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Die
vorliegende Erfindung betrifft neue polymere Stellglieder und ein
Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung
polymere Stellglieder, die durch Biegung oder Verformung von Ionentauscherharzprodukten
als Stellglieder funktionieren, und ein Verfahren zur Herstellung
der polymeren Stellglieder.
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Seit
kurzem besteht eine verstärkte
Nachfrage für
ein miniaturisiertes, leichtgewichtiges und hoch flexibles Stellglied
auf den Gebieten medizinischer Ausrüstung, industrieller Roboter,
Mikromaschinen und dgl.
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Bei
dieser Miniaturisierung des Stellgliedes sind die Reibung und Viskositätskraft
gegenüber
der Massenkraft vorherrschend. Es ist daher schwierig, Mittel zur
Umwandlung von Energie in Bewegung unter Anwendung einer Massenkraft,
wie einem Motor oder einer Maschine, als Kraftquelle eines Mikrostellglieds
einzusetzen. Demzufolge sind Funktionsprinzipien auf der Basis elektrostatischer
Anziehung, Piezoelektrizität,
Mikrowellen, Formgedächtnislegierung
und Polymerexpansion/-kontraktion für das Mikrostellglied vorgeschlagen worden.
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Das
Stellglied nach dem Typ der elektrostatischen Anziehung funktioniert
durch die Anziehung z. B. einer Platte oder eines Stabs, der gegenüber einer
Gegenelektrode eine Elektrode wird, und es ist z. B. eine Ausführungsform
bekannt, die eine Elektrode durch Anlegen einer Spannung von etwa
100 V zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode biegt, die im
Abstand von etwa 10 μm
angeordnet sind. Das piezoelektrische Stellglied funktioniert durch
Anlegen einer Spannung einiger Volt an ein piezoelektrisches Element
aus einer Keramik, wie Bariumtitanat, so dass sich das Element expandiert
und zusammenzieht; eine Ausführungsform
ist bekannt, die eine Verschiebung einer Nanometer-Einheit steuern
kann. Das Ultraschall-Stellglied funktioniert, indem es eine Reibungskraft
mit der durch das piezoelektrische Element oder dgl. erzeugten Ultraschallvibration
kombiniert oder einen Entscheidungsablauf bewirkt. Das Stellglied
des Typs der Formgedächtnislegierung
funktioniert durch Temperaturänderung
unter Ausnutzung der ausgeprägten
Konfigurationsänderung
der Formgedächtnislegierung
in Abhängigkeit
von der Temperatur. Das Stellglied des Typs der Polymerexpansion/-kontraktion
funktioniert unter Ausnutzung der Expansion/Kontraktion des Polymers
in Abhängigkeit
von der Temperatur oder pH-Änderung
und Änderung
der Konzentration einer Umgebungschemikalie.
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Diese
Mikrostellglieder weisen jedoch Nachteile auf, da es hinsichtlich
ihrer jeweiligen Betriebsumgebungen Einschränkungen gibt, das Ansprechen
nicht zufriedenstellend ist, der Aufbau kompliziert ist und die Flexibilität unzureichend
ist. Für
den Betrieb des Stellglieds des Typs der Polymerexpansion/-kontraktion
muss z. B. die Lösung
in Kontakt mit dem Po lymer durch eine Lösung ersetzt werden, die ein
anderes Salz enthält. Es
ist daher schwierig, dieses Stellglied in einer Anwendung einzusetzen,
die eine kleine Größe und ein
rasches Ansprechen erfordert.
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Ein
Stellgliedelement, das eine Ionentauschermembran und an die Oberflächen der
Ionenaustauschermembran gekoppelte Elektroden umfasst, die zum Anlegen
einer Potentialdifferenz an die Ionentauschermembran im hydratisierten
Zustand angepasst sind, so dass die Ionentauschermembran gekrümmt oder deformiert
wird, ist dagegen als Ausführungsform
vorgeschlagen worden, die leicht miniaturisiert werden kann, ein
rasches Ansprechen realisiert und mit geringer elektrischer Kraft
funktioniert (siehe
japanische
Patentoffenlegung Nr. 4(1992)-275078 ).
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Dieses
Stellgliedelement ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ionentauscherharzmembran
(Ionentauscherharzformkörper)
und an deren Oberflächen
gekoppelte Metallelektroden in gegenseitig isolierender Beziehung
umfasst und angepasst ist, eine Potentialdifferenz zwischen die
Metallelektroden anzulegen, wobei die Ionentauscherharzmembran in
hydratisiertem Zustand vorliegt, so dass die Ionentauscherharzmembran
gekrümmt
oder verbogen wird.
