JP5523553B2 - 高分子アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマーのファイバーで形成されたイオン伝導層の両側に電極層が積層されて、湾曲変形する高分子アクチュエータおよびその製造方法に関する。

以下の特許文献１と特許文献２に高分子アクチュエータに関する発明が記載されている。

この高分子アクチュエータは、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれた構造である。イオン伝導層は、ポリマーとイオン性液体とのゲル状組成物であり、電極層は、カーボンナノチューブとポリマーおよびイオン性液体とのゲル状組成物、またはカーボンナノチューブとイオン性液体とのゲル状組成物である。

２つの電極層間に電圧を印加すると、イオン伝導層内および電極層内のイオンの電離作用により、内部に偏った応力が発生し、一方の電極層が突側で他方の電極層が凹側となるように湾曲変形する。

特開２００５−１７６４２８号公報 特開２００６−２８８０４０号公報

前記高分子アクチュエータは、空気中または真空中で安定して動作でき、また低電圧で低消費電力で駆動できる利点があるが、変位量と発生力などの駆動効率のさらなる改良が望まれている。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、駆動効率をさらに向上させることができる高分子アクチュエータを提供することを目的としている。

また、本発明は、駆動効率をさらに向上できる高分子アクチュエータの製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記イオン伝導層が、直径が異なるポリマーのファイバーが積層された空隙率が１０％から７０％の範囲のファイバー層と、前記ファイバー層に含まれるイオン性液体とを有することを特徴とするものである。

本発明の高分子アクチュエータは、イオン伝導層を構成するファイバー層の内部に微細な空隙が形成されているために、比較的多くのイオン性液体を含むことができる。その結果、大きな変形量と大きな発生力を得ることが可能になる。

また、直径が異なるファイバーが含まれていると、ファイバー層内に微細な空隙が多く形成されやすくなり、イオン伝導層の内部に多くのイオン性液体が保持されやすくなる。

本発明は、直径が２倍以上相違するファイバーが含まれていることが好ましく、さらに直径が５倍以上相違するファイバーが含まれていることが好ましい。

また、本発明は、直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれていることが好ましく、直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれていることがさらに好ましい。

上記のように異なる太さのファイバーを組み合わせると、前記ファイバー層は、ファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んでいる構造になりやすい。

前記ファイバー層の空隙率は、２０％から５０％の範囲がさらに好ましい。

本発明は、前記電極層は、少なくとも導電性フィラーとイオン性液体とを含んでいるものとして構成できる。

次に、本発明は、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
ポリマー溶液をエレクトロスピニング法で紡糸し、直径が異なるファイバーを形成し、紡糸されたポリマーのファイバーを積層して空隙率が１０％から７０％の範囲のファイバー層を形成し、前記ファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層を形成する工程と、前記イオン伝導層の両側に電極層を配置する工程と、を有することを特徴とするものである。

本発明は、少なくとも導電性フィラーとイオン性液体とを含む電極層をキャスト法で形成し、前記電極層を前記イオン伝導層に熱圧着する製造方法を採用することができる。

本発明の高分子アクチュエータは、イオン伝導層にゲル状組成物を使用した従来の高分子アクチュエータに比べて、大きな変位量を得やすく、大きな力を発生させやすくなる。

また、本発明の高分子アクチュエータの製造方法は、内部に微細な空隙を有するファイバー層を有するイオン伝導層を製造しやすい。

本発明の実施の形態の高分子アクチュエータの構造を示す側面図、 イオン伝導層のファイバー層を製造するエレクトロスピニング法の説明図、 （Ａ）は、実施例１のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、 （Ａ）は、実施例２のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、 （Ａ）は、比較例のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、

図１は本発明の実施の形態の高分子アクチュエータ１を示している。
高分子アクチュエータ１は、Ｙ方向が長手方向で、紙面に直交するＸ方向が幅方向であり、Ｚ方向が厚さ方向である。高分子アクチュエータ１は、長手方向の寸法が幅寸法および厚さ寸法よりも大きい平板形状（短冊形状）である。

