高分子ナノファイバーの高強度化と電子デバイスへの応用
電子デバイス技術課 横山義之 生活工学研究所 寺田堂彦
1. 緒言

界面活性剤（Novec FC-4430、住友スリーエム（株））を、近年、エレクトロスピニング法の発展によって、多様なPEO に対してそれぞれ 0.5wt%の割合で添加した。
続けて、機能を持った高分子材料がナノファイバー化されている。

3 日間連続攪拌し続けることで、エレクトロスピニング分

電子デバイスの分野においても、高分子ナノファイバー散液とした。の持つ大きな比表面積やナノ空隙を利用した高効率な電池用電極やセパレーター、スーパーキャパシター、各種セ2.2 エレクトロスピニングンサー（ガス、湿度など）が開発されている。

ナノ繊維を分散させたエレクトロスピニング溶液を、様々な高分子をナノファイバー化する手法としては、エレクトロスピニング法でスプレーし、シリコン基板上エレクトロスピニング法（電界紡糸法）が多く用いられてに ENF の堆積を行った。印加電圧は 10 kV、ノズル先端いる。しかしながら、エレクトロスピニング法で得られると電極間の距離は 15cm とした。形成した ENF は、走査高分子ナノファイバー（ENF：Electrospinning Nano-fiber）型電子顕微鏡（JSM-6610、日本電子（株））および走査型は、力学強度が弱く、電子デバイスの構成素材としては取プローブ顕微鏡（Dimension Icon、ブルカー・エイエック

り扱いが難しかった。そこで、本研究では、ENF の高強スエス（株））を用いて観察した。また、ENF に対する赤度化について、基礎的な検討を行った。具体的には、エレ外分光分析（IRT-7000、日本分光）は、金薄膜上に堆積しクトロスピニング用の高分子溶液に、補強材として生物たナノファイバーを用いて高感度反射法（RAS 法）で実由来のナノ繊維（セルロースナノファイバーやキチンナ施した。

ノファイバー）を配合し、ENF の生成過程で、ナノ繊維を内部に導入する手法を検討した。セルロースナノファ

2.3 弾性率イメージング

イバーやキチンナノファイバーは、汎用プラスチックよ走査型プローブ顕微鏡は、ナノメートルオーダーの曲1)

りもはるかに強度が強く 、内部に取り込むことで、ENF率半径を有する鋭い探針を試料表面の凹凸に沿って走査の高強度化が期待される。

することにより表面形状を詳細に観察できる顕微鏡であ

また、ENF の内部にナノ繊維がどのように分散して導る。さらに、探針を走査する際の試料表面との相互作用に入されているかを検証する分析手法の検討も行った。具より影響を受ける探針の振動変化を同時に読み取ること

体的には、ENF 中にナノ繊維を導入した試料に対して、で、試料表面の力学的性質（弾性率）を得ることも可能で走査型プローブ顕微鏡を用いた弾性率イメージングを実ある。他の顕微鏡法ではコントラストが得られにくい試施し、周囲の高分子とナノ繊維の弾性率（硬さ）の違いか料でも、弾性率の違いから対象物を捉えることが可能なら、ナノ繊維の分散状態を捉えることを検討した。

手法として注目されている。本研究では、ナノ繊維を導入した ENF の表面に対して、走査型プローブ顕微鏡を用い2. 実験方法た弾性率イメージング測定を行った。探針（カンチレバー）

2.1 エレクトロスピニング分散液の調整には、RTESPA-150（先端曲率 8nm、バネ定数 5N/m、ブ本研究では、ENF のベースポリマーとして水溶性高分ルカージャパン（株））を用いた。

子であるポリエチレンオキシド（PEO、Sigma-Aldrich）を用いた。はじめに、PEO の水溶液に、ナノ繊維として、
BiNFi-s TFo（カルボキシメチル化したセルロースナノフ
ァイバー、スギノマシン（株））、BiNFi-s SFo（キチンナ

