JP2021137680A - 摩擦帯電ユニット、並びに該摩擦帯電ユニットを備えた摩擦発電デバイス及び集塵デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高い集塵能力を発生させる負帯電部材と正帯電部材とを有する摩擦帯電ユニットにおいて、負帯電部材の耐久性を改善した摩擦帯電ユニットを提供できる。更に当該摩擦帯電ユニットを用いた、集塵デバイスや発電デバイスを提供する。【解決手段】正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、前記負帯電部材が、前記正帯電部材と対向して接触し得る厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体である、摩擦帯電ユニット。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦により発生した電荷を帯電し得る摩擦帯電ユニットに関する。

従来より、部材を摩擦により帯電させ、これにより空気中の微細な埃を集めたり、あるいは部材の汚れを取り除いたりすることが行われている。例えば特許文献１には、摩擦して帯電させた集塵板を用いて、静電的に集塵を行う集塵デバイスが開示されている。

特許文献１では、集塵デバイスで用いる集塵板及び摩擦板として、アクリルとナイロン、及びポリエステルとナイロンの組み合わせが例示されており、帯電列の位置関係が遠いと帯電力が大きくなり好ましいとされている。そのため、摩擦により帯電させる集塵部材としては、帯電序列として最も負帯電が起こりやすいという理由から、負帯電材としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂が用いられることがほとんどであった。（非特許文献１参照）。

したがって、どのような正帯電材と組み合わせて摩擦帯電させる場合でも、ＰＴＦＥ樹脂を負帯電部材として用いることが、最も帯電量を大きくできるため好ましいと理解されている。一方、正帯電部材としては典型的にはナイロンが使用される。

特開２００２−３３６７３３号公報

静電気ドクター"帯電列"、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社キーエンス、［２０１９年４月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.keyence.co.jp/ss/products/static/static-electricity/basic/nature.jsp

しかしながら、ＰＴＦＥ等のフッ素含有樹脂は、摩擦帯電性は優れているが、耐久性が十分とは言えなかった。より具体的には、ＰＴＦＥ等のフッ素含有樹脂を負帯電部材として使用した際には、帯電のために摩擦を長く続けることで帯電部材が変形する場合があり、長時間高い摩擦力を維持することが困難であった。本発明は、摩擦帯電性と耐久性とを両立できる摩擦帯電ユニットを提供することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、薄膜のフッ素樹脂層と他の樹脂層とを積層させて、負摩擦帯電部材とすることを試みた。しかしながら薄膜フッ素樹脂層と他の樹脂層との積層体を負帯電部材として用いた場合は、当該他の樹脂層の特性によってフッ素樹脂層の帯電性を大きく損ねる場合があった。そこで本発明者らの検討の結果、薄膜のフッ素樹脂層と、特定の体積抵抗率を有するフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体を用いることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。

本発明は、以下のものを含む。
［１］正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
前記負帯電部材が、前記正帯電部材と対向して接触し得る厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体である、摩擦帯電ユニット。
［２］前記フッ素樹脂は、温度２５℃、湿度４０％の条件下において、前記フッ素樹脂とアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ａ）を、厚さ１ｍｍのポリテトラフルオロエチレンとアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ｂ）で割ったときの値（Ａ／Ｂ）が０．７以上である、［１］に記載の摩擦帯電ユニット。
［３］前記有機樹脂層は、ポリアクリレート樹脂またはシリコーン樹脂である、［１］又は［２］に記載の摩擦帯電ユニット。
［４］前記負帯電部材は、基材上に前記有機樹脂層とフッ素樹脂層とがこの順で積層された、［１］〜［３］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニット。
［５］［１］〜［４］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニットを備えた、集塵デバイス。

本発明により、高い集塵能力を発生させる負帯電部材と正帯電部材とを有する摩擦帯電ユニットにおいて、負帯電部材の耐久性を改善した摩擦帯電ユニットを提供できる。更に当該摩擦帯電ユニットを用いた、集塵デバイスや発電デバイスを提供できる。

