JP2013147552A

JP2013147552A - 誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法並びにその用途

Info

Publication number: JP2013147552A
Application number: JP2012008279A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Hirai; 利博平井; Tamotsu Sato; 保佐藤
Original assignee: Shinshu University NUC; Tosoh Corp
Current assignee: Shinshu University NUC; Tosoh Corp
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: JP5914003B2

Abstract

【課題】高い誘電率を有し、簡便な方法によっても製造でき、幅広い用途への実用化を可能にする誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体を提供する。
【解決手段】ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を含有し、周波数１ヘルツにおける誘電率が少なくとも５，０００ファラデー／メートルであることを特徴とする誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法並びにその用途。
【選択図】なし

Description

本発明は、誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法に関するものであり、より詳細には、例えば人工筋肉や電圧駆動部品等に用いられる、電気刺激により変形可能であるアクチュエータ等を構成する誘電体に適用できる、誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法に関するものである。

誘電性高分子材料成形体を用いた誘電体から構成されるアクチュエータは、小型軽量かつ柔軟な人工筋肉や電圧駆動装置等への応用が期待されている。誘電性高分子材料にはポリ塩化ビニルやポリメタクリル酸メチルなどがある。中でも可塑剤を含有させたポリ塩化ビニル組成物からなる成形体は、柔軟であり、電気刺激によりクリープ変形もしくはベンディング変形を生じる。

しかし、一般的にこれらの誘電性高分子成形体を用いた誘電体から構成されるアクチュエータの駆動には数百Ｖの高電圧の印加が必要である。従って、高い誘電率を有する成形体を用いた誘電体を利用して低電圧で駆動するアクチュエータを開発し、人工筋肉や電圧駆動装置等へ応用できることが期待されている。

これらの問題を解決するために、近年は高分子とイオン液体を用いた成形体からなるアクチュエータが注目を浴びており、例えば特許文献１には、高分子であるポリ塩化ビニルとイオン液体を用いた成形体からなるアクチュエータが開示されている。

特開２００９−２７３２０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアクチュエータにおいて使用されるイオン液体は入手や管理において費用や手間がかかり、その結果、アクチュエータ製造におけるコストが増加する場合がある。
本発明は、高い誘電率を有し、簡便な方法でも製造でき、幅広い用途への実用化を可能にする誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法並びにその用途を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。
ここで、当該検討において、本発明者らは、電圧駆動装置における低電圧で駆動するアクチュエータに成形体が応用されることを考慮すると、当該成形体には、一般的にはより低い電圧の印加で変形したり、一定の印加電圧でより変形量を大きくすることが求められ、そのためには５，０００ファラデー／メートル以上の周波数１ヘルツにおける誘電率を要することにまず着眼した。
検討の結果、本発明者らは、特定のポリ塩化ビニルを含む成形体が５，０００ファラデー／メートル以上のきわめて高い誘電率を示し、且つその成形体をきわめて容易な製造及び加工によっても得ることができることを新規に見出した。すなわち、本発明は、ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を含有し、周波数１ヘルツにおける誘電率が少なくとも５，０００ファラデー／メートルであることを特徴とする誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法並びにその用途である。

本発明によれば、高い誘電率を有し、簡便な方法でも製造できる誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法を提供することができる。当該成形体は、誘電体として用いることができ、低電圧で駆動可能な部品に適用できるなど、産業上極めて広い範囲に応用できる。

以下、本発明の実施形態の１つについて詳細に説明する。
本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体が含有するペースト加工用ポリ塩化ビニルは、ペースト加工用ポリ塩化ビニルであれば、いずれも使用できる。ペースト加工用ポリ塩化ビニルとは、次のようなものである。すなわち、特殊なポリ塩化ビニルが液状の可塑剤、希釈剤や溶剤中に均一に分散した物を、塩ビペースト又はペーストゾルと称しており、このペーストゾルに用いられる、直径０．０２〜数μｍの空隙のない一次粒子が凝集した直径数十〜１００μｍ程度の二次粒子を有した特殊なポリ塩化ビニルがペースト加工用ポリ塩化ビニルである（「塩ビペースト加工−特徴と応用」（ラバーダイジェスト社刊１９９８年１１月１６日発行）第１１頁〜第１８頁参照）。ペースト加工用ポリ塩化ビニルは、粒子の直径が１００〜１５０μｍである汎用ポリ塩化ビニルとは区別される。

