聚合物致動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚合物致動(dòng)器，其具有優(yōu)良的柔性和伸長(zhǎng)率，彈性模量等特性的 溫度依賴性小，并且具有高絕緣擊穿強(qiáng)度，而且其即使在低電場(chǎng)中也可以驅(qū)動(dòng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由高分子材料形成的聚合物致動(dòng)器與例如陶瓷、金屬等材料形成的驅(qū)動(dòng)器相比， 具有輕質(zhì)和柔性優(yōu)良的特征。由于這些特征，聚合物致動(dòng)器作為可應(yīng)用于傳感器、光學(xué)開(kāi) 關(guān)、隔膜、盲文顯示、發(fā)電用途（例如波浪發(fā)電和鞋跟發(fā)電等）、工業(yè)用和護(hù)理用機(jī)器人、醫(yī) 療器械等用途，并且即使與人皮膚直接接觸也能安全地運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)器受到了極大關(guān)注。迄 今為止，作為聚合物致動(dòng)器，使用了離子交換膜、導(dǎo)電性聚合物、介電彈性體、高分子凝膠、 水凝膠、碳納米管的聚合物致動(dòng)器等各種聚合物致動(dòng)器都曾被提出過(guò)。
[0003] 然而，由于由離子交換膜、導(dǎo)電性聚合物、水凝膠形成的驅(qū)動(dòng)器是由水或離子等的 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的，因此難以在空氣中驅(qū)動(dòng)。因此，提出了無(wú)需使用這種溶劑而使用了介電彈性體 的聚合物致動(dòng)器。但是，由于使用了介電彈性體的聚合物致動(dòng)器用于變形的驅(qū)動(dòng)電壓高，需 要數(shù)千伏左右，因此為了實(shí)用化需要進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電壓。
[0004] 因此，已提出了一種通過(guò)在聚氨酯彈性體等彈性體中使用多元醇作為在空氣中可 驅(qū)動(dòng)的新的高分子材料或通過(guò)添加高介電性溶劑而得到的聚合物致動(dòng)器，其中，作為材料 的多元醇為介電性多元醇或具有取代基的多元醇，所述取代基具有較強(qiáng)的偶極矩（專利文 獻(xiàn)1至3)。
[0005] 專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了一種聚氨酯彈性體驅(qū)動(dòng)器，其為如下聚氨酯彈性體：具有介電 性多元醇或具有含有取代基的多元醇，其中所述取代基具有較強(qiáng)的偶極矩，所述聚氨酯彈 性體驅(qū)動(dòng)器的特征在于，通過(guò)對(duì)所述聚氨酯彈性體施加直流電場(chǎng)，所述多元醇以電場(chǎng)方向 定向。雖然通過(guò)優(yōu)化使用材料的分子量等，使得該聚氨酯彈性體驅(qū)動(dòng)器柔性提高并且可在 低電場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)，但是該文獻(xiàn)卻沒(méi)有記載關(guān)于特性的溫度依賴性，另外由于多元醇的介電常 數(shù)高，因此存在絕緣擊穿強(qiáng)度低的問(wèn)題。
[0006] 專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了一種高速響應(yīng)聚氨酯凝膠驅(qū)動(dòng)器，其為在介電性聚氨酯彈性體 或者具有取代基的聚氨酯彈性體中含有介電性溶劑的聚氨酯凝膠狀物，其中所述取代基具 有較強(qiáng)的偶極矩，所述高速響應(yīng)聚氨酯凝膠驅(qū)動(dòng)器的特征在于，通過(guò)施加直流電場(chǎng)，介電性 分子或取代基以電場(chǎng)方向定向，凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向異性地變化。但是，雖然通過(guò)高介電性 溶劑的使用，使得柔性提高并且可在低電場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)，但是由于上述溶劑那樣的低分子成分 的影響，因此存在絕緣擊穿強(qiáng)度低的問(wèn)題。
[0007] 專利文獻(xiàn)3公開(kāi)了一種適合用于例如驅(qū)動(dòng)器、傳感器等變換器的介電膜，其由彈 性體組合物交聯(lián)而成，其中所述彈性體組合物含有：分子中具有雜原子的彈性體和分子中 具有雜原子并與該彈性體相溶的高介電常數(shù)液體化合物。但是，雖然通過(guò)高介電性溶劑的 使用，使得柔性提高并且可在低電場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)，但是由于上述溶劑那樣的低分子成分的影響， 因此存在絕緣擊穿強(qiáng)度低的問(wèn)題。
