(57)【要約】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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。【０００３】
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。
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献２】特開２００８−３４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
【化１】
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［ＮＲxＨ4-x］+（III）
［ＰＲxＨ4-x］+（IV）【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
＜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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
＜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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
【表１】
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【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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、
【図２】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】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、
【図４】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、
【図５】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、
【符号の説明】
【００５１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2010029992.tif 000011
2010029992.tif 000012