JPH0685338A - 高速応答ポリウレタンゲル・アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非荷電性の高分子材料を用いて誘電性の媒体
を含む系を対象とし、発熱を伴わず、実効電流が事実上
ゼロに近い状態で分子配向のみによってゲル状高分子成
型体の形状を変化させることが可能であり、さらに、こ
の形状変化の際に生じる機械的変形エネルギーをアクチ
ュエーションに利用しようとするもの。 【構成】 誘電性のポリウレタン・エラストマーまたは
比較的強い双極子モーメントを有する置換基を持つポリ
ウレタン・エラストマーに、誘電性の溶媒を含ませたポ
リウレタンゲル状物であって、直流電場を印加すること
によって誘電性の分子あるいは置換基が電場方向に配向
し、ゲルの構造が異方的に変化することを特徴とする高
速応答ポリウレタンゲル・アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポリウレタン材料の誘
電体の電場配向を利用した高速応答ゲル・アクチュエー
タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直流電場下での物性変化を利用する試み
は古くからある。例えばウィンスロウ(Winslow ) によ
る特許が１９４７年に既に提案されている。最近、多く
なってきたこのいわゆる電気粘性流体に関する、あるい
は電気粘弾性に関する特許もこれに準ずるものである。
すなわち、いずれの場合においても、物質変化の由来す
るところはイオン性あるいは電場によってイオン化する
性質を持つ高分子、または粒子について電場印加によっ
て誘起される構造形成である。ここで言う構造形成と
は、巨視的な意味でのものであり、その結果として液体
状の物性から固体状のものへと変化するものを指してい
る。いずれの場合も荷電性分子あるいは粒子が一次元的
に電場方向に配向した構造が観察され、こうした配向構
造が物性変化を誘起すると考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとした課題】しかしながら、前記し
た従来の電気粘性流体は、基本的に流体であるため加工
製作において高い機密性のパッキングを必要とし、フレ
キシブルな機械や装置になりにくいという課題を有して
いた。本発明は、前記従来技術の課題を解決するため、
非荷電性の高分子材料を用いて誘電性の媒体を含む系を
対象とし、発熱を伴わず、実効電流が事実上ゼロに近い
状態で分子配向のみによってゲル状高分子成型体の形状
を変化させることが可能であり、さらに、この形状変化
の際に生じる機械的変形エネルギーをアクチュエーショ
ンに利用しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の高速応答ポリウレタンゲル・アクチュエー
タは、誘電性のポリウレタン・エラストマーまたは比較
的強い双極子モーメントを有する置換基を持つポリウレ
タンエラストマーに、誘電性の溶媒を含ませたポリウレ
タンゲル状物であって、直流電場を印加することによっ
て誘電性の分子あるいは置換基が電場方向に配向し、ゲ
ルの構造が異方的に変化することを特徴とする。

【０００５】前記溶媒がエステル結合を有する可塑剤と
したこととしてもよい。

【０００６】

【作用】前記した本発明の構成によれば、異方的な力が
極めて高速で発生しこれを用いて有為な仕事を行うこと
ができ、アクチュエーションとして応用することができ
る。すなわち、本発明における変形、あるいはアクチュ
エーションが生じる機構は、誘電性分子の電場による配
向とそれによって誘起される高分子のコンフォメーショ
ンの変化に基づくものである。これが、「誘電配向」な
る言葉の所以である。従って、ゲルを構成している高分
子鎖の集合状態の異方性などの高次構造がアクチュエー
ションの大きさを決める要因の一つとなる。ここでは従
来の電気粘性流体と異なり液体様から固体様へのような
極端な物性変化は生じない。構造変化は電場によって連
続的かつ線形に起こり、従って発生する力や変形量は電
場によって線形に制御できる。このことはまた系に電流
を通じる条件下で測定してもアクションが電流に依存せ
ず一定となることを意味しており、事実もまたそのとお
りとなる。事実上、電流の流れない条件下（たとえば１
ｍＡ程度）でゲルのアクチュエーションが行なえること
は熱的にエネルギーが散逸することを避けられることで
あり、電気エネルギーを高効率で機械エネルギーに変換
できることを示唆している。この結果、実効電流が事実
上ゼロに近い状態で分子配向のみによってゲル状高分子
成型体の形状を変化させることが可能であり、さらに、
この形状変化の際に生じる機械的変形エネルギーをアク
チュエーションに利用することができる。

