導電性ナノファイバー
【課題】高分子の特性のみを反映するものでなく、エレクトロスピニング法により作製されるナノファイバーにこれまでにない機能性を持たせることのできる新しいナノファイバーとその製造方法、特に、優れた導電性を有する高分子ナノファイバーを提供する。
【解決手段】エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーに導電性を与えるために、該ナノファイバーにイオンを照射することにより、導電性を賦与した。原料高分子の特性はそのまま発現する。
【解決手段】エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーに導電性を与えるために、該ナノファイバーにイオンを照射することにより、導電性を賦与した。原料高分子の特性はそのまま発現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ナノファイバーに関し、更に詳しくは、イオン注入された優れた導電性を有するナノファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サブミクロンスケールの直径を持つファイバーを簡単に作製できる技術として、エレクトロスピニング法が注目されている。この方法は、高分子溶液に高電圧を印加することによって溶液をスプレーし、ファイバーを形成させるものである。ファイバーの太さは、印加電圧、溶液濃度およびスプレーの飛散距離に依存する。
【０００３】
これまでの研究から、工業用熱可塑性ポリマー、生分解性ポリマー、ポリマーブレンド、そして、無機化合物を混入した複合材のファイバーがエレクトロスピニング法によって紡糸されている。ここ数年では、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスナノファイバーの作製例が盛んに報告されてもいる。通常、エレクトロスピニング法においては、溶媒に材料を溶解した溶液を紡糸材料として用いている。
【０００４】
このエレクトロスピニング法により、例えば、各種形状の穴を有する電極を回転させてファイバーの配向をそろえるようにすること、糸巻き状のものをコレクタに、もしくは紡糸開始点とコレクタとの間に配置してナノファイバーを巻き取り配向性の不織布を得ること、紡糸開始点を２つ設定し２層構造や混合したファイバーを作製すること等が報告されている。
【０００５】
このような進展が見られるエレクトロスピニング法によれば、基板上に連続的にファイバーを作製することによって、立体的な網目をもつ３次元構造の薄膜が得られることや、機能性薄膜を３次元構造にすることで、新しい特性の発見や機能の向上が期待できる。また、この手法では膜を布のように厚くすることが可能で、サブミクロンの網目をもつ不織布を作製することができる。この不織布は様々な新機能を有する布として、宇宙服や防護服などへの応用のほか、人工皮膚や人工臓器などへの応用が研究されている。
【０００６】
しかしながら、高分子からなるナノファイバーは、エレクトロスピニング法により比較的容易に作製することができるものの、得られたナノファイバー不織布は、材料となった高分子の特性のみを反映するものでそれ以上の機能は望めないのが実情であった（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３２６５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、以上のような背景から、従来技術の問題点を解消し、材料となった高分子の特性のみを反映するものでなく、エレクトロスピニング法により作製されるナノファイバーにこれまでにない機能性を持たせることのできる新しいナノファイバーとその製造方法を提供することを課題としている。
【０００８】
特に、本願発明の課題は、優れた導電性を有する高分子ナノファイバーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーに導電性を与えるために、該ナノファイバーにイオンを照射することにより、上記課題を解決した。
【００１０】
上記高分子としては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等およびこれらの混合体が挙げられる。
【００１１】
照射するイオンとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、酸素、窒素、クリプトン又は金属等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明は、エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーにイオンを照射することにより、該ナノファイバーに有効な導電性を与えることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本願発明を実施するための最良の形態を示す。
【実施例１】
【００１４】
図１に示すように、エレクトロスピニング法の装置は、先の尖ったプラス電極（キャピラリー）と、平面状のマイナス(アース)電極で構成されている。両電極間には高電圧が印加されており、キャピラリーを出た電荷を帯びた溶融ポリマーまたはポリマー溶解液は、電界中をマイナス電極に向かって吸い寄せられる。このとき、ポリマーが低分子だとスプレー状になり、高分子だと複数に分かれた繊維がマイナス電極に向かって吸い寄せられ、電極上で薄い繊維の層を形成する。
【００１５】
イオン注入による処理深さをシュミレーションソフトであるTrimより算出した。その結果、ヘリウム、ネオン、アルゴンではそれぞれイオンの潜り込み深さは１５４０ｎｍ、６２５ｎｍ、３８０ｎｍであり、これらの処理深さにナノファイバー直径を制御した。まず、１５４０ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１９０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度２．４ｍＬ／ｈ、印加電圧１５ｋＶと設定した。６２５ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１７０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度０．２４ｍＬ／ｈ、印加電圧１０ｋＶと設定した。３８０ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１２０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度０．２４ｍＬ／ｈ、印加電圧１５ｋＶと設定した。すべての条件において、紡糸開始点とコレクタ間の距離を１０ｃｍと設定した。コレクタには両端をアルミホイルで覆ったガラス板を用いた。このような条件でエレクトロスピニングによるナノファイバーの作製を行い、一晩、真空乾燥した。
