表面濡れ性と局所湿度制御による絶縁基板への電気紡糸

概要

表面濡れ性と制御された湿度を活用し、柔軟な非導電性基板へのポリマー電気紡糸を可能にする簡便な手法を提示します。プラズマ処理された親水性ポリマー表面周辺の局所相対湿度を上昇させることで、水単分子層が吸着し、一時的な接地電極として機能します。電気紡糸繊維は親水性領域に選択的に堆積し、複雑な電極製造なしで精密なパターニングが可能です。ニアフィールド電気紡糸は、親水性表面へのポリマーナノファイバー直接描画をさらに実証し、ウェアラブルおよびフレキシブル電子デバイスへの道を開きます。

背景

電気紡糸は、高電圧源、スピナレット、コレクタ間に生成される電界に依存し、サブミクロメートル範囲の連続ナノファイバーを経済的に製造する手法です。伝統的に、コレクタは接地電極として機能する導電性基板（金属など）であり、安定した電界を確保します。非導電性基板が必要な場合、接地を提供するために外部導電層を追加する必要があります[4]。

多くの産業用途では、絶縁性フレキシブルポリマーへの堆積が要求されます[6]。先行研究では、非常に薄い絶縁層（≤100 µm）の場合や、専用装置を必要とする複雑なACパルス変調電気流体力学技術を用いる場合にのみ達成されてきました[7]。液体電解質への電気紡糸も検討されてきました[9-12]が、任意の絶縁基板へのシンプルで拡張可能なアプローチは依然として困難でした。

我々は、高湿度環境下での親水性表面への吸着水層の伝導性を利用する手法を導入します。薄い水単分子層は、相対湿度（RH）50%以上で電気を伝導できます[13]。プラズマ処理されたポリマー周辺の局所湿度を制御することで、吸着水が接地電極として機能し、基板厚に依存せず、従来のセットアップと互換性のある電気紡糸を可能にします。

方法

親水性ポリマー基板の調製

本来疎水性の表面を持つ500 µm厚アクリルシートを、酸素プラズマ（CUTE、Femto Science、韓国）で30秒処理。この処理によりシラノール基（SiOH）が導入され、水接触角が81.3°から36.7°に低下し、親水化成功を確認[14]。プラズマ露出前に領域をマスクすることで、選択的親水化を達成。

電気紡糸セットアップ

室温（約22°C）と中程度のRH（40-50%）で電気紡糸を実施。10 wt%ポリウレタン（PU）溶液（Pellethane 2363-80AE；Lubrizol、米国）をTHF/DMF混合物（80/20 v/v）に溶解し、紡糸液として使用。比較研究のため、親水性と疎水性領域を組み合わせたアクリルコレクタ上にPU繊維を堆積（図1a）。

局所湿度制御下でのポリマー基板上の電気紡糸プロセス模式図（a）と境界領域のクローズアップ（b）

局所湿度制御

コレクタ近傍の湿度を上昇させるため、アクリル基板と接地電極の間に濡れ紙を配置（図1b）。水蒸気拡散が遅いため、基板近傍のRHは約70%に達する一方、シリンジチップ環境は約50%に維持されました（追加ファイル1: 図S2）。この局所的増加により、親水性表面への迅速な水吸着が確保され、静電結合を促進[15]。

結果と考察

電気紡糸モード

2つの構成を検証しました：(1) ファーフィールド電気紡糸（チップ・コレクタ距離=8 cm、13 kV DC）と(2) ニアフィールド電気紡糸（距離=1 cm、2 kV DC、チップ移動速度100 mm s⁻¹）。ファーフィールドモードでは、繊維は親水性領域のみに形成され、疎水性部分は堆積なし（図2）。親水性表面の吸着水層が必要な接地を提供し、疎水性表面は電界形成を阻害しました。ニアフィールド実験では、チップ軌跡に沿って親水性領域に繊維を直接描画でき、連続ラインを生成；疎水性領域上の繊維は不安定でねじれた様子を示しました。

濡れ性の異なる表面上のファーフィールド電気紡糸膜。aとcはマクロ画像；bとdは境界領域の顕微鏡画像

汎用性を確認するため、PCL、PS、CA、PVDFの4ポリマーをテスト。いずれの場合も、繊維は親水性領域にのみ堆積（図3）。SEM解析（図4）により、ポリマーコレクタ上の繊維形態が従来の金属電極上で生成されるものと一致することが判明し、局所湿度制御が繊維品質を損なわないことを示しました。

親水性対疎水性表面上の電気紡糸繊維：（a）PCL、（b）PS、（c）CA、（d）PVDF（スケールバー：10 mm）

SEM画像によるPU繊維比較：金属電極・湿度制御なし（a、d）、金属電極・湿度制御あり（b、e）、親水性ポリマー基板・湿度制御あり（c、f）、12 kV DC

印加電圧も堆積パターンに影響します。印加電圧を6 kVから16 kV（チップ・コレクタ=8 cm）に増加させると、ジェットの曲げ不安定性が強まり、より大きなループが形成され、疎水性領域にも繊維が堆積するようになりました（図5）。低電圧では繊維が主に親水性表面に回収されました。

印加電圧6、8、10、12、14、16 kVでの親水性（右）と疎水性（左）表面へのPU繊維堆積（スケールバー：10 mm）

ニアフィールド実験がさらに本手法を検証。コレクタが親水性ポリマーの場合、チップは直線的で連続的なラインを生成；疎水性コレクタでは繊維が不安定で曲がりました（図6）。これにより、外部電極なしで絶縁基板への直接パターニングが可能であることが実証されました。

ニアフィールド電気紡糸膜：（a）疎水性、（b）親水性表面；（c）親水性基板上に描画された繊維のデジタル写真；（d）同顕微鏡画像。垂直線は親水性（左）と疎水性（右）領域の境界を示す

結論

表面濡れ性と制御された局所湿度を活用し、任意の厚さの絶縁基板へ電気紡糸するシンプルで拡張可能なアプローチを確立しました。酸素プラズマでポリマー表面を親水化し、約70% RHでの吸着水を接地電極として機能させます。親水性コレクタ上に堆積した電気紡糸ナノファイバーは、従来の金属電極上で達成される形態と一致し、ニアフィールド描画により、それ以外は絶縁性の表面の親水性領域に精密な繊維パターンを生成します。この戦略は、複雑なMEMSや電極製造の必要性を排除し、電気紡糸ナノファイバーをフレキシブル・ウェアラブルエレクトロニクスやその他の新興用途に統合することを可能にします。