(57)【要約】【課題】摩擦帯電性と耐久性とを両立できる、摩擦帯電ユニットを提供することを課題とする。【解決手段】正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、前記負帯電部材がポリエステル樹脂である摩擦帯電ユニットにより課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
前記負帯電部材がポリエステル樹脂の延伸成形体である、摩擦帯電ユニット。
【請求項２】
前記ポリエステル樹脂は、ポリエチレンテレフタレート樹脂及びポリエチレンナフタレート樹脂から選択される、請求項１に記載の摩擦帯電ユニット。
【請求項３】
正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
前記負帯電部材がポリエステル樹脂であり、ポリエチレンテレフタレート樹脂及びポリエチレンナフタレート樹脂から選択される、摩擦帯電ユニット。
【請求項４】
前記ポリエステル樹脂は、延伸度が少なくとも一方向において２．５倍以上７倍以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニット。
【請求項５】
前記負帯電部材は、厚さが１０μｍ以上２ｍｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニット。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニットを備えた、集塵デバイス。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦帯電ユニットを備えた、発電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦により発生した電荷を帯電し得る摩擦帯電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、部材を摩擦により帯電させ、これにより空気中の微細な埃を集めたり、あるいは部材の汚れを取り除いたりすることが行われている。例えば特許文献１には、摩擦して帯電させた集塵板を用いて、静電的に集塵を行う集塵デバイスが開示されている。
【０００３】
特許文献１では、集塵デバイスで用いる集塵板及び摩擦板として、アクリルとナイロン、及びポリエステルとナイロンの組み合わせが例示されており、帯電列の位置関係が遠いと帯電力が大きくなり好ましいとされている。そのため、摩擦により帯電させる集塵部材としては、帯電序列として最も負帯電が起こりやすいという理由から、負帯電材としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂が用いられることがほとんどであった。負帯電の起こりやすさの観点からは、ポリテトラフルオロエチレン樹脂の次にはシリコーン樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂の順番になっている（非特許文献１参照）。
【０００４】
したがって、どのような正帯電材と組み合わせて摩擦帯電させる場合でも、ＰＴＦＥ樹脂を負帯電部材として用いることが、最も帯電量を大きくできるため好ましいと理解されている。一方、正帯電部材としては典型的にはナイロンが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３６７３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】静電気ドクター“帯電列”、［ｏｎｌｉｎｅ］、株式会社キーエンス、［２０１９年４月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.keyence.co.jp/ss/products/static/static-electricity/basic/nature.jsp
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＰＴＦＥ等のフッ素含有樹脂は、摩擦帯電性は優れているが、耐久性が十分とは言えなかった。本発明は、摩擦帯電性と耐久性とを両立できる、摩擦帯電ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、ＰＴＦＥを負帯電部材として用いた場合と同程度の摩擦帯電性を有すると同時に、ＰＴＦＥ以上の耐久性を持つ材料を検討したところ、驚くべきことに帯電序列から見ると、正帯電部材からの距離がＰＴＦＥと比較して小さくなり、摩擦帯電性が大きく劣ると考えられているポリエステル樹脂を負帯電部材として用いることで、上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
本発明は、以下のものを含む。
