(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質に対し透過性を有しない柔軟性材料からなり、前記電解質を収容する密封外側ハウジングと、
前記密封外側ハウジングを第一の領域と第二の領域に分離する半多孔質材料と、
前記第一の領域内で半多孔質容器に収容されるポリマーアクチュエータ材料と、
前記第一の領域内で前記ポリマーアクチュエータ材料に接触する第一の電極と、
前記第二の領域内で二重層キャパシタコーティングを有する第二の電極と、
を含む、ポリマーアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記ポリマーアクチュエータ材料を電気的に活性化させる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ポリマーアクチュエータ材料を化学的に活性化させる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記二重層キャパシタコーティングを有する電極が、非水系電解質中にある、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記二重層キャパシタコーティングを有する電極が、水系電解質中にある、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記二重層キャパシタコーティングを有する電極が放電回路に接続され、該放電回路がコントローラに電気的に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記放電回路が、電荷の蓄積及び電荷の再利用を行う蓄電装置を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラが、所定時間で又はシステムに特定量の電荷が蓄積されると、前記放電回路を開閉するように構成される、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
２以上の前記ポリマーアクチュエータ装置が直列に接続され、ポンプを形成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記密封外側ハウジングは、メタライズドポリエチレンフィルムを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第二の電極のコーティングは、カーボンＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）キャパシタ層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第一の電極、前記第二の電極のそれぞれが、二重層キャパシタコーティングを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ハウジングと、
電解質の第一の部分と接触する第一電極と、
前記電解質の第二の部分と接触する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極の間に電圧を加えたとき、前記電解質の第一の部分と前記電解質の第二の部分とを分離して、前記電解質の第一の部分と前記第二の部分の間のｐＨ差を維持する膜と、
前記電解質の第一の部分に配置され、前記電解質の第一の部分でのｐＨ変化に反応して体積が変化するように構成された、複数のポリマーアクチュエータと、
前記ポリマーアクチュエータのうち少なくとも一つが、多孔性容器に収容されたポリマーアクチュエーション材料の顆粒と、
を含む、ポリマーアクチュエータアセンブリ。
【請求項１４】
前記多孔性容器がポリマーバッグである、請求項１３に記載のポリマーアクチュエータアセンブリ。
【請求項１５】
前記ポリマーアクチュエーション材料の顆粒が、前記電解質を有するスラリーを含む、請求項１３に記載のポリマーアクチュエータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一部は契約番号０８４８５２８に基づく米国科学財団による米国政府の支援によるものである。米国政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
本発明は体積変化を生ずる材料に関する。具体的には、本発明は、ｐＨの変化に応じて体積が変化するポリマー材料に関する。この材料は、例えば、治療流体投与用のポンプのアクチュエータとして使用可能なアクティベータとして有利に使用可能であり、この材料については、こうした実用性に関連して以下に記載するが、その他の用途も考えられる。
【背景技術】
【０００３】
アクチュエータは、様々な用途に対して変位又は力を生じる装置である。これらの例を幾つか挙げると、モーター、エアシリンダ、油圧シリンダ、及び電磁ソレノイド等の、種々の形態が可能である。これらのアクチュエータは、多くの異なる用途に利用可能で、数十年にわたり使用されている。
【０００４】
開発が進められている特定種のポリマーベースのアクチュエータは、弾性エポキシヒドロゲルポリマーベースのポリマーアクチュエータである。このようなアクティベータは、このポリマーと電解質のイオン種と接触又は近接する電極における陽電荷又は陰電荷を用いて、電極近くのイオンを不均衡にすることにより作動する。二級アミンや一級アミンのようなアミン基の密度又は数を増やすことによりヒドロゲルの膨潤圧を増大できる。また、この増加は膨潤時間や解膨潤時間にも影響する。
【０００５】
この増加のための一方法が、ポリマー構造の一部にポリアミドアミン（ＰＡＭＡＭ）ポリエーテルデンドリマー、ポリプロピレンイミン（ＰＰＩ）デンドリマー、アミノ機能化デンドリマー、又はこれらを組み合わせたものを導入することにより得られる。デンドリマーは高度に分岐し、ポリマー連結点の数が非常に優勢である。また、表面一級アミノ基やコアアミノ基を有するデンドリマーが市販されている。これによりヒドロゲルのエンジニアリングが可能になるため、材料配合比、或いは、ポリマー構造自身の組織、大きさ、及び分岐数を制御することにより、このゲルが発生する圧力のような特定の性能パラメーターを決定できる。ヒドロゲルの密度と気孔度の制御は、機能性アミンの量やポリエーテルアミンの分子量により行う。また、ヒドロゲルの密度と気孔度の制御は、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテルの量、及び／又はこの材料の重合に用いるＨ２０又は溶剤の比により行う。