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Bei
diesem Stellgliedelement werden die Elektroden auf den Oberflächen des
Ionentauscherharzformkörpers
durch chemisches Plattieren, Elektroplattieren, Vakuumabscheidung,
Bedampfung, Beschichtung, Druckbonding, Schmelzbonding oder andere
Methoden ausgebildet. Beim herkömmlichen
Verfahren zur Ausbildung der Elektroden durch chemisches Plattieren ätzt man
z. B. die Oberflächen
der Ionentauschermembran, trägt
einen Plattierungskatalysator auf und taucht sie in ein Plattierbad,
wodurch sich auf den Oberflächen der
Ionentauschermembran Elektroden bilden, oder lässt auf die Oberflächen der
Ionentauschermembran einen Metallkomplex adsorbieren, worauf man
den adsorbierten Komplex reduziert, und taucht dann die Ionentauscherharzmembran
in ein Plattierbad, um auf den Oberflächen der Ionentauschermembran
die Elektroden auszubilden.
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Das
Stellgliedelement, dessen Elektroden nach den vorstehenden Verfahren
ausgebildet sind, hat jedoch den Nachteil, dass der Auslenkungsgrad
nicht zufrieden stellend ist. Beim herkömmlichen polymeren Stellglied
wird außerdem
beim Erhöhen
der Spannung zwischen den Elektroden, um eine größere Auslenkung und besseres
Ansprechen zu erhalten, das Wasser in der Ionentauscherharzmembran
leicht elektrolysiert, wodurch sich leicht Bläschen bilden.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung eines polymeren Stellglieds
ist in der zum Stand der Technik gehörenden Druckschrift
WO-A-9726039 offenbart,
bei dem die folgenden Schritte zur Ausbildung von Metallelektroden
auf der Oberfläche
eines Ionentauscherharzes durchgeführt werden: a) Beschichtung;
b) Reduktion; c) Waschen.
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Die
vorliegende Erfindung beabsichtigt, die vorstehend angesprochenen
Probleme in Verbindung mit dem Stand der Technik zu lösen; eine
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Stellgliedelements, das
eine große
Auslenkung hervorbringen kann, ein rasches Ansprechen und eine hohe
Flexibilität
zeigt, einen einfachen Aufbau aufweist und leicht miniaturisiert
werden kann, und eines Verfahrens zu dessen Herstellung. Eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
polymeren Stellglieds, bei dem keine Bläschen aufgrund der Elektrolyse
von Wasser auftreten, wenn man eine Potentialdifferenz anlegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines polymeren Stellglieds ist ein Verfahren zur Herstellung
eines polymeren Stellglieds, das ein Ionentauscherharzprodukt und
auf der Oberfläche
des Ionentauscherharzproduktes ausgebildete und voneinander isolierte
Metallelektroden umfasst, wobei das Stellglied durch Anlegen einer
Potentialdifferenz zwischen den Metallelektroden als Stellglied
wirkt, wenn das Ionentauscherharzprodukt im wasserhaltigen Zustand
ist, wobei das Ionentauscherharzprodukt eine Krümmung oder Deformation erfährt, bei
dem man die folgenden Schritte (i) bis (iii) mehrfach durchführt, um
von der Oberfläche des
Ionentauscherharzprodukts in das Innere davon reichende Metallelektroden
auszubilden;
- (i) einen Schritt, bei dem man
das Ionentauscherharzprodukt einen Metallkomplex in wässriger
Lösung
adsorbieren lässt
(Adsorptionsschritt),
- (ii) einen Schritt, bei dem man den adsorbierten Metallkomplex
auf dem Ionentauscherharzprodukt mit einem Reduktionsmittel reduziert,
um auf der Oberfläche
des Ionentauscherharzprodukts ein Metall abzuscheiden (Abscheidungsschritt),
wobei die Reduktion durch Eintauchen des Ionentauscherharzprodukts
mit dem darauf adsorbierten Metallkomplex in eine ein Reduktionsmittel
enthaltende wässrige
Lösung
erfolgt, und
- (iii) einen Schritt, bei dem man das Ionentauscherharzprodukt
mit dem abgeschiedenen Metall wäscht (Waschschritt).
