JP4946570B2 - Polymer actuator - Google Patents

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Description

本発明は、高分子アクチュエータに関する。   The present invention relates to a polymer actuator.

導電性高分子等の高分子材料を用いたアクチュエータは、一般に、1対の電極層と、それらの間に介在するイオン伝導性の電解質とを有する構成を有する。高分子アクチュエータは、駆動電圧が低いこと、エネルギー密度が高いこと等の利点を有しており、人工筋肉等への応用を期待して検討が進められているところである。   An actuator using a polymer material such as a conductive polymer generally has a configuration having a pair of electrode layers and an ion-conducting electrolyte interposed therebetween. Polymer actuators have advantages such as low drive voltage and high energy density, and are being studied with the expectation of application to artificial muscles and the like.

高分子アクチュエータの場合、従来、液状又はゲル状の電解質が用いられることが多い(例えば、特許文献1、2)。しかし、従来の高分子アクチュエータにおける液状又はゲル状の電解質はそれ自体が自立した層として十分な強度を有するようなものではなく、高分子アクチュエータを、自立した素子として大気中で安定して動作させたり、大きな応力を発生させながら動作させたりすることは困難である。また、電解質の強度が低いと、高分子アクチュエータを大きな変位を伴いながら繰返し動作したときに電解質が損傷し易く、耐久性も不足する。そこで、固体電解質を用いた高分子アクチュエータについても検討されている(特許文献3、4)。
特開2006−507080号公報 特開2006−288040号公報 特開2004−98199号公報 特開2006−120596号公報
In the case of a polymer actuator, conventionally, a liquid or gel electrolyte is often used (for example, Patent Documents 1 and 2). However, the liquid or gel electrolyte in the conventional polymer actuator does not have sufficient strength as a self-supporting layer itself, and the polymer actuator operates stably in the atmosphere as a self-supporting element. It is difficult to operate while generating a large stress. Moreover, when the strength of the electrolyte is low, the electrolyte is easily damaged when the polymer actuator is repeatedly operated with a large displacement, and the durability is insufficient. Therefore, a polymer actuator using a solid electrolyte has also been studied (Patent Documents 3 and 4).
JP 2006-507080 A JP 2006-288040 A JP 2004-98199 A JP 2006-120596 A

しかしながら、従来、固体電解質層を用いた高分子アクチュエータは、耐久性は比較的良好であるものの、その導電率は必ずしも高いものではなく、この点で更に改善が求められていた。導電率が低いと、より大きな電圧が必要となったり、アクチュエータとしての動作速度が十分に大きくならないなど、実用上不利な点が多い。   Conventionally, however, polymer actuators using a solid electrolyte layer have relatively good durability, but their electrical conductivity is not necessarily high, and further improvements have been demanded in this respect. If the electrical conductivity is low, there are many disadvantages in practice, such as requiring a larger voltage and not sufficiently increasing the operating speed as an actuator.

そこで、本発明は、単独で自立可能であり繰返し安定して動作可能な程度の強度を有する電解質層を用いながら、十分に高い導電率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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a polymer actuator having a sufficiently high conductivity while using an electrolyte layer that can stand alone and has a strength that allows repeated stable operation.

本発明に係る高分子アクチュエータは、電解質層と、該電解質層に隣接して設けられた電極層とを備える。電解質層が、3個以上の重合性官能基を有する多官能重合性化合物を含有する重合性組成物の重合により形成される架橋構造体であって酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位を有する架橋構造体と、イオン性物質と、を含有する。   The polymer actuator according to the present invention includes an electrolyte layer and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer. The electrolyte layer is a cross-linked structure formed by polymerization of a polymerizable composition containing a polyfunctional polymerizable compound having three or more polymerizable functional groups, and includes a group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom, and a nitrogen atom. It contains a crosslinked structure having a repeating unit containing at least one selected atom and an ionic substance.

上記本発明に係る高分子アクチュエータにおいては、3個以上の重合性官能基を有する多官能重合性化合物に由来する網目状の架橋構造体によって、単独で自立可能であり繰返し安定して動作可能な程度の強度が電解質層に付与される。更に、架橋構造体中の繰返し単位が酸素原子等を含んでいることから、イオン性物質のイオンを効率的に伝導する高いイオン伝導度が確保される。すなわち、上記本発明に係る高分子アクチュエータは、単独で自立可能であり繰返し安定して動作可能な程度の強度を有する電解質層を用いながら、十分に高い導電率を達成することが可能である。   In the polymer actuator according to the present invention, the network-like cross-linked structure derived from the polyfunctional polymerizable compound having three or more polymerizable functional groups can be independently independent and can operate stably and repeatedly. A certain degree of strength is imparted to the electrolyte layer. Furthermore, since the repeating unit in the crosslinked structure contains an oxygen atom or the like, high ionic conductivity for efficiently conducting ions of the ionic substance is ensured. That is, the polymer actuator according to the present invention can achieve a sufficiently high conductivity while using an electrolyte layer that can stand alone and has a strength that allows repeated and stable operation.

