CN103429666B - 固定有离子成分的弹性体材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

固定有离子成分的弹性体材料(2)具有：弹性体(20)、第一离子成分(211)固定于金属氧化物颗粒(210)而成的离子固定颗粒(21)、以及带有与第一离子成分(211)相反的电荷的第二离子成分(22)，离子固定颗粒(21)化学键合于弹性体(20)。弹性体材料(2)中，第一离子成分(211)介由金属氧化物颗粒(210)固定于弹性体(20)。因此，即便随着时间的推移或在使用时，第一离子成分(211)也难以移动。因此，弹性体材料(2)的特性难以经时变化。弹性体材料(2)作为转换器、导电性辊的构成材料是适合的。

Description

固定有离子成分的弹性体材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及包含离子成分的弹性体材料，更详细而言涉及离子成分固定于弹性体的弹性体材料。
背景技术
作为转换器，已知有进行机械能与电能的转换的致动器、传感器等，或者进行声能与电能的转换的扬声器、话筒等。为了构成柔软性高、小型且轻量的转换器，介电弹性体等高分子材料是有用的。
例如，可通过在包含介电弹性体的介电层的厚度方向的两面配置一对电极，从而构成致动器。对于这种致动器而言，如果增加电极间的施加电压，那么电极间的静电引力变大。因此，夹在电极间的介电层从厚度方向被压缩，介电层的厚度变薄。如果膜厚变薄，那么介电层在平行于电极面的方向伸长相应程度。另一方面，如果减小电极间的施加电压，那么电极间的静电引力变小。因此，从厚度方向对介电层的压缩力变小，在介电层的弹性回复力的作用下膜厚变厚。如果膜厚变厚，那么介电层在平行于电极面的方向收缩相应程度。像这样，致动器通过使介电层伸长、收缩，从而使驱动对象部件驱动。
由致动器输出的力和位移量是由施加电压的大小和介电层的相对介电常数而决定的。即，施加电压越大并且介电层的相对介电常数越大，则致动器的产生力（generatingforce）和位移量变大。因此，作为介电层的材料，可以使用耐介质击穿性高的硅橡胶、相对介电常数大的丙烯酸类橡胶、丁腈橡胶等(例如，参照专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2003-506858号公报
专利文献2：日本特表2001-524278号公报
专利文献3：日本特开2005-51949号公报
专利文献4：日本特开平6-264919号公报
专利文献5：日本特开2011-148641号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，硅橡胶的相对介电常数小。因此，使用硅橡胶作为介电层的材料时，相对于施加电压的静电引力小，难以得到所希望的产生力和位移量。另外，硅橡胶的耐介质击穿性还不能说充分，能够施加的电压有限。
另一方面，丙烯酸类橡胶、丁腈橡胶的相对介电常数比硅橡胶的相对介电常数大。因此，使用丙烯酸类橡胶等作为介电层的材料时，相对于施加电压的静电引力与使用硅橡胶时相比变大。然而，丙烯酸类橡胶等的电阻比硅橡胶小。因此，介电层容易介质击穿。另外，施加电压时电流在介电层中流动(所谓的泄漏电流)，电荷难以滞留在介电层和电极的界面附近。因此，尽管相对介电常数大，但是静电引力变小，无法得到充分的力和位移量。进而，如果电流在介电层中流动，则有产生的焦耳热使得介电层被击穿的风险。像这样，很难通过一种材料来实现耐介质击穿性优异并且静电引力大的介电层。
另外，复印机、打印机、传真机等电子照片机器中使用带电辊、显影辊、转印辊等各种导电性辊。导电性辊像例如专利文献4所述的那样，由芯轴、形成于芯轴的外周侧的导电性弹性体层、以及形成于导电性弹性体层的外周侧的电阻调节层构成。电阻调节层为起到调节导电性辊的电阻的作用的层，是由树脂、橡胶中配混有离子成分的组合物形成的。
