JP6362067B2 - ポリマーナノファイバシート及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記ポリマーナノファイバの少なくとも一部が、架橋性部位と、非架橋性部位と、からなる架橋部で架橋され、
前記架橋部が、分子量100乃至3000の低分子エポキシ化合物から形成され、前記非架橋性部位が、化学的に架橋してない前記低分子エポキシ化合物を有することを特徴とする。
図1は、本発明のポリマーナノファイバシートにおける実施形態の例を示す概略図であり、(a)は、シートの概略図を表し、(b)は、(a)中のα部分の拡大断面図である。
本発明のポリマーナノファイバは、少なくとも1種類以上のポリマーを有し、そのファイバの長さがファイバの太さよりも長いものをいい、シート形成工程の段階で分子量(数平均分子量)が100乃至3000の低分子エポキシ化合物を含有するものである。尚、ここでいう含有とは、ファイバの内部に低分子エポキシ化合物が存在する場合に限られず、ファイバの表面に低分子エポキシ化合物が存在する場合も含まれる。
(a)ポリマーナノファイバを構成する繰り返し構造に含まれる官能基が低分子エポキシ化合物の非架橋性部位を構成する官能基骨格の少なくとも一部と同一又は類似していること
(b)ポリマーナノファイバを構成するポリマー材料にオキシランを含む置換基が導入されていること
本発明において、ポリマーナノファイバ同士を架橋する架橋部は、架橋剤から形成される。本発明において架橋剤として使用されるのは、低分子エポキシ化合物である。本発明において低分子エポキシ化合物は、分子量(数平均分子量)が100乃至3000であれば、特に限定されるものではなく、従来公知の低分子エポキシ化合物を用いることが可能である。
次に、本発明のポリマーナノファイバシートの製造方法について具体的に説明する。
(i)分子量(数平均分子量)100乃至3000の低分子エポキシ化合物を含有したポリマー溶液を紡糸してポリマーナノファイバシートを形成する工程[シート形成工程]
(ii)ポリマーナノファイバを形成するポリマーナノファイバの少なくとも一部を、加熱処理により接合させる工程[架橋工程]
本発明において、ポリマーナノファイバシートを作製する際には、シートを構成するポリマーナノファイバを形成する必要がある。ここでポリマーナノファイバを形成する方法としては、特に限定されないが、例えば、エレクトロスピニング法(電界紡糸法・静電紡糸法)や、メルトブロー法等が挙げられる。尚、本発明においては、これらの方法のうち一種類のみを選択して用いてもよいし、二種類以上を選択し組み合わせた態様で用いてもよい。尚、列挙されている方法のうちエレクトロスピニング法とは、シリンジに入ったポリマー溶液とコレクター電極間に高電圧を印加させた状態で、ポリマーナノファイバを形成する方法である。この方法を採用すると、シリンジから押出された溶液が電荷を帯びて電界中に飛散するが、飛散した溶液は時間が経つと溶液に含まれる溶媒が蒸発するので、その結果、細線化した溶質が現れる。この細線化した溶質がポリマーファイバとなって基板等のコレクターに付着する。
(i)様々なポリマーに対してファイバ形状に紡糸できること
(ii)ファイバ形状のコントロールが比較的簡便であり、数十μmからナノサイズの太さファイバを容易に得ることができること
(iii)作製プロセスが簡便であること
本発明において、「ポリマーナノファイバの接合」とは、少なくともポリマーナノファイバが、架橋工程前後で繊維径が変化することなく、隣接するポリマーナノファイバと化学的又は物理的に架橋して固定されている状態のことをいう。尚、「繊維径が変化することなく」とは、架橋工程前後でポリマーナノファイバの平均径が±10%未満(好ましくは、±5%未満)の変化におさまっていることをいう。
本発明においては、低分子エポキシ化合物による架橋(主に化学的な架橋)を効果的に行うために、従来公知の潜在性触媒を添加して用いることもできる。尚、潜在性触媒とは、熱等の所定の刺激により低分子エポキシ化合物による架橋を促す反応活性種(カチオン、アニオン、ラジカル)を発生させる触媒をいい、例えば、酸発生剤が挙げられる。
(1)ポリマーナノファイバの平均ファイバ径
ポリマーナノファイバシートを走査型電子顕微鏡(SEM)で測定し、その画像を画像解析ソフト「Image J」に取り込んで画像を得た。その後、映し出されているポリマーナノファイバの画像から任意の50点を抽出し、各点におけるポリマーナノファイバの幅をそれぞれ計測することで、ポリマーナノファイバの平均ファイバ径を求めた。
ポリマーナノファイバシートについて、IR測定を行った。具体的には、エポキシ由来のピーク(950cm−1乃至810cm−1付近)の減少、及びエポキシ化合物が反応することで形成されるエーテル由来のピーク(1100cm−1乃至1200cm−1付近)の増加が観測されるか否かで、架橋工程にてエポキシ化合物が反応しているか否かを確認した。また、ポリマーナノファイバシートの任意の10点でのIR測定において、同様のピークパターンが得られるか否かにより、エポキシ化合物がポリマーナノファイバシート内に均一に分散しているか否かを確認した。
