WO2019239867A1 - 圧電性繊維複合体、及び圧電性衣料 - Google Patents

圧電性繊維複合体、及び圧電性衣料 Download PDF

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WO2019239867A1
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piezoelectric fiber
piezoelectric
fiber assembly
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fiber composite
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石黒　健司
豊 村井
幸一 細谷
修 大西
大次 玉倉
貴文 井上
辻　雅之
健一郎 宅見
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花王株式会社
岡本株式会社
株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric fiber composite that exhibits antibacterial properties and piezoelectric clothing.
  • Patent Document 1 a piezoelectric fabric formed by a yarn including a piezoelectric base material has been proposed.
  • the piezoelectric fabric described in Patent Document 1 is a fabric in which a piezoelectric effect is expressed by an external stimulus (for example, physical force).
  • an external stimulus for example, physical force
  • Patent Document 2 a cloth that exhibits antibacterial properties by external energy has been proposed.
  • an object of one embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric fiber composite that exhibits antibacterial properties with small energy.
  • a piezoelectric fiber composite according to an embodiment of the present invention is composed of a base material portion and a piezoelectric fiber that generates a charge by energy from the outside, and a piezoelectric fiber assembly having a different expansion ratio from the base material portion, A joining portion that joins the base material portion and the piezoelectric fiber assembly.
  • a piezoelectric fiber composite includes a base material portion, a piezoelectric fiber assembly including a piezoelectric fiber that generates a charge by external energy, the base material portion, and the piezoelectric fiber assembly. And a plurality of joints for joining together.
  • the piezoelectric fiber assembly is extensible between at least two of the joints in use.
  • the piezoelectric fiber composite When receiving energy from the outside, the piezoelectric fiber composite according to an embodiment of the present invention generates an electric field between at least two piezoelectric fibers that have different potentials when a charge is generated, or a predetermined potential of a human body or the like. When close to an object having a ground potential (including ground potential), an electric field is generated between the piezoelectric fiber and the object having the predetermined potential.
  • the piezoelectric fiber composite when receiving energy from the outside, causes a current to flow between moisture or the like between at least two piezoelectric fibers that have different potentials when charges are generated, Alternatively, when close to an object having a predetermined potential (including a ground potential) such as a human body, an electric current is passed between the piezoelectric fiber and the object having the predetermined potential via moisture such as sweat.
  • a predetermined potential including a ground potential
  • the piezoelectric fiber composite of one embodiment of the present invention exhibits antibacterial properties for the following reasons.
  • a piezoelectric fiber composite is an electric field generated when applied to an object (such as clothing, a medical product such as a mask, or a filter used in an electrical product) used in the vicinity of an object having a predetermined potential such as a human body.
  • the direct action of electric current produces an effect that the cell membrane of the fungus and the electron transfer system for sustaining the life of the fungus are disturbed, and the fungus is killed or the fungus is weakened.
  • oxygen contained in moisture may be changed to active oxygen species by an electric field or current.
  • oxygen radicals may be generated in the bacterial cells due to a stress environment due to the presence of an electric field or current.
  • bacteria are killed or weakened by the action of reactive oxygen species containing these radicals.
  • the above-mentioned reasons may be combined to exhibit an antibacterial effect.
  • the “antibacterial” referred to in the present invention is a concept including both an effect of weakening bacteria and an effect of killing bacteria.
  • the piezoelectric fiber assembly is bonded to the base material portion in a state where the piezoelectric fiber assembly is stretched beyond its natural length or natural length. For this reason, even when a small load is applied to the piezoelectric fiber composite, the load is efficiently transmitted to the piezoelectric fiber assembly, so that antibacterial properties can be expressed with a small amount of energy.
  • a piezoelectric fiber composite that exhibits antibacterial properties with small energy can be realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a piezoelectric fiber composite.
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing an example of a piezoelectric fiber assembly (a state in which the piezoelectric fiber is not stretched), and FIG. 2B is another example of the piezoelectric fiber assembly (a piezoelectric fiber is stretched).
  • FIG. 3A is a partially exploded view showing an example of the configuration of the piezoelectric fiber
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3A
  • FIG. 3D is a partially exploded view showing another example of the configuration of the piezoelectric fiber
  • FIG. 3D is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3C.
  • FIG. 3A is a partially exploded view showing an example of the configuration of the piezoelectric fiber assembly (a state in which the piezoelectric fiber is not stretched)
  • FIG. 2B is another example of the piezoelectric fiber assembly (a
  • FIG. 4 (A) is a diagram illustrating an example of the relationship between the uniaxial stretching direction of polylactic acid, the electric field direction, and the deformation of the piezoelectric fiber
  • FIG. 4 (B) is a uniaxial stretching direction of polylactic acid; It is a figure which shows another example of the relationship between an electric field direction and a deformation
  • FIG. 5A is a diagram illustrating an example of shear stress (shear stress) generated in each filament when tension is applied to the piezoelectric fiber
  • FIG. 5B is a diagram illustrating each filament when tension is applied to the piezoelectric fiber. It is a figure which shows another example of the shear stress (shear stress) which arises in a.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an electric field in the piezoelectric fiber assembly.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a change in stress over time in a state where a load is applied to the piezoelectric fiber assembly.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a sock to which the piezoelectric fiber composite is applied.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an example of the piezoelectric fiber composite according to the first modification.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a sanitary article to which the piezoelectric fiber composite according to the first modification is applied.
  • FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an example of a piezoelectric fiber composite according to Modification 2.
  • FIG. 12 is a configuration diagram illustrating an example of a piezoelectric fiber composite according to Modification 3.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a piezoelectric fiber composite 1.
  • the piezoelectric fiber composite 1 includes a base material portion 2, a piezoelectric fiber assembly 3, and a plurality (two in FIG. 1) of joint portions 4.
  • the piezoelectric fiber composite 1 has, for example, a two-layer structure in which the piezoelectric fiber assembly 3 is disposed on the main surface (one surface) of the base material portion 2.
  • the base material portion 2 is, for example, a fabric (for example, a knitted fabric, a woven fabric, or a non-woven fabric) composed of fibers (filaments).
  • the expansion / contraction rate of the base material portion 2 is lower than the expansion / contraction rate of the piezoelectric fiber assembly 3.
  • the base material portion 2 is less likely to expand (deform) than the piezoelectric fiber assembly 3 even when external energy (for example, tension P1) is applied. Since the base material portion 2 is less likely to expand and contract, the piezoelectric fiber composite 1 can reduce damage such as tearing due to external energy being applied.
  • the piezoelectric fiber composite 1 can be applied to thin materials such as clothing and cover sheets.
  • the base material part 2 may be comprised with the fiber (filament) formed with the raw material with a low expansion-contraction rate. Moreover, the base material part 2 may be formed so that an expansion / contraction rate may become low with the structure, such as a nonwoven fabric. Moreover, the base material part 2 may be formed of a monofilament or a multifilament. Furthermore, the base material part 2 is not limited to the example of the fabric comprised by the fiber, Resin and metal formed in paper or a sheet form may be sufficient. Moreover, the base material part 2 is not limited to sheet shape like a fabric, You may form in shapes other than a sheet shape, for example, a thick plate shape. Moreover, the base material part 2 may be formed in strip shape or frame shape, for example.
  • the plurality of joints 4 join the base member 2 and the piezoelectric fiber assembly 3 together.
  • the plurality of joining portions 4 join (fix) the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material portion 2 by sewing or the like.
  • the plurality of joining portions 4 join the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material portion 2 at both ends in one direction (extension direction) E1 of the piezoelectric fiber assembly 3.
  • the plurality of joint portions 4 are preferably arranged so as to face each other in the extending direction E1 of the piezoelectric fiber assembly 3.
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing an example of the piezoelectric fiber assembly 3 according to the present embodiment (a state in which the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are not stretched).
  • FIG. 2B is a schematic diagram illustrating another example of the piezoelectric fiber assembly 3 (a state in which the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are stretched).
  • FIG. 3A is a partially exploded view showing an example of the configuration of the piezoelectric fiber 31 constituting the piezoelectric fiber assembly 3.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3C is a partially exploded view showing an example of the configuration of the piezoelectric fiber 32.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is stretchable, and expands and contracts (stretches) between the joint portions 4 facing each other in the stretch direction E1 among the plurality of joint portions 4.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 includes a piezoelectric fiber 31 and a piezoelectric fiber 32, as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B).
