JP2021513580A - Structured composition useful as a low force sensor - Google Patents
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Abstract
複合材料であって、a)密閉気孔率容積分画及び、任意選択的に、開放気孔率容積分画を含む、シロキサンポリマーを含む多孔性マトリックス材料と、b)前記多孔性マトリックス材料a)の前記密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する導電性又は半導電性充填材を含む複合材料、この複合材料を含むフィルム、被覆基材及び多層システム並びに圧力検知デバイスでのそれらの使用。【選択図】なしA composite material, a) a porous matrix material containing a siloxane polymer, comprising a closed porosity volume fraction and optionally an open porosity volume fraction, and b) the porous matrix material a). Composites containing conductive or semi-conductive fillers substantially present in the closed porosity volume fraction, films containing the composites, coating substrates and multilayer systems and their use in pressure sensing devices. [Selection diagram] None
Description
本発明は、密閉気孔率容積分画を持った多孔性シロキサンポリマーマトリックスと、マトリックスの前記密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する導電性又は半導電性充填材とを含む複合材料に関する。 The present invention relates to a composite material comprising a porous siloxane polymer matrix having a closed porosity volume fraction and a conductive or semi-conductive filler substantially present in the closed porosity volume fraction of the matrix. ..
圧力センサーは、それらの様々な異なる適用可能性のために最近多くの注目を集めている。特に、低圧領域で高感度の圧力センサーに対する需要が非常に高く、それらのシステムは、とりわけ、ヘルスケア及び医療診断システム用に、並びに電子システム、特にいわゆるe−スキンシステムにおいて必要とされている。 Pressure sensors have recently received a lot of attention due to their various different applicability. Especially in the low pressure region, the demand for high sensitivity pressure sensors is very high, and those systems are needed especially for healthcare and medical diagnostic systems, and in electronic systems, especially so-called e-skin systems.
圧力検知デバイスは、検知のために用いられているパラメータに応じて、3つのタイプに典型的に分類される。ピエゾ抵抗デバイスは、外圧の印加時の導電性の変化を利用する。圧電デバイスは、圧電効果、すなわち、加圧時の材料の電位変化の発生を利用する。圧電デバイスの感度は、効果の起点での圧電物質の物理的特性によって制限される。他方では、ピエゾ容量センサーは、加圧に反応して起こる静電容量変化を利用し、それらの感度は、理論的には制限されない。静電容量の変化は、加圧に反応して又は加圧下に2つの電極間に挟まれた誘電材料の等価誘電定数の変更のために変化する、キャパシタを形成するシステムの2つの電極の距離の結果であることができる。 Pressure sensing devices are typically classified into three types, depending on the parameters used for detection. Piezoresistive devices take advantage of changes in conductivity when external pressure is applied. Piezoelectric devices utilize the piezoelectric effect, that is, the generation of potential changes in the material during pressurization. The sensitivity of the piezoelectric device is limited by the physical properties of the piezoelectric material at the origin of the effect. On the other hand, piezo capacitance sensors utilize capacitance changes that occur in response to pressurization, and their sensitivity is theoretically unrestricted. The change in capacitance changes in response to pressurization or due to a change in the equivalent dielectric constant of the dielectric material sandwiched between the two electrodes under pressurization, the distance between the two electrodes of the system forming the capacitor. Can be the result of.
ピエゾ抵抗デバイスと比較して、ピエゾ容量センサーは、低い電力消費及びより良好な再現性などのいくつかの利点を提供する。圧電デバイスと比較して、ピエゾ容量センサーは、加工するのがより容易であり、且つ、異なる形態へ造形するのがより容易である。さらに、それらは、ポーリング又はストレッチングを必要としない。 Compared to piezoresistive devices, piezo capacity sensors offer several advantages such as low power consumption and better reproducibility. Compared to piezoelectric devices, piezo capacitance sensors are easier to process and easier to shape into different forms. Moreover, they do not require polling or stretching.
静電容量変化の大きさは、誘電定数の変化、誘電体層の厚さ及び電極の表面積によって決定される。 The magnitude of the capacitance change is determined by the change in the dielectric constant, the thickness of the dielectric layer and the surface area of the electrode.
マイクロ−又はナノ−構造物が、特に低圧力範囲における感度を向上させるためにそのようなデバイスにおいて提案されている。しかしながら、これは、通常、複雑な及び経費を要する製造プロセスを必要とする。 Micro- or nano-structures have been proposed in such devices to improve sensitivity, especially in the low pressure range. However, this usually requires a complex and costly manufacturing process.
B.Y.Leeら,Sensors and Actuators A 240(2016),103−109は、ミクロ細孔を持った誘電性エラストマーフィルムをベースとする低コスト圧力センサーを記載している。多孔性フィルムは、いかなる添加剤もなしにシロキサンエラストマー材料及び水滴を使用することによって調製される。ポリジメチルシロキサンが基礎原料として使用され、水滴が分散物質として選択される。硬化剤と混合された、PDMSプレポリマーの溶液、及び水が容器中で撹拌される。撹拌プロセスによって、水の不溶性のために水の微液滴がPDMS溶液中に一様に分散する。このようにして得られた溶液が、2つのガラス基材の間に置かれ、その後溶液が硬化させられる。硬化中に、水が蒸発し、水が最初にそこに存在したミクロ細孔を有する重合した多孔性PDMSフィルムが得られる。およそ100μmの厚さを有するこのフィルムが、容量タイプの圧力センサーの誘電体層を形成する。 B. Y. Lee et al., Sensors and Actuators A 240 (2016), 103-109 describe a low cost pressure sensor based on a dielectric elastomer film with micropores. Porous films are prepared by using a siloxane elastomer material and water droplets without any additives. Polydimethylsiloxane is used as the base material and water droplets are selected as the dispersant. A solution of PDMS prepolymer mixed with a curing agent, and water are stirred in the vessel. The stirring process uniformly disperses fine droplets of water in the PDMS solution due to the insolubility of water. The solution thus obtained is placed between the two glass substrates and then the solution is cured. During curing, the water evaporates, resulting in a polymerized porous PDMS film with micropores where the water was originally present. This film, which has a thickness of approximately 100 μm, forms the dielectric layer of the capacitive type pressure sensor.
A.J.Gallant,Procedia Chemistry 1(2009),568−571は、力に敏感な多孔性PDMSレジスタに関する。力に敏感なエラストマーレジスタは、カーボンブラックで充填されたPDMSの多孔性マトリックスから製造される。PDMSマトリックスは、スポンジの形態を有し、砂糖足場を使用して得られる。角砂糖が、PDMS前駆体入りの皿に入れられ、PDMSで飽和状態になるために1時間そのままにされる。角砂糖が次に硬化させられ、過剰のPDMSが取り除かれ、角砂糖が、砂糖を溶解させるために蒸留水入りのビーカーに入れられる。このようにして得られた構造物は、ボイドがその中にランダム立体配置で分布し、配向している角砂糖の逆マトリックスである。カーボンブラック粒子を導入するために、水中のカーボンブラックの懸濁液が、水飽和スポンジに滴加され、それによってスポンジの開放気孔率容積分画内にカーボンの高い濃度を生み出す。充填されるとすぐに、スポンジは乾くまでそのままにされ、スポンジの内部にカーボンを密封するために、PDMSの薄層がその上にコートされ、硬化させられる。スポンジにおいて、細孔壁は、カーボンで裏打ちされている。加圧時に、カーボンブラック裏打ちの細孔壁が接触し、それによってカーボン−カーボン連結の数を増加させ、細孔は導電性になる。 A. J. Gallant, Processia Chemistry 1 (2009), 568-571, relates to a force-sensitive porous PDMS register. The force-sensitive elastomer register is made from a porous matrix of PDMS filled with carbon black. The PDMS matrix has the form of a sponge and is obtained using a sugar scaffold. The sugar cube is placed in a dish containing a PDMS precursor and left for 1 hour to saturate with PDMS. The sugar cube is then cured, excess PDMS is removed, and the sugar cube is placed in a beaker containing distilled water to dissolve the sugar. The structure thus obtained is an inverse matrix of sugar cubes in which the voids are distributed and oriented in a random configuration. To introduce the carbon black particles, a suspension of carbon black in water is added dropwise to the water saturated sponge, thereby producing a high concentration of carbon within the open porosity volume fraction of the sponge. As soon as it is filled, the sponge is left to dry and a thin layer of PDMS is coated over it and cured to seal the carbon inside the sponge. In the sponge, the pore walls are lined with carbon. Upon pressurization, the carbon black-lined pore walls come into contact, thereby increasing the number of carbon-carbon connections and making the pores conductive.
S.J.A.Majerus,”Flexible,structured MWCNT/PDMS sensors for chronic vascular access monitoring”,IEEE Sensors Book Series:IEEE sensors,published 2016−Conference 15thIEE Sensors conference Orlando,FL Oct.30−Nov.03,2016は、内部多孔性構造を持ったPDMSを印刷するためのいわゆる積層製造方法を適用することによって得られるピエゾ抵抗型フレキシブル脈動センサーに関する。細孔は、およそ1mmの平均孔径を有すると報告されている。導電性センサーを得るために、多壁カーボンナノチューブが製造プロセスの間に添加される。固有抵抗は非線形であると言われ、ヒステリシスが観察された。両方とも、望ましくない効果である。 S. J. A. Majerus, "Flexible, structured MWCNT / PDMS sensors for chronic vascular access monitoring", IEEE Sensors Book Series: IEEE sensors, published 2016-Conference 15 th IEE Sensors conference Orlando, FL Oct. 30-Nov. 03, 2016 relates to a piezoresistive flexible pulsation sensor obtained by applying a so-called laminated manufacturing method for printing PDMS having an internal porous structure. The pores are reported to have an average pore diameter of approximately 1 mm. Multiwalled carbon nanotubes are added during the manufacturing process to obtain a conductive sensor. The intrinsic resistance is said to be non-linear, and hysteresis was observed. Both are undesired effects.
高感度及び良好な再現性を提供するピエゾ容量センサーでの使用に好適な複合材料を提供することが本発明の目的であった。 It has been an object of the present invention to provide a composite material suitable for use in a piezo capacitance sensor that provides high sensitivity and good reproducibility.
この目的は、請求項1に従った複合材料で達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属クレームにおいて及び本明細書で以下の詳細される明細書において示される。 This object is achieved with a composite material according to claim 1. Preferred embodiments of the present invention are set forth in the dependent claims and in the specification detailed below.
本発明のさらなる目的は、請求項1に従った複合材料を含むフィルム並びに本発明に従った複合材料でできたフィルムでコートされた基材である。 A further object of the present invention is a film containing a composite material according to claim 1 and a substrate coated with a film made of the composite material according to the present invention.
本発明に従った複合材料は、
a)密閉気孔率容積分画、及び、任意選択的に、開放気孔率容積分画を含む、シロキサンポリマーを含む多孔性マトリックス材料と、
b)前記多孔性マトリックス材料a)の前記密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する導電性又は半導電性充填材と
を含む。
Composite materials according to the present invention
a) A porous matrix material containing a siloxane polymer, comprising a closed porosity volume fraction and optionally an open porosity volume fraction.
b) Includes a conductive or semi-conductive filler that is substantially present in the closed porosity volume fraction of the porous matrix material a).
多孔性材料は、通常、それらの気孔率によって特徴付けられる。気孔率又はボイド率は、材料中のボイド(すなわち、「空の」)空間の尺度であり、全体容積で割ったボイドの容積の分率、0〜1、又は百分率として0%〜100%である。 Porous materials are usually characterized by their porosity. Porosity or void ratio is a measure of void (ie, "empty") space in a material and is a fraction of the volume of the void divided by the total volume, 0 to 1, or 0% to 100% as a percentage. is there.
