JPH01164804A - actuator - Google Patents
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- JPH01164804A JPH01164804A JP32431887A JP32431887A JPH01164804A JP H01164804 A JPH01164804 A JP H01164804A JP 32431887 A JP32431887 A JP 32431887A JP 32431887 A JP32431887 A JP 32431887A JP H01164804 A JPH01164804 A JP H01164804A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、化学的変化に因り、機械的変形を生ずるメカ
ノケミカル材料を用いたアクチュエータに関するもので
、特には電流の入力に因り、化学的変化を起こし、機械
的変形を生ずるアクチュエータに関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an actuator using a mechanochemical material that causes mechanical deformation due to chemical change, and particularly relates to an actuator that uses a mechanochemical material that causes mechanical deformation due to chemical change. It relates to actuators that cause changes and produce mechanical deformations.
架橋高分子材料の膨潤・収縮は、化学的環境により制御
し得ることが知られており、この様なメカノケミカル材
料を用いて、化学エネルギーを機械的仕事に直接変換す
る事が試みられてきた。It is known that the swelling and contraction of crosslinked polymeric materials can be controlled by the chemical environment, and attempts have been made to directly convert chemical energy into mechanical work using such mechanochemical materials. .
例えば、アルカリと酸により膨潤・収縮する架橋高分子
材料の粒子をピストンに充填し、荷重を押し上げる方法
が、松島・森により報告されている(松島・森:生産研
究、 15.96 (1963))。For example, Matsushima and Mori reported a method of filling a piston with particles of a crosslinked polymer material that swells and contracts with alkali and acid to push up the load (Matsushima and Mori: Production Research, 15.96 (1963)). ).
さらに、酸・アルカリを液体として供給することなく、
架橋高分子材料の周囲に電気的操作により生ぜしめる先
駆的研究が、米国ゼネラルエレクトリック社にて行われ
ている。(R,P、Hamlen。Furthermore, without supplying acids and alkalis as liquids,
Pioneering research is being carried out at General Electric Company in the United States to generate electrically generated materials around cross-linked polymeric materials. (R.P. Hamlen.
C,E、Kent、 S、N、5hafer ; N
ature、 206゜1149 (1965))さ
らには、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを用いて電
流を通じることにより水溶液のpHを変化させるセルを
形成し、この中でメカノケミカル材料を伸縮することが
試みられている。(A、Fragala et a
l ; ElectrochimicaActa、17
.1507 (1972))また、日中は溶媒に浸漬し
たゲルが、これをはさむ一対の電極に、電圧を印加する
ことにより収縮し、その収縮量が印加電圧により制御さ
れることを報告している。C, E, Kent, S, N, 5hafer;
ature, 206°1149 (1965)) Furthermore, a cell was formed in which the pH of an aqueous solution was changed by passing an electric current using a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, and a mechanochemical material could be expanded and contracted within the cell. is being attempted. (A, Fragala et a
l ; Electrochimica Acta, 17
.. 1507 (1972)) also reported that during the day, a gel immersed in a solvent contracts by applying a voltage to a pair of electrodes that sandwich it, and that the amount of contraction is controlled by the applied voltage. .
(T、Tanaka et al ; 5cien
ce、 218.467(1982))この様に、今日
実用に供されているアクチュエータとは異質な、架橋高
分子材料を作動物質とするアクチュエータが低比重・軽
量で筋肉類似の力学特性を示す等の理由から研究されて
きており、その中でも簡便な制御を実現する方法として
、この様なアクチュエータを電気的に駆動する事が試み
られている。(T, Tanaka et al;
CE, 218.467 (1982)) In this way, actuators that use crosslinked polymer materials as actuating substances, which are different from actuators in practical use today, have low specific gravity, light weight, and mechanical properties similar to muscles. This has been the subject of much research for these reasons, and attempts have been made to electrically drive such actuators as a method to achieve simple control.
