JP5290055B2 - Polymer transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子固体電解質と電極との間に特定のイオンを優先的に透過させるバリア層を有する、動作性能に優れた高分子アクチュエータ、信号強度に優れた変形センサ等の高分子トランスデューサに関する。 The present invention relates to a polymer transducer having a barrier layer that preferentially transmits specific ions between a polymer solid electrolyte and an electrode, and a polymer actuator excellent in operation performance and a deformation sensor excellent in signal strength. .
近年、医療機器やマイクロマシンなどの分野においては小型かつ軽量なアクチュエータやセンサといった、ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換するトランスデューサの必要性が高まっている。また産業用として、あるいはパーソナルロボットなどの分野において、軽量で柔軟性に富むトランスデューサの必要性が高まっている。 In recent years, in the fields of medical equipment and micromachines, there is an increasing need for transducers that convert one type of energy into another type of energy, such as small and lightweight actuators and sensors. In addition, in the fields of industrial use and personal robots, there is an increasing need for transducers that are light and flexible.
こういった観点から、軽量、柔軟なアクチュエータとして高分子アクチュエータに注目が集まっている。高分子アクチュエータとしては種々の方式のものがこれまでに提案されている。例えば、含水高分子ゲルに対して、温度変化、pH変化、電場印加等の刺激を与え、これらの刺激に基づく形態変化を利用した高分子アクチュエータ(例えば、特許文献1参照)、含水状態のイオン交換樹脂膜とその両面に接合した電極とからなり、両面の電極間に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせる高分子アクチュエータ(例えば、特許文献2参照)などが提案されている。特に後者においては、電圧印加後、瞬時に湾曲および変形が起こり、アクチュエータとしての優れた応答性を示す。しかしながら、当該高分子アクチュエータは含水状態でしか動作しないため、それが使用される環境等に制限があり、応用範囲が限定されてしまうという問題がある。 From this point of view, polymer actuators are attracting attention as lightweight and flexible actuators. Various types of polymer actuators have been proposed so far. For example, a polymer actuator (for example, refer to Patent Document 1) using a morphological change based on a stimulus such as a temperature change, a pH change, and an electric field applied to the hydrated polymer gel. There has been proposed a polymer actuator (for example, see Patent Document 2), which includes an exchange resin film and electrodes bonded to both surfaces thereof, and causes bending and deformation by applying a potential difference between the electrodes on both surfaces. In particular, in the latter, bending and deformation occur instantaneously after voltage application, and excellent response as an actuator is exhibited. However, since the polymer actuator operates only in a water-containing state, there is a problem that the environment in which it is used is limited and the application range is limited.
上記の課題を克服するものとして、軟質な高分子誘電体と柔軟な電極とからなる高分子アクチュエータが知られている(例えば、特許文献3参照)。この方式の高分子アクチュエータは、動作に水を必要とせず、またアクチュエータの動作がイオンなどの物質移動現象ではなく、より高速なプロセスである電子移動現象によるものであることから応答性に非常に優れるものである。しかしながらその一方では、動作には数1000V程度の非常に高い電圧が必要であり、安全性の観点から応用範囲が限定されるという問題がある。 As a means for overcoming the above problems, a polymer actuator including a soft polymer dielectric and a flexible electrode is known (see, for example, Patent Document 3). This type of polymer actuator does not require water for operation, and the operation of the actuator is not a mass transfer phenomenon such as ions, but is due to an electron transfer phenomenon, which is a faster process, so it is very responsive. It is excellent. However, on the other hand, a very high voltage of about several thousand volts is required for the operation, and there is a problem that the application range is limited from the viewpoint of safety.
この課題を克服するものとして、イオン液体およびフッ素系高分子からなる非水系高分子固体電解質の両面に、イオン液体、フッ素系高分子および単層カーボンナノチューブからなる電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(例えば、非特許文献1参照)や、イオン液体およびブロック共重合体からなる非水系高分子固体電解質の両面に、活性炭を含む電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ(例えば、特許文献4および5参照)が知られている。これらの高分子アクチュエータは、水の無い状態においても数V程度の低い電圧で駆動する特徴を有する。しかしながら、アクチュエータの発生できる力や動作速度などの点でさらなる改良の余地があった。 In order to overcome this problem, a polymer actuator in which electrodes made of ionic liquid, fluorine polymer and single-walled carbon nanotubes are bonded to both sides of a non-aqueous polymer solid electrolyte made of ionic liquid and fluorine polymer ( For example, see Non-Patent Document 1) and polymer actuators in which electrodes containing activated carbon are bonded to both surfaces of a nonaqueous polymer solid electrolyte made of an ionic liquid and a block copolymer (see, for example, Patent Documents 4 and 5). It has been known. These polymer actuators are characterized by being driven at a low voltage of about several volts even in the absence of water. However, there is room for further improvement in terms of the force that can be generated by the actuator and the operating speed.
一方、高分子トランスデューサはセンサとして使用することもできる。従来機械エネルギーを電気エネルギーに変換するセンサとしては、圧電セラミックス等を用いた圧電素子が広く用いられている。チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などに代表される圧電セラミックスは、該セラミックスが応力を受けることで電荷を発生する圧電効果により、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。 On the other hand, the polymer transducer can also be used as a sensor. Conventionally, piezoelectric elements using piezoelectric ceramics or the like are widely used as sensors that convert mechanical energy into electrical energy. Piezoelectric ceramics represented by barium titanate, lead zirconate titanate (PZT), and the like convert mechanical energy into electrical energy by the piezoelectric effect of generating electric charges when the ceramic is subjected to stress.
しかしながら、これらの圧電セラミックスを用いたセンサは、高密度の無機材料を用いるために、低重量であることが求められる用途では使用できないことが多い。また、耐衝撃性に劣るために、外部からの衝撃が加わった場合に圧電セラミックスが破壊されてセンサ機能が低下しやすい。また可撓性に劣るために、球面や凹凸を有する複雑な形状の構造物に設置することが求められる用途では使用することが難しく、大きな変形や小さな応力を検出することが難しいという問題もあった。 However, sensors using these piezoelectric ceramics often cannot be used in applications that require low weight because they use a high-density inorganic material. In addition, since the impact resistance is inferior, when an external impact is applied, the piezoelectric ceramic is destroyed and the sensor function is likely to be deteriorated. In addition, since it is inferior in flexibility, it is difficult to use it in applications where it is required to be installed on a complex-shaped structure having a spherical surface or unevenness, and it is difficult to detect large deformations or small stresses. It was.
本発明は、低い電圧でも効率よく駆動することができる発生力、変位量、動作速度などの性能に優れた高分子アクチュエータとして、あるいは応答性がよくて検知性能に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れる変形センサとして使用することができる、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる高分子トランスデューサを提供することを目的とする。 The present invention is a polymer actuator with excellent performance such as generated force, displacement, and operation speed that can be driven efficiently even at a low voltage, or it has good response, excellent detection performance, and high flexibility. An object of the present invention is to provide a polymer transducer that can be used as a deformation sensor having excellent impact resistance, is lightweight and flexible, and can function stably even in the absence of water.
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、高分子固体電解質と電極との間に特定のイオンを優先的に透過させるバリア層を設けることにより上記目的が達成されることを見出し、当該知見に基づいてさらに検討を重ねて本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by providing a barrier layer that preferentially transmits specific ions between the polymer solid electrolyte and the electrode. The present invention was completed through further studies based on the findings.
すなわち本発明は、
[1]一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、イオン液体と高分子とを含む高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、高分子固体電解質と一対の電極のうちの少なくとも一方との間に、アニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層が配設されている高分子トランスデューサ、
[2]前記バリア層が、カチオン交換樹脂を含む上記[1]の高分子トランスデューサ、
[3]一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、イオン液体と高分子とを含む高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、高分子固体電解質と一対の電極のうちの少なくとも一方との間に、カチオンに対してアニオンを優先的に透過させるバリア層が配設されている高分子トランスデューサ、
[4]前記バリア層が、アニオン交換樹脂を含む上記[3]の高分子トランスデューサ、
[5]前記電極のうちの少なくとも一方が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、ポリアセン、炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛および活性炭からなる群から選ばれる少なくとも1種のカーボン材料を含む上記[1]〜[4]のいずれか1つの高分子トランスデューサ、
[6]前記電極がイオン液体をさらに含む、上記[1]〜[5]のいずれか1つの高分子トランスデューサ、
[7]前記高分子が実質的に解離性イオン基を含まない上記[1]〜[6]のいずれか1つの高分子トランスデューサ、
に関する。
That is, the present invention
[1] A polymer transducer having a pair of electrodes and a polymer solid electrolyte disposed between the pair of electrodes and containing an ionic liquid and a polymer, the polymer solid electrolyte and the pair of electrodes A polymer transducer in which a barrier layer that preferentially transmits cations to anions is disposed between at least one of them,
[2] The polymer transducer according to [1], wherein the barrier layer contains a cation exchange resin,
[3] A polymer transducer having a pair of electrodes and a polymer solid electrolyte disposed between the pair of electrodes and containing an ionic liquid and a polymer, the polymer solid electrolyte and the pair of electrodes A polymer transducer in which a barrier layer that preferentially transmits anions to cations is disposed between at least one of them,
[4] The polymer transducer according to [3], wherein the barrier layer contains an anion exchange resin.
[5] The above [1], wherein at least one of the electrodes includes at least one carbon material selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanosheets, polyacene, carbon fiber, carbon black, graphite, and activated carbon. Any one polymer transducer of [4],
[6] The polymer transducer according to any one of [1] to [5], wherein the electrode further includes an ionic liquid,
[7] The polymer transducer according to any one of [1] to [6], wherein the polymer does not substantially contain a dissociable ionic group,
About.