見かけ気孔率又は開放気孔率(oPo)は、気孔率の一部であり、材料の全体容積の百分率としての、液体又は気体がその中に侵入し得る、開放気孔の容積である。 Apparent porosity or open porosity (oPo) is the volume of open porosity that is part of the porosity and through which a liquid or gas can penetrate, as a percentage of the total volume of the material.
固相中にトラップされた非相互接続ボイドは、開放気孔率容積分画の一部ではなく;それらは、密閉気孔率容積分画の一部である。この分率にはまた、材料中のあらゆる種類の密閉気孔も含まれる。 Non-interconnected voids trapped in the solid phase are not part of the open porosity volume fraction; they are part of the closed porosity volume fraction. This fraction also includes all kinds of closed pores in the material.
開放気孔率及び密閉気孔率は、合計して材料の全気孔率になる。 The open porosity and the closed porosity add up to the total porosity of the material.
本発明に従った複合材料の多孔性マトリックス材料は、導電性又は半導電性充填材の実質的な部分がその中に存在する、密閉気孔率容積分画を含む。 A porous matrix material of a composite material according to the present invention comprises a closed porosity volume fraction in which a substantial portion of the conductive or semi-conductive filler is present.
本発明の好ましい実施形態に従って、密閉気孔率容積分画は、好ましくは、材料の開放気孔率容積分画以上である、すなわち、密閉気孔率容積分画を形成する細孔の容積は、好ましくは、開放気孔率容積分画を形成する細孔の容積に少なくとも等しいか又はそれ以上である(したがって好ましくは、両細孔容積分画の比は、少なくとも1である)。 According to a preferred embodiment of the present invention, the closed porosity volume fraction is preferably greater than or equal to the open porosity volume fraction of the material, i.e., the volume of pores forming the closed porosity volume fraction is preferably. , At least equal to or greater than the volume of the pores forming the open porosity volume fraction (thus preferably the ratio of both pore volume fractions is at least 1).
特に好ましい実施形態に従って、密閉気孔率容積対開放気孔率容積の比は、1:1〜100:1の範囲に、好ましくは1.5:1〜50:1の範囲にある。 According to a particularly preferred embodiment, the ratio of closed porosity volume to open porosity volume is in the range 1: 1-100: 1, preferably in the range 1.5: 1-50: 1.
多孔性材料の開放気孔率容積分画は、ガス置換ピクノメトリー、当業者に公知の技法によって測定することができる。この技法は、ガス置換法を用いて正確に容積を測定する。不活性ガス、通常Heが置換ガスとして使用される。既知重量の試料が、既知の容積を有する測定装置のコンパートメント中に密封される。次に、平衡に達するまで、すなわち、圧力が一定になるまで、Heが、入口弁を通ってチャンバーに流れ込むようにされる。次に、入口弁が閉じられ、正確に既知の容積の第2チャンバーへの出口弁が開けられる。試料チャンバーを満たした時、及び次に第2の空のチャンバー中へガスを排出した時に観察される圧力が、試料固相容積(それは、試料の固体部分によって置き換えられたガスの容積プラスガスがアクセスできない細孔の容積に等しい)の計算を可能にする。ヘリウムガスは、迅速に、小さい細孔さえも迅速に満たし、Heガスによりアクセスすることができない試料の容積部分のみがガスを押しのける。試料のこの部分は、試料の固体部分プラス密閉気孔率容積分画で表される容積(ガスがアクセスできないと定義されるのと同じような)からなる。 The open porosity volume fraction of the porous material can be measured by gas replacement pycnometry, a technique known to those of skill in the art. This technique uses gas replacement methods to accurately measure volume. An inert gas, usually He, is used as the replacement gas. A sample of known weight is sealed in a compartment of a measuring instrument with a known volume. He is then allowed to flow through the inlet valve into the chamber until equilibrium is reached, i.e., until the pressure is constant. The inlet valve is then closed and the outlet valve to the second chamber of exactly the known volume is opened. The pressure observed when the sample chamber is filled and then when the gas is discharged into the second empty chamber is the sample solid volume (that is, the volume of gas replaced by the solid portion of the sample plus the gas). Allows the calculation of (equal to the volume of inaccessible pores). The helium gas quickly fills even the small pores, and only the volume portion of the sample that is inaccessible to the He gas pushes the gas away. This portion of the sample consists of the solid portion of the sample plus the volume represented by the closed porosity volume fraction (similar to defined as inaccessible to gas).
試料によって押しのけられる容積がVsとして示され、試料セルの既知容積がVcとして示され、ガスがその中へ押しのけられる第2コンパートメントの容積がVrであり、試料セルを満たした後の圧力がPaであり、及びコンパートメントセル中への拡大後の圧力がPeである場合、試料によって押しのけられた容積は、
Vs=Vc−Vr(Pe/(Pa−Pe))
として計算することができる。
The volume pushed away by the sample is shown as V s , the known volume of the sample cell is shown as V c , the volume of the second compartment where the gas is pushed into it is V r , and the pressure after filling the sample cell. There is P a, and when the pressure after the expansion into the compartment cell is P e, the volume that is displaced by the sample,
V s = V c- V r (P e / (P a- P e ))
Can be calculated as.
押しのけられた容積又は比重瓶容積Vsは、多孔性試料の固体部分の容積(それは、本明細書では理論容積と言われる)プラス密閉気孔の容積を反映している。理論容積は、ほとんどの材料について通常公知であるか又は容易に測定することができる、細孔なしの固体試料の理論密度から得ることができる。比重瓶容積から理論容積を差し引くと、密閉気孔の容積をもたらす。 The displaced volume or the specific gravity bottle volume Vs reflects the volume of the solid portion of the porous sample (which is referred to herein as the theoretical volume) plus the volume of the closed pores. The theoretical volume can be obtained from the theoretical density of a solid sample without pores, which is usually known for most materials or can be easily measured. Subtracting the theoretical volume from the specific gravity bottle volume yields the volume of the closed pores.
多孔性試料の嵩容積は、理論容積プラス密閉気孔の容積プラス開放気孔の容積の合計である、多孔性試料の幾何学的容積である。したがって、開放気孔の容積は、試料の嵩(幾何学的)容積から理論容積及び密閉気孔容積(上記で説明した通りに得られる)を差し引くことによって得ることができる。 The bulk volume of the porous sample is the geometric volume of the porous sample, which is the sum of the theoretical volume plus the volume of the closed pores plus the volume of the open pores. Therefore, the volume of open pores can be obtained by subtracting the theoretical volume and the closed pore volume (obtained as described above) from the bulk (geometric) volume of the sample.
開放気孔率容積分画は、密閉気孔の容積を嵩容積で割ることによって得られる。開放気孔率容積分画は、類似の方法で得ることができる。両分画の比は、次に、密閉気孔率容積分画を開放気孔率容積分画で単に割ることによって得られる。 The open porosity volume fraction is obtained by dividing the volume of the closed pores by the bulk volume. The open porosity volume fraction can be obtained in a similar manner. The ratio of both fractions is then obtained by simply dividing the closed porosity volume fraction by the open porosity volume fraction.
多孔性試料の全体気孔率は、また、嵩密度を理論密度で割り、その値を1から差し引くことによって得ることができる。 The overall porosity of the porous sample can also be obtained by dividing the bulk density by the theoretical density and subtracting that value from 1.
前述は、次の例によって説明され得る:2cm3の理論容積及び3cm3比重瓶容積を有する試料は、1cm3(理論容積を比重瓶容積から差し引くことによって得られる)の密閉気孔率容積分画を有する。多孔性試料が4cm3の幾何学的(嵩)容積を有する場合、嵩容積を基準とする、全体気孔率は、2/4つまり0.5である。密閉気孔率容積分画は、嵩容積に関連して、この場合には0.25であり、試料の全体細孔容積に関連して、0.5である。これは、1の密閉気孔率容積分画/開放気孔率容積分画比をもたらす。 Above may be the following illustrated by: sample with a theoretical volume and 3 cm 3 pycnometer volume of 2 cm 3 is 1 cm 3 enclosed porosity volume fraction (obtained by subtracting the theoretical volume specific gravity bottle volume) Has. If the porous sample has a geometric (bulk) volume of 4 cm 3 , the overall porosity, relative to the bulk volume, is 2/4 or 0.5. The closed porosity volume fraction is 0.25 in this case in relation to the bulk volume and 0.5 in relation to the total pore volume of the sample. This results in a closed porosity volume fraction / open porosity volume fraction of 1.
同じ理論容積及び嵩容積で、比重瓶容積が3.5cm3である場合、密閉気孔の容積は、嵩容積を基準として、37.5%、又は全細孔容積を基準として、75%に変換される1.5cm3である。この場合には、密閉気孔率容積分画対開放気孔率容積分画比は3:1である。 With the same theoretical volume and bulk volume, if the specific gravity bottle volume is 3.5 cm 3 , the volume of the closed pores is converted to 37.5% based on the bulk volume or 75% based on the total pore volume. It is 1.5 cm 3 to be made. In this case, the closed porosity volume fraction to the open porosity volume fraction is 3: 1.
本発明に従った複合材料のマトリックスポリマーは、シロキサンポリマーである。 The composite matrix polymer according to the present invention is a siloxane polymer.
シリコーンとしても知られる、シロキサンポリマーつまりポリシロキサンは、頻繁に炭素若しくは水素又は両方と結合した、シロキサンの繰り返し単位で構成された不活性の、合成化合物を含むポリマーである。それらは、典型的には、耐熱性であり、且つ、ゴム様である。 A siloxane polymer, or polysiloxane, also known as silicone, is a polymer containing an inert, synthetic compound composed of repeating units of siloxane, frequently bonded to carbon, hydrogen, or both. They are typically heat resistant and rubbery.
シロキサンは、−Si−O−Si−結合を持った有機ケイ素化学における官能基である。単語シロキサンは、単語シリコン、酸素及びアルカンに由来する。シロキサン材料は、Si−O結合の数に依存して、幾つかのタイプのいわゆるシロキシド基:一般構造要素R3SiO0.5で表されるM単位、一般構造要素R2SiOで表されるD単位及び一般構造要素RSiO1.5で表されるT単位からなり得る。 Siloxane is a functional group in organosilicon chemistry with a -Si-O-Si- bond. The word siloxane is derived from the words silicon, oxygen and alkanes. The siloxane material is represented by several types of so-called siloxide groups: general structural element R 3 SiO 0.5 , M units, general structural element R 2 SiO, depending on the number of Si—O bonds. It can consist of D units and T units represented by the general structural element RSiO 1.5.
シロキサン官能基は、シリコーンの主鎖を形成する。 The siloxane functional group forms the main chain of silicone.
より正確には、重合シロキサンつまりポリシロキサン、シリコーンは、有機側基がケイ素原子に結合した状態で無機ケイ素−酸素骨格鎖(…−Si−O−Si−O−Si−O−…)からなる。側基は、好ましくは、アルキル基若しくはアリール基又はそれらの組み合わせから選択される。 More precisely, polymerized siloxanes, or polysiloxanes, silicones consist of an inorganic silicon-oxygen skeleton chain (...- Si-O-Si-O-Si-O-...) with organic side groups bonded to silicon atoms. .. The side group is preferably selected from an alkyl group, an aryl group, or a combination thereof.
いくつかの場合には、有機側基は、これらの−Si−O−主鎖の2つ以上を一緒に連結するために使用することができる。−Si−O−鎖長、側基、及び架橋を変えることによって、多種多様な特性及び組成のシリコーンを合成することができる。 In some cases, organic side groups can be used to link two or more of these -Si-O-main chains together. By varying the −Si—O− chain length, side groups, and crosslinks, silicones with a wide variety of properties and compositions can be synthesized.
