JP7207302B2 - d14圧電定数を有する圧電フィルム製造用多糖類組成物およびd14圧電定数を有する圧電フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
[1] 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する、多糖類組成物であって、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造に用いられる多糖類組成物。
[2] 液状媒体が、沸点40℃以上、250℃以下の液状媒体を1種以上含む、上記[1]記載の多糖類組成物。
[3] 液状媒体が、沸点40℃以上、210℃以下の液状媒体を1種以上含む、上記[1]記載の多糖類組成物。
[4] 液状媒体が、メタノール、エタノール、水、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、γ-ブチロラクトン、ベンジルアルコール、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロホルム、トリフルオロ酢酸からなる群から選択される1種以上である、上記[1]記載の多糖類組成物。
[5] 多糖類のGPC法による数平均分子量が10,000以上である、上記[1]~[4]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[6] 多糖類がセルロースまたはその誘導体を含む、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[7] 多糖類がセルロース誘導体を含み、該セルロース誘導体がメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、モノアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース、カルボキシメチルセルロースからなる群から選択される1種または2種以上である、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[8] 多糖類がキサンタンを含む、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[9] 多糖類組成物の固形分量が20重量%以上である、上記[1]~[8]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[10] 多糖類組成物の25℃における粘度が5,000mPa・s以上である、上記[1]~[9]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[11] 多糖類組成物の25℃における粘度が50,000mPa・s以上である、上記[1]~[9]のいずれか1つに記載の多糖類組成物。
[12] 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含む、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
[13] 第2工程は磁場を作用させておらず、かつ、第2工程後に、フィルムの延伸工程を含まない、上記[12]記載の方法。
[14] 液状媒体が沸点40℃以上、250℃以下の液状媒体を1種以上含む、上記[12]または[13]記載の方法。
[15] 液状媒体が沸点40℃以上、210℃以下の液状媒体を1種以上含む、上記[12]または[13]記載の方法。
[16] 液状媒体が、メタノール、エタノール、水、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、γ-ブチロラクトン、ベンジルアルコール、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロホルム、トリフルオロ酢酸からなる群から選択される1種以上である、上記[12]または[13]記載の方法。
[17] 多糖類のGPC法による数平均分子量が10,000以上である、上記[12]~[16]のいずれか1つに記載の方法。
[18] 多糖類がセルロースまたはその誘導体を含む、上記[12]~[16]のいずれか1つに記載の方法。
[19] 多糖類がセルロース誘導体であり、該セルロース誘導体が、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、モノアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース、カルボキシメチルセルロースからなる群から選択される1種または2種以上である、上記[12]~[17]のいずれか1つに記載の方法。
[20] 多糖類がキサンタンを含む、上記[12]~[17]のいずれか1つに記載の方法。
[21] 第1工程において、多糖類組成物の塗り厚が500μm以下となるように多糖類組成物を塗工する、上記[12]~[20]のいずれか1つに記載の方法。
[22] 多糖類組成物の固形分量が20重量%以上である、上記[12]~[21]のいずれか1つに記載の方法。
[23] 多糖類組成物の25℃における粘度が5,000mPa・s以上である、上記[12]~[22]のいずれか1つに記載の方法。
[24] 多糖類組成物の25℃における粘度が50,000mPa・s以上である、上記[12]~[22]のいずれか1つに記載の方法。
[25] 第2工程が多糖類組成物層を300℃以下の温度で乾燥することを含む上記[12]~[24]のいずれか1つに記載の方法。
[27] 被検査物に貼付して使用され、被検査物の曲げや歪みを検知する、上記[26]に記載のセンサーまたはアクチュエーター。