本発明の高分子トランスデューサは、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる。そして、本発明の高分子トランスデューサを高分子アクチュエータとして使用した場合には、低い電圧でも効率よく駆動することができ、発生力、変位量、動作速度などの性能に優れたものとなる。また、本発明の高分子トランスデューサを変形センサとして使用した場合には、応答性がよくて検知性能に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れたものとなる。 The polymer transducer of the present invention is lightweight and flexible, and can function stably even in the absence of water. When the polymer transducer of the present invention is used as a polymer actuator, it can be driven efficiently even at a low voltage, and the performance such as generated force, displacement, and operation speed is excellent. Further, when the polymer transducer of the present invention is used as a deformation sensor, it has good responsiveness and excellent detection performance, and is rich in flexibility and excellent in impact resistance.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子トランスデューサは、一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、イオン液体と高分子とを含む高分子固体電解質とを有する。そして、当該高分子固体電解質と当該一対の電極のうちの少なくとも一方との間に、カチオンまたはアニオンを優先的に透過させるバリア層が配設されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polymer transducer of the present invention includes a pair of electrodes and a polymer solid electrolyte that is disposed between the pair of electrodes and includes an ionic liquid and a polymer. A barrier layer that preferentially transmits cations or anions is disposed between the solid polymer electrolyte and at least one of the pair of electrodes.
本発明の高分子トランスデューサを構成する電極のうちの少なくとも一方、好ましくは両方はカーボン材料を含むことが好ましい。当該カーボン材料は電極においていわゆる活物質として機能し得る。当該カーボン材料としては特に制限はないが、例えば、カーボンナノチューブ(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等)、カーボンナノホーン、カーボンナノシート(グラフェンシート)、ポリアセン、炭素繊維(PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等)、カーボンブラック(アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、高比表面積カーボンブラック(ケッチェンブラック、バルカン等)等)、黒鉛、活性炭などが挙げられる。 At least one of the electrodes constituting the polymer transducer of the present invention, preferably both, preferably contains a carbon material. The carbon material can function as a so-called active material in the electrode. The carbon material is not particularly limited. For example, carbon nanotubes (single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, etc.), carbon nanohorns, carbon nanosheets (graphene sheets), polyacene, carbon fibers (PAN-based carbon fibers, pitch-based carbons) Fiber, vapor grown carbon fiber, etc.), carbon black (acetylene black, furnace black, channel black, high specific surface area carbon black (Ketjen black, Vulcan etc.), etc.), graphite, activated carbon and the like.
また電極は上記したカーボン材料以外の導電性材料を含んでいてもよい。当該導電性材料の例としては、導電性高分子(ポリ(エチレン−3,4−ジオキシチオフェン)(PEDOT)、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体等);金、白金、銀、パラジウム、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、亜鉛、ジルコニウム、鉄、コバルト、錫、鉛、インジウム、クロム、モリブデン、マンガン等の金属材料;インジウム−錫複合酸化物(ITO)、アンチモン−錫複合酸化物(ATO)、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)等の金属酸化物;硫化亜鉛(ZnS)、硫化銅(CuS)等の金属硫化物などが挙げられる。 The electrode may contain a conductive material other than the carbon material described above. Examples of the conductive material include conductive polymers (poly (ethylene-3,4-dioxythiophene) (PEDOT), polyaniline derivatives, polypyrrole derivatives, etc.); gold, platinum, silver, palladium, copper, nickel, Metal materials such as aluminum, titanium, zinc, zirconium, iron, cobalt, tin, lead, indium, chromium, molybdenum, manganese; indium-tin composite oxide (ITO), antimony-tin composite oxide (ATO), ruthenium oxide Examples thereof include metal oxides such as (RuO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and zinc oxide (ZnO); metal sulfides such as zinc sulfide (ZnS) and copper sulfide (CuS).
これらのうちでも、電気化学的安定性や耐酸化還元安定性を向上させることができることから、電極はカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、ポリアセン、炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛および活性炭からなる群から選ばれる少なくとも1種のカーボン材料を含むことが好ましく、工業的経済性の観点から高比表面積カーボンブラック、カーボンナノホーンおよび黒鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましく、高分子アクチュエータとしての性能の観点から高比表面積カーボンブラックおよび/またはカーボンナノホーンを含むことがさらに好ましい。 Among these, since the electrochemical stability and the oxidation-reduction stability can be improved, the electrode is selected from the group consisting of carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanosheet, polyacene, carbon fiber, carbon black, graphite and activated carbon. It is preferable to include at least one selected carbon material, and more preferable to include at least one selected from the group consisting of high specific surface area carbon black, carbon nanohorn, and graphite from the viewpoint of industrial economy. From the viewpoint of performance, it is more preferable to include high specific surface area carbon black and / or carbon nanohorn.
電極は上記のカーボン材料およびそれ以外の導電性材料のうちの1種を単独で含んでいても、2種以上を含んでいてもよい。電極が2種以上のカーボン材料および/またはそれ以外の導電性材料を含む場合には、製造工程の煩雑化を避ける面から、その種数は2〜5程度であることが好ましい。電極が2種以上のカーボン材料および/またはそれ以外の導電性材料を含む場合には、そのうちの少なくとも1種を上記活物質として機能させ、残りを電極の抵抗を低減させるための導電材として機能させることができる。
電極におけるカーボン材料および/またはそれ以外の導電性材料の含有量は、多すぎると電極自体が硬くなって高分子トランスデューサの柔軟性が損なわれる場合があり、一方、少なすぎると高分子アクチュエータとして使用した場合に変位が小さくなったり、変形センサとして使用した場合に起電力が小さくなる傾向があることから、カーボン材料およびそれ以外の導電性材料の合計の質量の占める割合は、各電極の質量に基づいて1〜50質量%の範囲内であることが好ましく、10〜40質量%の範囲内であることがより好ましい。
The electrode may contain one of the above carbon materials and other conductive materials alone, or may contain two or more. When the electrode contains two or more types of carbon materials and / or other conductive materials, the number of species is preferably about 2 to 5 in order to avoid complication of the manufacturing process. When the electrode contains two or more kinds of carbon materials and / or other conductive materials, at least one of them functions as the active material, and the rest functions as a conductive material for reducing the resistance of the electrode. Can be made.
If the content of the carbon material and / or other conductive material in the electrode is too large, the electrode itself may become hard and the flexibility of the polymer transducer may be impaired. On the other hand, if the content is too small, it may be used as a polymer actuator. In this case, since the displacement tends to be small or the electromotive force tends to be small when used as a deformation sensor, the proportion of the total mass of the carbon material and other conductive materials is the mass of each electrode. It is preferable to be in the range of 1 to 50% by mass, and more preferably in the range of 10 to 40% by mass.
本発明の高分子トランスデューサを構成する電極はバインダーを含んでいてもよい。電極がバインダーを含むことにより、電極において上記カーボン材料および/またはそれ以外の導電性材料を固定することができる。バインダーを構成する素材としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂;ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ(メタ)アクリル酸系樹脂;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂;ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂;ナイロン−6、ナイロン−6,6、ナイロン−9T、ナイロン−11、ナイロン−12、ナイロン−6,12等のポリアミド系樹脂;熱可塑性ポリウレタン系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂;天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム(軟質熱硬化型ポリウレタンを含む)等のゴム類あるいはこれらの架橋体;オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)、アクリル系熱可塑性エラストマー(例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルのブロック共重合体等)、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)、ポリエステル系熱可塑性エラストマー(TPEE)、ポリアミド系熱可塑性エラストマー(TPAE)等の熱可塑性エラストマー類;スルホン酸基を側鎖に有するフッ素系ポリマー(例えば、「ナフィオン」(デュポン社製)等)などを用いることができる。バインダーは1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。 The electrode constituting the polymer transducer of the present invention may contain a binder. When the electrode contains a binder, the carbon material and / or other conductive material can be fixed on the electrode. As a material constituting the binder, a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used. Specifically, a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene; a polystyrene resin such as polystyrene or poly α-methylstyrene; Poly (meth) acrylic resins such as methacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polybutyl acrylate; polyvinyl chloride , Vinyl halide resins such as polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer, polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene; polyethylene glycol terephthalate, polyethylene glycol Polyester resins such as naphthaphthalate and polybutylene glycol terephthalate; Polyamide resins such as nylon-6, nylon-6,6, nylon-9T, nylon-11, nylon-12, nylon-6,12; thermoplastic polyurethane resins ; Polycarbonate resin; Thermosetting resin such as unsaturated polyester, epoxy resin, alkyd resin, phenol resin, thermosetting polyurethane resin; natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber (styrene butadiene random copolymer) ), Rubbers such as acrylic rubber, nitrile rubber, norbornene rubber, silicone rubber, urethane rubber (including soft thermosetting polyurethane) or cross-linked products thereof; olefin-based thermoplastic elastomer (TPO), styrene-based thermoplastic Elastomer (TPS), crosslinkable olefin thermoplastic elastomer (TPV), acrylic thermoplastic elastomer (for example, block copolymer of polymethyl methacrylate and polybutyl acrylate, etc.), polyurethane thermoplastic elastomer (TPU), Thermoplastic elastomers such as polyester thermoplastic elastomer (TPEE) and polyamide thermoplastic elastomer (TPAE); fluorine polymers having sulfonic acid groups in the side chain (for example, “Nafion” (manufactured by DuPont), etc.) Can be used. A binder may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.
これらのうちでも、電極を膜状にして使用する場合における造膜性の観点からは、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)が好ましい。また電極中に、後述するイオン液体が含まれる場合においては、当該イオン液体と混合可能な高分子種であることが好ましい。
電極がバインダーを含む場合、その含有量に特に制限はないが、電極の抵抗とイオンの拡散の起こりやすさの観点から、各電極の質量に基づいて1〜20質量%の範囲内であることが好ましく、3〜15質量%の範囲内であることがより好ましい。
Among these, from the viewpoint of film forming properties when the electrode is used in the form of a film, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer, polytetrafluoroethylene, thermoplastic polyurethane resin, Styrene-butadiene rubber (styrene-butadiene random copolymer), styrene-based thermoplastic elastomer (TPS), and polyurethane-based thermoplastic elastomer (TPU) are preferred. Further, when the electrode contains an ionic liquid described later, it is preferably a polymer species that can be mixed with the ionic liquid.