上記多官能重合性化合物は、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位を有するプレポリマーであることが好ましい。これにより、電解質層のイオン伝導性が更に高められる。また、高分子アクチュエータの繰返し動作に対する耐性が高められて、より長期間安定して動作することが可能になる。同様の観点から、上記プレポリマーは星型の分岐構造を有することが好ましい。   The polyfunctional polymerizable compound is preferably a prepolymer having a repeating unit containing at least one atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom. Thereby, the ionic conductivity of the electrolyte layer is further enhanced. In addition, the resistance of the polymer actuator to repeated operations is enhanced, and it becomes possible to operate stably for a longer period of time. From the same viewpoint, the prepolymer preferably has a star-shaped branched structure.

イオン性物質は、イオン性液体であることが好ましい。これにより、アクチュエータとしての変位量を更に大きくすることが可能になる。   The ionic substance is preferably an ionic liquid. Thereby, the displacement amount as the actuator can be further increased.

本発明によれば、単独で自立可能であり繰返し安定して動作可能な程度の強度を有する電解質層を用いながら、十分に高い導電率を有する高分子アクチュエータを提供することが可能になる。導電率が高いことから、動作速度や駆動電圧等の点でもより優れた高分子アクチュエータが得られる。また、アクチュエータ自体が良好な強度を有するため、通電時に比較的大きな応力を発生させることができる。連続的に大きな応力を発生できることは、実用上大きなメリットとなる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer actuator having a sufficiently high conductivity while using an electrolyte layer that can stand alone and has a strength that allows repeated and stable operation. Since the conductivity is high, a polymer actuator more excellent in terms of operating speed, driving voltage, etc. can be obtained. Further, since the actuator itself has a good strength, a relatively large stress can be generated during energization. The ability to generate large stress continuously is a great merit in practical use.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、高分子アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。図1に示す高分子アクチュエータ1は、対向する1対の電極層11,12と、1対の電極層11,12の間に挟持された電解質層20とから構成される。電極層11,12の外側に接続端子31及び32がそれぞれ取り付けられており、これらは可変電圧電源を含む回路に接続されている。高分子アクチュエータ1においては、通電によりイオン伝導が生じて電解質層20中のイオンの分布に偏りが生じることにより、変位を生じる。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a polymer actuator. The polymer actuator 1 shown in FIG. 1 includes a pair of opposed electrode layers 11 and 12 and an electrolyte layer 20 sandwiched between the pair of electrode layers 11 and 12. Connection terminals 31 and 32 are respectively attached to the outer sides of the electrode layers 11 and 12, and these are connected to a circuit including a variable voltage power source. In the polymer actuator 1, ion conduction is caused by energization and deviation occurs in the distribution of ions in the electrolyte layer 20, thereby causing displacement.

電解質層20は、3個以上の重合性官能基を有する多官能重合性化合物を含有する重合性組成物の重合により形成される網目状の架橋構造体と、イオン性物質とを含有する固形又はゲル状の層である。電解質層20中の架橋構造体は、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位から構成される分子鎖を有する。   The electrolyte layer 20 is a solid containing a network-like crosslinked structure formed by polymerization of a polymerizable composition containing a polyfunctional polymerizable compound having three or more polymerizable functional groups, and an ionic substance. It is a gel-like layer. The crosslinked structure in the electrolyte layer 20 has a molecular chain composed of a repeating unit including at least one kind of atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom, and a nitrogen atom.

酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を有する繰返し単位は、イオン性物質を構成する金属イオン等のイオン(例えばLi)に配位する基であることが好ましい。係る繰返し単位の具体例としては、下記化学式(10)、(11)、(12)、(13)、(20)又は(30)で表されるものが挙げられる。これらの中でも式(10)で表されるオキシアルキレン基が特に好ましい。 The repeating unit having at least one atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom is a group coordinated to an ion (for example, Li + ) such as a metal ion constituting the ionic substance. preferable. Specific examples of such a repeating unit include those represented by the following chemical formula (10), (11), (12), (13), (20) or (30). Among these, an oxyalkylene group represented by the formula (10) is particularly preferable.

