JP2008253012A - Polymer actuator and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a polymer actuator and a manufacturing method thereof.
導電性高分子等の高分子材料を用いたアクチュエータは、一般に、１対の電極層と、それらの間に介在するイオン伝導性の電解質層とから構成される。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。例えば、電解質層として固体電解質層を備えた高分子アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
しかしながら、固体又はゲル状の電解質層を備えた従来の高分子アクチュエータは、繰返し動作させたときに電極層又は電解質層が損傷して正常に動作しなくなる場合があり、実用化のためには耐久性の更なる改善が必要であることが明らかとなった。 However, conventional polymer actuators with a solid or gel electrolyte layer may be damaged due to damage to the electrode layer or electrolyte layer when operated repeatedly, and are not suitable for practical use. It became clear that further improvement of sex was necessary.
そこで、本発明は、高分子アクチュエータの耐久性の改善を図ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the durability of a polymer actuator.
一つの側面において、本発明は電解質層と、該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において、電解質層及び電極層から選ばれる少なくとも１つは、ポリジオキシチオフェンと該ポリジオキシチオフェンにドープされたドーパントであって複数の酸基を有するドーパントとを含む導電性ポリマーと、スルホン酸基を有するポリマーと、を含有する導電層である。 In one aspect, the present invention relates to a polymer actuator comprising an electrolyte layer and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer. In the polymer actuator according to the present invention, at least one selected from the electrolyte layer and the electrode layer includes a polydioxythiophene and a dopant doped in the polydioxythiophene and having a plurality of acid groups. It is a conductive layer containing a polymer and a polymer having a sulfonic acid group.
上記本発明に係る高分子アクチュエータは、上記特定の導電性ポリマーにスルホン酸基を有するポリマーを組合わせた導電層を採用したことにより、優れた耐久性を有することが可能になった。導電性ポリマーに他のポリマーを混合すると、導電性が低下して高分子アクチュエータとしての動作が困難になることも懸念されたが、本発明者らの検討の結果、上記特定の構成を採用することにより、良好な導電性を維持しつつ、耐久性向上の効果が得られることが明らかとなった。 The polymer actuator according to the present invention can have excellent durability by employing a conductive layer in which the specific conductive polymer is combined with a polymer having a sulfonic acid group. When other polymers are mixed with the conductive polymer, there is a concern that the conductivity decreases and the operation as a polymer actuator becomes difficult. However, as a result of the study by the present inventors, the above specific configuration is adopted. As a result, it has been clarified that the effect of improving the durability can be obtained while maintaining good conductivity.
上記スルホン酸基を有するポリマーの導電性ポリマーに対する質量比は、２０〜１５００％であることが好ましい。これにより、導電層の導電性をより良好なレベルに維持しつつ耐久性の向上を図ることが可能になる。 The mass ratio of the polymer having a sulfonic acid group to the conductive polymer is preferably 20 to 1500%. This makes it possible to improve the durability while maintaining the conductivity of the conductive layer at a better level.
上記スルホン酸基を有するポリマーは、芳香族基を含む主鎖を有することが好ましい。また、スルホン酸基を有するポリマーの少なくとも一部が架橋していることが好ましい。スルホン酸基を有するポリマーがこれらの構成を有することにより、耐久性向上の効果がより一層顕著に得られる。 The polymer having a sulfonic acid group preferably has a main chain containing an aromatic group. Moreover, it is preferable that at least a part of the polymer having a sulfonic acid group is crosslinked. When the polymer having a sulfonic acid group has these configurations, the effect of improving durability can be obtained more remarkably.