［１］正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
前記負帯電部材がポリエステル樹脂の延伸成形体である、摩擦帯電ユニット。
［２］前記ポリエステル樹脂は、ポリエチレンテレフタレート樹脂及びポリエチレンナフタレート樹脂から選択される、［１］に記載の摩擦帯電ユニット。
［３］正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットであって、
前記負帯電部材がポリエステル樹脂であり、ポリエチレンテレフタレート樹脂及びポリエチレンナフタレート樹脂から選択される、摩擦帯電ユニット。
［４］前記ポリエステル樹脂は、延伸度が少なくとも一方向において２．５倍以上７倍以下である、［１］〜［３］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニット。
［５］前記負帯電部材は、厚さが１０μｍ以上２ｍｍ以下である、［１］〜［４］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニット。
［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニットを備えた、集塵デバイス。
［７］［１］〜［５］のいずれかに記載の摩擦帯電ユニットを備えた、発電デバイス。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、摩擦帯電性と耐久性とを両立できる、負帯電部材を提供できる。そして、当該負帯電部材と正帯電部材とを有する摩擦帯電ユニットを提供できる。更に当該摩擦帯電ユニットを用いた、集塵デバイスや発電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】摩擦帯電ユニットを備えた発電デバイスの一実施形態を示す模式図である。
【図２】実施例で使用した実験装置の概要を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態は、正帯電部材と、該正帯電部材に接触し得るよう配置された負帯電部材と、を有し、該正帯電部材と該負帯電部材との摩擦により帯電し得る摩擦帯電ユニットである。そして、負帯電部材としてポリエステル樹脂を用いるものである。
正帯電部材と負帯電部材とは、互いが摺動することで、及び／又は互いが接触と離反を繰り返すことで、電荷を発生させて帯電する。本実施形態では、摩擦により発生した負の電荷を帯電させる負帯電部材にポリエステル樹脂を用いる。なお、該摺動及び該接触・離反により電荷を発生させることを「摩擦」と称する。
【００１４】
正帯電部材としては、負帯電部材として用いるポリエステル樹脂を負帯電できる部材であれば特段限定されず、ＰＴＦＥ樹脂、シリコーン樹脂、ビニル樹脂のような、ポリエステル樹脂との組み合わせにおいて自らが負帯電する可能性が高い材料を避ければよい。典型的にはナイロンが用いられるが、これに限られない。
【００１５】
以下、図に示す具体的な実施形態により、本発明を説明する。図１は、本実施形態の摩擦帯電ユニットを摩擦発電デバイスに適用した形態である。
摩擦発電デバイス１０は、正帯電部材用の基材１に正帯電部材３が支持され、負帯電部材用の基材２に負帯電部材４が支持されている。正帯電用部材３と負帯電用部材４とは固定されておらず、正帯電用部材３と負帯電用部材４とが摺動することで、及び／又は正帯電用部材３と負帯電用部材４とが接触・離反を繰り返すことで、正帯電用部材３には正の電荷が、負帯電用部材４には負の電荷がそれぞれ発生する。正帯電用部材３と負帯電用部材４との摩擦は、既知の駆動方法を用いて正帯電用部材３と負帯電用部材４とを動かし、摩擦すればよい。
【００１６】
帯電部材を支持する基材１及び２は導電性を有する部材であり、基材１及び基材２と電気的に接続された配線５から発生した電気を取り出すことができる。なお、摩擦帯電ユニットを集塵デバイスとして用いる場合には、基材と電気的に接続した配線の一端をアースしてもよい。
基材１及び基材２は、必ずしも必要なものではないが、取り扱い性等の点で有することが好ましい。また、帯電部材を支持できる十分な強度を有していれば、特に限定されない。また、基材と帯電部材との間に接着層を設けてもよい。この場合の接着層は、基材との密着性を向上させる等の目的で設けることができる。
【００１７】
負帯電部材４はポリエステル樹脂であり、少なくとも正帯電部材３と接触する最外層がポリエステル樹脂であれば、他の部材との積層体であってもよい。ポリエステル樹脂としては、特に限定されないが、繰り返し使用による表面の傷ができにくいことから、ポリエチレンテレフタレート樹脂、及びポリエチレンナフタレート樹脂が好ましい。また、延伸成形体であることが好ましい。
正帯電部材３は、負帯電部材４として用いるポリエステル樹脂を負帯電できる部材であれば特段限定されず、典型的にはナイロンである。正帯電部材３はシート状であってもよく、また静電気の発生量を増加させるために、ブラシ状であってもよい。
