JPH0218688B2

JPH0218688B2 -

Info

Publication number: JPH0218688B2
Application number: JP12416384A
Authority: JP
Inventors: Tooru Shiga; Norio Kurauchi
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1984-06-16
Filing date: 1984-06-16
Publication date: 1990-04-26
Also published as: JPS614731A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電気的エネルギーによつて、高分子
材料を曲折させる方法に関するものであり、スイ
ツチ素子、人工筋肉等へ応用することができるも
のである。

〔従来の技術〕

近年、熱、光、電気等のエネルギーを機械的エ
ネルギーに変換する機能を有する高分子材料を用
いて、スイツチ、ケミカルエンジン、人工筋肉、
ロボツトの触手などに応用しようとする試みがな
されている。かかる機能を起させるためには、そ
の機械的運動が可逆的な伸縮．曲折であり、また
迅速で、充分に大きいことが必要である。

従来、上記運動を生じせしめる方法として、熱
あるいは応力によるものがある。しかし、熱によ
る場合、上記高分子材料はガラス転移点付近の温
度で使用するため、高分子材料の寸法安定性に欠
け、更に熱履歴の問題も生じてしまう。また、応
力による場合、弾性変形内ではその変形は可逆的
であるが、塑性変形の領域になると、不可逆的と
なり、疲労やクリープが生じ、前記のスイツチ等
の用途に応用することは困難である。

また、最近、電場によつて高分子材料に機械的
運動を起こさせることが考えられている。例えば
ポリフツ化ビニリデンに代表される圧電樹脂を用
いるもの、あるいは、ポリアクリルアミドゲル等
の高分子化合物に電場をかけて、その体積変化の
利用により、機械的運動を起こそうとする試みが
なされている。しかし、これらの方法において
は、伸縮運動を生じせしめることはできるもの
の、曲折運動は、起こすことができない。特に、
スイツチ、人工筋肉等の種々の用途に高分子材料
を利用するためには、曲折運動が必要であり、電
場を用いる従来の方法では、曲折運動は得られ
ず、実用化は困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、従来の上記問題を解決して、電場を
用いて高分子材料に曲折運動を生じせしめる方法
を提供しようとしてなされたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の高分子材料の曲折方法は、電解質溶液
中に浸漬した正電極及び負電極の間に、イオン性
の官能基を有する分子構造の高分子材料を前記電
解質溶液と膨潤平衡関係となるように配置すると
共に、前記正及び負の電極間に直流電圧を印加す
ることを特徴とするものである。

本発明において、電解質溶液は、電気伝導体で
あるとともに、高分子材料を膨潤させて、高分子
材料を曲折させる媒体となるものである。膨潤平
衡関係とは、高分子材料が電解質溶液により膨潤
して、電解質溶液の浸透が平衡に達している状態
である。しかして、この膨潤平衡関係にするため
には、高分子材料を電解質溶液に浸漬して十分に
電解質溶液が膨潤し、イオン性の官能基のイオン
解離が平衡に達するようにする。

該電解質溶液としては、塩酸、硫酸、リン酸、
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化アン
モニウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、炭
酸カリウム、硫酸カリウム、酢酸ナトリウム、炭
酸カルシウム、塩化マグネシウム、塩化アルミニ
ウム等の電解質物質を、水、またはメタノール、
エタノール、イソプロピルアルコール、エチレン
グリコール、アセトン等の少なくとも１種から成
る有機媒体と水との混合溶媒に溶解されたものが
ある。上記電解質物質は、溶媒に溶解して、電気
伝導体となるものであり、上記のうちの１種また
は２種以上で使用する。また、電解質物質の配合
量は、前記溶媒１中に10^-5〜10^-1モル含まれて
いることが望ましい。該配合量が、10^-5モル未満
の場合には、溶液の電気伝導度が低くなり、曲折
運動の応答性がきわめて低いものとなる。他方、
10^-1モルを越える場合には、電極において、イオ
ンが放電し、気体の発生、金属の析出等が生ずる
おそれがある。