摩擦帯電ユニットを備えた発電デバイスの一実施形態を示す模式図である。 負帯電材塗布成膜体の作成方法の一例を示す模式図である。

以下、本発明について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態は、正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットである。そして、負帯電部材として、厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体を用いる。

正帯電部材と負帯電部材とは、互いが摺動することで、及び／又は互いが接触と離反を繰り返すことで、電荷を発生させて帯電する。本実施形態では、摩擦により発生した負の電荷を帯電させる負帯電部材に厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体を用いる。なお、該摺動及び該接触・離反により電荷を発生させることを「摩擦」と称する。

正帯電部材としては、負帯電部材を負帯電できる部材であれば特段限定されず、負帯電樹脂として用いられる積層体に含まれる、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂層との組み合わせにおいて自らが負帯電する材料を避ければよい。典型的にはナイロンが用いられるが、これに限られない。

以下、図に示す具体的な実施形態により、本発明を説明する。図１は、本実施形態の摩擦帯電ユニットを摩擦発電デバイスに適用した形態である。
摩擦発電デバイス１０は、正帯電部材用の基材１に正帯電部材３が支持され、負帯電部材用の基材２に負帯電部材４が支持されている。正帯電用部材３と負帯電用部材４とは固
定されておらず、正帯電用部材３と負帯電用部材４とが摺動することで、及び／又は正帯電用部材３と負帯電用部材４とが接触・離反を繰り返すことで、正帯電用部材３には正の電荷が、負帯電用部材４には負の電荷がそれぞれ発生する。正帯電用部材３と負帯電用部材４との摩擦は、既知の駆動方法を用いて正帯電用部材３と負帯電用部材４とを動かし、摩擦すればよい。

帯電部材を支持する基材１及び基材２は導電性を有する部材であり、基材１及び基材２と電気的に接続された配線５から発生した電気を取り出すことができる。なお、摩擦帯電ユニットを集塵デバイスとして用いる場合には、基材と電気的に接続した配線の一端をアースしてもよい。
基材１及び基材２は、必ずしも必要なものではないが、取り扱い性等の点で有することが好ましい。また、帯電部材を支持できる十分な強度を有していれば、特に限定されない。一例では、ＰＥＴ樹脂やＰＥＮ樹脂などのポリエステル系樹脂が用いられる。また、基材と帯電部材との間に接着層を設けてもよい。この場合の接着層は、基材との密着性を向上させる等の目的で設けることができる。

正帯電部材３は、負帯電部材４のうち、正帯電部材３と対向して接触するフッ素樹脂層４ａを負帯電できる部材であれば特段限定されず、典型的にはナイロンである。正帯電部材３はフィルム状であってもよく、また静電気の発生量を増加させるために、ブラシ状であってもよい。

負帯電部材４は、フッ素樹脂層４ａと、フッ素樹脂とは異なる有機樹脂層４ｂとの積層体である。
フッ素樹脂層４ａは、負帯電部材４において正帯電部材３と対向して接触する。フッ素樹脂層４ａは、フッ素とオレフィン含有化物を重合して得られる樹脂であって、典型的にはＰＴＦＥが挙げられるが、その他ＥＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦなどが挙げられる。フッ素樹脂層４ａは、厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下の薄膜であり、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以下であることが好ましい。フッ素樹脂層４ａの膜厚が上記範囲であることで、良好な摩擦帯電特性を維持することが可能である。