有機側基は、アルキル、ハロアルキル、アリール、ハロアリール、アルコキシル、アラルキル及びシラシクロアルキル基並びにアルケニル基、例えばビニル、アリル、プロペニル、ブテニル、ペンテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、ノネニル及び/又はデセニル基などのより反応性の高い基であり得る。アクリレート、メタクリレート、アミノ、イミノ、ヒドロキシ、エポキシ、エステル、アルキルオキシ、イソシアネート、フェノール基、ポリウレタンオリゴマー基、ポリアミドオリゴマー基、ポリエステルオリゴマー基、ポリエーテルオリゴマー基、ポリオール及びカルボキシプロピル基などの極性基が、任意の組み合わせでシロキサン主鎖のケイ素原子に結合し得る。 Organic side groups include alkyl, haloalkyl, aryl, haloaryl, alkoxyl, aralkyl and silacycloalkyl groups and alkenyl groups such as vinyl, allyl, propenyl, butenyl, pentenyl, hexenyl, heptenyl, octenyl, nonenyl and / or decenyl groups. It can be a more reactive group. Polar groups such as acrylate, methacrylate, amino, imino, hydroxy, epoxy, ester, alkyloxy, isocyanate, phenol group, polyurethane oligomer group, polyamide oligomer group, polyester oligomer group, polyether oligomer group, polyol and carboxypropyl group Any combination can be attached to the silicon atom of the siloxane main chain.
シロキサンは、アルケニル及び/又はアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、n−プロピル若しくはビニル基又はそれらの組み合わせなどの任意の有用な基で終端され得る。シロキサンを終端させるために使用され得る他の基は、アクリレート、メタクリレート、アミノ、イミノ、ヒドロキシ、エポキシ、エステル、アルキルオキシ、イソシアネート、フェノール基、ポリポリウレタンオリゴマー基、ポリアミドオリゴマー基、ポリエステルオリゴマー基、ポリエーテルオリゴマー基、ポリオール及びカルボキシプロピル基並びにハロ、例えばフルオロ基である。 The siloxane can be terminated with any useful group such as an alkenyl and / or alkyl group, such as a methyl, ethyl, isopropyl, n-propyl or vinyl group or a combination thereof. Other groups that can be used to terminate siloxane are acrylate, methacrylate, amino, imino, hydroxy, epoxy, ester, alkyloxy, isocyanate, phenol group, polypolyurethane oligomer group, polyamide oligomer group, polyester oligomer group, poly. Ether oligomer groups, polyols and carboxypropyl groups and halos such as fluoro groups.
ポリジアルキルシロキサン(ここで、有機基は、アルキル基である)が、本発明の複合材料での使用に好適なシロキサンポリマーの好ましい基である。 Polydialkylsiloxane (where the organic group is an alkyl group) is the preferred group of siloxane polymers suitable for use in the composites of the present invention.
ポリジアルキルシロキサンポリマーは、次の一般式
(式中、出現ごとに同じものであっても異なってもよい、Alkは、線状、分岐状又は環状アルキル基を表す)
で表され得る。
The polydialkylsiloxane polymer has the following general formula:
(In the formula, it may be the same or different for each appearance, Alk represents a linear, branched or cyclic alkyl group)
Can be represented by.
好ましいアルキル基は、1〜12個、好ましくは1〜8個、より好ましくは1〜4個の炭素原子を有する線状又は分岐状アルキル基である。 Preferred alkyl groups are linear or branched alkyl groups having 1-12, preferably 1-8, more preferably 1-4 carbon atoms.
ポリジアルキルシロキサンの最も良く知られる例は、本発明に従った最も好ましいポリジアルキルシロキサンでもある、ポリジメチルシロキサン(式中、Alkはメチル基であり、本明細書では以下PDMSと言われる)である。用語ポリジメチルシロキサンつまりPDMSは、本明細書で用いられる場合、ヒドロキシ−、ビニル−アリル−等でエンドキャップされたPDMSなどのそれの誘導体を包含する。 The best known example of polydialkylsiloxane is polydimethylsiloxane, which is also the most preferred polydialkylsiloxane according to the present invention (Alk is a methyl group in the formula, hereinafter referred to as PDMS herein). .. The term polydimethylsiloxane or PDMS, as used herein, includes derivatives thereof such as PDMS endcapped with hydroxy-, vinyl-allyl-etc.
本発明に従った複合材料は、成分b)として微孔性ポリマーマトリックスa)の密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する導電性又は半導電性充填材を含む。 The composite material according to the present invention includes a conductive or semi-conductive filler substantially present in the closed porosity volume fraction of the microporous polymer matrix a) as component b).
「実質的に存在する」は、本発明の目的のためには、充填材の少なくとも50%、好ましくは少なくとも60%、さらにより好ましくは少なくとも70%が密閉気孔率容積分画中に存在することを意味する。充填材の全含有量の99%以下、好ましくは95%以下、さらにより好ましくは90%以下が、複合材料の密閉気孔率容積分画中に存在することができる。 "Substantially present" means that at least 50%, preferably at least 60%, even more preferably at least 70% of the filler is present in the closed porosity volume fraction for the purposes of the present invention. Means. 99% or less, preferably 95% or less, even more preferably 90% or less of the total content of the filler can be present in the closed porosity volume fraction of the composite.
本発明の組成物中の半導電性又は導電性充填材は、半導電特性又は導電特性を有する任意の材料から選択され得る。 The semi-conductive or conductive filler in the composition of the present invention can be selected from any material having semi-conductive or conductive properties.
したがって、好適な導電性充填材は、銅、銀、金、及び亜鉛のような金属粒子からなるリストから選択され得る。好ましくは、導電性金属充填材は、銀又は銅、より好ましくは銀である。 Therefore, a suitable conductive filler can be selected from a list of metal particles such as copper, silver, gold, and zinc. Preferably, the conductive metal filler is silver or copper, more preferably silver.
導電性ポリマー粒子は、本来導電性のポリマー(ICP)から本質的に構成されるか又はまさにそれらから構成される。それらは、鎖に沿って二重結合の完全共役配列を有する巨大分子からなる有機ポリマーである。そのような化合物は、金属性導電率を有し得るし、又は半導体であることができる。本来導電性のポリマーの例は、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、又はポリアニリンである。ICPの中で、ポリチオフェン及びポリアニリンが好ましくは使用される。ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)つまりPEDOT及び、特にPEDOT−PSS、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)とポリ(スチレンスルホネート)とのポリマーブレンドがより好ましくは使用される。 Conductive polymer particles are essentially composed of, or are composed of, essentially conductive polymers (ICPs). They are organic polymers consisting of macromolecules with a fully conjugated sequence of double bonds along the chain. Such compounds can have metallic conductivity or can be semiconductors. Examples of essentially conductive polymers are polyacetylene, polythiophene, polypyrrole, or polyaniline. Among the ICPs, polythiophene and polyaniline are preferably used. More preferably, a polymer blend of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) or PEDOT and, in particular PEDOT-PSS, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and poly (styrene sulfonate) is used.
半導電性充填材は、半導電性材料から本質的になる又はそれからなる。半導電性コアは、一般に、少なくとも95重量%、好ましくは少なくとも97重量%、より好ましくは少なくとも99重量%の半導電性材料を含む。 The semi-conductive filler essentially consists of or consists of a semi-conductive material. The semi-conductive core generally comprises at least 95% by weight, preferably at least 97% by weight, more preferably at least 99% by weight of the semi-conductive material.
一般に、半導電性材料は、Si、Si−Ge、GaAs、InP、GaN、SiC、ZnS、ZnSe、CdSe、及びCdSからなるリストから選択される。好ましくは、半導電性材料は、GaAs、SiC、ZnS及びCdSからなるリストから選択される。より好ましくは、半導電性材料はSiCである。 Generally, the semi-conductive material is selected from a list consisting of Si, Si-Ge, GaAs, InP, GaN, SiC, ZnS, ZnSe, CdSe, and CdS. Preferably, the semi-conductive material is selected from the list consisting of GaAs, SiC, ZnS and CdS. More preferably, the semi-conductive material is SiC.
好ましくは、半導電性充填材は、GaAs、SiC、ZnS及びCdSナノ粒子からなるリストから選択される。 Preferably, the semi-conductive filler is selected from a list consisting of GaAs, SiC, ZnS and CdS nanoparticles.
別のグループの好適な充填材は、ZnOなどの、金属と−2の酸化状態の酸素のアニオンとを典型的には含有する金属酸化物粒子である。 Another group of suitable fillers are metal oxide particles, such as ZnO, that typically contain a metal and an anion of oxygen in the oxidized state of -2.
一実施形態に従って、本発明に好適な導電性又は半導電性充填材は、1に近いアスペクト比を有し得る。アスペクト比が1に近い場合、粒子は、球形である傾向がある。 According to one embodiment, a conductive or semi-conductive filler suitable for the present invention may have an aspect ratio close to 1. When the aspect ratio is close to 1, the particles tend to be spherical.
別の実施形態に従って、本発明に好適な導電性又は半導電性充填材は、1よりも高いアスペクト比を有し得る。この場合には、アスペクト比は、好ましくは少なくとも5の、より好ましくは少なくとも10の、さらにより好ましくは少なくとも15の、最も好ましくは少なくとも20のものである。粒子は、通常、最大でも5000の、好ましくは最大でも1000の、より好ましくは最大でも500の、さらにより好ましくは最大でも200のアスペクト比を有する。 According to another embodiment, a conductive or semi-conductive filler suitable for the present invention may have an aspect ratio of greater than one. In this case, the aspect ratio is preferably at least 5, more preferably at least 10, even more preferably at least 15, most preferably at least 20. The particles usually have an aspect ratio of up to 5000, preferably up to 1000, more preferably up to 500, and even more preferably up to 200.
アスペクト比は、粒子の長さ対幅の比である(ISO 13794:1999)。平均アスペクト比は、透過電子顕微鏡法(TEM)又は走査電子顕微鏡法(SEM)写真の画像処理によって当業者により測定され得る。 The aspect ratio is the ratio of particle length to width (ISO 13794: 1999). The average aspect ratio can be measured by a person skilled in the art by image processing of transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) photographs.
いくつかの場合には、ナノワイヤの形態の1よりも高いアスペクト比を有する金属充填材が有利であると分かった。特に好ましいナノワイヤは、銀ナノワイヤである。 In some cases, metal fillers with an aspect ratio higher than 1 in the form of nanowires have been found to be advantageous. Particularly preferred nanowires are silver nanowires.
本発明の複合材料での使用のための別のグループの半導電性又は導電性充填材は、炭素質充填材である。 Another group of semi-conductive or conductive fillers for use in composites of the present invention are carbonaceous fillers.
本発明の目的のためには、用語「炭素質充填材」は、少なくとも50重量%超の元素状炭素、好ましくは少なくとも75重量%の元素状炭素、より好ましくは少なくとも90重量%の元素状炭素を含む充填材を意味する。とりわけ好ましい炭素質充填材は、99重量%以上の元素状炭素を含むか又は元素状炭素からなる。 For the purposes of the present invention, the term "carbonic filler" refers to at least 50% by weight elemental carbon, preferably at least 75% by weight elemental carbon, more preferably at least 90% by weight elemental carbon. Means a filler containing. A particularly preferred carbonaceous filler contains or consists of elemental carbon in an amount of 99% by weight or more.
好ましくは、炭素質充填材は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、黒鉛、グラフェン及びカーボンブラックから選択される。カーボンブラックが経済的理由で特に好ましい。 Preferably, the carbonaceous filler is selected from carbon nanotubes, carbon nanohorns, graphite, graphene and carbon black. Carbon black is particularly preferred for economic reasons.
グラフェンはそれ自体、通常、ハニカム構造に密に充填されているsp2−結合炭素原子の1原子厚さの平面シートと考えられる。名称グラフェンは、黒鉛(graphite)及び接尾辞エン(−ene)に由来する。黒鉛はそれ自体、一緒に積み重ねられた多数のグラフェンシートからなる。 Graphene itself is usually thought of as a one-atom-thick flat sheet of sp 2 -bonded carbon atoms that is tightly packed in a honeycomb structure. The name graphene is derived from graphite and the suffix ene. Graphite itself consists of a large number of graphene sheets stacked together.
