JP7604876B2 - 導電性ホットメルトを用いたコンクリート発電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電解質を含む構造物、例えば石材やステンレス材、コンクリート、モルタル、皮膚、木材といった材料に対して簡便に強固に接着した状態で電池を形成することができるコンクリート発電デバイスおよびその製造方法に関する。
コンクリートなどのインフラ構造体にセンサを設置して常時遠隔監視することでインフラ構造体の状態を正確に把握することができる。また、効率的な維持管理を可能にするセンサによるモニタリングシステムの構築が求められるため、センサの長期動作を可能にする環境発電デバイス開発が必要になる。通常、コンクリートなどの電解質構造体を利用した電池形成による発電は、電解質水溶液を含む導電性のハイドロゲル電極を構造体表面に設置することにより可能になる（特許文献１、特許文献２）。しかし、構造体がおかれる環境に依存して、湿度や温度にあわせてハイドロゲルの含水率も変化するため、ハイドロゲルの導電性と接着性が低下し、長期で安定した発電を行うには不適であることが予想される。一方で、特許文献３において、水分を含まない導電性ホットメルト層からなる電極シートを開示している。特許文献３においては、熱可塑性樹脂と導電フィラーで構成される前記導電性ホットメルト層を構造物に貼り付け、さらに加熱圧着することにより構造物から得られる電気信号を長期に渡って安定取得し、接着性を保持することを可能にしている。
特許文献１の粘着性ゲルシートは、水を含有したハイドロゲルを加工して用いるものであり、粘着性ゲルシートの乾燥の程度により発電性能が変化する課題があり、さらに膨潤により接着性が低下するおそれがあるため長期的な発電には不向きであることが予想される。本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、長期的な発電が可能なコンクリート発電デバイスを提供することを目的とする。
本発明者らは前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す導電性ホットメルト層を有する発電デバイスを用いることにより長期的な発電が可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、電解質を有する構造物と、構造物に配置された一対の電極とを備える発電デバイスであって、一対の電極の少なくとも一方の電極が、導電性フィラーと熱可塑性樹脂とを含む導電性ホットメルト層を有する発電デバイスに関する。
また、本発明は、前記電解質を有する構造物がコンクリートまたはモルタルである、発電デバイスに関する。
また、本発明は、前記導電性フィラーが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、銀、銅、錫、亜鉛、酸化亜鉛、ニッケル、マンガン、アルミニウムおよびＩＴＯからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、発電デバイスに関する。
また、本発明は、前記導電性フィラーが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェンを含む、発電デバイスに関する。
また、本発明は、前記熱可塑性樹脂が、熱可塑性エラストマーを含む、発電デバイスに関する。
前記導電性ホットメルト層が、シート状の基材にパターン状に配置されている、発電デバイスに関する。
また、本発明は、電解質を有する構造物と、構造物に配置された一対の電極とを備える発電デバイスの製造方法であって、一対の電極の少なくとも一方の電極が、導電性フィラーと熱可塑性樹脂とを含む導電性ホットメルト接着層を有し、該導電性ホットメルト接着層を構造物表面に接着させる工程を有することを特徴とする、発電デバイスの製造方法に関する。
また、本発明は、前記導電性ホットメルト接着層を構造物表面に接着させる工程が、前記導電性ホットメルト接着層を加熱して構造物表面に接着させる工程を含むことを特徴とする、発電デバイスの製造方法に関する。
本発明によれば長期間安定した電源供給が可能なコンクリート発電デバイスが作製可能である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に記載の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明の発電デバイスは、電解質を有する構造物と、構造物に配置された一対の電極とを備える発電デバイスであって、一対の電極の少なくとも一方の電極が、導電性フィラーと熱可塑性樹脂とを含む導電性ホットメルト層を有することを特徴とする。
＜導電性フィラー＞
本発明で用いられる導電性フィラーとしては銀、金、銅、ニッケル、亜鉛、マンガン、鉄、錫、コバルト、アルミニウムなどの金属およびその合金、酸化亜鉛、酸化スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズドープ酸化インジウム（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＩＯ）、ネオジム・バリウム・インジウム酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ）などの金属酸化物、ポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系、オリゴチオフェン系等の有機物、アルミナ、ガラスなどの無機絶縁体やポリエチレンやポリスチレンなどの高分子などの表面を導電性物質でコーティングしたもの、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレン、酸化グラフェン、アセチレンブラックなどカーボン系が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、好ましくは、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、銀、銅、錫、亜鉛、酸化亜鉛、ニッケル、マンガン、およびＩＴＯであり、さらに好ましくは、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、および酸化グラフェンである。これらは単独で用いても２種以上を併用してもよい。また、これらのフィラーはコーティングなどにより２種類以上の層が連なった構造でも良い。なお、導電性フィラーは耐熱性、耐水性、耐酸性など各種耐性に優れているためカーボン系であることが好ましい。また、導電性フィラーは熱可塑性樹脂中に分散されているため、解離して構造物に浸透することなく導電性ホットメルト接着層内に保持される。
本発明で用いられる導電性フィラーとしては銀、金、銅、ニッケル、亜鉛、マンガン、鉄、錫、コバルト、アルミニウムなどの金属およびその合金、酸化亜鉛、酸化スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズドープ酸化インジウム（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＩＯ）、ネオジム・バリウム・インジウム酸化物、酸化インジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ）などの金属酸化物、ポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系、オリゴチオフェン系等の有機物、アルミナ、ガラスなどの無機絶縁体やポリエチレンやポリスチレンなどの高分子などの表面を導電性物質でコーティングしたもの、カーボンブラック、黒鉛、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレン、酸化グラフェン、アセチレンブラックなどカーボン系が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、好ましくは、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、銀、銅、錫、亜鉛、酸化亜鉛、ニッケル、マンガン、およびＩＴＯであり、さらに好ましくは、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、および酸化グラフェンである。これらは単独で用いても２種以上を併用してもよい。また、これらのフィラーはコーティングなどにより２種類以上の層が連なった構造でも良い。なお、導電性フィラーは耐熱性、耐水性、耐酸性など各種耐性に優れているためカーボン系であることが好ましい。また、導電性フィラーは熱可塑性樹脂中に分散されているため、解離して構造物に浸透することなく導電性ホットメルト接着層内に保持される。
導電性フィラーの形状に関しては、フレーク状（鱗片状）、球状、針状、繊維状、樹枝状が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、接着力を強固にするために導電性フィラーの添加量を減らしたい場合は、フレーク状（鱗片状）フィラーおよびフレーク状（鱗片状）フィラーと他の導電性フィラーの混合物が好ましい。