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Mittels
des Verfahrens zur Ausbildung von Metallelektroden über die
vorstehenden Schritte erstreckt sich die Metallabscheidung weiter
in das Innere des Ionentauscherharzprodukts, um die Kontaktfläche zwischen
dem Ionentauscherharzprodukt und den Metallelektroden zu vergrößern, wodurch
die Anzahl der elektrodenaktiven Stellen erhöht und so die Zahl der Ionen
vergrößert wird,
die zu einer negativen Elektrode wandern. In dem poly meren Stellglied
wandern Wassermoleküle,
die die Ionen begleiten, zu einer negativen Elektrode, so dass sich
der Wassergehalt in der Umgebung dieser Elektrode vergrößert, wodurch
sich die Seite der negativen Elektrode des Harzproduktes ausdehnt,
während
der Wassergehalt in der Umgebung der positiven Elektrode abnimmt,
wodurch sich die Seite der positiven Elektrode des Harzprodukts
zusammenzieht. Wenn daher die Zahl der Ionen, die zu einer Elektrode
wandern, vergrößert wird,
vergrößert sich
auch die Zahl der Wassermoleküle,
die zusammen mit den Ionen zu der Elektrode wandern. Im Ergebnis
wird der Unterschied im Wassergehalt zwischen der Umgebung der negativen
Elektrode und der Umgebung der positiven Elektrode größer und
der Grad des Verbiegens (Deformation), d. h. der Grad der Auslenkung,
erhöht
sich. Da außerdem die
Dicke der Metallelektrode erhöht
wird, verringert sich der Oberflächenwiderstand
der Elektrode, wodurch die Leitfähigkeit
der Elektrode ansteigt.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann man daher ein polymeres Stellglied mit einfachem Aufbau erhalten,
das leicht miniaturisiert werden kann, ein rasches Ansprechen zeigt
und eine große
Auslenkung erzeugen kann.
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Das
erfindungsgemäße polymere
Stellglied umfasst ein Ionentauscherharzprodukt und auf der Oberfläche des
Ionentauscherharzproduktes, welches ein Alkylammoniumion als Gegenion
enthält,
ausgebildete und voneinander isolierte Elektroden, wobei das Stellglied
durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Metallelektroden
als Stellglied wirkt, wenn das Ionentauscherharzprodukt im wasserhaltigen
Zustand ist, wobei das Ionentauscherharzprodukt eine Krümmung oder
Deformation erfährt.
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Im
erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied sind die Gegenionen des Ionentauscherharzprodukts durch
spezielle Alkylammoniumionen ausgetauscht, wodurch sich auch unter
Anlegen einer hohen Spannung kaum Bläschen bilden, im Unterschied
zu herkömmlichen
Ionentauscherharzen, deren Gegenionen Na+ oder H+ ist. Im polymeren Stellglied wandern Wassermoleküle, die
die Ionen begleiten, im Allgemeinen zu einer Elektrode, wodurch
sich der Wassergehalt in der Umgebung der Elektrode erhöht. Im Ergebnis
quillt diese Elektrodenseite des Harzproduktes und vergrößert sich,
während
der Wassergehalt in der Umgebung der Gegenelektrode abnimmt und
sich dadurch die Gegenelektrodenseite des Harzprodukts zusammenzieht.
Wenn man daher die Gegenionen durch die Alkylammoniumionen austauscht,
wird der Unterschied im Wassergehalt zwischen den Elektroden größer und
der Grad des Verbiegens (Deformation), d. h. der Grad der Auslenkung, kann
erhöht
werden.
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Vorzugsweise
verwendet man als Alkylammoniumion ein Alkylammoniumion der folgenden
Formel (1). Bei Verwendung dieser Ionen wird der Unterschied im
Wassergehalt zwischen den Elektroden sehr viel größer und
der Grad des Verbiegens (Deformation), d. h. der Grad der Auslenkung,
kann erhöht
werden.
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In
der vorstehenden Formel können
R1 bis R4 gleich
oder verschieden sein und stehen jeweils für ein Wasserstoffatom, eine
Kohlenwasserstoffgruppe, eine sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffgruppe
oder eine stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffgruppe, wobei wenigstens
einer der Reste R1 bis R4 eine
von einem Wasserstoffatom verschiedene Gruppe ist, und zwei oder
mehrere der Reste R1 bis R4 unter
Ausbildung eines Rings miteinander verbunden sein können.