上に言及された意味での黒鉛、カーボンナノチューブ、フラーレン及びグラフェンは、それらの構成原子の同じ基本的構造配置を共有している。各構造は、6個の炭素原子で始まり、規則的な六角形の形状(ベンゼンと一般に言われるものに類似した芳香族構造)で化学的に堅く結合している。 Graphite, carbon nanotubes, fullerenes and graphene in the sense mentioned above share the same basic structural arrangement of their constituent atoms. Each structure begins with 6 carbon atoms and is chemically tightly bonded in a regular hexagonal shape (an aromatic structure similar to what is commonly referred to as benzene).
カーボンナノホーンは、グラフェンシートのホーン形状シース凝集体に対する名称である。小管長さ約40〜50nm及び直径約2〜3nmの単壁ナノホーン(SWNH)は、単壁ナノチューブ(SWNT)から誘導され、約20の円錐開口角の5つの五角形円錐キャップで終わる。SWNHは、互いに関連し合って、約80〜100nmの平均直径を有する「ダリア様」及び「つぼみ様」構造化凝集体を形成し得る。前者は、小管と、ダリアの花弁のようにその表面から飛び出しているグラフェンシートとからなり、一方、後者は、粒子それ自体の内側に成長する小管からなる。 Carbon nanohorn is the name for the horn-shaped sheath aggregate of graphene sheet. Single-walled nanohorns (SWNHs) with tube lengths of about 40-50 nm and diameters of about 2-3 nm are derived from single-walled nanotubes (SWNTs) and end with five pentagonal conical caps with a conical opening angle of about 20. SWNHs can relate to each other to form "dahlia-like" and "bud-like" structured aggregates with an average diameter of about 80-100 nm. The former consists of a canal and a graphene sheet protruding from its surface like a dahlia petal, while the latter consists of a canal that grows inside the particle itself.
カーボンブラック(CAS 1333−86−4)は、活性炭の表面積対容積比よりも低いにもかかわらず、高い表面積対容積比を有するパラ結晶性カーボンの形態である。 Carbon black (CAS 1333-86-4) is a form of paracrystalline carbon with a high surface area to volume ratio, albeit lower than the surface area to volume ratio of activated carbon.
化学的に、カーボンブラックは、95〜99%の炭素からなる元素状炭素のコロイド形態である。それは、通常、炭化水素の部分燃焼又は熱分解から得られ、回転楕円体の一次粒子からなる房状のモルフォロジ、所与の凝集体内で一次粒子サイズの一様性及び一次粒子内で乱層層化の凝集体として存在する。 Chemically, carbon black is a colloidal form of elemental carbon consisting of 95-99% carbon. It is usually obtained from partial combustion or pyrolysis of hydrocarbons and is a tufted morphology consisting of spheroidal primary particles, primary particle size uniformity within a given aggregate and a stratified layer within the primary particles. It exists as an agglomerate of chemicals.
上で記載されたような好適な炭素質充填材は、様々な供給源及び供給業者から入手可能であり、当業者は、専門的知識及び具体的な応用事例に基づいて、本発明に従った複合材料での使用に好適な材料を選択するであろう。 Suitable carbonaceous fillers as described above are available from a variety of sources and suppliers, and those skilled in the art will follow the invention based on their expertise and specific application examples. A material suitable for use in composite materials will be selected.
特定の応用事例において、300nm以下の、好ましくは200nm以下の平均直径の球状のナノ粒子充填材が、一定の利点を提供することが分かった。 In certain application cases, spherical nanoparticle fillers with an average diameter of 300 nm or less, preferably 200 nm or less, have been found to provide certain advantages.
球状粒子の平均粒子径という用語は、本明細書で用いる場合、いわゆるContinデータ反転アルゴリズムによって得られるような強度重み付け粒度分布に基づいて算出されるD50中央径を意味する。一般的に言えば、D50は、強度重み付けサイズ分布を2つの等しい部分、D50よりも小さいサイズのもの及びD50よりも大きいサイズのものに分ける。 The term average particle diameter of the spherical particles, as used herein, means a D 50 median diameter calculated based on the intensity weighted size distribution as obtained by the so-called Contin data inversion algorithm. Generally speaking, D 50 is, two equal parts the intensity weighted size distribution is divided into those of a larger size than and D 50 of the size smaller than D 50.
一般に、上で定義されたような平均粒子径は、以下の手順に従って測定される。最初に、必要であれば、粒子は、それらがそれに含有され得る媒体から分離される(そのような粒子の様々な製造方法があるので、製品は、異なる形態で、例えば、形の整った乾燥粒子として又は好適な分散媒中の懸濁液として入手可能であり得る。形の整った粒子は、次に、好ましくは動的光散乱の方法による粒度分布の測定のために使用される。この関連で、ISO Norm Particles size analysis−Dynamic Light Scattering(DLS),ISO 22412:2008(E)に記載されているような方法に従うことが推奨される。この標準は、とりわけ、計器位置(セクション8.1.)、システム適格性(セクション10)、試料要件(セクション8.2.)、測定手順(セクション9.1〜5及び7)並びに再現性(セクション11)に関して指示事項を規定している。測定温度は通常25℃であり、使用される各分散媒の屈折率及び粘度係数は、少なくとも0.1%の精度で既知であるべきである。適切な温度平衡後に、セル位置は、システムソフトウエアに従って最適な散乱光シグナルのために調節されるべきである。時間自動相関関数の収集を開始する前に、試料によって散乱された時間平均強度が5回記録される。測定容積を通って偶発的に移動するダスト粒子の可能性がある信号を排除するために、平均散乱強度の5つの測定値の平均の1.10倍の強度閾値が設定されてもよい。主要レーザ−源減衰器は、システムソフトウエアによって正常に調節され、約10,000cpsの範囲で好ましくは調節される。上記のように設定された平均強度閾値がその間に超えられる時間自動相関関数のその後の測定値は、無視されるべきである。 Generally, the average particle size as defined above is measured according to the following procedure. First, if necessary, the particles are separated from the medium in which they can be contained (since there are various methods of making such particles, the products are dried in different forms, eg, well-formed. It may be available as particles or as a suspension in a suitable dispersion medium. Well-shaped particles are then preferably used for measuring the particle size distribution by a method of dynamic light scattering. Relatedly, it is recommended to follow the method as described in ISO Nom Particles size analysis-Dynamic Light Scattering (DLS), ISO 22412: 2008 (E). This standard is, among other things, instrument position (Section 8. Instructions are provided for 1.), system eligibility (Section 10), sample requirements (Section 8.2.), Measurement procedures (Sections 9.1-5 and 7) and reproducibility (Section 11). The measurement temperature is usually 25 ° C. and the refractive index and viscosity coefficient of each dispersion medium used should be known with an accuracy of at least 0.1%. After proper temperature equilibrium, the cell position will be system soft. It should be adjusted for the optimal scattered light signal according to the wear. The time average intensity scattered by the sample is recorded 5 times before starting the collection of the time automatic correlation function. Accidental through the measurement volume. An intensity threshold of 1.10 times the average of the five measurements of average scattering intensity may be set to eliminate possible signals of moving dust particles. , Appropriately adjusted by the system software, preferably in the range of about 10,000 cps. Subsequent measurements of the time automatic correlation function above which the mean intensity threshold set above is exceeded in the meantime are ignored. It should be.
通常、測定は、それぞれ数秒の典型的な継続時間の、及び上に説明された閾値判定基準に従ってシステムによって許容される自動相関関数の好適な数の収集(例えば、200収集のセット)からなる。データ解析が、次に、普通は装置製造業者のソフトウエアパッケージに含まれている、ソフトウエアパッケージとして入手可能なContinアルゴリズムの使用によって時間自動相関関数の全体セットの記録に関して実施される。 A measurement usually consists of a typical duration of a few seconds each, and a suitable number of collections of automatic correlation functions allowed by the system according to the threshold criteria described above (eg, a set of 200 collections). Data analysis is then performed on the recording of the entire set of time-automatic correlation functions by using the Contin algorithm, which is available as a software package, usually included in the equipment manufacturer's software package.
本発明に従った複合材料に使用される導電性又は半導電性充填材は、1に近いアスペクト比によって特徴付けられる、球形状から逸脱し得る。 The conductive or semi-conductive filler used in composites according to the present invention can deviate from the spherical shape, which is characterized by an aspect ratio close to 1.
板状粒子も好適である。典型的には、板状粒子は、板の形状を有するか、又は板に似ている粒子から本質的になるか、又はまさにそれらからなる、すなわち粒子は、平らであるか又はほぼ平らであり、それらの厚さは他の2つの寸法と比べると小さい。 Plate particles are also suitable. Typically, the plate-like particles have the shape of a plate or are essentially made up of particles that resemble a plate, or consist exactly of them, i.e. the particles are flat or nearly flat. , Their thickness is small compared to the other two dimensions.
針状粒子も好適である。典型的には、針状粒子は、針の形状を有するか、又は針に似ている粒子から本質的になるか、又はまさにそれらからなる。 Needle particles are also suitable. Typically, needle-like particles either have the shape of a needle, or essentially consist of particles that resemble needles, or consist of exactly those.
最後に、繊維状粒子も当業者に周知である。典型的には、繊維状粒子は、繊維の形状を有するか、又は繊維に似ている粒子から本質的になるか、又はまさにそれらからなる、すなわち粒子は、細くそして非常に細長く、それらの長さは、他の2つの寸法と比べると非常に大きい。とりわけ増加した強化の目的のために、本発明に従ったポリマー組成物中に有利に含有される繊維状粒子は、
− 典型的には5よりも上、好ましくは10よりも上、より好ましくは15よりも上の数平均アスペクト比;
− 典型的には少なくとも50μm、好ましくは少なくとも10μm、より好ましくは少なくとも150μmの数平均長さ;及び
− 典型的には25μmよりも下、好ましくは20μmよりも下、より好ましくは15μmよりも下の数平均直径
を有する。
Finally, fibrous particles are also well known to those of skill in the art. Typically, fibrous particles have the shape of fibers or are essentially made up of particles that resemble fibers, or consist exactly of them, i.e. the particles are fine and very elongated and their length. The size is very large compared to the other two dimensions. Fibrous particles advantageously contained in polymeric compositions according to the invention, especially for the purpose of increased strengthening.
-Typically above 5, preferably above 10, and more preferably above 15 number average aspect ratios;
-Typically at least 50 μm, preferably at least 10 μm, more preferably at least 150 μm number average length; and-typically below 25 μm, preferably below 20 μm, more preferably below 15 μm. It has a number average diameter.
本発明に従った複合材料の上面図SEM画像の画像処理を用いて測定される、平均細孔径は、好ましくは0.1〜200μmの範囲に、好ましくは0.5〜100μmの範囲に、さらにより好ましくは1〜50μmの範囲にある。いくつかの場合には、10〜30μmの平均細孔径が有益であると分かった。 The average pore diameter, measured using image processing of the top view SEM image of the composite material according to the present invention, is preferably in the range of 0.1 to 200 μm, preferably in the range of 0.5 to 100 μm, and further. More preferably, it is in the range of 1 to 50 μm. In some cases, an average pore size of 10-30 μm has been found to be beneficial.
SEMは、それが広範囲の倍率、高い被写界深度を可能にし、且つ、画像解析に合ったデジタルデータを生み出すので、細孔構造の定量的分析に好適である。SEMは、光学顕微鏡法の最も良い面とTEMとを兼ね備えている。 SEM is suitable for quantitative analysis of pore structure because it allows a wide range of magnifications, high depth of field, and produces digital data suitable for image analysis. SEM combines the best aspects of optical microscopy with TEM.
平均細孔径を測定するための典型的な手順は、以下の通りより詳細に記載される。 A typical procedure for measuring the average pore size is described in more detail as follows.
