WO2010029992A1 - 高分子アクチュエータ - Google Patents

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小野　泰一
鈴木　克俊
欣志 安積
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Alps Alpine Co Ltd
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Alps Electric Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
    • F03G7/05—Ocean thermal energy conversion, i.e. OTEC
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to an actuator that deforms when a potential difference is applied between electrodes, and more particularly to a polymer actuator that deforms due to movement of ions by an electric field.
  • Patent Document 1 As an actuator element that can be operated in the air or in a vacuum, an actuator using a gel of carbon nanotube and ionic liquid as a conductive stretchable active layer has been proposed (Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a polymer actuator capable of generating a larger driving force and displacement than before with an appropriate blending ratio of carbon nanotubes and carbon nanohorns.
  • the present invention relates to a polymer actuator formed of a pair of electrode layers composed of an ionic liquid, a polymer, and carbon nanoparticles, and an electrolyte layer provided between the pair of electrode layers.
  • the carbon nanoparticles are a mixture of carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT) and carbon nanohorns (hereinafter referred to as CNH),
  • CNT carbon nanotubes
  • CNH carbon nanohorns
  • the polymer is 17.7 wt% or more and 30.2 wt% or less.
  • the compounding ratio of the CNT and the CNH is preferably 2: 1.
  • a polymer actuator that exhibits a larger generation force and a larger displacement than ever before. Can be obtained.
  • FIG. 1A is a sectional view for explaining the basic principle of a polymer actuator
  • FIG. 1B is a sectional view showing a driving state of the polymer actuator.
  • FIGS. 1A and 1B show an ion conductive polymer actuator 1, an electrolyte layer 2, a first electrode layer 3 provided on one surface of the electrolyte layer 2, and the other of the electrolyte layer 2. It is comprised by the three layers of the laminated body 1A with which the 2nd electrode layer 4 provided in this surface was piled up.
  • the electrolyte layer 2 is a resin layer capable of ion exchange, and is obtained by impregnating a cation exchange resin with an electrolytic solution as an electrolyte.
  • the cation exchange resin is obtained by introducing a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group or a carboxyl group into polyethylene, polystyrene, fluororesin or the like.
  • the electrolytic solution is a polar organic solvent containing a salt or an ionic liquid described later.
  • the electrolyte layer 2 may be a gel obtained by mixing an ionic liquid into a base polymer such as polyvinylidene fluoride.
  • the carbon nanoparticles are a mixture of carbon nanotubes (CNT) and carbon nanohorns (CNH).
  • CNT carbon nanotubes
  • CNH carbon nanohorns
  • the lower limit of the compounding ratio (weight ratio) of the carbon nanoparticles to the total weight (carbon nanoparticles + ionic liquid + polymer) is 25% by weight, and the upper limit is 80% by weight or less.
  • the ionic liquid (Ionic® Liquid; IL) used in the present invention is also referred to as 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).
  • the ionic liquid used in the present invention preferably has a high ionic conductivity.
  • various known ionic liquids can be used, but a stable one that exhibits a liquid state at room temperature (room temperature) or a temperature close to room 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.
  • R is a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or a branched alkyl group or an ether bond, and the total number of carbon and oxygen is 3 to 12
  • R 1 represents a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a hydrogen atom.
  • R and R 1 are preferably not the same.
  • x is an integer of 1 to 4, respectively.
  • Examples of the linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, Examples include nonyl, decyl, undecyl, dodecyl and the like.
  • the carbon number is preferably 1 to 8, more preferably 1 to 6.
  • linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms examples include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl and t-butyl.
  • 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 of 1 to 4, and R 2 represents CH 3 or C 2 H 5 .
  • Anions (X ⁇ ) include 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 , hexafluorophosphate ion ( PF 6 ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imido ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N), perchlorate ion (ClO 4 ), tris (trifluoromethanesulfonyl) carbonate ion (CF 3 SO 2 ) 3 C ), Trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO 3 ), dicyanamide ion ((CN) 2 N), trifluoroacetate ion (CF 3 COO), organic carboxylate ion and halogen ion.