導電性ホットメルト接着層全体に対する導電性フィラーの含有比率に関しては、特に限定されることはないが、カーボンブラック、黒鉛などのカーボン系フィラーに関しては導電性と接着強度の観点から１０～８０重量％が好ましく、より好ましくは、２０～７０重量％、更に好ましくは２５～６０重量％である。１０重量％未満であると導電性が十分でない場合があり、８０重量％を超えると接着強度が不十分となる場合がある。一方、銀や銅などの金属フィラーに関しては４０～８０重量％が好ましく、より好ましくは５０～７０重量％が好ましい。４０重量％未満であると導電性が十分でない場合があり、８０重量％を超えると接着強度が不十分となる場合がある。
＜熱可塑性樹脂＞
熱可塑性樹脂は、高温で流動可能になり、冷却により非流動可能な状態へと戻る非硬化性樹脂であるいわゆるホットメルト樹脂を用いることができる。また、熱可塑性樹脂が基材に適用された後に、硬化（架橋）反応を受ける、硬化性樹脂を用いることもできる。
熱可塑性樹脂は、高温で流動可能になり、冷却により非流動可能な状態へと戻る非硬化性樹脂であるいわゆるホットメルト樹脂を用いることができる。また、熱可塑性樹脂が基材に適用された後に、硬化（架橋）反応を受ける、硬化性樹脂を用いることもできる。
熱可塑性樹脂は、ポリウレタン系、アクリロニトリル系、ジエン系、アクリル系、ブタジエン系、ポリアミド系、ポリビニルブチラール系、オレフィン系、イソプレン系、ブタジエン系、クロロプレン系、アクリロニトリル系、ポリエステル系、ポリ塩化ビニル系、スチレン系、フェノキシ系、エチレン-酢酸ビニル系、フッ素系、シリコーン系およびそれらの共重合体を含む熱可塑性樹脂等からなる群から選ばれる１種以上を含むことが好ましいが、これらの樹脂に限定されることはない。熱可塑性樹脂は、耐久性、耐候性、耐熱性と接着力の観点から、より好ましくはスチレン系の熱可塑性樹脂を含むことが良い。熱可塑性樹脂は１種単独で用いても良いし、２種以上併用しても良い。さらに熱可塑性樹脂は異なるモノマーが連結することによって形成される共重合体を用いても良い。
スチレン系の熱可塑性樹脂、具体的にはスチレン系エラストマーは、一般的にポリスチレンブロックとゴム中間ブロックとを有し、ポリスチレン部分が物理的架橋（ドメイン）を形成して橋掛け点となり、中間のゴムブロックは製品にゴム弾性を与える。中間のソフトセグメントにはポリブタジエン（Ｂ）、ポリイソプレン（Ｉ）及びポリオレフィンエラストマー（エチレン・プロピレン、ＥＰ）があり、ハードセグメントのポリスチレン（Ｓ）との配列の様式によって、直鎖状（リニアタイプ）及び放射状（ラジカルタイプ）とに分かれる。前記した好ましいスチレン系エラストマーの中でも、本発明ではより具体的にスチレンイソプレンスチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレンブロック共重合体の水素添加物（ＳＥＰＳ）、スチレン・ブチレン・スチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレンブロック共重合体の水素添加物（ＳＥＢＳ）、スチレン－ブタジエン－イソプレン－スチレンブロック共重合体（ＳＢＩＳ）またはスチレン－ブタジエン－イソプレン－スチレンブロック共重合体の水素添加物（ＳＥＥＰＳ）からなる群から選ばれる１種以上を含むことができる。ただし、これらの樹脂に限定されるわけではない。
導電性ホットメルト接着層は、本発明による効果を損なわない範囲であれば、各種添加剤として、粘着付与剤、軟化剤、酸化防止剤、その他の添加剤を適宜配合することが可能である。
＜粘着付与剤＞
粘着付与剤として例えば、テルペン系樹脂、水素添加されたテルペン系樹脂、ロジン系樹脂、水素添加されたロジン系樹脂、炭化水素系樹脂、水素添加された炭化水素系樹脂、エポキシ系樹脂、水素添加されたエポキシ系樹脂、ケトン系樹脂、水素添加されたケトン系樹脂、ポリアミド系樹脂、水素添加されたポリアミド系樹脂、エラストマー系樹脂、水素添加されたエラストマー系樹脂、フェノール系樹脂、水素添加されたフェノール系樹脂、石油系樹脂、水素添加された石油系樹脂、スチレン系樹脂および水素添加されたスチレン系樹脂などが挙げられる。これらの粘着付与樹脂は、単独または２種以上使用できる。
これらの中でも耐久性の観点から、水素添加された炭化水素系樹脂が好ましい。水素添加することで分子内構造に共役二重結合を持たなくなるので、粘着付与剤を含む導電性ホットメルト接着層が構造物へ永久接着する際に光または熱による劣化が起こりにくいため１０年以上の接着力保持が可能になる。
粘着付与剤として例えば、テルペン系樹脂、水素添加されたテルペン系樹脂、ロジン系樹脂、水素添加されたロジン系樹脂、炭化水素系樹脂、水素添加された炭化水素系樹脂、エポキシ系樹脂、水素添加されたエポキシ系樹脂、ケトン系樹脂、水素添加されたケトン系樹脂、ポリアミド系樹脂、水素添加されたポリアミド系樹脂、エラストマー系樹脂、水素添加されたエラストマー系樹脂、フェノール系樹脂、水素添加されたフェノール系樹脂、石油系樹脂、水素添加された石油系樹脂、スチレン系樹脂および水素添加されたスチレン系樹脂などが挙げられる。これらの粘着付与樹脂は、単独または２種以上使用できる。
これらの中でも耐久性の観点から、水素添加された炭化水素系樹脂が好ましい。水素添加することで分子内構造に共役二重結合を持たなくなるので、粘着付与剤を含む導電性ホットメルト接着層が構造物へ永久接着する際に光または熱による劣化が起こりにくいため１０年以上の接着力保持が可能になる。
＜軟化剤＞
軟化剤としては、例えば、ワセリン、鉱物油、植物性油脂、動物性油脂などが挙げられる。鉱物油としては、流動パラフィン、パラフィン、パラフィン鎖炭素数が全炭素数の５０％以上を占めるパラフィン系鉱物油、ナフテン環炭素数が全炭素数の３０～４０重量％を占めるナフテン系鉱物油、および芳香族炭素数が全炭素数の３０重量％以上を占める芳香族系鉱物油等を挙げることができる。植物性油脂：オリーブ油、カルナウバロウ、米胚芽油、コーン油、サザンカ油、ツバキ油、ヒマシ油、ホホバ種子油、ミンク油、ユーカリ葉油などを挙げることができる。動物性油脂：ミツロウ、スクワラン、はちみつを挙げることができる。その他、ミスチル酸、オレイン酸、ミスチル酸イソプロピル、ミスチル酸亜鉛、ミリスチン酸オクチルドデシル、トリイソオクタン酸グリセリン、オクチルドデカノール、ヘキシルデカノール、アジピン酸ジイソプロピル、セバシン酸ジエチル、ステアリン酸、イソステアリン酸、クロタミトン、中鎖脂肪酸トリグリセリト、サリチル酸エチレングリコール、エチルヘキサン酸セチル、ジステアリン酸グリコール、セテアリルアルコール、セタノール、パルミチン酸セチル、パルミチン酸エチルヘキシル、パルミチン酸イソプロピル、ベヘニルアルコール等も軟化剤として挙げられる。軟化剤は可塑剤を含むことができ、例えば、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ビス－２－エチルへキシル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジシクロへキシル、フタル酸ジイソニノニル、アセチルクエン酸トリブチル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソノニル、リン酸トリクレシル、トリメット酸トリオクチル等を挙げることができる。これらの軟化剤は、単独または２種以上使用できる。
軟化剤としては、例えば、ワセリン、鉱物油、植物性油脂、動物性油脂などが挙げられる。鉱物油としては、流動パラフィン、パラフィン、パラフィン鎖炭素数が全炭素数の５０％以上を占めるパラフィン系鉱物油、ナフテン環炭素数が全炭素数の３０～４０重量％を占めるナフテン系鉱物油、および芳香族炭素数が全炭素数の３０重量％以上を占める芳香族系鉱物油等を挙げることができる。植物性油脂：オリーブ油、カルナウバロウ、米胚芽油、コーン油、サザンカ油、ツバキ油、ヒマシ油、ホホバ種子油、ミンク油、ユーカリ葉油などを挙げることができる。動物性油脂：ミツロウ、スクワラン、はちみつを挙げることができる。その他、ミスチル酸、オレイン酸、ミスチル酸イソプロピル、ミスチル酸亜鉛、ミリスチン酸オクチルドデシル、トリイソオクタン酸グリセリン、オクチルドデカノール、ヘキシルデカノール、アジピン酸ジイソプロピル、セバシン酸ジエチル、ステアリン酸、イソステアリン酸、クロタミトン、中鎖脂肪酸トリグリセリト、サリチル酸エチレングリコール、エチルヘキサン酸セチル、ジステアリン酸グリコール、セテアリルアルコール、セタノール、パルミチン酸セチル、パルミチン酸エチルヘキシル、パルミチン酸イソプロピル、ベヘニルアルコール等も軟化剤として挙げられる。軟化剤は可塑剤を含むことができ、例えば、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ビス－２－エチルへキシル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジシクロへキシル、フタル酸ジイソニノニル、アセチルクエン酸トリブチル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソノニル、リン酸トリクレシル、トリメット酸トリオクチル等を挙げることができる。これらの軟化剤は、単独または２種以上使用できる。
