JP5261730B2 - 導電性高分子アクチュエータ素子 - Google Patents
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原進、外4名、「高伸縮かつ強力なポリピロールリニアアクチュエータ(Highly Stretchable and Powerful Polypyrrole Linear Actuators)」、ケミストリーレターズ(Chemistry Letters)、日本、日本化学会発行、2003年、第32巻、第7号、p576-577。
マークW.バーブルッジら AIChEジャーナル 1992年38,93
前記作用極は、イオンであるドーパントをドープされた導電性高分子を含むものであり、
前記電解液の溶質として、前記ドーパントのイオンを含むものであり、
前記電解液の溶媒が、水溶媒或いは水と極性有機化合物との混合溶媒であり、
前記隔膜が、多孔質ポリビニルアルコール、多孔質ポリアクリロニトリル、多孔質ポリエチレンオキシド、多孔質シリカ、多孔質ポリアミド、親水化処理多孔質ポリテトラフルオロエチレン、親水化処理多孔質ポリエチレン及び親水化処理多孔質ポリプロピレンの群から選ばれる一種または二種以上の多孔質高分子を材料とすることを最も主要な手段とする。
本発明の導電性高分子アクチュエータ素子に用いられる作用極の形状は、バルクとしての形状が特に限定されるものではなく、いかなる形状であっても伸縮効果は期待できる。ただし、本発明は小型または薄型の導電性高分子アクチュエータ素子にするための技術であるので、薄型でかつ十分な伸縮を得るには、フィルム形状であることが好ましい。フィルム厚みは特に制限されるものではないが、なかでも1μm以上が好適である。1μm未満であると、本発明の導電性高分子アクチュエータ素子の大きな発生力を発揮することが困難であるからである。フィルム形状であれば、2次形状は、単に平面であっても、丸めて筒状にしても、或いはジグザク状であってもよい。
図1(c)は、図1(b)の重なりを紙面水平方向にずらした様子を示したものである。
本発明の導電性高分子アクチュエータ素子に用いられる隔膜は、作用極と対極が短絡しないように該作用極と対極の間に接して存在するものであるので、電気的な絶縁性が求められる。更に該作用極の伸縮に追随して変形できる必要がある。このような性質を有する材料として高分子多孔質樹脂がある。かかる性質を有する材料として、多孔質ポリビニルアルコール、多孔質ポリアクリロニトリル、多孔質ポリエチレンオキシド、多孔質シリカ、多孔質ポリアミド、親水化処理多孔質ポリテトラフルオロエチレン、親水化処理多孔質ポリエチレン、親水化処理多孔質ポリプロピレンを挙げることができる。なおこれらは2種以上の複合体としても用いることができる。
前記導電性高分子アクチュエータ素子は、電圧印可により、作用極が伸縮するため、作用極を形成する導電性高分子にドーパント(アニオン)を含むものであるが、本発明の導電性高分子アクチュエータ素子に用いる電解液には、該ドーパントと同じ種類のアニオンが溶質として含まれている。また前記電解液の溶媒としては、水の他、水と極性有機化合物との混合溶液を用いることもできる。なかでも前記電解液の溶媒として、水と極性有機化合物との混合溶媒を用いることより、導電性高分子を含む導電性高分子アクチュエータ素子は、一定の電圧を与えた状態における時間に対する伸縮量(駆動速度)を測定した場合に、前記電解液中で大きな駆動速度を示すことができる。
前記極性有機化合物としては、特に限定されるものではないが、電気化学の反応場として用いることができる化合物であることが好ましい。前記極性有機化合物は、プロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリルからなる群より一種以上選ばれた極性有機化合物であることが、速い伸縮速度と大きな最大伸縮率を得ることができるために好ましく、プロピレンカーボネート、アセトニトリルが特に好ましい。
前記電解液の溶質は、前記導電性高分子にドープされたドーパントと同じ種類のアニオンを含む。具体的にはトリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 −)、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンやパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることができる。これらのアニオンを用いた場合であっても、前記混合溶媒を用いることにより、導電性高分子を含む導電性高分子アクチュエータ素子の駆動速度を向上することができる。なお、前記電解質の溶質として、前記ドーパント以外の化合物を含んでいてもよい。
(CnF(2n+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)N− 式(1)
(ここで、n及びmは任意の整数。)
このドーパントイオンを含むことにより、導電性高分子のバルク中に前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドが取り込まれ、または放出されて導電性高分子が大きな伸縮運動をすることができるので、前記の導電性高分子アクチュエータ素子は、従来の導電性高分子の電解伸縮方法に比べて、速い駆動速度を示すことができる。
本発明の導電性高分子アクチュエータ素子に用いられる作用極は、導電性高分子が含まれる。導電性高分子が含まれていれば、他の物質が更に含まれていてもよい。特に、金など導電性がよく化学的に安定な金属の箔などを含有する金属−導電性高分子複合体は、導電性高分子アクチュエータ素子の反応速度を速くするなどのメリットがあり、好適に用いることができる。かかる導電性高分子としては、ドーパントとしてのアニオンを、該導電性高分子へのドーピング及び脱ドーピング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。