【０００６】
このゲル用に好ましいエーテルは、ポリエチレングリコールドデシルエーテル（ｐｏｌｙＥＧＤＥ）であるが、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテルのような他のエーテル類も使用できる。これらのエーテル類は、非常に透明で頑丈なヒドロゲルを形成し、このヒドロゲルは、高いｐＨの水溶液中では疎水的に反応し、低いｐＨ又は酸性溶液では膨潤する。また、ヒドロゲルの密度及び気孔度の制御を、一定量の酸化剤を重合中のポリマーに添加することにより行える。これらの酸化剤は、溶液又は乾燥のいずれの状態であっても、更に化学的・電気的に、又はフォトンにより重合中に活性化し、所望の特性を得ることができる。
【０００７】
イオン性ヒドロゲルの膨潤速度は、ヒドロゲル外側の溶液とヒドロゲル内側の溶液間のｐＨ、イオン、陽イオン又はプロトンの違い、或いは、ヒドロゲルのポリマー組成により得られる。これらの性能特性の制御は、幾つかの方法により可能である。例えば、重合中のポリマーに酸を加えると、高いｐＨの膨潤性を有するヒドロゲルを創出できる。また、ヒドロゲルの膨潤速度を、重合中のポリマーに塩類又はアルカリ溶液類を加えることによっても制御できる。これは、エポキシポリマー又はこのポリマーを水和した溶液を化学的、電気的、電気化学的、光的、又は光化学的に励起することにより得られる。
【０００８】
電場反応性高分子（ＥＡＰ）の創出は、エポキシヒドロゲルを電解質中で水和し、電極をこのゲル内に挿入し、第２の電極をこのヒドロゲルから近距離の間隔を開けて配置し、電極間にわずかな電流を流すことにより可能である。例えば、エポキシヒドロゲルの膨潤を、電解質流体として生理食塩水を用いた白金電極の領域で増加できる。その極性が反転すると、ヒドロゲルの解膨潤又は収縮が生じる。また、疎水特性と親水特性の制御は、これらの方法で可能である。
【０００９】
これらポリマーアクチュエータの課題は、流体の圧送に十分なアクチュエーションの力と歪み速度を発生させることである。
【００１０】
このようなポリマーアクチュエータの別の課題は、動作中のガスの発生である。電極と水系電解質を利用するポリマーアクチュエータは特に、アクチュエーションの効率が高く有利であるが、加水分解により酸素と水素を生ずる可能性がある。
【００１１】
ポリマーアクチュエータで発生するガスは、電荷移動や機械システムに影響する可能性があるので、好ましくない。絶縁ポケットの生成による気泡は、システム全体の電荷移動を妨げる。これにより電極及び／又はポリマーの表面積が大きく減少し、ポリマーの膨張速度が低下する。更に悪いことには、ガスポケットの大きさと正確な組成は変動し、予測できないので、ポリマーアクチュエータを用いるあらゆる装置の精度が低下する。
【００１２】
また、ガスの膨張は、後にガスの圧縮又は吸収により緩和するアクチュエータに、見かけの膨張を生ずる。こうして、ガスの発生により、アクチュエータの再現性、予測性、及び精度が低下する。
【００１３】
これらの一貫性の問題が重なると、アクチュエータポリマーと非反応性基板との接着性が噛み合わなくなる。ヒドロゲルは層剥離し易く、大抵は水性環境で不安定になるので、例えば、薄膜の特性評価と水媒体での使用が困難になる。接着には、溶液が必要になって化学薬品類と工程の数が増加し、ひいては複雑さが増すことや、環境に優しくない化学薬品類を用いることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０７９４４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、加水分解又は他のガスの発生という欠点を伴わずに、高率のアクチュエーションを発生するアクチュエータが必要である。
【００１６】
更に、疎水性表面に都合良く接着するヒドロゲルアクチュエータが必要である。
【００１７】
従来のアクチュエータは、これら用途の要件を完全には満たしていない。更に、最先端のポリマーアクチュエータでも、電極のアノード側又はカソード側で明確な電解質のイオン又はｐＨ境界層の分離及び生成がない。
【００１８】
典型的なポリマーアクチュエータ用電極材料は、金属類、カーボン類、及び幾つかの導電性ポリマー類である。電極の種類は、アクチュエータの種類と所望の反応を作り出すのに必要な電解化学の特性に幾分依存する。金属の多くにおける欠点の一つが、各電極での酸化反応と酸化還元反応の両者に対して、通常的に不安定なことである。金や白金のような貴金属は、その安定性から使用可能であるが、非常に高価なので、産業用としては実用的に使用できない。カーボンやグラファイトのような他の材料は機能するが、機械的特性に難があるため実用性に乏しく、導電性ポリマー類は、他ポリマーとの化学的整合性に非常に乏しい。全ての電極に見られる別の欠点は、電極表面と電解質の界面でガスが電気化学的に発生することである。発生するガスの種類と量はいずれも、電極の極性とアクチュエータ又はアクチュエータアセンブリの電極と電解質に印加される電流量に依存する。閉鎖型又は密閉型アクチュエータシステムにおける圧縮圧力という大きな問題が、ガスによって生じ、実際にポリマーのアクチュエーション又は体積変化を上回る結果、アクチュエーションサイクルの結果が信頼性に欠くことになる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、従来技術の上記及びその他の問題を克服する。本発明は、一態様において、電解質中の多孔質膜により分離したアノードとカソード、１つ又は複数の電極の表面と接触した金属水素化物材料及びこのアノード又はカソードと接触したポリマーアクチュエータを有するポリマーアクチュエータアセンブリを提供する。この多孔質膜は、障壁材料又はセパレータ材料として機能し、イオン領域又はｐＨ領域が混ざり合うのを無くすこと又は減少させることができ、アクチュエータ材料の反応、精度、時間、及び体積変化が大幅に増し、更には電極材料の選択幅とこの装置内のカソード電極及びアノード電極の配置が改良される。