  • PF 6 bis (trifluoromethanesulfonyl) imido ion ((CF 3 SO 2 )
  • 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 those whose anion is a halogen ion or tetrafluoroborate ion can be specifically exemplified.
  • a ionic liquid, conductivity as long as more than 0.1 Sm -1, can be used.
  • the carbon nanotube used in the present invention is a carbon-based material having a shape in which graphene (graphite sheet) is wound in a cylindrical shape
  • the carbon nanohorn is a carbon-based material having a shape in which graphene is wound in a conical shape.
  • SWNT single-walled nanotubes
  • MWNT multi-walled nanotubes
  • Various types are known, such as being divided into molds.
  • Carbon nanoparticles generally have a large aspect ratio, that is, thin and long single-walled nanotubes tend to form a gel. Examples thereof include carbon nanoparticles having an aspect ratio of 10 3 or more, preferably 10 4 or more.
  • the length of the carbon nanoparticles is usually 1 ⁇ m or more, preferably 50 ⁇ m or more, more preferably 500 ⁇ m or more. Although the upper limit of the length of a carbon nanoparticle is not specifically limited, For example, it is about 3 mm.
  • a gel composition from SWNT it is preferable to obtain a gel composition from SWNT.
  • a suitable example of a carbon nanotube that is practically used is HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.), which can be relatively mass-produced using carbon monoxide as a raw material, but of course, it is limited to this. is not.
  • 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).
  • 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, poly (meth) acrylates such as perfluorosulfonic acid (Nafion), poly-2-hydroxyethyl methacrylate (polyHEMA), polymethyl methacrylate (PMMA), poly Examples include ethylene oxide (PEO) and polyacrylonitrile (PAN).
  • poly (meth) acrylates such as perfluorosulfonic acid (Nafion), poly-2-hydroxyethyl methacrylate (polyHEMA), polymethyl methacrylate (PMMA), poly Examples include ethylene oxide (PEO) and polyacrylonitrile (PAN).
  • the volume tends to expand inside the electrolyte layer 2 at a position biased toward the second electrode layer 4 side. That is, since an expansion stress is generated on the second electrode layer 4 side and an expansion strain is generated based on the expansion stress, a bending stress is generated in the laminate 1A, and as shown in FIG. Bending occurs in the actuator 1.
  • the proper blending amount of the carbon particles and the proper blending ratio of the carbon nanotube and the carbon nanohorn will be described from the viewpoint of the generated force and the displacement amount.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the compounding amount of carbon particles and the generated force as characteristics of the polymer actuator
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the compounding amount of carbon particles and the displacement as the characteristics of the polymer actuator. is there.
  • the displacement amount ⁇ is an initial value indicated by a broken line of the free end 1b when the free end 1b is bent and deformed in the Z direction with the fixed end 1a as a reference, as shown in FIG. It means the difference between the position in the Z direction in the state and the position in the Z direction after deformation indicated by a solid line.
  • the displacement ⁇ is proportional to the length dimension (distance) L between the fixed end 1a and the free end 1b.
  • ⁇ Amount of carbon particles> 2 and 3 show the generated force P and the displacement ⁇ with respect to the compounding amount of the carbon particles of 50 mg, 55 mg, 60 mg, and 65 mg.
  • ⁇ CNT means that the carbon nanotubes (CNT) are 100%
  • ⁇ CNT (50) + CNH means that 50 mg of CNT is blended, and the remainder is carbon nanohorn (CNH). ). That is, when the CNT is 50 mg, the compounding amount of CNH is 0 mg. When the CNT is 55 mg, 5 mg of CNH is contained. When the CNT is 60 mg, 10 mg of CNH is contained. When the CNT is 65 mg. Means that 15 mg of CNH is contained.
  • the compounding amount of the carbon particles is 55 mg and the CNT is 60 mg and the CNT is 50 mg (CNH is 10 mg) than the case where the CNT is 50 mg (CNH is 5 mg).
  • CNH is 10 mg
  • CNH is 50 mg
  • a larger generated force P and displacement ⁇ are generated. That is, it can be understood that the generated force P and the displacement amount ⁇ increase as the blending amount of the carbon particles increases.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the generated force and the displacement for each compounding ratio of CNT and CNH as the characteristics of the polymer actuator.