＜酸化防止剤＞
酸化防止剤としては、例えば、ペンタエリスリトールテトラキス［３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、オクタデシル－３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート、ジエチル〔［３，５－ビス（１，１－ジメチルエチル）－４－ヒドロキシフェニル］メチル〕ホスフォネート、４，６－ビス（オクチルチオメチル）－ｏ－クレゾール、エチレンビス（オキシエチレン）ビス［３－（５－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシ－ｍ－トリル］プロピオネート、トリス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）フォスファイト、ビス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）ペンタエリスリトールジフォスファイト等が挙げられる。フェノール系酸化防止剤は、ペンタエリスリトールテトラキス［３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート］が好ましく、リン系酸化防止剤は、トリス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）フォスファイトが好ましい。
酸化防止剤としては、例えば、ペンタエリスリトールテトラキス［３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート］、オクタデシル－３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート、ジエチル〔［３，５－ビス（１，１－ジメチルエチル）－４－ヒドロキシフェニル］メチル〕ホスフォネート、４，６－ビス（オクチルチオメチル）－ｏ－クレゾール、エチレンビス（オキシエチレン）ビス［３－（５－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシ－ｍ－トリル］プロピオネート、トリス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）フォスファイト、ビス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）ペンタエリスリトールジフォスファイト等が挙げられる。フェノール系酸化防止剤は、ペンタエリスリトールテトラキス［３－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシフェニル）プロピオネート］が好ましく、リン系酸化防止剤は、トリス（２，４－ジ－ｔ－ブチルフェニル）フォスファイトが好ましい。
＜分散剤＞
分散剤の添加は導電性ホットメルト接着層および導電層を印刷・塗工法によって形成する場合に流動性および粘性を制御する場合に有効であり、溶剤を用いる場合に特に有効である。分散剤の含有量は使用目的により適宜選択し得るが導電性フィラーに対して１０～３００％であることが好ましい。使用される分散剤としては、市販品で得る事ができ、例えば、ビックケミー・ジャパン社製のＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０３、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０６、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０８、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１１０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１１１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１３０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１４０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１５０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６３、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６４、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１８０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９８、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０００、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２００１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ―２０１０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０１２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０１５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０２２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０５５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０９６、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２１５５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２１６４、ＢＹＫ－９０７６、ＢＹＫ－９０７７、ＢＹＫＯＰＬＡＳＴ－１０００、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０１８、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０１８、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０４２、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１１５０等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
分散剤の添加は導電性ホットメルト接着層および導電層を印刷・塗工法によって形成する場合に流動性および粘性を制御する場合に有効であり、溶剤を用いる場合に特に有効である。分散剤の含有量は使用目的により適宜選択し得るが導電性フィラーに対して１０～３００％であることが好ましい。使用される分散剤としては、市販品で得る事ができ、例えば、ビックケミー・ジャパン社製のＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０３、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０６、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１０８、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１１０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１１１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１３０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１４０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１５０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６３、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６４、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１６５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