JP7230745B2 - 誘電エラストマー及びこれを用いたアクチュエータ - Google Patents
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Description
架橋されたポリロタキサンであるウレタン系エラストマーと、フィラーとして配合された平均一次粒子径が1000nm以下であるBaSO4とを含む誘電エラストマー。
平均一次粒子径は、各粒子径区間の粒子数をNi、粒子径区間の中心値をDiとしたとき、平均一次粒子径=ΣNi・Di/ΣNi で与えられる。
平均一次粒子径が1000nm以下であるBaSO4がフィラーとして配合されていると、絶縁破壊電圧が高くなり、経時的に安定して耐電圧が向上する。
さらに、BaSO4の平均一次粒子径が500nm以下であり、好ましくは配合量が0.1~50質量%であると、経時的に安定して空間電荷を抑制する。すなわち、電圧を印加したときのウレタン系エラストマーの内部での空間電荷の移動が、BaSO4の微細粒子による電荷トラップにより抑制され、内部に局所的に電界が集中する箇所が発生しにくくなる。
平均一次粒子径の下限値は、特にないが、敢えていえば1nm、好ましくは5nmである。5nm未満、特に1nm未満のものは、製造及び入手が困難である。
平均一次粒子径が500nmを越えると、分散中の再凝集のため、空間電荷の抑制作用が減少する。
配合量が0.1質量%未満だと、空間電荷の抑制作用が減少する。
配合量が50質量%を越えると、ヒステリシスロスが増加する。
ウレタン系エラストマーと、フィラーとして配合された平均一次粒子径が1000nm以下であるBaSO 4 とを含む誘電エラストマーで形成された誘電エラストマー成形体と、前記誘電エラストマー成形体の両側に配置された電極層とを含む誘電エラストマーアクチュエータ。
前記のとおり、本発明では、特にウレタン系エラストマーは空間電荷の影響が大きいことを課題としている。
ウレタン系エラストマーとしては、ポリロタキサンと架橋剤とがウレタン結合で結合されている架橋ポリロタキサン、ウレタンゴム等を例示できる。
但し、誘電エラストマー成形体は、ウレタン系エラストマー以外の誘電エラストマーを含んでいてもよい。その場合、ウレタン系エラストマーが最多のエラストマー成分であることが好ましい。
ウレタン系エラストマー以外の誘電エラストマーとしては、特に限定されないが、シリコーンエラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、ウレタン結合を含まない架橋ポリロタキサン等を例示できる。
環状分子としては、シクロデキストリン、クラウンエーテル、シクロファン、カリックスアレーン、ククルビットウリル、環状アミド等を例示できる。
直鎖状分子としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラヒドロフラン等のポリエーテル類、ポリ乳酸等のポリエステル類、6-ナイロン等のポリアミド類、ポリイソプレン、ポリブタジエン等のジエン系重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリイソブチレン等のビニル重合体や、ポリジメチルシロキサン等を例示できる。
封鎖基としては、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、ピレン類、置換ベンゼン類(置換基として、アルキル、アルキルオキシ、ヒドロキシ、ハロゲン、シアノ、スルホニル、カルボキシル、アミノ、フェニルなどを例示できる。)、置換されていてもよい多核芳香族類(置換基として、上記と同じものを例示できる。)、ステロイド類等を例示できる。
現在、最も一般的なポリロタキサンは、環状分子としてシクロデキストリン、直鎖状分子としてポリエチレングリコールを用いたものである。
架橋剤としては、塩化シアヌル、トリメソイルクロリド、テレフタロイルクロリド、エピクロロヒドリン、ジブロモベンゼン、グルタールアルデヒド、脂肪族多官能イソシアネート、芳香族多官能イソシアネート、ジイソシアン酸トリレイン、ヘキサメチレンジイソシアネート、ジビニルスルホン、1,1‘-カルボニルジイミダゾール、アルコキシシラン類、およびそれらの誘導体、両末端にイソシアネートを有する重合体(例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等)、ポリシロキサンを含有するブロック共重合体(ポリカプロラクトン-ポリシロキサンブロック共重合体、ポリアジペート-ポリシロキサンブロック共重合体、ポリエチレングリコール-ポリシロキサンブロック共重合体等)等を例示できる。
