JP2019006887A - Dielectric body particle-containing dielectric elastomer and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は誘電エラストマートランスデューサに用いる誘電性材料に関し、詳しくは、強誘電性材料であるチタン酸バリウムを誘電エラストマーなどの誘電性高分子ポリマーに分散させることで絶縁耐圧性を向上させ、漏れ電流を少なくするとともに、劣化を防止して耐久性を向上させた誘電エラストマートランスデューサに用いる誘電エラストマー材料の技術に関する。 The present invention relates to a dielectric material used for a dielectric elastomer transducer, and more specifically, by dispersing barium titanate, which is a ferroelectric material, in a dielectric polymer polymer such as a dielectric elastomer, the dielectric strength is improved and leakage current is reduced. The present invention relates to a technique of a dielectric elastomer material used for a dielectric elastomer transducer which is reduced and has improved durability by preventing deterioration.
従来から、誘電エラストマートランスデューサの研究開発が進められている。係る誘電エラストマートランスデューサは、2つの電極間に誘電エラストマーを挟んだ構造を有し、この2つの電極間に電圧を印加すると電極同士をクーロン力で引き合わされ、誘電エラストマーが伸張し、印加を止めることによって収縮させる動作を利用するものであり、電気的エネルギーを機械的エネルギーへと変換する変換器である。近年では人工筋肉などにも利用されるようになり、今後、益々利用の途は広がりを見せる技術といえる。 Conventionally, research and development of dielectric elastomer transducers has been promoted. Such a dielectric elastomer transducer has a structure in which a dielectric elastomer is sandwiched between two electrodes. When a voltage is applied between the two electrodes, the electrodes are attracted to each other by Coulomb force, and the dielectric elastomer expands to stop the application. This is a converter that uses the action of contracting by the electric energy and converts electrical energy into mechanical energy. In recent years, it has come to be used for artificial muscles and the like, and it can be said that it will be used more and more in the future.
しかしながら、誘電エラストマートランスデューサの性能は、誘電エラストマーの伸縮量や伸縮力に大きく影響され、大きな機械的エネルギーを得るためには高い電圧の印加が必要となり、耐久性や漏れ電流の問題が生じている。また、誘電率を高くしても、電極への電圧印加による誘電エラストマーの伸びがあまり増加せず、場合によっては却って減少することもある。 However, the performance of dielectric elastomer transducers is greatly affected by the amount of expansion and contraction of the dielectric elastomer, and it is necessary to apply a high voltage to obtain a large mechanical energy, resulting in problems of durability and leakage current. . Even if the dielectric constant is increased, the elongation of the dielectric elastomer due to the application of voltage to the electrode does not increase so much, and in some cases, it may decrease.
そこで、このような問題を解決すべく、従来からも種々の技術が提案されている。例えば、特許文献1には、発明の名称を「誘電アクチュエータ」とする技術が開示されている(特許文献1参照)。具体的には、「印加電圧に対する変異量の大きな誘電アクチュエータを提供する」ことを課題とし、その解決手段は、「弾性高誘電材料部が弾性絶縁材料部によって挟持されており、さらにその外側から電極で挟持された構造となり、弾性高誘電材料部の基材はシリコーンゴムからなり、導電性を付与するためにグラファイト粉が混合されている」というものである。 Therefore, various techniques have been proposed in the past to solve such problems. For example, Patent Document 1 discloses a technique in which the name of the invention is “dielectric actuator” (see Patent Document 1). Specifically, the object is to “provide a dielectric actuator having a large variation amount with respect to an applied voltage”, and the solution thereof is “an elastic high dielectric material portion is sandwiched between elastic insulating material portions and further from the outside. It has a structure sandwiched between electrodes, and the base material of the elastic high dielectric material portion is made of silicone rubber, and graphite powder is mixed to impart conductivity ”.
また、特許文献2には、発明の名称を「誘電膜およびそれを用いたトランスデューサ」とする技術が公開されている(特許文献2参照)。具体的には、「柔軟で比誘電率が大きく薄膜化しても絶縁破壊度が大きい誘電膜を提供する」ことを課題とし、エラストマーと誘電粒子とを含み、基準直線当りの平均個数と、各粒子の大きさの平均値と、単位領域当りのエラストマーの面積割合を特定するものである。 Patent Document 2 discloses a technique in which the name of the invention is “dielectric film and transducer using the same” (see Patent Document 2). Specifically, the object is to “provide a flexible dielectric film having a high dielectric constant and a high dielectric breakdown even if the dielectric constant is large, and includes an elastomer and dielectric particles. The average value of the particle size and the area ratio of the elastomer per unit area are specified.
また、特許文献3には、発明の名称を「絶縁性組成物、絶縁性物品、それらの調整方法及び電気ケーブルアクセサリ」とする技術が開示さている(特許文献3参照)。具体的には、「約70〜100体積部のポリマー材料と、約5〜30体積部のセラミック充填剤と、約0.1〜5体積部の架橋剤と、約0〜6体積部の導電性粉末と、約0〜6体積部のZnOウィスカーと、を含み、前記セラミック充填剤が、該セラミック充填剤の約0.1wt%〜約4wt%の量の二官能性カップリング剤で表面処理されている」というものである。 Patent Document 3 discloses a technique in which the name of the invention is “insulating composition, insulating article, adjustment method thereof, and electrical cable accessory” (see Patent Document 3). Specifically, “about 70 to 100 parts by volume of polymer material, about 5 to 30 parts by volume of ceramic filler, about 0.1 to 5 parts by volume of crosslinking agent, and about 0 to 6 parts by volume of conductive material. Surface treatment with a bifunctional coupling agent in an amount of about 0.1 wt% to about 4 wt% of the ceramic filler. It has been said.
しかしながら、上記何れに記載された文献も、誘電エラストマーに誘電体粒子を混合して誘電率を大きくする技術であるが、誘電体粒子を誘電エラストマーに混合させると誘電エラストマーが硬くなって伸張し難くなり、場合によっては却って伸縮量が減少するという問題もあり、前記何れの先行技術も解決には至っていない。 However, any of the documents described above is a technique for increasing dielectric constant by mixing dielectric particles with dielectric elastomer. However, when dielectric particles are mixed with dielectric elastomer, the dielectric elastomer becomes hard and hardly stretched. In some cases, the amount of expansion and contraction is reduced, and none of the prior arts have been solved.
本発明は、従来における課題解決のために誘電率を向上させるといったことは主たる目的とせず、絶縁耐電圧性能を向上させるとともに、漏れ電流を減少させることによって、耐久性と効率を向上させた誘電エラストマートランスデューサ用の誘電エラストマー材料の提供を課題とするものである。 The present invention does not have the main purpose of improving the dielectric constant in order to solve the conventional problems, but improves the dielectric breakdown voltage performance and reduces the leakage current, thereby improving the durability and efficiency. An object of the present invention is to provide a dielectric elastomer material for an elastomer transducer.