[28] 圧電体として、上記[12]~[25]のいずれか1つの方法で製造されたd14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムを具備する、モノモルフ、バイモルフ、片持ち梁構造からなる群から選択される構造のセンサーまたはアクチュエーター。
本発明の多糖類組成物は、多糖類および液状媒体を少なくとも含む。
[(A)多糖類]
本発明において使用する多糖類(以下、「A成分」ともいう)は、アルドヘキソース、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、リブロース、キシルロース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、デオキシリボース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、フコース、フクロース、ラムノース等の単糖およびその誘導体からなる群から選択される1種類以上を単量体単位とするポリマー(すなわち、多糖類)であればよい。なお、多糖類の「誘導体」としては、天然の状態で誘導体化されて得られるものと多糖あるいはその誘導体として取り出した後にさらに有機合成反応を用いて誘導体化されているものが存在するが、いずれを用いてもよい。天然の状態で誘導体化されて得られるものの例としては、キサンタン、アルギン酸等が挙げられる。一方、有機合成反応を用いて誘導体化されているものの例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、モノアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、ヒドロキシプロピルキサンタンガム、カルボキシル化プルラン等の非セルロースの誘導体が挙げられる。また、上記に挙げるセルロース誘導体がイソシアネートを用いたウレタン化、エポキシドを用いたヒドロキシアルキル化、酸塩化物等を用いたエステル化、アクリルニトリルを用いたシアノエチル化等で誘導体化されたものも本発明でいう「セルロース誘導体」に含まれる。
本発明において使用する液状媒体(以下、「B成分」ともいう)とは、それを媒体としてA成分が溶解乃至分散状態を形成し得る、25℃で液状の化合物であれば、特に制限なく使用できる。
多糖類組成物には、本発明の作用効果(すなわち、フィルムを構成する多糖類分子の配向)を大きく損なわない範囲内で、多糖類組成物の特性改善やフィルム特性の改善を目的としてA、B成分以外の配合成分をさらに含有させることができる。かかる任意の配合成分としては、例えば、無機フィラー、有機フィラー、顔料、結晶核剤、消泡剤、酸化防止剤、増粘剤などの各種添加剤、多糖類以外の高分子化合物が挙げられる。これらの任意の配合成分の添加量は、少な過ぎると添加の効果を損なうが、多くなると樹脂組成物の特性(複屈折や粘度等)やフィルムの特性(圧電等)を損なうおそれがある。このためA、B成分以外の任意の配合成分の含有量はA成分に対して通常50重量%以下が好ましく、30重量%以下がより好ましく、10重量%以下がさらに好ましい。
[多糖類組成物の調製]
支持体上に塗工する塗工液として、上記の多糖類組成物を調製する。
多糖類組成物を支持体上に塗工し(第1工程)、得られた多糖類組成物層を乾燥する(第2工程)ことで、多糖類を含むフィルム(未延伸フィルム)が得られる。第1工程での多糖類組成物の塗工方法は、多糖類組成物に一方向にせん断力が作用し流動性をもつ樹脂組成物がフィルム状に変形、加工すれば良く、具体的な塗工手法としてはバーコート、カンマコート、ダイコート、スロットダイコート、ブレードコート、グラビアコート、グラビアオフセット印刷など公知の塗工方法が挙げられる。塗工に当たってコーターが動いても、支持体が動いても、両方動いても良い。塗工は、一方向にせん断力が作用していれば良く、バーコートなどのように支持体に対して所定の一方向に向けて多糖類組成物が塗り進められていても良く、ダイコートなどのようにせん断力が働いた多糖類組成物が支持体上にキャストされても良い。この所定の一方向に向けて多糖類組成物にせん断力が作用していく方向が多糖類分子の配向方向(すなわち、多糖類分子の主鎖の配向方向)になる。なお、「塗工方向」とは、この所定の一方向に向けて多糖類組成物にせん断が作用している方向のことである。
塗工と延伸はいずれも厚みを持った形状の樹脂を厚みの薄いフィルム状に成形するために用いられる手法で、広義には「延伸」に「塗工」も含まれると解釈できる。本発明に於いて「延伸」は溶剤を含まない状態に於いて加熱等を用いて弾性率を下げて引張あるいはプレス等をもちいて、厚みの薄いフィルム状に成形する工程と定義する。一方、「塗工」は樹脂に溶剤を含ませることで流動性を持たせて、その流動状態でせん断の力を加えることで、厚みの薄いフィルム状に成型し、その後に溶剤を除去する工程と定義する。
支持体上に形成された多糖類組成物層の乾燥方法は、塗工後の多糖類組成物層における多糖類分子の配向状態を保持しつつ液状媒体を除去できる方法であればどんな方法でも良く、常温、常圧での乾燥(自然乾燥)でも良いし、加熱乾燥でも減圧乾燥でも良い。加熱乾燥の場合、バッチオーブン、熱風乾燥炉、ベルト式連続炉、遠赤外線乾燥炉など公知の加熱機器を用いることが出来る。
乾燥後の多糖類フィルムには適切な温度と時間のアニール処理を施しても良いし、しなくとも良い。
本発明のd14圧電フィルムをセンサーやアクチュエーターとして利用するためには、フィルムの対向した2面に電極を形成する必要がある。電極の厚さは10nm~25μm程度が好ましく、100nm~12.5μm程度がより好ましい。厚さが25μmを超えるとフィルムの変形を阻害し、10nmより薄いと電気伝導性やピンホールなどの問題が発生する。電極形成は蒸着、スパッタなどの既存の圧電フィルムで利用される公知の方法で形成することが出来る。また、電極あるいは電極形成した絶縁体を支持体にして、これに多糖類組成物の塗工、乾燥を行うことで、電極付きの圧電フィルムを効率良く製造することもできる。電極の素材は十分な電気伝導性が担保されるのであれば金、銀、銅、白金、ニッケル、錫、アルミニウムなどの金属でも良いし、ITO、FTOなどの金属酸化物でも良いし、ポリチオフェン、ポリアニリンなどの有機導電材料でも良い。
