JP7074281B2 - 圧電繊維構造体、圧電織物、圧電編物、圧電デバイス、力センサー、アクチュエータ、及び圧電繊維構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、最近、圧電性を有する材料を、導体に被覆して利用する試みもなされている。
例えば、中心から外側に向って順に同軸状に配置された中心導体、圧電材料層、外側導体及び外被から構成される、ピエゾケーブルが知られている(例えば、特許文献3参照)。
また、ポリフッ化ビニリデン又はポリ乳酸を含む圧電性高分子からなる繊維を導電性繊維に被覆してなる圧電素子が知られている(例えば、特許文献4参照)。
更に、中心糸に圧電性L型ポリ乳酸(PLLA)の糸、スリットリボン等を巻回し、圧電性を有し、かつ、抗菌性を示す圧電性抗菌ファブリックが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
<1> 光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含む圧電繊維(A)と、前記ヘリカルキラル高分子(A)とキラリティが異なり、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(B)を含む圧電繊維(B)と、を含み、前記圧電繊維(A)と前記圧電繊維(B)とが巻回されている圧電繊維構造体。
<2> 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)の少なくとも一方は、下記式(a)によって求められる配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲である<1>に記載の圧電繊維構造体。
配向度F=(180°-α)/180°・・(a)
(ただし、αは配向由来のピークの半値幅を表す。)
<3> 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)は、同一方向に螺旋状に巻回されている<1>又は<2>に記載の圧電繊維構造体。
<4> 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)は、螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されている<3>に記載の圧電繊維構造体。
<5> 前記ヘリカルキラル高分子(A)及び前記ヘリカルキラル高分子(B)は、下記式(1)で表される繰り返し単位を含む主鎖を有するポリ乳酸系高分子である<1>~<4>のいずれか1つに記載の圧電繊維構造体。
<7> 前記ヘリカルキラル高分子(A)は、構造単位としてL体成分を90モル%以上含み、前記ヘリカルキラル高分子(B)は、構造単位としてD体成分を90モル%以上含む<1>~<6>のいずれか1つに記載の圧電繊維構造体。
<8> 前記圧電繊維(A)に含まれる前記ヘリカルキラル高分子(A)の含有率は、前記圧電繊維(A)全量に対し、80質量%以上であり、前記圧電繊維(B)に含まれる前記ヘリカルキラル高分子(B)の含有率は、前記圧電繊維(B)全量に対し、80質量%以上である<1>~<7>のいずれか1つに記載の圧電繊維構造体。
<9> 前記圧電繊維(A)は、前記ヘリカルキラル高分子(A)を含む糸状繊維(A)が一方向に螺旋状に巻回されてなり、前記圧電繊維(B)は、前記ヘリカルキラル高分子(B)を含む糸状繊維(B)が前記糸状繊維(A)と同一の方向に螺旋状に巻回されてなる<1>~<8>のいずれか1つに記載の圧電繊維構造体。
<10> 前記圧電繊維(A)は、前記糸状繊維(A)が螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されており、前記圧電繊維(B)は、前記糸状繊維(B)が前記糸状繊維(A)と同一の方向に螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されている<9>に記載の圧電繊維構造体。
本開示において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
また、本開示において、「フィルム」は、一般的に「フィルム」と呼ばれているものだけでなく、一般的に「シート」と呼ばれているものをも包含する概念である。
本開示の圧電繊維構造体は、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含む圧電繊維(A)と、前記ヘリカルキラル高分子(A)とキラリティが異なり、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(B)を含む圧電繊維(B)と、を含み、前記圧電繊維(A)と前記圧電繊維(B)とが巻回されているものである。
本開示の圧電繊維構造体は抗菌性に優れている。その効果は以下のように推測される。本開示の圧電繊維構造体に張力を印加すると、圧電繊維(A)が帯電し、かつ圧電繊維(B)が圧電繊維(A)と逆の電位に帯電することにより、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の界面に強い電界が発生する。そして、この発生した強電界に細菌等が存在する場合、強電界により細菌等の細胞膜が破壊されるため、本開示の圧電繊維構造体は抗菌作用を奏する。