3. 実験結果
図 1 に、PEO に対して各ナノ繊維を 30wt%配合したエレクトロスピニング分散液を示す。BiNFi-s TFo およびノファイバー、スギノマシン（株））、BiNFi-s WFo（セBiNFi-s SFo を配合した分散液は、3 日間の攪拌によってルロースナノファイバー、スギノマシン（株））を PEOほぼ透明となった。可視光の波長よりも細かく均一に分に対する固形分割合で 10～30wt%配合した。次に、エレ散したことで光の散乱が起こらず透明になったと思われクトロスピニングの紡糸助剤として、溶液の電気伝導度る。それに対し、BiNFi-s WFo を配合した分散液は、強くを上げるための電解質（テトラブチルアンモニウムクロ

白濁したままとなった。直径数百 nm の ENF 内部にナノリド、東京化成工業（株））と表面張力を調整するための繊維を導入することを考慮し、BiNFi-s TFo および BiNFis SFo を配合した分散液を今後の実験に用いることとした。

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)

PEOのみPEO +BiNFi-s TFo

PEO +BiNFi-s SFo

PEO +BiNFi-s WFo

図 1 PEO 水溶液にナノ繊維を配合した
エレクトロスピニング分散液

図 3 ナノ繊維を導入した ENF の赤外スペクトル

次に、エレクトロスピニング法による ENF の形成を行

次に、BiNFi-s SFo を 30wt%配合した ENF に関して拡った（図 2）。PEO に対してナノ繊維を 10～30wt%配合

大観察を行うと、滑らかな表面を有していることがわかしたエレクトロスピニング分散液で、ENF を形成するこった（図 4 左）。ナノ繊維の大きな凝集体は見られず、分とができた。得られた ENF のファイバー径は、ばらつき散した状態で ENF 中に存在しているものと考えられる。

が多く見られるものの約 200nm の非常に細いナノファイ

また、同時に、ENF1 本レベルでの弾性率イメージングバーも存在し、これは、同一条件で形成した PEO のみのを行った（図 4 右）。ENF 表面の弾性率は一様では無く、ENF とほぼ同じファイバー径であった。

数十 nm の幅を持つ硬さ分布が存在することがわかった。

PEOのみ

PEO + 10% BiNFi-s TFo

頂点部の□ 100nm領域を弾性率イメージング

PEO + 30% BiNFi-s SFo

100nm

図 2 ナノ繊維を配合したエレクトロスピニング分散液で形成した ENF
次に、得られた ENF 中のナノ繊維の存在を赤外分光分析により確認した。図 3 に、各 ENF の赤外スペクトルを示す。BiNFi-s TFo を配合したものは、PEO 由来のピーク-1-10nm0nm

硬い柔らかい100nm

図 4 ナノ繊維を導入した ENF の拡大像
（左：□1m の凹凸像、右：□100nm の弾性率像）
4. 結言
本研究では、ナノ繊維を導入した ENF を作製することに加えて、1600～700cm 付近、3400cm 付近に、BiNFi-sができた。今後は、この手法を用いて、高分子ナノファイ

TFo 由来のカルボキシメチル基に帰属されるピークが確バーの力学強度を高め、電子デバイスの構成素材として認された。また、BiNFi-s SFo を配合したものは、1550～の耐久性向上を目指す予定である。

1700cm 付近および 3300cm 付近に、BiNFi-s SFo 由来の-1-1アセトアミド基に帰属されるピークが確認された。この結果から、ENF 中のナノ繊維の存在が示唆された。

参考文献
1)Vincent, JFV and Wegst, UGK, Arthropod Struct Dev,
33(2004)187-199

キーワード：セルロースナノファイバー、エレクトロスピニング、走査型プローブ顕微鏡

Development of Technology to Enhance Polymer Nanofiber Sheet Strengthand Application to Electronic Devices
Electronics and Device Technology Section; Yoshiyuki YOKOYAMA,
Monozukuri Research and Development Center; Dohiko TERADA
Polymer nanofibers with large specific surface areas and nanovoids have shown application potential in many types ofelectronic devices, such as high-efficiency solar cells, rechargeable batteries, supercapacitors, and various sensors.
Therefore, we are developing technology to enhance the polymer nanofibers sheet strength in order to facilitate the handlingof it. In this study, carboxymethyl cellulose nanofibers and chitin nanofibers as a reinforcing material were introduced into
the polymer nanofibers (ENF) obtained by the electrospinning method.

富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)95