〔発明が解決しようとしている問題点〕しかしながら、
従来の報告例によるならば、これらの架橋高分子材料を
電気的に駆動するために電極に印加している電圧は、l
ボルト以上30ポルト程度までの値である。架橋高分子
材料が浸漬される液体は、主に水を主成分とするものが
用いられており、従ってこのような液体に水の理論分解
電圧である1、23ボルト以上の電圧を印加するならば
、水の分解により、系より気体が発生する事が避けられ
ない。アクチュエータが駆動時に気体を発生する事が不
可避であるならば、アクチュエータ全体を封止する事が
出来ず、使用環境が限定される。また、繰り返し使用時
には、分解して失なわれる水の定期的補給を必要とする
ので、アクチュエータの寿命・保守性に問題がある。さ
らに、駆動時に、水から酸・水素爆鳴気を発生するアク
チュエータは、安全性にも問題がある。液体として、充
分脱水した非水溶媒系を用いるならば、上述の水の電気
分解の問題は避けられるものの印加電圧によっては、溶
媒や溶質の電気分解が起こる。その分解生成物が気体で
あるならば、上述の水の電解と同様の問題を生じる。ま
た、分解生成物が固体や液体の場合でも、それらが電極
表面を覆い、低導電性の膜を形成する等の好ましくない
現象が起こり得る。メカノケミカル材料が液体中で電気
的に変形する現象のメカニズムは、今日でもなお不明確
な部分が残っているものの、液体中に電流が流れて電極
上で電気化学反応が進行する状態において、メカノケミ
カル材料の変形が生じること、また、電極上で電気化学
反応がほとんど生じないような電圧を電極に印加しても
、有意な変形は起こらないことが明らかになってきてい
る。従って、このようなメカノケミカル材料を電気的に
変形させる形式のアクチュエータを実用化するためには
、電極上で進行する電気化学反応について、上述のよう
な問題点を解決せねばならない。[Problem that the invention is trying to solve] However,
According to conventional reports, the voltage applied to the electrodes to electrically drive these crosslinked polymer materials is l
The value is from volts to about 30 ports. The liquid in which the cross-linked polymer material is immersed is mainly water-based, so if a voltage higher than 1.23 volts, which is the theoretical decomposition voltage of water, is applied to such a liquid, For example, it is inevitable that gas will be generated from the system due to the decomposition of water. If the actuator inevitably generates gas when driven, the entire actuator cannot be sealed, which limits the environment in which it can be used. Further, during repeated use, it is necessary to regularly replenish water that is lost due to decomposition, which poses problems in the lifespan and maintainability of the actuator. Furthermore, actuators that generate acid/hydrogen explosions from water when driven have safety problems. If a sufficiently dehydrated nonaqueous solvent system is used as the liquid, the above-mentioned problem of electrolysis of water can be avoided, but depending on the applied voltage, electrolysis of the solvent or solute may occur. If the decomposition product is a gas, problems similar to those of water electrolysis described above arise. Further, even if the decomposition products are solid or liquid, undesirable phenomena such as covering the electrode surface and forming a film with low conductivity may occur. Although the mechanism of the phenomenon in which mechanochemical materials are electrically deformed in a liquid remains unclear even today, it is possible to It has become clear that deformation of chemical materials occurs and that significant deformation does not occur even when voltages are applied to electrodes such that little electrochemical reaction occurs on the electrodes. Therefore, in order to put into practical use an actuator that electrically deforms such a mechanochemical material, it is necessary to solve the above-mentioned problems regarding the electrochemical reactions that proceed on the electrodes.
〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明では、
メカノケミカル材料を電気的作用により変化させる形式
のアクチュエータにおいて、電極における電気化学反応
による気体の発生を防ぐことにより、アクチュエータを
封止可能とし、使用環境に関する制限を解消したもので
ある。さらに別には、アクチュエータの構成成分が電気
化学反応により気体となって失なわれることを防止する
とともに、アクチュエータを封して、溶媒等の揮発性を
有する構成成分の蒸発を防止し、長期に亘り、それらの
成分の補給を必要としないメンテナンスフリーのアクチ
ュエータを提供したものである。さらに別には、電極に
おける電気化学反応の可逆性を確保し、アクチュエータ
の可逆的駆動を保証したものである。さらに別には、電
極における電気化学反応の結果、低導電性の層が電極表
面に形成されることを防止し、充分な駆動電流をアクチ
ュエータに供給し得る状態に電極を保ち、迅速な駆動を
可能とすることにある。[Means and effects for solving the problems] In the present invention,
In an actuator in which a mechanochemical material is changed by electrical action, the actuator can be sealed by preventing the generation of gas due to electrochemical reactions at the electrodes, thereby eliminating restrictions regarding the environment in which it can be used. Furthermore, in addition to preventing the constituent components of the actuator from being lost to gas due to electrochemical reactions, the actuator is sealed to prevent volatile constituent components such as solvents from evaporating, so that it can be used for a long period of time. This provides a maintenance-free actuator that does not require replenishment of these components. Furthermore, the reversibility of the electrochemical reaction at the electrode is ensured, and the reversible drive of the actuator is guaranteed. Furthermore, it prevents the formation of a low-conductivity layer on the electrode surface as a result of electrochemical reactions in the electrode, and keeps the electrode in a state where sufficient drive current can be supplied to the actuator, allowing rapid actuation. It is to do so.
本発明は、各種のイオン濃度の変化に応じて膨潤あるい
は収縮するメカノケミカル材料を、互に異なる材料より
構成された複数の電極を有することにより形成された電
池の電解液中に浸漬し、この電池を充電もしくは放電す
ることにより、電解液中のイオン濃度を変化させてメカ
ノケミカル材料を駆動する事を特徴とする。The present invention involves immersing a mechanochemical material that swells or contracts in response to changes in various ion concentrations into an electrolyte solution for a battery formed by having a plurality of electrodes made of different materials. It is characterized by driving the mechanochemical material by changing the ion concentration in the electrolyte by charging or discharging the battery.
このような、イオン濃度の変化に応じて膨潤あるいは収
縮するメカノケミカル材料としては、用いる電解液中で
特定イオンと相互作用し、イオン結合、配位結合等の結
合を形成する官能基を主鎖もしくは側鎖上に有する架橋
高分子でなければならない。かかる高分子は、その構成
単位の一部に、例えば、カルボキシル基、スルホン酸基
。Such mechanochemical materials, which swell or contract in response to changes in ion concentration, have functional groups in their main chains that interact with specific ions in the electrolyte to form bonds such as ionic bonds and coordinate bonds. Alternatively, it must be a crosslinked polymer having on its side chain. Such polymers include, for example, carboxyl groups and sulfonic acid groups as some of their constituent units.
