JP2010093954A - Polymer transducer - Google Patents

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Taketoshi Okuno
壮敏 奥野
Nozomi Sugo
望 須郷
Toshinori Kato
利典 加藤
Ryota Komiya
良太 小宮
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer transducer that stably exhibits excellent performance even when no water exists, and to provide a polymer actuator that can be driven at a low voltage or a displacement sensor exhibiting excellent responsiveness. <P>SOLUTION: The polymer transducer comprises a polymer solid electrolyte including ionic liquid and a polymer component, and electrodes in contact with each other with the polymer solid electrolyte therebetween and insulated from each other. At least one of the electrodes includes a porous active material whose specific surface area As is at least 100 m<SP>2</SP>/g and in which a ratio Ao/As between the specific surface area As and an external surface area Ao is at least 0.1. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子トランスデューサに関し、より詳細には、特定の要件を満たす活物質を含む電極を用いることにより性能の向上が図られた高分子アクチュエータ、あるいは変位センサとして利用できる高分子トランスデューサに関する。   The present invention relates to a polymer transducer, and more particularly to a polymer actuator whose performance is improved by using an electrode containing an active material that satisfies specific requirements, or a polymer transducer that can be used as a displacement sensor.

近年、医療機器やマイクロマシンなどの分野においては小型かつ軽量なアクチュエータやセンサといったトランスデューサの必要性が高まっている。また産業用、及びパーソナルロボットなどの分野においても軽量で柔軟性に富むトランスデューサの必要性が高まっている。   In recent years, in the fields of medical equipment and micromachines, there is an increasing need for transducers such as small and lightweight actuators and sensors. In addition, in the fields of industrial and personal robots, there is an increasing need for transducers that are light and flexible.

こういった観点から、軽量、駆動部が柔軟なアクチュエータとして高分子アクチュエータに注目が集まっている。高分子アクチュエータとしては種々の方式のものがこれまでに提案されてきている。例えば含水高分子ゲルの温度変化、pH変化、電場印加等の刺激による形態変化を利用した高分子アクチュエータ(特許文献1参照)、イオン交換樹脂膜とその両面に接合した電極とからなり、前記イオン交換樹脂膜の含水状態において、両面の電極間に電位差を与えて湾曲及び変形を生じさせる高分子アクチュエータ(特許文献2参照)が提案されている。特に後者においては電極印加後、瞬時に湾曲及び変形が高分子アクチュエータに応答して現れ、非常に優れた応答性を示すが、一方で含水状態でしか動作しない、という点からその応用範囲が限定されてしまうという問題がある。   From this point of view, polymer actuators are attracting attention as actuators that are lightweight and have a flexible drive section. Various types of polymer actuators have been proposed so far. For example, it comprises a polymer actuator (see Patent Document 1) that utilizes a change in the shape of a hydrous polymer gel caused by a stimulus such as temperature change, pH change, and electric field application, an ion-exchange resin film, and electrodes joined to both surfaces thereof. There has been proposed a polymer actuator (see Patent Document 2) that causes a curve and deformation by applying a potential difference between electrodes on both surfaces in a water-containing state of an exchange resin film. Especially in the latter, bending and deformation instantly appear in response to the polymer actuator after application of the electrode and show very excellent responsiveness, but on the other hand, its application range is limited because it operates only in a water-containing state. There is a problem of being done.

これらの課題を克服するものとして、軟質な高分子誘電体と柔軟な電極とからなる高分子アクチュエータが報告されている(特許文献3参照)。この方式の高分子アクチュエータは、動作に水を必要とせず、またアクチュエータの動作がイオンなどの物質移動現象ではなく、より高速なプロセスである電子移動現象によるものであることから非常に応答性に優れるものである。しかしながらその一方では、動作には数1000V程度の非常に高い電圧が必要であり、安全性の観点から応用範囲が限定されてしまう、という問題がある。   As a means for overcoming these problems, a polymer actuator comprising a soft polymer dielectric and a flexible electrode has been reported (see Patent Document 3). This type of polymer actuator does not require water for operation, and the operation of the actuator is not a mass transfer phenomenon such as ions, but is due to an electron transfer phenomenon which is a faster process, so it is very responsive. It is excellent. However, on the other hand, a very high voltage of about several thousand volts is required for the operation, and there is a problem that the application range is limited from the viewpoint of safety.

この課題を克服すべく、イオン液体とフッ素系高分子からなる非水系高分子固体電解質の両面にイオン液体とフッ素系高分子及び単層カーボンナノチューブとからなる電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(非特許文献1参照)や、イオン液体とブロック共重合体とからなる非水系高分子固体電解質の両面に活性炭を含む電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(特許文献4)が報告されている。これらの高分子アクチュエータは、水の無い状態においても数V程度の低い電圧で駆動する特徴を有するものの、アクチュエータが発生できる力や動作速度などの点で満足できるものではなかった。   In order to overcome this problem, a polymer actuator in which an electrode made of an ionic liquid, a fluorine-based polymer, and a single-walled carbon nanotube is bonded to both surfaces of a non-aqueous polymer solid electrolyte made of an ionic liquid and a fluorine-based polymer (non- Patent Document 1) and a polymer actuator (Patent Document 4) in which electrodes containing activated carbon are bonded to both surfaces of a nonaqueous polymer solid electrolyte made of an ionic liquid and a block copolymer have been reported. These polymer actuators are characterized by being driven at a voltage as low as several volts even in the absence of water, but they are not satisfactory in terms of the force and operating speed that the actuator can generate.

高分子トランスデューサの機能は上述したアクチュエータとしての機能だけではなく、センサとしての機能も有する。従来、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するセンサとしては、圧電セラミックス等を用いた圧電素子が広く用いられている。チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などに代表される圧電セラミックスは、該セラミックスが応力を受けることで電荷を発生する圧電効果により、機械エネルギーを電気エネルギーに変換している。   The function of the polymer transducer has not only the function as the actuator described above but also the function as a sensor. Conventionally, piezoelectric elements using piezoelectric ceramics or the like have been widely used as sensors that convert mechanical energy into electrical energy. Piezoelectric ceramics represented by barium titanate, lead zirconate titanate (PZT), and the like convert mechanical energy into electrical energy by a piezoelectric effect that generates charges when the ceramic is subjected to stress.

しかし、これらの圧電セラミックスを用いたセンサは、高密度の無機材料を用いるために、低重量であることが求められる用途では使用できないことが多い。また、耐衝撃性に劣るために、外部からの衝撃が加わった場合に圧電セラミックスが破壊されてセンサ機能が低下しやすい。また可撓性に劣るために、球面や凹凸を有する複雑な形状の構造物に設置することが求められる用途では使用することが難しく、大きな変形や小さな応力を検出することが難しいという問題があった。   However, sensors using these piezoelectric ceramics often cannot be used in applications that require low weight because they use a high-density inorganic material. In addition, since the impact resistance is inferior, when an external impact is applied, the piezoelectric ceramic is destroyed and the sensor function is likely to be deteriorated. In addition, since it is inferior in flexibility, it is difficult to use it in applications where it is required to install it on a complex-shaped structure having a spherical surface or unevenness, and it is difficult to detect large deformations and small stresses. It was.

特開昭63−309252号公報JP-A 63-309252 特公平7−4075号公報Japanese Patent Publication No. 7-4075 特表2003−505865号公報Special table 2003-505865 gazette PCT国際公開WO2008/044546号PCT International Publication No. WO2008 / 044546 未来材料,第5号,第10巻,14頁,2005年Future Materials, Vol. 5, 10, p. 14, 2005 “Studieson Pore Systems in Catalysts V. The t Method”, B. C. Lippens and J. H. de Boer,J. Catalysis, 4, 319 (1965).“Studieson Pore Systems in Catalysts V. The t Method”, B. C. Lippens and J. H. de Boer, J. Catalysis, 4, 319 (1965).

