成果報告書詳細
管理番号20110000001081
タイトル平成19年度~平成22年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/スライドリング・マテリアルを用いた先端高分子部材の開発研究
公開日2011/9/9
報告書年度2007 - 2010
委託先名国立大学法人東京大学 アドバンスト・ソフトマテリアルズ株式会社 豊田合成株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本事業開発は、スライドリングマテリアル(SRM)の特徴的な力学特性を利用することによる軽量性、応答性、耐久性、安全性に優れたアクチュエータの開発を目指している。具体的には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を軸高分子とする新規ポリロタキサン(Si-PR)とSRMの開発、及びこれを用いたアクチュエータの開発である。ステージI期間内における成果は以下の通りである。
・Si-PRの合成、及びSRMの構造解析(東大)
 従来のポリロタキサンを用いた研究から、包接率を低くすることがSRMの特性を向上させる上で重要である。そのため、効率よく低包接率のSi-PRを合成する手法の開発が重要となる。軸高分子としてPDMS、環状分子としてγ-CDを用いて最適化検討を行うことにより、Si-PRの合成手法を確立した。得られたSi-PRの包接率は2~15%、収率は50~80%であった。また放射光X線を用いた構造解析を行い、SRM伸張時における構造均一性が確認できた。
・Si-PRの量産化(ASM)
 東京大学で開発した合成法を基に量産化検討し、反応条件の最適化、及びスケールアップ検討を行って、年間10kgの量産化が可能になった。また、封鎖基をシルセスキオキサンに変更することによって、安定性が向上した。現在、更なる大量生産の効率化、コストダウン検討を進めている。
・誘電アクチュエータ用SRMの開発(東大、ASM)
 誘電アクチュエータ用エラストマーとしては、柔軟で高誘電率なヒステリシスロスの無いエラストマーが望まれているが、マクロ架橋剤を用いたSRMの開発により、柔軟でヒステリシスロスがほとんど無いエラストマーの作製が可能となった。高誘電率化の検討としては、化学修飾や高誘電率フィラーの添加検討を行った。化学修飾検討では、高誘電率化修飾や高誘電率モノマーをグラフト化させることにより、誘電率24のPR誘導体、及び誘電率16のSRMが得られた。またフィラー添加検討においても柔軟性を損なうことなく誘電率15前後のSRMが得られることが確認できた。
・SRMの薄膜化(豊田合成、ASM)
 誘電アクチュエータの低電圧駆動実現のためには、誘電層の薄膜化技術の確立が重要となるため、薄膜化に適したSRM材料の開発を行った。その結果、ポットライフや作業性を確保した試料の作製が可能になった。この試料を用いて薄膜化基材の検討を行い、薄膜の成形性と剥離性のバランスからポリプロピレンシートが基材として適していることが明らかになった。また、スリットダイコータを用いた薄膜化検討を重ねることにより、50μm前後の薄膜の成形技術が確立できた。
・誘電アクチュエータの作製(豊田合成)
 アクチュエータ作製には、ロール形状に巻き取る必要があるが、特に空気層を含まずに巻き取ることが性能を大きく左右する。巻き取り技術を確立するため、柔軟なSRM薄膜の巻き取り検討を重ねて、自動的巻き取り機の作製に成功し、アクチュエータ量産の目処付けが行えた。またSRMを用いたアクチュエータを世界で初めて成功させ、駆動開始電圧500V、発生力3.8N、伸び25%、耐電圧繰り返し試験1000回以上を達成した。
・誘電アクチュエータ駆動ロボットハンドデモ機の製作(豊田合成)
 作製したアクチュエータを組み込んだロボットハンドデモ機の試作を実施し、指先を駆動させることに成功した。この様子は2010年のナノテク展においてビデオ上映し、現在は金属ボルトなどの物を掴む動作も可能になっている。今後は、更に稼動範囲や把持力を得るために、ロボットハンドの構造開発を進めていく。
英文要約This project is aimed at developing lightweight, quick response, durable and safe actuator for applications in robotics, welfare, machinery and service area. Specifically, we focus on synthesis of polyrotaxane (Si-PR) with poly(dimethylsiloxane) (PDMS) as an axis, and cyclodextrins (CD) as the cyclic molecules. By cross-linking the polyrotaxane (PR), we form slide-ring materials (SRM) used to develop dielectric actuator which has mechanical properties derived from the characteristic of SRM, and which can be operated under low voltage. The contents and results in FY2008-2010 are as follows.
Our previous studies on PR indicated that sparse PR of low CD inclusion ratio gave us high mechanical performances. Therefore we tried to control the CD inclusion ratio of Si-PR. We succeeded in synthesizing Si-PR with the inclusion ratio of 2-15% by optimizing the conditions of concentration and temperature for the inclusion complex formation between PDMS and CD, and by selecting an appropriate solvent for the capping reaction. The yield of Si-PR was about 50-80%. The basic synthesis techniques of Si-PR have been transferred to ASM from The University of Tokyo for mass production, and for further optimization of the production conditions. Now we can synthesize the amount of 10kg/year, and are trying for further efficiency improvement.
We have evaluated the physical properties of SRM for the dielectric actuator, in which SRM with low Young’ s modulus and high permittivity are both important factors. Our recent results show that by systematical optimization of cross-linked conditions, SRM having Young’s modulus as low as 100kPa has been successfully fabricated by using macro cross-linker. Moreover there is little hysteresis loss and creep in the SRM fabricated by using macro cross-linker. The mechanical properties of the SRM were appropriate material for dielectric actuator.
Next we tried to improve the permittivity of PR derivatives. Chemical modifications and grafting reaction with monomers were carried out to improve the permittivity. As the results, we obtained PR derivatives, of which the permittivity was around 24, and that of their cross linked PR derivatives was around 16. On the other hands, we also tried to improve the permittivity by using high permittivity filler, such as barium titanate. The permittivity as high as 15 was achieved without the increase of the Young’s modulus.
The output power and the low voltage drive are indispensable to apply a dielectric actuator using SRM to each industry. We have tried to develop dielectric actuator using SRM. We have succeeded in making thin films having thickness of around 50 m with practical size for dielectric actuator on polypropylene sheet. On the other hands, the performance of the roll type actuator has also been improved by winding up the SRM thin film without containing the air layer. We succeeded in making the automatic winding machine after a great deal of consideration. As the result, we succeeded for the first time in the world in operating dielectric actuator using SRM (driving start voltage : 500V, power of actuator : 3.8N, withstand voltage cycle test : >1000 cycle).
Moreover, we demonstrated the robot hand machine that built in SRM dielectric actuator. To obtain a high range of operation and the grip force, we are advancing the production of the robot hand. As the result, we succeeded in operating the tip of a finger, and presented the video in Nano Tech 2010. Now we succeeded to grip a bolt by robot hands, and are trying further improvement.
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