【０００７】また、本発明のゲルは、形状が固定され、
流動性がないかまたはきわめて低いという機能を発揮す
る。したがって従来の電気粘性流体を用いた場合に要求
されるような高い機密性のパッキング等はとくに必要で
ない。この機能は、フレキシブルな機械や装置になり易
いという利点を有する。また、溶媒としてエステル結合
を有する可塑剤を使うことも可能である。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に具体的に説
明する。尚、本発明は下記の実施例に限定されない。前
記したように、本法のアクチュエーション機構は高分子
鎖のコンフォメーション変化に由来するもので、しかも
媒質の配向による誘導に引き金を求めているためアクシ
ョンの応答性は極めて速い。応答速度はゲルの誘導性と
媒質のそれの強さなどによるが概ねミリ秒から１０ミリ
秒のオーダーである。変位量はゲル固有の架橋度などに
由来するゲルの構造と物性にもっとも大きく依存してい
る。

【０００９】このポリウレタンゲル状物を得るには、例
えば、先ず次のような方法でポリウレタン・エラストマ
ーを得る。即ち、高分子ポリオール及び有機ポリイソシ
アネート及び鎖伸長剤を用いて従来公知の方法により反
応を行う。詳述すると、高分子ポリオールと有機ポリイ
ソシアネートとを反応させてウレタンプレポリマーを得
て次いでこれに鎖伸長剤を反応せしめる方法、或いは、
前記三成分を所定の割合で同時に反応せしめる所謂ワン
ショット法とが有る。高分子ポリオールと有機ポリイソ
シアネートとのＮＣＯ／ＯＨモル比は１．５〜９の範囲
が好ましい。このようにして得られたポリウレタン・エ
ラストマーを更に溶媒でゲル化する。

【００１０】ポリイソシアネートとしては、分子内に２
個以上のイソシアネート基を有するものであれば、特に
限定はされないが、たとえば、トリメチレンジイソシア
ネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメチ
レンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネー
ト、２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシア
ネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイソ
シアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、１，３
−シクロペンタンジイソシアネート、１，３−シクロヘ
キサンジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジイ
ソシアネート、４，４’−メチレンビス（シクロヘキシ
ルイソシアネート）、１−メチル−２，４−シクロヘキ
サンジイソシアネート、１−メチル−２，６−シクロヘ
キサンジイソシアネート、１，３−ビス（イソシアネー
トメチル）シクロヘキサン、１，４−ビス（イソシアネ
ートメチル）シクロヘキサン、ｍ−フェニレンジイソシ
アネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、１，５−
ナフタレンジイソシアネート、４，４’−ジフェニメタ
ンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネー
ト、２，６−トリレンジイソシアネート、４，４’−ト
ルイジンジイソシアネート、ジアニジンジイソシアネー
ト、４，４’−ジフェニルエーテルジイソシアネート、
１，３−キシリレンジイソシアネート、ω，ω’−ジイ
ソシアネート−１，４−ジエチルベンゼン、ポリメチレ
ンポリフェルニルポリイソシアネート、およびこれらの
ポリイソシアネート類のイソシアヌレート化変性品、カ
ルボジイミド化変性品、ビュレット化変性品等が挙げら
れる。これらは、１種のみを用いてもよいし、あるい
は、２種以上を併用してもよい。

【００１１】ポリオールとしては、ポリエステル系ポリ
オール、ポリエーテル系ポリオール、ポリカーボネート
系ポリオール、ポリオレフィン系ポリオール、ポリブタ
ジエン系ポリオールの１種または２種以上からなるもの
等適宜のものを使用することが出来る。ポリエステル系
ポリオールとしては、例えば、ポリカルボン酸と低分子
ポリオールとの縮合物で、分子量５００〜１００００の
ものである。具体的には、ポリ（エチレンアジペート）
（「ＰＥＡ」）、ポリ（ジエチレンアジペート）（「Ｐ
ＤＡ」）、ポリ（プロピレンアジペート）（「ＰＰ
Ａ」）、ポリ（テトラメチレンアジペート）（「ＰＢ
Ａ」）、ポリ（ヘキサメチレンアジペート）（「ＰＨ
Ａ」）、ポリ（ネオペンチレンアジペート）（「ＰＮ
Ａ」）、３−メチル−１，５−ペンタンジオールとアジ
ピン酸からなるポリオール、ＰＥＡとＰＤＡのランダム
共重合体、ＰＥＡとＰＰＡのランダム共重合体、ＰＥＡ
とＰＢＡのランダム共重合体、ＰＨＡとＰＮＡのランダ
ム共重合体、または、ε−カプロラクトンを開環重合し
て得たカプロラクトンポリオール、β−メチル−δ−バ
レロラクトンをエチレングリコールで開環することによ
り得られたポリオールなど（これらは、いずれも分子量
５００〜１００００であることが好ましい）が挙げら
れ、それぞれ、単独で使用されたり、または、複数併用
されたりする。

