JP2019178455A - 導電性高分子導電体、及び、その製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】洗濯耐久性及び導電性を向上させることができる導電性高分子導電体、及び、その製造方法を提供する。【解決手段】導電性高分子導電体10は、基材11に導電性高分子12が付着されたものであり、例えば、導電性高分子電極として用いることができる。導電性高分子12としては、例えば、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンが好ましく挙げられる。導電性高分子12は、結晶化度が低い低結晶であり、これにより、基材11に均一に付着させることができ、基材11に対する付着性を向上させることができるようになっている。【選択図】図1

Description

本発明は、導電性高分子を用いた導電性高分子導電体、及び、その製造方法に関する。
近年、PEDOT−PSS{ポリ(3.4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)}等の導電性高分子をシルクよりなる基材に付着させた導電性高分子繊維が知られている(例えば、特許文献1参照)。この導電性高分子繊維は、導電性、親水性、引っ張り強度、耐水強度を有しているので、特に、生体電極の材料として利用することができる。
特開2015−77414号公報
K.E.Aamundtveit et al. "Structure of thin films of poly(3,4−ethylenedioxythiophene)" Synthetic Metals 101(1999)561−564 Ioannis Petsagkourakis et al. "Structurally−driven Enhancement of Thermoelectric Properties within poly(3,4−ethylenedioxythiophene) thin Films" SCIENTIFIC REPORTS 6:30501 DOI:10.1038/srep30501 Youyi Xia et al. "Fabrication and properti2016 of conductive conjugated polymers/silk fibroin composite fibers" Composites Science and Technology 68(2008)1471−1479 Composites Science and Technology 2008,68,1471
しかしながら、従来の導電性高分子繊維は、洗濯を繰り返すと表面の導電性高分子が剥がれてしまい導電性が低下してしまうという問題があった。また、従来の導電性高分子繊維は、導電性が十分ではなく、更なる改善が望まれていた。
本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、洗濯耐久性及び導電性を向上させることができる導電性高分子導電体、及び、その製造方法を提供することを目的とする。
本発明の導電性高分子導電体は、基材に導電性高分子が付着されたものであって、導電性高分子は、非結晶又は低結晶のものである。
本発明の導電性高分子導電体の製造方法は、基材に非結晶又は低結晶の導電性高分子を付着させた導電性高分子導電体を製造するものであって、エタノールを溶媒として酸化剤により導電性高分子の単量体を重合させることにより、非結晶又は低結晶の導電性高分子を基材に付着させるものである。
本発明の導電性高分子導電体によれば、導電性高分子を非結晶又は低結晶とするようにしたので、基材に導電性高分子を均一に付着させることができる。よって、基材と導電性高分子との付着性を向上させることができ、洗濯耐性及び導電性を向上させることができる。
また、導電性高分子は、エタノールを溶媒として酸化剤により導電性高分子の単量体を重合させるようにすれば、非結晶又は低結晶の導電性高分子を容易に付着させることができる。
更に、酸化剤と導電性高分子の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子の単量体)を、体積比で、40:1〜40:5の範囲内とすれば、より高い効果を得ることができる。