本発明の目的は、水の存在しない状態においても安定に優れた性能を示す高分子トランスデューサを提供すること、ひいては低い電圧で駆動することができる高分子アクチュエータを提供することである。   An object of the present invention is to provide a polymer transducer that exhibits stable and excellent performance even in the absence of water, and thus provides a polymer actuator that can be driven at a low voltage.

本発明者らは本発明の目的にもとづき鋭意検討した結果、イオン液体及び高分子成分とを含んでなる高分子固体電解質と、該高分子固体電解質を挟んで接し、相互に絶縁された電極とからなる高分子トランスデューサであって、電極の少なくとも一方が特定の要件を満たす活物質を用いた高分子トランスデューサが、アクチュエータとしての発生力、変位量、動作速度、センサとしての出力強度やシグナル/ノイズ比(S/N比)などの性能に優れ、種々用途に好適に用いることができることを見出した。   As a result of intensive studies based on the object of the present invention, the present inventors have found that a polymer solid electrolyte containing an ionic liquid and a polymer component, and electrodes that are in contact with each other with the polymer solid electrolyte sandwiched therebetween and insulated from each other A polymer transducer using an active material in which at least one of the electrodes satisfies a specific requirement is a force generated by an actuator, a displacement amount, an operating speed, an output intensity as a sensor, and a signal / noise. It has been found that it is excellent in performance such as a ratio (S / N ratio) and can be suitably used for various applications.

また本発明者らは、本発明の高分子トランスデューサをアクチュエータとして使用したとき、本発明の範囲外にあるアクチュエータに比べ、少ない電荷量により効率的に動作することを見出した。高分子アクチュエータは本質的に電気二重層キャパシタと同様の構造であり、より多くの電荷を蓄えるために、さらに蓄えた電荷を外部に取り出すためには、必然的に内部抵抗によるエネルギー損失が大きく、即ちエネルギーを有効に利用することが難しくなる。しかし本発明の高分子アクチュエータは、少ない電荷量でも効率的に動作できるため上述のエネルギー損失を軽減でき、エネルギー効率に優れたアクチュエータとして用いることができる。   Further, the present inventors have found that when the polymer transducer of the present invention is used as an actuator, it operates efficiently with a small amount of charge compared to an actuator outside the scope of the present invention. The polymer actuator is essentially the same structure as an electric double layer capacitor, and in order to store more charge, and to take out the stored charge to the outside, energy loss due to internal resistance is inevitably large, That is, it becomes difficult to use energy effectively. However, since the polymer actuator of the present invention can operate efficiently even with a small amount of charge, it can reduce the above-mentioned energy loss and can be used as an actuator with excellent energy efficiency.

これらの知見の下になされた本発明の請求項1に記載された高分子トランスデューサは、イオン液体及び高分子成分を含んでなる高分子固体電解質と、該高分子固体電解質を挟んで接し、相互に絶縁された電極とからなる高分子トランスデューサであって、該電極の少なくとも一方が多孔質の活物質を含み、該活物質の比表面積Asが少なくとも100m/g、且つ比表面積Asと外部表面積Aoの比Ao/Asが少なくとも0.1である活物質を含むことを特徴とする。 The polymer transducer according to claim 1 of the present invention made based on these findings is in contact with a solid polymer electrolyte containing an ionic liquid and a polymer component, with the polymer solid electrolyte sandwiched between them. A polymer transducer comprising at least one electrode insulated from each other, wherein at least one of the electrodes includes a porous active material, the specific surface area As of the active material is at least 100 m 2 / g, and the specific surface area As and the external surface area An active material having an Ao ratio Ao / As of at least 0.1 is included.

同じく請求項2に記載された高分子トランスデューサは、請求項1に記載されたものであって、該比表面積Asが厚みプロット法(t法)により求められた値であることを特徴とする。   Similarly, the polymer transducer described in claim 2 is the polymer transducer described in claim 1, wherein the specific surface area As is a value obtained by a thickness plot method (t method).

請求項3に記載された高分子トランスデューサは、請求項1または2に記載されたものであって該活物質の主構成元素が炭素であることを特徴とする。   A polymer transducer described in claim 3 is the polymer transducer described in claim 1 or 2, wherein the main constituent element of the active material is carbon.

同じく請求項4に記載された高分子アクチュエータは、請求項1、2または3に記載の高分子トランスデューサを駆動部とすることを特徴とする。   Similarly, a polymer actuator according to a fourth aspect is characterized in that the polymer transducer according to the first, second, or third aspect is used as a drive unit.

請求項5に記載された高分子アクチュエータは、請求項4に記載されたものであって、該電極とトリガ部材とが一体であることを特徴とする。   A polymer actuator according to a fifth aspect is the polymer actuator according to the fourth aspect, wherein the electrode and the trigger member are integrated.

本発明の高分子トランスデューサは、発生力、変位量、動作速度、感度などの性能に優れ、種々用途に用いることができる。この高分子トランスデューサを、アクチュエータとして用いた場合には、発生力、変位量、動作速度などの諸特性に優れ、また高分子アクチュエータに特徴的な柔軟性や軽量性を有しており、種々用途に好適に用いることができる。またこの高分子トランスデューサを、変位センサとして用いた場合は、変動、変形及び圧力の検知性能、検知感度、検知出力のS/N比に優れるとともに、柔軟性、軽量性に優れる。   The polymer transducer of the present invention is excellent in performance such as generated force, displacement, operating speed, and sensitivity, and can be used for various applications. When this polymer transducer is used as an actuator, it has excellent characteristics such as generated force, displacement, and operating speed, and has the flexibility and light weight characteristic of polymer actuators. Can be suitably used. In addition, when this polymer transducer is used as a displacement sensor, it is excellent in fluctuation, deformation and pressure detection performance, detection sensitivity, and S / N ratio of detection output, as well as flexibility and light weight.

発明を実施するための好ましい形態Preferred form for carrying out the invention

以下、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明の高分子トランスデューサは、イオン液体及び高分子成分を含んでなる高分子固体電解質と、該高分子固体電解質を挟んで接し、相互に絶縁された電極とからなる。電極の少なくとも一方が、下記要件1、および2を満たす活物質を含むものである。要件1は、厚みプロット法により求められる比表面積Asが100m/g以上である。要件2は、比表面積Asと外部表面積Aoの比Ao/Asが少なくとも0.1である。 The polymer transducer of the present invention comprises a polymer solid electrolyte containing an ionic liquid and a polymer component, and electrodes which are in contact with each other with the polymer solid electrolyte interposed therebetween and insulated from each other. At least one of the electrodes contains an active material that satisfies the following requirements 1 and 2. Requirement 1 is that the specific surface area As determined by the thickness plot method is 100 m 2 / g or more. Requirement 2 is that the ratio Ao / As of the specific surface area As and the external surface area Ao is at least 0.1.

比表面積は、文字どおり物質の単位質量あたりの表面積であり、例えば球形、方形などの外部表面に孔、割れ目等がある場合には、孔等の内部にも表面を有しているから、孔内の表面積をも含めた総表面積ということができる。孔が無い(非多孔質)場合には球形や方形などの外形の面積のみが比表面積となる。これに対し外部表面積は、球形、方形などの形の外側の面積で孔等の有無は関係せず、外形が同じであれば多孔質、非多孔質に拘わらず同一となる。   The specific surface area is literally the surface area per unit mass of the substance. For example, when there are holes, cracks, etc. on the outer surface of a sphere, square, etc. It can be said that it is the total surface area including the surface area. When there are no pores (non-porous), only the area of the outer shape such as a sphere or a rectangle becomes the specific surface area. On the other hand, the external surface area is the area outside the shape of a sphere, square, etc., regardless of the presence or absence of holes, etc., and is the same regardless of whether it is porous or non-porous if the outer shape is the same.

