JP5156940B2 - Polymer actuator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、高分子アクチュエータおよびその製造方法に関するものであり、特に、高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polymer actuator and a method for producing the same, and in particular, includes a film made of a polymer compound and electrodes formed on both surfaces of the film, by applying a voltage between the electrodes. The present invention relates to a polymer actuator that bends and deforms the film and a method for manufacturing the same.

現在、メカトロニクス系の分野では、2本足歩行ロボット等の次世代の自立歩行型ロボットや、癒しのロボット玩具等が注目を集めている。これらの分野では従来の電磁モータをベースとした制御方法が利用されているが、動きがぎこちなく、生物のスムーズな動きには未だ遠いのが現状である。例えば、家電製品や工業製品におけるノイズがなく巧みでなめらかな動きが要求される部分、真のヒューマノイドロボット、汎用ロボット等を具体化するためには、生物の筋肉のように、駆動時にノイズや音が出ない、スムーズな動きをする次世代型のアクチュエータの具体化が必要である。   At present, in the field of mechatronics, next-generation self-contained walking robots such as two-legged walking robots and healing robot toys are attracting attention. In these fields, control methods based on conventional electromagnetic motors are used, but the current situation is that the movement is awkward and the creature is still far from smooth movement. For example, in order to embody parts that require skillful and smooth movement without noise in home appliances and industrial products, true humanoid robots, general-purpose robots, etc. It is necessary to materialize next-generation actuators that can move smoothly and move smoothly.

かかるアクチュエータとして、各種高分子材料からなり、電気的刺激によって電気化学的な伸縮または屈曲変形を生じる高分子アクチュエータが提案されている。高分子アクチュエータは従来の電磁モータに比べて、1)スムーズな駆動が可能である、2)駆動時にノイズや音がでない、3)超小型・軽量化が可能である、4)機械的な故障が少ない、5)大気、水、有機媒体中といった広範な駆動環境下で作動するという優れた特徴を有している。   As such an actuator, there has been proposed a polymer actuator made of various polymer materials and causing electrochemical expansion and contraction or bending deformation by electrical stimulation. Compared with conventional electromagnetic motors, polymer actuators can be driven 1) smoothly, 2) no noise or noise when driven, 3) ultra-compact and lightweight, 4) mechanical failure 5) It has an excellent feature that it operates under a wide driving environment such as in the atmosphere, water, and organic medium.

かかる高分子アクチュエータとしては、イオン伝導性高分子化合物、電子伝導性高分子化合物、非イオン性のゲルやエラストマー等を用いた多様な方式の高分子アクチュエータが提案されているが、その中の一つとして、図1に示すような、屈曲変形を生じる高分子アクチュエータが報告されている。この種の高分子アクチュエータは、高分子化合物からなるフィルム1と、当該フィルムの両面に形成されている電極2a、2bとを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムが屈曲変形する。かかる高分子アクチュエータは、イオン性高分子化合物(イオン伝導性高分子化合物)を用いるものが主流であるが、非イオン性高分子化合物を用いるものも報告されている。   As such polymer actuators, various types of polymer actuators using ion conductive polymer compounds, electron conductive polymer compounds, nonionic gels, elastomers, and the like have been proposed. For example, a polymer actuator that causes bending deformation as shown in FIG. 1 has been reported. This type of polymer actuator includes a film 1 made of a polymer compound and electrodes 2a and 2b formed on both surfaces of the film, and the film is bent and deformed by applying a voltage between the electrodes. To do. As such polymer actuators, those using ionic polymer compounds (ion-conducting polymer compounds) are mainly used, but those using nonionic polymer compounds have also been reported.

イオン性高分子化合物を用いる例としては、例えば、イオン交換樹脂膜の両面に金属電極を供えたメタル−コンポジットポリマー(IPMC:ionic polymeric-metal composites)が開示されている(例えば、非特許文献1等参照。)。この高分子アクチュエータの駆動メカニズムは、例えば、カチオン交換のためのアニオン性のイオン交換樹脂膜では以下のように説明できる。電圧の印加により、膜内で自由に移動できるカチオンがカソード側に移動し、このイオンに伴われて、イオン交換樹脂に含まれる水分子もカソード側に移動するため、カソード側の浸透圧が上昇し、膜が膨張する。これに対し、イオン交換樹脂に固定されているアニオンは、対極のアノード側に引き寄せられにくいため、アノード側のカチオンの濃度が下がり、浸透圧が低下して膜が収縮する。カソード側の膨張と、アノード側の収縮により、結果として膜が屈曲変形する。   As an example of using an ionic polymer compound, for example, metal-composite polymers (IPMC: ionic polymeric-metal composites) provided with metal electrodes on both surfaces of an ion exchange resin film are disclosed (for example, Non-Patent Document 1). Etc.). The driving mechanism of this polymer actuator can be explained as follows for an anionic ion exchange resin membrane for cation exchange, for example. By applying voltage, cations that can move freely within the membrane move to the cathode side, and accompanying this ion, water molecules contained in the ion exchange resin also move to the cathode side, increasing the osmotic pressure on the cathode side. And the membrane expands. On the other hand, since the anion fixed to the ion exchange resin is not easily attracted to the anode side of the counter electrode, the concentration of the cation on the anode side decreases, the osmotic pressure decreases, and the membrane contracts. As a result, the membrane is bent and deformed by the expansion on the cathode side and the contraction on the anode side.

また、非イオン性高分子化合物を用いる例としては、酢酸ナトリウム等のイオン性物質を加えた非イオン性高分子化合物からなる高分子膜に電圧を印加することにより、高分子膜を屈曲変形させる方法が開示されている(例えば、特許文献1等参照。)。   As an example of using a nonionic polymer compound, the polymer film is bent and deformed by applying a voltage to the polymer film made of a nonionic polymer compound to which an ionic substance such as sodium acetate is added. A method is disclosed (see, for example, Patent Document 1).

上記従来の、高分子化合物からなるフィルムの両面に電極を備えた高分子アクチュエータでは、電極として、白金または金等の貴金属がメッキされて使用されている。
特開2000−216448号公報(平成12年8月4日公開) M.Shahinpoor, Electrochimica Acta 48(2003)2343-2353
In the conventional polymer actuator provided with electrodes on both surfaces of a film made of a polymer compound, a noble metal such as platinum or gold is plated as the electrode.
JP 2000-216448 A (released on August 4, 2000) M. Shahinpoor, Electrochimica Acta 48 (2003) 2343-2353

しかしながら、上記従来の高分子アクチュエータでは、電極を形成するためのメッキには無電解メッキ法が利用されているが、メッキ回数を繰り返す手間や多大な時間(20〜50時間)を要する。また、貴金属を使用するためコストがかかるという問題がある。   However, in the above-described conventional polymer actuator, an electroless plating method is used for plating to form electrodes, but it takes time and effort (20 to 50 hours) to repeat the number of times of plating. In addition, there is a problem that the cost is increased because the noble metal is used.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に製造可能な高分子アクチュエータおよびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to provide a polymer that is inexpensive in cost and can be easily manufactured in a short time compared to a conventional polymer actuator using a noble metal. An object of the present invention is to provide an actuator and a manufacturing method thereof.

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、上記高分子アクチュエータの電極として、高分子バインダとその中に分散されているカーボン粉末とを含んでなる電極を用いたところ、通常カーボン粉末と高分子バインダとの混合物に圧力をかけて固めたものは硬くフィルムの屈曲変形に合わせて曲がることが求められる電極には適さないとの予想に反し、柔軟性に富んだ電極が得られることを見出した。また、かかる電極は、柔軟性が求められるため、支持体等で補強することなく、フィルムの両面に固定する必要があり、高分子バインダとカーボン粉末とからのみではかかる電極を得ることは困難であると予想されたが、高分子バインダとカーボン粉末との量のバランスをとることにより、崩れることのない電極をフィルムの両面に固定できることを見出した。さらに、かかる電極は、電気伝導性の高いものである必要があるため、カーボン粉末の含有量を多くすると強度が不足することが予想されたが、得られた高分子アクチュエータは十分な強度を有し、イオン性液体に含浸した後も安定な電極として機能することを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have used an electrode comprising a polymer binder and carbon powder dispersed therein as an electrode of the polymer actuator. Contrary to the expectation that a mixture of carbon powder and polymer binder that has been hardened under pressure is hard and not suitable for an electrode that needs to bend in accordance with the bending deformation of the film, a flexible electrode is obtained. I found out that In addition, since such an electrode is required to be flexible, it must be fixed on both sides of the film without being reinforced with a support or the like, and it is difficult to obtain such an electrode only from a polymer binder and carbon powder. As expected, it was found that an electrode that does not collapse can be fixed on both sides of the film by balancing the amounts of the polymer binder and the carbon powder. Furthermore, since it is necessary for such an electrode to have high electrical conductivity, it was expected that the strength would be insufficient when the carbon powder content was increased, but the polymer actuator obtained had sufficient strength. And it discovered that it functions as a stable electrode even after impregnating an ionic liquid, and came to complete this invention.

