JP5332027B2 - Actuator element using carbon nanotube electrode with conductive additive - Google Patents

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Abstract

Disclosed is the creation of an actuator that operates stably with high generating power in a broader frequency band. Provided is an electrically conductive thin film configured from a polymer gel comprising an auxiliary conducting agent, carbon nanotubes, an ionic liquid and a polymer.

Description

本発明は、導電性薄膜を有する導電体及びアクチュエータ素子に関する。ここでアクチュエータ素子は、電気化学反応や電気二重層の充放電などの電気化学プロセスを駆動力とするアクチュエータ素子である。   The present invention relates to a conductor having a conductive thin film and an actuator element. Here, the actuator element is an actuator element whose driving force is an electrochemical process such as electrochemical reaction or charge / discharge of an electric double layer.

空中、あるいは真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを導電性の伸縮性のある活性層として用いるアクチュエータが提案されている(特許文献1)。   As an actuator element operable in the air or in vacuum, an actuator using a gel of carbon nanotube and ionic liquid as a conductive stretchable active layer has been proposed (Patent Document 1).

従来の素子の構造は、伸縮性のある活性層としてカーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを用い、イオン液体ゲルを電解質層として電極層でサンドイッチ構造にしたものである。アクチュエータの性能は主に、伸縮率、応答速度、発生力の3つのパラメータにより評価されるが、この3つのパラメータを同時に改善あるいは進歩させることは難しい。例えば、カーボンナノチューブとイオン液体ゲルからなるアクチュエータ素子は膜の導電性が良いものほどアクチュエータ応答が良いと考えられるが、導電性を上げるためカーボンナノチューブを高濃度に添加すると膜自身が固くなり、変形応答が悪くなる。一方、イオン液体の濃度を上げることにより、イオン導電性を向上させることが出来るが、入れすぎると素子自体が柔らかくなり、発生力が減少してしまう。このように、3つのパラメータのうち、どれかを改善しようとすると、残りのパラメータの一つもしくは二つのパラメータが犠牲になってしまうことが多い。   The structure of the conventional element uses a gel of carbon nanotubes and an ionic liquid as a stretchable active layer, and has a sandwich structure of electrode layers with the ionic liquid gel as an electrolyte layer. The performance of the actuator is mainly evaluated by three parameters of expansion / contraction rate, response speed, and generated force, but it is difficult to improve or improve these three parameters simultaneously. For example, an actuator element consisting of carbon nanotubes and ionic liquid gel is considered to have a better actuator response as the film has better conductivity. However, if carbon nanotubes are added at a high concentration in order to increase conductivity, the film itself becomes hard and deforms. Response is poor. On the other hand, by increasing the concentration of the ionic liquid, the ionic conductivity can be improved. However, if the ionic liquid is added too much, the element itself becomes soft and the generated force decreases. As described above, when one of the three parameters is improved, one or two of the remaining parameters are often sacrificed.

特開2005−176428JP-A-2005-176428 WO2007/078005WO2007 / 078005 WO2006/011655WO2006 / 011655

Don N. Futaba, Kenji Hata, Takeo Yamada, Tatsuki Hiraoka, Yuhei Yamamizu, Yozo Kakudate, Osamu Tanaike, Hiroaki Hatori, Motoo Yumura and Sumio Iijima, Nature Materials, Vol.5, 987 (2006).Don N. Futaba, Kenji Hata, Takeo Yamada, Tatsuki Hiraoka, Yuhei Yamamizu, Yozo Kakudate, Osamu Tanaike, Hiroaki Hatori, Motoo Yumura and Sumio Iijima, Nature Materials, Vol. 5, 987 (2006). Kenji Hata et al, Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes, SCIENCE, 2004.11.19, vol.306, p.1362-1364Kenji Hata et al, Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes, SCIENCE, 2004.11.19, vol.306, p.1362-1364

本発明は、アクチュエータ素子の更なる高機能化を目指して、高発生力、より広い周波数帯域で安定に作動するアクチュエータの創出を目的とする。   An object of the present invention is to create an actuator that operates stably in a higher frequency and a wider frequency band with the aim of further increasing the functionality of the actuator element.

本発明者は上記課題に鑑み検討を重ねた結果、これまで開発してきたアクチュエータ素子に導電性を補助する添加物を添加することにより、伸縮性能および発生力ともに、大きく向上したアクチュエータ素子を作製することに成功した。また、添加物量を最適化することにより応答速度も大きく改善させることに成功した。   As a result of repeated investigations in view of the above problems, the present inventor produces an actuator element that is greatly improved in both expansion and contraction performance and generating force by adding an additive that assists conductivity to the actuator element that has been developed so far. Succeeded. Moreover, the response speed was also greatly improved by optimizing the amount of additive.

本発明は、以下の導電性薄膜、積層体およびアクチュエータ素子を提供するものである。   The present invention provides the following conductive thin film, laminate and actuator element.

1.導電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜。   1. A conductive thin film composed of a polymer gel containing a conductive assistant, carbon nanotube, ionic liquid and polymer.

2.導電補助剤が導電性高分子、炭素粒子、メソポーラス無機材料および金属酸化物からなる群から選択される少なくとも一種である、項1に記載の導電性薄膜。   2. Item 2. The conductive thin film according to Item 1, wherein the conductive auxiliary agent is at least one selected from the group consisting of a conductive polymer, carbon particles, a mesoporous inorganic material, and a metal oxide.

3.項1または2に記載の1又は2以上の導電性薄膜と、イオン液体およびポリマーから構成される1又は2以上の電解質膜を積層してなる積層体。   3. Item 1. A laminate comprising one or more conductive thin films according to item 1 or 2, and one or more electrolyte membranes composed of an ionic liquid and a polymer.

4.項3の積層体からなるアクチュエータ素子。   Four. An actuator element comprising the laminate according to Item 3.

5.イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、項1または2に記載の導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている項4に記載のアクチュエータ素子。   Five. On the surface of the electrolyte membrane composed of an ionic liquid and a polymer, at least two conductive thin film layers having the conductive thin film according to Item 1 or 2 as electrodes are formed in an insulated state, and a potential difference is generated between the conductive thin film layers. Item 5. The actuator element according to Item 4, which is configured to be deformable by providing

本発明によれば、導電補助剤を使用することで、伸縮率および発生力が大きく向上し、これにより高発生力応答が可能なアクチュエータ素子を提供することができる。さらに、添加する導電補助剤の量を最適化することにより、伸縮応答の速度を改善できる。   According to the present invention, by using the conductive auxiliary agent, the expansion / contraction rate and the generated force can be greatly improved, thereby providing an actuator element capable of a high generated force response. Furthermore, the speed of the stretching response can be improved by optimizing the amount of the conductive auxiliary agent to be added.