这种导电性辊中存在如下问题：如果长时间施加电压，则离子成分渗出于电阻调节层的表面(起霜)。另外，也存在如下问题：离子成分与橡胶等基质的相容性低的情况下，离子成分容易析出于电阻调节层的表面。如果离子成分渗出或者析出，则电阻调节层变得容易剥离。另外，导电性辊的电阻变化、带电不良而导致图像中产生空白区域等故障。
本发明是鉴于以上情况而做出的，课题在于提供能够作为转换器、导电性辊的构成材料而使用的、特性难以随着时间的推移或使用而经时变化的弹性体材料及其制造方法。
用于解决问题的方案
(1)本发明的固定有离子成分的弹性体材料的特征在于，具有：弹性体、第一离子成分固定于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒、以及带有与该第一离子成分相反的电荷的第二离子成分，该离子固定颗粒化学键合于该弹性体。
本发明的固定有离子成分的弹性体材料(以下，适宜地称为“本发明的弹性体材料”)中，离子固定颗粒化学键合于弹性体。离子固定颗粒包含金属氧化物颗粒和固定于该金属氧化物颗粒的第一离子成分。即，第一离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体。
固定于金属氧化物颗粒的第一离子成分的电荷可以为正也可以为负。例如，固定有具有正电荷的第一离子成分时，弹性体材料具有：弹性体、化学键合于该弹性体且阳离子固定于金属氧化物颗粒的阳离子固定颗粒、以及具有负电荷的第二离子成分(阴离子)。图1为表示本方式的弹性体材料的构成成分的模式图。如图1所示，弹性体材料2具有：弹性体20、阳离子固定颗粒21和阴离子22。弹性体20具有羧基(-COOH)。阳离子固定颗粒21是阳离子211固定于TiO2颗粒210而成的。阳离子211与阴离子22是反离子。通过弹性体20的-COOH与TiO2颗粒210的-OH的反应，阳离子固定颗粒21化学键合于弹性体20。
相反地，固定有具有负电荷的第一离子成分时，弹性体材料具有：弹性体、化学键合于该弹性体且阴离子固定于金属氧化物颗粒的阴离子固定颗粒、以及具有正电荷的阳离子成分。图2为表示本方式的弹性体材料的构成成分的模式图。如图2所示，弹性体材料2具有：弹性体20、阴离子固定颗粒23和阳离子24。弹性体20具有羧基(-COOH)。阴离子固定颗粒23是阴离子231固定于TiO2颗粒230而成的。阴离子231和阳离子24为反离子。通过弹性体20的-COOH与TiO2颗粒230的-OH的反应，阴离子固定颗粒23化学键合于弹性体20。需要说明的是，图1、图2为用于说明本发明的弹性体材料的模式图，对于本发明的弹性体材料没有任何限定。
本发明的弹性体材料中，成对的离子成分中的一者介由金属氧化物颗粒而固定于弹性体。被固定的离子成分难以移动。因此，离子成分渗出或析出的风险小。因此，例如将本发明的弹性体材料用于导电性辊的电阻调节层时，电阻调节层的剥离、电阻的变化被抑制，能够降低由带电不良导致的图像的故障。
另外，可以使本发明的弹性体材料层叠于介电层而构成转换器。此时，具备介电层和配置于该介电层的表背两侧的一对电极的转换器中，将包含本发明的弹性体材料的离子固定层夹于该介电层和该电极之间即可。此处，离子固定层既可以以夹着介电层的方式配置于介电层的表背两面，也可以配置于介电层的表面或背面中的任一者。但是，将离子固定颗粒的第一离子成分的电荷设置为与相邻的电极的极性相同。即，离子固定层中，第一离子成分具有正电荷时，该离子固定层配置于正极侧的电极和介电层之间。相反地，第一离子成分具有负电荷时，该离子固定层配置于负极侧的电极和介电层之间。
以下，使用模式图，对转换器的一个实施方式的构成和工作进行说明。图3表示转换器在施加电压前的状态的截面模式图。图4表示同一转换器在施加电压时的状态的截面模式图。