高分子アクチュエータ１は、イオン伝導層２を有し、イオン伝導層２の厚み方向（Ｚ方向）に向く一方の表面に第１の電極層３が重ねられて接合され、他方の表面に第２の電極層４が重ねられて接合されている。イオン伝導層２の厚さ寸法は１０〜５０μｍ程度、第１の電極層３と第２の電極層４の厚さ寸法は６０〜２００μｍ程度である。高分子アクチュエータ１の長手方向の寸法は例えば５０ｍｍ以下であり、１０ｍｍ以下の小型のものとすることができる。

イオン伝導層２は、ポリマーのファイバーが積層されたファイバー層にイオン性液体が含浸されたものである。ポリマーのファイバーは、図２に示すエレクトロスピニング法で紡糸される。エレクトロスピニング法の紡糸に適したポリマーは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）などである。

図２に示すように、エレクトロスピニング法による紡糸装置１０は、シリンジ１１の下端に導電性のノズル針１２が取り付けられており、ノズル針１２に対向する部分にステンレススチールなどの導電性材料で形成された基板１３が設置されている。ポリマーと溶媒から成るポリマー溶液１４をシリンジ１１に供給してノズル針１２から押し出す。これとともに、ノズル針１２と基板１３との間に電圧を印加し、ノズル針１２側をプラス電位とし基板１３側のマイナス電位にすると、シリンジ１１から押し出されたポリマー溶液１４がノズル針１２から射出されて、ノズル針１２と基板１３との間の電界の力によりファイバーが紡糸される。このファイバー１５が基板１３の表面に堆積して、ファイバー層が形成される。溶媒としては、例えばＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）やＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）などが使用される。

ポリマー溶液のポリマー濃度は、１０〜３０質量％の間で調整され、ポリマー溶液の粘度は５０〜５００ｃｐｓの間で調整される。ノズル針１２の内径寸法は０．１〜２ｍｍ程度のものが使用される。ファイバーを形成できるためのノズル針１２と基板１３との間の電圧は、１０〜２０ｋＶ程度が好ましい。

紡糸されるファイバーの直径は、紡糸条件に応じて変化する。ポリマー溶液を比較的高濃度で高粘度とし、低沸点の溶媒を使用し、比較的内径の大きいノズル針１２を使用することで、太めのファイバーを得ることができる。比較的太いファイバーを紡糸すると、ノズル針１２から基板１３に到達する前の空間中で分岐し、太さの相違するファイバーを紡糸しやすくなる。

太さの相違するファイバーが混在して堆積したファイバー層は、内部に微細な空隙を多数有する構造となり、イオン性液体の保持力が大きくなって、イオン伝導層２として適したものとなる。

すなわち、イオン伝導層２を構成するファイバー層は、直径が異なるファイバーが含まれていることが好ましい。また、直径が２倍以上相違するファイバーが含まれているものが好ましく、直径が５倍以上相違するファイバーが含まれているものがさらに好ましい。さらに直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれているものが好ましく、例えば、直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれているものが好ましい。

太さの相違するファイバーが混在するファイバー層は、太いファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んで、内部に微細な空隙が形成されやすくなる。

エレクトロスピニング法で製造されたファイバーのファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層２を形成する。イオン性液体は、陽イオンと陰イオンを含む常温溶融塩である。イオン性液体を含浸させる際に、ファイバー層とイオン性液体を８０℃以上の温度に加熱すると、ファイバー層へのイオン性液体の含浸が促進される。

第１の電極層３と第２の電極層４は、ＰＶＤＦなどのポリマーとイオン性液体と導電フィラーで形成される。導電フィラーは例えばカーボンナノチューブが使用される。

ポリマーと溶媒とから成るポリマー溶液とイオン性液体とカーボンナノチューブとが混合された組成物をキャスト法（展延法）で膜状に形成し、これをイオン伝導層２の両側の表面に重ねて加熱しプレスすることで３層構造の積層体が形成される。３層構造の積層体を短冊状に切断し、図１に示す高分子アクチュエータ１を得ることができる。

なお、第１の電極層３と第２の電極層４を、カーボンナノチューブなどの導電フィラーとイオン性液体とから形成し、キャスト法で成膜して、イオン伝導層２の両側の表面に積層し熱プレスして、３層構造の積層体を得ることもできる。

