(57)【要約】【課題】柔軟で伸縮可能であり、かつ伸縮しても導電性の変化が少ない導電材を提供する。【解決手段】本発明に係る導電材は、有機繊維からなる螺旋状をなす糸が焼成、炭化されて成り、伸縮可能であることを特徴とする。また、有機繊維からなる螺旋状をなす糸により織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体が焼成、炭化されて成り、柔軟性を有し、伸縮可能であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機繊維からなる螺旋状をなす糸が焼成、炭化されて成り、伸縮可能であることを特徴とする導電材。
【請求項２】
有機繊維からなる螺旋状をなす糸により織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体が焼成、炭化されて成り、柔軟性を有し、伸縮可能であることを特徴とする導電材。
【請求項３】
二軸方向に伸縮可能であることを特徴とする請求項２記載の導電材。
【請求項４】
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸の螺旋の巻き数が、１０２〜１０６回／ｍであることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の導電材。
【請求項５】
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸が絹糸であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の導電材。
【請求項６】
前記絹糸が絹紡糸であることを特徴とする請求項５記載の導電材。
【請求項７】
芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸を、焼成し、炭化する過程で前記芯材を除去することにより、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする導電材の製造方法。
【請求項８】
芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、前記芯材を除去した後焼成し、炭化させることにより、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする導電材の製造方法。
【請求項９】
芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、焼成し、炭化する過程で前記芯材を除去することにより、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする導電材の製造方法。
【請求項１０】
前記芯材に水溶性ビニロン糸を用い、前記布状体を湯浴中に浸漬して芯材を溶解して除去することを特徴とする請求項８記載の導電材の製造方法。
【請求項１１】
芯材に螺旋状に複数本巻回した有機繊維からなる糸を用いることを特徴とする請求項７〜１０いずれか１項記載の導電材の製造方法。
【請求項１２】
前記芯材に、前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸の太さの２〜１０００倍の太さのものを用いることを特徴とする請求項７〜１１いずれか１項記載の導電材の製造方法。
【請求項１３】
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸の螺旋の巻き数を、１０２〜１０６回／ｍとすることを特徴とする請求項７〜１２いずれか１項記載の導電材の製造方法。
【請求項１４】
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸に絹糸を用いることを特徴とする請求項７〜１３いずれか１項記載の導電材の製造方法。
【請求項１５】
前記絹糸が絹紡糸であることを特徴とする請求項１４記載の導電材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟性を有し、伸縮可能であり、かつ伸縮しても導電性の変化が少ない導電材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
柔軟で伸縮性をもった導電材（例えば電極材）として、ゴムやエラストマー等の伸縮材料中に導電性フィラーを含有させてなる材料が知られている。
また、生体用電極や圧力センサー用電極等の各種電極用素材として導電性繊維と非導電性繊維を一定の割合で交編させて成る導電性を有する伸縮性ニットが報告されている（特許文献１）。
また、柔軟な紙を作るためにバネ状に形状固定した繊維を用いる報告がなされている。該報告では、セルロース系繊維である銅アンモニアレーヨン繊維を芯繊維であるポリビニルアルコール繊維に巻きつけた糸を、適切な長さに切断し、水に溶かして紙料化し、製紙法で抄紙して、シートに伸びと弾力を付与している（非特許文献１）。