【００１２】更に、ポリエステル系ポリオールとして、
例えば、下記の酸の少なくとも１つとグリコールの少な
くとも１つとの共重合体が挙げられる。 酸：テレフタル酸、イソフタル酸、無水フタル酸、コハ
ク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカ
ン２酸、ダイマー酸（混合物）、パラオキシ安息香酸、
無水トリメリット酸、ε−カプロラクトン、β−メチル
−δバレロラクトン。

【００１３】グリコール：エチレングリコール、プロピ
レングリコール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペ
ンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペン
チルグリコール、ポリエチレングリコール、ポリテトラ
メチレングリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノ
ール、ペンタエリスリトール、３−メチル−１，５−ペ
ンタンジオール。

【００１４】ポリエーテル系ポリオールとしては、例え
ば、アルキレンオキシド（例えば、エチレンオキサイ
ド、プロピレンオキサイド）を活性水素化合物である多
価アルコール（例えば、ジエチレングリコール）を開始
剤として開環付加重合により与えられるもの、具体的に
はポリプロピレングリコール（「ＰＰＧ」）、ポリエチ
レングリコール（「ＰＥＧ」）、プロピレンオキサイド
とエチレンオキサイドとの共重合体などが挙げられる。
また、テトラヒドロフランのカチオン重合により与えら
れ、分子量５００〜５０００のものである。具体的に
は、ポリテトラメチレンエーテルグリコール（「ＰＴＭ
Ｇ」）であり、また、テトラヒドロフランは他のアルキ
レンオキシドとの共重合体があり、具体的には、テトラ
ヒドロフランとプロピレンオキサイドとの共重合体、テ
トラヒドロフランとエチレンオキサイドとの共重合体な
ど（これらはいずれも分子量５００〜１００００である
ことが好ましい）が挙げられ、それぞれ単独で使用され
たり、または、複数併用されたりする。

【００１５】ポリカーボネート系ポリオールとしては、
従来公知のポリオール（多価アルコール）とホスゲン、
クロル蟻酸エステル、ジアルキルカーボネートまたはジ
アリルカーボネートとの縮合によって得られ、種々の分
子量のものが知られている。このようなポリカーボネー
ト系ポリオールとして特に好ましいものは、ポリオール
として、１，６−ヘキサンジオール、１，４−ブタンジ
オール、１，３−ブタンジオール、ネオペンチルグリコ
ール、または、１，５−ペンタンジオールを使用したも
のであり、その分子量が約５００〜１００００の範囲の
ものである。それぞれ単独で使用されたり、また、複数
併用されたりする。

【００１６】ポリオレフィン系及びポリブタジエン系ポ
リオールとしては次のようなものを使用することが出来
る。水酸基含有液状ジエン系重合体としては、分子量６
００〜３０００、平均官能基数１．７〜３．０であり、
炭素数４〜１２のジエン重合体、ジエン共重合体、更に
はこれらジエンモノマーと炭素数２〜２．２のα−オレ
フィン性付加重合性モノマーとの共重合体などがある。
具体的には、ブタジエンホモポリマー、イソプレンホモ
ポリマー、ブタジエン−スチレンコポリマー、ブタジエ
ン−イソプレンコポリマー、ブタジエン−アクリロニト
リルコポリマー、ブタジエン−２−エチルヘキシルアク
リレートコポリマー、ブタジエン−ｎ−オクタデシルア
クリレートコポリマーなどを例示することが出来る。こ
れらの液状ジエン系重合体は、例えば液状反応媒体中で
共役ジエンモノマーを過酸化水素の存在下、加熱反応さ
せることにより製造することが出来る。また、これらの
液状ジエン系重合体の二重結合を飽和したポリオレフィ
ン系ポリオールを用いても良い。