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Im
erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied entspricht das Alkylammoniumion vorzugsweise der vorstehenden
Formel (1) und es ist besonders bevorzugt, dass es sich bei dem
Alkylammoniumion handelt um CH
3N
+H
3, C
2H
5N
+H
3,
(CH
3)
2N
+H
2, (C
2H
5)
2N
+H
2,
(C
4H
9)
2N
+H
2, (C
5H
11)
2N
+H
2, (CH
3)
3N
+H, (C
2H
5)
3N
+H, (C
4H
9)
3N
+H, (C
5H
11)
3N
+H, (CH
3)4N
+, (C
2H
5)
4N
+, (C
3H
7)
4N
+,
(C
4H
9)
4N
+, H
3N
+(CH
2)
4N
+H
3, H
2C=CHCH
2N
+HCH
3, H
3N
+(CH
2)
4N
+H
2(CH
2)
4N
+H
3, HC≡CCH
2N
+H
2,
CH
3CH(OH)CH
2N
+H
3, H
3N
+(CH
2)
5OH,
H
3N
+CH(CH
2OH)
2, (HOCH
2)
2C(CH
2N
+H
3)
2,
C
2H
5OCH
2CH
2N
+H
3,
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Am
meisten bevorzugt handelt es sich beim Alkylammoniumion um (C4H9)3N+H, (C5H11)3N+H, (C3H7)4N+ oder
(C4H9)4N+.
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Das
erfindungsgemäße Stellglied
weist einen einfachen Aufbau auf und kann leicht miniaturisiert
werden. Ferner kann auch beim Erhöhen der Spannung die von der
Elektrolyse des im Harzproduktes vorliegenden Wassers verursachte
Bildung von Bläschen
gehemmt werden. Außerdem
zeigt das polymere Stellglied ein rasches Ansprechen und kann große Auslenkungen
erzeugen.
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Zu
den beigefügten
Zeichnungen:
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1 ist
ein schematischer Schnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen polymeren
Stellglieds ohne angelegte Spannung.
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2A ist
ein schematischer Schnitt, der ein bevorzugtes Verhältnis zwischen
der Dicke einer Elektrode und der Dicke eines Harzproduktes zeigt.
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Die 2B bis 2D sind
jeweils eine schematische perspektivische Ansicht eines Abschnitts,
die das bevorzugte Verhältnis
zwischen der Dicke einer Elektrode und der Dicke eines Harzprodukts
in anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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3 ist
ein schematischer Schnitt, der das polymere Stellglied nach 1 bei
angelegter Spannung zeigt.
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4 ist
ein schematischer Schnitt, der eine Ausführungsform der Anwendung des
polymeren Stellglieds zeigt.
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5 ist
ein schematischer Schnitt, der eine Bewegung des Stellglieds in
der Anwendung gemäß 4 illustriert.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen polymeren
Stellglieds zeigt.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die ein Prinzip zur Messung des Grads
der Auslenkung in dem Beispiel 1 bis 21 und den Vergleichsbeispielen
1 und 2 veranschaulicht.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
im Einzelnen beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung eines polymeren
Stellglieds, das ein Ionentauscherharzprodukt und auf der Oberfläche des
Ionentauscherharzproduktes ausgebildete und voneinander isolierte
Metallelektroden umfasst, wobei das polymere Stellglied durch Anlegen
einer Potentialdifferenz zwischen den Metallelektroden als Stellglied
wirkt, wenn das Ionentauscherharzprodukt im wasserhaltigen Zustand
ist, wobei das Ionentauscherharzprodukt eine Krümmung oder Deformation erfährt, und
eines Verfahrens zu dessen Herstellung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2A wird
zunächst
ein polymeres Stellglied konkret beschrieben, auf das die vorliegende
Erfindung anwendbar ist.
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1 ist
ein schematischer Schnitt einer Ausführungsform des polymeren Stellglieds,
auf das die vorliegende Erfindung anwendbar ist. 2A ist
ein schematischer Schnitt, der eine bevorzugte Beziehung zwischen
der Dicke einer Elektrode und der Dicke eines Harzproduktes zeigt.
Wie in den 1 und 2A gezeigt,
umfasst das polymere Stellglied 1 der Ausführungsform
ein Ionentauscherharzprodukt 2 in Form einer schmalen rechteckigen
flachen Platte (oder eines Films) und Elektroden 3a, 3b,
die auf den entsprechenden Oberflächen des Ionentauscherharzprodukts
ausgebildet und voneinander isoliert sind. Dieses polymere Stellglied 1 ist
so konstruiert, dass das Ionentauscherharzprodukt durch Anlegen
einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 3a, 3b gebogen
oder deformiert wird, wenn das Ionentauscherharzprodukt 2 im
wasserhaltigen Zustand ist.