Figure 0004946570
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式(10)〜(13)は酸素原子、(20)は硫黄原子、(30)は窒素原子を含む繰返し単位である。R、R、R、R、R及びRは2価の有機基を示す。R〜Rは好ましくはアルキレン基であり、より好ましくは炭素数1〜6のアルキレン基である。R〜Rの具体例としてはエチレン基及びプロピレン基が挙げられる。Rは水素原子又はアルキル基を示す。Rのアルキル基は、炭素数1〜3であることが好ましく、具体的には、メチル基又はプロピル基であることが好ましい。 Formulas (10) to (13) are oxygen atoms, (20) is a sulfur atom, and (30) is a repeating unit containing a nitrogen atom. R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 represent a divalent organic group. R 1 to R 6 are preferably an alkylene group, more preferably an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples of R 1 to R 6 include an ethylene group and a propylene group. R 7 represents a hydrogen atom or an alkyl group. The alkyl group for R 7 preferably has 1 to 3 carbon atoms, and specifically, is preferably a methyl group or a propyl group.

架橋構造体は、上記のような繰返し単位の他に、イオン伝導性の作用を有する他の基を有していてもよい。例えば、スルホン酸基及びスルホン酸アミド基や、ホウ素又はアルミニウムを含むアート型錯体等のアニオン捕捉性の基が架橋構造体中に導入されていてもよい。また、架橋構造体中の分子鎖は、上記化学式で表されるような繰返し単位から構成される部分に加えて、ポリシロキサン鎖などの他の線状構造を更に有していてもよい。   The crosslinked structure may have other groups having an ionic conductivity in addition to the repeating unit as described above. For example, an anion-trapping group such as a sulfonic acid group and a sulfonic acid amide group or an art-type complex containing boron or aluminum may be introduced into the crosslinked structure. Further, the molecular chain in the crosslinked structure may further have another linear structure such as a polysiloxane chain in addition to the portion composed of the repeating unit represented by the above chemical formula.

架橋構造体は、3個以上の重合性官能基を有する多官能重合性化合物を含有する重合性組成物の重合反応によって形成させることができる。重合性組成物は、熱又は光によって重合して網目状の架橋構造体を形成する。   The crosslinked structure can be formed by a polymerization reaction of a polymerizable composition containing a polyfunctional polymerizable compound having three or more polymerizable functional groups. The polymerizable composition is polymerized by heat or light to form a network-like crosslinked structure.

多官能重合性化合物の重合性官能基は、例えば、ラジカル重合、カチオン重合のような重合反応により架橋する官能基である。重合性官能基の具体例としては、アクリレート基、メタアクリレート基、エポキシ基、イソシアネート基、オキセタン基及びビニルエーテル基が挙げられる。これらの中でもアクリレート基及びメタクリレート基が好ましい。   The polymerizable functional group of the polyfunctional polymerizable compound is a functional group that is cross-linked by a polymerization reaction such as radical polymerization or cationic polymerization. Specific examples of the polymerizable functional group include an acrylate group, a methacrylate group, an epoxy group, an isocyanate group, an oxetane group, and a vinyl ether group. Among these, an acrylate group and a methacrylate group are preferable.

多官能重合性化合物は、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位を有するプレポリマーであることが好ましい。これにより、酸素原子等を含む繰返し単位が導入された架橋構造体を容易に形成させることができる。   The polyfunctional polymerizable compound is preferably a prepolymer having a repeating unit containing at least one atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom. Thereby, a crosslinked structure in which a repeating unit containing an oxygen atom or the like is introduced can be easily formed.

プレポリマーは、末端に重合性官能基を有することが好ましい。これにより架橋構造の結晶化度が低くなって、更に良好なイオン伝導性及び可撓性が得られる。   The prepolymer preferably has a polymerizable functional group at the terminal. As a result, the crystallinity of the cross-linked structure is lowered, and better ion conductivity and flexibility are obtained.