図１に示す高分子アクチュエータ１は、基部１ａを保持し、先部１ｂを自由端とする片持ち状態で支持される。第１の電極層３と第２の電極層４との間に駆動電圧が与えられる。このとき、第１の電極層３をプラス側とし第２の電極層４をマイナス側とすると、イオン伝導層２に含まれているイオン性液体の電離作用で、陽イオンが第２の電極層４側に偏り、陰イオンが第１の電極層３側に偏る。これにより、高分子アクチュエータ１は、第２の電極層４側が突側で、第１の電極層３が凹側となるように湾曲変形する。これは、電離した陽イオンが陰イオンよりも大きいときに、第１の電極層３側よりも第２の電極層４側の内部の膨張応力が大きくなるからであると考えられている。

前記高分子アクチュエータ１は、従来のようにポリマーとイオン性液体を含むゲル状組成物でイオン伝導層を構成した高分子アクチュエータよりも、大きな変位量と大きな力を得られることが確認できた。これは、ファイバーで形成されたイオン伝導層２は、内部に微細な空隙が形成されているために、多くのイオン性液体を保持しやすく、しかも電圧が与えられたときに、イオン伝導層２内でイオンが移動しやすいためであると考えられる。

イオン伝導層２を構成するファイバー層の空隙率は、１０％から７０％の範囲であり、２０％から５０％の範囲がさらに好ましい。空隙率が１０％を下回ると含浸できるイオン性液体の量が十分でなく、また空隙率が７０％を超えると膜の強度が十分でなく、いずれもアクチュエータ特性が十分でなくなる。

前記空隙率は、ポリマーの密度と、ファイバー層の厚み、面積、重量から算出することができる。

（実施例１）
ＰＶＤＦが８００ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が２２質量％）を使用し、エレクトロスピニング法で紡糸した。使用したノズル針１２の内径は０．３４ｍｍ、ノズル針１２と基板１３間の電圧を１７ｋＶとした。ノズル針１２からのポリマー溶液の吐出量は毎秒２．０μｌ（マイクロリットル）であった。ファイバーが積層されたファイバー層の厚さは２０μｍであった。

ファイバー層の密度は１．１ｇ／ｃｍ³であり、ＰＶＤＦの密度（１．７８ｇ／ｃｍ³）から計算される空隙率は約３８％であった。

図３（Ａ）は、実施例１のファイバー層を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。右下のスケールは１目盛りが１μｍである。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）を拡大したものであり、右下のスケールは１目盛り０．５μｍである。

実施例１のファイバー層は、異なる寸法のファイバーを含んでいる。図３から観察できる最も細いファイバーの直径は０．１〜０．２μｍ、最も太いファイバーの直径は５〜１０μｍである。最も細いファイバーと最も太いファイバーとの直径の差は、５〜１０μｍ程度以上である。さらに、直径が０．５μｍ前後のものや、直径が１〜３μｍのものなど、中間の複数種類の直径のファイバーを含んでいる。

図３で観察できるように、実施例１のファイバー層は、太いファイバーの間に中間の太さのファイバーが存在し、さらに中間の太さのファイバーの間にそれよりも細いファイバーが存在し、それぞれの太さのファイバーが絡みあっている。そのため、ファイバー層の内部に微細な空隙がファイバーで分割されて多数形成されやすくなっている。

前記ファイバー層にイオン性液体を８０℃の温度下において含浸させ、イオン伝導層２を形成した。

第１の電極層３と第２の電極層４は、ＰＶＤＦとＤＭＡｃから成るポリマー溶液にカーボンナノチューブとイオン性液体とが含まれた組成物をキャスト法で成膜し、これを前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして実施例１の高分子アクチュエータ１を得た。第１の電極層３と第２の電極層４の厚さ寸法は、共に１３０μｍであった。

（実施例２）
ＰＶＤＦが４５０ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が１４質量％）を使用し、エレクトロスピニング法で紡糸した。使用したノズル針１２の内径は０．２１ｍｍ、ノズル針１２と基板１３間の電圧を１７ｋＶとした。ノズル針１２からのポリマー溶液の吐出量は毎秒１．０μｌ（マイクロリットル）であった。ファイバーが積層されたファイバー層の厚さは１８μｍであった。