如图3所示，转换器1具备介电层10、阳离子固定层11、阴离子固定层12、正电极13和负电极14。阳离子固定层11配置于介电层10的上表面。正电极13配置于阳离子固定层11的上表面。即，阳离子固定层11夹于介电层10和正电极13之间。阳离子固定层11具有：弹性体110、阳离子固定颗粒111和阴离子成分112。阳离子固定颗粒111为固定有阳离子成分的金属氧化物颗粒。阳离子固定颗粒111化学键合于弹性体110。
同样地，阴离子固定层12配置于介电层10的下表面。负电极14配置于阴离子固定层12的下表面。即，阴离子固定层12夹于介电层10和负电极14之间。阴离子固定层12具有弹性体120、阴离子固定颗粒121和阳离子成分122。阴离子固定颗粒121为固定有阴离子成分的金属氧化物颗粒。阴离子固定颗粒121化学键合于弹性体120。本发明的弹性体材料中包含阳离子固定层11和阴离子固定层12。
如图4所示，正电极13和负电极14之间被施加电压时，在阳离子固定层11中，阴离子成分112向正电极13侧移动。另一方面，阳离子固定颗粒111键合于弹性体110。因此，阳离子成分几乎不移动。同样地，阴离子固定层12中，阳离子成分122向负电极14侧移动。另一方面，阴离子固定颗粒121键合于弹性体120。因此，阴离子成分几乎不移动。另外，在介电层10中，通过极化，分别在与阳离子固定层11的界面附近蓄积负电荷，在与阴离子固定层12的界面附近蓄积正电荷。像这样，在转换器1中，阳离子固定层11、阴离子固定层12以及与它们接触的介电层10的界面附近蓄积有大量电荷。因此，产生大的静电引力，从而从正电极13和负电极14压缩介电层10、阳离子固定层11、阴离子固定层12。由此，介电层10、阳离子固定层11、阴离子固定层12沿上下方向被压缩，被压缩的部分如图4中空心箭头所示地沿左右方向伸长。
介电层10的电阻大时，所蓄积的电荷难以在介电层10内移动。因此，所谓的泄漏电流少，由此导致的焦耳热也难以产生。另外，阳离子固定层11中，与相邻的正电极13的极性相同的阳离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体110。因此，阳离子成分难以向介电层10侧(与正电极13相反的方向)移动。同样地，阴离子固定层12中，与相邻的负电极14的极性相同的阴离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体120。因此，阴离子成分难以向介电层10侧(与负电极14相反的方向)移动。像这样，离子成分由阳离子固定层11和阴离子固定层12向介电层10移动的风险小。因此，介电层10的电阻难以降低。即，介电层10难以经时恶化，能够维持高的耐介质击穿性。
如以上说明，通过对耐介质击穿性高的介电层层叠包含本发明的弹性体材料的离子固定层，能够产生大的静电引力。另外，离子固定层中，带有与相邻电极的极性相同的电荷的第一离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体。因此，离子固定层中的离子成分难以向介电层移动。因此，既维持了介电层的耐介质击穿性，又能够产生大的静电引力。像这样，通过本发明的弹性体材料，在实用的电压范围内，能够构成输出大的转换器。
顺便一提，上述专利文献3中公开有一种致动器，其在一对电极间夹持有导电性聚合物层和含有离子电解质的层。根据专利文献3的致动器，施加电压而使导电性聚合物层中掺杂或不掺杂含有离子电解质的层的离子。由此，使导电性聚合物层伸缩而产生力。从使离子在相邻的层间移动的观点出发，专利文献3的致动器与使用了本发明的弹性体材料的转换器是不同的。
(2)本发明的固定有离子成分的弹性体材料的制造方法(以下适宜地称为“本发明的弹性体材料的制造方法”)的特征在于，包括：螯合化工序：向有机金属化合物中添加螯合剂，生成该有机金属化合物的螯合化物；离子固定化工序：向该有机金属化合物的螯合化物中添加反应性离子性液体、有机溶剂和水，将该反应性离子性液体中的第一离子成分固定于由该有机金属化合物的水解反应生成的金属氧化物颗粒而生成离子固定颗粒，得到包含该离子固定颗粒和该反应性离子性液体中的第二离子成分的溶胶；固化工序：将该溶胶和包含具有能够与羟基反应的官能团的橡胶聚合物的聚合物溶液混合而制备混合液，将该混合液涂布于基材上并使之固化。