【特許文献１】実開平６−５９４８８号公報
【非特許文献１】工業材料2005Vol．53No．９p64−67
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
柔軟で伸縮性のある電極材として公知の導電性ゴムおよび導電性エラストマーにおいて、導電性と柔軟性および伸縮性は、導電性フィラーの含有量と不可分の関係にあり、導電性フィラーの含有量を増やし導電性を向上させると柔軟性と伸縮性が損なわれ、逆に導電性フィラーの含有量を減少させると導電性が低下するという課題がある。
【０００４】
また、特許文献１に記載されている電極用素材は、経緯の伸縮性および導電性に明確な異方性があり、一方向に伸長された場合、他方向は収縮する編地の性質上、経緯二軸方向への伸縮は困難であり、電極としての使用に制限がある。
また、非特許文献１に記載の製紙法は、形状固定できる繊維が限定されており、なおかつ製紙後の繊維のバネ形状を保持できない問題がある。
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、柔軟で伸縮可能であり、かつ伸縮しても導電性の変化が少ない導電材およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る導電材は、有機繊維からなる螺旋状をなす糸が焼成、炭化されて成り、伸縮可能であることを特徴とする。
また本発明に係る導電材は、有機繊維からなる螺旋状をなす糸により織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体が焼成、炭化されて成り、柔軟性を有し、伸縮可能であることを特徴とする。この導電材は少なくとも二軸方向に伸縮可能である。
【０００６】
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸の螺旋の巻き数が、１０２〜１０６回／ｍであると好適である。
前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸が絹糸、特に絹紡糸であると好適である。
【０００７】
また本発明に係る導電材の製造方法は、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸を、焼成し、炭化する過程で前記芯材を除去することにより、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする。
【０００８】
また本発明に係る導電材の製造方法は、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、前記芯材を除去した後焼成し、炭化させることにより、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする。
この場合、前記芯材に水溶性ビニロン糸を用い、前記布状体を湯浴中に浸漬して芯材を溶解して除去することができる。
【０００９】
また本発明に係る導電材の製造方法は、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、焼成し、炭化する過程で前記芯材を除去することにより、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする。
【００１０】
上記各製造方法において、芯材に螺旋状に複数本巻回した有機繊維からなる糸を用いると好適である。
また、前記芯材に、前記有機繊維からなる螺旋状をなす糸の太さの２〜１０００倍の太さのものを用いるとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る導電材およびその製造方法によれば、柔軟で伸縮可能であり、伸縮しても導電性の変化が少ない導電材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明に係る導電材およびその製造方法の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、導電材の第１の製造方法は、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、前記芯材を除去した後焼成し、炭化させることにより、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材に形成することを特徴とする。
【００１３】
すなわち、まず、有機繊維からなる糸を芯材に螺旋状に巻きつける。この芯材に巻きつけた状態の糸により、織布、編布もしくは不織布状の布状体に形成する。この場合、従来の織機、編機、不織布製造装置が利用可能である。
次いで、この布状体から芯材を除去する。
