介电弹性体换能器和介电弹性体换能器的制造方法

技术领域

本发明涉及一种介电弹性体换能器和介电弹性体换能器的制造方法。

背景技术

介电弹性体换能器在驱动用途、发电用途、传感器用途等各个领域中的有效利用备受期待，其中介电弹性体换能器具有介电弹性体层和夹着该介电弹性体层的一对电极层。在专利文献1中公开了现有的介电弹性体换能器的一个例子。在同一文献中，作为构成电极层的材料，例示了银纳米线、碳纳米线、碳纳米管、碳纳米填料等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-34923号公报。

发明内容

发明要解决的问题

通常情况下，介电弹性体换能器以介电弹性体层的显著的伸缩性为前提进行使用。因此，作为电极层，也要求具有能够充分追随介电弹性体层的程度的伸缩性。另一方面，因为向电极层提供电荷(施加电压)，所以需要避免因伸缩而成为绝缘状态。

本发明是以上述事实为基础构思而成的，本发明的目的在于提供一种能够同时提高伸缩性和导电性的介电弹性体换能器和介电弹性体换能器的制造方法。

用于解决问题的方案

本发明的第一方面提供的介电弹性体换能器具有介电弹性体层和夹着上述介电弹性体层的一对电极层，上述电极层包含来自碳纳米管的粉碎碳颗粒。

在本发明的优选实施方式中，上述粉碎碳颗粒通过动态光散射法测定的粒度为0.5μm以上且1.5μm以下，并且通过激光散射法测定的粒度为15μm以上且70μm以下。

在本发明的优选实施方式中，上述粉碎碳颗粒通过动态光散射法测定的粒度与通过激光散射法测定的粒度的差为15μm以上。

在本发明的优选实施方式中，上述粉碎碳颗粒通过激光散射法测定的粒度与通过动态光散射法测定的粒度的比为15以上。

本发明的第二方面提供的介电弹性体换能器的制造方法为具有介电弹性体层和夹着上述介电弹性体层的一对电极层的介电弹性体换能器的制造方法，上述介电弹性体换能器的制造方法包括：通过粉碎碳纳米管来生成粉碎碳颗粒的工序；将使用上述粉碎碳颗粒形成的上述一对电极层配置在上述介电弹性体层上的工序。

在本发明的优选实施方式中，在生成上述粉碎碳颗粒的工序中，生成了通过动态光散射法测定的粒度为0.5μm以上且1.5μm以下、并且通过激光散射法测定的粒度为15μm以上的上述粉碎碳颗粒。

在本发明的优选实施方式中，在生成上述粉碎碳颗粒的工序中，生成了通过动态光散射法测定的粒度与通过激光散射法测定的粒度的差为15μm以上的上述粉碎碳颗粒。

在本发明的优选实施方式中，在生成上述粉碎碳颗粒的工序中，生成了通过激光散射法测定的粒度与通过动态光散射法测定的粒度的比为15以上的上述粉碎碳颗粒。

在本发明的优选实施方式中，在生成上述粉碎碳颗粒的工序中，进行如下处理：

前处理，在溶剂中混合碳纳米管、使其分散而得到碳纳米管的第一分散液，然后通过除去上述溶剂而得到粉末状的碳纳米管；

粉碎处理，粉碎上述粉末状的碳纳米管，在溶剂中混合粉碎的碳纳米管，得到碳纳米管的第二分散液；

提取处理，静置上述碳纳米管的第二分散液，提取靠近液面的部分。

发明效果

根据本发明，能够同时提高伸缩性和导电性。

以下，参照附图详细地进行说明，以使本发明的其他特征和优点更加清楚。

附图说明

图1是示出本发明的介电弹性体换能器的一个例子的剖面图。

图2是示出本发明的介电弹性体换能器的制造方法的一个例子的流程图。

图3是示出本发明的介电弹性体换能器的一个例子的电极层的粉碎碳颗粒的粒度的测试结果的图。

图4是示出本发明的介电弹性体换能器的一个例子的电极层的粉碎碳颗粒的粒度的测试结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行具体地说明。

图1示出了本发明的介电弹性体换能器的一个例子。本实施方式的介电弹性体换能器A1具有介电弹性体层11和一对电极层12。

介电弹性体换能器A1的用途没有特别的限制，例如可在驱动用途、发电用途、传感器用途等各个领域中应用。例如，在介电弹性体换能器A1用作驱动用途的作动器的情况下，通过电路装置3向一对电极层12提供电荷(施加电压)。此时的电压是例如超过数百V的高压。

