JP4985320B2 - 高分子アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は高分子アクチュエータ及びその製造方法に関する。

導電性高分子を用いた高分子アクチュエータは、一般に、複数の電極層と、それらの間に介在する電解質層とから構成される（例えば、特許文献１）。高分子アクチュエータは、駆動電圧が低いこと、エネルギー密度が高いこと等の利点を有しており、人工筋肉等への応用を期待して検討が進められているところである。
特開２００６−５０７８０号公報

しかし、従来の高分子アクチュエータを駆動させたときの変位量は小さく、この点で更なる改善が求められている。

そこで、本発明の目的は、変位量が大きい高分子アクチュエータを提供することにある。

本発明は、高分子電解質層と、該高分子電解質層に隣接して設けられた電極層とを備える高分子アクチュエータに関する。本発明に係る高分子アクチュエータの電極層は、繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有する。

本発明者らの知見によれば、高分子アクチュエータの電極層において繊維基材を用いることにより、その駆動の際の変位量が顕著に大きくなる。

本発明はまた、高分子アクチュエータの製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、繊維基材に及びこれに含浸している導電性高分子を含有する電極層を形成させる工程と、電極層と高分子電解質層とを積層する工程とを備える。係る方法により、上記本発明に係る、大きな変位量で駆動可能な高分子アクチュエータを製造することができる。更に、係る方法によれば、電極層と高分子電解質層との密着性の点でも優れる高分子アクチュエータを容易に得ることができる。

本発明によれば、変位量が大きい高分子アクチュエータが提供される。また、本発明に係る高分子アクチュエータは、電極層と高分子電解質層との密着性の点でも優れる。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、高分子アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。図１に示す高分子アクチュエータ１は、対向する１対の電極層１１，１２と、１対の電極層１１，１２の間に挟持された高分子電解質層２０とから構成される。電極層１１，１２の外側に接続端子３１及び３２がそれぞれ取り付けられており、これらは可変電圧電源を含む回路に接続されている。高分子アクチュエータ１においては、通電により例えば矢印Ａの方向に変位を生じる。

高分子電解質層に隣接する電極層１１，１２は、シート状の繊維基材及び導電性高分子を含有する。導電性高分子は繊維基材に含浸している。

繊維基材としては、例えば不織布、織物及び編物がある。繊維基材は、例えば、セルロース、セルロースアセテート、ガラス、ポリエーテルスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリサルフォン及び芳香族ポリアミドからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む繊維から構成される。繊維基材は複数種の繊維から構成されていてもよい。繊維は中空糸であってもよいし、表面が親水化処理されていてもよい。具体的には、セルロース繊維を含む不織布である紙が繊維基材として好適に用いられる。

繊維基材を用いることにより、電極層の表面に凹凸を形成させることができる。電極層表面に凹凸が形成されると、アンカー効果によって電極層の密着性向上の効果を得ることができる。また、電極層表面の凹凸により電極層と高分子電解質層との接触面積が大きくなり、高分子電解質層から電極層へイオンが効率的に移動するようになると考えられることから、変位量の更なる向上などが期待される。

導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、及びポリアセチレンが挙げられる。導電性高分子はドーパントによってドーピングされていることが好ましい。本実施形態の場合は特に、ポリ（スチレンスルホン酸）によってドーピングされたポリチオフェン又はポリピロールが好ましい。好適なポリチオフェンの具体例としては、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）がある。

変位量向上の効果を大きくするためには、電極層１１，１２の厚みが大きいことが好ましい。電極層の厚みを厚くすることにより、高分子電解質層から電極層へのイオンの移動量を多くすることができるため、変位量を大きくすることができると考えられる。ただし、電極層１１，１２が過度に厚くなると電極層自体の剛性が大きくなって、変位量向上の効果が小さくなる傾向がある。

具体的には、電極層１１，１２の厚みは、好ましくは０．００５〜３ｍｍであり、より好ましくは０．０５〜１ｍｍであり、更に好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。

電極層１１，１２と高分子電解質層２０とを積層した後、必要により所定のサイズに切り出して、高分子アクチュエータを得ることができる。

一般に、導電性高分子の層は、導電性高分子を水に分散させた分散液を塗付し、分散媒を除去する方法により形成されるが、導電性高分子の分散液の粘性が低いため、導電性高分子によって厚みの大きい層を形成させることは困難である。これに対して、本実施形態のように繊維基材を用いる場合、繊維基材の厚みを大きくすることにより、大きな厚みを有する電極層を容易に形成させることができる。