【００１６】
上記真空乾燥したナノファイバーに対して、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンイオンを３とおりの照射量で照射した。その結果を以下の表１に示す。照射前のナノファイバーの面抵抗は、非常に高く測定不可能であったが、イオン照射することにより、導電性が下記の表に示されるように向上した。
【表１】
【００１７】
また、図２に、含フッ素ポリイミド（６ＦＤＡ−６ＦＡＰ）のアルゴンを照射した場合と、照射していない場合のラマンスペクトルを示す。
【００１８】
図２から、材料が炭素化されたことを示している。まだカーボンナノチューブのような高いグラファイト構造は形成されていないが、今後そのような構造の形成を企画している。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本願発明に係る導電性ナノファイバーは、導電率が高いので、帯電防止剤、電磁シールド、電池の電極材料、気体拡散電極、スーパーキャパシタ電極又は線材化の技術がさらに進歩すれば半導体の配線等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】エレクトロスピニング装置の概念図
【図２】ポリイミドのイオン照射前後のラマンスペクトル
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ナノファイバーに関し、更に詳しくは、イオン注入された優れた導電性を有するナノファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サブミクロンスケールの直径を持つファイバーを簡単に作製できる技術として、エレクトロスピニング法が注目されている。この方法は、高分子溶液に高電圧を印加することによって溶液をスプレーし、ファイバーを形成させるものである。ファイバーの太さは、印加電圧、溶液濃度およびスプレーの飛散距離に依存する。
【０００３】
これまでの研究から、工業用熱可塑性ポリマー、生分解性ポリマー、ポリマーブレンド、そして、無機化合物を混入した複合材のファイバーがエレクトロスピニング法によって紡糸されている。ここ数年では、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスナノファイバーの作製例が盛んに報告されてもいる。通常、エレクトロスピニング法においては、溶媒に材料を溶解した溶液を紡糸材料として用いている。
【０００４】
このエレクトロスピニング法により、例えば、各種形状の穴を有する電極を回転させてファイバーの配向をそろえるようにすること、糸巻き状のものをコレクタに、もしくは紡糸開始点とコレクタとの間に配置してナノファイバーを巻き取り配向性の不織布を得ること、紡糸開始点を２つ設定し２層構造や混合したファイバーを作製すること等が報告されている。
【０００５】
このような進展が見られるエレクトロスピニング法によれば、基板上に連続的にファイバーを作製することによって、立体的な網目をもつ３次元構造の薄膜が得られることや、機能性薄膜を３次元構造にすることで、新しい特性の発見や機能の向上が期待できる。また、この手法では膜を布のように厚くすることが可能で、サブミクロンの網目をもつ不織布を作製することができる。この不織布は様々な新機能を有する布として、宇宙服や防護服などへの応用のほか、人工皮膚や人工臓器などへの応用が研究されている。
【０００６】
しかしながら、高分子からなるナノファイバーは、エレクトロスピニング法により比較的容易に作製することができるものの、得られたナノファイバー不織布は、材料となった高分子の特性のみを反映するものでそれ以上の機能は望めないのが実情であった（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３２６５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、以上のような背景から、従来技術の問題点を解消し、材料となった高分子の特性のみを反映するものでなく、エレクトロスピニング法により作製されるナノファイバーにこれまでにない機能性を持たせることのできる新しいナノファイバーとその製造方法を提供することを課題としている。
【０００８】
特に、本願発明の課題は、優れた導電性を有する高分子ナノファイバーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーに導電性を与えるために、該ナノファイバーにイオンを照射することにより、上記課題を解決した。
【００１０】
上記高分子としては、ポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等およびこれらの混合体が挙げられる。
【００１１】
照射するイオンとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、酸素、窒素、クリプトン又は金属等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明は、エレクトロスピニング法により形成された高分子ナノファイバーにイオンを照射することにより、該ナノファイバーに有効な導電性を与えることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本願発明を実施するための最良の形態を示す。
【実施例１】
【００１４】
図１に示すように、エレクトロスピニング法の装置は、先の尖ったプラス電極（キャピラリー）と、平面状のマイナス(アース)電極で構成されている。両電極間には高電圧が印加されており、キャピラリーを出た電荷を帯びた溶融ポリマーまたはポリマー溶解液は、電界中をマイナス電極に向かって吸い寄せられる。このとき、ポリマーが低分子だとスプレー状になり、高分子だと複数に分かれた繊維がマイナス電極に向かって吸い寄せられ、電極上で薄い繊維の層を形成する。
【００１５】