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is a knitted fabric knitted using the piezoelectric fibers 31 and the piezoelectric fibers 32 as knitting yarns.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 expands and contracts by external energy. For example, when the tension P1 is applied, the piezoelectric fiber assembly 3 expands from the state shown in FIG. 2 (A) to the state shown in FIG. 2 (B).
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is configured to easily extend in the extension direction E1 when the tension P1 is applied.
  • each of the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 includes a plurality of filaments 300 having piezoelectricity (FIG. 3).
  • FIG. 3 A
  • FIG. 3 (B), FIG. 3 (C) and FIG. 3 (D) form a twisted yarn (multifilament yarn).
  • the piezoelectric fiber 31 is a right turning yarn (hereinafter referred to as S yarn) twisted by turning the filament 300 to the right.
  • the piezoelectric fiber 32 is a left-handed yarn (hereinafter referred to as a Z yarn) twisted by turning the filament 300 to the left.
  • the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 have shown the piezoelectric fiber aggregate
  • the filament 300 is a fiber having a circular cross section as shown in FIGS. 3 (B) and 3 (D).
  • the filament 300 is a charge generation fiber (charge generation yarn) that generates charges when external energy is applied. For example, when the tension P1 is applied to the piezoelectric fiber 31 or the piezoelectric fiber 32, the filament 300 generates an electric charge.
  • the filament 300 is made of a functional polymer (for example, a piezoelectric polymer).
  • An example of the piezoelectric polymer is polylactic acid (PLA).
  • Polylactic acid (PLA) is a piezoelectric polymer that does not have pyroelectricity. Polylactic acid has piezoelectricity by being uniaxially stretched.
  • Polylactic acid includes PLLA in which an L monomer is polymerized and PDLA in which a D monomer is polymerized.
  • the filament 300 may further contain a material other than the functional polymer as long as it does not inhibit the function of the functional polymer. Further, the filament 300 is not limited to a circular cross section.
  • Polylactic acid is a chiral polymer, and the main chain has a helical structure.
  • Polylactic acid has piezoelectricity when uniaxially stretched and its molecules are oriented. If the crystallinity is increased by further applying heat treatment, the piezoelectric constant increases. Since polylactic acid has piezoelectricity due to molecular orientation by stretching, it is not necessary to perform poling treatment unlike other piezoelectric polymers or piezoelectric ceramics such as PVDF (polyvinylidene fluoride).
  • the piezoelectric constant of uniaxially stretched polylactic acid is about 5 to 30 pC / N, and has a very high piezoelectric constant among polymers. Furthermore, the piezoelectric constant of polylactic acid does not vary with time and is extremely stable.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of the relationship between the uniaxial stretching direction 900 of the L-form polylactic acid (PLLA), the electric field direction, and the deformation of the filament 300.
  • FIG. 4B is a diagram showing another example of the relationship between the uniaxial stretching direction 900 of the L-form polylactic acid, the electric field direction, and the deformation of the filament 300.
  • 4A and 4B are diagrams when the filament 300 is assumed to be a film shape as a model case.
  • the filament 300 made of uniaxially stretched polylactic acid defines the thickness direction as the first axis, the uniaxial stretch direction 900 as the third axis, and the direction perpendicular to both the first axis and the third axis as the second axis, having a tensor components of d 14 and d 25 as the piezoelectric strain constant. Therefore, the filament 300 made of uniaxially stretched polylactic acid generates charges most efficiently when strain occurs in a direction of 45 degrees with respect to the uniaxial stretch direction 900.
  • the filament 300 When the filament 300 is PLLA and contracts in the direction of the first diagonal line 910A and extends in the direction of the second diagonal line 910B orthogonal to the first diagonal line 910A as shown in FIG. An electric field is generated in the direction facing That is, the filament 300 generates a negative charge on the front side of the sheet.
  • FIG. 4B when the filament 300 extends in the direction of the first diagonal line 910A and contracts in the direction of the second diagonal line 910B, charge is generated, but the polarity is reversed, and the surface of the paper surface An electric field is generated in the direction facing the back side. That is, the filament 300 generates a positive charge on the front side of the sheet.
  • the uniaxial stretching direction 900 of the filament 300 is coincident with or parallel to the axial direction of the filament 300. As shown in FIG. 3A, the uniaxial stretching direction 900 of the filament 300 in the piezoelectric fiber 31 is inclined to the left on the paper surface with respect to the axial direction 30A of the piezoelectric fiber 31. In addition, the uniaxial stretching direction 900 of the filament 300 in the piezoelectric fiber 32 is inclined to the right on the paper surface with respect to the axial direction 30B of the piezoelectric fiber 32 as shown in FIG.
  • the inclination of the uniaxial stretching direction 900 of the filament 300 with respect to the axial directions 30A and 30B of the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 depends on the number of twists of the piezoelectric fiber 31 or the piezoelectric fiber 32. That is, the inclination of the uniaxial stretching direction 900 with respect to the respective axial directions of the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 is not limited to the angle shown in FIGS. 3 (A) and 3 (C).
  • the inclination of the uniaxial stretching direction 900 with respect to the axial direction 30 ⁇ / b> A of the piezoelectric fiber 31 only needs to intersect at least the axial direction 30 ⁇ / b> A of the piezoelectric fiber 31.
  • the inclination of the uniaxial stretching direction 900 with respect to the axial direction 30B of the piezoelectric fiber 32 only needs to intersect at least the axial direction 30B of the piezoelectric fiber 32.
  • FIG. 5 (A) is a diagram showing shear stress (shear stress) S1 generated in each filament 300 when tension P1 is applied to the piezoelectric fiber 31.
  • FIG. FIG. 5B is a diagram showing a shear stress (shear stress) S ⁇ b> 1 generated in each filament 300 when a tension P ⁇ b> 1 is applied to the piezoelectric fiber 32.
  • the tension P1 shown in FIG. 5A is a force that pulls the piezoelectric fiber 31 toward the axial direction 30A of the piezoelectric fiber 31 and the opposite direction.
  • the tension P1 shown in FIG. 5B is a force that pulls the piezoelectric fiber 32 in the axial direction 30B of the piezoelectric fiber 32 and in the opposite direction.
  • the angle A1 is an angle of distortion generated with respect to the uniaxial stretching direction 900 of each filament 300 when the tension P1 is applied to the piezoelectric fiber 31.
  • the angle A ⁇ b> 2 is an angle of strain generated with respect to the uniaxial stretching direction 900 of each filament 300 when the tension P ⁇ b> 1 is applied to the piezoelectric fiber 32.
  • the direction corresponding to the second diagonal line 910B is a direction parallel to the direction in which the tension P1 is applied.
  • the shear stress S1 is a force that works in a direction parallel to the tension P1.
  • each filament 300 when the tension P1 is applied to the piezoelectric fiber assembly 3, in the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32, each filament 300 generates an electric charge due to shear stress, and an electric field is generated.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an electric field in the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32.
  • the arrows shown in FIG. 6 indicate the direction of the electric field.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is a knitted fabric using the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 formed of the piezoelectric filament 300 as a knitting yarn, the piezoelectric fiber assembly 3 is piezoelectric compared to the case where the piezoelectric fiber 31 or the piezoelectric fiber 32 is used alone. A larger electric field can be generated between the fiber 31 and the piezoelectric fiber 32.
  • the growth of bacteria and fungi can be suppressed by an electric field. Further, a current may flow through a current path formed by moisture or the like, or a circuit formed by a micro discharge phenomenon or the like, due to a potential generating this electric field. It is considered that this current weakens the bacteria and suppresses the growth of the bacteria.
  • the bacterium referred to in the present embodiment includes bacteria, fungi, archaea, or microorganisms such as mites and fleas.
  • an electric field is generated in the piezoelectric fiber assembly 3 when the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are extended by external energy (tension P1). That is, the piezoelectric fiber assembly 3 composed of the piezoelectric fibers 31 and the piezoelectric fibers 32 exhibits antibacterial properties by expanding and contracting with external energy.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is fixed to the base material part 2 by at least two joining parts 4. Then, as shown in FIG. 2B, the piezoelectric fiber assembly 3 maintains a state of being stretched in the stretching direction E1 by the tension P2. While the piezoelectric fiber assembly 3 maintains the stretched state by the tension P2 (hereinafter simply referred to as the stretched state), the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 expand and contract by a small external energy.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is in a state of being stretched with a tension P2 of 0.5 N or more, for example. That is, it is assumed that the piezoelectric fiber assembly 3 is bonded to the base member 2 in a state where a desired external energy (for example, load (tension) P2) is applied as shown in FIG.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched by the tension P2 and further pulled by the tension P1 to increase the elongation, so that the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are further stretched in the stretching direction E1.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 may be joined to the base material part 2 so that tension
  • the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 expand and contract with a small external energy compared to the state where the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are not stretched by the tension P2.