【００１８】
次に、負帯電部材であるポリエステルフィルムの製造例を説明する。
本実施形態において負帯電部材として用いるポリエステルの形状については特に限定されないが、一般に厚さ２ｍｍ以下のフィルム状で用いられるが特に限定されず、５００μｍ以下であってよい。また下限も限定されず通常５μｍ以上であり、１０μｍ以上であってよい。
【００１９】
ポリエステルフィルムの製造方法としては、通常知られている製造方法を採用でき、特に制限はない。
例えば、二軸延伸ポリエステルフィルムを製造する場合、ポリエステル原料を押出機でダイから溶融押し出しし、溶融シートを冷却ロールで冷却固化して未延伸シートを得る。この場合、シートの平面性を向上させるためシートと冷却ロールとの密着性を高めることが好ましく、静電印加密着法や液体塗布密着法が好ましく採用される。
【００２０】
次に得られた未延伸シートを一方向にロールまたはテンター方式の延伸機により延伸する。延伸温度は、通常７０〜１２０℃、好ましくは８０〜１１０℃であり、延伸倍率は通常２．５〜７倍、好ましくは３．０〜６倍である。
次いで、一段目の延伸方向と直交する方向に、通常７０〜１７０℃で、延伸倍率は通常２．５〜７倍、好ましくは３．０〜６倍で延伸する。引き続き１８０〜２７０℃の温度で緊張下または３０％以内の弛緩下で熱処理を行い、二軸配向フィルムを得る方法が挙げられる。
上記の延伸においては、一方向の延伸を２段階以上で行う方法を採用することもできる。その場合、最終的に二方向の延伸倍率がそれぞれ上記範囲となるように行うことが好ましい。
【００２１】
ポリエステルフィルムの製造方法として、同時二軸延伸法を採用することもできる。
同時二軸延伸法は、上記の未延伸シートを通常７０〜１２０℃、好ましくは８０〜１１０℃で温度コントロールされた状態で長さ方向および幅方向に同時に延伸し配向させる方法である。延伸倍率は、通常面積倍率で４〜５０倍、好ましくは７〜３５倍、さらに好ましくは１０〜２５倍である。そして、引き続き、１７０〜２７０℃の温度で緊張下または３０％以内の弛緩下で熱処理を行い、延伸配向フィルムを得る。上述の延伸方式を採用する同時二軸延伸装置に関しては、スクリュー方式、パンタグラフ方式、リニアー駆動方式等、従来公知の延伸方式を採用することができる。
なお、延伸成形体であるか否かは、既知の方法により確認することができ、例えばＴｈｅ  ＴＲＣ  Ｎｅｗｓ，２０１６０４−０４（Ａｐｒｉｌ  ２０１６）（東レリサーチセンターニュースの２０１６年４月号）に掲載された「結晶性ポリマーのフィルムの延伸に伴う高次構造変化の解析」に記載されているように、貯蔵弾性率−温度曲線での非晶部のガラス転移による下向きのピークが、延伸により未延伸に対して小さくなっていくこと、ＤＳＣによるガラス転移と冷結晶化の温度差が、延伸により未延伸に対して小さくなっていくこと、Ｘ線回折による回折像の変化、ラマン分光などから、サンプルの状況に合わせ、適用しやすい方法で分析すればよい。
【００２２】
ポリエステルフィルムは、帯電性を大きく損ねない範囲で、複数の層からなる多層ポリエステルフィルムであってよく、表面にコートを設けたフィルムであってもよい。表面コートに関しては、ポリエステルフィルムの製造工程中にフィルム表面をコートする、インラインコーティングにより設けられてもよく、一旦製造したフィルム上に系外でコートする、オフラインコーティングを採用してもよい。インラインコーティングにより形成されることが好ましい。
【００２３】
インラインコーティングは、ポリエステルフィルム製造の工程内でコーティングを行う方法であり、具体的には、ポリエステルを溶融押出ししてから延伸後熱固定して巻き上げるまでの任意の段階でコーティングを行う方法である。通常は、溶融、急冷して得られる未延伸シート、延伸された一軸延伸フィルム、熱固定前の二軸延伸フィルム、熱固定後で巻上前のフィルムの何れかにコーティングする。
以下に限定するものではないが、例えば逐次二軸延伸においては、特に長手方向（縦方向）に延伸された一軸延伸フィルムにコーティングした後に横方向に延伸する方法が優れている。かかる方法によれば、製膜と塗布層形成を同時に行うことができるため製造コスト上のメリットがあり、また、コーティング後に延伸を行うために、塗布層の厚みを延伸倍率により変化させることもでき、オフラインコーティングに比べ、薄膜コーティングをより容易に行うことができる。
【００２４】
また、延伸前にフィルム上に塗布層を設けることにより、塗布層を基材フィルムと共に延伸することができ、それにより塗布層を基材フィルムに強固に密着させることができる。さらに、二軸延伸ポリエステルフィルムの製造において、クリップ等によりフィルム端部を把持しつつ延伸することで、フィルムを縦および横方向に拘束することができ、熱固定工程において、しわ等が入らず平面性を維持したまま高温をかけることができる。それゆえ、塗布後に施される熱処理が他の方法では達成されない高温とすることができるために、塗布層の造膜性が向上し、塗布層と基材フィルムをより強固に密着させることができ、さらには、強固な塗布層とすることができ、塗布層上に形成され得る各種の機能層との密着性や耐湿熱性等の性能を向上させることができる。