変位量向上の効果を大きくするためには、電極層に含まれる導電性高分子の比率が大きいことが好ましい。具体的には、電極層全体積に対する導電性高分子の比率が５０〜９０体積％であることが好ましい。

高分子電解質層２０は、高分子電解質及び必要によりイオン性液体を含有する固体又はゲル状の層である。

高分子電解質としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリアミン、ポリエステル、ポリスルフィド、及びポリエチレンが挙げられる。

イオン液体は、陽イオンと陰イオンとの組み合わせからなる液体である。陽イオンには、イミダゾリウム塩類及びピリジニウム塩類のようなアンモニウム系イオン、ホスホニウム系イオンがある。陰イオンには、フッ化物イオン及びトリフラートのようなフッ素系イオンがある。

高分子アクチュエータ１は、例えば、繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有する電極層１１，１２を形成させる工程と、高分子電解質層２０の両面に電極層１１，１２をそれぞれ積層する工程とを備える製造方法により得ることができる。

電極層１１，１２は、導電性高分子及びこれが分散している分散媒を含有する分散液を繊維基材に含浸させる工程と、繊維基材に含浸した分散液から分散媒を除去する工程とを有する方法、または、上記分散液を繊維基材でろ過して、繊維基材内に導電性高分子を堆積させる方法により形成させることができる。あるいは、繊維基材にモノマーを含浸させる工程と、繊維基材に含浸したモノマーを重合して導電性高分子を生成させる工程とを有する方法により電極層１１，１２を得ることもできる。

電極層１１，１２は、高分子電解質層２０の両面に積層される。積層の順序は特に限定されないが、例えば、一方の電極層１１上に高分子電解質及び溶媒を含有する高分子電解質溶液を塗付し、塗布された高分子電解質溶液上にもう一方の電極層１２を載せ、溶媒を除去する方法により、電極層１１，１２を高分子電解質層２０の両面に積層することができる。溶媒の除去の前又は溶媒を除去する際には、全体を必要により加圧する。

あるいは、繊維基材上に高分子電解質溶液を塗布し、塗布された高分子電解質溶液から溶媒を除去して高分子電解質層を形成してから、繊維基材に導電性高分子を含浸させることもできる。ただしこの場合、高分子電解質溶液の一部が繊維基材に含浸して、繊維基材に含浸される導電性高分子の量が低下する可能性がある。そのため、上記のように電極層を予め形成する方法のほうがより好ましい。

本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形が可能である。例えば、高分子アクチュエータにおいて電極層が１層のみ設けられていてもよいし、電極層と高分子電解質層とが交互に複数積層されていてもよい。電極層は高分子電解質層に直接接して設けられている必要は必ずしもなく、電極層が電解質層の少なくとも一方面側に設けられ、高分子電解質層と電極層との間に他の層が設けられていてもよい。また、高分子アクチュエータの形状は平板状に限られず、用途等に応じて適宜変更され得る。

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
導電性高分子として、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ）の水分散液（固形分１．２質量％、スタルク社製、Ｂａｙｔｒｏｎ Ｐ ＨＣ Ｖ４、以下「ＰＥＤＯＴ分散液」という。）を用いた。高分子電解質として、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、アルドリッチ（株）製）を用いた。イオン性液体として、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ネート（ＥＭＩ−ＴＦ、東洋合成（株）製）を用いた。

ＰＥＤＯＴ分散液にろ紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ製定性ろ紙、Ｎｏ．７、厚み：０．１８ｍｍ）を約１分間浸して、ろ紙にＰＥＤＯＴ分散液を含浸させた。これを１２０℃のオーブン中で乾燥して、ろ紙にＰＥＤＯＴが含浸している電極層を得た。次いで、得られた電極層上にシリコーンゴム製の型を置き、型内にＰＶＤＦ−ＨＦＰ及びＥＭＩ−ＴＦの４−メチル−２−ペンタノン（ＭＰ）を含有する溶液を所定量流し込んだ。さらにその上に、ろ紙にＰＥＤＯＴが含浸しているもう一枚の電極層を載せ、８０℃で予備乾燥してから、さらに室温にて一晩自然乾燥させた。その後、真空乾燥により溶剤を除去して、ＰＥＤＯＴ及びろ紙により形成された２枚の電極層と、それらの間に形成された高分子電解質層とを有する０．５ｍｍ厚の積層シートを得た。この積層シートから３×１５ｍｍのサイズを有する高分子アクチュエータを切り出した。得られた高分子アクチュエータをカンチレバー型に固定し、±１．５Ｖの電圧を一定の周波数で印加し、レーザー変位計を用いてその駆動距離（変位量）を測定した。

