JP7181652B2 - 空間構造繊維の製造方法及びこれにより得られた繊維ならびにその使用 - Google Patents
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Description
低分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、任意に不活性導電材料をその中に分散させ、紡糸原液を得る工程1と、
高分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、凝固浴を得る工程2と、
工程1で得られた紡糸原液を、工程2で得られた凝固浴内に注入し、前記空間構造繊維を得る工程3と、
を含む。
前記中空多層構造繊維はシングルチャンバ又はマルチチャンバ構造であり、好ましくは各々のチャンバが1層又は多層のカプセル壁構造を含み、より好ましくは各層のカプセル壁がいずれも多孔状であり、かつ、多層構造である場合、内部から外部へと各層のカプセル壁の孔径が徐々に大きくなり、
前記コア・シェル構造繊維は、不活性導電材料をコアとし、多糖類多価電解質をシェルとする。
好ましくは、中空多層構造繊維は、組織工学に使用され、繊維チャンバ内又は各層表面に細胞を培養するために用いられ、
好ましくは、コア・シェル構造繊維は、ウルトラキャパシタの製造に使用される。
低分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、任意に不活性導電材料をその中に分散させ、紡糸原液を得る工程1と、
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を含む。
低分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、紡糸原液を得る工程1と、
高分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、凝固浴を得る工程2と、
工程1で得られた紡糸原液を注射器又は紡糸口金により工程2で得られた凝固浴内に注入し、その後、巻付、洗浄及び乾燥処理を行い、前記中空多層構造繊維を得る工程3と、を含む。
低分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、第1溶液を得、不活性導電材料を工程1で得られた第1溶液に分散させて、紡糸液を得る工程1と、
高分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、凝固浴を得る工程2と、
工程2で得られた紡糸液を工程1で得られた凝固浴に押出し、前記コア・シェル構造繊維を得る工程3と、を含む。
低分子量の多糖類多価電解質と不活性導電材料の質量パーセント濃度は、シェル多糖類多価電解質錯化層の厚みに影響を与えている。低分子量の多糖類多価電解質の濃度比が高いほど、反応で得られた多糖類多価電解質シェル繊維の厚みが厚くなる。主な原因は、低分子量の多糖類多価電解質の濃度が高いほど、それと高分子量多糖類多価電解質との錯化が多くなり、シェル繊維の厚みが厚くなることにある。特に、低分子量の多糖類多価電解質の質量パーセントが5%未満である場合、不活性導電材料をよく分散させることができず、低分子量多価電解質の質量パーセントが高すぎると、得られたコア・シェル繊維のシェルにカーボンナノチューブが含まれてしまうか、又はコアに含まれる不活性導電材料の導電性が低下する可能性がある。
水とリン酸とを均一に混合し、溶液Aを得る工程1と、
PVAを水に溶解し、溶液Bを得る工程2と、
溶液Bと溶液Aとを混合し、攪拌して溶液Cを得る工程3と、
溶液Cを本発明の第2態様に記載のコア・シェル構造繊維上に塗布し、前記ウルトラキャパシタを得る工程4と、を含む製造方法により製造される。
(1)本発明に記載の製造方法は、簡単であり、常温、常圧で繊維の製造を完成することができ、かつ、製造過程が常温、常圧で行われ、プロセスパラメータが制御しやすく、生産効率が高い。
(2)本発明に記載の製造方法を利用して単層構造又は多層構造の繊維を製造することができ、しかも、より重要なのは、繊維の孔径勾配、層数、成分及びチャンバ数は、必要に応じて任意に調節及び制御可能である。
(3)本発明に記載の製造方法を用いて得られた中空多層構造繊維は、良好な引張強度、極めて高い比表面積を有し、触媒、吸着、濾過及び組織工学等の分野に広く利用可能である。
(4)本発明が製造するコア・シェル構造繊維は、内部が不活性導電材料をコアとし、外層が天然多価電解質錯体をシェルとし、低分子量の天然多価電解質の濃度を増加させることでシェル繊維の厚みを高めることができる。
(5)本発明が製造するコア・シェル構造繊維は、可撓性キャパシタとして利用可能であり、その外層を覆う多糖類多価電解質錯化層は、両電極が互いに接触するのを防止し、材料の安全性を大幅に高めた。
