JP2014100046A - 高分子アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明により、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明は、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成される高分子アクチュエータであって、該ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、かつ３官能性ポリオール成分が該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在し、該活性水素成分を数平均分子量（Ｍｎ）で分類した場合、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するものが、該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在することを特徴とする高分子アクチュエータに関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータに関する。

高分子材料で形成された高分子アクチュエータは、セラミックや金属などの材料で形成されたアクチュエータと比較すると、軽量であり、柔軟性に富むという特徴がある。これらの特徴により、高分子アクチュエータは、センサ、光学スイッチ、ダイヤフラム、点字ディスプレイ、波力発電や踵発電などの発電用途、産業用や介護用のロボット、医療機器などの用途に用いられる、人間が直接、肌で触れても安全に動作することができるアクチュエータとして注目されている。これまでに高分子アクチュエータとして提案されてきたものには、イオン交換膜、導電性高分子、誘電性エラストマー、高分子ゲル、ハイドロゲル、カーボンナノチューブを用いたものなど様々なものがあった。

しかしながら、イオン交換膜、導電性高分子、ハイドロゲルからなるアクチュエータは水やイオンなどの移動により駆動するものであり、空気中での駆動が困難であった。そこで、そのような溶媒の必要のない誘電性エラストマーを用いた高分子アクチュエータが提案されている。しかしながら、誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータは、変形のための駆動電圧が数千Ｖ程度と高いため、実用化には更なる駆動電圧の低下が求められていた。

このため、空気中で駆動可能となる新たな高分子材料として、ポリウレタンエラストマーなどのエラストマーに高誘電性溶媒を添加した高分子アクチュエータが提案された（特許文献１〜２）。

特許文献１には、誘電性のポリウレタン・エラストマーまたは比較的強い双極子モーメントを有する置換基を持つポリウレタン・エラストマーに、誘電性の溶媒を含ませたポリウレタンゲル状物であって、直流電場を印加することによって誘電性の分子あるいは置換基が電場方向に配向し、ゲルの構造が異方的に変化することを特徴とする高速応答ポリウレタンゲル・アクチュエータが記載されている。しかしながら、高誘電性溶媒の使用によって、柔軟性は向上し、低電界駆動は達成できるものの、上記溶媒のような低分子成分の影響により、絶縁破壊強度が低いという問題があった。

特許文献２には、分子中にヘテロ原子を有するエラストマーと、分子中にヘテロ原子を有し該エラストマーと相溶な高誘電率液状化合物と、を含むエラストマー組成物を架橋してなる、アクチュエータ、センサ等のトランスデューサに好適な誘電膜が記載されている。しかしながら、高誘電率液状化合物の使用によって、柔軟性は向上し、低電界駆動は達成できるものの、上記化合物のような低分子成分の影響により、絶縁破壊強度が低いという問題があった。

従って、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する、誘電性エラストマーを用いた高分子アクチュエータが求められている。

特開平６‐８５３３８号公報 特開２０１０‐２１９３８０号公報

本発明は、上記のような従来の高分子アクチュエータの有する問題点を解決し、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記目的を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成される高分子アクチュエータにおいて、上記ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量をベースとした、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量および３官能性ポリオールの配合量を特定範囲内に規定することによって、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータを提供し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成される高分子アクチュエータであって、
該ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、かつ３官能性ポリオール成分が該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在し、
該活性水素成分を数平均分子量（Ｍｎ）で分類した場合、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するものが、該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在することを特徴とする高分子アクチュエータに関する。

更に、本発明を好適に実施するためには、上記ポリウレタンエラストマー成形品が、膨潤度１５〜２５％およびゲル分率５０〜９０％を有することが望ましい。

本発明によれば、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成される高分子アクチュエータにおいて、上記ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量をベースとして、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量を特定範囲内に規定し、かつ３官能性ポリオールの配合量を特定範囲内に規定することによって、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータを提供することを可能としたものである。