実施例２
ろ紙をＡＤＶＡＮＴＥＣ製のＧＤ１２０（厚み：０．５１ｍｍ）に代えたことの他は実施例と同様にして、高分子アクチュエータを作製とその評価を行った。電極層の厚みは０．５７ｍｍであった。

比較例
ガラス板上にシリコーンゴム製の型を置き、型内に所定量のＰＶＤＦ−ＨＦＰとＥＭＩ−ＴＦの４−メチル−２−ペンタノン（ＭＰ）溶液を流し込んだ。型内の溶液を８０℃のホットプレートで１時間予備乾燥してから、一晩室温で保管し、その後真空乾燥して、０．５ｍｍ厚の高分子固体電解質シートを形成させた。その上にＰＥＤＯＴ分散液を所定量塗布し、１２０℃のオーブンで乾燥して、ＰＥＤＯＴからなる電極層（厚み：０．０２ｍｍ）を高分子固体電解質シート上に形成させた。次いで、裏面にも同様にしてＰＥＤＯＴからなる電極層（厚み：０．０２ｍｍ）を形成させた。そこから３×１５ｍｍのサイズを有する高分子アクチュエータを切り出した。高分子アクチュエータの評価は実施例１と同様にして行った。
結果

評価結果を表１に示す。ＰＥＤＯＴのみから電極層を形成させた比較例においては、電極層と高分子電解質層との密着力が非常に弱く、高分子アクチュエータの切り出しの際に電極層のはがれが生じ易かった。また、切り出した高分子アクチュエータを９０度程度折り曲げるなど、僅かな外力によって電極層のはがれが発生した。一方、ろ紙を使用した実施例の場合、電極層のはがれは起こりにくく、切り出した高分子アクチュエータを１８０度まで折り曲げても電極層のはがれは起こらなかった。このことから、電極層に使用したろ紙により電極層表面に凹凸が形成され、そのアンカー効果によって密着性が向上したものと推察される。また、比較例に比べて、実施例１、２は変位量が大きく向上した。

高分子アクチュエータの一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…高分子アクチュエータ、１１，１２…電極層、２０…高分子電解質層。

Claims (5)

1. 高分子電解質層と、該高分子電解質層に隣接して設けられた電極層と、を備え、
   前記電極層が、繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有し、前記電極層全体積に対する前記導電性高分子の比率が５０〜９０体積％であり、
   前記電極層の厚みが０．２〜０．６ｍｍであり、
   前記電極層の表面に凹凸が形成されている、高分子アクチュエータ。
2. 前記繊維基材がろ紙である、請求項１記載の高分子アクチュエータ。
3. 繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有する電極層を形成させる工程と、
   前記電極層と高分子電解質層とを積層する工程と、
   を備え、
   前記電極層が、前記導電性高分子及びこれが分散している分散媒を含有する分散液を繊前記維基材に含浸させる工程と、前記繊維基材に含浸した前記分散液から前記分散媒を除去する工程とを有する方法により形成される、高分子アクチュエータの製造方法。
4. 繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有する電極層を形成させる工程と、
   前記電極層と高分子電解質層とを積層する工程と、
   を備え、
   前記電極層が、前記導電性高分子及びこれが分散している分散液を前記繊維基材でろ過して、前記繊維基材内に前記導電性高分子を堆積させる方法により形成される、高分子アクチュエータの製造方法。
5. 繊維基材及びこれに含浸している導電性高分子を含有する電極層を形成させる工程と、
   前記電極層と高分子電解質層とを積層する工程と、
   を備え、
   前記電極層が、前記繊維基材にモノマーを含浸させる工程と、前記繊維基材に含浸したモノマーを重合して導電性高分子を生成させる工程とを有する方法により形成される、高分子アクチュエータの製造方法。