ヒドロキシル基、アミン基、イミノ基、カルボニル基等
の極性基を一種以上有する高分子であるが、これらの極
性基の存在量は、メカノケミカル材料の乾燥重量1gに
対して50マイクロ当量以上、50ミリ当量以下の範囲
であるべきである。すなわち、極性基存在量がこれ以下
においては、極性基と前述の特定イオンとの結合が生成
しても、高分子全体に対する存在比が小さいため、高分
子の性質を充分に変化させることができず、メカノケミ
カル材料として液体中で有効な変形を起こすことができ
ない。また、極性基存在量が前記範囲を超えるならば、
高分子の性質を充分に変化させるに必要となる前述の特
定イオンの量が大きくなるため、このイオン量を実用的
手段により電気的に制御することが難かしくなる。It is a polymer that has one or more types of polar groups such as hydroxyl groups, amine groups, imino groups, carbonyl groups, etc., and the amount of these polar groups present is 50 micro equivalents or more, 50 micro equivalents per 1 g of dry weight of mechanochemical material. It should be in the milliequivalent range or less. In other words, when the amount of polar groups present is less than this, even if a bond is formed between the polar group and the above-mentioned specific ion, the abundance ratio to the entire polymer is small, so the properties of the polymer cannot be sufficiently changed. First, as a mechanochemical material, it cannot undergo effective deformation in liquid. Moreover, if the amount of polar groups present exceeds the above range,
Since the amount of the above-mentioned specific ions required to sufficiently change the properties of the polymer increases, it becomes difficult to electrically control this ion amount by practical means.
一方、前述のようなメカノケミカル材料を変形するため
に濃度を制御されるイオン種は、カチオン種、アニオン
種あるいは無機イオン種、有機イオン種等いずれも用い
得るものであるが、もちろん、前述のメカノケミカル材
料がその分子構造中に有する極性基と相互作用し、イオ
ン結合、配位結合等の結合を形成し得るものである必要
がある。On the other hand, the ionic species whose concentration is controlled in order to deform the mechanochemical material as described above can be any of cationic species, anionic species, inorganic ion species, organic ion species, etc. It is necessary that the mechanochemical material can interact with the polar groups that it has in its molecular structure and form bonds such as ionic bonds and coordinate bonds.
さらには、これらの結合平衡が、外的イオン種濃度の制
御に伴い、大きく移動し得るものでなければならない。Furthermore, these binding equilibria must be able to shift significantly with control of the concentration of external ionic species.
具体例を挙げるならば、例えばイオン種として水素イオ
ンを用いた場合、極性基と水素イオンとの結合の平衡に
ついては、その極性基あるいはその極性基の共役酸の酸
解離定数として知られる値により評価することができる
。本発明の駆動方法を実施するにあたり用いることので
きる溶媒は、イオン種を溶媒和することのできる極性溶
媒であれば特に限定されるものではないが、簡単には水
、または水を主とする混合溶媒を用いることができる。To give a specific example, when a hydrogen ion is used as an ionic species, the equilibrium of the bond between a polar group and a hydrogen ion is determined by the value known as the acid dissociation constant of the polar group or the conjugate acid of the polar group. can be evaluated. The solvent that can be used to carry out the driving method of the present invention is not particularly limited as long as it is a polar solvent that can solvate the ionic species. Mixed solvents can be used.
水または水を主とする混合溶媒を用いる場合、通常実現
し得る水素イオン濃度は1M以下、10−” M以上の
範囲であり、制御の容易さを考慮するならば、10−’
M以下、10−18M以上の範囲である。従って、こ
の範囲の水素濃度変化により、メカノケミカル材料を構
成する高分子が有する極性基のあるいはその極性基の共
役酸の酸解離平衡が大きく変化する必要があるので、こ
れらの基の酸解離定数は、10−2M以下、10−12
M以上であるべきであり、特に好適には、10−” M
以下、10−” M以上の範囲が望ましい。溶媒として
水、または水を主とする混合溶媒を用いる場合には、水
素イオンのかわりに溶媒に対して共役塩基である水酸イ
オンを考えても、上と同様の議論により、メカノケミカ
ル材料を構成する高分子が有する極性基あるいはその極
性基の共役酸の酸解離定数として適当な範囲は、上記の
ものと同様であることが明らかである。When water or a mixed solvent mainly composed of water is used, the hydrogen ion concentration that can normally be achieved is in the range of 1M or less and 10-'M or more.
The range is less than M and more than 10-18M. Therefore, due to changes in hydrogen concentration within this range, the acid dissociation equilibrium of the polar groups of the polymers constituting the mechanochemical material or the conjugate acids of those polar groups must change significantly. is less than 10-2M, 10-12
M or more, particularly preferably 10-” M
Hereinafter, a range of 10-"M or more is desirable. When using water or a mixed solvent mainly composed of water as a solvent, it is also possible to consider hydroxide ions, which are conjugated bases with respect to the solvent, instead of hydrogen ions. From the same discussion as above, it is clear that the appropriate range for the acid dissociation constant of the polar group possessed by the polymer constituting the mechanochemical material or the conjugate acid of the polar group is the same as that described above.