本発明の実施例でアクチュエータ素子変位評価法に用いたレーザ変位計による評価法を示す。The evaluation method by the laser displacement meter used for the actuator element displacement evaluation method in the Example of this invention is shown. 図2(A)は、本発明のアクチュエータ素子(3層構造)の一例の構成の概略を示す図であり、図2(B)は、本発明のアクチュエータ素子(5層構造)の一例の構成の概略を示す図である。FIG. 2A is a diagram showing an outline of an example of the configuration of the actuator element (three-layer structure) of the present invention, and FIG. 2B is a configuration of an example of the actuator element (5-layer structure) of the present invention. FIG. 本発明のアクチュエータ素子の作動原理を示す図である。It is a figure which shows the operating principle of the actuator element of this invention. 本発明のアクチュエータ素子の他の例の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the other example of the actuator element of this invention. ポリアニリンを含む実施例1のアクチュエータの伸縮率の周波数依存性 (矩形波)。±2.0V@200〜5mHz。Frequency dependence (rectangular wave) of the expansion / contraction ratio of the actuator of Example 1 containing polyaniline. ±2.0V@200-5mHz. ポリアニリンを含む実施例1のアクチュエータのV-I-D応答(±2.0V@0.1Hz)。伸縮率=0.72%;charge量=+65mC, −69mC。V-I-D response (±2.0V@0.1Hz) of the actuator of Example 1 containing polyaniline. Stretch rate = 0.72%; charge amount = + 65mC, -69mC. MCM41を含む実施例2のアクチュエータの伸縮率の周波数依存性 (矩形波)。±2.0V@200〜5mHz。Frequency dependence of the expansion / contraction rate of the actuator of Example 2 including MCM41 (rectangular wave). ±2.0V@200-5mHz. MCM-41を含む実施例2のアクチュエータのV-I-D応答(±2.0V@0.1Hz)。伸縮率=0.59%;charge量=+23mC, −22mC。V-I-D response (±2.0V@0.1Hz) of the actuator of Example 2 including MCM-41. Stretch rate = 0.59%; charge amount = + 23mC, -22mC. MCM-41を含む実施例3のアクチュエータの伸縮率の周波数依存性 (矩形波)。±2.0V@200〜5mHz。Frequency dependence of the expansion / contraction rate of the actuator of Example 3 including MCM-41 (rectangular wave). ±2.0V@200-5mHz. MCM-41を含む実施例3のアクチュエータのV-I-D応答(±2.0V@0.1Hz)。伸縮率=0.59%;charge量=+37mC, −36mC。V-ID response (±2.0V@0.1Hz) of the actuator of Example 3 including MCM-41. Stretch rate = 0.59%; charge amount = + 37mC, -36mC. 導電補助剤を用いない比較例1のアクチュエータの伸縮率の周波数依存性(矩形波)。±2.0V@200〜5mHz。The frequency dependence (rectangular wave) of the expansion-contraction rate of the actuator of the comparative example 1 which does not use a conductive support agent. ±2.0V@200-5mHz. 導電補助剤を用いない比較例1のアクチュエータのV-I-D応答(±2.0V@0.1Hz)。伸縮率=0.49%;charge量=+28mC, −28mC。V-ID response (±2.0V@0.1Hz) of the actuator of Comparative Example 1 that does not use a conductive auxiliary agent. Stretch rate = 0.49%; charge amount = + 28mC, -28mC. CNT,CBのみを用いた場合のV−I−D比較Comparison of VID when only CNT and CB are used CNT/CB混合系の伸縮率比較(周波数変化)Comparison of expansion / contraction ratio of CNT / CB mixed system (frequency change) CNT/CB混合系の伸縮率比較(周波数:0.005Hz)Comparison of expansion / contraction ratio of CNT / CB mixed system (frequency: 0.005 Hz) ポリアニリンを含む実施例1及び7〜10ならびにポリアニリンを含まない比較例1のアクチュエータの伸縮率の周波数依存性 (矩形波)。±2.0V@200〜5mHz。Frequency dependence (rectangular wave) of the expansion / contraction rate of the actuators of Examples 1 and 7 to 10 containing polyaniline and Comparative Example 1 not containing polyaniline. ±2.0V@200-5mHz. 酸化ルテニウムを含む実施例11及び酸化ルテニウムを含まない比較例3のアクチュエータの変位の電圧依存性 (矩形波)。±0.5〜3.0V@0.1Hz。Voltage dependence (rectangular wave) of the displacement of the actuator of Example 11 containing ruthenium oxide and Comparative Example 3 not containing ruthenium oxide. ±0.5~3.0V@0.1Hz.

本発明において、アクチュエータ素子の電極層に使用する導電性薄膜には、カーボンナノチューブ、ポリマー、イオン液体と導電補助剤が使用される。   In the present invention, carbon nanotubes, polymers, ionic liquids and conductive assistants are used for the conductive thin film used for the electrode layer of the actuator element.

本発明に用いられるイオン液体(ionic liquid)とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温(室温)を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば0℃、好ましくは−20℃、さらに好ましくは−40℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン導電性が高いものが好ましい。   The ionic liquid used in the present invention is also called a room temperature molten salt or simply a molten salt, and is a salt that exhibits a molten state in a wide temperature range including room temperature (room temperature). It is a salt that exhibits a molten state at ℃, preferably -20 ℃, more preferably -40 ℃. The ionic liquid used in the present invention preferably has a high ionic conductivity.

本発明においては、各種公知のイオン液体を使用することができるが、常温(室温)または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式(I)〜(IV)で表わされるカチオン(好ましくは、イミダゾリウムイオン、第4級アンモニウムイオン)と、アニオン(X)より成るものが挙げられる。In the present invention, various known ionic liquids can be used, but a stable one that exhibits a liquid state at normal temperature (room temperature) or a temperature close to normal temperature is preferable. A suitable ionic liquid used in the present invention comprises a cation (preferably an imidazolium ion or a quaternary ammonium ion) represented by the following general formulas (I) to (IV) and an anion (X ). Things.

Figure 0005332027
Figure 0005332027

上記の式(I)〜(IV)において、Rは直鎖又は分枝を有するC〜C12アルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が3〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基を示し、式(I)においてRは直鎖又は分枝を有するC〜Cアルキル基または水素原子を示す。式(I)において、RとRは同一ではないことが好ましい。式(III)および(IV)において、xはそれぞれ1〜4の整数である。In the above formulas (I) to (IV), R represents a linear or branched C 1 to C 12 alkyl group having a straight chain or a branched chain, or an ether bond and a total number of carbon and oxygen of 3 to 12. In formula (I), R 1 represents a linear or branched C 1 -C 4 alkyl group or a hydrogen atom. In the formula (I), R and R 1 are preferably not the same. In formulas (III) and (IV), x is an integer of 1 to 4, respectively.

直鎖又は分枝を有するC〜C12アルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどの基が挙げられる。炭素数は好ましくは1〜8,より好ましくは1〜6である。Examples of the linear or branched C 1 to C 12 alkyl group include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, and nonyl. , Decyl, undecyl, dodecyl and the like. Preferably carbon number is 1-8, More preferably, it is 1-6.

直鎖又は分枝を有するC〜Cアルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチルが挙げられる。The C 1 -C 4 alkyl group having a straight-chain or branched, methyl, ethyl, n- propyl, isopropyl, n- butyl, isobutyl, sec- butyl, t- butyl.

エーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が3〜12の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、CH2OCH3、(CH2)p(OCH2CH2)qOR2(ここで、pは1〜4の整数、qは1〜4の整数、R2はCH3又はC2H5を表す)が挙げられる。Examples of the alkyl group having an ether bond and having a straight chain or a branch having a total number of carbon and oxygen of 3 to 12 include CH 2 OCH 3 , (CH 2 ) p (OCH 2 CH 2 ) q OR 2 (where, p is an integer of 1 to 4, q is an integer from 1 to 4, R 2 represents CH 3 or C 2 H 5) can be mentioned.

アニオン(X)としては、テトラフルオロホウ酸イオン(BF4 -)、BF3CF3 -、BF3C2F5 -、BF3C3F7 -、BF3C4F9 -、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6 -)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド酸イオン((CF3SO2)2N-)、過塩素酸イオン(ClO4 -)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)炭素酸イオン(CF3SO2)3C-)、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3 -)、ジシアンアミドイオン((CN)2N-)、トリフルオロ酢酸イオン(CF3COO-)、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。As anions (X ), tetrafluoroborate ion (BF 4 ), BF 3 CF 3 , BF 3 C 2 F 5 , BF 3 C 3 F 7 , BF 3 C 4 F 9 , hexa Fluorophosphate ion (PF 6 ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imidate ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N ), perchlorate ion (ClO 4 ), tris (trifluoromethanesulfonyl) carbonic acid ion (CF 3 SO 2 ) 3 C ), trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 ), dicyanamide ion ((CN) 2 N ), trifluoroacetate ion (CF 3 COO ), organic carbon Examples include acid ions and halogen ions.

これらのうち、イオン液体としては、例えば、カチオンが1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、[N(CH3)(CH3)(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+等であり、アニオンがハロゲンイオン、テトラフルオロホウ酸イオン等のものが、具体的に挙げられる。なお、カチオン及び/又はアニオンを2種以上使用し、融点をさらに下げることも可能である。Among these, as the ionic liquid, for example, the cation is 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, [N (CH 3 ) (CH 3 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 4 OC 2 H 4 OCH 3 )] + and the like, and those having anions such as halogen ions and tetrafluoroborate ions are specifically mentioned. In addition, it is possible to use two or more kinds of cations and / or anions to further lower the melting point.

ただし、これらの組み合わせに限らず、イオン液体であって、導電率が0.1Sm-1以上のものであれば、使用可能である。However, the present invention is not limited to these combinations, and any ionic liquid that has a conductivity of 0.1 Sm −1 or more can be used.

本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ(SWNT)と多層ナノチューブ(MWNT)とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル(らせん)型、ジグザグ型、およびアームチェア型に分けられるなど、各種のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。   The carbon nanotube used in the present invention is a carbon-based material having a shape in which a graphene sheet is wound into a cylindrical shape, and is roughly classified into single-walled nanotubes (SWNT) and multi-walled nanotubes (MWNT) based on the number of peripheral walls. Also, various types are known, such as being divided into a chiral type, a zigzag type, and an armchair type due to the difference in the structure of the graphene sheet. Any type of carbon nanotube can be used in the present invention as long as it is referred to as such a so-called carbon nanotube.