高分子アクチュエータに電圧印加する前後の高分子アクチュエータの状態を説明する断面模式図である。 本発明の実施例および比較例の高分子アクチュエータの電界強度（ＭＶ／ｍ）に対する伸張率（％）の関係を示すグラフ図である。

高分子アクチュエータの動作原理を、図１を参照して、以下に説明する。図１の左側に示すのが電圧を印加する前の高分子アクチュエータ１であり、フイルム状に成形されたポリウレタンエラストマー成形品３の両面に電極２が形成されている。図１の右側に示すように、上記電極２に電圧を印加すると、それぞれの電極２における正と負の電荷が引き合い、クーロン力によって、ポリウレタンエラストマー成形品３が圧縮され厚さが減少し、ポリウレタンエラストマー成形品３が面方向に伸張する。

この際に発生する力Ｐとして、厚さ方向の発生力Ｐｚと面方向の発生力Ｐｘｙ、伸張率Ｓとして、厚さ方向の伸張率Ｓｚと面方向の伸張率Ｓｘｙは以下の通りである。

ε_０：真空の誘電率
ε_ｒ：ポリウレタンエラストマー成形品の比誘電率
Ｅ：電界強度
Ｅ＝Ｖ／ｄ（Ｖ：電圧、ｄ：厚さ）
ν：ポアソン比
ν＝Ｓ_ｘｙ／Ｓ_ｚ＝Ｐ_ｘｙ／Ｐ_ｚ
Ｙ：ポリウレタンエラストマー成形品の弾性率

従って、上記式から、高い伸張率Ｓを達成するためには、高い電界強度Ｅ（＝Ｖ／ｄ）、ポリウレタンエラストマー成形品の高い比誘電率および低い弾性率などが必要であることがわかる。本発明の課題である低電界駆動を達成するためには、駆動電圧Ｖを低減することが必要となる。

本発明の高分子アクチュエータは、前述のように、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物（混合液）を反応、硬化させて得られるポリウレタンエラストマー成形品から構成され、顔料、難燃剤、着色防止剤などの添加剤も使用することができる。

本発明の上記ポリウレタンエラストマー組成物に用いられるイソシアネート成分としては、ポリウレタンの分野において公知の化合物を特に限定なく使用できる。例えば、２，４−トルエンジイソシアネート、２，６−トルエンジイソシアネート、２，２’−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−キシリレンジイソシアネート、ｍ−キシリレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジイソシアネート、４，４’−ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート等の脂環式ジイソシアネートが挙げられる。これらは１種で用いても、２種以上を混合しても差し支えない。また、前記イソシアネートは、ウレタン変性、アロファネート変性、ビウレット変性、およびイソシアヌレート変性等の変性化したものであってもよい。

上記ポリイソシアネート成分の市販品として、三井化学株式会社製の「コスモネート Ｔ−８０」、「コスモネート Ｔ−１００」、ＢＡＳＦ ＩＯＮＩＣ ポリウレタン株式会社製の「ルプラネート Ｔ−８０」などが挙げられる。

上記活性水素成分としては、特に限定されないが、ポリエステル系ポリオール、ポリエーテル系ポリオール、ポリカーボネート系ポリオール、ポリブタジエン系ポリオール、ヒマシ油系ポリオール等の高分子ポリオールを好適に用いることができる。また、ポリオールは単独でまたは２種以上組み合わせて使用することができる。本発明に用いることができる活性水素成分としては、弾性率の低減を達成しやすいなどの観点から、ポリエーテル系ポリオールが好ましい。また、そのようなポリエーテル系ポリオールを例に取ると、３官能性ポリオールは、基本的に、塩基性触媒の存在下、開始剤として３価の多価アルコールであるグリセリン、トリメチロールプロパン等に、エチレンオキサイドやプロピレンオキサイドを付加重合させて製造される。

上記ポリエーテル系ポリオールとしては、ポリテトラメチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレンオキサイドとエチレンオキサイドの共重合体および、ポリアクリロニトリル系粒子および、ポリスチレン粒子を含有するポリオール（ＰＯＰ）等が挙げられる。