別の側面において、本発明は電解質層と、該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を製造するための製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、上記一般式（Ｉ）で表される繰返し単位を有するポリジオキシチオフェンと該ポリジオキシチオフェンにドープされたドーパントであって複数の酸基を有するドーパントとを含む導電性ポリマー、スルホン酸基を有するポリマー、並びに導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーが分散している水を含む溶媒を含有する混合液の膜を形成させる工程と、この膜から溶媒を除去して、導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーを含有する導電層を電極層又は電解質層として形成させる工程と、を備える。 In another aspect, the present invention relates to a manufacturing method for manufacturing a polymer actuator comprising an electrolyte layer and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer. The production method according to the present invention comprises a polydioxythiophene having a repeating unit represented by the above general formula (I) and a dopant doped in the polydioxythiophene and having a plurality of acid groups. Forming a film of a mixed solution containing a polymer, a polymer having a sulfonic acid group, and a solvent containing water in which the conductive polymer and the polymer having a sulfonic acid group are dispersed, and removing the solvent from the film. And a step of forming a conductive layer containing a conductive polymer and a polymer having a sulfonic acid group as an electrode layer or an electrolyte layer.
上記本発明に係る製造方法によれば、優れた耐久性を有する高分子アクチュエータを製造することが可能である。 According to the production method of the present invention, a polymer actuator having excellent durability can be produced.
本発明によれば、高分子アクチュエータの耐久性を改善することが可能である。本発明に係る高分子アクチュエータはまた、成形加工性の点でも優れている。また、本発明によれば、良好な導電性を有する導電層を備える高分子アクチュエータが得られることから、駆動電圧が低いこと、エネルギー密度が高いこと等の高分子アクチュエータの利点を十分に活かすことが可能である。 According to the present invention, it is possible to improve the durability of the polymer actuator. The polymer actuator according to the present invention is also excellent in terms of moldability. In addition, according to the present invention, since a polymer actuator having a conductive layer having good conductivity can be obtained, the advantages of the polymer actuator such as low driving voltage and high energy density can be fully utilized. Is possible.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
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、通電によりイオン伝導が生じて電解質層２０中のイオンの分布に偏りが生じることにより、例えば矢印Ａの方向に変位を生じる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a polymer actuator. The
１対の電極層１１，１２のうち少なくとも一方は、ポリジオキシチオフェン及びドーパントから形成された導電性ポリマーと、スルホン酸基を有するポリマーとを含有する導電層である。
At least one of the pair of
電極層としての導電層は、好ましくは０．０５Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは１Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有する。良好な導電性を得るためには、導電性ポリマーと、スルホン酸基を有するポリマーとが相溶して実質的に単一の相を形成していることが好ましい。また、同様の観点から、スルホン酸基を有するポリマーの導電性ポリマーに対する質量比は、２０〜１５００％であることが好ましく、２０〜５００％であることがより好ましい。 The conductive layer as the electrode layer preferably has a conductivity of 0.05 S / cm or more, more preferably 1 S / cm or more. In order to obtain good conductivity, it is preferable that the conductive polymer and the polymer having a sulfonic acid group are compatible to form a substantially single phase. From the same viewpoint, the mass ratio of the polymer having a sulfonic acid group to the conductive polymer is preferably 20 to 1500%, and more preferably 20 to 500%.
上記導電性ポリマーを構成するポリジオキシチオフェンは、チオフェン環の３，４位にオキシ基が結合した構造を有する繰返し単位から構成されるポリチオフェンである。より具体的には、ポリジオキシチオフェンは、例えば下記一般式（Ｉ）で表される繰返し単位を有する。
式（Ｉ）中、Ｒ１およびＲ２はそれぞれ独立に水素原子若しくは炭素数１〜４のアルキル基、又は互いに結合して置換基を有していてもよい炭素数１〜４のアルキレン基を形成している基を示す。Ｒ１及びＲ２は互いに結合して置換基を有していてもよい炭素数１〜４のアルキレン基を形成している基であることが好ましい。Ｒ１及びＲ２により形成されるアルキレン基は、置換基を有していてもよい１，２−エチレン基又は置換基を有していてもよい１，３−プロピレン基であることが好ましい。好ましくは、ポリジオキシチオフェンは下記一般式（Ｉａ）で表される繰返し単位を有する。式（Ｉａ）中、Ｒ３は水素原子、炭素数１〜１０のアルキル基又はアリール基（フェニル基等）を示す。 In formula (I), R 1 and R 2 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms that may be bonded to each other to have a substituent. The group which forms is shown. R 1 and R 2 are preferably a group which is bonded to each other to form a C 1-4 alkylene group which may have a substituent. The alkylene group formed by R 1 and R 2 is preferably a 1,2-ethylene group which may have a substituent or a 1,3-propylene group which may have a substituent. Preferably, polydioxythiophene has a repeating unit represented by the following general formula (Ia). In Formula (Ia), R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an aryl group (such as a phenyl group).
