CN102869823A - 薄片状纤维结构体及使用了它的电池、绝热材料、防水片、以及细胞培养用的支架 - Google Patents

薄片状纤维结构体及使用了它的电池、绝热材料、防水片、以及细胞培养用的支架 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄片状纤维结构体，其具有由无定形二氧化硅构成的多根纤维，所述多根纤维因相互缠绕而被连接，形成空隙部。这样，不仅具有透液性、耐电压性，而且还具有高耐热性、耐药品性。由此，可以在用于防止电极间的短路的隔膜或者细胞培养的支架等中使用。

Description

薄片状纤维结构体及使用了它的电池、绝热材料、防水片、以及细胞培养用的支架
技术领域
本发明涉及在需要绝热性、耐热性、耐电压性的各种电子器件、或细胞培养的培养皿材料等中所用的薄片状纤维结构体及使用了它的电池、绝热材料、防水片、以及细胞培养用的支架等。
背景技术
以往，以二氧化硅、玻璃等无机物、和纤维素、聚丙烯、聚酰胺等有机材料构成的薄片状纤维结构体被作为绝热材料或耐电压材料使用。
在电解电容器或蓄电池等中在正极与负极之间与电解液一起设有被称作隔膜的耐电压材料。隔膜防止电极之间的短路，另一方面，使存在于电解液中的离子或电子透过。
但是，随着近来的蓄电池等的高容量化、高输出化，需要在尽可能地缩短电极间的距离的同时确保耐电压特性、透液性。另外，在因电极间存在异物等理由而偶然性地引起短路的情况下，会在短路部位周边引起放热，隔膜有可能因高温而破损。
另外，高分子材料与无机材料的复合体还被作为细胞培养时使用的培养皿材料使用。复合体是在烯烃系聚合物、聚酯树脂等高分子材料中填充或层叠二氧化硅等无机材料而形成的。这里，优选使用以多孔或者管状、空心丝等形状成形的高分子材料。
在细胞培养时作为培养皿使用的结构体中，为了有效地进行细胞的培养，有时设置用于附着细胞的支架。支架向培养中的细胞群供给足够的营养和根据需要使用的二氧化碳气体、空气等。
细胞培养皿中所用的支架由于需要向细胞群供给足够的营养和气体，因此要求有透液性、透气性。另外，在对支架实施表面处理的情况下，需要进行热处理或药品处理，因而要求具有耐热性、耐药品性。
而且，作为与发明相关的先行技术文献，已知有以下的专利文献。
[专利文献]
[专利文献1]日本特开2008-243825号公报
[专利文献2]日本特开2008-117950号公报
[专利文献3]日本特开昭63-196280号公报
发明内容
本发明的薄片状纤维结构体具有由无定形二氧化硅构成的多根纤维。多根纤维通过缠绕而被连接，形成空隙部。
本发明的薄片状纤维结构体由于是无定形结构，因此与晶体纤维相比具有高柔软性。由此，在作为蓄电池或电解电容器的隔膜使用时即使被折曲、或受到压力，薄片结构也很难受到破损。
另外，薄片状纤维结构体的耐热性高达1000℃以上。由此，即使在薄片周边发生由短路造成的放热，薄片结构也不会受到破损，可以用于、高容量·大电流的蓄电池中。另外，在用于细胞培养皿中所用的支架中的情况下，即使被实施热处理，薄片结构也很难受到破损。
此外，无定形二氧化硅是耐碱性、耐酸性高的材料。由此，在作为隔膜使用的情况下，即使长时间浸渍于电解液等中，也很少劣化。另外，在作为支架使用的情况下，即使利用药品处理来实施表面处理，也不会使薄片结构破损。
此外，由于纤维直径小到0.01μm以上、1μm以下，因此在作为隔膜使用的情况下，薄片的空隙率、透液性变高，与以往的隔膜相比，是较薄的厚度，且具有高透液性、耐电压。另外，在作为支架使用的情况下，与细胞膜接触的面积是作为纳米结构体的极小一部分的区域，因此薄片的空隙率、透液性提高。由此，与以往的支架相比，是较薄的厚度，且具有高透液性。其结果是，可以充分地供给来自穿过薄片状纤维结构体的内部的培养液养分。
附图说明