本发明的弹性体材料的制造方法包括：螯合化工序、离子固定化工序和固化工序。首先，在螯合化工序中，将有机金属化合物螯合化。有机金属化合物与水反应而水解并且缩聚(溶胶凝胶反应)。通过将有机金属化合物预先螯合化，在下一工序中，能够抑制有机金属化合物和水的剧烈反应，能够制造粒径小的金属氧化物颗粒而不使其凝聚。
接着，在离子固定化工序中，向有机金属化合物的螯合化物中添加反应性离子性液体、特定的有机溶剂和水。由此，有机金属化合物的水解反应进行，生成金属氧化物颗粒，并且所生成的金属氧化物颗粒与反应性离子性液体中的第一离子成分反应，从而使第一离子成分固定于金属氧化物颗粒。本工序中，在有机金属化合物的水解反应的同时，与反应性离子液体的反应进行。因此，反应性离子性液体中的第一离子成分不仅固定于生成的金属氧化物颗粒的表面而且还固定于其内部。从这一点出发，与简单地将离子成分固定于颗粒表面的现有方法是不同的。通过螯合化工序、离子固定化工序，能够得到包含离子固定颗粒和第二离子成分的溶胶。
接着，在固化工序中，将得到的溶胶和包含橡胶聚合物的聚合物溶液混合，由得到的混合液制造弹性体材料。溶胶中的离子固定颗粒(金属氧化物颗粒)具有羟基(-OH)。另一方面，橡胶聚合物具有能够与该羟基反应的官能团。因此，混合液的固化时，羟基与官能团反应，离子固定颗粒与橡胶聚合物化学键合。像这样，通过本发明的制造方法，能够比较简单地制造上述本发明的弹性体材料。
附图说明
图1为弹性体材料的构成成分的模式图。
图2为弹性体材料的构成成分的模式图。
图3为转换器在施加电压前的状态的截面模式图。
图4为同一转换器在施加电压时的状态的截面模式图。
图5为阳离子固定颗粒的模式图。
图6为安装于测定装置的实施例1的致动器的表面侧主视图。
图7为图6的VII-VII截面图。
图8为表示实施例和比较例的各致动器的电场强度和产生力之间的关系的图表。
附图标记说明
1：转换器、10：介电层、11：阳离子固定层、12：阴离子固定层、13：正电极、14：负电极、110：弹性体、111：阳离子固定颗粒、112：阴离子成分、120：弹性体、121：阴离子固定颗粒、122：阳离子成分。
2：弹性体材料、20：弹性体、21：阳离子固定颗粒、22：阴离子、23：阴离子固定颗粒、24：阳离子、210：TiO2颗粒、211：阳离子、230：TiO2颗粒、231：阴离子。
5：致动器、50：介电层、51a、51b：电极、52：上侧夹具、53：下侧夹具、500：介电层、501：阳离子固定层、502：阴离子固定层。
具体实施方式
以下，对于本发明的弹性体材料及其制造方法的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明的弹性体材料及其制造方法并不限定于以下的实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内，能够以施加了本领域技术人员可进行的各种变更、改良等的各种形态进行实施。
＜固定有离子成分的弹性体材料＞
本发明的弹性体材料具有弹性体、离子固定颗粒和第二离子成分。
弹性体只要是能够与离子固定颗粒化学键合的弹性体就没有特别的限定。如后所述，离子固定颗粒具有羟基(-OH)时，作为弹性体，只要使用具有能够与该羟基反应的官能团的弹性体即可。作为这样的官能团，可列举出羧基(-COOH)、氨基(-NH)、环氧基等。例如，从相对介电常数大的观点出发，羧基改性丁腈橡胶(X-NBR)、羧基改性氢化丁腈橡胶(XH-NBR)等是适合的。其中，优选丙烯腈含量(键合AN量)为33质量%以上的弹性体。键合AN量为将橡胶的总体质量设为100质量%时的丙烯腈的质量比例。