ポリジオキシチオフェンは、複数の酸基を有するドーパントによってドープされている。言い換えると、ポリジオキシチオフェンが有する繰返し単位の一部は陽イオンを形成しており、この陽イオンの対イオンとして、ドーパントの酸基が解離して陰イオンを形成している。ドーパントが有する酸基としてはスルホン酸基及びカルボン酸基が挙げられ、スルホン酸基が特に好ましい。 Polydioxythiophene is doped with a dopant having a plurality of acid groups. In other words, a part of the repeating unit of polydioxythiophene forms a cation, and as a counter ion of this cation, the acid group of the dopant dissociates to form an anion. Examples of the acid group possessed by the dopant include a sulfonic acid group and a carboxylic acid group, and a sulfonic acid group is particularly preferable.
ドーパントは、酸基を有する繰返し単位を含むポリマーであることが好ましい。スルホン酸基を有するドーパントとしては、ポリ（スチレンスルホン酸）及びポリ（ビニルスルホン酸）が挙げられる。カルボン酸基を有するドーパントとしては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びポリマレイン酸が挙げられる。ドーパントはスルホン酸基又はカルボン酸基を有する繰返し単位を含む共重合体であってもよい。ポリマーであるドーパントの数平均分子量は、好ましくは１００００〜２００００００であり、より好ましくは２０００〜５０００００である。 The dopant is preferably a polymer including a repeating unit having an acid group. Examples of the dopant having a sulfonic acid group include poly (styrene sulfonic acid) and poly (vinyl sulfonic acid). Examples of the dopant having a carboxylic acid group include polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and polymaleic acid. The dopant may be a copolymer including a repeating unit having a sulfonic acid group or a carboxylic acid group. The number average molecular weight of the dopant which is a polymer becomes like this. Preferably it is 10,000-2 million, More preferably, it is 2000-500000.
スルホン酸基を有するポリマーは、繰返しの変形に対する耐性の向上の観点から、エラストマーであることが好ましい。特に、スルホン酸基を有するポリマーは、熱可塑性エラストマーにスルホン酸基を導入したものであることが好ましい。熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー及びポリアミド系熱可塑性エラストマーがある。 The polymer having a sulfonic acid group is preferably an elastomer from the viewpoint of improving resistance to repeated deformation. In particular, the polymer having a sulfonic acid group is preferably a sulfonic acid group introduced into a thermoplastic elastomer. Examples of the thermoplastic elastomer include a styrene thermoplastic elastomer, a polyolefin thermoplastic elastomer, a polyvinyl chloride thermoplastic elastomer, a polyurethane thermoplastic elastomer, a polyester thermoplastic elastomer, and a polyamide thermoplastic elastomer.