图1A是本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的侧视图。
图1B是本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的要部放大图。
图2是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的SEM像的图。
图3是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的SEM像的图。
图4是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的连接部的SEM像的图。
图5是使用了本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的电池的概念图。
图6是使用了本发明的第二实施方式的薄片状纤维结构体的绝热材料的概念图。
图7是表示本发明的第二实施方式的薄片状纤维结构体的特性的图。
图8是本发明的第三实施方式的用疏水膜被实施了表面修饰的薄片状纤维结构体的放大剖面图。
图9是将本发明的第四实施方式的薄片状纤维结构体用于细胞培养中时的概念图。
图10是将本发明的第五实施方式的薄片状纤维结构体用于细胞培养中时的概念图。
其中，1纤维，2空隙部，3电解液，4电极，5电极，6连接部，7基材，8疏水膜，9细胞，10溶液
具体实施方式
下面，对于本发明的实施方式，在参照附图的同时进行说明。而且，本发明并不限定于这些实施方式。
(第一实施方式)
图1A是本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的侧视图。图1B是本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的要部放大图。图2是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的SEM像的图。图3是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的SEM像的图。图4是表示本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体的连接部的SEM像的图。
如图1A～图3所示，薄片状纤维结构体20的由无定形二氧化硅构成的纤维1相互缠绕而被连接，薄片状纤维结构体20在内部具有用于流通空气或溶液等的空隙部2。纤维1以适度地卷曲的状态相互缠绕地密集。例如也可以如图4所示，纤维1由一部分被相互溶融了的连接部6连接。这样，纤维1就会更为牢固地相连。通过像这样具有连接部6，相邻的纤维1就会相互扶助，与没有连接部6的情况相比变得牢固。
下面，给出薄片状纤维结构体20的制造方法的一例。
首先，准备成为原料的由Si构成的粒子或基板。将该原料和至少含有氧原子的气体混合，使用加热器等在1000℃～1500℃下加热。当原料达到该原料的蒸气压温度时即蒸发。蒸发了的原料与气体中所含的氧结合而形成一氧化硅(SiO)后，引起凝聚，将气氛中的氧纳入而变为二氧化硅(SiO2)，析出纤维1。
这里，如果在SiO的周边存在成为核的物质，则易于引起凝聚，有效地析出纤维1。成为核的物质可以使用Pt、Fe、Co、Ni或Au等金属，对于金属的种类没有特别限定。另外，不一定需要成为核的物质。
而且，当使加热时的压力比大气压低时，则原料的蒸气压温度下降，变得容易蒸发，因此可以更多地形成纤维1。通过在尽可能地去除氧的状态下升温，在追加了少量的氧的低氧分压下，例如在10-2Pa～数千Pa下维持该温度，就会提高纤维1的生产性。
像这样析出的纤维1缠绕、叠加，从而形成薄片状纤维结构体20。此时，有利用纤维1生长的过程变为薄片状的情况、和在纤维1生长形成后变为薄片状的情况。此种条件依赖于形成纤维1时的温度。