芯材を除去するには、芯材に水溶性糸を用い、布状体を湯浴中に浸漬して芯材を溶解して除去するようにすると容易に除去できる。溶解ならびに乾燥の条件を適宜調整することで、糸の螺旋状態は維持できる。
【００１４】
次に芯材を除去した布状体を、炉中で、非酸化雰囲気下で焼成し、炭化させることによって布状の炭化物からなる導電材を製造することができる。焼成し、炭化することによって、糸の螺旋状態も固定される。
焼成温度、時間等の焼成条件を適宜設定することで、導電材の導電性を調整できる。すなわち、より高温で焼成すると導電性が向上し、低温で焼成すると導電性が低下する。導電材の用途によって、焼成条件を適宜設定するようにするとよい。
【００１５】
有機繊維からなる糸は、天然繊維からなる糸、合成繊維からなる糸のいずれであってもよい。
天然繊維からなる糸は、絹糸を好適に用いることができる。すなわち、絹糸からなる布状体を焼成するとより柔軟性の高い布状焼成体が得られるからである。また絹糸のうち、螺旋の形態維持性から、絹紡糸が特に好適である。絹紡糸は短繊維を撚り合わせたものであって、腰が強くないので、螺旋状態を好適に維持する。
その他、天然繊維としてセルロース系の繊維を用いた糸も用いることができる。
【００１６】
上記のようにして、炭化した螺旋状の糸による布状をなす導電材が得られ、この導電材は柔軟性を有し、また伸縮性を有し、伸縮した際の導電性の変化も少ない。織布もしくは編布の布状体を焼成したものは二軸方向に伸縮性を有し、不織布状の布状体を焼成したものは等方的に全ての方向に伸縮性を有する。
伸縮した際にも導電性の変化が少ないのは、伸縮したとしても、螺旋が伸縮するだけであって、螺旋の糸の長さ自体が変化するものではないからである。
【００１７】
伸縮性については、螺旋糸でなく、単なる直線状の糸を用いた場合、織り布は斜め方向にわずかな伸縮性を有するが、経および緯方向への伸縮性はない。不織布においても等方的にわずかな伸縮性を有するのみである。編み布は伸縮性を有するものの、異方性があり、導電材の使用に制限が生じる。
本実施の形態の導電材は、炭化された螺旋の糸が伸縮する。したがって、例えばこの糸で構成された織り布は経緯二軸方向に互いに影響されることなく伸縮が可能となる。
【００１８】
このように経緯二軸方向等に互いに影響されることなく伸縮が可能なことによって、導電材としての用途が広がる。
例えば、高分子シートからなる電歪アクチュエータの電極材として好適に用いることができる。この電歪アクチュエータは、高分子シートの両面に電極材を取り付け、両電極に通電することによって高分子シートが変形するものであるが、本実施の形態の導電材を電極材に用いることによって、該電極材が二軸方向等に自在に伸縮するので、高分子シートの変形を阻害することがない。
【００１９】
また、生体に貼り付けて使用する各種センサの電極としても好適に用いることができる。すなわち、体の動きに追随して電極材も変形するので、センサ自体に悪影響を及ぼすことがない。
【００２０】
芯材となる糸の太さは、芯材に螺旋状に巻回する糸の太さの２〜１０００倍の太さのものを用いると好適である。芯材が太いほど、螺旋（コイル）の径が大きくなるので、柔軟性が増す。また、巻きつける糸が細いほど柔軟性が増す。芯材の太さを、巻きつける糸の太さの２〜１０００倍の太さとすることによって、用途に合わせた種々の柔軟度の導電材とすることができる。
【００２１】
また、有機繊維からなる螺旋状をなす糸の螺旋の巻き数を、１０２〜１０６回／ｍとするとよい。巻き密度が高いほど柔軟性が増す。
このように、螺旋状に形状固定された糸はコイルスプリング同様の伸縮性を有し、該糸の太さ、コイル径、巻き数、糸の材質等を変えることで、導電材の物理的（力学的）性質を制御可能となる。
また、導電材の導電性は、巻きつける糸の材質、焼成条件、導電材を構成する布の密度（単位長さ当たりの経糸あるいは緯糸の本数）を変えることで制御可能となる。
【００２２】
なお、上記実施の形態では、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を、前記芯材を除去した後焼成し、炭化させることにより電極材を形成したが、芯材の除去は、布状体を、焼成し、炭化する過程で分解して除去するようにしてもよい（第２の方法）。
すなわち、芯材に、焼成工程の温度でガス化して分解するような有機繊維材料を用いるようにする。このような有機繊維材料として、ポリエチレン糸を用いることができる。
【００２３】
また、上記実施の形態では、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸により、織布、編布もしくは不織布状に形成された布状体を焼成して、布状をなす導電材に形成したが、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸を、焼成し、線状の導電材に形成してもよい。この場合、芯材を除去するには、芯材に螺旋状に巻回した有機繊維からなる糸を、焼成し、炭化する過程で芯材を除去するようにするとよい。すなわち、芯材に、焼成工程の温度でガス化して分解するような有機繊維材料を用いるようにする。このような有機繊維材料として、ポリエチレン糸を用いることができる。