[0008] 因此，需要彈性模量等特性的溫度依賴性小、具有高絕緣擊穿強(qiáng)度，而且即使在低 電場(chǎng)中也可以驅(qū)動(dòng)，并且使用了介電性彈性體的聚合物致動(dòng)器。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)：
[0010] 專利文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn) 1:JP6-85339A
[0012] 專利文獻(xiàn) 2:JP6-85338A
[0013] 專利文獻(xiàn) 3:JP2010-219380A

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明要解決的課題
[0015] 本發(fā)明的目的是解決如上所述的以往的聚合物致動(dòng)器所具有的問(wèn)題點(diǎn)，提供一種 柔性和伸長(zhǎng)率優(yōu)良、彈性模量等特性的溫度依賴性小，并且具有高絕緣擊穿強(qiáng)度，而且即使 在低電場(chǎng)中也可以驅(qū)動(dòng)的聚合物致動(dòng)器。
[0016] 解決課題的方法
[0017] 本發(fā)明的發(fā)明人等為解決上述目的而努力研宄的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過(guò)在由在2個(gè)電極 之間夾住聚合物電介質(zhì)而成的聚合物致動(dòng)器中，將上述聚合物電介質(zhì)的以下參數(shù)規(guī)定在特 定的范圍內(nèi)，可以提供一種柔性和伸長(zhǎng)率優(yōu)良、彈性模量等特性的溫度依賴性小，并且具有 高絕緣擊穿強(qiáng)度，而且即使在低電場(chǎng)中也可以驅(qū)動(dòng)的聚合物致動(dòng)器，從而完成本發(fā)明：按照 動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（20°C);按照動(dòng)態(tài)粘彈 性測(cè)定在頻率1Hz、溫度-20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（_20°C)相對(duì)于E'（20°C)的比 [E'（_20°C)/E'（20°C)];及按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度40°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性 模量E'（40°C)相對(duì)于E'（20°C)的比[E，（40°C)/E'（20°C)]。
[0018] 即，本發(fā)明涉及聚合物致動(dòng)器，其是由在2個(gè)電極之間夾住聚合物電介質(zhì)而成的 聚合物致動(dòng)器，其特征在于，所述聚合物電介質(zhì)的
[0019]按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（20°C)為 0? 5MPa以下；
[0020] 按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度-20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（-20°C) 相對(duì)于E'（20°C)的比[E，（_20°C)/E'（20°C)]為 5. 0 以下；
[0021] 按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度40°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（40°C)相 對(duì)于E'（20°C)的比[E，（40°C)/E'（20°C)]為 0.5 以上。
[0022] 另外，為適當(dāng)?shù)貙?shí)施本發(fā)明，希望：
[0023] 上述聚合物電介質(zhì)由聚氨酯彈性體模制品構(gòu)成，其中所述聚氨酯彈性體模制品由 含有多異氰酸酯成分、活性氫成分和催化劑的聚氨酯彈性體組合物形成；并且上述聚合物 電介質(zhì)含有反應(yīng)性硅氧烷，其中所述反應(yīng)性硅氧烷的數(shù)均分子量（Mn)為500至7, 000,且基 于聚氨酯彈性體組合物的總質(zhì)量，其含量為10至70質(zhì)量％ ;