ペースト加工用ポリ塩化ビニルの具体例としては、例えば、東ソー株式会社製リューロンペースト（登録商標）２５０、２００、２４１、Ｔ８０Ａ、７２５、７３３、８６０、８１０、９６０、Ｃ３８、７５０、７５１、８５０、株式会社カネカ社製カネビニールペースト（登録商標）ＰＳＬ−６７５、ＰＳＬ−６８４、ＰＱＢ−８３、ＰＣＨ−１２、ＰＣＨ−１７８、新第一塩ビ株式会社製ＺＥＳＴ（登録商標）Ｐ−２１、ＰＱＢ−８３、ＰＱ−８３、ＰＱＢ−９３等があげられる。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体が含有する可塑剤は、一般的に使用される可塑剤であればすべて使用できる。可塑剤としては、例えば、フタル酸ジ−２−エチルヘキシル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ジイソノニル、フタル酸ジブチルなどのフタル酸エステル類、トリメリット酸トリ−２−エチルヘキシルなどのトリメリット酸類、アジピン酸ジ−２−エチルヘキシル、アジピン酸ジブチル、アジピン酸ジメチル、セバシン酸−２−エチルヘキシルなどの脂肪族二塩基酸エステル類、エポキシ化大豆油などのエポキシ類、りん酸トリクレジルなどのりん酸エステル類、オレイン酸ブチルなどの脂肪酸エステル類、塩素化パラフィンなどの含塩素類、アジピン酸などの二塩基酸と１．２−プロピレングリコールなどのグリコールとのポリエステル化により合成されるポリエステル系等があげられるが、これらのうち、より高い誘電率を得るといった観点から、フタル酸エステル類、脂肪族二塩基酸エステル類が好ましく、アジピン酸エステル類がさらに好ましく、アジピン酸ジブチルが最も好ましい。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体は、ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を含有する。可塑剤の含有量が５０重量部未満では、周波数１ヘルツにおける誘電率が５，０００ファラデー／メートルよりも低くなる。一方、１，４００重量部を超えると柔らかくなりすぎ成形体としての形状を保持できなくなる。より高い誘電率を得るため、可塑剤の含有量は１００〜１，２００重量部が好ましい。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体は、周波数１ヘルツにおける誘電率が少なくとも５，０００ファラデー／メートルであり、例えば周波数１ヘルツにおいて５，０００〜１００万ファラデー／メートルの誘電率を有する。この誘電率が５，０００ファラデー／メートル未満の場合は、電圧を印加した時の駆動性が低くなるため、低電圧で駆動するアクチュエータ等に適用することができない。この誘電率は、例えば、１２９６誘電率測定インターフェースを付属したＳＩ−１２６０インピーダンス／ゲイン−フェイズ分析機（ＭｏｄｅｌＮｏ．ＳＩ−１２６０，Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ，Ｉｎｃ．，Ｆａｒｎｂｏｒｏｕｇｈ，Ｕ．Ｋ．）により測定することができ、具体的には、後述の実施例に一例として示したような条件および手順で測定することができる。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体の製造方法としては、ペースト加工用ポリ塩化ビニルと可塑剤を混合して組成物を構成した後、成形体を形成すればいずれの方法でもよい。例えば、有機溶媒中でペースト加工用ポリ塩化ビニルと可塑剤とを均一に混合した溶液をまず調製し、その後溶液から有機溶媒を揮発させ、続いて乾燥させて成形体を得るといった、溶液キャスト法である。有機溶媒は、ポリ塩化ビニルと可塑剤を溶解することができるものであれば特に限定されないが、テトラヒドロフランのようなエーテル系溶媒が好ましい。

他の方法として、有機溶媒を用いないで、ペースト加工用ポリ塩化ビニルと可塑剤を混合することにより混合物（ペーストゾル）を調製し、続いて加熱して成形体を製造するといった加熱成形法により成形体を製造することができる。特に、加熱成形法は、有機溶媒を使用しなくて済むことに加え、製造工程も簡略化できることから、より好ましい。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体の製造方法では、ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を使用する。可塑剤の使用量が５０重量部未満では、成形体の周波数１ヘルツにおける誘電率が５，０００ファラデー／メートルよりも低くなる。一方、１，４００重量部を超えると柔らかくなりすぎ成形体としての形状を保持できなくなる。より高い誘電率を有した成形体を得るため、可塑剤の使用量は１００〜１，２００重量部が好ましい。
なお、本実施形態の成形体は、後述のとおり、誘電体として用いることができる。そのため、ペースト加工用ポリ塩化ビニルと、当該ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して５０〜１，４００重量部である可塑剤とを含む上述の組成物を誘電体形成用組成物と称することもできる。

