JP2015021754A - センサー用面状導電体及びセンサー検出部 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面にカーボンナノチューブが付着した導電性繊維構造体を含み、かつ静電容量の変化により誘電体を検知するセンサーに用いられる面状導電体を、20000Ω/□以下の表面抵抗率に調整する。この面状導電体は、1万回の屈曲後の表面抵抗率が初期値の1.5倍以下であってもよい。前記導電性繊維構造体は、織物、編物又は不織布であってもよい。前記導電性繊維は、有機繊維と、この有機繊維の表面を被覆する導電層とで形成され、前記導電層が、カーボンナノチューブ、バインダー及び界面活性剤を含んでいてもよい。前記導電性繊維構造体の通気度は10cm3/(cm2・秒)以上であってもよい。
【選択図】なし
Description
本発明の面状導電体は、静電容量の変化により誘電体を検知するセンサーの検出部として用いられ、導電性繊維を含む導電性繊維構造体を含む。導電性繊維は、軽量性や柔軟性、耐屈曲性、繊維への密着性などの点から、繊維の表面にカーボンナノチューブ(CNT)が付着している。繊維は、無機繊維であってもよいが、柔軟性などの点から有機繊維が好ましい。
有機繊維としては、導電性繊維構造体に柔軟性及びしなやかさを付与するために使用され、非合成繊維[例えば、天然繊維(綿、麻、ウール、絹など)、再生繊維(レーヨン、キュプラなど)、半合成繊維(アセテート繊維など)]であってもよいが、CNTとの密着性などの点から、少なくとも合成繊維を含むのが好ましい。
本発明では、前記有機繊維の表面をカーボンナノチューブ(CNT)で被覆することにより、導電性を付与できる。有機繊維を被覆するCNTは、導電層ということができる。
導電性繊維構造体は、前記導電性繊維を含む布帛(面状繊維構造体)であり、編織物(織物、編物)、不織布のいずれであってもよい。
編織物には、織物、編物の他、レース地、網なども含まれる。これらの編織物のうち、全面に亘って通電でき、導電効率に優れる点から、織物及び編物が好ましい。
不織布は、導電性繊維を一定の長さに切断して短繊維とし、この短繊維を含む不織布であってもよい。短繊維の長さは、例えば、10〜300mm、好ましくは30〜200mm、さらに好ましくは50〜100mm程度である。
導電性繊維構造体は、繊維の表面にCNTを付着できれば、特に限定されず、予め繊維の表面にCNTを付着させて導電性繊維を製造した後、得られた導電性繊維を用いて編織成などにより導電性繊維構造体を製造する方法、非導電性繊維構造体にCNTを付着させて導電性繊維構造体を製造する方法のいずれの方法であってもよい。
導電性繊維は、CNTを含む分散液を用いて、有機繊維の表面にCNTを含む導電層を付着させる工程の後、導電層が表面に付着した有機繊維を乾燥する工程を経て製造される。
非導電性繊維構造体にCNTを付着させて導電性繊維構造体を製造する方法としては、編織物や不織布などの非導電性繊維構造体を、導電性繊維の項で記載されたCNTを含む分散液(特にCNT、界面活性剤及びバインダーを含む分散液)で処理する製造方法を利用できる。分散液の処理方法としては、分散液中に浸漬する方法(ディップ・ニップ方式)が好ましい。さらに、編織物を処理する場合にも、編織物内部にまでCNTを浸透できる点から、導電性繊維の項で記載された微振動を編織物に付与しながら処理する方法が好ましい。
面状導電体には、印加電圧を導電性繊維構造体全体に行き渡らせるために、導電性繊維構造体に対して電気接続部を形成してもよい。特に、電気接続部を形成することにより、導電性繊維構造体の表面抵抗率を低下させて20000Ω/□以下の表面抵抗率を有する面状導電体を調製してもよい。
本発明の面状導電体は、導電性繊維構造体を含むため、導電性に優れている。面状導電体の表面抵抗率は20000Ω/□(単位面積当たりの抵抗値)以下であり、例えば、10000Ω/□以下(例えば、1〜10000Ω/□)、好ましくは5000Ω/□以下(例えば、10〜5000Ω/□)、さらに好ましくは1000Ω/□以下(例えば、100〜1000Ω/□)程度である。表面抵抗率が高すぎると、導電体の近傍に存在する誘電体による静電容量の変化を検知することが困難となる。具体的には、20000Ω/□を超えると、面状導電体の静電容量が低いため、近傍に誘電体が存在しても充分な静電容量差を発現できず、センサーとしての感度が低下する。表面抵抗率が低すぎると、必要以上の静電容量差が生じるため、センサーとしての感度が過剰となり、印加電圧などの調整が必要となる。表面抵抗率は、JIS K 7194に準じた方法で測定できる。
JIS K7194に準じ、サンプルの縦方向及び横方向について、各々5箇所ずつ測定し、平均値を求めた。
平行に隣接して配設された2本の丸棒状ローラー(直径5mmφの円柱状ローラー)を備えた屈曲試験機を用いて行った。詳しくは、面方向が垂直方向となる方向でサンプルをローラー間に挿入し、ローラー間でサンプルの略中央部を挟んで固定した。次に、サンプルの上端をクリップを用いて固定し、1往復/秒の速度で、左右交互に90°ずつ屈曲させる往復運動を1万回繰り返した後、試験後の表面抵抗率を測定した。
JIS L1096に準じ、フラジール形法にて測定した。
サンプルの端(角部)に電線を取り付け、この電線をLCRメーター(アジレント・テクノロジー社製「型番4284A」)に接続し、交流印加電圧100V、60Hzにて静電容量を測定した。
(1)CNTの水性分散液の調製