ここで電極を構成する活物質を吟味するに、この活物質は、多孔質あるいは非多孔質の微小粒子である。かかる微小粒子は、窒素ガス等の気体を吸着させ、その吸着量から比表面積を換算している。多孔質が気体を吸着するメカニズムは複雑であるが、単純化して思考し比表面積を算出する厚みプロット法は、実験的に得られる比表面積に近い値となる。ここにいう厚みプロット法、いわゆるt法は、吸着に関する標準等温線と吸着等温線を比較し、相対圧力から吸着層の厚みに変換するものである。詳細については、非特許文献2に記載されている。   Here, when examining the active material constituting the electrode, the active material is a porous or non-porous fine particle. Such fine particles adsorb a gas such as nitrogen gas, and the specific surface area is converted from the adsorbed amount. The mechanism by which the porous material adsorbs the gas is complicated, but the thickness plot method that simplifies and thinks to calculate the specific surface area is close to the experimentally obtained specific surface area. The thickness plot method referred to here, the so-called t method, compares the standard isotherm with adsorption and the adsorption isotherm, and converts the relative pressure to the thickness of the adsorption layer. Details are described in Non-Patent Document 2.

いま、物質が単純な球形、方形などであれば、すなわち孔等がなければ、図1に示す厚みプロットのグラフで、等温ならガスの容積V(縦軸)は、物質に吸着されたガスの厚みt(横軸)と比例する。   If the substance is a simple sphere, square or the like, that is, if there is no hole or the like, in the graph of the thickness plot shown in FIG. 1, if it is isothermal, the volume V (vertical axis) of the gas is the gas adsorbed by the substance. It is proportional to the thickness t (horizontal axis).

多孔質活物質に気体が吸着する場合、多孔質活物質の単位質量あたりの気体吸着体積は、外表面と孔内表面に吸着され、孔内がいっぱいに吸着されると外表面だけに積層されて吸着されてゆく。細部においては複雑な吸着体積の変化はあるが、大略においては図2に示す厚みtのプロットのグラフとなる。吸着体積Vとの関係は、吸着開始時に原点を通る直線上にあるときは外表面と孔内表面に吸着され、孔内がいっぱいに吸着されると変曲点Pとなり、勾配が緩やかとなって外表面だけに積層吸着されてゆくことが示される。   When gas is adsorbed to the porous active material, the gas adsorption volume per unit mass of the porous active material is adsorbed on the outer surface and the inner surface of the hole, and is laminated only on the outer surface when the inside of the hole is fully adsorbed. Will be adsorbed. Although there is a complicated change in the adsorption volume in details, the graph is generally a plot of the thickness t shown in FIG. The relationship with the adsorption volume V is that it is adsorbed on the outer surface and the inner surface of the hole when it is on a straight line passing through the origin at the start of adsorption, and becomes an inflection point P when the hole is fully adsorbed, and the gradient becomes gentle. It is shown that the film is adsorbed on the outer surface only.

比表面積Asは、吸着体積Vを厚みtで除した値であり、同一材質でこの値が大きければ多孔の度合いが高いことを示すパラメータである。比表面積Asと外部表面積Aoの比Ao/Asは、外部表面積Ao/(外部表面積Ao+孔内表面積)であり、1(Max)であれば孔内表面積は0であり、小さいほど孔内表面積が大きいことを示すパラメータである。   The specific surface area As is a value obtained by dividing the adsorption volume V by the thickness t, and is a parameter indicating that the degree of porosity is high if this value is large for the same material. The ratio Ao / As of the specific surface area As and the external surface area Ao is the external surface area Ao / (external surface area Ao + internal surface area). If 1 (Max), the internal surface area is 0. This parameter indicates that the value is large.

比表面積を求めるには、BETの吸着式に代表される様々な求積法が提案されている。通常、活性炭のような多孔質もBETで比表面積を測定するが、BETで求まるのは、総表面積であり、本発明を特徴づけるためには、いわゆるt法による測定が好ましい。本発明を構成する電極に用いる活物質では、多孔質あるいは非多孔質の比表面積の求積に単一の式で算出でき、活物質の性質、挙動に合致するため、t法によって定義される比表面積を採用した。特に活物質の外部表面に集まるイオンが電極としての機能を良く発現し、内部表面のイオンの働きは外には伝わり難いため、t法の比表面積が実状と合致している。   In order to obtain the specific surface area, various quadrature methods represented by the BET adsorption formula have been proposed. Usually, a porous material such as activated carbon also measures the specific surface area by BET, but what is determined by BET is the total surface area, and in order to characterize the present invention, measurement by the so-called t method is preferable. In the active material used for the electrode constituting the present invention, it can be calculated by a single formula for the quadrature of the specific surface area of porous or non-porous, and is defined by the t method because it matches the properties and behavior of the active material. Specific surface area was adopted. In particular, the ions gathering on the outer surface of the active material express well the function as an electrode, and the action of ions on the inner surface is difficult to be transmitted to the outside, so the specific surface area of the t method matches the actual state.

この高分子トランスデューサは、活物質と高分子固体電解質の界面に電気二重層が形成されることを駆動原理とするものである。このことから、活物質が電気二重層を形成しうる界面を多く有することがトランスデューサ、特にアクチュエータとしての性能の点から好ましい。このような観点から、活物質の比表面積について、要件1(比表面積Asが100m/g以上)を満たすことが必要であり、さらには200m/g以上であることが好ましく、300m/g以上であることがより好ましい。 This polymer transducer has a driving principle that an electric double layer is formed at the interface between an active material and a polymer solid electrolyte. Therefore, it is preferable from the viewpoint of performance as a transducer, particularly an actuator, that the active material has many interfaces capable of forming an electric double layer. From this point of view, the specific surface area of the active material, requirements 1 (specific surface area As, 100 m 2 / g or higher) is required to meet, it is preferable that further is 200 meters 2 / g or more, 300 meters 2 / More preferably, it is g or more.

高度に賦活が進んだ活性炭のように活物質粒子の内部に大きな表面積を持ち電気二重層が活物質粒子内部で形成される場合と、粒子内部には表面積を持たず電気二重層が活物質粒子外部で形成される場合とで比較すると、後者の方がアクチュエータとしての性能に優れていることを本発明者らは見出した。このような観点から、活物質の持つ全ての比表面積Asと、活物質粒子の外部表面積Aoとの関係が、要件2(比Ao/Asが0.1以上)を満たすことが必要であり、さらには0.2以上であることが好ましく、0.3以上であることがより好ましい。   The active material particles have a large surface area inside the active material particles, such as activated carbon that has been highly activated, and the electric double layer has no surface area inside the active material particles. The present inventors have found that the latter is superior in performance as an actuator as compared with the case where it is formed outside. From such a viewpoint, it is necessary that the relationship between all the specific surface areas As of the active material and the external surface area Ao of the active material particles satisfy the requirement 2 (the ratio Ao / As is 0.1 or more). Further, it is preferably 0.2 or more, and more preferably 0.3 or more.

また活物質としては電子伝導性を有する物質を用いる必要がある。電子伝導性に関しては、体積抵抗率で代表することができ、例えばある物質の体積抵抗率は物質バルクとしての体積抵抗率が指標となる。この物質バルクとしての体積抵抗率は、アクチュエータの動作速度、エネルギー効率の観点から10Ωcm以下であることが好ましく、10Ωcm以下であることがより好ましい。 Further, it is necessary to use a material having electron conductivity as the active material. The electron conductivity can be represented by volume resistivity. For example, the volume resistivity of a certain substance is an index of the volume resistivity as a substance bulk. The volume resistivity as the bulk material is preferably 10 3 Ωcm or less, more preferably 10 1 Ωcm or less, from the viewpoint of the operation speed and energy efficiency of the actuator.