【００２０】
多孔質膜を有する溶液中の電極は、電荷又はイオンの分離によりポリマーアクチュエータ周囲のｐＨの調節を促進する。電解質は水系でも非水系でも良い。ポリマーアクチュエータは、電極間の電位差により誘発される電解質のｐＨ変化又は化学変化に応じて膨張は収縮するように構成される。
【００２１】
このアクチュエータアセンブリは更に、電極用の密閉入口点又は密閉出口点を有する、可塑性の密閉外側ハウジング筺体を備える。代替実施形態のアセンブリは、第二のポリマーアクチュエータを備え、各ポリマーアクチュエータが電極のうち一つに隣接し、電極間に電位差が生じると、両方のアクチュエータが同時に膨張又は収縮するように構成される。
【００２２】
ポリマーアクチュエータとこのポリマーアクチュエータと接触した電極が、多孔質膜と同じ材料で出来た可塑性の容器又はバッグの中に、可塑性の容器から出た電極の一部を用いて密閉される。次いで、可塑性の容器の外側の電極の一部が多孔質膜材料により電解質から分離され、電極間に電位差が生じると、アクチュエーションが促進される。可塑性の容器又はバッグ、或いは可塑性の容器又はバッグの少なくとも一部は、好ましくはエラストマー材料から成る。電解質又は溶液に対して透過性を有する剛性の、例えば多孔性の構造物で、ポリマーアクチュエータ材料の少なくとも一部を囲繞し、アクチュエーションの方向付けを容易にする。
【００２３】
アクチュエーション刺激を受けるポリマーアクチュエータの表面積の増大は、ポリマーアクチュエータ材料を粉砕して又は磨り潰して、小さな粒子又は微粒子にすることにより可能である。次いで、アクチュエーション材料の粒子を、電解質によりスラリーにする。この粒子は、可塑性且つ多孔性の筺体に入れられる。この筺体は、筺体外面に接触した電極、或いは、粒子とこの粒子を直接取り囲む電解質に直接接触した、筺体を貫通する電極を有する。この可塑性の筺体は、少なくともその一部が、アクチュエーション動作を方向付ける剛性で多孔性の容器に入れられ、電解質流体がこの剛性容器を通過する。
【００２４】
アクチュエータアセンブリは更に、活性炭等のガス吸着材料を含み得る。或いは、電解質又は溶液中に発生したガスを可塑性の密閉ハウジングの外側の貯蔵領域に回収してもよい。この貯蔵領域は、電解質と流体的に連通しており、電解質を貯蔵領域に移さなくても、選択したガスを受け入れる。
【００２５】
アクチュエータアセンブリのポリマーアクチュエータは、圧盤又はピストンとして機能する。また、アクチュエータアセンブリの電極は、更に複雑なシステムにおける一連のアクチュエータと直列に電気接続出来るように構成される。このアセンブリは、プログラマブルコントローラと電源を含み、電極間に電位差を生じ、このプログラマブルコントローラに電力を供給する。アクチュエータアセンブリを更に自動運転するために、１つ又は複数のセンサが、このコントローラにフィードバックを送る。このアクチュエータアセンブリ又は所望の構成の複数のアクチュエータアセンブリを用いて、流体を圧送できる。
【００２６】
本発明は、他の態様において、ハウジング、第一電極、第二電極、及び電解質を含むポリマーアクチュエータアセンブリを提供する。これらの電極が膜で分離されており、第一電極と第二電極の間に電圧が印加された時、それぞれの電極を取り囲む電解質のｐＨ差が保たれる。このアセンブリは、電解質中のｐＨ変化に反応する、電極付近に配置された複数のポリマーアクチュエータを含み得る。
【００２７】
ポリマーアクチュエータの表面積は、アクチュエーテション材料を粉砕して又は磨り潰して顆粒することにより、増大させることができる。多孔性の容器は、ポリマー製の袋であり、この袋の中でアクチュエーション材料の顆粒を電解質によりスラリーにする。
【００２８】
本発明のまた別の様態において、ポリマーアクチュエータ部品は、刺激に反応して疎水性ポリマーと架橋した体積を増大させる、アクチュエーションポリマーを含む。アクチュエーションポリマーと疎水性ポリマーは、エーテルエポキシドとＮＨ（アミン）反応剤を含み、ＮＨ成分は好ましくは両ポリマーに共通である。アクチュエーションポリマーのエポキシドは、ポリエチレンジグリシジルグリコールエーテル等の親水性ジエポキシドである。疎水性ポリマーのエポキシドは、ネオペンチルジグリシジルエーテル又はポリプロピレンジグリシジルグリコールエーテル等の疎水性ジエポキシドである。ＮＨ反応剤は、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが市販しているＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３等のポリエーテルアミンである。重合時間を短縮するために、疎水性ポリマーは更に、ポリエチレンイミン及び水を含んでもよい。
【００２９】
デンドリマー無しのアクチュエータポリマーにおけるエポキシドとＮＨ反応剤の比は、通常約１：２と約１：１０の間で、好ましくは約１：２．８５である。疎水性ポリマーにおけるエポキシドとＮＨ反応剤の比は、通常は約１：１．５と約１：３の間で、好ましくは約１：２．０である。エポキシドとＮＨ反応剤の比は、デンドリマーを組み込むと、各樹枝状分子上のＮＨサイトの数に応じて大きく異なり、ＮＨ単位は初代分子の４個から１０代目分子の５，０００個を越える幅がある。ポリマーを組み込んだデンドリマーのエポキシドとＮＨ単位の比が、更に大きな値をとることもあり、１：４から１：数千のＮＨ単位を容易にとり得る。
【００３０】
本発明の複合型ヒドロゲル材料を用いて、疎水性ポリマーにより規定体積に密封したアクチュエータポリマー、又は疎水性ポリマーにより外部環境から保護したアクチュエータポリマーを作製できる。複合型ヒドロゲル材料は、センサ材料構造、ゲル電解質材料、イオン選択透過性膜、液体の濾過処理部品、創傷ケア膜、又は酸除去材料に加え、当業者に周知のその他多くの用途に使用できる。
【００３１】