フッ素樹脂とは異なる有機樹脂層４ｂは、フッ素樹脂とは異なる樹脂であり、ポリアクリレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂などが挙げられる。有機樹脂層４ｂは、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であり、１．０×１０^５Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、１．０×１０^６Ω・ｃｍ以上であることがより好ましい。体積抵抗率が上記範囲である有機樹脂層４ｂをフッ素樹脂層４ａと積層させて用いることで、フッ素樹脂層４ａが有する良好な摩擦特性を損ねることなく、良好な負帯電部材として機能し得る。
有機樹脂層４ｂの膜厚は特段限定されないが、１μｍ以上であってよく、１０μｍ以上であってよく、また２ｍｍ以下であってよく、１ｍｍ以下であってよい。
負帯電部材４は、フッ素樹脂層４ａとフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層４ｂとの積層体であるが、更に他の層を含む積層体であってよい。

フッ素樹脂層やフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層の製造方法としては、通常知られている製造方法を採用でき、特に制限はない。
塗布成形法を用いたフッ素樹脂層の製造方法の例を図２に示す。
図２に示す樹脂シート成膜装置２０は、基材と有機樹脂層との積層体２４上にスリットコータ２２が配置される。スリットコータ２２又は積層体２４は図中水平に移動可能となっており、スリットコータに導入された塗布溶液２１が積層体２４上に滴下されるとともに、スリットコータ２２又は積層体２４が図中水平に移動することで、積層体２４上に塗布溶液がコートされる。コートされた塗布溶液は、必要に応じて加熱及び／又は乾燥によ
り溶剤を蒸発させて硬化し、樹脂シート２５（成形体）となる。その後切断機２６で所望の大きさに切断され、所望の大きさに個片化された負帯電部材シート２３が得られる。

スリットコータ２２は、積層体２４上に塗布溶液を塗布できればよく、ダイコータ、ロールコータなどの他の塗布装置を用いてもよい。塗布溶液は、フッ素樹脂を有機溶剤に溶かして調製してもよく、フッ素樹脂を構成する樹脂を熱により溶解することで調製してもよい。
さらに樹脂シート２５は、必要に応じてロール、またはテンター方式の延伸機により延伸してもよい。

本実施形態の負帯電部材は、温度２５℃、湿度４０％の条件下において、負帯電部材とアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ａ）を、厚さ１ｍｍのＰＴＦＥとアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ｂ）で割ったときの値（Ａ／Ｂ）が０．７以上であることが好ましい。負帯電部材の摩擦帯電電圧強度比が０．７以上であることで負帯電部材表面が負に帯電されているため、正帯電されている空気中の塵を捕捉しやすくなり好ましい。摩擦帯電電圧強度比は０．８以上であることがより好ましく、上限は特段限定されないが、通常２以下である。

また、本実施形態の負帯電部材は、アルミニウム基板と摺動させることにより摩擦帯電させたのち、負帯電部材と紙フィルムとを、紙フィルムの一端を負帯電部材のフッ素樹脂表面に重ねあわせ、紙フィルムの他端を把持して毎秒１０ｍｍで負帯電部材表面に対し垂直方向に持ち上げた時の、紙フィルムが負帯電部材表面から離れた際の紙フィルムとフッ素樹脂表面との接着面の最大距離（Ｃ）を、同様に求めた紙フィルムと厚さ１ｍｍのＰＴＦＥの接着面との最大距離（Ｄ）で割ったときの値（Ｃ／Ｄ）（以下、集塵強度比ともいう）が０．７以上であることが好ましい。負帯電部材の集塵強度比が０．７以上であることで空気中の清浄性が高くなり好ましい。集塵強度比は０．８以上であることがより好ましく、上限は特段限定されないが、通常２以下である。

上記摩擦帯電電圧強度比及び／又は集塵強度比を０．７以上とすることは、厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体を。負帯電部材として使用することで、達成でき得る。