実用に供されるカーボンナノチューブの好適な例として、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なHiPco(カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製)が挙げられるが、勿論、これに限定されるものではない。   A suitable example of carbon nanotubes for practical use is HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.), which can be relatively mass-produced using carbon monoxide as a raw material. Of course, it is limited to this. is not.

本発明に用いられるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体[PVDF(HFP)]などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、パーフルオロスルホン酸(Nafion,ナフィオン)、ポリ−2−ヒドロキシエチルメタクリレート(poly-HEMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのポリ(メタ)アクリレート類、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)などが挙げられる。   Examples of the polymer used in the present invention include a copolymer of a fluorinated olefin having a hydrogen atom and a perfluorinated olefin such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [PVDF (HFP)], and polyvinylidene fluoride (PVDF). Homopolymers of fluorinated olefins having hydrogen atoms such as perfluorosulfonic acid (Nafion), poly (meth) acrylates such as poly-2-hydroxyethyl methacrylate (poly-HEMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), and the like.

導電補助剤としては、例えば、導電性高分子、メソポーラス無機材料、金属酸化物、炭素粒子、金微粒子などが挙げられる。   Examples of the conductive auxiliary agent include conductive polymers, mesoporous inorganic materials, metal oxides, carbon particles, and gold fine particles.

導電補助剤の添加により電極の電子導電性の向上、および、CNTとポリマーが形成する高分子の網の目の充填化、さらに発生圧力の向上が期待できる。   The addition of the conductive auxiliary agent can be expected to improve the electronic conductivity of the electrode, to fill the polymer mesh formed by the CNT and the polymer, and to improve the generated pressure.

導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ(1,6−ヘプタジイン)、ポリビフェニレン(ポリパラフェニレン)、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリフェニルアセチレン、ポリ(2,5−チエニレン)、ポリインドール、ポリ−2,5−ジアミノアントラキノン、ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポリ(イソキノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン等を挙げることができる。これらの導電性ポリマー は、種々の置換基を有していてもよい。このような置換基の具体例として、例えば、直鎖又は分枝を有するC〜C12アルキル基、水酸基、直鎖又は分枝を有するC〜C12アルコキシ基、アミノ基、カルボキシル基、スルホン酸基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、直鎖又は分枝を有するC〜C12アルキルスルホン酸基、ジ(直鎖又は分枝を有するC〜Cアルキル)アミノ基等を挙げることができる。Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polyfluorene, polyphenylene, polyphenylene sulfide, poly (1,6-heptadiyne), polybiphenylene (polyparaphenylene), polyparaphenylene sulfide, and polyphenylacetylene. , Poly (2,5-thienylene), polyindole, poly-2,5-diaminoanthraquinone, poly (o-phenylenediamine), poly (quinolinium) salt, poly (isoquinolinium) salt, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline Etc. These conductive polymers may have various substituents. Specific examples of such substituents include, for example, C 1 -C 12 alkyl group having a straight-chain or branched, hydroxyl, C 1 -C 12 alkoxy group having a linear or branched, amino group, carboxyl group, a sulfonic acid group, a halogen group, a nitro group, a cyano group, C 1 -C 12 alkyl sulfonic acid having a straight-chain or branched, the amino group or the like (C 1 -C 4 alkyl having a straight chain or branched) di Can be mentioned.

導電性高分子を用いた場合、伸縮率が大きく向上するだけでなく、発生力も高いため、好ましい。特に、その効果は低周波数域で顕著であるが、添加量を調整すると1Hz程度の周波数でも、導電性高分子を用いない場合に比べ、伸縮率、発生力とも向上させることが可能である。   The use of a conductive polymer is preferable because not only the expansion / contraction ratio is greatly improved but also the generated force is high. In particular, the effect is remarkable in the low frequency range. However, when the addition amount is adjusted, both the expansion rate and the generation force can be improved even at a frequency of about 1 Hz as compared with the case where the conductive polymer is not used.

メソポーラス無機材料は、一次元細孔が規則的に配列した構造を有するメソポーラス無機材料である。「一次元細孔が規則的に配列した構造」とは、均一な孔径を有し、一次元細孔が規則的に配列された構造であれば特に限定されることはない。規則的に配列されたとは、細孔が一軸配向性を有して整列していることを意味する。均一な孔径とは、各細孔の孔径が一定の範囲内であることをいう。孔径の大きさは適宜設定し得るが、通常1〜30nm、好ましくは1.5〜15nmである。細孔の大きさは、界面活性剤を変えることにより作り分けることができる。一次元細孔が規則的に配列した構造としては、具体的には、ヘキサゴナル構造、オルソロンビック構造、モノクリニック構造が挙げられる。   The mesoporous inorganic material is a mesoporous inorganic material having a structure in which one-dimensional pores are regularly arranged. The “structure in which the one-dimensional pores are regularly arranged” is not particularly limited as long as it has a uniform pore diameter and the one-dimensional pores are regularly arranged. Regularly arranged means that the pores are aligned with a uniaxial orientation. The uniform pore diameter means that the pore diameter of each pore is within a certain range. The size of the pore diameter can be appropriately set, but is usually 1 to 30 nm, preferably 1.5 to 15 nm. The size of the pores can be made differently by changing the surfactant. Specific examples of the structure in which the one-dimensional pores are regularly arranged include a hexagonal structure, an orthorhombic structure, and a monoclinic structure.

このようなメソポーラス無機材料は、規則的な細孔構造を形成し得る界面活性剤を鋳型として調製することができる。   Such a mesoporous inorganic material can be prepared using a surfactant capable of forming a regular pore structure as a template.

メソポーラスの無機材料としては、適宜所望のものを用いることができる。例えば、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ−チタニア、リン酸スズ、リン酸ニオブ、リン酸アルミニウム、リン酸チタン、ならびにそれらの酸化物、窒化物、硫化物、セレン化物、テルル化物又は複合酸化物、複合塩などを用いることができる。これらのうち、特にシリカ等の含ケイ素酸化物が耐熱性、耐薬品性、及び機械的特性に優れる点で好ましい。   As the mesoporous inorganic material, a desired material can be appropriately used. For example, silica, titania, zirconia, alumina, silica-alumina, silica-titania, tin phosphate, niobium phosphate, aluminum phosphate, titanium phosphate, and their oxides, nitrides, sulfides, selenides, tellurium A compound, complex oxide, complex salt, or the like can be used. Of these, silicon-containing oxides such as silica are particularly preferable in terms of excellent heat resistance, chemical resistance, and mechanical properties.

好ましいメソポーラス無機材料は、MCM-41である。MCM-41は、CNTと同程度の空孔径(2.7nm)、比表面積(〜1000m2/g)を持つ規則構造体(ハニカム構造)であり、CNTの添加量を少なくでき、コスト的に有利であるばかりでなく、イオン液体を効率よく移動させる一次元チャンネルとしても機能できる。理論に拘束されることを望まないが、本発明者は、メソポーラス無機材料はカチオンの効率的な吸着もしくは電極の鋳型に使用できると考えている。A preferred mesoporous inorganic material is MCM-41. MCM-41 is a regular structure (honeycomb structure) with a pore size (2.7 nm) and specific surface area (up to 1000 m 2 / g) comparable to that of CNT, which can reduce the amount of CNT added and is advantageous in terms of cost. In addition, it can function as a one-dimensional channel that efficiently moves the ionic liquid. While not wishing to be bound by theory, the inventor believes that mesoporous inorganic materials can be used for efficient adsorption of cations or electrode templates.

金属酸化物としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ルテニウム(RuO2)等を挙げることができる。Examples of the metal oxide include titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and ruthenium oxide (RuO 2 ).

炭素粒子としては、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、人造黒鉛、炭素繊維、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等を挙げることができる。   Examples of the carbon particles include carbon black, ketjen black, acetylene black, artificial graphite, carbon fiber, furnace black, channel black, lamp black, and thermal black.

炭素粒子を用いた場合、導電性高分子を用いた場合と同様、伸縮率および発生力の大きな向上が見られる。また、適量の炭素粒子を用いることにより、より広い周波数域(200Hz〜5mHz)で伸縮率および発生力の向上が見られるため、好ましい。   When carbon particles are used, as in the case where a conductive polymer is used, the stretch rate and the generated force are greatly improved. In addition, the use of an appropriate amount of carbon particles is preferable because the expansion ratio and the generation force are improved in a wider frequency range (200 Hz to 5 mHz).