When the electrode contains a binder, the content is not particularly limited, but in the range of 1 to 20% by mass based on the mass of each electrode, from the viewpoint of electrode resistance and ease of ion diffusion. Is preferable, and it is more preferable that it exists in the range of 3-15 mass%.
本発明の高分子トランスデューサを構成する電極はイオン液体を含んでいてもよい。電極がイオン液体を含むことにより、カチオンおよびアニオンの双方が電極中を容易に移動することができ、より優れた性能を有する高分子トランスデューサとなる。イオン液体は、通常100℃以下(好ましくは25℃以下)に融点を有する塩である。本発明において使用される当該イオン液体の種類に特に制限はないが、例えば、有機カチオンと有機系または無機系のアニオンとから構成されるものを使用することができる。当該有機カチオンとしては、例えば、下記一般式(I)〜(V)のいずれかに示されるものを挙げることができる。 The electrode constituting the polymer transducer of the present invention may contain an ionic liquid. When the electrode contains an ionic liquid, both a cation and an anion can easily move through the electrode, and a polymer transducer having better performance is obtained. The ionic liquid is a salt having a melting point of usually 100 ° C. or lower (preferably 25 ° C. or lower). Although there is no restriction | limiting in particular in the kind of the said ionic liquid used in this invention, For example, what is comprised from an organic cation and an organic type or an inorganic type anion can be used. Examples of the organic cation include those represented by any of the following general formulas (I) to (V).
上記一般式(I)中、R1、R2、R3はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基および炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表す。 In the general formula (I), R 1 , R 2 , and R 3 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a straight chain having 2 to 10 carbon atoms, or It represents a group selected from the group consisting of a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms.
上記一般式(II)中、R4は水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基および炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、R’は炭素数1〜6の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基を表し、nは0以上5以下の整数を表す。 In the general formula (II), R 4 is a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a linear or branched alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, or a carbon number. Represents a group selected from the group consisting of an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and R ′ is linear or branched having 1 to 6 carbon atoms. A chain alkyl group is represented, and n represents an integer of 0 or more and 5 or less.
上記一般式(III)中、R5、R6、R7、R8はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基および炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、R5〜R8のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
In the general formula (III), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and a straight chain having 2 to 10 carbon atoms. Represents a group selected from the group consisting of a linear or branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and R 5 of to
上記一般式(IV)中、R9、R10、R11、R12はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基および炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、R9〜R12のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
In the general formula (IV), R 9 , R 10 , R 11 and R 12 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and a straight chain having 2 to 10 carbon atoms. Represents a group selected from the group consisting of a linear or branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and R 9 of to
上記一般式(V)中、R13、R14、R15はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数2〜10の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数6〜15のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基および炭素数2〜30のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、R13〜R15のうち、2つの基が共同して環構造を形成していてもよい。 In the general formula (V), R 13 , R 14 , and R 15 are each independently a hydrogen atom, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a straight chain having 2 to 10 carbon atoms, or Represents a group selected from the group consisting of a branched alkenyl group, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, and an oligoalkenylene oxide group having 2 to 30 carbon atoms, and R 13 to R 15. Of these, two groups may jointly form a ring structure.
これらのうちでも、イオン液体のイオン伝導性、入手容易性の観点から、一般式(I)で示される有機カチオン(イミダゾリウムカチオン)が好ましく、イオン液体の融点、粘度の観点から一般式(I)におけるR1、R2が炭素数1〜6の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基であるものがより好ましく、一般式(I)におけるR1とR2が互いに異なる基であるものがさらに好ましい。このような有機カチオンの具体例としては、例えば、エチルメチルイミダゾリウムカチオン(EMI+;一般式(I)においてR1およびR2のうちの一方がメチル基で他方がエチル基であるもの)、ブチルメチルイミダゾリウムカチオン(BMI+;一般式(I)においてR1およびR2のうちの一方がメチル基で他方がブチル基であるもの)などが挙げられる。 Among these, the organic cation (imidazolium cation) represented by the general formula (I) is preferable from the viewpoint of ionic conductivity and availability of the ionic liquid, and the general formula (I) from the viewpoint of the melting point and viscosity of the ionic liquid. In which R 1 and R 2 are linear or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms, and R 1 and R 2 in the general formula (I) are different from each other. Further preferred. Specific examples of such an organic cation include, for example, an ethylmethylimidazolium cation (EMI + ; one in which one of R 1 and R 2 in the general formula (I) is a methyl group and the other is an ethyl group), And a butylmethylimidazolium cation (BMI + ; one in which one of R 1 and R 2 in the general formula (I) is a methyl group and the other is a butyl group).
また、イオン液体を構成するアニオンとしては、例えば、含ハロゲンアニオン、鉱酸アニオン、有機酸アニオン等を挙げることができる。含ハロゲンアニオンおよび鉱酸アニオンの具体例としては、PF6 −、ClO4 −、CF3SO3 −、C4F9SO3 −、BF4 −、(CF3SO2)2N−、(C2F5SO2)2N−、(CF3SO2)3C−、AsF6 −、SO4 2−、(CN)2N−、NO3 −等を挙げることができる。また有機酸アニオンの具体例としては、RSO3 −、RCO2 −(Rはアルキル基、アリール基、アルケニル基、アラルキル基、アラルケニル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、スルホアルキル基または芳香族複素環残基であり、複数の環状構造または分岐構造を含んでいてもよい)等を挙げることができる。
これらのうちでも、イオン液体のイオン伝導率、入手容易性の観点から、PF6 −、ClO4 −、CF3SO3 −、C4F9SO3 −、BF4 −、(CF3SO2)2N−、(C2F5SO2)2N−、(CN)2N−が好ましく、特にBF4 −、(CF3SO2)2N−、(C2F5SO2)2N−がより好ましい。
Examples of the anion constituting the ionic liquid include a halogen-containing anion, a mineral acid anion, and an organic acid anion. Specific examples of the halogen-containing anion and mineral acid anion include PF 6 − , ClO 4 − , CF 3 SO 3 − , C 4 F 9 SO 3 − , BF 4 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , ( C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , (CF 3 SO 2 ) 3 C − , AsF 6 − , SO 4 2− , (CN) 2 N − , NO 3 − and the like can be mentioned. Specific examples of the organic acid anion include RSO 3 − , RCO 2 — (where R is an alkyl group, aryl group, alkenyl group, aralkyl group, aralkenyl group, alkoxyalkyl group, acyloxyalkyl group, sulfoalkyl group, or aromatic complex). Ring residue, which may contain a plurality of cyclic structures or branched structures).
Among these, PF 6 − , ClO 4 − , CF 3 SO 3 − , C 4 F 9 SO 3 − , BF 4 − , (CF 3 SO 2) from the viewpoint of the ionic conductivity and availability of the ionic liquid. ) 2 N − , (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − , (CN) 2 N − are preferable, and BF 4 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , and (C 2 F 5 SO 2 ) 2 are particularly preferable. N - is more preferable.
本発明において使用されるイオン液体としては、上記した有機カチオンとアニオンとの組み合わせからなるものを使用することができ、これらは1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。本発明において使用されるイオン液体としては、イオン伝導性に優れることから、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF4)、エチル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(EMITFSI)、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIBF4)、ブチル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(BMITFSI)が好ましい。 As the ionic liquid used in the present invention, those composed of a combination of the above organic cation and anion can be used, and these can be used alone or in combination of two or more. Good. As the ionic liquid used in the present invention, since it has excellent ion conductivity, ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ), ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMITFSI), butylmethylimidazolium Tetrafluoroborate (BMIBF 4 ) and butylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (BMITSI) are preferred.
電極がイオン液体を含む場合、その含有量に特に制限はないが、多すぎるとイオン液体の染み出しが顕著になったり電極の力学強度が劣ったりする傾向があり、少なすぎると電極のイオン伝導度が低くなり高分子トランスデューサとしての性能が低下する傾向があることから、各電極の質量に基づいて30〜98質量%の範囲内であることが好ましく、45〜87質量%の範囲内であることがより好ましい。 When the electrode contains an ionic liquid, the content is not particularly limited. However, if it is too much, the ionic liquid oozes out significantly or the mechanical strength of the electrode tends to be inferior. Since the degree of the polymer tends to decrease and the performance as a polymer transducer tends to decrease, it is preferably within the range of 30 to 98% by mass based on the mass of each electrode, and within the range of 45 to 87% by mass. It is more preferable.
本発明において使用される電極の製造方法としては、特に制限はないが、例えば、上記したカーボン材料、カーボン材料以外の導電性材料、バインダー、イオン液体等の電極を構成する成分を乳鉢等を用いて混合または混練した後に、熱プレス成形してシート状の電極を得る方法;上記電極を構成する成分を溶媒または分散媒に溶解または分散させた後に膜状に成形し、次いで溶媒または分散媒を除去してシート状の電極を得る方法などにより製造することができる。 The method for producing the electrode used in the present invention is not particularly limited. For example, a mortar or the like is used as a component constituting the electrode such as the above-described carbon material, conductive material other than the carbon material, binder, ionic liquid, or the like. A method of obtaining a sheet-like electrode by hot press molding after mixing or kneading; dissolving or dispersing the components constituting the electrode in a solvent or dispersion medium, and then molding into a film; It can be manufactured by a method of removing to obtain a sheet-like electrode.
