スライド 1 - 新技術説明会

JST新技術説明会
【製造技術】
金型表面の微細周期構造で
撥水性を改善した樹脂成形品
岩手大学 大学院
工学研究科
機械システム工学専攻
バイオ･ロボティクス部門
教授 山口 昌樹
背景
●検査に用いる検体は，生体から採取するため可能な限り少
量に抑えたい
●医療用チップなどの感染産業廃棄物の焼却による二酸化炭
素排出やダイオキシン発生は社会問題に
固体表面に，ミクロオーダーの凹凸を微細で周期的（微細周期構造）
に施すことで，撥水性を付与（ロータス効果）
検査チップの撥水性を制御し，検体の利用効率を高
めることで ，必要検体量を低減
検査チップには，廃棄における環境負荷が小さいバ
イオマスプラスチックを用いる
ハスの葉 (lotus) の
表面に現れる水玉
必要検体量が少なく，廃棄における環境負荷の小さい医療検査
チップの開発
バイオミメティックスの新潮流
Biomimetics (生物模倣) の提案 (O. Schmitt)
1950年代
1970年代～
化学・分子系バイオミメティック (第1世代)
人工酵素，人工生体膜など
2000年代～
ロボティクス (第2世代)
機械システムやセンサ
生物にヒントを得，生物を超える (Bioinspired)
ロータス効果による サメ肌で乱流を防 モ ス ア イ (蛾 の 目 ) ヤモリの繊維構造
超撥水性
ぐ競泳水着
構造による無反射 体を真似た接着剤
新技術の基となる研究成果・技術
流動性の低いバイオマスプラスチックで，
様々な形状の部品を実現するには，金型設
計がキーテクノロジーの一つになる
金型表面へミクロンオーダーの微細周期構
造を形成するために，V溝の2軸切削加工を
採用
バイオマスプラスチックを用いて試作した
樹脂成形品では，接触角を向上でき，撥水
性を大幅に改善
従来技術とその問題点
1. 濡れ，撥水性と接触角の関係
液滴
θ
0°
0°≤ θ < 90°
親水性
濡れが良い
θ
90°
撥水性
濡れが悪い
θ
150°≤ θ ≤ 180°
超撥水性
撥水性の評価法には，静的撥水性(接触角)と動的撥水性
(転落角)がある
2. 撥水性の制御方法
因 子 (機 構)
パラメータ
方
法
Ⅰ.材質
表面エネルギーと 化学的制御：フッ素樹脂 (テ
その分布
フロン) 加工等
添加剤制御：界面活性剤等
Ⅱ.微細構造
i) 非周期構造
粒子寸法
粒子形状
分子構造
ii) 周期 (フラクタル) 構造 アスペクト比
ピッチ
溝寸法
溝形状
物理的制御：粒子のスプレー，
自己組織化膜等
物理的制御：レーザー加工，
機械研磨，自己組織化膜等
超撥水性は，撥水性高分子を塗布して「化学的に」付与されてきたが，
フッ素樹脂等では剥離等の問題があり，長期的な効果は期待できない
表面の微細周期構造を制御することで150°を超える超撥水性を「物
理的に」付与することが注目されている
3. ロータス効果の原理
θ
：物質1 (樹脂)
：物質2 (空気)
周期凹凸表面での水滴のモデル
凹凸が多く粗い面において， 液体が入り込めない多数の空隙によって点
接触をしている場合，接触角はCassie －Baxter の式で表される
Cosθ = A1Cosθ1 + A2Cosθ2
樹脂
空気
ここに， A1，A2：物質1と2が表面を占める割合
物質2が空気の場合はθ2=180°，つまり真の接触角θ1がある程度大きければ，
見かけの接触角θ が150 °を越える
理論的には，親水性材料(真の接触角 θ1< 90 ° )でも，表面に占める割合
A1を極端に小さくすれば超撥水性表面になる
表面の微細構造の制御だけで超撥水性材料を作り出せる可能性
新技術の特徴・従来技術との比較
表面の微細周期構造 (ロータス効果) で樹脂成
形品に撥水性を付与する金型技術の開発によ
り－
樹脂成形できるので，低コストで安定した
撥水性が得られる
同一表面の撥水性を，部分的に制御できる