本発明は、別の態様において、親水性エーテル及び疎水性エーテルの両方とエポキシドとを含むエーテル反応剤を重合して作製する、ポリマーアクチュエータ材料を提供する。この材料のアクチュエーション速度又は可塑性は、主要なエーテル反応剤と重要性の低いエーテル反応剤の比に応じて調節可能である。この態様では、エポキシドとＮＨ反応剤の比は、通常、好ましくは約１：２．５と約１：３の間、より好ましくは約１：２．８５である。親水性エーテルと疎水性エーテルの比は、約１００：１と約１：１００の間、通常約９９：１である。
【００３２】
また別の態様において、本発明は、改良型のポリマーアクチュエータの電極を提供する。ポリマーアクチュエータの電極と電解質の界面におけるガスの発生を制御するためには、電極に塗布又は固着された、活性炭層（とは限らない）の内部に二重層の容量又は電荷を貯蓄可能な電極が望ましい。本発明のこの態様は、ポリマーアクチュエータを活性化する装置を提供する。このポリマーアクチュエータは、１つ又は複数のポリマーアクチュエータを含み、各アクチュエータが１つ又は複数の二重層キャパシタ用電極を含むものである。このポリマーアクチュエータは、電気的又は化学的に活性化される。この二重層キャパシタ電極は、水系であっても非水系であってもよい電解質中にある。これらの電極は、放電回路とコントローラに接続可能であり、このコントローラは、所定時間で、又はこのシステムに特定量の電荷が蓄積された時に、放電回路を開閉するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明の一態様による、活性化前の例示的な複合型エポキシポリマーアクチュエータ部品を示す。
【図１Ｂ】本発明の一態様による、活性化後の例示的な複合型エポキシポリマーアクチュエータ部品を示す。
【図１Ｃ】本発明による、複合型エポキシポリマーアクチュエータ部品の例示的な配列を表す。
【図２Ａ】本発明の例示的なアクチュエータアセンブリの概略図である。
【図２Ｂ】本発明の別の例示的なアクチュエータアセンブリであり、とりわけ複数のアクチュエーション領域を含むものの概略図を表す。
【図２Ｃ】本発明の別の例示的なアクチュエータアセンブリであり、とりわけアクチュータアセンブリの各電極を囲繞する水素化物材料を含むものの概略図である。
【図３Ａ】本発明の例示的なアクチュエータアセンブリであり、とりわけガス吸着材料を含むものの概略図である。
【図３Ｂ】本発明の例示的なアクチュエータアセンブリであり、とりわけアクチュエータで発生するガスを封鎖する分離室を含むものの概略図である。
【図４】本発明の一態様による、二重層キャパシタ用電極を含むアクチュエータアセンブリの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
添付図面を参照することにより、本発明の多くの態様の理解を深めることができる。図面中の部品は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を明示することを重視したものである。また、図面中、それぞれの図面を通じて、対応する部分を同様の符号で示している。
【００３５】
以下の説明で「上」、「下」及び「側」等の、方向的な又は幾何学的な用語は、本図面中に描かれた図の方向に関してのみ、使用されている。これらの用語は、重力基準座標系に関する方向を示唆又は制限するものではなく、互いに対する方向を識別するために使用されている。本発明の部品は、多くの異なる方向に配置可能なので、方向を示す用語は、図解目的に使用しているのであって、決して制限を加えるものではない。なお、その他の実施形態も利用可能であり、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的又は論理的な変更が可能である。
【００３６】
電源から電極への送電又は結線方法等の各種実施形態の詳細は、こうした結線の各種方法が当業者に周知なので、図解を簡略にするために省略されている。「電解質」という用語は、水系電解質、非水系電解質、ポリマー電解質、及び固体電解質に関しその全てを含意し、当該技術分野において周知のものを含む。「電極」という用語は、金属類、カーボン類、グラフェン類、酸化物類、導電性ポリマー類、又はこれらを組み合わせたもの等、当該技術分野において周知の材料から成る電気化学系で一般的に使用されるアノードとカソードに関する。「セパレータ」という用語は、ターゲットイオンがイオンを含む周囲媒体よりも速くセパレータを通過又は横切ることができる、あらゆるナノ、ミクロ、又はマクロな多孔質材料に関する。「イオン」という用語は、イオン類、イオン種だけでなく、アニオン、カチオン、電子、プロトン、及びこれらの濃度値に関する。「ハウジング」という用語は、この装置の外側部に関し、この外側部は、ゴム類、シリコーン樹脂、ポリウレタン、金属化ポリマーフィルム、及びその他の当該技術分野において周知のプラスチック類又はポリマー類等の、可塑性材料、剛性材料、弾性材料、非弾性材料、又はこれらを組み合わせたものから加工できる。このハウジングは、内側部品の動きや膨張を許容するだけでなく、装置を電解質で満たし、電解質の漏れ又は蒸発のいずれをも阻止する容器及びバリヤとして機能し、電極を電源と電気的に接続させ、必要に応じて、このハウジングから電極の出し入れを可能にし、必要に応じて、あらゆる不要な発生ガスを放出できるようにも構成される。
【００３７】