本開示の圧電繊維構造体は、中心軸(螺旋軸)の一端(図1の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)が左巻き(反時計回り)で巻回されているS巻きであってもよい。
また、本開示の圧電繊維構造体は、中心軸(螺旋軸)の一端(図1の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)が右巻き(時計回り)で巻回されているZ巻きであってもよい。
なお、後述する図1では、S巻きである圧電繊維構造体の例を示している。
「螺旋軸」とは、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)が螺旋状に巻回されている場合、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)により形成される螺旋構造の中心軸を意味する。
圧電繊維(A)の螺旋角度と、圧電繊維(B)の螺旋角度とは、略同一、例えば螺旋角度の差が±5°以内であることが好ましい。
本開示の圧電繊維構造体は、例えば、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)を撚糸、捲縮等して巻回させて製造すればよい。
非導電性の芯材の形状(長尺状)、長軸径には特に限定はないが、非導電性芯材としては、単数又は複数の束からなる繊維形状を有する芯材であることが好ましい。
繊維形状を有する芯材としては、例えば、糸(モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸)が挙げられる。
以下、図1を用いて圧電繊維構造体の具体的態様について説明する。
図1に示すように、具体的態様の圧電繊維構造体10は、圧電繊維(A)1及び圧電繊維(B)2が同一方向に螺旋状に巻回されてなるものである。また、圧電繊維(A)1は、螺旋軸Gに対して、螺旋角度α1で一端から他端にかけて巻回されており、圧電繊維(B)2は、螺旋軸Gに対して、螺旋角度α2で一端から他端にかけて巻回されており、隣り合う圧電繊維(A)1と圧電繊維(B)2との間に隙間がないように圧電繊維(A)1及び圧電繊維(B)2が同一方向に螺旋状に巻回されている。
図1では、中心軸(螺旋軸)Gの一端(図1の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって圧電繊維(A)1及び圧電繊維(B)2が左巻き(反時計回り)で巻回したS巻きの例を表している。
圧電繊維(A)は光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含み、圧電繊維(B)はヘリカルキラル高分子(A)とキラリティが異なり、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(B)を含む。
ここで、「光学活性を有するヘリカルキラル高分子」とは、分子構造が螺旋構造であり分子光学活性を有する高分子を指す。
上記ポリペプチドとしては、例えば、ポリ(グルタル酸γ-ベンジル)、ポリ(グルタル酸γ-メチル)等が挙げられる。
上記セルロース誘導体としては、例えば、酢酸セルロース、シアノエチルセルロース等が挙げられる。
光学純度(%ee)=100×|L体量-D体量|/(L体量+D体量)
すなわち、ヘリカルキラル高分子の光学純度は、
『「ヘリカルキラル高分子のL体の量〔質量%〕とヘリカルキラル高分子のD体の量〔質量%〕との量差(絶対値)」を「ヘリカルキラル高分子のL体の量〔質量%〕とヘリカルキラル高分子のD体の量〔質量%〕との合計量」で割った(除した)数値』に、『100』をかけた(乗じた)値である。
ヘリカルキラル高分子(A)及びヘリカルキラル高分子(B)は、ポリ乳酸系高分子の中でも、ポリ乳酸が好ましい。また、ヘリカルキラル高分子(A)は、L-乳酸のホモポリマー(PLLA、単に「L体」ともいう)がより好ましく、ヘリカルキラル高分子(B)は、D-乳酸のホモポリマー(PDLA、単に「D体」ともいう)がより好ましい。
ポリ乳酸は、ラクチドを経由するラクチド法;溶媒中で乳酸を減圧下加熱し、水を取り除きながら重合させる直接重合法;などによって製造できることが知られている。
ポリ乳酸としては、L-乳酸のホモポリマー、D-乳酸のホモポリマー、L-乳酸及びD-乳酸の少なくとも一方の重合体を含むブロックコポリマー、並びに、L-乳酸及びD-乳酸の少なくとも一方の重合体を含むグラフトコポリマーが挙げられる。
また、ヘリカルキラル高分子(B)が、構成単位としてL-乳酸及びD-乳酸を含む場合、D-乳酸の含有率がL-乳酸の含有率よりも高いことが好ましい
例えば、ヘリカルキラル高分子(A)及びヘリカルキラル高分子(B)が、ポリ乳酸系高分子である場合、ポリ乳酸系高分子中における、乳酸に由来する構造と、乳酸と共重合可能な化合物(コポリマー成分)に由来する構造と、のモル数の合計に対して、コポリマー成分に由来する構造の濃度が20モル%以下であることが好ましい。