１８０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－１９８、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０００、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２００１、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ―２０１０、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０１２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０１５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０２２、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０５５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２０９６、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２１５５、ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ－２１６４、ＢＹＫ－９０７６、ＢＹＫ－９０７７、ＢＹＫＯＰＬＡＳＴ－１０００、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０１８、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０１８、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１０４２、ＤＩＳＰＥＲＰＬＡＳＴ－１１５０等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。
＜その他の成分＞
その他の成分としては、例えば、硬化収縮率低減、熱膨張率低減、寸法安定性向上、弾性率向上、粘度調整、強度向上および靭性向上等の観点から、ポリイソシアネートやエポキシ樹脂、ポリカルボジイミド化合物、アミン系化合物等の硬化剤や有機又は無機の充填剤を配合することができる。このような充填剤は、ポリマー、セラミックス、金属塩、および染顔料等の材料から構成されるものであってよい。また、その形状については、特に限定されず、例えば、粒子状および繊維状等であってよい。また、基材とのレベリング性、塗工印刷時の塗工性の調整や接着性の向上のために、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、難燃化剤、保存安定剤、金属不活性化剤、紫外線吸収剤、チキソトロピー付与剤、レベリング剤、分散安定剤、流動性付与剤、消泡剤および色材等も添加することができる。
その他の成分としては、例えば、硬化収縮率低減、熱膨張率低減、寸法安定性向上、弾性率向上、粘度調整、強度向上および靭性向上等の観点から、ポリイソシアネートやエポキシ樹脂、ポリカルボジイミド化合物、アミン系化合物等の硬化剤や有機又は無機の充填剤を配合することができる。このような充填剤は、ポリマー、セラミックス、金属塩、および染顔料等の材料から構成されるものであってよい。また、その形状については、特に限定されず、例えば、粒子状および繊維状等であってよい。また、基材とのレベリング性、塗工印刷時の塗工性の調整や接着性の向上のために、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、難燃化剤、保存安定剤、金属不活性化剤、紫外線吸収剤、チキソトロピー付与剤、レベリング剤、分散安定剤、流動性付与剤、消泡剤および色材等も添加することができる。
＜導電性ホットメルト接着層の製造方法＞
本発明で用いる導電性ホットメルト接着層の製造方法は特に限定されないが、以下に一例を示す。前記の導電性フィラーに加えて熱可塑性樹脂と、必要に応じて、軟化剤、粘着付与剤、酸化防止剤、その他任意成分を混合して混合物とする。当該混合物は公知の分散機により分散して分散体とするが混合の順番は特に限定されることはなく、予め熱可塑性樹脂と軟化剤、粘着付与剤を分散した分散体と導電性フィラーの混合物を分散した分散体でも良い。分散機としては、例えば、２本ロール、３本ロール等のロールミル、ボールミル、振動ボールミル等のボールミル、ペイントコンディショナー、連続ディスク型ビーズミル、連続アニュラー型ビーズミル等のビーズミル等が挙げられ、バンバリーミキサー、ニーダー、撹拌機を備えた溶融釜、または一軸または二軸の押し出し機等が挙げられる。次いで、これらを加熱混合してなる加熱溶融工程や、適当な溶剤に溶解して攪拌混合してなる溶解工程後、後述する印刷・塗工プロセスを経て得ることができる。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、溶剤除去によるプロセス煩雑化およびそれに伴うコスト増大の観点、さらに溶剤使用による地球環境への悪影響の観点から溶剤を使用しない加熱溶融工程を用いて得ることができる。また、本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、カーボン系フィラーを含んでいる場合は流動性が極端に低下するため、塗工性・印刷性・均一分散性を考慮すると、溶剤を使用した工程を含むことが好ましい。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は導電性フィラーと熱可塑性樹脂のみでも使用可能だが、流動性、粘着性、酸化安定性付与の観点から軟化剤、粘着付与剤、酸化防止剤、分散剤を含めることが好ましい。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層の厚みは特に限定されないが、好ましくは１０～５００μｍであり、より好ましくは５０～４００μｍであり、さらに好ましくは１００～３００μｍである。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は構造物表面に配置されて用いられるものである。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、構造物に直接貼り付けるだけでも良いが、構造物の表面に貼り付けた後、加熱により溶融し、冷却して固化することができる。そのため、構造物表面に密着して安定して保持される。また、導電性ホットメルト接着層は、構造物表面の空隙を充填するため、接触抵抗が抑制される。また、構造物との接着時の簡便性のため、導電性ホットメルト接着層が粘着性を有することが好ましい。
本発明で用いる導電性ホットメルト接着層の製造方法は特に限定されないが、以下に一例を示す。前記の導電性フィラーに加えて熱可塑性樹脂と、必要に応じて、軟化剤、粘着付与剤、酸化防止剤、その他任意成分を混合して混合物とする。当該混合物は公知の分散機により分散して分散体とするが混合の順番は特に限定されることはなく、予め熱可塑性樹脂と軟化剤、粘着付与剤を分散した分散体と導電性フィラーの混合物を分散した分散体でも良い。分散機としては、例えば、２本ロール、３本ロール等のロールミル、ボールミル、振動ボールミル等のボールミル、ペイントコンディショナー、連続ディスク型ビーズミル、連続アニュラー型ビーズミル等のビーズミル等が挙げられ、バンバリーミキサー、ニーダー、撹拌機を備えた溶融釜、または一軸または二軸の押し出し機等が挙げられる。次いで、これらを加熱混合してなる加熱溶融工程や、適当な溶剤に溶解して攪拌混合してなる溶解工程後、後述する印刷・塗工プロセスを経て得ることができる。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、溶剤除去によるプロセス煩雑化およびそれに伴うコスト増大の観点、さらに溶剤使用による地球環境への悪影響の観点から溶剤を使用しない加熱溶融工程を用いて得ることができる。また、本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、カーボン系フィラーを含んでいる場合は流動性が極端に低下するため、塗工性・印刷性・均一分散性を考慮すると、溶剤を使用した工程を含むことが好ましい。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は導電性フィラーと熱可塑性樹脂のみでも使用可能だが、流動性、粘着性、酸化安定性付与の観点から軟化剤、粘着付与剤、酸化防止剤、分散剤を含めることが好ましい。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層の厚みは特に限定されないが、好ましくは１０～５００μｍであり、より好ましくは５０～４００μｍであり、さらに好ましくは１００～３００μｍである。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は構造物表面に配置されて用いられるものである。本発明に用いられる導電性ホットメルト接着層は、構造物に直接貼り付けるだけでも良いが、構造物の表面に貼り付けた後、加熱により溶融し、冷却して固化することができる。そのため、構造物表面に密着して安定して保持される。また、導電性ホットメルト接着層は、構造物表面の空隙を充填するため、接触抵抗が抑制される。また、構造物との接着時の簡便性のため、導電性ホットメルト接着層が粘着性を有することが好ましい。