図面を参照すると、アクチュエータ１００は、部分的にポリマーアクチュエータ材料から成る。一実施例では、これらのポリマーアクチュエータは、イオン又はｐＨ反応型のエポキシポリマーヒドロゲル系ポリマーにより形成される。このようなポリマーの例が、２００７年７月１０日に出願され、２００８年７月３日に公開された「ＳＵＰＥＲ  ＥＬＡＳＴＩＣ  ＥＰＯＸＹ  ＨＹＤＲＯＧＥＬ（超弾性エポキシヒドロゲル）」と題する特許文献１に記載されている。その他のポリマーアクチュエータの例としては、以下のイオン官能基を有するポリマーを含む。イオン官能基は、即ち、カルボン酸、リン酸、スルホン酸、一級アミン、二級アミン、三級アミン、アンモニウム、アクリル酸、メタアクリル酸、ビニル酢酸、マレイン酸、メタクリルイルオキシエチルリン酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、ビニルピリジン、ビニルアニリン、ビニルイミダゾ−ル、アミノエチルアクリレート、メチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、エチルアミノエチルアクリレート、エチルメチルアミノエチルアクリレート、ジエチルアミノエチルアクリレート、アミノエチルメタクリレート、メチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、エチルアミノエチルメタクリレート、エチルメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、アミノプロピルアクリレート、メチルアミノプロピルアクリレート、ジメチルアミノプロピルアクリレート、エチルアミノプロピルアクリレート、エチルメチルアミノプロピルアクリレート、ジエチルアミノプロピルアクリレート、アミノプロピルメタクリレート、メチルアミノプロピルメタクリレート、ジメチルアミノプロピルメタクリレート、エチルアミノプロピルメタクリレート、エチルメチルアミノプロピルメタクリレートである。ジエチルアミノプロピルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリルアミド、ジメチルアミノプロピルプロピルアクリルアミド、及びα−クリルイルオキシエチルトリメチルアンモニウム塩等のポリマーの使用が可能なことが報告されているが、これらの例は参考用であり、本発明の範囲又は使用の制限を意図するものではない。
【００３８】
本発明は、一態様において、疎水性材料から成る新規のアクチュエータポリマーを含み、この疎水性材料は、架橋メカニズムに複数のジエポキシド又はポリエポキシドを用いてスマートヒドロゲルポリマーで架橋し、分子レベルで材料どうしを接着したものである。また、単一のジエポキシド又はポリエポキシドを用いて、材料の異なる層を、ＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）等のポリアミン成分で、種々の官能基、又はポリマー鎖及びバックボーンと架橋することにより、複合材料を形成できる。
【００３９】
先に出願された特許文献１（その全体を本明細書に援用する）には、ポリエーテルアミンをポリグリシジルエーテルと反応させて形成した、特有のエポキシヒドロゲルポリマーが記載されている。結果的に得られるポリマーは、種々の用途を有する超弾性ヒドロゲルである。このエポキシヒドロゲルは、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル等の「エーテル反応剤」、ポリオキシアルキレンアミン類、及びＨ２Ｏを、それぞれの比率で混合して、材料を水溶液重合させる。特に好ましいのは、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが商品名ＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）として市販しているようなポリオキシアルキレンアミンと、種々のエーテルと反応してエポキシヒドロゲルを形成する「エポキシ」成分等のその他ポリエーテルアミンである。このポリオキシアルキレンアミンは、ポリエーテルバックボーンの末端に付いた一級アミン基を含む。したがって、これらは「ポリエーテルアミン」である。このポリエーテル型のバックボーンは、プロピレンオキシド（ＰＯ）、エチレンオキシド（ＥＯ）、プロピレンオキシド／エチレンオキシドの混合物のいずれかに基づくものでよい。或いは、他のバックボーンセグメントを有し、一級アミンをヒンダードアミンにすることにより又は二級アミンの官能性を備えることにより異なる反応性を備えるものでもよい。
【００４０】
本発明の一実施形態では、ヒドロゲルポリマーアクチュエータの親水性変形物を、ジグリシジル（エーテル反応剤）成分を変えつつ、同じエポキシＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３成分を維持することにより、ＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３とポリエチレンジグリシジルグリコールエーテルに基づいてゲルを架橋して疎水性変形物にする。
【００４１】
特に図１Ａに関しては、分子レベルで一緒に架橋した、半分が親水性アクチュエータ材料１２と、もう半分が疎水性の非アクチュエータ材料１４から成る、簡単な円筒体１０を鋳造できる。先ずアクチュエータ材料１２を金型に入れるか成形して、部分的に硬化させる。次いで、第二の材料を金型に加え両方の材料を完全に硬化させる。ジエポキシドとＮＨの比は可変であり、アクチュエータ材料に用いるポリエチレンジグリシジルグリコールエーテルを、ネオペンチルジグリシジルエーテル及びポリプロピレンジグリシジルグリコールエーテルの両者で置換できる。ＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３とネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルの混合により、アクチュエータ用途に有利な疎水特性を有するポリマーが得られる。このようにして２種以上のエポキシポリマーを、その物性が非常に異なっていても一緒に接着できる。
【００４２】