本発明のd14圧電フィルムはその両面に電極を備えることによりセンサーやアクチュエーターとして利用できる。例えば、両面に電極が形成されたd14圧電フィルムはそのまま歪みや引張りセンサーとして使用できる。また、電極が形成されたd14圧電フィルムを被検査物に、貼りつけることで、被検査物の曲げや歪みを検知するセンサーとして使用できる。ここで、「被検査物」とは、例えば、人体、自動車、道路、橋梁等である。また、両面に電極が形成された圧電フィルムは、モノモルフ、バイモルフ、片持ち梁構造に用いられることで押圧、振動などを検知することが出来るセンサーやアクチュエーターとして利用することができる。電極が形成された本発明のd14圧電フィルムと圧電性を有しない別のフィルム(例えば、ゴム製フィルム等)とを端面を合わせて互いの表面(圧電フィルムにおける電極表面と、圧電性を有しないフィルムの表面)が同一の平面を成すように接合することで引張りセンサーとして利用しても良い。
-測定装置-
ブルックフィールド社製のコーンプレート粘度計を使用した。
RVDV-II+Pro
コーンスピンドル CPE-52
-測定方法-
JIS Z8803に準拠し、25℃にて多糖類組成物の粘度を測定した。多糖類組成物を円すいと平円板の組み合わせから必要量(0.5ml)を測り取り、回転数0.2rpmにて粘度計を作動させた。測定開始から30秒後の粘度値を採用した。
ガラス板2枚に多糖類組成物を入れ、上下の偏光板がクロスニコルの状態で多糖類組成物(液状物)の複屈折の有無を調べた。全体やスライドの一部などを動かさずに静置した状態で視野が一様に明るい時を複屈折有り、暗い部分を有する時を複屈折無しと判断した。
-測定サンプルの作成-
フィルムから、長手の軸線が、塗工方向に対して45度の交差角度をなすように、22(mm)×8(mm)のサイズの短形のフィルムを切り出した。そして、フィルムの両面の中央部に11×5(mm)の電極を形成させた。電極は金スパッタで形成させた。金スパッタは真空デバイス社製のイオンスパッタ(MSP-1S)を用いた。両面の電極の端にドーダイトD-362(藤倉化成社製)を用いてアルミ箔のリード線(50×2(mm))を接着した。
-測定-
東洋精機社製のレオログラフソリッドS1に測定サンプルを固定し、周波数10Hzで25℃にて、測定サンプルに印加されるせん断ひずみが0.1%~1%の範囲に収まるように、おおよそ2×106N/m2~6×106N/m2のせん断応力をフィルムの長手の軸線方向に印加し、リード線から電荷を測定し、該測定サンプルの複素圧電率d14の実数部を計算した。
フィルムの膜厚はミツトヨ社製マイクロメーターを用いて塗膜1枚(約250平方センチメートル)につき10点を測定し、1μmまでを読み取り、その平均値を算出した。
実施例および比較例で用いた材料は以下の通り。
・ヒドロキシプロピルセルロース:和光純薬工業株式会社製「ヒドロキシプロピルセルロース6.0~10.0」(GPCによる数平均分子量:約140000)
註)「ヒドロキシプロピルセルロース6.0~10.0」における「6.0~10.0」は2重量%水溶液(20℃)が6~10mPa・sの粘度を持つことを意味する。
註)「エチルセルロース(約49%エトキシ)100」における「(約49%エトキシ)」はセルロースの総ヒドロキシ基の49モル%がエトキシ基に置換されていることを意味し、「100」とはトルエン80%/エタノール20%の5重量%溶液(25℃)が90.0~110.0mPa・sの粘度を持つことを意味する。
・γ-ブチルラクトン:純正化学株式会社 特級
・ジオキサン:純正化学株式会社「1,4-ジオキサン」特級
・トリフルオロ酢酸:東京化成工業株式会社 特級
・クロロホルム:純正化学株式会社 特級
下記の表1に示す配合でヒドロキシプロピルセルロース(A成分)と1,4-ジオキサン(B成分)を容器に入れ、ヒドロキシプロピルセルロースが溶解するまで混合した。混合には、THYNKY社製の自転・公転ミキサーである「あわとり錬太郎(ARE-310)」を用いた。また、A成分の溶解のために適宜80℃未満の加熱を行った。多糖類組成物をスポイトで離型PETに垂らし、ヨシミツ精機株式会社製のYBA型ベーカーアプリケーター(3型)を用いて多糖類組成物を離型PETに塗工した。「塗り厚」は12.5μmに設定した。室温で30分間乾燥させた後、さらに150℃にて15分間乾燥し、十分に放冷した後で離型PETから剥離してヒドロキシプロピルセルロース単体のフィルムを得た。
表1に示す配合に変更した以外は実施例1と同様にして多糖類組成物またはポリヒドロキシ酸組成物を調製し、さらに表1に示す条件(塗り厚、塗り回数、乾燥条件)でフィルムを作製した。
Claims (26)
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する、多糖類組成物であって、多糖類組成物の固形分量が20重量%以上であり、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造に用いられる多糖類組成物。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する、多糖類組成物であって、多糖類組成物の25℃における粘度が5,000mPa・s以上であり、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造に用いられる多糖類組成物。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する、多糖類組成物であって、多糖類組成物の25℃における粘度が50,000mPa・s以上であり、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造に用いられる多糖類組成物。
