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2019 年度 実施状況報告書

高度の圧電特性を示すポリマナノ/マイクロ圧電ファイバの動作メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 19K15421
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

石井 佑弥  京都工芸繊維大学, 繊維学系, 助教 (30633440)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードナノ・マイクロファイバ / エレクトレット / 圧電 / エレクトロスピニング / 電界紡糸 / 高分子 / ポリマ―
研究実績の概要

2019年度は,電界紡糸法で作製したポリマナノ/マイクロファイバ膜において発現する圧電的特性の発現の原因の基本部分を明らかにした.具体的には,異なる積層方向で電界紡糸ポリスチレンマイクロ圧電ファイバ膜を積層したときの表面電位を測定したところ,単層の当該膜の表面電位は約439 Vであり,電界紡糸で使用した正の高電圧と同極性の表面電位をもつエレクトレットであることが分かった.次に,2枚の当該膜を順方向積層と逆方向積層し表面電位を測定したところ,順方向積層で約536 Vと増加する一方で,逆方向積層で約-26 Vと相殺されるように大きく減少することが分かった.以上の結果から,当該ファイバ膜の上側付近に正電荷が偏って担持され,ファイバ膜の下側付近に負電荷が偏って担持されたエレクトレットであることが示され,これが圧電的特性の発現メカニズムの基本部分であることを明らかにした.
さらに,多孔性ポリマフィルムのエレクトレットの解析モデルを応用して,実効的な表面電荷密度を見積ったところ,当該ファイバ膜が良好に帯電していることが分かった.以上の結果と解析モデルの式を照らし合わせることにより,電界紡糸ポリスチレンマイクロ圧電ファイバ膜が高度の見かけの圧電 d 定数を示した理由が,良好に帯電しかつ非常にやわらかい性質に由来することを明らかにした.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

2019年度は,電界紡糸法で作製したポリマナノ/マイクロ圧電ファイバ膜において,そもそもの「なぜ圧電的特性が発現したか?」の解明を主に計画していた.実際に2019年度は,この圧電的特性の発現の原因の基本部分が,当該ファイバ膜の上側付近に正電荷が偏って担持され、繊維膜の下側付近に負電荷が偏って担持されたエレクトレットであることを明らかにした.さらに,主に2020年度以降に計画していた,高度の見かけの圧電特性(見かけの圧電d定数)が得られた原因の解明についても,当該ファイバ膜が良好に帯電しかつ非常にやわらかい性質に由来するという基本部分を明らかにしている.従って,当初の計画以上に進展していると考える.

今後の研究の推進方策

今後は,高度の見かけの圧電特性(見かけの圧電d定数)が得られた原因の解明をより詳細に検討する.2019年度までに,電界紡糸法で作製したポリマナノ/マイクロ圧電ファイバ膜が高度の見かけの圧電 d 定数を示した理由が,良好に帯電しかつ非常にやわらかい性質に由来することを明らかにしている.2020年度以降は,より詳細に高度の見かけの圧電特性(見かけの圧電d定数)が得られた原因を研究していく.具体的には,当該ファイバの材料やファイバの紡糸条件などを変化させることにより,見かけの圧電特性との関係を調査する.また,ファイバの直径などの当該ファイバ膜のやわらかさに影響を及ぼす因子を変化させ,見かけの圧電特性との関係を調査する.

次年度使用額が生じた理由

当初参加を予定していた学術会議の開催が中止となったため旅費と学会参加費に差額が生じた.差額分については次年度の試薬購入費に使用する.

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (3件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] シンガポール国立大学/シンガポール科学技術研究庁(シンガポール)

    • 国名
      シンガポール
    • 外国機関名
      シンガポール国立大学/シンガポール科学技術研究庁
  • [雑誌論文] Charge generation from as-electrospun polystyrene fiber mat with uncontacted/contacted electrode2019

    • 著者名/発表者名
      Ishii Yuya、Kurihara Shintaro
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 115 ページ: 203904~203904

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5126777

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High electromechanical response from bipolarly charged as-electrospun polystyrene fiber mat2019

    • 著者名/発表者名
      Ishii Yuya、Kurihara Shintaro、Kitayama Ryusei、Sakai Heisuke、Nakabayashi Yuji、Nobeshima Taiki、Uemura Sei
    • 雑誌名

      Smart Materials and Structures

      巻: 28 ページ: 08LT02~08LT02

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab2e3a

    • 査読あり
  • [学会発表] Electromechanical Properties of Electrospun Poly(lactic acid)Fibrous Mats2019

    • 著者名/発表者名
      T. Yui, R. Kitayama, Y. Ishii
    • 学会等名
      5th International Symposium on Advances in Sustainable Polymers (ASP-19)
    • 国際学会
  • [学会発表] Piezoelectric response of amorphous electrospun fibers of atactic polystyrene2019

    • 著者名/発表者名
      C. Iumsrivun, S. Kurihara, R. Kitayama, A. Yokoyama, Y. Ishii
    • 学会等名
      Comfort and Smart Textile International Symposium 2019 (ISSTTCC2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Electromechanical response from as-electrospun fiber mats of nonpiezoelectric polymers2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Ishii, R. Kitayama, S. Kurihara
    • 学会等名
      Conference on Nano-Micromaterials for Circular economy and Sustainability
    • 国際学会
  • [学会発表] エレクトロスピニング法で作製した機能性ポリマファイバ2019

    • 著者名/発表者名
      石井佑弥
    • 学会等名
      第167回東海高分子研究講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] ガス応答性と圧電挙動を示す電界紡糸ファイバ膜2019

    • 著者名/発表者名
      川嶋拓馬, 北渉, 石井佑弥
    • 学会等名
      2019年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] バイオベースポリマ―からなる電界紡糸ファイバ膜の電気機械特性2019

    • 著者名/発表者名
      由井陽之, 北山流星, 石井佑弥
    • 学会等名
      2019年繊維学会秋季研究発表会
  • [図書] ナノファイバーの製造・加工技術と応用事例(第9章1節ポリマサブミクロンファイバの作製とセンシング応用)2019

    • 著者名/発表者名
      石井佑弥
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-765-7
  • [備考] 京都工芸繊維大学研究者総覧

    • URL

      https://www.hyokadb.jim.kit.ac.jp/profile/ja.7fa0df662b348aee002eb8b95079000d.html

  • [備考] Researchmap研究者情報ページ

    • URL

      https://researchmap.jp/yishii

  • [備考] スマートテキスタイル研究室webページ

    • URL

      http://www.fibro.kit.ac.jp/lab/ishii/

  • [産業財産権] 発電素子および発電素子の製造方法2019

    • 発明者名
      石井佑弥, 延島大樹, 植村聖
    • 権利者名
      石井佑弥, 延島大樹, 植村聖
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-072448

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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