前記導電性高分子は、電解重合法にて容易に得ることができる。前記電解重合に用いる電解重合用電解液は、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/またはハロゲン化炭化水素を溶媒として用いることが好ましい。前記電解重合用電解液中には、前記溶媒の他、更に、前記導電性高分子のドーパントとなるイオン、すなわち下式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、BF4 −、PF6 −、などを含有させることができる。前記電解重合用電解液にこのような導電性高分子でドープされるドーパントを含有させることによって、電解重合法で得られる導電性高分子は、1酸化還元サイクル当たりにおいて大きな電解伸縮を示すことができる。
(CnF(2n+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)N− 式(1)
本発明の導電性高分子アクチュエータ素子の駆動方法における電解液の温度は、特に限定されるものではないが、上記の導電性高分子をより速い速度で電解伸縮させるために、10〜100℃、さらに好ましくは25〜60℃であることが好ましい。また、前記電解液中のアニオンの濃度も特に限定されるものではないが、0.1〜5.0mol/Lであることが大きな伸縮率が得られ、安定して駆動することができるために好ましい。
トリフルオロメタンスルホン酸テトラブチルアンモニウム塩を溶媒である安息香酸メチル溶液を公知の攪拌方法で溶解させた。次に公知の方法で調製したPETフィルム(幅8mm×長さ50mm)の上に、ジクザク状のチタン電極に金をスパッタリングした板を電解重合法の電極とし、この電極を前記溶液中に浸漬し、室温で4時間、0.2mAcm−2電解重合した。すると前記チタンジクザク構造を含有するポリピロール膜が析出した。このポリピロール付着PETフィルムをアセトンで洗浄し、PETフィルムから析出したポリピロールフィルムを剥がした。この際、電極として用いたチタンはポリピロールフィルム側に転写、被覆された。再度、前記と同様の手順で2時間電解重合を行うと、該ポリピロールフィルムのチタンが被覆された側の面に更にポリピロールが析出した。得られたチタン−ポリピロール複合体フィルムは直ちにアセトンで洗浄し、空気乾燥させた。得られたジクザク状のチタン−ポリピロール複合体フィルムを実施例1の作用極とした。
コイル状(コイル径0.25mm,線太さ0.025mm,ピッチ0.050mm)の金製コイルを電解重合の電極として、0.2moldm−3のビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(TFSI)のテトラブチルアンモニウム塩のフタル酸ジメチル溶液に浸漬し、0℃,6時間,0.15mAで電解重合を行った。すると金電極の表面から徐々にポリピロールが析出し、最終的にコイルのピッチ間が析出したポリピロールで埋まった状態になり、円筒状の金−ポリピロール複合体を得た。これを実施例2の作用極とした。
実施例2の作用極で用いた筒状ポリピロール・金複合体に換えて、TFSIをドープしたポリピロールフィルムを円筒状に巻いて作用極として使用した以外は実施例2と同様の方法で、実施例3のアクチュエータ素子を作製した。TFSIをドープしたポリピロールフィルムは、下記の方法で製造した。
2 対極
3 隔膜
Claims (4)
- 作用極及び少なくとも1以上の対極がそれぞれ隔膜と接して対向しており、前記作用極、対極及び隔膜が、電解液中に浸されており、前記作用極と少なくともいずれかの対極との間に電圧を印加することにより、前記作用極が前記電解液中で伸縮する導電性高分子アクチュエータ素子であって、
前記作用極は、アニオンであるドーパントをドープされた導電性高分子を含むものであり、
前記電解液の溶質として、前記ドーパントのアニオンを含むものであり、
前記電解液の溶媒が、水溶媒或いは水と極性有機化合物との混合溶媒であり、
前記隔膜が、多孔質ポリビニルアルコール、多孔質ポリアクリロニトリル、多孔質ポリエチレンオキシド、多孔質シリカ、多孔質ポリアミド、親水化処理多孔質ポリテトラフルオロエチレン、親水化処理多孔質ポリエチレン及び親水化処理多孔質ポリプロピレンの群から選ばれる一種または二種以上の多孔質高分子を材料とすることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ素子。 - 前記ドーパントが、下式(1)で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンである請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータ素子。
(CnF(2n+1)SO2)(CmF(2m+1)SO2)N− 式(1)
(ただし、n,mは独立任意の整数。) - 前記ドーパントが、トリフルオロメチルスルホン酸イオン(CF3SO3 −)である請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータ素子。
- 前記ドーパントが、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンである請求項1に記載の導電性高分子アクチュエータ素子。
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