すなわち、本発明に係る高分子アクチュエータは、上記課題を解決するために、高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータにおいて、前記電極は、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなることを特徴としている。上記の構成によれば、従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に製造可能な高分子アクチュエータを実現することが可能となる。   That is, the polymer actuator according to the present invention includes a film made of a polymer compound and electrodes formed on both surfaces of the film, and a voltage is applied between the electrodes in order to solve the above problems. In the polymer actuator for bending and deforming the film, the electrode includes a polymer binder and carbon powder dispersed therein. According to the above configuration, it is possible to realize a polymer actuator that is inexpensive in cost and can be easily manufactured in a short time as compared with a conventional polymer actuator using a noble metal.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記高分子化合物は、イオン伝導性高分子化合物であってもよいし、非イオン性高分子化合物であってもよい。   In the polymer actuator according to the present invention, the polymer compound may be an ion conductive polymer compound or a nonionic polymer compound.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記高分子化合物は、イオン性液体を含有していることが好ましい。上記高分子アクチュエータがイオン性液体を含有していることにより、水分蒸発による高分子アクチュエータの機能の低下の問題を回避することができるため、大気中においても良好に使用することが可能となる。   In the polymer actuator according to the present invention, the polymer compound preferably contains an ionic liquid. Since the polymer actuator contains an ionic liquid, it is possible to avoid the problem of deterioration of the function of the polymer actuator due to moisture evaporation, and therefore it can be used well in the atmosphere.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記カーボン粉末は、上記高分子バインダ100重量部に対して、1重量部以上1000重量部以下含まれていることが好ましい。上記カーボン粉末が上記割合で含まれていることにより、十分な電気伝導性を有し、かつ、すぐれた強度を有する安定な電極として機能するという効果を奏する。   In the polymer actuator according to the present invention, the carbon powder is preferably contained in an amount of 1 part by weight to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer binder. By including the carbon powder in the above proportion, there is an effect of functioning as a stable electrode having sufficient electrical conductivity and excellent strength.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記カーボン粉末の平均粒子径は0nmより大きく10μm以下であることが好ましい。上記カーボン粉末の平均粒子径が上記範囲内であることにより、分散性と密着性の向上というさらなる効果を奏する。   In the polymer actuator according to the present invention, the average particle size of the carbon powder is preferably greater than 0 nm and not greater than 10 μm. When the average particle diameter of the carbon powder is within the above range, there is a further effect of improving dispersibility and adhesion.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記高分子バインダは、上記フィルムを構成する高分子化合物と同一の高分子化合物を含んでなることが好ましい。上記高分子バインダは、上記フィルムを構成する高分子化合物と同一の高分子化合物を含んでなることにより、上記フィルムとの、相溶性並びに接合性および密着性がより高いため、より強固な電極を構成することが可能となる。   In the polymer actuator according to the present invention, the polymer binder preferably comprises the same polymer compound as the polymer compound constituting the film. Since the polymer binder contains the same polymer compound as the polymer compound constituting the film, the compatibility with the film and the bondability and adhesion are higher. It can be configured.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記フィルムの厚みは、10μm以上5mm以下であることが好ましい。上記フィルムの厚みが、上記範囲内であることにより、成形時の形状安定性に優れるというさらなる効果を奏する。   In the polymer actuator according to the present invention, the thickness of the film is preferably 10 μm or more and 5 mm or less. When the thickness of the film is within the above range, there is a further effect that the shape stability during molding is excellent.

本発明に係る高分子アクチュエータでは、上記電極の厚みは、それぞれ、1μm以上2mm以下であることが好ましい。上記電極の厚みが、上記範囲内であることにより、十分な電気伝導性を有し、かつ、上記フィルムとともに良好に屈曲変形する柔軟な電極として機能するというさらなる効果を奏する。   In the polymer actuator according to the present invention, the thickness of each of the electrodes is preferably 1 μm or more and 2 mm or less. When the thickness of the electrode is within the above range, there is a further effect that it has a sufficient electrical conductivity and functions as a flexible electrode that can bend and deform well together with the film.

本発明に係る高分子アクチュエータの製造方法は、高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータの製造方法であって、高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を分散させてペーストとし、当該ペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスすることを特徴としている。   A method for producing a polymer actuator according to the present invention includes a film made of a polymer compound and electrodes formed on both surfaces of the film, and the film is bent and deformed by applying a voltage between the electrodes. A method of manufacturing a polymer actuator is characterized in that carbon powder is dispersed in a polymer binder solution to form a paste, and the film is heated and pressed with the paste interposed therebetween.

上記の構成によれば、従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に高分子アクチュエータを製造することが可能となる。   According to said structure, compared with the conventional polymer actuator using a noble metal, it becomes cheap in cost and it becomes possible to manufacture a polymer actuator easily in a short time.

本発明に係る高分子アクチュエータは、以上のように、電極が、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなる構成を備えているので、従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に製造可能な高分子アクチュエータを実現することが可能となるという効果を奏する。   As described above, the polymer actuator according to the present invention has a configuration in which the electrode includes a polymer binder and carbon powder dispersed therein. Compared with a molecular actuator, there is an effect that it is possible to realize a polymer actuator that is inexpensive and can be easily manufactured in a short time.

また、上記電極は、従来の白金または金を無電解めっきした電極に比較して、ひび割れることがなく、柔軟性にすぐれているという効果を奏する。   Further, the electrode has an effect that it is excellent in flexibility without cracking as compared with a conventional electrode obtained by electroless plating of platinum or gold.

以下に、本発明にかかる高分子アクチュエータおよびその製造方法について詳細に説明する。   Below, the polymer actuator concerning this invention and its manufacturing method are demonstrated in detail.

(1)本発明にかかる高分子アクチュエータ
本発明に係る高分子アクチュエータは、高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータにおいて、当該フィルムの両面に形成されている電極が、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなるものである。以下、(1−1)電極、(1−2)高分子化合物からなるフィルムの順に説明する。
(1) Polymer actuator according to the present invention The polymer actuator according to the present invention includes a film made of a polymer compound and electrodes formed on both surfaces of the film, and a voltage is applied between the electrodes. Thus, in the polymer actuator for bending and deforming the film, the electrodes formed on both surfaces of the film comprise a polymer binder and carbon powder dispersed therein. Hereinafter, (1-1) an electrode and (1-2) a film made of a polymer compound will be described in this order.

(1−1)電極
本発明にかかる高分子アクチュエータでは、上記電極は、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなる。かかる、カーボン粉末を高分子バインダ中に分散固定させた電極材料は、高分子アクチュエータ全般に利用できる電極材料である。
(1-1) Electrode In the polymer actuator according to the present invention, the electrode includes a polymer binder and carbon powder dispersed therein. Such an electrode material in which carbon powder is dispersed and fixed in a polymer binder is an electrode material that can be used for all polymer actuators.

なお、本発明で用いる電極は、疎水性がかなり高く、水をはじき、水面に浮くものであることが見出された。従来の白金または金を無電解めっきした電極は水面に浮くことはなく、水にぬれるものである。従来の白金または金を無電解めっきした電極では、電極の表面から水の蒸発が起こり、次第に屈曲変動が小さくなるという問題があったが、本発明で用いる電極は、この高い疎水性から、かかる電極表面からの水の蒸発を低下させる効果を有すると考えられる。   It has been found that the electrode used in the present invention is very hydrophobic and repels water and floats on the water surface. A conventional electrode obtained by electroless plating of platinum or gold does not float on the water surface but gets wet. In the conventional electrode in which platinum or gold is electrolessly plated, water evaporates from the surface of the electrode and there is a problem that the bending fluctuation gradually decreases. However, the electrode used in the present invention is affected by this high hydrophobicity. It is thought that it has the effect of reducing the evaporation of water from the electrode surface.

ここで、本発明にかかる高分子アクチュエータの電極を構成する上記高分子バインダは、上記フィルムの屈曲変形に伴って変形可能な柔軟性を有する高分子バインダであれば特に限定されるものではないが、加水分解性が少なく、大気中で安定であることが好ましい。かかる高分子バインダとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー;ポリスチレン;ポリイミド;ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ(2,6−ジメチルフェニレンオキサイド)、ポリパラフェニレンスルフィド等のポリアリーレン類(芳香族系ポリマー);ポリオレフィン系ポリマー、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類(芳香族系ポリマー)等に、スルホン酸基(−SOH)、カルボキシル基(−COOH)、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したもの;ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系のポリマー;含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー等;ポリブダジエン系化合物;エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物;シリコーン系化合物;ポリ塩化ビニル;ポリエチレンテレフタレート;ナイロン;ポリアリレート等を挙げることができる。 Here, the polymer binder constituting the electrode of the polymer actuator according to the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer binder having flexibility that can be deformed in accordance with the bending deformation of the film. It is preferable that it is less hydrolyzable and stable in the air. Such polymer binders include polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene; polystyrene; polyimide; polyarylenes such as polyparaphenylene oxide, poly (2,6-dimethylphenylene oxide), and polyparaphenylene sulfide (aromatic polymers). ); Polyolefin polymer, polystyrene, polyimide, polyarylenes (aromatic polymer), etc., sulfonic acid group (—SO 3 H), carboxyl group (—COOH), phosphoric acid group, sulfonium group, ammonium group, pyridinium Fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride; sulfonate groups, carboxyl groups, phosphate groups, sulfonium groups, ammonium groups, Perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarboxylic acid polymer, perfluorophosphoric acid polymer, etc., in which a nium group is introduced, etc .; polybutadiene compounds; polyurethane compounds such as elastomers and gels; silicone compounds; polyvinyl chloride; polyethylene terephthalate; Nylon; and polyarylate.

また、上記高分子バインダとしては、導電性を有する高分子を用いることもできる。かかる高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等を挙げることができる。   Moreover, as the polymer binder, a polymer having conductivity can be used. Such a polymer is not particularly limited, and examples thereof include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyphenylene.