本発明の高分子トランスデューサを構成する高分子固体電解質は、イオン液体と高分子とを含む。高分子固体電解質が含むイオン液体としては、電極が含むことのできるイオン液体として上述したものを、同じく好適に使用することができる。電極がイオン液体を含む場合、電極が含む当該イオン液体と同じ種類のイオン液体を高分子固体電解質にも使用することが好ましい。 The polymer solid electrolyte constituting the polymer transducer of the present invention includes an ionic liquid and a polymer. As the ionic liquid contained in the polymer solid electrolyte, those described above as the ionic liquid that can be contained in the electrode can also be suitably used. When an electrode contains an ionic liquid, it is preferable to use the same kind of ionic liquid as the said ionic liquid which an electrode contains also for a polymer solid electrolyte.
高分子固体電解質が含む高分子は、イオン液体をその内部に保持することができるものを好ましく使用することができる。当該高分子の例としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が挙げられ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂;ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ(メタ)アクリル酸系樹脂;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂;ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂;ナイロン−6、ナイロン−6,6、ナイロン−9T、ナイロン−11、ナイロン−12、ナイロン−6,12等のポリアミド系樹脂;熱可塑性ポリウレタン系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂;天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム(スチレンブタジエンランダム共重合体)、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム(軟質熱硬化型ポリウレタンを含む)等のゴム類あるいはこれらの架橋体;オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、スチレン系熱可塑性エラストマー(TPS)、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)、アクリル系熱可塑性エラストマー(例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルとのブロック共重合体等)、ポリスチレンとポリ(メタ)アクリル酸エステルとのブロック共重合体、ポリスチレンと非晶性ポリエステルとのブロック共重合体、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー(TPU)、ポリエステル系熱可塑性エラストマー(TPEE)、ポリアミド系熱可塑性エラストマー(TPAE)等の熱可塑性エラストマー類;スルホン酸基を側鎖に有するフッ素系ポリマー(例えば、「ナフィオン」(デュポン社製)等)などを挙げることができる。 As the polymer contained in the polymer solid electrolyte, those capable of holding the ionic liquid therein can be preferably used. Examples of the polymer include thermoplastic resins or thermosetting resins. Specifically, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polystyrene resins such as polystyrene and poly α-methylstyrene; polymethacrylic acid , Poly (meth) acrylic resins such as polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polybutyl acrylate; polyvinyl chloride, poly Vinyl halide resins such as vinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene random copolymer, polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene; polyethylene glycol terephthalate, polyethylene glycol naphthalate Polyester resins such as polybutylene glycol terephthalate; polyamide resins such as nylon-6, nylon-6,6, nylon-9T, nylon-11, nylon-12, nylon-6,12; thermoplastic polyurethane resins; polycarbonate Resin: Thermosetting resin such as unsaturated polyester, epoxy resin, alkyd resin, phenol resin, thermosetting polyurethane resin; natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber (styrene butadiene random copolymer), Rubbers such as acrylic rubber, nitrile rubber, norbornene rubber, silicone rubber, urethane rubber (including soft thermosetting polyurethane) or cross-linked products thereof; olefin thermoplastic elastomer (TPO), styrene thermoplastic elastomer (TP S), a crosslinkable olefin thermoplastic elastomer (TPV), an acrylic thermoplastic elastomer (for example, a block copolymer of polymethyl methacrylate and polybutyl acrylate, etc.), polystyrene and poly (meth) acrylate Block copolymers, block copolymers of polystyrene and amorphous polyester, thermoplastic elastomers such as polyurethane thermoplastic elastomer (TPU), polyester thermoplastic elastomer (TPEE), polyamide thermoplastic elastomer (TPAE), etc. Fluorine polymers having a sulfonic acid group in the side chain (for example, “Nafion” (manufactured by DuPont)) and the like.
また高分子固体電解質が含む高分子は、上記した高分子に相当する重合体ブロックが2つ以上結合したブロック共重合体であってもよいし、グラフト共重合体であってもよい。これらのうちでも、成形方法の選択自由度、熱に対する安定性、電極材料への低腐食性等の観点から、高分子固体電解質が含む高分子は、実質的に解離性イオン基(例えば、スルホン酸基の塩、ホスホン酸基の塩、カルボキシル基の塩、アンモニウム基等)を含まないことが好ましく、イオン伝導性および高分子固体電解質の力学的強度の観点から、用いるイオン液体と非相溶性の重合体ブロックを有するブロック共重合体であることがより好ましく、用いるイオン液体と相溶性の重合体ブロックと該イオン液体と非相溶性の重合体ブロックとを有するブロック共重合体であることがさらに好ましい。
上記のイオン液体と非相溶性の重合体ブロックの具体例としては、使用されるイオン液体の種類などにもよるが、ポリエチレンブロック、ポリプロピレンブロック等のポリオレフィンブロック;ポリスチレンブロック等の芳香族ビニル系重合体ブロック;ポリメタクリル酸イソボルニルブロック等の脂環式アルコールの(メタ)アクリル酸エステルから構成される重合体ブロックなどが挙げられる。一方、上記のイオン液体と相溶性の重合体ブロックの具体例としては、使用されるイオン液体の種類などにもよるが、ポリメタクリル酸メチルブロック、ポリアクリル酸メチルブロック、ポリアクリル酸エチルブロック、ポリアクリル酸メトキシメチルブロック等の(メタ)アクリル酸エステル系重合体ブロック;ポリエチレングリコールブロック等のポリオキシアルキレンブロック;ポリε−カプロラクトン等のポリエステルブロックなどが挙げられる。
高分子固体電解質が含む高分子は1種類であっても、2種類以上であってもよいが、2種類以上とする場合には、製造工程の煩雑化を避けるため、通常2〜5種類程度であることが好ましい。
The polymer contained in the polymer solid electrolyte may be a block copolymer in which two or more polymer blocks corresponding to the above-described polymer are bonded, or a graft copolymer. Among these, from the viewpoint of flexibility in selection of the molding method, stability to heat, low corrosiveness to the electrode material, the polymer included in the polymer solid electrolyte is substantially dissociable ionic group (for example, sulfone). Salt of acid group, salt of phosphonic acid group, salt of carboxyl group, ammonium group, etc.) and is incompatible with the ionic liquid used from the viewpoint of ionic conductivity and mechanical strength of the polymer solid electrolyte. It is more preferable that the block copolymer has a polymer block, and the block copolymer has a polymer block compatible with the ionic liquid to be used and a polymer block incompatible with the ionic liquid. Further preferred.
Specific examples of the polymer block incompatible with the ionic liquid described above include polyolefin blocks such as polyethylene blocks and polypropylene blocks; aromatic vinyl heavy polymers such as polystyrene blocks, depending on the type of ionic liquid used. Polymer block etc. which are comprised from (meth) acrylic acid ester of alicyclic alcohol, such as a coalescence block; polymethacrylic acid isobornyl block. On the other hand, as a specific example of the polymer block compatible with the ionic liquid, depending on the type of ionic liquid used, polymethyl methacrylate block, polymethyl acrylate block, polyethyl acrylate block, (Meth) acrylic acid ester polymer block such as polymethoxymethyl block; polyoxyalkylene block such as polyethylene glycol block; polyester block such as polyε-caprolactone.
The polymer solid electrolyte may contain one or two or more kinds of polymers, but in the case of two or more kinds, usually about 2 to 5 kinds are used in order to avoid complication of the manufacturing process. It is preferable that
高分子固体電解質におけるイオン液体と高分子との質量比に特に制限は無いが、イオン伝導性および力学的強度の観点から、高分子100質量部に対し、イオン液体が1〜1000質量部の範囲内であることが好ましく、10〜700質量部の範囲内であることがより好ましく、20〜500質量部の範囲内であることがさらに好ましく、30〜300質量部の範囲内であることが特に好ましい。
また、高分子固体電解質は、イオン液体および高分子のみからなっていてもよいが、後述するように、これらの成分以外の他の成分を含んでいてもよい。高分子固体電解質の全体の質量に対するイオン液体および高分子の合計の占める割合としては、60〜100質量%の範囲内であることが好ましく、70〜100質量%の範囲内であることがより好ましく、80〜100質量%の範囲内であることがさらに好ましい。
The mass ratio between the ionic liquid and the polymer in the polymer solid electrolyte is not particularly limited, but from the viewpoint of ionic conductivity and mechanical strength, the ionic liquid is in the range of 1 to 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polymer. It is preferably within the range, more preferably within the range of 10 to 700 parts by mass, even more preferably within the range of 20 to 500 parts by mass, and particularly preferably within the range of 30 to 300 parts by mass. preferable.
The polymer solid electrolyte may be composed of only an ionic liquid and a polymer, but may contain other components than these components as described later. The ratio of the total amount of the ionic liquid and the polymer to the total mass of the solid polymer electrolyte is preferably in the range of 60 to 100% by mass, and more preferably in the range of 70 to 100% by mass. More preferably, it is in the range of 80 to 100% by mass.
本発明において使用される高分子固体電解質の製造方法としては、特に制限はないが、例えば、イオン液体および高分子を加熱下に混練後、所望の形状(例えば膜状等)に成形する方法;イオン液体および高分子を溶媒または分散媒に溶解または分散させた後にキャストし、所望によりさらに当該溶媒または分散媒を除去する方法;高分子を含む成形体を予め製造し、これにイオン液体を含浸させる方法などにより製造することができる。 The method for producing the solid polymer electrolyte used in the present invention is not particularly limited. For example, a method of kneading an ionic liquid and a polymer under heating and then forming the polymer into a desired shape (for example, a film shape); A method in which an ionic liquid and a polymer are dissolved or dispersed in a solvent or dispersion medium and then cast, and if necessary, the solvent or dispersion medium is further removed; a molded body containing the polymer is produced in advance and impregnated with the ionic liquid. It can manufacture by the method of making it.