上記電極としては、電解質溶液中に浸漬しても
酸化溶解を起こさない導電体であり、例えば、白
金、金、ニツケル、マグネシウム、鉄、ステンレ
ススチール、黒鉛、カーボン、カーボン複合材等
を用いる。該電極の形状としては、板状、網状、
メツキ膜状、蒸着膜状ものを用いるものが望まし
い。

次に、本発明において用いる高分子材料は、イ
オン性の官能基を有する分子構造であることが必
要である。該高分子材料は、電解質溶液中に浸漬
され、膨潤すると、このイオン性の官能基がイオ
ン解離して、溶液と平衡関係になる。この平衡関
係は、電場の印加によりずれ、高分子材料中に浸
透圧差が生じて、高分子材料が曲折させられると
考えられる。

上記イオン性の官能基を有する分子構造の高分
子としては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル
酸、ポリエチレンアクリル酸、ポリマレイン酸、
ポリフマル酸、ポリイタコン酸、ポリ−ｔ−アコ
ニツト酸、ポリエチレンスルホン酸、ポリ−ｐ−
スチレンスルホン酸ナトリウム等の、カルボキシ
ル基またはスルホン基のアニオン性の官能基を有
する架橋高分子、ポリ−２−ビニル−Ｎ−オクチ
ルピリジウムブロミド、ポリ−４−ビニル−Ｎ−
ベンジルピリジウムクロリド、ポリ−４−ビニル
−Ｎ−エチルピリジウムクロリド、ラウリル化ポ
リエチレンイミン、ステアリル化ポリエチレンイ
ミン、ポリ−ｐ−スチレンジブチルスルホニウム
クロリド、ポリ−ｐ−スチレンエチルメチルスル
ホニウムブロミド等の、アンモニウム基またはス
ルホニウム基のカチオン性の官能基を有する架橋
高分子、あるいは上記架橋高分子とポリアクリル
アミド、ポリ−Ｎ−メチロールアクリルアミド、
ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチ
ル、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン等との
共重合体等がある。

また、該高分子材料の形状としては、角柱状、
板状、球状等、特に限定はしないが、種々の用途
に応用するためには、第２図に示すように幅Ｄ、
長さＬの棒状でその長さ方向と電極とが平行にな
るようにした場合に、幅に対する長さの比Ｌ／Ｄ
が５以上の高分子材料を使用するのが望ましい。

高分子材料を膨潤させる方法としては、予め、
高分子材料を電解質溶液中に浸漬して膨潤せしめ
た後、正及び負の電極が浸漬されている上記と同
じ電解質溶液中に膨潤した高分子材料を浸漬して
もよく、また、最初から正及び負の電極が浸漬さ
れた電解質溶液中に高分子材料を浸漬して、膨潤
させてもよい。

前記電解質溶液を容器等に導入し、該電解質溶
液中に正及び負の電極を浸漬し、更にその正及び
負の電極間に高分子材料を電解質溶液と膨潤平衡
関係になるように配置する。膨潤平衡関係に達し
ない状態で電圧を印加すると、可逆的な変化が得
られないおそれがある。なお、応答性向上の面か
ら、高分子材料を電解質溶液中に完全に浸漬した
状態に配置するのがよい。また、大きな曲折運動
を得るためには、高分子材料の長軸方向が電極と
平行となるように配置するのがよい。また、電極
間が狭い場合、高分子材料の側面が電極に接触す
ることがある。それ故、高分子材料の中央部近傍
をピン等で固定してもよい。

容器中に電解質溶液を導入する場合、該容器と
しては、電解質溶液に侵食されない物質で形成さ
れたものがよい。例えば、塩化ビニル等のプラス
チツク、ガラス、塗料で被覆された金属等が挙げ
られる。

