JP6420192B2 - 炭素含有フィルムおよび炭素含有フィルムの製造方法ならびに高分子アクチュエータ素子および高分子アクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムは、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを備え、高分子アクチュエータ素子の電極層に使用されるものである。炭素含有フィルムの厚さは限定されない。炭素含有フィルムの厚さとして、50〜250μmが例示される。
図1は本発明の一実施形態に係る高分子アクチュエータ素子の部分断面図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る高分子アクチュエータ素子1は、電解質層2と、電解質層2の厚さ方向(図1のZ方向)の両側表面に形成される電極層3、4と、を備える。電解質層2の主面のそれぞれに、電極層3、4の主面が対向するように、2つの電極層3、4と電解質層2とは積層されている。図1に示される高分子アクチュエータ素子1は、電極層3、4が上記の本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムからなる。
本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムの製造方法は限定されない。次に説明する製造方法を実施すれば、本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムを効率的に製造することが可能である。
第1混練工程では、カーボン材料にイオン液体を滴下し、その後に、ベースポリマーを添加して混練を行い、混練物を得る。カーボン材料へのイオン液体の滴下は複数回に分けて行うとよい。その後に、Fb−PTFEを含むベースポリマーを添加して混練を行う。混練の具体的な方法は限定されない。例えば、乳鉢や三本ロールを用いて行ってもよい。
ペレット化工程では、上記の混練工程により得られた混練物からペレットを形成する。この工程は、例えば、ペレタイザーを用いて造粒した後に、50〜100kg/cm2で加圧することによって行うことができる。
膜状化工程では、上記のペレット化工程で得られたペレットを所定の方向に延伸して、炭素含有フィルムの少なくとも一部をなす膜状体を得る。炭素含有フィルムは上記の延伸によって得られた膜状体からなるものであってもよい。一群のペレットを延伸して膜状化することにより、ペレットに含有されるFb−PTFEは、延伸方向に沿うように整列し、Fb−PTFEが配向した膜状体を得ることができる。膜状化工程では、膜状体を得るために繰り返し延伸を行うことが好ましい。繰り返し延伸を行うことにより、膜状体に含まれるFb−PTFEの配向の程度を高めることができる。このように、膜状化工程において延伸の程度を変化させることにより、膜状体を備える炭素含有フィルムに含まれるFb−PTFEの配向の程度を調整することができる。
(1)第2混練工程
第2混練工程では、カーボン材料とベースポリマー(Fb−PTFEを含む。)とを混練して混練物を得る。混練方法は限定されない。例えば、乳鉢や三本ロールを用いて行ってもよい。
(4)含浸工程
含浸工程では、膜状化工程で得られた膜状体にイオン液体を含浸させる。含浸方法は限定されない。スポイトなどを用いてイオン液体を滴下することが例示される。
このように、第2混練工程および含浸工程を備える製造方法の場合には、(3)膜状化工程により得られた膜状体は、乾燥体である、すなわち、イオン液体を含有しないため、取扱いが容易であり、保管や運搬が容易となる。
本発明の一実施形態に係る高分子アクチュエータ素子の製造方法は限定されない。次に説明する製造方法を実施すれば、本発明の一実施形態に係る高分子アクチュエータ素子を効率的に製造することが可能である。
積層工程では、電解質層の主面のそれぞれに電極層の主面が対向するように2つの電極層と電解質層とを積層して積層体を得る。2つの電極層の少なくとも一方は、少なくとも一部に本発明の一実施形態に係る炭素含有フィルムを備える。各層の積層方法は限定されない。通常、一方の電極層を平面上に載置し、その上に電解質層を載置し、さらに他方の電極層を載置する。得られた積層部材を加圧することにより一体化して、積層体が得られる。2つの電極層は、それぞれに含有されるFb−PTFEの配向が揃うように配置されることが、高分子アクチュエータ素子の変位量および剛性の異方性を高める観点から好ましい。