特定の実施形態では、疎水性ポリマー１４をアクチュエータ材料１２に接着させる。図１Ｃの疎水性ポリマー１４は、コントローラのセンサ及び電源に電気接続されたアドレス電極６及び７を有する、親水性のアクチュエータ材料１２に接着されている。先に出願された特許文献１に記載のような疎水特性とアクチュエータゲルへの結合能力とを有するポリマーを形成するにあたり、多数の様々な化学薬品をＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３に添加できる。例えば、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルを、ＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３に、アクチュエータゲルの標準処方に用いるエポキシド／ＮＨ反応剤の比と同じエポキシド／ＮＨ反応剤の比である１：２．８５で添加できる。エポキシド／ＮＨ反応剤の比を低くして、重合を速く進行させてもよい。ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルとＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３の混合物は、エポキシド／ＮＨ反応剤の比が１：１．７、１．８、１．９及び２．０の全てにおいて、６０℃で５時間加熱後、更に室温で７２時間硬化することにより順調に重合することがわかった。これらの比で得たポリマーの疎水性として、水中に最長３週間貯蔵後の膨潤は略最大で約８〜１０％であった。更にエポキシド／ＮＨ反応剤の比を増大させると、得られるポリマーの弾性もまた増加した。その結果、エポキシド／ＮＨ反応剤の比が１：２．０のネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルとＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３の混合物は、硬化後だけでなく水和後も、アクチュエータポリマー１２との優れた接着性を示した。
【００４３】
必要に応じて、疎水性を増大させたり、重合に必要な時間を短縮したりできる。ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル（ＰＰＧＤＧＥ）を、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルとＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３混合物に、エポキシド／ＮＨ反応剤の比を１：２．０又はそれ以上に保ちながら添加できる。１０％、２６％、及び５０％のＰＰＧＤＧＥを有するポリマーを合成して水中に貯蔵し、その疎水性又は膨潤抵抗性を試験した。水中に２週間貯蔵後のゲルは全て、１２％〜１５％膨潤した。更に驚くべきことに、ＰＰＧＤＧＥの添加により、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルとＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３のベースポリマーに比べて、ポリマー弾性が減少する結果が見出された。
【００４４】
ゲル化時間を短縮するためにポリエチレンイミン（分子量１３００）をネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルとＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３のベースゲルに添加できる。ポリエチレンイミン１０％及び１５％を、水１０％と共に添加すると、ゲルの重合が速くなる。６０℃で５時間加熱後、このゲルは完全に重合し、ゲルの粘性を低下するための更なる室温硬化が不要になる。
【００４５】
高速重合の利点は、疎水性の低下を伴うことである。これらのポリエチレンイミン含有ゲルは、２週間の水中貯蔵後、２３％〜３２％膨張することがわかった。したがって、疎水性を増大させて重合時間を短縮したポリマーは可能であるが、性能、特に結果的に得られるポリマーの疎水性が引き換えになる。
【００４６】
ポリマー鎖長とエポキシド／ＮＨ反応剤比に対するアミンの比によっても、親水性アクチュエータゲルの重合時間を短縮できる。例えば、分子量２０００と１３００の低分子量ポリエチレンイミン（Ｅｐｏｍｉｎ  ＳＰ−０１２と類似の分岐ポリマー）の５０重量％水溶液を用いて、組成変化を調べた。結果的に得られたゲルは、エポキシドとＮＨの比が１：７又はそれ以上になり、室温で約４０分で重合できた。これらのゲルは比較的脆弱で硬く、パーセント水和率で正常範囲の約４００％を示し、標準的なゲル処方の値と一致した。
【００４７】
図１Ｂで図解した親水性アクチュエータポリマーと疎水性ポリマーを含む新規の複合アクチュエータ構造の初期アクチュエーションテストにおいて、各アクチュエータ部分が、陽電流１ｍＡで好適に１００％膨潤することがわかった。したがって、アドレス可能位置の蠕動型ポンプ機構又は図１Ｃに示したアクチュエータ配列を、試験したこの複合ポリマーから効果的に構築できる。同様に、試験したこのポリマーは、種々の用途に使用可能な、高性能の化学反応型ヒドロゲルであることがわかった。これらのポリマーを含む材料は、特定の使用と用途に有利な多くの層と形状に鋳造できる。
【００４８】
本発明の別の態様では、２種以上のジエポキシドを組み合わせて単一のポリマーアクチュエータ組成物を形成し、このアクチュエータ材料の性能を、機能が優勢なジエポキシドと機能が劣勢なジエポキシドの比に応じて調節する。機能が優勢なジエポキシドと機能が劣勢なジエポキシドの比を変化させて、アクチュエーション速度又は材料の柔軟性を有利に変えることができる。特定の実施形態では、１％ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルを上記の特許文献１に記載のＪＥＦＦ  ＡＭＩＮＥ（登録商標）Ｔ−４０３とＰＥＧＤＥ処方に添加することにより、遥かに高速なアクチュエータが得られる。このことは、その使用や、機能層の架橋によりできた複合アセンブリに用いる材料の制限を意図するものではない。
【００４９】
複合ヒドロゲル材料は、センサ材料構造物、ゲル電解質材料、選択的イオン透過膜、液体濾過処理、創傷ケア膜、アクチュエータ、又は酸除去材料としても使用できる。このプロセスを用いて外層、又はアクチュエータ等の複合構造の複数層を密封することにより、ポリマー内部又はその周囲の電解質を効果的に密封し蒸発を防ぐことができる。更には、上記の複合ヒドロゲルを用いて、内部の材料をＵＶへの暴露から保護することで、外部環境から保護する。上記の実施形態は、本発明の複合ヒドロゲルを使用可能な数例に過ぎず、本発明の範囲の制限を意味するものではない。
【００５０】