本発明において使用されるバリア層は、カチオンあるいはアニオンのうち、どちらか一方を他方に対して優先的に透過させるバリア層である。当該バリア層は、一方のイオンのみを透過し、他方のイオンを全く透過させないものだけではなく、例えば、カチオンの透過性がアニオンの透過性に比べて大きいバリア層であってもよく、またはアニオンの透過性がカチオンの透過性に比べて大きいバリア層であってもよい。 The barrier layer used in the present invention is a barrier layer that preferentially transmits one of a cation and an anion with respect to the other. The barrier layer is not limited to transmitting only one ion and does not transmit the other ion at all. For example, the barrier layer may be a barrier layer having a larger cation permeability than anion permeability, or an anion. The barrier layer may have a greater permeability than the cation permeability.
バリア層は、高分子固体電解質と、一対の電極のうちの少なくとも一方との間に配設される。ここで、高分子固体電解質とバリア層および電極とバリア層のそれぞれにおいて、各部材が互いに接するように配設されることが好ましい。また、より効率的に、あるいは電極電位の切換えにより双方向に効率よく駆動することができることから、高分子固体電解質と両方の電極との間にそれぞれバリア層が配設されることが好ましい。この場合、配設される2つのバリア層は、両方ともがアニオンに対してカチオンを優先的に透過させるものであるか、または、両方ともがカチオンに対してアニオンを優先的に透過させるものであることが好ましく、このような高分子トランスデューサの具体的な構成としては、例えば、電極/アニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層/高分子固体電解質/アニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層/電極の構成、または、電極/カチオンに対してアニオンを優先的に透過させるバリア層/高分子固体電解質/カチオンに対してアニオンを優先的に透過させるバリア層/電極の構成などが挙げられる。 The barrier layer is disposed between the solid polymer electrolyte and at least one of the pair of electrodes. Here, in each of the polymer solid electrolyte and the barrier layer, and the electrode and the barrier layer, it is preferable that the members are disposed so as to be in contact with each other. In addition, since it can be driven more efficiently or efficiently in both directions by switching the electrode potential, it is preferable that a barrier layer is provided between the polymer solid electrolyte and both electrodes. In this case, the two barrier layers to be arranged are both those that preferentially permeate cations with respect to anions, or both that preferentially permeate anions with respect to cations. As a specific configuration of such a polymer transducer, for example, a barrier layer that preferentially permeates cations with respect to an electrode / anion / a polymer solid electrolyte / priority with respect to anions. Of barrier layer / electrode to be permeated through, or barrier layer / electrode to preferentially permeate anion with respect to electrode / cation / barrier layer / electrode to preferentially permeate anion with respect to polymer solid electrolyte / cation Etc.
上記したアニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層を構成する素材としては、カチオン交換樹脂を使用することができ、具体的には、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の酸基が共有結合により高分子の分子鎖中に結合されている高分子材料などが挙げられる。より具体的には、ビニルスルホン酸、イソプロペニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、α−メチルスチレンスルホン酸、アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等のオレフィン性重合性基を有するスルホン酸誘導体の重合物;アクリル酸、メタクリル酸、ビニル安息香酸、イソプロペニル安息香酸等のオレフィン性重合性基を有するカルボン酸誘導体の重合物;ビニルホスホン酸、イソプロペニルホスホン酸、スチレンホスホン酸、ホスホン酸オキシエチルメタクリレート、ホスホン酸ポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート、ホスホン酸ポリオキシプロピレングリコールモノメタクリレート、3−クロロ−2−ホスホン酸プロピル−1−メタクリレート等のリン酸誘導体の重合物などが挙げられる。これらの重合物は単独重合体であってもよいし、上記したモノマー同士の共重合体、あるいは他の周知のオレフィン性モノマーとの共重合体であってもよい。 A cation exchange resin can be used as a material constituting the barrier layer that preferentially permeates cations with respect to the above anions, and specifically, an acid such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, or a phosphoric acid group. Examples thereof include a polymer material in which a group is covalently bonded to a polymer molecular chain. More specifically, a polymer of a sulfonic acid derivative having an olefinically polymerizable group such as vinyl sulfonic acid, isopropenyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, α-methyl styrene sulfonic acid, acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid; Polymers of carboxylic acid derivatives having olefinic polymerizable groups such as acrylic acid, methacrylic acid, vinyl benzoic acid, isopropenyl benzoic acid; vinyl phosphonic acid, isopropenyl phosphonic acid, styrene phosphonic acid, oxyethyl methacrylate phosphonate, Examples thereof include polymers of phosphoric acid derivatives such as acid polyoxyethylene glycol monomethacrylate, phosphonic acid polyoxypropylene glycol monomethacrylate, and 3-chloro-2-phosphonic acid propyl-1-methacrylate. These polymers may be homopolymers, copolymers of the above-described monomers, or copolymers with other well-known olefinic monomers.
またカチオン交換樹脂の他の例としては、エンジニアリングプラスチックにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の酸基を導入した樹脂が挙げられる。当該エンジニアリングプラスチックの例としては、例えば、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリアミン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレン(ポリ−p−フェニレン等)、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンズイミダゾールなどを挙げることができる。エンジニアリングプラスチックが芳香族成分を含んでいる場合には、公知の方法により容易にスルホン酸基等の酸基を導入することができるので好ましい。
またこれら以外にも、「ナフィオン」(デュポン社製)、「フレミオン」(旭硝子株式会社製)、「アシプレックス」(旭化成ケミカルズ株式会社製)など、スルホン酸基を側鎖に有するフッ素系ポリマーを用いることもできる。
Another example of the cation exchange resin is a resin in which an acid group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, or a phosphoric acid group is introduced into an engineering plastic. Examples of the engineering plastic include, for example, polyether, polysulfide, polyamine, polyester, polyamide, polycarbonate, polyphenylene (poly-p-phenylene, etc.), polyketone, polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyamideimide, and polyimide. And polybenzimidazole. When the engineering plastic contains an aromatic component, an acid group such as a sulfonic acid group can be easily introduced by a known method, which is preferable.
In addition to these, fluoropolymers having sulfonic acid groups in the side chain such as “Nafion” (DuPont), “Flemion” (Asahi Glass Co., Ltd.), “Aciplex” (Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd.), etc. It can also be used.
上述したカチオン交換樹脂は、その酸基の一部または全部が中和されていてもよい。中和された形態としては種々考えられるが、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム等のアルカリ金属塩;マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属塩などの金属塩の形態や、アンモニウム塩、ピロリジニウム塩、ピリジニウム塩、イミダゾリウム塩などの含窒素オニウム塩の形態、さらにはホスホニウム塩、スルホニウム塩などの有機オニウム塩の形態のものなどを挙げることができる。 The cation exchange resin described above may have some or all of its acid groups neutralized. Various neutralized forms are possible, for example, alkali metal salts such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, and francium; metal salts such as alkaline earth metal salts such as magnesium, calcium, strontium, and barium. Examples include forms, forms of nitrogen-containing onium salts such as ammonium salts, pyrrolidinium salts, pyridinium salts, and imidazolium salts, and forms of organic onium salts such as phosphonium salts and sulfonium salts.
一方、上記したカチオンに対してアニオンを優先的に透過させるバリア層を構成する素材としては、アニオン交換樹脂を使用することができ、具体的には、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基等のオニウム塩形成性基を有するポリマー、例えば、ビニルアミン、アリルアミン、4−ビニルベンジルアミン、2−アミノエチル(メタ)アクリレート、3−アミノプロピル(メタ)アクリレート、2−ビニルピリジン、4−ビニルピリジン、ビニルイミダゾール、アリルイミダゾール、1−(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)イミダゾール、1−(3−(メタ)アクリロイルオキシプロピル)イミダゾール、1−(4−(メタ)アクリロイルオキシブチル)イミダゾール、1−(6−(メタ)アクリロイルオキシヘキシル)イミダゾール等のモノマー成分を重合して得られるポリマーをオニウム塩化して得られる重合体などが挙げられる。当該重合体は上記したモノマー成分の単独重合体に由来するものであってもよいし、2種類以上のモノマー成分の共重合体に由来するものであってもよい。また周知のオレフィン性モノマーとの共重合体に由来するものであってもよい。 On the other hand, an anion exchange resin can be used as a material constituting the barrier layer that preferentially permeates the anion with respect to the above cation, and specifically, an onium such as an amino group, a pyridyl group, and an imidazole group. Polymers having salt-forming groups such as vinylamine, allylamine, 4-vinylbenzylamine, 2-aminoethyl (meth) acrylate, 3-aminopropyl (meth) acrylate, 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, vinylimidazole , Allylimidazole, 1- (2- (meth) acryloyloxyethyl) imidazole, 1- (3- (meth) acryloyloxypropyl) imidazole, 1- (4- (meth) acryloyloxybutyl) imidazole, 1- (6 -(Meth) acryloyloxyhexyl) imidazo The polymer obtained by polymerizing a monomer component such as Le, and the like onium obtained by chloride polymer. The polymer may be derived from a homopolymer of the monomer component described above, or may be derived from a copolymer of two or more types of monomer components. Further, it may be derived from a copolymer with a known olefinic monomer.
本発明の高分子トランスデューサには、酸化防止剤、UV吸収剤、滑剤、分散剤、界面活性剤、増量剤、補強材、可塑剤等の他の成分を添加してもよい。これらの他の成分は、上記電極に添加されていてもよいし、上記高分子固体電解質に添加されていてもよいし、上記バリア層に添加されていてもよい。これらの他の成分の添加量は、高分子トランスデューサを構成する各電極、高分子固体電解質またはバリア層100質量部に対して40質量部以下であることが好ましく、30質量部以下であることがより好ましく、20質量部以下であることがさらに好ましい。 The polymer transducer of the present invention may contain other components such as an antioxidant, a UV absorber, a lubricant, a dispersant, a surfactant, a filler, a reinforcing material, and a plasticizer. These other components may be added to the electrode, may be added to the polymer solid electrolyte, or may be added to the barrier layer. The addition amount of these other components is preferably 40 parts by mass or less, and preferably 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of each electrode, polymer solid electrolyte, or barrier layer constituting the polymer transducer. More preferably, it is more preferably 20 parts by mass or less.
