JP2015001040A

JP2015001040A - エネルギー変換用繊維材料及びそれを用いたアクチュエータ

Info

Publication number: JP2015001040A
Application number: JP2013127969A
Authority: JP
Inventors: 博昭坂元; Hiroaki Sakamoto; 信一朗末; Shinichiro Sue; 藤田　聡; Satoshi Fujita; 聡藤田
Original assignee: University of Fukui NUC
Current assignee: University of Fukui NUC
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-01-05
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: JP6145755B2

Abstract

【課題】本発明は、小型化に適したエネルギー変換用繊維材料及びそれを用いたアクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】溶媒に熱膨張係数１００×１０^-6以上の高分子材料及び導電性材料を溶解させて高分子溶液を調製し、高分子溶液をシリンジ１に充填してノズル３から連続噴射させる。噴射された高分子溶液は、電圧印加装置５により帯電されて静電引力によりコレクタ４に吸引されることで、繊維径が１０ｎｍ〜１０μｍで繊維長が繊維径の１０倍以上であって、熱膨張による繊維長方向の伸縮率が０．０５％〜１．５％であるエネルギー変換用繊維材料を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号に応じて加えられるエネルギーを変位等の機械量に変換するエネルギー変換用繊維材料及びそれを用いたアクチュエータに関する。

アクチュエータは、化学エネルギーや電気、熱及び光といったエネルギーの供給を受けて伸縮、屈伸、旋回等の機械的な動作を行うもので、ポンプ、バルブ、シリンダ、電気機械変換素子等に用いられている。こうしたアクチュエータでは、小型化が進められており、精密機器、医療機器、産業用ロボット、人工筋肉、センサ等の幅広い分野において実用化が図られている。

アクチュエータの小型化を図る場合、材料自体が入力信号に応じて加えられるエネルギーにより繰り返し変形する材料を用いることが好ましい。例えば、強誘電体材料のピエゾ効果を利用したり、形状記憶合金材料の相転移を利用することで、小型のアクチュエータを得ることができる。

また、導電性を有する有機材料を利用するアクチュエータについても提案されている。特許文献１では、温度履歴に依存して体積が可逆的に変化する有機高分子／低分子複合材料と発熱体とを組み合せることで、加熱により生じる体積変化によって外部に力を伝達する駆動装置が記載されている。また、特許文献２では、熱膨張係数の絶対値の大きい高分子材料に導電性微粒子を混合したアクチュエータ材料に通電することにより自己発熱させ、その温度変化に伴う熱膨張及び熱収縮による材料の変形を利用して伸縮動作を行わせる点が記載されている。また、特許文献３では、導電性高分子又はイオン導電性高分子を用いた繊維形状の材料の表面の一部に、異なる材料が積層された構造を有する繊維アクチュエータが記載されている。

特開平１０−３３９２６１号公報特開２００６−３２５３３５号公報特開２００６−２４１６１３号公報

特許文献１及び２では、高分子材料の熱膨張による変形を利用することでアクチュエータとして機能させているが、ブロック状やフィルム状の形態で用いられるため小型化が難しく、大きな駆動電圧が必要で変位量が小さいといった課題がある。また、特許文献３に記載された繊維アクチュエータでは、積層構造を有しているため小型化が難しく安定した品質のものが得られにくいといった課題がある。

そこで、本発明は、小型化に適したエネルギー変換用繊維材料及びそれを用いたアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るエネルギー変換用繊維材料は、繊維径が１０ｎｍ〜１０μｍで繊維長が繊維径の１０倍以上に形成された繊維材料であって、熱膨張による繊維長方向の伸縮率が０．０５％〜１．５％である。さらに、熱膨張係数１００×１０^-6以上の高分子材料及び当該高分子材料内に分散した導電性物質を含む。さらに、前記高分子材料としてポリウレタン樹脂材料を含むとともに前記導電性物質として鉄を含む。さらに、抵抗率が０．５×１０²Ωｍ〜５×１０²Ωｍである。

本発明に係るエネルギー変換用繊維材料の製造方法は、溶媒に熱膨張係数１００×１０^-6以上の高分子材料及び導電性材料を溶解させて高分子溶液を調製し、前記高分子溶液を帯電させるとともに噴射させて静電引力により繊維径が１０ｎｍ〜１０μｍで繊維長が繊維径の１０倍以上の繊維材料に形成する。さらに、前記高分子溶液は、前記高分子材料及び導電性材料としてポリウレタン樹脂材料及び塩化鉄（III）を溶解させて調製する。さらに、前記高分子溶液は、前記高分子材料を濃度５％〜１５％で溶解させるとともに前記導電性材料を濃度５％〜２０％で溶解させる。