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Wie
in 1 gezeigt, sind die Elektroden 3a, 3b jeweils
mit einem Ende eines Paars von Anschlussdrähten 4a, 4b elektrisch
verbunden und die anderen Enden der Anschlussdrähte 4a, 4b sind
mit einer Spannungsquelle 5 verbunden.
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Die
Form des Ionentauscherharzprodukts 2 ist nicht auf eine
rechteckige flache Platte oder Film beschränkt und das Harzprodukt kann
in Form eines Films, einer Säule
oder, wie in den 2B bis 2D oder 6 gezeigt,
eines Zylinders vorliegen.
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Beispiele
der Ionentauscherharze zur Ausbildung des Ionentauscherharzprodukts 2 umfassen
Kationtauscherharze und amphotere Ionentauscherharze. Davon werden
Kationtauscherharze bevorzugt eingesetzt, weil sie den Grad der
Auslenkung des polymeren Stellglieds vergrößern können.
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Die
vorliegend einsetzbaren Kationtauscherharze sind z. B. solche, worin
funktionelle Gruppen, wie die Sulfonsäuregruppe und Carboxylgruppe
in Polyethylen, Polystyrol oder Fluorharze eingeführt sind.
Insbesondere sind Kationtauscherharze bevorzugt, worin funktionelle
Gruppen, wie die Sulfonsäuregruppe
und Carboxylgruppe, in Fluorharze eingeführt sind.
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Es
ist wünschenswert,
dass das Kationtauscherharz eine Ionentauschkapazität von 0,8
bis 3,0 meq/g, vorzugsweise 1,4 bis 2,0 meq/g, aufweist. Wenn man
ein Kationtauscherharz mit dieser Ionentauschkapazität einsetzt,
kann der Grad der Auslenkung des polymeren Stellglieds weiter vergrößert werden.
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In
der vorliegenden Erfindung zählen
zu den Beispielen der Metalle zum Aufbau der Elektroden 3a, 3b Gold,
Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium.
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Die
Dicke der auf der Oberfläche
des Ionentauscherharzprodukts ausgebildeten Elektroden kann gegebenenfalls
gemäß der Gestalt
oder dem Material des Ionentauscher harzprodukts und der Elektroden
oder der Positionen, an denen die Elektroden ausgebildet sind, bestimmt
werden.
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Wenn
z. B. das verwendete Ionentauscherharzprodukt in Form einer Platte
oder eines Films vorliegt, wie in der 2A gezeigt,
hat die auf jeder Oberfläche
des Ionentauscherharzprodukts ausgebildeten Elektrode vorzugsweise
eine solche Dicke, dass das Verhältnis
der Dicke a1 der auf dem Ionentauscherharzprodukt ausgebildeten
Metallelektrode zur Dicke b1 des Ionentauscherharzprodukts
einschließlich
der Metallelektroden (a1/b1)
im Bereich von 0,03 bis 0,40, vorzugsweise 0,15 bis 0,30, liegt.
Wenn sich das Verhältnis
a1/b1 in diesem Bereich
befindet, kann man ein polymeres Stellglied erhalten, das eine große Auslenkung
erzeugt und einen niedrigen Oberflächenwiderstand aufweist.
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Wenn
das Ionentauscherharzprodukt in der vorliegenden Erfindung in der
Form eines Zylinders (2B) vorliegt, kann man die Metallelektroden
an der äußeren Oberfläche des
Zylinders, seiner inneren Oberfläche
(2C) oder sowohl auf der äußeren und der inneren Oberfläche (2D)
ausbilden. In diesen Fällen
kann das Verhältnis
zwischen der Dicke des Ionentauscherharzprodukts und der Elektrode
ebenfalls optional bestimmt werden.
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Im
Fall des polymeren Stellglieds 40 gemäß 2B, bei
dem die Metallelektroden 43 auf der äußeren Oberfläche des
zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 41 ausgebildet
sind, liegt das Verhältnis
der Dicke a2 der Metallelektrode 43 zur
Dicke b2 des zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 41 einschließlich der
Metallelektroden 43 (a2/b2) vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,70,
vorzugsweise 0,30 bis 0,50. Wenn das Verhältnis a2/b2 in diesem Bereich liegt, kann man ein polymeres
Stellglied erhalten, das eine große Auslenkung erzeugen kann
und einen niedrigen Oberflächenwiderstand
aufweist.