本発明は、誘電エラストマートランスデューサに用いられる誘電エラストマーに、有機分散剤により表面修飾した誘電体粒子を分散状態で含有させた構成を採用する。 The present invention employs a configuration in which dielectric particles surface-modified with an organic dispersant are contained in a dispersed state in a dielectric elastomer used in a dielectric elastomer transducer.
また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記誘電体粒子がチタン酸バリウムである構成を採用することもできる。 The present invention can also employ a configuration in which the dielectric particles contained in a dispersed state in the dielectric elastomer are barium titanate.
また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記チタン酸バリウムの粒径が5nmから500nmであり、平均粒径を50nmとした構成を採用することもできる。 The present invention may also employ a configuration in which the barium titanate contained in the dielectric elastomer in a dispersed state has a particle diameter of 5 nm to 500 nm and an average particle diameter of 50 nm.
また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記チタン酸バリウムの配合比率が1.0wt%から50.0wt%の範囲内である構成を採用することもできる。 In addition, the present invention may employ a configuration in which the blending ratio of the barium titanate contained in a dispersed state in the dielectric elastomer is in the range of 1.0 wt% to 50.0 wt%.
また、本発明は、チタン酸バリウムと、表面活性剤と、有機分散剤と、有機溶媒と、を混合してチタン酸バリウムスラリーを得る混合工程と、該混合工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーに超音波による衝撃を与えて分散の均一化を図る超音波処理工程と、該超音波処理工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーを誘電エラストマーに配合する配合工程と、前記配合工程により得られた前記チタン酸バリウムスラリーを乾燥する乾燥工程とからなる手段を採用することもできる。 The present invention also includes a mixing step of mixing a barium titanate, a surfactant, an organic dispersant, and an organic solvent to obtain a barium titanate slurry, and the barium titanate obtained in the mixing step. Obtained by an ultrasonic treatment step for applying an ultrasonic shock to the slurry to make the dispersion uniform, a blending step for blending the barium titanate slurry obtained in the ultrasonic treatment step with a dielectric elastomer, and the blending step. A means comprising a drying step of drying the obtained barium titanate slurry may be employed.
また、本発明は、前記混合工程における混合条件が、ビーズミルを用い、5mm以下のビーズを使用し、アジテータの周速が3m/sから15m/sで行なう手段を採用することもできる。 Further, the present invention may employ a means in which the mixing condition in the mixing step uses a bead mill, uses beads of 5 mm or less, and the peripheral speed of the agitator is 3 m / s to 15 m / s.
また、本発明は、前記超音波処理工程による分散処理が周波数を18kHzから200kHzの超音波を10秒以上照射させる手段を採用することもできる。 The present invention can also employ means for irradiating ultrasonic waves having a frequency of 18 kHz to 200 kHz for 10 seconds or more in the dispersion processing by the ultrasonic processing step.
本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法によれば、誘電エラストマーにチタン酸バリウム等の誘電体粒子が含まれることで絶縁耐電圧性能を向上させ、従来の誘電エラストマーと比較して耐久性の大幅な向上を図ることを可能とする有利な効果を発揮するものである。 According to the dielectric particle-containing dielectric elastomer and the manufacturing method thereof according to the present invention, the dielectric elastomer contains dielectric particles such as barium titanate, thereby improving the dielectric withstand voltage performance, compared to the conventional dielectric elastomer. It exhibits an advantageous effect that makes it possible to significantly improve durability.
また、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法によれば、前記絶縁耐電圧性を向上させることによって、より低い電圧で誘電エラストマーの伸縮力を得ることが可能となるため、漏れ電流を小さく抑えることが可能となり、エネルギーの変換効率も向上するといった有利な効果を発揮するものである。 In addition, according to the dielectric particle-containing dielectric elastomer and the method for producing the same according to the present invention, it is possible to obtain the expansion and contraction force of the dielectric elastomer at a lower voltage by improving the insulation voltage resistance. This makes it possible to suppress the current to a small value and to exhibit advantageous effects such as improving the energy conversion efficiency.
以下、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1の実施形態について、図面及び表を用いて説明する。本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1及び誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法2は、チタン酸バリウム12を誘電エラストマー10に分散状態で含有させて成ることを最大の特徴とするものである。なお、本発明において数値その他範囲を「〜」を用いて表した場合は、数値範囲の上限も下限も両方とも数値範囲内に入るものとする。 Hereinafter, embodiments of the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention will be described with reference to the drawings and tables. The dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 and the dielectric particle-containing dielectric elastomer manufacturing method 2 according to the present invention are characterized by comprising barium titanate 12 in a dispersed state in the dielectric elastomer 10 in a dispersed state. . In the present invention, when numerical values and other ranges are expressed using “to”, both the upper limit and the lower limit of the numerical range are within the numerical range.
図1は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1を用いた誘電エラストマートランスデューサ20の基本構成断面図である。図1に示すように、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1は、誘電エラストマー10に誘電体粒子11を分散させて成るものである。以下、本発明に用いる誘電エラストマー10及び誘電体粒子11についてそれぞれ説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a basic configuration of a dielectric elastomer transducer 20 using a dielectric elastomer 1 containing dielectric particles according to the present invention. As shown in FIG. 1, a dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention is obtained by dispersing dielectric particles 11 in a dielectric elastomer 10. Hereinafter, the dielectric elastomer 10 and the dielectric particles 11 used in the present invention will be described.
誘電エラストマー10は、高誘電率材料として多種多様な種類が存在するが、一般的には弾性を有するゴム状物質またはゴム等のエラストマーであり、シリコーン樹脂系エラストマーやアクリル樹脂系エラストマー等が考えられる。具体的には、アクリルゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、塩化ビニル系エラストマー、アミド系エラストマー、ポリ塩化ビニル(PVC)等を材料として用いることができる。 The dielectric elastomer 10 has various types as a high dielectric constant material, but is generally an elastomer such as a rubbery substance or rubber having elasticity, and a silicone resin-based elastomer, an acrylic resin-based elastomer, and the like are conceivable. . Specifically, acrylic rubber, silicone rubber, natural rubber, polyurethane rubber, styrene butadiene rubber, chloroprene rubber, nitrile rubber, vinyl chloride elastomer, amide elastomer, polyvinyl chloride (PVC), etc. can be used as materials. .