ポリマーナノファイバシートの表面を指の腹で軽くこすった後に、レーザー顕微鏡で該シートを直接観察し、シートを構成するポリマーナノファイバの剥離の有無、シワ発生の有無を確認した。剥離やシワが起こらないことにより、ポリマーナノファイバ間が架橋部により架橋されていることが確認できる。尚、架橋処理を施さない場合には、目視でも観測できるほどの大きな剥離やシワが観測される。
ポリマーナノファイバシートを構成するポリマーナノファイバ間の剥離耐性について、下記方法により試験、評価を行った。
A:すべての観察点において、ポリマーナノファイバの剥離が観察されない。
B:1点乃至4点の観察点において、ポリマーナノファイバの剥離が観察される。
C:5点以上の観察点において、ポリマーナノファイバの剥離が観察される。
ポリマーナノファイバシートの機械強度について、下記方法により試験、評価を行った。
ヤング率の増加割合[%]=架橋工程後のヤング率/架橋工程前のヤング率×100・・・[A]
架橋工程前後におけるポリマーナノファイバの形状変化について、下記方法により試験、評価を行った。
形状変化割合[%]=(架橋工程後のファイバ幅−架橋工程前のファイバ幅)/架橋工程前のファイバ幅×100・・・[B]
I:すべての観察点において、ポリマーナノファイバの径の目立った変化が観察されない(変化割合率が±5%未満)。
II:ポリマーナノファイバの径の変化が観察される(変化割合が±5%以上±10%未満)。
III:ポリマーナノファイバの径の変化が観察され、その変化が大きい(変化割合が±10%以上)。
[ポリマー溶液の調整]
ポリマー材料であるポリカプロラクトン(PCL、分子量:80000、アルドリッチ社製)と、低分子エポキシ化合物であるポリ(エチレングリコール)ジグリシジルエーテルとを混合した。このときPCLとポリ(エチレングリコール)ジグリシジルエーテルとの混合比を、重量比で92:8とした。次に、この混合物に、DCM(ジクロロメタン)と、DMF(ジメチルホルムアミド)とを混合した混合溶液をさらに混合して濃度10重量%の溶液を1mL調製した。このときDCMとDMFとの混合比を、75:25(体積比)とした。次に、先芳香族スルホニウム塩系の潜在性触媒である、SI−60L(三新化学工業社製)を、低分子エポキシ化合物に対して10重量%の割合で混合した。
エレクトロスピニング法により、調製した溶液を噴射し、紡糸した。これにより、ポリ(エチレングリコール)ジグリシジルエーテルを含有したPCLからなるポリマーナノファイバが物理的に絡まって形成されてなるポリマーナノファイバシートを作製した。具体的には、図2に示すエレクトロスピニング装置(メック社製)に、調製した溶液から紡糸を行うためのヘッド(クリップスピナレット)を備え付けた。次に、このヘッドに、調製した溶液を充填したタンク12を備え付けた。次に、紡糸口14に17kVの電圧を印加させることで、タンク12に充填されている溶液をコレクター15に向けて10分間噴射した。これにより、対応するポリマーナノファイバシートを得た。
得られたポリマーナノファイバシートをガラスプレートで挟持した後、オーブンに入れ80℃で2時間加熱処理した。これにより、ポリ(エチレングリコール)ジグリシジルエーテル誘導体(架橋部)でポリマーナノファイバが架橋されたポリマーナノファイバシートが得られた。
[ポリマー溶液の調整]
ポリマー材料であるポリエチレンオキサイド(PEO、アルドリッチ社製)と純水とを混合して6重量%のPEO水溶液2mlを調製した。次に、このPEO水溶液に、低分子エポキシ化合物であるエチレングリコールジグリシジルエーテル(Mw=174)を混合した。このとき、低分子エポキシ化合物の混合量は、この低分子エポキシ化合物がPEOに対して10重量%になるように調整した。さらに、実施例1で用いた潜在性触媒を、実施例1と同じ割合で混合した。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にしてポリマーナノファイバシートを得た。
得られたポリマーナノファイバシートをメッシュプレートで挟持した後、塩酸水溶液を満たしたビーカーの共存下で、オーブンを用いて40℃で4時間加熱処理した。これにより、上記エポキシ化合物の誘導体(架橋部)でポリマーナノファイバが架橋されたポリマーナノファイバシートを得た。
[ポリマー溶液の調整]
ポリマー材料であるポリスチレン(PS、分子量.280,000、アルドリッチ社製)と、DMFとを混合して、30重量%のPS/DMF溶液1mlを調製した。次に、このPS/DMF溶液に、低分子エポキシ化合物であるビスフェノールA型エポキシ化合物(「AER−6017」、旭化成エポキシ(株)製、Mn=2700)を混合した。このとき、低分子エポキシ化合物の混合量は、この低分子エポキシ化合物がポリスチレンに対して10重量%になるように調整した。さらに、実施例1で用いた潜在性触媒を、実施例1と同じ割合で混合した。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、上記低分子エポキシ化合物の誘導体(架橋部)でポリマーナノファイバが架橋されたポリマーナノファイバシートを得た。
[ポリマー溶液の調整]