スチレン系熱可塑性エラストマーは、ポリスチレン鎖からなるハードセグメントと、ポリブタジエン鎖及びポリイソプレン鎖等から選ばれるソフトセグメントとを有する。スチレン系熱可塑性エラストマーは、低温特性及び接着性の観点から好ましい。ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーは、ポリプロピレン鎖及びポリエチレン鎖から選ばれるハードセグメントと、ポリエチレン−ポリプロピレン共重合体鎖からなるソフトセグメントとを有する。ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーは、耐熱老化性、及び耐候性の観点から好ましい。ポリウレタン系熱可塑性エラストマーは、ジイソシアネートと高分子量ジオールとの重付加反応により生成する。ポリウレタン系熱可塑性エラストマーは、機械的強度、耐屈曲性及び低温特性の観点から好ましい。ポリエステル系熱可塑性エラストマーとしては、ポリエステル・エーテルエラストマー及びポリエステル・エステルエラストマーが挙げられる。また、ポリエステルポリオールをジイソシアネートで架橋させてポリエステルウレタンのように使用することも可能である。ポリアミド系熱可塑性エラストマーは、末端カルボキシル基ポリアミドオリゴマー及びポリエーテルジオールとの反応により得られる。ポリアミド系熱可塑性エラストマーは、強靭性及び耐屈曲疲労性の観点から好ましい。 The styrenic thermoplastic elastomer has a hard segment composed of a polystyrene chain and a soft segment selected from a polybutadiene chain and a polyisoprene chain. Styrenic thermoplastic elastomers are preferred from the viewpoints of low temperature characteristics and adhesiveness. The polyolefin-based thermoplastic elastomer has a hard segment selected from a polypropylene chain and a polyethylene chain, and a soft segment composed of a polyethylene-polypropylene copolymer chain. Polyolefin thermoplastic elastomers are preferred from the viewpoints of heat aging resistance and weather resistance. A polyurethane-based thermoplastic elastomer is produced by a polyaddition reaction between a diisocyanate and a high molecular weight diol. Polyurethane-based thermoplastic elastomers are preferable from the viewpoints of mechanical strength, flex resistance, and low-temperature characteristics. Examples of the polyester-based thermoplastic elastomer include a polyester / ether elastomer and a polyester / ester elastomer. Moreover, it is also possible to crosslink a polyester polyol with diisocyanate and use it like polyester urethane. The polyamide-based thermoplastic elastomer is obtained by a reaction with a terminal carboxyl group polyamide oligomer and a polyether diol. The polyamide-based thermoplastic elastomer is preferable from the viewpoint of toughness and bending fatigue resistance.
スルホン酸基を有するポリマーは、フェニレン基等の芳香族基を含む主鎖を有することが好ましい。また、スルホン酸基を有するポリマーは、固体電解質との密着性を向上させるため、水酸基及びカルボキシル基等の極性基を有することが好ましい。 The polymer having a sulfonic acid group preferably has a main chain containing an aromatic group such as a phenylene group. In addition, the polymer having a sulfonic acid group preferably has a polar group such as a hydroxyl group and a carboxyl group in order to improve adhesion to the solid electrolyte.
スルホン酸基を有するポリマーの少なくとも一部が架橋して、架橋構造体が形成されていてもよい。架橋構造体は、アクリレート基等の架橋性の官能基を有するモノマー又はプレポリマーの架橋により形成される。 At least a part of the polymer having a sulfonic acid group may be crosslinked to form a crosslinked structure. The crosslinked structure is formed by crosslinking a monomer or prepolymer having a crosslinkable functional group such as an acrylate group.
スルホン酸基を有する架橋構造体は、熱硬化性樹脂の硬化により形成された硬化体であってもよい。この場合の好適な熱硬化性樹脂の具体例としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア・メラミン樹脂及びポリウレタン樹脂が挙げられる。 The crosslinked structure having a sulfonic acid group may be a cured body formed by curing a thermosetting resin. Specific examples of suitable thermosetting resins in this case include epoxy resins, unsaturated polyester resins, polyurethane resins, urea / melamine resins, and polyurethane resins.
スルホン酸基を有するポリマーは、水を含む溶媒中に分散されたときにミセルを形成して自己乳化する自己乳化型のポリマーであることが好ましい。言い換えると、スルホン酸基を有するポリマーは、自己乳化が可能な程度の量のスルホン酸基を有することが好ましい。スルホン酸基を有する自己乳化型のポリマーとしては、例えば、スルホン酸変性水分散型ポリエステル樹脂がある。 The polymer having a sulfonic acid group is preferably a self-emulsifying polymer that forms a micelle and self-emulsifies when dispersed in a solvent containing water. In other words, the polymer having a sulfonic acid group preferably has a sulfonic acid group in such an amount that self-emulsification is possible. Examples of the self-emulsifying polymer having a sulfonic acid group include a sulfonic acid-modified water-dispersed polyester resin.
