由京都工业大学石井裕也助理教授、米乐m6官方网站野边岛大树研究员和研究组组长植村清组成的联合研究小组发现，在膜状态下不表现出压电（注1）效应的通用树脂（多孔树脂）我们在世界上首次证明，通过使用静电纺丝（注2）简单地形成微纤维（苯乙烯），它们表现出与压电材料的逆压电特性（注3）类似的机电特性（逆压电特性）。另外，根据获得的逆压电特性，可以得到表观压电性d当我们计算常数（注4）时，我们发现，当施加准静态电压时，该值超过30,000 pm/V，但即使施加1 kHz的高频电压，传统压电材料的值也约为13,000 pm/V [例如，压电树脂膜≤53 pm/V、锆钛酸铅（PZT） ≤ 700] pm/V]。此外，我们首次提出了一个数学模型来解释这种静电纺聚苯乙烯微纤维膜获得的独特的逆压电特性。
在表现出压电效应的树脂纳米/微纤维的研究领域中，有许多使用即使在膜状态下也表现出压电效应的所谓压电树脂（例如聚偏二氟乙烯）的研究报告。在这项研究中，我们发现即使是通用树脂（聚苯乙烯）在使用静电纺丝制成微纤维时也能表现出高逆压电特性。因此，这一发现扩大了材料选择的范围，并展示了通过使用廉价的通用树脂以低成本、大面积生产极其轻便、灵活且具有优异特性的压力传感器和执行器的可能性。而且，投票（注5）等后处理，因此有望节省制造工艺和能源。
石井助理教授领导的研究小组一直在开发利用纤维柔韧性的功能性纤维材料。随着物联网（IoT）的发展，人们对附着在衣服和生命体上的可穿戴设备的需求不断增加，而轻质、机械柔性和具有优异透气性的功能纤维材料由于与此类设备具有很高的亲和力而受到关注。在各种功能中，压电效应可用作捕捉生物体的运动和心跳等运动的传感器，以及输出振动和声音的致动器。由于用途广泛，压电纤维材料受到广泛追捧。
压电树脂，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物和聚-L-乳酸（PLLA），作为轻质且机械柔性的压电材料正在被研究。压电树脂主要以膜的形式使用，但近年来有许多关于由这些压电树脂制成的纳米/微米压电纤维的研究报道。然而，这些压电树脂需要进行极化和热处理等后处理来提高压电性，使得制造工艺变得复杂。此外，即使经过后处理，与锆钛酸铅（PZT）等陶瓷材料相比，也存在压电性能较低的问题。
到目前为止，石井助理教授和他的同事已经证明，一种在膜状态下不表现出压电效应的通用树脂（聚苯乙烯）具有压电特性（正压电（注 6）特征）京都工业大学和日本先进科学技术研究所联合新闻稿（注7））。然而，尽管已知传统的压电材料除了正压电特性外还表现出逆压电特性，但目前尚不清楚电纺聚苯乙烯微纤维膜是否也像压电材料一样表现出逆压电特性。另外，上述介绍仅报道了测量轻轻施加压力时产生的电荷量的准静态压电特性（准静态正压电特性），对于高频下的动态特性尚未有详细报道。
在这种情况下，京都工业大学的 Yuya Ishii 助理教授、Chonthicha Iumsrivun（研究生）、新加坡国立大学的 Yasmin Mohamed Yousry（研究生）、Seeram Ramakrishna 教授、国家先进工业技术研究所的 Daiki Nobeshima 研究员、研究小组组长 Kiyoshi Uemura、国士馆大学副教授 Heisuke Sakai、新加坡科学技术研究局（A*STAR）的 Kui 在这次演讲中，首席研究员姚领导的联合研究小组在世界上首次证明，在膜状态下不表现出压电效应的通用树脂（聚苯乙烯）表现出与压电材料的逆压电特性相似的机电特性（逆压电特性），并且仅通过静电纺丝形成微纤维，其表观压电常数就表现出极高的值。