本発明の高分子トランスデューサの形状には特に制限は無いが、膜状、フィルム状、シート状、板状、繊維状、円柱状、柱状、球状など種々の形が可能である。このうち、膜状、フィルム状、シート状、板状の高分子トランスデューサを製造する場合には、例えば、膜状に成形した高分子固体電解質上に、別途、膜状に成形したバリア層を貼り合わせ、さらにその上にシート状の電極を貼り合わせる方法;膜状に成形した高分子固体電解質上にバリア層を構成する成分を含む溶液または分散液を塗工し、さらに電極を構成する成分を含む溶液または分散液を塗工する方法;電極を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストし、次いでバリア層を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストし、次いでイオン液体および高分子を含む溶液または分散液をキャストし、次いでバリア層を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストし、さらに電極を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストする方法などを挙げることができる。繊維状、円柱状、柱状、球状などの場合においても、同様の方法を採用することができる。 The shape of the polymer transducer of the present invention is not particularly limited, but various shapes such as a film shape, a film shape, a sheet shape, a plate shape, a fiber shape, a columnar shape, a columnar shape, and a spherical shape are possible. Among these, when manufacturing a membrane-like, film-like, sheet-like, or plate-like polymer transducer, for example, a barrier layer that is formed into a film is pasted on a polymer solid electrolyte that is formed into a film. And a method of bonding a sheet-like electrode thereon; coating a solution or dispersion containing a component constituting a barrier layer on a polymer solid electrolyte formed into a film; and further comprising a component constituting an electrode A method of applying a solution or dispersion containing a solution; casting a solution or dispersion containing a component constituting an electrode; then casting a solution or dispersion containing a component constituting a barrier layer; and then applying an ionic liquid and a polymer The solution or dispersion liquid containing the component constituting the barrier layer is cast, and then the solution or dispersion liquid containing the component constituting the electrode is further cast. It can be mentioned, such as how to strike. The same method can be adopted in the case of a fiber shape, a columnar shape, a columnar shape, a spherical shape, and the like.
上記した膜状、フィルム状、シート状または板状の高分子トランスデューサにおいて、それを構成する電極層、高分子固体電解質層およびバリア層の各厚さは特に制限されず、高分子トランスデューサの用途等により適宜調整することができるが、電極層の厚さは1μm〜10mmの範囲内であることが好ましく、5μm〜1mmの範囲内であることがより好ましく、10〜500μmの範囲内であることがさらに好ましい。また、高分子固体電解質層の厚さは1μm〜10mmの範囲内であることが好ましく、5μm〜1mmの範囲内であることがより好ましく、10〜500μmの範囲内であることがさらに好ましい。さらに、バリア層の厚さは1nm〜500μmの範囲内であることが好ましく、10nm〜300μmの範囲内であることがより好ましく、100nm〜100μmの範囲内であることがさらに好ましい。電極層、高分子固体電解質層およびバリア層の各厚さが上記の範囲内にある高分子トランスデューサは本発明の効果をより顕著に奏する。 In the film-like, film-like, sheet-like or plate-like polymer transducer described above, the thicknesses of the electrode layer, polymer solid electrolyte layer and barrier layer constituting it are not particularly limited, and the use of the polymer transducer, etc. The thickness of the electrode layer is preferably in the range of 1 μm to 10 mm, more preferably in the range of 5 μm to 1 mm, and in the range of 10 to 500 μm. Further preferred. The thickness of the solid polymer electrolyte layer is preferably in the range of 1 μm to 10 mm, more preferably in the range of 5 μm to 1 mm, and still more preferably in the range of 10 to 500 μm. Furthermore, the thickness of the barrier layer is preferably in the range of 1 nm to 500 μm, more preferably in the range of 10 nm to 300 μm, and still more preferably in the range of 100 nm to 100 μm. A polymer transducer in which the thicknesses of the electrode layer, the polymer solid electrolyte layer, and the barrier layer are within the above-described ranges exhibit the effects of the present invention more remarkably.
本発明の高分子トランスデューサには、その長手方向の抵抗を低減することを目的として集電体を設けてもよい。集電体としては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル等の金属箔や金属薄膜;金、銀、ニッケル等の金属粉またはカーボンパウダー、カーボンナノチューブ、炭素繊維等の炭素微粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体;織物、紙、不織布等の布帛や高分子フィルムなどにスパッタやメッキなどの方法により金属薄膜を形成したものなどを挙げることができる。これらのうちでも可撓性の観点からは金属粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体、布帛や高分子フィルムなどに金属薄膜を形成したものであることが好ましい。集電体は本発明の高分子トランスデューサが有する一対の電極のうちの少なくとも一方の電極の外側(高分子固体電解質が配設される側に対して反対の側)に配設することができる。 The polymer transducer of the present invention may be provided with a current collector for the purpose of reducing the resistance in the longitudinal direction. Examples of current collectors include metal foils and metal thin films such as gold, silver, copper, platinum, aluminum, and nickel; metal powders such as gold, silver, and nickel; or carbon fine powders such as carbon powder, carbon nanotubes, and carbon fibers. Examples include a film-like molded body composed of a binder resin; a metal thin film formed by a method such as sputtering or plating on a fabric such as woven fabric, paper, or nonwoven fabric, or a polymer film. Among these, from the viewpoint of flexibility, it is preferable that a metal thin film is formed on a film-like molded body, a fabric, a polymer film, or the like made of a metal powder and a binder resin. The current collector can be disposed outside at least one of the pair of electrodes of the polymer transducer of the present invention (on the side opposite to the side on which the polymer solid electrolyte is disposed).
本発明の高分子トランスデューサは、空気中、水中、真空中、有機溶媒中で動作することができる。また使用環境に応じて、適宜封止を施してもよい。封止材料の例としては、特に制限はなく、各種樹脂などを挙げることができる。 The polymer transducer of the present invention can operate in air, water, vacuum, and organic solvents. Moreover, you may seal suitably according to a use environment. There is no restriction | limiting in particular as an example of sealing material, Various resin etc. can be mentioned.
本発明の高分子トランスデューサを高分子アクチュエータ(高分子アクチュエータ素子)として使用する場合は、相互に絶縁した電極間に電位差を与えることにより駆動させることができ、電気エネルギーを力、変動、変位等の機械的エネルギーに変換することができる。一方で、本発明の高分子トランスデューサに外部より変位、圧力等の機械的エネルギーを加えると、相互に絶縁した電極間に電気エネルギーとして電位差(電圧)を発生させることができることから、変動、変位、圧力等を検知する変形センサ(変形センサ素子)として使用することもできる。 When the polymer transducer of the present invention is used as a polymer actuator (polymer actuator element), it can be driven by applying a potential difference between mutually insulated electrodes, and electric energy can be applied to force, fluctuation, displacement, etc. Can be converted to mechanical energy. On the other hand, when mechanical energy such as displacement and pressure is applied to the polymer transducer of the present invention from the outside, a potential difference (voltage) can be generated as electrical energy between the mutually insulated electrodes. It can also be used as a deformation sensor (deformation sensor element) for detecting pressure or the like.
以下、本発明について、実施例を基に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated based on an Example, this invention is not limited at all by these Examples.
使用した材料について以下に示す。
(1)スチレン:
キシダ化学株式会社より購入した特級スチレンをアルミナに接触させて重合禁止剤を除去し、使用前に十分に窒素でバブリングを行って溶存酸素を除去してから用いた。
(2)メチルメタクリレート:
株式会社クラレ製のメチルメタクリレートをゼオラムに接触させて重合禁止剤を除去し、使用前に十分に窒素でバブリングを行って溶存酸素を除去してから用いた。
(3)テトラヒドロフラン:
キシダ化学株式会社より購入した特級テトラヒドロフランをナトリウム−ベンゾフェノンケチル存在下に蒸留することにより精製したものを用いた。
(4)1,1−ジフェニルエチレン:
アルドリッチ社より購入した1,1−ジフェニルエチレンを水素化カルシウム存在下に減圧蒸留することにより精製したものを用いた。
(5)塩化リチウム:
アルドリッチ社より購入した塩化リチウム(99.998%)をそのまま用いた。
(6)α,α’−ジブロモ−p−キシレン:
アルドリッチ社より購入したα,α’−ジブロモ−p−キシレンをテトラヒドロフランで希釈し、0.095M溶液として用いた。
(7)ポリ(フッ化ビニリデン−ran−ヘキサフルオロプロピレン)[PVDF/HFP]:
アルケマ社製「カイナー#2801」をそのまま用いた。
(8)エチル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[EMITFSI]:
日本合成化学工業株式会社より購入し、そのまま用いた。
(9)カチオン交換樹脂:
アルドリッチ社より購入したポリ(4−スチレンスルホン酸)アンモニウム塩水溶液をそのまま用いた。
(10)アニオン交換樹脂:
アルドリッチ社より購入したポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロライド)水溶液(重量平均分子量:100,000−200,000)をそのまま用いた。
(11)活性炭:
クラレケミカル株式会社製「YP−50F」をそのまま用いた。
(12)アセチレンブラック:
電気化学工業株式会社製「デンカブラック」をそのまま用いた。
その他の材料については、目的に応じて精製を行い使用した。
The materials used are shown below.
(1) Styrene :
A special grade styrene purchased from Kishida Chemical Co., Ltd. was contacted with alumina to remove the polymerization inhibitor, and then used after thoroughly bubbling with nitrogen to remove dissolved oxygen.