ソフトウエアパッケージImageJを用いる写真のグレースケール解析が、細孔の内面積を選択するために写真を閾値化し、次にParticle Analysis(粒子解析)パッケージを用いることによって孔径分布を測定するために行われた。この手順は、細孔面積分布の同定を可能にする。細孔が球形状を有し、それらの中心を通ってカットされ、それ故それらの相当大円を示すと仮定して、孔径Dは、表面積Aから相当直径、すなわち、D=2平方根(A/pi)として得られた。孔径の平均値及び標準偏差は、幾つかの写真(例えば、所与の試料について10の写真)にわたって孔径分布を蓄積する統計的分析によって得られた。 A grayscale analysis of the photo using the software package ImageJ is performed to threshold the photo to select the inner area of the pores and then measure the pore size distribution by using the Particle Analysis package. It was. This procedure allows identification of pore area distribution. Assuming that the pores have a spherical shape and are cut through their centers and therefore show their great circles, the pore diameter D is from the surface area A to the equivalent diameter, i.e. D = 2 square roots (A). / Pi) was obtained. The mean and standard deviation of the pore size was obtained by statistical analysis accumulating the pore size distribution over several photographs (eg, 10 photographs for a given sample).
本発明の別の好ましい実施形態に従って、複合材料は、10−5〜10−12S/mの範囲の、好ましくは10−6〜10−9S/mの範囲の、外圧なしの、比導電率を有する。 According to another preferred embodiment of the invention, the composite material is in the range of 10-5 to 10-12 S / m, preferably in the range of 10-6 to 10-9 S / m, without external pressure, specific conductivity. Have a rate.
導電率又は比導電率は、電気固有抵抗の逆数であり、電流を導く材料の能力を測るものである。 Conductivity or specific conductivity is the reciprocal of the electrical intrinsic resistance and measures the ability of a material to guide an electric current.
容量性素子、すなわち、外圧の印加時の静電容量の変化を利用する素子のためには、材料が導電性になることなく材料の高い誘電機能を得ることが望ましい。 For a capacitive element, that is, an element that utilizes a change in capacitance when an external pressure is applied, it is desirable to obtain a high dielectric function of the material without making the material conductive.
良好なピエゾ容量センサーと見なされるために、機械的圧縮下で相対的静電容量変化ΔC/Co(Coは、外圧の印加なしの静電容量を表し、一方、ΔCは、所与の圧力の印加時の静電容量の変化を表す)の大きい変動を得ることが望ましい。導電性充填材の量の増加は、ΔC/Coの変動を増加させる。 To be considered satisfactory piezo capacitive sensor, relative change in capacitance under mechanical compression ΔC / C o (Co represents the capacitance without the application of external pressure, whereas, [Delta] C is a given pressure It is desirable to obtain a large variation (representing the change in capacitance when applied). Increase in the amount of conductive filler increases the variation in [Delta] C / C o.
比誘電率は、その誘電体として真空を有する類似のキャパシタと比較して、誘電体として当該材料を使用するキャパシタの静電容量の比である。比誘電率は、誘電定数εとしてまた一般に知られている。誘電率は、材料中の2つの点電荷間のクーロン力に影響を及ぼす材料特性である。比誘電率は、電荷間の電界が真空と比べてそれによって下げられる因子である。 The relative permittivity is the ratio of the capacitance of a capacitor that uses the material as the dielectric as compared to a similar capacitor that has a vacuum as its dielectric. The relative permittivity is also commonly known as the dielectric constant ε. Permittivity is a material property that affects the Coulomb force between two point charges in a material. Relative permittivity is a factor that lowers the electric field between charges as compared to vacuum.
比誘電率は、一般に複素数値化される無次元数であり;その実数部及び虚数部は、
ε=ε’−iε’’
(ここで、ε’は、誘電率の実数部であり、ε’’は、誘電率の虚数部である)
のように示される。
Relative permittivity is a dimensionless number that is generally complexized; its real and imaginary parts are
ε = ε'−iε''
(Here, ε'is the real part of the permittivity and ε'' is the imaginary part of the permittivity)
It is shown as.
比誘電率は、キャパシタを設計するときに、及び材料が回路中へ静電容量を導入すると期待され得る他の状況において必要不可欠な情報である。高い比誘電率の材料が電界に置かれる場合、当該電界の大きさは、誘電体の容積内で明らかに分かるほどに減少するであろう。 Relative permittivity is essential information when designing capacitors and in other situations where the material can be expected to introduce capacitance into the circuit. If a material with a high relative permittivity is placed in an electric field, the magnitude of the electric field will be noticeably reduced within the volume of the dielectric.
静電容量は、電荷を蓄える物体の能力である。キャパシタの静電容量は、設計の幾何学(例えば、プレートの面積及びそれらの間の距離)並びにキャパシタのプレート間の誘電材料の誘電率のみの関数である。 Capacitance is the ability of an object to store an electric charge. Capacitance of a capacitor is only a function of the geometry of the design (eg, the area of the plates and the distance between them) and the dielectric constant of the dielectric material between the plates of the capacitor.
静電容量は、導体の幾何学及び導体間の絶縁体の誘電特性が既知である場合には計算することができる。静電容量Cは、比誘電率に正比例し、キャパシタのプレート間の距離に反比例する。 Capacitance can be calculated if the geometry of the conductor and the dielectric properties of the insulator between the conductors are known. The capacitance C is directly proportional to the relative permittivity and inversely proportional to the distance between the plates of the capacitor.
外圧の印加時に、(みなしキャパシタのプレートを構成する)複合材料内の細孔の細孔壁の距離が減少し、それによってキャパシタの静電容量を増加させる。これは、所与の圧力でのΔCについての値をもたらす。キャパシタのプレート間の材料の比誘電率が高ければ高いほど、ΔCはより高くなる。したがって、できるだけ高い比誘電率を達成することが望ましい。 When an external pressure is applied, the distance between the pore walls of the pores in the composite (which constitutes the plate of the deemed capacitor) decreases, thereby increasing the capacitance of the capacitor. This gives a value for ΔC at a given pressure. The higher the relative permittivity of the material between the plates of the capacitor, the higher the ΔC. Therefore, it is desirable to achieve the highest relative permittivity possible.
本発明に従った比誘電率は、以下の通り測定される:好ましくはフィルムの形態での、試料が、2つの金属ディスク電極間に挟まれ、誘電率が、インピーダンス分析計(BioLogic Impedance分析計MTZ−35)を用いて1Vの印加電圧下に10〜106Hzの周波数範囲で測定される。 The relative permittivity according to the present invention is measured as follows: the sample, preferably in the form of a film, is sandwiched between two metal disk electrodes and the permittivity is determined by a BioLogic Impedance analyzer. It is measured using MTZ-35) in the frequency range of 10 to 10 to 6 Hz under an applied voltage of 1 V.
本発明に従った複合材料の(並びにそのような複合材料を含むフィルムの)誘電率(誘電定数)は、特定の制限を受けることなく広範囲に及び得る。誘電率が高ければ高いほど、圧力検知応用に対する感度が高くなる。誘電率の上限は、導電性になる、すなわち、10−4S/mを超える導電率を有する複合材料によって明確に定められる。3〜200の範囲の、好ましくは5〜190の範囲の誘電率が達成されている。 The permittivity (dielectric constant) of a composite material (as well as a film containing such a composite material) according to the present invention can be widespread without any particular limitation. The higher the permittivity, the more sensitive it is to pressure sensing applications. The upper limit of the dielectric constant is clearly defined by the composite material which becomes conductive, i.e. has a conductivity of greater than 10-4 S / m. Dielectric constants in the range of 3 to 200, preferably in the range of 5 to 190 have been achieved.
しかしながら、材料が導電性になることは望ましくない。 However, it is not desirable for the material to be conductive.
細孔内の導電性充填材の量の増加は、比誘電率を増加させるが、一旦浸透(percolation)点に達すると、材料は、望ましくない導電性になる。密閉気孔率容積分画内での導電性充填材の局在化は、浸透点に達するために必要とされる充填材の量を増加させ、それによって比誘電率をかなり増加させながら低い導電率を保持し、それは、外圧が印加され、そして(キャパシタのプレートを形成する)細孔壁間の距離が減少する場合に信号を改善する。 Increasing the amount of conductive filler in the pores increases the relative permittivity, but once the percolation point is reached, the material becomes undesired conductive. Localization of the conductive filler within the closed porosity volume fraction increases the amount of filler required to reach the permeation point, thereby significantly increasing the relative permittivity while reducing the conductivity. It retains the signal when external pressure is applied and the distance between the pore walls (which form the plate of the capacitor) decreases.
概して、これは、本発明の複合材料を使用して製造された静電容量センサーの非常に良好な感度をもたらす。 In general, this results in very good sensitivity for capacitive sensors manufactured using the composites of the invention.
本発明の好ましい実施形態に従って、充填材の量は、複合材料の全体重量を基準として、0.1〜15重量%の範囲に、好ましくは0.5〜12重量%の範囲にある。 According to a preferred embodiment of the invention, the amount of filler is in the range 0.1-15% by weight, preferably 0.5-12% by weight, based on the total weight of the composite.
浸透点に近い又はそれよりも上の量の導電性充填材については、低い導電率を有する非導電性複合材料に全体材料を変えるために、複合材料のトップ上に非導電性材料の追加の層をコートすることができる。 For an amount of conductive filler near or above the infiltration point, an additional non-conductive material is added on top of the composite to turn the whole material into a non-conductive composite with low conductivity. Layers can be coated.
本発明に従った複合材料の多孔性微細構造は、均一な材料において達成することができない等価弾性係数の材料を達成することを可能にする。多孔性構造は、非多孔性誘電体層と比較して誘電体層のかなりの変形を可能にする。この増加した変形能は、圧縮下の静電容量の大きい変化をもたらす。 The porous microstructure of composites according to the present invention makes it possible to achieve materials with equivalent elastic moduli that cannot be achieved with uniform materials. The porous structure allows significant deformation of the dielectric layer compared to the non-porous dielectric layer. This increased deformability results in a large change in capacitance under compression.
複合材料上にコートされた絶縁層の使用は、全体導電率を低下させ、それは、細孔内の浸透閾値よりも上への導電性充填材の量の増加を可能にし、それによって比誘電率を増加させる。 The use of an insulating layer coated on the composite reduces the overall conductivity, which allows an increase in the amount of conductive filler above the permeation threshold in the pores, thereby the relative permittivity. To increase.
好適な非導電性材料は、例えば、ポリジアルキルシロキサン、特にポリジメチルシロキサン(PDMS)及びポリエステル、好ましくはポリエチレンテレフタレートポリマーである。二軸配向ポリエチレンテレフタレートフィルムの層は、特定の応用事例において特に有利であると分かった。そのようなフィルムについての単に例として、Mylar(登録商標)、DuPontから商業的に入手可能な製品又は三菱化学株式会社から入手可能な、Hostaphan(登録商標)が挙げられ得る。 Suitable non-conductive materials are, for example, polydialkylsiloxanes, in particular polydimethylsiloxane (PDMS) and polyesters, preferably polyethylene terephthalate polymers. A layer of biaxially oriented polyethylene terephthalate film has been found to be particularly advantageous in certain application cases. A simple example of such a film may be Mylar®, a product commercially available from DuPont or Hostaphan® available from Mitsubishi Chemical Corporation.