これらの導電補助剤は、一種単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。   These conductive auxiliary agents can be used alone or in combination of two or more.

アクチュエータ素子の電極層に使用される導電性薄膜層は、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマー及び導電補助剤から構成される。   The conductive thin film layer used for the electrode layer of the actuator element is composed of a carbon nanotube, an ionic liquid, a polymer, and a conductive additive.

導電性薄膜層中のこれらの成分の好ましい配合割合は:
カーボンナノチューブ:
3〜90重量%、好ましくは16.6〜70重量%、より好ましくは20〜50重量%;
イオン液体:
5〜 80重量%、好ましくは15〜 73.4重量%、より好ましくは20〜69重量%;
ポリマー:
4〜70重量%、好ましくは10〜68.4重量%、より好ましくは11〜64重量%;
である。
The preferred blending ratio of these components in the conductive thin film layer is:
carbon nanotube:
3 to 90% by weight, preferably 16.6 to 70% by weight, more preferably 20 to 50% by weight;
Ionic liquid:
5 to 80% by weight, preferably 15 to 73.4% by weight, more preferably 20 to 69% by weight;
polymer:
4 to 70% by weight, preferably 10 to 68.4% by weight, more preferably 11 to 64% by weight;
It is.

導電補助剤は、カーボンナノチューブ、イオン液体及びポリマーの合計量100重量部に対し3〜90重量部、好ましくは4〜65重量部配合される。   The conductive auxiliary agent is blended in an amount of 3 to 90 parts by weight, preferably 4 to 65 parts by weight, based on 100 parts by weight of the total amount of carbon nanotubes, ionic liquid and polymer.

本発明のアクチュエータ素子としては、例えば、電解質膜1を、その両側から、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーと導電補助剤を含む導電性薄膜層(電極層)2,2で挟んだ3層構造のものが挙げられる(図2A) 。また、電極の表面伝導性を増すために、電極層2,2の外側にさらに導電層3,3が形成された5層構造のアクチュエータ素子であってもよい(図2B) 。   The actuator element of the present invention has, for example, a three-layer structure in which the electrolyte membrane 1 is sandwiched by conductive thin film layers (electrode layers) 2 and 2 containing carbon nanotubes, an ionic liquid, a polymer, and a conductive auxiliary agent from both sides. (Figure 2A). Further, in order to increase the surface conductivity of the electrode, it may be a five-layer actuator element in which conductive layers 3 and 3 are further formed outside the electrode layers 2 and 2 (FIG. 2B).

電解質膜の表面に導電性薄膜層を形成してアクチュエータ素子を得るには、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび導電補助剤を溶媒に分散した電極用ゲル溶液とイオン液体およびポリマーからなる電解質用ゲル溶液を交互にキャスト法により塗布、乾燥、積層することにより行うか、もしくは、上記のようにキャスト、乾燥することにより得た電解質膜の表面に、同様に別途、キャスト、乾燥することにより得た導電性薄膜を熱圧着することにより得ることが出来る。   In order to obtain an actuator element by forming a conductive thin film layer on the surface of an electrolyte membrane, an electrode gel solution in which carbon nanotubes, ionic liquid, polymer, and conductive additive are dispersed in a solvent, and an electrolyte gel comprising the ionic liquid and polymer The solution was obtained by alternately applying, drying, and laminating the solution by a casting method, or by separately casting and drying the surface of the electrolyte membrane obtained by casting and drying as described above. It can be obtained by thermocompression bonding of a conductive thin film.

また、導電性薄膜層は例えば以下の様にして得ることもできる。導電補助剤を配合したカーボンナノチューブにイオン液体を染み込ませる。あるいは、導電補助剤を配合したカーボンナノチューブにイオン液体とポリマーを溶媒に分散させたイオン液体ゲルの溶液を染み込ませる、あるいは、溶液中に導電補助剤を配合したカーボンナノチューブを浸し、その後、溶媒を乾燥させることによって得ることができる。電解質膜は、イオンゲル溶液をキャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させることによって得ることができる。   Moreover, a conductive thin film layer can also be obtained as follows, for example. An ionic liquid is impregnated into the carbon nanotube containing the conductive auxiliary agent. Alternatively, a carbon nanotube mixed with a conductive auxiliary agent is impregnated with an ionic liquid gel solution in which an ionic liquid and a polymer are dispersed in a solvent, or the carbon nanotube mixed with a conductive auxiliary agent is immersed in the solution, and then the solvent is added. It can be obtained by drying. The electrolyte membrane can be obtained by forming an ion gel solution by a casting method and evaporating and drying the solvent.

本発明では、導電補助剤、カーボンナノチューブとイオン液体、必要に応じてさらにポリマーを含む導電性薄膜層の調製において、各成分を均質に混合するのが重要である。各成分が均質混合された分散液を調製するためには、溶媒を用いるのが好ましく、例えば疎水性溶媒と親水性溶媒の混合溶媒を使用するのが特に好ましい。   In the present invention, in preparing a conductive thin film layer containing a conductive auxiliary agent, carbon nanotubes and an ionic liquid, and if necessary, a polymer, it is important to mix each component homogeneously. In order to prepare a dispersion in which each component is homogeneously mixed, it is preferable to use a solvent, for example, it is particularly preferable to use a mixed solvent of a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent.

親水性溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトン、メタノール、エタノールなどの炭素数1〜3の低級アルコール、アセトニトリル等が挙げられる。疎水性溶媒としては、4−メチルペンタン−2−オンなどの炭素数5〜10のケトン類、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素類、N,N-ジメチルアセトアミド等が挙げられる。   Examples of the hydrophilic solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, carbon numbers of 1 to 3 such as acetone, methanol, and ethanol. And lower alcohols, acetonitrile and the like. Examples of the hydrophobic solvent include ketones having 5 to 10 carbon atoms such as 4-methylpentan-2-one, halogenated hydrocarbons such as chloroform and methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, benzene and xylene, Examples thereof include aliphatic or alicyclic hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, N, N-dimethylacetamide, and the like.

本発明の導電性薄膜を製造するための分散液は、導電補助剤、イオン液体とカーボンナノチューブを混練してゲル化させ、その後ポリマーと溶剤(例えば、イオン液体が親水性の場合には、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加えて分散液を調製してもよく、導電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマー及び必要に応じて溶剤(例えば、イオン液体が親水性の場合には、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加え、ゲル化のプロセスなしに分散液を調製してもよい。その場合、各成分を混合するのに超音波による分散も有効である。   The dispersion for producing the conductive thin film of the present invention is prepared by kneading a conductive additive, an ionic liquid and carbon nanotubes into a gel, and then polymer and a solvent (for example, when the ionic liquid is hydrophilic, If the ionic liquid is hydrophobic, it may be prepared by adding a hydrophobic solvent), a conductive auxiliary agent, carbon nanotubes, ionic liquid, polymer, and if necessary. Accordingly, a solvent (for example, a mixed solvent of a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent when the ionic liquid is hydrophilic, or a hydrophobic solvent when the ionic liquid is hydrophobic) is added without the gelation process. A dispersion may be prepared. In that case, dispersion by ultrasonic waves is also effective for mixing the components.

いったんゲル化させた後に分散液を調製する場合、混合溶媒の割合としては、親水性溶媒:疎水性溶媒(重量比)=20:1〜1:10であるのが好ましく、2:1〜1:5であるのがより好ましい。   When preparing the dispersion after gelation, the ratio of the mixed solvent is preferably hydrophilic solvent: hydrophobic solvent (weight ratio) = 20: 1 to 1:10, preferably 2: 1 to 1. : 5 is more preferable.

また、ゲル化のプロセスなしに分散液を調製する場合、親水性溶媒(PC)/疎水性溶媒(MP)=1/100〜20/100が好ましく、より好ましくは3/100〜15/100である。単一溶媒を用いることもでき、その場合、N, N-ジメチルアセトアミドが好ましい。   Moreover, when preparing a dispersion liquid without the process of gelatinization, hydrophilic solvent (PC) / hydrophobic solvent (MP) is preferably 1/100 to 20/100, more preferably 3/100 to 15/100. is there. A single solvent can also be used, in which case N, N-dimethylacetamide is preferred.

導電性薄膜層は、導電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン液体及びポリマーを含む高分子ゲルから構成される。   The conductive thin film layer is composed of a polymer gel containing a conductive additive, carbon nanotube, ionic liquid and polymer.