また、誘電エラストマー10の種類について分類すると、熱可塑性エラストマー、熱硬化性エラストマー、及びエネルギー線硬化性エラストマーに分けられる。係る分類のうち何れかに限定されるものではなく、例えば、熱可塑性エラストマーでは、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、塩化ビニル系エラストマー、ウレタン系エラストマー、アミド系エラストマー、及びエステル系エラストマー等の多くの種類が存在する。なお、塩化ビニル系エラストマーは、例えばポリ塩化ビニル(PVC)等である。 Moreover, when classifying the types of the dielectric elastomer 10, it is divided into a thermoplastic elastomer, a thermosetting elastomer, and an energy beam curable elastomer. It is not limited to any one of such classifications. For example, in thermoplastic elastomers, there are many styrene elastomers, olefin elastomers, vinyl chloride elastomers, urethane elastomers, amide elastomers, and ester elastomers. There are types. The vinyl chloride elastomer is, for example, polyvinyl chloride (PVC).
また、熱硬化性エラストマーの種類においても、前記熱可塑性エラストマーと同様に多くの種類が存在し、例えば天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、フッ素ゴム、水素化ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム等があり、特にこれらの何れかに限定されるものではない。 There are many types of thermosetting elastomers as well as the above thermoplastic elastomers, such as natural rubber, isoprene rubber, styrene butadiene rubber, butadiene rubber, chloroprene rubber, nitrile rubber, butyl rubber, and ethylene propylene rubber. , Urethane rubber, silicone rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, fluorine rubber, hydrogenated nitrile rubber, epichlorohydrin rubber, and the like, which are not particularly limited to any of these.
なお、エネルギー線硬化性エラストマーは、シリコーンゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム等の他、エポキシ樹脂のように通常は弾性を有していなくてもエネルギー線により弾性を持たせることが可能な材料等がある。これらは任意のエネルギー線のうち何れか1種類または2種類以上を用いて硬化されるエラストマーであり、エネルギー線の種類は特に限定されるものではないが、例えば電磁波や放射線等であり、より具体的にはガンマ線や電子線等の電離放射線や、電波、紫外線、赤外線等の非電離放射線等である。 The energy ray curable elastomer has elasticity by energy rays, such as silicone rubber, acrylic rubber, styrene butadiene rubber, ethylene propylene rubber, urethane rubber, etc. There are materials that can be applied. These are elastomers that are cured using any one or two or more of arbitrary energy rays, and the type of energy rays is not particularly limited, but is, for example, electromagnetic waves or radiation, and more specifically Specifically, they are ionizing radiation such as gamma rays and electron beams, and non-ionizing radiation such as radio waves, ultraviolet rays and infrared rays.
誘電エラストマー10は、厚みや大きさを使用目的に応じて適宜決定するものであり、例えばアクチュエータとして使用する場合であれば、機械的な動力として求められる出力に必要な電気的エネルギーを変換する変換器としての機能を発揮する厚みや大きさを必要とする。また、誘電エラストマー10の耐久性については、電子線架橋によって作られた誘電エラストマー10は、それ以前の熱架橋や紫外線架橋等によって作られた誘電エラストマー10と比べて耐久性が高いことが既に本発明者らによって確認されている。 The dielectric elastomer 10 has a thickness and size determined appropriately according to the purpose of use. For example, when used as an actuator, the dielectric elastomer 10 converts electrical energy necessary for output required as mechanical power. Thickness and size to function as a vessel are required. Further, regarding the durability of the dielectric elastomer 10, it is already confirmed that the dielectric elastomer 10 made by electron beam crosslinking has higher durability than the dielectric elastomer 10 made by thermal crosslinking, ultraviolet crosslinking, or the like before that. Confirmed by the inventors.
誘電体粒子11は、強誘電性を呈する添加物の全てを意味しており、チタン酸バリウム12のみならず、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3)のような強誘電体を広く含むものであって、特にこれらに限定されるものではなく、外部に電場がなくても電気双極子が整列しており、かつ双極子の方向が電場によって変化できる物質を指すものである。但し、本発明の説明においては主としてチタン酸バリウム12を用いて説明する。 The dielectric particles 11 mean all of the additives exhibiting ferroelectricity, and include not only barium titanate 12 but also ferroelectrics such as lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3). It is widely included and is not particularly limited to these, and refers to a substance in which electric dipoles are aligned even if there is no electric field outside and the direction of the dipoles can be changed by the electric field. However, in the description of the present invention, description will be made mainly using barium titanate 12.
チタン酸バリウム12は、基本的に粒子の大きさや形状(略球状)が一定で、粒度分布が狭く、また、結晶性が高く、分散性に優れた粒子が求められる。但し、微細化に伴ってサイズ効果と呼ばれる結晶性の低下という問題があるため、結晶性を比較的大きく取りやすい合成法である、固相法や蓚酸塩法によるチタン酸バリウム12がより望ましい。 Barium titanate 12 is basically required to have particles having a constant particle size and shape (substantially spherical), a narrow particle size distribution, high crystallinity, and excellent dispersibility. However, since there is a problem of a decrease in crystallinity called a size effect with miniaturization, barium titanate 12 by a solid phase method or an oxalate method, which is a synthetic method in which crystallinity is relatively large, is more desirable.
チタン酸バリウム12は、BaTiO3、BaTi2O5、Ba2TiO4等の酸化チタン(IV)と酸化バリウムとからなる化合物であり、BaTiO3は常温では正方晶で強誘電体となるが、常温から高温にかけて相転移し立方晶となるものである。 Barium titanate 12 is a compound composed of titanium (IV) oxide such as BaTiO3, BaTi2O5, Ba2TiO4 and barium oxide, and BaTiO3 is a tetragonal and ferroelectric substance at room temperature, but undergoes phase transition from room temperature to high temperature and is cubic. It becomes a crystal.
また、誘電体粒子11の誘導体には、例えば、チタン酸バリウム12のうちの一部の金属原子が他の金属原子により置換された化合物もあり、係るチタン酸バリウム12のうちの一部とは、Aサイトであるバリウム(Ba)のうちの一部、又はBサイトであるチタン(Ti)のうちの一部であり、バリウム及びチタンのそれぞれの一部でもよい。前記他の金属原子とは、チタン及びバリウム以外の金属原子であり、例えば、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、イットリウム(Y)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ジスプロシウム(Dy)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、スズ(Sn)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)等である。 In addition, the derivative of the dielectric particle 11 includes, for example, a compound in which some metal atoms in the barium titanate 12 are substituted with other metal atoms. , Part of barium (Ba) which is A site, or part of titanium (Ti) which is B site, and may be part of barium and titanium. The other metal atoms are metal atoms other than titanium and barium. For example, strontium (Sr), calcium (Ca), yttrium (Y), neodymium (Nd), samarium (Sm), dysprosium (Dy), Vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), germanium (Ge), selenium (Se), zirconium (Zr), niobium (Nb), Molybdenum (Mo), technetium (Tc), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), tin (Sn), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), rhenium (Re), Examples thereof include osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt).