本発明によれば、アクチュエータに適用可能なナノサイズの繊維材料を得ることができるので、アクチュエータの小型化を実現することが可能となる。

静電紡糸法に関する概略構成図である。エネルギー変換用繊維材料を用いたアクチュエータの一例に関する模式図である。

以下、本発明について具体的に説明する。本発明に係るエネルギー変換用繊維材料は、材料自体が入力信号に応じて加えられるエネルギーにより熱膨張して伸縮することで変位等の機械量に変換する機能を備えている。加えられるエネルギーは、材料が熱膨張するように作用するものであればよく、電気、熱、光といったものが挙げられる。電気の場合には、材料自体に導電性を付与しておき通電することで材料内部に生じるジュール熱により熱膨張し、通電を停止することで収縮して元の状態に戻る。そのため、入力信号に応じて繊維材料に通電することで、入力信号に同期した伸縮が繰り返し行われるようになり、エネルギーを機械量に変換することができる。熱の場合には、材料自体を加熱することで熱膨張し、加熱を停止することで収縮して元の状態に戻る。そのため、入力信号に応じて繊維材料を加熱すれば、入力信号に同期した伸縮が繰り返し行われるようになり、エネルギーを機械量に変換することができる。光の場合には、レーザ光等の光を材料自体に照射することで熱膨張し、照射を停止することで収縮して元の状態に戻る。そのため、入力信号に応じて繊維材料に光を照射すれば、入力信号に同期した伸縮が繰り返し行われるようになり、エネルギーを機械量に変換することができる。

このように、エネルギー変換用繊維材料は、入力信号に応じてエネルギーを加えることによって熱膨張による伸縮を繰り返して変位等の機械量に変換することができる。

繊維材料の繊維径は、材料内部に熱ができるだけ蓄積しないようにするために細径化することが好ましく、具体的には１０ｎｍ〜１０μｍに設定するとよい。繊維径が１０ｎｍより小さくなると、強度が低下してアクチュエータとして十分機能しないようになる。また、１０μｍより大きくなると、繊維材料内部に熱が蓄積しやすくなって熱膨張及び収縮による繊維長方向の伸縮が十分に行われなくなり、変形量が低下する。こうした繊維径の小さいナノサイズの繊維材料に対してエネルギーを加える場合、熱による繊維材料の溶融といった問題が生じるため、供給するエネルギーをコントロールしやすい通電によるエネルギー供給が好ましい。

また、繊維材料は、熱膨張により主に繊維長方向に変形するようになるが、アクチュエータとして十分な変位量を得るためには、繊維材料の繊維径に対して繊維長を長く設定するとよい。特に、上記のように繊維径の小さいナノサイズの繊維材料では、熱膨張に伴う変位量を大きくすることができる。具体的には、繊維長を繊維径の１０倍以上に設定することが好ましく、具体的には、０．５ｍｍ〜１０ｍｍに設定するとよい。この場合、繊維長方向の熱膨張に伴う伸縮率は、０．０５％〜１．５％であることが好ましく、より好ましくは、０．０５％〜０．７５％である。

繊維材料としては、熱膨張が大きい材料が好ましく、熱膨張係数が１００×１０^-6以上の高分子材料が特に好ましい。例えば、ポリメチルメタクリレート、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタラート、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネートが挙げられる。通電に必要な導電性を繊維材料に付与する場合、上記のように繊維径の小さいナノサイズの繊維材料では、材料内部に導電性物質として導電性微粒子を混合して形成することは難しく、また導電性物質として導電性被膜等を形成することは、熱膨張及び収縮の妨げとなるため好ましくない。そのため、導電性材料を溶解させて繊維材料の内部に導電性物質を分散させて導電性を付与することが好ましい。導電性材料を溶解させて繊維材料内部に導電性物質を分散させることで、繊維材料の熱膨張及び収縮に影響を与えることなく導電性を付与することができる。導電性材料とともに溶解する高分子材料としては、溶媒に溶解可能なポリメチルメタクリレート、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタラート、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリカーボネートを１種類又は複数種類混合して用いるとよい。