スルホン酸基を有するポリマーが自己乳化型である場合、例えば、導電性ポリマーを含む分散液とスルホン酸基を有するポリマーを含む乳化液とを混合して、導電性ポリマー、スルホン酸基を有するポリマー、並びに導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーが分散している水を含む溶媒を含有する混合液を準備する工程と、混合液の膜を形成させる工程と、この膜から溶媒を除去して、導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーを含有する導電層を形成させる工程とを含む方法により、良好な導電性を有する導電層を容易に形成させることが可能である。 When the polymer having a sulfonic acid group is a self-emulsifying type, for example, a dispersion containing a conductive polymer and an emulsion containing a polymer having a sulfonic acid group are mixed to form a conductive polymer or a polymer having a sulfonic acid group. And a step of preparing a liquid mixture containing a solvent containing water in which a conductive polymer and a polymer having a sulfonic acid group are dispersed, a step of forming a film of the liquid mixture, and removing the solvent from the film It is possible to easily form a conductive layer having good conductivity by a method including a step of forming a conductive layer containing a conductive polymer and a polymer having a sulfonic acid group.
導電性ポリマーとスルホン酸基を有するポリマーとを混合する方法は特に限定されるものではなく、高分子材料の加工の分野で一般に用いられている方法を適宜採用して導電層を形成させることができる。混合方法としては、例えば、２軸混練機等による溶融状態での混合・混練、プラネタリーミキサーのような遊星式の混合・混練、ホモジェナイザー又はホモミキサーによる混合が挙げられる。導電層は、印刷、コーティング、キャスト等の方法により成膜される。 The method for mixing the conductive polymer and the polymer having a sulfonic acid group is not particularly limited, and a conductive layer can be formed by appropriately adopting a method generally used in the field of processing polymer materials. it can. Examples of the mixing method include mixing and kneading in a molten state using a twin-screw kneader or the like, planetary mixing / kneading such as a planetary mixer, and mixing using a homogenizer or a homomixer. The conductive layer is formed by a method such as printing, coating, or casting.
１対の電極層１１，１２の両方が以上説明したような導電層であることが好ましいが、電極層１１，１２のうち一方は、他の導電性材料から形成されていてもよい。例えば、一方の電極層は上記導電性ポリマー以外の導電性ポリマーから形成されていてもよいし、金属から構成された金属層であってもよい。電極層１１，１２に用いられる金属としては、金、銀、銅及びニッケル等がある。金属層は、例えば、スパッタ又はめっきにより電解質層上に形成させてもよいし、別途準備した金属層を接着剤により接着してもよい。 Both of the pair of electrode layers 11 and 12 are preferably conductive layers as described above, but one of the electrode layers 11 and 12 may be formed of another conductive material. For example, one electrode layer may be formed from a conductive polymer other than the conductive polymer, or may be a metal layer made of a metal. Examples of the metal used for the electrode layers 11 and 12 include gold, silver, copper, and nickel. The metal layer may be formed on the electrolyte layer by sputtering or plating, for example, or a separately prepared metal layer may be bonded with an adhesive.
電解質層２０は、イオン伝導性を有する層であれば特に限定されないが、固体又はゲル状であることが好ましい。電解質層２０は、例えば、イオン伝導性ポリマーと、イオン性物質とを含有する。
The
電解質層２０を構成するイオン伝導性ポリマーは、好ましくは、下記化学式（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（２０）又は（３０）で表される繰返し単位を含む。これらの中でも式（１０）で表されるオキシアルキレン基が特に好ましい。
The ion conductive polymer constituting the
式（１０）〜（１３）、（２０）及び（３０）において、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５及びＲ１６は２価の有機基を示す。Ｒ１１〜Ｒ１６は好ましくはアルキレン基であり、好ましくは炭素数１〜６のアルキレン基である。Ｒ１〜Ｒ１６の具体例としてはエチレン基及びプロピレン基が挙げられる。Ｒ１７は水素原子又はアルキル基を示す。Ｒ１７のアルキル基は、炭素数１〜３であることが好ましく、具体的には、メチル基又はプロピル基であることが好ましい。 In formulas (10) to (13), (20) and (30), R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 and R 16 represent a divalent organic group. R 11 to R 16 are preferably an alkylene group, and preferably an alkylene group having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples of R 1 to R 16 include an ethylene group and a propylene group. R 17 represents a hydrogen atom or an alkyl group. The alkyl group for R 17 preferably has 1 to 3 carbon atoms, and specifically, is preferably a methyl group or a propyl group.