誘電エラストマーアクチュエータは、変位を大きく取れる点で、2以上の膜状の誘電エラストマー成形体と3以上の電極層とを交互に(第1電極層/誘電エラストマー成形体/第2電極層/誘電エラストマー成形体/第1電極層・・・)積層したものが好ましい。
積層数は、特に限定されないが、誘電エラストマー層の層数で表すと、2~190が好ましく、10~150がより好ましい。
ここで、導電性粒子としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、白金、金、銀、銅、ニッケル等の粒子等を例示できる。
導電性塗膜の樹脂成分としては、特に限定されないが、フタル酸系、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系、ビニル系等の樹脂を例示できる。
導電性エラストマー成形体のエラストマー成分としては、特に限定されないが、上記[1]で例示した誘電エラストマーを例示できる。
<2>架橋剤溶液の作製
<3>エラストマー組成物溶液の作製
<4>誘電体エラストマー膜の作製
<5>誘電エラストマー膜の物性の測定
<6>評価
<7>誘電エラストマーアクチュエータの作製
まず、環状分子にシクロデキストリンを含有し、直鎖状分子にポリエチレングリコールを含有し、直鎖状分子の両末端に封鎖基を配置してなるポリロタキサンとして、国際公開第2005/080469号に開示された、ヒドロキシプロピル基で修飾されたポリロタキサン(以下「HAPR」と略記することがある。)を調製した。
三口ナスフラスコにポリプロピレングリコール700、ジオール型(500g、富士フィルム和光純薬社製)、ε-カプロラクトンのモノマーであるプラクセルM(430g、ダイセル社製)を加えた後、110℃のオイルバス中で窒素気流下、2時間撹拌した。オイルバスを130℃に昇温した後、2-エチルヘキサン酸スズ(0.5g、アルドリッチ社製)を加えて10時間撹拌し、両末端にポリカプロラクトンがグラフトされたポリプロピレングリコール(オリゴマー1)(Mn=1710)を得た。
三口ナスフラスコに上記オリゴマー1(100g)を加えた後、90℃のオイルバス中で窒素気流下撹拌した。この溶液にタケネート600(7.45g)を1時間かけてゆっくりと滴下した後、更に2時間撹拌して、オリゴマー2(Mn=3982)を得た。
三口ナスフラスコにタケネート600(16.66g、三井化学社製)を加えた後、90℃のオイルバス中で窒素気流下撹拌した。この溶液に上記オリゴマー2(80g)をトルエン(80g)に溶解させた溶液を2時間かけてゆっくりと滴下した後、更に2時間撹拌した。反応後、40℃まで液温を低下させた後、2-ブタノンオキシム(10.95g、東京化成社製)を液温が60℃以上にならないようにゆっくりと滴下した。滴下後、40℃で5時間撹拌して、末端ブロックイソシアネート基を有するポリプロピレングリコールからなる架橋剤の溶液(Mn=5422)を得た。
次の表1、表2及び表3に示す配合(配合数値は質量(g))で、試料1~17、F1~F3のエラストマー組成物溶液を作製した。
・試料1はフィラーを配合しないものである。
・試料2~9はフィラーとして平均一次粒子径(以下、単に「粒子径」ということがある。)30nmのBaSO4を配合し、その配合量を変えたものである。
・試料F1~F3は別のフィラーを配合したものである。
・試料11,13,15,17はフィラーとしてBaSO4を配合し、その粒子径を変えたものである。
また、表1の試料6と、表2の試料6’は、同一配合のものを異なる日時に実験したものである。
・2反応成分として、和光純薬社製「ポリプロピレングリコール700、ジオール型」をそのまま用いた。
・1反応成分として、和光純薬社製「ポリプロピレングリコール1K、モノオール型」をそのまま用いた。
・架橋剤溶液は、上記<2>で作成したものである。
・酸化防止剤として、Rianlon Corp.製「Thanox1726」を用いた。
・溶媒として、トルエンを用いた。
・触媒(脱保護用)として、ジラウリル酸ジブチルスズ(溶液)を用いた。
・加水分解抑制剤として、日清紡ケミカル社製「カルボジライトV-09GB」(溶液であり、固形分30質量%)を用いた。
(ア)BaSO4
30nm:堺化学工業社の商品名「バリクリアBF-20FS」(一次粒子径30nmのBaSO4を酢酸ブチルに分散させた状態のものであり、固形分62質量%)をそのままフィラー分散体として用いた。
100nm:堺化学工業社の商品名「BARIFINE BF-1L」(粒子状態)を、上記30nmと同様(分散媒:酢酸ブチル、固形分62質量%)に分散させたものを用いた。
300nm:堺化学工業社の商品名「BARIACE B-34」(粒子状態)を、上記30nmと同様に分散させたものを用いた。
900nm:堺化学工業社の商品名「沈降性バリウム270」(粒子状態)を、上記30nmと同様に分散させたものを用いた。
(イ)MgO