ヘリカルキラル高分子(A)及びヘリカルキラル高分子(B)の重量平均分子量(Mw)は、5万~100万であることが好ましい。
ヘリカルキラル高分子のMwが5万以上であることにより、圧電繊維の機械的強度が向上する。上記Mwは、10万以上であることが好ましく、20万以上であることが更に好ましい。
一方、ヘリカルキラル高分子のMwが100万以下であることにより、成形(例えば押出成形、溶融紡糸)によって圧電繊維を得る際の成形性が向上する。上記Mwは、80万以下であることが好ましく、30万以下であることが更に好ましい。
以下、GPCによるヘリカルキラル高分子のMw及びMw/Mnの測定方法の一例を示す。
Waters社製GPC-100
-カラム-
昭和電工社製、Shodex LF-804
-サンプルの調製-
第1の圧電体を40℃で溶媒(例えば、クロロホルム)へ溶解させ、濃度1mg/mlのサンプル溶液を準備する。
-測定条件-
サンプル溶液0.1mlを溶媒〔クロロホルム〕、温度40℃、1ml/分の流速でカラムに導入する。
ポリスチレン標準試料にてユニバーサル検量線を作成し、ヘリカルキラル高分子の重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を算出する。
市販品としては、例えば、PURAC社製のPURASORB(PD、PL)、三井化学社製のLACEA(H-100、H-400)、NatureWorks LLC社製のIngeoTM biopolymer、等が挙げられる。
ヘリカルキラル高分子としてポリ乳酸系高分子を用いるときに、ポリ乳酸系高分子の重量平均分子量(Mw)を5万以上とするためには、ラクチド法、または直接重合法によりポリ乳酸系高分子を製造することが好ましい。
圧電繊維(A)に含まれるヘリカルキラル高分子(A)の含有率(2種以上である場合には総含有率)は、圧電繊維(A)の全量に対し、80質量%以上が好ましい。
圧電繊維(B)に含まれるヘリカルキラル高分子(B)の含有率(2種以上である場合には総含有率)は、圧電繊維(B)の全量に対し、80質量%以上が好ましい。
圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の少なくとも一方は、更に、一分子中に、カルボジイミド基、エポキシ基、及びイソシアネート基からなる群より選ばれる1種類以上の官能基を有する重量平均分子量が200~60000の安定化剤(C)を含有していてもよい。これにより、圧電繊維の耐湿熱性をより向上させることができる。
モノカルボジイミド化合物としては、ジシクロヘキシルカルボジイミド、ビス-2,6-ジイソプロピルフェニルカルボジイミド等が好適である。
また、ポリカルボジイミド化合物としては、種々の方法で製造したものを使用することができる。従来のポリカルボジイミドの製造方法(例えば、米国特許第2941956号明細書、特公昭47-33279号公報、J.0rg.Chem.28,2069-2075(1963)、Chemical Review 1981,Vol.81 No.4、p619-621)により、製造されたものを用いることができる。具体的には特許4084953号公報に記載のカルボジイミド化合物を用いることもできる。
ポリカルボジイミド化合物としては、ポリ(4,4’-ジシクロヘキシルメタンカルボジイミド)、ポリ(N,N’-ジ-2,6-ジイソプロピルフェニルカルボジイミド)、ポリ(1,3,5-トリイソプロピルフェニレン-2,4-カルボジイミド)等が挙げられる。
環状カルボジイミド化合物は、例えば、特開2011-256337号公報に記載の方法などに基づいて合成することができる。
カルボジイミド化合物としては、市販品を用いてもよく、例えば、東京化成社製、B2756(商品名)、日清紡ケミカル社製、カルボジライト(登録商標)LA-1(商品名)、ラインケミー社製、Stabaxol P、Stabaxol P400、Stabaxol I(いずれも商品名)等が挙げられる。
分子量が上記範囲内ならば、安定化剤(C)がより移動しやすくなり、耐湿熱性改良効果がより効果的に奏される。
安定化剤(C)の重量平均分子量は、200~900であることが特に好ましい。なお、重量平均分子量200~900は、数平均分子量200~900とほぼ一致する。また、重量平均分子量200~900の場合、分子量分布が1.0である場合があり、この場合には、「重量平均分子量200~900」を、単に「分子量200~900」と言い換えることもできる。
圧電繊維が安定化剤(C)を含む場合、安定化剤(C)の含有量は、ヘリカルキラル高分子100質量部に対し、0.01質量部~10質量部であることが好ましく、0.01質量部~5質量部であることがより好ましく、0.1質量部~3質量部であることが更に好ましく、0.5質量部~2質量部であることが特に好ましい。
上記含有量が0.01質量部以上であると、耐湿熱性がより向上する。
また、上記含有量が10質量部以下であると、透明性の低下がより抑制される。