  • the piezoelectric fiber composite 1 the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 expand and contract with a small external energy in a state where the piezoelectric fiber assembly 3 is expanded.
  • the piezoelectric fiber composite 1 has antibacterial properties when the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched, and the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 generate an electric charge by stretching with a small external energy, and an electric field is generated.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched by a tension P2 of 0.5 N or more.
  • the piezoelectric garments to which the piezoelectric fiber composite 1 is applied exhibit antibacterial properties with energy such as minute movements of the wearer.
  • the piezoelectric fiber composite 1 is applied to a mask, when the wearer wears the piezoelectric mask, the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched by a tension P2 of 0.5 N or more.
  • the piezoelectric mask expands and contracts with small energy due to the wearer's breathing and the like. Piezoelectric masks generate electric charges by stretching with a small amount of energy generated by the wearer's breathing and the like, and exhibit antibacterial properties by generating an electric field.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a change in stress with the lapse of time by fixing both ends of the piezoelectric fiber assembly 3 in the extension direction with a predetermined load applied for 18 hours.
  • the vertical axis of the graph in FIG. 7 is stress (unit is MPa), and the horizontal axis is elapsed time (unit is time).
  • the piezoelectric fiber assembly 3 generates stress against the load when a load is applied.
  • the stress generated in the piezoelectric fiber assembly 3 gradually decreases with time.
  • the stress applied to the piezoelectric fiber assembly 3 gradually increases and decreases while gradually decreasing.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 when the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched, the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 repeat microscopic expansion and contraction as shown by the change in stress. Thus, since the piezoelectric fiber assembly 3 expands and contracts in the stretched state, the piezoelectric fiber assembly 3 generates an electric field in the piezoelectric fiber assembly 3 and exhibits antibacterial properties.
  • the “antibacterial” referred to in the present embodiment is a concept including both an effect of weakening bacteria and an effect of killing bacteria.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 in an expanded state generates an electric field due to a small deformation of the piezoelectric fiber assembly 3 due to a minute movement of the wearer. Further, the piezoelectric fiber assembly 3 generates an electric field in a stretched state by applying a small external force energy in the environment at the time of use due to, for example, vibration. As described above, the piezoelectric fiber composite 1 exhibits antibacterial properties with small energy in the stretched state.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is not stretched when the user (wearer) is not using (wearing), and is fixed to the base material portion 2 by the joint portion 4 so as to stretch during use (wearing). May be. Thereby, since the piezoelectric fiber composite body 1 expand
  • the piezoelectric fiber assembly 3 may be fixed to the base material part 2 by the joint part 4 in an expanded state. That is, the piezoelectric fiber assembly 3 may be fixed to the base material portion 2 by the joint portion 4 in a state where the piezoelectric fiber assembly 3 is previously stretched from the natural length. Thereby, the user can use the piezoelectric clothing, the piezoelectric sheet, or the piezoelectric filter to which the piezoelectric fiber composite 1 is applied without worrying about the external energy in use, for example, the tension.
  • the natural length of the piezoelectric fiber assembly 3 is a length in a state where no load is applied to the piezoelectric fiber assembly 3.
  • the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 cause an electric current to flow through moisture such as sweat when approaching an object having a predetermined potential such as a human body, the antibacterial effect may be directly exhibited. Furthermore, radical species in which oxygen contained in moisture is changed by the action of electric current and voltage, radical species generated by interaction with and additives in fibers, and other antibacterial chemical species (amine derivatives, etc.) ) May indirectly exert antibacterial effects. As the radical species, generation of a superoxide anion radical (active oxygen) or a hydroxy radical can be considered.
  • the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 generate an electric field due to a potential difference caused by the generated charges. This electric field leaks to the nearby space and forms a combined electric field with other parts.
  • the potential generated in the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 is close to an object having a predetermined potential that is close, for example, a predetermined potential (including a ground potential) such as a human body. An electric field is generated between the object and the object.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a sock 5 to which the piezoelectric fiber composite 1 is applied.
  • the sock 5 is a piezoelectric garment in which the piezoelectric fiber composite 1 is applied to the heel portion 50 as shown in FIG.
  • the heel portion 50 of the sock 5 is formed such that the piezoelectric fiber assembly 3 is on the wearer's body side and the base material portion 2 is on the outside. That is, the piezoelectric fiber composite 1 applied to the heel portion 50 of the sock 5 has a two-layer structure including the inner piezoelectric fiber assembly 3 and the outer base material portion 2. It is assumed that a portion (non-piezoelectric portion) 51 other than the heel of the sock 5 is formed of the same material as the base material portion 2.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is fixed to the base member 2 by sewing or the like at both ends in the front-rear direction.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 is joined to the base member 2 so that when the wearer wears the socks 5, the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched in the stretching direction E1 by a desired tension (for example, 0.5 N or more).
  • the piezoelectric fiber assembly 3 generates an electric field in response to a minute movement of the wearer's heel in a state of being stretched by a desired tension.
  • the sock 5 which applied the piezoelectric fiber composite 1 to the heel part 50 expresses antibacterial property by small external energy.
  • the base material portion 2 is a fabric that is hard to stretch (deform) and is sturdy. In this case, the presence of the base material portion 2 in the heel portion 50 of the sock 5 can further reduce damage due to rubbing or the like as compared to the case where the heel portion 50 does not have the base material portion 2.
  • the sock 5 exhibits antibacterial properties with small external energy while reducing damage to the heel portion 50.
  • the material of the non-piezoelectric portion 51 may be a material different from that of the base material portion 2. Moreover, the non-piezoelectric part 51 and the base material part 2 may be integrally formed.
  • the piezoelectric fiber composite 1 can be applied to various clothing, medical members, electrical products, and the like.
  • the piezoelectric fiber composite 1 includes socks, underwear, gauze, masks, sanitary goods (sanitary shorts, disposable paper diapers, cloth diapers, diaper covers, etc.), various filters (filters for water purifiers, air conditioners or air purifiers, etc.) ), Seats (seats for cars, trains, airplanes, etc.), and the like.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an example of the piezoelectric fiber composite 1A according to the first modification.
  • the piezoelectric fiber composite 1 ⁇ / b> A is different from the above-described piezoelectric fiber composite 1 in that it includes an extension region 301 and a normal region 302.
  • the extension region 301 is, for example, a region that is extended by a desired load (for example, a tension P2 of 0.5 N) when the wearer wears (in use).
  • the normal region 302 is a region other than the stretch region 301 and is a region that expands and contracts depending on the movement of the wearer's body or the shape of the body.
  • the joining portion 4 joins the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material portion 2 by stitching or the like at both ends of the stretching region 301 in the stretching direction E1.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a sanitary article (sanitary shorts) 6 to which the piezoelectric fiber composite 1A according to the first modification is applied.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 includes an extension region 301 and a normal region 302.
  • the extension region 301 is disposed in the lower part of the sanitary shorts 6.
  • the joining portion 4 joins the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material portion 2 at both ends in the front-rear direction of the extension region 301. That is, the extension region 301 extends in the front-rear direction between the two joints 4 in the front-rear direction while the wearer wears the region.
  • the normal region 302 expands and contracts appropriately according to the wearer's movement and the like.
  • the stretched region 301 is stretched while the wearer wears the sanitary shorts 6, so that the electric field is generated by a small external energy compared to the normal region 302.
  • the normal region 302 expands and contracts according to the movement of the wearer's body to generate an electric field and develop antibacterial properties.
  • the extension region 301 expands and contracts with a small amount of external energy that is not noticed by the wearer, so that an electric field is generated and exhibits antibacterial properties.
  • the piezoelectric fiber composite body 1A according to the modified example 1 exhibits the antibacterial effect more effectively because the piezoelectric fiber assembly 3 includes the stretch region 301 and the normal region 302.
  • FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an example of the piezoelectric fiber composite 1B according to the second modification.
  • the piezoelectric fiber composite 1 ⁇ / b> B according to Modification 2 has the above-described piezoelectric fiber composite in which a plurality of joint portions 4 are arranged in the form of dots in the plane direction of the extension region 301. 1 and the piezoelectric fiber composite 1A.
  • the plurality of joint portions 4 may be arranged on one to a plurality of straight lines.