溶媒として水を全(あるいはほとんど含まないものを用
いた場合、上述の酸解離定数の範囲は、もはや一般にあ
てはまらないが、それぞれの溶媒に応じて、上述と同様
の事を論することができ、それぞれ至適の範囲が存在す
る。When using a solvent that contains all (or almost no) water, the above range of acid dissociation constants no longer generally applies, but depending on each solvent, the same arguments as above can be made. There is an optimal range for each.
水素イオンの場合と同様に、他のイオン種を用いても、
用いたイオンがメカノケミカル材料を構成する高分子が
有する極性基とイオン結合。Similar to the case of hydrogen ions, even if other ionic species are used,
The ions used form ionic bonds with the polar groups of the polymers that make up the mechanochemical material.
配位結合を形成し得るならば、本発明に従いメカノケミ
カル材料の駆動が可能であるが、その場合、前記極性基
と前記イオン種との間の錯解離定数が適当な値である必
要がある。何故ならば、一般のイオン種濃度を本発明の
電気化学的手法により制御する場合、実用的に得られる
濃度範囲は10−1M以下、10−’ M以上である。If a coordinate bond can be formed, it is possible to drive a mechanochemical material according to the present invention, but in that case, the complex dissociation constant between the polar group and the ionic species needs to be an appropriate value. . This is because when the concentration of general ionic species is controlled by the electrochemical method of the present invention, the concentration range that can be practically obtained is 10-1M or less and 10-'M or more.
これ以上の濃度域においては、有意な濃度変化を得るた
めに大きな電気量を必要とするため、電流密度あるいは
通電時間を大きくせねばならず、実用的でない。また、
10−’ M以下の微量のイオンを制御しようとするな
らば、共存する他のイオン種の影響を避けることが難か
しく実用的ではない(前述の水素イオンに関して10−
’ M以下のレベルで制御可能としたのは、水酸イオン
のような共役塩基濃度を比較的高濃度において制御する
ことにより等価的に水素イオン濃度を制御し得たためで
ある。)。このことより、メカノケミカル材料を構成す
る高分子が有する極性基と上述のイオンとの錯解離定数
は一定の範囲内に存在せねばならず、その範囲は実験に
よれば0.1M以下、10−” M以上であった。なお
、錯生成反応は一般には複数段階を至で進むものである
が、ここに言う錯解離定数とは、それらの各段階に対す
る遂次錯解離定数を言うものである。In a concentration range higher than this, a large amount of electricity is required to obtain a significant concentration change, so the current density or current application time must be increased, which is not practical. Also,
If one attempts to control a trace amount of ions of 10-'M or less, it is difficult to avoid the influence of other coexisting ion species, which is impractical (with regard to the hydrogen ions mentioned above,
' The reason why it was possible to control the concentration at a level below M is that the hydrogen ion concentration could be equivalently controlled by controlling the concentration of a conjugate base such as hydroxyl ion at a relatively high concentration. ). From this, the complex dissociation constant between the polar group of the polymer constituting the mechanochemical material and the above-mentioned ions must be within a certain range, and according to experiments, this range is 0.1 M or less, 10 -''M or more. Note that a complex formation reaction generally proceeds through multiple steps, and the complex dissociation constant referred to here refers to the successive complex dissociation constant for each of those steps.
導電性高分子材料として知られるポリアニリン。Polyaniline is known as a conductive polymer material.
ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン。Polypyrrole, polythiophene, polyphenylene.
ポリアズレン、ポリアセチレン等の高分子は、高分子鎖
の酸化還元反応に伴い、アニオンあるいはカチオンを可
逆的に放出・吸収することが知られているが、これらの
材料をそのまま電極としたり、または他の電極材料を基
体とし、その表面をこれらの導電性高分子材料で被覆し
て電極とすることができ、電解液中にて通電することに
よりアニオンあるいはカチオンの濃度を制御することが
できる。Polymers such as polyazulene and polyacetylene are known to reversibly release and absorb anions or cations as a result of redox reactions in their polymer chains. An electrode can be made by using an electrode material as a base and coating the surface with these conductive polymer materials, and the concentration of anions or cations can be controlled by passing current through an electrolytic solution.
本発明の実施において用いることのできる電極は、この
ように電解質中のあるイオン濃度を電気化学的に可逆的
に変化させることのできるものであり、この性質を有す
るものであれば、上記の例に限られるものでは無い。し
かしながら、電極上の反応により、例えば、水素・酸素
等の気体が生成することは避けねばならない。従って、
用いた電解液中において、実質的に水素・酸素等の発生
電位を超えない電位において、上述のようにイオン濃度
の制御を行い得るイオンと電極の組み合わせを用いる事
が必要である。Electrodes that can be used in the practice of the present invention are those that can electrochemically reversibly change the concentration of a certain ion in the electrolyte, and as long as they have this property, they can be used in the above examples. It is not limited to. However, it is necessary to avoid generating gases such as hydrogen and oxygen due to reactions on the electrodes. Therefore,
It is necessary to use a combination of ions and electrodes that can control the ion concentration as described above at a potential that does not substantially exceed the generation potential of hydrogen, oxygen, etc. in the electrolytic solution used.
