エレクトロスピニング法を用いたメッシュ型高分子複合体サーミスタの開発

利用静电纺丝法开发网状聚合物复合热敏电阻

• 批准号: 21K14205
• 负责人: 奥谷 智裕
• 金额: $ 3万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14205/
• 关键词: ポリマーPTCサーミスタ; フレキシブル温度センサ; メッシュエレクトロニクス; エレクトロスピニング; コンポジット材料; PTCサーミスタ

風邪や感染症を含む身体の不調は生体温度の微小な変化として表れるため、その兆候を見逃さない高度な予防医療の実現には、高感度なウェアラブル温度センサの開発が必要である。微小な生体温度の変化を計測できる温度センサとして、ポリマーPTCサーミスタがあげられる。しかし、従来のサーミスタは厚みがあり、シート型で伸縮性も有していなかったため、生体に密着せず長期間モニタリングを行うのは難しかった。そこで本研究では、エレクトロスピニング法を用いて、メッシュ構造を有する複合材料型の高分子サーミスタを開発する。今年度は、エレクトロスピニング法を用いて、ファイバー型のポリマーPTCサーミスタの開発に取り組んだ。合成したアクリル酸ポリマーと導電材料と有機溶剤テトラヒドロフランを混ぜ、ファイバー化を試みた。3つの材料を混ぜる方法として、超音波分散を用いた。後述の導電フィラー選定にも関連するが、1時間ほどの分散処理時間が必要であることがわかった。ファイバー化にあたり、導電材料の選定を行った結果、グラファイトやカーボンブラックよりもカーボンナノファイバーのほうが、ビーズが少なく綺麗にファイバー化できることがわかった。作製されたコンポジットファイバーは、SEM観察により約4 μmの大きさを有しており、非常に極薄であった。ポリイミドフィルム基板上に櫛葉電極を蒸着法でパターニングした後、その上にコンポジットファイバーを紡糸した。これにより開発したファイバーの抵抗値を読むことに成功した。ホットプレートでファイバーを昇温させながら、抵抗値を読み取った結果、35℃付近で急激に抵抗値が増加し、ポリマーPTCサーミスタ特性を有していることを確認できた。

包括感冒和传染病在内的身体疾病都表现为体温的微小变化，因此有必要开发高灵敏度的可穿戴温度传感器，以实现不错过症状的先进预防性医疗护理。聚合物PTC热敏电阻是一种可以测量生物温度微小变化的温度传感器。然而，传统的热敏电阻较厚、呈片状且不可拉伸，因此难以在不与生物体密切接触的情况下进行长期监测。在这项研究中，我们将利用静电纺丝开发一种具有网状结构的复合聚合物热敏电阻。今年，我们致力于利用静电纺丝方法开发纤维型聚合物PTC热敏电阻。我们尝试通过混合合成的丙烯酸聚合物、导电材料和有机溶剂四氢呋喃来制造纤维。使用超声波分散来混合三种材料。虽然与后述的导电性填料的选择有关，但可知需要约1小时的分散处理时间。通过选择用于纤维化的导电材料，发现碳纳米纤维产生的珠子更少，并且可以比石墨或炭黑制成更整齐的纤维。根据SEM观察，所制得的复合纤维的尺寸约为4μm，并且非常细。使用气相沉积法在聚酰亚胺薄膜基板上图案化梳状叶电极后，在其上纺制复合纤维。通过这一点，他们成功地读取了所开发纤维的电阻值。在热板上升高光纤温度的同时读取电阻值，结果电阻值在35℃附近突然增加，证实其具有聚合物PTC热敏电阻特性。

项目成果

Polymer Positive Temperature Coefficient Thermistor with Ultrathin Parylene Encapsulation to Weaken Negative Temperature Coefficient Effect

聚合物正温度系数热敏电阻采用超薄聚对二甲苯封装，可减弱负温度系数影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Chihiro Okutani;Tomoyuki Yokota;Ryotaro Matsukawa;Takao Someya
• 通讯作者: Takao Someya