[0024] 上述反應(yīng)性硅氧烷為側(cè)鏈型反應(yīng)性硅氧烷。
[0025] 發(fā)明效果
[0026] 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在由在2個(gè)電極之間夾住聚合物電介質(zhì)而成的聚合物致動(dòng)器 中，將上述聚合物電介質(zhì)的以下參數(shù)規(guī)定在特定的范圍內(nèi)，可以提供一種柔性和伸長(zhǎng)率優(yōu) 良、彈性模量等特性的溫度依賴性小，并且具有高絕緣擊穿強(qiáng)度，而且即使在低電場(chǎng)中也可 以驅(qū)動(dòng)的聚合物致動(dòng)器：按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模 量"E'（20°C)"；在溫度-20°C的儲(chǔ)能彈性模量"E'（_20°C)"相對(duì)于"E'（20°C)"的比 [E，（_20°C)/E'（20°C)];及在溫度 40°C的儲(chǔ)能彈性模量"E，（40°C) "相對(duì)于"E，（20°C) " 的比[E，（40°C)/E'（20°C)]。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為說(shuō)明對(duì)聚合物致動(dòng)器施加電壓前后的聚合物致動(dòng)器的狀態(tài)的截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下參照?qǐng)D1說(shuō)明聚合物致動(dòng)器的工作原理。圖1的左圖顯示了施加電壓前的聚 合物致動(dòng)器1，其中，在成形為膜狀的聚氨酯彈性體模制品3的兩面形成電極2。如圖1的 右圖所示，當(dāng)對(duì)上述電極2施加電壓時(shí)，由于各個(gè)電極2中的正電荷和負(fù)電荷相互吸引，因 此聚氨酯彈性體模制品3壓縮從而厚度減小，聚氨酯彈性體模制品在平面方向伸長(zhǎng)。
[0029] 在厚度方向生成的力PjP在平面方向生成的力Pxy為此時(shí)生成的力P，在厚度方向 的伸長(zhǎng)率SJP在平面方向的伸長(zhǎng)率Sxy為伸長(zhǎng)率S，表示在以下的公式中：
[0030]
[0031] eQ:真空介電常數(shù)
[0032] e^聚氨酯彈性體模制品的相對(duì)介電常數(shù)
[0033] E:電場(chǎng)強(qiáng)度
[0034] E=V/d(V:電壓，d:厚度）
[0035] v:泊松比
[0036] v=Sxy/Sz=Pxy/Pz
[0037] Y:聚氨酯彈性體模制品的彈性模量
[0038] 因此，由上述公式可知，為了實(shí)現(xiàn)高的伸長(zhǎng)率S，需要高的電場(chǎng)強(qiáng)度E( =V/d)、聚 氨酯彈性體模制品的高的相對(duì)介電常數(shù)及低的彈性模量等。為了實(shí)現(xiàn)作為本發(fā)明的課題的 低電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，有必要降低驅(qū)動(dòng)電壓V。
[0039] 在本發(fā)明的聚合物致動(dòng)器中，如上所述，希望上述聚合物電介質(zhì)：
[0040] (1)按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度20°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（20°C) 為0. 5MPa以下是必要條件，優(yōu)選為0. 01至0. 45MPa，更優(yōu)選為0. 03至0. 40MPa;
[0041](2)按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度-20 °C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量 E'（_20°C)相對(duì)于E'（20°C)的比[E，（_20°C)/E'（20°C)]為5. 0以下是必要條件，優(yōu)選 為4. 5以下；
[0042](3)按照動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定在頻率1Hz、溫度40°C下測(cè)定的儲(chǔ)能彈性模量E'（40°C) 相對(duì)于E'（20°C)的比[E'（40°C)/E'（20°C)]為0. 5以上是必要條件，優(yōu)選為0. 55以上。
[0043] 若上述E'（20°C)高于0. 5MPa，則彈性模量高，難以在低電場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)。若上述比 [E'（_20