さらに、系に電流を通じるためには、少くとも一対の電
極を用いるのであるが、このとき、異種のイオンの濃度
を制御する電極を対にして用いねばならない。何故なら
ば、同じイオンの濃度を制御する電極の一方をアノード
、他方をカソードとして電流を通じた場合、一方の電極
からは電解液にそのイオンが供給されるが、他方の電極
ではその同一種のイオンが原理的に等量消費され、結果
としてイオン濃度を変化させる目的が達成されない。一
般に、本発明のメカノケミカル材料の駆動方法に用いる
べき電極の対は、一方の電極電位を支配している電極反
応により電解液中に放出あるいは電解液より供給される
イオン種が同時に他方の電極上で電極反応に関与しない
という条件を満足しなければならない。このことは、よ
り具体的には、以下の2つの条件を満足することにより
達成できる。(1)電極として、電極反応に電解液中の
アニオンが関与するものと、カチオンが関与するものと
を選び、それらの間に電流を通じる。(2)前記アニオ
ンが反対側の電極上で酸化される電位がその電極上で前
記カチオンの関与する電極反応の電位よりも正であるよ
うに材料を選択する。(3)同様に、前記カチオンが反
対側の電極上で還元される電位が、その電極上で前記ア
ニオンの関与する電極反応の電位よりも負であるように
材料を選択する。Furthermore, in order to pass current through the system, at least one pair of electrodes is used, and at this time, a pair of electrodes must be used to control the concentration of different types of ions. This is because when current is passed between electrodes that control the concentration of the same ion, with one electrode as the anode and the other as the cathode, the ions are supplied to the electrolyte from one electrode, but the ions are supplied to the electrolyte at the other electrode. In principle, equal amounts of ions are consumed, and as a result the purpose of changing the ion concentration is not achieved. Generally, in a pair of electrodes to be used in the method for driving a mechanochemical material of the present invention, ionic species released into or supplied from the electrolyte by an electrode reaction that dominates the potential of one electrode are simultaneously applied to the other electrode. The above condition must be satisfied that it does not participate in the electrode reaction. More specifically, this can be achieved by satisfying the following two conditions. (1) Select electrodes that involve anions in the electrolytic solution and cations that participate in the electrode reaction, and pass a current between them. (2) Selecting materials such that the potential at which the anion is oxidized on the opposite electrode is more positive than the potential of the electrode reaction involving the cation on that electrode. (3) Similarly, materials are selected such that the potential at which the cation is reduced on the opposite electrode is more negative than the potential of the electrode reaction involving the anion on that electrode.
なお、電流を通じることによって、前記イオンの濃度が
充分に変化する事が必要であるから、前記アニオンとカ
チオンは、それらの間で、あるいは電解液中にあらかじ
め溶存したイオンとの間で生成する塩が電解液に使用し
た溶媒中に易溶でなければならない。In addition, since it is necessary that the concentration of the ions changes sufficiently by passing an electric current, the anions and cations are generated between them or with ions previously dissolved in the electrolyte. The salt must be readily soluble in the solvent used for the electrolyte.
上述の点に留意して選んだ一対の電極を、電極に対応す
るイオンを含む適当な電解液中に漬けるならば、電池が
形成され、電極間には電位差が生じる(もちろん特別な
場合に電位差はゼロにもなり得る。)。このような電池
を充電あるいは逆に放電することにより、それぞれの電
極上で電気化学反応が進み、電解液中の特定イオンの濃
度が変化する。If a pair of electrodes, chosen keeping in mind the above points, is immersed in a suitable electrolyte solution containing ions corresponding to the electrodes, a battery is formed and a potential difference is created between the electrodes (of course, in special cases, the potential difference can also be zero). By charging or discharging such a battery, an electrochemical reaction progresses on each electrode, and the concentration of specific ions in the electrolyte changes.
そこで、その電解液中に、前記イオンの濃度の変化に従
い変形する性質を有するメカノケミカル材料を存在させ
ておくならば、これを変形することができる。メカノケ
ミカル材料のイオン濃度変化に伴う変形の機構は、従来
よりいくつか述べられているが、例えば、弱酸性あるい
は弱塩基性官能基を有する高分子より構成されたメカノ
ケミカル材料は、水素イオン濃度の変化により、高分子
鎖上の荷電密度の増減を生じるため、高分子鎖間の相互
作用の大きさが主に変化してメカノケミカル材料全体の
膨潤度が変化する。また、例えば、カルボキシル基のよ
うな金属イオンなどと、イオン結合。Therefore, if a mechanochemical material that has the property of deforming according to the change in the concentration of the ions is present in the electrolyte, it can be deformed. Several mechanisms of deformation due to changes in ion concentration in mechanochemical materials have been described. For example, mechanochemical materials composed of polymers with weakly acidic or weakly basic functional groups have This change causes an increase or decrease in the charge density on the polymer chains, which mainly changes the magnitude of the interaction between the polymer chains and changes the degree of swelling of the entire mechanochemical material. Also, for example, ionic bonds with metal ions such as carboxyl groups.
