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2020 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 / ポリマー / 圧力センサ / ポリスチレン
研究実績の概要

2020年度は、フィルムでは通常圧電性を示さない廉価な汎用ポリマーであるアタクチックポリスチレン(aPS)が、電界紡糸によるマイクロファイバ膜化のみにより優れた疑似逆圧電特性を示すことを世界に先駆けて明らかにした(Macromol.Rapid Commun.41,2000218(2020))。加えて、高周波の電圧印加および振動印加に対しても良好に応答することを示した。また、これらの疑似逆圧電特性および疑似正圧電特性を良好に説明する数理モデルも初めて提案した。
また、異なる6種のポリマー{poly(methyl methacrylate)(PMMA)、aPS、poly(vinyl alcohol)(PVA)、poly(D,L-lactic acid)(PDLLA)、poly(L-lactic acid)(PLLA)、poly[(R)-3-hydroxybutyric  acid](PHB)}をそれぞれ電界紡糸し、得られたナノマイクロファイバ膜の疑似正圧電特性を作製22時間後と30日後に測定した(Polymer,224,123732(2021))。作製22時間後では、PMMA、aPS、PDLLA、PLLA、PHBの各ファイバ膜が疑似正圧電特性を示した。特にPMMA、aPS、PDLLAはフィルムでは通常圧電性を示さないポリマーである。一方で、PVAファイバ膜は疑似正圧電特性を示さなかった。また作製30日後では、PMMAとaPSの各ファイバ膜は見かけの圧電d定数(dapp)の値をほぼ保持したものの、PDLLA、PLLA、PHBの各ファイバ膜ではdappの顕著な低下が見られた。これらの異なる経時特性は、各ポリマー種が有する電荷保持特性の違いに由来するものと考察している。

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

2020年度は、フィルムでは通常圧電性を示さない廉価な汎用ポリマーであるアタクチックポリスチレンが、電界紡糸によるマイクロファイバ膜化のみにより、優れた疑似逆圧電特性および疑似正圧電特性を準静的および高周波の条件下で共に示すことを世界に先駆けて明らかにした。さらに、電界紡糸ナノマイクロファイバ膜が、「なぜ疑似圧電特性を発現したか?」「高度の疑似圧電特性を示した原因は何か?」を2019年度よりも詳細に明らかにした。特に、これらの疑似逆圧電特性および疑似正圧電特性を良好に説明する数理モデルの構築は特筆すべき成果であり、当該モデルにより高度の疑似圧電特性が得られた原因をより詳細に明らかにした。また、異なるポリマーからなる電界紡糸ナノマイクロファイバ膜の疑似正圧電特性の経時特性を評価し、各種ポリマーのどの物性が疑似圧電特性の発現および優劣に影響を与えるかを考察した。以上の進展により、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、2020年度に引き続き高度の疑似圧電特性(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。具体的には、紡糸条件(紡糸電圧、紡糸時間、溶液の種類など)を変化させて電界紡糸ナノマイクロファイバ膜を作製し、この疑似圧電特性と関連する物性値を評価することにより、疑似圧電特性と紡糸条件の関係を系統的に調査する。この系統的な調査により、どの作製条件がどのように疑似圧電特性の優劣に影響を与えるかを明らかにする。なお、2020年度に構築した数理モデルを用いることにより、より詳細な考察が可能となる。また、2020年度に新たに開発した疑似正圧電特性の評価法(連続押込み法:Sens.Actuator A Phys.326,112717(2021))も疑似圧電特性の評価に活用する。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件) 学会発表 (9件) (うち招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (3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(A*STAR)(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(A*STAR)
  • [雑誌論文] Investigation of electromechanical properties of as-electrospun polystyrene fiber mat via sequential approaching/loading technique2021

    • 著者名/発表者名
      Ishii Yuya
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators A: Physical

      巻: 326 ページ: 112717~112717

    • DOI

      10.1016/j.sna.2021.112717

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quasistatic direct electromechanical responses from as-electrospun submicron/micron fiber mats of several polymers2021

    • 著者名/発表者名
      Iumsrivun Chonthicha、Yui Takayuki、Yokoyama Atsushi、Ishii Yuya
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 224 ページ: 123732~123732

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.123732

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electromechanically Active As‐Electrospun Polystyrene Fiber Mat: Significantly High Quasistatic/Dynamic Electromechanical Response and Theoretical Modeling2020

    • 著者名/発表者名
      Ishii Yuya、Yousry Yasmin Mohamed、Nobeshima Taiki、Iumsrivun Chonthicha、Sakai Heisuke、Uemura Sei、Ramakrishna Seeram、Yao Kui
    • 雑誌名

      Macromolecular Rapid Communications

      巻: 41 ページ: 2000218~2000218

    • DOI

      10.1002/marc.202000218

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 電界紡糸ナノ・マイクロファイバの作製と光電子素子への応用2020

    • 著者名/発表者名
      石井佑弥
    • 学会等名
      電気学会東海支部学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] ポリスチレン電界紡糸ファイバ膜からなる高負荷動作可能な圧力センサ2020

    • 著者名/発表者名
      大久保舜策, 石井佑弥
    • 学会等名
      2020年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] 異なる濃度で色素を添加した電界紡糸ポリスチレンファイバ膜の電気機械特性2020

    • 著者名/発表者名
      實本恵士, 川嶋拓馬, 石井佑弥
    • 学会等名
      2020年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] 電界紡糸ポリスチレンファイバ膜の堆積時間と電気機械特性の関係2020

    • 著者名/発表者名
      松田和樹, 大久保舜策, 石井佑弥
    • 学会等名
      2020年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] Quasistatic direct electromechanical properties of as-electrospun fiber mats composed of different polymers2020

    • 著者名/発表者名
      Iumsrivun Chonthicha, Yui Takayuki, Yokoyama Atsushi, Ishii Yuya
    • 学会等名
      2020年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] マルチノズル電界紡糸法を用いたポリ乳酸ファイバ膜の作製と電気機械特性2020

    • 著者名/発表者名
      宇賀亮人, 由井陽之, 石井佑弥
    • 学会等名
      2020年繊維学会秋季研究発表会
  • [学会発表] 汎用ポリマからなる電界紡糸ファイバ膜の電気機械特性と特性解析モデル2020

    • 著者名/発表者名
      石井佑弥, 栗原慎太郎, 北山流星
    • 学会等名
      2020年度繊維学会年次大会
  • [学会発表] pH応答性色素を添加した電界紡糸ポリスチレンファイバ膜のガス応答性と電気機械特性2020

    • 著者名/発表者名
      川嶋拓馬, 北渉, 石井佑弥
    • 学会等名
      日本繊維機械学会第73回年次大会
  • [学会発表] バイオベースポリマーからなる電界紡糸ファイバ膜の帯電および電気機械特性2020

    • 著者名/発表者名
      由井陽之, 仲林裕司, 石井佑弥
    • 学会等名
      日本繊維機械学会第73回年次大会
  • [図書] エレクトロスプレー/スピニング法とその応用2021

    • 著者名/発表者名
      山下義裕
    • 総ページ数
      341
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781315928
  • [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/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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