プレポリマーは直鎖状であってもよいし、分岐構造を有していてもよい。特に、プレポリマーは、星型の分岐構造を有することが好ましい。星型の分岐構造は、1つの分岐点から3本以上の線状の分子鎖が延びた構造であり、一般に星型高分子と称される高分子化合物がこの星型の分岐構造を有する。分岐点から延びている分子鎖は更に分岐していてもよい。すなわち、本発明において、星型の分岐構造は、いわゆるハイパーブランチと称される高度な分岐構造も含む。重合性官能基は、星型の分岐構造の末端に結合していることが好ましい。   The prepolymer may be linear or may have a branched structure. In particular, the prepolymer preferably has a star-shaped branched structure. The star-shaped branched structure is a structure in which three or more linear molecular chains extend from one branch point, and a polymer compound generally called a star-shaped polymer has this star-shaped branched structure. The molecular chain extending from the branch point may be further branched. In other words, in the present invention, the star-shaped branch structure includes a highly branched structure called a so-called hyper branch. The polymerizable functional group is preferably bonded to the end of the star-shaped branched structure.

図2は、星型の分岐構造を有するプレポリマーの一実施形態を示す模式図である。図2のプレポリマーは、1つの分岐点と、該分岐点から延びている4本の線状の分子鎖と、それぞれの分子鎖の末端に結合したアクリレート基とを有する。それぞれの分子鎖は、例えばポリオキシアルキレン鎖を有する。   FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of a prepolymer having a star-shaped branched structure. The prepolymer of FIG. 2 has one branch point, four linear molecular chains extending from the branch point, and an acrylate group bonded to the end of each molecular chain. Each molecular chain has, for example, a polyoxyalkylene chain.

星型の分岐構造を有するプレポリマーは、例えば、公知の星型高分子の末端に重合性官能基を導入する方法により得ることができる。また、星型の分岐構造を有するプレポリマーは、例えば「TA210」(第一工業製薬(株)製)が商業的に入手可能である。   A prepolymer having a star-shaped branched structure can be obtained, for example, by a method of introducing a polymerizable functional group into a terminal of a known star-shaped polymer. In addition, a prepolymer having a star-shaped branched structure is commercially available, for example, “TA210” (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.).

プレポリマーが有する分岐構造は、星型に限られるものではない。例えば、線状の主鎖に一定の長さの側鎖が規則的に結合しているくし型の分岐構造をプレポリマーが有していてもよい。この場合、側鎖がさらに分岐していてもよい。   The branched structure of the prepolymer is not limited to a star shape. For example, the prepolymer may have a comb-shaped branched structure in which side chains of a certain length are regularly bonded to a linear main chain. In this case, the side chain may be further branched.

プレポリマーの分子量は、電解質層の良好なイオン伝導性及び適度な可撓性の観点から、300以上であることが好ましい。また、プレポリマーの分子量は50000以下であることが好ましい。   The molecular weight of the prepolymer is preferably 300 or more from the viewpoint of good ion conductivity and moderate flexibility of the electrolyte layer. Moreover, it is preferable that the molecular weight of a prepolymer is 50000 or less.

重合性組成物は、必要により単官能又は2官能のモノマー及び/又はプレポリマーを更に含有していてもよい。重合性官能基がラジカル重合性官能基である場合、重合性組成物は、光重合開始剤、熱ラジカル重合開始剤等の開始剤を含有することが好ましい。   The polymerizable composition may further contain a monofunctional or bifunctional monomer and / or prepolymer if necessary. When the polymerizable functional group is a radical polymerizable functional group, the polymerizable composition preferably contains an initiator such as a photopolymerization initiator or a thermal radical polymerization initiator.

電解質層20は、カチオン及びアニオンから構成されるイオン性物質を含有する。イオン性物質はイオン性液体であることが好ましい。イオン性液体の好適な具体例としては、イミダゾリウム塩、ピリジウム塩及び第4級アンモニウム塩が挙げられる。   The electrolyte layer 20 contains an ionic substance composed of a cation and an anion. The ionic substance is preferably an ionic liquid. Preferable specific examples of the ionic liquid include imidazolium salts, pyridium salts, and quaternary ammonium salts.

電解質層20におけるイオン性物質の割合は、電解質層20中の架橋構造体の質量を基準として10〜400質量%であることが好ましい。この割合が10質量%未満であると電解質層20の導電率が低下し易くなる傾向にあり、400質量%を超えると電解質層の強度が低下したり、イオン性液体を用いる場合はイオン性液体が染み出し易くなったりする傾向がある。   The ratio of the ionic substance in the electrolyte layer 20 is preferably 10 to 400% by mass based on the mass of the crosslinked structure in the electrolyte layer 20. If this proportion is less than 10% by mass, the conductivity of the electrolyte layer 20 tends to decrease, and if it exceeds 400% by mass, the strength of the electrolyte layer decreases or when an ionic liquid is used, the ionic liquid Tend to ooze out easily.

