(57)【要約】【課題】成膜性を確保しつつ、電極層として求められる特性を発揮することのできる高分子アクチュエータ素子及び高分子アクチュエータ素子用電極を提供する。【解決手段】電解質層の両面に電極層がそれぞれ重ねられた高分子アクチュエータ素子であって、電解質層は、ベースポリマーとイオン液体を有し、電極層は、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含み、カーボン材料は、カーボンナノファイバとナノ炭素材を含んでおり、ベースポリマーはフィブリル化されたＰＴＦＥであり、ＰＴＦＥによってカーボン材料が絡みとるようにして保持されており、ベースポリマーの重量はカーボン材料の総重量の３〜８％である。【選択図】図２
2015186301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の両面に電極層がそれぞれ重ねられた高分子アクチュエータ素子であって、
前記電解質層は、ベースポリマーとイオン液体を有し、
前記電極層は、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含み、
前記カーボン材料は、カーボンナノファイバとナノ炭素材を含んでおり、
前記ベースポリマーはフィブリル化されたＰＴＦＥであり、前記ＰＴＦＥによって前記カーボン材料が保持されており、
前記ベースポリマーの重量は前記カーボン材料の総重量の３〜８％であることを特徴とする高分子アクチュエータ素子。
【請求項２】
前記イオン液体の重量は前記カーボン材料の総重量の１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ素子。
【請求項３】
前記ナノ炭素材はカーボンナノホーンであることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
【請求項４】
前記ナノ炭素材の重量は、前記カーボン材料の総重量の４０〜８０％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
【請求項５】
前記ナノ炭素材の重量は、前記カーボン材料の総重量の６０〜７０％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
【請求項６】
前記カーボンファイバは賦活処理によって表面積を大きくしたＡＣＮＦであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ素子。
【請求項７】
ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含む高分子アクチュエータ素子用電極層であって、
前記カーボン材料がカーボンナノファイバとナノ炭素材を含んでおり、
前記ベースポリマーはフィブリル化されたＰＴＦＥであり、前記ＰＴＦＥによって前記カーボン材料が保持されており、
前記ベースポリマーの重量は前記カーボン材料の総重量の３〜８％であることを特徴とする高分子アクチュエータ素子用電極層。
【請求項８】
ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含む高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法であって、
カーボンナノファイバとナノ炭素材とを含む前記カーボン材料に前記イオン液体を滴下し、その後に、ベースポリマーとしてフィブリル化されたＰＴＦＥを添加して混練を行う混練工程を有することを特徴とする高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法。
【請求項９】
前記混練工程で混練した物質をペレット状にするペレット化工程と、
前記ペレット化工程において形成されたペレットを加圧して膜状に伸ばす膜状化工程と、を有することを特徴とする請求項８に記載の高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法。
【請求項１０】
ベースポリマーとイオン液体とで形成された電解質層の両面に、請求項８又は請求項９に記載の製造方法で得られた電極層をそれぞれ重ねてプレスし、前記電極層を重ねる方向に切断して、高分子アクチュエータ素子を得ることを特徴とする高分子アクチュエータ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子アクチュエータ素子とその製造方法、及び、高分子アクチュエータ素子に用いる電極層とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、一対の電極層と、この一対の電極層の間に配置されている電解質を有する電解質層とを有するアクチュエータが開示されている。このアクチュエータにおいては、一対の電極層のうち少なくとも一方が多孔質のポリマー繊維を有しており、このポリマー繊維は、カーボンブラックその他の導電材料を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２５０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のアクチュエータ素子では、導電材料に対してポリマー繊維の量が多いため、導電材料が均一に分散されにくく、導電材料の濃度にムラが生じる場合がある。このような場合、電極層として求められる特性を発揮できないおそれがある。