(6)本発明が製造するコア・シェル構造繊維において、外層の多糖類多価電解質錯体に豊富な孔があり、電解質イオントランスポートの通路を提供しており、同時に、外層原料が純天然で、分解可能な多糖類多価電解質であり、いずれも毒性がないので、ウェアラブル設備に対して良好な材料となる。
秤量したキトサンオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が20%の紡糸原液を得た。
秤量したアルギン酸ナトリウムを1.17%の塩化ナトリウム(0.2MのNaCl)溶液に添加し、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸原液を1つの注射器により凝固浴内に注入し、拡散反応を行い、その後、巻付、洗浄、乾燥を行い、前記多糖類多価電解質中空繊維を得た。
(1)図1は、中空多層繊維全体の横断面を示し、具体的に、得られた繊維は中空多層構造であり、繊維直径が約900μmであり、層数が約9であることがわかる。
(2)図2は、主に中空コアの第1層に近接する外面を示し、具体的に、得られたキトサンオリゴ糖/アルギン酸ナトリウム繊維は中空コアの第1層の外面の孔の大きさが約100nmであることがわかる。
(3)図3は、主に最外層に近接する外面を示し、具体的に、得られた繊維は最外層に近接する外面の孔の大小が約50μmである。
(4)得られた中空多層繊維に対して引張強度測定を行い、その結果を図4に示し、図からわかるように、繊維の引張強度が203MPaであり、延び率が7.7%に達した。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、図5に示すように、キトサンオリゴ糖/アルギン酸ナトリウム繊維が中空多層マルチチャンバ構造であり、チャンバ数が2であることが分かった。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、図6に示すように、キトサンオリゴ糖/アルギン酸ナトリウム繊維が中空多層マルチチャンバ構造であり、チャンバ数が3であることが分かった。
得られた中空多層マルチチャンバ繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、図7に示すように、キトサンオリゴ糖/アルギン酸ナトリウム繊維が中空多層マルチチャンバ構造であり、チャンバ数が4であることが分かった。
秤量したカラギーナンオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、pHを4.8に調整し、質量パーセント濃度が10%の紡糸原液を得た。
秤量したキトサンを脱イオン水及び酢酸(50:1)に添加して、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸原液Aを注射器により凝固浴B内に注入し、拡散反応を行い、その後、巻付、洗浄、乾燥を行い、前記多糖類多価電解質中空多層繊維を得た。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、得られたカラギーナンオリゴ糖/キトサン繊維が中空多層構造であり、直径が約400μmであり、層数が4層であることが分かった。
秤量したキトサンオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が20%の紡糸原液を得た。
秤量したカラギーナンに脱イオン水及び酢酸(50:1)を添加して、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸原液Aを注射器により凝固浴B内に注入し、拡散反応を行い、その後、巻付、洗浄、乾燥を行い、前記中空繊維を得た。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、得られた繊維が中空多層構造であり、繊維直径が約1mmであり、層数が約8層であることが分かった。
秤量したキトサンオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が20%の紡糸原液を得た。
秤量したアルギン酸ナトリウム及びカラギーナンに脱イオン水を添加し、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸原液Aを注射器により凝固浴B内に注入し、拡散反応を行い、その後、巻付、洗浄、乾燥を行い、前記多糖類多価電解質中空繊維を得た。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、キトサンオリゴ糖/(アルギン酸ナトリウム/カラギーナン)繊維が中空多層構造であり、直径が約1mmであり、層数が10層であることが分かった。