これに対して、汎用ポリ塩化ビニルを用いて溶液キャスト法により成形体を製造した場合、得られた成形体の誘電率が５，０００ファラデー／メートルよりも低くなり、当該成形体をアクチュエータとして用いても、低い電圧を印加した場合は成形体が変形せず、その結果当該成形体を含む電圧駆動装置は駆動しない。また、汎用ポリ塩化ビニルを用いて加熱成形法により成形体を製造するために、汎用ポリ塩化ビニルと可塑剤を混合しても、ペーストゾルが得られずに、流動性が悪く、成形体が製造できない。

本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体は、誘電体として、さまざまな用途へ応用できる。具体的には、電圧が印加されることにより駆動する電圧駆動装置において、本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体を含む誘電体を、例えばアクチュエータ等の構成要素の一つとして含むようにすることができ、人工筋肉、繊維として有用であり、また、本実施形態のポリ塩化ビニル系成形体は、キャパシタ、スイッチング器、センサー等のエレクトロデバイスとしても有用である。
本実施形態によれば、周波数１ヘルツにおいて５，０００ファラデー／メートル以上の高い誘電率を有し、簡便な方法によっても製造可能であるポリ塩化ビニル系成形体及びその製造方法を提供することができる。当該成形体は、誘電体として用いることができ、その結果、低電圧で駆動可能な部品へ適用できるようになるなど産業上、極めて広い範囲に応用できる。

次に実施例にもとづき本発明をさらに詳しく説明するが、これらは本発明の理解を助けるための例であって本発明はこれらの実施例により何等の制限を受けるものではない。
なお、これらの実施例で用いた値は以下の測定法に準拠して得られたものである。

＜原料＞
本発明の実施例には以下の原料を使用した。
（１）ペースト加工用ポリ塩化ビニル
東ソー株式会社製リューロンペースト（登録商標）７３３
（２）汎用ポリ塩化ビニル
シグマアルドリッチジャパン株式会社製高分子量（高重合度）グレード（重合度３，７００）
（３）アジピン酸ジブチル
和光純薬工業株式会社製特級
（４）テトラヒドロフラン
和光純薬工業株式会社製特級

＜溶液キャスト法による成形体の調製＞
ポリ塩化ビニル１００重量部に対し、所定量のアジピン酸ジブチル及びテトラヒドロフラン５００重量部をポリエチレン製容器に入れて、７２時間撹拌することにより、均一溶液を調製した。続いて、乾燥後の成形体の厚みが５００μｍとなるように、その溶液をガラス製の平皿容器内にキャストし、室温で１６８時間脱溶媒及び乾燥し、成形体を得た。

＜加熱成形法による成形体の調製＞
ポリ塩化ビニル１００重量部に対し、所定量のアジピン酸ジブチルをポリエチレン製容器に入れて、２４時間撹拌することにより、ペーストゾルを調製した。続いて、乾燥後の成形体の厚みが５００μｍとなるように、ペーストゾルをガラス製の平皿容器内に流し込み、１４０℃で３０分間加熱し、成形体を得た。

＜誘電率＞
製造された成形体を直径１３ｍｍの円形状に裁断し、１２９６誘電率測定インターフェースを付属したＳＩ−１２６０インピーダンス／ゲイン−フェイズ分析機（ＭｏｄｅｌＮｏ．ＳＩ−１２６０，Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ，Ｉｎｃ．，Ｆａｒｎｂｏｒｏｕｇｈ，Ｕ．Ｋ．）において、プラチナ製の平行になった直径１０ｍｍの電極の間にセットし、室温、１００ｍＶ振幅の交流、および周波数１から１０^６Ｈｚの条件下で誘電率を測定し、１Ｈｚの誘電率を得た。