ファイバー層の密度は０．７ｇ／ｃｍ³であり、ＰＶＤＦの密度から計算される空隙率は約６１％であった。

図４（Ａ）は、実施例２のファイバー層を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。右下のスケールは１目盛りが１μｍである。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）を拡大したものであり、右下のスケールは１目盛り０．５μｍである。

実施例２のファイバー層は、異なる寸法のファイバーを含んでいる。図４から観察できる最も細いファイバーの直径は０．１μｍ程度以下、最も太いファイバーの直径は０．２〜０．３μｍである。最も細いファイバーと最も太いファイバーとの直径の差は、０．１〜０．３μｍ程度である。

実施例２のファイバー層は、図３に示す実施例に比べると、ファイバーどうしの絡み合いが少なく、ファイバーの間に形成されている空隙も大きい。

前記ファイバー層にイオン性液体を８０℃の温度下において含浸させ、イオン伝導層２を形成した。そして、実施例１と同じ構成で同じ厚さ寸法の第１の電極層３と第２の電極層４を前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして実施例２の高分子アクチュエータを得た。

（比較例）
ＰＶＤＦが１００ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が３．４質量％）にイオン性液体を混合した組成物を使用し、キャスト法によって２０μｍの厚さの電解質ポリマー膜を形成し、これをイオン伝導層として使用した。電解質ポリマー膜の密度は、１．６〜１．８ｇ／ｃｍ³であった。図４（Ａ）（Ｂ）は、電解質ポリマー膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したものである。図４（Ａ）の右下のスケールの１目盛りは１０μｍであり、図４（Ｂ）の右下のスケールの１目盛りは１μｍである。

実施例１と同じ構成で同じ厚さ寸法の第１の電極層３と第２の電極層４を前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして比較例の高分子アクチュエータを得た。

（特性の比較）
実施例１と実施例２および比較例のそれぞれの高分子アクチュエータは、長さ寸法を１０ｍｍ、幅寸法を５ｍｍとした。

実施例１と実施例２および比較例の高分子アクチュエータの第１の電極層と第２の電極層に電圧を印加し、湾曲変形させた。２．５Ｖの電圧を変化させたときの自由端の変位量と発生力を測定した。

実施例１は、変位量が０．５４ｍｍで発生力が５０ｍＮ、実施例２は、変位量が０．３５ｍｍで発生力が４０ｍＮ、比較例は、変位量が０．３ｍｍで発生力が３３ｍＮであった。

１ 高分子アクチュエータ
１ａ 基部
１ｂ 先部
２ イオン伝導層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
１０ エレクトロスピニング法による紡糸装置
１１ シリンジ
１２ ノズル針
１３ 基板
１４ ポリマー溶液
１５ ファイバー

Claims (9)

1. ２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータにおいて、
   前記イオン伝導層が、直径が異なるポリマーのファイバーが積層された空隙率が１０％から７０％の範囲のファイバー層と、前記ファイバー層に含まれるイオン性液体とを有することを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 直径が２倍以上相違するファイバーが含まれている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
3. 直径が５倍以上相違するファイバーが含まれている請求項１または２記載の高分子アクチュエータ。
4. 直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれている請求項１ないし３のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
5. 直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれている請求項４記載の高分子アクチュエータ。
6. 前記ファイバー層は、ファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んでいる請求項１ないし５のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
7. 前記電極層は、導電性フィラーとイオン性液体とを含んでいる請求項１ないし６のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
8. ２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
   ポリマー溶液をエレクトロスピニング法で紡糸し、直径が異なるファイバーを形成し、紡糸されたポリマーのファイバーを積層して空隙率が１０％から７０％の範囲のファイバー層を形成し、前記ファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層を形成する工程と、前記イオン伝導層の両側に電極層を配置する工程と、を有することを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
9. 導電性フィラーとイオン性液体とを含む電極層をキャスト法で形成し、前記電極層を前記イオン伝導層に熱圧着する請求項８記載の高分子アクチュエータの製造方法。

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