導電性薄膜層中の(導電補助剤+カーボンナノチューブ+イオン液体)と(ポリマー)の配合比(重量比)は、(導電補助剤+カーボンナノチューブ+イオン液体):(ポリマー)=1:2〜4:1であるのが好ましく、(導電補助剤+カーボンナノチューブ+イオン液体):(ポリマー)=1:1〜3:1であるのがより好ましい。この配合の際には、親水性溶媒と疎水性溶媒との混合溶媒を用いる。導電補助剤とカーボンナノチューブとイオン液体を混合して予めゲルを形成し、このゲルにポリマーと溶媒(好ましくは疎水性溶媒)を混合して導電性薄膜調製用の分散液を得ることもできる。この場合、(導電補助剤+カーボンナノチューブ+イオン液体):(ポリマー)は、より好ましくは1:1〜3:1である。   The blending ratio (weight ratio) of (conductive auxiliary agent + carbon nanotube + ionic liquid) and (polymer) in the conductive thin film layer is (conductive auxiliary agent + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) = 1: 2. The ratio is preferably 4: 1, and more preferably (conductive auxiliary agent + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) = 1: 1 to 3: 1. In this blending, a mixed solvent of a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent is used. A conductive auxiliary agent, carbon nanotubes, and an ionic liquid are mixed to form a gel in advance, and a polymer and a solvent (preferably a hydrophobic solvent) are mixed with the gel to obtain a dispersion for preparing a conductive thin film. In this case, (conductive aid + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) is more preferably 1: 1 to 3: 1.

なお、導電性薄膜層には溶媒(疎水性溶媒と親水性溶媒)が若干含まれていてもよいが、通常の乾燥条件において除去可能な溶媒はできるだけ除去しておくのが好ましい。   The conductive thin film layer may contain some solvents (hydrophobic solvent and hydrophilic solvent), but it is preferable to remove as much solvent as possible under normal drying conditions.

イオン伝導層を構成するゲル状組成物は、ポリマーとイオン液体から構成される。好ましいイオン伝導層は、このゲル状組成物を得る際の親水性イオン液体とポリマーの配合比(重量比)が、親水性イオン液体:ポリマー=1:4〜4:1であるのが好ましく、親水性イオン液体:ポリマー=1:2〜2:1であるのがより好ましい。この配合の際にも、上記と同様に、親水性溶媒と疎水性溶媒とを任意の割合で混合した溶媒を用いるのが好ましい。   The gel composition constituting the ion conductive layer is composed of a polymer and an ionic liquid. In a preferred ion conductive layer, the blending ratio (weight ratio) of the hydrophilic ionic liquid and the polymer in obtaining the gel composition is preferably hydrophilic ionic liquid: polymer = 1: 4 to 4: 1. More preferably, the hydrophilic ionic liquid: polymer = 1: 2 to 2: 1. Also in this blending, it is preferable to use a solvent in which a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent are mixed at an arbitrary ratio, as described above.

2つ以上の導電性薄膜層を分離するセパレーターの役割を果たすイオン伝導層は、ポリマーを溶媒に溶解し、塗布、印刷、押し出し、キャスト、射出などの常法に従い形成することができる。イオン伝導層は、実質的にポリマーのみで形成してもよく、イオン液体をポリマーに加えて形成してもよい。   The ion conductive layer serving as a separator that separates two or more conductive thin film layers can be formed by dissolving a polymer in a solvent and following conventional methods such as coating, printing, extrusion, casting, and injection. The ion conductive layer may be formed substantially only from a polymer, or may be formed by adding an ionic liquid to a polymer.

導電性薄膜層とイオン伝導層に使用するポリマーは同一であっても異なっていてもよいが、両者は同一であるか、性質の類似したポリマーであるのが、導電性薄膜層とイオン伝導層の密着性を向上させるのに好ましい。   The polymer used for the conductive thin film layer and the ion conductive layer may be the same or different. However, the conductive thin film layer and the ion conductive layer are the same or similar in properties. It is preferable to improve the adhesion of the resin.

電解質膜の厚さは、5〜200μmであるのが好ましく、10〜100μmであるのがより好ましい。導電性薄膜層の厚さは、10〜500μmであるのが好ましく、50〜300μmであるのがより好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート、印刷、スプレー等も用いることができる。さらに、押し出し法、射出法等も用いることができる。   The thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. The thickness of the conductive thin film layer is preferably 10 to 500 μm, and more preferably 50 to 300 μm. Moreover, spin coating, printing, spraying, etc. can also be used for film formation of each layer. Furthermore, an extrusion method, an injection method, or the like can also be used.

このようにして得られたアクチュエータ素子は、電極間(電極は導電性薄膜層に接続されている)に0.5〜4Vの直流電圧を加えると、数秒以内に素子長の0.05〜1倍程度の変位を得ることができる。また、このアクチュエータ素子は、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。   The actuator element thus obtained has an element length of 0.05 to 1 within a few seconds when a DC voltage of 0.5 to 4 V is applied between the electrodes (the electrodes are connected to the conductive thin film layer). Double displacement can be obtained. The actuator element can be flexibly operated in air or in vacuum.

このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図3に示すように、電解質膜1の表面に相互に絶縁状態で形成された導電性薄膜層2,2に電位差がかかると、導電性薄膜層2,2内のカーボンナノチューブ相とイオン液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、導電性薄膜層2,2が伸縮するというものである。図3に示すように、プラス極側に曲がるのは、量子化学的効果により、カーボンナノチューブがマイナス極側でより大きくのびる効果があることと、現在よく用いられるイオン液体では、カチオン4のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図3において、4はイオン液体のカチオンを示し、5はイオン液体のアニオンを示す。   As shown in FIG. 3, the operating principle of such an actuator element is that when a potential difference is applied to the conductive thin film layers 2 and 2 formed on the surface of the electrolyte membrane 1 in a mutually insulated state, the conductive thin film layer 2 An electric double layer is formed at the interface between the carbon nanotube phase and the ionic liquid phase in 2, and the conductive thin film layers 2 and 2 expand and contract due to the interfacial stress. As shown in FIG. 3, the bending to the positive pole side is due to the effect of the carbon nanotubes extending more on the negative pole side due to the quantum chemical effect, and the ionic radius of the cation 4 in the ionic liquids that are often used at present. This is considered to be because the minus pole side extends more greatly due to the three-dimensional effect. In FIG. 3, 4 indicates a cation of the ionic liquid, and 5 indicates an anion of the ionic liquid.

上記の方法で得ることのできるアクチュエータ素子によれば、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルの界面有効面積が極めて大きくなることから、界面電気二重層におけるインピーダンスが小さくなり、カーボンナノチューブの電気伸縮効果が有効に利用される効果に寄与する。また、機械的には、界面の接合の密着性が良好となり、素子の耐久性が大きくなる。その結果、空気中、真空中で、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久性のある素子を得ることができる。しかも、構造が簡単で、小型化が容易であり、小電力で作動することができる。さらに、カーボンナノチューブに導電性の添加剤を加えることにより、電極膜の導電性および充填率が向上し、従来の同様の素子より、効率的に力の発生が起こる。   According to the actuator element that can be obtained by the above method, since the effective area of the interface between the gel of the carbon nanotube and the ionic liquid is extremely large, the impedance in the interfacial electric double layer is reduced, and the electrical stretching effect of the carbon nanotube is reduced. Contributes to effective use. Also, mechanically, the adhesion at the interface is good, and the durability of the device is increased. As a result, it is possible to obtain a durable element having a high responsiveness and a large amount of displacement in air or vacuum. Moreover, the structure is simple, the size can be easily reduced, and the apparatus can be operated with low power. Furthermore, by adding a conductive additive to the carbon nanotube, the conductivity and filling rate of the electrode film are improved, and a force is generated more efficiently than a conventional similar element.

本発明のアクチュエータ素子は、従来のカーボンナノチューブ、イオン液体と支持高分子からなるアクチュエータ素子(特許文献1)と比較して、伸縮性能および発生力が飛躍的に向上している。また、本発明のアクチュエータ素子は、空気中、真空中で耐久性良く作動し、しかも低電圧で柔軟に作動することから、安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ(例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ)、また、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レスキュー用などの特殊環境下で働くロボット、また、手術デバイスやマッスルスーツ、床ずれ防止用などの医療、福祉用ロボット、ブレーキ、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。   The actuator element of the present invention has dramatically improved expansion and contraction performance and generation force as compared with a conventional actuator element composed of carbon nanotubes, ionic liquid and supporting polymer (Patent Document 1). In addition, since the actuator element of the present invention operates with high durability in air and in vacuum, and operates flexibly with low voltage, the actuator of a robot that contacts a person who needs safety (for example, a home robot, a pet) Robots, amusement robots, and other personal robot actuators), robots that work in special environments such as space environments, in vacuum chambers, and rescue, and medical and welfare for surgical devices, muscle suits, bedsore prevention, etc. It is optimal as an actuator for industrial robots, brakes, and micromachines.