本発明の別の実施形態は、以下の工程:
a)シロキサンポリマー前駆体及び硬化剤及び、任意選択的に、界面活性剤を含む第1非水相を提供する工程と、
b)水中に分散した導電性充填材及び、任意選択的に、水への導電性充填材の分散を容易にする及び支える添加剤を含む第2水相を提供する工程と、
c)撹拌下に水相b)を非水相a)に添加することによってエマルジョンを調製する工程と、
d)工程c)において得られた生成物を網状にする工程と、最後に、
e)工程d)において得られた生成物を熱処理にかけて水を除去する程と
を含む、本発明に従った複合材料の製造方法に関する。
Another embodiment of the present invention includes the following steps:
a) A step of providing a first non-aqueous phase containing a siloxane polymer precursor, a curing agent, and optionally a surfactant.
b) A step of providing a second aqueous phase containing an additive dispersed in water and optionally an additive that facilitates and supports the dispersion of the conductive filler in water.
c) A step of preparing an emulsion by adding the aqueous phase b) to the non-aqueous phase a) under stirring.
d) The step of reticulating the product obtained in step c), and finally,
e) The present invention relates to a method for producing a composite material according to the present invention, which comprises removing water by heat-treating the product obtained in step d).
本発明の方法に従った複合材料は、非水相が、モノマーと架橋剤と、任意選択的に、界面活性剤との混合物であり、及び水相が、導電性又は半導電性充填材及び、任意選択的に、界面活性剤を含有する水溶液である逆エマルジョン技術を用いることによって得られる。 Composites according to the methods of the invention have a non-aqueous phase that is a mixture of a monomer, a cross-linking agent and, optionally a surfactant, and an aqueous phase of a conductive or semi-conductive filler and. , Arbitrarily obtained by using the reverse emulsion technique, which is an aqueous solution containing a surfactant.
本発明の方法の工程a)において、非水相が、シロキサンポリマー前駆体、硬化剤及び、任意選択的に、界面活性剤を使用することによって調製される。 In step a) of the method of the invention, the non-aqueous phase is prepared by using a siloxane polymer precursor, a curing agent and optionally a surfactant.
シロキサンポリマー前駆体は、好ましくは、本明細書で以下に記載されるように二成分キットであり得る。 The siloxane polymer precursor can preferably be a two-component kit as described herein below.
シロキサン前駆体ポリマー及び硬化剤を含む二成分キットは、様々な供給業者から商業的に入手可能であり、当業者は、その専門的知識及び具体的な応用事例のニーズに基づき適切な前駆体製品を選択するであろう。 Two-component kits containing siloxane precursor polymers and hardeners are commercially available from a variety of suppliers and will be appreciated by those skilled in the art based on their expertise and the needs of specific application cases. Will choose.
単に例として、そのような二成分キットの主要構成が、Sylgard(登録商標)184についてより詳細に説明される。 By way of example only, the main configuration of such a two-component kit will be described in more detail for Sylgard® 184.
Sylgard 184(登録商標)は、ジメチルシロキサンと有機的に改質されたシリカとを含むシリコーンエラストマーである。Sylgard(登録商標)184は、基礎材料(パートA)を硬化剤(パートB)と組み合わせることによって調製される。基礎材料は、溶媒(エチルベンゼン)中にシロキサン(ジメチル−ビニル末端ジメチルシロキサン)と、ジメチルビニル化及びトリメチル化シリカとを含む。硬化剤には、また、ジメチルメチル水素シロキサン、ジメチル−ビニル末端ジメチルシロキサン、ジメチルビニル化及びトリメチル化シリカ、テトラメチルテトラビニルシクリテトラシロキサンとエチルベンゼンとを含む、溶媒中のシロキサンとシリカとの混合物が含まれる。 Sylgard 184® is a silicone elastomer containing dimethylsiloxane and organically modified silica. Sylgard® 184 is prepared by combining a base material (Part A) with a curing agent (Part B). The basic material contains siloxane (dimethyl-vinyl-terminated dimethylsiloxane) and dimethylvinylized and trimethylated silica in a solvent (ethylbenzene). The curing agent also includes a mixture of siloxane and silica in a solvent, including dimethylmethylhydrochloride, dimethyl-vinyl-terminated dimethylsiloxane, dimethylvinylized and trimethylated silica, tetramethyltetravinylcyclitetetrasiloxane and ethylbenzene. included.
Sylgard(登録商標)527は、Sylgard 184に実質的に類似の、しかしシリカ充填材なしのシリコーンエラストマーゲルである。それは、また、基礎材料及び硬化剤から調製される。多種多様のシロキサン組成物が様々な供給業者から商業的に入手可能である。Sylgard(登録商標)シリーズの製品は、工程a)において本発明の方法に使用され得る、及び例えばDow Chemicalから商業的に入手可能であるそのような好適な二成分キットについての単に一例である。別のグループの好適な硬化性シロキサンポリマー前駆体は、Wacker Chemieから入手可能なElastosil(登録商標)シリーズの製品である。 Sylgard® 527 is a silicone elastomer gel that is substantially similar to Sylgard 184, but without a silica filler. It is also prepared from the base material and hardener. A wide variety of siloxane compositions are commercially available from various suppliers. Products in the Sylgard® series are merely examples of such suitable two-component kits that can be used in the methods of the invention in step a) and are commercially available, for example, from Dow Chemical. Another group of suitable curable siloxane polymer precursors is the Elastosil® series of products available from Wacker Chemie.
模範的なPDMS前駆体は、金属触媒の存在下で水素化物官能性架橋剤と架橋できるビニル官能性PDMS又は水素化物官能性架橋剤と架橋できるヒドロキシル官能性PDMS又は架橋性ヒドロキシル官能性PDMSである。 An exemplary PDMS precursor is a vinyl-functional PDMS that can be crosslinked with a hydride-functional cross-linking agent in the presence of a metal catalyst or a hydroxyl-functional PDMS or a cross-linking hydroxyl-functional PDMS that can be cross-linked with a hydride-functional cross-linking agent. ..
Sylgard(登録商標)184は、本発明に従った方法に用いられ得る特に好ましいシロキサンポリマー前駆体である。 Sylgard® 184 is a particularly preferred siloxane polymer precursor that can be used in methods according to the present invention.
シロキサン前駆体は、触媒、インヒビター、フロー剤、シリコーンオイル、溶媒及び充填材の群から選択される1種以上の賦形剤を含有し得る。一実施形態において、賦形剤は、触媒(例えば、付加硬化のためのPt錯体若しくは縮合硬化のためのSn錯体)又は過酸化物(過酸化物硬化)の群から選択される。 The siloxane precursor may contain one or more excipients selected from the group of catalysts, inhibitors, flow agents, silicone oils, solvents and fillers. In one embodiment, the excipient is selected from the group of catalysts (eg, Pt complexes for addition curing or Sn complexes for condensation curing) or peroxides (peroxide curing).
非水相a)は、システムを安定させるための界面活性剤をまた任意選択的に含み得る。この目的のために好適な界面活性剤は、当業者に公知であり、多様な商業的供給業者から多種多様に入手可能である。当業者は、その専門的知識に基づいて、好適な界面活性剤を選択するであろう。 The non-aqueous phase a) may also optionally contain a surfactant to stabilize the system. Surfactants suitable for this purpose are known to those of skill in the art and are widely available from a variety of commercial suppliers. Those skilled in the art will select suitable surfactants based on their expertise.
単に例として、Silube(登録商標)シリーズの製品などのシリコーンアルキルポリエーテルが、好適な界面活性剤としてここで挙げられ得る。シリコーンアルキルポリエーテルは、ポリエーテルと共反応したアルキル化シリコーンである。そのような界面活性剤は、有機オイル及びシリコーンを水でそれぞれ水相へ乳化させるために有効である。 Simply as an example, silicone alkylpolyethers such as Sirube® series products may be mentioned herein as suitable surfactants. Silicone alkyl polyethers are alkylated silicones that have reacted with the polyether. Such surfactants are effective for emulsifying organic oils and silicones with water, respectively, into the aqueous phase.
Siltech companyから入手可能なSilube(登録商標)は、次の構造:
で表される。
Sirube®, available from the Silk Company, has the following structure:
It is represented by.
界面活性剤は、シロキサン前駆体組成物に添加されてもよく、通常、非水相a)の総重量の0.5〜10重量%、好ましくは0.75〜7.5重量%の量で存在する。 The surfactant may be added to the siloxane precursor composition and is usually in an amount of 0.5-10% by weight, preferably 0.75-7.5% by weight of the total weight of the non-aqueous phase a). Exists.
本発明の方法の工程b)において、その中に分散した導電性又は半導電性充填材を含む水相が提供される。 In step b) of the method of the present invention, an aqueous phase containing a conductive or semi-conductive filler dispersed therein is provided.
工程b)において提供される水相を得るために、導電性又は半導電性充填材は、導電性充填材を分散させるために撹拌下に又は超音波の適用下に、水、好ましくは脱イオン水に添加される。充填材の均一な分散系を支えるために超音波を用いる場合、システムは、システムの過度のヒートアップを避けるために例えば氷浴で好ましくは冷却される。 To obtain the aqueous phase provided in step b), the conductive or semi-conductive filler is water, preferably deionized, under stirring or applying ultrasonic waves to disperse the conductive filler. Added to water. When ultrasonic waves are used to support a uniform dispersion of filler, the system is preferably cooled, for example, in an ice bath to avoid excessive heat-up of the system.
導電性又は半導電性充填材の添加前の溶液は、導電性又は半導電性充填材の分散を容易にする及び支えるために添加剤を含み得る。この目的のための好ましい界面活性剤は、アカシア・ゴムとしても知られる、アラビア・ゴムである。アカシア・ゴムは、アカシアの木の様々な種の硬化樹液からなる天然ゴムである。アラビア・ゴムは、糖タンパク質と多糖類との複雑な混合物である。 The solution prior to the addition of the conductive or semi-conductive filler may contain additives to facilitate and support the dispersion of the conductive or semi-conductive filler. A preferred surfactant for this purpose is gum arabic, also known as acacia gum. Acacia rubber is a natural rubber consisting of hardened sap of various species of acacia tree. Gum arabic is a complex mixture of glycoproteins and polysaccharides.
当業者は、水性システム及び各生成物中の導電性及び半導電性充填材の分散を容易にする及び支える、そして多数の異なる供給業者から多種多様に商業的に入手可能であるさらなる添加剤を知っているので、さらなる詳細がここで示される必要はない。当業者は、その専門的知識及び経験に基づいて好適な分散補助剤を選択するであろう。 One of ordinary skill in the art facilitates and supports the dispersion of conductive and semi-conductive fillers in aqueous systems and products, and further additives that are widely and commercially available from a number of different suppliers. As we know, no further details need to be given here. Those skilled in the art will select suitable dispersion aids based on their expertise and experience.
エマルジョンを得るために、工程b)において提供された水相は、本方法の工程c)において機械的撹拌下に、工程a)において提供された非水相にゆっくりと添加される。 To obtain an emulsion, the aqueous phase provided in step b) is slowly added to the non-aqueous phase provided in step a) under mechanical stirring in step c) of the method.
流体は、流体の1エリアが隣接エリアに対して異なる速度で移動する場合に剪断を受ける。高剪断ミキサーは、通常電動機によって動力供給される、回転羽根車若しくは高速回転子、又は一連のそのような羽根車若しくはインライン回転子を用いて流体を動かして流れ及び剪断を生み出す。回転子の先端速度、又は外径での流体の速度は、回転子の中心での速度よりも高いであろうし、剪断を生み出すのはこの速度差である。 A fluid is sheared when one area of the fluid moves at different speeds with respect to adjacent areas. High shear mixers use a rotary impeller or high speed rotor, or a series of such impellers or in-line rotors, usually powered by a motor, to move the fluid to produce flow and shear. The velocity at the tip of the rotor, or the velocity of the fluid at the outer diameter, will be higher than the velocity at the center of the rotor, and it is this velocity difference that produces shear.
好ましい実施形態において、高剪断ミキサーは、工程b)において提供された水相を、水相が普通はそれと混ざらないであろう工程a)において提供された主要連続相中へ分散させ、又は運び、それによってエマルジョンを生み出す。 In a preferred embodiment, the high shear mixer disperses or carries the aqueous phase provided in step b) into the primary continuous phase provided in step a) where the aqueous phase would normally not mix with it. It produces an emulsion.