電解質層20は、上記成分に加えて、他の成分を必要に応じて含有していてもよい。例えば、電解質層20がイオン伝導性の高分子化合物を上記架橋構造体とは別に含有していてもよい。このイオン伝導性の高分子化合物は、例えば、上述の化学式(10)〜(13)、(20)又は(30)で表される繰返し単位を有していることが好ましい。   The electrolyte layer 20 may contain other components as necessary in addition to the above components. For example, the electrolyte layer 20 may contain an ion conductive polymer compound separately from the crosslinked structure. The ion conductive polymer compound preferably has, for example, a repeating unit represented by the above chemical formulas (10) to (13), (20), or (30).

1対の電極層11,12のうち少なくとも一方は、導電性高分子を主成分として含有する導電性高分子層、又はカーボンナノファイバー等の導電性フィラー及び絶縁性の高分子材料を含有する導電性の層であることが好ましい。   At least one of the pair of electrode layers 11 and 12 is a conductive polymer layer containing a conductive polymer as a main component, or a conductive material containing a conductive filler such as carbon nanofiber and an insulating polymer material. It is preferable that it is a layer of nature.

好適な導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリピロール及びポリアニリンがある。導電性高分子はドーパントによってドーピングされていることが好ましい。本実施形態の場合は特に、ポリ(スチレンスルホン酸)によってドーピングされたポリチオフェン又はポリピロールが好ましい。好適なポリチオフェンの具体例としては、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)がある。   Suitable conductive polymers include polythiophene, polypyrrole and polyaniline. The conductive polymer is preferably doped with a dopant. In the case of this embodiment, polythiophene or polypyrrole doped with poly (styrenesulfonic acid) is particularly preferable. A specific example of a suitable polythiophene is poly (3,4-ethylenedioxythiophene).

電極層11,12は、電解質層20との密着性を高めるためのシランカップリング剤等の他の成分を必要に応じて含有していてもよい。また、電極層11,12は、金属から構成された金属層であってもよい。電極層11,12に用いられる金属としては、金、銀、銅及びニッケル等がある。金属層は、例えば、スパッタ又はめっきにより電解質層上に形成させてもよいし、別途準備した金属層を接着剤により接着してもよい。   The electrode layers 11 and 12 may contain other components such as a silane coupling agent for improving the adhesion with the electrolyte layer 20 as necessary. Further, the electrode layers 11 and 12 may be metal layers made of metal. Examples of the metal used for the electrode layers 11 and 12 include gold, silver, copper, and nickel. The metal layer may be formed on the electrolyte layer by sputtering or plating, for example, or a separately prepared metal layer may be bonded with an adhesive.

高分子アクチュエータ1は、例えば、基板上に電極層11を形成させる工程と、該電極層11上に、多官能重合性化合物と必要により開始剤とを含有する重合性組成物と、イオン性物質と、を含有する電解質組成物を塗布する工程と、塗布された電解質組成物中の重合性組成物を重合させることにより架橋構造体を形成させて、該架橋構造体と前記イオン性物質とを含有する電解質層20を形成させる工程と、該電解質層20上に電極層12を形成させる工程と、基板を剥離する工程とを備える方法により得ることができる。上記多官能重合性化合物は、3個以上の重合性官能基と、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位とを有する。通常は、剥離後の積層体のシートから、打ち抜きや裁断等の手段により所定のサイズの製品が切り出される。   The polymer actuator 1 includes, for example, a step of forming an electrode layer 11 on a substrate, a polymerizable composition containing a polyfunctional polymerizable compound and, if necessary, an initiator on the electrode layer 11, and an ionic substance. A step of applying an electrolyte composition containing, and a crosslinked structure is formed by polymerizing the polymerizable composition in the applied electrolyte composition to form the crosslinked structure and the ionic substance. It can be obtained by a method comprising a step of forming the electrolyte layer 20 to be contained, a step of forming the electrode layer 12 on the electrolyte layer 20, and a step of peeling the substrate. The polyfunctional polymerizable compound has three or more polymerizable functional groups and a repeating unit containing at least one atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom. Usually, a product of a predetermined size is cut out from the sheet of the laminated body after peeling by means such as punching or cutting.

電極層11,12は、例えば、導電性高分子と、該導電性高分子が分散又は溶解している溶媒と、必要によりシランカップリング剤等の他の成分とを含有する導電ペーストを基板又は電解質層20上に塗付し、塗布された導電ペーストから溶剤を除去する方法により形成させることができる。   The electrode layers 11 and 12 are made of, for example, a conductive paste containing a conductive polymer, a solvent in which the conductive polymer is dispersed or dissolved, and, if necessary, other components such as a silane coupling agent as a substrate or It can apply | coat on the electrolyte layer 20 and can be formed by the method of removing a solvent from the apply | coated electrically conductive paste.