電解質層２０中のイオン伝導性ポリマーは、直鎖状であってもよいし、分岐構造を形成していてもよい。また、イオン伝導性ポリマーは網目状の架橋構造体であってもよい。
The ion conductive polymer in the
電解質層２０中のイオン性物質は、イオン性液体であることが好ましい。イオン性液体の好適な具体例としては、イミダゾリウム塩、ピリジウム塩及び第４級アンモニウム塩が挙げられる。
The ionic substance in the
電解質層２０におけるイオン性物質の割合は、電解質層２０中の架橋構造体の質量を基準として１０〜４００質量％であることが好ましい。この割合が１０質量％未満であると電解質層２０の導電率が低下し易くなる傾向にあり、４００質量％を超えると電解質層の強度が低下したり、イオン性液体を用いる場合はイオン性液体が染み出し易くなったりする傾向がある。
The ratio of the ionic substance in the
電解質層２０は、例えば、イオン伝導性ポリマー、イオン性物質及び溶媒を含有する混合液を電極層１１上に塗付し、塗布された混合液から溶媒を乾燥する方法により形成される。混合液を塗布する方法は特に限定されず、例えばアプリケーター、バーコーター、ナイフコーター、スクリーン印刷等の方法を適宜採用することができる。
The
高分子アクチュエータ１は、例えば、基板上に電極層１１を形成させる工程と、該電極層１１上に電解質層２０を形成させる工程と、該電解質層２０上に電極層１２を形成させる工程と、基板を剥離する工程とを備える方法により得ることができる。通常は、剥離後の積層体のシートから、打ち抜きや裁断等の手段により所定のサイズの製品が切り出される。
The
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、電解質層２０が、導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーを含有する上述の導電層であって更にイオン性物質を含有する層であってもよい。この場合、電極層は、導電性ポリマー及びスルホン酸基を有するポリマーを含有する導電層でなくてもよい。また、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、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。高分子アクチュエータの形状も平板状に限られず、用途等に応じて適宜変更され得る。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the
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。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
（比較例）
電解質ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて１００００ｒｐｍ、１０分間の条件で混合及び分散し、その後脱泡して、電解質ペーストを得た。
・ポリオキシアルキレン鎖を有する多官能末端アクリレートポリマー（ＴＡ２１０）
：１００重量部
・イオン性液体（１−エチル−３−メチルイミダゾリウム ビストリフルオロメタンスルホニルイミド）
：３４．４重量部
・光重合開始剤（２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、ＩＲＧ６５１）
：１重量部
(Comparative example)
Preparation of electrolyte paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer at 10,000 rpm for 10 minutes, and then defoamed to obtain an electrolyte paste.
・ Polyfunctional terminal acrylate polymer having polyoxyalkylene chain (TA210)
: 100 parts by weight-ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bistrifluoromethanesulfonylimide)
: 34.4 parts by weight-photopolymerization initiator (2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one, IRG651)
: 1 part by weight
導電層用ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて混合及び分散して、導電層用ペーストを得た。
・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）の水分散液（固形分１．２質量％、スタルク社製、Ｂａｙｔｒｏｎ Ｐ ＨＣ Ｖ４）
：１００重量部
Ｎ−メチルピロリドン
：５重量部
γ−グリシジルトリメトキシシラン（ＳＨ６０４０、東レダウコーニング社製）
：１重量部
Preparation of conductive layer paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a conductive layer paste.
-Aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonic acid) (solid content: 1.2% by mass, manufactured by Starck, Baytron P HC V4)
: 100 parts by weight N-methylpyrrolidone: 5 parts by weight γ-glycidyltrimethoxysilane (SH6040, manufactured by Toray Dow Corning)
: 1 part by weight
アクチュエータ作製と評価
上記導電層用ペーストを、アプリケーターを用いてガラス基板上に展開し、８０℃で３０分の加熱により乾燥及び架橋させて、電極層としての導電層（膜厚：５μｍ程度）を形成させた。形成された導電層の導電率は８Ｓ／ｃｍであった。次いで、導電層上に上記電解質ペーストを同様な手法で塗布した後、ＵＶ照射（積算光量６０００ｍＪ／ｃｍ２）により硬化させて、電解質層を形成させた。更に、電解質層上に導電層を１層目の導電層と同様の手順で電極層として形成させた。得られた３層構造の積層体をガラス基板から剥離して、高分子アクチュエータのシート（厚さ：４２０μｍ）を得た。得られたシートからを所定の大きさの評価用サンプルを切り出した。
Actuator Production and Evaluation The conductive layer paste is spread on a glass substrate using an applicator, dried and crosslinked by heating at 80 ° C. for 30 minutes to form a conductive layer (film thickness: about 5 μm) as an electrode layer. Formed. The conductivity of the formed conductive layer was 8 S / cm. Next, the above electrolyte paste was applied on the conductive layer by the same method, and then cured by UV irradiation (integrated light amount 6000 mJ / cm 2 ) to form an electrolyte layer. Furthermore, a conductive layer was formed on the electrolyte layer as an electrode layer in the same procedure as the first conductive layer. The obtained three-layer laminate was peeled from the glass substrate to obtain a polymer actuator sheet (thickness: 420 μm). A sample for evaluation having a predetermined size was cut out from the obtained sheet.
評価用サンプルをケルビンクリップでクランプし、ファンクションジェネレーターにより方形波（±３Ｖ）の電圧を印加し、そのときの電流値、電圧及び変位量を同時に計測して、アクチュエータの動作特性を評価した。 The evaluation sample was clamped with a Kelvin clip, a square wave (± 3 V) voltage was applied by a function generator, and the current value, voltage and displacement at that time were measured simultaneously to evaluate the operating characteristics of the actuator.
（実施例１）
導電層用ペーストの調製
下記原料をホモジナイザーを用いて混合及び分散して、スルホン酸基を有するポリマーを含む導電層用ペーストを得た。
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／ＰＳＳ）の水分散液（固形分１．２質量％、スタルク社製、Ｂａｙｔｒｏｎ Ｐ ＨＣ Ｖ４）
：１００重量部
スルホン酸変性水分散型ポリエステル樹脂（固形分２７質量％、東洋紡社製、ＶＹＬＯＮＡＬ ＭＤ−１９８５）
：２．２重量部
Ｎ−メチルピロリドン
：５重量部
Example 1
Preparation of conductive layer paste The following raw materials were mixed and dispersed using a homogenizer to obtain a conductive layer paste containing a polymer having a sulfonic acid group.
Aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) -poly (styrenesulfonic acid) (PEDOT / PSS) (solid content 1.2 mass%, manufactured by Starck, Baytron P HC V4)
: 100 parts by weight sulfonic acid-modified water-dispersed polyester resin (solid content 27% by mass, manufactured by Toyobo Co., Ltd., VYLONAL MD-1985)
: 2.2 parts by weight N-methylpyrrolidone: 5 parts by weight
アクチュエータ作製と評価
上記導電層用ペーストを用いて電極層としての導電層を形成させたことの他は比較例と同様にして高分子アクチュエータの評価用サンプルを作製し、その動作特性の評価を行った。
Actuator preparation and evaluation A polymer actuator evaluation sample was prepared in the same manner as in the comparative example except that the conductive layer as an electrode layer was formed using the above conductive layer paste, and its operating characteristics were evaluated. It was.
（実施例２、３）
導電層用ペーストを配合する際のスルホン酸変性水分散型ポリエステル樹脂（ＭＤ−１９８５）の配合量を表１に示す量としたことの他は実施例１と同様にして、高分子アクチュエータの評価用サンプルを作製とその動作特性の評価を行った。
(Examples 2 and 3)
Evaluation of the polymer actuator in the same manner as in Example 1 except that the blending amount of the sulfonic acid-modified water-dispersed polyester resin (MD-1985) when blending the conductive layer paste was changed to the amount shown in Table 1. Samples were prepared and their operating characteristics were evaluated.