  • Table 1 shows the generated force P and the maximum and minimum values of the displacement ⁇ that can be read from FIG. 4 for each case.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the generated force and the displacement amount for each blending amount of polymer as the characteristics of the polymer actuator.
  • ⁇ indicates the case where the blending amount of the polymer is 80 mg
  • ⁇ indicates the case where it is 60 mg
  • x indicates the case where it is 40 mg.
  • the compounding quantity of the other material which forms the 1st, 2nd electrode layers 3 and 4 is 42 mg of CNT, 23 mg of CNH, and 120 mg of ionic liquids, for example.
  • the blending amount of the polymer is most preferably 60 mg, and then 80 mg and 40 mg are preferable in this order.
  • / (42 + 23 + 120 + 60) mg 24.5 wt%
  • 80 mg / (42 + 23 + 120 + 80) mg 30.2 wt%. Therefore, the preferable range of the polymer is 17.7 wt% to 30.2 wt%.
  • the lower limit of the preferred weight ratio of the carbon particles contained in the first and second electrode layers 3 and 4 is 25% by weight or more and the upper limit is less than 82.3% by weight, preferably 80% by weight. Hereinafter, it is more preferably 75.5% by weight and 69.8% by weight.
  • (A) is a sectional view for explaining the basic principle of the polymer actuator
  • (B) is a sectional view showing a driving state of the polymer actuator
  • As a characteristic of the polymer actuator a graph showing the relationship between the amount of carbon particles and the generated force
  • As a characteristic of the polymer actuator a graph showing the relationship between the amount of carbon particles and the amount of displacement
  • As a characteristic of the polymer actuator a graph showing a relationship between a generated force and a displacement amount for each mixing ratio of CNT and CNH
  • As a characteristic of the polymer actuator a graph showing the relationship between the generated force and the displacement amount for each blending amount of the polymer

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Abstract

カーボンナノ粒子を、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とカーボンナノホーン（ＣＮＨ）とが混成したものとし、第１，第２電極層（３），（４）に含まれるイオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子の全重量に対し、カーボン粒子を２５重量％以上８０重量％以下で、且つカーボン粒子に含まれるＣＮＴとＣＮＨの配合比を（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝１：１ないし３：１の範囲とし、さらにポリマーを１７．７重量％以上３０．２重量％以下とすることにより、これまでよりも大きな駆動力および変位量を発生することが可能な高分子アクチュエータとすることができる。

Description

高分子アクチュエータ
　本発明は、電極間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータに係り、特に電界によるイオンの移動に伴い変形を生じる高分子アクチュエータに関する。