此外，当对薄片状纤维结构体20加热到约1100℃以上时，薄片状纤维结构体20就会发生热溶融。发生了热溶融的SiO2纤维如果在冷却过程中存在有与相邻的纤维接触的部位就会引起结合，如图4所示，形成具有多个连接部6的薄片状纤维结构体20。被像这样连接了的薄片状纤维结构体由于具有空隙部2，因此可以确保大的表面积。此外由于纤维1相互扶助，因此与没有连接部6的情况相比变得牢固。
而且，还有在纤维1生长的过程中也形成连接部6的情况。连接部6的形成依赖于纤维1形成时的温度。特别是在原料中使用了硅基板的情况下，在纤维1形成过程中的基板与纤维1的接合部分的表面，由于纤维1密集，因此容易引起溶融，易于形成连接部6。
而且，为形成纤维1而必需的气体除了氧以外，还可以使用一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)等具有氧化作用的(也就是供给氧的)气体。但是，这些气体由于含有不同于氧的杂质，因此会对纤维1的形成及薄片状纤维结构体20的形成过程造成影响，所以需要有合适的浓度·温度·压力的控制。
而且，析出状态会根据纤维1的大小、纤维1形成时的气氛的压力、气氛的氧浓度、气氛的温度等条件而改变。由此，可以通过改变这些条件来形成具有所需的形状的纤维1及薄片状纤维结构体20。将纤维1的直径(粗细)改变到0.01μm以上、1μm以下。将纤维1的长度改变到1μm以上、500μm以下。
在如此形成的薄片状纤维结构体20的形成有多根纤维1的区域中，无定形二氧化硅的表面积变得极大。另一方面，在无定形二氧化硅周边存在有多个空隙部2。薄片状纤维结构体20由以无定形二氧化硅构成的纤维1和空隙部2构成。在空隙部2中可以大量地含有电解液3等液体材料。
图5是使用了本发明的第一实施方式的薄片状纤维结构体20的电池的概念图。在空隙部2内含有电解液3的薄片状纤维结构体20的两侧例如配置由铝、钴等不同的材料构成的电极4、5。在电极4、5中离子化趋势不同的情况下，电解液3内的离子就会在电极间移动，形成导出电流的电池。
电极4与电极5的距离是决定离子的移动时间的要素。为了减小电池的内部电阻，电极间距离越小越好。但是，当减小电极间距离时，就很容易在电极4与电极5之间引起短路。电池中普遍使用的隔膜是为了防止短路而使用的，然而隔膜不应阻碍离子的流动。由此，使用在内部具有空隙的纸、高分子纤维等，电解液包含于该空隙内。
由纤维1形成的薄片状纤维结构体20作为该隔膜来说十分优异。在内部含有电解液3时，由于纤维1以外是空隙部2，因此可以含有极多的电解液3，不会有妨碍离子的流动的情况。另外，由于纤维1的直径为0.01μm以上、1μm以下，比以往的纤维小，因此可以含有大量的电解液或者可以使电解液通过(透液性)。另外，由于可以将纤维1的长度制成1μm以上、500μm以下，将与纤维1相邻的纤维1的最大间隔制成1μm以上、50μm以下，因此可以在保证防止电极间的短路的效果的同时，尽可能地增加电解液含量。纤维1的直径、长度、最大间隔等数值由想要赋予的亲水性、保水性的程度决定。
薄片状纤维结构体20在高温、高氧浓度下也可以使用。通过利用热来溶融，很容易将相邻的纤维1制成网眼状结构，因此可以增大强度，具有碳系纤维中不具有的特征。
虽然在本实施方式中利用热溶融形成连接部6，然而也可以填充树脂，利用该树脂形成连接部6。另外，也可以填充树脂，利用热溶融形成连接部6。通过向空隙部2中填充树脂，可以增大薄片状纤维结构体20的连接强度。而且，作为树脂，例如也可以使用粘接剂。
(第二实施方式)
图6是使用了本发明的第二实施方式的薄片状纤维结构体20的绝热材料的概念图。薄片状纤维结构体20的制作方法与第一实施方式相同。将具有空隙部2的纤维1夹入基材7中。基材7例如由平面状的玻璃、硅、石英、陶瓷、树脂、金属中的至少一种构成。由于薄片状纤维结构体20中存在很多空隙部2，因此基材7之间被绝热。