  • the some junction part 4 may be arrange
  • the piezoelectric fiber composite 1B according to Modification 2 has the plurality of joints 4, small external energy is easily transmitted to the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32.
  • the piezoelectric fiber composite 1 ⁇ / b> B according to the modified example 2 has a plurality of joints 4, and exhibits antibacterial properties by expansion and contraction by a small external energy in a state where the piezoelectric fiber assembly 3 is stretched between the joints 4. To do.
  • FIG. 12 is a configuration diagram illustrating an example of the piezoelectric fiber composite 1 ⁇ / b> C according to the third modification.
  • one joint 4 is arranged so as to surround the piezoelectric fiber assembly 3 with two pairs of portions 41 and 42 facing each other, as shown in FIG. Is different from the above-described piezoelectric fiber composite 1, piezoelectric fiber composite 1A, and piezoelectric fiber composite 1B.
  • the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 include Small external energy is easily transmitted.
  • the periphery of the piezoelectric fiber assembly 3 is fixed, for example, in a state where the piezoelectric fiber assembly 3 extends between a pair of facing portions 41, Antibacterial properties are manifested by expansion and contraction with small external energy.
  • the piezoelectric fiber assembly 3 may include yarns other than the S yarn that generates a negative charge on the surface and the Z yarn that generates a positive charge on the surface. By adjusting the usage amount of the Z yarn and the S yarn, the proportion of the polarity of the charge generated according to the application can be adjusted. Further, the piezoelectric fiber 31 may include a yarn (such as cotton yarn) that does not generate electric charge other than the Z yarn and the S yarn. Usually, piezoelectric yarns have a poor touch compared to cotton yarns and the like, so that the skin may be stimulated when worn by the wearer.
  • the touch of the piezoelectric fiber assembly 3 is improved, and the piezoelectric fiber composites 1, 1A, 1B, and 1C are , Relieve irritation to the skin.
  • the piezoelectric fiber composites 1, 1A, 1B, and 1C may be used alone with Z yarn or S yarn. Even when the Z yarn or S yarn is used alone, the piezoelectric fiber composites 1, 1A, 1B and 1C exhibit antibacterial properties.
  • the joint 4 may be U-shaped.
  • the piezoelectric fiber composites 1, 1A, 1B, and 1C can also be used as a method for suppressing bacteria on the body surface of animals other than humans.
  • Piezoelectric fiber composites 1, 1 ⁇ / b> A, 1 ⁇ / b> B are arranged on at least a part of the skin of an animal so that the piezoelectric fiber aggregates 3 face each other and electric charges generated when an external force is applied to the piezoelectric fiber aggregates 3.
  • 1C can suppress the growth of bacteria on the surface of the animal body.
  • the filament 300 may be formed by, for example, a method in which a piezoelectric polymer is extruded to form a fiber, a method in which a piezoelectric polymer is melt-spun and converted into a fiber (for example, spinning / stretching performed separately in a spinning process and a stretching process).
  • Wet spinning for example, a phase separation method or dry-wet spinning method in which a polymer as a raw material is dissolved in a solvent and extruded from a nozzle to make a fiber, or a gel spinning method in which a fiber is uniformly made into a fiber while containing a solvent.
  • a liquid crystal spinning method in which a fiber is formed using a liquid crystal solution or a melt
  • a method in which a piezoelectric polymer is fiberized by electrostatic spinning.
  • the bonding portion 4 may bond the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material portion 2 using an adhesive or the like. Furthermore, the joining part 4 may join the piezoelectric fiber assembly 3 to the base material part 2 by thermocompression bonding.
  • the piezoelectric fiber 31 or the piezoelectric fiber 32 is not limited to a knitted fabric using the filament 300, and may be a woven fabric or a nonwoven fabric using the filament 300.
  • the piezoelectric fiber 31 or the piezoelectric fiber 32 may be a yarn using PDLA.