安定化剤(C)として安定化剤(C1)と安定化剤(C2)とを併用する場合、安定化剤(C1)を多く含むことが透明性向上の観点から好ましい。
具体的には、安定化剤(C1)100質量部に対して、安定化剤(C2)が10質量部~150質量部の範囲であることが、透明性と耐湿熱性の両立という観点から好ましく、50質量部~100質量部の範囲であることがより好ましい。
・安定化剤C-1 … 化合物名は、ビス-2,6-ジイソプロピルフェニルカルボジイミドである。重量平均分子量(この例では、単なる「分子量」に等しい)は、363である。市販品としては、ラインケミー社製「Stabaxol I」、東京化成社製「B2756」が挙げられる。
・安定化剤C-2 … 化合物名は、ポリ(4,4’-ジシクロヘキシルメタンカルボジイミド)である。市販品としては、重量平均分子量約2000のものとして、日清紡ケミカル社製「カルボジライト(登録商標)LA-1」が挙げられる。
・安定化剤C-3 … 化合物名は、ポリ(1,3,5-トリイソプロピルフェニレン-2,4-カルボジイミド)である。市販品としては、重量平均分子量約3000のものとして、ラインケミー社製「Stabaxol P」が挙げられる。また、重量平均分子量20000のものとして、ラインケミー社製「Stabaxol P400」が挙げられる。
圧電繊維は、必要に応じ、その他の成分を含有してもよい。
その他の成分としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の公知の樹脂;シリカ、ヒドロキシアパタイト、モンモリロナイト等の公知の無機フィラー;フタロシアニン等の公知の結晶核剤;安定化剤(C)以外の安定化剤;等が挙げられる。
無機フィラー及び結晶核剤としては、国際公開第2013/054918号の段落0057~0058に記載された成分を挙げることもできる。
圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の少なくとも一方において、下記式(a)によって求められる配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲であることが好ましい。
配向度F=(180°-α)/180°・・(a)
ただし、αは配向由来のピークの半値幅を表す。αの単位は、°である。
上記配向度Fは、0.7以上1.0未満であることがより好ましく、0.8以上1.0未満であることが更に好ましい。
配向度Fが0.5以上であれば、延伸方向に配列するヘリカルキラル高分子の分子鎖(例えばポリ乳酸分子鎖)が多く、その結果、配向結晶の生成する率が高くなり、より高い圧電性を発現することが可能となる。
配向度Fが1.0未満であれば、縦裂強度が向上する。
圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の少なくとも一方において、結晶化度は、好ましくは20%~80%であり、より好ましくは25%~70%であり、更に好ましくは30%~60%である。
結晶化度が20%以上であることにより、圧電繊維の圧電性が高く維持される。結晶化度が80%以下であることにより、圧電繊維の透明性が高く維持される。
結晶化度が80%以下であることにより、例えば、圧電繊維を延伸によって製造する際に白化や破断がおきにくいので、圧電繊維を製造しやすい。また、結晶化度が80%以下であることにより、例えば、圧電繊維の原料(例えばポリ乳酸)を溶融紡糸後に延伸によって製造する際に屈曲性が高く、しなやかな性質を有する繊維となり、圧電繊維を製造しやすい。
圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の具体例としては、例えば、モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸、紡績糸等が挙げられる。
モノフィラメント糸の単糸繊度は、好ましくは3dtex~30dtexであり、より好ましくは5dtex~20dtexである。
単糸繊度が3dtex以上であると、織物準備工程、製織工程等において糸を取り扱うことが容易である。一方、単糸繊度が30dtex以下であると、糸間で融着が発生しにくくなる。
モノフィラメント糸は、コストの点を考慮すれば直接的に紡糸、延伸して得ることが好ましい。なお、モノフィラメント糸は入手したものであってもよい。
マルチフィラメント糸の総繊度は、好ましくは30dtex~600dtexであり、より好ましくは100dtex~400dtexである。
マルチフィラメント糸は、例えば、スピンドロー糸などの一工程糸の他、UDY(未延伸糸)やPOY(高配向未延伸糸)などを延伸して得る二工程糸のいずれもが採用可能である。なお、マルチフィラメント糸は入手したものであってもよい。
ポリ乳酸系モノフィラメント糸、ポリ乳酸系マルチフィラメント糸の市販品としては、東レ社製のエコディア(登録商標)PLA、ユニチカ社製のテラマック(登録商標)、クラレ社製プラスターチ(登録商標)が使用可能である。
