JP2017066318A - ポリロタキサンを含む組成物及びその利用物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリロタキサンを含む組成物は、環状分子にシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子にポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基を配置してなるポリロタキサン(A)、ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)、及びポリシロキサンを含有しない重合体(C)を有する。同組成物からなる硬化体は、複数のポリロタキサン(A)の環状分子間が架橋部で結合され、架橋部の少なくとも一部がポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)である。電極層付誘電体シートは、同硬化体からなる硬化膜が誘電体として用いられ、同硬化膜の両面にそれぞれ電極層が付けられてなる。アクチュエータは、同電極層付誘電体シートが用いられたものである。
【選択図】図1
Description
本発明のポリロタキサンを含む組成物は、環状分子にシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子にポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基を配置してなるポリロタキサン(A)、ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)、及びポリシロキサンを含有しない重合体(C)を有することを特徴とする。
本発明によれば、複数のポリロタキサン(A)のシクロデキストリン間が架橋部で結合される際、架橋部の少なくとも一部がポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)となるので、ポリシロキサン(シリコーン成分)の高含有が可能になる。その高含有のシリコーン成分により、硬化体(架橋体)が疎水化することで、水分子が混入しにくくなり、加水分解反応等の発生が抑制され、耐湿性が向上する。また、ポリシロキサンを含有しない重合体(C)は、ポリロタキサンとの相溶性が高く、これを含むことで高誘電率と低弾性を実現することができる。
上記[1]の発明及びその好ましい例に係る組成物からなる硬化体であって、複数のポリロタキサン(A)の環状分子間が架橋部で結合され、架橋部の少なくとも一部がポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)である硬化体。
上記[2]の発明に係る硬化体からなる硬化膜。
上記[3]の硬化膜が誘電体として用いられ、同硬化膜の両面にそれぞれ電極層が付けられてなる電極層付誘電体シート。
上記[4]の発明及びその好ましい例に係る電極層付誘電体シートが用いられたアクチュエータ。
(a)ポリロタキサン(A)
環状分子に含有されるシクロデキストリンとしては、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリンを例示できる。シクロデキストリンの−OH基の一部を、他の基、例えば−SH、−NH2、−COOH、−SO3H、−PO4H等で置換してもよいし、上記のとおり、グラフト鎖(例えばラクトンモノマーの開環重合からなるグラフト鎖)を有する置換基で置換してもよい。環状分子には、シクロデキストリンとともに、他の環状分子が含有されていてもよい。他の環状分子としては、クラウンエーテル、シクロファン、カリックスアレーン、ククルビットウリル、環状アミド等を例示できる。
ポリシロキサンとしては、特に限定されないが、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、側鎖の一部が変性したポリジメチルシロキサンなどを例示できる。
ポリシロキサンを含有するブロック共重合体としては、特に限定されないが、ポリカプロラクトン-ポリシロキサンブロック共重合体、ポリアジペート-ポリシロキサンブロック共重合体、ポリエチレングリコール-ポリシロキサンブロック共重合体などを例示できる。
ポリシロキサンを含有するブロック共重合体として好ましいものは、上記手段の項で説明したとおりである。
ポリシロキサンを含有しない重合体としては、特に限定されないが、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、ポリエチレンアジペート、ポリブチレンアジペート、これらの共重合体などを例示できる。