本発明の一実施の形態に係る導電性高分子導電体の概略構成を表す図である。 実施例1−1,1−2及び比較例1−1に係る導電性高分子導電体の抵抗値を示す特性図である。 実施例1−1,1−2及び比較例1−1に係る導電性高分子導電体の電気伝導度を示す特性図である。 実施例1−2に係る導電性高分子導電体の表面状態を表す電子顕微鏡写真である。 実施例1−2に係る導電性高分子の結晶性を表すX線回折図である。 比較例1−1に係る導電性高分子導電体の表面状態を表す電子顕微鏡写真である。 実施例2−1〜2−5及び比較例2−2に係る導電性高分子導電体の洗濯回数による抵抗値の変化を示す特性図である。 実施例3−1〜3−5に係る導電性高分子導電体の洗濯回数による抵抗値の変化を示す特性図である。 実施例4−1〜4−3に係る導電性高分子導電体の洗濯回数による抵抗値の変化を示す特性図である。 実施例5−1〜5−5に係る導電性高分子導電体の抵抗値を示す特性図である。 実施例5−1〜5−5に係る導電性高分子導電体の電気伝導度を示す特性図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る導電性高分子導電体10の概略構成を表すものである。この導電性高分子導電体10は、基材11に導電性高分子12が付着されたものであり、例えば、導電性高分子電極として用いることができる。
基材11の形状は、例えば、糸状、布状、又は、シート状が好ましく挙げられる。基材11を構成する材料はどのようなものでもよいが、繊維が好ましく、例えば、シルク及び木綿等の天然繊維、及び、合成繊維等の化学繊維からなるうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。生産性及び伸縮に優れるからである。なお、基材11が糸状の場合には、基材11に導電性高分子12を付着させた糸状の導電性高分子導電体10をそのまま用いてもよいが、布状又はシート状に形成して用いてもよい。
導電性高分子12としては、例えば、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェン(以下、PEDOTと記す)が好ましく挙げられる。導電性高分子12は、基材11の全面に形成されていてもよく、一部に形成されていてもよい。例えば、基材11が糸状の場合には、図1(A)に示したように、基材11の全面に形成されていてもよく、基材11が布状又はシート状の場合には、図1(B)に示したように、片面に形成されていてもよく、図示しないが、両面に形成されていてもよい。また、導電性高分子12は、基材11の表面に付着しているが、基材11の表面にしみ込んでいてもよい。
導電性高分子12は、非結晶又は結晶化度が低い低結晶の状態となっている。従来より、PEDOT等の導電性高分子材料は、結晶体であることが報告されている(例えば、非特許文献1〜3参照)。これに対して、本実施の形態の導電性高分子導電体10では、導電性高分子12を非結晶又は低結晶とすることにより、基材11に均一に付着させることができ、それにより、基材11に対する付着性を向上させることができるようになっている。
なお、導電性高分子12が低結晶であるというのは、X線回折法を用いて次のように定義する。基材11に導電性高分子12を付着させた導電性高分子導電体10についてX線回折を行い、得られたX線パターンより、導電性高分子12の結晶性ピークの強度と、基材11の結晶性ピークの強度との比を求め、基材11の結晶性ピーク強度に対する導電性高分子12の結晶性ピーク強度の強度比(導電性高分子12の結晶性ピークの強度/基材11の結晶性ピークの強度)が1/10以下である場合に低結晶であるとする。
導電性高分子12の結晶性ピークとしては、例えば、2θ=25度付近に現れる結晶性ピークの強度を測定する。例えば、PEDOT系の導電性高分子であれば、2θ=25度付近に(020)面に基づく結晶性ピークが現れるので、この結晶性ピークの強度を測定する。基材11の結晶性ピークとしては、例えば、2θ=20度付近に現れる結晶性ピークの強度を測定する。例えば、基材11が絹であれば、2θ=20度付近に絹のβ相に基づく結晶性ピークが現れるので、この結晶性ピークの強度を測定する。また、導電性高分子導電体10における導電性高分子12の割合は、例えば、5質量%〜20質量%とすることが好ましい。
この導電性高分子導電体10は、高い導電性を有し、例えば、1×10−2S/cm以上の電気伝導度を得ることができ、更には、0.3S/cm以上、更には、1.0S/cm以上の電気伝導度を得ることもできる。従来の導電性高分子導電体、例えば、繊維よりなる基材に導電性高分子を付着させたものでは、4.7×10−3S/cm〜5.1×10−3S/cm程度の電気伝導度が得られたという報告がされている(例えば、非特許文献4参照)。すなわち、本実施の形態の導電性高分子導電体10によれば、従来に比べて、高い電気伝導度を得ることができる。
この導電性高分子導電体10は、例えば、エタノールを溶媒として酸化剤により導電性高分子12の単量体を重合させ、基材11に非結晶又は低結晶の導電性高分子12を付着させることにより製造することができる。このように、溶媒にエタノールを用いることにより、容易に非結晶又は低結晶の導電性高分子12を付着させることができる。