切断工程では、上記の積層工程により得られた積層体の積層方向に沿う方向に積層体を切断して、高分子アクチュエータ素子を得る。切断方法は限定されない。切断刃や抜き型を用いてもよいし、水などの流体を高圧で噴射して切断してもよい。あるいは、レーザやイオンビームなどエネルギー線を用いて切断してもよい。
実施例1では、以下の条件で炭素含有フィルムおよび高分子アクチュエータ素子を製造した。各工程は、特に記載している場合を除いて常温・大気中で行った。
(1)炭素含有フィルムの作製
i)第2混練工程
下記カーボン材料にベースポリマーを添加して混練を行い、混練物を得た。
カーボン材料:活性炭およびカーボンブラック
ベースポリマー:Fb−PTFE
上記の混練工程により得られた混練物を、ペレタイザーを用いて加圧することによってペレットを得た。
上記のペレット化工程で得られたペレットを一方向に偏って延伸させ、厚さ200μmの膜状体を得た。
上記で得られた膜状体にイオン液体(EMI-TfO)を適量滴下することで含浸させ、炭素含有フィルムを作製した
i)積層工程
以下の構成の電解質層(厚さ:20μm)を用意した。
ベースポリマー:ポリフッ化ビニリデン(PVdF)100mg
イオン液体:EMI−TfO 100mg
得られた電解質層の主面のそれぞれに、イオン液体(EMI−TfO)を含浸させた炭素含有フィルムからなる電極層の主面が対向するように、2つの電極層と電解質層とを積層した。具体的には、一方の電極層(厚さ:200μm)を平面上に載置し、その上に電解質層を載置し、さらに他方の電極層(厚さ:200μm)を載置した。得られた積層部材を加圧することにより一体化して、厚さ420μmの積層体を得た。ここで、積層した2つの電極層は、それぞれに含有されるFb−PTFEの配向が揃うように配置した。
上記の積層工程により得られた積層体の積層方向に沿う方向に、切断刃を用いて積層体を切断して、平面視形状が5mm×10mmの長方形の高分子アクチュエータ素子を得た。ここで、積層体を切断する際に、高分子アクチュエータ素子の平面視形状の長軸方向が、電極層に含有されるFb−PTFEの配向に沿った方向になるように、切断方向を調整した。
実施例1と同様にしてイオン液体(EMI−TfO)を含浸させた炭素含有フィルムを製造した。この炭素含有フィルムを電極層として、実施例1と同様にして、高分子アクチュエータ素子の作製の積層工程までを実施した。上記の積層工程により得られた積層体の積層方向に沿う方向に、切断刃を用いて積層体を切断して、平面視形状が5mm×10mmの長方形の高分子アクチュエータ素子を得た。ここで、積層体を切断する際に、高分子アクチュエータ素子の平面視形状の短軸方向が、電極層に含有されるFb−PTFEの配向に沿った方向になるように、切断方向を調整した。
炭素含有フィルムの作製において、用いたベースポリマーを、Fb−PTFEに代えて、フィブリル化されていない不定形のポリテトラフルオロエチレンとしたこと以外は、実施例1と同様にして、イオン液体(EMI−TfO)を含浸させた炭素含有フィルムを得た。
実施例1および2ならびに比較例1において作製した高分子アクチュエータ素子のそれぞれを、平面視形状の長軸方向が突出方向(X方向)と平行であり、素子の主面の法線方向が鉛直方向(Z方向)と平行になるように、固定支持部を用いて固定した。突出長さは5mmであった。この固定支持部を、電極層のそれぞれと電気的に接続する接続部(給電部)として機能するものとして、外部電源からの電圧を固定支持部から電極層に印加可能とした。
2 電解質層
3、4 電極層
5 基端部
6 固定支持部
7 先端部
Claims (17)
- ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを備え、高分子アクチュエータ素子の電極層に使用される炭素含有フィルムであって、
前記ベースポリマーはフィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンを含有し、
前記フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンは前記炭素含有フィルムの主面内方向に配向していることを特徴とする炭素含有フィルム。 - 前記ベースポリマーの重量の前記カーボン材料の総重量に対する比は、0.02以上0.15以下である、請求項1に記載される炭素含有フィルム。
