JP4717400B2 - 空中駆動高分子アクチュエータ素子 - Google Patents
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PF6 −、BF4 −、AlCl4 −、ClO4 −、及び下式(1)で表されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオン
との組み合わせからなる塩である請求項2に記載の高分子アクチュエータ素子。
(CnF(2n+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)N− (1)
(ここで、n及びmは任意の整数。)
また、本発明は、高分子アクチュエータ素子の駆動方法でもある。前記高分子アクチュエータ素子は、イオン交換樹脂を挟んで対向する様に形成された一対の金属電極を備えた高分子アクチュエータ素子であって、一対の金属電極を備えた高分子アクチュエータ素子であって、イオン交換樹脂中に、180℃以上の沸点を有する極性溶媒を含む高分子アクチュエータ素子であるので、160°以上の屈曲乃至変位を生じさせるために、3.0Vより高い電圧を印加した場合であっても、気泡を発生することなく、しかも溶媒の蒸発が生じにくいので、樹脂による被覆なしに1日以上駆動することが可能である。
乾燥時の膜厚0.2mmのイオン交換樹脂膜(フッ素樹脂系イオン交換樹脂:パーフルオロカルボン酸樹脂、商品名「フレミオン」、旭硝子社製、イオン交換容量1.4meq/g)を、下記(1)〜(3)の工程を6サイクル繰り返して実施しイオン交換樹脂を挟んで形成された一対の金属電極を備えたイオン交換樹脂膜を得た。(1)吸着工程:ジクロロフェナントロリン金塩化物水溶液に12時間浸漬し、成形品内にジクロロフェナントロリン金錯体を吸着させた。(2)還元工程:亜硫酸ナトリウムを含む水溶液中で、吸着したジクロロフェナントロリン金錯体を還元して、前記膜状高分子電解質に金電極を形成させた。このとき、水溶液の温度を60〜80℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、6時間ジクロロフェナントリン金錯体の還元を行った。次いで、(3)洗浄工程:表面に金電極が形成した膜状高分子電解質を取り出し、70℃の水で1時間洗浄した。上記無電解メッキにより一対の金属電極が形成されたイオン交換樹脂膜を長さ22mm、幅1.5mmに切断した。ついで、前記イオン交換樹脂膜を0.5mol/lの塩化テトラエチルアンモニウム塩の水溶液に浸漬し、乾燥させた後に、膨潤度が約15%となるように0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に24時間浸漬して実施例1の高分子アクチュエータ素子を得た。
切断された前記イオン交換樹脂膜を浸漬する溶媒を、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に替えて、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのプロピレンカーボネート溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例2の高分子アクチュエータ素子を得た。
切断された前記イオン交換樹脂膜を浸漬する溶媒を、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に替えて、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのグリセリン溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例3の高分子アクチュエータ素子を得た。
切断された前記イオン交換樹脂膜を浸漬する溶媒を、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に替えて、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのスルホラン溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例4の高分子アクチュエータ素子を得た。
切断された前記イオン交換樹脂膜を浸漬する溶媒を、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に替えて、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのブチロラクトン溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、実施例3の高分子アクチュエータ素子を得た。
乾燥時の膜厚0.2mmのイオン交換樹脂膜(フッ素樹脂系イオン交換樹脂:パーフルオロカルボン酸樹脂、商品名「フレミオン」、旭硝子社製、イオン交換容量1.4meq/g)を、下記(1)〜(3)の工程を6サイクル繰り返して実施しイオン交換樹脂を挟んで形成された一対の金属電極を備えたイオン交換樹脂膜を得た。(1)吸着工程:ジクロロフェナントロリン金塩化物水溶液に12時間浸漬し、成形品内にジクロロフェナントロリン金錯体を吸着させた。(2)還元工程:亜硫酸ナトリウムを含む水溶液中で、吸着したジクロロフェナントロリン金錯体を還元して、前記膜状高分子電解質に金電極を形成させた。このとき、水溶液の温度を60〜80℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、6時間ジクロロフェナントリン金錯体の還元を行った。次いで、(3)洗浄工程:表面に金電極が形成した膜状高分子電解質を取り出し、70℃の水で1時間洗浄した。上記無電解メッキにより一対の金属電極が形成されたイオン交換樹脂膜を長さ22mm、幅1.5mmに切断した。ついで、前記イオン交換樹脂膜を0.5mol/lの塩化テトラエチルアンモニウム塩の水溶液に浸漬し、乾燥させた後に、0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩(EMITFSI)の水溶液に室温にて一晩浸漬して、2時間以上室温で風乾させて水を蒸発させることにより実施例6の高分子アクチュエータ素子を得た。
