TWI670323B - 高分子壓電膜 - Google Patents
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Abstract
一種高分子壓電膜,其包含重量平均分子量為5萬~100萬的具有光學活性的螺旋手性高分子(A),藉由DSC法所獲得的結晶度為20%~80%,將藉由微波透過型分子配向計所測定的基準厚度設為50 μm時的標準化分子配向MORc為3.5~15.0,且於藉由線上膜厚計所測定的表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,下述峰值A的個數於每1000 mm的膜寬中為20個以下。峰值A:峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度為0.000035以上。
Description
本發明是有關於一種高分子壓電膜。
作為壓電材料,先前大多使用作為陶瓷材料的PZT(PbZrO3
-PbTiO3
系固溶體),但PZT含有鉛,故已開始使用環境負荷低、且富有柔軟性的高分子壓電材料。
作為高分子壓電材料,已知有以尼龍11、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚脲等為代表的極化(poling)型高分子、及以聚偏二氟乙烯(β型)(Polyvinylidene difluoride,PVDF)與偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))(75/25)等為代表的強介電性高分子。
近年來,除所述高分子壓電材料以外,正著眼於使用聚乳酸等具有光學活性的脂肪族系聚酯。已知聚乳酸系高分子僅藉由機械式的延伸操作來顯現壓電性。
具有光學活性的高分子之中,例如,如聚乳酸系高分子般的高分子結晶的壓電性起因於螺旋軸方向上所存在的C=O鍵的永久偶極。尤其,聚乳酸系高分子的側鏈相對於主鏈的體積分率小、單位體積的永久偶極的比例大,於具有螺旋手性的高分子之中,可以說是理想的高分子。
已知僅藉由延伸處理來顯現壓電性的聚乳酸系高分子不需要極化處理,壓電率經過幾年不會減少。
如以上般,聚乳酸系高分子存在各種壓電特性,因此報告有使用各種聚乳酸的高分子壓電材料(例如,參照文獻1~文獻4)。 文獻1 日本專利特開平5-152638號公報 文獻2 日本專利特開2005-213376號公報 文獻3 日本專利特開2014-086703號公報 文獻4 日本專利特開2014-027055號公報
[發明所欲解決之課題]
然而,所述高分子壓電材料為了使壓電性顯現,必須使分子鏈於至少一個方向上進行配向。例如,於製成如文獻3中所記載的在縱向上進行延伸的單軸延伸膜的情況下,存在容易在與延伸方向(分子鏈進行配向的方向)正交並與膜的主面平行的方向上產生厚度不均的傾向。若為一般的聚對苯二甲酸乙二酯或不顯現壓電性的螺旋手性高分子的雙軸延伸膜,則於縱向及橫向上以相同程度的倍率進行延伸,因此容易緩和厚度不均。但是,若產生厚度不均,則於膜表面上產生起伏,因此容易產生外觀的惡化。因此,有時要求減少厚度不均。 另一方面,於文獻4中提出:若設為將多片在相對於製膜方向傾斜的方向上進行延伸的膜積層而成的積層體,則即便於以相同條件使多片膜成膜的情況下,積層體的厚度不均、或壓電率的不均亦減少。 但是,根據本發明者等人的研究,存在如下的傾向:即便於單層膜中減少同一膜面上的厚度不均,單層膜的壓電性的不均亦未必會減少。
因此,本發明的課題在於提供一種減少高分子壓電膜的厚度不均,並減少壓電性的不均的高分子壓電膜。 [解決課題之手段]
用以達成所述課題的具體手段例如如下所述。 [1] 一種高分子壓電膜,其包括重量平均分子量為5萬~100萬的具有光學活性的螺旋手性(helical chiral)高分子(A), 藉由示差掃描熱量(Differential Scanning Calorimetry,DSC)法所獲得的結晶度為20%~80%, 將藉由微波透過型分子配向計所測定的基準厚度設為50 μm時的標準化分子配向MORc為3.5~15.0,且 於藉由線上(in line)膜厚計所測定的表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,下述峰值A的個數於每1000 mm的膜寬中為20個以下。 峰值A:峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度為0.000035以上 [2] 如[1]所述的高分子壓電膜,其中於所述藉由線上膜厚計所測定的表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,下述峰值B的個數於每1000 mm的膜寬中為12個以下。 峰值B:峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度為0.00008以上 [3] 如[1]或[2]所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為50%以下,且於25℃下藉由應力-電荷法所測定的壓電常數d14
為1 pC/N以上。 [4] 如[1]至[3]中任一項所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為13%以下。 [5] 如[1]至[4]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述螺旋手性高分子(A)為具有包含由下述式(1)所表示的重複單元的主鏈的聚乳酸系高分子。 [化1][6] 如[1]至[5]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述螺旋手性高分子(A)的含量為80質量%以上。 [7] 如[1]至[6]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述標準化分子配向MORc與所述結晶度的積為40~700。 [8] 如[1]至[7]中任一項所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為1.0%以下。 [9] 如[1]至[8]中任一項所述的高分子壓電膜,其中相對於所述螺旋手性高分子(A)100質量份,含有穩定劑(B)0.01質量份~10質量份,所述穩定劑(B)具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基、及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基且重量平均分子量為200~60000。 [10] 如[1]至[9]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值A的個數於每1000 mm的膜寬中為15個以下。 [11] 如[1]至[10]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值A的個數於每1000 mm的膜寬中為10個以下。 [12] 如[1]至[11]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值B的個數於每1000 mm的膜寬中為10個以下。 [13] 如[1]至[12]中任一項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值B的個數於每1000 mm的膜寬中為8個以下。 [發明的效果]
根據本發明,可提供一種高分子壓電膜的厚度不均減少、且壓電性的不均減少的高分子壓電膜。
以下,對作為本發明的一例的實施形態進行說明。 於本說明書中,使用「~」所表示的數值範圍是指包含「~」的前後所記載的數值作為下限值及上限值的範圍。 另外,於本說明書中,「膜」是不僅包含通常被稱為「膜」者,亦包含通常被稱為「片」者的概念。