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Im
Fall des polymeren Stellglieds 50 gemäß 2C, bei
dem die Metallelektroden 55 auf der inneren Oberfläche des
zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 51 ausgebildet
sind, beträgt
das Verhältnis
der Dicke a3 der Metallelektrode 55 zur
Dicke b3 des zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 51 einschließlich der
Metallelektrode 55 (a3/b3) vorzugsweise im Bereich von 0,02 bis 0,70,
vorzugsweise 0,30 bis 0,50. Wenn das Verhältnis a3/b3 in diesem Bereich liegt, kann man ein polymeres
Stellglied erhalten, das eine große Auslenkung erzeugen kann
und einen niedrigen Oberflächenwiderstand
aufweist.
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Im
Fall des polymeren Stellglieds 60 gemäß 2D, bei
dem die Metallelektroden 63, 65 sowohl an den äußeren als
auch inneren Oberflächen
des zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 61 ausgebildet
sind, liegt das Verhältnis
der Dicke C des zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 61 ausschließlich der
Metallelektroden 63, 65 zur Dicke b4 des
zylindrischen Ionentauscherharzprodukts 61 einschließlich der
Metallelektroden 63, 65 (C/b4) vorzugsweise im
Bereich von 0,20 bis 0,95, vorzugsweise 0,45 bis 0,70. Ferner liegt
das Verhältnis
a4 der Metallelektrode 63, die
auf der äußeren Oberfläche des
zylindrischen Harzprodukts 61 ausgebildet ist, zur Dicke
a5 der Metallelektrode 65, die
auf der inneren Oberfläche
des zylindrischen Harzprodukts 61 ausgebildet ist (a4/a5) vorzugsweise
im Bereich von 0,05 bis 20,0, vorzugsweise im Bereich von 0,50 bis 2,00.
Falls das Verhältnis
C/b4 und das Verhältnis
a4/a5 in diesen
Bereichen liegen, kann man ein polymeres Stellglied erhalten, das
eine große
Auslenkung erzeugen kann und einen niedrigen Oberflächenwiderstand aufweist.
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Beim
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Stellglieder werden die
vorstehend beschriebenen Elektroden nach dem folgenden Verfahren
hergestellt.
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Das
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen polymeren Stellglieds umfasst
nämlich
die folgenden Schritte:
- (i) einen Schritt,
bei dem man das Ionentauscherharzprodukt einen Metallkomplex in
wässriger
Lösung
adsorbieren lässt
(Adsorptionsschritt),
- (ii) einen Schritt, bei dem man den adsorbierten Metallkomplex
auf dem Ionentauscherharzprodukt mit einem Reduktionsmittel reduziert,
um auf der Oberfläche
des Ionentauscherharzprodukts ein Metall abzuscheiden (Abscheidungsschritt),
und
- (iii) einen Schritt, bei dem man das Ionentauscherharzprodukt
mit dem abgeschiedenen Metall wäscht (Waschschritt).
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Beispiele
für Metallkomplexe,
die im erfindungsgemäßen Verfahren
einsetzbar sind, umfassen einen Goldkomplex, Platinkomplex, Palladiumkomplex,
Rhodiumkomplex und Rutheniumkomplex. Davon sind der Goldkomplex
und Platinkomplex bevorzugt und der Goldkomplex ist besonders bevorzugt,
weil die vom polymeren Stellglied erzeugte Auslenkung vergrößert werden
kann.
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Die
Adsorption des Metallkomplexes an das Ionentauscherharzprodukt erfolgt,
indem man das Ionentauscherharzprodukt in eine wässrige Lösung eintaucht, die den Metallkomplex
enthält.
Vor der Ausbildung der Metallelektrode kann man das Ionentauscherharzprodukt
einer der folgenden Behandlungen unterziehen. Jede der Behandlungen
kann einzeln oder in Kombination erfolgen.
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(1) Wasserbehandlung
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Das
Ionentauscherharzprodukt wird in heißem Wasser gekocht.
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(2) Salzsäure-Behandlung
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Das
Ionentauscherharzprodukt wird in verdünnter Salzsäure von etwa 25 Vol.-% gehalten.
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(3) NaOH-Behandlung
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Das
Ionentauscherharzprodukt wird in einer wässrigen Natriumhydroxidlösung von
etwa 0,1 N gehalten.
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(4) Alkohol-Behandlung
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Das
Ionentauscherharzprodukt wird in einen Alkohol eingetaucht, wie
Methanol oder Ethanol.