离子固定颗粒为第一离子成分固定于金属氧化物颗粒而成的。从绝缘性高的观点出发，金属氧化物颗粒优选包含钛和锆中的至少一种元素。可列举出例如：二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)等单独的氧化物颗粒；TiO2/ZrO2、TiO2/ZrO2/SiO2等复合颗粒。如后所述，作为金属氧化物颗粒，优选通过有机金属化合物的水解反应(溶胶凝胶法)而制造的颗粒。采用溶胶凝胶法时，生成的金属氧化物颗粒的表面容易残留有-OH基。因此，与例如专利文献5所述的通过干式法制造的金属氧化物颗粒相比较，有利于与弹性体的化学键合。另外，通过化学键合于弹性体，离子固定颗粒的凝聚被抑制。
如果考虑弹性体材料的耐介质击穿性，则优选使离子固定颗粒在弹性体中尽可能均匀地分散。另外，优选离子固定颗粒的粒径尽可能地小。从这样的观点出发，构成离子固定颗粒的金属氧化物颗粒的中值粒径优选为5nm以上且100nm以下。为30nm以下、尤其是8～20nm左右是更适合的。对于金属氧化物颗粒的粒径，可以通过使用透射型电子显微镜(TEM)观察而测定。另外，也可以通过小角X射线散射法而测定。
需要说明的是，金属氧化物颗粒通过有机金属化合物的水解反应而制造时，推测溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径和弹性体材料中的金属氧化物颗粒的粒径相等。因此，也可以采用溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径作为弹性体材料中的金属氧化物颗粒的粒径。溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径可以使用例如NikkisoCo.,Ltd制造的激光衍射/散射式粒径/粒度分布测定装置而测定。另外，可以将溶胶干固，使用扫描型电子显微镜(SEM)观察而测定。
弹性体材料中的离子固定颗粒的含量可以以满足各种用途所要求的特性的方式适宜决定。例如，用作转换器的构成材料时，离子固定颗粒的含量优选相对于弹性体100质量份为1质量份以上且10质量份以下。这是因为，离子固定颗粒的含量小于1质量份时，增大静电引力的效果小。另一方面，也是因为，如果离子固定颗粒的含量超过10质量份，则增大静电引力的效果饱和，所谓的泄漏电流变多。
构成离子固定颗粒的第一离子成分为第二离子成分的反离子。离子固定颗粒例如可以使通过溶胶凝胶法而得到的金属氧化物颗粒与具有固定化前的第一离子成分和第二离子成分的反应性离子性液体反应而合成。具体内容在以下本发明的弹性体材料的制造方法中进行说明。
＜固定有离子成分的弹性体材料的制造方法＞
本发明的弹性体材料的制造方法包括螯合化工序、离子固定化工序和固化工序。以下，按顺序对各工序进行说明。
[螯合化工序]
本工序为向有机金属化合物中添加螯合剂，生成该有机金属化合物的螯合化物的工序。需要说明的是，制造TiO2/ZrO2等复合颗粒的溶胶时，本工序中，也可以先将构成复合颗粒的一种金属氧化物的原料的有机金属化合物螯合化，在接下来的离子固定化工序中，向该螯合化物中添加其他的金属氧化物的原料的有机金属化合物。
有机金属化合物可以根据目标金属氧化物颗粒的种类而从金属醇盐化合物、金属酰化物中适宜选择。作为金属醇盐化合物，可列举出：四正丁氧基钛、四正丁氧基锆、四异丙氧基钛、四(2-乙基-1-己醇)钛、钛酸四丁酯二聚体(Titaniumbutoxidedimer)等。另外，作为金属酰化物，可列举出：多羟基硬脂酸钛(polyhydroxytitaniumstearate)、三丁氧基单硬脂酸锆等。
作为螯合剂，可以使用例如：乙酰丙酮、苯甲酰丙酮、二苯甲酰基甲烷等β-二酮，乙酰乙酸乙酯、苯甲酰乙酸乙酯等β-酮酸酯，三乙醇胺，乳酸，2-乙基己烷-1,3-二醇，1,3-己二醇等。螯合剂优选与在固化工序中溶解橡胶聚合物的溶剂相同。