　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）。
　従来の方法では、特にカーボンナノチューブの含有量が多い場合にカーボンナノチューブとポリマー、イオン液体の均質混合が困難であり、アクチュエータの性能低下の原因となっていた。特に、大きな変位量および駆動力を発生するには限界があった。
特開２００５－１７６４２８号公報 特開２００８－３４２６８号公報
　本発明は、カーボンナノチューブとカーボンナノホーンの適正な配合比により、これまでよりも大きな駆動力および変位量を発生することが可能な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。
　本発明は、イオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子からなる一対の電極層と、前記一対の電極層間に設けられた電解質層とから形成される高分子アクチュエータにおいて、
　前記カーボンナノ粒子は、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称す）とカーボンナノホーン（以下、ＣＮＨと称す）とが混成されたものであり、
　前記一対の電極層に含まれるイオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子の全重量に対し、
　前記カーボン粒子が２５重量％以上８０重量％以下で、且つ前記カーボン粒子に含まれる前記ＣＮＴと前記ＣＮＨの配合比が、（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝１：１ないし３：１の範囲であり、
　前記ポリマーが１７．７重量％以上３０．２重量％以下であることを特徴とするものである。
　特に、前記ＣＮＴと前記ＣＮＨの配合比が、２：１であるものが好ましい。
　本発明では、イオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子から構成される一対の電極層の配合比を適正な範囲に設定することにより、これまで以上に大きな発生力及び大きな変位量を発揮する高分子アクチュエータを得ることができる。
　本発明の高分子アクチュエータによれば、これまでよりも大きな駆動力および変位量を発生させることができる。
　図１（Ａ）は高分子アクチュエータに基本原理を説明するための断面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態を示す断面図である。
　まず、高分子アクチュエータの基本構成について説明する。
　図１（Ａ）（Ｂ）はイオン導電型の高分子アクチュエータ１であり、電解質層２と、この電解質層２の一方の面に設けられた第１の電極層３と、電解質層２の他方の面に設けられた第２の電極層４とが重ねられた積層体１Ａの三層で構成される。
　電解質層２は、イオン交換が可能な樹脂層であり、陽イオン交換樹脂に電解質である電解液が含浸されたものである。陽イオン交換樹脂は、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基やカルボキシル基などの親水性官能基が導入されたものである。電解液は、塩を含有する分極性有機溶媒や後述のイオン液体などである。また、電解質層２が、ポリフッ化ビニリデンなどのベースポリマーにイオン液体が混入されてゲル状とされたものであってもよい。
　第１の電極層３および第２の電極層４には、カーボンナノ粒子、ポリマーおよびイオン液体が使用される。カーボンナノ粒子は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とカーボンナノホーン（ＣＮＨ）が混成されたものである。後述するように、全重量（カーボンナノ粒子＋イオン液体＋ポリマー）に対するカーボンナノ粒子の配合比（重量比）は、下限が２５重量％であり、上限は８０重量％以下である。
　以下の実施例に示すように、カーボンナノ粒子に含まれるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とカーボンナノホーン（ＣＮＨ）の配合比の適正な範囲は（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝１：１ないし３：１であり、好ましくは２：１、より好ましくは４２：２３である。このような配合比であれば、アクチュエータとしての特性が飛躍的に向上する。
　本発明に用いられるイオン液体（Ionic  Liquid；ＩＬ）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る。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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 ［ＮＲxＨ4-x］+（III）
［ＰＲxＨ4-x］+（IV）
　上記の式（Ｉ）～（IV）において、Ｒは炭素数１～１２の直鎖又は分枝を有する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Ｒ1は炭素数１～４の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ1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。
　炭素数１～１２の直鎖又は分枝を有する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。
　炭素数１～４の直鎖又は分枝を有する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。