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(5) Autoklavenbehandlung
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Das
Ionentauscherharzprodukt wird bei einer Temperatur von 110 bis 150°C in einem
Autoklaven erwärmt.
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Die
Reduktion des Metallkomplexes erfolgt, indem man das Ionentauscherharzprodukt
mit dem darauf absorbierten Metallkomplex in eine wässrige Lösung eintaucht,
die ein Reduktionsmittel enthält.
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Als
Reduktionsmittel sind Natriumsulfit, Hydrazin, Kaliumborhydrid oder
dgl. verwendbar, obgleich das verwendete Reduktionsmittel in Abhängigkeit
von der Art des verwendeten Metallkomplexes variiert. Während der
Reduktion des Metallkomplexes kann man gegebenenfalls eine Säure oder
Alkali zusetzen.
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Die
vorstehenden Schritte (i) bis (iii) können wiederholt durchgeführt werden,
um die Metallelektroden auf der Oberfläche des Ionentauscherharzproduktes
und weiter ins Innere des Harzproduktes auszubilden.
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Die
Anzahl der Zyklen der vorstehenden Schritte liegt vorzugsweise im
Bereich von 1 bis 20, insbesondere 4 bis 9. Der Ausdruck „Zahl der
Zyklen" bedeutet
die Zahl der Metallkomplexadsorptions-/-reduktionsvorgänge, die
man am Metallfilm durchführt,
der ursprünglich
dadurch ausgebildet wurde, dass man das Ionentauscherharzprodukt
einen Metallkomplex adsorbieren ließ und den Metallkomplex reduzierte.
Die Zahl der Zyklen beträgt
vorzugsweise höchstens
20, weil der Effekt der Erhöhung
des Auslenkungsgrades sich kaum einstellt, wenn die Zahl der Zyklen
mehr als 20 beträgt.
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Bei
der Reduktion des auf dem Ionentauscherharzprodukt adsorbierten
Metallkomplexes wird der Metallkomplex mit dem Reduktionsmittel
in Kontakt gebracht, um ein Metall auf der Oberfläche des
Ionentauscherharzprodukts abzuscheiden. Anschließend bewegt sich der Metallkomplex
im Inneren des Films in der Umgebung der Filmoberfläche (zum
abgeschiedenen Metall) und wird dann unter Abscheidung eines Metalls reduziert.
D. h., das Kristallwachstum eines Metalls schreitet von der Oberfläche des
Ionentauscherharzprodukts zu dessen Inneren fort. Daher erfolgt
die Abscheidung des Metalls nicht nur an der Oberfläche des
Ionentauscherharzproduktes, sondern auch im Inneren nahe der Oberfläche. Im
Ergebnis wird die Kontaktfläche zwischen
dem Ionentauscherharzprodukt und der Metallelektrode größer als
bei einem herkömmlichen
Verfahren der chemischen Plattierung. Dem zufolge schreitet durch
die Wiederholung des erfindungsgemäßen Adsorptionsabscheidungsverfahrens
die Metallabscheidung weiter in das Innere des Ionentauscherharzproduktes,
wodurch die Kontaktfläche
zwischen dem Ionentauscherharzprodukt und der Metallelektrode weiter
vergrößert wird.
Mit zunehmender Kontaktfläche
vergrößert sich
die Zahl der elektrodenaktiven Punkte und die Zahl der zur Elektrode
wandernden Ionen wird ebenfalls vergrößert. Folglich wird der Unterschied
im Wassergehalt zwischen den Elektroden sehr viel größer und
im Ergebnis vergrößert sich
der Grad des Verbiegens (Deformation), d. h. der Grad der Auslenkung.
Darüber
hinaus verringert sich aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche zwischen
dem Ionentauscherharzprodukt und der Metallelektrode der Oberflächenwiderstand
der Elektrode, wodurch sich die Leitfähigkeit der Elektrode steigert
und der Grad der Auslenkung vergrößert wird.
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Wenn
die Metallelektroden durch weiteres Wiederholen der vorstehenden
Schritte (i) bis (iii) ausgebildet werden, kann der Grad der Auslenkung
des Elements wesentlich größer gemacht
werden als diejenige herkömmlicher
polymerer Stellglieder.
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Anschließend unterzieht
man das Ionentauscherharzprodukt mit den durch Reduktion eines Metallkomplexes
ausgebildeten Elektroden einem Waschschritt, um den nicht umgesetzten
Metallkomplex und das Reduktionsmittel zu entfernen.