ポリシロキサンを含有しない重合体として好ましいものは、上記手段の項で説明したとおりである。
硬化体の形状としては、特に限定されないが、線状、短冊状、膜状(上記硬化膜)、リング状、棒状、塊状等を例示できる。硬化体の寸法は、特に限定されない。
硬化膜の寸法は、特に限定されない。アクチュエータ用の硬化膜の場合、硬化膜の厚さは0.02〜0.1mmが好ましい。0.02mm未満だと、成形品のハジキが発生する。0.1mmを超えると、変形しづらい。
電極層としては、特に限定されないが、硬化膜の両面に、白金やカーボン等の導電性粒子が分散されているシリコーンや天然ゴム等の導電性高分子液を塗布し硬化させることにより形成した伸縮性のある電極層を例示できる。
電極層付誘電体シートの物性として好ましいものは、上記手段の項で説明したとおりである。
アクチュエータにおける電極層付誘電体シートの用い方としては、特に限定されないが、電極層付誘電体シートを渦巻き状に複数回(例えば6回)ロールさせて円筒状としたものや、電極層付誘電体シートを波状に湾曲させて折り畳んだカーテン状としたもの等を例示できる。
<1>ポリロタキサン(A)の作製
<2>ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)の作製
<3>ポリシロキサンを含有しない重合体(C)の作製
<4>組成物の作製
<5>硬化膜の作製
<6>硬化膜の物性測定
<7>物性測定用の電極層付誘電体シートの作製と物性測定
<8>アクチュエータ用の電極層付誘電体シートの作製
<9>アクチュエータの作製
まず、環状分子にシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子にポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基を配置してなるポリロタキサンとして、国際公開第2005/080469号(特許文献1)に開示された、ヒドロキシプロピル基で修飾されたポリロタキサン(以下、「HAPR」と略記することがある。)を調製した。
次の2段階で行った。
両末端カルビノール変性ポリジメチルシロキサン(100g)とε−カプロラクトン(200g)を500mlの三口ナスフラスコに加えた後、110℃のオイルバス中で窒素気流化、2時間撹拌した。この溶液に2−エチルヘキサン酸スズ(200mg)を加えた後、130℃のオイルバス中で窒素気流化、6時間撹拌してポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサン(PDMS)−ポリカプロラクトンのブロック共重合体B'を得た。このブロック共重合体B'の構造を、図1の二段目に模式的に示す。
三口ナスフラスコにタケネート600(31.6g、三井化学製)を加えた後、80℃のオイルバス中で窒素気流化撹拌した。この溶液にトルエン(152.69g)に溶解させた上記ポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサン−ポリカプロラクトンのブロック共重合体B'(152.69g)溶液を2時間かけてゆっくりと滴下した後、更に2時間撹拌した。反応後、室温まで液温を低下させた後、2−ブタノンオキシム(22.87g)を液温が60℃以上にならないようにゆっくりと滴下した。滴下終了後、室温下で更に3時間撹拌して末端ブロックイソシアネート基を有するポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサン−ポリカプロラクトンのブロック共重合体Bを得た。このブロック共重合体Bの構造を、図1の三段目に模式的に示す。
三口ナスフラスコにタケネート600(91.57g、三井化学製)を加えた後、80℃のオイルバス中で窒素気流化撹拌した。この溶液にポリプロピレングリコール700、ジオール型(110g)を2時間かけてゆっくりと滴下した後、更に2時間撹拌した。反応後、室温まで液温を低下させた後、2−ブタノンオキシム(76.58g)を液温が60℃以上にならないようにゆっくりと滴下した。滴下終了後、室温下で更に8時間撹拌して末端ブロックイソシアネート基を有するポリプロピレングリコールCを得た。このポリプロピレングリコールCの構造を、図1の四段目に模式的に示す。
上記のポリロタキサン(HAPR−g−PCL)A、上記ポリシロキサンを含有するブロック共重合体B、上記ポリシロキサンを含有しない重合体C、及びその他の成分により、次の表1に示す配合(配合数値は質量部)で、実施例1,2,3の組成物を作製した。また、上記ブロック共重合体Bを用いない比較例1と、同じく上記ブロック共重合体Bを用いない変わりにPDMSジオールを用いた比較例の組成物も作製した。