さらに、上記高分子バインダとしては、ゾル・ゲル法などで得られる高分子構造をもつ金属酸化物も用いることができる。かかる金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、五酸化バナジウム系の金属酸化物を用いることができる。   Furthermore, as the polymer binder, a metal oxide having a polymer structure obtained by a sol-gel method or the like can also be used. The metal oxide is not particularly limited, and for example, manganese, nickel, cobalt, and vanadium pentoxide metal oxide can be used.

これらの高分子バインダの中でも、上記高分子バインダとしてはパーフルオロスルホン酸/PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)共重合体、パーフルオロカルボン酸/PTFE共重合体等をより好適に用いることができる。より具体的には、例えば、フレミオンTM(旭硝子)、ナフィオンTM(デュポン社製)等を好適に用いることができる。ここで、これらの高分子バインダは、単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。さらに、適当な溶媒で希釈して用いてもよい。さらに、これらポリマーを直接、バインダーとして添加する代わりに、これらポリマーに対応するモノマーを添加し、モノマーの重合反応から、ポリマーを生成し、結果として高分子バインダとして機能させてもよい。 Among these polymer binders, a perfluorosulfonic acid / PTFE (polytetrafluoroethylene) copolymer, a perfluorocarboxylic acid / PTFE copolymer, or the like can be more suitably used as the polymer binder. More specifically, for example, Flemion TM (Asahi Glass), Nafion TM (manufactured by DuPont) and the like can be suitably used. Here, these polymer binders may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, you may dilute and use with a suitable solvent. Further, instead of directly adding these polymers as binders, monomers corresponding to these polymers may be added to produce polymers from the polymerization reaction of the monomers, and as a result, they may function as polymer binders.

また、上記高分子バインダは、上記フィルムと相溶性の高いポリマーであることが好ましい。これにより、上記フィルムとの、相溶性および接合性がより高いため、より強固な電極を構成することが可能となる。このためには、上記高分子バインダは、上記フィルムを構成する高分子化合物と、同種、類似または同一のポリマー構造を有するポリマー、または、同種、類似または同一の官能基を有するポリマーであることが好ましい。例えば、上記フィルムが、パーフルオロスルホン酸である場合、上記高分子バインダは、パーフルオロスルホン酸、パーフルオロカルボン酸、スルホン酸基を有するポリマー、カルボキシル基を有するポリマー等であることが好ましい。   The polymer binder is preferably a polymer having high compatibility with the film. Thereby, since compatibility and bondability with the said film are higher, it becomes possible to comprise a stronger electrode. For this purpose, the polymer binder may be a polymer having the same, similar or the same polymer structure as that of the polymer compound constituting the film, or a polymer having the same, similar or the same functional group. preferable. For example, when the film is perfluorosulfonic acid, the polymer binder is preferably perfluorosulfonic acid, perfluorocarboxylic acid, a polymer having a sulfonic acid group, a polymer having a carboxyl group, or the like.

また、上記高分子バインダは、上記フィルムを構成する高分子化合物と同種、類似または同一の高分子化合物を含んでなるものであってもよい。これにより、上記フィルムとの、相溶性および接合性が高くなれば、強固な電極を構成することが可能となる。また、相溶性および接合性の観点からは、上記フィルムを構成する高分子化合物と同種または同一の高分子化合物の含有量は高ければ高い程よく、上記フィルムを構成する高分子化合物と同一の高分子化合物からなることがさらに好ましい。   Further, the polymer binder may comprise the same kind, similar or the same polymer compound as the polymer compound constituting the film. Thereby, if compatibility and bondability with the said film become high, it will become possible to comprise a firm electrode. Further, from the viewpoint of compatibility and bonding properties, the higher the content of the same or the same polymer compound as the polymer compound constituting the film, the higher the polymer, and the same polymer as the polymer compound constituting the film. More preferably, it consists of a compound.

また、本発明にかかる高分子アクチュエータの電極に分散されている上記カーボン粉末は、上記高分子バインダに分散させることによって、電気導電性を付与できるものであれば、特に限定されるものではない。かかるカーボン粉末としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、カーボンチューブ、グラファイト等を挙げることができる。カーボンブラックとしては、例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック等を挙げることができる。中でも、上記カーボン粉末は、ファーネスブラックまたはアセチレンブラックであることが特に好ましい。これにより、より好適に電気伝導性を付与することができる。   The carbon powder dispersed in the electrode of the polymer actuator according to the present invention is not particularly limited as long as it can impart electrical conductivity by being dispersed in the polymer binder. Examples of such carbon powder include carbon black, activated carbon, carbon fiber, carbon tube, and graphite. Examples of carbon black include channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black. Among these, the carbon powder is particularly preferably furnace black or acetylene black. Thereby, electrical conductivity can be provided more suitably.

また、上記カーボン粉末の平均粒子径は特に限定されるものではないが、0より大きく10μm以下であることが好ましく、0より大きく1μm以下であることがより好ましく、0以上500nm以下であることがさらに好ましく、0以上100nm以下であることが特に好ましい。また、カーボン粉末の平均粒子径が、10μmより大きいと、本発明の高分子アクチュエータが屈曲しない場合があるため好ましくない。   The average particle size of the carbon powder is not particularly limited, but is preferably greater than 0 and 10 μm or less, more preferably greater than 0 and 1 μm or less, and 0 or more and 500 nm or less. More preferably, it is particularly preferably 0 to 100 nm. Moreover, it is not preferable that the average particle diameter of the carbon powder is larger than 10 μm because the polymer actuator of the present invention may not be bent.

なお、カーボン粉末の平均粒子径は、動的光散乱式粒径分布測定装置、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いて測定することができる。   The average particle size of the carbon powder can be measured using a dynamic light scattering particle size distribution measuring device, a scanning electron microscope or a transmission electron microscope.

また、上記カーボン粉末の含有量は、上記高分子バインダ100重量部に対して、1重量部以上、1000重量部以下であることが好ましく、10重量部以上、500重量部以下であることがより好ましく、100重量部以上、200重量部以下であることがさらに好ましい。カーボン粉末の量が、上記高分子バインダ100重量部に対して1重量部以上であることにより、アクチュエータの電極として機能しうる電気伝導性を付与することができるため好ましい。また、カーボン粉末の量が、上記高分子バインダ100重量部に対して1000重量部以下であることにより、アクチュエータの電極に、崩れることなく一体を形成できる強度を付与することができるため好ましい。   Further, the content of the carbon powder is preferably 1 part by weight or more and 1000 parts by weight or less, and more preferably 10 parts by weight or more and 500 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the polymer binder. Preferably, it is 100 parts by weight or more and 200 parts by weight or less. It is preferable that the amount of the carbon powder is 1 part by weight or more with respect to 100 parts by weight of the polymer binder because electrical conductivity that can function as an electrode of the actuator can be provided. In addition, it is preferable that the amount of the carbon powder is 1000 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the polymer binder because the strength of the actuator electrode can be imparted to the actuator electrode without collapsing.

本発明にかかる高分子アクチュエータにおいて、上記電極は、上記フィルムの両面に形成されている。ここで、電極が、上記フィルムの両面に形成されているとは、フィルムの両面に上記電極が接合して固定されていればよい。また、上記電極中に分散するカーボン粉末が、上記フィルムの表面および/または内部にまで分散していてもよい。このように、上記カーボン粉末が、上記フィルムに食い込んで分散している場合には、導電性を有するカーボン粉末と、上記フィルムとの接触面積が大きいため、より効率よく電圧を印加することができるのでより好ましい。なお、このように、上記カーボン粉末を、上記フィルムの表面および/または内部にまで分散させるためには、例えば、高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を分散させてペーストとし、当該ペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスする方法を用いる場合、加熱プレスする前に、上記フィルムを、アルコール、ケトン、芳香族炭化水素等の有機溶媒または水であらかじめ膨潤させておけばよい。   In the polymer actuator according to the present invention, the electrode is formed on both surfaces of the film. Here, the electrode is formed on both surfaces of the film as long as the electrode is bonded and fixed to both surfaces of the film. The carbon powder dispersed in the electrode may be dispersed to the surface and / or the inside of the film. Thus, when the carbon powder bites into the film and is dispersed, the contact area between the conductive carbon powder and the film is large, so that a voltage can be applied more efficiently. It is more preferable. In this way, in order to disperse the carbon powder to the surface and / or the inside of the film, for example, the carbon powder is dispersed in a polymer binder solution to form a paste, and the paste is used to form the film. In the case of using the method of heating and pressing with sandwiching the film, the film may be swollen in advance with an organic solvent such as alcohol, ketone, aromatic hydrocarbon or water before the heating and pressing.

上記電極の厚みは、高分子アクチュエータの屈曲変形を阻害しない限り特に限定されるものではないが、それぞれ、1μm以上2mm以下であることが好ましく、1μm以上500μm以下であることがより好ましく、5μm以上200μm以下であることがさらに好ましく、5μm以上100μm以下であることが特に好ましい。電極の厚みが、1μm未満であれば、高分子アクチュエータの電極として電気伝導性の点で問題となる場合があるので好ましくない。また、電極の厚みが、2mmより大きくなれば、電極がカーボンを含むことにより固くなりもろく割れやすくなり、また、フィルムの屈曲変形に伴って曲がらなくなる場合があるため好ましくない。   The thickness of the electrode is not particularly limited as long as it does not inhibit the bending deformation of the polymer actuator, but is preferably 1 μm or more and 2 mm or less, more preferably 1 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 5 μm or more. It is more preferably 200 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 100 μm or less. If the thickness of the electrode is less than 1 μm, it may be a problem in terms of electrical conductivity as an electrode of a polymer actuator, which is not preferable. In addition, if the thickness of the electrode is larger than 2 mm, the electrode is hard because it contains carbon, and it is liable to break, and it may not be bent along with the bending deformation of the film.