例えば、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)としてのフィラメント糸(モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸)は、原料(例えばポリ乳酸)を溶融紡糸した後、これを延伸することにより得ることができる(溶融紡糸延伸法)。なお、紡出後において、冷却固化するまでの糸条近傍の雰囲気温度を一定温度範囲に保つことが好ましい。
また、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)としてのフィラメント糸は、例えば、上記溶融紡糸延伸法で得られたフィラメント糸を更に分繊することにより得てもよい。
圧電繊維の断面形状としては、圧電繊維の長手方向に垂直な方向の断面において、円形状、楕円形状、矩形状、繭形状、リボン形状、4つ葉形状、星形状、異形状など様々な断面形状を適用することが可能である。
糸状繊維(A)及び糸状繊維(B)としては、フィラメント糸(モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸)等が挙げられる。すなわち、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)は、フィラメント糸等が一方向に螺旋状に巻回されてなるものであってもよく、本開示の圧電繊維構造体は、フィラメント糸等を一方向に螺旋状に巻回されてなる圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)が巻回されているものであってもよい。
例えば、本開示の圧電繊維構造体は、巻回されていない、糸状繊維(A)及び糸状繊維(B)から構成された圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)が巻回されてなるものであってもよい。これにより、糸状繊維(A)及び糸状繊維(B)を一方向に螺旋状に巻回させて圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)を作製する工程が省略されるため、圧電繊維構造体の製造工程が簡略化される。
以下、図3及び図4を用いて糸状繊維を用いてなる圧電繊維の具体的態様について説明する。
図3では、中心軸(螺旋軸)G1の一端(図3の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって糸状繊維4Aが左巻き(反時計回り)で巻回したS巻きの例を表している。
また、図3中、糸状繊維4Aに含まれるヘリカルキラル高分子の主配向方向は、両矢印E1で示されている。即ち、ヘリカルキラル高分子の主配向方向と、糸状繊維4Aの配置方向(糸状繊維4Aの長さ方向)とは、略平行となっている。
なお、圧電繊維14Aを巻回する場合、S巻きであってもよく、Z巻きであってもよい。
図4では、中心軸(螺旋軸)G1の一端(図4の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって糸状繊維4Bが右巻き(時計回り)で巻回したZ巻きの例を表している。
また、図4中、糸状繊維4Bに含まれるヘリカルキラル高分子の主配向方向は、両矢印E1で示されている。即ち、ヘリカルキラル高分子の主配向方向と、糸状繊維4Bの配置方向(糸状繊維4Bの長さ方向)とは、略平行となっている。
なお、圧電繊維14Bを巻回する場合、S巻きであってもよく、Z巻きであってもよい。
圧電繊維構造体は、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)以外の繊維(以下、単に「繊維」ともいう)を備えていてもよい。
繊維は、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の巻回方向とは異なる方向に巻回されることが好ましく、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)と繊維とは交互に交差された組紐構造をなすことが好ましい。
なお、前記繊維の巻回方向(右巻き又は左巻き)は、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)の巻回方向と同じ方向であってもよく、異なる方向であってもよい。
これらの繊維は、1種のみ用いてもよいし、2種以上含有していてもよい。
また、繊維としては、モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸等が挙げられる。モノフィラメント糸の単糸繊度としては、例えば、前述の圧電繊維におけるモノフィラメント糸の単糸繊度と同様の範囲が挙げられる。マルチフィラメント糸の総繊度としては、例えば、前述の圧電繊維におけるマルチフィラメント糸の総繊度と同様の範囲が挙げられる。
本開示の圧電繊維構造体の製造方法は、前述の圧電繊維構造体を製造する圧電繊維構造体の製造方法であって、前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)を準備する工程と、準備した前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)を巻回する工程と、を含む。