電解質層20を形成させるための電解質組成物は、例えば、多官能重合性化合物、イオン性物質等を混合し、ホモジナイザー等の手段により各成分を均一に分散させて調製される。電解質組成物はペーストである場合が多い。電解質組成物を塗布する方法は特に限定されず、例えばアプリケーター、バーコーター、ナイフコーター、スクリーン印刷等の方法を適宜採用することができる。   The electrolyte composition for forming the electrolyte layer 20 is prepared, for example, by mixing a polyfunctional polymerizable compound, an ionic substance, and the like, and uniformly dispersing each component by means such as a homogenizer. The electrolyte composition is often a paste. The method for applying the electrolyte composition is not particularly limited, and for example, methods such as an applicator, a bar coater, a knife coater, and screen printing can be appropriately employed.

塗布後の重合性組成物の重合は、加熱又は光照射、好ましくは光照射により進行させることができる。イオン性物質がイオン性液体である場合、通常は水等の溶媒を用いる必要がないため、乾燥工程は不要であり、高い効率で電解質層を形成させることができる。   The polymerization of the polymerizable composition after coating can be advanced by heating or light irradiation, preferably light irradiation. When the ionic substance is an ionic liquid, it is usually unnecessary to use a solvent such as water, so that a drying step is unnecessary, and the electrolyte layer can be formed with high efficiency.

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形が可能である。例えば、高分子アクチュエータにおいて電極層が1層のみ設けられていてもよいし、電極層と電解質層とが交互に複数積層されていてもよい。電極層は電解質層に直接接して設けられている必要は必ずしもなく、電極層が電解質層の少なくとも一方面側に設けられ、電解質層と電極層との間に他の層が設けられていてもよい。また、形状も平板状に限られず、用途等に応じて適宜変更され得る。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the polymer actuator, only one electrode layer may be provided, or a plurality of electrode layers and electrolyte layers may be alternately stacked. The electrode layer is not necessarily provided in direct contact with the electrolyte layer, and the electrode layer may be provided on at least one surface side of the electrolyte layer, and another layer may be provided between the electrolyte layer and the electrode layer. Good. Further, the shape is not limited to a flat plate shape, and can be changed as appropriate depending on the application.

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
電解質ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて10000rpm、10分間の条件で混合及び分散し、その後脱泡して、電解質ペーストを得た。
・ポリオキシアルキレン鎖を有する多官能末端アクリレートポリマー(TA210)
:100重量部
・イオン性液体(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)
:34.4重量部
・光重合開始剤(2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、IRG651)
:1重量部
Example 1
Preparation of electrolyte paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer at 10,000 rpm for 10 minutes, and then defoamed to obtain an electrolyte paste.
・ Polyfunctional terminal acrylate polymer having polyoxyalkylene chain (TA210)
: 100 parts by weight-ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylimide)
: 34.4 parts by weight-photopolymerization initiator (2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one, IRG651)
: 1 part by weight

導電性高分子ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて混合及び分散して、導電性高分子ペーストを得た。
・ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)の水分散液(固形分1.2質量%、スタルク社製、Baytron P HC V4)
:100重量部
N−メチルピロリドン
:5重量部
γ−グリシジルトリメトキシシラン(SH6040、東レダウコーニング社製)
:1重量部
Preparation of conductive polymer paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a conductive polymer paste.
-Aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonic acid) (solid content: 1.2% by mass, manufactured by Starck, Baytron P HC V4)
: 100 parts by weight N-methylpyrrolidone: 5 parts by weight γ-glycidyltrimethoxysilane (SH6040, manufactured by Toray Dow Corning)
: 1 part by weight