【０００５】
また、キャスト法で電極層を成膜する場合、良好な成膜性を維持するためには、ポリマーを分散させるために一定以上の溶媒の量が必要である。しかし、導電材料に対する溶媒の量が多くなると、導電材料が相対的に少なくなることから、電極層として十分な特性が発揮できなかった。さらに、成膜時に大量の溶媒を蒸発させる必要があるため、電極の製造に時間を要していた。
【０００６】
そこで本発明は、成膜性を確保しつつ、電極層として求められる特性を発揮することのできる高分子アクチュエータ素子及び高分子アクチュエータ素子用電極層、並びに、高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法、及び、高分子アクチュエータ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の高分子アクチュエータ素子は、電解質層の両面に電極層がそれぞれ重ねられた高分子アクチュエータ素子であって、電解質層は、ベースポリマーとイオン液体を有し、電極層は、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含み、カーボン材料は、カーボンナノファイバとナノ炭素材を含んでおり、ベースポリマーはフィブリル化されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）であり、ＰＴＦＥによってカーボン材料が保持されており、ベースポリマーの重量はカーボン材料の総重量の３〜８％であることを特徴としている。
【０００８】
ここで、フィブリル化とは繊維化又は紡糸化のことである。またはフィブリル構造さらにはミクロフィブリル構造と称される。このような構成により、フィブリル化したＰＴＦＥでカーボン材料を確実に保持することが可能となり、このようなベースポリマーを用いた電極層では、炭素密度を高める電界強度を強めて、高分子アクチュエータ素子としての駆動性能を高めることができる。
【０００９】
本発明の高分子アクチュエータ素子において、イオン液体の重量はカーボン材料の総重量の１．５〜２．５倍であることが好ましい。
【００１０】
本発明の高分子アクチュエータ素子において、ナノ炭素材はカーボンナノホーンであることが好ましい。
【００１１】
本発明の高分子アクチュエータ素子において、ナノ炭素材の重量は、カーボン材料の総重量の４０〜８０％であることが好ましい。さらに、ナノ炭素材の重量は、カーボン材料の総重量の６０〜７０％であることが好ましい。
【００１２】
本発明の高分子アクチュエータ素子において、カーボンファイバは賦活処理によって表面積を大きくしたカーボンナノファイバ（ＡＣＮＦ）であることが好ましい。
【００１３】
本発明の高分子アクチュエータ素子用電極層は、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含む高分子アクチュエータ素子用電極層であって、カーボン材料がカーボンナノファイバとナノ炭素材を含んでおり、ベースポリマーはフィブリル化されたＰＴＦＥであり、ＰＴＦＥによってカーボン材料が保持されており、ベースポリマーの重量はカーボン材料の総重量の３〜８％であることを特徴としている。
【００１４】
本発明の高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法は、ベースポリマーとカーボン材料とイオン液体とを含む高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法であって、カーボンナノファイバとナノ炭素材とを含むカーボン材料にイオン液体を滴下し、その後に、ベースポリマーとしてフィブリル化されたＰＴＦＥを添加して混練を行う混練工程を有することを特徴としている。
【００１５】
本発明の高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法は、混練工程で混練した物質をペレット状にするペレット化工程と、ペレット化工程において形成されたペレットを加圧して膜状に伸ばす膜状化工程と、を有する。
【００１６】