特に、純度の高い製品を得るために、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、純度の高い製品を得るために、試料の運搬や位置決め等のためのアクチュエータの要求が高まっており、全く蒸発しないイオン液体を用いた本発明のアクチュエータ素子は、汚染の心配のないアクチュエータとして、真空環境下でのプロセス用アクチュエータとして有効に用いることができる。   In particular, in order to obtain high-purity products, in the production of materials in a vacuum environment and in an ultra-clean environment, there is an increasing demand for actuators for sample transportation and positioning in order to obtain high-purity products. In addition, the actuator element of the present invention using an ionic liquid that does not evaporate at all can be effectively used as an actuator for a process in a vacuum environment as an actuator that does not cause contamination.

なお、電解質膜表面への導電性薄膜層の形成は少なくとも2層必要であるが、図4に示すように、平面状の電解質膜1の表面に多数の導電性薄膜層2を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータ素子の形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。例えば、図4に示すものは、径が1mm程度の電解質膜1のロッドの周囲に4本の導電性薄膜層2を形成したものである。この素子により、細管内に挿入できるようなアクチュエータが実現可能である。   At least two conductive thin film layers are required to be formed on the surface of the electrolyte membrane. As shown in FIG. 4, by arranging a large number of conductive thin film layers 2 on the surface of the planar electrolyte membrane 1. It is also possible to make complicated movements. By such an element, conveyance by a peristaltic motion, a micromanipulator, and the like can be realized. In addition, the shape of the actuator element of the present invention is not limited to a planar shape, and an element having an arbitrary shape can be easily manufactured. For example, what is shown in FIG. 4 is one in which four conductive thin film layers 2 are formed around the rod of the electrolyte membrane 1 having a diameter of about 1 mm. With this element, an actuator that can be inserted into a narrow tube can be realized.

以下、本発明を実施例に基づき、より詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは言うまでもない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples.

なお、本実施例において、アクチュエータ素子変位評価は、以下のようにして行った。   In this example, the actuator element displacement evaluation was performed as follows.

アクチュエータ素子変位評価法:図1に示す様にレーザ変位計を用い、素子を1mmx10mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の5mmの位置の変位を測定した。   Actuator element displacement evaluation method: Using a laser displacement meter as shown in FIG. 1, the element was cut into a 1 mm × 10 mm strip and the displacement at a position of 5 mm when a voltage was applied was measured.

実施例および比較例で用いたイオン液体(IL)は、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(EMIBF)である。The ionic liquid (IL) used in the examples and comparative examples is ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ).

実施例および比較例で用いたカーボンナノチューブは、高純度単層カーボンナノチューブ(カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製「HiPco」)(以下、SWNTともいう)である。   The carbon nanotubes used in Examples and Comparative Examples are high-purity single-walled carbon nanotubes (“HiPco” manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.) (hereinafter also referred to as SWNT).

実施例および比較例で用いたポリマーは、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体[PVDF(HFP);商品名kynar2801](III)である。   The polymer used in the examples and comparative examples is a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [PVDF (HFP); trade name kynar2801] (III).

Figure 0005332027
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実施例および比較例で用いた溶媒はN,N-ジメチルアセトアミド(DMAC)である。   The solvent used in the examples and comparative examples is N, N-dimethylacetamide (DMAC).

実施例で用いたポリアニリンは、20wt% polyaniline on carbon black (Aldrich社製、導電率:40 S/cm)である。   The polyaniline used in the examples is 20 wt% polyaniline on carbon black (manufactured by Aldrich, conductivity: 40 S / cm).

実施例で用いたポリメソポーラスシリカは、MCM-41:pore size=2.7nm, pore volume=0.98cm3/g、BET surface area= 〜1000m2/gである。The polymesoporous silica used in the examples is MCM-41: pore size = 2.7 nm, pore volume = 0.98 cm 3 / g, BET surface area = ˜1000 m 2 / g.

実施例で用いたカーボンブラックは電気化学工業(株)製のデンカブラック(粒状品)である。   The carbon black used in the examples is Denka Black (granular product) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.

調製例1
[導電性薄膜層形成用分散液の調製]
DMAC溶媒中に、カーボンナノチューブ(SWNT)とイオン液体(IL)、ポリマー[粉末状PVDF(HFP)]、導電補助剤(ポリアニリン、MCM-41、炭素粒子又はRuO2)を分散させて、マグネチックスターラーにて撹拌、その後、超音波による分散を行うことにより導電性薄膜層形成用分散液を調製する。
Preparation Example 1
[Preparation of dispersion for forming conductive thin film layer]
In a DMAC solvent, carbon nanotubes (SWNT), ionic liquid (IL), polymer [powdered PVDF (HFP)], conductive auxiliary agent (polyaniline, MCM-41, carbon particles or RuO 2 ) are dispersed, and magnetic. A dispersion for forming a conductive thin film layer is prepared by stirring with a stirrer and then dispersing by ultrasonic waves.

[電解質膜形成用溶液の調製]
イオン液体(IL)とポリマー[粉末状PVDF(HFP)]を、上記導電性薄膜層形成用分散液の調製と同様にして、溶媒に溶解させることにより、電解質膜形成用溶液を調製する。ここで溶媒は、4−メチルペンタン−2−オンとプロピレンカーボネートとの混合溶媒を用いた。
[Preparation of electrolyte membrane forming solution]
An electrolyte film forming solution is prepared by dissolving an ionic liquid (IL) and a polymer [powdered PVDF (HFP)] in a solvent in the same manner as in the preparation of the conductive thin film layer forming dispersion. Here, a mixed solvent of 4-methylpentan-2-one and propylene carbonate was used as the solvent.

[アクチュエータ素子の製造]
導電性薄膜、電解質膜は、それぞれ上記のように調製した分散液および溶液を、別々にキャストし、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行うことにより得る。得られた導電性薄膜2枚の間に、電解質膜を1枚挟んで熱圧着することにより3層構造のアクチュエータ素子を得る。
[Manufacture of actuator elements]
The conductive thin film and the electrolyte membrane are obtained by separately casting the dispersion and solution prepared as described above, drying the solvent overnight at room temperature, and then vacuum drying. An actuator element having a three-layer structure is obtained by sandwiching one electrolyte membrane between two obtained conductive thin films and thermocompression bonding.

[アクチュエータ素子の評価方法1]
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図1に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅1mm×長さ10mmの短冊状に切断し、端3mmの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加えた。レーザ変位計を用いて、固定端から5mmの位置での変位を測定して行った。電圧の周波数を200Hz〜5mHzで変化させて変位を調べた。
[Actuator Element Evaluation Method 1]
The displacement responsiveness of the manufactured actuator element was evaluated using the apparatus shown in FIG. The actuator element was cut into a strip having a width of 1 mm and a length of 10 mm, and a 3 mm end portion was held by a holder with an electrode, and a voltage was applied in air. The displacement at a position of 5 mm from the fixed end was measured using a laser displacement meter. The displacement was examined by changing the voltage frequency from 200Hz to 5mHz.

伸縮率(ε(%))は、アクチュエータの素子長(L(mm))、素子厚(W(mm))、変位(D(mm))から下記式により算出した(図1参照):
ε(%)=2DW/(L2+D2)×100
[アクチュエータ素子の評価方法2]
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図1に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅1mm×長さ15mmの短冊状に切断し、端3mmの部分を電極付きホルダーでつかみ、空気中で、周波数0.1Hzで電圧を加えた。レーザ変位計を用いて、固定端から10mmの位置での変位を測定して行った。電圧を±0.5〜3.0Vで変化させて変位を調べた。
The expansion / contraction rate (ε (%)) was calculated by the following formula from the element length (L (mm)), element thickness (W (mm)), and displacement (D (mm)) of the actuator (see FIG. 1):
ε (%) = 2DW / (L 2 + D 2 ) × 100
[Actuator element evaluation method 2]
The displacement responsiveness of the manufactured actuator element was evaluated using the apparatus shown in FIG. The actuator element was cut into a strip shape having a width of 1 mm and a length of 15 mm, a 3 mm end portion was held by a holder with an electrode, and a voltage was applied in air at a frequency of 0.1 Hz. Using a laser displacement meter, the displacement at a position 10 mm from the fixed end was measured. The displacement was examined by changing the voltage from ± 0.5 to 3.0V.