導電性を付与するための導電性材料としては、溶媒に高分子材料とともに溶解する金属材料が好ましい。例えば、有機溶媒としてテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いた場合、溶媒に溶解する金属材料としては、塩化鉄（III)（ＦｅＣｌ₃）、酸化鉄(II)（ＦｅＯ）、塩化コバルト(II)（ＣｏＣｌ₂）、金が挙げられる。

導電性を付与された繊維材料の場合、抵抗率は０．５×１０²Ωｍ〜５×１０²Ωｍに設定するとよい。抵抗率が０．５×１０²Ωｍより小さくなると、発熱に要する時間がかかり反応が悪くなる。５×１０²Ωｍより抵抗率が大きくなると、通電による十分な発熱が得られにくくなる。また、通電により繊維材料の内部が発熱して繊維材料が溶融しないように印加する電流を設定することが好ましい。具体的には、上記の範囲の抵抗率及び繊維材料の融点に基づいて、繊維材料に印加する電流密度を０．１Ａ／ｍ²〜２Ａ／ｍ²に設定することが好ましい。

繊維材料の製造方法としては、上記のような繊維径の小さいナノサイズに形成可能な方法であればよく、例えば、静電紡糸法が挙げられる。図１は、静電紡糸法に関する概略構成図である。静電紡糸法では、予め高分子溶液を調製する。高分子溶液は、溶媒に高分子材料を濃度５％〜１５％で溶解させて調製する。濃度が５％より低いと繊維状に成形することができず、濃度が１５％より高いと粘性が高くなって繊維状に成形することができない。導電性を付与する場合には、導電性材料を高分子溶液に溶解させる。導電性材料の濃度は、上記の繊維材料の抵抗率に応じて設定すればよい。例えば、有機溶媒としてＴＨＦを用いた場合には、ポリウレタン樹脂材料を濃度５％〜１５％溶解させた高分子溶液を用いるとよい。また、導電性材料として、塩化鉄（III）を用いる場合には、濃度５％〜２０％溶解させることで、通電に必要な抵抗率を実現することができる。

調製された高分子溶液は、シリンジ１に充填し、シリンジ１に供給管２を介して取り付けられたノズル３から連続噴射される。ノズル３とコレクタ４との間には、電圧印加装置５が接続されており、ノズル３とコレクタ４との間に高電圧を印加することで、両者の間に高い電位差を発生させる。そのため、ノズル３において帯電された高分子溶液は、ノズル３の先端からコレクタ４に向かう静電引力を受けて飛翔する。そして、飛翔中に、ホィッピング振動（ｗｈｉｐｐｉｎｇｍｏｔｉｏｎ）を起こしながら細径化して溶媒が蒸発していき、上記のような繊維径の小さい繊維材料Ｆに形成されてコレクタ４に堆積する。

印加する電圧は、装置内で放電しない範囲で高電圧に設定すればよく、具体的には、一般的な印加電圧としては、例えば、０．１〜８０ｋＶ／ｃｍ、好ましくは１〜５０ｋＶ／ｃｍ、さらに好ましくは５〜３０ｋＶ／ｃｍ（特に１０〜２５ｋＶ／ｃｍ）程度である。また、ノズル３とコレクタ４との間の間隔は、５ｍｍ〜２０ｍｍに設定することで、上記のように繊維径が小さく繊維長が十分な長さの繊維材料を得ることができる。

図２は、エネルギー変換用繊維材料を用いたアクチュエータの一例に関する模式図である。この例では、２本のエネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂを用い、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂの一方の端部をそれぞれ固定部１１ａ及び１１ｂに接続している。固定部１１ａ及び１１ｂは電極部を兼ねており、一方が電源に接続され、他方が接地されている。エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂの他方の端部は、１つの可動部１２に接続されている。可動部１２は電気的に導通可能に構成されており、固定部１１ａ及び１１ｂの一方から、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂ並びに可動部１２を介して、他方に電流が流れるようになっている。そして、入力信号に応じて所定の電流が固定部１１ａ及び１１ｂの間に流れることで、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂに通電されるように構成されている。

図２（ａ）は、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂが通電されていない状態を示しており、図２（ｂ）は、通電した状態を示している。エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂは、通電することで内部抵抗によるジュール熱が発生して熱膨張し、繊維長方向に伸長するようになる。そのため、可動部１２は、図２（ｂ）に示すように、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂの伸長に伴って押し出されるように変位する。エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂに対する通電を停止すると、エネルギー変換用繊維材料１０ａ及び１０ｂは放熱して急速に収縮し、図２（ａ）に示す元の長さに戻るため、可動部１２も元の位置に設定される。こうして、入力信号に同期して可動部１２を振動させるように変位させることができる。