導電性ホットメルト接着層の形成方法としては、基材上に、塗工・印刷する方法が挙げられ、特に限定されることはない。塗工方法としてはスロットスプレー塗工法、オメガ塗工法、スパイラル塗工法、コントロールシーム塗工法、スロットスプレー塗工法、ドット塗工法、ホットメルトアプリケーター塗工法、ホットメルトコーター塗工法、ブレードコート塗工法、ディップ塗工法、グラビアコート塗工法、カーテンスプレー塗工法、ビード塗工法、ホットメルトロールコータースピンコート塗工法が挙げられ、印刷方法としてはインクジェット印刷法、スプレー印刷法、ロールコート印刷法、ドクターロール印刷法、ドクターブレード印刷法、カーテンコート印刷法、スリットコート印刷法、スクリーン印刷法、反転印刷法、転写印刷法、プッシュコート印刷法、スリットコーター印刷法等を挙げることができる。溶剤を使用した場合の乾燥条件は、特に制限はなく、熱風乾燥、赤外線や減圧法を利用したものが挙げられる。乾燥条件としては、膜厚や選択した有機溶剤にもよるが、通常６０～２００℃程度の熱風加熱が用いられる。導電性ホットメルト接着層の厚みは、１０～５００μｍが好ましい。また、導電性ホットメルト接着層は、加熱または紫外線照射によって架橋することもできる。基材が不要な場合は、剥離性の基材を用いて上記と同様の導電性積層体を形成した後に、基材を剥離してもよい。
導電性ホットメルト接着層をパターン化する場合には、上記の各種印刷法を用いることができる。
導電性ホットメルト接着層をパターン化する場合には、上記の各種印刷法を用いることができる。
＜基材＞
導電性ホットメルト接着層を形成するための基材としては、樹脂シート、紙、アルミニウムシート（アルミ箔）、銅箔シート、亜鉛箔シートからなる群より選ばれる。例えば、樹脂シートとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、フッ素系樹脂、ポリアリレート系樹脂、アクリル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ビニル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポオリノルボルネン等のポリオレフィン系樹脂などの樹脂から形成される樹脂シートが挙げられる。また、これらのシートに金属が積層した積層体であってもよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートに金属が積層した積層体であってもよい。また、基材が熱で変形する場合があるため、ポリイミドシート、ポリエチレンナフタレンシート、ポリナフタレンシート、プロピレンシート、シリコーン樹脂シート、フッ素樹脂シートなどの耐熱性が高い基材もしくはフィラー充填により耐熱性が向上した基材が好ましい。市販の基材として例えば、東レ・デュポン株式会社製のカプトン、ルミラー、トレファン、トレリナ、ミクトロン、帝人社製のテオネックス、パンライト、テトロンフィルム、マイラー、メリネックス、東洋紡社製のパイレン、コスモシャイン、ハーデン、などが挙げられる
導電性ホットメルト接着層を形成するための基材としては、樹脂シート、紙、アルミニウムシート（アルミ箔）、銅箔シート、亜鉛箔シートからなる群より選ばれる。例えば、樹脂シートとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、フッ素系樹脂、ポリアリレート系樹脂、アクリル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ビニル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポオリノルボルネン等のポリオレフィン系樹脂などの樹脂から形成される樹脂シートが挙げられる。また、これらのシートに金属が積層した積層体であってもよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートに金属が積層した積層体であってもよい。また、基材が熱で変形する場合があるため、ポリイミドシート、ポリエチレンナフタレンシート、ポリナフタレンシート、プロピレンシート、シリコーン樹脂シート、フッ素樹脂シートなどの耐熱性が高い基材もしくはフィラー充填により耐熱性が向上した基材が好ましい。市販の基材として例えば、東レ・デュポン株式会社製のカプトン、ルミラー、トレファン、トレリナ、ミクトロン、帝人社製のテオネックス、パンライト、テトロンフィルム、マイラー、メリネックス、東洋紡社製のパイレン、コスモシャイン、ハーデン、などが挙げられる
＜電極＞
本発明に用いられる電極は、電解質を有する構造物に配置されるものである。また、配置される一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、前述の導電性ホットメルト層を有し、他方の電極としては、導電性ホットメルト層を用いることもできるし、それ以外の電極を用いてもよい。それ以外の電極としては、導電テープなどが挙げられる。
本発明に用いられる電極は、電解質を有する構造物に配置されるものである。また、配置される一対の電極のうち少なくとも一方の電極は、前述の導電性ホットメルト層を有し、他方の電極としては、導電性ホットメルト層を用いることもできるし、それ以外の電極を用いてもよい。それ以外の電極としては、導電テープなどが挙げられる。
＜導電テープ＞
導電テープは粘接着性と導電性を有するものであればよく、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、カーボン、錫、金、ニッケル、カーボン、鉄などの導電フィラーを含む導電テープであってもよく、片面に導電粘着層があるタイプでも両面に導電粘着層があるタイプでもよく、特に限定されないが粘接着層の厚みが１００ｕｍ以上であると好ましい。市販の導電テープとして例えば、三井住友金属鉱山振動製のＺＡＰテープ、ＺＡＰシール、ＺＡＰシート、スリーエムジャパン製の銅箔導電性テープ１２４５、銅箔導電性テープ１１８１、錫メッキ銅箔導電性テープ１１８３、ニッケルメッキポリエステルクロス導電性テープ ２１９１ＦＲ、導電性片面テープ ＳＣ－ＣＵＮ０１４５Ｂ、鉛箔テープ４２０、導電性アルミ箔テープＡＬ－２５ＢＴ、アルミ箔導電性テープ１１７０。寺岡製作所製の導電性アルミ箔粘着テープ８３０３、導電性銅箔粘着テープ８３２３、導電性アルミ箔両面テープ７９１、などが挙げられる。
導電テープは粘接着性と導電性を有するものであればよく、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、カーボン、錫、金、ニッケル、カーボン、鉄などの導電フィラーを含む導電テープであってもよく、片面に導電粘着層があるタイプでも両面に導電粘着層があるタイプでもよく、特に限定されないが粘接着層の厚みが１００ｕｍ以上であると好ましい。市販の導電テープとして例えば、三井住友金属鉱山振動製のＺＡＰテープ、ＺＡＰシール、ＺＡＰシート、スリーエムジャパン製の銅箔導電性テープ１２４５、銅箔導電性テープ１１８１、錫メッキ銅箔導電性テープ１１８３、ニッケルメッキポリエステルクロス導電性テープ ２１９１ＦＲ、導電性片面テープ ＳＣ－ＣＵＮ０１４５Ｂ、鉛箔テープ４２０、導電性アルミ箔テープＡＬ－２５ＢＴ、アルミ箔導電性テープ１１７０。寺岡製作所製の導電性アルミ箔粘着テープ８３０３、導電性銅箔粘着テープ８３２３、導電性アルミ箔両面テープ７９１、などが挙げられる。
＜構造物＞
本発明の発電デバイスに用いられる構造物としては、プラスチック、紙、紙とプラスチックの複合体、銀、ステンレス、銅、鉄、アルミニウム、合金、鉱物、非鉄金属、コンクリート、モルタル、スレート、タイル、舗装材、皮膚、木材、布、皮革、ゴム、コルク、ガラスなどが挙げられる。本発明に用いられる構造物の厚みは、１ｍｍ以上であることが好ましい。
本発明に用いられる構造物の種類は特に限定されないが、後述するように塩化物イオン、ナトリウムイオンやカルシウムイオン等の電解質と水分を多く含み内部からの電気信号を取得する事を容易とするため、コンクリート、モルタルが好ましい。