当業者は、具体的な適用状況及び生成物の所望の最終モルフォロジのニーズに従って攪拌機の直径及びその回転速度を選択する(それによって加えられる剪断速度を明確に定める)であろう。 One of ordinary skill in the art will select the diameter of the stirrer and its rotation speed (clearly defining the shear rate applied thereby) according to the specific application situation and the desired final morphology needs of the product.
高い剪断速度の適用によって、シリコーンゴム中に大量の非水相を一様に分配させること、及び安定したエマルジョンを形成することが可能であり、前記エマルジョンが長期間にわたって安定であることが意外にも分かった。 By applying a high shear rate, it is possible to uniformly distribute a large amount of non-aqueous phase in the silicone rubber and to form a stable emulsion, which is surprisingly stable over a long period of time. I also understood.
非水相対水相の重量比は、特に制限を受けず、通常、1:10〜10:1の範囲内に、好ましくは1:5〜5:1の範囲にある。好ましくは、非水相は、システムの連続相を形成し、その相に水相が分散させられ、非水相及び水相の量はそれぞれ選択される。そのような場合に、水相の重量は、好ましくは、非水相の量を超えず、通常、全体エマルジョンの30〜40重量%の範囲にある。いくつかの応用事例において、およそ等しい重量の非水相及び水相が一定の利点を提供することが分かった。 The weight ratio of the non-aqueous relative aqueous phase is not particularly limited, and is usually in the range of 1:10 to 10: 1, preferably in the range of 1: 5 to 5: 1. Preferably, the non-aqueous phase forms a continuous phase of the system, the aqueous phase is dispersed in that phase, and the amounts of the non-aqueous phase and the aqueous phase are selected, respectively. In such cases, the weight of the aqueous phase preferably does not exceed the amount of the non-aqueous phase and is usually in the range of 30-40% by weight of the total emulsion. In some application cases, approximately equal weights of non-aqueous and aqueous phases have been found to provide certain benefits.
工程c)後に、非水相中に分散した導電性充填材を含有する水相の液滴を有するエマルジョンが得られる。これらの液滴の平均直径は、通常0.1〜300μmの範囲に、好ましくは0.5〜150μmの範囲に、特に好ましくは1〜30μmの範囲にある。得られる平均液滴サイズは、連続相の粘度に依存する。 After step c), an emulsion having aqueous phase droplets containing a conductive filler dispersed in a non-aqueous phase is obtained. The average diameter of these droplets is usually in the range of 0.1 to 300 μm, preferably in the range of 0.5 to 150 μm, particularly preferably in the range of 1 to 30 μm. The average droplet size obtained depends on the viscosity of the continuous phase.
次に、0.5〜12時間、好ましくは1〜8時間の期間、通常水の沸点よりも下の、好ましくは60〜95℃の範囲の温度で、工程c)において得られたエマルジョンを網状にする(硬化させる)ことによって工程d)において固体材料が得られる。いくつかの場合に、およそ4hの硬化時間が最良であると分かった。この工程における相対湿度は、通常、100%に近いか、又は100%に等しい。 Next, the emulsion obtained in step c) is reticulated for a period of 0.5 to 12 hours, preferably 1 to 8 hours, at a temperature below the boiling point of normal water, preferably in the range of 60 to 95 ° C. A solid material is obtained in step d). In some cases, a cure time of approximately 4 hours was found to be the best. Relative humidity in this step is usually close to or equal to 100%.
一実施形態において、硬化は、触媒としてのPtの使用によるなどの、付加ベースの硬化であって、架橋剤のSi−H基がシリコーンポリマーのビニル基と反応する硬化の形態で行われ得る。 In one embodiment, the curing may be an addition-based curing, such as by the use of Pt as a catalyst, in the form of curing in which the Si—H group of the crosslinker reacts with the vinyl group of the silicone polymer.
別の実施形態に従って、硬化は、Snベースの硬化システム及び室温加硫シリコーンゴムの使用によるなどの、縮合ベースのシステムであって、アルコキシ架橋剤が加水分解工程を受け、ヒドロキシル基が問題のポリマーに結合している別のヒドロキシル基との縮合反応に関与する状態でそのままにしておかれるシステムで行われ得る。 According to another embodiment, the curing is a condensation-based system, such as by using a Sn-based curing system and the use of room temperature vulcanized silicone rubber, where the alkoxy crosslinker undergoes a hydrolysis step and the hydroxyl group is the problem polymer. It can be done in a system that is left untouched to be involved in a condensation reaction with another hydroxyl group attached to.
さらに別の実施形態において、硬化は、過酸化物ベースのシステムであって、有機過酸化物化合物が高温で分解して反応性の高いラジカルを形成し、それがポリマー鎖を化学的に架橋するシステムで行われ得る。 In yet another embodiment, curing is a peroxide-based system in which the organic peroxide compound decomposes at high temperatures to form highly reactive radicals, which chemically crosslink the polymer chains. Can be done in the system.
最終工程において、工程d)において得られた生成物は、水を除去するために熱処理にかけられる。硬化後に形成されたシロキサンポリマーは、水蒸気に対して透過性であるので、好ましくは細孔壁が導電性又は半導電性充填材でコートされている状態で、導電性又は半導電性充填材がマトリックス材料の密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する多孔性構造から液滴は離れ、それによって本発明に従った複合材料をもたらす。 In the final step, the product obtained in step d) is heat treated to remove water. Since the siloxane polymer formed after curing is permeable to water vapor, the conductive or semi-conductive filler is preferably provided with the pore walls coated with the conductive or semi-conductive filler. The droplets are separated from the porous structure that is substantially present in the closed porosity volume fraction of the matrix material, thereby resulting in a composite material according to the present invention.
工程d)における硬化及び工程e)における乾燥の条件は、多孔性複合材料のモルフォロジに影響を及ぼし、当業者は、所望のモルフォロジを得るのに好適なやり方でそれらの条件を選択するであろう。 The conditions of curing in step d) and drying in step e) affect the morphology of the porous composite and one of ordinary skill in the art will select those conditions in a manner suitable to obtain the desired morphology. ..
本発明の別の実施形態は、本発明に従った複合材料を含む、好ましくはそれから本質的になる、さらにより好ましくはそれからなるフィルムに関する。 Another embodiment of the invention relates to a film comprising a composite material according to the invention, preferably made essentially of it, and even more preferably made of it.
好ましい実施形態に従って、フィルムの厚さは、1〜500μmの範囲に、好ましくは10〜250μmの範囲にある。 According to a preferred embodiment, the film thickness is in the range of 1-500 μm, preferably in the range of 10-250 μm.
本発明に従ったフィルムは、本発明に従った方法の工程c)のエマルジョンを、工程d)を適用する前にそれを金型に注ぎ込むことによってフィルムを形成することによって得ることができる。このようにして得られたフィルムは、次に、圧力検知デバイスに使用するのに好適な最終フィルムを得るために本発明の方法に従った工程d)及びe)にかけられる。 A film according to the present invention can be obtained by forming a film by pouring the emulsion of step c) of the method according to the present invention into a mold before applying step d). The film thus obtained is then subjected to steps d) and e) according to the method of the present invention to obtain a final film suitable for use in a pressure sensing device.
本発明に従った方法の最終工程において、工程d)において得られた生成物が、水を除去するために熱処理にかけられる。この熱処理工程は、通常、大気圧で水の沸点を超える温度で、好ましくは100〜200℃の範囲の温度で及び0.1h〜5hの、好ましくは0.5〜5時間の継続時間の間実施される。いくつかの場合には、130〜170℃の温度及び0.75〜3hの、特に1〜2hの処理時間が好適であると分かった。 In the final step of the method according to the invention, the product obtained in step d) is heat treated to remove water. This heat treatment step is usually at a temperature above the boiling point of water at atmospheric pressure, preferably at a temperature in the range of 100 to 200 ° C. and for a duration of 0.1 h to 5 h, preferably 0.5 to 5 hours. Will be implemented. In some cases, temperatures of 130-170 ° C. and treatment times of 0.75-3 h, especially 1-2 h, have been found to be suitable.
最終工程後に、最終的にフィルム形態の、微孔性複合材料が得られ、複合材料は、密閉気孔率容積分画中に好ましくは0.1〜200μmの範囲の平均直径の、及び好ましくは細孔壁が裏打ちされており、且つ、細孔がある程度まで導電性充填材で充填されている状態での細孔を含む。 After the final step, a microporous composite is finally obtained in film form, the composite having an average diameter in the range of preferably 0.1-200 μm, and preferably fine during the closed porosity volume fractionation. Includes pores in a state where the pore walls are lined and the pores are filled with a conductive filler to some extent.
本発明のさらなる実施形態は、本発明によるフィルムでコートされた基材に関する。 A further embodiment of the present invention relates to a film-coated substrate according to the present invention.
基材は、構造及び組成に関する限り特に制限を受けず、当業者は、具体的な適用状況のニーズを考慮に入れて基材を選択するであろう。 The base material is not particularly limited as far as the structure and composition are concerned, and those skilled in the art will select the base material in consideration of the needs of the specific application situation.
基材の構造は、具体的な意図される使用に合わせて採用され得るし、基材は、変形しやすいフィルムのためのキャリアの機能を有し得るか又はそれは前記フィルムに増加した機械的安定性を提供し得る。 The structure of the substrate can be adopted for specific intended use, and the substrate can have the function of a carrier for a deformable film, or it has increased mechanical stability to the film. Can provide sex.
基材の材料は、圧力検知デバイスにおける被覆基材の意図される最終使用に応じて、それぞれ、絶縁性又は導電性の金属又は非金属であり得る。いくつかの場合には、アルミニウム基材又はアルミニウムを含む基材が、一定の利点を提供することが分かった。 The material of the substrate can be an insulating or conductive metal or non-metal, respectively, depending on the intended end use of the coated substrate in the pressure sensing device. In some cases, aluminum substrates or substrates containing aluminum have been found to provide certain advantages.
基材上へのフィルムのコーティングは、当業者に公知の従来のコーティング技法であって、文献に記載されているので、さらなる詳細がここで示される必要はない技法を用いて達成され得る。 Coating a film onto a substrate is a conventional coating technique known to those of skill in the art and is described in the literature and can be achieved using techniques that do not require further details to be presented herein.
本発明の別の実施形態は、本発明に従ったフィルムの第1層、及び、それに隣接した、絶縁層である第2層を含む多層システムに関する。 Another embodiment of the present invention relates to a multilayer system including a first layer of a film according to the present invention and an adjacent second layer which is an insulating layer.
本発明に従った複合材料を含むフィルムは、一旦浸透限界に近い又はそれよりも上の量の導電性充填材が使用されれば損失を示し、それは一定の不利点である。 Films containing composites according to the present invention show a loss once an amount of conductive filler near or above the permeation limit is used, which is a certain disadvantage.
本発明に従った多層システムは、本発明に従ったフィルム上に第2層(その第2層は絶縁層である)を追加することによってこれらの不利点を克服する。それによって、材料の高い誘電率は、同時に導電率をかなり低下させながら維持される。 A multilayer system according to the present invention overcomes these disadvantages by adding a second layer (which second layer is an insulating layer) on the film according to the present invention. Thereby, the high dielectric constant of the material is maintained while at the same time significantly reducing the conductivity.
第2絶縁層の材料は、第1層上でフィルム又は好適なコーティングに成形され得る任意の絶縁材料であり得る。経済的な及び加工性の理由で、熱可塑性ポリマーの絶縁層が好ましく、シリコーンゴム又はポリエステルが例として挙げられ得る。多数の供給業者から商業的に入手可能である、ポリエチレンテレフタレートポリマーをベースとするMylar(登録商標)フィルムは、加工性及びコストの観点から有利であると分かったので、第2絶縁層用の絶縁材料の特に好ましいグループを表す。 The material of the second insulating layer can be any insulating material that can be molded into a film or suitable coating on the first layer. For economic and processability reasons, a thermoplastic polymer insulating layer is preferred, and silicone rubber or polyester may be mentioned as an example. The polyethylene terephthalate polymer-based Mylar® film, which is commercially available from a large number of suppliers, has been found to be advantageous in terms of processability and cost, and thus insulation for the second insulating layer. Represents a particularly preferred group of materials.