表面活性剤13は、界面活性剤と同種の特性を備え、誘電体粒子11の表面に付着して界面張力を低下させて接触角を小さくし、有機溶媒15と粉体との濡れを改善することで分散性を向上させる効果がある。また、表面活性剤13は、例えば、耐熱性に優れたシリコーン系が用いられ、望ましくは、ポリエーテル変性シリコーン活性剤が用いられる。 The surface active agent 13 has the same characteristics as the surface active agent, and adheres to the surface of the dielectric particles 11 to reduce the interfacial tension, reduce the contact angle, and improve the wetting between the organic solvent 15 and the powder. This has the effect of improving dispersibility. Further, as the surface active agent 13, for example, a silicone system having excellent heat resistance is used, and preferably a polyether-modified silicone activator is used.
有機分散剤14は、分散を行なう際に添加され、分散機能を発現させる薬剤の総称であり、分散を容易に行い、安定した優れたスラリーを得るために重要な働きをする添加剤である。本発明では、有機分散剤14を用い、粒子の表面に吸着した分散剤によって、粒子同士の接近を防ぎ、分散体を安定化させる。また、有機分散剤14は、アニオン系が望ましく、特に吸着基にカルボン酸を有するものが良い。 The organic dispersant 14 is a generic name for agents that are added during dispersion and develop a dispersion function, and is an additive that plays an important role in facilitating dispersion and obtaining a stable and excellent slurry. In the present invention, the organic dispersant 14 is used, and the dispersant adsorbed on the surface of the particles prevents the particles from approaching each other and stabilizes the dispersion. The organic dispersant 14 is preferably an anionic one, and in particular, one having a carboxylic acid as an adsorbing group is preferable.
有機溶媒15は、誘電体粒子11を取り込むための溶液であり、特に限定されるものではないが、例えば2−プロパノールなどを示すことができる。また、誘電エラストマー10にスチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等の非極性エラストマーを使用する際は、トルエンやヘキサン等に代表される低極性溶媒が好ましく、誘電エラストマー10の種類に応じて有機溶剤15は適宜選択される。 The organic solvent 15 is a solution for taking in the dielectric particles 11, and is not particularly limited, but can indicate, for example, 2-propanol. Further, when a nonpolar elastomer such as styrene butadiene rubber, ethylene propylene rubber, or silicone rubber is used as the dielectric elastomer 10, a low polarity solvent represented by toluene, hexane, or the like is preferable. The solvent 15 is appropriately selected.
図2は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1に電圧を印加していない無電加状態を示す説明図であり、図3は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1に電圧供給された電圧印加状態を示す説明図である。 FIG. 2 is an explanatory view showing a non-charged state in which no voltage is applied to the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention, and FIG. 3 is a voltage supply to the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention. It is explanatory drawing which shows the applied voltage application state.
誘電エラストマートランスデューサ20は、誘電エラストマー10に誘電体粒子11を含有させた本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1を利用するものであり、図示した通り、誘電エラストマー10の両面に電極22を備え、電圧の印加による伸張と、電圧を取り除くことによる収縮によって、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するトランスデューサとして、アクチュエータ等の駆動力として用いることもできるものである。また、これとは逆に機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電装置とし実用的な利用への可能性も有するものである。 The dielectric elastomer transducer 20 uses the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention, in which the dielectric elastomer 10 contains dielectric particles 11, and includes electrodes 22 on both sides of the dielectric elastomer 10 as shown in the figure. It can also be used as a driving force for an actuator or the like as a transducer that converts electrical energy into mechanical energy by stretching by applying a voltage and contracting by removing the voltage. In contrast to this, the power generation device converts mechanical energy into electrical energy and has a possibility of practical use.
電圧供給手段24は、電圧を制御可能な電源を用いて適切な電圧を印加することを可能とするものを用いる。電極22の素材には、カーボンを好適に使用することができるが、電極22として通常用いられる材料を用いて形成すればよく、特にカーボンに限定されるものではない。アクチュエータ等への応用例については省略し、以下、図2及び図3を用い、動作について説明する。 As the voltage supply means 24, one that makes it possible to apply an appropriate voltage using a power source capable of controlling the voltage is used. Carbon can be suitably used as the material of the electrode 22, but it may be formed using a material that is usually used as the electrode 22, and is not particularly limited to carbon. An application example to an actuator or the like will be omitted, and the operation will be described below with reference to FIGS.
電極22は、誘電エラストマートランスデューサ20において誘電エラストマー10の両面に配置し、電圧を印加するための電極22であり、係る電極22を介してクーロン力K1を誘電エラストマー10に作用させるものである。図3に示すように、電圧供給手段24から電極22に電圧が供給されることにより、対向する2つの電極22には、クーロン力K1(符号K1で示す矢印の方向の力)によって互いに引きつけ合う力が発生する。これにより、誘電エラストマー10は、2つの電極22に押しつぶされることになり、伸張方向K2へ伸張することになる。 The electrodes 22 are arranged on both sides of the dielectric elastomer 10 in the dielectric elastomer transducer 20 and are electrodes 22 for applying a voltage, and the Coulomb force K1 is applied to the dielectric elastomer 10 via the electrodes 22. As shown in FIG. 3, when the voltage is supplied from the voltage supply means 24 to the electrode 22, the two opposing electrodes 22 are attracted to each other by the Coulomb force K1 (force in the direction indicated by the arrow K1). Force is generated. As a result, the dielectric elastomer 10 is crushed by the two electrodes 22 and expands in the expansion direction K2.
この際、2つの電極22に印加する電圧の大きさによって、係る電極22に発生するひきつけ合う力も変化し、誘電エラストマー10の伸びる量も変化する。そして、電圧供給手段24からの電圧の供給を停止することにより、2つの電極22に発生していた互いに引きつけ合う力も消滅する。これにより、誘電エラストマー10は、自らの弾性力により形状を回復し、図3に示すように伸びた状態から、図2に示すような伸びる前の状態に戻る。なお、係る変化によって得られる力は、両極間の距離に反比例し、印加する電圧の二乗に比例して発生する。また、電極面積と誘電率の大きさに比例する。従って、誘電率の向上を図ることも必要であるが、大きな電圧を加えることによる耐圧の向上が、よりトランスデューサとしての性能向上を図る上で、重要なポイントとなる。 At this time, depending on the magnitude of the voltage applied to the two electrodes 22, the attracting force generated in the electrodes 22 also changes, and the amount by which the dielectric elastomer 10 extends also changes. Then, by stopping the supply of voltage from the voltage supply means 24, the attractive forces generated in the two electrodes 22 disappear. As a result, the dielectric elastomer 10 recovers its shape by its own elastic force and returns from the stretched state as shown in FIG. 3 to the state before the stretch as shown in FIG. The force obtained by such a change is inversely proportional to the distance between the two poles and is proportional to the square of the applied voltage. It is also proportional to the electrode area and the dielectric constant. Therefore, although it is necessary to improve the dielectric constant, the improvement of the withstand voltage by applying a large voltage is an important point for further improving the performance as a transducer.