　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。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。
　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)]+、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のものが、具体的に例示できる。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。
　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。
　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（グラファイトのシート）を筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、カーボンナノホーンはグラフェンを円錐形に巻いた形状から成る炭素系材料である。
　これらカーボンナノ粒子は、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。
　カーボンナノ粒子は、一般的にアスペクト比が大きい、すなわち、細くて長い単層ナノチューブがゲルを形成し易い。例えば、アスペクト比が１０3以上、好ましくは１０4以上のカーボンナノ粒子が挙げられる。カーボンナノ粒子の長さは、通常１μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは５００μｍ以上である。カーボンナノ粒子の長さの上限は、特に限定されないが、例えば３ｍｍ程度である。
　従って、本発明においては、ＳＷＮＴからゲル状組成物を得るのが好ましい。
　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。
　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（polyＨＥＭＡ）、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。
　図１（Ｂ）に示すように、第１の電極層３が陽極側となり、第２の電極層４が陰極側となるように、電解質層２に電界が与えられると、電解質層２内の陽イオンが陰極側である第２の電極層４へ移動する。第１の電極層３と第２の電極層４とが、電解質層２と同様にイオン交換可能な層の内部に導電性フィラーとしてカーボンナノ粒子が混入されたものである場合には、第１の電極層３と第２の電極層４内で解離した陽イオンも第２の電極層４側に移動する。
　その結果、電解質層２の内部では、第２の電極層４側に偏った位置で体積が膨張しようとする。つまり、第２の電極層４側において膨張応力が発生しこれに基づいて膨張歪みが発生するために、積層体１Ａに曲げ応力が発生して、図１（Ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ１に曲げが発生する。
　次に、上記基本的構成からなる高分子アクチュエータ１において、カーボン粒子の適正な配合量、および適正なカーボンナノチューブとカーボンナノホーンの配合比について、発生力および変位量の観点から説明する。
　図２は高分子アクチュエータの特性として、カーボン粒子の配合量と発生力との関係を示すグラフ、図３は高分子アクチュエータの特性として、カーボン粒子の配合量と変位量との関係を示すグラフである。
　なお、以下の説明において変位量δとは、図１（Ｂ）に示すように、固定端１ａを基準として自由端１ｂをＺ方向に曲げ変形させたときに、自由端１ｂの破線で示す初期状態におけるＺ方向の位置と、実線で示す変形後のＺ方向の位置との差を意味する。変位量δは固定端１ａと自由端１ｂとの間の長さ寸法（距離）Ｌに比例する。また発生力とは、高分子アクチュエータ１の自由端１ｂを持ち上げることができる最大の力、または自由端１ｂに加えた荷重を大きくしたときに変位量δ＝０を維持することができる最大荷重（耐荷重量）を意味する。
＜カーボン粒子の配合量＞
　図２及び図３は、カーボン粒子の配合量を５０ｍｇ、５５ｍｇ、６０ｍｇ、６５ｍｇに対する発生力Ｐおよび変位量δを示している。
　また図２及び図３において、「◆ＣＮＴ」とはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が１００％の場合を意味し、「◆ＣＮＴ（５０）＋ＣＮＨ」とはＣＮＴが５０ｍｇ配合され、残りはカーボンナノホーン（ＣＮＨ）であることを意味している。すなわち、ＣＮＴが５０ｍｇの場合にはＣＮＨの配合量は０ｍｇであり、ＣＮＴが５５ｍｇの場合にはＣＮＨは５ｍｇ含まれ、ＣＮＴが６０ｍｇの場合にはＣＮＨは１０ｍｇ含まれ、ＣＮＴが６５ｍｇの場合にはＣＮＨは１５ｍｇ含まれることを意味している。
　図２および図３から、カーボン粒子の配合量は、５５ｍｇで且つＣＮＴが５０ｍｇ（ＣＮＨは５ｍｇ）の場合よりも６０ｍｇで且つＣＮＴが５０ｍｇ（ＣＮＨは１０ｍｇ）の場合の方が、さらには６０ｍｇで且つＣＮＴが５０ｍｇ（ＣＮＨは１０ｍｇ）の場合よりも６５ｍｇで且つＣＮＴが５０ｍｇ（ＣＮＨは１５ｍｇ）の場合の方が大きな発生力Ｐおよび変位量δを生じさせることがわかる。すなわち、カーボン粒子の配合量が多くなるほど発生力Ｐおよび変位量δも大きくなることがわかる。
＜発生力と変位量との関係＞
　図４は高分子アクチュエータの特性として、ＣＮＴとＣＮＨとの配合比毎の発生力と変位量との関係を示すグラフである。
　図４におけるカーボン粒子とイオン液体とポリマーとの各重量％は、（カーボン粒子）：（イオン液体）：（ポリマー）＝６５ｍｇ：１２０ｍｇ：８０ｍｇ≒２４．５：４５．５：３０．０である。