图7是表示本发明的第二实施方式的薄片状纤维结构体20的特性的图。在作为基材7的2片玻璃基板间夹入纤维1，以曲线图表示在玻璃基板间传递的热的样子。表示出从一方的基材7施加热时的另一方的基材7的温度的时间变化。将在基材7之间什么都没夹入的情况用虚线表示，将在基材7之间夹入纤维1的情况用实线表示。夹入纤维1的情况与什么都没夹入的情况相比，热导率降低。
此外，当将空隙部2设为真空时，热传导效果进一步变大。在没有薄片状纤维结构体20的情况下，如果将基材7的内部设为真空，则基材7之间因受到来自外部的压力而密合。但是，在有薄片状纤维结构体20的情况下，基材7之间不会接触。另外，虽然薄片状纤维结构体20与基材7接触，然而因薄片状纤维结构体20的纤维1的直径为1μm以下、长度为1μm以上，纵横比高，因而与以往相比热导率变小。而且，具有空隙部2的纤维1既可以在基材7与基材7之间整体性地形成，也可以被图案化而仅形成于特定的部位。
(第三实施方式)
图8是本发明的第三实施方式的利用疏水膜进行了表面修饰的薄片状纤维结构体的放大剖面图。本实施方式中，用与第一实施方式相同的方法制作的薄片状纤维结构体20的纤维1的表面由疏水膜8进行了表面修饰。疏水膜8例如可以利用将CF2链相连而得的聚合物或存在有CF基的氟化合物、烷基甲硅烷基、氟甲硅烷基、长链烷基来形成。通过将纤维1的表面用具有疏水效应的化学物质修饰，而在纤维1的表面形成疏水膜8。其结果是，薄片状纤维结构体20具有极高的疏水性，水滴等液体状态的水无法进入薄片内部。另一方面，如果是水蒸气等气体状态，则可以通过薄片。而且由于薄片状纤维结构体20具有高空隙率，因此气体容易通过薄片状纤维结构体20。也就是说，可以作为透过水蒸气而不透过水的膜来利用。该膜被用于通气性(透气性)高的防水片或防水服等中。
而且，也可以将利用疏水膜8进行了表面修饰的纤维1如图6中所示夹入基材7中而使用。通过夹入基材7中，薄片状纤维结构体20可以作为膜来保持强度。而且，如果在基材7中开设有多个孔，则由于水蒸气可以通过基材7的孔，因此对于防水片等用途来说十分有用。
(第四实施方式)
本实施方式中，将用与第一实施方式相同的方法制作的薄片状纤维结构体20作为粘着性细胞培养中所用的培养皿的支架使用。图9是将薄片状纤维结构体20用于细胞培养中时的概念图。
以粘着在薄片状纤维结构体20的上面的方式播撒细胞9。这样，细胞9就会在薄片状纤维结构体20上粘着、伸展，从而可以进行细胞培养。这里，薄片状纤维结构体20与第一实施方式中制作的相同，因由无定形二氧化硅构成的纤维1相互缠绕，而具有空隙部2。另外，作为进行细胞培养的细胞9，适合为粘着性细胞。
利用上述构成，可以在更接近生物体内部的状况下培养细胞9。即，由于具有空隙部2，因此不仅可以容易地更换培养液，而且对正在培养的细胞9的养分的供给也容易。另外，细胞9所排出的体内废物通过空隙部2而向薄片状纤维结构体20的下面移动，容易地从薄片状纤维结构体20中排出。由此，体内废物就不会积聚在正在培养的细胞9的周边。其结果是，可以长时间培养细胞9，细胞9的生存率提高。
而且，在像以往那样利用高分子材料形成支架的情况下，存在耐热性、耐药剂性的间题。但是，本实施方式的薄片状纤维结构体20由于是包含SiO2的无机材料，因此耐热性、耐药剂性优异。薄片状纤维结构体20的耐热温度为1000℃以上，可以容易地进行借助热处理的表面处理等。此外，作为耐药品性不会有被氢氟酸以外的物质侵蚀的情况，对于碱性溶液也很牢固。像这样，就可以提供每单位面积的空隙率高、耐热性、耐药品性也很优异的支架。
(第五实施方式)
本实施方式中，将用与第一实施方式相同的方法制作的薄片状纤维结构体20的纤维1的表面利用疏水膜8进行表面修饰。将该薄片状纤维结构体20作为粘着性细胞培养中所用的培养皿的支架使用。图10是将薄片状纤维结构体20用于细胞培养中时的概念图。