(2) Methyl methacrylate :
The polymerization inhibitor was removed by contacting methyl methacrylate manufactured by Kuraray Co., Ltd. with Zeolam, and dissolved oxygen was removed by sufficient bubbling with nitrogen before use.
(3) Tetrahydrofuran :
A product obtained by purifying a special grade tetrahydrofuran purchased from Kishida Chemical Co., Ltd. by distillation in the presence of sodium-benzophenone ketyl was used.
(4) 1,1-diphenylethylene :
The 1,1-diphenylethylene purchased from Aldrich was purified by distillation under reduced pressure in the presence of calcium hydride.
(5) Lithium chloride :
Lithium chloride (99.998%) purchased from Aldrich was used as it was.
(6) α, α′-Dibromo-p-xylene :
Α, α′-Dibromo-p-xylene purchased from Aldrich was diluted with tetrahydrofuran and used as a 0.095M solution.
(7) Poly (vinylidene fluoride-ran-hexafluoropropylene) [PVDF / HFP] :
“Kayner # 2801” manufactured by Arkema was used as it was.
(8) Ethylmethylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide [EMITFSI] :
Purchased from Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd. and used as it was.
(9) Cation exchange resin :
An aqueous solution of poly (4-styrenesulfonic acid) ammonium salt purchased from Aldrich was used as it was.
(10) Anion exchange resin :
A poly (diallyldimethylammonium chloride) aqueous solution (weight average molecular weight: 100,000-200,000) purchased from Aldrich was used as it was.
(11) Activated carbon :
“YP-50F” manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd. was used as it was.
(12) Acetylene black :
“Denka Black” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. was used as it was.
Other materials were used after purification according to the purpose.
また、以下の実施例および比較例で採用した各評価方法を以下に示す。
高分子トランスデューサの高分子アクチュエータとしての性能試験
図1に示すとおり、15mm×5mmの大きさに切り出した高分子トランスデューサ膜10について、長さ方向に10mmを金製端子11および12で挟み、高分子アクチュエータとして動作する長さ5mmを空気中に出して測定セルとした。金製端子11と12に、ポテンショスタット13(北斗電工株式会社製「HAB−151」)の電位制御端子、および電流制御端子を接続した。金製端子11は作用電極、金製端子12は対向電極でありかつ参照電極である。高分子トランスデューサ10の金製端子11側の面の空気中に出た部分の先端から1mmの位置Pにレーザー変位計14(株式会社キーエンス製「LC−2440」)のターゲットを定めた。この状態で測定セルを固定し、ポテンショスタット13から金製端子11に対して、金製端子12を基準として+1Vの電圧(電位差)を印加して、30秒後にレーザー変位計14で変位量を計測し、当該変位量を高分子トランスデューサの高分子アクチュエータとしての性能を示す指標とした。なお、レーザー変位計14を設置した側への変位量を+(プラス)、レーザー変位計14を設置した側と反対側への変位量を−(マイナス)、初期状態を変位0と定義した。
Moreover, each evaluation method employ | adopted by the following example and the comparative example is shown below.
Performance Test of Polymer Transducer as Polymer Actuator As shown in FIG. 1, a
高分子トランスデューサの変形センサとしての性能試験
(1)30mm×20mmの大きさの絶縁フィルム(熱可塑性エラストマー製、厚み約150μm)2枚のそれぞれの片面中央部に銀ペースト(日本黒鉛工業株式会社製「バニーハイトM−15A」)をスクリーン印刷で塗工することで20mm×10mmの大きさの集電体層を形成させた。
(2)図2に示すように、20mm×10mmの大きさにカットした高分子トランスデューサ膜20の両面に、それぞれ集電体層が合致するように2枚の絶縁フィルム21と22を重ね合わせ、130℃で5分間熱プレスを行って貼り合わせて測定サンプル23とした。この際、絶縁フィルム21の集電体層(図示せず)と高分子トランスデューサ膜20の間にリード線24を、および絶縁フィルム22の集電体層(図示せず)と高分子トランスデューサ膜20の間にリード線25をそれぞれ挟み込んだ。
(3)測定サンプル23を、高分子トランスデューサ膜の長さ20mmの半分の10mmが残るように固定治具26および27で挟み、リード線24および25をデータロガー28(株式会社キーエンス製「NR−ST04」)に接続した。また、与えられた変位量を測定するため、測定サンプル23の絶縁フィルム21側にレーザー変位計29(株式会社キーエンス製「LK−G155」)を設置するとともに、測定サンプル23の絶縁フィルム21側の外面の固定端から5mmの位置Pにレーザー変位計29のターゲットを定めた。この状態でレーザー変位計29側に+2mmの変位を与えたときに発生したピーク電圧をデータロガー28で測定した。上記ピーク電圧(リード線25側を基準としたリード線24側の電位)を変位量で除した値(センサ性能、単位:μV/mm)を高分子トランスデューサの変形センサとしての性能を示す指標とした。
Performance test of polymer transducer as deformation sensor (1) Silver paste (manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) at the center of each side of two insulating films (made of thermoplastic elastomer, thickness of about 150 μm) of 30 mm x 20 mm “Bunny Height M-15A”) was applied by screen printing to form a current collector layer having a size of 20 mm × 10 mm.
(2) As shown in FIG. 2, the two insulating
(3) The
[製造例1]
ポリスチレン−b−ポリメチルメタクリレート−b−ポリスチレンの製造
(1)内部の水分を完全に除去した1L容ナスフラスコに磁気攪拌子を入れて、三方コックを取り付けた。アルゴン雰囲気のグローブボックス内でこのナスフラスコ内に塩化リチウム370mg(8.73mmol)を仕込んだ。ナスフラスコをグローブボックスから取り出し、ナスフラスコ内にテトラヒドロフラン560mLを仕込んだ。このナスフラスコをドライアイス/メタノールバスに浸け、−78℃に冷却したのち、sec−ブチルリチウム溶液2mL(sec−ブチルリチウムとして2.6mmol)を滴下した。この溶液にスチレン33.9mL(297mmol)をゆっくりと滴下し、−78℃で1時間重合を行った。
(2)ここに1,1−ジフェニルエチレン1.54mL(8.72mmol)を滴下した。シリンジにより極少量の重合液を抜き出しGPC測定を実施したところ、Mn=18,800、Mw/Mn=1.15であった。計算により求めた開始剤効率は63.3モル%であった。
(3)上記ナスフラスコの重合液を−78℃を保持しながら、ここにメチルメタクリレート26.9mL(252mmol)をゆっくりと加えた。メチルメタクリレートの添加により、系内は濃赤色から薄い黄色へと変化した。そのまま重合を1時間継続した。シリンジにより極少量の重合液を抜き出しGPC測定を実施したところ、Mn=31,200、Mw/Mn=1.08であり、ポリスチレン−b−ポリメチルメタクリレートが生成したことを確認した。
[Production Example 1]
Production of Polystyrene-b-Polymethylmethacrylate-b-Polystyrene (1) A magnetic stirring bar was placed in a 1 L eggplant-shaped flask from which the water inside was completely removed, and a three-way cock was attached. In an eggplant flask in an argon atmosphere, 370 mg (8.73 mmol) of lithium chloride was charged. The eggplant flask was taken out from the glove box, and 560 mL of tetrahydrofuran was charged into the eggplant flask. The eggplant flask was immersed in a dry ice / methanol bath and cooled to −78 ° C., and then 2 mL of a sec-butyllithium solution (2.6 mmol as sec-butyllithium) was added dropwise. To this solution, 33.9 mL (297 mmol) of styrene was slowly added dropwise, and polymerization was performed at −78 ° C. for 1 hour.
(2) 1,1-Diphenylethylene 1.54 mL (8.72 mmol) was added dropwise thereto. When a very small amount of the polymerization solution was extracted with a syringe and GPC measurement was performed, Mn = 18,800 and Mw / Mn = 1.15. The initiator efficiency determined by calculation was 63.3 mol%.
(3) 26.9 mL (252 mmol) of methyl methacrylate was slowly added thereto while maintaining the polymerization solution in the eggplant flask at -78 ° C. By adding methyl methacrylate, the inside of the system changed from dark red to light yellow. The polymerization was continued for 1 hour. When a very small amount of the polymerization solution was extracted by a syringe and GPC measurement was performed, Mn = 31,200 and Mw / Mn = 1.08, and it was confirmed that polystyrene-b-polymethyl methacrylate was produced.
(4)上記ナスフラスコ内の重合液を−78℃で保持したまま、α,α’−ジブロモ−p−キシレンのテトラヒドロフラン溶液8.66mL(α,α’−ジブロモ−p−キシレンとして0.823mmol)を滴下し、−78℃のまま2日間攪拌を継続した。ここに少量のメタノールを添加して反応を停止した。一部をサンプリングしGPC測定を行ったところ、主ピークのMn=56,400、Mw/Mn=1.07であり、GPC曲線面積比から求めたトリブロック化率は88%(すなわち、12%はポリスチレン−b−ポリメチルメタクリレートのジブロック体)であった。
(5)得られた重合液を大過剰のn−ヘキサンに添加してポリマーを再沈澱させることにより、残留した1,1−ジフェニルエチレンを除去し、ポリマーをろ過により回収した。得られた白色粉体状のポリマーをトルエンに再溶解させ、この溶液を水洗し残留したリチウム塩を除去し、大過剰のメタノールを用いて再沈澱させ、ポリマーをろ過により回収した。ポリマーは50℃で24時間真空乾燥し、残留した溶媒、水を除去して用いた。
(6)以上のようにして得られたポリマーを1H−NMRにて測定したところ、ポリマー中のポリスチレンブロックの含有量は58質量%、ポリメチルメタクリレートブロックの含有量は42質量%であった。
(4) While maintaining the polymerization solution in the eggplant flask at -78 ° C, 8.66 mL of α, α'-dibromo-p-xylene tetrahydrofuran solution (0.823 mmol as α, α'-dibromo-p-xylene) ) Was added dropwise and stirring was continued for 2 days at -78 ° C. A small amount of methanol was added thereto to stop the reaction. When a part was sampled and GPC measurement was performed, the main peak was Mn = 56,400 and Mw / Mn = 1.07, and the triblock ratio determined from the GPC curve area ratio was 88% (that is, 12% Was a diblock form of polystyrene-b-polymethylmethacrylate).