<高分子壓電膜> 本實施形態的高分子壓電膜包含重量平均分子量為5萬~100萬的具有光學活性的螺旋手性高分子(A),藉由DSC法所獲得的結晶度為20%~80%,且將藉由微波透過型分子配向計所測定的基準厚度設為50 μm時的標準化分子配向MORc為3.5~15.0。 而且,於藉由線上膜厚計所測定的表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,峰值A的個數於每1000 mm的膜寬中為20個以下。 此處,所謂峰值A,表示峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度為0.000035以上的峰值。另外,所謂峰值斜度,是指峰值高度除以峰值間距離所得的值,且為由絕對值所表示者。再者,峰值的詳細情況將後述。
若使高分子壓電膜進行單軸延伸,則存在容易產生厚度不均的傾向。若產生厚度不均,則於膜的表面,因厚度不均而產生起伏,例如當應用於元件等時,會產生外觀(目視、正交偏光鏡(crossed nicols)下等)惡化這一問題。因此,有時要求改善外觀上的問題。
可認為藉由減少膜的厚度不均,起伏的產生得到抑制,藉此,可認為外觀上的問題得到改善。但是,即便為了改善厚度不均,而例如以如下方式製造膜,即減小作為表示厚度不均的一個指標的厚度的標準偏差、或最大厚度與最小厚度的差除以平均厚度所得的比例(以下,亦稱為厚度R%)的數值,改善外觀上的問題亦不充分。進而,根據本發明者等人的研究,難以充分地抑制壓電性的不均。 厚度的標準偏差或厚度R%為膜的厚度整體的平均的資訊,僅藉由將該些數值抑制得低而難以減少外觀上的問題或壓電性的不均,因此推測起伏起因於膜的急劇的厚度的變化。
因此,本發明者等人進行努力研究的結果,為了抑制起伏的產生、或可認為會產生壓電性的不均的急劇的厚度的變化,而著眼於厚度的峰值的高度、及該峰值的斜度。而且,發現藉由以厚度的峰值變成特定的條件的方式製造膜,可獲得高分子壓電膜的厚度不均減少、外觀上的問題得到改善、且壓電性的不均減少的高分子壓電膜,從而完成了本發明。
即,本實施形態的高分子壓電膜藉由所述構成,而可提供高分子壓電膜的厚度不均減少、且壓電性的不均減少的高分子壓電膜。
[具有光學活性的螺旋手性高分子(A)] 作為高分子壓電膜,包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A)。 螺旋手性高分子(A)是重量平均分子量為5萬~100萬且具有光學活性的螺旋手性高分子。 此處,所謂「具有光學活性的螺旋手性高分子」,是指分子結構為螺旋結構且具有分子光學活性的高分子。 螺旋手性高分子(A)是所述「具有光學活性的螺旋手性高分子」之中,重量平均分子量為5萬~100萬的高分子。
作為所述螺旋手性高分子(A),例如可列舉:多肽、纖維素衍生物、聚乳酸系高分子、聚環氧丙烷、聚(β-羥基丁酸)等。 作為所述多肽,例如可列舉:聚(戊二酸γ-苄基)、聚(戊二酸γ-甲基)等。 作為所述纖維素衍生物,例如可列舉:乙酸纖維素、氰基乙基纖維素等。
就提昇高分子壓電膜的壓電性的觀點而言,螺旋手性高分子(A)的光學純度較佳為95.00%ee以上,更佳為96.00%ee以上,進而佳為99.00%ee以上,進而更佳為99.99%ee以上。特佳為100.00%ee。可認為藉由將螺旋手性高分子(A)的光學純度設為所述範圍,顯現壓電性的高分子結晶的堆積性變高,其結果,壓電性變高。
此處,螺旋手性高分子(A)的光學純度是藉由下述式所算出的值。 光學純度(%ee)=100×|L體量-D體量|/(L體量+D體量) 即,螺旋手性高分子(A)的光學純度為如下的值: 將『「螺旋手性高分子(A)的L體的量[質量%]與螺旋手性高分子(A)的D體的量[質量%]的量差(絕對值)」除以(相除)「螺旋手性高分子(A)的L體的量[質量%]與螺旋手性高分子(A)的D體的量[質量%]的合計量」所得的數值』乘以(相乘)『100』所得的值。
再者,螺旋手性高分子(A)的L體的量[質量%]與螺旋手性高分子(A)的D體的量[質量%]使用藉由利用高速液相層析法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)的方法所獲得的值。具體的測定的詳細情況將後述。
就提高光學純度、提昇壓電性的觀點而言,作為所述螺旋手性高分子(A),較佳為具有包含由下述式(1)所表示的重複單元的主鏈的高分子。
[化2]
作為將由所述式(1)所表示的重複單元作為主鏈的高分子,可列舉聚乳酸系高分子。 此處,所謂聚乳酸系高分子,是指「聚乳酸(僅包含源自選自L-乳酸及D-乳酸中的單體的重複單元的高分子)」、「L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物」、或兩者的混合物。 聚乳酸系高分子之中,較佳為聚乳酸,最佳為L-乳酸的均聚物(聚左旋乳酸(Poly-L-Lactic-Acid,PLLA))或D-乳酸的均聚物(聚右旋乳酸(Poly-D-Lactic-Acid,PDLA))。
聚乳酸是乳酸藉由酯鍵而進行聚合、且長長地連接而成的高分子。 已知聚乳酸可藉由經由乳酸交酯(lactide)的乳酸交酯法;於溶媒中且在減壓下對乳酸進行加熱,一面去除水一面進行聚合的直接聚合法等來製造。 作為聚乳酸,可列舉:L-乳酸的均聚物、D-乳酸的均聚物、包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的嵌段共聚物、以及包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的接枝共聚物。
作為所述「可與L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物」,可列舉:乙醇酸、二甲基乙醇酸、3-羥基丁酸、4-羥基丁酸、2-羥基丙酸、3-羥基丙酸、2-羥基戊酸、3-羥基戊酸、4-羥基戊酸、5-羥基戊酸、2-羥基己酸、3-羥基己酸、4-羥基己酸、5-羥基己酸、6-羥基己酸、6-羥基甲基己酸、苦杏仁酸等羥基羧酸;乙交酯(glycolide)、β-甲基-δ-戊內酯、γ-戊內酯、ε-己內酯等環狀酯;草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、十一烷二酸、十二烷二酸、對苯二甲酸等多元羧酸及該些多元羧酸的酐;乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,9-壬二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、新戊二醇、四亞甲基二醇、1,4-己烷二甲醇等多元醇;纖維素等多糖類;α-胺基酸等胺基羧酸等。
作為所述「L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物」,可列舉具有可生成螺旋結晶的聚乳酸序列的嵌段共聚物或接枝共聚物。
另外,螺旋手性高分子(A)中的源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20 mol%以下。 例如,當螺旋手性高分子(A)為聚乳酸系高分子時,相對於聚乳酸系高分子中的源自乳酸的結構與源自可與乳酸進行共聚的化合物(共聚物成分)的結構的莫耳數的合計,源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20 mol%以下。
聚乳酸系高分子例如可藉由如下方法等來製造:日本專利特開昭59-096123號公報、及日本專利特開平7-033861號公報中所記載的使乳酸直接進行脫水縮合來獲得聚乳酸系高分子的方法;美國專利2,668,182號及美國專利4,057,357號等中所記載的使用作為乳酸的環狀二聚體的乳酸交酯進行開環聚合的方法。
進而,為了將藉由所述各製造方法所獲得的聚乳酸系高分子的光學純度設為95.00%ee以上,例如當利用乳酸交酯法製造聚乳酸時,較佳為使藉由晶析操作而將光學純度提昇至95.00%ee以上的光學純度的乳酸交酯進行聚合。
(重量平均分子量) 螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)如上所述為5萬~100萬。 藉由螺旋手性高分子(A)的Mw為5萬以上,高分子壓電膜的機械強度提昇。所述Mw較佳為10萬以上,更佳為20萬以上。 另一方面,藉由螺旋手性高分子(A)的Mw為100萬以下,藉由成形(例如擠出成形)來獲得高分子壓電膜時的成形性提昇。所述Mw較佳為80萬以下,更佳為30萬以下。