上記ポリエステル系ポリオールとしては、ポリ（エチレンアジペート）、ポリ（ジエチレンアジペート）、ポリ（プロピレンアジペート）、ポリ（テトラメチレンアジペート）、ポリ（ヘキサメチレンアジペート）、ポリ（ネオペンチレンアジペート）、３−メチル−１，５−ペンタンジオールとアジピン酸からなるポリオール、および、その共重合体または、ε−カプロラクトンを開環重合したカプロラクトンポリオール、カルボン酸成分とグリコール成分からなる共重合体が挙げられる。

上記ポリカーボネート系ポリオールとしては、ポリ（ヘキサンジオールカーボネート）、ポリ（ノナンジオールカーボネート）等が挙げられる。

上記ポリブタジエン系ポリオールとしては、ブタジエンホモポリマー、イソプレンホモポリマー、ブタジエン−スチレンコポリマー、ブタジエン−イソプレンコポリマー、ブタジエン−アクリロニトリルコポリマー、ブタジエン−２−エチルヘキシルアクリレートコポリマー、ブタジエン−ｎ−オクタデシルアクリレートコポリマー等のブタンジエン系ポリマーの末端をヒドロキシル基に変性したものが挙げられる。

上記ヒマシ油系ポリオールとしては、ヒマシ油および変性ヒマシ油（トリメチロールプロパン等の多価アルコールで変性されたヒマシ油等）が挙げられる。

本発明では、上記ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量が、上記ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量の５０〜８０質量％、好ましくは５５〜７５質量％であり、かつ３官能性ポリオールの配合量が上記ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量の５０〜８０質量％、好ましくは５５〜７５質量％であることを要件とする。上記数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量が、上記ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量の５０質量％未満では架橋点間分子量が短くなり、十分な伸張率が得られず、８０質量％を超えるとエラストマーの作製が困難となる場合が多い。上記３官能性ポリオールの配合量が、上記ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量の５０質量％未満ではエラストマーの作製が困難となる場合が多くなり、８０質量％を超えるとエラストマーの弾性率が高くなりすぎ、低電界での駆動が困難になる傾向にある。

上記活性水素成分の市販品の内、上記数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有する活性水素成分として、旭硝子株式会社製の「プレミノール７００１」、「プレミノール７０１２」、「プレミノール４００６」、「プレミノール４０１１」、三井化学株式会社製のアクトコール「ＥＰ−９０１Ｐ」、「ＥＰ−２４０」、「ＳＨＰ−３９００」などが挙げられ、上記３官能ポリオール成分として旭硝子社製の「エクセノール１０３０」、「エクセノール３０３０」、「プレミノール７００１」、「プレミノール７０１２」、三井化学株式会社製のアクトコール「ＥＰ−９０１Ｐ」、「ＥＰ−２４０」、「ＳＨＰ−３９００」などが挙げられる。

上記数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオール成分および上記３官能性ポリオール成分以外のポリオール成分の市販品として、旭硝子株式会社製の「エクセノール１０２０」、「エクセノール２０２０」、「エクセノール３０２０」、三洋化成工業株式会社製のサンニックスＰＰ−２０００、ＰＰ−３０００などが挙げられる。

また、上記ポリイソシアネート成分のイソシアネート基（ＮＣＯ基）と上記活性水素成分の活性水素基（例えば、ＯＨ基）の当量比（ＮＣＯ基／ＯＨ基）は、０．５〜０．９５、好ましくは０．６５〜０．９であることが望ましい。上記当量比（ＮＣＯ基／ＯＨ基）が０．５未満では成形体を作製することが困難な傾向にあり、０．９５を超えると、成形体の弾性率が高くなり、アクチュエータの低電界駆動が達成しにくくなる。