  • the positive and negative charges generated on the surfaces of the piezoelectric fiber 31 and the piezoelectric fiber 32 are different from those when using a yarn using PLLA.

Abstract

圧電性繊維複合体（１）は、基材部（２）と、外部からのエネルギーにより電荷を発生する圧電繊維（３１、３２）で構成され、前記基材部（２）と伸縮率の異なる圧電繊維集合体（３）と、前記基材部（２）と前記圧電繊維集合体（３）とを接合する接合部（４）と、を備えることを特徴とする。

Description

圧電性繊維複合体、及び圧電性衣料
　本発明は、抗菌性を発現する圧電性繊維複合体、及び圧電性衣料に関する。
　従来から、圧電基材を含む糸によって形成される圧電織物が提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の圧電織物は、外部刺激（例えば物理力）によって圧電効果が発現される織物である。また、外部からのエネルギーによって抗菌性を発現する布が提案されている（特許文献２を参照）。
国際公開第２０１７／１１１１０８号 特許第６２９２３６８号公報
　しかしながら、抗菌性を発現する布（圧電織物）は、小さなエネルギーで抗菌性を発現することが要望されていた。
　そこで、本発明の一実施形態は、小さなエネルギーによって抗菌性を発現する圧電性繊維複合体を提供することを目的とする。
　本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、基材部と、外部からのエネルギーにより電荷を発生する圧電繊維で構成され、前記基材部と伸縮率の異なる圧電繊維集合体と、前記基材部と前記圧電繊維集合体とを接合する接合部と、を備える。
　本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、基材部と、外部からのエネルギーにより電荷を発生する圧電繊維で構成された圧電繊維集合体と、前記基材部と前記圧電繊維集合体とを接合する複数の接合部と、を備える。前記圧電繊維集合体は、使用時に少なくとも２つの前記接合部の間で伸張可能である。
　なお、使用時とは、例えば圧電性繊維複合体を衣料に用いる場合は着用中を意味する。
　電場により細菌及び真菌等の増殖を抑制できる事が知られている（例えば、土戸哲明，高麗寛紀，松岡英明，小泉淳一著、講談社：微生物制御－科学と工学を参照。また、例えば、高木浩一，高電圧・プラズマ技術の農業・食品分野への応用，J.HTSJ，Vol.51，No.216を参照）。また、この電場を生じさせている電位により、湿気等で形成された電流経路、又はミクロな放電現象等で形成された回路を電流が流れることがある。この電流により菌が弱体化し菌の増殖を抑制することが考えられる。外部からエネルギーを受けた際、本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、電荷を発生した時に異なる電位となる少なくとも２つの圧電繊維の間で電場が生じ、あるいは人体等の所定の電位（グランド電位を含む。）を有する物に近接した場合に、該圧電繊維と該所定の電位を有する物との間で電場を生じる。あるいは、外部からエネルギーを受けた際、本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、電荷が発生した時に異なる電位となる少なくとも２つの圧電繊維の間で水分等を介して電流を流し、あるいは人体等の所定の電位（グランド電位を含む。）を有する物に近接した場合に、汗等の水分を介して該圧電繊維と該所定の電位を有する物との間で電流を流す。
　したがって、本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、以下のような理由により抗菌性を発現する。圧電性繊維複合体は、人体等の所定の電位を有する物に近接して用いられる物（衣料、マスク等の医療用品、又は電気製品に使用されるフィルタ等）に適用した場合に発生する電場又は電流の直接的な作用によって、菌の細胞膜や菌の生命維持のための電子伝達系に支障が生じ、菌が死滅する、あるいは菌が弱体化する、という効果を奏する。さらに、圧電性繊維複合体では、電場もしくは電流によって水分中に含まれる酸素が活性酸素種に変化する場合がある。または、圧電性繊維複合体では、電場もしくは電流の存在によるストレス環境により菌の細胞内に酸素ラジカルが生成される場合がある。圧電性繊維複合体では、これらのラジカル類を含む活性酸素種の作用により菌が死滅する、又は弱体化する。また、圧電性繊維複合体では、上述の理由が複合して抗菌効果を発揮する場合もある。なお、本発明で言う「抗菌」とは、菌が弱体化する効果、また菌を死滅する効果の両方を含む概念である。
　本発明の一実施形態の圧電性繊維複合体は、圧電繊維集合体を、その自然長もしくは自然長よりも伸張させた状態で、基材部に接合している。このため、圧電性繊維複合体に小さな負荷が加えられた場合でも、負荷が圧電繊維集合体に効率よく伝わるので、小さなエネルギーで抗菌性を発現することができる。
　本発明の一実施形態によれば、小さなエネルギーによって抗菌性を発現する圧電性繊維複合体を実現することができる。
図１は、圧電性繊維複合体の構成の一例を示す構成図である。 図２（Ａ）は、圧電繊維集合体の一例（圧電繊維が伸張していない状態）を示す模式図であり、図２（Ｂ）は、圧電繊維集合体の別の例（圧電繊維が伸張している状態）を示す模式図である。 図３（Ａ）は、圧電繊維の構成の一例を示す一部分解図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ－Ａ線における断面図であり、図３（Ｃ）は、圧電繊維の構成の別の例を示す一部分解図であり、図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＢ－Ｂ線における断面図である。 図４（Ａ）は、ポリ乳酸の一軸延伸方向と、電場方向と、圧電繊維の変形と、の関係の一例を示す図であり、図４（Ｂ）は、ポリ乳酸の一軸延伸方向と、電場方向と、圧電繊維の変形と、の関係の別の例を示す図である。 図５（Ａ）は、圧電繊維に張力が加わった時に各フィラメントに生じるずり応力（せん断応力）の一例を示す図であり、図５（Ｂ）は、圧電繊維に張力が加わった時に各フィラメントに生じるずり応力（せん断応力）の別の例を示す図である。 図６は、圧電繊維集合体における電場の一例を示す図である。 図７は、圧電繊維集合体に荷重を加えた状態において、時間の経過に対する応力の変化の一例を示す説明図である。 図８は、圧電性繊維複合体を適用した靴下を示す模式図である。 図９は、変形例１にかかる圧電性繊維複合体の例を示す構成図である。 図１０は、変形例１にかかる圧電性繊維複合体を適用したサニタリー用品を示す模式図である。 図１１は、変形例２にかかる圧電性繊維複合体の例を示す構成図である。 図１２は、変形例３にかかる圧電性繊維複合体の例を示す構成図である。
　実施形態にかかる圧電性繊維複合体１について図を参照して説明する。図１は、圧電性繊維複合体１の一例を示す構成図である。圧電性繊維複合体１は、図１に示すように、基材部２と、圧電繊維集合体３と、複数（図１では２つ）の接合部４とを備える。圧電性繊維複合体１は、例えば、基材部２の主面（一面）に圧電繊維集合体３が配置される２層構造である。
　基材部２は、例えば、繊維（フィラメント）で構成された布帛（例えば、編物、織物又は不織布）である。基材部２の伸縮率は、圧電繊維集合体３の伸縮率よりも低い。言い換えると、基材部２は、外部エネルギー（例えば、張力Ｐ１）が加えられたとしても、圧電繊維集合体３よりも伸張（変形）しにくい。基材部２が伸縮しにくいことで、圧電性繊維複合体１は、外部エネルギーが加えられることによる破れ等の破損が軽減できる。基材部２が上述のように構成されることで、圧電性繊維複合体１は、例えば、衣料、カバーシートのような薄手のものに適用することができる。
　なお、基材部２は、伸縮率が低い素材によって形成された繊維（フィラメント）で構成されていてもよい。また、基材部２は、不織布など、その構造によって伸縮率が低くなるように形成されてもよい。また、基材部２は、モノフィラメント又はマルチフィラメントによって形成されてもよい。さらに、基材部２は、繊維で構成された布帛の例に限定されず、紙又はシート状に形成された樹脂、金属でもよい。また、基材部２は、布帛のようなシート状に限定されず、シート状以外の形状、例えば厚板状に形成されてもよい。また、基材部２は、例えば、短冊状又は枠状に形成されてもよい。
　複数の接合部４は、基材部２と圧電繊維集合体３とを接合する。複数の接合部４は、縫合などによって、圧電繊維集合体３を基材部２に接合（固定）している。複数の接合部４は、例えば、圧電繊維集合体３の一方向（伸張方向）Ｅ１の両端で圧電繊維集合体３を基材部２に接合している。複数の接合部４は、圧電繊維集合体３の伸張方向Ｅ１で向かいあうように配置されていることが好ましい。
　図２（Ａ）は、本実施形態にかかる圧電繊維集合体３の一例（圧電繊維３１及び圧電繊維３２が伸張していない状態）を示す模式図である。図２（Ｂ）は、圧電繊維集合体３の別の例（圧電繊維３１及び圧電繊維３２が伸張している状態）を示す模式図である。図３（Ａ）は、圧電繊維集合体３を構成する圧電繊維３１の構成の一例を示す一部分解図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ－Ａ線における断面図である。図３（Ｃ）は、圧電繊維３２の構成の一例を示す一部分解図である。図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）のＢ－Ｂ線における断面図である。
