JP4256470B1 - 導電性高分子アクチュエータ、その製造方法、およびその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)の少なくとも一種以上を含む有機ポリマーとイオン液体との混合物からなる固体電解質膜と、前記固体電解質膜の少なくとも片面にポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)の混合体からなる導電性高分子膜との積層構造の導電性高分子アクチュエータであって、前記導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
[有機分子が混合された導電性高分子膜作製]
アセトン洗浄後酸素プラズマ処理したスライドグラス上に、5重量パーセントのジメチルスルホキシド(DMSO)、1重量パーセントのポリエチレングリコール8000を溶解したPEDOTとPSS混合体の水分散液(スタルク社製、商品名バイトロンPH500)を所定量滴下した。その後、室温で自然乾燥して溶媒を揮発させ、スライドグラス上に導電性高分子膜を形成した。最後に、剃刀を用いて導電性高分子膜をスライドグラスから剥離した。得られた導電性高分子膜は平均厚さ10μm、四端針法を用いて測定した導電率は300S/cm、純水に対する静的接触角は23.0°であった。
イオンゲルを作製するためのイオン液体には、カチオンとして、エチルメチルイミダゾリウム(EMI)、アニオンとして、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド[(CF3SO2)2N−](TFSI)を用いた。混合するポリマーとしてはフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]を用いた。EMITFSIとP(VDF/HFP)混合比は重量比で8:2とし、混合した後マグネチックスターラーを用いて十分攪拌した。以下、この混合液をイオンゲル前駆体と記す。
厚み0.1mmのポリエチレンテレフタレート(PET)シートを76mm×26mmの大きさに裁断し、これを大きさ76mm×26mmのスライドグラスに密着させた。これを2組作製した。そして、二つのPETシートが所定の間隔を空けて対向するように、40μm厚のコンデンサセパレータ紙を挟んで作製したスライドガラスを密着させた。この時、コンデンサセパレータ紙にイオンゲル前駆体を含浸させておいた。その後、恒温槽にて100℃、30分間加熱し、その後室温に冷却することで厚さ40μmのイオンゲル含浸紙を得た。PETシートとイオンゲル含浸紙は相互の接着性が極めて低いため容易に剥離できた。以下、ここで得られたイオンゲル含浸紙を電解質イオンゲルと記す。
[電解質イオンゲル−導電性高分子膜の積層]
電解質イオンゲルの両面に導電性高分子膜を対向させて重ね、恒温槽にて100℃、30分間加熱し、その後室温に冷却することで、導電性高分子膜/電解質イオンゲル/導電性高分子膜の三層構造体を形成した。この三層構造体を幅2.5mm、長さ15mmに裁断し、一端部から長手方向に5mmの領域に幅2mm、長さ10mmの白金電極を取り付け、可動部長さ10mmの屈曲型導電性高分子アクチュエータを作製した。
[有機分子が混合された導電性高分子膜作製]
アセトン洗浄後酸素プラズマ処理したシリコン基板上に、5重量パーセントのNメチルピロリドン(NMP)、5重量パーセントのポリエチレングリコール8000を溶解したPEDOTとPSS混合体の水分散液(スタルク社製、商品名バイトロンPH500)を所定量滴下した。その後、室温で自然乾燥して溶媒を揮発させ、シリコン基板上に導電性高分子膜を形成した。最後に、シリコン基板を50体積パーセントの水酸化カリウム水溶液に浸漬し、導電性高分子膜を基板から剥離した。得られた導電性高分子膜は平均厚さ8μm、四端針法を用いて測定した導電率は280S/cm、純水に対する静的接触角は25.1°であった。
イオンゲルを作製するためのイオン液体には、カチオンとして、ブチルメチルイミダゾリウム(BMI)、アニオンとしてヘキサフルオロリン酸アニオン(PF6 −)を用いた。混合するポリマーとしてはフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]を用いた。EMITFSIとP(VDF/HFP)混合比は重量比で8:2とし、混合した後マグネチックスターラーを用いて十分攪拌した。以下、この混合液をイオンゲル前駆体と記す。
厚み0.1mmのポリエチレンテレフタレート(PET)シートを76mm×26mmの大きさに裁断し、これを大きさ76mm×26mmのスライドグラスに密着させた。これを2組作製した。そして、二つのPETシートが所定の間隔を空けて対向するように、40μm厚のコンデンサセパレータ紙を挟んで作製したスライドガラスを密着させた。この時、コンデンサセパレータ紙にイオンゲル前駆体を含浸させておいた。その後、恒温槽にて100℃、30分間加熱し、その後室温に冷却することで厚さ40μmのイオンゲル含浸紙を得た。PETシートとイオンゲル含浸紙は相互の接着性が極めて低いため容易に剥離できた。以下、ここで得られたイオンゲル含浸紙を電解質イオンゲルと記す。
電解質イオンゲルの両面に導電性高分子膜を対向させて重ね、恒温槽にて100℃、30分間加熱し、その後室温に冷却することで、導電性高分子膜/電解質イオンゲル/導電性高分子膜の三層構造体を形成した。この三層構造体を幅2.5mm、長さ15mmに裁断し、一端部から長手方向に5mmの領域に幅2mm、長さ10mmの白金電極を取り付け、可動部長さ10mmの屈曲型導電性高分子アクチュエータを作製した。
ポリエチレングリコール8000を0.05、0.1、0.5、5、10重量パーセント溶解させた以外実施例1と同様にして屈曲型導電性高分子アクチュエータを作製した。これらのアクチュエータに±1.0Vの電圧を印加したところ、電解質イオンゲル−導電性高分子膜界面で剥離することなく印加電圧に応答した屈曲動作をし、変位量は1Hzの矩形波で初期の10回平均変位量が0.50mm以上であった。これらは実施例1および2と同様に長期連続駆動においても安定して屈曲動作することが可能である。一方ポリエチレングリコール8000を20重量パーセント溶解させた分散液は膜質が非常に脆く実施例1と同様にして屈曲型導電性高分子アクチュエータを作製することが出来なかった。
アセトン洗浄後酸素プラズマ処理したスライドグラス上に、5重量パーセントのジメチルスルホキシド(DMSO)を溶解したPEDOTとPSS混合体の水分散液(スタルク社製、商品名バイトロンPH500)を所定量滴下した。その後、室温で自然乾燥して溶媒を揮発させ、スライドグラス上に導電性高分子膜を形成した。最後に、剃刀を用いて導電性高分子膜をスライドグラスから剥離した。得られた膜の純水に対する静的接触角は45.5°であった。
(比較例2)