このような状態に高分子材料を配置すると共
に、上記正及び負の電極の電極を直流電源により
接続し、直流電圧を印加する。

この直流電圧の印加により、高分子材料の解離
したイオンと電解質溶液中のイオンとが、正ある
いは負の電極に向かつて移動し、高分子材料の内
部に浸透圧差を発生させ、高分子材料を曲折させ
る。

その曲折は、例えば、棒状体の高分子材料を電
極と平行に配置する場合、その棒状体の両端が正
又は負の電極側へ同一方向に曲折する。曲折方向
は、高分子材料の種類、イオン性の官能基、電解
質溶液の種類またはその濃度により異なるが、そ
れらを制御することにより正電極側、負電極側ど
ちらへも変化する。

印加する電圧は10ボルト以上とするのが望まし
い。10ボルト未満の電圧を印加してもわずかに高
分子材料は曲折するものの、曲折運動、応答速度
が小さく、スイツチ素子等に実用化することはむ
ずかしい。また、印加電圧が大きいほど、曲折変
位量、応答速度は大きくなるが、非常に大きな電
圧の場合、高分子材料に変質等の悪影響を与える
こともあり、好ましくはその上限は1000ボルトと
するのがよい。

上記のように、電圧を印加して、高分子材料を
曲折させた後、電圧の印加を停止すると、高分子
材料は元の状態に戻りうる。すなわち、可逆性が
ある。なお、電極の正・負を逆にすることによ
り、より速く元の状態に戻ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電圧の印加により、イオン性
の官能基を有する分子構造の高分子材料を迅速か
つ大きく曲折させることができる。しかもその曲
折運動は可逆的である。

このような曲折運動が得られるのは、次のよう
な現象が生じているためであると考えられる。

すなわち、高分子材料が電解質溶液中で膨潤す
ることにより、該高分子中のイオン性の官能基が
イオン解離を行ない、電解質溶液中で解離平衡に
達する。この状態で電圧が印加されると、電解質
溶液中の高分子の解離イオン及び電解質イオンと
が電極に向かつて移動される。

上記の移動するイオンの速度差により高分子材
料の正極側と負極側とで浸透圧差ができ、電極の
法線方向へ曲折すると考えられる。

また、電圧の印加を停止、あるいは正・負極を
逆にすることにより、すみやかに高分子材料は元
の状態に戻り、あるいは更に逆の方向へその両端
が曲折することができる。

本発明方法を利用して、高分子の種類、イオン
性の官能基の解離度、電解質の種類や濃度、及び
電圧の大きさによつて制御することにより、高分
子材料をスイツチ素子、人工筋肉などの医用材
料、ロボツトの触手等へ実用化することが可能で
ある。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を説明する。

実施例１第１図に本実施例を概略的に説明する図を示
す。

マレイン酸0.30モルをメチレンビスアクリルア
ミド0.01モルで架橋した高分子材料５ｇを電解質
溶液としての0.04規定水酸化カリウム（KOH）
水溶液500ml中に24時間浸漬して、該高分子材料
を膨潤せしめた。該膨潤した高分子材料を大きさ
５×５×50mmの直線状角柱に切り出した。次に、
テフロンから成る容器１に電解質溶液２としての
上記KOH水溶液10mlを満たし、該KOH水溶液に
表面を絶縁被覆した白金から成る正電極板３及び
負電極板３′を電極間距離３cmで対向するように
浸漬し、更に前記角柱の高分子材料４を上記正・
負電極板３，３′の間に浸漬した。この場合、
正・負電極板３，３′の中央部に両電極板と平行
に高分子材料４を配置し、また、この高分子材料
４の中心部をピン５で固定し、高分子材料が完全
に浸漬するようにした。

次に、正・負電極を直流電圧源６により接続
し、30ボルトの直流電圧を４分間印加した。その
結果、第３図に示すように、高分子材料４は、そ
の両端４１，４２が負極側へ曲折した。その変位
量Ａは、10mmであつた。その後、直流電圧の印加
を停止したところ、高分子材料の両端は元の状態
に向つて移動し、約10分後元の直線状角柱に回復
した。