上記要件を満たす活物質は材質に制限なく使用できるが、例えば単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート(グラフェンシート)、ポリアセン、炭素繊維、気相成長炭素繊維、ケッチェンブラック、バルカン等の高比表面積カーボンブラック、黒鉛、活性炭などの炭素系材料、金、白金、銀、パラジウム、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、亜鉛、ジルコニウム、鉄、コバルト、錫、鉛、インジウム、クロム、モリブデン、マンガンなどの金属材料、インジウム−錫複合酸化物(ITO)、アンチモン−錫複合酸化物(ATO)、酸化ルテニウム(RuO)、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO)、酸化イリジウム(IrO)、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)などの金属酸化物、硫化亜鉛(ZnS)、硫化銅(CuS)などの金属硫化物、ポリ(エチレン−3,4−ジオキシチオフェン)(PEDOT)、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体などの導電性高分子等を例示することができる。 An active material that satisfies the above requirements can be used without limitation on the material, for example, single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanosheet (graphene sheet), polyacene, carbon fiber, vapor grown carbon fiber, ketjen black, High specific surface area carbon black such as Vulcan, carbon materials such as graphite, activated carbon, gold, platinum, silver, palladium, copper, nickel, aluminum, titanium, zinc, zirconium, iron, cobalt, tin, lead, indium, chromium, Metal materials such as molybdenum and manganese, indium-tin composite oxide (ITO), antimony-tin composite oxide (ATO), ruthenium oxide (RuO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2), iridium oxide (IrO 2), oxidation Tan Sten (WO 3), molybdenum oxide (MoO 3) metal oxides such as zinc sulfide (ZnS), metal sulfides such as copper sulfide (CuS), poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) (PEDOT) And conductive polymers such as polyaniline derivatives and polypyrrole derivatives.

これらのうちでも活物質は、電気化学的安定性、耐酸化還元安定性の観点から、炭素系材料であることが好ましく、高分子アクチュエータの性能の観点からはカーボンナノチューブ、高比表面積カーボンブラック、カーボンナノホーン、黒鉛であることがより好ましい。工業的経済性の観点からは高比表面積カーボンブラック、カーボンナノホーンであることがさらに好ましい。   Among these, the active material is preferably a carbon-based material from the viewpoint of electrochemical stability and oxidation-reduction stability, and from the viewpoint of the performance of the polymer actuator, carbon nanotubes, high specific surface area carbon black, More preferred are carbon nanohorns and graphite. From the viewpoint of industrial economy, high specific surface area carbon black and carbon nanohorn are more preferable.

上述の条件を満たす活物質は、1種類を用いてもよいし、複数種類を組み合わせて用いてもよい。複数種類を組み合わせる場合、特に制限は無いが、一般的には2種類から5種類程度であることが製造工程の煩雑化を避ける面で好ましい。   One type of active material that satisfies the above conditions may be used, or a plurality of types may be used in combination. In the case of combining a plurality of types, there is no particular limitation, but generally about 2 to 5 types are preferable in terms of avoiding complication of the manufacturing process.

本発明の高分子トランスデューサを構成する電極は、上述した活物質以外に導電材やバインダー、イオン液体等を含んでいてもよい。導電材は電極の抵抗を低減するために用いることができ、例えば、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛などの炭素系材料、金、白金、パラジウム、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、亜鉛、ジルコニウム、鉄、コバルト、錫、鉛、インジウム、クロム、モリブデン、マンガンなどの金属材料、インジウム−錫複合酸化物(ITO)、アンチモン−錫複合酸化物(ATO)、酸化ルテニウム(RuO)、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO)、酸化イリジウム(IrO)、酸化タングステン(WO)、酸化モリブデン(MoO)などの金属酸化物、硫化亜鉛(ZnS)、硫化銅(CuS)などの金属硫化物、ポリ(エチレン−3,4−ジオキシチオフェン)(PEDOT)、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体などの導電性高分子等を例として挙げることができる。 The electrode constituting the polymer transducer of the present invention may contain a conductive material, a binder, an ionic liquid, and the like in addition to the active material described above. Conductive material can be used to reduce the resistance of the electrode, for example, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanosheets, carbon fibers, vapor grown carbon fibers, carbon black, graphite, etc. Materials, metal materials such as gold, platinum, palladium, copper, nickel, aluminum, titanium, zinc, zirconium, iron, cobalt, tin, lead, indium, chromium, molybdenum, manganese, indium-tin composite oxide (ITO), Antimony-tin composite oxide (ATO), ruthenium oxide (RuO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ) metal oxides such as molybdenum oxide (MoO 3), zinc sulfide (ZnS) Metal sulfides such as copper sulfide (CuS), poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) (PEDOT), polyaniline derivatives, conductive polymers such as such as polypyrrole derivatives may be mentioned as examples.

これらの導電材の形状に特に制限はなく、球状、ラグビーボール状、針状、繊維状、フレーク状、不織布状であるものが好ましい。また導電材の使用量に特に制限はないが、導電性と電極内部におけるイオンの拡散の起こりやすさの観点から使用する活物質の質量に対して0.01倍〜100倍であることが好ましく、0.1〜10倍であることがより好ましく、0.2〜5倍であることがさらに好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in the shape of these electrically conductive materials, The thing of spherical shape, rugby ball shape, needle shape, fiber shape, flake shape, and nonwoven fabric shape is preferable. The amount of the conductive material used is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 100 times the mass of the active material used in terms of conductivity and the ease of ion diffusion inside the electrode. 0.1 to 10 times is more preferable, and 0.2 to 5 times is more preferable.

バインダーとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ(メタ)アクリル酸系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂、ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングルコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ナイロン−6、ナイロン−6,6、ナイロン−9T、ナイロン−11、ナイロン−12、ナイロン−6,12等のポリアミド系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂や、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム(軟質熱硬化型ポリウレタンを含む)等のゴム類あるいはこれらの架橋体、オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)、アクリル系熱可塑性エラストマー(例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルのブロック共重合体など)、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)、ポリエステル系熱可塑性エラストマー(TPEE)、ポリアミド系熱可塑性エラストマー(TPAE)等の熱可塑性エラストマー類、パーフルオロスルホン酸系高分子(例えば、DuPont社製「Nafion」)等を挙げることができる。   Examples of the binder include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polystyrene resins such as polystyrene and poly α-methylstyrene, polymethacrylic acid, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, poly Poly (meth) acrylic resins such as ethyl acrylate and polybutyl acrylate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer, polytetrafluoroethylene, polytri Halogenated vinyl resins such as fluoroethylene, polyester resins such as polyethylene glycol terephthalate, polyethylene glycol naphthalate, polybutylene glycol terephthalate, nylon-6, naphthalene Ron-6,6, Nylon-9T, Nylon-11, Nylon-12, Nylon-6,12 and other polyamide resins, thermoplastic polyurethane resins, polycarbonate resins, unsaturated polyesters, epoxy resins, alkyd resins, Thermosetting resins such as phenol resin, thermosetting polyurethane resin, natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber (styrene butadiene random copolymer), acrylic rubber, nitrile rubber, norbornene rubber, silicone rubber, Rubbers such as urethane rubber (including soft thermosetting polyurethane) or cross-linked products thereof, olefin-based thermoplastic elastomer (TPO), styrene-based thermoplastic elastomer (TPS), cross-linkable olefin-based thermoplastic elastomer (TPV), Acrylic heat Plastic elastomer (for example, block copolymer of polymethyl methacrylate and polybutyl acrylate, etc.), polyurethane thermoplastic elastomer (TPU), polyester thermoplastic elastomer (TPEE), polyamide thermoplastic elastomer (TPAE), etc. Examples thereof include thermoplastic elastomers and perfluorosulfonic acid polymers (for example, “Nafion” manufactured by DuPont).

これらのうちでもバインダーとしては、造膜性の観点からはポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンやスチレン-ブタジエンゴム、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系エラストマー、後述するブロック共重合体であることが好ましい。また高分子トランスデューサの性能の観点からはバインダー中にイオン液体が含まれていることが好ましく、イオン液体と混合可能な高分子種であることが好ましい。バインダーの使用量に特に制限はないが、電極の抵抗とイオンの拡散の起こりやすさの観点から、使用する活物質の質量に対して、0.01〜1000倍であることが好ましく、0.1〜100倍であることがより好ましい。   Among these, as a binder, from the viewpoint of film forming property, it is polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber, thermoplastic polyurethane resin, thermoplastic polyurethane elastomer, and a block copolymer described later. Is preferred. Further, from the viewpoint of the performance of the polymer transducer, the binder preferably contains an ionic liquid, and is preferably a polymer species that can be mixed with the ionic liquid. Although there is no restriction | limiting in particular in the usage-amount of a binder, it is preferable that it is 0.01-1000 times with respect to the mass of the active material to be used from a viewpoint of the resistance of an electrode and the ease of the spreading | diffusion of ion, and 0. 1 to 100 times is more preferable.

