JP2018512514A - 導電性テキスタイル要素及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、これらの既存の方法により製作される伝導性テキスタイルは、それらの不撓性、化学的不安定性、生産コスト、人体に及ぼされる危険、並びに最も重要なことは、現行の繊維産業及び衣料産業に適合可能な技術を要する大規模生産に関連する難題に起因して、理想的なものではない。
さらに、テキスタイル表面上への堆積された金属の付着は、かかる伝導性テキスタイルにおける耐久性及び伝導性に関する別の大きな懸念を残している。
例として、Azzaroni et al.が、基材表面への正に帯電したポリ[2−(メタクリロイルオキシ)エチル]トリメチルアンモニウムクロリド(PMETAC)高分子電解質のグラフトを実証している。その後の金属の無電解めっき(ELD)のための触媒部分であるテトラクロロパラジウム(II)酸アニオン([PdCl4]2−)の投入により、適切な付着特性を伴って頑強な金属層を選択的に堆積することができる。
2010年には、Liu et al.が、表面開始原子移動ラジカル重合(SI−ATRP)を用いてPMETACブラシを綿繊維表面上に成長させることによっても、耐久性の伝導性綿糸を作製する汎用性の高いアプローチを報告しており、これは、未加工のテキスタイル繊維上のPMETACブラシのグラフトに関する史上初めての実証であった。その後の金属ELDは、複数の屈曲、伸縮、摩擦及び更には洗浄サイクルに耐性を示し得る、高い電気安定性を有する伝導性綿糸をもたらした。
しかしながら、Liu et al.により教示されたSI−ATRP法の規模生産の実現可能性は、様々な問題を抱えている。例えば、SI−ATRPは、周囲条件下では適切に実施することができず、窒素による保護を必要とする。さらに、SI−ATRP反応は、比較的長い時間(約24時間)を要し、これは望ましくないものであるとともに、大量生産にとって費用対効果が良くない。それ故、合成プロセスを改良して、高スループットの伝導性テキスタイルの生産を可能にすることが必要とされている。
一般的に、この反応は、完了するのに約1時間〜3時間しかかからず、周囲条件で行うことができるため、先に言及したSI−ATRP等の他の重合法よりもメリットが大きいと言える。しかしながら、この改良アプローチは、触媒部分の選択が、テキスタイル表面上にグラフトされる高分子電解質ブラシの特性及び性質に大幅に依存することから、カチオン性PMETACが、その後の金属の無電解めっきのためのアニオン性[PdCl4]2−部分と結合するため制限されるという欠点を有する。
さらに、使用される[PdCl4]2−部分は比較的高価である(97%テトラクロロパラジウム(II)酸アンモニウム2グラム当たりUSD159.5)。アニオン性[PdCl4]2−部分は再利用することができたとしても、大量生産において使用される場合には依然として経済的ではない。
(i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する工程と、
(ii)前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する工程と、
を含む、導電性テキスタイル要素を製造する方法を提供する。
テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する装置と、
前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する被覆装置と、
を備える、導電性テキスタイル要素を製造する装置を提供する。
続いて、商業規模の生産に適切な品質の導電性綿糸を得るために、その後のイオン交換、イオンの還元、及びPMANaで被覆された綿糸上への金属粒子の無電解めっきを実施してもよい。本実施形態は、テキスタイル基材上におけるPAANa高分子電解質の作製にも適用可能とし得ることに留意されたい。
綿糸をその後、純粋な(fresh)脱イオン(DI)水で十分に濯ぐことにより、過剰に物理吸着したシラン及び副生成物分子がいずれも除去される。シラン処理のこの工程は、図1における100によって表される。
綿糸を入れた溶液混合物全体を、フリーラジカル重合を行うために、炉内において60℃〜80℃で0.5時間〜1時間加熱する。フリーラジカル重合プロセスでは、シランの二重結合がフリーラジカルによって開裂することで、PMANa高分子電解質の成長が綿繊維表面上にもたらされ得る。フリーラジカル重合のこの工程は、図1における110によって表される。
金属の無電解めっきを実施する工程は、図1における130によって表され、この第1の実施形態の方法の工程に従って作製される、例示的なCuで被覆された綿糸は、図2における200によって表される。
PMANa変性された綿のサンプルでは、カルボン酸塩の逆対称伸縮振動を表す1549cm−1に位置する新たなピークが、PMANaのグラフトを裏づけるものである。1455cm−1及び1411cm−1に位置する他のピークはともに、PMANaによるカルボン酸塩の対称伸縮振動に帰属するものである。
しかしながら、シラン処理された綿繊維表面上におけるPMANaの重合後に、被覆層が綿繊維表面上を覆うことは注目に値するものである。図5のD〜Fは、銅金属粒子が、亀裂の兆候を何も伴うことなく比較的均一に堆積していることを示すものである。
織り上げ設定では、銅で被覆された綿糸が、布のよこ糸を形成するように構成されるのに対し、布のたて糸は、最初に織機に実装しておいた図7Dの差込み画像に示されるような未処理の綿糸によって形成される。本織り上げプロセスには問題も欠点も見られない。
織った後、布を5cm×15cmの切片に切断し、図7Dに示されるように四辺をかがり縫いし、続いて、以下の洗浄条件下における、試験規格AATCC試験法61−試験番号2A:(家庭及び商業)洗濯に対する色堅牢度:(機械洗浄)促進型(図7E)に従って一連の洗浄サイクルを施す。
洗浄した布の電気抵抗の変化は、四探針法を用いて評価することができるため、本実施形態に従って作製される布のシート抵抗は、図8に示されるように、0.9±0.2オーム/sq(未洗浄)、及びおよそ20回の商用機による洗濯サイクルに等しい4回の洗浄後には73.8±13.4オーム/sqとなると測定される。
銅で被覆された綿繊維は、きつく締まった状態に保たれなくなることから、互いの接触が失われ、その結果、電子の移動に利用可能な伝導性経路が減少することとなる。したがって、洗浄サイクルを繰り返すと、シート抵抗が増大するにもかかわらず、図9におけるSEM画像は、綿繊維表面上における銅金属粒子の比較的強力な付着を裏づけている。
続いて、水に溶解させた40g/Lの硫酸ニッケル六水和物と、20g/Lのクエン酸ナトリウムと、10g/Lの乳酸と、1g/Lのジメチルアミンボラン(DMAB)とからなる、ニッケルの無電解めっき浴を60分間〜180分間利用する。得られるニッケルで被覆された綿布のシート抵抗は、図8に示されるように、銅で被覆された繊維糸のものと極めてよく似た結果を示すことがわかる。