【００２５】
本発明の一実施形態である摩擦帯電ユニットは、摩擦発電デバイスの発電源、センサー、集塵デバイスの集塵シートなどの用途に活用することが可能である。以下説明する。
【００２６】
摩擦による帯電を利用した摩擦発電機は、電極と帯電部材とを有する一対の電極部材が対向した構造を有する。対向する帯電部材同士の表面が接触と離反を繰り返す際に、その表面層が互いに反対の極性に帯電する。帯電部材同士が接触している時には正負の電荷が外部に形成する電場が打ち消し合うために、電極間の電位差は等しい。帯電部材同士が離れると、両電極間に電位差が生じる。負荷抵抗を介して、両電極を電気的に接続すると、この接続部を通って電荷が流れる。電荷は電極間の電位差がゼロになるまで流れ、この流れがすなわち電流となる。
【００２７】
センサーの発電源となる場合であっても摩擦発電機の発電源と同様、電極と帯電部材を
有する一対の電極部材が対向した構造を有する。電極部材の帯電部材の表面が接触と離反を繰り返す際に流れる電荷を信号として検出することでセンサーとして利用することができる。
【００２８】
摩擦による帯電を利用した集塵に利用する場合、帯電部材とそれを帯電させる摩擦体とを少なくとも有する。帯電部材の表面と摩擦体とが摩擦することにより帯電部材の摺動面が帯電し、この帯電表面を利用して空気中の帯電粒子を捕集することができる。
本実施形態の摩擦帯電ユニットが用いられた上述のようなデバイスは、従来のＰＴＦＥを用いた負帯電部材を用いたものより、耐久性に優れるため、帯電部材の交換等の頻度を減らすことができ、好ましい。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明するが、実施例の具体的な説明により本発明が限定されることはない。
＜実施例１＞
負帯電部材として、厚み１００μｍのＰＥＴフィルムの片面に、電子ビーム蒸着法によりアルミニウムを１００ｎｍの厚みで蒸着した。アルミニウムを蒸着したＰＥＴフィルムを８０ｍｍφのアルミ筒に、アルミニウムを蒸着した面が筒に接するように貼り付けた。貼り付けたＰＥＴフィルムは純水で湿らせた布で丁寧に拭いて風乾し、表面電位計により帯電していないことを確認した。
【００３０】
次に、図２に示す実験装置を準備した。実験装置は、半径５ｍｍの半円柱状の支持部材２１に正帯電材としてナイロン布２３を巻き付け、ＰＥＴフィルム２４を貼り付けたアルミ筒２２に押し当てた。アルミ筒２２を毎分１２回転で回転させ、ナイロン布２３とＰＥＴフィルム２４を摩擦させた。３０回転後のＰＥＴフィルム２４の表面電位のピーク値を、モンローエレクトロニクス社製２４４型表面電位計（図中２５）を用いて読み取ったところ、−６１３Ｖであった。読み取った表面電位の値から、次の式（１）を用いてＰＥＴフィルムの帯電密度σを計算した。算出した値を表１に示す。
σ＝２×Ｖ×ε０×εｒ／ｄ    ・・・（１）
ここで、Ｖは表面電位、ε０は真空中の誘電率、εｒは比誘電率、ｄはフィルムの厚みを表す。
【００３１】
＜比較例１＞
負帯電材として、ＰＥＴフィルムの代わりに片面にアルミニウムを１００ｎｍ蒸着した１００μｍ厚のＰＴＦＥフィルムを用いた他は、実施例１と同様にして測定を行った。表面電位のピーク値は−３９７Ｖであった。実施例１と同様にして算出したＰＴＦＥフィルムの帯電密度σの値を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2020188566.tif 000003
【００３３】
表１から明らかなとおり、ＰＥＴフィルムは、従来品用いられている帯電順位がより負電位側にあるとされているＰＴＦＥフィルムより、同じ膜厚、同じ摺動条件で、より高い帯電密度を実現できていることがわかる。
またフィルム強度の点では、実験するまでもなく、ＰＴＦＥよりＰＥＴの方が傷やすり減りに対し強いので、ポリエステル樹脂を負帯電材として用いることで、例えば集塵用途であれば、より多くの塵を集め、かつ寿命も長くなることが期待できる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  発電デバイス
１、２  基材
３  正帯電部材
４  負帯電部材
５  配線
２１  支持部材
２２  アルミ筒
２３  ナイロン布
２４  ＰＥＴフィルム
２５  表面電位計
【図１】
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【図２】
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