを有する超音波プロセッサ、モデルＧＥＸ１３０を用いて、９０％の振幅で３分間、混合した。次いで、５ｇのＮａｌｃｏ ＤＶＳＺＮ００２コロイダルシリカを添加し、同じ超音波プロセッサ及び同じプロセスパラメータを使用して混合した。得られた分散液は安定であった。次いで、それをペトリ皿に注ぎ、それを換気オーブン内に配置し、９５℃まで３℃／分で、９５℃／８時間、１００℃まで１℃／分で、１００℃／１時間、１１５℃まで１℃／分で、１１５℃／２時間、乾燥させた。２．２ｇの固形材料を得た。ＣＮＦ対シリカの重量比は１対２．３２であると推定された。
【0025】
シルガード１８４シリコーンエラストマー中のＩＴＯの調製
ＩＰＡ中の適切な量の１００ｎｍのＩＴＯ粒子（平均直径、約１５０ｎｍ）分散液を、一口丸底フラスコ内において、シルガード１８４ベースポリマーと混合した。後者の量は、所望のＩＴＯ／シリコーン比に達するように計算した。その混合物を、８０℃に設定された回転蒸発器上に配置し、減圧を連続的に減少させてＩＰＡを除去した。最終圧力は１ｍｍＨｇであった。次いで、ＩＰＡを含まない混合物を冷却し、シルガード１８４硬化触媒を、開始シルガード１８４ベースの重量の１／１０の量で添加し、硬化させるために十分に混合した。最終硬化組成物において所望の総ＩＴＯ含有量に達するように、異なるサンプルに関してＩＴＯ量を調整した。
ＩＰＡ中の適切な量の１００ｎｍのＩＴＯ粒子（平均直径、約１５０ｎｍ）分散液を、一口丸底フラスコ内において、シルガード１８４ベースポリマーと混合した。後者の量は、所望のＩＴＯ／シリコーン比に達するように計算した。その混合物を、８０℃に設定された回転蒸発器上に配置し、減圧を連続的に減少させてＩＰＡを除去した。最終圧力は１ｍｍＨｇであった。次いで、ＩＰＡを含まない混合物を冷却し、シルガード１８４硬化触媒を、開始シルガード１８４ベースの重量の１／１０の量で添加し、硬化させるために十分に混合した。最終硬化組成物において所望の総ＩＴＯ含有量に達するように、異なるサンプルに関してＩＴＯ量を調整した。
【0026】
誘電測定のための比較サンプルディスクの調製
５ｇのシルガード１８４ベース及び０．５ｇのシルガード１８４硬化触媒を、ＦｌａｃｋＴｅｋミキサー上の１０ｇの容量カップ内で３５００ｒｐｍで２分間混合した。下にある研磨ステンレス板（６”×６”）上にテフロンシートによって裏打されたアルミニウムプレートから切り取った厚さ０．８ｍｍのスペーサの直径２インチ開口部に、２ｇの混合物を配置した。更なるテフロンシートを上部に配置し、次いで別の研磨ステンレス板によって被覆する。アセンブリを、１３０℃の温度及び４０００ｌｂの力の下加熱プレス状態に置いた。この状態でアセンブリを３０分間保持し、次いで定盤を通って流れる冷水で冷却した。硬化した直径２インチ、厚さ０．８ｍｍのディスクを収集し、誘電試験に使用する。スペーサの厚さを変更して、試験のために異なる厚さのサンプルを得た。
５ｇのシルガード１８４ベース及び０．５ｇのシルガード１８４硬化触媒を、ＦｌａｃｋＴｅｋミキサー上の１０ｇの容量カップ内で３５００ｒｐｍで２分間混合した。下にある研磨ステンレス板（６”×６”）上にテフロンシートによって裏打されたアルミニウムプレートから切り取った厚さ０．８ｍｍのスペーサの直径２インチ開口部に、２ｇの混合物を配置した。更なるテフロンシートを上部に配置し、次いで別の研磨ステンレス板によって被覆する。アセンブリを、１３０℃の温度及び４０００ｌｂの力の下加熱プレス状態に置いた。この状態でアセンブリを３０分間保持し、次いで定盤を通って流れる冷水で冷却した。硬化した直径２インチ、厚さ０．８ｍｍのディスクを収集し、誘電試験に使用する。スペーサの厚さを変更して、試験のために異なる厚さのサンプルを得た。
【0027】
誘電測定のためのＩＴＯ粒子を含有する比較サンプルディスクの調製
上記と同じ手順に従って、シルガード１８４ベースと触媒との混合物を含有するＩＴＯを使用して、ディスクを作製した。
上記と同じ手順に従って、シルガード１８４ベースと触媒との混合物を含有するＩＴＯを使用して、ディスクを作製した。
【0028】
誘電測定のためのＡｇナノ粒子を含有する比較サンプルディスクの調製
適切な量の平均直径１８ｎｍの乾燥Ａｇナノ粒子を、１０ｇ容量のデンタルミキサーカップに入れ、次いで５ｇのシルガード１８４ベースを秤量して入れた。直径１０ ３ｍｍの耐食性ステンレス鋼製軸受ボールを、カップに入れ、混合物をＦｌａｃｋＴｅｃミキサーにおいて３５００ｒｐｍで２分間（１分間混合、５分間待機し、次いで１分間混合して加熱を最小化した）混合した。１０分間冷却した後、０．５ｇのシルガード１８４硬化剤を秤量して入れ、３５００ｒｐｍで３０秒間混合した。混合物を２ｇ採取して、上記の同じディスク作製手順に従って、誘電体測定のためのディスクを作製した。Ａｇナノ粒子の量は、ディスクにおいて望ましいＡｇ含有量に達するように調整した。