本発明にかかる高分子アクチュエータの電極は、上述したように、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなることにより導電性が付与されている。上記電極の電気抵抗値は、1000Ω・cm以下であることが好ましく、100Ω・cm以下であることがより好ましい。上記電極の電気抵抗値が1000Ω・cm以下であることにより、電極に低い電圧を印加したときに、本発明の高分子アクチュエータを屈曲させることができる。   As described above, the electrode of the polymer actuator according to the present invention is provided with conductivity by including a polymer binder and carbon powder dispersed therein. The electrical resistance value of the electrode is preferably 1000 Ω · cm or less, and more preferably 100 Ω · cm or less. When the electric resistance value of the electrode is 1000 Ω · cm or less, the polymer actuator of the present invention can be bent when a low voltage is applied to the electrode.

また、上記電極は、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなるものであればよいが、カーボン粉末は均一に分散されていることがより好ましい。これにより、電位が均一にかかるためより好ましい。   Moreover, the said electrode should just contain a polymer binder and the carbon powder disperse | distributed in it, However, It is more preferable that the carbon powder is disperse | distributed uniformly. This is more preferable because the potential is applied uniformly.

また、上記電極は、高分子アクチュエータの機能に好ましくない影響を与えるものでない限り、高分子バインダおよびカーボン粉末以外の他の成分を含有していてもよい。かかる他の成分としては、例えば、イオン性化合物、金属イオンなどを挙げることができる。   Moreover, the said electrode may contain other components other than a polymer binder and carbon powder, unless it has a bad influence on the function of a polymer actuator. Examples of such other components include ionic compounds and metal ions.

(1−2)高分子化合物からなるフィルム
本発明にかかる高分子アクチュエータにおいて、高分子化合物からなるフィルムは、高分子化合物からなるフィルムの両面に形成されている電極間に電圧を印加することによってフィルムが屈曲変形するタイプの高分子アクチュエータに使用される高分子化合物のフィルムであれば特に限定されるものではない。したがって、上記高分子化合物は、イオン伝導性高分子化合物であってもよいし、非イオン性高分子化合物であってもよい。なお、イオン伝導性高分子化合物とは、電場下で電荷が移動して電流が流れるときに、電荷の担い手がイオンである高分子化合物をいい、イオン性高分子化合物と同義である。
(1-2) Film made of polymer compound In the polymer actuator according to the present invention, the film made of the polymer compound is formed by applying a voltage between the electrodes formed on both surfaces of the film made of the polymer compound. The film is not particularly limited as long as it is a polymer compound film used in a polymer actuator of a type in which the film bends and deforms. Therefore, the polymer compound may be an ion conductive polymer compound or a nonionic polymer compound. Note that the ion conductive polymer compound is a polymer compound in which the charge carrier is an ion when an electric current moves and an electric current flows under an electric field, and is synonymous with the ionic polymer compound.

上記高分子化合物が例えばイオン伝導性高分子化合物である場合には、高分子アクチュエータの駆動メカニズムは、例えば、イオン伝導性高分子化合物がポリマーにアニオン性官能基が導入されたポリアニオンである場合を例に挙げて説明すると以下のように考えられる。電圧の印加により、フィルム内で自由に移動できるカチオンがカソード側に移動し、このカチオンに伴われて、フィルム内に含まれる水分子もカソード側に移動するため、カソード側の浸透圧が上昇し、膜が膨張する。これに対し、イオン伝導性高分子化合物に固定されているアニオンは、対極のアノード側に引き寄せられにくいため、アノード側のカチオンの濃度が下がり、浸透圧が低下して膜が収縮する。カソード側の膨張と、アノード側の収縮により、結果としてフィルムが屈曲変形する。なお、上記高分子化合物が、後述するイオン性液体を含有している場合は、移動種がイオン性液体を構成するイオンとなる。この場合、浸透圧の効果については不明であるが、高分子化合物からなるフィルムは屈曲変形する。   When the polymer compound is, for example, an ion conductive polymer compound, the driving mechanism of the polymer actuator is, for example, the case where the ion conductive polymer compound is a polyanion in which an anionic functional group is introduced into a polymer. An example will be described as follows. By applying a voltage, cations that can move freely in the film move to the cathode side, and water molecules contained in the film also move to the cathode side with this cation, so the osmotic pressure on the cathode side increases. , The membrane expands. On the other hand, since the anion fixed to the ion conductive polymer compound is not easily attracted to the anode side of the counter electrode, the concentration of the cation on the anode side is lowered, the osmotic pressure is lowered, and the membrane is contracted. As a result, the film is bent and deformed by the expansion on the cathode side and the contraction on the anode side. In addition, when the said high molecular compound contains the ionic liquid mentioned later, a mobile species turns into the ion which comprises an ionic liquid. In this case, although the effect of osmotic pressure is unknown, a film made of a polymer compound is bent and deformed.

また、非イオン性高分子化合物を用いる場合は、そのメカニズムは不明であるが、酢酸ナトリウム等のイオン性物質を加えた非イオン性高分子化合物からなる高分子膜に電圧を印加することにより、高分子膜を屈曲変形させる方法が知られている。また、非イオン性高分子化合物が、後述するイオン性液体を含有している場合は、電圧を印加すると、イオン性液体を構成するアニオンはプラス極に、カチオンはマイナス極に引き寄せられる。イオン性液体を構成するアニオンとカチオンとはイオンの大きさが異なるので、イオンのサイズの違いからフィルムの極率に差が生じ、フィルムが屈曲変形すると考えられる。   In addition, when using a nonionic polymer compound, the mechanism is unknown, but by applying a voltage to a polymer film composed of a nonionic polymer compound to which an ionic substance such as sodium acetate is added, A method of bending and deforming a polymer film is known. When the nonionic polymer compound contains an ionic liquid described later, when a voltage is applied, the anion constituting the ionic liquid is attracted to the positive electrode and the cation is attracted to the negative electrode. Since the anion and the cation constituting the ionic liquid have different ion sizes, it is considered that the difference in the size of the ions causes a difference in the polarities of the film and the film bends and deforms.

上記イオン伝導性高分子化合物としては、ポリカチオンを用いてもよいし、ポリアニオンを用いてもよい。ポリアニオンの例としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類(芳香族系ポリマー)等の基本骨格を持った公知のポリマーにアニオン性官能基として、スルホン酸基(−SOH)、カルボキシル基(−COOH)、リン酸基等を導入したもの;含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基などのアニオン性官能基を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー等を挙げることができる。中でも、上記ポリアニオンとしては、パーフルオロスルホン酸/PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)共重合体をより好適に用いることができる。ここで、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体としては、市販されているものでもよく、例えば、フレミオンTM(旭硝子)、ナフィオンTM(デュポン社製)等を好適に用いることができる。 As the ion conductive polymer compound, a polycation may be used, or a polyanion may be used. Examples of the polyanion are not particularly limited. For example, a known polymer having a basic skeleton such as polyethylene, polystyrene, polyimide, and polyarylenes (aromatic polymer) may be used as an anionic functional group. Acid group (—SO 3 H), carboxyl group (—COOH), phosphoric acid group and the like introduced; anionic functional groups such as sulfonic acid group, carboxyl group and phosphoric acid group are added to the skeleton of the fluorine-containing polymer The introduced perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarboxylic acid polymer, perfluorophosphoric acid polymer and the like can be mentioned. Among these, as the polyanion, a perfluorosulfonic acid / PTFE (polytetrafluoroethylene) copolymer can be more suitably used. Here, as the perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer, a commercially available one may be used, and for example, Flemion TM (Asahi Glass), Nafion TM (manufactured by DuPont) and the like can be suitably used.

また、ポリカチオンの例としても、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類(芳香族系ポリマー)等の公知のポリマーにカチオン性官能基として、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したものを挙げることができる。   Also, examples of polycations are not particularly limited, but for example, a known functional polymer such as polyethylene, polystyrene, polyimide, polyarylenes (aromatic polymer), as a cationic functional group, sulfonium group, Examples thereof include an ammonium group and a pyridinium group introduced.

上記イオン伝導性高分子化合物は、作動時、すなわち、電圧を印加して屈曲変形させる時点で、含水状態である必要がある。これにより、上記イオン伝導性高分子化合物からなるフィルムに電圧を印加したときに、移動するイオンに伴われて水分子が移動し、フィルムを屈曲変形させることが可能となる。なお、上記イオン伝導性高分子化合物に水を含ませる方法としては、例えば、上記イオン伝導性高分子化合物を水、好ましくはイオン交換水に含浸させればよい。また、同様に、後述するイオン性液体を用いる場合は、上記イオン伝導性高分子化合物は、作動時に、水に加えて、あるいは、水に代えてイオン性液体を含んでいる必要がある。   The ion conductive polymer compound needs to be in a water-containing state at the time of operation, that is, at the time of applying a voltage to bend and deform. As a result, when a voltage is applied to the film made of the ion conductive polymer compound, water molecules move along with the moving ions, and the film can be bent and deformed. In addition, as a method of including water in the ion conductive polymer compound, for example, the ion conductive polymer compound may be impregnated in water, preferably ion exchange water. Similarly, when an ionic liquid described later is used, the ion conductive polymer compound needs to contain an ionic liquid in addition to water or in place of water during operation.