上記<4>で作製した組成物の溶液を、よく脱泡してから、ポリプロピレンシートにスリットダイコータ法により塗布した後、130℃のオーブン内に減圧条件下で5時間おいて硬化させ、ポリプロピレンシートより剥離し、厚さ0.05mmの硬化膜を作製した。硬化膜は、赤外分光法により、HAPR−g−PCLのOH基に由来するピークの減少から、HAPR−g−PCLのOH基が、末端ブロックイソシアネート基を有するポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサン−ポリカプロラクトンのブロック共重合体のイソシアネート基と反応し、架橋が形成されたことを確認した。 硬化膜は、その面に沿う方向へ弾性変形する伸縮性を備えていた。この硬化膜の構造を、図2に模式的に示す。
上記<5>で作製した硬化膜(架橋体)の作製直後のものと、温度60℃、相対湿度(RH)90%の環境下に100時間おいた後のものと、同環境下に500時間おいた後のものについて、以下の方法で常温常湿における絶縁破壊電界強度を測定した。測定値を上記の表1に示す。
図3に示すように、設置側の円板電極21に硬化膜1を貼り付け、硬化膜1に円柱電極22を載せ、この際に硬化膜1と各電極21,22との間に空気泡が極力残らないように留意し、さらに真空装置により脱気処理した。これを常温常湿下で絶縁破壊測定器にセットし、電源装置23により電極21,22間に昇圧速度10V/0.1秒で上昇するよう電圧を印加した。そして、電流が実質的に流れない絶縁状態を経て、電流が1.2μA以上となった時点の電圧から絶縁破壊電界強度(V/μm)を求めた。常温とは20±15℃であり、常湿とは65±20%である(JIS−8703、本明細書において同じ)。
図4(a)に示すように、上記<5>で作製直後の硬化膜1の両面に、それぞれ直径20mmの穴が空いたマスク(図示略)を当てがい、各穴内の両面にカーボン粒子を分散させたシリコンゴムの有機溶媒溶液をスプレー塗布して架橋硬化させることにより、厚さ0.02mmの電極層2,3を形成し、物性測定用の電極層付誘電体シート4’を作製した。そして、電極層2,3を形成した直後の電極層付誘電体シート4’と、同じく電極層2,3を形成してから温度60℃、相対湿度(RH)90%の環境下に500時間おいた後の電極層付誘電体シート4’について、以下の方法で常温常湿における絶縁破壊電界強度測定した。測定値を上記表1に示す。
図4(b)に示すように、穴24のあるポリカーボネート性の基板25を用意し、電極層2,3を穴24の内側に位置させて、同電極周囲の硬化膜1を基板25に接着剤で接着した。電源装置23により電極層2,3間に昇圧速度10V/0.1秒で上昇するよう電圧を印加した。そして、上記<6>と同様にして絶縁破壊電界強度(V/μm)を求めた。
上記<5>で作製した伸縮性の硬化膜を用いて、特許第5247123号公報(特許文献3)に開示された構造のアクチュエータに用いる電極層付誘電体シートを作製した。
図5に示すように、上記厚さ0.05mmの硬化膜1の両面に、上記<7>と同様のカーボン粒子を分散させたシリコンゴムの有機溶媒溶液をスリットダイコータ法により塗布して架橋硬化させることにより、厚さ0.02mmの伸縮性のある電極層2,3を形成し、さらに電極層2,3を伸縮性のある絶縁層(図示略)で覆って、伸縮性のある電極層付誘電体シート4を作製した。この電極層付誘電体シート4が後述するアクチュエータ10に用いられたとき、一方の電極層2にはプラス側が接続され、他方の電極層3にはマイナス側が接続される。電極層付誘電体シート4は、誘電体層である硬化膜1が、電極層2,3への電圧印加に応じてその面に沿う方向へ弾性的に伸長変形し、電圧印加の停止に応じて元の状態に復元することにより、往復運動する。
上記<8>で作製した電極層付誘電体シート4を、図6(a)に示すように、渦巻き状に複数回(図示例では6回)ロールさせて円筒状とし、電極層付誘電体シート4の中心線方向両端部の内周面にそれぞれナット5,6を固定するとともに、電極層付誘電体シート4の内部にコイルスプリング7をその弾性力によりナット5,6が互いに離れる方向に付勢されるように配置して、アクチュエータ10を作製した。従って、アクチュエータ10は、電極層付誘電体シート4の中心線方向に伸びるようコイルスプリング7の弾性力により付勢されていることになる。そして、アクチュエータ10は、電極層2,3へ電圧印加すると、前述したとおり電極層付誘電体シート4が弾性的に伸長変形することにより、図6(a)から(b)の変化で示すように伸長し、電圧印加を停止すると、前述したとおり電極層付誘電体シート4が復元することにより、図6(a)に示すように元の状態に戻る。アクチュエータ10は、この変位量を、ナット5,6に接続した被駆動体(図示略)の駆動に利用するものである。