また電極層は、後述の非水系高分子固体電解質と密着する必要があるため、高分子固体電解質を構成する高分子と同一または類似であってもよい。   Further, since the electrode layer needs to be in close contact with a non-aqueous solid polymer electrolyte described later, the electrode layer may be the same as or similar to the polymer constituting the solid polymer electrolyte.

イオン液体について特に制限は無いが、例えば本発明において用いられる好適なイオン液体を構成する有機カチオンの例としては、下記一般式(I)〜(V)を挙げることができる。   Although there is no restriction | limiting in particular about an ionic liquid, For example, the following general formula (I)-(V) can be mentioned as an example of the organic cation which comprises the suitable ionic liquid used in this invention.

Figure 2010093954
(I)式中、R、R、Rはそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表す。
Figure 2010093954
In formula (I), R 1 , R 2 and R 3 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a linear or branched structure having 1 to 10 carbon atoms. A group selected from an alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms.

Figure 2010093954
(II)式中、Rは、水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を、R'は炭素数1〜6の直鎖状または分岐状のアルキル基を、nは0以上5以下の整数を表す。
Figure 2010093954
(II) In the formula, R 4 represents a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a linear or branched alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a carbon number of 6 to A group selected from 15 aryl groups, aralkyl groups having 8 to 20 carbon atoms, and oligoalkenylene oxide groups having 2 to 30 carbon atoms, R ′ represents a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n represents an integer of 0 or more and 5 or less.

Figure 2010093954
(III)式中、R、R、R、Rはそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表わし、R〜Rのうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010093954
(III) In the formula, R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a linear structure having 1 to 10 carbon atoms. Or a group selected from a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and among R 5 to R 8 , Two groups may jointly form a ring structure.

Figure 2010093954
(IV)式中、R、R10、R11、R12はそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表し、R〜R12のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010093954
(IV) In the formula, R 9 , R 10 , R 11 , and R 12 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a linear structure having 1 to 10 carbon atoms. Or a group selected from a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and among R 9 to R 12 , Two groups may jointly form a ring structure.

Figure 2010093954
(V)式中、R13、R14、R15はそれぞれ独立に水素原子、または炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルキル基、炭素数1〜10の直鎖状または分岐状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数8〜20のアラルキル基、炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基から選ばれる基を表し、R13〜R14のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
Figure 2010093954
(V) In formula, R <13> , R <14> , R < 15 > is a hydrogen atom or a C1-C10 linear or branched alkyl group each independently, C1-C10 linear or branched Represents a group selected from an alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 8 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and two groups among R 13 to R 14 May jointly form a ring structure.

これらのうちでもイオン液体のイオン伝導性、入手容易性の観点から一般式(I)で表されるイミダゾリウムカチオンが好ましい。このうちでも、イオン液体の融点、粘度の観点から一般式(I)におけるR、Rは炭素数1〜6の直鎖状、または分岐状のアルキル基であることが好ましく、R1とが異なる基であることがより好ましい。もっとも好ましい有機カチオンの例としては、エチルメチルイミダゾリウムカチオン(EMI)を挙げることができる。 Among these, the imidazolium cation represented by the general formula (I) is preferable from the viewpoint of ion conductivity and availability of the ionic liquid. Among these, from the viewpoint of the melting point and viscosity of the ionic liquid, R 1 and R 2 in the general formula (I) are preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms , More preferably, R 2 is a different group. As an example of the most preferable organic cation, an ethylmethylimidazolium cation (EMI + ) can be mentioned.

本発明に用いられる好適なイオン液体を構成するアニオンの例としては、含ハロゲンアニオン、鉱酸アニオン、有機酸アニオン等を挙げることができる。含ハロゲンアニオンもしくは鉱酸アニオンの例としては、具体的にはPF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、BF4 -、(CF3SO22N-、(C2F5SO22N-、(CF3SO23C-、AsF6 -、SO4 2-、(CN)2N-、及びNO3 -等を挙げることができる。また有機酸アニオンの例としてはRSO3 -、RCO2 -(Rはアルキル基、アリル基、アルケニル基、アラルキル基、アラルケニル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、スルホアルキル基、アリール基、あるいはベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等の芳香族複素環残基であり、複数の環状構造もしくは分岐構造を含んでいても構わない)等を挙げることができる。これらのうちでもイオン液体のイオン伝導率、入手容易性の観点からPF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、C4F9SO3 -、BF4 -、(CF3SO22N-、(C2F5SO22N-、(CN)2N-が好ましく、特にBF4-、(CF3SO2)2N-、(C2F5SO2)2N-等のスルホニルイミド系アニオンが好ましい。 Examples of anions constituting a suitable ionic liquid used in the present invention include halogen-containing anions, mineral acid anions, organic acid anions and the like. Specific examples of the halogen-containing anion or mineral acid anion include PF 6 , ClO 4 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , BF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (C 2 F 5 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, AsF 6 - and the like can be given -, SO 4 2-, (CN ) 2 N -, and NO 3 . Examples of organic acid anions include RSO 3 , RCO 2 (where R is an alkyl group, allyl group, alkenyl group, aralkyl group, aralkenyl group, alkoxyalkyl group, acyloxyalkyl group, sulfoalkyl group, aryl group, or benzene). An aromatic heterocyclic residue such as a ring, naphthalene ring or anthracene ring, which may contain a plurality of cyclic structures or branched structures). Among these, PF 6 , ClO 4 , CF 3 SO 3 , C 4 F 9 SO 3 , BF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 from the viewpoint of ionic conductivity and availability of ionic liquids N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N , (CN) 2 N are preferable, and in particular, BF 4 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − and the like The sulfonylimide anion is preferred.

以上のことより、本発明に好適に用いられるイオン液体の例としては上記した有機カチオンとアニオンの組み合わせからなるイオン液体を挙げることができる。これらは単独で用いても良いし、複数を組み合わせて用いても良い。イオン伝導性に優れるとの観点から好ましいイオン液体の例としては、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4)、エチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMITFSI)、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIBF4)、ブチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(BMITFSI)を挙げることができる。 From the above, examples of the ionic liquid suitably used in the present invention include an ionic liquid composed of a combination of the above-described organic cation and anion. These may be used alone or in combination. Examples of preferred ionic liquids from the viewpoint of excellent ionic conductivity include ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ), ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI), butylmethylimidazolium tetrafluoro Examples thereof include borate (BMIBF 4 ) and butylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (BMITFSI).

本発明の高分子トランスデューサを構成する高分子固体電解質は、イオン液体及び高分子成分とを含んでなる。イオン液体は電極について説明したものを、同じく好適に用いることができる。電極にイオン液体を用いた場合、同じイオン液体を高分子固体電解質に用いることが好ましい。   The solid polymer electrolyte constituting the polymer transducer of the present invention comprises an ionic liquid and a polymer component. As the ionic liquid, those described for the electrode can be also used suitably. When an ionic liquid is used for the electrode, it is preferable to use the same ionic liquid for the polymer solid electrolyte.