また、上記イオン伝導性高分子化合物が、ポリアニオンである場合は、アニオン性官能基のカウンターカチオンを、Li、Na、K、アルキルアンモニウムイオン等に交換したものを用いることがより好ましい。また、上記イオン伝導性高分子化合物が、ポリカチオンである場合は、カチオン性官能基のカウンターアニオンを、F、Cl、Br、芳香族または脂肪族のスルホン酸類、芳香族または脂肪族のカルボン酸類、芳香族または脂肪族のリン酸類等に交換したものを用いることがより好ましい。これにより、高分子アクチュエータの屈曲度、屈曲速度を向上させることができるため好ましい。なお、上記イオン伝導性高分子化合物のカウンターイオンを交換する方法としては、例えば、上記イオン伝導性高分子化合物を、交換するイオンを含む塩の溶液中に含浸させればよい。ここで、溶液は、水溶液でもよいし、有機溶媒でもよいし、これらの混合溶媒でもよい。 Further, when the ion conductive polymer compound is a polyanion, it is more preferable to use a compound obtained by exchanging a counter cation of an anionic functional group with Li + , Na + , K + , an alkyl ammonium ion, or the like. When the ion conductive polymer compound is a polycation, the counter anion of the cationic functional group is selected from F , Cl , Br , aromatic or aliphatic sulfonic acids, aromatic or aliphatic It is more preferable to use those exchanged for carboxylic acids, aromatic or aliphatic phosphoric acids. This is preferable because the degree of bending and the bending speed of the polymer actuator can be improved. In addition, as a method for exchanging counter ions of the ion conductive polymer compound, for example, the ion conductive polymer compound may be impregnated in a salt solution containing the ions to be exchanged. Here, the solution may be an aqueous solution, an organic solvent, or a mixed solvent thereof.

また、上記非イオン性高分子化合物としては、例えば、テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素系ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー;ポリブダジエン系化合物;エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物;シリコーン系化合物;熱可塑性のポリスチレン;ポリ塩化ビニル;ポリエチレンテレフタレート等を挙げることができる。   Examples of the nonionic polymer compound include fluorine-containing polymers such as tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride; polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene; polybudadiene compounds; polyurethane compounds such as elastomers and gels. Silicone compounds; thermoplastic polystyrene; polyvinyl chloride; polyethylene terephthalate.

上記非イオン性高分子化合物は、イオン性物質を含んでいる必要がある。これにより、上記非イオン性高分子化合物からなるフィルムに電圧を印加したときに、フィルムを屈曲変形させることが可能となる。なお、上記非イオン性高分子化合物にイオン性物質を含ませる方法としては、例えば、上記非イオン性高分子化合物をイオン性物質の溶液に含浸させればよい。ここで、溶液は、水溶液でもよいし、有機溶媒でもよいし、これらの混合溶媒でもよい。   The nonionic polymer compound needs to contain an ionic substance. Thereby, when a voltage is applied to the film made of the nonionic polymer compound, the film can be bent and deformed. In addition, as a method of including an ionic substance in the nonionic polymer compound, for example, a solution of the ionic substance may be impregnated with the nonionic polymer compound. Here, the solution may be an aqueous solution, an organic solvent, or a mixed solvent thereof.

上記イオン性物質としては、例えば、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等を挙げることができる。   Examples of the ionic substance include lithium fluoride, lithium bromide, sodium bromide, magnesium chloride, copper sulfate, sodium acetate, sodium oleate, and sodium acetate.

また、上記高分子化合物は、イオン性液体を含有しているものであってもよい。ここで、イオン性液体とは、アニオンとカチオンとからなり、常温で液体の有機化合物塩をいう。かかるイオン性液体は、有機化合物および無機化合物を溶解し、不揮発性で、高温でも安定である。それゆえ、水を含む従来の金属電極を有する高分子アクチュエータを大気中で使用する場合に電極表面から水の蒸発が起こり次第に屈曲変形が失われるという問題を解決し、大気中での高分子アクチュエータの安定性を向上させることができる。   The polymer compound may contain an ionic liquid. Here, the ionic liquid refers to an organic compound salt composed of an anion and a cation and liquid at normal temperature. Such ionic liquids dissolve organic and inorganic compounds, are non-volatile, and are stable even at high temperatures. Therefore, when a polymer actuator having a conventional metal electrode containing water is used in the atmosphere, the problem that water is evaporated from the electrode surface and bending deformation is gradually lost is solved. Stability can be improved.

上記イオン性液体としては、特に限定されるものではなく、イオン性液体として従来公知のものを好適に用いることができる。かかるイオン性液体としては、例えば、CFSO 、BF 、PF 、Cl、Br、I、NO 、(CFSO、(CFSO、(CH)OSO 、AlCl 、ClO 、RCOO、RSO 、NHCHRCOO、SO 2−等をカウンターアニオンに持つ、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、テトラアルキルアンモニウムカチオン等を好適に用いることができる。 The ionic liquid is not particularly limited, and a conventionally known ionic liquid can be suitably used. Examples of the ionic liquid include CF 3 SO 3 , BF 4 , PF 6 , Cl , Br , I , NO 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N , and (CF 3 SO 2) 3 C -, (CH 3) OSO 3 -, AlCl 4 -, ClO 4 -, RCOO -, RSO 3 -, NH 2 CHRCOO -, with SO 4 2-or the like counter anion, imidazolium cation, pyridinium A cation, a tetraalkylammonium cation or the like can be preferably used.

上記イミダゾリウムカチオンとしては、ジアルキルイミダゾリウムカチオン、トリアルキルイミダゾリウムカチオン等を用いることができる。より具体的には、例えば、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロオクチル)イミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロオクチル)イミダゾリウムイオン、1,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−へキシル−3メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムイオン等を挙げることができる。   As the imidazolium cation, a dialkyl imidazolium cation, a trialkyl imidazolium cation, or the like can be used. More specifically, for example, 1-butyl-3-methylimidazolium ion, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium ion, 1-butyl-2,3 -Dimethylimidazolium ion, 1-methyl-3- (3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl) imidazolium ion, 1- Butyl-3- (3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl) imidazolium ion, 1,3-dimethylimidazolium ion, 1 Examples include -hexyl-3 methylimidazolium ion, 1-methyl-3-octylimidazolium ion, 1-methyl-3-ethylimidazolium ion, and the like.

また、上記ピリジニウムカチオンとしては、例えば、N−メチルピリジニウムイオン、N−エチルピリジニウムイオン、N−プロピルピリジニウムイオン、N−ブチルピリジニウムイオン、1−エチル−2−メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−2メチルピリジニウムイオン等を挙げることができる。   Examples of the pyridinium cation include N-methylpyridinium ion, N-ethylpyridinium ion, N-propylpyridinium ion, N-butylpyridinium ion, 1-ethyl-2-methylpyridinium ion, and 1-butyl-2methyl. A pyridinium ion etc. can be mentioned.

また、上記テトラアルキルアンモニウムカチオンとしては、例えば、トリメチルプロピルアンモニウム、トリメチルへキシルアンモニウム、テトラペンチルアンモニウム等を挙げることができる。   Examples of the tetraalkylammonium cation include trimethylpropylammonium, trimethylhexylammonium, and tetrapentylammonium.

上記イオン性液体としては、例えば、上記アニオンと上記カチオンとの任意の組み合わせを挙げることができる。また、上記イオン性液体は、2以上のイオン性液体を組み合わせて用いてもよい。   Examples of the ionic liquid include any combination of the anion and the cation. The ionic liquid may be used in combination of two or more ionic liquids.

上記イオン性液体としては、より具体的には例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・トリフルオロメタンスルフォネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・テトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・ヘキサフルオロホスフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・クロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・ブロマイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム・アイオダイド等を挙げることができる。   More specifically, examples of the ionic liquid include 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3- Examples thereof include methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolium bromide, 1-ethyl-3-methylimidazolium iodide, and the like.

また、上記イオン性液体は重合性のものであってもよい。かかる重合性のイオン性液体としては、特に限定されるものではないが、例えば、アリルアルキルイミダゾリウム塩を好適に用いることができる。より具体的には例えば、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・トリフルオロメタンスルフォネート、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・テトラフルオロボレート、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・ヘキサフルオロホスフェート、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・クロライド、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・ブロマイド、1−アリル−3−エチルイミダゾリム・アイオダイド、1−アリル−3−ブチルイミダゾリム・トリフルオロメタンスルフォネート、1−アリル−3−ブチルイミダゾリム・テトラフルオロボレート、1−アリル−3−ブチルイミダゾリム・ヘキサフルオロホスフェート、1−アリル−3−ブチルイミダゾリム・クロライド、1−アリル−3−ブチルイミダゾリム・ブロマイド、1−アリル−3−ブチルイミダゾリムイミダゾリム・アイオダイド、1,3−ジアリルイミダゾリウム・トリフルオロメタンスルフォネート、1,3−ジアリルイミダゾリウム・テトラフルオロボレート、1,3−ジアリルイミダゾリウム・ヘキサフルオロホスフェート、1,3−ジアリルイミダゾリウム・クロライド、1,3−ジアリルイミダゾリウム・ブロマイド、1,3−ジアリルイミダゾリウム・アイオダイド等を挙げることができる。   The ionic liquid may be polymerizable. Such a polymerizable ionic liquid is not particularly limited, and for example, an allylalkylimidazolium salt can be suitably used. More specifically, for example, 1-allyl-3-ethylimidazolim trifluoromethanesulfonate, 1-allyl-3-ethylimidazolim tetrafluoroborate, 1-allyl-3-ethylimidazolim hexafluorophosphate 1-allyl-3-ethylimidazolimyl chloride, 1-allyl-3-ethylimidazolim bromide, 1-allyl-3-ethylimidazolim iodide, 1-allyl-3-butylimidazolim trifluoromethanesulfur Phonate, 1-allyl-3-butylimidazolim tetrafluoroborate, 1-allyl-3-butylimidazolim hexafluorophosphate, 1-allyl-3-butylimidazolim chloride, 1-allyl-3-butyl Imidazolim bromide, 1-allyl-3 Butylimidazolim imidazolim iodide, 1,3-diallylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1,3-diallylimidazolium tetrafluoroborate, 1,3-diallylimidazolium hexafluorophosphate, 1,3- Examples include diallylimidazolium chloride, 1,3-diallylimidazolium bromide, and 1,3-diallylimidazolium iodide.