熱流動性の低いバイオマスプラスチックにも
応用可能
Step 1. 微細周期構造の決定
1) 周期的な凹凸構造を有し，
2) 凹凸のピッチは5 － 20 µm 程度のサイズで，
3) 溝幅 (a) と 突起幅 (b) のアスペクト比 (a/b比) が2以下で
あること
a
l
b
d
(a) 従来の矩形溝の
アスペクト（a/b）比
d
(b) V溝加工のピッチlと
溝深さd
アスペクト比が1で，かつ型取り (転写) 後も同じアスペクト比が得られ
る2軸方向 (クロス状) のV溝加工を採用
Step 2. 金型の加工
溝上線
稜線（溝上～溝底）
20 mm
ピッチl
= 10 µm
溝底線
評価用金型の加工パターン
3 mm
20 mm
ピッチl
= 10 µm
2軸切削加工金型 (駒型)
の外観
2軸方向 (クロス状) のV溝加工を採用した金型材 (SKD11相当) 製20mm角の
駒形を試作 (加工幅：10µm×300本 = 3 mm)
Step 3. 樹脂の物性
プラスチックの材料特性の比較
材質
引張強さ 縦弾性係数
σ [MPa]
E [MPa]
密 度
ρ [kg/m3]
ガラス転移点/融点
(非結晶性/結晶性)
Tg / Tm [°C]
ポリエチレン
(PE)
13 － 31
1,400
0.92 – 0.97
-20/125 (結晶性)
(0.1 MPa)
ポリスチレン
(PS)
36 － 52
2,000
1.04 – 1.05
100/ – (非結晶性)
(0.1 MPa)
ポリ塩化ビニ
41 － 52
ル(PVC)
2,550
1.30 – 1.58
90/ – (非結晶性)
(0.1 MPa)
1.25
58/168 (結晶性)
(60 MPa)
ポリ乳酸*
(TE2000)
57
3,500
*ポリ乳酸のみ，特定の市販材料の物性を示す。3大汎用プラスチック
については，多数の文献の平均な値を示した
*ポアソン比は0.36～0.38程度
表面粗さの測定結果
加工方法
Ⅰ.母材
(SKD11相当品)
Ⅱ .2 軸 切 削 加 工
金型による成形
品
（周期構，l = 10
μm)
表面形状
Ra = 0.05 μm
Ra = 0.16 μm
被加工面に無電解
(Ni-P)メッキでニッ
ケル皮膜を析出させ
た後，平板溝加工機
を用いた切削加工で
十nm オーダーの平
坦化処理を行い，
10 µm ピッチの切削
溝加工を施した
金型と樹脂成形品の接触角 (静的撥水性)
対象
母材表面
加工表面
Ⅰ.金型
(表面材質：
Ni-Pメッキ)
(52.0°)
+37.5°(89.5°)
Ⅱ. バイオマ
スプラスチッ
ク 成 形 品
(100%ポリ乳
酸)
(95.7°)
+20.6°(110.1°)
*数値は母材の接触角との差を示し，カッコ内は接触角の絶対値を示す。
接触角の初期値の差は，材質の表
面自由エネルギーの影響
2軸切削加工では，接触角が
向上(135.5°)
10 μm
2軸切削加工金型による樹脂成形品の
表面 (×2,000，周期構造，100%ポリ乳
酸，TE-2000)
トップデータ 135.5°
結果
2軸切削加工による微細周期構造を採用すること
で，バイオマスプラスチックにおいても，成形品の任意の
表面の撥水性を向上できることを示した
特許出願：金型の微細周期構造，及びその加工方法
ストレス検査チップへの応用
1. 非侵襲性 ：精神的・肉体的苦痛がない
2. 随時性 ：いつでも1分程度で採取できる
3. 即時性 ：分析時間が1分以内
4. 簡便性 ：測定条件に制約が少ない
5. 携帯性 ：測定器の携帯が可能
6. 経済性 ：免疫法に比べ，分析コストが 1/100
わずか 30 µLの唾液を口から直接
採取し，試験紙の吸光度を測定
することで，唾液採取も含めて1
分で心身ストレスマーカー (唾液
アミラーゼ活性) の分析が可能
本体：25,000円 (税抜)
検査チップ：200円 (税抜)
唾液アミラーゼモニタ