高分子固体電解質の成分である高分子成分については、イオン液体をその内部に保持できるものであれば特に制限なく用いることができる。例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン、ポリα-メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ(メタ)アクリル酸系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂、ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ナイロン−6、ナイロン-6,6、ナイロン-9T、ナイロン-11、ナイロン-12、ナイロン-6.12等のポリアミド系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂や、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン-ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム(軟質熱硬化型ポリウレタンを含む)等のゴム類あるいはこれらの架橋体、オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)、アクリル系熱可塑性エラストマー(例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルのブロック共重合体など)、ポリスチレンとポリ(メタ)アクリル酸エステルのブロック共重合体、ポリスチレンと非晶性ポリエステルのブロック共重合体、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)、ポリエステル系熱可塑性エラストマー(TPEE)、ポリアミド系熱可塑性エラストマー(TPAE)等の熱可塑性エラストマー類、パーフルオロスルホン酸系高分子(例えば、DuPont社製「Nafion」)などを挙げることができる。   The polymer component that is a component of the polymer solid electrolyte can be used without particular limitation as long as it can hold the ionic liquid therein. For example, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polystyrene resins such as polystyrene and poly α-methylstyrene, polymethacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethyl acrylate , Poly (meth) acrylic resins such as polyethyl acrylate and polybutyl acrylate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer, polytetrafluoroethylene, Halogenated vinyl resins such as polytrifluoroethylene, polyethylene glycol terephthalate, polyethylene glycol naphthalate, polyester resins such as polybutylene glycol terephthalate, nylon-6, Nylon-6,6, Nylon-9T, Nylon-11, Nylon-12, Nylon-6.12 and other polyamide resins, thermoplastic polyurethane resins, polycarbonate resins, unsaturated polyesters, epoxy resins, alkyd resins, Thermosetting resins such as phenol resin, thermosetting polyurethane resin, natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber (styrene butadiene random copolymer), acrylic rubber, nitrile rubber, norbornene rubber, silicone rubber, Rubbers such as urethane rubber (including soft thermosetting polyurethane) or cross-linked products thereof, olefinic thermoplastic elastomer (TPO), styrenic thermoplastic elastomer (TPS), crosslinkable olefinic thermoplastic elastomer (TPV), Acrylic thermoplastic elastomer ( For example, polymethyl methacrylate and polybutyl acrylate block copolymers), polystyrene and poly (meth) acrylate block copolymers, polystyrene and amorphous polyester block copolymers, polyurethane thermoplastics Examples include elastomers (TPU), polyester-based thermoplastic elastomers (TPEE), thermoplastic elastomers such as polyamide-based thermoplastic elastomers (TPAE), and perfluorosulfonic acid polymers (for example, “Nafion” manufactured by DuPont). Can do.

また高分子成分は、ここに挙げた高分子同士のブロック共重合体であってもグラフト共重合体であってもよい。これらのうちでも成形方法の選択自由度や熱に対する安定性、電極材料への低腐食性との観点から、イオン解離性基を含まない高分子であることが好ましく、イオン伝導性及び高分子固体電解質の力学的強度の観点から、用いるイオン液体と非相溶である重合体ブロックを有する共重合体であることがより好ましく、用いるイオン液体と相溶である重合体ブロックと該イオン液体と非相溶である重合体ブロックを有するブロック共重合体であることがさらに好ましい。高分子成分は1種類であっても、複数種類であってもよいが製造工程の煩雑化を避けるべく、通常2〜5種類程度であることが好ましい。   The polymer component may be a block copolymer of the polymers listed here or a graft copolymer. Among these, from the viewpoints of freedom of selection of the molding method, stability to heat, and low corrosivity to the electrode material, it is preferably a polymer that does not contain an ion dissociable group. From the viewpoint of the mechanical strength of the electrolyte, a copolymer having a polymer block that is incompatible with the ionic liquid to be used is more preferable, and the polymer block that is compatible with the ionic liquid to be used and the ionic liquid are incompatible. A block copolymer having a compatible polymer block is more preferable. The polymer component may be one kind or plural kinds, but usually 2 to 5 kinds are preferable in order to avoid complication of the production process.

高分子固体電解質におけるイオン液体と高分子成分の質量比に特に制限は無いが、イオン伝導性及び力学的強度の観点から、高分子成分100質量部に対し、イオン液体が1質量部以上1000質量部以下であることが好ましく、10質量部以上700質量部以下であることがより好ましく、20質量部以上500質量部以下であることがさらに好ましい。   The mass ratio of the ionic liquid to the polymer component in the polymer solid electrolyte is not particularly limited, but from the viewpoint of ionic conductivity and mechanical strength, the ionic liquid is 1 part by mass or more and 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polymer component. Part or less, preferably 10 parts by weight or more and 700 parts by weight or less, more preferably 20 parts by weight or more and 500 parts by weight or less.

電極および高分子固体電解質には、本発明の効果を損なわない範囲において、酸化防止剤、UV吸収剤、滑剤、分散剤、界面活性剤、増量剤、補強材、可塑剤等を、高分子固体電解質100質量部に対して好ましくは40質量部以下、より好ましくは30質量部以下、さらに好ましくは20質量部以下含んでいてもよい。   In the electrode and the polymer solid electrolyte, an antioxidant, a UV absorber, a lubricant, a dispersant, a surfactant, a filler, a reinforcing material, a plasticizer, etc. Preferably it is 40 mass parts or less with respect to 100 mass parts of electrolyte, More preferably, it is 30 mass parts or less, More preferably, you may contain 20 mass parts or less.

本発明の高分子トランスデューサの形状には特に制限は無いが、膜状、フィルム状、シート状、板状、繊維状、円柱状、柱状、球状など種々の形が可能である。これらの形状に製造する方法で、例えば膜状、フィルム状、シート状、板状のアクチュエータを製造する場合、膜状に成形した高分子固体電解質上に、別途、膜状に成形したシート状の電極を貼り合せる方法や、膜状に成形した高分子固体電解質上に電極成分を含む溶液あるいは分散液を塗工する方法、電極成分を含む溶液あるいは分散液をキャストし、次いで高分子固体電解質を含む溶液あるいは分散液をキャストし、さらに電極成分を含む溶液あるいは分散液をキャストする方法などを挙げることができる。繊維状、円柱状、球状などの場合においても、同様の方法を採用することができる。   The shape of the polymer transducer of the present invention is not particularly limited, but various shapes such as a film shape, a film shape, a sheet shape, a plate shape, a fiber shape, a columnar shape, a columnar shape, and a spherical shape are possible. In the case of manufacturing a film-like, film-like, sheet-like, or plate-like actuator, for example, in the method of producing these shapes, a sheet-like shape that is separately formed into a film-like shape is formed on the polymer solid electrolyte that is formed into a film-like shape. A method of bonding electrodes, a method of coating a solution or dispersion containing an electrode component on a polymer solid electrolyte formed into a film shape, casting a solution or dispersion containing an electrode component, and then attaching the polymer solid electrolyte Examples thereof include a method of casting the solution or dispersion liquid containing the electrode component, and further casting the solution or dispersion liquid containing the electrode component. The same method can be adopted in the case of a fiber shape, a columnar shape, a spherical shape, and the like.

本発明の高分子トランスデューサには、その長手方向の抵抗を低減することを目的として集電体を設けてもよい。集電体としては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル等の金属箔や金属薄膜、金、銀、ニッケル等の金属粉やカーボンパウダー、カーボンナノチューブ、炭素繊維などの炭素微粉とバインダー樹脂からなる膜状成形体、織物、紙、不織布などの布帛や高分子フィルムなどにスパッタやメッキなどの方法により金属薄膜を形成したものなどを挙げることができる。これらのうちでも可撓性の観点からは金属粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体、布帛や高分子フィルムなどに金属薄膜を形成したものであることが好ましい。   The polymer transducer of the present invention may be provided with a current collector for the purpose of reducing the resistance in the longitudinal direction. Examples of the current collector include metal foil such as gold, silver, copper, platinum, aluminum, nickel, and metal thin films, metal powder such as gold, silver, nickel, and carbon fine powder such as carbon powder, carbon nanotube, and carbon fiber. Examples thereof include a film-like molded body made of a binder resin, a fabric such as woven fabric, paper, and nonwoven fabric, and a polymer film formed with a metal thin film by a method such as sputtering or plating. Among these, from the viewpoint of flexibility, it is preferable that a metal thin film is formed on a film-like molded body, a fabric, a polymer film, or the like made of a metal powder and a binder resin.