アクチュエータ作製と評価
上記導電性高分子ペーストを、アプリケーターを用いてガラス基板上に展開し、80℃で30分の加熱により乾燥及び架橋させて、導電性高分子層(膜厚:5μm程度)を形成させた。形成された導電性高分子層の導電率は5S/cmであった。次いで、導電性高分子層上に上記電解質ペーストを同様な手法で塗布した後、UV照射(積算光量6000mJ/cm)により硬化させて、電解質層を形成させた。形成された電解質層のイオン伝導度を交流インピーダンス法により測定したところ、1.7×10−4S/cmと良好なものであった。更に、電解質層上に導電高分子層を1層目の導電性高分子層と同様の手順で形成させた。得られた3層構造の積層体をガラス基板から剥離して、高分子アクチュエータのシート(厚さ:420μm)を得た。得られたシートからを所定の大きさの評価用サンプルを切り出した。
Actuator preparation and evaluation The conductive polymer paste is spread on a glass substrate using an applicator, dried and crosslinked by heating at 80 ° C. for 30 minutes, and a conductive polymer layer (film thickness: about 5 μm) is formed. Formed. The conductivity of the formed conductive polymer layer was 5 S / cm. Next, the above electrolyte paste was applied on the conductive polymer layer by the same method, and then cured by UV irradiation (integrated light amount 6000 mJ / cm 2 ) to form an electrolyte layer. When the ionic conductivity of the formed electrolyte layer was measured by an alternating current impedance method, it was as good as 1.7 × 10 −4 S / cm. Further, a conductive polymer layer was formed on the electrolyte layer in the same procedure as the first conductive polymer layer. The obtained three-layer laminate was peeled from the glass substrate to obtain a polymer actuator sheet (thickness: 420 μm). A sample for evaluation having a predetermined size was cut out from the obtained sheet.

評価用サンプルをケルビンクリップでクランプし、ファンクションジェネレーターにより方形波(±3V)の電圧を印加し、そのときの電流値、電圧及び変位量を同時に計測して、アクチュエータの動作特性を評価した。図2、3は印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。図2は200mHz、図3は1Hzの周波数でアクチュエータに電圧を印加したときの結果である。いずれの場合も十分に安定した動作が長時間維持された。また、電解質層はそれ自体自立して容易に取り扱うことができる程度の強度を有しており、動作試験後もその形状、外観に変化は認められなかった。   The evaluation sample was clamped with a Kelvin clip, a square wave (± 3 V) voltage was applied by a function generator, and the current value, voltage and displacement at that time were measured simultaneously to evaluate the operating characteristics of the actuator. 2 and 3 are graphs showing the relationship between applied voltage and displacement and measurement time. FIG. 2 shows the results when a voltage is applied to the actuator at a frequency of 200 mHz and FIG. 3 shows a frequency of 1 Hz. In both cases, sufficiently stable operation was maintained for a long time. In addition, the electrolyte layer itself was strong enough to be easily handled and no change was observed in its shape and appearance even after the operation test.

(比較例1)
電解質ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて10000rpm、10分間の条件で混合及び分散し、その後脱泡して、電解質ペーストを得た。
・直鎖状ポリエチレングリコールジアクリレート(分子量600)
:40重量部
・直鎖状ポリエチレングリコールモノアクリレート(分子量600)
:60重量部
・イオン性液体(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)
:40重量部
光重合開始剤(2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、IRG651)
:1重量部
(Comparative Example 1)
Preparation of electrolyte paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer at 10,000 rpm for 10 minutes, and then defoamed to obtain an electrolyte paste.
・ Linear polyethylene glycol diacrylate (molecular weight 600)
: 40 parts by weight / linear polyethylene glycol monoacrylate (molecular weight 600)
: 60 parts by weight ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylimide)
: 40 parts by weight of photopolymerization initiator (2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one, IRG651)
: 1 part by weight

アクチュエータ作製と評価
上記電解質ペーストを用いて電解質層を形成させたことの他は実施例1と同様にして高分子アクチュエータの評価用サンプルを作製し、その動作特性の評価を行った。形成された電解質層のイオン伝導度は1.4×10−4S/cmであり、実施例1の電解質層と比較して劣っていた。図4は100mHzの方形波を印加したときの印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。動作開始後短時間で変位が急激に減少して、正常な動作をしなかった。電解質層は強度の低いゲル状の脆弱なものであり、試験後の電解質層には亀裂の発生や導電性高分子層からの剥離が認められた。電解質層からイオン液体が多く染み出しており、これが導電性高分子層との密着力の低下や膜強度の低下の原因となっていた。
Preparation and Evaluation of Actuator A sample for evaluation of a polymer actuator was prepared in the same manner as in Example 1 except that an electrolyte layer was formed using the above electrolyte paste, and its operating characteristics were evaluated. The ionic conductivity of the formed electrolyte layer was 1.4 × 10 −4 S / cm, which was inferior to that of the electrolyte layer of Example 1. FIG. 4 is a graph showing the relationship between applied voltage and displacement and measurement time when a 100 mHz square wave is applied. The displacement decreased sharply in a short time after the start of operation and did not operate normally. The electrolyte layer was weak and weak in gel form, and cracks and peeling from the conductive polymer layer were observed in the electrolyte layer after the test. A large amount of ionic liquid oozes out from the electrolyte layer, which causes a decrease in adhesion to the conductive polymer layer and a decrease in film strength.