以下に、誘電性高分子を動作させるために生じる圧力pとバイアス電圧Vbとの関係式を下記に示す。 The relational expression between the pressure p generated to operate the dielectric polymer and the bias voltage Vb is shown below.
「式1」
"Formula 1"
という式1の関係が成立するので、バイアス電圧Vbを上昇させるとともに、ポリマーの厚さtを薄くすることができることにより、誘電高分子を動作させるために生じる圧力pは、バイアス電圧Vbの二乗及び厚さtの逆数の二乗に比例して増大するので従来に比べてきわめて性能の良い駆動が可能になる。 Therefore, the bias voltage Vb can be increased, and the thickness t of the polymer can be reduced, so that the pressure p generated for operating the dielectric polymer is equal to the square of the bias voltage Vb and Since it increases in proportion to the square of the reciprocal of the thickness t, it is possible to drive with extremely good performance as compared with the prior art.
更に、発電デバイスとしては、発電エネルギーEは、誘電エラストマー10の静電容量の変化と関係しており、 Furthermore, as the power generation device, the power generation energy E is related to the change in the capacitance of the dielectric elastomer 10,
「式2」
"Formula 2"
の式2で表される。ここで、C1及びC2は、それぞれ伸張及び収縮した状態における誘電高分子の静電容量であり、Vbはバイアス電圧である。発電エネルギーは、より大きな伸張・収縮により増加し、バイアス電圧Vbの二乗で増加するので従来に比べてきわめて性能の良い発電が可能になるとともに、絶縁耐電圧が上昇することによって、従来と同じバイアス電圧で動作させた場合では、負担が少なくなるため、寿命が向上する。 It is represented by the following formula 2. Here, C1 and C2 are capacitances of the dielectric polymer in the stretched and contracted states, respectively, and Vb is a bias voltage. The power generation energy increases due to greater expansion / contraction, and increases with the square of the bias voltage Vb, so that it is possible to generate power with very good performance as compared with the prior art, and the dielectric breakdown voltage increases, so that the same bias as before In the case of operating with voltage, the burden is reduced and the life is improved.
このように、誘電エラストマートランスデューサ20は、電圧の変化を形状の変化に変換することができ、人工筋肉等様々な製品に応用することができるが、大きな駆動力を発生させるためには、前記両極間距離を広げて伸縮量を得るとともに、印加する電圧を大きくする必要がある。しかしながら、電圧を大きくすると両極間に挟持される誘電エラストマー10が絶縁破壊を起こしやすくなり、誘電体粒子11にチタン酸バリウム12を用いたて誘電エラストマー10に含有させた本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1の優れた耐圧性能が必要となる。 As described above, the dielectric elastomer transducer 20 can convert a change in voltage into a change in shape and can be applied to various products such as artificial muscles. However, in order to generate a large driving force, the bipolar electrode It is necessary to widen the distance to obtain the amount of expansion and contraction and to increase the applied voltage. However, when the voltage is increased, the dielectric elastomer 10 sandwiched between the two electrodes tends to cause dielectric breakdown, and the dielectric particles according to the present invention are contained in the dielectric elastomer 10 using barium titanate 12 as the dielectric particles 11. The excellent pressure resistance performance of the contained dielectric elastomer 1 is required.
図4は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1についての絶縁耐電圧性能試験を行なう絶縁耐電圧性能試験装置30の全体構成を示す構成説明図である。 FIG. 4 is a configuration explanatory view showing the overall configuration of an insulation withstand voltage performance test apparatus 30 that performs an insulation withstand voltage performance test for the dielectric elastomer 1 containing dielectric particles according to the present invention.
絶縁耐電圧性能試験装置30は、高圧電圧計31と、高圧電源32と、高圧電流計33と、オシロスコープ(電圧電流モニター)34と、タイマー35と、高圧スイッチ36とから構成され、試験は大きな試験片の表面に放電し、絶縁体が導体となる構造変化が生ずるまで段階的に電圧を高めていき、破壊されない最も高い電圧を測定するものである。 The insulation withstand voltage performance test apparatus 30 includes a high voltage voltmeter 31, a high voltage power source 32, a high voltage ammeter 33, an oscilloscope (voltage / current monitor) 34, a timer 35, and a high voltage switch 36. It discharges on the surface of the test piece and increases the voltage stepwise until a structural change occurs where the insulator becomes a conductor, and measures the highest voltage that is not destroyed.
高圧電圧計31は、電圧を測定する装置であり、印加する電圧が高いため高電圧用のものを用いる。 The high voltage voltmeter 31 is a device for measuring a voltage. Since the applied voltage is high, a high voltage voltmeter 31 is used.
高圧電源32は、絶縁耐電圧性能試験装置30に必要な電源を供給する装置であり、試験片が破壊するまで200V間隔で電圧を上昇させる装置である。 The high-voltage power supply 32 is a device that supplies necessary power to the insulation withstand voltage performance test device 30, and is a device that increases the voltage at 200V intervals until the test piece breaks.
高圧電流計33は、電流を測定する装置であり、流れる電流自体は低いものの、電圧が高いため、漏れ電流の測定には電流が安定した状態で測定する必要があるため、高電圧に対応した電流計を用いることが望ましい。 The high-voltage ammeter 33 is a device for measuring a current. Although the flowing current itself is low, the voltage is high. Therefore, it is necessary to measure the leakage current in a stable state. It is desirable to use an ammeter.
オシロスコープ(電圧電流モニター)34は、絶縁破壊が発生したと判断するための状態を測定する測定装置であり、高圧電源32からの段階的な電圧の上昇に伴い、各電圧毎での安定した状態から計測される絶縁破壊の有無を測定する装置である。 The oscilloscope (voltage / current monitor) 34 is a measuring device that measures a state for determining that a dielectric breakdown has occurred, and is in a stable state for each voltage as the voltage from the high-voltage power supply 32 increases stepwise. It is a device that measures the presence or absence of dielectric breakdown measured from
タイマー35は、所定時間毎に200V上昇させるための時間を測定する装置である。 The timer 35 is a device that measures the time required to increase 200 V every predetermined time.
高圧スイッチ36は、オンにすることで被測定物に電圧を印加し、急激に過大な電流が流れた時に絶縁破壊が発生したと判断し、電源供給をオフにする。 The high voltage switch 36 is turned on to apply a voltage to the object to be measured, and determines that dielectric breakdown has occurred when an excessively large current flows, and turns off the power supply.