【００２４】
なお、上記いずれの実施の形態においても、芯材に螺旋状に巻回する糸の本数は２本（後記の実施例４のＳ撚りおよびＺ撚り）、または３本（後記の実施例３の組紐）が好適である。ある一定の太さの芯材に対して、巻きつける糸が太いと巻き数が制限される。巻き数は、コイルの柔軟性や最大伸張率に関わるため、柔軟材料としては、太い芯材に細い巻き糸（炭素繊維化する糸）が好ましい。しかしながら、巻き糸が細いと導電性が低下する。そこで、巻き糸を複数本とすることで、柔軟性と導電性を両立させるようにするのが好ましい。
【００２５】
なお、芯材に巻きつける糸が１本の１本糸では、導電性が低く、機械的強度も低いが、この糸により布状体に形成し、この布状体を焼成して導電材とする場合ならば１本糸でも使用可能である。また、線状の導電材として用いるには、１本糸の場合、太い糸を用いるとよい。
一方、４本以上の糸を巻回したものを用いる場合には、伸縮性がよくなく、芯材への被覆部分が多くなり、芯材の除去が困難になる。また、４本糸以上の場合、撚糸の生産性上も好ましくない。
【実施例】
【００２６】
実施例１
芯材となる水溶性ビニロン糸（６００デニール）の周囲に絹紡糸（ＥＣ１４０番双糸）を巻き数１５００回／ｍで螺旋状に巻きつけた糸を、経糸および緯糸に用い、織り密度が経糸３７本／吋×緯糸３４本／吋の平織地を作製し、７０℃湯浴中に浸漬して水溶性ビニロンを除去し、乾燥した後に、非酸化性雰囲気の炉中で、７００℃を6時間保持して第一次焼成を行い、一旦常温まで冷却した後、１４００℃を３時間保持して第二次焼成し、炭化させることで、炭素繊維からなる螺旋状の糸で構成された厚さ０．３５ｍｍの布状の導電材試料を得た。
【００２７】
実施例２
芯材となる水溶性ビニロン糸（３００デニール）の周囲に絹紡糸（ＥＣ１４０番双糸）を巻き数１５００回／ｍで螺旋状に巻きつけた糸を、経糸および緯糸に用い、織り密度が経糸５０本／吋×緯糸４７本／吋の平織地を作製し、７０℃湯浴中に浸漬して水溶性ビニロンを除去し、乾燥した後に、非酸化性雰囲気の炉中で、７００℃を6時間保持して第一次焼成を行い、一旦常温まで冷却した後、１４００℃を３時間保持して第二次焼成し、炭化させることで、炭素繊維からなる螺旋状の糸で構成された厚さ０．３４ｍｍの布状の導電材試料を得た。
【００２８】
比較例１
天竺丸編地（絹紡糸ＭＣ２１０番双糸、３２ゲージ）を非酸化性雰囲気の炉中で、７００℃を6時間保持して第一次焼成を行い、一旦常温まで冷却した後、１４００℃を３時間保持して第二次焼成し、炭化させることで、炭素繊維からなる厚さ０．１５ｍｍの焼成天竺丸編地試料を得た。
【００２９】
比較例２
シルクフライス編地（絹紡糸ＥＣ１４０番双糸、２２ゲージ）を非酸化性雰囲気の炉中で、７００℃を6時間保持して第一次焼成を行い、一旦常温まで冷却した後、１４００℃を３時間保持して第二次焼成し、炭化させることで、炭素繊維からなる厚さ０．３２ｍｍの焼成天竺丸編地試料を得た。
【００３０】
〔伸長に対する外力および電気抵抗の測定〕
上記各導電材試料の伸長に対する外力および電気抵抗を測定した。幅１０ｍｍに切り出した短冊状の導電材試料を、１０ｍｍの間隔をおいて上部金属治具および下部金属治具で固定し、上部金属治具と絶縁材シャフトで接続されたデジタルフォースゲージを垂直に上昇させ、導電材試料の伸長時の外力を測定した。また、上部金属治具および下部金属治具を電源に接続し、当該導電材試料を含む回路を構成し、伸長時に測定された印加電圧と電流の関係からオームの法則を用いて電気抵抗値を算出した。
なお、以下、「伸長ひずみ」とは次の式で定義される値を指す。
伸長ひずみ＝（伸長後の導電材長さ−伸長前の導電材長さ）／伸長前の導電材長さ。
伸長前の導電材の長さを１０ｍｍとした。
【００３１】
測定結果を図１〜図６に示す。
図１および図２は、実施例１および実施例２で得られた螺旋状糸により構成された導電材試料の伸長ひずみに対する外力および電気抵抗値である。図１において、伸長ひずみに対する外力が小さいほど柔軟性の大きいことを意味する（同じ外力に対して伸長ひずみが大きい）。図１より、芯材となる糸の太い方（６００デニール）が、得られた電極材の柔軟性が大きいことがわかる。また、図２より、導電材の抵抗値は、伸長ひずみの大きさにかかわりなくほぼ一定であることがわかる。すなわち、導電性は導電材の伸縮により大きな変化を示さないことがわかる。また図２より、布状導電材の布の密度が大きい方（実施例２：３００デニール）が電気抵抗が低い、すなわち導電性に優れることがわかる。
【００３２】
図３〜図６は、実施例１で得られた導電材試料、比較例１および２で得られた試料について、一軸方向における伸長ひずみに対する外力および電気抵抗値のプロット図である。