0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩の水溶液に替えて、0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸塩(EMIPF6)の水溶液を用いたこと以外は、実施例6と同様にして、実施例7の高分子アクチュエータ素子を得た。
0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミドイミド塩水溶液に替えて、0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩(EMIBF4)の水溶液を用いたこと以外は、実施例6と同様にして実施例8の高分子アクチュエータ素子を得た。
0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩水溶液に替えて、0.2mol/lのトリメチルプロピルアンモニウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩(TMPATFSI)の水溶液を用いたこと以外は、実施例6と同様にして実施例9の高分子アクチュエータ素子を得た。
0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩水溶液に替えて、0.2mol/lの1−ブチル3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ酸塩(BMIBF4)の水溶液を用いたこと以外は、実施例6と同様にして実施例10の高分子アクチュエータ素子を得た。
0.2mol/lのエチルメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホンイミド塩水溶液に替えて、0.2mol/lの1−ヘキシル3−メチルイミダゾリウムヘキサオロリン酸塩(HMIPF6)の水溶液を用いたこと以外は、実施例6と同様にして実施例11の高分子アクチュエータ素子を得た。
切断された前記イオン交換樹脂膜を浸漬する溶媒を、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムのジエチレングリコール溶液に替えて、0.5mol/lの塩化テトラエチレンアンモニウムの水溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、比較例の高分子アクチュエータ素子を得た。
実施例1〜11及び比較例の高分子アクチュエータ素子について、空気中での変位角、及び3.0V電圧印加での素子性状を、下記の方法により評価した。結果を表1に示す。
実施例1〜11及び比較例の高分子アクチュエータ素子のそれぞれについて、一方の端部から2mm内側の位置において、一対の金属電極のそれぞれに通電できるように、白金端子にて高分子アクチュエータ素子の厚さ方向に挟んで、膜面が重力方向と平行になるように握持した。一対の金属電極の一方が正極となり、他方が負極となるようにポテンショスタッタト(DCモード、商品名「ポテンショ・ガルバノースタット HA−501」、北斗電工(株)社製)を用いて1.5Vの電圧を印加し、0.1Hz周期で各金属電極に反対電圧が印加されるように電圧を印加して、左右に往復する変位運動をさせた。この往復変位運動の3往復目で屈曲乃至変位した状態における、高分子アクチュエータ素子の先端における変位凸面の接線方向と重力方向とのなす角を、右側変位と左側変位とにおいて測定し、平均して変位角を求めた。この測定を各高分子アクチュエータ素子について、白金端子による握持したときから、1分後、1時間後、及び24時間後のそれぞれにおいて測定を実施した。
実施例1の高分子アクチュエータ素子は、沸点245℃の極性溶媒であるジエチレングリコールが溶媒として素子に含まれるために、24時間後、つまり1日後であっても、印加電圧1.2Vにおいて100°以上の変位角を示した。これに対して、比較例の高分子アクチュエータ素子は、沸点が100℃である極性溶媒の水を溶媒として含むために、24時間後の変位を生じなかった。
Claims (5)
- 金属電極と、高分子電解質を含む電解質と、を含む高分子アクチュエータ素子であって、
前記金属電極が対を形成することができるように形成され、
前記金属電極が前記電解質と接し、
前記電解質中に沸点または分解温度が180℃以上であり、常温常圧で液状の有機化合物を含み、
前記有機化合物が、極性有機溶媒及び/またはイオン性液体であり、
前記高分子電解質が、イオン交換樹脂であり、
前記電解質が、前記有機化合物により、前記イオン交換樹脂が膨潤した状態であることを特徴とする高分子アクチュエータ素子。 - 前記イオン性液体が、テトラアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリニウムイオン、ピロリジニウムイオン、及びピペリジニウムイオンからなる群より少なくとも一種選ばれたカチオンと、PF6 −、BF4 −、AlCl4 −、ClO4 −、及び下式(1)で表されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオンとの組み合わせからなる塩であることを特徴とする請求項1に記載の高分子アクチュエータ素子。
(CnF(2n+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)N−(1)
(ここで、n及びmは任意の整数。) - 前記高分子アクチュエータ素子が前記有機化合物により膨潤した状態であり、膨潤度が3〜200%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子アクチュエータ素子。
- 前記高分子アクチュエータ素子を、可撓性を有する樹脂で被覆されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子アクチュエータ素子。
- 前記極性有機溶媒が、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、プロピレンカーボネート、ブチロラクトン又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高分子アクチュエータ素子。
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