【００１７】使用できる硬化剤としては、従来、ウレタ
ンプレポリマーを硬化してウレタン・エラストマーを生
成させる際に一般的に用いられているもので構わない。
例えば、ポリオール化合物、ポリアミン化合物等が挙げ
られる。ポリオール化合物としては、特に限定されず、
１級ポリオール、２級ポリオール、３級ポリオールのい
ずれを用いてもよい。具体的には、トリメチロールプロ
パン（「ＴＭＰ」）、エチレングリコール、１，３−プ
ロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペ
カタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、プロピレ
ングリコール、ジプロピレングリコール、１，２−ブタ
ンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタン
ジオール、１，２−ペンタンジオール、２，３−ペンタ
ンジオール、２，５−ヘキサンジオール、２，４−ヘキ
サンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオー
ル、シクロヘキサンジオール、２−エチル−２−（ヒド
ロキシメチル）−１，３−プロパンジオール等が挙げら
れる。ポリアミン化合物としては、ジアミン、トリアミ
ン、テトラアミン等、特に限定はされず、１級アミン、
２級アミン、３級アミンのいずれも用いることができ
る。具体的には、ヘキサメチレンジアミン等の脂肪族ア
ミン、３，３’−ジメチル−４，４’−ジアミノジシク
ロヘキシルメタン等の脂環族アミン、４，４’−メチレ
ンビス−２−クロロアニリン、２，２’３，３’−テト
ラクロロ−４，４’−ジアミノフェニルメタン、４，
４’−ジアミノジフェニル等の芳香族アミン、２，４，
６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール等が挙
げられる。これらの硬化剤は、１種のみを用いてもよい
し、あるいは、複数種を併用もしてよい。

【００１８】前記の硬化剤と既述の組成の組合せにより
得られたウレタンプレポリマーとを混合する。ウレタン
プレポリマーを硬化させるための方法は、ウレタンプレ
ポリマーに対する硬化剤の混合割合、硬化温度、硬化時
間等を含めて通常の方法で行うことができる。本発明に
用いるポリウレタン・エラストマーは、添加剤等を含有
するものとしてもよい。本発明に用いうる添加剤は、非
イオン性の可塑剤、難燃剤、充填剤、安定剤、着色剤等
である。

【００１９】使用可能な媒質はポリマーと相溶性の良い
適当な誘電率を持つものであれば何でも構わない。例え
ば、ジメチルスルフォキシド、テトラヒドロフラン、ジ
メチルフォルムアミド、水、アルコール、アセトン、可
塑剤など、更にこれらの混合溶媒の使用が可能である。
ただし、余り揮発性の高いものはゲルの性状を一定に保
つのに不都合であり、また、引火などの危険性があるた
め好ましくない。

【００２０】可塑剤としては、例えば、フタル酸ジオク
チル（「ＤＯＰ」）、フタル酸ジブチル（「ＤＢ
Ｐ」）、アジピン酸ジオクチル（「ＤＯＡ」）、トリエ
チレングリコールジベンゾエート、トリクレジルホスフ
ェート、フタル酸ジオクチル、ペンタエリストールの脂
肪酸エステル、セバシン酸ジオクチル、アゼライン酸ジ
イソオクチル、アジピン酸ジブトキシエトキシエチルな
どが利用できる。

【００２１】本発明によって得られるポリウレタンゲル
・アクチュエータは微細加工によってマイクロマシン化
できるため高精度でソフト、かつ微細なアクションを求
められるマイクロサージュリーなどにも利用されるマニ
ピュレータなどへの適用が可能である。以下、より具体
的な実施例を説明する。

【００２２】平均分子量（数平均分子量を指す。以下同
じ）が１９７９のポリエチレングリコール（三洋化成工
業株式会社製、商品名ＰＥＧ−２０００）５０重量部
と、平均分子量が２００４でエチレンオキサイド含有率
が１０％のプロピレンオキサイドとエチレンオキサイド
との共重合体（三洋化成工業株式会社製、商品名ニュー
ポールＰＥ−６１）５０重量部に、パラフェニレンジイ
ソシアネート（「ＰＰＤＩ」、デュポン社製）を１６．
１重量部加え、窒素気流下８５℃で１時間反応させて末
端イソシアネート基を持つウレタンプレポリマーを得
た。得られたウレタンプレポリマーのイソシアネート基
（「ＮＣＯ」）含有量は３．５２％（理論値３．６３
％）で、８０℃における粘度は４５０ｃｐｓであった。

【００２３】ウレタンプレポリマー１００重量部を８０
℃に保温し、４−４’メチレンビス（ジクロロアニリ
ン）（「ＴＣＤＡＭ」）１２．７重量部を１４０℃で溶
融させて混合し、予め１１０℃に保温しておいた厚み２
ｍｍの金型に注ぎ込み、１１０℃で１６時間、オーブン
中で放置し、硬化反応を完結させてシートを得た。そし
て、アセトン中で洗浄し乾燥したものをＤＭＳＯ中に浸
漬して膨潤させ、ポリウレタン・エラストマー−ＤＭＳ
Ｏゲルを作製した。