[离子固定化工序]
本工序为如下工序：向生成的有机金属化合物的螯合化物中添加反应性离子性液体、有机溶剂和水，将该反应性离子性液体中的第一离子成分固定于由该有机金属化合物的水解反应生成的金属氧化物颗粒而生成离子固定颗粒，得到包含该离子固定颗粒和该反应性离子性液体中的第二离子成分的溶胶。
反应性离子性液体中所含的第一离子成分具有能够与生成的金属氧化物颗粒的羟基(-OH)反应的反应基。作为反应基，可列举出例如：烷氧基甲硅烷基(-Si(OR)3：R为烷基)。作为包含这种第一离子成分的反应性离子性液体，可列举出例如：下述式(1)、(2)所示的物质。在式(1)的反应性离子性液体中，阳离子为第一离子成分、阴离子为第二离子成分。另外，在式(2)的反应性离子性液体中，阳离子为第二离子成分、阴离子为第一离子成分。
[化学式1]
[化学式2]
例如，本工序中，作为金属氧化物颗粒而生成二氧化钛(TiO2)时，如果TiO2与上述式(1)的反应性离子性液体反应，则生成式(1)的阳离子固定于TiO2的阳离子固定颗粒。此时生成的阳离子固定颗粒的模式图示于图5(符号参照前述图1)。需要说明的是，阳离子固定颗粒21中，阳离子(第一离子成分)既可以化学键合于TiO2(金属氧化物颗粒)的表面，也可以化学键合于TiO2的内部。
有机溶剂可以使用：甲醇、乙醇、异丙醇(IPA)等醇类；甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁酮(MIBK)等酮类；四氢呋喃(THF)等醚类等。例如，如果添加IPA，则螯合化物与水的亲和性提高，金属氧化物颗粒的核变得容易生成。另外，如果添加MEK，则制造弹性体材料时，可以提高包含离子固定颗粒的溶胶与溶解有橡胶聚合物的溶液的相容性。另外，根据使用的有机溶剂的种类、添加量，生成的金属氧化物颗粒的粒径变化。例如，欲生成中值粒径为10～20nm左右的金属氧化物颗粒时，可以以IPA的摩尔数/MEK的摩尔数＝0.6左右的方式添加IPA和MEK，并且将IPA的添加量设为使用的有机金属化合物的摩尔数的7～10倍量。水添加有机金属化合物的水解所需要的量即可。
经过螯合化工序、离子固定化工序，能够得到包含离子固定颗粒和第二离子成分的溶胶。得到的溶胶可以直接应用于下面的固化工序，但优选进一步实施熟化处理再应用于固化工序。熟化处理可以将溶胶在40℃左右的温度下静置数小时而进行。如果进行熟化处理，则能够减少残留于金属氧化物颗粒内部的羟基数。因此，能够抑制溶胶的蓄积时离子固定颗粒彼此的凝聚。
[固化工序]
本工序为如下工序：将得到的溶胶和包含具有能够与羟基反应的官能团的橡胶聚合物的聚合物溶液混合而制备混合液，将该混合液涂布于基材上并使之固化。
聚合物溶液可以将弹性体的交联前聚合物溶解于溶剂中而制备。如上所述，使用的溶剂优选使用与将有机金属化合物螯合化的螯合剂相同的溶剂。溶胶的配混量可以根据弹性体中所含有的离子固定颗粒的量而适宜决定。另外，可以根据需要，向混合液中配混交联剂等其他成分。此时，其他的成分可以预先配混于聚合物溶液。
混合液的固化可以将形成于基材上的涂膜加热而进行。通过加热，橡胶聚合物交联，并且离子固定颗粒表面的羟基与橡胶聚合物的官能团反应，离子固定颗粒化学键合于弹性体。对混合液的涂布方法没有特别限定。可列举出例如：喷墨印刷、柔性印刷、照相凹版印刷、丝网印刷、移印印刷、光刻等印刷法，以及浸渍法（dipmethod）、喷涂法、棒涂法等。另外，涂膜的固化温度可以考虑使用的溶剂的种类、反应速度而适宜决定。例如，优选为溶剂的沸点以上。
实施例
接着，通过列举实施例来更具体地说明本发明。
＜致动器的制造＞
[介电层]