ここで述べるコンクリート・モルタルとは、セメントに水を加えて塗り混ぜたペーストを、時間をかけて固めた塊で、骨材として砂などの細骨材、砂利などの粗骨材を含有してもよい。コンクリートは、セメントの溶解析出反応で硬化する。セメントは、カルシウム、珪素、アルミニウム、鉄などの元素から構成されている。水と接すると、カルシウムイオンが溶けだして、水溶液中のカルシウムイオンが増加する。主成分である珪酸（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、それぞれのイオンがお互いに重合しあった安定な物質（ポリマー）として存在し、カルシウムイオンと反応しない。しかし、セメントの中では、珪酸イオンとアルミのイオン（アルミナ－イオン）は比較的反応し易く単量体で存在し、回りのカルシウムイオンが溶脱したことにより、溶液中に溶け出して、カルシウムイオンや水分子と反応して、水に溶けにくいセメント水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ：エトリンガイト）を生成し、余ったカルシウムイオンは、水酸化カルシウムとして析出する。水和物粒子は互いに結合して硬化が始まる。
粒子間の結合は、分子間引力や水素結合で保持されていると考えられ、Ｃ－Ｓ－Ｈは、水酸化カルシウムと異なり、０．１μｍ以下の微細な結合であり、単位体積当たりの粒子同士の結合面積が著しく大きい為、高い結合力を発揮し、硬化体の強度を発揮する。本発明のコンクリート層としては、セメントと水を混ぜて固めたセメント、セメントと水と細骨材（砂）を混ぜて固めたモルタルと、セメントと水と骨材（細骨材（砂）と粗骨材（砂利））を混ぜて固めたコンクリート等を用いることが出来る。
本発明の発電デバイスに用いられる構造物としては、プラスチック、紙、紙とプラスチックの複合体、銀、ステンレス、銅、鉄、アルミニウム、合金、鉱物、非鉄金属、コンクリート、モルタル、スレート、タイル、舗装材、皮膚、木材、布、皮革、ゴム、コルク、ガラスなどが挙げられる。本発明に用いられる構造物の厚みは、１ｍｍ以上であることが好ましい。
本発明に用いられる構造物の種類は特に限定されないが、後述するように塩化物イオン、ナトリウムイオンやカルシウムイオン等の電解質と水分を多く含み内部からの電気信号を取得する事を容易とするため、コンクリート、モルタルが好ましい。
ここで述べるコンクリート・モルタルとは、セメントに水を加えて塗り混ぜたペーストを、時間をかけて固めた塊で、骨材として砂などの細骨材、砂利などの粗骨材を含有してもよい。コンクリートは、セメントの溶解析出反応で硬化する。セメントは、カルシウム、珪素、アルミニウム、鉄などの元素から構成されている。水と接すると、カルシウムイオンが溶けだして、水溶液中のカルシウムイオンが増加する。主成分である珪酸（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は、それぞれのイオンがお互いに重合しあった安定な物質（ポリマー）として存在し、カルシウムイオンと反応しない。しかし、セメントの中では、珪酸イオンとアルミのイオン（アルミナ－イオン）は比較的反応し易く単量体で存在し、回りのカルシウムイオンが溶脱したことにより、溶液中に溶け出して、カルシウムイオンや水分子と反応して、水に溶けにくいセメント水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ：エトリンガイト）を生成し、余ったカルシウムイオンは、水酸化カルシウムとして析出する。水和物粒子は互いに結合して硬化が始まる。
粒子間の結合は、分子間引力や水素結合で保持されていると考えられ、Ｃ－Ｓ－Ｈは、水酸化カルシウムと異なり、０．１μｍ以下の微細な結合であり、単位体積当たりの粒子同士の結合面積が著しく大きい為、高い結合力を発揮し、硬化体の強度を発揮する。本発明のコンクリート層としては、セメントと水を混ぜて固めたセメント、セメントと水と細骨材（砂）を混ぜて固めたモルタルと、セメントと水と骨材（細骨材（砂）と粗骨材（砂利））を混ぜて固めたコンクリート等を用いることが出来る。
＜発電デバイスおよび発電デバイスの製造方法＞
本発明の発電デバイスは、電解質を有する構造物と構造物上に設置される異種の一対の電極で構成されるものであって、一対の電極のうち少なくとも一方の電極が、導電性ホットメルト接着層で構成されるものである。発電デバイスは構造物上に異種の一対の電極を電極が持つ粘着力で貼付することで製造することができる。また、接触抵抗が抑制され、ノイズ抑制および電位安定性の効果が得られることから、特に限定されないがアイロン、ヒーター、電熱線、熱風、赤外線ヒーター、ＩＨ加熱装置などを用いて構造物上に貼付した導電性ホットメルト接着層を熱で溶融させて導電性ホットメルト接着層と構造物を接合させて、製造することが好ましい。さらに、前記発電デバイスに設置された電極に配線を設置し、配線から起電力取り出し部に電気的に接続することで、発電デバイスから起電力を取り出すことができる。
本発明の発電デバイスは、電解質を有する構造物と構造物上に設置される異種の一対の電極で構成されるものであって、一対の電極のうち少なくとも一方の電極が、導電性ホットメルト接着層で構成されるものである。発電デバイスは構造物上に異種の一対の電極を電極が持つ粘着力で貼付することで製造することができる。また、接触抵抗が抑制され、ノイズ抑制および電位安定性の効果が得られることから、特に限定されないがアイロン、ヒーター、電熱線、熱風、赤外線ヒーター、ＩＨ加熱装置などを用いて構造物上に貼付した導電性ホットメルト接着層を熱で溶融させて導電性ホットメルト接着層と構造物を接合させて、製造することが好ましい。さらに、前記発電デバイスに設置された電極に配線を設置し、配線から起電力取り出し部に電気的に接続することで、発電デバイスから起電力を取り出すことができる。
電解質を含む構造物表面に対して異種の電極を設置することにより効率的に起電力を発生させることが可能である。例えば、コンクリート構造物の表面に第１の電極層と、仕事関数、電極電位、酸化還元電位、またはイオン化傾向が異なる導電性フィラーからなる第２の電極層を設置することにより電池が形成され、効率的に起電力を発生させることができる。ここで、コンクリート構造物の表面に設置する第１の電極層との間、およびコンクリート構造物と第２の電極層との間にそれぞれハイドロゲル層を設けることによりコンクリート構造物と第１および第２の電極層との界面における接着性の向上および接触抵抗の低下が期待できる。しかし、一方で経時の環境変化によりハイドロゲル層中に含まれる水分量が変化し、これにより安定した接着性および接触抵抗を保持することは困難となり、電位安定性が低下する。水分の代わりに不揮発性のイオン液体を用いた場合においても、ゲル中の液体の保持性能が低いと、経時でイオン液体がコンクリート内に浸透し、電位安定性が低下する。そこで、本実施の発電デバイスは、本発明で用いる水分または溶剤を含まない導電性ホットメルト接着層を前述の電極層およびハイドロゲル層の代わりに使用することにより、環境変動による水分量変化の影響を考慮する必要がなく、安定した接着性と接触性を保持した状態で半永久的に起電力を発生させることができる。
＜抵抗率＞
導電性ホットメルト接着層を構成するにあたり体積抵抗率を１×１０－１Ω・ｃｍ以上１×１０３Ω・ｃｍ未満の値とすることが好ましい。この理由は、導電性ホットメルト接着層の体積抵抗率がかかる範囲内の値であれば、安定した起電力を取得することができるためである。また、導電性ホットメルト接着層の体積抵抗値を１×１００Ω・ｃｍ以上１×１０３Ω・ｃｍ未満の値とすることがより好ましく、１×１０１Ω・ｃｍ未満の値とすることがさらに好ましい。なお、体積抵抗率の詳細な測定方法については、実施例で具体的に記載する。
導電性ホットメルト接着層を構成するにあたり体積抵抗率を１×１０－１Ω・ｃｍ以上１×１０３Ω・ｃｍ未満の値とすることが好ましい。この理由は、導電性ホットメルト接着層の体積抵抗率がかかる範囲内の値であれば、安定した起電力を取得することができるためである。また、導電性ホットメルト接着層の体積抵抗値を１×１００Ω・ｃｍ以上１×１０３Ω・ｃｍ未満の値とすることがより好ましく、１×１０１Ω・ｃｍ未満の値とすることがさらに好ましい。なお、体積抵抗率の詳細な測定方法については、実施例で具体的に記載する。
＜接着力＞
導電性積層体の接着強度値は構造物によっても異なるが、好ましい範囲は２Ｎ／２５ｍｍ以上４０Ｎ／２５ｍｍ未満であり、より好ましくは、１０Ｎ／２５ｍｍ以上３０Ｎ／２５ｍｍ未満である。なお、接着力の詳細な測定方法については、実施例で具体的に記載する。
導電性積層体の接着強度値は構造物によっても異なるが、好ましい範囲は２Ｎ／２５ｍｍ以上４０Ｎ／２５ｍｍ未満であり、より好ましくは、１０Ｎ／２５ｍｍ以上３０Ｎ／２５ｍｍ未満である。なお、接着力の詳細な測定方法については、実施例で具体的に記載する。
以下、本発明を実施例により具体的かつ詳細に説明するが、これらの実施例は本発明の一態様に過ぎず、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。なお、表中、「ｗｔ％」とあるのは「重量％」を表すものとする。
＜コンクリートの作製＞
製造例および実施例試験に使用するコンクリートはモルタル砂ＩＳＯ６７１試験用標準砂を使用し、ＪＩＳＲ５２０１に準拠して作製を行った。以降に記載するコンクリートおよびコンクリート構造体は本項で作製したコンクリートを指す。
製造例および実施例試験に使用するコンクリートはモルタル砂ＩＳＯ６７１試験用標準砂を使用し、ＪＩＳＲ５２０１に準拠して作製を行った。以降に記載するコンクリートおよびコンクリート構造体は本項で作製したコンクリートを指す。