【００２４】こうして作製したポリウレタン・エラスト
マー−ＤＭＳＯゲルのシートの上下面を電極板で挟み電
圧を印加した。ゲルの厚さ変化を変位センサーで観測
し、電位、電流の影響などを測定した。ゲルの寸法、形
状、測定条件は下記の通りである。 ゲルの実際の寸法：縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ
４ｍｍである。 ゲルの形状：偏平な厚みのある板状で、ゴム状の弾
性を持つ。 印加電圧：１００Ｖ〜１０００Ｖ、変化させた電流
値：１ｍＡ〜１０ｍＡ。印加電圧が１００Ｖ未満ではゲ
ルの変形は観測できなかった。電圧を１００Ｖ以上にし
て観察された電場方向のゲルの収縮量は、１μｍ〜４０
μｍで、電圧の増加に伴って単調に増加した。 電圧１０００Ｖ、電流１ｍＡで電場方向のゲルの収
縮量は４０μｍであった。発熱は３ｍＡ以下の条件では
観測できなかった。尚、ゲルの温度はゲル中に刺し込ん
だ熱電対によって測定した。

【００２５】その結果、電場の印加により電場方向にゲ
ルは瞬時に収縮しその直交方向に伸張し、電場によって
異方向な変形挙動を示し、更にこの過程で熱の発生は観
察できなかった。このゲルに微量のイオン種を添加して
電流を流すとジュール熱が発生しゲルの温度が上昇し
た。この場合にはゲルは等方的に膨潤し上記のような異
方的な変位挙動は観察できなかった。

【００２６】このことから先の異方的な変位挙動は熱的
な誘因によるものではなく、電場による双極子の配向に
由来することが示唆された。電場によって誘起されたア
クションは電場強度に依存するが、電流には依存しなか
った。前記の場合、変位が生じる電場は４０Ｖ／ｃｍ・
ｃｍ² 以上である。その電場の印加による発生応力はミ
リ秒から十ミリ秒の範囲で最大値に達し、その値も電場
にほぼ比例して変化した。変位値はゲルの厚さの１％程
度戸小さいがこれはゲルの化学構造と網目構造、更には
分子の配向構造などに依存するものでそれらの改変によ
り更に増加させることが可能である。但し、この程度の
変位でもその高速応答性と電場によって変位量を制御で
きる点などから、集積化するなどの方法によりマイクロ
アクチュエータとしての応用が可能である。

【００２７】以上説明した通り、本実施例によれば、ポ
リウレタンゲル・アクチュエータとして見た場合、従来
の膨潤、脱膨潤タイプの駆動法に比較して約１０００倍
程度の高速下が達成できた。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、直
流電場を印加することによって誘電性の分子あるいは置
換基が電場方向に配向し、ゲルの構造が異方的に変化す
ることを利用して、実効電流が事実状ゼロに近い状態
（すなわち発熱を最小限に抑えながら）で分子配向のみ
によってゲル状高分子成型体の形状を変化させることが
でき、さらに、この形状変化の際に生じる機械的変形エ
ネルギーをアクチュエーションに有効に応用できる。

【００２９】また、本発明のポリウレタンゲルは、形状
が固定され、流動性がないかまたはきわめて低いという
機能を発揮するので、従来の電気粘性流体を用いた場合
に要求されるような高い機密性のパッキング等はとくに
必要でなく、この機能はフレキシブルな機械や装置に組
み込み易いという利点を有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０８Ｌ 75/04 ＮＦＺ 8620−4Ｊ Ｈ０１Ｌ 41/193 (72)発明者 笠崎 敏明 奈良県大和郡山市池沢町172 ニッタ株式 会社奈良工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電性のポリウレタン・エラストマーま
   たは比較的強い双極子モーメントを有する置換基を持つ
   ポリウレタン・エラストマーに、誘電性の溶媒を含ませ
   たポリウレタンゲル状物であって、 直流電場を印加することによって誘電性の分子あるいは
   置換基が電場方向に配向し、ゲルの構造が異方的に変化
   することを特徴とする高速応答ポリウレタンゲル・アク
   チュエータ。
2. 【請求項２】 前記溶媒がエステル結合を有する可塑剤
   としたことを特徴とする請求項１記載のポリウレタンゲ
   ル・アクチュエータ。