JP5332027B2 - 導電補助剤を添加したカーボンナノチューブ電極を用いたアクチュエータ素子 - Google Patents
導電補助剤を添加したカーボンナノチューブ電極を用いたアクチュエータ素子 Download PDFInfo
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Description
カーボンナノチューブ:
3〜90重量%、好ましくは16.6〜70重量%、より好ましくは20〜50重量%;
イオン液体:
5〜 80重量%、好ましくは15〜 73.4重量%、より好ましくは20〜69重量%;
ポリマー:
4〜70重量%、好ましくは10〜68.4重量%、より好ましくは11〜64重量%;
である。
[導電性薄膜層形成用分散液の調製]
DMAC溶媒中に、カーボンナノチューブ(SWNT)とイオン液体(IL)、ポリマー[粉末状PVDF(HFP)]、導電補助剤(ポリアニリン、MCM-41、炭素粒子又はRuO2)を分散させて、マグネチックスターラーにて撹拌、その後、超音波による分散を行うことにより導電性薄膜層形成用分散液を調製する。
イオン液体(IL)とポリマー[粉末状PVDF(HFP)]を、上記導電性薄膜層形成用分散液の調製と同様にして、溶媒に溶解させることにより、電解質膜形成用溶液を調製する。ここで溶媒は、4−メチルペンタン−2−オンとプロピレンカーボネートとの混合溶媒を用いた。
導電性薄膜、電解質膜は、それぞれ上記のように調製した分散液および溶液を、別々にキャストし、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行うことにより得る。得られた導電性薄膜2枚の間に、電解質膜を1枚挟んで熱圧着することにより3層構造のアクチュエータ素子を得る。
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図1に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅1mm×長さ10mmの短冊状に切断し、端3mmの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加えた。レーザ変位計を用いて、固定端から5mmの位置での変位を測定して行った。電圧の周波数を200Hz〜5mHzで変化させて変位を調べた。
ε(%)=2DW/(L2+D2)×100
[アクチュエータ素子の評価方法2]
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図1に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅1mm×長さ15mmの短冊状に切断し、端3mmの部分を電極付きホルダーでつかみ、空気中で、周波数0.1Hzで電圧を加えた。レーザ変位計を用いて、固定端から10mmの位置での変位を測定して行った。電圧を±0.5〜3.0Vで変化させて変位を調べた。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.3mg/80.5mg/120.2mg/50.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(MCM-41)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/MCM-41=25.4mg/80.0mg/119.8mg/25.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(MCM-41)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/MCM-41=50.1mg/80.0mg/140.8mg/50.1mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/8.2mg/80.3mg/120.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/24.1mg/80.3mg/120.6mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(カーボンブラック:CB)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/CB/kynar2801/EMIBF4=50.3mg/40.3mg/80.3mg/120.6mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.0mg/202.8mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.7mg/80.0mg/121.0mg/10.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.3mg/80.0mg/120.8mg/20.3mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.2mg/80.8mg/121.4mg/30.4mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(ポリアニリン;poly-An)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/poly-An=50.7mg/80.6mg/120.1mg/40.0mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=200.6mg/201.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)及び導電補助剤(RuO2)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4/RuO2=27.8mg/44.0mg/70.9mg/20.0mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4=50.2mg/80.6mg/121.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=206.2mg/208.3mg。
以下の比率で、カーボンブラック(CB)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CB/kynar2801/EMIBF4=50.4mg/80.3mg/121.2mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=206.2mg/208.3mg。
以下の比率で、カーボンナノチューブ(CNT)、イオン液体(EMIBF4)、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、3層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極:CNT/kynar2801/EMIBF4=22.2mg/36.0mg/56.7mg
電解質:kynar2801/EMIBF4=101.8mg/114.3mg。
実施例1〜6および比較例1〜2で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法1により行った。得られた結果を、図5〜図15に示す。
試験例1で得られた最大伸縮率と別途測定した導電性薄膜層のヤング率から変形時の発生力を算出した。導電性薄膜層のヤング率はセイコーインスツルメンツ社製のTMA/SS6000にて測定した。求められた発生力を表1に示す。表1は、最大伸縮率(0.005Hz時)での発生力比較を示す。導電補助剤としてポリアニリンを添加した場合は導電補助剤無添加の場合(CNT(50))に比べ、伸縮率が3倍近く向上するだけでなく、発生力も4倍以上向上することが明らかになった。一方、MCM-41を添加した場合、伸縮率はMCM-41をCNTと同量余分に入れることにより1.6倍程度向上するものの、発生力は無添加の場合と同じである。導電性薄膜層中のCNTの量を半減し、その減少分MCM-41を添加した場合(実施例2)は、伸縮率はCNT量を半減しても大きな差はなく、無添加時とほぼ同程度であるものの、発生力は半減することが分かった。
実施例1、7〜10及び比較例1で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法1により行った。得られた結果を、図16に示す。
実施例1及び7〜10で得られたアクチュエータ素子について、試験例3で得られた最大伸縮率と別途測定した導電性薄膜層のヤング率から変形時の発生力を算出した。導電性薄膜層のヤング率はセイコーインスツルメンツ社製のTMA/SS6000にて測定した。求められた発生力を表2に示す。表2は、最大伸縮率(0.005Hz時)での発生力比較を示す。導電補助剤としてポリアニリンを10〜50mg添加した場合は導電補助剤無添加の場合(表1、CNT(50))に比べ、最大伸縮率及び発生力共に大幅に向上することが明らかになった。
実施例11および比較例3で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法2により行った。得られた結果を、図17に示す。
2 導電性薄膜層
3 導電層
4 イオン性液体のカチオン
5 イオン性液体のアニオン
Claims (3)
- 導電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマー(導電性高分子を除く)を含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜と、イオン液体およびポリマーから構成される1又は2以上の電解質膜を積層してなる積層体であって、
前記導電補助剤が、下記(1)〜(4)からなる群から選択される少なくとも一種であり:
(1)ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ(1,6−ヘプタジイン)、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリフェニルアセチレン、ポリ(2,5−チエニレン)、ポリインドール、ポリ−2,5−ジアミノアントラキノン、ポリ(o−フェニレンジアミン)、およびポリピリジンからなる群から選択される少なくとも一種の導電性高分子、
(2)カーボンブラック、
(3)メソポーラスシリカおよび
(4)金属酸化物、
かつ導電補助剤の配合割合が、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量100重量部に対し4〜65重量部である、積層体。 - 請求項1の積層体からなるアクチュエータ素子。
- イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、前記導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている請求項2に記載のアクチュエータ素子。
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