　圧電繊維集合体３は、図１に示すように、伸張可能であって、複数の接合部４のうち伸張方向Ｅ１上で向かい合う接合部４の間で伸縮（伸張）する。圧電繊維集合体３は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、圧電繊維３１と、圧電繊維３２とで構成されている。圧電繊維集合体３は、圧電繊維３１及び圧電繊維３２を編糸として用いて編んだ編物である。圧電繊維集合体３は、外部エネルギーによって伸縮する。例えば、圧電繊維集合体３は、張力Ｐ１が加えられると、図２（Ａ）で示される状態から図２（Ｂ）に示される状態に伸張する。このように、圧電繊維集合体３は、張力Ｐ１が加えられた場合、伸張方向Ｅ１に伸張し易いように構成されている。
　ここで、圧電繊維３１及び圧電繊維３２について、詳細に説明する。圧電繊維３１及び圧電繊維３２のそれぞれは、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示すように、圧電性を有するフィラメント３００を複数（図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）では７本）撚ってなる糸（マルチフィラメント糸）を構成する。圧電繊維３１は、図３（Ａ）に示すように、フィラメント３００を右旋回して撚られた右旋回糸（以下Ｓ糸と呼ぶ）である。圧電繊維３２は、図３（Ｃ）に示すように、フィラメント３００を左旋回して撚られた左旋回糸（以下、Ｚ糸と呼ぶ）である。
　なお、圧電繊維３１及び圧電繊維３２は、一例としてそれぞれ７本のフィラメント３００が撚られてなる圧電繊維集合体を示しているが、フィラメント３００の本数はこれに限られず、実際には用途等を鑑みて、適宜設定される。
　フィラメント３００は、図３（Ｂ）及び図３（Ｄ）に示すように、断面が円形状の繊維である。フィラメント３００は、外部エネルギーが加わることにより電荷を発生する電荷発生繊維（電荷発生糸）である。例えば、圧電繊維３１又は圧電繊維３２に張力Ｐ１が加えられることで、フィラメント３００は電荷を発生する。フィラメント３００は、機能性高分子（例えば、圧電性ポリマー）からなる。圧電性ポリマーとしては、例えばポリ乳酸（ＰＬＡ）が挙げられる。また、ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、焦電性を有していない圧電性ポリマーである。ポリ乳酸は、一軸延伸されることで圧電性を有する。ポリ乳酸には、Ｌ体モノマーが重合したＰＬＬＡと、Ｄ体モノマーが重合したＰＤＬＡと、がある。なお、フィラメント３００は機能性高分子の機能を阻害しないものであれば、機能性高分子以外のものをさらに含んでいてもよい。また、フィラメント３００は、断面が円形状のものに限定されない。
　なお、ポリ乳酸は、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。ポリ乳酸は、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。さらに熱処理を加えて結晶化度を高めると圧電定数が高くなる。ポリ乳酸は、延伸による分子の配向で圧電性を有するため、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の他の圧電性ポリマー又は圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。一軸延伸されたポリ乳酸の圧電定数は、５～３０ｐＣ／Ｎ程度であり、高分子の中では非常に高い圧電定数を有する。さらに、ポリ乳酸の圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。
　図４（Ａ）は、Ｌ体のポリ乳酸（ＰＬＬＡ）の一軸延伸方向９００と、電場方向と、フィラメント３００の変形と、の関係の一例を示す図である。図４（Ｂ）は、Ｌ体のポリ乳酸の一軸延伸方向９００と、電場方向と、フィラメント３００の変形と、の関係の別の例を示す図である。なお、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、モデルケースとして、フィラメント３００をフィルム形状と仮定した場合の図である。
　一軸延伸されたポリ乳酸からなるフィラメント３００は、厚み方向を第１軸、一軸延伸方向９００を第３軸、第１軸及び第３軸の両方に直交する方向を第２軸と定義したとき、圧電歪み定数としてｄ１４及びｄ２５のテンソル成分を有する。したがって、一軸延伸されたポリ乳酸からなるフィラメント３００は、一軸延伸方向９００に対して４５度の方向に歪みが生じた場合に、最も効率よく電荷を発生する。
　フィラメント３００は、ＰＬＬＡであって、図４（Ａ）に示すように、第１対角線９１０Ａの方向に縮み、第１対角線９１０Ａに直交する第２対角線９１０Ｂの方向に伸びる場合、紙面の裏側から表側に向く方向に電場を生じる。すなわち、フィラメント３００は、紙面表側では、負の電荷が発生する。フィラメント３００は、図４（Ｂ）に示すように、第１対角線９１０Ａの方向に伸び、第２対角線９１０Ｂの方向に縮む場合も、電荷を発生するが、極性が逆になり、紙面の表面から裏側に向く方向に電場を生じる。すなわち、フィラメント３００は、紙面表側では、正の電荷が発生する。
　フィラメント３００の一軸延伸方向９００は、フィラメント３００の軸方向に一致又は平行している。圧電繊維３１におけるフィラメント３００の一軸延伸方向９００は、図３（Ａ）に示すように、圧電繊維３１の軸方向３０Ａに対して、紙面上において、左に傾いた状態となる。また、圧電繊維３２におけるフィラメント３００の一軸延伸方向９００は、図３（Ｃ）に示すように、圧電繊維３２の軸方向３０Ｂに対して、紙面上において、右に傾いた状態となる。
　圧電繊維３１及び圧電繊維３２のそれぞれの軸方向３０Ａ、３０Ｂに対するフィラメント３００の一軸延伸方向９００の傾きは、圧電繊維３１又は圧電繊維３２の撚り回数に依存する。つまり、圧電繊維３１及び圧電繊維３２のそれぞれの軸方向に対する一軸延伸方向９００の傾きは図３（Ａ）及び図３（Ｃ）で示される角度に限定されるものではない。圧電繊維３１の軸方向３０Ａに対する一軸延伸方向９００の傾きは、少なくとも圧電繊維３１の軸方向３０Ａに対して交差していればよい。また、圧電繊維３２の軸方向３０Ｂに対する一軸延伸方向９００の傾きは、少なくとも圧電繊維３２の軸方向３０Ｂに対して交差していればよい。
　図５（Ａ）は、圧電繊維３１に張力Ｐ１が加わった時に各フィラメント３００に生じるずり応力（せん断応力）Ｓ１を示す図である。図５（Ｂ）は、圧電繊維３２に張力Ｐ１が加わった時に各フィラメント３００に生じるずり応力（せん断応力）Ｓ１を示す図である。なお、図５（Ａ）で示される張力Ｐ１は、圧電繊維３１の軸方向３０Ａ及びこれと反対の方向に向かって圧電繊維３１を引っ張る力である。また、同様に、図５（Ｂ）で示される張力Ｐ１は、圧電繊維３２の軸方向３０Ｂ及びこれと反対の方向に向かって圧電繊維３２を引っ張る力である。また、角度Ａ１は、圧電繊維３１に張力Ｐ１が加えられた場合に、各フィラメント３００の一軸延伸方向９００に対して生じる歪みの角度である。さらに、角度Ａ２は、圧電繊維３２に張力Ｐ１が加えられた場合に、各フィラメント３００の一軸延伸方向９００に対して生じる歪みの角度である。
　図５（Ａ）に示すように、Ｓ糸の圧電繊維３１に張力Ｐ１が加えられ、フィラメント３００の一軸延伸方向９００に対して角度Ａ１の方向に歪みが生じた場合、圧電繊維３１の表面には、負の電荷が発生し、内側には、正の電荷が発生する。より詳細には、圧電繊維３１に張力Ｐ１が加えられた場合、フィラメント３００には、ずり応力Ｓ１が働く。これにより、フィラメント３００は、第１対角線９１０Ａに相当する方向に縮み、第２対角線９１０Ｂの方向に相当する方向に伸びる（図４（Ａ）参照）。したがって、圧電繊維３１の表面には、負の電荷が発生し、内側には、正の電荷が発生する。
　また、図５（Ｂ）に示すように、Ｚ糸の圧電繊維３２に張力Ｐ１が加えられ、フィラメント３００の一軸延伸方向９００に対して角度Ａ２の方向に歪みが生じた場合、圧電繊維３２の表面には正の電荷が発生し、内側には負の電荷が発生する。より詳細には、圧電繊維３２に張力Ｐ１が加えられた場合、フィラメント３００には、ずり応力Ｓ１が働き、第１対角線９１０Ａに相当する方向に伸び、第２対角線９１０Ｂの方向に相当する方向に縮む（図４（Ｂ）参照）。これにより、圧電繊維３２の表面には正の電荷が発生し、内側には負の電荷が発生する。
　なお、第２対角線９１０Ｂに相当する方向とは張力Ｐ１が加えられる方向と並行な方向である。また、ずり応力Ｓ１は、張力Ｐ１と並行な方向に働く力である。
　したがって、圧電繊維集合体３に張力Ｐ１が加えられると、圧電繊維３１及び圧電繊維３２では、各フィラメント３００がずり応力によって電荷を発生し、電場が生じる。
　図６は、圧電繊維３１及び圧電繊維３２における、電場の一例を示す図である。図６で示される矢印は、電場の向きを示す。
　圧電繊維集合体３は、張力Ｐ１が加えられた場合、図６に示すように、Ｓ糸である圧電繊維３１とＺ糸である圧電繊維３２とを近接させると圧電繊維３１と圧電繊維３２との間に、より大きな電場を生じさせることができる。圧電繊維３１及び圧電繊維３２を近接させた場合、電場が空気中に漏れ出て合成される。圧電繊維集合体３は、圧電性のフィラメント３００で構成される圧電繊維３１及び圧電繊維３２を編み糸とする編物なので、圧電繊維３１又は圧電繊維３２を単独で使用する場合と比較して、圧電繊維３１及び圧電繊維３２の間でより大きな電場を生じさせることができる。