介电弹性体层11包含弹性体(具有橡胶状弹性的高分子化合物)中的任意一种或两种以上。弹性体的种类没有特别的限制，例如是热固性弹性体、热塑性弹性体等。

热固性弹性体的种类没有特别的限制，例如是天然橡胶、合成橡胶、硅橡胶系弹性体、聚氨酯橡胶系弹性体以及氟橡胶系弹性体等。

作为热塑性弹性体，可举出芳香族乙烯基系单体与共轭二烯系单体的共聚物。具体地，例如，作为芳香族乙烯基系单体与共轭二烯系单体的共聚物，可举出：苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯嵌段聚合物等二嵌段型嵌段聚合物；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段聚合物(SIS)、苯乙烯-丁二烯-异戊二烯嵌段聚合物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段聚合物(SIBS)等三嵌段型嵌段聚合物；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯嵌段聚合物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段聚合物、苯乙烯-丁二烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段聚合物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段聚合物、苯乙烯-异戊二烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物等这样的多嵌段型含苯乙烯嵌段聚合物以及它们的氢化物或部分氢化物等。其中，更优选使用SIS等嵌段聚合物。

但是，介电弹性体层11也可以与上述弹性体一同包含其他材料中的任意一种或两种。其他材料例如是各种添加剂等。

介电弹性体层11的形状没有特定的限制，可适当举出：在形成为介电弹性体换能器A1的构成要素之前的、不施加外力等状态下为俯视圆环形状、卷成筒状的那些等。

一对电极层12夹着介电弹性体层11。电极层12通过具有导电性且能够追随介电弹性体层11的弹性形变而弹性形变的材料形成。作为这样的材料，可举出向能够弹性形变的基材中混入了提供导电性的填料的材料。在本实施方式中，作为上述填料，包含来自碳纳米管的粉碎碳颗粒。

图2示出了介电弹性体换能器A1的制造方法的一个例子。本实施方式的制造方法包括粉碎碳颗粒生成工序、电极配置工序。粉碎碳颗粒生成工序是通过粉碎碳纳米管来生成来自碳纳米管的粉碎碳颗粒的工序。电极配置工序是将包含粉碎碳颗粒的电极层配置在介电弹性体层的两面的工序。

<实施例>

以下，对粉碎碳颗粒生成工序的实施例进行说明。另外，本发明的粉碎碳颗粒生成工序没有任何限定，能够采用能够生成满足后述条件的粉碎碳颗粒的各种方法。

(前处理)

首先，将单层碳纳米管(以下称为SWCNT：例如日本瑞翁株式会社制SG101)以含量成为0.35wt％的方式混合在溶剂中并使其分散。此时的溶剂使用MEK(甲基乙基酮)。使用高压均质机分散该溶液，得到SWCNT分散液(第一分散液)。接着，将该SWCNT分散液以液体温度20～40℃静置，去除溶剂。然后，用玻璃搅拌棒等进行搅拌直至成为粉末状。

(粉碎处理)

通过行星式球磨机，将成为粉末状的SWCNT粉碎。向粉碎的SWCNT粉末添加溶剂，再次使用高压均质机进行分散。此时的溶剂使用CyH(环己烷)。此外，SWCNT含量为0.07～0.15wt％。将再次分散的SWCNT分散液(第二分解液)转移至玻璃容器等中，并施加超声波振动。然后，静置24小时，确认了SWCNT与溶剂未分离。在观察到分离的情况下，再次施加超声波振动。

(提取处理)

在确认未观察到SWCNT与溶剂分离后，进一步施加超声波振动。然后，静置30分钟左右，通过滴管等吸取靠近SWCNT分散液的液面的上部，提取至其他容器。

<比较例>

在比较例1中，使用CyH作为溶剂，准备了使未粉碎状态的SWCNT分散的SWCNT分散液。在比较例2、3中，准备了一般的炭黑。炭黑制造商公开的粒径是15nm～55nm。在比较例2中，与实施例同样地准备了将CyH作为溶剂的炭黑分散液。在比较例3中，准备了将MEK作为溶剂的炭黑分散液。

(粒度测定前的预稀释)

(1-1)分别取样2ml的实施例和比较例1～3的分散液至玻璃容器，在其中添加IPA(异丙醇：关东化学鹿1级)，得到预稀释液。

(1-2)在使用磁搅拌器等对上述容器的预稀释液进行搅拌之后，进行超声波处理。超声波条件是频率：39kHz、输出100W、照射时间3分钟。

(1-3)超声波处理后，在10分钟内进行以下粒度测定。

<动态光散射法>

(2-1)使用马尔文公司制的Zetasizer Nano系列作为动态光散射法的测定装置。该装置以粒径标准颗粒(LTX3060A、LTX3200A)预先适当地进行了校正，以使例如测定误差在2％以下的程度。