本発明の用途の１つは、ポリマーアクチュエータの膨張比の大きさと再現性を増大させるために有効表面積を増大させることを含む、ポリマーアクチュエータの改良に関する。このことは、ポリマーの実際の表面積の増大、有効表面積の増大、電極の改良、及びガス低減方法により達成される。本発明の改良は、従来技術の方法に比べ変動を削減しつつ、体積膨張率の増加が４００％に達する。
【００５１】
本発明によるアクチュエータアセンブリ１００の一実施例を図２Ａに概略的に示す。アクチュエータアセンブリ１００は、ポリマーアクチュエータ材料１１３と、上部電極１０６及び下部電極１０８を含む付随の電極セットとを含む。下部電極は、金属水素化物材料１１０と接触している。電極セットとポリマーアクチュエータ１１３は、ハウジング１１４に収容される。ハウジング１１４は、側面に折り目、プリーツ、又はその他追加の材料を有して形成されることにより、アクチュエータアセンブリの膨張率に影響することなく、大きなアクチュエータ材料の膨張率を許容し、発生したあらゆる過剰なガスを貯蔵するためのポケット又は領域が備わる。また、電解質１１２は、ハウジング１１４に収容され、電極セット（１０６、１０８）とアクチュエータ１１３とに接触している。アクチュエータ１１３は、水和エポキシゲルを粉砕してそのゲルを可塑性の多孔性バッグ１１６に入れて作製した、重合ポリマーアクチュエータ粒子である。また、アクチュエータ１１３は、上記のジエポキシドを２種以上含むことで、アクチュエータ材料の性能を変えることができる。バッグ１１６は、厚さ０．００６インチ、孔の大きさ１５０ミクロンのポリプロピレンメッシュ織物１１６で出来ており、ヒートシールされている。１つ又は複数のバッグを、体積とストロークの点で有利になる構成で使用する。多孔質の分離膜１１５は、電解質１１２との接触を保ちながら、電極１０８と反対電極１０６間のｐＨ勾配を分離する。
【００５２】
ポリマーアクチュエータ１１３は、電解質１１２の変化に応じて膨張又は収縮する。使用可能なポリマーアクチュエータ１１３には数種類あり、「酸反応型」ポリマーアクチュエータ及び「塩基反応型」ポリマーアクチュエータが含まれる。「酸反応型」ポリマーアクチュエータは、ポリマーアクチュエータ１１３を取り巻く電解質１１２のｐＨの減少に反応して膨張する。このことは、電極１０８に対して電極１０６に正バイアスを印加することにより達成される。正バイアスを印加することにより、電流が電極１０６から電極１０８に流れ、アクチュエータ１１３を取り巻く電解質１１２の陽イオン（Ｈ＋）が増加する。水溶液中に配置した電極間に電圧を印加すると、電極反応の結果、水素イオン及び／又は水酸化物イオンを消費するか、或いは電極表面に発生する電気二重層により濃度勾配が生じ、結果、電極近辺のｐＨが変化する。こうして、アクチュエータ１１３を取り巻く電解質の酸性度は増加し（より低いｐＨ）、アクチュエータ１１３が膨張する。
【００５３】
固体ポリマーゲルブロックの膨張速度は、電解質又は溶媒がポリマーアクチュエータに拡散する能力により限定されるので、アクチュエーション速度は、電解質にアクセスできるポリマーアクチュエータ材料の表面積の増大により増大する。電気的バイアスを逆転させると、陽イオンの流れが逆転し、アクチュエータ１１３を取り巻く電解質１１２の塩基性は増加し（即ち、酸性度が低くなる）、アクチュエータ１１３に対して反対又は逆の効果をもたらす。
【００５４】
また「塩基反応型」ポリマーアクチュエータ１１３も使用できる。この場合、電極１０８に対して負のバイアスを電極１０６に加えると、ポリマーアクチュエータを取り巻く電解質１１２のｐＨが上昇し、この塩基反応型ポリマーアクチュエータ１１３が膨張する。その場合、金属水素化物１１０が、電解質、電気化学反応、及び動作中に発生するガスの種類によっては、電解質水溶液中の電極１０６と接触する可能性がある。ポリマーアクチュエータ１１３が膨張すると、アクチュエータアセンブリ１００全体が膨張する。
【００５５】
酸反応型アクチュエータと塩基反応型アクチュエータの両方を利用した、別設計のアクチュエータアセンブリ１２０を図２Ｂに概略的に示す。アクチュエータアセンブリ１２０は、酸性反応型ポリマーアクチュエータ鋳造ゲル１２３Ａと、塩基反応型ポリマーアクチュエータ鋳造ゲル１２３Ｂと、金属水素化物１２１に接触してハウジングから出た上部電極１２８及び下部電極１２６とを含み、その全てがハウジング１２４に収容されている。電解質１２２Ａが、上部電極１２８と酸性反応型アクチュエータ１２３Ａを取り巻いており、下部電解質１２２Ｂが、下部電極１２６と塩基反応型アクチュエータ１２３Ｂを取り巻いている。多孔質の分離膜１２５が、上部電解質１２２Ａと下部電解質１２２Ｂの間にイオンを流して、これらの電解質どうしを分離する。
【００５６】
正バイアス電流を上部電極１２８と下部電極１２６の間に印加すると、上部電解質１２２ＡのｐＨが下降し、下部電解質１２２ＢのｐＨが上昇する。上部電解質１２２ＡのｐＨの下降（酸性度の増加）により、酸性反応型ポリマー素材１２３Ａは膨張するが、下部電解質１２２ＢのｐＨの上昇（より高い塩基性）により、塩基反応型ポリマー材料１２３Ｂが膨張する。アクチュエータを二層にすることにより、アクチュエータアセンブリ全体で獲得できる総変位量を２倍にできる。酸反応型ポリマーアクチュエータの層と塩基反応型ポリマーアクチュエータの層を交互に有する、ポリマーアクチュエータの追加層を用いて、アクチュエータアセンブリ１２０の最大全膨張率を増大させることができる。
【００５７】
アクチュエータアセンブリ１３０の別の実施形態が、図２Ｃに示されており、図２Ａに示したアクチュエータアセンブリと同じ実施形態に加えて、金属水素化物材料１３１Ａが接触している上部電極１３６と、下部電極１３８を含んでいる。
【００５８】
別の実施形態であるアクチュエータアセンブリ１３０の別の実施形態が、図２Ｃに示されており、これは、鋳造ゲルとしてポリマーアクチュエータ素材を有する図２Ａに示したアクチュエータアセンブリと同じ実施形態であり、複数のアクチュエータ材料の鋳造物又はバッグを同じ構成で使用できる。このことは、図示した構造全てについても同様である。また、金属水素化物材料１３１Ａが接触している上部電極１３６と、下部電極１３８も図示されている。