堺化学工業社の商品名「SMO-0.1」(平均一次粒子径100nm、粒子状態)を用い、分散媒に分散させずに粒子状態のままものを直接混ぜた。
(ウ)Al2O3
日本アエロジル社の商品名「Alu C」(平均一次粒子径13nm、粒子状態)を用い、同じく直接混ぜた。
(エ)SiO2
日本アエロジル社の商品名「R972」(平均一次粒子径16nm、粒子状態)を用い、同じく直接混ぜた。
次に、この混合溶液に、シリコン添加剤、触媒、及び加水分解抑制剤を加え、撹拌して均一な添加溶液とした。
さらに、この添加溶液に、フィラー分散体を加え、撹拌して均一なエラストマー組成物溶液を作製した。
上記で作製したエラストマー組成物溶液を、よく脱泡してから、PETシートにスリットダイコーター法により塗布した後、130℃のオーブン内に減圧条件下で5時間おいて硬化させ、PETシートより剥離し、厚さ約0.05mm(EMP測定用は厚さ約0.1mm)の誘電エラストマー膜を作製した。
各試料の誘電エラストマー膜について、上記作製後の初期特性を以下のように測定した。測定結果を表1~3及び図4~13,16~23に示す。また、試料6’については3ヶ月経過時の経時特性も測定し(表2下段)、試料F1については4ヶ月経過時の経時特性も測定した(表2下段、図14,15)。
各試料の誘電エラストマー膜にオートファインコータ(JEC-3000FC 日本電子社製)を用いて白金をφ内径5mmに蒸着し、誘電率測定用プローブを用いてPecision Impedance Analyser(4294A Agilent社製)で静電容量を測定し、算出した。
各試料の誘電エラストマー膜をダンベル型(幅2.04mm、初期試料長10mm)に加工し、shimazu社製「AGS-X 10N」を用いて、引張速度0.2mm/秒で引張試験を行い、応力-歪曲線を記録して1%~5%伸長時までの応力-歪曲線を線形近似した傾きから初期弾性率を算出するとともに、破断強度と伸長率を測定した。
ヒステリシスロスは、JIS K6400に準拠した、変形及び回復の1サイクルにおける機械的エネルギー損失率(ヒステリシスロス)において、材料の変形の代わりに材料の引張試験による歪を用いたものである。
具体的には、各試料の誘電エラストマー膜をダンベル7号形(JIS K-6251に準拠する)に加工し、引張試験にかけ、応力-歪曲線を測定する。伸長が有効長さの100%まで伸長した後、伸長と同じ速度で0%まで収縮する。このサイクルを10回行い、面積を測定し計算する方法で1から10回までの平均値をヒステリシスロスとして算出した。
まず、各試料の誘電エラストマー膜の膜厚を測定した。次に、図1に示すように、設置側の円板電極21に誘電エラストマー膜1を貼り付け、誘電エラストマー膜1に円柱電極22を載せ、この際に誘電エラストマー膜1と各電極21,22との間に空気泡が極力残らないように留意し、さらに真空装置により脱気処理した。これを常温常湿下で絶縁破壊測定器にセットし、電源装置23により電極21,22間に昇圧速度10V/0.1秒で上昇するよう電圧を印加した。そして、電流が実質的に流れない絶縁状態を経て、電流が1.2μA以上となった時点の電圧から絶縁破壊電界強度(V/μm)を求めた。常温とは20±15℃であり、常湿とは65±20%である(JIS-8703)。
各試料の誘電エラストマー膜の面抵抗率ρs(Ω/□)と、体積抵抗率ρv(Ω・cm)を、日置電機社製「超絶縁計SM7120」を用いて測定した。
試料1,6’(初期)の誘電エラストマー膜(厚さ約0.1mm)を、その一方面に負電極、他方面に正電極を設けたうえで、図2に示すように引張試験機により上下方向に引張りながら、島津製作所社製「AGS-X 10N」により、引張力を測定した。詳しくは、図3に示すように、まずプレストレッチ20%をかけ、20%引張りの状態で120秒保持し、そのまま電圧(3000V)を印加してさらに420秒保持した後、電圧の印加を止めて60秒保持した(トータルで600秒)。
PEA空間電荷測定装置により、各試料の誘電エラストマー膜内の電荷分布を測定した。そして、空間電荷の一つの評価指標として、最大電界強調率を次のように算出した。初期電界は、3000[V](印加電圧)/膜厚[μm] である。
最大電界強調率=(0~600秒間での最大電界[V/μm])/(初期電界[V/μm])
また、空間電荷の別の評価指標として、抜粋した試料の電荷分布を示すグラフを図6,8,10,12,14,16,18,20,22に示し、マップを図7,9,11,13,15,17,19,21,23に示す。図8,9は試料6’(初期)、図10,11は試料7、図12,13は試料F1(初期)、図14,15試料F1(経時)、図16,17は試料11、図18,19は試料13、図20,21は試料15、図22、23は試料17の各結果である。