如下制作介电层。首先，将羧基改性氢化丁腈橡胶(LANXESSInc.制造的“Teruban(注册商标)XT8889”)100质量份、二氧化硅(NipponAerosilCo.,Ltd.制造的“Aerosil(注册商标)380”)10质量份用辊炼机进行混炼。接着，将混炼的材料溶解于乙酰丙酮。接着，向该溶液中混合有机金属化合物四(2-乙基-1-己醇)钛15质量份，制备液状的弹性体组合物。制备的弹性体组合物的固体成分浓度为12质量%。此处，乙酰丙酮为溶解含羧基的氢化丁腈橡胶的溶剂，并且也是四(2-乙基-1-己醇)钛的螯合剂。其后，将弹性体组合物涂布于基材上，干燥后，在150℃下加热约60分钟而得到了介电层。介电层的膜厚约20μm、体积电阻率为2×1012Ω·cm。
[阳离子固定层]
如下制作阳离子固定层。首先，向有机金属化合物四异丙氧基钛0.01mol中加入乙酰丙酮0.02mol，进行螯合化。接着，向得到的螯合化物中添加上述式(1)所示的反应性离子性液体0.002mol、异丙醇(IPA)5ml(0.083mol)、甲基乙基酮(MEK)10ml(0.139mol)和水0.04mol，得到包含固定有阳离子的TiO2颗粒(阳离子固定颗粒)和阴离子的溶胶。接着，将得到的溶胶在40℃下静置2小时，进行熟化处理。溶胶中的TiO2颗粒的中值粒径为8nm。
接着，将熟化后的溶胶20质量份、和介电层的制作中使用的羧基改性氢化丁腈橡胶的乙酰丙酮溶液(含有二氧化硅)100质量份混合，进而作为交联剂添加四(2-乙基-1-己醇)钛的乙酰丙酮溶液(浓度20质量%)3质量份，制备混合液。然后，将制备的混合液涂布于基材上，干燥后，在150℃下加热约60分钟而得到阳离子固定层。阳离子固定层的膜厚约10μm、阳离子固定颗粒的含量为6.6质量份。另外，阳离子固定层的体积电阻率为9×1011Ω·cm。本发明的弹性体材料中包含所制作的阳离子固定层。
[阴离子固定层]
将反应性离子性液体的种类变更为上述式(2)所示的种类，除此以外，与上述阳离子固定层同样操作，制作阴离子固定层。制作过程中得到的溶胶包含固定有阴离子的TiO2颗粒(阴离子固定颗粒)和阳离子。溶胶中的TiO2颗粒的中值粒径为10nm。阴离子固定层的体积电阻率为2×1011Ω·cm。制作的阴离子固定层包含于本发明的弹性体材料。
[实施例1的致动器]
在介电层的表面贴附阳离子固定层，在背面贴附阴离子固定层，各自剥离基材，由此制作三层结构的介电层。另外，向丙烯酸类橡胶聚合物溶液中混合碳黑，使之分散而制备导电涂料。接着，将导电涂料丝网印刷于制作的三层结构的介电层的表背两面，形成电极。这样操作，制造实施例1的致动器。
[实施例2的致动器]
只在介电层的表面贴附阳离子固定层，剥离基材，由此制作二层结构的介电层。接着，将与实施例1相同的导电涂料丝网印刷于制作的二层结构的介电层的表背两面，形成电极。这样操作，制造实施例2的致动器。
[比较例1的致动器]
不使用阳离子固定层和阴离子固定层而制造致动器。即，将与实施例1相同的导电涂料直接丝网印刷于介电层的表背两面，形成电极。这样操作，制造比较例1的致动器。
＜评价＞
对于制作的三种致动器，测定相对于施加电压的产生力。首先，对测定装置和测定方法进行说明。图6表示安装于测定装置的实施例1的致动器的表面侧主视图。图7表示图6的VII-VII截面图。
如图6、图7所示，致动器5的上端利用测定装置的上侧卡盘52而夹住。致动器5的下端利用下侧卡盘53而夹住。致动器5以预先在上下方向上拉伸的状态而安装于上侧卡盘52和下侧卡盘53之间(拉伸率25%)。在上侧卡盘52的上方配置有负荷传感器(loadcell)(图略)。