(5) The obtained polymerization solution was added to a large excess of n-hexane to reprecipitate the polymer, thereby removing residual 1,1-diphenylethylene and collecting the polymer by filtration. The obtained white powdery polymer was redissolved in toluene, this solution was washed with water to remove the remaining lithium salt, reprecipitated with a large excess of methanol, and the polymer was recovered by filtration. The polymer was vacuum-dried at 50 ° C. for 24 hours to remove the remaining solvent and water.
(6) When the polymer obtained as described above was measured by 1 H-NMR, the content of polystyrene block in the polymer was 58% by mass, and the content of polymethyl methacrylate block was 42% by mass. .
[製造例2]
電極膜の作製
(1)乳鉢に活性炭0.1g、アセチレンブラック0.06g、PVDF/HFP0.04g、EMITFSI0.3gを取り、乳棒でよくすりつぶし、塊状の電極材料とした。
(2)得られた塊状の電極材料を、厚み100μmのスペーサと金型を用いて、130℃で熱プレスすることで電極膜を得た。
[Production Example 2]
Production of Electrode Film (1) 0.1 g of activated carbon, 0.06 g of acetylene black, 0.04 g of PVDF / HFP, and 0.3 g of EMITFSI were taken in a mortar and ground well with a pestle to obtain a massive electrode material.
(2) The obtained bulk electrode material was hot pressed at 130 ° C. using a spacer having a thickness of 100 μm and a mold to obtain an electrode film.
[製造例3]
高分子固体電解質膜の作製
(1)製造例1で得られたポリスチレン−b−ポリメチルメタクリレート−b−ポリスチレンを含むポリマー10gをテトラヒドロフラン50mLに完全に溶解させた。この溶液にEMITFSI8.4gを加え均一な溶液を得た。この溶液をPETフィルム上に広げ乾燥させた。得られた透明で柔軟な固体を50℃で一晩真空乾燥して高分子固体電解質を得た。
(2)得られた高分子固体電解質を、厚み100μmのスペーサと金型を用いて、200℃で熱プレス成形を行い高分子固体電解質膜を得た。
[Production Example 3]
Production of Polymer Solid Electrolyte Membrane (1) 10 g of the polymer containing polystyrene-b-polymethylmethacrylate-b-polystyrene obtained in Production Example 1 was completely dissolved in 50 mL of tetrahydrofuran. EMITFSI 8.4g was added to this solution, and the uniform solution was obtained. This solution was spread on a PET film and dried. The obtained transparent and flexible solid was vacuum-dried at 50 ° C. overnight to obtain a polymer solid electrolyte.
(2) The obtained solid polymer electrolyte was subjected to hot press molding at 200 ° C. using a spacer and a mold having a thickness of 100 μm to obtain a solid polymer electrolyte membrane.
[比較例1]
高分子トランスデューサ膜の作製
(1)製造例2で得られた電極膜2枚で、製造例3で得られた高分子固体電解質膜の両面を挟み込み、厚み300μmのスペーサと金型を用いて、150℃で熱プレスすることで、電極膜/高分子固体電解質膜/電極膜の構成で積層された高分子トランスデューサ膜を得た。
(2)この高分子トランスデューサ膜から、垂直カッター(株式会社西脇製作所製「PF−20」)を用い、膜の中央部から所定の大きさに切り出して試験用素子とした。なお、試験用素子の両側の電極間が絶縁されていることをテスターで確認した。得られた試験用素子を用いて上記した方法により高分子トランスデューサの高分子アクチュエータおよび変形センサとしての性能を評価した。結果を以下の表1に示した。
[Comparative Example 1]
Production of Polymer Transducer Membrane (1) With two electrode membranes obtained in Production Example 2, sandwiching both sides of the polymer solid electrolyte membrane obtained in Production Example 3, using a spacer and a mold having a thickness of 300 μm, The polymer transducer film laminated | stacked by the structure of an electrode film / polymer solid electrolyte membrane / electrode film was obtained by heat-pressing at 150 degreeC.
(2) From this polymer transducer membrane, a vertical cutter (“PF-20” manufactured by Nishiwaki Seisakusho Co., Ltd.) was used to cut out a predetermined size from the center of the membrane to obtain a test element. The tester confirmed that the electrodes on both sides of the test element were insulated. Using the obtained test element, the performance of the polymer transducer as a polymer actuator and deformation sensor was evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
[実施例1]
バリア層を有する高分子トランスデューサ膜の作製(I)
(1)製造例2で得られた電極膜の片面に、エアーブラシ(アネスト岩田株式会社製「HP−CH」)を用いてポリ(4−スチレンスルホン酸)アンモニウム塩水溶液を吹き付け、乾燥させた。この操作を10回繰返してアニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層を形成させた。
(2)一方、製造例3で得られた高分子固体電解質膜の両面に、エアーブラシ(アネスト岩田株式会社製「HP−CH」)を用いてポリ(4−スチレンスルホン酸)アンモニウム塩水溶液を吹き付けて乾燥させた。この操作を10回繰り返してアニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層を形成させた。
(3)(2)で得られた両面にバリア層を形成させた高分子固体電解質膜に、(1)で得られたバリア層を形成させた電極膜を、バリア層が高分子固体電解質側になるようにして電極膜/バリア層/高分子固体電解質膜/バリア層/電極膜となるように重ね合わせ、厚み300μmのスペーサと金型を用いて、150℃で熱プレスすることで電極膜と高分子固体電解質膜との間に、アニオンに対してカチオンを優先的に透過させるバリア層を有する高分子トランスデューサ膜を得た。
(4)この高分子トランスデューサ膜から、比較例1の(2)と同様にして、試験用素子を得た。得られた試験用素子を用いて上記した方法により高分子トランスデューサの高分子アクチュエータおよび変形センサとしての性能を評価した。結果を以下の表1に示した。
[Example 1]
Preparation of polymer transducer film having barrier layer (I)
(1) A poly (4-styrenesulfonic acid) ammonium salt aqueous solution was sprayed on one side of the electrode film obtained in Production Example 2 using an air brush (“HP-CH” manufactured by Anest Iwata Corporation) and dried. . This operation was repeated 10 times to form a barrier layer that preferentially permeates cations with respect to anions.
(2) On the other hand, on both surfaces of the polymer solid electrolyte membrane obtained in Production Example 3, an aqueous solution of poly (4-styrenesulfonic acid) ammonium salt using an air brush (“HP-CH” manufactured by Anest Iwata Co., Ltd.) Sprayed to dry. This operation was repeated 10 times to form a barrier layer that preferentially permeates cations with respect to anions.
(3) An electrode film in which the barrier layer obtained in (1) is formed on the polymer solid electrolyte film in which the barrier layer is formed on both surfaces obtained in (2) is provided on the polymer solid electrolyte side. Electrode film / barrier layer / polymer solid electrolyte membrane / barrier layer / electrode film, and heat-pressed at 150 ° C. using a 300 μm thick spacer and mold. A polymer transducer membrane having a barrier layer that preferentially permeates cations with respect to anions was obtained between the polymer electrolyte membrane and the polymer solid electrolyte membrane.
(4) A test element was obtained from this polymer transducer membrane in the same manner as (2) of Comparative Example 1. Using the obtained test element, the performance of the polymer transducer as a polymer actuator and deformation sensor was evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
[実施例2]
バリア層を有する高分子トランスデューサ膜の作製(II)
ポリ(4−スチレンスルホン酸)アンモニウム塩水溶液の代わりにポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロライド)水溶液を用いること以外は実施例1と同様の操作を行い、カチオンに対してアニオンを優先的に透過させるバリア層を有する高分子トランスデューサ膜から構成される試験用素子を得た。得られた試験用素子を用いて上記した方法により高分子トランスデューサの高分子アクチュエータおよび変形センサとしての性能を評価した。結果を以下の表1に示した。
[Example 2]
Fabrication of polymer transducer membrane with barrier layer (II)
Barrier layer that performs the same operation as in Example 1 except that an aqueous poly (diallyldimethylammonium chloride) solution is used instead of an aqueous solution of poly (4-styrenesulfonic acid) ammonium salt, and allows anions to preferentially permeate cations. A test element composed of a polymer transducer film having Using the obtained test element, the performance of the polymer transducer as a polymer actuator and deformation sensor was evaluated by the method described above. The results are shown in Table 1 below.
本発明によれば、低い電圧でも効率よく駆動することができる発生力、変位量、動作速度などの性能に優れた高分子アクチュエータとして、あるいは応答性がよくて検知性能に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れる変形センサとして使用することができる、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる高分子トランスデューサが提供される。当該高分子トランスデューサは小型アクチュエータや柔軟センサ、人工筋肉などの用途に好適に用いることができる。 According to the present invention, it can be driven efficiently even at a low voltage as a polymer actuator having excellent performance such as generated force, displacement, and operating speed, or it has excellent responsiveness, excellent detection performance, and flexibility. There is provided a polymer transducer that can be used as a deformation sensor that is rich in impact resistance and is lightweight and flexible and that can function stably even in the absence of water. The polymer transducer can be suitably used for applications such as small actuators, flexible sensors, and artificial muscles.
10、20 高分子トランスデューサ膜
11、12 金製端子
13 ポテンショスタット
14、29 レーザー変位計
21、22 絶縁フィルム
23 測定サンプル
24、25 リード線
26、27 固定治具
28 データロガー
10, 20
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