本発明の高分子アクチュエータ素子の製造方法は、ベースポリマーとイオン液体とで形成された電解質層の両面に、上述のいずれかの製造方法で得られた電極層をそれぞれ重ねてプレスし、電極層を重ねる方向に切断して、高分子アクチュエータ素子を得ることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、成膜性を確保しつつ、短い時間で製造することができ、さらに電極層として求められる特性を発揮することのできる高分子アクチュエータ素子及び高分子アクチュエータ素子用電極層、並びに、これらの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る高分子アクチュエータ素子の部分断面図である。
【図２】膜状化工程において形成された膜の拡大写真である。
【図３】実施例１と比較例１〜２についての、伸縮率とＰ値の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る、高分子アクチュエータ素子、高分子アクチュエータ素子用電極層、高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法、及び、高分子アクチュエータ素子の製造方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００２０】
図１は本実施形態に係る高分子アクチュエータ素子の部分断面図である。
図１に示すように、本実施形態における高分子アクチュエータ素子１は、電解質層２と、電解質層２の厚さ方向（図１のＺ方向）の両側表面に形成される電極層３、４と、を備える。
【００２１】
図１に示す例では、高分子アクチュエータ素子１の基端部５が固定端部であり、この基端部５が、固定支持部６、６にて片持ちで固定支持されている。両面の電極層３、４間に駆動電圧を印加すると、図１の点線に示すように、電解質層２と電極層３、４との間のイオン移動などによって電極層３と電極層４の間に容積差が生じ、これにより曲げ応力が発生して、高分子アクチュエータ素子１の自由端部である先端部７を湾曲変形させることができる。上記イオン移動で電極層３、４間に容積の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の１つに、陽イオンと陰イオンのイオンサイズの差で容積に差が生じることが知られている。
【００２２】
ここで、図１に示す固定支持部６は、電極層３、４と電気的に接続する接続部（給電部）として構成することができる。
【００２３】
本実施形態の電解質層２は、イオン液体とベースポリマーを有する。この電解質層２は、例えば１０〜３０μｍの厚さで形成する。
【００２４】
電極層３、４は、カーボン材料と、ベースポリマーと、イオン液体とを有する。この電極層３、４の製造においては、従来のアクチュエータのように、カーボン材料やベースポリマーを分散させる溶媒は使用していない。電極層３，４の厚さは、例えば５０〜２５０μｍである。
カーボン材料としては、例えばカーボンナノファイバとナノ炭素材を用いる。
【００２５】
カーボンナノファイバとしては、賦活処理によって活性化して表面積を大きくしたカーボンナノファイバ（ＡＣＮＦ）が好ましい。表面積を大きくすることによって、ベースポリマーに保持されやすくなり、イオンが移動しやすくなる。
【００２６】
ナノ炭素材としては、例えばカーボンナノホーンを用いる。ナノ炭素材の重量は、カーボン材料の総重量の４０〜８０％の範囲であることが好ましく、６０〜７０％の範囲であることがさらに好ましい。これらの範囲の下限を下回ると、カーボン材料が高分子アクチュエータ素子の特性に寄与せず、上限を上回ると導電性が低くなり応答性が低下する。
【００２７】
イオン液体としては、電解質層・電極層ともに、エチルメチルイミダゾリウム  トリフルオロメタンサルフェート（ＥＭＩ−ＴｆＯ）、エチルメチルイミダゾリウム  テトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）、エチル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（ＥＭＩＴＦＳＩ）等を用いることが可能である。
【００２８】
イオン液体の重量は、カーボン材料の総重量の１．５〜２．５倍の範囲であることが好ましい。この範囲の下限を下回るとカーボン材料をほぐす効果が発現せず、上限を上回るとできあがった電極層の導電性が低下し、応答性が低下する。
【００２９】
電極層用のベースポリマーとしては、フィブリル化されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好ましい。ここで、フィブリル化とは、フィブリル構造さらにはミクロフィブリル構造を形成するための繊維化又は紡糸化のことであって、例えば、固体の対象物を粉体とともに混練して剪断力を与えることによってフィブリル化し、さらにはミクロフィブリル化する。
【００３０】