(実施例2)
下記組成に変更したことの他は実施例1と同様にして電解質ペーストを得た。得られた電解質ペーストを用いて、実施例1と同様にして電解質層を形成させた。形成された電解質層のイオン伝導度を交流インピーダンス法で測定したところ、1.8×10−3S/cmであった。
・ポリオキシアルキレン鎖を有する多官能末端アクリレートポリマー(TA210)
:100重量部
・イオン性液体(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)
:100重量部
・光重合開始剤(2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、IRG651)
:1重量部
(Example 2)
An electrolyte paste was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition was changed to the following. An electrolyte layer was formed in the same manner as in Example 1 using the obtained electrolyte paste. It was 1.8 * 10 < -3 > S / cm when the ionic conductivity of the formed electrolyte layer was measured by the alternating current impedance method.
・ Polyfunctional terminal acrylate polymer having polyoxyalkylene chain (TA210)
: 100 parts by weight-ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylimide)
: 100 parts by weight-photopolymerization initiator (2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one, IRG651)
: 1 part by weight

(比較例2)
下記組成に変更したことの他は実施例1と同様にして電解質ペーストを得た。得られた電解質ペーストを導電性高分子層上に塗付し、130℃で3時間の加熱により硬化させて、電解質層を形成させた。形成された電解質層のイオン伝導度を交流インピーダンス法で測定したところ、5.3×10−5S/cmであり、オキシアルキレン鎖を有するプレポリマーを用いた実施例2と比較してイオン伝導度が著しく低下した。
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(JER(株)製、8170C)
:100重量部
・イオン性液体(1−エチル−3−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルホニルイミド)
:100重量部
・酸無水物系硬化剤(大日本インキ化学(株)製、B570)
:20重量部
(Comparative Example 2)
An electrolyte paste was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition was changed to the following. The obtained electrolyte paste was applied onto the conductive polymer layer and cured by heating at 130 ° C. for 3 hours to form an electrolyte layer. When the ionic conductivity of the formed electrolyte layer was measured by an alternating current impedance method, it was 5.3 × 10 −5 S / cm, and the ionic conductivity was compared with Example 2 using a prepolymer having an oxyalkylene chain. The degree dropped significantly.
・ Bisphenol F type epoxy resin (manufactured by JER Co., Ltd., 8170C)
: 100 parts by weight-ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylimide)
: 100 parts by weight / acid anhydride curing agent (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, B570)
: 20 parts by weight

高分子アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of a polymer actuator. 星型の分岐構造を有するプレポリマーの一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the prepolymer which has a star-shaped branch structure. 印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an applied voltage and displacement, and measurement time. 印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an applied voltage and displacement, and measurement time. 印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an applied voltage and displacement, and measurement time.

符号の説明Explanation of symbols

1…高分子アクチュエータ、11,12…電極層、20…電解質層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polymer actuator, 11, 12 ... Electrode layer, 20 ... Electrolyte layer.

Claims (4)

電解質層と、該電解質層に隣接して設けられた電極層と、を備え、
前記電解質層が、
3個以上の重合性官能基を有する多官能重合性化合物を含有する重合性組成物の重合により形成される架橋構造体であって酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位を有する架橋構造体と、
イオン性物質と、を含有する、
高分子アクチュエータ。
An electrolyte layer, and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer,
The electrolyte layer is
A crosslinked structure formed by polymerization of a polymerizable composition containing a polyfunctional polymerizable compound having three or more polymerizable functional groups, and at least one selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom A crosslinked structure having a repeating unit containing a species of atom;
An ionic substance,
Polymer actuator.
前記多官能重合性化合物が、酸素原子、硫黄原子及び窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種の原子を含む繰返し単位を有するプレポリマーである、請求項1記載の高分子アクチュエータ。   The polymer actuator according to claim 1, wherein the polyfunctional polymerizable compound is a prepolymer having a repeating unit containing at least one atom selected from the group consisting of an oxygen atom, a sulfur atom and a nitrogen atom. 前記プレポリマーが星型の分岐構造を有する、請求項2記載の高分子アクチュエータ。   The polymer actuator according to claim 2, wherein the prepolymer has a star-shaped branch structure. 前記イオン性物質がイオン性液体である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ。   The polymer actuator according to claim 1, wherein the ionic substance is an ionic liquid.
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