上記高分子化合物が、イオン伝導性高分子化合物である場合は、上述したように、作動時に、含水状態である必要があるが、大気中での高分子アクチュエータの安定性の観点から、上記イオン伝導性高分子化合物は、作動時に、水に加えて、あるいは、水に代えてイオン性液体を含んでいることが好ましい。また、上記高分子化合物が、非イオン性高分子化合物である場合は、上述したように、上記イオン性物質を含んでいる必要があるが、イオン性物質に加えて、あるいは、上記イオン性物質に代えてイオン性液体を含んでいることが好ましい。   When the polymer compound is an ion conductive polymer compound, as described above, it is necessary to be in a water-containing state at the time of operation. From the viewpoint of the stability of the polymer actuator in the air, the ion The conductive polymer compound preferably contains an ionic liquid in addition to or in place of water during operation. Further, when the polymer compound is a nonionic polymer compound, as described above, it is necessary to contain the ionic substance, but in addition to the ionic substance, or the ionic substance. It is preferable to contain an ionic liquid instead.

なお、上記イオン性液体を含む上記高分子化合物は、例えば、上記イオン性液体に含浸させるか、または、イオン性液体の溶液に上記高分子化合物からなるフィルムを含浸させた後、溶媒を除去することにより得ることができる。ここで、溶液は、水溶液でもよいし、有機溶媒でもよいし、これらの混合溶媒でもよい。   The polymer compound containing the ionic liquid is, for example, impregnated in the ionic liquid or impregnated with a film of the polymer compound in a solution of the ionic liquid, and then the solvent is removed. Can be obtained. Here, the solution may be an aqueous solution, an organic solvent, or a mixed solvent thereof.

また、上記フィルムの厚みは、例えば、10μm以上、5mm以下であることが好ましく、100μm以上、5mm以下であることがより好ましく、100μm以上、2mm以下であることがさらに好ましい。上記フィルムの厚みが、10μm以上であると、成形性や寸法安定性の点で好ましい。また、上記フィルムの厚みが、5mm以下であると、加工性や可撓性の点で好ましい。   The thickness of the film is, for example, preferably 10 μm or more and 5 mm or less, more preferably 100 μm or more and 5 mm or less, and further preferably 100 μm or more and 2 mm or less. When the thickness of the film is 10 μm or more, it is preferable in terms of moldability and dimensional stability. Moreover, it is preferable in terms of workability and flexibility that the thickness of the film is 5 mm or less.

また、上記フィルムの形状としては、例えば、図1に示すように矩形平板状を挙げることができるが、これに限定されるものではなく、円形、三角形、楕円形、棒状等の平板状であってもよいし、膜状であってもよいし、円筒状、螺旋状、コイル状等であってもよい。   In addition, examples of the shape of the film include a rectangular flat plate shape as shown in FIG. 1, but are not limited thereto, and may be a flat plate shape such as a circle, a triangle, an ellipse, or a rod. It may be a film, a cylinder, a spiral, a coil, or the like.

また、本発明にかかる高分子アクチュエータは、さらに、前記電極間に電圧を印加する電源装置と、当該電圧を制御する制御装置とを備えていてもよい。   The polymer actuator according to the present invention may further include a power supply device that applies a voltage between the electrodes and a control device that controls the voltage.

本発明のアクチュエータは、上記電極間に0.1〜10V程度の低い電圧を印加すると、屈曲変形する。屈曲変形の方向、変位量、変位速度等は、上記高分子化合物からなるフィルムの種類、電極の組成、移動するイオン種等により変動する。また、通常、電位の極性を反転させると膜は反対方向に屈曲変形する。   The actuator of the present invention is bent and deformed when a low voltage of about 0.1 to 10 V is applied between the electrodes. The direction of bending deformation, the amount of displacement, the displacement speed, and the like vary depending on the type of film made of the polymer compound, the composition of the electrode, the moving ion species, and the like. In general, when the polarity of the potential is reversed, the film bends and deforms in the opposite direction.

通常、白金を無電解メッキすることにより得られるアクチュエータでは、図5に見られるように、湿度90%の含水量が高い状態(図5中、aで示す。)では、厳密には原理はわかっていないが、変位の後戻り現象が見られる。湿度を下げ、含水量を下げていくと、図5中b(湿度30%)で示すように、この後戻り現象は少なくなる。本発明にかかる高分子アクチュエータでは、湿度90%でも後戻り現象が殆ど見られないことが示された。アクチュエータの応用性を考えた場合、かかる性質は重要であると考えられる。   Normally, in an actuator obtained by electroless plating of platinum, as shown in FIG. 5, in a state where the moisture content at a humidity of 90% is high (indicated by a in FIG. 5), the principle is strictly known. Although there is no backtracking of the displacement. When the humidity is lowered and the water content is lowered, as shown by b (humidity 30%) in FIG. In the polymer actuator according to the present invention, it was shown that the reverse phenomenon was hardly observed even at a humidity of 90%. Considering the applicability of the actuator, this property is considered important.

(2)本発明にかかる高分子アクチュエータの製造方法
本発明にかかる高分子アクチュエータの製造方法は、上記高分子アクチュエータを製造することができる方法であればどのような方法であってもよいが、例えば、上記高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を分散させてペーストとし、当該ペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスする方法を好適に用いることができる。なお、ここで、「加熱プレスする」とは、加熱しながらプレスすること、及び、プレスした状態で昇温することの両方法を含む趣旨である。
(2) Production method of polymer actuator according to the present invention The production method of the polymer actuator according to the present invention may be any method as long as it is a method capable of producing the polymer actuator, For example, a method in which carbon powder is dispersed in the polymer binder solution to form a paste, and the film is sandwiched with the paste and heated and pressed can be suitably used. Here, “heating and pressing” includes both methods of pressing while heating and raising the temperature in the pressed state.

上記ペーストは、上記高分子バインダ、有機溶媒、及び、カーボン粉末を加えてよく混合することによって得ることができる。なお、場合に応じて、上記有機溶媒に加えてさらに水を加えてもよい。ここで、上記高分子バインダ、カーボン粉末、これらの割合については、上述したとおりであるので、ここでは説明を省略する。上記高分子バインダ、有機溶媒、カーボン粉末を加える順序は特に限定されるものではないが、例えば、上記高分子バインダを有機溶媒に溶解し、得られた上記高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を加えてよく混合することが好ましい。   The paste can be obtained by adding the polymer binder, organic solvent, and carbon powder and mixing well. In addition, depending on the case, you may add water in addition to the said organic solvent. Here, since the polymer binder, the carbon powder, and the ratio thereof are as described above, the description thereof is omitted here. The order of adding the polymer binder, the organic solvent, and the carbon powder is not particularly limited. For example, the polymer binder is dissolved in the organic solvent, and the carbon powder is added to the obtained polymer binder solution. In addition, it is preferable to mix well.

上記、有機溶媒としては、上記高分子バインダを溶解することができるものであれば、特に限定されるものではないが、沸点が150℃以下、より好ましくは100℃以下の有機溶媒であることがより好ましい。これにより、熱プレス時に当該有機溶媒を良好に除去することができる。かかる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、イソペンチルアルコール等のアルコール;アセトン、2−ブタノン、3−ペンタノン、メチルイソプロピルケトン、メチルエチルケトン、メチルn−プロピルケトン、3−ヘキサノン、メチルn−ブチルケトン等のケトン;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル;ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン等の低級飽和炭化水素;酢酸エチルエステル等のエステル等を挙げることができる。   The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer binder. The organic solvent has a boiling point of 150 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or lower. More preferred. Thereby, the said organic solvent can be removed favorably at the time of hot press. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and isopentyl alcohol; acetone, 2-butanone, 3-pentanone, and methylisopropyl. Ketones such as ketone, methyl ethyl ketone, methyl n-propyl ketone, 3-hexanone and methyl n-butyl ketone; ethers such as diethyl ether, diisopropyl ether, tetrahydrofuran and tetrahydropyran; lower saturated hydrocarbons such as pentane, hexane and cyclohexane; ethyl acetate Examples include esters such as esters.

これら有機溶媒は単独で用いてもよいし、これらを混合して用いてもよい。さらに、水を混ぜて用いてもよい。   These organic solvents may be used alone or in combination. Furthermore, you may mix and use water.

本発明にかかる高分子アクチュエータは、得られたペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスことにより、上記フィルムと一段階で接合することができる。   The polymer actuator according to the present invention can be bonded to the film in one step by sandwiching the film with the obtained paste and hot pressing.