アセトン洗浄後酸素プラズマ処理したシリコン基板上に、5重量パーセントのNメチルピロリドン(NMP)を溶解したPEDOTとPSS混合体の水分散液(スタルク社製、商品名バイトロンPH500)を所定量滴下した。その後、室温で自然乾燥して溶媒を揮発させ、シリコン基板上に導電性高分子膜を形成した。最後に、シリコン基板を50体積パーセントの水酸化カリウム水溶液に浸漬し、導電性高分子膜を基板から剥離した。得られた導電性高分子膜の純水に対する静的接触角は41.1°であった。
(比較例3)
アセトン洗浄後酸素プラズマ処理したスライドグラス上に、5重量パーセントのジメチルスルホキシド(DMSO)、1重量パーセントのポリビニルアルコール22000を溶解したPEDOTとPSS混合体の水分散液(スタルク社製、商品名バイトロンPH500)を所定量滴下した。その後、室温で自然乾燥して溶媒を揮発させ、スライドグラス上に導電性高分子膜を形成した。最後に、剃刀を用いて導電性高分子膜をスライドグラスから剥離した。得られた膜の純水に対する静的接触角は60.4°であった。
102a 導電性高分子膜
102b 導電性高分子膜
103 固体電解質膜
104a 電極
104b 電極
201 アクチュエータ素子
202a 導電性高分子膜
202b 導電性高分子膜
203 固体電解質膜
204a 電極
204b 電極
Claims (9)
- 第1電極、固体電解質膜、導電性高分子膜、および第2電極が順に積層された積層体からなる屈曲型導電性高分子アクチュエータであって、
前記固体電解質膜は、有機ポリマーとイオン液体との混合物からなり、
前記有機ポリマーは、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)の少なくとも一種以上を含み、
前記導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれることを特徴とする、
屈曲型導電性高分子アクチュエータ。 - 請求項1に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータであって、
前記第1電極と前記固体電解質膜との間に、第2の導電性高分子膜を具備し、
前記第2の導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記第2の導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれることを特徴とする、
屈曲型導電性高分子アクチュエータ。 - 請求項1に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータであって、
前記有機ポリマーは、前記フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]である、
屈曲型導電性高分子アクチュエータ。 - 屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法であって、
屈曲型導電性高分子アクチュエータは、第1電極、固体電解質膜、導電性高分子膜、および第2電極が順に積層された積層体からなり、
前記固体電解質膜は、有機ポリマーとイオン液体との混合物からなり、
前記有機ポリマーは、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)の少なくとも一種以上を含み、
前記導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれ、
前記屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法は、
前記導電性高分子膜中にポリエチレングリコールを混合する工程と、
前記固体電解質膜の少なくとも片面に前記導電性高分子膜を積層させる工程と
を有することを特徴とする屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法。 - 請求項4に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法であって、
前記第1電極と前記固体電解質膜との間に、第2の導電性高分子膜を具備し、
前記第2の導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記第2の導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれ、
前記導電性高分子膜を積層させる工程においては、前記固体電解質膜の両面に前記導電性高分子膜を積層させることによって、前記導電性絶縁膜および前記第2の導電性絶縁膜が形成される、
屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法。 - 請求項4に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法であって、
前記有機ポリマーは、前記フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]である、
屈曲型導電性高分子アクチュエータの製造方法。 - 第1電極、固体電解質膜、導電性高分子膜、および第2電極が順に積層された積層体からなる屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法であって、
前記固体電解質膜は、有機ポリマーとイオン液体との混合物からなり、
前記有機ポリマーは、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)の少なくとも一種以上を含み、
前記導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれ、
前記屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法は、
前記第1電極と前記第2電極との間に電位差を印加させる工程
を包含する、屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法。 - 請求項7に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法であって、
前記第1電極と前記固体電解質膜との間に、第2の導電性高分子膜を具備し、
前記第2の導電性高分子膜は、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)との混合体からなり、さらに
前記第2の導電性高分子膜中にポリエチレングリコールが含まれることを特徴とする、
屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法。 - 請求項7に記載の屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法であって、
前記有機ポリマーは、前記フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体[P(VDF/HFP)]である、
屈曲型導電性高分子アクチュエータの駆動方法。
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