第2絶縁層の厚さは、特に制限を受けず、多くの場合、0.5〜500μmの範囲に、好ましくは1〜100μmの範囲にある。 The thickness of the second insulating layer is not particularly limited, and is often in the range of 0.5 to 500 μm, preferably in the range of 1 to 100 μm.
絶縁層は、本発明に従った複合材料を含むフィルム上へ広げられ得る。絶縁層は、それ自体、基材上に堆積させられ得る。 The insulating layer can be spread on a film containing a composite material according to the present invention. The insulating layer can itself be deposited on the substrate.
複合材料を含むフィルム上への絶縁層のコーティングは、当業者に公知の及び文献に記載されているスピンコーティング、回転コーティング又は他のコーティング技法などの従来のコーティング技法によって達成され得る。 Coating of the insulating layer on a film containing a composite material can be achieved by conventional coating techniques such as spin coating, rotary coating or other coating techniques known to those of skill in the art and described in the literature.
本発明に従った複合材料、それを含むフィルム及び被覆基材又はそのようなフィルムを含む多層構造物は、ピエゾ容量性素子での使用に特に好適である。低い導電率でのそれらの高い誘電率のために、前記材料を使用する素子の感度は高く、外圧における非常に低い変動を確実に測定することができる。 Composite materials according to the present invention, films containing them and coating substrates or multilayer structures containing such films are particularly suitable for use in piezo capacitive elements. Due to their high permittivity at low conductivity, devices using said materials are highly sensitive and can reliably measure very low fluctuations in external pressure.
圧縮応力が、本発明に従った微孔性複合材料に加えられる場合に、大きい変形並びにその微細構造の変更が生み出される。両効果は、等価静電容量の大きい変動をもたらし、それ故、例えば0.1kPa〜10kPaの範囲の低い外圧で大きいピエゾ容量性感度をもたらす。したがって、本発明に従った複合材料は、容量性圧力検知応用の、より具体的には血圧及び心拍数監視などの生体信号のために一般に必要とされる低力覚圧力センサーの優れた候補である。 When compressive stresses are applied to microporous composites according to the present invention, large deformations as well as changes in their microstructure are produced. Both effects result in large variations in equivalent capacitance and therefore large piezo capacitance sensitivities at low external pressures, for example in the range of 0.1 kPa to 10 kPa. Therefore, composites according to the present invention are excellent candidates for low force pressure sensors commonly required for capacitive pressure sensing applications, more specifically for biological signals such as blood pressure and heart rate monitoring. is there.
実施例1
水中の5.0重量%のアラビア・ゴムを含む溶液を、5gのアラビア・ゴム(Sigma Aldrichから入手した)を95gの脱イオン水と混合することによって平底フラスコ中で調製した。磁気撹拌を適用して、カーボンブラック粉末(導電性充填材)を分散させるための界面活性剤としての機能を果たすアラビア・ゴムを均一に溶解させた。使用されるカーボンブラックは、参照39724−カーボンブラックでAlfa Aesarから購入し、受け取ったまま使用した。
Example 1
A solution containing 5.0% by weight gum arabic in water was prepared in a flask by mixing 5 g of gum arabic (obtained from Sigma Aldrich) with 95 g of deionized water. Magnetic agitation was applied to uniformly dissolve Arabic rubber, which acts as a surfactant to disperse the carbon black powder (conductive filler). The carbon black used was purchased from Alfa Aesar at Reference 39724-Carbon Black and used as received.
カーボンブラック粉末の分散は、所望量のカーボンブラック粉末とアラビア・ゴム溶液とを混合することによって平底フラスコ中で実施した。超音波処理の結果としての過度の温度上昇を避けるために溶液を氷浴中で冷却しながら、混合物を1時間超音波処理してカーボンブラック粒子を均一に分散させた。得られた生成物を水相として使用した。 Dispersion of the carbon black powder was carried out in a flat bottom flask by mixing a desired amount of carbon black powder and gum arabic solution. The mixture was sonicated for 1 hour to evenly disperse the carbon black particles while cooling the solution in an ice bath to avoid excessive temperature rise as a result of sonication. The resulting product was used as the aqueous phase.
非水相として、Sylgard 184を、PDMS基礎材料及び硬化剤からなるキットとしてDow Coringから購入した。PDMS材料の相対誘電体誘電率は、およそ2であった。PDMS基礎材料と架橋剤との混合物に、Silube(登録商標)J−208−212を界面活性剤として添加して5重量%の界面活性剤の濃度に達した。 As a non-aqueous phase, Cylgard 184 was purchased from Dow Coring as a kit consisting of a PDMS base material and a curing agent. The relative permittivity of the PDMS material was approximately 2. Sirube® J-208-212 was added as a surfactant to the mixture of the PDMS basic material and the cross-linking agent to reach a surfactant concentration of 5% by weight.
50:50の水相対非水相の比に達するためにスパチュラでの機械的撹拌下に、水相を非水相にゆっくりと添加した。 The aqueous phase was slowly added to the non-aqueous phase under mechanical agitation with a spatula to reach a 50:50 ratio of water relative non-aqueous phase.
このようにして得られた油中水エマルジョンを、500μmの深さ及び24mmの直径を有する金型に注ぎ込み、蓋をした。その後、(100%湿度を有するために)金型を水浴中4時間90℃の温度にさらすことによってフィルムを網状にした。 The water-in-oil emulsion thus obtained was poured into a mold having a depth of 500 μm and a diameter of 24 mm and covered. The film was then reticulated by exposing the mold to a temperature of 90 ° C. for 4 hours in a water bath (to have 100% humidity).
最終工程において、網状のフィルムを金型から取り出し、1時間150℃の温度のオーブン中に入れて水を除去した。 In the final step, the reticulated film was removed from the mold and placed in an oven at a temperature of 150 ° C. for 1 hour to remove water.
得られた複合材料は、細孔が10〜30μmの平均直径を有する状態で微孔性構造を有した。平均孔径は、生成物の走査電子顕微鏡法(SEM)画像で測定した。 The resulting composite material had a microporous structure with pores having an average diameter of 10-30 μm. The average pore size was measured by scanning electron microscopy (SEM) images of the product.
複合材料のカーボンブラック含有量は、複合材料の全体重量を基準として、4.6〜10.2重量%の範囲であった。 The carbon black content of the composite material was in the range of 4.6 to 10.2% by weight based on the total weight of the composite material.
誘電率は、円形真ちゅう電極を使ったサンドイッチ幾何学を用いるブロードバンド誘電分光法によって測定した。測定は、10Hz〜107Hzの周波数にわたって室温で行った。誘電率の実数部は、いかなるカーボンブラックもなしの材料については3であり、4.6重量%のカーボンブラックを含む複合材料については13.5であった。10.2重量%の量のカーボンブラックで、誘電率は4000であると測定されたが、材料は、濃度が浸透閾値を超えているので導電性であった。得られたフィルムを、絶縁フィルム(Mylarフィルム)ありの多層構造に成形した場合、誘電率は330であったが、材料は非導電性のままであった。 The permittivity was measured by broadband dielectric spectroscopy using sandwich geometry with circular brass electrodes. Measurements were taken at room temperature over frequencies of 10 Hz to 7 Hz. The real part of the dielectric constant was 3 for materials without any carbon black and 13.5 for composites containing 4.6% by weight carbon black. With an amount of 10.2 wt% carbon black, the permittivity was measured to be 4000, but the material was conductive as the concentration exceeded the permeation threshold. When the obtained film was formed into a multilayer structure with an insulating film (Mylar film), the dielectric constant was 330, but the material remained non-conductive.
静電感度を、直径25mmの及び電極として働く円形ステンレス鋼クランプを使用して圧縮状態で測定した。Keysight Precision LCR Meterを用いて1V及び100Hzで複素インピーダンスを測定しながら、RSA GII Solids Analyzerを用いて試料への標準圧力を維持した。試料の等価静電容量Cp及び抵抗Rpを推定するために、材料が同時にレジスタとキャパシタとの組み合わせとして働くと仮定した。基準静電容量C0を、0.1kPaが試料に加えられるときと任意に定義した。測定を、0.1kPa〜70kPaの範囲の圧力にわたって行った。 Electrostatic sensitivity was measured in a compressed state using a circular stainless steel clamp with a diameter of 25 mm and acting as an electrode. The standard pressure on the sample was maintained using the RSA GII Solids Analyzer while measuring the complex impedance at 1 V and 100 Hz using the Keysight Precision LCR Meter. To estimate the equivalent capacitance Cp and resistance Rp of the sample, it was assumed that the material simultaneously acted as a combination of a register and a capacitor. The reference capacitance C 0 was arbitrarily defined as when 0.1 kPa was added to the sample. Measurements were made over pressures in the range of 0.1 kPa to 70 kPa.
絶縁層なしの4.2重量%のカーボンブラック濃度について、ΔC/Coは、2kPa〜10kPaの圧力範囲で0.9〜1.8の範囲の値に達した。カーボンブラック濃度が10%であり、及び絶縁層が存在しない場合に、ΔC/Coについての値は、2kPaの圧力で0近くの値まで下がった。絶縁層あり及び10重量%のカーボンブラック濃度で、ΔC/Coは、2kPaの圧力でおよそ1.8であり、10kPaの圧力で4の値を超えた。 For carbon black concentration of 4.2% by weight without the insulating layer, [Delta] C / C o is reached to a value in the range of 0.9 to 1.8 in the pressure range of 2KPa~10kPa. Carbon black concentration was 10%, and when the insulating layer is not present, the value for [Delta] C / C o is decreased to a value of near zero at a pressure of 2 kPa. Carbon black concentration of there insulating layer and 10 wt%, [Delta] C / C o is approximately 1.8 at a pressure of 2 kPa, exceeds the value of 4 at a pressure of 10 kPa.
これらの結果は、ピエゾ容量性検知デバイスでの使用のための本発明に従った複合材料の優れた感度を示す。 These results show the excellent sensitivity of composites according to the invention for use in piezo capacitive sensing devices.
Claims (18)
b)前記多孔性マトリックス材料a)の前記密閉気孔率容積分画中に実質的に存在する導電性又は半導電性充填材と
を含む複合材料。 a) A porous matrix material containing a siloxane polymer, comprising a closed porosity volume fraction and optionally an open porosity volume fraction.
b) A composite material containing a conductive or semi-conductive filler substantially present in the closed porosity volume fraction of the porous matrix material a).
a)シロキサンポリマー前駆体及び硬化剤及び、任意選択的に、界面活性剤を含む第1非水相を提供する工程と、
b)水中に分散した半導電性又は導電性充填材を含む第2水相を提供する工程と、
c)撹拌下に水相b)を前記非水相a)に添加することによってエマルジョンを調製する工程と、
d)工程c)において得られた生成物を網状にする工程と、最後に、
d)工程d)において得られた生成物を熱処理にかけて前記水を除去する工程と
を含む方法。 The method for producing a composite material according to any one of claims 1 to 10, wherein the following steps:
a) A step of providing a first non-aqueous phase containing a siloxane polymer precursor, a curing agent, and optionally a surfactant.
b) A step of providing a second aqueous phase containing a semi-conductive or conductive filler dispersed in water, and
c) A step of preparing an emulsion by adding the aqueous phase b) to the non-aqueous phase a) under stirring.
d) The step of reticulating the product obtained in step c), and finally,
d) A method including a step of removing the water by subjecting the product obtained in step d) to a heat treatment.
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