耐圧評価は、前記の絶縁耐電圧性能試験装置30を用い、段階破壊法による絶縁破壊電圧試験により行った。係る試験方法は、自由に動き回れる電荷担体をほとんど持たない絶縁体に高電圧を負荷することにより、絶縁体内に電荷担体が急増して導体になる構造変化が生ずるまで高電圧を負荷して測定する試験方法により評価を行なうものである。絶縁破壊電圧の評価には、まず短時間破壊法で得られた絶縁破壊が起こる電圧を基準とし、その約40%の電圧から段階的に200V毎に電圧を上げて行き、破壊するまで続けて破壊しなかった最大電圧から評価するものであり、下記の表1に示すように、誘電エラストマー10にチタン酸バリウム12を5wt%含有させた方が、チタン酸バリウム12を含有させないものと比較して明らかに耐圧性能が向上していることを確認した。 The withstand voltage evaluation was performed by the dielectric breakdown voltage test by the step breakdown method using the dielectric withstand voltage performance test apparatus 30 described above. This test method measures by loading a high voltage on an insulator that has almost no charge carriers that can move around freely, so that the charge carriers suddenly increase in the insulator and the structure changes to become a conductor. Evaluation is performed by the test method. In order to evaluate the breakdown voltage, first, the voltage at which breakdown occurs in the short-time breakdown method is used as a reference. From about 40% of the voltage, the voltage is gradually increased every 200V until the breakdown occurs. It is evaluated from the maximum voltage that did not break, and as shown in Table 1 below, the dielectric elastomer 10 containing 5 wt% of barium titanate 12 compared with the one not containing barium titanate 12. It was confirmed that the pressure resistance performance was clearly improved.
以下に、シリコーン系の誘電エラストマー10にチタン酸バリウム12を含有させたものと、含有させていない同種のシリコーン系の誘電エラストマー10のみと比較した絶縁耐電圧性能についての実験結果を下記表1から表3に示す。なお、表内のBTはチタン酸バリウム12を意味する。 Table 1 below shows the experimental results of the dielectric withstand voltage performance of the silicone-based dielectric elastomer 10 containing the barium titanate 12 and the silicone dielectric elastomer 10 of the same type not containing the same. Table 3 shows. In the table, BT means barium titanate 12.
上記表1から表3に、本発明の誘電体粒子含有誘電エラストマー1に係る主材である樹脂に誘電体粒子11の配合比率を変化させたものなどについて、それぞれの誘電率を測定し、また、係る装置により誘電体粒子11を配合しないもの、その他、配合比率を変化させたものを行った実験結果から、誘電体粒子11の有無が耐圧性能に影響するか否かの結果を示す。実際の実験では、基準となる含有0wt%から50wt%まで計測し、50wt%以上については表3において示す通り、途中から破線で示した部分は予測値として示したものである。次に、耐圧テストに用いた主材にはシリコーンを用い、誘電粒子にチタン酸バリウム12を5wt%含有させたものと、まったく含有させないシリコーンのみで実験を行ったものとの比較を上記表1に示す。 In Tables 1 to 3 above, the dielectric constant of each of the resins, which are the main components of the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 of the present invention, in which the blending ratio of the dielectric particles 11 is changed is measured. The results of whether or not the presence or absence of the dielectric particles 11 affects the withstand voltage performance are shown based on the results of experiments in which the dielectric particles 11 are not blended by such an apparatus and the other blending ratios are varied. In the actual experiment, the reference content of 0 wt% to 50 wt% was measured, and for 50 wt% or more, as shown in Table 3, the portion indicated by a broken line from the middle is shown as a predicted value. Next, a comparison is made between the case where silicone is used as the main material used in the pressure resistance test and 5 wt% of barium titanate 12 is contained in the dielectric particles and the case where the experiment is performed using only silicone which does not contain at all. Shown in
表1から表3に示す通り、誘電エラストマー10の特性を利用して誘電エラストマー10に誘電体粒子11を含ませると、全く含ませないものと比較して明らかに耐圧が向上していることが分かる。また、その配合比率についても1wt%から50wt%の範囲内で耐圧性能が向上していることが分かる。より具体的には、配合比率が0%のときの場合と比較して、5wt%、10wt%、30wt%、50wt%の何れの割合においても大きく耐圧性能は向上した。 As shown in Tables 1 to 3, when dielectric particles 11 are included in dielectric elastomer 10 using the characteristics of dielectric elastomer 10, the breakdown voltage is clearly improved as compared with the case where dielectric particles 11 are not included at all. I understand. Moreover, it turns out that the pressure | voltage resistance performance is improving also in the range of 1 wt% to 50 wt% about the mixture ratio. More specifically, as compared with the case where the blending ratio was 0%, the pressure resistance performance was greatly improved at any ratio of 5 wt%, 10 wt%, 30 wt%, and 50 wt%.
更に詳しくは、チタン酸バリウム12を含有させたほうが5,400Vと高く、含有させないほうでは4,800Vで破壊してしまった。従って、表1から表3は、わずかな配合であっても誘電体粒子11を含有させたほうが、耐圧性能が向上することを示している。なお、50wt%以降は、予想に基づく結果であるが、チタン酸バリウム12の配合比率が大きくなると、チタン酸バリウム12自体の硬さにより主材の伸長及び伸縮に影響し、主材の変形を阻害することにもなりかねない。好適な結果として、耐圧を向上させるには、少なくとも1wt%から50wt%の範囲においては良好な効果を示し、より好ましくは10wt%から30wt%の範囲内で特にその優れた効果を発揮するものといえる。 More specifically, the inclusion of barium titanate 12 was as high as 5,400 V, and the breakdown was caused at 4,800 V without inclusion. Therefore, Tables 1 to 3 show that the withstand voltage performance is improved when the dielectric particles 11 are contained even in a slight amount. In addition, although 50 wt% or more is a result based on an expectation, when the compounding ratio of the barium titanate 12 is increased, the hardness of the barium titanate 12 itself affects the expansion and expansion of the main material, and the main material is deformed. It can also interfere. As a preferable result, in order to improve the withstand voltage, a good effect is exhibited in the range of at least 1 wt% to 50 wt%, and more preferably in the range of 10 wt% to 30 wt%. I can say that.
図5は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー1の比誘電率測定において使用した誘電率測定装置40の構成説明図である。 FIG. 5 is a configuration explanatory diagram of a dielectric constant measuring device 40 used in the relative dielectric constant measurement of the dielectric particle-containing dielectric elastomer 1 according to the present invention.
誘電率測定装置40は、インピーダンス・アナライザー41と、テストフィクスチャ42と、主電極43と、被試験体44と、対電極45とから構成される。 The dielectric constant measuring apparatus 40 includes an impedance analyzer 41, a test fixture 42, a main electrode 43, a device under test 44, and a counter electrode 45.
インピーダンス・アナライザー41は、2端子の受動素子であるインダクタやコンデンサ、或いは抵抗などの特性を測定する装置であり、能動素子であるトランジスタの寄生容量を測定する際に使用される装置である。 The impedance analyzer 41 is a device that measures characteristics such as an inductor, a capacitor, or a resistance that is a two-terminal passive element, and is a device that is used when measuring the parasitic capacitance of a transistor that is an active element.