秤量したキトサンオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が5%の第1溶液を得た。
多壁カーボンナノチューブを添加し、攪拌、超音波分散を経てキトサンオリゴ糖/カーボンナノチューブの紡糸液を得た。
秤量したアルギン酸ナトリウムを脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸液を含有する注射器をアルギン酸ナトリウム凝固浴溶液に押し出す。
注射器の押出速度を500mL/min、凝固浴の回転速度を120rpm/minに調整し、得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、その結果を図10~12に示す。得られた(キトサンオリゴ糖/カーボンナノチューブ)/アルギン酸ナトリウム繊維がコア・シェル構造であり、コアがカーボンナノチューブであり、外層が多糖類多価電解質錯化層であることが分かった。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行った結果、得られた(キトサンオリゴ糖/カーボンナノチューブ)/アルギン酸ナトリウム繊維がコア・シェル構造であり、繊維外層カプセル壁の厚みが4μmであることが分かった。
秤量したアルギン酸ナトリウムオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が5%の第1溶液を得た。
多壁カーボンナノチューブを添加し、攪拌、超音波分散を経て、アルギン酸ナトリウムオリゴ糖/カーボンナノチューブの紡糸液を得た。
秤量したキトサンを脱イオン水及び酢酸(50:1)に添加して、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
紡糸液を含有する注射器をキトサン凝固浴溶液に押し出して反応を行い、同時に、注射器の押出速度を500mL/min、凝固浴の回転速度を120rpm/minに調整した。
得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、得られた(アルギン酸ナトリウムオリゴ糖/カーボンナノチューブ)/キトサン繊維がコア・シェル構造であり、コアがカーボンナノチューブであり、外層が多糖類多価電解質錯化層であることが分かった。
秤量したアルギン酸ナトリウムオリゴ糖を脱イオン水に添加して溶解し、質量パーセント濃度が18%の第1溶液を得た。
多壁カーボンナノチューブを添加し、攪拌、超音波分散を経て、カラギーナンオリゴ糖/カーボンナノチューブの紡糸液を得た。
秤量したキトサンを脱イオン水及び酢酸(50:1)に添加し、質量パーセント濃度が1%の凝固浴を調製した。
この紡糸液を含有する注射器をキトサン溶液凝固浴に押し出した。
注射器の押出速度を500mL/min、凝固浴の回転速度を120rpm/minに調整し、得られた繊維に対して電子顕微鏡検出を行い、得られた(カラギーナンオリゴ糖/カーボンナノチューブ)/キトサン繊維がコア・シェル構造であり、コアがカーボンナノチューブであり、外層が多糖類多価電解質錯化層であることが分かった。
比較例
比較例1
その結果、アルギン酸ナトリウム(高分子量多価電解質)の濃度が非常に低い場合、沈殿を形成することがわかった。アルギン酸ナトリウムの鎖間交絡及びアルギン酸ナトリウムとキトサンオリゴ糖との交絡が不十分であるため、アルギン酸ナトリウム及びキトサンオリゴ糖の結合部位が不十分であり、沈殿のみを形成し、成膜には不十分である。
比較例2
その結果、比較例1と比べて、十分な交絡及び架け橋により、繊維を形成することができる。しかしながら、実施例1と比べて、得られた繊維が非常に脆かった。
比較例3
その結果、アルギン酸ナトリウム(高分子量多価電解質)の濃度が非常に低い場合、沈殿を形成することがわかった。アルギン酸ナトリウムの鎖間交絡及びアルギン酸ナトリウムとキトサンオリゴ糖との間の交絡が不十分であるため、アルギン酸ナトリウム及びキトサンオリゴ糖の結合部位が不十分であり、沈殿のみを形成し、成膜には不十分である。
実験例
実験例1 赤外線検出
実験例2 細胞培養
実験例3 線形ウルトラキャパシタの組み立て
以上、好ましい実施形態及び例示的な例を組み合わせて本発明を詳しく説明した。しかし、これらの具体的な実施形態は本発明に対する説明的解釈であり、本発明の保護範囲を制限するものではない。本発明の趣旨及び保護範囲内で、本発明の技術内容及びその実施形態に対して、各種の改進、等価置換又は修飾を行うことができ、これらはいずれも本発明の保護範囲内に入っている。本発明の保護範囲は、添付する請求項に準じる。
Claims (9)
- 低分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、任意に不活性導電材料をその中に分散させ、紡糸原液を得る工程1と、