向薄片状纤维结构体20的上面滴加培养液等溶液10，在溶液10内播撒细胞9。利用该操作，在溶液10内培养细胞9。这里，薄片状纤维结构体20与第三实施方式中制作的相同，将纤维1的表面利用疏水膜8进行表面修饰。另外，因由无定形二氧化硅构成的纤维1相互缠绕，而具有空隙部2。
利用上述构成，用薄片状纤维结构体20上的溶液10培养细胞9的情况下，也可以利用疏水膜8，使溶液10稳定地存在于薄片状纤维结构体20的表面。由此，可以进行稳定的细胞培养。
此外，在纤维1的表面形成了疏水膜8的薄片状纤维结构体20可以恰当地向细胞9附近的溶液10供给气体。在作为细胞培养时的针对培养皿的支架使用的情况下，溶液(培养液)的pH必须保持为酸性。由此，通常来说，向气氛中以5％左右添加二氧化碳或二氧化碳气体，通过溶入溶液中来控制酸性度。但是，二氧化碳只能从作为液相的溶液与作为气相的气氛接触的部位溶融。由此，在与气相分离的溶液(培养液)区域无法精密地控制酸性度。如果将像本实施方式的薄片状纤维结构体20那样具有透气性的支架应用于细胞培养皿中，则也可以向以往属于二氧化碳难以溶融的区域的溶液10中的细胞9所粘着、伸展的附近供给气体。其结果是，可以更为有效地培养细胞9。
另外，在像本实施方式那样在表面形成有疏水膜8的情况下，培养液等溶液10不会渗透到薄片状纤维结构体20的内部，内部、也就是空隙部2为气相状态。所以，在细胞9附着于薄片状纤维结构体20的表面的情况下，也可以向细胞9的周边恰当地供给二氧化碳，因此可以适度地保持溶液10的酸性度。
而且，所供给的气体除了二氧化碳以外，根据需要还有氮、氧等，气体种类没有限定。
[工业上的可利用性]
如上所述，本发明薄片状纤维结构物不仅具有透液性、耐电压性，而且具有高耐热性、耐药品性。由此，可以在用于防止电极间的短路的隔膜或细胞培养的支架等中使用。

Claims (15)

1.一种薄片状纤维结构体，其特征在于，
具有由无定形二氧化硅构成的多根纤维，
所述多根纤维因相互缠绕而连接，形成空隙部。
2.根据权利要求1所述的薄片状纤维结构体，其中，
所述纤维的一部分溶融而所述纤维与所述纤维的一部分结合形成连接部。
3.根据权利要求1所述的薄片状纤维结构体，其中，
所述纤维的长度为1μm以上、500μm以下。
4.根据权利要求1所述的薄片状纤维结构体，其中，
所述纤维与相邻的所述纤维的最大间隔为1μm以上、50μm以下。
5.根据权利要求1所述的薄片状纤维结构体，其中，
所述纤维的粗细为0.01μm以上、1μm以下。
6.根据权利要求1所述的薄片状纤维结构体，其中，
利用树脂形成所述连接部。
7.一种电池，其特征在于，具有：
权利要求1所述的薄片状纤维结构体和夹持所述薄片状纤维结构体的电极，
在所述空隙部中填充有电解液。
8.一种绝热材料，其特征在于，具备：
权利要求1所述的薄片状纤维结构体和夹持所述薄片状纤维结构体的基材。
9.根据权利要求8所述的绝热材料，其中，
所述基材由玻璃、硅、石英、陶瓷、树脂、金属中的至少任意一种构成。
10.根据权利要求8所述的绝热材料，其中，
所述空隙部为真空。
11.根据权利要求8所述的绝热材料，其中，
所述纤维仅形成于所述基材的特定的部位。
12.一种防水片，其特征在于，具有权利要求1所述的薄片状纤维结构体，并且所述纤维的表面由疏水膜进行了表面修饰。
13.根据权利要求12所述的防水片，其中，还具备夹持所述薄片状纤维结构体的基材，
在所述基材中形成有多个孔。
14.一种细胞培养用的支架，其特征在于，
使用了权利要求1所述的薄片状纤维结构体。
15.根据权利要求14所述的细胞培养用的支架，其中，
所述纤维的表面由疏水膜进行了表面修饰。
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