テストフィクスチャ42は、インピーダンス・アナライザー41を用いた誘電率評価に用いられる端子である。 The test fixture 42 is a terminal used for dielectric constant evaluation using the impedance analyzer 41.
主電極43は、インピーダンス・アナライザー41を動作させるための電源装置、及びテストフィクスチャ42へ高電圧を供給する装置である。 The main electrode 43 is a power supply device for operating the impedance analyzer 41 and a device for supplying a high voltage to the test fixture 42.
被試験体44は、本実験において外形50mm×50mm、厚さ100μmの薄板のものを用いた。 As the device under test 44, a thin plate having an outer diameter of 50 mm × 50 mm and a thickness of 100 μm was used in this experiment.
対電極45は、エッジ容量から生じる測定誤差を除去するためにガード電極を用いる3端子構成のものを用いた。 The counter electrode 45 used was a three-terminal configuration using a guard electrode to remove measurement errors caused by edge capacitance.
比誘電率の評価は、係るインピーダンス・アナライザー41を用いた平行板による誘電率測定法による実験から行った。前記平行板法は、2つのテストフィクスチャ42電極の間に、外形50mm×50mm、厚み100μmの被試験体44を挟んでキャパシタを形成し、インピーダンス・アナライザー41により測定した静電容量や損失のベクトル成分から、下記の(式3)により比誘電率を算出した。 The relative dielectric constant was evaluated from an experiment by a dielectric constant measurement method using a parallel plate using the impedance analyzer 41. In the parallel plate method, a capacitor is formed by sandwiching a test object 44 having an outer diameter of 50 mm × 50 mm and a thickness of 100 μm between two test fixture 42 electrodes, and the capacitance and loss measured by the impedance analyzer 41 are measured. From the vector component, the relative dielectric constant was calculated by the following (Equation 3).
「式3」
"Formula 3"
図6は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法2を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing a manufacturing method 2 of dielectric particle-containing dielectric elastomer according to the present invention.
混合工程Aは、チタン酸バリウム12と、表面活性剤13と、有機分散剤14と、有機溶媒15とを混合してチタン酸バリウムスラリー50を得る工程である。例えば、商品名を「BT−HP9DX」とする共立マテリアル株式会社のチタン酸バリウム300gと、組織名を「2−プロパノール(2−propanol)分子式C3H8O、示性式CH3CHCH3」とする和光純薬工業の「2−プロパノール」300gと、分子構造中に、親水性基であるポリオキシアルキレン基と疎水性のポリオルガノシロキサン鎖とを有する共重合体からなる、ポリエーテル変性シリコーンである、信越化学工業株式会社製の「KF―6011」0.6gと、主鎖にイオン性基を持ち、グラフト鎖にポリオキシアルキレン鎖を有する多官能櫛型のポリマーからなる分散剤である日油株式会社の「AFB−1521」9gを、粉砕用ビーズとともにビーズミル装置に封入し、平均粒子径を0.03ミクロンから0.8ミクロンのサブミクロンレベルにする分散スラリー化処理後のチタン酸バリウムスラリー50を得る。 The mixing step A is a step of obtaining the barium titanate slurry 50 by mixing the barium titanate 12, the surfactant 13, the organic dispersant 14, and the organic solvent 15. For example, 300 g of barium titanate from Kyoritsu Material Co., Ltd. with the trade name “BT-HP9DX”, and Wako Pure Chemical Industries with the organization name “2-propanol molecular formula C3H8O, sexual formula CH3CHCH3”. Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., a polyether-modified silicone consisting of 300 g of “2-propanol” and a copolymer having a polyoxyalkylene group which is a hydrophilic group and a hydrophobic polyorganosiloxane chain in the molecular structure. “AFB” of NOF Corporation, a dispersant composed of 0.6 g of “KF-6011” manufactured by the company and a polyfunctional comb polymer having an ionic group in the main chain and a polyoxyalkylene chain in the graft chain -1521 "9 g together with beads for grinding in a bead mill apparatus, and the average particle size is 0.03 micron to 0.1. Obtaining a barium titanate slurry 50 after the dispersion slurry process of the submicron level microns.
本発明の要部ともいえる均一な平均粒径に分散した分散状態でチタン酸バリウム12等の誘電体粒子11を誘電エラストマー10に含有させる製造方法において、粒子径が小さくなると粉体同士の付着力が大きくなり、分散性が悪くなる。そこで、本発明に係る製造方法においては、誘電体粒子11同士の付着凝集性を弱める必要があり、ポリマーを用いて粒子表面の改善を行なうことが重要である。 In a production method in which dielectric particles 11 such as barium titanate 12 are contained in a dielectric elastomer 10 in a dispersed state with a uniform average particle diameter, which can be said to be a main part of the present invention, the adhesion between powders is reduced when the particle diameter is reduced. Becomes larger and the dispersibility becomes worse. Therefore, in the production method according to the present invention, it is necessary to weaken the adhesion and aggregation properties between the dielectric particles 11, and it is important to improve the particle surface using a polymer.
係る良好な分散状態とする分散スラリー化処理条件を例示すると、ビーズミル装置を用い、周速を8m/s、運転時間を180minの循環運転を行なう。ビーズと格納容器の壁の衝突に加え、ビーズとビーズによるせん断やビーズへの衝突により、平均粒子径を0.03ミクロンから0.8ミクロンの範囲となるように調整した分散スラリー化処理後のチタン酸バリウムスラリー50を得たものである。係る装置に使用した容器の材質はジルコニアであり、ビーズ径は直径1mm、ビーズ材質は部分安定化ジルコニア、ビーズ重量は400gである。但し、分散スラリー化処理条件は、上記の例示に限定されるものではなく、5mm以下のビーズを使用し、アジテータの周速が3m/sから15m/sであればよい。 As an example of such dispersion slurrying conditions for achieving a good dispersion state, a circulating operation is performed using a bead mill device with a peripheral speed of 8 m / s and an operation time of 180 minutes. In addition to the collision between the beads and the containment vessel wall, the average particle size was adjusted to be in the range of 0.03 microns to 0.8 microns by shearing or colliding with the beads. A barium titanate slurry 50 is obtained. The material of the container used in the apparatus is zirconia, the bead diameter is 1 mm, the bead material is partially stabilized zirconia, and the bead weight is 400 g. However, the dispersion slurrying treatment conditions are not limited to the above examples, and beads having a diameter of 5 mm or less may be used, and the peripheral speed of the agitator may be 3 m / s to 15 m / s.