図３、図４より、経方向、緯方向いずれも、実施例１（螺旋状織地）の導電材の方が柔軟性に富むことがわかる。また、図５、図６より、実施例１の導電材の場合、経方向、緯方向のいずれの方向への伸長の場合も、電気抵抗がほぼ一定、すなわち導電性の変化が少ないことがわかる。
なお、図２、図５、図６からわかるように、実施例１の導電材は、いずれも電気抵抗が３０Ω／ｃｍ以下であって、導電材として十分な導電性を備えていることがわかる。
【００３３】
伸長時の観察より、比較例の単なる編地試料では垂直方向に伸長を受けると、水平方向に収縮が起こる。対して、実施例の導電材試料では、垂直方向に伸長を受けても水平方向への収縮は起こらなかった。これは、実施例の導電材試料においては、螺旋状の糸自身が単独で伸縮可能であるため、ある一軸方向の伸縮を、他方向の伸縮と無関係に行い得るためである。この結果は、実施例の導電材試料が、二軸方向に伸縮可能であることを示している。
【００３４】
また、実施例の導電材試料は、伸長による測定間距離の増加にもかかわらず、電気抵抗値が一定の値を保った。この結果は、伸長に伴って試料全体の長さは変化するものの、当該導電材試料を構成する螺旋状の糸は引き伸ばされるだけであり、導電経路の長さは変化しないことに由来する。
【００３５】
実施例３
芯材たるポリエチレン糸（４００デニール）１本に、３本の絹紡糸（１４０番双糸）を巻きつけた組紐を作製し、非酸化性雰囲気の炉中７００℃で６時間焼成した。
図７に、焼成前の上記組紐の拡大写真、図８に焼成後の組紐の拡大写真を示す。図７では、太く滑らかな表面をもつポリエチレン糸に、絹紡糸が絡むように存在しているのがわかる。図８に示す焼成物では、ポリエチレン糸が除去され、絹紡糸の焼成物である炭素繊維のみが残っている。この炭素繊維を、線状の導電材として用いることができる。
【００３６】
実施例４
芯材たるポリエチレン糸（４００デニール）の周囲に絹紡糸(EC１４０番双糸)１本をZ撚り方向に巻き数１５００回／mで螺旋状に巻きつけ、その上から絹紡糸（EC１４０番双糸）１本をS撚り方向に巻き数１５００回／mで螺旋状に巻きつけた試料を作製し、非酸化性雰囲気の炉中７００℃を６時間保持して第一次焼成を行い、一旦常温まで冷却した後、非酸化性雰囲気の炉中１４００℃を３時間保持して第二次焼成し、炭化させることで、炭素繊維からなる螺旋状の糸を得た。この炭素繊維を、線状の導電材として用いることができる。
【００３７】
図９は焼成前の糸の拡大写真、図１０は焼成後の糸の拡大写真である。焼成により、巻きつけられた絹紡糸は炭化し、芯材たるポリエチレン糸は除去されているのが分かる。
【００３８】
[伸長に対する外力および電気抵抗の測定]
上記炭素繊維からなる螺旋状の糸の伸長ひずみに対する外力および電気抵抗を測定した。１０ｍｍの間隔をおいて、上部金属治具および下部金属治具に４本の当該糸試料を固定し、上部金属治具と絶縁材シャフトで接続されたデジタルフォースゲージを垂直に上昇させ、当該糸試料の伸長時の外力を測定した。また、上部金属治具および下部金属治具を電源に接続し、当該糸試料を含む回路を構成し、伸長時に測定された印加電圧と電流の関係からオームの法則を用いて電気抵抗値を算出した。
【００３９】
測定結果を図１１に示す。図１１より、柔軟性を有し、伸縮可能な導電材を形成できることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】螺旋状糸により構成された導電材試料の伸長ひずみに対する外力のプロット図である。
【図２】螺旋状糸により構成された導電材試料の伸長ひずみに対する電気抵抗値のプロット図である。
【図３】各焼成試料の緯方向における伸長ひずみに対する外力のプロット図である。
【図４】各焼成試料の経方向における伸長ひずみに対する外力のプロット図である。
【図５】各焼成試料の緯方向における伸長ひずみに対する電気抵抗値のプロット図である。
【図６】各焼成試料の経方向における伸長ひずみに対する電気抵抗値のプロット図である。
【図７】実施例３で作製されたポリエチレン糸（４００デニール）１本と絹紡糸（１４０番双糸）３本からなる組紐の拡大写真である。
【図８】実施例３で作製されたポリエチレン糸（４００デニール）１本と絹紡糸（１４０番双糸）３本からなる組紐の焼成物の拡大写真である。
【図９】実施例４で作製されたポリエチレン糸（４００デニール）１本と絹紡糸（１４０番双糸）２本からなる糸（組紐）の拡大写真である。
【図１０】実施例４で作製されたポリエチレン糸（４００デニール）１本と絹紡糸（１４０番双糸）２本からなる糸（組紐）の焼成物の拡大写真である。
【図１１】実施例４の炭素繊維からなる螺旋状の糸の伸長ひずみに対する外力および電気抵抗を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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