この高分子トランスデューサは、空気中、水中、真空中、有機溶媒中で動作することができる。また使用環境に応じて、適宜封止を施してもよい。封止材料の例としては、特に制限はなく、各種樹脂などを挙げることができる。   The polymer transducer can operate in air, water, vacuum, and organic solvents. Moreover, you may seal suitably according to a use environment. There is no restriction | limiting in particular as an example of sealing material, Various resin etc. can be mentioned.

高分子トランスデューサをアクチュエータとして使用する例が図3に示してある。高分子トランスデューサ10の高分子固体電解質を挟んで接し、相互に絶縁された電極間に、端子12と13を通じて電位差を与えることで力や変動、変位を発生する。高分子トランスデューサ10の高分子固体電解質を挟んで接している電極自身がアクチュエータのトリガ部材となってロードセル18を駆動する。   An example of using a polymer transducer as an actuator is shown in FIG. A force, fluctuation, and displacement are generated by applying a potential difference through terminals 12 and 13 between electrodes that are in contact with each other with the polymer solid electrolyte of the polymer transducer 10 sandwiched therebetween and insulated from each other. The electrode itself in contact with the polymer solid electrolyte of the polymer transducer 10 serves as a trigger member of the actuator to drive the load cell 18.

一方で、高分子トランスデューサに外部より変形及び/又は圧力を加えると、相互に絶縁した電極間に電位差(電圧)を発生することから、変動、変形及び/又は圧力を検知する変位センサとして利用することもできる。   On the other hand, when a deformation and / or pressure is applied to the polymer transducer from the outside, a potential difference (voltage) is generated between the mutually insulated electrodes, so that it is used as a displacement sensor for detecting fluctuation, deformation and / or pressure. You can also.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited at all by these.

<各種測定、算出>
(1)比表面積As及び外部表面積Aoの測定
日本ベル社製BELSORP 18を用い、窒素ガスをプローブガスとして得られる77Kの吸着等温線を基に、t法で測定した。具体的には、原点を通る初期の直線部の傾きからAsを、変曲点Pを越え、傾きが変化した後の直線の傾きからAoを算出した。
<Various measurements and calculations>
(1) Measurement of specific surface area As and external surface area Ao Using BELSORP 18 manufactured by Nippon Bell Co., Ltd., measurement was performed by the t method based on an adsorption isotherm of 77K obtained using nitrogen gas as a probe gas. Specifically, As was calculated from the initial inclination of the straight line portion passing through the origin, and Ao was calculated from the inclination of the straight line after the inflection point P changed and the inclination changed.

(2)アクチュエータとしての発生力の測定
図3に示すとおり15mm×5mmの大きさにカットした高分子トランスデューサ10について、長さ方向に10mmを金製端子12と金製端子13で挟み、アクチュエータとして動作する長さ5mmを空気中に出して測定セルとした。金製端子12と13に、関数発生器16(北斗電工社製 ファンクションゼネレータHB−211)を接続したポテンショスタット15(北斗電工社製 HAB−151)を接続した。金製端子12は作用電極、金製端子13は対向電極すなわち参照電極である。アクチュエータ(高分子トランスデューサ10の空気中に出た部分)の先端から1mmの位置Pにプローブが接触するようにロードセル18(ミネベア社製UL−10GR)を配置した。この状態で所定の電圧をポテンショスタット15から印加した。または必要に応じてファンクションゼネレータ16を通じてパルス電圧を印加しアクチュエータ10を動作させた。この動作を、ロードセル18により発生力を記録した。
(2) Measurement of Generating Force as Actuator As shown in FIG. 3, for the polymer transducer 10 cut to a size of 15 mm × 5 mm, 10 mm in the length direction is sandwiched between the gold terminal 12 and the gold terminal 13 and used as an actuator. An operating length of 5 mm was taken out into the air to form a measurement cell. A potentiostat 15 (HAB-151 made by Hokuto Denko) connected with a function generator 16 (Hokuto Denko's function generator HB-211) was connected to the gold terminals 12 and 13. The gold terminal 12 is a working electrode, and the gold terminal 13 is a counter electrode, that is, a reference electrode. The load cell 18 (UL-10GR manufactured by Minebea Co., Ltd.) was arranged so that the probe was in contact with the position P of 1 mm from the tip of the actuator (the part of the polymer transducer 10 exposed to the air). In this state, a predetermined voltage was applied from the potentiostat 15. Alternatively, the actuator 10 is operated by applying a pulse voltage through the function generator 16 as necessary. In this operation, the generated force was recorded by the load cell 18.

(3)蓄電量の算出
アクチュエータ試験において、ポテンショスタット15で検出される時間−電流曲線を積分することで蓄電量を算出した。
(3) Calculation of the amount of stored electricity In the actuator test, the amount of stored electricity was calculated by integrating the time-current curve detected by the potentiostat 15.

<使用材料>
(1)ケッチェンブラック: ライオン社販売の「ケッチェンブラック EC」をそのまま用いた。
(2)単層カーボンナノチューブ(SWCNT): カーボンナノテクノロジー社製「Purified HiPco」をそのまま用いた。
(3)酸化ルテニウム(RuO
Alfa Aesar社より購入した「Ruthenium(IV)oxide, Electronic Grade, Premion(R), 99.95%」をそのまま用いた。
(4)カーボンナノホーン: NEC社製「カーボンナノホーン」をそのまま用いた。
(5)銀フレーク: 大研化学社製「S−300」をそのまま用いた。
(6)アセチレンブラック: 電気化学社製デンカブラック(登録商標)を使用。
(7)活性炭: クラレケミカル社製「YP−17D」をそのまま用いた。
(8)エチルメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド (EMITFSI): 日本合成化学社製をそのまま用いた。
(9)エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4): 日本合成化学社製をそのまま用いた。
(10)ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体(P(VDF/HFP)): アルケマ社より購入した「カイナー#2801」を使用。
(11)ナフィオン膜: ナフィオン117膜(DuPont社製)をそのまま用いた。
(12)ナフィオン分散溶液: 和光純薬工業社より入手した「5%ナフィオン分散溶液 DE520 CSタイプ」をそのまま用いた。
その他の材料、試薬類は市販品を、必要に応じて定法に従い精製を行ったものを用いた。
<Materials used>
(1) Ketjen Black: “Ketjen Black EC” sold by Lion Corporation was used as it was.
(2) Single-walled carbon nanotube (SWCNT): “Purified HiPco” manufactured by Carbon Nanotechnology Inc. was used as it was.
(3) Ruthenium oxide (RuO 2 )
“Ruthenium (IV) oxide, Electronic Grade, Premion (R), 99.95%” purchased from Alfa Aesar was used as it was.
(4) Carbon nanohorn: “Carbon nanohorn” manufactured by NEC was used as it was.
(5) Silver flake: “S-300” manufactured by Daiken Chemical Co., Ltd. was used as it was.
(6) Acetylene black: Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Co., Ltd. is used.
(7) Activated carbon: “YP-17D” manufactured by Kuraray Chemical Co. was used as it was.
(8) Ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (EMITFSI): The product made by Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd. was used as it was.
(9) Ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF4): The product made by Nippon Synthetic Chemical Co., Ltd. was used as it was.
(10) Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer (P (VDF / HFP)): Uses “Kyner # 2801” purchased from Arkema.
(11) Nafion membrane: The Nafion 117 membrane (manufactured by DuPont) was used as it was.
(12) Nafion dispersion solution: “5% Nafion dispersion solution DE520 CS type” obtained from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used as it was.
As other materials and reagents, commercially available products that were purified according to a conventional method if necessary were used.