［導電性ホットメルト接着層の作製］
＜製造例１＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例２＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって１００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は３×１０３Ωｃｍであった。
＜製造例１＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例２＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって１００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は３×１０３Ωｃｍであった。
＜製造例３＞
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって１０００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって１０００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例４＞
３本ロールにてポリアミド系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって１５０μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は５×１０１Ωｃｍであった。
３本ロールにてポリアミド系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって１５０μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は５×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例５＞
３本ロールにてポリエステル系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって５００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は４×１０１Ωｃｍであった。
３本ロールにてポリエステル系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって５００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は４×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例６＞
３本ロールにてポリウレタン系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって４００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
３本ロールにてポリウレタン系樹脂をベースとした熱可塑性樹脂にカーボンフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤・分散剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって４００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０１Ωｃｍであった。
＜製造例７＞
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に銀フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は４×１０－４Ωｃｍであった。
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に銀フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は４×１０－４Ωｃｍであった。
＜製造例８＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に銅フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって３５０μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０－４Ωｃｍであった。
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に銅フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって３５０μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は２×１０－４Ωｃｍであった。
＜製造例９＞
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に亜鉛フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は１×１０－１Ωｃｍであった。
３本ロールにてＳＩＳ（スチレン・イソプレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂に亜鉛フィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をカプトン基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は１×１０－１Ωｃｍであった。
＜製造例１０＞
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にアルミニウムフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は１×１０－２Ωｃｍであった。
３本ロールにてＳＥＰＳ（スチレン・エチレン・プロピレン・スチレン）系エラストマーをベースとした熱可塑性樹脂にアルミニウムフィラーを加え、さらに粘着付与剤・軟化剤・酸化防止剤・溶剤を投入し、１時間混練し、得られた混練物をＰＥＮ基材上に印刷することによって２００μｍの厚みの電極シートを得た。電極部位の体積抵抗率は１×１０－２Ωｃｍであった。
［導電性ゲル層の作製］
＜比較製造例１＞
高分子ポリマー（Ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂ－ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ－ｂ－ｓｔｙｒｅｎｅ）：ＰＳ－ＰＥＯ－ＰＳ）とイオン液体とを混合してなるイオン導電性ゲルをアルミ箔上に積層することによってイオン導電性を持つ電極シートを得た。電極部位のイオン伝導率は４×１０－２Ｓｃｍであった。
＜比較製造例１＞
高分子ポリマー（Ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂ－ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ－ｂ－ｓｔｙｒｅｎｅ）：ＰＳ－ＰＥＯ－ＰＳ）とイオン液体とを混合してなるイオン導電性ゲルをアルミ箔上に積層することによってイオン導電性を持つ電極シートを得た。電極部位のイオン伝導率は４×１０－２Ｓｃｍであった。
＜比較製造例２＞
高分子ポリマー（Ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂ－ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ－ｂ－ｓｔｙｒｅｎｅ）：ＰＳ－ＰＥＯ－ＰＳ）とイオン液体とを混合してなるイオン導電性ゲルを銅箔上に積層することによってイオン導電性を持つ電極シートを得た。電極部位のイオン伝導率は４×１０－２Ｓｃｍであった。
高分子ポリマー（Ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ－ｂ－ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ－ｂ－ｓｔｙｒｅｎｅ）：ＰＳ－ＰＥＯ－ＰＳ）とイオン液体とを混合してなるイオン導電性ゲルを銅箔上に積層することによってイオン導電性を持つ電極シートを得た。電極部位のイオン伝導率は４×１０－２Ｓｃｍであった。
次に製造例１で得られた電極シートを使用して、以下の試験を行った。
１．体積抵抗率・イオン伝導率の測定
製造例１で作製したフィルム基材を含む電極シートを１．５ｃｍ×３ｃｍに裁断し、低抵抗率計（株式会社三菱化学アナリテック製：ロレスターＧＸ ＭＣＰ－Ｔ７００）を用いて電極部位の体積抵抗率の測定を行った。３回測定し、その平均値を測定値とした。