エネルギー変換用繊維材料は、繊維径の小さいナノサイズに形成されてそれ自体が変形することができるため、ナノサイズのアクチュエータを構成することが可能となる。そのため、精密機器、マイクロマシン、小型センサのように微細構造を備えた装置においても取り付けることができる。

次に本発明を具体的に実施例で説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例における繊維径及び振動幅は、以下に示す方法で測定した。

［繊維径及び振動幅の測定方法］
コレクタ上に約３０ｍｍ角に切られたアルミホイルを置き、溶融静電紡糸を各種条件下で行い、アルミホイル上に作製された繊維堆積物を金スパッタコーティングした。このコーティング物を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；株式会社キーエンス製、ＶＥ−９８００）により撮影し、撮影画像の繊維径を画像解析ソフト(Ａｄｏｂｅ、ＰｈｔｏｓｈｏｐＣＳ３Ｅｘｔｅｎｄｅｄ)により計測して求めた。また、振動幅については、振動状態を撮影した画像を画像解析ソフトにより分析して求めた。

［実施例１］
溶媒としてＴＨＦ及びN,N-ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を９５：５の割合で混合させたものを準備した。溶媒に、ポリウレタン樹脂（ＢＡＳＦ社製；Ｍｗ＝６０，０００）を濃度１０％及び塩化鉄（III）（和光純薬工業株式会社製）を濃度２０％となるように溶解させて高分子溶液を調製した。この場合、ＴＨＦに対して塩化鉄（III）が均一に溶解したことから、ＴＨＦ及びＦｅイオンが錯塩を形成して安定化するものと考えられる。

調製した高分子溶液を用いて、図１に示す静電紡糸法により繊維材料を形成した。高分子溶液をシリンジ（ＨＳＷ社製）に充填し、金属製のノズルとガラス基板からなるコレクタとの間の間隔を１００ｍｍに設定してノズルからコレクタに向かって高分子溶液を流速２．０ミリリットル／時で連続噴射させた。その際に、ノズルとコレクタとの間には、電圧印加装置（ＭＥＣＣ社製）により２０ｋＶの電圧を印加した。ノズルから連続噴射された高分子溶液は、ホィッピング振動を生じながら細径化するとともに溶媒が蒸発して繊維材料が形成された。形成された繊維材料は、コレクタ上に不織布状に堆積した。

得られた繊維材料の繊維径を測定したところ、３．０±０．３μｍであった。また、得られた繊維材料について元素分析（ＥＤＸ；株式会社日立製作所製）を行ったところ、繊維材料の表面全体に導電性物質である鉄元素が一様に検出された。不織布状の繊維材料に対して四端子プローブ法（測定装置；株式会社三菱化学アナリテック製）により抵抗率を測定したところ、１．０×１０²Ωｍであった。

不織布状の繊維材料を矩形状に切断して、対向する２辺に導電性接着剤によりそれぞれ電極を形成した。そして、電極をファンクションジェネレータ（Agilent Technologies社製）に接続して交流電圧を印加した。電圧を印加した状態の繊維材料をデジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製）で観察したところ、一部の繊維材料が電圧の周波数に同期して幅方向に振動している様子が観察された。振動している１本の繊維材料は、繊維径が３．６４μｍ±０．８４μｍ（５箇所で計測した平均値）で、撮影画像を用いて繊維長を測定したところ２０８４．８μｍであった。繊維長は、繊維径の５７２．７倍であった。

そこで、周波数を２Ｈｚとして電圧を５０Ｖ、１００Ｖ及び１５０Ｖに変化させたところ、測定した繊維材料の同じ位置の振動幅が、電圧が大きくなるに従い拡大しているのが確認された。電流密度は、５０Ｖで０．２４Ａ／ｍ²、１００Ｖで０．４８Ａ／ｍ²、１５０Ｖで０．７２Ａ／ｍ²であった。振動状態を撮影した画像を分析したところ、最大振動幅の状態において、５０Ｖの場合に繊維長方向の伸長量が２．６μｍで伸び率が０．１２％であった。同様に、１００Ｖの場合に繊維長方向の伸長量が４．３μｍで伸び率が０．２１％であり、１５０Ｖの場合に繊維長方向の伸長量が９．４μｍで伸び率が０．４５％であった。したがって、観察された繊維材料の幅方向の振動は、電圧依存性を有することがわかった。