実施例および比較例で用いた溶媒はN,N-ジメチルアセトアミド(DMAC)である。   The solvent used in the examples and comparative examples is N, N-dimethylacetamide (DMAC).

実施例1
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.3mg/80.5mg/120.2mg/50.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
Example 1
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (poly-aniline) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure made of a conductive thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /poly-An=50.3mg/80.5mg/120.2mg/50.4mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 101.8mg / 114.3mg.

実施例2
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(MCM-41)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/MCM-41=25.4mg/80.0mg/119.8mg/25.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
Example 2
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (MCM-41) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure composed of layers (electrodes) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /MCM-41=25.4mg/80.0mg/119.8mg/25.4mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 101.8mg / 114.3mg.

実施例3
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(MCM-41)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/MCM-41=50.1mg/80.0mg/140.8mg/50.1mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
Example 3
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (MCM-41) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure composed of layers (electrodes) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /MCM-41=50.1mg/80.0mg/140.8mg/50.1mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 101.8mg / 114.3mg.

実施例4
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/8.2mg/80.3mg/120.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
Example 4
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotubes (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive additive (carbon black: CB) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure composed of a thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / CB / kynar2801 / EMIBF 4 = 50.3mg / 8.2mg / 80.3mg / 120.7mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.0mg / 202.8mg.

実施例5
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/24.1mg/80.3mg/120.6mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
Example 5
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotubes (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive additive (carbon black: CB) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure composed of a thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / CB / kynar2801 / EMIBF 4 = 50.3mg / 24.1mg / 80.3mg / 120.6mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.0mg / 202.8mg.

実施例6
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/40.3mg/80.3mg/120.6mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
Example 6
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotubes (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive additive (carbon black: CB) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure composed of a thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / CB / kynar2801 / EMIBF 4 = 50.3mg / 40.3mg / 80.3mg / 120.6mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.0mg / 202.8mg.

実施例7
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.7mg/80.0mg/121.0mg/10.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
Example 7
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (poly-aniline) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure made of a conductive thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /poly-An=50.7mg/80.0mg/121.0mg/10.4mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.6mg / 201.3mg.

実施例8
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.3mg/80.0mg/120.8mg/20.3mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
Example 8
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (poly-aniline) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure made of a conductive thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /poly-An=50.3mg/80.0mg/120.8mg/20.3mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.6mg / 201.3mg.

実施例9
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.2mg/80.8mg/121.4mg/30.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
Example 9
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (poly-aniline) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure made of a conductive thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /poly-An=50.2mg/80.8mg/121.4mg/30.4mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.6mg / 201.3mg.

実施例10
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.7mg/80.6mg/120.1mg/40.0mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
Example 10
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte membrane-conductivity using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (poly-aniline) at the following ratios: A film-like actuator element having a three-layer structure made of a conductive thin film layer (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /poly-An=50.7mg/80.6mg/120.1mg/40.0mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 200.6mg / 201.3mg.

実施例11
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(RuO2)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/RuO2=27.8mg/44.0mg/70.9mg/20.0mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
Example 11
Conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer using carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and conductive auxiliary agent (RuO 2 ) at the following ratios: A three-layer film-like actuator element composed of (electrode) was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 / RuO 2 = 27.8mg / 44.0mg / 70.9mg / 20.0mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 101.8mg / 114.3mg.

比較例1
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4=50.2mg/80.6mg/121.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=206.2mg/208.3mg。
Comparative Example 1
Three layers consisting of conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) using carbon nanotubes (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ) and polymer (kynar2801) at the following ratios: A film-like actuator element having a structure was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 = 50.2mg / 80.6mg / 121.7mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 206.2mg / 208.3mg.

比較例2
以下の比率で、カーボンブラック(CB)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CB/kynar2801/EMIBF4=50.4mg/80.3mg/121.2mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=206.2mg/208.3mg。
Comparative Example 2
Three layers composed of conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) using carbon black (CB), ionic liquid (EMIBF 4 ), and polymer (kynar2801) at the following ratios: A film-like actuator element having a structure was manufactured.
Electrode: CB / kynar2801 / EMIBF 4 = 50.4mg / 80.3mg / 121.2mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 206.2mg / 208.3mg.

比較例3
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4=22.2mg/36.0mg/56.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
Comparative Example 3
Three layers consisting of conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) using carbon nanotubes (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ) and polymer (kynar2801) at the following ratios: A film-like actuator element having a structure was manufactured.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 = 22.2mg / 36.0mg / 56.7mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 101.8mg / 114.3mg.

試験例1
実施例1〜6および比較例1〜2で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法1により行った。得られた結果を、図5〜図15に示す。
Test example 1
Evaluation of the responsiveness to the voltage of the actuator elements obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 was performed by the above-described actuator element evaluation method 1. The obtained results are shown in FIGS.

図5〜図15の結果から、導電補助剤としてポリアニリン、MCM-41を添加することにより、低周波での変形応答が劇的に向上し(特にポリアニリンの場合、図5)、最大変位が伸びて高周波での応答が2〜3倍向上し、さらにcharge量が少なくなり(特に、MCM-41の場合)、省電力化が実現できることが明らかになった(図7,9)。 From the results of FIGS. 5 to 15, the addition of polyaniline and MCM-41 as a conductive auxiliary agent dramatically improved the deformation response at low frequencies (particularly in the case of polyaniline, FIG. 5), and the maximum displacement increased. As a result, it became clear that the response at high frequency was improved by 2 to 3 times, the amount of charge was reduced (particularly in the case of MCM-41), and power saving could be realized (FIGS. 7 and 9).

また、カーボンブラックを電極に配合することで、伸縮率が最大で3倍程度向上することが明らかになった。   In addition, it has been clarified that by adding carbon black to the electrode, the expansion / contraction rate is improved up to about 3 times.

カーボンブラックを添加した系とポリアニリン添加の系を比較して特徴的なことは、いずれの場合も、添加することで伸縮率が3倍近く向上することであるが、ポリアニリンを添加した場合は、印加電圧の周波数が速くなるにつれて劇的に伸縮率が減少し、0.1Hzより高周波数では無添加の場合(比較例1)に比べ、伸縮率は小さくなってしまう。一方、カーボンブラックを添加した場合、ポリアニリンの場合とは異なり、例えば、10Hzでも、無添加の場合よりも3倍程度大きな伸縮率を示すことが明らかになった(図14)。このことは、カーボンブラックを添加した効果として、より広い周波数帯でアクチュエータの伸縮率が大きく向上することを意味している。   The characteristic of comparing the system added with carbon black and the system added with polyaniline is that, in any case, the addition of polyaniline improves the stretch ratio by almost three times. As the frequency of the applied voltage increases, the expansion / contraction rate decreases dramatically, and at a frequency higher than 0.1 Hz, the expansion / contraction rate decreases compared to the case of no addition (Comparative Example 1). On the other hand, when carbon black was added, it became clear that, for example, even at 10 Hz, the expansion / contraction ratio was about three times larger than when no carbon black was added (FIG. 14). This means that the expansion / contraction rate of the actuator is greatly improved in a wider frequency band as an effect of adding carbon black.

試験例2
試験例1で得られた最大伸縮率と別途測定した導電性薄膜層のヤング率から変形時の発生力を算出した。導電性薄膜層のヤング率はセイコーインスツルメンツ社製のTMA/SS6000にて測定した。求められた発生力を表1に示す。表1は、最大伸縮率(0.005Hz時)での発生力比較を示す。導電補助剤としてポリアニリンを添加した場合は導電補助剤無添加の場合(CNT(50))に比べ、伸縮率が3倍近く向上するだけでなく、発生力も4倍以上向上することが明らかになった。一方、MCM-41を添加した場合、伸縮率はMCM-41をCNTと同量余分に入れることにより1.6倍程度向上するものの、発生力は無添加の場合と同じである。導電性薄膜層中のCNTの量を半減し、その減少分MCM-41を添加した場合(実施例2)は、伸縮率はCNT量を半減しても大きな差はなく、無添加時とほぼ同程度であるものの、発生力は半減することが分かった。
Test example 2
The generated force at the time of deformation was calculated from the maximum expansion / contraction ratio obtained in Test Example 1 and the Young's modulus of the conductive thin film layer separately measured. The Young's modulus of the conductive thin film layer was measured with TMA / SS6000 manufactured by Seiko Instruments Inc. Table 1 shows the generated force. Table 1 shows the generated force comparison at the maximum expansion / contraction rate (at 0.005 Hz). When polyaniline is added as a conductive additive, not only the conductive additive is not added (CNT (50)), but also the stretch rate is improved by nearly 3 times, and the generated force is also improved by 4 times or more. It was. On the other hand, when MCM-41 is added, the expansion / contraction rate is improved by about 1.6 times by adding the same amount of MCM-41 as CNT, but the generated force is the same as when no additive is added. When the amount of CNT in the conductive thin film layer was reduced by half and MCM-41 was added by the reduced amount (Example 2), the expansion / contraction rate was not significantly different even when the amount of CNT was reduced by half. Although it is the same level, it was found that the generation force was halved.