実施例２アクリル酸0.1モルとアクリルアミド0.2モルを
メチレンビスアクリルアミド0.01モルで架橋した
高分子材料５ｇを電解質溶液としての0.01規定の
水酸化ナトリウム（NaOH）水溶液500ml中に20
時間浸漬して、該高分子材料を膨潤平衡状態に達
しめた。電解質溶液として0.01規定のNaOH水溶
液を使用した以外は、実施例１と同様にして、上
記高分子材料を配置し、これに30ボルトの直流電
圧を３分間印加した。

その結果、高分子材料は、その両端は正極側へ
14mm曲折した。その後、直流電圧の印加を停止す
ると、高分子材料の両端は元の状態に向つて移動
し、約11分後元の直線状角柱に回復した。

実施例３電解質溶液として0.05規定のNaOH水溶液を用
いた以外は、実施例２と同様な高分子材料、条件
で、該高分子材料を配置し、これに60ボルトの直
流電圧を２分間印加した。

その結果、高分子材料は、その両端が負極側へ
18mm曲折した。その後、直流電圧の印加を停止す
ると、高分子材料の両端は元の状態に向つて移動
し、約９分後元の直線状角柱に回復した。

実施例４ｐ−スチレンスルホン酸ナトリウム0.1モルと
スチレン0.2モルをジビニルベンゼン0.01モルで
架橋した高分子材料５ｇを電解質溶液としての
0.02規定の塩化ナトリウム（NaCl）水溶液500ml
中に24時間浸漬し、該高分子材料を膨潤平衡状態
に達しめた。電解質溶液として0.02規定のNaCl
水溶液を使用した以外は、実施例１と同様にし
て、上記高分子材料を配置し、これに30ボルトの
直流電圧を30秒印加した。

その結果、高分子材料は、その両端が負極側へ
15mm曲折した。その後、直流電圧を−30ボルトに
すると、高分子材料の両端は元の状態に向つて移
動し、30秒後元の直線状角柱に回復した。

実施例５４−ビニルピリジン0.3モルをジビニルベンゼ
ン0.01モルで架橋し、その後、塩化ベンジルで窒
素原子を４級化して、アンモニウムイオンを導入
した高分子材料５ｇを、電解質溶液としての臭化
ナトリウム（NaBr）を0.01モル／溶解させた
水・メタノール混合溶液（水80％、メタノール20
％）500ml中に24時間浸漬し、該高分子材料を膨
潤平衡状態に達しめた。電解質溶液として上記
NaBr溶液を使用した以外は、実施例１と同様に
して、上記高分子材料を配置し、これに90ボルト
の直流電圧を１分間印加した。

その結果、高分子材料は、その両端が正極側へ
12mm曲折した。その後、直流電圧を−90ボルトに
すると高分子材料の両端は元の状態に向つて移動
し、１分後元の直線状角柱に回復した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実施例の概略説明図、第２図は本
発明に使用する棒状の高分子材料を示す斜視図、
第３図は本実施例による高分子材料の曲折運動を
示す図である。１：容器、２：電解質溶液、３：正電極板、
３′：負電極板、４：高分子材料、５：ピン、
６：直流電圧源。

Claims

【特許請求の範囲】１電解質溶液中に浸漬した正電極及び負電極の
間に、イオン性の官能基を有する分子構造の高分
子材料を前記電解質溶液と膨潤平衡関係になるよ
うに配置すると共に、前記正及び負の電極間に直
流電圧を印加することを特徴とする高分子材料の
曲折方法。２上記イオン性の官能基は、カルボキシル基、
スルホン基、アンモニウム基、スルホニウム基で
ある特許請求の範囲第１項記載の高分子材料の曲
折方法。３上記直流電圧は、10ボルト以上である特許請
求の範囲第１項記載の高分子材料の曲折方法。