另外,就高分子壓電膜的強度的觀點而言,螺旋手性高分子(A)的分子量分佈(Mw/Mn)較佳為1.1~5,更佳為1.2~4。進而更佳為1.4~3。
再者,螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)是指使用凝膠滲透層析儀(Gel Permeation Chromatograph,GPC),藉由下述GPC測定方法所測定的值。此處,Mn為螺旋手性高分子(A)的數量平均分子量。
-GPC測定裝置- 沃特世(Waters)公司製造的GPC-100 -管柱- 昭和電工公司製造的索得克斯(Shodex)LF-804 -樣品的製備- 於40℃下使螺旋手性高分子(A)溶解於溶媒(例如氯仿)中,而準備濃度為1 mg/mL的樣品溶液。 -測定條件- 以溶媒[氯仿]、溫度40℃、1 mL/min的流速將樣品溶液0.1 mL導入至管柱中。
利用示差折射計來測定藉由管柱而分離的樣品溶液中的樣品濃度。利用聚苯乙烯標準試樣製作通用校準曲線,並算出螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)。
作為螺旋手性高分子(A)的例子的聚乳酸系高分子可使用市售的聚乳酸。 作為市售品,例如可列舉:普拉克(PURAC)公司製造的普拉索伯(PURASORB)(PD、PL)、三井化學公司製造的LACEA(H-100、H-400)、萘琪沃克有限責任公司(NatureWorks LLC)公司製造的英吉爾TM
生物聚合物(IngeoTM
biopolymer)等。 當使用聚乳酸系高分子作為螺旋手性高分子(A)時,為了將聚乳酸系高分子的重量平均分子量(Mw)設為5萬以上,較佳為藉由乳酸交酯法、或直接聚合法來製造聚乳酸系高分子。
高分子壓電膜可僅含有一種所述螺旋手性高分子(A),亦可含有兩種以上。 就進一步提高壓電常數的觀點而言,相對於高分子壓電膜的總量,高分子壓電膜中的螺旋手性高分子(A)的含量(兩種以上的情況下為總含量)較佳為80質量%以上。
[穩定劑(B)] 高分子壓電膜較佳為進而含有一分子中具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基、及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且重量平均分子量為200~60000的穩定劑(B)。藉此,可進一步提昇耐濕熱性。
作為穩定劑(B),可使用國際公開第2013/054918號的段落0039~段落0055中所記載的「穩定劑(B)」。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有碳二醯亞胺基的化合物(碳二醯亞胺化合物),可列舉:單碳二醯亞胺化合物、聚碳二醯亞胺化合物、環狀碳二醯亞胺化合物。 作為單碳二醯亞胺化合物,適宜的是二環己基碳二醯亞胺、雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺等。 另外,作為聚碳二醯亞胺化合物,可使用藉由各種方法所製造者。可使用藉由先前的聚碳二醯亞胺的製造方法(例如美國專利第2941956號說明書、日本專利特公昭47-33279號公報、「有機化學期刊(J.Org.Chem.)」28,2069-2075(1963)、「化學評論(Chemical Review)」1981,Vol.81 No.4、p619-621)所製造者。具體而言,亦可使用日本專利4084953號公報中所記載的碳二醯亞胺化合物。 作為聚碳二醯亞胺化合物,可列舉:聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)、聚(N,N'-二-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺)、聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)等。 環狀碳二醯亞胺化合物可根據日本專利特開2011-256337號公報中所記載的方法等來合成。 作為碳二醯亞胺化合物,亦可使用市售品,例如可列舉:東京化成公司製造的B2756(商品名),日清紡化學公司製造的卡保迪萊(Carbodilite)LA-1(商品名),萊茵化學(Rhein Chemie)公司製造的斯塔巴賽諾(Stabaxol)P、Stabaxol P400、Stabaxol I(均為商品名)等。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有異氰酸酯基的化合物(異氰酸酯化合物),可列舉:異氰酸3-(三乙氧基矽烷基)丙酯、2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯、間苯二異氰酸酯、對苯二異氰酸酯、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,2'-二苯基甲烷二異氰酸酯、伸二甲苯基二異氰酸酯、氫化伸二甲苯基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯等。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有環氧基的化合物(環氧化合物),可列舉:苯基縮水甘油醚、二乙二醇二縮水甘油醚、雙酚A-二縮水甘油醚、氫化雙酚A-二縮水甘油醚、苯酚酚醛清漆型環氧樹脂、甲酚酚醛清漆型環氧樹脂、環氧化聚丁二烯等。
穩定劑(B)的重量平均分子量如上所述為200~60000,更佳為250~30000,進而更佳為300~18000。 若分子量為所述範圍內,則穩定劑(B)更容易移動,且更有效地取得耐濕熱性改良效果。 穩定劑(B)的重量平均分子量特佳為200~900。再者,重量平均分子量為200~900與數量平均分子量為200~900大致一致。另外,於重量平均分子量為200~900的情況下,有時分子量分佈為1.0,於此情況下,亦可將「重量平均分子量為200~900」簡稱為「分子量為200~900」。
當高分子壓電膜含有穩定劑(B)時,所述高分子壓電膜可僅含有一種穩定劑,亦可含有兩種以上。 當高分子壓電膜含有穩定劑(B)時,相對於螺旋手性高分子(A)100質量份,穩定劑(B)的含量較佳為0.01質量份~10質量份,更佳為0.01質量份~5質量份,進而更佳為0.1質量份~3質量份,特佳為0.5質量份~2質量份。 若所述含量為0.01質量份以上,則耐濕熱性進一步提昇。 另外,若所述含量為10質量份以下,則透明性的下降得到進一步抑制。
作為穩定劑(B)的較佳的形態,可列舉:將具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基、及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)與1分子內具有兩個以上的選自由碳二醯亞胺基、環氧基、及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且重量平均分子量為1000~60000的穩定劑(B2)併用這一形態。再者,數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)的重量平均分子量大致為200~900,穩定劑(B1)的數量平均分子量與重量平均分子量變成大致相同的值。 當併用穩定劑(B1)與穩定劑(B2)作為穩定劑時,就透明性提昇的觀點而言,較佳為含有許多穩定劑(B1)。 具體而言,就使透明性與耐濕熱性並存這一觀點而言,相對於穩定劑(B1)100質量份,穩定劑(B2)較佳為10質量份~150質量份的範圍,更佳為50質量份~100質量份的範圍。
以下,表示穩定劑(B)的具體例(穩定劑B-1~穩定劑B-3)。
[化3]
以下,針對所述穩定劑B-1~穩定劑B-3,表示化合物名、市售品等。