販売数：30万～50万検体/年 (ニプロ㈱，一般医療機器，届出番号
27B1X00045000073)
撥水性を部分的に制御した検査チップ
唾液アミラーゼモニターの検査チップ
唾液検体
撥水領域
親水領域
撥水領域
タンパク吸着による絶対値の変動を改善
バイオマスプラスチック製の唾液検査チップ
高機能検査チップの成形
(1) 新素材 (ポレオレフィン) の唾液採取
シートの一体化
(2) バイオマスプラスチック (100%ポリ
乳酸) 製本体の成形
唾液転写部
100%ポリ乳酸
射出成形解析ソフ
トとして東レ３DTIMONを用いて，
100%ポリ乳酸を用
いた場合の熱流体
解析を実施
試作
3次元モデル
(ウェルドの確認)
バイオマスプラスチッ
ク製検査チップ
高機能検査チップの分析精度
n = 20
250
カーボンオフセッ
トと，タンパク吸
着による絶対値の
変動を改善
R² = 0.9438
200
ニプロ製 (kU/L)
従来製品 (ニプロ
製市販検査チップ)
と比較して，良好
な相関性を実証
150
100
50
0
0
50
100
150
200
試作した検査チップ (kU/L)
250
■メリット
・バイオマスプラスチックを用いた世界初の医療機器
・バイオマスプラ(ＢＰ)マークの取得（日本バイオプラスチック協会認証）
・CO2排出量の削減（排出権取引）
■デメリット
・原材料費の上昇
■ＢＰマークを取得する場合のコスト試算
年間使用量：本体重量2 g × 50万個/年＝1,000 kg
原材料費：ポリプロピレン単価 300円/kg × 1,000 kg = 30 万円
30 万円 / 50万個 ＝ 0.6 円/個
ポリ乳酸25%混入時のコスト上昇：
ポリプロピレン単価 300円/kg × 1,000
kg × 0.75 = 22.5 万円
ポリ乳酸単価 600円/kg × 1,000 kg ×
0.25 = 15 万円
(22.5 万円 + 15 万円)/ 50万個 ＝ 0.75
円/個
25% のコスト上昇
100%ポリ乳酸
25%ポリ乳酸
従来品
成 果
1. 表面の微細周期構造 で撥水性を付与する金型
樹脂成形品で接触角を向上でき，撥水性を付与
(特許出願)
2. 検査チップの成形
撥水性の部分的制御で，採取部への被測定物質
の吸着を低減し，分析精度を向上
3. バイオマスプラスチックの採用
カーボンオフセットを可能とするプラスチック
成形技術
想定される用途
雨粒を弾き飛ばす自動車，航空
機，船舶の窓，メガネ，ゴーグ
ル (フィルム化)
視界の確保
(水滴除去)
洗濯をしなくても済む衣類
家屋，ビルの壁の防腐・防錆
セルフクリーニング機能
ロータス効果
積雪・着氷・着霜
の防止
省エネルギー
食品容器・包装
材
屋根，アンテナ，電線，
輸送機器
水切れの良い容器
快適で安全・安心な製品の実現
液体の輸送抵抗減少
による省エネルギー
化
本技術に関する知的財産権
発明の名称 ：金型，その製造方法，金型を用いた
樹脂成形体の製造方法並びにその製造方法によっ
て製造された樹脂成形体
出願番号
：特願2010-211444
出願人
：国立大学法人岩手大学
発明者
：山口 昌樹，佐々木 誠，廣瀬 宏一
産学連携の経歴
1998年-1999年 NEDO提案公募事業 総括代表研
究者
2004年-2006年 農林水産省 先端技術を活用した農
林水産研究高度化事業 分担者
2004年大学発ベンチャーバイオ情報研究所
設立
2007年-2008年 JST産学共同シーズイノベーション
化事業 代表者
2009年-2010年 経済産業局戦略的基盤技術高度化
支援事業 統括事業代表者
(生分解性プラスチックの一体成型
加工による医療用具の高度化)
お問い合わせ先
• 岩手大学
地域連携推進センター
知的財産移転部門
TEL: 019－621－6494
FAX: 019－604－5036
e-mail: [email protected]