配位結合等の比較的強い相互作用をし得る官能基。A functional group that can have relatively strong interactions such as coordination bonds.
を有する高分子材料より構成されたメカノケミカル材料
は、それらのイオンと相互作用することにより、官能基
の溶媒和の状態に変化を生じたり、それらのイオンを介
して高分子内に新たな架橋点を形成するため、それらの
イ、オン濃度の変化に従いゃはり膨潤度が変化する。ま
た、特にイオンと強い相互作用を持つ官能基を有さない
高分子材料より構成されたメカノケミカル材料でも、イ
オン濃度の変化に伴い、例えば材料内外の液の浸透圧に
差を生じたり、高分子構造中の比較的極性の高い官能基
に対して溶媒和する溶媒分子の数に変化を生じる等の影
響を受けて膨潤度は変化する。By interacting with these ions, mechanochemical materials composed of polymeric materials that have Since the dots are formed, the degree of swelling changes according to the change in the concentration of ions. In addition, even in mechanochemical materials composed of polymeric materials that do not have functional groups that interact particularly strongly with ions, changes in ion concentration may cause, for example, differences in the osmotic pressure of fluids inside and outside the material. The degree of swelling changes due to changes in the number of solvent molecules that solvate relatively highly polar functional groups in the molecular structure.
このようにして、一対の電極に電流を通じることにより
、メカノケミカル材料の駆動が可能であり、電気化学的
に可逆な系を選べば、メカノケミカル材料の可逆な駆動
ができる。この方法が新規なアクチュエータ等へ利用で
きることは明らかである。なお、電解液中のイオン濃度
変化を迅速・均等に行う等の目的で電極を多数個使用す
ることも本発明の好ましい実施形態の1つである。In this way, the mechanochemical material can be driven by passing current through the pair of electrodes, and if an electrochemically reversible system is selected, the mechanochemical material can be driven reversibly. It is clear that this method can be used for new actuators and the like. Note that it is also a preferred embodiment of the present invention to use a large number of electrodes for the purpose of rapidly and evenly changing the ion concentration in the electrolytic solution.
[実施例−1]
白金フィルム2枚をアルミナ粉の懸濁液中で超音波照射
し、表面を粗面化する。−枚は、塩素イオンの存在下に
ピロールを電解重合し、表面に塩素イオンのドープされ
たポリピロール膜を形成する。他の一枚は、分子量約7
万のポリスチレンスルホン酸カリウムの存在下にピロー
ルを電解重合し、表面にポリスチレンスルホン酸とポリ
ピロールの混合膜を形成し、次にKCn溶液中にて電解
重合に要した電気量の8%に相当する電気量を逆方向に
通じて混合膜を一部還元する。[Example-1] Two platinum films were irradiated with ultrasonic waves in an alumina powder suspension to roughen the surface. - Pyrrole is electrolytically polymerized in the presence of chlorine ions to form a polypyrrole film doped with chlorine ions on the surface. The other one has a molecular weight of about 7
Pyrrole was electrolytically polymerized in the presence of 10,000 potassium polystyrene sulfonate to form a mixed film of polystyrene sulfonic acid and polypyrrole on the surface, and then in a KCn solution, which corresponded to 8% of the amount of electricity required for electrolytic polymerization. A quantity of electricity is passed in the opposite direction to partially reduce the mixed membrane.
こうして作成した2つの電極を図1中の各々、電極1.
電極2とする。The two electrodes thus created are shown in FIG. 1, electrode 1.
This is called electrode 2.
N−イソプロピルアクリルアミド0.6M、N−メチロ
ールアクリルアミド0.12M、 アクリル酸ナトリウ
ム0.08Mのモノマー水溶液30mj!を調製し、テ
トラメチルエチレンジアミンと過硫酸アンモニウムを開
始剤として加えて、ラジカル重合し、ポリマー溶液を得
る。30mj of a monomer aqueous solution of 0.6M N-isopropylacrylamide, 0.12M N-methylolacrylamide, and 0.08M sodium acrylate! is prepared, tetramethylethylenediamine and ammonium persulfate are added as initiators, and radical polymerization is performed to obtain a polymer solution.
第2図は本発明の別の実施形態の説明図であり、メカノ
ケミカル材料3は、円筒状に成形され、円筒の内側及び
外側に沿って電極1.2が近接して配置しである。この
図の様な構成により、限られた体積中に比較的広い面積
を有する電極を収納する事ができる。また、電極とメカ
ノケミカル材料間のイオン拡散に要する時間が短くでき
るので、好ましい実施形態の1つである。FIG. 2 is an illustration of another embodiment of the invention, in which the mechanochemical material 3 is shaped into a cylinder, with electrodes 1.2 arranged closely along the inside and outside of the cylinder. With the configuration shown in this figure, an electrode having a relatively wide area can be accommodated in a limited volume. Furthermore, this is one of the preferred embodiments because the time required for ion diffusion between the electrode and the mechanochemical material can be shortened.
第3図は本発明のさらに別の実施形態の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of yet another embodiment of the present invention.