.穩定劑B-1...化合物名為雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺。重量平均分子量(於該例中,僅等同於「分子量」)為363。作為市售品,可列舉:萊茵化學公司製造的「Stabaxol I」、東京化成公司製造的「B2756」。
.穩定劑B-2...化合物名為聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)。作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為2000者的日清紡化學公司製造的「Carbodilite LA-1」。
.穩定劑B-3...化合物名為聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)。作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為3000者的萊茵化學公司製造的「Stabaxol P」。另外,作為重量平均分子量為20000者,可列舉萊茵化學公司製造的「Stabaxol P400」。
[其他成分]
高分子壓電膜視需要可含有其他成分。
作為其他成分,可列舉:聚偏二氟乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂等公知的樹脂;二氧化矽、羥磷灰石(hydroxyapatite)、蒙脫石(montmorillonite)等公知的無機填料;酞菁等公知的結晶成核劑;穩定劑(B)以外的穩定劑等。
作為無機填料及結晶成核劑,亦可列舉國際公開第2013/054918號的段落0057~段落0058中所記載的成分。
[高分子壓電膜的物性]
高分子壓電膜較佳為壓電常數大(較佳為於25℃下藉由應力-電荷法所測定的壓電常數d14
為1 pC/N以上)。進而,高分子壓電膜較佳為透明性、縱裂強度(即,對於特定方向的撕裂強度;以下相同)優異。
[壓電常數(應力-電荷法)] 高分子壓電膜的壓電常數是指以如下方式所測定的值。 首先,將高分子壓電膜在相對於高分子壓電膜的延伸方向(例如縱向(Machine Direction,MD)方向)呈45°的方向上切成150 mm,並在與呈45°的方向正交的方向上切成50 mm,而製作矩形的試驗片。繼而,將所獲得的試驗片設置於昭和真空SIP-600的試驗台上,並以Al的蒸鍍厚變成約50 nm的方式,於試驗片的一面上蒸鍍Al。繼而,於試驗片的另一面上亦同樣地蒸鍍Al。以所述方式於試驗片的兩面上形成Al的導電層。
將於兩面上形成有Al的導電層的150 mm×50 mm的試驗片(高分子壓電膜)在相對於高分子壓電膜的延伸方向(例如MD方向)呈45°的方向上切成120 mm,並在與呈45°的方向正交的方向上切成10 mm,而切出120 mm×10 mm的矩形的膜。將其作為壓電常數測定用樣品。
將所獲得的樣品以不會鬆弛的方式設置於將夾頭間距離設為70 mm的拉伸試驗機(艾安得(AND)公司製造,滕喜龍(TENSILON)RTG-1250)中。以十字頭速度為5 mm/min、施加力在4 N與9 N之間往返的方式週期性地施加力。此時,為了測定對應於施加力而於樣品中產生的電荷量,將靜電電容為Qm(F)的電容器與樣品並聯連接,並經由緩衝放大器而測定該電容器Cm(95nF)的端子間電壓Vm。所產生的電荷量Q(C)作為電容器電容Cm與端子間電壓Vm的積來計算。壓電常數d14藉由下式來計算。
d14=(2×t)/L×Cm.△Vm/△F
t:樣品厚度(m)
L:夾頭間距離(m)
Cm:並聯連接電容器電容(F)
△Vm/△F:相對於力的變化量的電容器端子間的電壓變化量比
壓電常數越高,相對於施加至高分子壓電膜的電壓的所述膜的位移變得越大,另外,相反地相對於施加至高分子壓電膜中的力,所產生的電壓變得越大,作為高分子壓電膜有用。
具體而言,25℃下的藉由應力-電荷法所測定的壓電常數d14較佳為1pC/N以上,更佳為3pC/N以上,進而更佳為4pC/N以上。另外,壓電常數的上限並無特別限定,但就與後述的透明性等的平衡的觀點而言,於使用具有光學活性的螺旋手性高分子(光學活性高分子)的高分子壓電膜中,較佳為50pC/N以下,更佳為30pC/N以下。
另外,同樣地就與透明性的平衡的觀點而言,藉由共振法所測定的壓電常數d14
較佳為15 pC/N以下。
再者,於本說明書中,所謂「MD方向」,是指膜的移動方向(Machine Direction),即延伸方向,所謂「TD方向」,是指與所述MD方向正交、且與膜的主面平行的方向(Transverse Direction)。 另外,於本說明書中,所謂膜的主面,是指高分子壓電膜的表面之中,面積最大的面。
[透明性(內部霧度)] 高分子壓電膜的透明性可藉由測定內部霧度來進行評價。 高分子壓電膜較佳為相對於可見光線的內部霧度為50%以下,更佳為40%以下,進而佳為20%以下,進而更佳為13%以下,進而更佳為5%以下。另外,就進一步提昇透明性及縱裂強度的觀點而言,進而更佳為2.0%以下,特佳為1.0%以下。高分子壓電膜的所述內部霧度的下限值並無特別限定,作為下限值,例如可列舉0.01%。 此處,高分子壓電膜的內部霧度是指除由高分子壓電膜的外表面的形狀所形成的霧度以外的霧度。 高分子壓電膜的內部霧度是針對厚度為0.03 mm~0.05 mm的高分子壓電膜,依據JIS-K7105,使用霧度測定機[東京電色(有限)公司製造,TC-HIII DPK]於25℃下進行測定時的值,測定方法的詳細情況將於實施例中進行詳述。
[標準化分子配向MORc] 標準化分子配向MORc是根據作為表示螺旋手性高分子(A)的配向的程度的指標的「分子配向度MOR」來決定的值。 此處,分子配向度MOR(Molecular Orientation Ratio)藉由如下的微波測定法來測定。即,於眾所周知的微波透過型分子配向計(亦稱為微波分子配向度測定裝置)的微波共振波導管中,以高分子壓電膜的面(膜面)垂直於微波的前進方向的方式配置高分子壓電膜(例如,膜狀的高分子壓電材料)。而且,於對試樣連續地照射振動方向偏向一個方向的微波的狀態下,使高分子壓電膜在與微波的前進方向垂直的面內旋轉0°~360°,並測定透過試樣的微波強度,藉此求出分子配向度MOR。
標準化分子配向MORc是將基準厚度tc設為50 μm時的分子配向度MOR,可藉由下述式來求出。 MORc=(tc/t)×(MOR-1)+1 (tc:欲修正的基準厚度,t:高分子壓電膜的厚度) 標準化分子配向MORc可藉由公知的分子配向計,例如王子計測機器(Oji Keisoku Kiki)股份有限公司製造的微波方式分子配向計MOA-2012A或MOA-6000等,以4 GHz或12 GHz附近的共振頻率進行測定。
高分子壓電膜的標準化分子配向MORc為3.5~15.0。較佳為4.0~15.0,更佳為4.0~10.0,進而更佳為4.0~8.0。 若標準化分子配向MORc為3.5以上,則於延伸方向上排列的光學活性高分子的分子鏈(例如聚乳酸分子鏈)多,其結果,配向結晶的生成率變高,可顯現更高的壓電性。 若標準化分子配向MORc為15.0以下,則縱裂強度進一步提昇。 另外,就進一步提昇高分子壓電膜與中間層的密接性的觀點而言,標準化分子配向MORc較佳為7.0以下。
例如當高分子壓電膜為延伸膜時,標準化分子配向MORc可藉由延伸前的加熱處理條件(加熱溫度及加熱時間)、或延伸條件(延伸溫度及延伸速度)等來控制。
再者,標準化分子配向MORc亦可轉換成相位差量(延遲)除以膜的厚度所得的雙折射率Δn。具體而言,延遲可使用大塚電子股份有限公司製造的RETS100進行測定。另外,MORc與Δn大致處於線性的比例關係,且當Δn為0時,MORc變成1。 例如,當螺旋手性高分子(A)為聚乳酸系高分子、且以測定波長550 nm測定高分子壓電膜的雙折射率Δn時,作為標準化分子配向MORc的較佳的範圍的下限的2.0可轉換成雙折射率Δn0.005。另外,後述的作為高分子壓電膜的標準化分子配向MORc與結晶度的積的較佳的範圍的下限的40可轉換成高分子壓電膜的雙折射率Δn與結晶度的積0.1。