加熱プレスは、上記ペーストを上記フィルムに塗布後加熱プレスする方法を用いてもよいし、金型を用いて2つの金型にそれぞれ上記ペーストを載せておき上記フィルムを挟んで加熱プレスする方法を用いてもよい。加熱プレスの温度は、上記高分子バインダの溶媒を蒸発させるのに必要な温度であればよく、特に高分子バインダーが溶融する必要はない。また、溶融温度以上でも、上記高分子バインダの分解温度以下であれば特に限定されるものではなく、用いる高分子バインダ、フィルムを構成する高分子化合物、移動するイオン種等に応じて適宜選択すればよい。また、プレス圧、時間についても、特に限定されるものではなく、用いる高分子バインダ、フィルムを構成する高分子化合物、移動するイオン種等に応じて適宜選択すればよい。例えば、加熱プレスの温度は、30〜150℃であることが好ましい。また、プレス圧は1〜100kg/cmであることが好ましく、10〜50kg/cmであることがより好ましい。後述する実施例では、例えば、90℃〜95℃、20kg/cm、30分で良好な高分子アクチュエータを製造することができた。 The heating press may use a method of applying the paste to the film and then heating and pressing, or a method of heating and pressing the paste on two molds using a mold and sandwiching the film. It may be used. The temperature of the heating press may be any temperature necessary for evaporating the solvent of the polymer binder, and it is not particularly necessary for the polymer binder to melt. Further, it is not particularly limited as long as it is not lower than the melting temperature but not higher than the decomposition temperature of the polymer binder, and may be appropriately selected according to the polymer binder to be used, the polymer compound constituting the film, the moving ion species, and the like. That's fine. Further, the pressing pressure and time are not particularly limited, and may be appropriately selected according to the polymer binder to be used, the polymer compound constituting the film, the moving ion species, and the like. For example, the temperature of the hot press is preferably 30 to 150 ° C. Moreover, it is preferable that it is 1-100 kg / cm < 2 >, and, as for a press pressure, it is more preferable that it is 10-50 kg / cm < 2 >. In Examples to be described later, for example, a good polymer actuator could be produced at 90 ° C. to 95 ° C., 20 kg / cm 2 and 30 minutes.

上記フィルムに、水、上記イオン性物質、上記イオン性液体、またはこれらの混合物を含ませる場合には、上述したように、これらの溶液に上記フィルムを含浸させればよい。ここで、含浸させる溶液の濃度、含浸させる時間は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いればよい。なお、上記フィルムの、水、上記イオン性物質、上記イオン性液体、またはこれらの混合物の溶液への含浸は、フィルムの両面に電極を形成した後に行えばよい。   When the film contains water, the ionic substance, the ionic liquid, or a mixture thereof, as described above, the solution may be impregnated with the film. Here, the concentration of the solution to be impregnated and the impregnation time are not particularly limited, and a conventionally known method may be used. The impregnation of the film with water, the ionic substance, the ionic liquid, or a mixture thereof may be performed after the electrodes are formed on both sides of the film.

また、上記フィルムは、そのまま用いてもよいが、以下の処理を行ってもよい。
i)フィルムを洗浄し、付着した不純物やごみを除去する。フィルムを洗浄する方法としては、フィルムを構成する高分子化合物を、極端に溶出させなければよく、酸で洗浄する方法、イオン交換水等でイオン交換する方法等を用いることができる。例えば、パーフルオロスルホン酸/PTFE共重合体の場合、フィルムの洗浄は、硝酸水溶液中で煮沸し、イオン交換水中で煮沸することが好ましい。
ii)上記フィルムが、イオン伝導性高分子化合物である場合、カウンターカチオンやカウンターアニオンを上述した他のイオン種にイオン交換する。かかる処理は必須ではなく、プロトン型でも高分子アクチュエータとして作動するが、高分子アクチュエータの屈曲度、屈曲速度を向上させることができるためかかる処理を行うことがより好ましい。なお、上記イオン伝導性高分子化合物のカウンターイオンを交換する方法としては、上述したように、例えば、上記イオン伝導性高分子化合物を、交換するイオンを含む塩の溶液中に含浸させればよい。ここで、溶液は、水溶液でもよいし、有機溶媒でもよいし、これらの混合溶媒でもよい。
Moreover, although the said film may be used as it is, you may perform the following processes.
i) The film is washed to remove adhering impurities and dust. As a method for washing the film, it is sufficient that the polymer compound constituting the film is not extremely eluted, and a method for washing with an acid, a method for ion exchange with ion-exchanged water, or the like can be used. For example, in the case of a perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer, the film is preferably washed by boiling in an aqueous nitric acid solution and boiling in ion-exchanged water.
ii) When the film is an ion conductive polymer compound, the counter cation and the counter anion are ion-exchanged with the other ionic species described above. Such treatment is not essential, and even if it is a proton type, it operates as a polymer actuator, but it is more preferable to perform such treatment because the degree of bending and the bending speed of the polymer actuator can be improved. In addition, as a method of exchanging the counter ion of the ion conductive polymer compound, as described above, for example, the ion conductive polymer compound may be impregnated in a salt solution containing the ion to be exchanged. . Here, the solution may be an aqueous solution, an organic solvent, or a mixed solvent thereof.

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited by an Example.

なお、以下の実施例において、得られた高分子アクチュエータの屈曲変形の評価は以下のようにして行った。   In the following examples, the bending deformation of the obtained polymer actuator was evaluated as follows.

得られた高分子アクチュエータの電極間に、±1V〜±5Vの直流電圧をスイッチング間隔30秒で印加したときの、高分子アクチュエータの変位量を測定した。   The amount of displacement of the polymer actuator was measured when a DC voltage of ± 1 V to ± 5 V was applied between the electrodes of the obtained polymer actuator at a switching interval of 30 seconds.

高分子アクチュエータの変位量は、得られた矩形平板状の高分子アクチュエータの短辺端部を固定し、上記電圧を印加したときの、屈曲に伴う振れ幅(変位量)を、CCDカメラを用いたイメージングによる評価計測により追跡した。   The displacement amount of the polymer actuator is determined by fixing the short side end of the obtained rectangular flat polymer actuator and applying the above voltage to the deflection width (displacement amount) associated with bending using a CCD camera. It was followed by evaluation measurement by imaging.

〔実施例1:イオン伝導性高分子化合物からなるフィルムを用いた高分子アクチュエータの製造〕
1cm×2cmのパーフルオロスルホン酸からなるフィルム(プロトン型)(厚み:約200μm、フレミオンTM、旭硝子製)を50%硝酸水溶液中で1時間煮沸加熱した。煮沸加熱したパーフルオロスルホン酸からなるフィルムをイオン交換水でよく洗浄した後、イオン交換水中で1時間程度煮沸処理を行った。次に、カウンターカチオンをリチウムイオンに交換するために、0.5M水酸化リチウム溶液100ml中に3時間程度浸漬した。得られたフィルムをイオン交換水でよく洗浄した。
[Example 1: Production of polymer actuator using film made of ion conductive polymer compound]
A film (proton type) made of 1 cm × 2 cm of perfluorosulfonic acid (thickness: about 200 μm, Flemion TM , manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was boiled and heated in a 50% nitric acid aqueous solution for 1 hour. A film made of perfluorosulfonic acid that had been boiled and heated was thoroughly washed with ion exchange water, and then boiled in ion exchange water for about 1 hour. Next, in order to exchange the counter cation with lithium ion, it was immersed in 100 ml of 0.5 M lithium hydroxide solution for about 3 hours. The obtained film was thoroughly washed with ion exchange water.

高分子バインダとしてのパーフルオロスルホン酸膜(フレミオンTM、旭硝子製)低級アルコール溶液(10wt%)1mlにカーボン粉末(アセチレンブラック)(デンカブラック、電気化学工業製)0.1gを加え、25℃でよく練って混合しペーストを得た。凹型の金型2枚にそれぞれ得られたペーストを載せ、カウンターカチオンをリチウムイオンで交換したパーフルオロスルホン酸フィルムを挟んで、ヒートプレス機(アズワン製)で加圧した(90℃〜95℃、20kg/cm、30分)。 Perfluorosulfonic acid membrane (Flemion TM , manufactured by Asahi Glass) as a polymer binder 0.1 g of carbon powder (acetylene black) (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo) is added to 1 ml of a lower alcohol solution (10 wt%) at 25 ° C. Kneaded well and mixed to obtain a paste. The paste obtained in each of two concave molds was placed, and a perfluorosulfonic acid film in which the counter cation was exchanged with lithium ions was sandwiched, and the pressure was applied with a heat press machine (manufactured by ASONE) (90 ° C to 95 ° C, 20 kg / cm 2 , 30 minutes).

得られた含水状態の高分子アクチュエータは、厚み約200μmのパーフルオロスルホン酸フィルムの両面に、それぞれ、約100μmの、パーフルオロスルホン酸にカーボン粉末が分散された電極が形成されていた。また、パーフルオロスルホン酸フィルムと、パーフルオロスルホン酸にカーボン粉末が分散された電極との良好な接合性が確認された。   In the obtained water-containing polymer actuator, electrodes having a carbon powder dispersed in perfluorosulfonic acid having a thickness of about 100 μm were formed on both sides of a perfluorosulfonic acid film having a thickness of about 200 μm. In addition, good bondability between the perfluorosulfonic acid film and the electrode in which carbon powder was dispersed in perfluorosulfonic acid was confirmed.

得られた高分子アクチュエータについて、大気中で、両電極間に1〜5Vの直流電圧を印加し、高分子アクチュエータの屈曲変形を確認した。   About the obtained polymer actuator, the DC voltage of 1-5V was applied between both electrodes in air | atmosphere, and the bending deformation of the polymer actuator was confirmed.