本発明の一実施形態である摩擦帯電集塵ユニットの摩擦による帯電を利用した摩擦発電機を例に、摩擦帯電発生原理について説明する。該摩擦発電機は電極と帯電部材とを有する一対の電極部材が対向した構造を有する。対向する帯電部材同士の表面が摺動したり、接触と離反を繰り返す際に、その表面層が互いに反対の極性に帯電する。帯電部材同士が接触と離反を繰り返す際には、帯電部材同士が接触している時には正負の電荷が外部に形成する電場が打ち消し合うために、電極間の電位差は等しい。帯電部材同士が離れると、両電極間に電位差が生じる。負荷抵抗を介して、両電極を電気的に接続すると、この接続部を通って電荷が流れる。電荷は電極間の電位差がゼロになるまで流れ、この流れがすなわち電流となる。

該摩擦による帯電を集塵に利用する場合、負帯電部材とそれを帯電させる正帯電部材とを少なくとも有する。帯電部材の表面と摩擦体とが摩擦することにより帯電部材の摺動面が帯電し、この帯電表面を利用して空気中の帯電粒子を捕集することができる。
また、負帯電部材上に捕捉された空気中の帯電粒子集積体を、正帯電部材の物理刺激により負帯電部材から除去させるため、負帯電部材は離型性を有することが好ましい。
本実施形態の摩擦帯電ユニットが用いられた上述のようなデバイスは、ＰＴＦＥ負帯電
部材として用いた従来の摩擦帯電ユニットより耐久性に優れるため、帯電部材の交換等の頻度を減らすことができ、好ましい。
また、さらに本実施形態の摩擦帯電ユニットは摩擦発電デバイスの発電源、センサーの発電源、集塵デバイスの集塵部材などの用途に活用することも可能である。
センサーの発電源となる場合であっても摩擦発電機の発電源と同様、電極と帯電部材を有する一対の電極部材が対向した構造を有する。電極部材における帯電部材の表面同士が摺動乃至は接触と離反を繰り返す際に流れる電荷を信号として検出することで、センサーとして利用することもできる。

以下、実験例を示し、本発明をより詳細に説明するが、実験例の具体的な説明により本発明が限定さることはない。
＜実施例１及び２、比較例１及び２＞
負帯電部材として、表１に示す厚さ０．８ｍｍのポリエチレンテレフタレートフィルム基材上に両面テープ（接着層）を介して、フッ素樹脂層と有機樹脂層との積層体を貼り合わせ、幅１．５ｃｍ長さ１０ｃｍの片端部を半円状に成形した負帯電部材サンプルを作成し、静帯電電圧強度と集塵評価の評価を行った。

＜参考例１＞
負帯電部材として、厚さ１ｍｍ、幅１．５ｃｍ長さ１０ｃｍの片端部を半円状に成形した中興化成工業（株）「ＰＴＦＥシート」を用い負帯電部材サンプルとし、後述の集塵評価と静帯電電圧強度の評価を行った。

なお、実施例１及び２、比較例１及び２で用いた有機樹脂層の体積抵抗率は、５ｍｍ×５ｍｍスクエアの有機樹脂層サンプルの両面に３５μｍ銅箔を密着させ、貼り付け体積抵抗率用サンプルを作成し、Ｔｅｃｍａｎ社製高抵抗テスターＴＭ３８５を用いて、計測した。

＜摩擦帯電電圧強度評価方法＞
・負帯電部材サンプルの摩擦帯電電圧測定：
温度２５℃湿度４０％下で、筐体にアースを繋いだサンハヤト（株）デジタル静電気探知機ＥＧ−１（静帯電電圧測定計）と、負帯電サンプルを用意した。負帯電サンプルを幅２００ｍｍ長さ２００ｍｍのアースに繋げられたアルミニウム基板（Ａｌ基板）上に置き、負帯電サンプルの半円形状でない端部にアースを繋ぎ、負帯電サンプルの半円形状端から５ｃｍまでの部材部分に重さ１００ｇ、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの重りを載せ加重した後、負帯電サンプルのアースした端部を持ち、重りを載せた状態で負帯電サンプルを毎秒１０ｍｍで５０ｍｍ移動させた。この摩擦操作を１５回繰り返し、飽和帯電状態にした。