[結晶度] 高分子壓電膜的結晶度為藉由DSC法所求出者。 本實施形態的高分子壓電膜的結晶度為20%~80%。藉由結晶度為20%以上,而將高分子壓電膜的壓電性維持得高。藉由結晶度為80%以下,而將高分子壓電膜的透明性維持得高,另外,藉由結晶度為80%以下,於延伸時難以產生白化或斷裂,因此容易製造高分子壓電膜。 因此,高分子壓電膜的結晶度為20%~80%,但所述結晶度較佳為25%~70%,更佳為30%~50%。
[標準化分子配向MORc與結晶度的積] 高分子壓電膜的標準化分子配向MORc與結晶度的積較佳為40~700,更佳為75~680,進而佳為90~660,進而更佳為125~650,特佳為150~350。若所述積處於40~700的範圍內,則高分子壓電膜的壓電性與透明性的平衡良好、且尺寸穩定性亦高,可適宜地用作後述的壓電元件。 於本實施形態的高分子壓電膜中,例如藉由調整製造高分子壓電膜時的結晶化及延伸的條件,而可將所述積調整成所述範圍。
[膜的厚度] 高分子壓電膜的膜厚並無特別限制,但較佳為10 μm~400 μm,更佳為20 μm~200 μm,進而更佳為20 μm~100 μm,特佳為20 μm~80 μm。但是,當高分子壓電膜為包含多層的多層膜時,所述膜厚表示多層膜整體的厚度。
高分子壓電膜的厚度使用線上膜厚計(亦稱為線上厚度測量裝置)進行測量。作為一例,可列舉:於高分子壓電膜的製造中,一面相對於在MD方向(膜的移動方向)上移動的膜,使線上膜厚計在TD方向(與MD方向正交、且與膜的主面平行的方向)上移動,一面測量膜的厚度的方法。另外,作為線上膜厚計,可使用市售的厚度測定裝置,例如可列舉:山文電氣公司製造的雷射式非接觸線上厚度測量裝置NSM-RM。 另外,當於藉由線上膜厚計所測定的膜的厚度的原始資料中包含許多雜訊時,亦可對原始資料實施各種雜訊去除處理。作為此種處理,可列舉:利用移動平均法或傅里葉變換/逆傅里葉變換的高頻成分的去除等。 再者,雖然對厚度的測量方法或測量裝置列舉了一例,但並不限定於該些例子。
[厚度的峰值] 本實施形態的高分子壓電膜中,峰值A的個數於每1000 mm寬度中為20個以下。所謂峰值A,表示峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度(即,所述峰值高度除以峰值間距離所得的值)為0.000035以上的峰值。另外,就進一步減少高分子壓電膜的厚度不均的觀點而言,峰值A的個數較佳為15個以下,更佳為10個以下,進而佳為8個以下,進而更佳為5個以下,進而更佳為3個以下,最佳為0個。 如上所述,推測膜表面的起伏起因於厚度的急劇的變化。若峰值A的個數為所述範圍,則高分子壓電膜的厚度不均減少,並且外觀上的問題得到改善,而且,壓電性的不均減少。
另外,就進一步減少厚度不均的觀點而言,高分子壓電膜較佳為峰值B的個數於每1000 mm寬度中為12個以下。所謂峰值B,表示峰值高度為1.5 μm以上、且峰值斜度為0.00008以上的峰值。 就進一步減少高分子壓電膜的厚度不均的觀點而言,峰值B的個數更佳為10個以下,進而佳為8個以下,進而更佳為5個以下,進而更佳為3個以下,最佳為0個。若峰值B的個數為該範圍,則高分子壓電膜的厚度不均進一步減少,並且外觀上的問題得到進一步改善,而且,壓電性的不均進一步減少。
此處,峰值B的峰值斜度為比峰值A的峰值斜度大者,且峰值B為包含於峰值A中進行測定者。例如,當峰值A的個數為12個,峰值B的個數為8個時,表示峰值A之中,符合峰值B的峰值的個數為8個。
[厚度的峰值的測定] 厚度的峰值使用線上膜厚計來求出。 當測量高分子壓電膜的厚度時,藉由線上膜厚計來檢測表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形。 於本實施形態中,將該波形之中,凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置、與以該凸部的頂點為界而減少的凹部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置之間(或者,相當於凹部的頂點的膜的寬度方向的位置、與以該凹部的頂點為界而增加的凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置之間)設為一個峰值單位。 而且,測量凸部(或凹部)的頂點所對應的厚度、與凹部(或凸部)的頂點所對應的厚度的差,並算出峰值高度。 另外,測量凸部(或凹部)的頂點所對應的膜的寬度方向的位置、與凹部(或凸部)的頂點所對應的膜的寬度方向的位置的距離,並算出峰值間距離。而且,藉由下式來算出峰值斜度,並以絕對值來表示峰值斜度。 [式]:|峰值斜度|=(峰值高度)/(峰值間距離)
以下,參照圖式對本實施形態的高分子壓電膜的厚度的峰值的一例進行說明。 若利用線上膜厚計測定高分子壓電膜的厚度,則檢測例如如圖1所示的表示高分子壓電膜的寬度方向的位置與高分子壓電膜的厚度的關係的波形。 再者,於圖1中,P1表示第1峰值,P2表示第2峰值,P3表示第3峰值,H1表示峰值高度,H2表示峰值高度,H3表示峰值高度,L1表示峰值間距離,L2表示峰值間距離,及L3表示峰值間距離。
於圖1中所示的波形中,第1峰值P1表示凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置、與以該凸部的頂點為界而減少的凹部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置之間的區域(即,由四角圍成的區域)。另外,第2峰值P2表示凹部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置、與以該凹部的頂點為界而增加的凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置之間的區域(即,鄰接於第1峰值的由四角圍成的區域)。進而,位於第2峰值P2的右側的由四角圍成的區域為第3峰值P3。 再者,雖然列舉第1峰值P1~第3峰值P3為例進行了說明,但為便於說明峰值,第2峰值P2與第3峰值P3之間相離。但是,如第1峰值P1與第2峰值P2的關係般,本實施形態的峰值為遍及膜的寬度方向的位置的整個區域具有連續的峰值單位者。
於第1峰值P1中,峰值高度H1為凸部的頂點的所對應厚度與凹部的頂點所對應的厚度的差。第3峰值P3的峰值高度H3亦同樣地算出。另外,於第2峰值P2中,峰值高度H2為凹部的頂點所對應的厚度與凸部的頂點所對應的厚度的差。 此處,當於峰值高度H1~峰值高度H3中,該些峰值高度的值為1.5 μm以上,且後述的峰值斜度為特定的範圍內時,符合峰值A或峰值B。另一方面,當未滿1.5 μm時為並不相當於峰值A或峰值B的峰值。例如,當峰值高度H3未滿1.5 μm時,第3峰值變成並不相當於峰值A及峰值B的任一者的峰值。
於第1峰值P1中,峰值間距離L1為測量凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置與凹部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置的距離所得者。第3峰值P3的峰值間距離L3亦同樣地算出。另外,於第2峰值P2中,峰值間距離L2為測量凹部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置與凸部的頂點所對應的膜的寬度方向的位置的距離所得者。
而且,如上所述,峰值斜度為峰值高度除以峰值間距離所得的值,例如,第1峰值P1的峰值斜度藉由峰值高度H1/峰值間距離L1來算出,且以絕對值來表示。第2峰值P2的峰值斜度、第3峰值P3的峰值斜度亦同樣如此。 此處,當於第1峰值P1~第3峰值P3中,峰值高度H1~峰值高度H3處於所述特定的範圍內,且峰值斜度為0.000035以上時,符合峰值A。另外,當峰值高度H1~峰值高度H3處於所述特定的範圍內,且峰值斜度為0.00008以上時,符合峰值B。另一方面,當即便峰值高度H1~峰值高度H3處於所述特定的範圍內,峰值斜度處於該些範圍外者,即,峰值斜度未滿0.000035時,亦變成並不符合峰值A及峰值B的任一者的峰值。 藉由以上的方法來測定符合峰值A或峰值B的峰值的個數。再者,如上所述,峰值B為包含於峰值A中進行測定者。