高分子量の多糖類多価電解質を水に入れて、凝固浴を得る工程2と、
工程1で得られた紡糸原液を、工程2で得られた凝固浴内に注入し、前記空間構造繊維を得る工程3と、
を含み、
前記空間構造繊維は、中空多層構造繊維及びコア・シェル多層構造繊維を含み、
前記低分子量の多糖類多価電解質は、キトサンオリゴ糖、アルギン酸ナトリウムオリゴ糖又はカラギーナンオリゴ糖から選択され、
前記低分子量の多糖類多価電解質の分子量が2000~10000Daであり、
前記紡糸原液中に、前記低分子量の多糖類多価電解質の質量パーセント濃度が5~60%であり、
前記高分子量の多糖類多価電解質は、キトサン、アルギン酸ナトリウム又はカラギーナンから選択され、
前記高分子量の多糖類多価電解質の分子量が100000~800000Daであり、
前記凝固浴中に、前記高分子量の多糖類多価電解質の質量パーセント濃度が0.5~5%であり、
前記不活性導電材料は、グラフェン、カーボンナノチューブ及び金属超微細粉末から選択される
ことを特徴とする空間構造繊維の製造方法。 - 工程1において不活性導電材料を分散させなかった場合、工程3では中空多層構造繊維が得られ、すなわち、工程1で得られた紡糸原液を注射器又は紡糸口金により工程2で得られた凝固浴内に注入し、その後、巻付、洗浄及び乾燥処理を行い、前記中空多層構造繊維が得られ、
工程1において不活性導電材料を分散させた場合、工程3では、不活性導電材料をコアとし、多糖類多価電解質をシェルとするコア・シェル多層構造繊維が得られ、この時、
前記紡糸液において、不活性導電材料と低分子量の多糖類多価電解質との重量比が1:(0.2~100)である
ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 前記低分子量の多糖類多価電解質と前記高分子量の多糖類多価電解質とは、反対の電荷を持っていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 工程1において、
前記低分子量の多糖類多価電解質の分子量が2000~6000Daであることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 工程2において、
前記高分子量の多糖類多価電解質の分子量が300000~700000Daであることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 工程1において、前記紡糸原液中に、低分子量の多糖類多価電解質の質量パーセント濃度が5~40%である、及び/又は
工程2において、前記凝固浴中に、高分子量の多糖類多価電解質の質量パーセント濃度が0.5~3%であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 不活性導電材料を分散させなかった場合、
工程2において、紡糸原液のpHを2~6となるように調節するか、及び/又は
工程2において、0.1~1MのNaCl溶液を添加し、
工程3において、注射器を採用する場合、1つ又は複数の注射器を用いて同時に行い、それぞれシングルチャンバ又はマルチチャンバ繊維が得られ、
工程3において、紡糸口金を用いた場合、単孔又は多孔の紡糸口金を用いて行い、それぞれシングルチャンバ又はマルチチャンバ繊維が得られることを特徴とする請求項2に記載の製造方法。 - 不活性導電材料を分散させた場合、
工程3において、紡糸液の押出速度が300~600mL/minであることを特徴とする請求項2に記載の製造方法。 - 中空多層構造繊維及びコア・シェル多層構造繊維を含む空間構造繊維であって、
前記中空多層構造繊維はシングルチャンバ又はマルチチャンバ構造であり、かつ、各々のチャンバが1層又は多層のカプセル壁構造を含み、各層のカプセル壁がいずれも多孔状であり、また、多層構造である場合、内部から外部へと各層のカプセル壁の孔径が徐々に大きくなり、
前記コア・シェル構造繊維は、不活性導電材料をコアとし、多糖類多価電解質をシェルとし、
前記不活性導電材料は、グラフェン、カーボンナノチューブ及び金属超微細粉末から選択され、
前記多糖類多価電解質は、低分子量の多糖類多価電解質と高分子量の多糖類多価電解質とが錯化してなり、
ここで、
前記低分子量の多糖類多価電解質は、キトサンオリゴ糖、アルギン酸ナトリウムオリゴ糖又はカラギーナンオリゴ糖から選択され、
前記低分子量の多糖類多価電解質の分子量が2000~10000Daであり、
前記高分子量の多糖類多価電解質は、キトサン、アルギン酸ナトリウム又はカラギーナンから選択され、
前記高分子量の多糖類多価電解質の分子量が100000~800000Daである、空間構造繊維。
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