上記ポリウレタン組成物に用いられる触媒としては、公知の触媒を限定なく使用することができるが、トリエチレンジアミン、Ｎ,Ｎ,Ｎ',Ｎ'‐テトラメチルヘキサンジアミン、ビス（２−ジメチルアミノエチル）エーテル等の第３級アミン、オクチル酸錫、ジラウリン酸ジ‐ｎ‐ブチル錫、オクチル酸鉛等の金属触媒を使用することができる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

上記触媒の市販品として、東栄化工株式会社から商品名「ヘキソエート鉛２４％」で市販されているオクチル酸鉛、東ソー株式会社製の「ＴＥＤＡ−Ｌ３３」、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製の「ＮＩＡＸ ＣＡＴＡＬＹＳＴ Ａ１」、花王株式会社製の「カオーライザー ＮＯ．１」、「エアプロダクツ社製の「ＤＡＢＣＯ Ｔ−９」、東栄化工株式会社製の「ＢＴＴ−２４」などが挙げられる。

本発明のポリウレタンエラストマー成形品の製造方法は、成形型を用いる方法や、厚さの小さいものではスペーサーを有する離型処理したフィルム間にポリウレタンエラストマー組成物を挟んで所望の厚さに間隙を制御したニップロールを通す方法を用いることができる。上記成形品のキュア条件としては、温度７０〜１５０℃、好ましくは８０〜１３０℃で１〜２４時間が望ましい。上記成形品のキュア温度が７０℃未満ではポリウレタンエラストマー成形品の硬化性が不十分であり、１５０℃を超えると多量の副生成物が生成してしまう。また、上記成形品のキュア時間が１時間未満ではポリウレタンエラストマー成形品の硬化性が不十分であり、２４時間を超えるとポリウレタンエラストマー成形品が劣化する場合がある。

得られるポリウレタンエラストマー成形品は、所望の形状に作製できるが、薄膜、フィルム、シートであってよく、厚さは０．０１〜１．２ｍｍ、好ましくは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。上記成形品の厚さが０．０１ｍｍ未満ではフィルム内の欠陥を通じて絶縁破壊が起こりやすく、１．２ｍｍを超えると印加される電界強度が低くなり、アクチュエータが駆動しにくくなる。

本発明の上記ポリウレタンエラストマー成形品は、膨潤度１５〜２５％、好ましくは１５〜２０％およびゲル分率５０〜９０％、好ましくは５０〜８０％を有することが望ましい。上記膨潤度が上記範囲内であれば、形状を保持するのに十分な架橋を有しつつ、上記ポリウレタンエラストマー成形品の架橋密度が低くなり、架橋点間分子量のより大きな架橋網目構造を形成することができるとともに、残存した極性基（ＯＨ基）に起因して誘電率が向上して、前述の式で説明したように、伸張率Ｓが大きくなって伸縮率が向上する。上記ポリウレタンエラストマー成形品の膨潤度が１５％未満では成形品の架橋密度が高くなって伸縮率が低下し、２５％を超えると極めて柔軟なエラストマーとなり、絶縁破壊強度が低下する。

上記ゲル分率は、運動性の低い成分の割合を意味するので、上記ゲル分率が上記範囲内であれば、短絡の原因であるキャリアの移動度が低くなって絶縁破壊強度が高くなる。上記ゲル分率が５０％未満では電極間の短絡が起こりやすく、絶縁破壊強度が低下し、９０％を超えると伸縮率や柔軟性が低下する。

本発明において、膨潤度およびゲル分率とは、ポリウレタンエラストマー成形品としての作製したフィルムを幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍに切り出し、室温、トルエン中で７２時間浸漬させて、ゲルを取り出し、１００℃の減圧乾燥器中で恒量になるまで乾燥し、以下の式より求めたものをいう。
膨潤度（％）＝［（Ｗｂ−Ｗａ）／ρ］／（Ｗａ／ｄ）×１００
ゲル分率（％）＝Ｗｃ／Ｗａ×１００
Ｗａ：膨潤前のサンプルの重量、
Ｗｂ：膨潤後の重量、
Ｗｃ：乾燥後のゲルの重量、
ｄ：サンプル密度、
ρ：トルエンの密度（＝０．８６９）

