国立先进产业科学技术研究所 [主席石村和彦]（以下简称“AIST”）纳米管实用研究中心[研究中心主任 Kenji Hatake] 小松正明指定深入研究专家（现 Zeon Corporation）Ryoichi Kishi 邀请的研究人员是 Zeon Corporation [田中社长与 Kosho 合作]（以下简称“Nippon”）吉恩''),单壁碳纳米管通过有效添加(CNT)赋予高导电性，适用于神经调节治疗医疗器械的电极垫硅橡胶我们开发了一种复合材料。
高纯度单壁碳纳米管（ZEONANO）®SG101填充物我们创造了一种CNT-硅橡胶复合材料，与传统产品相比，该材料具有稳定的高导电性、柔韧性和优异的耐久性。通过将其应用到医疗可穿戴设备中，可以有助于改善神经系统疾病患者的生活质量。
柔性导电碳纳米管硅橡胶片
（照片：日本 Zeon 提供）
随着智能手机和智能手表的普及，人们正在积极考虑将可穿戴设备用于各种医疗应用。许多医疗可穿戴设备都使用电极传感器，它们开始不仅用于被动监测大脑和肌肉活动以及心电图等信息，而且还通过主动对神经施加电刺激来治疗疾病。这种生物电极传感器不仅需要灵活性以提高对皮肤的粘附性，还需要稳定的导电性。此外，为了通过皮肤向身体内部施加电刺激，要求橡胶片在厚度方向上具有高导电率并且导电率变化小。另一个问题是如何生产低成本、高度耐用的导电硅橡胶，以使其作为产品广泛使用。
2004年，产业技术研究所开发出合成高纯度、长长度、高比表面积、分散性优异的单壁碳纳米管的超生长方法，2015年Zeon成功量产。2017年，由产业技术研究所、Zeon、Sunarrow株式会社组成的开放平台碳纳米管复合材料研究中心（TACC）成立以来，一直致力于各种复合材料的商业化和开发。在 TACC，AIST 和 Zeon 开发了一种实用的硅橡胶复合材料，可用于可穿戴设备中的电极垫。
1。高柔性高导电硅橡胶的设计
开发的复合材料由硅橡胶、市售导电填料和少量（总填料的1至5重量％）单壁碳纳米管（ZEONANO，由Nippon Zeon制造）组成。®SG101)以实现高分散性，从而实现高导电性和柔韧性。 A 型硬度计的硬度和体积电阻率（根据 JIS K7194 测量）之间的关系如图 1 左侧所示。神奇类型将其与与适合赋予导电性的炭黑(以下称为“导电CB”)混合的样品进行比较。当达到相同的电阻率时，CNT化合物的硬度明显低于导电CB产品的硬度。一般来说，增加导电填料的添加量（phr；每百橡胶，橡胶重量为100时的重量比）会增加硬度，但与导电CB相比，在CNT复合产品中添加量可以减少（图1右），因此硬度明显降低。
图1体积电阻率和硬度（左）与导电填料添加量（右）的关系
2。减少体积电阻率的变化
生物电极接收来自皮肤的电信号并向皮肤输入电信号，因此要求其在电极厚度方向上具有较低的体积电阻率。此外，要求材料在厚度方向上的体积电阻率变化小，使得电阻不会随着佩戴者因运动而接触它的方式而变化。图2显示了市售的导电填料/单壁碳纳米管（ZEONANO®SG101)的混合比与厚度方向的体积电阻率的变异系数(根据绝缘材料的直流电阻标准ASTM D-257测量)之间的关系。与仅使用导电填料的市售硅橡胶复合材料（产品100/0）相比，通过将其部分替换为单壁CNT（产品99/1和95/5），我们能够将体积电阻率的变化抑制到约三分之二。这是ZEONANO®这是因为SG101的长长度增加了CNT之间缠绕的接触点的数量，抑制了厚度方向上体积电阻率的波动，并且稳定了导电性。
图2 单壁CNT（ZEONANO®SG101) 加成效果
３． CNT硅橡胶的耐久性
虽然硅橡胶比有机橡胶具有更好的耐热性和耐水性，但它容易受到离子杂质的影响，因此构成橡胶的硅和氧之间的化学键被破坏，导致分子量在短时间内下降。随着该切削的进行，除了物理性能劣化之外，导电填料的接触状态也发生变化，体积电阻率发生波动。新开发的CNT硅橡胶复合材料具有高纯度ZEONANO®通过使用 SG101，我们能够制造出高度耐用的导电硅橡胶。图3表示室温混炼后的硅橡胶的重均分子量的变化的时间序列。本次开发的产品和ZEONANO®与另一家公司生产的单壁碳纳米管代替SG101的产品进行了比较。开发的产品一个月后分子量仍能保持在80%左右，但对比产品劣化很快，一周内分子量降至30%。
图3 硅橡胶的重均分子量随时间的变化（室温）
导电硅橡胶广泛用于熟悉的应用，例如遥控开关和计算机键盘。新开发的复合材料比这些材料更柔软，导电性变化更小，因此有望用于需要导电性的触点、讨厌静电的电子元件生产线中的抗静电用途，以及高压电缆和移动设备中的电磁屏蔽。一个特别有前景的应用是作为医疗可穿戴设备的电极垫。虽然该垫具有比金属板更高的电阻值，但它利用了橡胶特有的柔韧性，并且对身体具有很高的粘附力，有助于减少与身体接触时的不适感。
Nippon Zeon 使用本次联合研究中开发的 CNT 硅橡胶复合技术来制造一种母料，其中 CNT 预混入基础橡胶中。此外，我们还与美国有机硅分散体制造商 Novation Solutions LLC 合作开发 PURmix®高浓缩橡胶 (HCR) 保健化合物”已开发出来。这个复合用于手表形状的医疗可穿戴设备的电极垫（图4）。该设备是帕金森病是啊特发性震颤的病理状况之一。它还获得了美国食品药品监督管理局（FDA）的批准，有望帮助改善美国帕金森病患者的生活质量。
图 4 应用 CNT 的设备图像，可减少因疾病引起的身体颤抖
该研发成果发表在2021年4月30日出版的Polymer TECH（橡胶时报）上。
杂志名称：Polymer TECH Vol9（Gomu Times，2021 年 4 月 30 日出版）
论文标题：医用含单壁碳纳米管硅橡胶的开发
作者：上岛光1，广田光仁2，岸良一3，张敏芳3
1吉翁公司，2吉翁纳米科技有限公司3国立产业技术综合研究所
上次访问时间：2021 年 5 月 17 日https://wwwgomutimescojp/?cat=14423
国立产业技术综合研究所
纳米管实际应用研究中心
首席研究员 Ken Kokubo 电子邮件：kokuboken*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）