(i)3−(ジメチルステアリルアンモニオ)プロパンスルホネート(両性イオン界面活性剤)2.0g、グリセリン(水和安定剤)5mlおよび脱イオン水495mlを混合して、界面活性剤の水溶液(pH6.5)を調製した。
市販のポリエステル加工糸(クラレトレーディング(株)製、「SD167T48」、167dtex/48フィラメント)に対して、前記(1)で得られたCNTの水性分散液を用い、一般的なサイジング糊付け手法でCNTを付着した。詳しくは、ポリエステル加工糸を分散液に浸漬する際に、微振動させた糸ガイドを通して、200Hzの微振動を糸に与え、次いで、180℃で2分間乾燥し、抵抗値が1200Ω/cmのCNTが付着した240dtex/48フィラメントの導電性繊維を得た。得られた導電繊維におけるCNTの付着量を前記方法で測定したところ、付着量は導電繊維全体に対して10.5質量%であった。
得られた導電繊維を経糸及び緯糸に配置し、平織組織にて織物を作成した、経糸、緯糸の打ち込み本数は、各々70本/インチ、60本/インチであった。得られた導電性繊維構造体の表面抵抗率は250Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は254Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は30cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性織布を、経緯30cm×30cmにカットし、電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:560pF、離床時:33pFと、検知に充分な静電容量を示し、センサーとして有効であることを確認した。また、前記導電性織布を敷いた状態にて、ベッド上の被験者は、前記導電性織布を敷かない状態と比べて、特にベッドの感触や、蒸れ感に有意差は感じなかった。
(1)織布の作成
経糸として、市販のポリエステル加工糸(SD167T48)を配置し、緯糸として、市販のポリエステル加工糸(SD167T48)と実施例1の(2)で得られた導電性繊維とを、市販のポリエステル加工糸を1cm幅に、導電性繊維を5cm幅に配置して打ち込み、平織組織にて織物を作成した。経糸、緯糸の打ち込み本数は、各々90本/インチ、60本/インチであった。得られた導電性織布を経緯30cmの正方形に切り出し、緯糸に直交する方向に生地の両端に1cm幅にて銀系導電性ペースト(藤倉化成(株)製「ドータイトFA333」、銀粒子入りペースト)を30mg/cm2の塗布量でスクリーン印刷方式で塗工した後、150℃にて20分熱処理し、電気接続部を形成した。得られた導電性織布の表面抵抗率は762Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は774Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は35cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性織布の電気接続部に電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:430pF、離床時:27pFと、検知に充分な静電容量を示し、センサーとして有効であることを確認した。また、前記導電性織布を敷いた状態にて、ベッド上の被験者は、前記導電性織布を敷かない状態と比べて、特にベッドの感触や、蒸れ感に有意差は感じなかった。
(1)編布の作成
実施例1の(2)で得られた導電性繊維を用いて丸編み生地を作成し、ウエール方向に切り開いて、30cmの正方形に切り出し、目付94g/m2の生地を得た。生地端がほつれないように生地の端部分に樹脂加工を施した。得られた導電性編布の表面抵抗率は463Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は488Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は220cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性編布を、縦横30cm×30cmのサンプルの電気接続部に電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:355pF、離床時:21pFと、検知に充分な静電容量を示し、センサーとして有効であることを確認した。また、前記導電性編布を敷いた状態にて、ベッド上の被験者は、前記導電性編布を敷かない状態と比べて、特にベッドの感触や、蒸れ感に有意差は感じなかった。
(1)不織布の作成
実施例1の(2)で得られた導電性繊維を繊維長76mmにカットし、カーディング工程にて、120g/m2のウェブを得た。このウェブに、エチレン−酢酸ビニル共重合体バインダー(住化ケムテックス(株)製「S−755」)を固形分換算で2質量%となるように噴霧し、160℃、2分間の乾燥熱処理を行い、導電性不織布を得た。得られた導電性不織布の表面抵抗率は755Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は793Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は155cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性不織布を、縦横30cm×30cmにカットし、電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:267pF、離床時:22pFと、検知に充分な静電容量を示し、センサーとして有効であることを確認した。また、前記導電性不織布を敷いた状態にて、ベッド上の被験者は、前記導電性不織布を敷かない状態と比べて、特にベッドの感触や、蒸れ感に有意差は感じなかった。