連続動作後の評価用サンプルの外観を観察して導電層の剥離や破断の発生状態を確認した。表１に示すように、いずれのサンプルも通電による変位を生じ、駆動特性は特に問題なかった。図２は実施例２の高分子アクチュエータに１Ｈｚの方形波を印加したときの印加電圧及び変位と計測時間との関係を示すグラフである。しかし、スルホン酸基を有するポリマーを用いなかった比較例の場合、１２００サイクル以降に、導電層において剥離や破断が発生した。一方、実施例のサンプルでは、１２００サイクル以降も導電層の剥離や破断は外観上認められなかった。 The appearance of the evaluation sample after continuous operation was observed to confirm the state of occurrence of peeling or fracture of the conductive layer. As shown in Table 1, all samples caused displacement due to energization, and there was no particular problem with the driving characteristics. FIG. 2 is a graph showing the relationship between applied voltage and displacement and measurement time when a 1 Hz square wave is applied to the polymer actuator of Example 2. However, in the case of the comparative example in which the polymer having a sulfonic acid group was not used, peeling or breakage occurred in the conductive layer after 1200 cycles. On the other hand, in the sample of the example, no peeling or breakage of the conductive layer was observed in appearance after 1200 cycles.
折り曲げ試験
比較例の条件で作製した高分子アクチュエータをＵ字形に折り曲げようとしたところ、導電層が全体的に損傷し、部分的に電解質層から剥離した。一方、実施例の条件で作製した高分子アクチュエータは、Ｕ字形に１８０°屈曲させたときも表面状態に外観上変化は認められなかった。このことから、本発明による高分子アクチュエータは、様々な形状に容易に成形することが可能な優れた成形加工性を有することが確認された。
Bending test When the polymer actuator manufactured under the conditions of the comparative example was bent in a U shape, the conductive layer was totally damaged and partially peeled from the electrolyte layer. On the other hand, the appearance of the surface state of the polymer actuator produced under the conditions of the example was not recognized even when it was bent 180 ° into a U shape. From this, it was confirmed that the polymer actuator according to the present invention has excellent molding processability that can be easily molded into various shapes.
１…高分子アクチュエータ、１１，１２…電極層、２０…電解質層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電解質層及び前記電極層から選ばれる少なくとも１つが、
ポリジオキシチオフェンと該ポリジオキシチオフェンにドープされたドーパントであって複数の酸基を有するドーパントとを含む導電性ポリマーと、
スルホン酸基を有するポリマーと、を含有する導電層である、
高分子アクチュエータ。 In a polymer actuator comprising an electrolyte layer and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer,
At least one selected from the electrolyte layer and the electrode layer is:
A conductive polymer comprising polydioxythiophene and a dopant doped in the polydioxythiophene and having a plurality of acid groups;
A polymer having a sulfonic acid group, and a conductive layer.
Polymer actuator.
ポリジオキシチオフェンと該ポリジオキシチオフェンにドープされたドーパントであって複数の酸基を有するドーパントとを含む導電性ポリマー、スルホン酸基を有するポリマー、並びに前記導電性ポリマー及び前記スルホン酸基を有するポリマーが分散している水を含む溶媒を含有する混合液の膜を形成させる工程と、
前記膜から前記溶媒を除去して、前記導電性ポリマー及び前記スルホン酸基を有するポリマーを含有する導電層を前記電極層又は前記電解質層として形成させる工程と、
を備える製造方法。 In a manufacturing method for manufacturing a polymer actuator comprising an electrolyte layer and an electrode layer provided adjacent to the electrolyte layer,
Conductive polymer comprising polydioxythiophene and a dopant doped in the polydioxythiophene having a plurality of acid groups, a polymer having sulfonic acid groups, and the conductive polymer and polymer having sulfonic acid groups Forming a film of a mixed solution containing a solvent containing water in which is dispersed,
Removing the solvent from the film, and forming a conductive layer containing the conductive polymer and the polymer having a sulfonic acid group as the electrode layer or the electrolyte layer;
A manufacturing method comprising:
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