(2-2)将1ml上述预稀释液加入12mm方形玻璃比色皿(PCS1115)，设置在上述装置中。该玻璃比色皿附带盖子。

(2-3)颗粒信息设定为：折射率＝2.0、虚部0.850。

(2-4)溶剂信息设定为：2-Propanol、折射率＝1.3750、粘度＝2.038。

(2-5)测定温度设定为25℃。

(2-6)从达到测定温度到测定的时间设定为60秒。

(2-7)比色皿设定为“glass cuvette”。

(2-8)测定时的检测器角度设定为173°。

(2-9)作为一次测定的时间设定为“Automatic”。

(2-10)重复次数设定为3次。

(2-11)“Measurement Position”设定为“Seek for measurement position”，并设定为自动。

(2-12)粒度分布的平滑涉及的模型设定为“General Purpose”。

(2-13)采用Z-Average，并将3次测定的平均值作为测定值。

<激光散射法>

(3-1)使用马尔文公司制的Mastersizer 3000作为激光散射法的测定装置。

(3-2)颗粒信息设定为：折射率＝2.0、虚部0.850。

(3-3)溶剂信息设定为：乙醇、折射率＝1.3600。

(3-4)在测定中使用的溶剂：使用乙醇(关东化学鹿1级)。

(3-5)将上述乙醇以规定量填充至分散单元，并在上述装置内循环120秒。

图3示出了动态光散射法和激光散射法的粒度测定的结果。如图3所示，关于通过动态光散射法测定的粒度D1，实施例分布在0.5μm以上且1.5μm以下的范围。比较例1分布在1.3μm～5.4μm的范围。比较例2、3分布在0.1μm～3.3μm的范围。另一方面，关于通过激光散射法测定的粒度D2，实施例为15μm以上，并且为50μm以下。比较例1为35μm以上。比较例2、3为15μm以下。

图4是将基于动态光散射法和激光散射法的粒度测定的结果按照以下方法进行整理后的图。横轴是粒度D2与粒度D1的差(D2-D1)。关于差(D2-D1)，实施例为15μm以上。比较例1为32μm以上。比较例2、3分布在0.1μm～15μm的范围。纵轴是粒度D2与粒度D1的比(D2/D1)。关于比(D2/D1)，实施例为15以上。比较例1分布在7～63的范围。比较例2、3分布在0.3～48的范围。

当将实施例与比较例1、比较例2及比较例3进行比较时，关于图3，实施例满足如下条件：通过动态光散射法测定的粒度D1为0.5μm以上且1.5μm以下，并且通过激光散射法测定的粒度D2为15μm以上且50μm以下，比较例1～3均不满足该条件(以下称为条件1)。此外，从图4可知，只有实施例满足以下条件中的任一项以及条件1：通过动态光散射法测定的粒度D1与通过激光散射法测定的粒度D2的差(D2-D1)为15μm以上(以下称为条件2)；以及通过激光散射法测定的粒度D2与通过动态光散射法测定的粒度D1的比(D2/D1)为15以上(以下称为条件3)。

接着，对介电弹性体换能器A1和介电弹性体换能器的制造方法的作用进行说明。

如图3和图4所示，通过条件1能够明确地区分来自碳纳米管的粉碎碳颗粒(实施例)与未粉碎的碳纳米管(比较例1)、一般的炭黑(比较例2、3)。这是因为，对于粉碎炭黑而得到的粉碎碳颗粒、未粉碎的碳纳米管(比较例1)、炭黑(比较例2、3)，粒度测定中的基于种类的测定结果的倾向不同。即，碳纳米管虽然本来是呈细长的筒状的形态，但是通过粉碎使筒状被一定程度破坏，块的尺寸变小。但是，即使在粉碎后，也是由多个细小的颗粒构成的。因此，关于粒度D1，实施例与比较例2、3的大小不明确，但是关于粒度D2，实施例与比较例2、3相比明显大。此外，关于粒度D1，实施例有与比较例1相比更小的倾向。该关系用差(D2-D1)、比(D2/D1)进行比较时，能够进一步有利地区分。

使用了通过条件1区分的粉碎碳颗粒的电极层具有来自碳纳米管的良好的导电性，并且，通过粉碎产生的小颗粒化(与比较例2的粒度D1的差)，提高伸缩性。由此，能够同时实现电极层的伸缩性提高和导电性提高。通过除了条件1适当地组合条件2和条件3进行区分，能够更加可靠地选择适于同时实现伸缩性提高和导电性提高的粉碎碳颗粒。

本发明涉及的介电弹性体换能器和介电弹性体换能器的制造方法不限于上述实施方式。本发明涉及的介电弹性体换能器和介电弹性体换能器的制造方法的具体结构可自由地进行各种设计变更。