- 液状媒体が、沸点40℃以上、250℃以下の液状媒体を1種以上含む、請求項1~3のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 液状媒体が、沸点40℃以上、210℃以下の液状媒体を1種以上含む、請求項1~3のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 液状媒体が、メタノール、エタノール、水、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、γ-ブチロラクトン、ベンジルアルコール、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロホルム、トリフルオロ酢酸からなる群から選択される1種または2種以上である、請求項1~3のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 多糖類のGPC法による数平均分子量が10,000以上である請求項1~6のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 多糖類がセルロースまたはその誘導体を含む、請求項1~7のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 多糖類がセルロース誘導体を含み、該セルロース誘導体がメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、モノアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース、カルボキシメチルセルロースからなる群から選択される1種または2種以上である、請求項1~7のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 多糖類組成物の固形分量が20重量%以上である、請求項2および3のいずれか1項記載の多糖類組成物。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該第2工程は磁場を作用させておらず、かつ、該第2工程後に、フィルムの延伸工程を含まない、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該液状媒体が、メタノール、エタノール、水、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、γ-ブチロラクトン、ベンジルアルコール、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロホルム、トリフルオロ酢酸からなる群から選択される1種または2種以上である、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該多糖類のGPC法による数平均分子量が10,000以上である、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該多糖類組成物の固形分量が20重量%以上である、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該多糖類組成物の25℃における粘度が5,000mPa・s以上である、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 多糖類および液状媒体を含み、複屈折を有する多糖類組成物を支持体上に塗工する第1工程、および該第1工程で得られた多糖類組成物層を乾燥してフィルムとする第2工程を含み、該多糖類組成物の25℃における粘度が50,000mPa・s以上である、d14圧電定数の最高値が1pC/N以上の圧電フィルムの製造方法。
- 液状媒体が沸点40℃以上、250℃以下の液状媒体を1種以上含む、請求項11~16のいずれか1項記載の方法。
- 液状媒体が沸点40℃以上、210℃以下の液状媒体を1種以上含む、請求項11~16のいずれか1項記載の方法。
- 多糖類がセルロースまたはその誘導体を含む、請求項11~18のいずれか1項記載の方法。
- 多糖類がセルロース誘導体であり、該セルロース誘導体が、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、モノアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロース、カルボキシメチルセルロースからなる群から選択される1種または2種以上である請求項11~18のいずれか1項記載の方法。
- 第1工程において、多糖類組成物の塗り厚が500μm以下となるように多糖類組成物を塗工する、請求項11~20のいずれか1項記載の方法。
- 第2工程が多糖類組成物層を300℃以下の温度で乾燥することを含む請求項11~21のいずれか1項記載の方法。
- 第2工程は磁場を作用させておらず、かつ、第2工程後に、フィルムの延伸工程を含まない、請求項12~16のいずれか1項記載の方法。
- 液状媒体が、メタノール、エタノール、水、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、γ-ブチロラクトン、ベンジルアルコール、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロホルム、トリフルオロ酢酸からなる群から選択される1種または2種以上である、請求項13~16のいずれか1項記載の方法。
- 多糖類のGPC法による数平均分子量が10,000以上である、請求項14~16のいずれか1項記載の方法。
- 多糖類組成物の固形分量が20重量%以上である、請求項15および16のいずれか1項記載の方法。
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