[厚度的峰值的調整方法] 作為調整高分子壓電膜的厚度的峰值的方法,只要峰值A的個數可滿足所述範圍,則並無特別限定。例如可列舉:於後述的高分子壓電膜的製造步驟中,利用靜電使經擠出成形的膜狀的含有螺旋手性高分子(A)的組成物密接於冷卻輥、或用於進行預結晶化的鑄造輥等的方法(靜電密接法)等。靜電密接法可列舉使膜整個面密接的線釘紮(wire pinning),僅使膜的兩端部密接的邊緣釘紮(edge pinning),可使用任一者、或併用兩者。
當採用線釘紮時,施加靜電荷的電極可為線狀、帶狀、刀狀的任一種形態,但就更容易調整厚度的峰值的觀點而言,較佳為線狀的電極。只要可施加靜電荷,則電極的材質並無特別限定,但就更容易調整厚度的峰值的觀點而言,較佳為利用金或鉑等包覆表面者。 再者,雖然列舉靜電密接法作為一例,但調整厚度的峰值的方法並不限定於此。
<高分子壓電膜的製造方法> 製造本實施形態的高分子壓電膜的方法並無特別限制。 例如可藉由包含將高分子壓電膜的原料成形為膜狀的步驟、及使所成形的膜進行延伸的步驟的方法來適宜地製造。例如可列舉國際公開第2013/054918號的段落0065~段落0099中所記載的製造方法。
[成形步驟] 成形步驟是將包含螺旋手性高分子(A)、及視需要的穩定劑(B)等其他成分的組成物加熱至螺旋手性高分子(A)的熔點Tm(℃)以上的溫度來成形為膜形狀的步驟。藉由該成形步驟,可獲得包含螺旋手性高分子(A)、及視需要的穩定劑(B)等其他成分的膜。
再者,於本說明書中,螺旋手性高分子(A)的熔點Tm(℃)、及螺旋手性高分子(A)的玻璃轉移溫度(Tg)分別是指使用示差掃描型熱量計(Differential Scanning Calorimeter,DSC),根據於昇溫速度為10℃/min的條件下使螺旋手性高分子(A)的溫度上昇時的熔解吸熱曲線所求出的值。熔點(Tm)是作為吸熱反應的峰值所獲得的值。玻璃轉移溫度(Tg)是作為熔融吸熱曲線的臨界點所獲得的值。
所述組成物可藉由將螺旋手性高分子(A)、及視需要的穩定劑(B)等其他成分混合來製造。 此處,螺旋手性高分子(A)、穩定劑(B)、及其他成分分別可僅使用一種,亦可使用兩種以上。 所述混合亦可為熔融混練。 具體而言,所述組成物亦可藉由如下方式來製造:將螺旋手性高分子(A)、及視需要的穩定劑(B)等其他成分投入至熔融混練機[例如,東洋精機公司製造的拉普磨機(Labo Plasto mill)]中,加熱至螺旋手性高分子(A)的熔點以上的溫度來進行熔融混練。於此情況下,在本步驟中,於維持為螺旋手性高分子(A)的熔點以上的溫度的狀態下,將藉由加熱至螺旋手性高分子(A)的熔點以上的溫度來進行熔融混練所製造的組成物成形為膜形狀。 作為熔融混練的條件,例如可列舉:混合機轉速為30 rpm~70 rpm、溫度為180℃~250℃,混練時間為5分鐘~20分鐘等條件。
於本成形步驟中,作為將組成物成形為膜形狀的方法,可列舉擠出成形法等公知的方法。
於成形步驟中,可將組成物加熱至所述溫度來進行成形而製成膜,並對所獲得的膜進行急速冷卻。藉由急速冷卻,可調整本步驟中所獲得的膜的結晶度。 此處,所謂「急速冷卻」,是指於剛擠出後至少冷卻至螺旋手性高分子(A)的玻璃轉移溫度Tg以下。 於本實施形態中,較佳為在朝膜的成形與急速冷卻之間不包含其他處理。
急速冷卻的方法可列舉:使膜浸漬於水、冰水、乙醇、加入有乾冰的乙醇或甲醇、液態氮等冷媒中的方法;對膜吹附蒸氣壓低的液體噴霧,藉由蒸發潛熱來對膜進行冷卻的方法等。 另外,為了連續地對膜進行冷卻,亦可使管理成螺旋手性高分子(A)的玻璃轉移溫度Tg以下的溫度的金屬輥與膜接觸等,而進行急速冷卻。 另外,冷卻的次數可僅為一次,亦可為兩次以上。
例如,利用所述靜電密接法,使藉由擠出成形法所獲得的膜密接於藉由所述手段而得到冷卻的金屬輥,藉此可調整高分子壓電膜的厚度的峰值。例如,當採用使膜整個面密接的線釘紮時,可藉由電極的位置的調整或材質、施加電壓等來調整厚度的峰值。
藉由成形步驟所獲得的膜(即,供於後述的延伸步驟的膜)可為非晶狀態的膜,亦可為經預結晶化的膜(以下,亦稱為「預結晶化膜」)。 此處,所謂非晶狀態的膜,是指結晶度未滿3%的膜。 另外,所謂預結晶化膜,是指結晶度為3%以上(較佳為3%~70%)的膜。 此處,結晶度是指藉由與高分子壓電膜的結晶度相同的方法所測定的值。
藉由成形步驟所獲得的膜(非晶狀態的膜、或預結晶化膜)的厚度主要根據最終所獲得的高分子壓電膜的厚度與延伸倍率來決定,但較佳為50 μm~1000 μm,更佳為100 μm~800 μm左右。
預結晶化膜可藉由對包含螺旋手性高分子(A)、及視需要的穩定劑(B)等其他成分的非晶狀態的膜進行加熱處理來使其結晶化而獲得。 用以對非晶狀態的膜進行預結晶化的加熱溫度T並無特別限定,但就提高所製造的高分子壓電膜的壓電性或透明性等的觀點而言,較佳為以與螺旋手性高分子(A)的玻璃轉移溫度Tg滿足下式的關係,且結晶度變成3%~70%的方式設定。 Tg-40℃≦T≦Tg+40℃ (Tg表示螺旋手性高分子(A)的玻璃轉移溫度)
用以對非晶狀態的膜進行預結晶化的加熱時間可考慮最終所獲得的高分子壓電膜的標準化分子配向MORc或結晶度來適宜設定。 所述加熱時間較佳為5秒~60分鐘,就製造條件的穩定化這一觀點而言,更佳為1分鐘~30分鐘。存在隨著加熱時間變長,所述標準化分子配向MORc變高、且所述結晶度變高的傾向。 例如,當對包含聚乳酸系高分子作為螺旋手性高分子(A)的非晶狀態的膜進行預結晶化時,較佳為於20℃~170℃下加熱5秒~60分鐘(較佳為1分鐘~30分鐘)。
當對非晶狀態的膜進行預結晶化時,例如可使用調整成所述溫度範圍的鑄造輥。可利用所述靜電密接法,使高分子壓電膜密接於該預結晶化用的鑄造輥來進行預結晶化,並且調整厚度的峰值。例如,當採用使膜整個面密接的線釘紮時,可藉由電極的位置的調整或材質、施加電壓等來調整厚度的峰值。
[延伸步驟] 延伸步驟是使成形步驟中所獲得的膜(例如預結晶化膜)主要於單軸方向上進行延伸的步驟。藉由本步驟,可獲得主面的面積大的高分子壓電膜作為延伸膜。 再者,所謂主面的面積大,是指高分子壓電膜的主面的面積為5 mm2
以上。另外,主面的面積較佳為10 mm2
以上。
另外,推測藉由使膜主要於單軸方向上進行延伸,而可使膜中所含有的螺旋手性高分子(A)的分子鏈於一個方向上進行配向、且高密度地排列,可獲得更高的壓電性。
當如朝單軸方向的延伸般僅藉由拉伸力來使膜進行延伸時,膜的延伸溫度較佳為比膜(或者,膜中的螺旋手性高分子(A))的玻璃轉移溫度高10℃~20℃左右的溫度範圍。
延伸處理中的延伸倍率較佳為2倍~30倍,更佳為於3倍~15倍的範圍內進行延伸。
當於延伸步驟中進行預結晶化膜的延伸時,亦可為了使膜容易延伸而於即將延伸前進行預熱。該預熱通常是為了使延伸前的膜變軟並容易延伸而進行,因此通常於不會對所述延伸前的膜進行結晶化而使膜變硬的條件下進行。但是,如所述般於本實施形態中,由於有時在延伸前進行預結晶化,因此亦可將所述預熱兼作預結晶化而進行。具體而言,對照預結晶化步驟中的加熱溫度或加熱處理時間,以比通常進行中的溫度更高的溫度或更長的時間進行預熱,藉此可兼作預熱與預結晶化。
[退火步驟] 本實施形態的製造方法視需要可具有退火步驟。 退火步驟是對在所述延伸步驟中進行了延伸的膜(以下,亦稱為「延伸膜」)進行退火(熱處理)的步驟。藉由退火步驟,可使延伸膜的結晶化進一步進行,而可獲得壓電性更高的高分子壓電膜。 另外,當主要藉由退火來對延伸膜進行結晶化時,有時可省略所述成形步驟中的預結晶化的操作。於此情況下,作為藉由成形步驟所獲得的膜(即,供於延伸步驟的膜),可選擇非晶狀態的膜。
於本實施形態中,退火的溫度較佳為80℃~160℃,更佳為100℃~155℃。
退火(熱處理)的方法並無特別限定,可列舉:利用朝加熱輥的接觸、熱風加熱器或紅外線加熱器對經延伸的膜直接進行加熱的方法;藉由使經延伸的膜浸漬於經加熱的液體(矽油等)來進行加熱的方法等。
退火較佳為對延伸膜施加一定的拉伸應力(例如,0.01 MPa~100 MPa),在不使延伸膜鬆弛的同時來進行。
退火的時間較佳為1秒~5分鐘,更佳為5秒~3分鐘,進而更佳為10秒~2分鐘。若退火的時間為5分鐘以下,則生產性優異。另一方面,若退火的時間為1秒以上,則可進一步提昇膜的結晶度。