実施例１〜４
表１に示す組成比のペースト加工用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルおよびテトラヒドロフラン５００重量部を用いて、溶液キャスト法により、成形体を得た。成形体を所望のサイズに裁断し、誘電率を測定した。その結果を表１に示す。溶液キャスト法により得られた成形体は、周波数１Ｈｚにおける誘電率が非常に高い値を示した。

比較例１〜２
表２に示す組成比のペースト加工用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルおよびテトラヒドロフラン５００重量部を用いて、溶液キャスト法により、成形体の製造を試みた。成形体が得られた場合は所望のサイズに裁断し、誘電率を測定した。その結果を表２に示す。アジピン酸ジブチルの使用量（含有量）が５０重量部よりも少ない３０重量部である場合は、得られた成形体の周波数１Ｈｚにおける誘電率が実施例と比較して非常に小さくなった。アジピン酸ジブチルの使用量（含有量）が１，５００重量部と多い場合は、成形体が形状を保持できず、成形不可能であった。

比較例３〜８
表３に示す組成比の汎用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルおよびテトラヒドロフラン５００重量部を用いて、溶液キャスト法により、成形体の製造を試みた。成形体が得られた場合は所望のサイズに裁断し、誘電率を測定した。その結果を表３に示す。汎用ポリ塩化ビニルを用いると得られた成形体の誘電率は実施例と比較して非常に小さくなった。アジピン酸ジブチルの使用量（含有量）が１，５００重量部と多い場合は、成形体が形状を保持できず、成形不可能であった。

実施例５〜９
表４に示す組成比のペースト加工用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルを用いて、加熱成形法により、成形体を得た。成形体を所望のサイズに裁断し、誘電率を測定した。その結果を表４に示す。加熱成形法により得られた成形体もまた、実施例１〜４と同様に、周波数１Ｈｚにおける誘電率が非常に高い値を示した。

比較例９〜１０
表５に示す組成比のペースト加工用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルを用いて、加熱成形法により、成形体の製造を試みた。成形体が得られた場合は所望のサイズに裁断し、誘電率を測定した。その結果を表５に示す。アジピン酸ジブチルの使用量（含有量）が３０重量部と少ない場合は、加熱成形法により得られた成形体の周波数１Ｈｚにおける誘電率が実施例と比較して非常に小さくなった。アジピン酸ジブチルの使用量（含有量）が１，５００重量部と多い場合は、ペーストゾルが流れすぎ成形体が形状を保持できず、成形不可能であった。

比較例１１
表６に示す組成比の汎用ポリ塩化ビニルとアジピン酸ジブチルを、ポリエチレン製容器に入れて、２４時間撹拌することにより、ペーストゾルの調製を試みた。しかし、汎用ポリ塩化ビニルがアジピン酸ジブチルを吸収してしまい、ゾル状にはならず、流動性が無く、所望の厚みを有する成形体を得ることができなかった。

本発明の誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体は、誘電体としてさまざまな用途へ応用できる。例えば、電圧駆動装置におけるアクチュエータ等の部品として使用可能であり、本発明のポリ塩化ビニル系成形体を含む誘電体を用いることで、当該部品を低電圧で駆動可能とすることができ、人工筋肉、繊維として有用である。また、本発明のポリ塩化ビニル系成形体は、キャパシタ、スイッチング器、センサー等のエレクトロデバイスとしても有用である。また、本発明のポリ塩化ビニル系成形体を繊維状にして電場駆動する衣料にすることもできる。

Claims

ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を含有し、周波数１ヘルツにおける誘電率が少なくとも５，０００ファラデー／メートルであることを特徴とする、誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体。
ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して、可塑剤５０〜１，４００重量部を混合し、
得られた前記ペースト加工用ポリ塩化ビニルと前記可塑剤との混合物を加熱して成形体を形成することを特徴とする請求項１に記載の誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体の製造方法。
請求項１に記載の誘電体用ポリ塩化ビニル系成形体を含んでなることを特徴とする誘電体。
請求項３に記載の誘電体を構成要素の一つとして含むことを特徴とする電圧駆動装置。
ペースト加工用ポリ塩化ビニルと、当該ペースト加工用ポリ塩化ビニル１００重量部に対して５０〜１，４００重量部である可塑剤とを含むことを特徴とする誘電体形成用組成物。