本発明の高分子アクチュエータは、ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成され、上記ポリウレタンエラストマー組成物の固形分質量をベースとして、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量が５０〜８０質量％であり、かつ３官能性ポリオールの配合量が５０〜８０質量％であることを特徴とする。上記のように、架橋構造を形成するために必要である３官能性ポリオールの配合量を規定することによって架橋密度を調整し、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールの配合量を規定することによって架橋点間分子量を調整することによって、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有する高分子アクチュエータを提供しようとするものである。

上記成形品の両面に、電極を形成することにより、高分子アクチュエータを作製することができる。上記電極の材質としては、例えば、金、白金、アルミニウム、銀、銅などの金属、カーボン、カーボンナノチューブまたは、それらを樹脂に分散した導電性樹脂や導電性エラストマーも用いることができる。電極を形成する方法としては、例えば、プラズマＣＶＤ法、イオンスパッタ被覆法、真空蒸着法、スクリーン印刷などを使用することができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
反応容器にポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１、数平均分子量６０００、官能基数３）３６．４質量部、およびポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール３０２０、数平均分子量３０００、官能基数２）５４．５質量部を入れ、撹拌しながら減圧脱水を１時間行った。その後、反応容器内を窒素置換した。そして、反応容器にトリレンジイソシアネート（三井化学株式会社製、Ｔ−８０、２，４−体／２，６−体＝８０／２０の混合物）９．１質量部を添加して、反応容器内の温度を９０℃に保持しながら６時間反応させてイソシアネート末端プレポリマーを合成した。

次に、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）７４．６質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０、数平均分子量１０００）１８．７質量部およびオクチル酸鉛（東栄化工株式会社製、ヘキソエート鉛２４％）０．８質量部の混合液を調製、減圧脱泡した。続いて、前記混合液に前記プレポリマー１００重量を添加し、ハイブリッドミキサー（株式会社キーエンス製）にて混合および脱泡した。この反応液を０．４ｍｍのスペーサーを有する離型処理したポリエチレンテレフタレートフィルム上に滴下し、その上に離型処理したポリエチレンテレフタレートフィルムを被せ、ニップロールにて厚みを０．４ｍｍに調整した。その後、８０℃で１時間キュアを行って、ポリウレタンエラストマーフィルムを得た。

作製したフィルムに２００％の二軸延伸処理を施し、ポリプロピレン製の直径６０ｍｍの枠に固定した。固定されたフィルムに直径１５ｍｍとなるようにカーボングリースを塗布し、アクチュエータ素子を製造した。

（実施例２）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１、数平均分子量６０００）１４９．２質量部およびオクチル酸鉛１．０質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（実施例３）
イソシアネート末端プレポリマー作製時のイソシアネートをトリレンジイソシアネート（三井化学株式会社製、Ｔ−１００、２，４−体＝１００％）とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（実施例４）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７０１２、数平均分子量１００００）９３．２質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０、数平均分子量１０００）２３．３質量部およびオクチル酸鉛０．５質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（実施例５）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）５５．０質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０、数平均分子量１０００）２３．６質量部およびオクチル酸鉛（東栄化工株式会社製、ヘキソエート鉛２４％）０．７質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（実施例６）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）６１．４質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０、数平均分子量１０００）１５．４質量部およびオクチル酸鉛（東栄化工株式会社製、ヘキソエート鉛２４％）０．７質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例１）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）５２．２質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０）１３．１質量部、フタル酸ジオクチル（三協化学株式会社製、ＤＯＰ）３８５．７質量部およびオクチル酸鉛０．７質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例２）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）５２．２質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０）１３．１質量部、フタル酸ジオクチル（三協化学社株式会社）２９．２質量部およびオクチル酸鉛０．８質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例３）
トリレンジイソシアネート（三井化学株式会社製、Ｔ−１００）１４．８質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール３０３０、数平均分子量３０００、官能基数３）４２．６質量部、およびポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール２０２０、数平均分子量２０００、官能基数２）４２．６質量部を用いてイソシアネート末端プレポリマーを作製し、このプレポリマー１００質量部にポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール２０２０）８９．７質量部およびオクチル酸鉛０．８質量部の混合物を加えた以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例４）
トリレンジイソシアネート（三井化学株式会社製、Ｔ−１００）１４．８質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール３０３０、数平均分子量３０００、官能基数３）４２．６質量部、およびポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール２０２０、数平均分子量２０００、官能基数２）４２．６質量部を用いてイソシアネート末端プレポリマーを作製し、このプレポリマー１００質量部にポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール３０３０）１４２．１質量部およびオクチル酸鉛１．０質量部の混合物を加えた以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例５）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）２９．９質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０）２９．９質量部およびオクチル酸鉛０．７質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例６）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノール７００１）５２．２質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０）１３．１質量部およびオクチル酸鉛０．７質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