　前述のように、電場により細菌及び真菌の増殖を抑制することができる旨が知られている。また、この電場を生じさせている電位により、湿気等で形成された電流経路、又はミクロな放電現象等で形成された回路を電流が流れることがある。この電流により菌が弱体化し菌の増殖を抑制することが考えられる。なお、本実施形態で言う菌とは、細菌、真菌、古細菌又はダニやノミ等の微生物を含む。
　このように、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が外部エネルギー（張力Ｐ１）によって伸張することで、圧電繊維集合体３には、電場が生じる。つまり、圧電繊維３１及び圧電繊維３２で構成された圧電繊維集合体３は、外部エネルギーによって伸縮することで抗菌性を発現する。
　ところで、小さな外部エネルギーによって圧電繊維集合体３が抗菌性を発現するには、フィラメント３００に効率よく外部エネルギーが伝わればよい。そのために、圧電繊維集合体３は、少なくとも２つの接合部４によって、基材部２に固定される。そして、圧電繊維集合体３は、図２（Ｂ）に示されるように、張力Ｐ２によって伸張方向Ｅ１方向に伸張した状態を維持する。圧電繊維集合体３は、張力Ｐ２によって伸張した状態を維持している間（以下、単に伸張した状態という）、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が小さな外部エネルギーによって伸縮する。
　圧電繊維集合体３が、例えば、０．５Ｎ以上の張力Ｐ２で伸張された状態であるとする。つまり、圧電繊維集合体３は、図１に示すように、所望の外部エネルギー（例えば、荷重（張力）Ｐ２）が加えられた状態で基材部２に接合されたとする。圧電繊維集合体３は、張力Ｐ２で伸張している状態で、さらに張力Ｐ１で引っ張られて伸度が増すので、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が伸張方向Ｅ１にさらに伸張する。圧電繊維３１及び圧電繊維３２が、例えば、０．５Ｎ以上の張力Ｐ２によって伸張された状態で、さらに外部エネルギー（例えば、張力Ｐ１）を加えられると、直接圧電繊維３１及び圧電繊維３２に張力Ｐ１が伝わる。なお、圧電繊維集合体３は、着用時に張力Ｐ２が加えられて伸張するように、基材部２に接合されていてもよい。
　圧電繊維３１及び圧電繊維３２が張力Ｐ２によって伸張した状態では、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が張力Ｐ２によって伸張していない状態と比較して、小さな外部エネルギーで伸縮する。この結果、圧電性繊維複合体１は、圧電繊維集合体３が伸張された状態において、小さな外部エネルギーによって圧電繊維３１及び圧電繊維３２が伸縮する。そして、圧電性繊維複合体１は、圧電繊維集合体３が伸張された状態において、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が小さな外部エネルギーによる伸張で電荷を発生し、電場が生じることで、抗菌性を発現する。
　例えば、圧電性繊維複合体１が衣料（圧電性衣料）に適用された場合、着用者がこの圧電性衣料を着用すると、圧電繊維集合体３が０．５Ｎ以上の張力Ｐ２によって伸張した状態になる。圧電性繊維複合体１を適用した圧電性衣料は、着用者の微小な動きなどのエネルギーで抗菌性を発現する。また、例えば、圧電性繊維複合体１をマスクに適用させた場合、着用者がこの圧電性マスクを着用すると、圧電繊維集合体３が０．５Ｎ以上の張力Ｐ２によって伸張された状態になる。圧電性マスクは、着用者の呼吸等による小さなエネルギーで伸縮する。圧電性マスクは、着用者の呼吸等による小さなエネルギーで伸張することによって電荷を発生し、電場が生じることで抗菌性を発現する。
　また、図７は、圧電繊維集合体３に１８時間、所定の荷重を加えた状態で伸張方向の両端を固定し、時間の経過に対する応力の変化の一例を示す説明図である。図７におけるグラフの縦軸は応力（単位はＭＰａ）であり、横軸は経過時間（単位は時間）である。圧電繊維集合体３は、図７に示すように、荷重が加えられると、荷重に対する応力を生じる。圧電繊維集合体３に生じる応力は、時間の経過とともに徐々に減少する。圧電繊維集合体３にかかる応力は、徐々に減少しつつ、微小に増減する。つまり、圧電繊維集合体３が伸張した状態において、この応力の変化で示されるように、圧電繊維３１及び圧電繊維３２は、微小な伸縮を繰り返している。このように、圧電繊維集合体３は、伸張した状態において、圧電繊維３１及び圧電繊維３２が伸縮するので、圧電繊維集合体３には電場が生じ、抗菌性を発現する。なお、本実施形態で言う「抗菌」とは、菌を弱体化する効果、また菌を死滅する効果の両方を含む概念である。
　このように、例えば、伸張した状態の圧電繊維集合体３は、着用者の微小な動きによる圧電繊維集合体３の小さな変形によって電場を生じる。また、圧電繊維集合体３は、伸張した状態で、例えば、振動などによる、使用時に環境中の小さな外力エネルギーが加えられたことによって電場を生じる。以上により、圧電性繊維複合体１は、伸張した状態において、小さなエネルギーで抗菌性を発現する。
　なお、圧電繊維集合体３は、使用者（着用者）が使用（着用）していないときは伸張せず、使用中（着用中）に伸張するように接合部４によって基材部２に固定されていてもよい。これにより、圧電性繊維複合体１は、着用者の使用状態又は使用形態に応じて伸張するので、着用者によりフィット感を与える。
　また、圧電繊維集合体３は、伸張した状態で接合部４によって基材部２に固定されていてもよい。つまり、圧電繊維集合体３は、予め自然長よりも伸張させた状態で接合部４によって基材部２に固定されてもよい。これにより、使用者は、使用中の外部エネルギー、例えば、張力を気にせずに圧電性繊維複合体１を適用した圧電性衣料、圧電性シート、又は圧電性フィルタ等を使用することができる。なお、圧電繊維集合体３の自然長とは、圧電繊維集合体３に負荷が加わっていない状態での長さである。
　また、圧電繊維３１及び圧電繊維３２は、汗等の水分を介して、人体等の所定の電位を有する物に近接した場合に電流を流すので、直接的に抗菌効果を発揮する場合がある。さらに、電流や電圧の作用により水分に含まれる酸素が変化したラジカル種、さらに繊維中に含まれる添加材との相互作用や触媒作用によって生じたラジカル種やその他の抗菌性化学種（アミン誘導体等）によって間接的に抗菌効果を発揮する場合がある。ラジカル種として、スーパーオキシドアニオンラジカル（活性酸素）又はヒドロキシラジカルの発生が考えられる。
　また、圧電繊維３１及び圧電繊維３２は、それぞれ発生した電荷により生じる電位差によって電場を生じる。この電場は近傍の空間にも漏れて他の部分と結合電場を形成する。また、圧電繊維３１及び圧電繊維３２に生じる電位は、近接する所定の電位、例えば人体等の所定の電位（グランド電位を含む。）を有する物に近接した場合に、圧電繊維３１及び圧電繊維３２と該物との間に電場を生じさせる。
　本実施形態の応用例を以下に説明する。
　圧電性繊維複合体１を靴下５に適用する場合について説明する。図８は、圧電性繊維複合体１を適用した靴下５を示す模式図である。靴下５は、図８に示すように、かかと部分５０に圧電性繊維複合体１を適用した圧電性衣料である。靴下５のかかと部分５０は、圧電繊維集合体３が着用者の身体側、及び基材部２が外側となるように形成されている。つまり、靴下５のかかと部分５０に適用された圧電性繊維複合体１は、内側の圧電繊維集合体３と外側の基材部２とで構成された２層構造である。なお、靴下５のかかと以外の部分（非圧電部分）５１は、基材部２と同じ素材で形成されているものとする。
　圧電繊維集合体３は、前後方向の両端を縫製などによって基材部２に固定されている。圧電繊維集合体３は、着用者が靴下５を着用すると所望の張力（例えば、０．５Ｎ以上）によって伸張方向Ｅ１に伸張した状態となるように、基材部２に接合されている。圧電繊維集合体３は、所望の張力によって伸張した状態において、着用者のかかとの微小な動きに応じて電場を生じる。これにより、圧電性繊維複合体１をかかと部分５０に適用した靴下５は、小さな外部エネルギーによって抗菌性を発現する。
　基材部２は、伸張（変形）しにくくかつ頑丈な布帛である。この場合、靴下５のかかと部分５０に基材部２が存在することで、かかと部分５０に基材部２がない場合と比較して、こすれなどによる破損をより軽減することができる。
　この結果、靴下５のかかと部分５０に圧電性繊維複合体１を適用することで、靴下５は、かかと部分５０の破損を軽減しつつ、小さな外部エネルギーによって抗菌性を発現する。
　なお、非圧電部分５１の素材は、基材部２と異なる素材でもよい。また、非圧電部分５１と基材部２とは一体に形成されていてもよい。
　以上のように、圧電性繊維複合体１は、各種の衣料、医療部材、又は電気製品等に適用可能である。例えば、圧電性繊維複合体１は、靴下、肌着、ガーゼ、マスク、サニタリー用品（サニタリーショーツ、使い捨て紙おむつ、布おむつ、おむつカバー等）、各種フィルタ類（浄水器、エアコン又は空気清浄器のフィルタ等）、シート（車、電車又は飛行機等のシート）、等、多岐にわたって適用することができる。
　圧電性繊維複合体１の変形例について以下に列挙する。なお、上述の圧電性繊維複合体１の構成と同じ構成については、説明を省略する。
　図９は、変形例１にかかる圧電性繊維複合体１Ａの例を示す構成図である。圧電性繊維複合体１Ａは、図９に示すように、伸張領域３０１と通常領域３０２とで構成されていることが上述の圧電性繊維複合体１と異なる。伸張領域３０１は、例えば、着用者が着用した際（使用中）に、所望の荷重（例えば、０．５Ｎの張力Ｐ２）によって伸張する領域である。通常領域３０２は、伸張領域３０１以外の領域であって、着用者の身体の動き又は身体の形状によって伸縮する領域である。接合部４は、伸張領域３０１の伸張方向Ｅ１の両端で縫合等によって圧電繊維集合体３を基材部２に接合している。