比較製造例１で作製したイオンゲル電極をインピーダンスアナライザー（ソーラトロン社製：ＳＩ１２６０Ａ／１２９６Ａ）を用いてイオン伝導率の測定を行った。３回測定し、その平均値を測定値とした。
製造例１で作製したフィルム基材を含む電極シートを１．５ｃｍ×３ｃｍに裁断し、低抵抗率計（株式会社三菱化学アナリテック製：ロレスターＧＸ ＭＣＰ－Ｔ７００）を用いて電極部位の体積抵抗率の測定を行った。３回測定し、その平均値を測定値とした。
比較製造例１で作製したイオンゲル電極をインピーダンスアナライザー（ソーラトロン社製：ＳＩ１２６０Ａ／１２９６Ａ）を用いてイオン伝導率の測定を行った。３回測定し、その平均値を測定値とした。
２．接着力の測定
接着力判定には島津製作所社製の引張試験機ＥＸ―ＳＸを用いて測定した。製造例１で得られた、カプトンフィルム基材上に形成された２００μｍの厚みを持つ導電性ホットメルト接着層について、２５ｍｍ幅のシートにカットして、グラインダーで表面研磨処理をして作製した７ｃｍ×７ｃｍのコンクリート構造物表面、に対して導電性ホットメルト層側を貼りつけた。さらに２００℃に加熱した板を基材の上から１分間押し付けることでコンクリートに対する接着を行った。加熱終了後、室温に戻るまで２４時間放置したものを測定サンプルとした。測定方法はシートの端を９０度の角度で速度を５０ｍｍ／ｍｉｎ．で引き剥がしたときの荷重から接着力を評価した。接着力が１０Ｎ以上の場合は○、それ以外の場合は×とした。使用グラインダー：Ｍｏｎｏｔａｒｏ スリムディスクグラインダー（ＭＲＯ－１００ＤＧ）
接着力判定には島津製作所社製の引張試験機ＥＸ―ＳＸを用いて測定した。製造例１で得られた、カプトンフィルム基材上に形成された２００μｍの厚みを持つ導電性ホットメルト接着層について、２５ｍｍ幅のシートにカットして、グラインダーで表面研磨処理をして作製した７ｃｍ×７ｃｍのコンクリート構造物表面、に対して導電性ホットメルト層側を貼りつけた。さらに２００℃に加熱した板を基材の上から１分間押し付けることでコンクリートに対する接着を行った。加熱終了後、室温に戻るまで２４時間放置したものを測定サンプルとした。測定方法はシートの端を９０度の角度で速度を５０ｍｍ／ｍｉｎ．で引き剥がしたときの荷重から接着力を評価した。接着力が１０Ｎ以上の場合は○、それ以外の場合は×とした。使用グラインダー：Ｍｏｎｏｔａｒｏ スリムディスクグラインダー（ＭＲＯ－１００ＤＧ）
製造例１の試験と同様の方法にて、製造例２～１０および比較製造例１の試験を行った。結果を表１に示す。
＜実施例１＞
３．起電力の計測
起電力または電位差の計測にはキーサイト・テクノロジー社製のデジタルマルチメーター３４４６５Ａを用いて、温度２０℃湿度５０％の室内環境下で測定を行った。製造例１で得られた、２００μｍの厚みを持つ粘着性の導電性ホットメルト層とカプトンフィルム基材の積層物からなる電極シートＡと、製造例２で得られた、１００μｍの厚みを持つ粘着性の導電性ホットメルト層とＰＥＮフィルム基材の積層物からなる電極シートＢをそれぞれ幅１ｃｍ、長さ４ｃｍ、に裁断したものを、グラインダーで表面研磨処理をした７ｃｍ×７ｃｍのコンクリート構造物表面、に対して間隔が２ｃｍの幅になるように互いに平行になるように電極シートがもつ粘着力で貼りつけたものを熱接着前の発電デバイスとし、２つの電極シート間から得られる起電力または電位差を絶対値換算で計測を行い、下記に従って４段階で評価を行った。
１：電位差が５０ｍＶ未満
２：電位差が５０ｍＶ以上２００ｍＶ未満
３：電位差が２００ｍＶ以上５００ｍＶ未満
４：電位差が５００ｍＶ以上
さらに２００℃に加熱した板を基材の上から１分間押し付けることでコンクリートに対する接着を行った。加熱終了後、室温に戻るまで２４時間放置したものを熱接着後の発電デバイスとし、２つの電極シート間から得られる起電力または電位差を同様の方法で計測し、３段階で評価した。電位計測中、１週間で電位の変化が１００ｍＶ以内の場合は〇、それ以外を×とした。
３．起電力の計測
起電力または電位差の計測にはキーサイト・テクノロジー社製のデジタルマルチメーター３４４６５Ａを用いて、温度２０℃湿度５０％の室内環境下で測定を行った。製造例１で得られた、２００μｍの厚みを持つ粘着性の導電性ホットメルト層とカプトンフィルム基材の積層物からなる電極シートＡと、製造例２で得られた、１００μｍの厚みを持つ粘着性の導電性ホットメルト層とＰＥＮフィルム基材の積層物からなる電極シートＢをそれぞれ幅１ｃｍ、長さ４ｃｍ、に裁断したものを、グラインダーで表面研磨処理をした７ｃｍ×７ｃｍのコンクリート構造物表面、に対して間隔が２ｃｍの幅になるように互いに平行になるように電極シートがもつ粘着力で貼りつけたものを熱接着前の発電デバイスとし、２つの電極シート間から得られる起電力または電位差を絶対値換算で計測を行い、下記に従って４段階で評価を行った。
１：電位差が５０ｍＶ未満
２：電位差が５０ｍＶ以上２００ｍＶ未満
３：電位差が２００ｍＶ以上５００ｍＶ未満
４：電位差が５００ｍＶ以上
さらに２００℃に加熱した板を基材の上から１分間押し付けることでコンクリートに対する接着を行った。加熱終了後、室温に戻るまで２４時間放置したものを熱接着後の発電デバイスとし、２つの電極シート間から得られる起電力または電位差を同様の方法で計測し、３段階で評価した。電位計測中、１週間で電位の変化が１００ｍＶ以内の場合は〇、それ以外を×とした。
＜実施例２～１１、比較例１～２＞
電極シートを表２に記載のとおりに変更する以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２～１１、比較例１～２の試験を行った。結果を表２に示す。
電極シートを表２に記載のとおりに変更する以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２～１１、比較例１～２の試験を行った。結果を表２に示す。
表２に記載の導電テープの略号を以下に示す。
＜導電テープ＞
・導電テープ１：三井住友金属鉱山伸銅株式会社 商品名：ＺＡＰテープ
・導電テープ２：スリーエムジャパン株式会社 商品名：導電性銅箔テープ １２４５
・導電テープ３：スリーエムジャパン株式会社 商品名：鉛箔テープ ４２０
・導電テープ４：スリーエムジャパン株式会社 商品名：導電性アルミ箔テープＡＬ－２５ＢＴ
＜導電テープ＞
・導電テープ１：三井住友金属鉱山伸銅株式会社 商品名：ＺＡＰテープ
・導電テープ２：スリーエムジャパン株式会社 商品名：導電性銅箔テープ １２４５
・導電テープ３：スリーエムジャパン株式会社 商品名：鉛箔テープ ４２０
・導電テープ４：スリーエムジャパン株式会社 商品名：導電性アルミ箔テープＡＬ－２５ＢＴ
１ コンクリートもしくは電解質構造体
２ 電極シート
３ 配線
１０ 起電力取り出し部もしくは電位差計測器
２ 電極シート
３ 配線
１０ 起電力取り出し部もしくは電位差計測器
Claims (7)
- 電解質を有する構造物と、構造物に配置された一対の電極とを備える発電デバイスであって、
前記電解質を有する構造物がコンクリートまたはモルタルであり、
一対の電極の少なくとも一方の電極が、導電性フィラーと熱可塑性樹脂とを含む導電性ホットメルト接着層を有し（但し、ハイドロジェル層またはイオンジェル層により構成された１または複数のジェル層を備えるものを除く）、
前記導電性ホットメルト接着層が構造物表面に配置されている発電デバイス。 - 前記導電性フィラーが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、銀、銅、錫、亜鉛、酸化亜鉛、ニッケル、マンガン、アルミニウムおよびＩＴＯからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１記載の発電デバイス。
- 前記導電性フィラーが、黒鉛（グラファイト）、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン又は、酸化グラフェンを含む、請求項１又は２記載の発電デバイス。
- 前記熱可塑性樹脂が、熱可塑性エラストマーを含む、請求項１～３いずれかに記載の発電デバイス。
- 前記一対の電極の少なくとも一方の電極が、シート状の基材に前記導電性ホットメルト接着層がパターン状に配置されている電極シートである、請求項１～４いずれかに記載の発電デバイス。
- 電解質を有する構造物と、構造物に配置された一対の電極とを備える発電デバイスの製造方法であって、
前記電解質を有する構造物がコンクリートまたはモルタルであり、
一対の電極の少なくとも一方の電極が、導電性フィラーと熱可塑性樹脂とを含む導電性ホットメルト接着層を有し（但し、ハイドロジェル層またはイオンジェル層により構成された１または複数のジェル層を備えるものを除く）、該導電性ホットメルト接着層を構造物表面に接着させる工程を有することを特徴とする発電デバイスの製造方法。 - 前記導電性ホットメルト接着層を構造物表面に接着させる工程が、前記導電性ホットメルト接着層を加熱して構造物表面に接着させる工程を含むことを特徴とする請求項６記載の発電デバイスの製造方法。
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