（比較例７）
ポリウレタンエラストマーフィルム作製時の混合液をポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、プレミノールＳ３０１５、数平均分子量１５０００、官能基数３）３７２．４質量部、ポリプロピレングリコール（旭硝子株式会社製、エクセノール１０２０）１５．４質量部およびオクチル酸鉛２．０質量部とした以外は実施例１と同様にしてポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータを作製した。

表１に実施例１〜６のプレポリマー配合、表２に比較例１〜４のプレポリマー配合および表３に比較例５〜７のプレポリマー配合を、表４に実施例１〜３のエラストマー配合、表５に実施例４〜６のエラストマー配合、表６に比較例１〜４のエラストマー配合および表７に比較例５〜７のエラストマー配合を質量部単位でまとめて示した。上記のように得られたポリウレタンエラストマーフィルムアクチュエータの膨潤度、ゲル分率、伸張率および絶縁破壊強度を測定し、その結果を表４〜７に示す。伸張率に関しては図２にも結果を示す。試験方法は以下の通りである。

（試験方法）
（１）膨潤度、ゲル分率
作製したフィルムを幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍに切り出し、室温、トルエン中で７２時間浸漬させた。その後、ゲルを取り出し、１００℃の減圧乾燥器中で恒量になるまで乾燥した。膨潤度、ゲル分率は以下の式より求めた。
膨潤度（％）＝［（Ｗｂ−Ｗａ）／ρ］／（Ｗａ／ｄ）×１００
ゲル分率（％）＝Ｗｃ／Ｗａ×１００
Ｗａ：膨潤前のサンプルの重量、
Ｗｂ：膨潤後の重量、
Ｗｃ：乾燥後のゲルの重量、
ｄ：サンプル密度、
ρ：トルエンの密度（＝０．８６９）

（２）伸張率、絶縁破壊強度
製造したアクチュエータ素子を、銅箔を介して直流高圧電源（松定プレシジョン株式会社製、ＨＪＰＭ−５Ｒ０．６−ＳＰ）に繋ぎ、印加電圧に対する伸張率の変化を測定した。表には、２０ＭＶ／ｍの値を示す。また、この試験においてアクチュエータ素子が短絡した時の電界強度を絶縁破壊強度とした。なお、伸張率は以下の式より求めた。
伸張率（％）＝［√（Ｓ_２／Ｓ_１−１）］×１００
Ｓ_１：伸張前のフィルム面積
Ｓ_２：電圧印加後のフィルム面積