例えば、圧電繊維(A)及び圧電繊維(B)を撚糸、捲縮等して巻回させて圧電繊維構造体を製造すればよい。
本開示の圧電織物は、縦糸及び横糸からなる織物構造体を備え、前記縦糸及び前記横糸の少なくとも一方が、前述の圧電繊維構造体を含む。
従って、本開示の圧電織物によれば、本開示の圧電繊維構造体と同様に抗菌性に優れる。
ここで、織物とは、糸を交錯させて織物構造体を形成することによりフィルム形状に仕上げたもの全般を指す。圧電織物とは、織物の中でも、外部刺激(例えば物理力)によって圧電効果が発現される織物をいう。
高分子を含む糸における高分子としては、ポリエステル、ポリオレフィン等の一般的な高分子が挙げられ、また、前述のヘリカルキラル高分子も挙げられる。
また、高分子を含む糸の概念には、本開示の圧電繊維構造体も包含される。
織物構造体としては、平織(plain weave)、綾織(twill weave)、朱子織(satin weave)等の基本的な構造体が挙げられる。
本開示の圧電繊維構造体は、圧電織物中の縦糸として用いても横糸として用いてもよく、また、縦糸の一部として用いてもよく、横糸の一部として用いてもよい。
三次元的構造を有する織物の例は、例えば、特表2001-513855号公報に記載されている。
本開示の圧電織物では、織物構造体を構成する糸のうちの少なくとも一部が、本開示の圧電繊維構造体で構成されていればよい。
本開示の圧電編物は、前述の圧電繊維構造体を含む編物構造体を備える。
従って、本開示の圧電編物によれば、本開示の圧電繊維構造体と同様に抗菌性に優れる。
ここで、編物とは、糸でループを作りながら編み合わせて製造されたもの全般を指す。圧電編物とは、編物の中でも、外部刺激(例えば物理力)によって圧電効果が発現される編物をいう。
高分子を含む糸における高分子としては、ポリエステル、ポリオレフィン等の一般的な高分子が挙げられ、また、前述のヘリカルキラル高分子も挙げられる。
また、高分子を含む糸の概念には、本開示の圧電繊維構造体も包含される。
編物構造体としては、緯編み(ヨコ編み)、経編み(タテ編み)等の基本的な構造体が挙げられる。緯編みには、平編み、リブ編み、両面編み、パール編み、丸編み等がある。また、経編みには、トリコット編み、アトラス編み、ダイヤモンド編み、ミラニーズ編み等の基本的な構造体が挙げられる。
本開示の圧電繊維構造体は、圧電編物中の糸として用いればよく、また、糸の一部として用いてもよい。
本開示の圧電編物では、編物構造体を構成する糸のうちの少なくとも一部が、本開示の圧電繊維構造体で構成されていればよい。
以下、本開示の圧電編物の具体的態様について、図2を用いて説明する。
図2に示すように、本開示の圧電編物20は、圧電繊維構造体10と、絶縁性糸16と、が緯編みで編まれており、編物構造体の一部に、図1に示すような圧電繊維構造体10が用いられている。
本開示の圧電織物又は圧電編物は、少なくとも一部に圧電性及び抗菌性が要求されるあらゆる用途に適用することができる。
なお、上記具体例の全体を本開示の圧電織物又は圧電編物で構成してもよいし、圧電性及び抗菌性が要求される部位のみ本開示の圧電織物又は圧電編物で構成してもよい。
本開示の圧電織物又は圧電編物の用途としては、身体に身につけるウェアラブル製品が特に好適である。
本開示の圧電デバイスは、本開示の圧電織物又は本開示の圧電編物を備える。
圧電織物又は圧電編物には電極が配置されていることが好ましい。電極は、圧電繊維構造体から発生する電荷を検出するための電極である。
電極材料としては特に限定はないが、金属(Al等)が挙げられるが、その他にも、例えば、Ag、Au、Cu、Ag-Pd合金、Agペースト、Cuペースト、カーボンブラック、ITO(結晶化ITO及び非晶ITO)、ZnO、IGZO、IZO(登録商標)、導電性ポリマー(ポリチオフェン、PEDOT)、Agナノワイヤー、カーボンナノチューブ、グラフェン等も挙げられる。
なお、本開示の圧電デバイスは、電極と、織物構造体又は編物構造体との間に絶縁体を備えることが好ましい。
これにより、電極間の電気的短絡の発生を抑制しやすい構造となる。
本開示の圧電繊維構造体は、抗菌性が要求される用途に用いることが好ましい。また、
例えば、センサー用途(着座センサー等の力センサー、超音波センサー、ラケット、ゴルフクラブ、バット等の各種球技用スポーツ用具の打撃時の加速度センサーやインパクトセンサー等)、アクチュエータ用途(シート搬送用デバイス等)、エネルギーハーベスティング用途(発電ウエア、発電靴等)、ヘルスケア関連用途(Tシャツ、スポーツウェア、スパッツ、靴下等の各種衣類、サポーター、ギプス、おむつ、靴、靴の中敷、時計等に本センサーを設けた、ウェアラブルモーションセンサー等)などとして利用することができる。
例えば、前述の圧電織物、圧電編物、及び圧電デバイスは、これらの用途に適用することができる。
<糸状圧電体の作製>
(モノフィラメント糸の作製)