また、電圧を１５０Ｖとして周波数を２Ｈｚ、５Ｈｚ及び１０Ｈｚに変化させた場合について振動状態を撮影した画像を分析したところ、繊維材料の同じ位置の振動周期が、周波数に同期して変化していることが測定された。したがって、観察された繊維材料の幅方向の振動は、周波数依存性を有することがわかった。

以上のように観察された繊維材料の振動は、１本の繊維材料が張力を付与された状態で両端部を固定されているためと考えられる。こうした状態に設定された繊維材料では、繊維材料に電流が流れることにより内部にジュール熱が発生し、熱膨張により繊維長方向に伸長する。繊維材料は、両端部を固定されているため、伸長した場合に幅方向に湾曲するように変形し、電流が流れなくなると、収縮して元の状態に戻るようになる。そのため、交流電圧の印加により繊維材料に交流電流が流れることで、繊維材料は幅方向に振動するようになると考えられる。

［実施例２］
溶媒として、実施例１と同様に、ＴＨＦ及びＤＭＦを９５：５の割合で混合させたものを準備した。溶媒に、実施例１と同様のポリウレタン樹脂及び塩化鉄（III）をそれぞれ濃度１０％及び濃度１５％となるように溶解させて高分子溶液を調製した。得られた高分子溶液を、実施例１と同様の静電紡糸法により繊維材料に形成した。得られた繊維材料の繊維径及び抵抗率を実施例１と同様に測定したところ、繊維径は２．４±０．４μｍで、不織布状の繊維材料の抵抗率は２×１０²Ωｍであった。

［実施例３］
溶媒として、実施例１と同様に、ＴＨＦ及びＤＭＦを９５：５の割合で混合させたものを準備した。溶媒に、実施例１と同様のポリウレタン樹脂及び塩化鉄（III）をそれぞれ濃度５％及び濃度２０％となるように溶解させて高分子溶液を調製した。得られた高分子溶液を、実施例１と同様の静電紡糸法により繊維材料に形成した。得られた繊維材料の繊維径及び抵抗率を実施例１と同様に測定したところ、繊維径は１．０±０．１μｍで、不織布状の繊維材料の抵抗率は０．５×１０²Ωｍであった。

以上の結果をみると、繊維材料の抵抗率については、塩化鉄（III）のポリウレタン樹脂に対する配合割合が高くなるに従い低下しており、導電性材料の配合割合を増加させることで繊維材料の導電性を高めることができる。

１・・・シリンジ、２・・・供給管、３・・・ノズル、４・・・コレクタ、５・・・電圧印加装置

Claims

繊維径が１０ｎｍ〜１０μｍで繊維長が繊維径の１０倍以上に形成された繊維材料であって、熱膨張による繊維長方向の伸縮率が０．０５％〜１．５％であるエネルギー変換用繊維材料。
熱膨張係数１００×１０^-6以上の高分子材料及び当該高分子材料内に分散した導電性物質を含む請求項１に記載のエネルギー変換用繊維材料。
前記高分子材料としてポリウレタン樹脂材料を含むとともに前記導電性物質として鉄を含む請求項２に記載のエネルギー変換用繊維材料。
抵抗率が０．５×１０²Ωｍ〜５×１０²Ωｍである請求項１から３のいずれかに記載のエネルギー変換用繊維材料。
請求項１から４のいずれかに記載のエネルギー変換用繊維材料を備えているアクチュエータ。
溶媒に熱膨張係数１００×１０^-6以上の高分子材料及び導電性材料を溶解させて高分子溶液を調製し、前記高分子溶液を帯電させるとともに噴射させて静電引力により繊維径が１０ｎｍ〜１０μｍで繊維長が繊維径の１０倍以上の繊維材料に形成するエネルギー変換用繊維材料の製造方法。
前記高分子溶液は、前記高分子材料及び導電性材料としてポリウレタン樹脂材料及び塩化鉄（III）を溶解させて調製する請求項６に記載のエネルギー変換用繊維材料の製造方法。
前記高分子溶液は、前記高分子材料を濃度５％〜１５％で溶解させるとともに前記導電性材料を濃度５％〜２０％で溶解させる請求項６又は７に記載のエネルギー変換用繊維材料の製造方法。