- 前記カーボン材料はカーボンナノファイバまたはカーボンナノチューブを含有し、前記カーボンナノファイバまたは前記カーボンナノチューブは、前記フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンが配向する方向に沿うように配向している、請求項1または請求項2に記載の炭素含有フィルム。
- 前記カーボンナノファイバは、賦活処理によって表面積を増大させたカーボンナノファイバである、請求項3に記載される炭素含有フィルム。
- 前記カーボン材料はナノ炭素材をさらに含有する、請求項3または請求項4に記載される炭素含有フィルム。
- 前記ナノ炭素材はカーボンナノホーンを含有する、請求項5に記載される炭素含有フィルム。
- 前記ナノ炭素材の重量の前記カーボン材料の総重量に対する比は、0.4以上0.8以下である、請求項5または請求項6に記載される炭素含有フィルム。
- 前記イオン液体は、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホナートを含有する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載される炭素含有フィルム。
- 前記イオン液体の重量の前記カーボン材料の総重量に対する比は、1以上2.5以下である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載される炭素含有フィルム。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載される炭素含有フィルムを備える電極層と、前記電極層が備えるイオン液体と同種の材料からなるイオン液体および電解質用ベースポリマーを備える電解質層とを備え、前記電解質層の主面のそれぞれに、前記電極層の主面が対向するように、2つの前記電極層と前記電解質層とは積層されていることを特徴とする高分子アクチュエータ素子。
- 前記高分子アクチュエータ素子に電圧が印加されたときに前記電極層が伸縮する方向に平行な方向に沿うように、前記電極層に含有される前記フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一部は配向している、請求項10に記載の高分子アクチュエータ素子。
- 前記高分子アクチュエータ素子に電圧が印加されたときに前記電極層が伸縮する方向に直交する方向に沿うように、前記電極層に含有される前記フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一部は配向している、請求項10または請求項11に記載の高分子アクチュエータ素子。
- 前記電解質用ベースポリマーはポリフッ化ビニリデンを含有する、請求項10から請求項12のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータ素子。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載される炭素含有フィルムの製造方法であって、
前記カーボン材料に前記イオン液体を滴下し、その後に、前記ベースポリマーを添加して混練を行い、混練物を得る第1混練工程と、前記混練物からペレットを形成するペレット化工程と、前記ペレットを所定の方向に延伸して、前記炭素含有フィルムの少なくとも一部をなす膜状体を得る膜状化工程と、を備えることを特徴とする炭素含有フィルムの製造方法。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載される炭素含有フィルムの製造方法であって、
前記カーボン材料と前記ベースポリマーとを混練して混練物を得る第2混練工程と、前記混練物からペレットを形成するペレット化工程と、前記ペレットを所定の方向に延伸して、前記炭素含有フィルムの少なくとも一部をなす膜状体を得る膜状化工程と、前記膜状体にイオン液体を含浸させる含浸工程と、を備えることを特徴とする炭素含有フィルムの製造方法。 - 前記膜状化工程では、前記膜状体を得るために繰り返し延伸を行う、請求項14または15に記載の炭素含有フィルムの製造方法。
- 請求項10から請求項13のいずれか一項に記載される高分子アクチュエータ素子の製造方法であって、
前記電解質層の主面のそれぞれに前記電極層の主面が対向するように2つの前記電極層と前記電解質層とを積層して積層体を得る積層工程と、
前記積層体の積層方向に沿う方向に前記積層体を切断して、前記高分子アクチュエータ素子を得る切断工程と、
を備えることを特徴とする高分子アクチュエータ素子の製造方法。
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