ヘリカルキラル高分子(A)として、ポリ乳酸(融点170℃、融解熱38J/g、L-乳酸/D-乳酸のモル比が98.5/1.5(L-乳酸の含有率が98.5モル%)、数平均分子量8.5万)を準備した。
また、ヘリカルキラル高分子(B)として、ポリ乳酸(融点170℃、融解熱38J/g、D-乳酸/L-乳酸のモル比が98.5/1.5(D-乳酸の含有率が98.5モル%)、数平均分子量8.5万)を準備した。
上記2種類のポリ乳酸をそれぞれエクストルーダー型溶融紡糸機に供給し、溶融混練した。溶融混練後の上記2種類のポリ乳酸を円形の紡糸口金より、紡糸温度225℃でそれぞれ溶融紡糸した後、糸条を冷却し、油剤を付与した。続いて一旦捲き取ることなく、80℃に加熱した熱ローラ間で熱延伸を施し、捲き取った。これにより、総繊度295dtex(20番手:長軸径2.7μm)である、ヘリカルキラル高分子(A)から構成される糸状圧電体(A-1)(モノフィラメント糸、糸状繊維)及びヘリカルキラル高分子(B)から構成される糸状圧電体(B-1)(モノフィラメント糸、糸状繊維)をそれぞれ作製した。
上記のようにして得た糸状圧電体(A-1)の束及び糸状圧電体(B-1)の束をそれぞれ、螺旋軸に対して左巻き(S巻き)に、前記螺旋軸に対して45°の方向を向くように(螺旋角度45°)、撚糸して巻回した。なお、撚糸の撚り数(捩り数)は、実体顕微鏡で10mm当たり10ターン程度の撚り数であることを目視観察し、本実施例の1m当たりの撚り数を1000ターン(1000T/m)とした。なお、「左巻き(S巻き)」とは、中心軸(螺旋軸)の一端(図3の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって糸状圧電体が左巻き(反時計回り)で巻回していることをいう。また、「右巻き(Z巻き)」とは、中心軸(螺旋軸)の一端(図4の場合、右端側)から見たときに、手前側から奥側に向かって糸状圧電体が右巻き(時計回り)で巻回していることをいう。
次に、S巻きに撚糸した糸状圧電体(A-1)及び糸状圧電体(B-1)を、螺旋軸に対して右巻き(Z巻き)に、前記螺旋軸に対して45°の方向を向くように(螺旋角度45°)、撚糸して巻回した。なお、撚糸の撚り数(捩り数)は、実体顕微鏡で10mm当たり4ターン程度の撚り数であることを目視観察し、本実施例の1m当たりの撚り数を400ターン(400T/m)とした。
以上のようにして、実施例1の圧電繊維構造体を得た。
<糸状圧電体の作製>
(マルチフィラメント糸の作製)
実施例1で用いた2種のポリ乳酸をそれぞれエクストルーダー型溶融紡糸機に供給し、溶融混練した。溶融混練後の上記2種類のポリ乳酸を円形の紡糸口金より、紡糸温度225℃でそれぞれ溶融紡糸した後、糸条を冷却し、油剤を付与した。続いて一旦捲き取ることなく、80℃に加熱した熱ローラ間で熱延伸を施し、捲き取った。これにより、総繊度295dtex(20番手:長軸径2.7μm)である、ヘリカルキラル高分子(A)から構成される糸状圧電体(A-2)(マルチフィラメント1本撚り、糸状繊維)及びヘリカルキラル高分子(B)から構成される糸状圧電体(B-2)(マルチフィラメント1本撚り、糸状繊維)をそれぞれ作製した。なお、マルチフィラメント糸1本撚りとは、多数の繊維を撚り合わせて一本の糸にした物である。
上記のようにして得た糸状圧電体(A-2)及び糸状圧電体(B-2)をそれぞれ、螺旋軸に対して左巻き(S巻き)に、前記螺旋軸に対して45°の方向を向くように(螺旋角度45°)、撚糸して巻回した。なお、撚糸の撚り数(捩り数)は、実体顕微鏡で10mm当たり10ターン程度の撚り数であることを目視観察し、本実施例の1m当たりの撚り数を1000ターン(1000T/m)とした。
次に、S巻きに撚糸した糸状圧電体(A-2)及び糸状圧電体(B-2)を、螺旋軸に対して右巻き(Z巻き)に、前記螺旋軸に対して45°の方向を向くように(螺旋角度45°)、撚糸して巻回した。なお、撚糸の撚り数(捩り数)は、実体顕微鏡で10mm当たり4ターン程度の撚り数であることを目視観察し、本実施例の1m当たりの撚り数を400ターン(400T/m)とした。
以上のようにして、実施例2の圧電繊維構造体を得た。
<糸状圧電体の作製>
(ステープル糸の作製)
実施例1で用いた2種のポリ乳酸をそれぞれエクストルーダー型溶融紡糸機に供給し、溶融混練した。溶融混練後の上記2種類のポリ乳酸を円形の紡糸口金より、紡糸温度225℃でそれぞれ溶融紡糸した後、糸条を冷却し、油剤を付与した。続いて一旦捲き取ることなく、80℃に加熱した熱ローラ間で熱延伸を施し、捲き取った。これにより、総繊度1.7dtex及び繊維長50mmである、ヘリカルキラル高分子(A)から構成される糸状圧電体(A-3)(ステープル糸)及びヘリカルキラル高分子(B)から構成される糸状圧電体(B-3)(ステープル糸)をそれぞれ作製した。
上記のようにして得た糸状圧電体(A-3)及び糸状圧電体(B-3)を用い、以下に示す工程を経て紡績糸を作製した。
まず、糸状圧電体(A-3)及び糸状圧電体(B-3)を混合する混打綿工程を経て、梳綿機によりスライバーを作製し、スライバーを練条機に供給し、混合した後、粗紡機にて粗紡を施し、撚数0.635回/25.4mmの粗糸を得た。更に上記粗糸を精紡機に供給し、ドラフト率34倍、撚数18回/25.4mmの精紡(精紡工程)を施して、30番手(英式綿番手)(19.7tex)の紡績糸を得た。