經退火的延伸膜(即,高分子壓電膜)較佳為於退火後進行急速冷卻。有時於退火步驟中進行的「急速冷卻」與有時於已述的成形步驟中進行的「急速冷卻」相同。 冷卻的次數可僅為一次,亦可為兩次以上,進而,亦可交替地反覆進行退火與冷卻。
<高分子壓電膜的用途等> 本實施形態的高分子壓電膜可用於揚聲器、頭戴式耳機、觸控面板、遙控器、麥克風、水中麥克風、超音波轉換器(ultrasonic transducer)、超音波應用測量器、壓電振盪器、機械過濾器、壓電變壓器、延遲裝置、感測器、加速度感測器、衝擊感測器、振動感測器、感壓感測器、觸覚感測器、電場感測器、聲壓感測器、顯示器、風扇、泵、可變焦點鏡、隔音材料、防音材料、鍵盤、音響機器、資訊處理機、測量機器、醫用機器等各種領域中。
此時,本實施形態的高分子壓電膜較佳為用作具有至少兩個主面、且於該主面上具備電極的壓電元件。只要於高分子壓電膜的至少兩個面上具備電極即可。作為所述電極,並無特別限制,例如可使用:氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、氧化鋅(Zinc Oxide,ZnO)、氧化銦鎵鋅(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)、導電性聚合物等。
另外,亦可將高分子壓電膜與電極反覆疊加來用作積層壓電元件。作為例子,可列舉將電極與高分子壓電膜的單元反覆疊加,最後利用電極覆蓋未由電極覆蓋的高分子壓電膜的主面而成者。具體而言,單元的反覆為兩次者為將電極、高分子壓電膜、電極、高分子壓電膜、電極依次疊加而成的積層壓電元件。積層壓電元件中所使用的高分子壓電膜只要其中的一層的高分子壓電膜為本實施形態的高分子壓電膜即可,其他層可不為本實施形態的高分子壓電膜。 另外,當於積層壓電元件中包含多個本實施形態的高分子壓電膜時,若某層的本實施形態的高分子壓電膜中所含有的螺旋手性高分子(A)的光學活性為L體,則其他層的高分子壓電膜中所含有的螺旋手性高分子(A)可為L體,亦可為D體。高分子壓電膜的配置可對應於壓電元件的用途而適宜調整。
例如,當包含L體的螺旋手性高分子(A)作為主要成分的高分子壓電膜的第1層經由電極而與包含L體的螺旋手性高分子(A)作為主要成分的第2高分子壓電膜積層時,若使第1高分子壓電膜的單軸延伸方向(主要的延伸方向)與第2高分子壓電膜的單軸延伸方向(主要的延伸方向)交叉,較佳為進行正交,則可使第1高分子壓電膜與第2高分子壓電膜的位移的方向一致,作為積層壓電元件整體的壓電性變高,故較佳。
另一方面,當包含L體的螺旋手性高分子(A)作為主要成分的高分子壓電膜的第1層經由電極而與包含D體的螺旋手性高分子(A)作為主要成分的第2高分子壓電膜積層時,若以使第1高分子壓電膜的單軸延伸方向(主要的延伸方向)變成與第2高分子壓電膜的單軸延伸方向(主要的延伸方向)大致平行的方式進行配置,則可使第1高分子壓電膜與第2高分子壓電膜的位移的方向一致,作為積層壓電元件整體的壓電性變高,故較佳。
尤其當於高分子壓電膜的主面上具備電極時,較佳為具備具有透明性的電極。此處,關於電極,所謂具有透明性,具體是指內部霧度為20%以下,全光線透過率為80%以上。
使用本實施形態的高分子壓電膜的所述壓電元件可應用於揚聲器或觸控面板等所述各種壓電元件。尤其,具備具有透明性的電極的壓電元件適合應用於揚聲器、觸控面板、致動器等。 [實施例]
以下,藉由實施例來更具體地說明本發明的實施形態,但本實施形態只要不超出其主旨,則並不限定於以下的實施例。
<實施例1> 作為螺旋手性高分子(A),準備萘琪沃克有限責任公司(NatureWorks LLC)公司製造的聚乳酸(Ingeo4032D)作為原料。而且,相對於該原料100質量份,添加下述添加劑X(穩定劑(B))1.0質量份並進行乾摻來製作原料。 將所製作的原料投入至擠出成形機料斗中,一面加熱至220℃~230℃一面自寬度為2000 mm的T字模中擠出,並與50℃的鑄造輥接觸0.5分鐘,而將厚度為150 μm的預結晶化膜製膜(成形步驟)。 此時,於自T字模中擠出的螺旋手性高分子與鑄造輥的接點附近,以絲狀電極、螺旋手性高分子(A)、鑄造輥的順序配置絲狀電極(鎢絲,f=0.15 mm)。將絲狀電極的張力設定成15 N,將施加電壓設定成7 kV,將絲狀電極-螺旋手性高分子(A)與鑄造輥的接點間的距離設定成60 mm,自螺旋手性高分子(A)側向鑄造輥賦予靜電荷,而使螺旋手性高分子(A)密接於鑄造輥。 一面使所獲得的預結晶化膜接觸加熱至70℃的輥來進行加熱,一面藉由輥對輥以1650 mm/min的延伸速度開始延伸,於MD方向上單軸延伸至3.5倍為止,而獲得單軸延伸膜(延伸步驟)。 其後,藉由輥對輥,使單軸延伸膜於加熱至130℃的輥上接觸78秒並進行退火處理後,利用設定成50℃的輥進行急速冷卻,將膜寬度方向的兩端部均等地切割並切落,而製成寬度為1000 mm的膜,進而捲取成輥狀,藉此獲得膜狀的高分子壓電膜(退火步驟)。
-添加劑X(穩定劑(B))- 作為添加劑X,使用萊茵化學公司製造的Stabaxol P400(10質量份)、萊茵化學公司製造的Stabaxol I(60質量份)、及日清紡化學公司製造的Carbodilite LA-1(30質量份)的混合物。 所述混合物中的各成分的詳細情況如下所述。 Stabaxol I…雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺(分子量(=重量平均分子量):363) Stabaxol P400…聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)(重量平均分子量:20000) Carbodilite LA-1…聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)(重量平均分子量:約2000)
<比較例1> 除將絲狀電極-螺旋手性高分子(A)與鑄造輥的接點間的距離設定成45 mm以外,以與實施例1相同的方式獲得高分子壓電膜。
<實施例2> 除將絲狀電極-螺旋手性高分子(A)與鑄造輥的接點間的距離設定成75 mm以外,以與實施例1相同的方式獲得高分子壓電膜。
<實施例3> 除將絲狀電極變更成塗佈有鉑的鎢絲(f=0.15 mm)以外,以與實施例2相同的方式獲得高分子壓電膜。
[螺旋手性高分子(A)的物性測定] 針對所述螺旋手性高分子(A),藉由以下的方法來測定光學純度。另外,藉由已述的方法來測定重量平均分子量及分子量分佈。將結果示於表1中。
(光學純度) 以如下方式測定所述高分子壓電膜中所含有的螺旋手性高分子(A)(聚乳酸)的光學純度。
首先,向50 mL的三角燒瓶中秤量加入1.0 g的樣品(所述高分子壓電膜),並向其中添加異丙醇(Isopropyl Alcohol,IPA)2.5 mL及5.0 mol/L氫氧化鈉溶液5 mL,而製成樣品溶液。 繼而,將加入有該樣品溶液的三角燒瓶放入至溫度為40℃的水浴中,攪拌約5小時直至聚乳酸完全進行水解為止。 將所述約5小時的攪拌後的樣品溶液冷卻至室溫為止後,添加1.0 mol/L鹽酸溶液20 mL進行中和,將三角燒瓶封口並充分地攪拌。 繼而,將所述經攪拌混合的樣品溶液的1.0 mL分取至25 mL的量瓶中,並向其中添加下述組成的流動相,而獲得25 mL的HPLC試樣溶液1。 將5 μL的所獲得的HPLC試樣溶液1注入至HPLC裝置中,於下述HPLC測定條件下進行HPLC測定。根據所獲得的測定結果,求出源自聚乳酸的D體的峰值的面積與源自聚乳酸的L體的峰值的面積,並算出L體的量與D體的量。根據所獲得的結果,求出光學純度(%ee)。 其結果,光學純度為97.0%ee。再者,於下述表1中,「LA」表示聚乳酸。 -HPLC測定條件- ·管柱 光學分割管柱,住化分析中心(股份)製造的蘇米齊若(SUMICHIRAL)OA5000 ·HPLC裝置 日本分光公司製造的液相層析儀 ·管柱溫度 25℃ ·流動相的組成 1.0 mM-硫酸銅(II)緩衝液/IPA=98/2(V/V) (於該流動相中,硫酸銅(II)、IPA、及水的比率為硫酸銅(II)/IPA/水=156.4 mg/20 mL/980 mL) ·流動相流量 1.0 mL/min ·檢測器 紫外線檢測器(UV254 nm)