また、導電補助剤としてカーボンブラック(CB)を添加した場合は、カーボンブラックのみでは(比較例2)、伸縮率、発生力ともにCNTのみの場合に比べ大きく減少する。しかし、CNTにカーボンブラックを添加していくと、CNT(50mg)に対しCBを20mg以上入れると、伸縮率が向上するだけでなく、発生力が2倍以上大きくなることが分かった。さらに、CBの添加量を40mgにすると(実施例6)、伸縮率、発生力とも飛躍的に向上し、ポリアニリンを添加した場合と同程度の変形(伸縮率)および力(発生力)を示すことが明らかになった。また、図14で伸縮率の周波数変化をカーボンブラック無添加時(比較例1)の場合と比較すると、無添加時の0.1Hzでの伸縮率と同程度の伸縮率は、例えば、CBを40mg添加した場合(実施例6)では10Hzで達成されている。すなわち、CBを40mg添加することにより、同程度の伸縮率を達成するのに10倍速い応答速度で変形することが可能となったと言える。ここで用いたカーボンブラックは1000円/kg程度でカーボンナノチューブや他の導電補助剤に比べ非常に安価であるため、カーボンブラックを用いることにより、高伸縮、高発生力のアクチュエータをより低コストで提供できる可能性を示していると言える。   In addition, when carbon black (CB) is added as a conductive auxiliary agent, carbon black alone (Comparative Example 2) greatly reduces both the expansion and contraction rate and the generated force compared to the case of CNT alone. However, when carbon black was added to CNT, it was found that adding 20 mg or more of CB to CNT (50 mg) not only improved the stretch ratio, but also increased the generation force by more than twice. Furthermore, when the amount of CB added is 40 mg (Example 6), both the stretch rate and the generated force are dramatically improved, and the deformation (stretch rate) and force (generated force) are the same as when polyaniline is added. It became clear. Further, in FIG. 14, when the frequency change of the expansion / contraction rate is compared with the case of no carbon black addition (Comparative Example 1), the expansion / contraction rate comparable to the expansion rate at 0.1 Hz without addition is, for example, 40 mg of CB. When added (Example 6), it is achieved at 10 Hz. That is, it can be said that by adding 40 mg of CB, it was possible to deform at a response speed 10 times faster to achieve the same degree of expansion / contraction. The carbon black used here is about 1000 yen / kg, which is very cheap compared to carbon nanotubes and other conductive additives. By using carbon black, actuators with high expansion and contraction force can be produced at a lower cost. It can be said that it shows the possibility of providing.

Figure 0005332027
Figure 0005332027

試験例3
実施例1、7〜10及び比較例1で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法1により行った。得られた結果を、図16に示す。
Test example 3
Evaluation of the responsiveness to the voltage of the actuator elements obtained in Examples 1, 7 to 10 and Comparative Example 1 was performed by the actuator element evaluation method 1 described above. The obtained results are shown in FIG.

図16の結果から、導電補助剤としてポリアニリンを10〜50mg添加することにより、低周波での伸縮率が大きく向上することが明らかになった。特に、最大伸縮率(0.005Hz時)はポリアニリンを40mg添加した場合が最大になった。 From the results shown in FIG. 16, it has been clarified that by adding 10 to 50 mg of polyaniline as a conductive auxiliary agent , the expansion / contraction rate at a low frequency is greatly improved. In particular, the maximum expansion ratio (at 0.005 Hz) was maximized when 40 mg of polyaniline was added.

また、0.1〜1Hzといった比較的高い周波数では、実施例1及び7〜10のうち、ポリアニリンを20mg添加した実施例8が最もよい応答を示した。   Moreover, in comparatively high frequency, such as 0.1-1 Hz, Example 8 which added 20 mg of polyaniline among Examples 1 and 7-10 showed the best response.

試験例4
実施例1及び7〜10で得られたアクチュエータ素子について、試験例3で得られた最大伸縮率と別途測定した導電性薄膜層のヤング率から変形時の発生力を算出した。導電性薄膜層のヤング率はセイコーインスツルメンツ社製のTMA/SS6000にて測定した。求められた発生力を表2に示す。表2は、最大伸縮率(0.005Hz時)での発生力比較を示す。導電補助剤としてポリアニリンを10〜50mg添加した場合は導電補助剤無添加の場合(表1、CNT(50))に比べ、最大伸縮率及び発生力共に大幅に向上することが明らかになった。
Test example 4
For the actuator elements obtained in Examples 1 and 7 to 10, the generated force at the time of deformation was calculated from the maximum expansion ratio obtained in Test Example 3 and the Young's modulus of the conductive thin film layer separately measured. The Young's modulus of the conductive thin film layer was measured with TMA / SS6000 manufactured by Seiko Instruments Inc. Table 2 shows the generated force. Table 2 shows the generated force comparison at the maximum expansion / contraction rate (at 0.005 Hz). It has been clarified that when 10-50 mg of polyaniline is added as a conductive auxiliary agent, both the maximum expansion ratio and the generated force are greatly improved as compared with the case where no conductive auxiliary agent is added (Table 1, CNT (50)).

Figure 0005332027
Figure 0005332027

試験例5
実施例11および比較例3で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法2により行った。得られた結果を、図17に示す。
Test Example 5
Evaluation of the responsiveness with respect to the voltage of the actuator element obtained in Example 11 and Comparative Example 3 was performed by the actuator element evaluation method 2 described above. The obtained result is shown in FIG.

図17から、導電補助剤として酸化ルテニウムを添加することにより、±1.5Vより大きな電圧を印加することにより、変形応答が劇的に向上することが分かる。 From FIG. 17, it can be seen that by adding ruthenium oxide as a conductive additive, the deformation response is dramatically improved by applying a voltage greater than ± 1.5V.

1 電解質膜
2 導電性薄膜層
3 導電層
4 イオン性液体のカチオン
5 イオン性液体のアニオン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Conductive thin film layer 3 Conductive layer 4 Cation of ionic liquid 5 Anion of ionic liquid

Claims (3)

導電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマー(導電性高分子を除く)を含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜と、イオン液体およびポリマーから構成される1又は2以上の電解質膜を積層してなる積層体であって、
前記導電補助剤が、下記(1)〜(4)からなる群から選択される少なくとも一種であり:
(1)ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ(1,6−ヘプタジイン)、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリフェニルアセチレン、ポリ(2,5−チエニレン)、ポリインドール、ポリ−2,5−ジアミノアントラキノン、ポリ(o−フェニレンジアミン)、およびポリピリジンからなる群から選択される少なくとも一種の導電性高分子、
(2)カーボンブラック、
(3)メソポーラスシリカおよび
(4)金属酸化物、
かつ導電補助剤の配合割合が、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量100重量部に対し4〜65重量部である、積層体
Laminating conductive thin film composed of polymer gel containing conductive auxiliary agent, carbon nanotube, ionic liquid and polymer (excluding conductive polymer) and one or more electrolyte membranes composed of ionic liquid and polymer A laminated body comprising :
The conductive auxiliary agent is at least one selected from the group consisting of the following (1) to (4):
(1) polyacetylene, polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polyfluorene, polyphenylene, polyphenylene sulfide, poly (1,6-heptadiyne), polyparaphenylene, polyparaphenylene sulfide, polyphenylacetylene, poly (2,5-thienylene), At least one conductive polymer selected from the group consisting of polyindole, poly-2,5-diaminoanthraquinone, poly (o-phenylenediamine), and polypyridine,
(2) Carbon black,
(3) mesoporous silica and
(4) metal oxide,
And the compounding ratio of a conductive support agent is 4-65 weight part with respect to 100 weight part of total amounts of a carbon nanotube, an ionic liquid, and a polymer .
請求項の積層体からなるアクチュエータ素子。 An actuator element comprising the laminate according to claim 1 . イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、前記導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている請求項に記載のアクチュエータ素子。 On the surface of the electrolyte membrane composed of an ionic liquid and a polymer, said conductive conductive thin layer thin film and the electrodes are at least two forms from each other insulated, deformable by applying a potential difference between the conductive thin film layer The actuator element according to claim 2 , which is configured as follows.
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