<部材作製例>
(1)高分子固体電解質の作製
ナフィオン117を6cm×6cmのサイズにカットし、1mol/L硫酸で1時間煮沸洗浄したのち、十分に水で洗浄し、その後、塩化リチウム水溶液(1g/L)中で1時間煮沸しスルホン酸基を中和した。これを150℃で一晩乾燥したのち、EMIBF4に浸漬し、150℃で3時間含浸させた。この膜を十分に真空乾燥して厚み約190μmの高分子固体電解質を得た。
<Example of member production>
(1) Preparation of solid polymer electrolyte Nafion 117 was cut to a size of 6 cm x 6 cm, boiled and washed with 1 mol / L sulfuric acid for 1 hour, then thoroughly washed with water, and then an aqueous lithium chloride solution (1 g / L) The mixture was boiled for 1 hour to neutralize sulfonic acid groups. This was dried at 150 ° C. overnight, then immersed in EMIBF 4 and impregnated at 150 ° C. for 3 hours. This membrane was sufficiently vacuum-dried to obtain a polymer solid electrolyte having a thickness of about 190 μm.

(2)電極膜の作製
サンプル瓶に、所定量の活物質(ケッチェンブラック、単層カーボンナノチューブ、酸化ルテニウム、カーボンナノホーン)、必要に応じて導電材を各々量り取り、ここにバインダー溶液(ナフィオンの場合は市販の分散溶液を、P(VDF/HFP)/EMITFSIを用いた場合はこの混合物のN-メチルピロリドン溶液を用いた)を加えた。粘度が高すぎて攪拌が困難な場合には、さらに溶媒を添加して粘度を調整した。このようにして作製した分散液を室温で12時間超音波照射し、その後、所定サイズの型に液を流し込みキャストすることにより電極膜を得た。
(2) Production of electrode film A predetermined amount of active material (Ketjen black, single-walled carbon nanotube, ruthenium oxide, carbon nanohorn) and a conductive material are weighed in a sample bottle, if necessary, and a binder solution (Nafion) In the case of (3), a commercially available dispersion was added, and in the case of using P (VDF / HFP) / EMITFSI, an N-methylpyrrolidone solution of this mixture was used. When the viscosity was too high and stirring was difficult, the solvent was further added to adjust the viscosity. The dispersion thus prepared was irradiated with ultrasonic waves at room temperature for 12 hours, and then poured into a mold of a predetermined size and cast to obtain an electrode film.

<実施例1〜4>高分子トランスデューサ
作製例(1)で作製した高分子固体電解質を、作製例(2)で作製した電極膜2枚で挟み込み、この状態で10分間、130〜200℃の間で適宜選択される温度で熱プレスを行って接着させ、高分子トランスデューサとした。
<Examples 1-4> Polymer Transducer The polymer solid electrolyte prepared in Preparation Example (1) is sandwiched between two electrode films prepared in Preparation Example (2), and in this state for 10 minutes at 130 to 200 ° C. The polymer transducer was bonded by hot pressing at a temperature appropriately selected between them.

実施例1の高分子トランスデューサは、ケッチェンブラックを活物質とする電極膜を用いた。実施例2の高分子トランスデューサは単層カーボンナノチューブを活物質とする電極膜を用いた。実施例3の高分子トランスデューサは酸化ルテニウム(RuO)を活物質とする電極膜を用いた。実施例4の高分子トランスデューサはカーボンナノホーンを活物質とする電極膜を用いた。 For the polymer transducer of Example 1, an electrode film using ketjen black as an active material was used. In the polymer transducer of Example 2, an electrode film using single-walled carbon nanotubes as an active material was used. The polymer transducer of Example 3 used an electrode film using ruthenium oxide (RuO 2 ) as an active material. The polymer transducer of Example 4 used an electrode film using carbon nanohorn as an active material.

実施例1〜4の高分子トランスデューサにつき、アクチュエータとしての性能を評価した。結果を表1に示してある。尚、アクチュエータの性能、すなわち発生力については活物質の充填量にも依存するため、比較として180秒後の発生力を180秒後の蓄電量で除した値を算出した。この値が高いほど、少ない蓄電量で大きな仕事量をしていることとなり、アクチュエータとしての性能に優れているといえる。   About the polymer transducer of Examples 1-4, the performance as an actuator was evaluated. The results are shown in Table 1. In addition, since the performance of the actuator, that is, the generated force depends on the filling amount of the active material, a value obtained by dividing the generated force after 180 seconds by the charged amount after 180 seconds was calculated as a comparison. The higher this value, the greater the amount of work with a smaller amount of electricity stored, and the higher the performance as an actuator.

<比較例1、2>高分子トランスデューサ
それぞれ異なる活物質を用いて比較例1、2の高分子トランスデューサを作成し、アクチュエータとしての性能を実施例1〜4と同様に評価した。結果を表1に示してある。
Comparative Examples 1 and 2 Polymer Transducer Polymer transducers of Comparative Examples 1 and 2 were prepared using different active materials, and the performance as an actuator was evaluated in the same manner as in Examples 1 to 4. The results are shown in Table 1.

Figure 2010093954
Figure 2010093954

以上の結果から、本発明の高分子トランスデューサは、アクチュエータとして使用すると、比較例1、2のものより発生力で大きく優れ、また単位蓄電量あたりの発生力の値も大きく、効率にすぐれるアクチュエータであることがわかる。比較例1は本発明の要件2を満たしているものの、要件1を満たしていないためアクチュエータとしての性能が大きく劣ることがわかる。比較例2は本発明の要件1を満たしているが、要件2を満たしていないため、アクチュエータとしての性能が低く、また効率も劣るアクチュエータである。   From the above results, when the polymer transducer of the present invention is used as an actuator, the generated force is greatly superior to those of Comparative Examples 1 and 2, and the generated force value per unit charged amount is also large, and the actuator is excellent in efficiency. It can be seen that it is. Although Comparative Example 1 satisfies the requirement 2 of the present invention, since the requirement 1 is not satisfied, it can be seen that the performance as an actuator is greatly inferior. The comparative example 2 satisfies the requirement 1 of the present invention, but does not satisfy the requirement 2, so that the actuator performance is low and the efficiency is inferior.

孔がない単純な形の活物質に吸着されるガスの容積Vの厚みtに対するプロットのグラフ。The graph of the plot with respect to thickness t of the volume V of the gas adsorb | sucked by the active material of a simple shape without a hole. 多孔質活物質に吸着されるガスの容積Vの厚みtに対するプロットのグラフ。The graph of the plot with respect to the thickness t of the volume V of the gas adsorbed by the porous active material. 本発明を適用するアクチュエータの動作試験で用いた装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus used in the operation | movement test of the actuator to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10はアクチュエータ、12・13は金製端子、15はポテンショスタット、16は関数発生器、18はロードセル。   10 is an actuator, 12 and 13 are gold terminals, 15 is a potentiostat, 16 is a function generator, and 18 is a load cell.

Claims (4)

イオン液体及び高分子成分を含んでなる高分子固体電解質と、該高分子固体電解質を挟んで接し、相互に絶縁された電極とからなる高分子トランスデューサであって、該電極の少なくとも一方が多孔質の活物質を含み、該活物質の比表面積Asが少なくとも100m/g、且つ比表面積Asと外部表面積Aoの比Ao/Asが少なくとも0.1である活物質を含むことを特徴とする高分子トランスデューサ。 A polymer transducer comprising a polymer solid electrolyte comprising an ionic liquid and a polymer component and electrodes which are in contact with each other and are insulated from each other, wherein at least one of the electrodes is porous A high active material having a specific surface area As of at least 100 m 2 / g and a ratio Ao / As of the specific surface area As to the external surface area Ao of at least 0.1. Molecular transducer. 該比表面積Asが厚みプロット法(t法)により求められた値であることを特徴とする請求項1に記載の高分子トランスデューサ。   2. The polymer transducer according to claim 1, wherein the specific surface area As is a value obtained by a thickness plot method (t method). 該活物質の主構成元素が炭素であることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子トランスデューサ。   3. The polymer transducer according to claim 1, wherein the main constituent element of the active material is carbon. 請求項1、2または3に記載の高分子トランスデューサを駆動部とすることを特徴とする高分子アクチュエータ。   A polymer actuator comprising the polymer transducer according to claim 1 as a drive unit.
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