　圧電性繊維複合体１Ａをサニタリーショーツ（サニタリー用品）６に適用する例について説明する。図１０は、変形例１にかかる圧電性繊維複合体１Ａを適用したサニタリー用品（サニタリーショーツ）６を示す模式図である。圧電繊維集合体３は、図１０に示すように、伸張領域３０１と通常領域３０２とで構成されている。伸張領域３０１は、サニタリーショーツ６の下部に配置されている。接合部４は、伸張領域３０１の前後方向の両端で圧電繊維集合体３を基材部２に接合している。つまり伸張領域３０１は、着用者が着用している間、前後方向にある２つの接合部４の間で前後方向に伸張している。通常領域３０２は、着用者の動きなどに応じて適宜伸縮する。
　変形例１にかかる圧電性繊維複合体１Ａでは、着用者がサニタリーショーツ６を着用している間、伸張領域３０１が伸張していることで、通常領域３０２と比較して、小さな外部エネルギーによって電場が生じ抗菌効果が発揮される。つまり、変形例１にかかる圧電性繊維複合体１Ａでは、通常領域３０２は、着用者の身体の動きに応じて伸縮することで電場が生じ、抗菌性を発現する。また、伸張領域３０１は、着用者が意識しない程度の小さな外部エネルギーによって伸縮することで電場が生じ、抗菌性を発現する。このように、変形例１にかかる圧電性繊維複合体１Ａは、圧電繊維集合体３が伸張領域３０１及び通常領域３０２で構成されているので、より効果的に抗菌効果を発揮する。
　図１１は、変形例２にかかる圧電性繊維複合体１Ｂの例を示す構成図である。変形例２にかかる圧電性繊維複合体１Ｂは、図１１に示すように、複数の接合部４が伸張領域３０１の平面方向に散点状に配置されていることが上述の圧電性繊維複合体１及び圧電性繊維複合体１Ａと異なる。複数の接合部４を散点状に配置することで、圧電性繊維複合体１Ｂの伸縮性又は柔軟性を損なうことなく、小さな外部エネルギーによって電場が生じて、抗菌効果が発揮される。複数の接合部４は１乃至複数の直線上に配置されてもよい。また、複数の接合部４は、千鳥状（互い違い）に配置されてもよい。
　変形例２にかかる圧電性繊維複合体１Ｂが複数の接合部４を有していることで、圧電繊維３１及び圧電繊維３２には、小さな外部エネルギーが伝わりやすくなる。変形例２にかかる圧電性繊維複合体１Ｂは、複数の接合部４を有することで、接合部４の間で圧電繊維集合体３が伸張した状態において、小さな外部エネルギーによる伸縮によって抗菌性を発現する。
　図１２は、変形例３にかかる圧電性繊維複合体１Ｃの例を示す構成図である。変形例３にかかる圧電性繊維複合体１Ｃは、１つの接合部４が、図１２に示すように、向かい合う２組の部分４１、４２で圧電繊維集合体３を囲むように配置されていることが上述の圧電性繊維複合体１、圧電性繊維複合体１Ａ及び圧電性繊維複合体１Ｂと異なる。
　変形例３にかかる圧電性繊維複合体１Ｃの向かい合う２組の部分４１、４２が基材部２に圧電繊維集合体３を囲むようにして接合しているので、圧電繊維３１及び圧電繊維３２には、小さな外部エネルギーが伝わりやすくなる。変形例３にかかる圧電性繊維複合体１Ｃは、圧電繊維集合体３の周囲が固定されているので、圧電繊維集合体３が、例えば、向かい合う１組の部分４１の間で伸張した状態において、小さな外部エネルギーによる伸縮によって抗菌性を発現する。
　なお、圧電繊維集合体３は、表面にマイナスの電荷を発生させるＳ糸及び表面にプラスの電荷を発生させるＺ糸以外の糸を含んで構成されていてもよい。Ｚ糸及びＳ糸の使用量を調節することにより、用途に応じて発生させる電荷の極性の割合等を調節することができる。また、圧電繊維３１は、Ｚ糸及びＳ糸以外に電荷を発生しない糸（綿糸等）を含んで構成されていてもよい。通常、圧電糸は綿糸等に比べて肌触りが悪いため、着用者が着用すると皮膚が刺激される場合がある。このため、圧電繊維集合体３に電荷を発生しない糸（綿糸等）を一部使用することによって、圧電繊維集合体３の肌触りがよくなり、圧電性繊維複合体１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、皮膚への刺激を緩和する。
　また、圧電性繊維複合体１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、Ｚ糸又はＳ糸単独で使用してもよい。Ｚ糸又はＳ糸単独で使用した場合であっても、圧電性繊維複合体１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、抗菌性を発現する。
　また、接合部４は、１つであっても、向かい合う部分が含まれていればよい。接合部４は、例えば、Ｕ字状であってもよい。
　また、圧電性繊維複合体１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、人間を除いた動物の体表面の菌抑制方法としても使用可能である。動物の皮膚の少なくとも一部に、圧電繊維集合体３を対向させるように配置し、圧電繊維集合体３に外力が加えられた時に発生する電荷によって、圧電性繊維複合体１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、動物の体表面の菌の増殖を抑制することができる。
　また、フィラメント３００は、例えば、圧電性高分子を押し出し成型して繊維化する手法、圧電性高分子を溶融紡糸して繊維化する手法（例えば、紡糸工程と延伸工程を分けて行う紡糸・延伸法、紡糸工程と延伸工程を連結した直延伸法、仮撚り工程も同時に行うことのできるPOY-DTY法、又は高速化を図った超高速紡糸法などを含む）、圧電性高分子を乾式あるいは湿式紡糸（例えば、溶媒に原料となるポリマーを溶解してノズルから押し出して繊維化するような相分離法もしくは乾湿紡糸法、溶媒を含んだままゲル状に均一に繊維化するようなゲル紡糸法、又は液晶溶液もしくは融体を用いて繊維化する液晶紡糸法、などを含む）により繊維化する手法、又は圧電性高分子を静電紡糸により繊維化する手法等により製造されてもよい。
　また、接合部４は接着剤などを使用して、圧電繊維集合体３を基材部２に接合してもよい。さらに、接合部４は、熱圧着により、圧電繊維集合体３を基材部２に接合してもよい。
　また、圧電繊維３１又は圧電繊維３２は、フィラメント３００を使用した編物だけに限定されず、フィラメント３００を使用した織物又は不織布などでもよい。
　また、圧電繊維３１又は圧電繊維３２は、ＰＤＬＡを用いた糸でもよい。ＰＤＬＡを用いた糸を使用した場合、圧電繊維３１及び圧電繊維３２のそれぞれの表面に生じる電荷の正負は、ＰＬＬＡを用いた糸を使用した場合の電荷と異なる。
　最後に、本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…圧電性繊維複合体
２…基材部
３…圧電繊維集合体
４…接合部
５…靴下（圧電性衣料）
６…サニタリーショーツ（サニタリー用品）
３０Ａ、３０Ｂ…軸方向
３１、３２…圧電繊維
４１、４２…部分
５０…かかと部分
５１…非圧電部分
３００…フィラメント
３０１…伸張領域
３０２…通常領域
９００…一軸延伸方向
９１０Ａ…第１対角線
９１０Ｂ…第２対角線
Ａ１、Ａ２…角度
Ｅ１…一方向（伸張方向）
Ｐ１、Ｐ２…張力（外部エネルギー）
Ｓ１…応力

Claims (10)

  1. 　基材部と、
    　外部からのエネルギーにより電荷を発生する圧電繊維で構成され、前記基材部と伸縮率の異なる圧電繊維集合体と、
    　前記基材部と前記圧電繊維集合体とを接合する接合部と、
    　を備える、
    　圧電性繊維複合体。
  2. 　前記接合部は、向かい合う部分を有し、
    　前記圧電繊維集合体は、前記向かい合う部分の間で伸張可能である、
    　請求項１に記載の圧電性繊維複合体。
  3. 　前記基材部の伸縮率は、前記圧電繊維集合体の伸縮率よりも低い、
    　請求項１又は２に記載の圧電性繊維複合体。
  4. 　基材部と、
    　外部からのエネルギーにより電荷を発生する圧電繊維で構成された圧電繊維集合体と、
    　前記基材部と前記圧電繊維集合体とを接合する複数の接合部と、を備え、
    　前記圧電繊維集合体は、使用時に少なくとも２つの前記接合部との間で伸張可能である、
    　圧電性繊維複合体。
  5. 　前記圧電繊維集合体は、自然長よりも伸張させた状態で前記基材部に接合される、
    　請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電性繊維複合体。
  6. 　前記基材部は、シート状に形成され、
    　前記圧電繊維集合体は、前記基材部の一方の面に配置されている、
    　請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電性繊維複合体。
  7. 　前記圧電繊維集合体は、外部からのエネルギーによって抗菌性を発現する、
    　請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電性繊維複合体。
  8. 　前記圧電繊維集合体は、ポリ乳酸を含む、
    　請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の圧電性繊維複合体。
  9. 　請求項１乃至８の何れか一項に記載の前記圧電性繊維複合体を含み、
    　前記圧電繊維が伸張した状態で使用される、
    　圧電性衣料。
  10. 　前記圧電繊維集合体が身体側に配置されている、
    　請求項９に記載の圧電性衣料。
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