イオン注入による処理深さをシュミレーションソフトであるTrimより算出した。その結果、ヘリウム、ネオン、アルゴンではそれぞれイオンの潜り込み深さは１５４０ｎｍ、６２５ｎｍ、３８０ｎｍであり、これらの処理深さにナノファイバー直径を制御した。まず、１５４０ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１９０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度２．４ｍＬ／ｈ、印加電圧１５ｋＶと設定した。６２５ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１７０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度０．２４ｍＬ／ｈ、印加電圧１０ｋＶと設定した。３８０ｎｍの直径のナノファイバーを作製するため、ポリイミド溶液の濃度を１２０ｍｇ／ｍＬに調整し、送液速度０．２４ｍＬ／ｈ、印加電圧１５ｋＶと設定した。すべての条件において、紡糸開始点とコレクタ間の距離を１０ｃｍと設定した。コレクタには両端をアルミホイルで覆ったガラス板を用いた。このような条件でエレクトロスピニングによるナノファイバーの作製を行い、一晩、真空乾燥した。
【００１６】
上記真空乾燥したナノファイバーに対して、ヘリウム、ネオンおよびアルゴンイオンを３とおりの照射量で照射した。その結果を以下の表１に示す。照射前のナノファイバーの面抵抗は、非常に高く測定不可能であったが、イオン照射することにより、導電性が下記の表に示されるように向上した。
【表１】
【００１７】
また、図２に、含フッ素ポリイミド（６ＦＤＡ−６ＦＡＰ）のアルゴンを照射した場合と、照射していない場合のラマンスペクトルを示す。
【００１８】
図２から、材料が炭素化されたことを示している。まだカーボンナノチューブのような高いグラファイト構造は形成されていないが、今後そのような構造の形成を企画している。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本願発明に係る導電性ナノファイバーは、導電率が高いので、帯電防止剤、電磁シールド、電池の電極材料、気体拡散電極、スーパーキャパシタ電極又は線材化の技術がさらに進歩すれば半導体の配線等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】エレクトロスピニング装置の概念図
【図２】ポリイミドのイオン照射前後のラマンスペクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性ナノファイバーの製造方法であって、
導電性部材をエレクトロスピニング装置の電極基板上に配置する行程、
高電圧の印加された高分子を該装置のキャピラリーから該部材に向けてスプレーする行程、
該部材上にナノファイバーを形成する工程及び
該ナノファイバーにイオンを照射する工程を有することを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、上記高分子は、溶融高分子又は高分子が溶媒に溶解した高分子溶液であることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項３】
請求項１において、上記高分子は、ポリイミドであることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項４】
請求項１において、上記イオンは、ネオン又はアルゴンであることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項５】
導電性ナノファイバーであって、エレクトロスピニング法により形成されたナノファイバーにイオンを照射することにより製造されることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項６】
請求項５において、上記ナノファイバーは、高分子により形成されていることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項７】
請求項６において、上記高分子は、ポリイミドであることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項８】
請求項５において、上記イオンは、ネオン又はアルゴンであることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項１】
導電性ナノファイバーの製造方法であって、
導電性部材をエレクトロスピニング装置の電極基板上に配置する行程、
高電圧の印加された高分子を該装置のキャピラリーから該部材に向けてスプレーする行程、
該部材上にナノファイバーを形成する工程及び
該ナノファイバーにイオンを照射する工程を有することを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、上記高分子は、溶融高分子又は高分子が溶媒に溶解した高分子溶液であることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項３】
請求項１において、上記高分子は、ポリイミドであることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項４】
請求項１において、上記イオンは、ネオン又はアルゴンであることを特徴とする導電性ナノファイバーの製造方法。
【請求項５】
導電性ナノファイバーであって、エレクトロスピニング法により形成されたナノファイバーにイオンを照射することにより製造されることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項６】
請求項５において、上記ナノファイバーは、高分子により形成されていることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項７】
請求項６において、上記高分子は、ポリイミドであることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【請求項８】
請求項５において、上記イオンは、ネオン又はアルゴンであることを特徴とする導電性ナノファイバー。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−１３８３０５（Ｐ２００９−１３８３０５Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１７７７９（Ｐ２００７−３１７７７９）
【出願日】平成１９年１２月８日（２００７．１２．８）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月８日（２００７．１２．８）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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