致动器5包括介电层50和一对电极51a、51b。介电层50在自然状态下呈现纵50mm、横25mm、厚度约40μm的长方形的板状。介电层50包括介电层500、阳离子固定层501和阴离子固定层502。阳离子固定层501以覆盖介电层500的整个表面的方式而配置。同样地，阴离子固定层502以覆盖介电层500的整个背面的方式而配置。电极51a、51b夹着介电层50并且在表背方向相对地配置。电极51a、51b在自然状态下各自呈现纵40mm、横25mm、厚度约10μm的长方形的板状。电极51a、51b以在上下方向上错开10mm的状态来配置。也就是，电极51a、51b夹着介电层50，并在纵30mm、横25mm的范围重叠。电极51a的下端连接有配线(图略)。同样地，电极51b的上端连接有配线(图略)。电极51a、51b介由各自的配线而连接于电源(图略)。施加电压时，电极51a成为正极、电极51b成为负极。
如果对电极51a、51b之间施加电压，则在电极51a、51b间产生静电引力，压缩介电层50。由此，介电层50的厚度变薄，在拉伸方向(上下方向)伸长。通过介电层50的伸长，上下方向的拉伸力减少。通过负荷传感器测定在施加电压时减少的拉伸力，作为产生力。
接着，说明测定结果。图8表示各致动器的电场强度和产生力的关系。图8中，横轴的电场强度为施加电压除以介电层的厚度得到的值。如图8所示，在相同电场强度下进行比较时，实施例1、2的致动器与比较例1的致动器相比产生力变大。特别是，制成三层结构的实施例1的致动器中，能够得到大的产生力，并且能够施加的电压也变大。由以上可以确认，通过对耐介质击穿性高的介电层层叠包含本发明的弹性体材料的离子固定层，能够得到更大的输出。
产业上的可利用性
本发明的弹性体材料作为转换器、尤其是产业、医疗、福利机器人、防护服等中应用的人工肌肉、用于电子部件冷却和用于医疗等的小型泵、以及医疗用器具等中应用的柔软的致动器的构成材料是有用的。另外，还适用于电子照片机器中应用的导电性辊的构成材料、树脂制抗静电薄膜和容器、锂离子电池等的固体电解质等。

Claims (6)

1.一种固定有离子成分的弹性体材料的制造方法，其特征在于，包括：
螯合化工序：向有机金属化合物中添加螯合剂，生成该有机金属化合物的螯合化物；
离子固定化工序：向该有机金属化合物的螯合化物中添加反应性离子性液体、有机溶剂和水，将该反应性离子性液体中的第一离子成分固定于由该有机金属化合物的水解反应生成的金属氧化物颗粒而生成离子固定颗粒，得到包含该离子固定颗粒和该反应性离子性液体中的第二离子成分的溶胶，所述金属氧化物颗粒包含钛和锆中的至少一种元素；
固化工序：将该溶胶和包含具有能够与羟基反应的官能团的橡胶聚合物的聚合物溶液混合而制备混合液，将该混合液涂布于基材上并使之固化，
所述固定有离子成分的弹性体材料具有：
弹性体、
第一离子成分固定于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒、以及
带有与该第一离子成分相反的电荷的第二离子成分，
该离子固定颗粒化学键合于该弹性体，所述金属氧化物颗粒包含钛和锆中的至少一种元素。
2.根据权利要求1所述的制造方法，所述固定有离子成分的弹性体材料中，所述金属氧化物颗粒的中值粒径为5nm以上且100nm以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的制造方法，所述固定有离子成分的弹性体材料中，所述离子固定颗粒是使由有机金属化合物的水解反应而得到的所述金属氧化物颗粒与具有固定化前的所述第一离子成分和所述第二离子成分的反应性离子性液体反应而合成的。
4.根据权利要求3所述的制造方法，所述固定有离子成分的弹性体材料中，所述反应性离子性液体中所包含的所述第一离子成分具有烷氧基甲硅烷基，通过该烷氧基甲硅烷基与所述金属氧化物颗粒的羟基的反应而使该第一离子成分被固定。
5.根据权利要求1或2所述的制造方法，所述固定有离子成分的弹性体材料中，
所述离子固定颗粒具有羟基，
所述弹性体具有能够与该羟基反应的官能团。
6.根据权利要求1或2所述的制造方法，所述固定有离子成分的弹性体材料中，所述离子固定颗粒的含量相对于所述弹性体100质量份为1质量份以上且10质量份以下。
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