具体的には、例えば、導電性高分子12の単量体、酸化剤、及び、溶媒であるエタノールを含む混合溶液を基材11に塗布し、酸化剤の作用により導電性高分子12の単量体を重合させ、基材11に導電性高分子12を付着させる。また、例えば、基材11に導電性高分子12の単量体を含む原料溶液を塗布した後、その上に、酸化剤及び溶媒であるエタノールを含む酸化剤溶液を塗布し、酸化剤の作用により導電性高分子12の単量体を重合させ、基材11に導電性高分子12を付着させるようにしてもよい。なお、導電性高分子12の単量体、酸化剤、及び、溶媒であるエタノールを含む混合溶液、又は、酸化剤及び溶媒であるエタノールを含む酸化剤溶液には、更に、導電性高分子に導電性を発現させるためのドーパント、及び、増粘剤を含むようにしてもよい。
酸化剤としては、例えば、鉄塩が好ましく挙げられる。ドーパントとしては、例えば、p−トルエンスルホン酸が好ましく挙げられ、p−トルエンスルホン酸の鉄塩(以下、pTSと記す)を用いるようにすれば、酸化剤及びドーパントとして機能させることができるのでより好ましい。ドーパントとしては、他にも、アセトニトリルやトリフルオロ酢酸などが挙げられる。増粘剤は、製造用溶液の粘性を高くすることにより、製造用溶液を塗布した時の広がりを抑制し、導電性高分子のにじみを小さくすると共に、単量体の重合反応を促進させるためのものである。増粘剤としては、導電性高分子の重合反応に反応しないものが好ましく、例えば、グルセロール、ポリエチレングリコール、ゼラチン、又は、多糖類が好ましく挙げられる。
酸化剤と導電性高分子12の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子12の単量体)は、体積比で、40:1〜40:5の範囲内とすることが好ましく、40:2〜40:5の範囲内、更には、40:2〜40:3の範囲内とすればより好ましい。この範囲内において、導電性及び耐洗濯性をより向上させることができるからである。また、エタノールと酸化剤の合計に対する酸化剤の割合(酸化剤/酸化剤+エタノール)は、質量%で、12質量%〜60質量%の範囲内とすることが好ましく、20質量%〜30質量%の範囲内とすればより好ましい。この範囲内において、導電性をより向上させることができるからである。
導電性高分子12の単量体を重合させる際には、加熱してもよいが、加熱せずに常温で反応させることが好ましい。加熱しない方が導電性をより向上させることができるからである。
このように本実施の形態によれば、導電性高分子12を非結晶又は低結晶とするようにしたので、基材11に導電性高分子12を均一に付着させることができる。よって、基材11と導電性高分子12との付着性を向上させることができ、洗濯耐性及び導電性を向上させることができる。例えば、1×10−2S/cm以上の電気伝導度を得ることができる。
また、導電性高分子は、エタノールを溶媒として酸化剤により導電性高分子の単量体を重合させるようにすれば、非結晶又は低結晶の導電性高分子を容易に付着させることができる。
更に、酸化剤と導電性高分子の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子の単量体)を、体積比で、40:1〜40:5の範囲内とすれば、より高い効果を得ることができる。
(実施例1−1,1−2)
基材11として絹布を用意し、PEDOTの単量体溶液(Heraeus CleviosM−V2)と、酸化剤及びドーパントであるpTS(Heraeus CleviosC−B40V2)と、溶媒であるエタノールとの混合溶液を塗布し、1時間保持してPEDOTの単量体を重合させた。pTSとPEDOTの単量体との割合は、体積比で、40:2とし、エタノールと酸化剤の合計に対する酸化剤の割合は、30質量%とした。また、PEDOTの単量体を重合させる際に、実施例1−1では55℃に加熱し、実施例1−2では加熱せず室温で行った。これにより導電性高分子導電体10を得た。
得られた導電性高分子導電体10について、8mm離れた3点間での表面抵抗を測定した。測定装置には、三菱化学アナリテック製のLoresta‐AX MCP‐T370を用いた。図2にシート抵抗の結果を示す。また、得られたシート抵抗値から電気伝導度を算出した。図3に電気伝導度の結果を示す。更に、実施例1−2の導電性高分子導電体10について、表面状態を電子顕微鏡により観察すると共に、X線回折を行い導電性高分子12の結晶性を調べた。図4にその電子顕微鏡写真、図5にX線回折の結果を示す。なお、図5には、導電性高分子12を付着させていない基本状態として、基材11に用いた絹のX線回折の結果も共に示した。
実施例1−1,1−2に対する比較例1−1として、溶媒にエタノールに変えてブタノールを用い、PEDOTの単量体を重合させる際の加熱温度を80℃としたことを除き、他は実施例1−1,1−2と同様にして導電性高分子導電体を作製した。比較例1−1についても、実施例1−1,1−2と同様にして、表面抵抗を測定し、電気伝導度を算出すると共に、表面状態を観察した。得られた結果を図2、図3及び図6に示す。