次いで、重りと共に負帯電サンプルをＡｌ基板から持ち上げ離し、重りを負帯電サンプルからはずした後、静帯電電圧測定計を用いてアルミニウムと接触していた負帯電サンプル表面の半円形端から２５ｍｍの部分の摩擦帯電電圧を測定した。この測定操作を、Ａｌ基板から重りの乗った負帯電サンプルを外してから摩擦帯電電圧測定終了まで１０秒以内で行った。測定結果を表１に示す。

得られた実施例１及び２、比較例１及び２の負帯電サンプルの摩擦帯電電圧の値を、参考例１に係る負帯電サンプルの摩擦帯電電圧の値で割り、相対摩擦帯電電圧を求めた。評価値は、大きいほど帯電特性が高いことを示している。測定結果を表１に示す。

＜集塵強度評価方法＞
同様に温度２５℃湿度４０％下で、摩擦帯電電圧強度評価方法で使用したＡｌ基板上に重さ５３ｍｇ、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの王子ネピア（株）社製“ローソンセレクト”の紙フィルムを載せ、片端部を紙テープで固定した。固定していない側のフィルムの端部と端部から５ｃｍまでのフィルム部分を、摩擦帯電電圧強度評価方法と同様の方法で帯電させた負帯電サンプルのＡｌ基板表面と接していた面に重ねあわせ、その後毎秒１０ｍｍの速度で負帯電部材サンプルを上昇させた。なお、負帯電部材サンプルの半円端部と端部から５０ｍｍまでの部分に、紙フィルムの端部を重ね合わせた。紙フィルムの端部は負帯電部材サンプルに貼り付き一緒に持ち上げられるが、高さが高くなると負帯電部材サンプルから離れる。紙フィルムと負帯電部材サンプルが離れた時の高さ(貼り付き高さ）を測定した。
継いで、実施例１及び２、比較例１及び２の負帯電部材サンプルの貼り付き高さを、参考例１の貼り付き高さで割り、相対集塵強度を求めた。評価値は、大きいほど集塵特性が高いことを示している。測定結果を表１に示す。

上記結果より、フッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上の有機樹脂層との積層体を、負帯電部材として用いることで、繰り返しの帯電による摩擦帯電電圧の低下を防止した、負帯電部材の耐久性を改善した摩擦帯電ユニットを提供できる。

１０ 発電デバイス
１、２ 基材
３ 正帯電部材
４ 負帯電部材
４ａ フッ素樹脂層
４ｂ 有機樹脂層
５ 配線
２０ 樹脂シート成膜装置
２１ 塗布溶液
２２ スリットコータ
２３ 負帯電シート
２４ 積層体
２５ 負帯電シート
２６ 切断機

Claims (5)

1. 正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
   前記負帯電部材が、前記正帯電部材と対向して接触し得る厚さ０．０１μｍ以上０．５ｍｍ以下であるフッ素樹脂層と、体積抵抗率が１．０×１０^４Ω・ｃｍ以上であるフッ素樹脂とは異なる有機樹脂層と、の積層体である、摩擦帯電ユニット。
2. 前記フッ素樹脂は、温度２５℃、湿度４０％の条件下において、前記フッ素樹脂とアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ａ）を、厚さ１ｍｍのポリテトラフルオロエチレンとアルミニウム基板とを摺動させることにより摩擦帯電させた時の摩擦帯電電圧（Ｂ）で割ったときの値（Ａ／Ｂ）が０．７以上である、請求項１に記載の摩擦帯電ユニット。
3. 前記有機樹脂層は、ポリアクリレート樹脂またはシリコーン樹脂である、請求項１又は２に記載の摩擦帯電ユニット。
4. 前記負帯電部材は、基材上に前記有機樹脂層とフッ素樹脂層とがこの順で積層された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニットを備えた、集塵デバイス。

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