具体来说，使用静电纺丝将聚苯乙烯微纤维（平均直径：48 μm）直接沉积在涂有下电极的玻璃基板上，形成微纤维膜。接下来，我们将金箔粘合为上电极，并在上下电极之间施加准静态电压和高频交流电压（图1）。这里，我们通过使用激光位移计测量在点或平面上施加该电压时金箔的位移（纤维膜的膜厚变化），测量了施加电压与膜厚变化之间的关系（图1）。结果，我们发现纤维膜表现出类似于压电材料的逆压电特性的机电特性（逆压电特性），其中纤维膜的膜厚度根据施加电压的正负极性和施加电压的绝对值而增加和减少（图2a）。特别是，在测量高频电压时，可以确认粘有金箔的上电极在表面上上下移动，很好地跟随高频电压（图2b）。从获得的逆压电特性得到的表观压电d计算该常数时，我们发现施加准静态电压时可以获得超过 30,000 pm/V 的值，即使施加 1 kHz 的高频电压也可以获得约 13,000 pm/V 的值，这远高于传统压电材料的值（图 3）。
接下来，我们提出了世界上第一个数学模型来解释用电纺聚苯乙烯微纤维膜获得的逆压电特性。到目前为止，石井助理教授等人。已经表明，通过静电纺丝生产的由聚苯乙烯制成的微纤维膜具有偏向顶部的正电荷和偏向底部的负电荷。驻极体（注8）已报告（注7）。 （涂有下电极的玻璃基板的一侧称为下侧。）此外，在本次演示中，首次在纤维膜中测量了支持这种独特充电状态的滞后特性。通过简化这种充电状态并考虑上下电极中感应的感应电荷量以及两个电极之间产生的力，我们构建了一个数学模型来解释上述独特的逆压电特性。将逆压电特性的测量数据与数学模型进行拟合，得到有效表面电荷密度（注9）和杨氏模量(注10)时，表明其带电良好并且具有非常柔软的特性(杨氏模量：14kPa)。数学模型中的表观压电d用电纺聚苯乙烯微纤维膜获得的高表观压电性与有效表面电荷密度成正比，与纤维膜的杨氏模量成反比d该常数被认为是由于其充电良好且极其柔软的特性（图 3）。
此外，本研究还采用准静态和动态方法测量了电纺聚苯乙烯微纤维膜的正压电性能，得到了表观压电性能d我们还比较了常数。结果，根据逆压电特性计算出表观压电性d我发现该常数具有更高的值。这适用于测量正压电特性初步加载（注11）在预压阶段已经压缩了极其柔软的纤维膜，导致纤维膜变得致密和硬化。换句话说，根据逆压电特性计算出的表观压电性d该常数是微纤维膜的原始表观压电性d它被认为代表一个常量的值。
这一发现扩大了材料选择的范围，并展示了通过使用廉价的通用树脂以低成本和大面积生产极其轻便、灵活且具有优异特性的压力传感器和执行器的可能性。此外，由于不需要轮询等后处理，因此有望节省制造过程中的时间和能源。未来，我们将继续阐明静电纺聚苯乙烯微纤维膜独特压电特性的详细机制，并致力于开发可穿戴生物运动传感器和执行器的应用。
资助机构：
- 文部科学省优秀研究员计划
- JSPS 科学研究补助金编号 19K15421
- 马自达基金会公益基金会第 34 届马自达研究补助金
与本演示文稿相关的专利申请：
- [发明名称]发电元件及其制造方法[申请号]专利申请2019-072448
- [发明名称]塑料纳米纤维和光纤、以及塑料纳米纤维的制造方法[申请号]专利申请2016-39381
图1逆压电特性测量方法的概要图
图2（a）当电压轻轻施加到电纺聚苯乙烯微纤维膜上时上电极（金箔）的位移（准静态逆压电特性）。 (b) 在电极间施加高频（1kHz）交流电压时的三维位移图像（最大位移时）
图 3 典型压电材料和此处介绍的电纺聚苯乙烯微纤维膜的表观压电性d常数和杨氏模量
杂志名称：高分子快速通讯
DOI：https://dxdoiorg/101002/marc202000218（网页于 2020 年 6 月 29 日发布，以早期视图形式发布）
论文标题：机电活性电纺聚苯乙烯纤维垫：显着高的准静态/动态机电响应和理论建模
作者：Yuya Ishii、Yasmin Mohamed Yousry、Taiki Nobeshima、Chonthicha Iumsrivun、Heisuke Sakai、Sei Uemura、Seeram Ramakrishna 和 Kui Yao
补充说明：被选为《高分子快速通讯》杂志的封面。此外，封面将在分配卷号后出版。