感圧及び感温特性を有した機能性3D模型の作製法の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14595
• Research Institution: Toba National College of Maritime Technology
• Principal Investigator: 亀谷 知宏 鳥羽商船高等専門学校, その他部局等, 准教授 (70734854)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 感圧塗料 / 感温塗料 / 複合センサ / 3Dプリンタ

Outline of Annual Research Achievements

3Dプリンタ装置で，感圧色素および感温色素を含んだ機能性模型（感圧・感温模型）を作製するにあたり，3Dプリンタ装置を確立，ペースト状樹脂の出力量を調整できるようにし，2018年度からペースト状樹脂にシリコンシーラントを用いて単純形状模型の形成を試みてきた．実際に感圧色素として白金ポルフィリン(PtTFPP)をシリコンシーラントに混合した樹脂を3Dプリンタ装置で吐出することで作製した感圧模型の圧力感度と温度感度が，3Dプリンタ装置を用いずに作製したPtTFPPとシリコンシーラントの感圧サンプルと同程度の特性を示すことから，本研究の手法に一定の可能性を見出せている．
一方で，当初計画していた感圧色素と感温色素を物理的に塗り分けた多種色素による機能性模型の作製は，表面精度などの観点から現状の3Dプリンタでは困難であると判断し，現在色素を1種類での機能性模型の作製を試みている．その前段階として，シリコンシーラントのバインダーとしての可能性を調査した．
まず感温模型について，色素にZnS-AgInS2 (ZAIS)ナノ粒子とユーロピウム錯体(EuTTA)を用いた感温サンプルを作製した．過去に作製したZAISナノ粒子を用いたため，従来のZAISナノ粒子と比較して感度が落ちていたが，TLCプレートで作製したサンプルと同程度の感度特性が得られた．また感温色素としてEuTTAを用いた感温サンプルも同様に，TLCプレートで作製したサンプルと同程度の感度が得られた．以上のことから，これら2つの色素を用いた感温模型のバインダーとしてシリコンシーラントは問題なく使用できることが分かった．
一方で，温度非依存PSPに用いられる色素であるピレンスルホン酸(PySO3H)を用いた感圧サンプルについては，作製条件の確定ができておらず，その実現性については評価できていない．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

昨年度は新型コロナウイルス感染症の影響によって，登校制限による実験ができない状況や，新たな色素を作製するための機器が使用できない状況が続いた．また実験を再開した際にも想定していなかった温度コントローラの不調の解決に時間を要し，予定していた実験ができなかった．また計画当初作製するつもりであった単純な直方体の模型は，中央部分に樹脂を埋める際に直前に吐出したシリコンシーラントの乾燥具合などの影響を受け，表面が粗くなってしまう問題が生じており，これまでにシリコンシーラントの吐出速度やノズルの走査速度を調整するなど改善を試みてきたが，いまだその解決には至っていない．さらに感圧色素の温度依存性を補正し圧力計測の精度を向上させるために，当初は感圧色素と感温色素を物理的に塗り分けた多種色素による機能性模型の作製を計画していたが， 3Dプリンタ装置による形成は，現時点では作製した模型の表面粗さなど，精度が問題となり実現は困難であることが分かり，当初の計画を変更する必要があった．これらの理由から，当初の予定より遅れが生じている．
現在は感温色素のみをシリコンシーラントに混合した感温模型や，単一色素でも温度補正を要しない温度非依存PSPに用いられる色素を用いた温度非依存感圧模型の作製を目指している．感温サンプルは想定通りの静的特性が得られているため，今後実際に3Dプリンタを用いて感温模型の作製を試みる計画である．

Strategy for Future Research Activity

2020年度は，まずシリコンシーラントの感温模型や温度非依存感圧模型のバインダーとしての可能性について調査した．感温色素であるZAISナノ粒子やEuTTAのみをシリコンシーラントに混合した感温サンプルの静的特性を計測した結果，TLCプレートを用いて作製した感温サンプルと同程度の感度特性が得られた．一方でPySO3Hを色素に用いた温度非依存感圧サンプルについては，想定していた感度特性が得られない上，その特性が安定しなかったため，作製条件が確定できなかった．
2021年度は，昨年度の結果からより実現の可能性が高いと考えられるZAISナノ粒子やEuTTAを感温色素として用いた感温模型の作製を3Dプリンタを用いて優先的に試みる．なお，昨年度は機器の使用の関係上新たにZAISナノ粒子を作製することが難しかったため，過去に作製したZAISナノ粒子を用いざるを得ず，結果的に作製した感温サンプルの静的特性は劣化してしまっていた．今年度はZAISナノ粒子を色素として用いる場合は，ZAISナノ粒子を新たに作製することで本来の静的特性を有した感温模型の作製を目指す． EuTTAについても，ZAISナノ粒子と併行して感温模型の作製を試みる．PySO3Hを感圧色素として用いた温度非依存感圧模型については現時点で作製条件が不明瞭であり，その解決にはより詳細な特性を得るための実験装置が必要であるなど時間を要すると考えている．そのため昨年度購入予定であったPySO3H用の光学フィルタなどは購入を見送る．その替わりにEuTTA用の実験装置や消耗品を購入する必要がある．

Causes of Carryover

新型コロナウイルス感染症の影響によって，必要な物品が調達できなかったことや，実験自体ができない期間があった．実験については，感温サンプルを作製しその感度特性を調査した．色素としてZAISナノ粒子を用いた感温サンプルは，過去に作製した粒子を用いたところ特性が劣化していた．そのためZAISナノ粒子を用いる際には新たに作製する必要がある．またEuTTAを用いる際にも，その溶媒などが必要となる．今年度は，主にこれら2つの色素を用いて感温模型を作製するため，その材料費に充てる計画である．