[表1]
[高分子壓電膜的物性測定] 針對所述高分子壓電膜,藉由以下的方法來測定結晶度、內部霧度、厚度、厚度的峰值。另外,藉由已述的方法來測定壓電常數(應力-電荷法)及標準化分子配向MORc。將結果示於表2中。 再者,壓電常數是根據測定資料內的最大值及最小值來求出其差R。另外,根據壓電常數的平均值來求出壓電常數的標準偏差σ。
(結晶度) 準確地秤量高分子壓電膜10 mg,使用示差掃描型熱量計(珀金埃爾默(PerkinElmer)公司製造的DSC-1),於昇溫速度為10℃/min的條件下進行測定,而獲得熔解吸熱曲線。根據所獲得的熔解吸熱曲線而獲得結晶度。
(內部霧度) 藉由以下的方法來獲得高分子壓電膜的內部霧度(以下,亦稱為內部霧度(H1))。 首先,準備於兩片玻璃板之間僅夾持有矽油(信越化學工業股份有限公司製造的「信越矽酮(Shin-Etsu Silicone),型號:KF96-100CS」)的積層膜,並測定該積層膜的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H2))。 繼而,準備於所述兩片玻璃板之間夾持有利用矽油均勻地塗抹表面的所述高分子壓電膜的積層膜,並測定該積層膜的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H3))。 繼而,如下述式般取得兩者的差,藉此獲得高分子壓電膜的內部霧度(H1)。 內部霧度(H1)=霧度(H3)-霧度(H2)
此處,霧度(H2)及霧度(H3)的測定分別於下述測定條件下使用下述裝置來進行。 測定裝置:東京電色公司製造,霧度計 TC-HIIIDPK 試樣尺寸:寬度30 mm×長度30 mm 測定條件:依據JIS-K7105 測定溫度:室溫(25℃)
(厚度測定) 於膜的製造中,使用雷射式非接觸線上膜厚計(山文電氣公司製造,NSM-RM),在退火步驟後所設置的可測定厚度的位置上,以採樣間距為1 mm、測定寬度為1000 mm、解析度為0.2 μm、感測器移動速度為60 mm/s、作為雜訊去除處理的20次移動平均的條件測定膜的厚度。根據測定資料內的厚度最大值Tmax
(μm)及最小值Tmin
(μm),基於下式1來求出厚度的差R。 [式1]··R(μm)=Tmax
-Tmin
另外,根據厚度R及厚度平均值TAve
(μm),基於下式2來求出厚度不均R%,並且求出膜的厚度的標準偏差σ。 [式2] ··R%=(R/TAve
)×100
(峰值A及峰值B的個數測定) 根據藉由利用所述線上膜厚計的厚度的測定所獲得的表示高分子壓電膜的寬度方向的位置與高分子壓電膜的厚度的關係的波形,利用已述的方法求出峰值A與峰值B的個數。 峰值A:峰值高度為1.5 μm以上,且峰值斜度為0.000035以上。 峰值B:峰值高度為1.5 μm以上,且峰值斜度為0.00008以上。
(外觀) 針對於目視及正交偏光鏡下觀察高分子壓電膜時的外觀,藉由以下的基準來進行評價。 目視 A:於膜的透過圖像中看不到變形 B:於膜的透過圖像中幾乎看不到變形 C:於膜的透過圖像中可看到變形 正交偏光鏡下 A:幾乎看不到對應於相位差不均的顏色不均 B:不太看得到對應於相位差不均的顏色不均 C:可看到對應於相位差不均的顏色不均
[表2]
如表2所示,可知與峰值A的個數超過20個的比較例1相比,峰值A的個數為20個以內的各實施例的厚度的不均減少。 另外,各實施例的壓電常數的最大值與最小值的差R、及壓電常數的標準偏差σ的值小於比較例1的壓電常數的各數值。藉此,可知與比較例1相比,各實施例的壓電常數的不均減少。 進而,實施例1及實施例2與比較例1儘管厚度的差R、厚度的不均R%、及厚度的標準偏差σ為相同程度,但與比較例1相比,實施例1及實施例2的壓電常數的不均減少。由此,可知即便以厚度整體的平均的資訊(R、R%、σ)變小的方式製造膜,有時亦難以減少壓電常數的不均。同樣地,實施例1及實施例2的外觀優於比較例1,因此可知即便以使厚度整體的平均的資訊(R、R%、σ)變小的方式製造膜,有時亦難以改善外觀。
於2014年11月14日申請的日本專利申請案2014-231857中所揭示的全部內容可藉由參照而被併入至本說明書中。 本說明書中所記載的所有文獻、專利申請案、及技術規格是以與如下情況相同的程度,藉由參照而被併入至本說明書中,所述情況是具體地且個別地記載藉由參照而併入各個文獻、專利申請案、及技術規格的情況。
H1、H2、H3‧‧‧峰值高度
L1、L2、L3‧‧‧峰值間距離
P1‧‧‧第1峰值
P2‧‧‧第2峰值
P3‧‧‧第3峰值
圖1是顯示表示本實施形態的高分子壓電膜的寬度方向的位置與厚度的關係的波形的一例的圖。
Claims (13)
- 一種高分子壓電膜,其包括重量平均分子量為5萬~100萬的具有光學活性的螺旋手性高分子(A),藉由示差掃描熱量法所獲得的結晶度為20%~80%,將藉由微波透過型分子配向計所測定的基準厚度設為50μm時的標準化分子配向MORc為3.5~15.0,且於藉由線上膜厚計所測定的表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,峰值A的個數於每1000mm的膜寬中為20個以下,峰值A:峰值高度為1.5μm以上,且峰值斜度為0.000035以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的高分子壓電膜,其中於藉由所述線上膜厚計所測定的所述表示膜的寬度方向的位置與膜的厚度的關係的波形中,峰值B的個數於每1000mm的膜寬中為12個以下,峰值B:峰值高度為1.5μm以上,且峰值斜度為0.00008以上。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為50%以下,且於25℃下藉由應力-電荷法所測定的壓電常數d14為1pC/N以上。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為13%以下。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中所述螺旋手性高分子(A)為具有包含由式(1)所表示的重複單元的主鏈的聚乳酸系高分子,
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中所述螺旋手性高分子(A)的含量為80質量%以上。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中所述標準化分子配向MORc與所述結晶度的積為40~700。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中相對於可見光線的內部霧度為1.0%以下。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中相對於所述螺旋手性高分子(A)100質量份,含有穩定劑(B)0.01質量份~10質量份,所述穩定劑(B)具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基、及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基且重量平均分子量為200~60000。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜, 其中所述峰值A的個數於每1000mm的膜寬中為15個以下。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值A的個數於每1000mm的膜寬中為10個以下。
- 如申請專利範圍第2項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值B的個數於每1000mm的膜寬中為10個以下。
- 如申請專利範圍第2項所述的高分子壓電膜,其中所述峰值B的個數於每1000mm的膜寬中為8個以下。
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