図10を参照すると、例示的なニッケルで被覆された綿布が、ニッケル金属の高い均一性を示す300によって表され、このバルク抵抗は3.2Ωと測定される。
これに関して、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆された糸(PAANa-assisted copper-coated yarn)は、図11Aにおける400によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補ってニッケルで被覆された絹糸(PAANa-assisted nickel-coated silk yarn)は、図11Bにおける500によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆されたナイロン糸(PAANa-assisted copper-coated nylon yarn)は、図12Aにおける600によって表され、本発明の実施形態に従って作製される、例示的なPAANaを補って銅で被覆されたナイロン糸(PAANa-assisted copper-coated nylon yarn)から形成されるポリエステル布は、図12Bにおける700によって表される。
なお、このような高性能導電性テキスタイル要素(繊維、糸及び布)は、比較的低コストの技術を利用して、費用対効果良く大規模で製造することができる。該製造は、in−situフリーラジカル重合の化学反応により、負に帯電した高分子電解質、例えばPMANa又はPAANaをテキスタイル基材上で成長させ、これにより好都合なことに、無電解めっきされた金属と、テキスタイル要素及び基材とを架橋する改善された負に帯電した高分子電解質層がもたらされ得ることに基づくものである。
特に、テキスタイル基材への伝導性金属の付着は、負に帯電した高分子電解質PMANa又はPAANaの層のこのような表面改質により大きく改善させることができる。ここで、かかる伝導性テキスタイルの電気的性能は、摩擦、伸縮及び洗浄の繰返しサイクルを受けても、より高い信頼性、頑強性及び耐久性を示し得る。また、負に帯電した高分子電解質を調製するのに使用されるin−situフリーラジカル重合法は、強い化学薬品を一切用いることなく周囲条件及び水性条件下で実施することができる。
本発明は、全てのこうした変形及び変更を含むように理解されるべきである。本発明はまた、本明細書において個々に又はまとめて言及するか又は示した工程及び特徴の全てと、上記工程又は特徴のうちの任意の2つ以上のありとあらゆる組合せとを含む。
Claims (18)
- (i)テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する工程と、
(ii)前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する工程と、
を含む、導電性テキスタイル要素を製造する方法。 - 工程(i)が、in−situフリーラジカル重合によって、前記テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記負に帯電した高分子電解質が、ポリ(メタクリル酸ナトリウム塩)及びポリ(アクリル酸ナトリウム塩)の少なくとも一方を含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 工程(i)が、テキスタイル要素のシラン処理された表面を、負に帯電した高分子電解質で改質することを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 工程(ii)が、金属の無電解めっきによって、前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆することを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属粒子が、銅及びニッケルの粒子の少なくとも一方を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記テキスタイル要素が、布へと形成するように構成される糸及び繊維の少なくとも一方を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記テキスタイル要素が、ポリエステル、ナイロン、綿及び絹の糸又は繊維の少なくとも1つを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質する装置と、
前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆する被覆装置と、
を備える、導電性テキスタイル要素を製造する装置。 - 前記テキスタイル要素の表面を、前記負に帯電した高分子電解質で改質する装置が、in−situフリーラジカル重合によって、前記テキスタイル要素の表面を、負に帯電した高分子電解質で改質するように構成される、請求項9に記載の装置。
- 前記負に帯電した高分子電解質が、ポリ(メタクリル酸ナトリウム塩)及びポリ(アクリル酸ナトリウム塩)の少なくとも一方を含む、請求項9又は10に記載の装置。
- 前記テキスタイル要素の表面を、前記負に帯電した高分子電解質で改質する装置が、テキスタイル要素のシラン処理された表面を、負に帯電した高分子電解質で改質するように構成される、請求項9〜11のいずれか一項に記載の装置。
- 前記被覆装置が、金属の無電解めっきによって、前記テキスタイル要素の改質された表面を金属粒子で被覆するように構成される、請求項9〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記金属粒子が、銅及びニッケルの粒子の少なくとも一方を含む、請求項9〜13のいずれか一項に記載の装置。
- 前記テキスタイル要素が、布へと形成するように構成される糸及び繊維の少なくとも一方を含む、請求項9〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記テキスタイル要素が、ポリエステル、ナイロン、綿及び絹の糸又は繊維の少なくとも1つを含む、請求項9〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法の工程により製造される導電性テキスタイル要素。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法の工程により製造される少なくとも1つのテキスタイル要素から形成される布。
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