図6等のグラフにおいて、横軸は誘電エラストマー膜の厚さ方向の位置(0μmは負電極に接する一方面、100μmは正電極に接する他方面)であり、縦軸は電荷量であり、4本のグラフ線はそれぞれ1秒、180秒、360秒及び540秒の時点での電荷分布である。
図7等のマップにおいて、横軸は図6等と同じであり、縦軸は時間であり、色(但しグレースケール図のため濃淡)で電荷量を表している。
<6-1>BaSO4の配合について
図3に電気機械的性能試験の結果を示すように、フィラーを配合しないベース材である試料1(破線)では、時間経過とともに引張力の低下が見られたが、フィラーとしてBaSO4を配合した試料6’(実線)では、引張力が一定となり、変形量が安定化した。
また、フィラーを配合しない試料1は、表1に示すように、絶縁破壊電界強度が60V/μm未満、面抵抗率が2E+13未満であった。また、図6,7に示すように、膜内部に負電極から負電荷が入り込むとともに正電極から正電荷が入り込んで、空間電荷が生じた。
これに対して、BaSO4を配合した試料2~9は、表1に示すように、絶縁破壊電界強度が高くなり、体積抵抗率が2E+11Ω・cm以上であった。また、図8,9(試料6’)及び図10,11に示すように、さらに表1の各配合量の最大電界強調率を示した図4のように、膜内部への負電荷又は正電荷の入り込みが減って、空間電荷が抑制された。
MgOを配合した試料F1は、初期特性では、表2の中段及び図12,13に示すように空間電荷が抑制されたが、4ヶ月経過時の経時特性では、表2の下段及び図14,15に示すように膜内部に負電荷及び正電荷が入り込んだ。
また、Al2O3を配合した試料F2と、SiO2を配合した試料F3は、表2に示すように初期特性で空間電荷が抑制されなかった。
これらに対して、BaSO4を配合した試料6’は、表2に示すように初期特性のみならず3ヶ月経過時の経時特性でも空間電荷が抑制された。
粒子径が異なるBaSO4を配合した試料11、13,15,17は、それぞれ、上記<3>で述べたとおり諸条件を揃えたフィラーなしの試料10,12,14,16と比べて、絶縁破壊電界強度が高くなり、体積抵抗率も高くなった。
図5に、表3の最大電界強調率を、同じ粒子径の試料どうし並べて示す。
粒子径900nmのBaSO4を配合した試料11は、図16,17及び表3に示すように、試料10と比べても、空間電荷の抑制作用が弱かった。
これに対し、粒子径300nmのBaSO4を配合した試料13は、図18,19並びに表3及び図5に示すように、試料12と比べて、空間電荷が抑制された。
同じく、粒子径100nmのBaSO4を配合した試料15は、図20,21並びに表3及び図5に示すように、試料14と比べて、空間電荷が抑制された。
同じく、粒子径30nmのBaSO4を配合した試料17は、図22,23並びに表3及び図5に示すように、試料16と比べて、空間電荷が抑制された。
図24に示すように、実施例の誘電エラストマー膜1と、電極層2とを、交互にそれぞれ複数積層してから、圧着して接合してなるアクチュエータ10を作製することができる。電極層2は、1つおきに左右方向の一方にずらして配したグループと、1つおきに左右方向の他方にずらした配したグループとからなる。一方のグループを正極、他方のグループを負極として、直流電圧を印加すると、誘電エラストマー膜1は膜厚方向に収縮し、該収縮によるアクチュエータ10の全高の変化を駆動用変位として利用することができる。
2 電極層
10 アクチュエータ
21 円板電極
22 円柱電極
23 電源装置
Claims (8)
- 架橋されたポリロタキサンであるウレタン系エラストマーと、フィラーとして配合された平均一次粒子径が1000nm以下であるBaSO4とを含む誘電エラストマー。
- 前記誘電エラストマーの初期弾性率が0.1~10MPaである請求項1記載の誘電エラストマー。
- 前記誘電エラストマーの初期弾性率が0.5~3MPaである請求項1記載の誘電エラストマー。
- 前記平均一次粒子径が500nm以下である請求項1~3のいずれか一項に記載の誘電エラストマー。
- 前記誘電エラストマー全体に対するBaSO4の配合量が、0.1~50質量%である請求項4記載の誘電エラストマー。
- 前記誘電エラストマー全体に対するBaSO4の配合量が、2~20質量%である請求項4記載の誘電エラストマー。
- 前記誘電エラストマーの体積抵抗率が2.0E+11Ω・cm以上である請求項1~6のいずれか一項に記載の誘電エラストマー。
- ウレタン系エラストマーと、フィラーとして配合された平均一次粒子径が1000nm以下であるBaSO 4 とを含む誘電エラストマーで形成された誘電エラストマー成形体と、前記誘電エラストマー成形体の両側に配置された電極層とを含む誘電エラストマーアクチュエータ。
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