図2及び図3に示したように、溶媒にエタノールを用いた実施例1−1,1−2によれば、ブタノールを用いた比較例1−1に比べて、抵抗値を低くすることができ、電気伝導度を高くすることができた。溶媒にエタノールを用いた実施例1−1と実施例1−2とで比較すると、重合させる際に加熱しない方が抵抗値をより低くすることができ、電気伝導度を高くすることができた。
また、図4及び図6に示したように、実施例1−2と比較例1−1とで表面状態を比較すると、実施例1−2は非常に滑らかで導電性高分子12が均一に付着しているのに対して、比較例1−2は凹凸があり、不均一に付着していることが分かる。更に、図5に示したように、実施例1−2の回折パターンは基材11に用いた絹と略同形で、2θ=25度付近にPEDOTの(020)面に基づく結晶性ピークは見られず、基材11の結晶性ピーク強度(2θ=20度付近の絹のβ相に基づく結晶性ピーク強度)に対する導電性高分子12の結晶性ピーク強度(2θ=25度付近のPEDOTの(020)面に基づく結晶性ピーク強度)の強度比(導電性高分子12の結晶性ピークの強度/基材11の結晶性ピークの強度)は1/10以下であった。すなわち、実施例1−2の導電性高分子12は非結晶又は低結晶であることが分かった。
これらの結果から、導電性高分子12を非結晶又は低結晶とすれば、導電性を向上させることができることが分かった。また、溶媒にエタノールを用いるようにすれば、導電性高分子12を非結晶又は低結晶にできることが分かった。更に、溶媒にエタノールを用いれば、加熱せずに重合させることにより、より導電性を高くすることができることも分かった。
(実施例2−1〜2−5)
pTSとPEDOTの単量体との割合を変化させたことを除き、他は実施例1−2と同様にして導電性高分子導電体10を作製した。pTSとPEDOTの単量体との割合は、体積比で、実施例2−1は40:1、実施例2−1は40:2、実施例2−3は40:3、実施例2−4は40:4、実施例2−5は40:5とした。各実施例について、洗濯を1回から10回行い、洗濯前(すなわち洗濯0回)及び各洗濯後毎に、実施例1−2と同様にして表面抵抗を測定し、洗濯による抵抗の変化を調べた。得られた結果を図7に示す。
実施例2−1〜2−5に対する比較例2−1として、溶媒にエタノールに変えてブタノールを用い、PEDOTの単量体を重合させる際の加熱温度を80℃としたことを除き、他は実施例1−2と同様にして導電性高分子導電体を作製した。すなわち、比較例1−1と同様にして導電性高分子導電体を作製した。比較例2−1についても、実施例2−1〜2−5と同様にして表面抵抗を測定し、洗濯による抵抗の変化を調べた。得られた結果を図7に合わせて示す。
図7に示したように、溶媒にエタノールを用いた本実施例によれば、溶媒にブタノールを用いた比較例2−2に比べて、導電性及び洗濯耐性を向上させることができた。また、酸化剤と導電性高分子12の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子12の単量体)が体積比で40:2及び40:3の場合に同程度の優れた結果が得られた。すなわち、酸化剤と導電性高分子12の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子12の単量体)は、体積比で、40:1〜40:5の範囲内とすることが好ましく、40:2〜40:5の範囲内、更には、40:2〜40:3の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
(実施例3−1〜3−5,4−1〜4−3)
実施例3−1〜3−5では、基材11をポリエステル系布に変えたことを除き、他は実施例2−1〜2−5と同様にして導電性高分子導電体10を作製した。その際、pTSとPEDOTの単量体との割合は、実施例2−1〜2−5と同様に変化させた。また、実施例4−1〜4−3では、基材11を綿布とし、布の種類を各実施例で変えたことを除き、他は実施例2−2と同様にして導電性高分子導電体10を作製した。布の種類は、実施例4−1ではオックスフォード、実施例4−2ではツイル、実施例4−3ではデニムとした。pTSとPEDOTの単量体との割合は、体積比で、40:2とした。各実施例について、実施例2−1〜2−5と同様にして表面抵抗を測定し、洗濯による抵抗の変化を調べた。得られた結果を図8及び図9に示す。
図8及び図9に示したように、基材11の材料を変えても、実施例2−1〜2−5(図7参照)と同程度の結果が得られた。すなわち、溶媒にエタノールを用いれば、基材11に絹を用いなくても高い特性を得られることが分かった。
(実施例5−1〜5−5)