（注１）三井化学株式会社から商品名「コスモネート Ｔ−８０」で市販の２,４−体/２,６−体の比＝８０／２０のトリレンジイソシアネート
（注２）三井化学株式会社から商品名「コスモネート Ｔ−１００」で市販の２,４-トリレンジイソシアネート
（注３）旭硝子株式会社から商品名「エクセノール１０２０」で市販されている２官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）１０００
（注４）旭硝子株式会社から商品名「エクセノール２０２０」で市販されている２官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）２０００
（注５）旭硝子株式会社から商品名「エクセノール３０２０」で市販されている２官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）３０００
（注６）旭硝子株式会社から商品名「エクセノール３０３０」で市販されている３官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）３０００
（注７）旭硝子株式会社から商品名「プレミノール７００１」で市販されている３官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）６０００
（注８）旭硝子株式会社から商品名「プレミノール７０１２」で市販されている３官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）１００００
（注９）旭硝子株式会社から商品名「プレミノールＳ３０１５」で市販されている３官能性ポリエーテルポリオール；数平均分子量（Ｍｎ）１５０００
（注１０）東栄化工株式会社から商品名「ヘキソエート鉛２４％」で市販されているオクチル酸鉛
（注１１）三協化学株式会社から商品名「ＤＯＰ」で市販されているフタル酸ジオクチル
（注１２）ＮＣＯ ｉｎｄｅｘ：(ＮＣＯ基の当量)／（活性水素基の当量）
＊：絶縁破壊。
＊＊：試料片が作製できず測定不可。

表４〜７に示した結果から明らかなように、実施例１〜６の本発明の高分子アクチュエータは、比較例１〜７の従来の高分子アクチュエータに比べて、伸張率および絶縁破壊強度が非常に高いものであった。

これに対して、比較例１および２の高分子アクチュエータは、可塑剤としてのフタル酸ジオクチルのような低分子成分の影響により、絶縁破壊強度が非常に低いものであった。

比較例３の高分子アクチュエータは、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールを含有せず、３官能性ポリオールの配合量が非常に少ないため、架橋点間分子量が小さく、架橋密度が高くなって伸張率が非常に低いものとなった。

比較例４の高分子アクチュエータは、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールを含有しないため、架橋点間分子量が小さく、架橋密度が高くなって、伸張率が小さいものとなった。

比較例５の高分子アクチュエータは、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するポリオールおよび３官能性ポリオールの配合量が非常に少なく、膨潤度が高いため軟らかくなり過ぎて、ゲル分率が低いため電極間の短絡が起こりやすくて、絶縁破壊強度が非常に低いものとなった。

比較例６の高分子アクチュエータは、膨潤度が低いため成形品の架橋密度が高くなって、またゲル分率が高いため、伸張率が非常に低いものとなった。

比較例７の高分子アクチュエータは、硬化時に用いたポリオールの数平均分子量（Ｍｎ）が高かったため、極めて反応性が低く、エラストマー成形品の作製が困難であり、特性の測定や評価ができなかった。

本発明の高分子アクチュエータは、柔軟性および伸張率に優れ、低電界であっても駆動が可能であり、かつ高い絶縁破壊強度を有するため、センサ、光学スイッチ、ダイヤフラム、点字ディスプレイ、波力発電や踵発電などの発電用途、産業用や介護用のロボット、医療機器などの用途に用いることができる。

１ … 高分子アクチュエータ
２ … 電極
３ … ポリウレタンエラストマー成形品

Claims (2)

1. ポリイソシアネート成分、活性水素成分および触媒を含有するポリウレタンエラストマー組成物から形成されるポリウレタンエラストマー成形品から構成される高分子アクチュエータであって、
   該ポリウレタンエラストマー組成物中の活性水素成分が、２官能性ポリオール成分および３官能性ポリオール成分を含有し、かつ３官能性ポリオール成分が該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在し、
   該活性水成分を数平均分子量（Ｍｎ）で分類した場合、数平均分子量（Ｍｎ）５，０００〜１２，０００を有するものが、該ポリウレタンエラストマー組成物の質量の５０〜８０質量％の量で存在することを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 前記ポリウレタンエラストマー成形品が、膨潤度１５〜２５％およびゲル分率５０〜９０％を有する、請求項１記載の高分子アクチュエータ。

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