適切な量の平均直径１８ｎｍの乾燥Ａｇナノ粒子を、１０ｇ容量のデンタルミキサーカップに入れ、次いで５ｇのシルガード１８４ベースを秤量して入れた。直径１０ ３ｍｍの耐食性ステンレス鋼製軸受ボールを、カップに入れ、混合物をＦｌａｃｋＴｅｃミキサーにおいて３５００ｒｐｍで２分間（１分間混合、５分間待機し、次いで１分間混合して加熱を最小化した）混合した。１０分間冷却した後、０．５ｇのシルガード１８４硬化剤を秤量して入れ、３５００ｒｐｍで３０秒間混合した。混合物を２ｇ採取して、上記の同じディスク作製手順に従って、誘電体測定のためのディスクを作製した。Ａｇナノ粒子の量は、ディスクにおいて望ましいＡｇ含有量に達するように調整した。
【0029】
誘電測定のためのカーボンナノファイバーを含有する比較サンプルディスクの調製
同様の手順を使用して、上記の未処理のピログラフＩＩＩＣＮＦ含有ディスクを、Ａｇナノ粒子の代わりに未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦのみを使用して調製した。
同様の手順を使用して、上記の未処理のピログラフＩＩＩＣＮＦ含有ディスクを、Ａｇナノ粒子の代わりに未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦのみを使用して調製した。
【0030】
誘電測定のためのＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２を含有する実施例ディスクの調製
同じ手順を使用し、Ａｇナノ粒子又は未処理ピログラフＩＩＩ ＣＮＦの代わりにＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２のみを使用して、上記のようにＭＷＣＮＴ（多層カーボンナノチューブ、内径５～１５ｎｍ、外径＞５０ｎｍ、長さ５～２０ミクロン）－ＴｉＯ２含有ディスクを調製した。
同じ手順を使用し、Ａｇナノ粒子又は未処理ピログラフＩＩＩ ＣＮＦの代わりにＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２のみを使用して、上記のようにＭＷＣＮＴ（多層カーボンナノチューブ、内径５～１５ｎｍ、外径＞５０ｎｍ、長さ５～２０ミクロン）－ＴｉＯ２含有ディスクを調製した。
【0031】
誘電測定のためのＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３を含有する実施例ディスクの調製
同じ手順を使用し、ＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２、Ａｇナノ粒子、又は未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦの代わりに、上で調製したＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３のみを使用して、上記のようにＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３含有ディスクを調製した。
同じ手順を使用し、ＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２、Ａｇナノ粒子、又は未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦの代わりに、上で調製したＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３のみを使用して、上記のようにＣＮＦ＠ＢａＴｉＯ３含有ディスクを調製した。
【0032】
誘電測定のためのＣＮＦ＠ＳｉＯ２を含有する実施例ディスクの調製
同じ手順を使用し、ＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２、Ａｇナノ粒子、又は未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦの代わりに、上で調製したＣＮＦ＠ＳｉＯ２のみを使用して、上記のようにＣＮＦ＠ＳｉＯ２含有ディスクを調製した。
同じ手順を使用し、ＭＷＣＮＴ－ＴｉＯ２、Ａｇナノ粒子、又は未処理ピログラフＩＩＩＣＮＦの代わりに、上で調製したＣＮＦ＠ＳｉＯ２のみを使用して、上記のようにＣＮＦ＠ＳｉＯ２含有ディスクを調製した。
【0033】
【表2-1】
【表2-2】
【表3】
【0034】
本発明において、驚くべきことに、本質的に非導電性であるナノ粒子は、導電性繊維の表面上に吸着されると、その複合体が導電性になる傾向を極めて効果的に低減し得る、ことが発見された。更に、この手法は、誘電損失を依然として低く抑えながら、誘電率を効果的に増加させるために驚くほど大量の導電性繊維を組み込むことができる。
【0035】
より広義には、様々な組成の増大している入手可能なナノファイバーを使用しようとする試みにおいては長年の問題があったが、一般には、一般的なナノファイバー製造技術では、密に束ねられた繊維を生成されることから、ナノファイバーをポリマーマトリックス中に均一に分散させることが課題であった。驚くべきことに、本発明の方法により、密に束ねられたナノファイバーをポリマーマトリックス中に均一に簡単に分散させ得ることを発見した。