2 電極層
3 電極層
4’ 物性測定用の電極層付誘電体シート
4 アクチュエータ用の電極層付誘電体シート
5 ナット
6 ナット
7 コイルスプリング
10 アクチュエータ
21 円板電極
22 円柱電極
23 電源装置
24 穴
25 基板
上記のポリロタキサン(HAPR−g−PCL)A、上記ポリシロキサンを含有するブロック共重合体B、上記ポリシロキサンを含有しない重合体C、及びその他の成分により、次の表1に示す配合(配合数値は質量部)で、実施例1,2,3の組成物を作製した。また、上記ブロック共重合体Bを用いない比較例1と、同じく上記ブロック共重合体Bを用いない代わりにPDMSジオールを用いた比較例2の組成物も作製した。
図4(a)に示すように、上記<5>で作製直後の硬化膜1の両面に、それぞれ直径20mmの穴が空いたマスク(図示略)を当てがい、各穴内の両面にカーボン粒子を分散させたシリコンゴムの有機溶媒溶液をスプレー塗布して架橋硬化させることにより、厚さ0.02mmの電極層2,3を形成し、物性測定用の電極層付誘電体シート4’を作製した。そして、電極層2,3を形成した直後の電極層付誘電体シート4’と、同じく電極層2,3を形成してから温度60℃、相対湿度(RH)90%の環境下に500時間おいた後の電極層付誘電体シート4’について、以下の方法で常温常湿における絶縁破壊電界強度測定した。測定値を上記表1に示す。
図4(b)に示すように、穴24のあるポリカーボネート製の基板25を用意し、電極層2,3を穴24の内側に位置させて、同電極周囲の硬化膜1を基板25に接着剤で接着した。電源装置23により電極層2,3間に昇圧速度10V/0.1秒で上昇するよう電圧を印加した。そして、上記<6>と同様にして絶縁破壊電界強度(V/μm)を求めた。
Claims (13)
- 環状分子にシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子にポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基を配置してなるポリロタキサン(A)、
ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)、及び
ポリシロキサンを含有しない重合体(C)
を含む組成物。 - 上記ポリロタキサン(A)は、シクロデキストリンの水酸基の少なくとも一部がグラフト鎖を有する置換基で置換されたものである請求項1記載の組成物。
- 上記グラフト鎖は、ラクトンモノマーの開環重合からなる請求項2記載の組成物。
- 上記ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)は、末端にブロックイソシアネート基を有するものである請求項1、2又は3記載の組成物。
- 上記ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)は、ポリエステル−ポリシロキサンのブロック共重合である請求項1、2、3又は4記載の組成物。
- 上記ポリエステル−ポリシロキサンブロック共重合体は、ポリカプロラクトン−ポリジメチルシロキサンブロック共重合体である請求項5記載の組成物。
- 上記ポリシロキサンを含有しない重合体(C)は、末端にブロックイソシアネート基を有するものである上記請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
- 上記ポリシロキサンを含有しない重合体(C)は、ポリエーテル及びポリエステルから選択された少なくとも一種の共重合体である請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の組成物からなる硬化体であって、複数のポリロタキサン(A)の環状分子間が架橋部で結合され、架橋部の少なくとも一部がポリシロキサンを含有するブロック共重合体(B)である硬化体。
- 請求項9記載の硬化体からなる硬化膜。
- 請求項10記載の硬化膜が誘電体として用いられ、同硬化膜の両面にそれぞれ電極層が付けられてなる電極層付誘電体シート。
- 作製直後の硬化膜に電極層を付けられてなる電極層付誘電体シートの常温常湿における絶縁破壊電界強度に対し、温度60℃、相対湿度90%の環境下に500時間おいた後の電極層付誘電体シートの常温常湿における絶縁破壊電界強度が90%以上である請求項11記載の電極層付誘電体シート。
- 請求項11又は12記載の電極層付誘電体シートが用いられたアクチュエータ。
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