ベースポリマーの重量は、カーボン材料の総重量の３〜８％の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは２〜６％の範囲である。ベースポリマーの重量をこの範囲内にすることによって、フィブリル化したＰＴＦＥによってカーボン材料を絡めるようにして確実に保持することが可能となり、このようなベースポリマーを用いた電極層では、ベースポリマーの量を最小限に留めて、炭素密度を高める電界強度を強め、高分子アクチュエータ素子としての駆動性能を高めることができる。
【００３１】
なお、電解質層用のベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を使うことが好ましい。
【００３２】
次に、本実施形態の高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法、及び、高分子アクチュエータ素子の製造方法について説明する。
【００３３】
高分子アクチュエータ素子に用いる電極層は、（１）混練工程、（２）ペレット化工程、及び、（３）膜状化工程を順に実行することによって形成する。高分子アクチュエータ素子は、上述の（１）〜（３）の工程によって形成した電極層を用いて（４）素子化工程を実行することによって作製する。以下、各工程について説明する。
【００３４】
（１）混練工程
混練工程では、まず、カーボンナノファイバとナノ炭素材を含むカーボン材料を調合し、このカーボン材料にイオン液体を滴下する。滴下は複数回に分けて行うとよい。その後に、ベースポリマーとして、フィブリル化されたＰＴＦＥを添加して混練を行う。混練は、乳鉢や三本ロールを用いて行う。
【００３５】
カーボン材料に対してイオン液体を滴下すると、カーボン材料がほぐれるため、その後に添加したＰＴＦＥが全体に均一に混ざりやすくなる。イオン液体を滴下した場合と、従来のように電極層の作製後に含浸法によってイオン液体を含有させた場合とを比較すると、滴下した場合の高分子アクチュエータ素子の変位量は、含浸法による場合の数倍となる。
【００３６】
また、混練によって調合すると、カーボン材料に対して少ない量のベースポリマー（ＰＴＦＥ）によって、カーボンナノファイバやカーボンナノホーンなどのカーボン材料を絡み込むようにして取り込むことができ、これにより、以後のペレット化工程、膜状化工程、及び素子化工程においてカーボン材料を確実に保持でき、素子としての駆動性能を高め、かつ安定化させることができる。
【００３７】
（２）ペレット化工程
ペレット化工程では、上記混練工程で混練した物質をペレット状にする。この工程は、例えば、ペレタイザーを用いて造粒した後に、５０〜１００ｋｇ／ｃｍ２で加圧することによって行う。
【００３８】
（３）膜状化工程
膜状化工程においては、上記ペレット化工程において形成されたペレットを切り出して厚さ５０〜２５０μｍの膜状の電極層を形成する。
【００３９】
図２は、膜状化工程において形成された膜の拡大写真である。図２は、倍率２万倍のＳＥＭ写真である。図２に示す例では、カーボン材料としてのカーボンナノファイバＣＮＦとカーボンナノホーンＣＮＨが、フィブリル化されたＰＴＦＥによって絡みとるように保持されていることが分かる。
【００４０】
（４）素子化工程
素子化工程においては、ベースポリマーとイオン液体とで形成した電解質層の両表面に、上記（１）〜（３）の工程を経て得られた電極層をそれぞれ重ねてプレスし、電極層を重ねる方向に切断して、高分子アクチュエータ素子を作製する。
【００４１】
次に、実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１では、以下の条件で電極層を製造した。各工程は、特に記載している場合を除いて常温・大気中で行った。
【００４２】
（１）混練工程
以下の量のカーボンナノファイバ、ナノ炭素材としてのカーボンナノホーン、イオン液体、及びベースポリマーを混練した。
【００４３】
カーボンナノファイバ（賦活処理したカーボンナノファイバ（ＡＣＮＦ））：９ｍｇ
カーボンナノホーン：２１ｍｇ
イオン液体：ＥＭＩ−ＴｆＯ  ４９．９ｍｇ
ベースポリマー：フィブリル化されたＰＴＦＥ  １．６ｍｇ
ここで、ベースポリマーの重量は、カーボン材料の総重量の５．３％である。
【００４４】
（２）ペレット化工程
ペレット化は、混練工程で混練した物質を６０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で２０分間加圧することによって行った。
【００４５】
（３）膜状化工程
ペレット化工程で形成されたペレットから切り出すことによって膜状の電極層を形成した。
【００４６】
（４）素子化工程
電解質層は以下の量のベースポリマーとイオン液体で構成した。
ベースポリマー：ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）１００ｍｇ