図中でメカノケミカル材料3は棒状に成形され、電極1
,2は多数の枝分かれを有する形状の電極を近接して配
置しである。この様な構成により、限られた電極材料で
比較的電極面積を大きくすることができるので、好まし
い実施形態の1つである。電極1,2の形状としては、
針状で枝分かれを多数有する電極、網状の電極、さらに
は、複数の板状の突起を有する電極を使用することも、
本発明の好ましい実施形態である。In the figure, mechanochemical material 3 is formed into a rod shape, and electrode 1
, 2 has electrodes having a shape having a large number of branches arranged closely together. This configuration is one of the preferred embodiments because the electrode area can be made relatively large using limited electrode materials. The shape of electrodes 1 and 2 is as follows:
It is also possible to use needle-like electrodes with many branches, mesh-like electrodes, and even electrodes with multiple plate-like protrusions.
This is a preferred embodiment of the present invention.
この液を口過脱泡後、直径0 、4 m mのノズルよ
り、飽和硫酸ナトリウム水溶液中に押し出して凝固させ
、糸状とする。この糸状ポリマーを150°Cにて3時
間真空乾燥してから、最後に3 X 10−3モルのK
C1水溶液で洗浄してメカノケミカル材料3とする。ま
た、3X10−”モルのKCj!水溶液を電解液4とす
る。以上の材料を用いて、第1図に示す形態の装置とす
る。本装置を37.2℃の空気恒温槽中において電極l
と2との間に電流を通じると、メカノケミカル材料3が
初めの長さの約78%にまで収縮し、接続具7が引き上
げられることが観測される。After defoaming, this liquid is extruded into a saturated aqueous sodium sulfate solution through a nozzle with a diameter of 0.4 mm to solidify it into a thread. The thread-like polymer was vacuum dried at 150°C for 3 hours and finally dried with 3 x 10-3 mol of K.
Mechanochemical material 3 is obtained by washing with C1 aqueous solution. In addition, an aqueous solution of KCj! of 3 x 10-" moles is used as electrolyte 4. Using the above materials, a device of the form shown in FIG.
When a current is passed between and 2, it is observed that the mechanochemical material 3 contracts to about 78% of its original length and the fitting 7 is pulled up.
次に、逆方向に先はどと同じ電気量を通じるとメカノケ
ミカル材料3の長さは初めの長さの約98%にまで回復
する。この様に通電、逆方向の通電を5回繰り返し、メ
カノケミカル材料の可逆的伸縮が生じる事と、この間、
容器中には気泡の発生が目視によっては認められないこ
とを確かめた。Next, when the same amount of electricity is passed in the opposite direction, the length of the mechanochemical material 3 recovers to about 98% of its initial length. By repeating energization and energization in the opposite direction five times in this way, reversible expansion and contraction of the mechanochemical material occurs, and during this time,
It was confirmed that no air bubbles were visually observed in the container.
[実施例2]
実施例1と同様に表面を粗面化した白金フィルム2枚を
用意し、−枚は硫酸イオンの存在下にアニリンを電解重
合し、表面に硫酸イオンのドープされたポリアニリンを
形成する。他の一枚は、実施例Q
同様にポリスチレンスルホン酸とポリピロ゛−ルの混合
膜を形成し、第1図の形態の装置とし、電極lと2の間
に所定量の電流を通じると、メカノケミカル材料の収縮
が実施例1とほぼ同様に観察される。[Example 2] Two platinum films with roughened surfaces were prepared in the same manner as in Example 1, and the - sheet was electropolymerized with aniline in the presence of sulfate ions, and the surface was coated with polyaniline doped with sulfate ions. Form. For the other sheet, a mixed film of polystyrene sulfonic acid and polypyrol was formed in the same manner as in Example Q, and when a device of the form shown in FIG. Shrinkage of the mechanochemical material is observed almost the same as in Example 1.
本実施例の装置においても、メカノケミカル材料は電流
の方向に応じて可逆に伸縮し、このとき、装置内に気泡
の発生は認められない。In the device of this example as well, the mechanochemical material expands and contracts reversibly depending on the direction of the current, and at this time, no bubbles are observed to be generated within the device.
以上説明したように、電解重合膜を用いたメカノケミカ
ル材料のアクチュエータによるならば、従来問題となっ
ていた気泡の発生がなく封止型のアクチュエータを提供
することができる。本発明のアクチュエータによって、
メカノケミカル材料を系の構成成分を不可逆的に分解す
ることなく、電気的に駆動することができ、従って可逆
的駆動が可能で分解成分の補給作業を行う必要がなくな
る。As explained above, by using an actuator made of a mechanochemical material using an electrolytically polymerized membrane, it is possible to provide a sealed actuator without the generation of bubbles, which has been a problem in the past. With the actuator of the present invention,
Mechanochemical materials can be electrically driven without irreversibly decomposing the constituent components of the system, and therefore reversible driving is possible and there is no need to replenish decomposed components.
さらには、低電流でなめらかな動きを示すアクチュエー
タを提供することができる。Furthermore, it is possible to provide an actuator that exhibits smooth movement with low current.