以上のようにして、実施例3の圧電繊維構造体を得た。
2 圧電繊維(B)
10 圧電繊維構造体
14A、14B 圧電繊維
16 絶縁性糸
20 圧電編物
Claims (15)
- 光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含む圧電繊維(A)と、
前記ヘリカルキラル高分子(A)とキラリティが異なり、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(B)を含む圧電繊維(B)と、を含み、
前記圧電繊維(A)と前記圧電繊維(B)とが巻回されており、
前記ヘリカルキラル高分子(A)は、構造単位としてL体成分を90モル%以上含み、
前記ヘリカルキラル高分子(B)は、構造単位としてD体成分を90モル%以上含む圧電繊維構造体。 - 光学活性を有するヘリカルキラル高分子(A)を含む圧電繊維(A)と、
前記ヘリカルキラル高分子(A)とキラリティが異なり、光学活性を有するヘリカルキラル高分子(B)を含む圧電繊維(B)と、を含み、
前記圧電繊維(A)と前記圧電繊維(B)とが巻回されており、
前記圧電繊維(A)は、前記ヘリカルキラル高分子(A)を含む糸状繊維(A)が一方向に螺旋状に巻回されてなり、
前記圧電繊維(B)は、前記ヘリカルキラル高分子(B)を含む糸状繊維(B)が前記糸状繊維(A)と同一の方向に螺旋状に巻回されてなる圧電繊維構造体。 - 前記圧電繊維(A)は、前記糸状繊維(A)が螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されており、
前記圧電繊維(B)は、前記糸状繊維(B)が前記糸状繊維(A)と同一の方向に螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されている請求項2に記載の圧電繊維構造体。 - 前記ヘリカルキラル高分子(A)は、構造単位としてL体成分を50モル%超含み、
前記ヘリカルキラル高分子(B)は、構造単位としてD体成分を50モル%超含む請求項2又は請求項3に記載の圧電繊維構造体。 - 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)の少なくとも一方は、下記式(a)によって求められる配向度Fが0.5以上1.0未満の範囲である請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体。
配向度F=(180°-α)/180°・・(a)
(ただし、αは配向由来のピークの半値幅を表す。) - 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)は、同一方向に螺旋状に巻回されている請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体。
- 前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)は、螺旋軸に対して15°~75°の角度で巻回されている請求項6に記載の圧電繊維構造体。
- 前記圧電繊維(A)に含まれる前記ヘリカルキラル高分子(A)の含有率は、前記圧電繊維(A)全量に対し、80質量%以上であり、
前記圧電繊維(B)に含まれる前記ヘリカルキラル高分子(B)の含有率は、前記圧電繊維(B)全量に対し、80質量%以上である請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体。 - 縦糸及び横糸からなる織物構造体を備え、
前記縦糸及び前記横糸の少なくとも一方が、請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体を含む圧電織物。 - 請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体を含む編物構造体を備える圧電編物。
- 請求項10に記載の圧電織物又は請求項11に記載の圧電編物を備える圧電デバイス。
- 請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体を備える力センサー。
- 請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体を備えるアクチュエータ。
- 請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の圧電繊維構造体を製造する圧電繊維構造体の製造方法であって、
前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)を準備する工程と、
準備した前記圧電繊維(A)及び前記圧電繊維(B)を巻回する工程と、
を含む圧電繊維構造体の製造方法。
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