　また図４において、◆はケース１として（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝６５：０（ＣＮＴのみ）の場合を、×はケース２として（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝５０：１５（≒３：１）の場合を、○はケース３として（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝４２：２３（≒２：１）の場合を、△はケース４として（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝３３：３２（≒１：１）の場合を、●はケース５として（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝０：６５（ＣＮＨのみ）の場合をそれぞれ示している。
　表１は図４から読み取れる発生力Ｐと変位量δの最大値と最小値とをケースごとにそれぞれ示したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１を総合的に評価した場合、最大発生力を発生するには、ケース３（（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝４２：２３（≒２：１））の場合の２．２ｍＮであることがわかる。また（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）が３：１よりも大きくなると（ケース１の場合）最大／最小変位量が共に低下する傾向があり、また１：１よりも小さくなる（ケース５の場合）と最大／最小発生力および最大／最小変位量のばらつきがそれぞれ大きくなることがわかる。よって、ＣＮＴとＣＮＨの配合比は、概ね（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝１：１ないし３：１の範囲が適切であるといえる。
　以上により、第１，第２の電極層３、４に含まれるカーボン粒子の好ましい配合割合は、６５ｍｇ／２６５ｍｇ＝２４．５重量％を考慮して、下限は２５重量％程度が適切である。
　次に、上記基本的構成からなる高分子アクチュエータ１において、ポリマーの適正な配合量および配合比率について、発生力および変位量の観点から説明する。
　図５は高分子アクチュエータの特性として、ポリマーの配合量毎の発生力と変位量の関係を示すグラフである。なお、図５では、◆がポリマーの配合量が８０ｍｇの場合を、○が６０ｍｇの場合を、×が４０ｍｇの場合をそれぞれ示している。
　なお、第１，第２の電極層３，４を形成する他の材料の配合量は、例えばＣＮＴが４２ｍｇ、ＣＮＨが２３ｍｇ、イオン液体が１２０ｍｇである。
　図５に示すように、大きな発生力Ｐおよび変位量δを得るには、ポリマーの配合量は６０ｍｇが最も好ましく、次に８０ｍｇ、４０ｍｇの順で好ましいことがわかる。
　ここで、全重量（カーボンナノ粒子＋イオン液体＋ポリマー）に対するポリマーの重量比は、ポリマーの配合量が４０ｍｇ、６０ｍｇおよび８０ｍｇの場合、それぞれ４０ｍｇ／（４２＋２３＋１２０＋４０）ｍｇ＝１７．７重量％、６０ｍｇ／（４２＋２３＋１２０＋６０）ｍｇ＝２４．５重量％、８０ｍｇ／（４２＋２３＋１２０＋８０）ｍｇ＝３０．２重量％である。よって、ポリマーの好ましい範囲は、１７．７重量％以上～３０．２重量％以下である。
　この結果、好ましいカーボン粒子の配合割合の上限は、１００重量％－１７．７重量％＝８２．３重量％未満であり、イオン液体の存在を考慮すれば、概ね８０重量％以下であり、例えば７５．５重量％（ポリマーが２４．５重量％の場合）、６９．８重量％（ポリマーが３０．２重量％の場合）などである。
　以上をまとめと、第１，第２の電極層３，４に含まれるカーボン粒子の好ましい重量比の下限は、２５重量％以上で上限は８２．３重量％未満であり、好ましくは８０重量％以下、より好ましくは７５．５重量％、６９．８重量％である。
（Ａ）は高分子アクチュエータに基本原理を説明するための断面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態を示す断面図、 高分子アクチュエータの特性として、カーボン粒子の配合量と発生力との関係を示すグラフ、 高分子アクチュエータの特性として、カーボン粒子の配合量と変位量との関係を示すグラフ、 高分子アクチュエータの特性として、ＣＮＴとＣＮＨとの配合比毎の発生力と変位量との関係を示すグラフ、 高分子アクチュエータの特性として、ポリマーの配合量毎の発生力と変位量の関係を示すグラフ、
１　高分子アクチュエータ
１Ａ　積層体
２　電解質層
３　第１の電極層
４　第２の電極層

Claims (2)

  1. 　イオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子からなる一対の電極層と、前記一対の電極層間に設けられた電解質層とから形成される高分子アクチュエータにおいて、
    　前記カーボンナノ粒子は、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称す）とカーボンナノホーン（以下、ＣＮＨと称す）とが混成されたものであり、
    　前記一対の電極層に含まれるイオン液体、ポリマーおよびカーボンナノ粒子の全重量に対し、
    　前記カーボン粒子が２５重量％以上８０重量％以下で、且つ前記カーボン粒子に含まれる前記ＣＮＴと前記ＣＮＨの配合比が、（ＣＮＴ）：（ＣＮＨ）＝１：１ないし３：１の範囲であり、
    　前記ポリマーが１７．７重量％以上３０．２重量％以下であることを特徴とする高分子アクチュエータ。
  2. 　前記ＣＮＴと前記ＣＮＨの配合比が、２：１である請求項１記載の高分子アクチュエータ。
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