イオン液体：ＥＭＩ−ＴｆＯ  １００ｍｇ
【００４７】
電解質層の両表面に、上記（１）〜（３）の工程を経て得られた電極層をそれぞれ重ねてプレスし、電極層を重ねる方向に切断して、以下のサイズの高分子アクチュエータ素子を作製した。
【００４８】
電極層（上側）：厚さ２２０μｍ
電解質層：厚さ２０μｍ
電極層（下側）：厚さ２２０μｍ
サイズ：１辺２５ｍｍの平面視正方形
【００４９】
（比較例１）
比較例１では、以下の条件で電極層を製造した。各工程は、特に記載している場合を除いて常温・大気中で行った。
【００５０】
（１）撹拌工程
以下の量のカーボンナノファイバ、ナノ炭素材としてのカーボンナノホーン、イオン液体、ベースポリマー、及び溶媒を容器内で撹拌した。
【００５１】
カーボンナノファイバ（賦活処理したカーボンナノファイバ（ＡＣＮＦ））：１５ｍｇ
カーボンナノホーン：３５ｍｇ
イオン液体：ＥＭＩ−ＴｆＯ  ８３．２ｍｇ
ベースポリマー：ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）  ３５ｍｇ
溶媒：ＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）  ６．４ｍｌ（ミリリットル）
ここで、ベースポリマーの重量は、カーボン材料の総重量の７０％である。
【００５２】
（２）成膜工程
キャスト法により、基材上に、撹拌工程を経た液体を５０００μｌ（マイクロリットル）ずつ滴下して、厚さ約２２０μｍ、一辺２５ｍｍの平面視正方形の膜（シート）を形成し、これを５０°Ｃに維持したホットプレート上に２４時間載置して加熱し、さらに、８０°Ｃに維持された真空チャンバ−内で乾燥させた。以上の工程により膜状の電極層を得た。
【００５３】
（比較例２）
比較例２では、以下の条件で電極層を製造した。各工程は、特に記載している場合を除いて常温・大気中で行った。
【００５４】
（１）混練工程
以下の量のカーボンナノファイバ、ナノ炭素材としてのカーボンナノホーン、イオン液体、及びベースポリマーを混練した。
【００５５】
カーボンナノファイバ（賦活処理したカーボンナノファイバ（ＡＣＮＦ））：９ｍｇ
カーボンナノホーン：２１ｍｇ
イオン液体：ＥＭＩ−ＴｆＯ  ４９．９ｍｇ
ベースポリマー：フィブリル化されたＰＴＦＥ  ３．２ｍｇ
ここで、ベースポリマーの重量は、カーボン材料の総重量の１０．７％である。
【００５６】
（２）ペレット化工程
実施例１と同じ条件でペレット化を行った。
【００５７】
（３）膜状化工程
実施例１と同じ条件でペレットを加圧して膜状の電極層を形成した。
【００５８】
（４）素子化工程
電解質層及び高分子アクチュエータ素子は実施例１と同じ条件で作製した。
【００５９】
図３は、実施例１と比較例１〜２についての、伸縮率とＰ値の測定結果を示すグラフである。
【００６０】
伸縮率（単位％）の測定は、変位のない基準状態における電解質層２の面方向の寸法に対する、変位後の状態の面方向の寸法の変化率として算出する。
【００６１】
Ｐ値（単位ｍｍ・ｍＮ）は、変位量と発生力の測定値を互いに掛けたものである。ここで、変位量（ｍｍ）は、図１の電解質層２の先端部７から４ｍｍ内側の点について、変位のない基準状態（図１の実線の状態）に対して上方向（図１の破線の状態）に変位したときの図１のＺ方向の変位量を測定した。発生力（単位ｍＮ）は、図１に示す基準状態の高分子アクチュエータ素子に駆動電圧として、２０Ｖ、５０ｍＨｚの交流電圧を印加して変位するときの力である。
【００６２】
図３に示すように、実施例１の高分子アクチュエータ素子は、比較例１〜２の高分子アクチュエータ素子に比べて、伸縮率及びＰ値が約３〜１０倍に大きくなっており、伸縮率、変位量、発生力が向上していることが分かった。これは、フィブリル化されたＰＴＦＥによってカーボン材料が保持され、イオンが移動しやすい状態になっているためと考えられる。
【００６３】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上のように、本発明に係る高分子アクチュエータ素子、高分子アクチュエータ素子用電極層、高分子アクチュエータ素子用電極層の製造方法、及び、高分子アクチュエータ素子の製造方法は、成膜性を確保しつつ、短い時間で製造し、さらに電極層として求められる特性を発揮することができる点で有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１    高分子アクチュエータ素子
２    電解質層
３、４  電極層
５    基端部
６    固定支持部
７    先端部
【図１】
2015186301.tif 000003
【図３】
2015186301.tif 000004
【図２】
2015186301.tif 000005