実施例5−1〜5−5でpTSとPEDOTの単量体との割合を変化させ、更に、各実施例において、エタノールと酸化剤の合計に対する酸化剤の割合を変化させたこと除き、他は実施例1−2と同様にして導電性高分子導電体10を作製し、同様にして表面抵抗を測定すると共に、電気伝導度を算出した。その際、pTSとPEDOTの単量体との割合は、実施例5−1〜5−5で実施例2−1〜2−5と同様に変化させ、エタノールと酸化剤の合計に対する酸化剤の割合は、各実施例において、60質量%、30質量%、20質量%、15質量%、12質量%と変化させた。得られた結果を図10及び図11に示す。図10及び図11では、各実施例において、左から順に60質量%、30質量%、20質量%、15質量%、12質量%の結果を並べて示している。図10は抵抗値の結果、図11は電気伝導度の結果である。
図10及び図11に示したように、エタノールと酸化剤の合計に対する酸化剤の割合(酸化剤/酸化剤+エタノール)は、質量%で、12質量%〜60質量%の範囲内とすることが好ましく、20質量%〜30質量%の範囲内とすればより好ましいことが分かった。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、各構成要素についても具体的に説明したが、全ての構成要素を備えていなくてもよく、また、他の構成要素を備えていてもよい。
近年、日本において、高齢化が進み、健康状態監視や健康寿命を延ばすため、さりげないセンシングによって、心電(心電図のもとになる情報のこと。以下同様)や筋電などの生体情報を検出して、病気や怪我を予防し、また、病気を早期発見できるウェアラブル機器の開発が進められている。しかし、心電などを計測する際、従来はジェルや粘性のあるシールを貼って測定を行ったり、ベルトで強く押し付けたりする必要があり、長時間の装着は困難であった。また、使い捨てのシールなどを代用して利用されているが、装着時に違和感があり、肌が荒れるなどの問題がでることがある。
また、従来は、主にAg金属をコーティングしたものも一般的に利用されているが、生体への悪影響が懸念されている。さらに、湿気、汗で電極が酸化され、性能劣化を起こす問題もあった。すなわち、長時間使い続けても生体に悪影響を与えない電極であることが望まれている。
本願発明によれば、例えば、市販のアンダーウェアの表面に導電性高分子の単量体、酸化剤、及び、溶媒であるエタノールを含む混合溶液を塗布して化学反応によって重合させ、導電性の機能をアンダーウェアに持たせることができる。その電極は生体に強く押し付けることはなく測定でき、従来の製品より低コストでアンダーウェアを製作することができ、生体情報を検出できる。ウェアの価格が安くなればヘルスケアや介護用の支援ロボット、作業用の支援ロボット、フィットネス、作業服等に広く応用することができる。
10…導電性高分子導電体、11…基材、12…導電性高分子

Claims (8)

  1. 基材に導電性高分子が付着された導電性高分子導電体であって、
    前記導電性高分子は、非結晶又は低結晶であることを特徴とする導電性高分子導電体。
  2. 前記導電性高分子は、エタノールを溶媒として酸化剤により前記導電性高分子の単量体を重合させたものであることを特徴とする請求項1記載の導電性高分子導電体。
  3. 前記導電性高分子は、前記酸化剤と前記導電性高分子の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子の単量体)を、体積比で、40:1〜40:5の範囲内として重合させたものであることを特徴とする請求項2記載の導電性高分子導電体。
  4. 電気伝導度が1×10−2S/cm以上であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1に記載の導電性高分子導電体。
  5. 前記導電性高分子は、ポリ3,4−エチレンジオキシチオフェンであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1に記載の導電性高分子導電体。
  6. 前記基材は、天然繊維及び化学繊維からなるうちの少なくとも1種を含む繊維からなることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1に記載の導電性高分子導電体。
  7. 基材に非結晶又は低結晶の導電性高分子を付着させる導電性高分子導電体の製造方法であって、
    エタノールを溶媒として酸化剤により前記導電性高分子の単量体を重合させることにより、前記基材に、前記非結晶又は低結晶の導電性高分子を付着させることを特徴とする導電性高分子導電体の製造方法。
  8. 前記酸化剤と前記導電性高分子の単量体との割合(酸化剤:導電性高分子の単量体)を、体積比で、40:1〜40:5の範囲内として重合させることを特徴とする請求項7記載の導電性高分子導電体の製造方法。
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