図2に、温度25℃、湿度30%、直流電圧±5Vをスイッチング間隔30秒周期で印加(ステップ)したときの変位量を示す。また、図4に、温度25℃、直流電圧±3Vをスイッチング間隔30秒周期で印加(ステップ)したときの変位量の湿度効果を示す。図4中、aは湿度90%のときの、bは湿度30%のときの結果を示す。   FIG. 2 shows the amount of displacement when a temperature of 25 ° C., a humidity of 30%, and a DC voltage of ± 5 V are applied (stepped) at a switching interval of 30 seconds. FIG. 4 shows the humidity effect of the displacement when a temperature of 25 ° C. and a DC voltage of ± 3 V are applied (stepped) with a switching interval of 30 seconds. In FIG. 4, a shows the result when the humidity is 90%, and b shows the result when the humidity is 30%.

通常、白金を無電解メッキすることにより得られるアクチュエータでは、図5に見られるように、湿度90%の含水量が高い状態では、変位の後戻り現象が見られる。本実施例で得られた高分子アクチュエータでは、図4に示すように、湿度90%の条件でも後戻り現象が殆ど見られなかった。   Normally, in an actuator obtained by electroless plating of platinum, as shown in FIG. 5, a reverse movement phenomenon of displacement is observed in a state where the moisture content is high at a humidity of 90%. In the polymer actuator obtained in this example, as shown in FIG. 4, the reverse phenomenon was hardly observed even under the condition of 90% humidity.

〔実施例2〕
1cm×2cmのパーフルオロスルホン酸からなるフィルム(プロトン型)(厚み:約200μm、フレミオンTM、旭硝子製)を50%硝酸水溶液中で1時間煮沸加熱した。煮沸加熱したパーフルオロスルホン酸フィルムをイオン交換水でよく洗浄した後、イオン交換水中で1時間程度煮沸処理を行った。次に、カウンターカチオンをリチウムイオンに交換するために、0.5M水酸化リチウム溶液100ml中に3時間程度浸漬した。得られたフィルムをイオン交換水でよく洗浄した。
[Example 2]
A film (proton type) made of 1 cm × 2 cm of perfluorosulfonic acid (thickness: about 200 μm, Flemion TM , manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was boiled and heated in a 50% nitric acid aqueous solution for 1 hour. The perfluorosulfonic acid film that had been boiled and heated was thoroughly washed with ion-exchanged water, and then boiled in ion-exchanged water for about 1 hour. Next, in order to exchange the counter cation with lithium ion, it was immersed in 100 ml of 0.5 M lithium hydroxide solution for about 3 hours. The obtained film was thoroughly washed with ion exchange water.

高分子バインダとしてのパーフルオロスルホン酸膜(フレミオンTM、旭硝子製)低級アルコール溶液(10wt%)1mlにカーボン粉末(カーボンブラック(デンカブラック、電気化学工業製)0.1gを加え、25℃でよく練って混合しペーストを得た。凹型の金型2枚にそれぞれ得られたペーストを載せ、カウンターカチオンをリチウムイオンで交換したパーフルオロスルホン酸フィルムを挟んで、ヒートプレス機(アズワン製)で加圧した(90℃〜95℃、20kg/cm、30分)。 Perfluorosulfonic acid membrane as a polymer binder (Flemion TM , manufactured by Asahi Glass) 0.1 ml of carbon powder (carbon black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo)) is added to 1 ml of lower alcohol solution (10 wt%) A paste was obtained by kneading and mixing, and the obtained paste was placed on two concave molds, and a perfluorosulfonic acid film in which counter cations were exchanged with lithium ions was sandwiched between them, and added with a heat press machine (manufactured by ASONE). Pressure (90 ° C. to 95 ° C., 20 kg / cm 2 , 30 minutes).

フィルム内部の水をイオン性液体に交換するために、この膜を110℃〜120℃程度に加熱したオーブンに入れて15時間程度乾燥させた後、次に1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネートに含浸させて、110℃〜120℃で15時間加熱した。   In order to exchange the water inside the film with an ionic liquid, the membrane was placed in an oven heated to about 110 ° C. to 120 ° C. and dried for about 15 hours, and then 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoro. It was impregnated with lomethanesulfonate and heated at 110 to 120 ° C. for 15 hours.

膜内の水をイオン性液体で置換した高分子アクチュエータは、厚み約250μmのパーフルオロスルホン酸フィルムの両面に、それぞれ、約100μmの、パーフルオロスルホン酸にカーボン粉末が分散された電極が形成されていた。また、パーフルオロスルホン酸フィルムと、パーフルオロスルホン酸にカーボン粉末が分散された電極との良好な接合性が確認された。   In the polymer actuator in which the water in the membrane is replaced with an ionic liquid, electrodes having carbon powder dispersed in perfluorosulfonic acid of about 100 μm are formed on both sides of a perfluorosulfonic acid film having a thickness of about 250 μm. It was. In addition, good bondability between the perfluorosulfonic acid film and the electrode in which carbon powder was dispersed in perfluorosulfonic acid was confirmed.

得られた高分子アクチュエータについて、大気中で、両電極間に1〜5Vの直流電圧を印加し、高分子アクチュエータの屈曲変形を確認した。   About the obtained polymer actuator, the DC voltage of 1-5V was applied between both electrodes in air | atmosphere, and the bending deformation of the polymer actuator was confirmed.

図3に、温度25℃、湿度30%、直流電圧±5Vをスイッチング間隔30秒周期で印加(ステップ)したときの変位量を示す。   FIG. 3 shows the amount of displacement when a temperature of 25 ° C., a humidity of 30%, and a DC voltage of ± 5 V are applied (stepped) at a switching interval of 30 seconds.

本発明にかかる高分子アクチュエータは、従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に製造可能であるので、家電製品や工業製品におけるノイズがなく巧みでなめらかな動きが要求される部分、真のヒューマノイドロボット、汎用ロボット等に利用することができ非常に有用である。   The polymer actuator according to the present invention is less expensive than conventional polymer actuators using precious metals, and can be easily manufactured in a short time. It can be used for parts that require smooth movement, true humanoid robots, general-purpose robots, etc., and is very useful.

従来の高分子アクチュエータおよび本発明の高分子アクチュエータの一実施形態を示す概略図であり、(a)は電圧印加前の、(b)は電圧印加時の高分子アクチュエータを示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the conventional polymer actuator and the polymer actuator of this invention, (a) is the schematic before voltage application, (b) is the schematic which shows the polymer actuator at the time of voltage application. 実施例1において得られた高分子アクチュエータの電圧印加による屈曲変形の変位量を示すグラフである。3 is a graph showing the amount of bending deformation displacement due to voltage application of the polymer actuator obtained in Example 1. 実施例2において得られた高分子アクチュエータの電圧印加による屈曲変形の変位量を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement amount of the bending deformation by the voltage application of the polymer actuator obtained in Example 2. FIG. 実施例1において得られた高分子アクチュエータの電圧印加による屈曲変形の変位量を示すグラフである。3 is a graph showing the amount of bending deformation displacement due to voltage application of the polymer actuator obtained in Example 1. 従来の高分子アクチュエータの電圧印加による屈曲変形の変位量を示すグラフである。It is a graph which shows the displacement amount of the bending deformation by the voltage application of the conventional polymer actuator.

符号の説明Explanation of symbols

1 フィルム
2a・2b 電極
1 Film 2a ・ 2b Electrode

Claims (7)

高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータにおいて、
前記電極は、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とからなり、
上記高分子化合物は、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、
上記高分子バインダは、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体を含んでなることを特徴とする高分子アクチュエータ。
In a polymer actuator comprising a film made of a polymer compound and electrodes formed on both sides of the film, and bending and deforming the film by applying a voltage between the electrodes,
The electrode consists of a polymer binder and carbon powder dispersed therein ,
The polymer compound is a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer,
The polymer binder, wherein the polymer binder comprises a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer.
上記高分子化合物は、イオン性液体を含有してい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。   The polymer actuator according to claim 1, wherein the polymer compound contains an ionic liquid. 上記カーボン粉末は、上記高分子バインダ100重量部に対して、1重量部以上1000重量部以下含まれていることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子アクチュエータ。   3. The polymer actuator according to claim 1, wherein the carbon powder is contained in an amount of 1 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer binder. 上記カーボン粉末の平均粒子径は0nmより大きく10μm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。   4. The polymer actuator according to claim 1, wherein an average particle size of the carbon powder is greater than 0 nm and 10 μm or less. 上記フィルムの厚みは、10μm以上5mm以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。   5. The polymer actuator according to claim 1, wherein the film has a thickness of 10 μm to 5 mm. 上記電極の厚みは、それぞれ、1μm以上2mm以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。   The polymer actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein each of the electrodes has a thickness of 1 µm or more and 2 mm or less. 高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータの製造方法であって、
高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を分散させてペーストとし、当該ペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスし、
上記高分子化合物は、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、
上記高分子バインダは、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体を含んでなることを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
A method for producing a polymer actuator comprising a film made of a polymer compound and electrodes formed on both surfaces of the film, wherein the film is bent and deformed by applying a voltage between the electrodes,
In the polymer binder solution, carbon powder is dispersed into a paste, and the film is sandwiched with the paste and heated and pressed.
The polymer compound is a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer,
The method for producing a polymer actuator, wherein the polymer binder comprises a perfluorosulfonic acid / polytetrafluoroethylene copolymer.
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