ポリマー材料であるポリアミドイミド(PAI、「バイロマックスHR−13NX」、東洋紡(株)製)と、DMFとを混合して、固形分濃度が25重量%であるPAI/DMF溶液を調製した。次に、低分子エポキシ化合物である4−ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル(Mn=200)をPAI/DMF溶液に混合した。このとき低分子エポキシ化合物の混合量は、この低分子エポキシ化合物がPAIに対して11重量%になるように調整した。さらに、実施例1で用いた潜在性触媒を、実施例1と同じ割合で混合した。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、上記低分子エポキシ化合物の誘導体(架橋部)でポリマーナノファイバが架橋されたポリマーナノファイバシートを得た。
[ポリマー溶液の調整]
低分子エポキシ化合物であるビスフェノールA型エポキシ化合物(「エピコート1007」、ジャパンエポキシレジン(株)製、Mn=2600)を、実施例4と同じPAI/DMF溶液に混合した。このとき低分子エポキシ化合物がPAIに対して7重量%になるように調整した。さらに、実施例1で用いた潜在性触媒を、実施例1と同じ割合で混合した。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、上記低分子エポキシ化合物の誘導体(架橋部)でポリマーナノファイバが架橋されたポリマーナノファイバシートを得た。
本比較例は、低分子エポキシ化合物を用いず、ポリマーナノファイバの融着によりファイバ同士を接合させた例である。
ポリマー材料である熱可塑性ポリエステル系ホットメルト材料(PES、「アロンメルトPES360S30」、東亜合成社製、固形分量40重量%、溶媒(トルエン:MEK=8:2))と、トルエンとを混合した。このときトルエンの添加量は上記ホットメルト材料に対して10重量%になるようにした。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、ポリマーナノファイバ同士が溶融接着されたポリマーナノファイバシートを得た。
[ポリマー溶液の調整]
ポリマー材料であるポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP、「カイナー2750」、カイナー社製)と、ジメチルアセトアミド(DMAc)とアセトンを1:2で混合した混合溶媒と、を混合して、PVDF−HFP溶液を調整した。このとき溶液に含まれるPVDF−HFPの濃度が10重量%になるようにPVDF−HFPの量を調整した。次に、数平均分子量が3000を超えるエポキシ化合物であるビスフェノールA型エポキシ化合物(「エポトートYD−020」、東都化成(株)製、Mn=5200)を、PVDF−HFP溶液に混合した。このときエポキシ化合物は、PVDF−HFPに対して10重量%になるように調整した。さらに、実施例1で用いた潜在性触媒を、実施例1と同じ割合で混合した。
表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして、ポリマーナノファイバシートを得た。
Claims (8)
- ポリマーナノファイバ(ただし、フェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂を含有するポリマーナノファイバを除く)が積層され、かつ三次元的に絡み合ってなるポリマーナノファイバシートであって、
前記ポリマーナノファイバの少なくとも一部が、架橋性部位と、非架橋性部位と、からなる架橋部で架橋され、
前記架橋部が、分子量100乃至3000の低分子エポキシ化合物から形成され、前記非架橋性部位が、化学的に架橋してない前記低分子エポキシ化合物を有することを特徴とするポリマーナノファイバシート。 - 前記ポリマーナノファイバが、前記低分子エポキシ化合物を構成する官能基を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のポリマーナノファイバシート。
- 前記低分子エポキシ化合物を構成する官能基が、前記非架橋性部位に含まれる官能基であることを特徴とする請求項2に記載のポリマーナノファイバシート。
- 前記ポリマーナノファイバを構成する繰り返し構造にイミド構造が含まれることを特徴とする請求項1に記載のポリマーナノファイバシート。
- 前記ポリマーナノファイバがポリアミドイミドからなることを特徴とする請求項4に記載のポリマーナノファイバシート。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のポリマーナノファイバシートの製造方法であって、
分子量100乃至3000の低分子エポキシ化合物を含有したポリマー溶液(ただし、フェノール性水酸基含有ポリアミド樹脂を含有する溶液を除く)を紡糸して、ポリマーナノファイバを有するシートを形成するシート形成工程と、
加熱処理によって前記シートを構成するポリマーナノファイバの少なくとも一部を架橋させる架橋工程と、を有することを特徴とするポリマーナノファイバシートの製造方法。 - 前記ポリマー溶液がさらに潜在性触媒を有することを特徴とする請求項6に記載のポリマーナノファイバシートの製造方法。
- 前記潜在性触媒が熱カチオン重合開始剤であることを特徴とする請求項7に記載のポリマーナノファイバシートの製造方法。
Priority Applications (3)
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