【００５９】
ポリマーアクチュエータアセンブリの別の実施形態を図３Ａに示す。ここでは、例えば湿潤時に酸素を吸収できる活性炭等のガス吸収材料２１５の直近に、上部電極２０６がある。このガス吸収材料は、電解質２１２と接触しており、ガスが電解質２１２を通ると、電極２０６に発生したガスを吸収する。下部電極２０８は、金属水素化物材料２１０と接触している。電極のセットと鋳造ゲル２１３であるポリマーアクチュエータ材料は、ハウジング２１４に収容される。電極のセットとアクチュエータ材料２１３に接触している電解質２１２は、ハウジング２１４に収容される。電極２０８を周囲の電解質２１２を分離するのは、多孔質の分離膜２１５である。ポリマーアクチュエータ２１３は、図２Ａに記載した同種のアクチュエーションメカニズムと反応を用いて、電解質２１２の変化に応じて膨張又は収縮する。
【００６０】
また別の好ましいポリマーアクチュエータアセンブリの実施形態を図３Ｂに示す。ここでは、アクチュエータ材料２３０が、可塑性の多孔性バッグ２２３に保持されたポリマー粒子であり、このポリマー粒子を収容したバッグ２２３が、剛性の多孔性構造２２９に保持されている。これは、膨張する可塑性バッグ２２３を保持し、ポリマー材料２３０の動作中にこのバッグ２２３を一方向に方向付けする一助となる。このことは、ポリマー材料２３０の膨張に因って可塑性バッグ２２３がプレート２２８を押すときのストロークの効率又は距離の改善に影響する。上部電極２０６は、接触が最大になるように、ポリマー粒子２３０どうしの間の粒子用バッグ２２３に挿入される。
【００６１】
アセンブリ２２４は、液状酸素吸収剤「Ｏｘｉｓｏｒｂ」等の別のガス吸収剤２２７に向けて排気する。ガス吸収剤２２７は、電解質液を拘束しつつガスを通過させる疎水性のセパレータ材料２２６により、電解質から分離される。また、排気口に吸収剤２２７が無く、ガスがポリマー材料のアクチュエーションに影響しないように、ガスを分離した区画に収容するのみとしてもよい。セパレータ材料２２６は、電解質２２２と接触しており、電極２０６に発生したガスが電解質２２２を通ると集まるようになっている。下部電極２０８は、金属水素化物材料２２１と接触しており、ガスが金属水素化物材料２２１に吸着するようになっている。電極セット（２０６、２０８）とポリマーアクチュエータ２２３は、電解質２２２に接触した状態で、ハウジング２２４に収容される。多孔質膜２２５により、電極２０８と周囲の電解質２２２が分離される。
【００６２】
全図面において、電源１０１と、アクチュエータアセンブリの動作、速度、及び力を制御するコントローラ１０３とを示す。また、図３Ｂの実施形態では、フィードバックとアクチュエータアセンブリの自動制御のための、センサ１０５との通信を示す。
【００６３】
ＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィー）又は他のクロマトグラフィー法等、種々の解析科学及び方法に関して当該技術分野で周知のガス軽減材料及び技術が多くあるが、記載の実施形態は全て、アセンブリの一部としてガス軽減材料、部品、及び技術を用いた、可能なアクチュエータアセンブリ構成を示したものであって、決して本発明の範囲を限定するものではない。
【００６４】
本発明の別の態様では、二重層キャパシタンス又は電荷の保存が可能な電極を用いて、アクチュエータ内でのガスの発生を制御する。例えば、擬似キャパシタ型電極を用いて、ガスの発生を制御できる。
【００６５】
本発明による電気回路は、電解質と電極表面の界面において、ガスを発生するのではなく、電荷層を形成する。電極が完全に帯電するまでこのプロセスは継続され、その時点で電荷が分散されてガスが発生する。
【００６６】
図４に示した例から分かるように、アクチュエータアセンブリは、メタライズドポリエチレンフィルム（これに限定されない）等の、可塑性の非透過性ハウジング材料３０２に収容される。このハウジングは、電解質３０８、ポリマーアクチュエータ材料３０１、ポリマー用の半多孔性容器３０３、ポリマーに接触しているか又はポリマー付近の電極３０４、電極間に位置した半多孔質のセパレータ膜又はシート３０５、カーボンＰＴＦＥキャパシタ層コーティング３０６、及び放電回路３０９とコントローラ及び電源に電気的に接続された反対側の電極３０７を収容する。
【００６７】
本発明の本様態の一例では、電極が充電サイクルの所定時間に放電する。本例では、ガスの発生時点が、エネルギーがキャパシタに蓄積される割合ではなく、所定時間の関数である。放電が生じると、充電プロセスが再開するので、充放電サイクルを用いることによって、電極でのガス生成が解消する。
【００６８】
この種の電極を製造するには、ＤｕＰｏｎｔ社等が製造するテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）水性乳剤を、例えば活性炭等の大表面積カーボン又は他の大表面積材料と、例えば金属酸化物等の酸化物類と、金属水素化物等の他の材料と混合する。これらの材料を単独で又は一緒に混合して、電極でのガス生成を軽減する、所望の性能曲線を形成できる。大表面積材料をこの乳剤と混合して電極上にプレス又はコーティングし、適切なプロセス温度まで焼成して混合物を互いに結合させて電極に接着する。このプロセスは、電池及びキャパシタの製造分野において周知である。電極基板は、例えば技術的に周知なように穿孔、拡張、又は固体金属類（限定はしないが、低コストのアルミニウムホイル又はステンレススチールホイル等）でメッキできる。
【００６９】
なお、上述の本発明の実施形態、特に「好ましい」実施形態は、実施可能な例に過ぎず、本発明の原理の明確な理解のために示したに過ぎない。本発明の概念及び原理から実質的に逸脱することなく、上述の実施形態に対して多くの変形及び修正が可能である。ここでは、そのような修正及び変形は全て、本発明の範囲に含まれ、添付の特許請求の範囲により保護されることを意図している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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