第1図は本発明によるメカノケミカル材料の駆動方法を
実施するための装置の例を示す説明図である。
第2図は、本発明によるメカノケミカル材料の駆動方法
を実施するための装置の例を示す説明図であり、メカノ
ケミカル材料をパイプ状にし、外壁と内壁にそって2つ
の電極を配置しである。
第3図は、第1図、第2図同様メカノケミカル材料の駆
動方法を実施するための装置の例を示す説明図であり、
2つの電極を枝状に設置しである。
1・・・電極1
2・・・電極2
3・・・メカノケミカル材料3
4・・・電解液
5・・・容器
6・・・可撓性フィルム
7・・・接続具
特許出願人 キャノン株式会社FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an apparatus for carrying out the method for driving a mechanochemical material according to the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an apparatus for carrying out the method for driving a mechanochemical material according to the present invention, in which the mechanochemical material is made into a pipe shape and two electrodes are arranged along the outer and inner walls. be. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of an apparatus for carrying out the method for driving a mechanochemical material, similar to FIGS. 1 and 2;
Two electrodes are installed in the form of branches. 1... Electrode 1 2... Electrode 2 3... Mechanochemical material 3 4... Electrolyte 5... Container 6... Flexible film 7... Connection device patent applicant Canon Co., Ltd. company
Claims (1)
中のイオン強度やpH等の各種イオン濃度の変化に応じ
て、該架橋高分子が膨潤、あるいは収縮するメカノケミ
カル材料を機械的作動材料とし、互に異なる実質的に導
電性高分子材料より成る2つ以上の電極と該メカノケミ
カル材料とが、該液体中に浸漬されて、構成されること
を特徴とするアクチュエータ。A mechanochemical material is a mechanochemical material that is composed of a crosslinked polymer and a liquid that can be impregnated with it, and in which the crosslinked polymer swells or contracts in response to changes in various ion concentrations such as ionic strength and pH in the liquid. An actuator comprising: two or more electrodes substantially made of different conductive polymer materials and the mechanochemical material immersed in the liquid.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32431887A JPH01164804A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32431887A JPH01164804A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | actuator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01164804A true JPH01164804A (en) | 1989-06-28 |
Family
ID=18164452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32431887A Pending JPH01164804A (en) | 1987-12-21 | 1987-12-21 | actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01164804A (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5528842A (en) * | 1989-02-08 | 1996-06-25 | The Rockport Company, Inc. | Insert for a shoe sole |
| US6237251B1 (en) | 1991-08-21 | 2001-05-29 | Reebok International Ltd. | Athletic shoe construction |
| JP2004197069A (en) * | 2002-08-09 | 2004-07-15 | Eamex Co | Method for producing conductive polymer, conductive polymer molded product, electrolytically stretching method, laminated product and use of the same |
| WO2004074354A1 (en) * | 2003-02-19 | 2004-09-02 | Eamex Corporation | Tubular conductive polymer molded article |
| JP2005298764A (en) * | 2004-04-15 | 2005-10-27 | Eamex Co | Method for preparing polypyrrole film |
| US6988329B2 (en) | 2002-07-02 | 2006-01-24 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| JP2006311630A (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Hitachi Ltd | Actuator module |
| JP2006353034A (en) * | 2005-06-17 | 2006-12-28 | Sony Corp | Polymer actuator |
| US7278445B2 (en) | 2002-07-02 | 2007-10-09 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US9474323B2 (en) | 2002-07-02 | 2016-10-25 | Reebok International Limited | Shoe having an inflatable bladder |
-
1987
- 1987-12-21 JP JP32431887A patent/JPH01164804A/en active Pending
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5528842A (en) * | 1989-02-08 | 1996-06-25 | The Rockport Company, Inc. | Insert for a shoe sole |
| US6237251B1 (en) | 1991-08-21 | 2001-05-29 | Reebok International Ltd. | Athletic shoe construction |
| US7340851B2 (en) | 2002-07-02 | 2008-03-11 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US7337560B2 (en) | 2002-07-02 | 2008-03-04 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US10251450B2 (en) | 2002-07-02 | 2019-04-09 | Reebok International Limited | Shoe having an inflatable bladder |
| US6988329B2 (en) | 2002-07-02 | 2006-01-24 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US7047670B2 (en) | 2002-07-02 | 2006-05-23 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US9474323B2 (en) | 2002-07-02 | 2016-10-25 | Reebok International Limited | Shoe having an inflatable bladder |
| US7152625B2 (en) | 2002-07-02 | 2006-12-26 | Reebok International Ltd. | Combination check valve and release valve |
| US7513067B2 (en) | 2002-07-02 | 2009-04-07 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| US7278445B2 (en) | 2002-07-02 | 2007-10-09 | Reebok International Ltd. | Shoe having an inflatable bladder |
| JP2004197069A (en) * | 2002-08-09 | 2004-07-15 | Eamex Co | Method for producing conductive polymer, conductive polymer molded product, electrolytically stretching method, laminated product and use of the same |
| WO2004074354A1 (en) * | 2003-02-19 | 2004-09-02 | Eamex Corporation | Tubular conductive polymer molded article |
| JP2005298764A (en) * | 2004-04-15 | 2005-10-27 | Eamex Co | Method for preparing polypyrrole film |
| JP2006311630A (en) * | 2005-04-26 | 2006-11-09 | Hitachi Ltd | Actuator module |
| JP2006353034A (en) * | 2005-06-17 | 2006-12-28 | Sony Corp | Polymer actuator |
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