超音波処理工程Bは、配合工程Cの直前に行う。混合工程Aで得られたチタン酸バリウムスラリー50に超音波による衝撃を与えて経時変化による粒子沈降を解し、均一化の促進を図る工程である。混合工程Aで得られたチタン酸バリウムスラリー50を超音波ホモジナイザーにより20kHzの超音波を120秒間150Wの出力で照射し、超音波による衝撃波を溶液中の物質に繰り返し与えることで圧力差による微小な気泡(キャビテーション)を発生させ、平均粒径を0.03ミクロンから0.8ミクロンの範囲となるように、解砕する。 The ultrasonic treatment process B is performed immediately before the blending process C. In this step, the barium titanate slurry 50 obtained in the mixing step A is subjected to ultrasonic impact to solve particle sedimentation due to changes over time, thereby promoting homogenization. The barium titanate slurry 50 obtained in the mixing step A was irradiated with an ultrasonic wave of 20 kHz by an ultrasonic homogenizer at an output of 150 W for 120 seconds, and a shock wave by the ultrasonic wave was repeatedly applied to the substance in the solution, thereby causing a minute difference due to the pressure difference. Bubbles (cavitation) are generated and crushed so that the average particle size is in the range of 0.03 microns to 0.8 microns.
配合工程Cは、超音波処理工程Bで得られたチタン酸バリウムスラリー50を誘電エラストマー10に配合する工程である。塗工法による製膜を例に挙げると、溶剤に溶解した誘電エラストマー10に超音波処理工程Bで得られたチタン酸バリウムスラリー50を添加し均一に撹拌した後、所定の大きさの篩目によりろ過し塗工液を得る。ここで誘電エラストマー10を溶解させるのに使用する溶剤は、誘電エラストマー10の溶解性やチタン酸バリウムスラリー50の分散状態を解さないものから適宜選択され、例えばトルエンがある。また撹拌方法については特に限定されないが、例えばパドル型、プロペラ型等のインペラを用いた撹拌により行うことができる。 The blending step C is a step of blending the barium titanate slurry 50 obtained in the ultrasonic processing step B with the dielectric elastomer 10. Taking film formation by a coating method as an example, the barium titanate slurry 50 obtained in the ultrasonic treatment step B is added to the dielectric elastomer 10 dissolved in a solvent and stirred uniformly, and then with a sieve having a predetermined size. Filter to obtain a coating solution. Here, the solvent used for dissolving the dielectric elastomer 10 is appropriately selected from those which do not solve the solubility of the dielectric elastomer 10 and the dispersion state of the barium titanate slurry 50, and includes, for example, toluene. Further, the stirring method is not particularly limited, and for example, it can be performed by stirring using a paddle type or propeller type impeller.
乾燥工程Dは、配合工程Cにより得られた塗工液(チタン酸バリウムスラリー50と誘電エラストマー10の分散溶液)を乾燥により製膜する工程である。塗工方法に制限はなく、公知の塗工方法、例えばロールコーターやコンマコーター、ナイフコーター、ダイコーター等によって任意の厚みに塗工し、続いてオーブンに導入して乾燥する。乾燥条件は基材フィルム、塗工液の種類等によって選択されるが、例えば基材フィルムとしてPET(ポリエチレンテレフタレート:ペット)フィルム、塗工液の溶媒としてトルエンを用いた場合、60度から130度で5分から30分間乾燥することが好ましい。 The drying step D is a step of forming a film by drying the coating liquid (dispersed solution of the barium titanate slurry 50 and the dielectric elastomer 10) obtained in the blending step C. There is no limitation on the coating method, and coating is performed to an arbitrary thickness by a known coating method such as a roll coater, comma coater, knife coater, die coater, etc., and then introduced into an oven and dried. The drying conditions are selected depending on the base film, the type of coating liquid, and the like. For example, when PET (polyethylene terephthalate: PET) film is used as the base film and toluene is used as the solvent of the coating liquid, the drying conditions are 60 to 130 degrees. It is preferable to dry for 5 to 30 minutes.
1 誘電体粒子含有誘電エラストマー
2 誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法
10 誘電エラストマー
11 誘電体粒子
12 チタン酸バリウム
13 表面活性剤
14 有機分散剤
15 有機溶媒
20 誘電エラストマートランスデューサ
22 電極
24 電圧供給手段
30 絶縁耐電圧性能試験装置
31 高圧電圧計
32 高圧電源
33 高圧電流計
34 オシロスコープ(電圧電流モニター)
35 タイマー
36 高圧スイッチ
40 誘電率測定装置
41 インピーダンス・アナライザー
42 テストフィクスチャ
43 主電極
44 被試験体
45 対電極
50 チタン酸バリウムスラリー
K1 クーロン力
K2 伸張方向
A 混合工程
B 超音波処理工程
C 配合工程
D 乾燥工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric particle containing dielectric elastomer 2 Manufacturing method 10 of dielectric particle containing dielectric elastomer 10 Dielectric elastomer 11 Dielectric particle 12 Barium titanate 13 Surface active agent 14 Organic dispersing agent 15 Organic solvent 20 Dielectric elastomer transducer 22 Electrode 24 Voltage supply means 30 Insulation withstand voltage performance test equipment 31 High voltage voltmeter 32 High voltage power supply 33 High voltage ammeter 34 Oscilloscope (voltage current monitor)
35 Timer 36 High-voltage switch 40 Dielectric constant measuring device 41 Impedance analyzer 42 Test fixture 43 Main electrode 44 Test object 45 Counter electrode 50 Barium titanate slurry K1 Coulomb force K2 Stretching direction A Mixing process B Ultrasonic treatment process C Compounding process D Drying process
Claims (7)
表面活性剤(13)と、
有機分散剤(14)と、
有機溶媒(15)と、
を混合してチタン酸バリウムスラリー(50)を得る混合工程(A)と、
該混合工程(A)で得られた前記チタン酸バリウムスラリー(50)に超音波による衝撃を与えて分散の均一化を図る超音波処理工程(B)と、
該超音波処理工程(B)で得られた前記チタン酸バリウムスラリー(50)を誘電エラストマー(10)に配合する配合工程(C)と、
前記配合工程(C)により得られた前記チタン酸バリウムスラリー(50)を乾燥する乾燥工程(D)と、
からなる誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法(2)。 Barium titanate (12);
A surfactant (13);
An organic dispersant (14);
An organic solvent (15);
Mixing step (A) to obtain a barium titanate slurry (50) by mixing
An ultrasonic treatment step (B) for applying a shock by ultrasonic waves to the barium titanate slurry (50) obtained in the mixing step (A) to achieve uniform dispersion;
A blending step (C) for blending the barium titanate slurry (50) obtained in the ultrasonic treatment step (B) with a dielectric elastomer (10);
A drying step (D) for drying the barium titanate slurry (50) obtained by the blending step (C);
(2) A method for producing a dielectric elastomer containing dielectric particles.
The dielectric particle-containing dielectric elastomer according to claim 5 or 6, wherein the dispersion treatment in the ultrasonic treatment step (B) is performed by irradiating ultrasonic waves having a frequency of 18 kHz to 200 kHz for 10 seconds or more. Method (2).
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