(1)CNTコーティング織布の作成
実施例1の(1)で作成したCNTの水性分散液中に、市販のポリエステル織布(財団法人日本規格協会製「ポリエステル」、タフタ、目付58g/m2)を浸漬させ、ニップローラーで絞り、テンターで拡げて180℃で2分間熱風循環槽にて乾燥した。この操作を合計3回繰り返し、CNTが付着した生地を得た。得られた導電性不織布を構成する導電性繊維におけるCNTの付着量を前記方法で測定したところ、付着量は導電繊維全体に対して12.2質量%であった。得られた導電性織布の表面抵抗率は130Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は136Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は45cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性織布を、縦横30cm×30cmにカットし、電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:588pF、離床時:34pFと、検知に充分な静電容量を示し、センサーとして有効であることを確認した。また、前記導電性織布を敷いた状態にて、ベッド上の被験者は、前記導電性不織布を敷かない状態と比べて、特にベッドの感触や、蒸れ感に有意差は感じなかった。
(1)ポリエステル加工糸へのCNTの付着処理
実施例1の(1)で作成したCNTの水性分散液を、イオン交換水にて100倍に希釈し、CNTの濃度=0.0296w/w%、バインダーの含有量=0.0226w/w%のCNT分散液を得た。この分散液を用いて、市販のポリエステル加工糸(SD167T48)に対して、一般的なサイジング糊付け手法でCNTを付着した。詳しくは、ポリエステル加工糸を分散液に浸漬する際に、微振動させた糸ガイドを通して、200Hzの微振動を糸に与え、次いで、180℃で2分間乾燥し、抵抗値が2.3×107Ω/cmのCNTが付着した190dtex/48フィラメントの導電性繊維を得た。得られた導電性繊維におけるCNTの付着量を前記方法で測定したところ、付着量は導電繊維全体に対して0.08質量%であった。
得られた導電繊維を経糸及び緯糸に配置し、平織組織にて織物を作成した、経糸、緯糸の打ち込み本数は、各々70本/インチ、60本/インチであった。得られた導電性織布の表面抵抗率は58500Ω/□であった。さらに、1万回の屈曲後の表面抵抗率は59400Ω/□であり、良好な屈曲耐久性を示した。通気度は42cm3/(cm2・秒)であった。
得られた導電性織布を、経緯30cm×30cmにカットし、電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:34pF、離床時:30pFと、殆ど有意差がなく、センサーとして有効ではなかった。
(1)織布の作成
実施例2において、銀系導電性ペーストを塗工する前の生地を導電性織布として用いた。導電性織布の表面抵抗率を測定したが、生地の経糸方向には導通せず、表面抵抗率は0.5×108Ω以上であった。実施例2では、経糸方向に電気接続部が形成され、経糸方向に導通するため、高い表面抵抗率を示したのに対して、比較例2では、生地の経糸方向には導通しないため、表面抵抗率が実施例2に比べて大きく低下した。
得られた導電性織布を、経緯30cm×30cmにカットし、電線を接続して、ベッドのシーツの下に敷き、その上の被験者の着床、離床での各々の状態での静電容量を測定した。その結果、着床時:23pF、離床時:25pFと、殆ど有意差がなく、センサーとして有効ではなかった。
Claims (8)
- 表面にカーボンナノチューブが付着した導電性繊維構造体を含み、かつ静電容量の変化により誘電体を検知するセンサーに用いられる面状導電体であって、20000Ω/□以下の表面抵抗率を有する面状導電体。
- 1万回の屈曲後の表面抵抗率が初期値の1.5倍以下である請求項1記載の面状導電体。
- 導電性繊維構造体が、織物、編物又は不織布である請求項1又は2記載の面状導電体。
- 導電性繊維が、有機繊維と、この有機繊維の表面を被覆する導電層とで形成され、前記導電層が、カーボンナノチューブ、バインダー及び界面活性剤を含む請求項1〜3のいずれかに記載の面状導電体。
- 繊維構造体が、導電性繊維を用いて得られ、かつ経糸及び/又は緯糸が導電性繊維を含む織物である請求項1〜4のいずれかに記載の面状導電体。
- 導電性繊維構造体が、織物、編物又は不織布にカーボンナノチューブを付着して得られた構造体である請求項1〜4のいずれかに記載の面状導電体。
- 導電性繊維構造体の通気度が10cm3/(cm2・秒)以上である請求項1〜6のいずれかに記載の面状導電体。
- 静電容量の変化により誘電体を検知するセンサーの検出部であり、かつ請求項1〜7のいずれかに記載の面状導電体で形成されているセンサー検出部。
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