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Zu
den Beispielen für
die vorzugsweise verwendeten Waschflüssigkeiten zählen Wasser,
wässrige Natriumhydroxidlösung, wässrige Schwefelsäurelösung und
wässrige
Salzsäurelösung. Unter
Verwendung dieser Waschflüssigkeiten
kann man den nicht umgesetzten Metallkomplex und das Reduktionsmittel
wirksam entfernen. Bei Verwendung dieser Waschflüssigkeiten ist es bevorzugt,
dass die Konzentration der wässrigen Natriumhydroxidlösung im
Bereich von 0,01 bis 5,0 Mol/l, vorzugsweise 0,1 bis 1 Mol/l liegt;
die Konzentration der wässrigen
Schwefelsäurelösung im
Bereich von 0,01 bis 6 Mol/l, vorzugsweise 0,1 bis 6 Mol/l liegt,
und die Konzentration der wässrigen
Salzsäurelösung im
Bereich von 0,01 bis 6 Mol/l, vorzugsweise 0,1 bis 3 Mol/l liegt.
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Vor
der Ausbildung der Metallelektroden durch die vorstehenden Schritte
kann man das Ionentauscherharzprodukt einer Oberflächenanraubehandlung
unterziehen. Zu den Beispielen für
die Oberflächenanraubehandlungen
zählen
eine Sandstrahlbehandlung und eine Sandpapierbehandlung. Die Oberfläche des
Ionentauscherharzprodukts wird so weit angeraut, dass nur eine oberflächliche
Schicht des Harzproduktes abgetragen wird.
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Aufgrund
der Anraubehandlung vergrößert sich
die Kontaktfläche
zwischen der Oberfläche
des Ionentauscherharzprodukts und der darauf ausgebildeten Elektrode;
daher kann die Auslenkung des polymeren Stellglieds vergrößert werden.
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Wenn
das Ionentauscherharzprodukt in Form eines Films vorliegt, kann
man die Isolierung der vorstehend ausgebildeten Elektrode erreichen,
indem man Kanten des Harzprodukts mit der darauf befindlichen Elektrode
schneidet. Wenn das Ionentauscherharzprodukt in Form eines Zylinders
oder einer Säule
vorliegt, kann die Isolierung zwischen den Elektroden durch Bestrahlen
des Harzprodukts mit der darauf befindlichen Metallelektrode mit
einem Laserstrahl erreicht werden, wobei man einen Teil der Metallelektrode
entfernt und so isolierende Zonen zwischen den Elektroden erzeugt.
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Nach
der Ausbildung der Elektroden auf dem Ionentauscherharzprodukt kann
man das Harzprodukt den vorstehend erwähnten Behandlungen (1) bis
(5) unterziehen.
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Auf
den so ausgebildeten Elektroden kann man eine zusätzliche
Elektrodenschicht ausbilden. Die zusätzliche Elektrodenschicht kann
durch chemisches Plattieren, Elektroplattieren, Vakuumabscheidung,
Bedampfen, Beschichten, Pressbonding, Schweißen oder dgl. ausgebildet werden.
Das Material der zusätzlichen Elektrodenschicht
kann das gleiche wie das der auf der Oberfläche und dem Inneren des Ionentauscherharzprodukts
ausgebildeten Elektroden sein oder davon verschieden sein. Durch
Ausbildung der weiteren Elektrodenschicht kann die Auslenkung des
polymeren Stellglieds weiter vergrößert werden.
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Weil
das durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellte polymere Stellglied den Grad der Auslenkungen nach
dem vorstehenden Prinzip vergrößern kann,
sind die Gegenionen des Ionentauscherharzprodukts keinen besonderen
Beschränkungen
unterworfen; es kann sich um Na+- oder H+- oder Alkylammoniumionen handeln, wie sie
im erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied verwendet werden. In dem polymeren Stellglied ist es
jedoch besonders bevorzugt, dass die im Ionentauscherharzprodukt
enthaltenen Gegenionen Alkylammoniumionen sind, aus den nachstehend
beschriebenen Gründen.
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Das
erfindungsgemäße polymere
Stellglied umfasst ein Ionentauscherharzprodukt, das als Gegenion ein
Alkylammoniumion enthält,
auf der Oberfläche
des Ionentauscherharzproduktes ausgebildete und voneinander isolierte
Elektroden.
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Das
erfindungsgemäße polymere
Stellglied kann hergestellt werden, indem man das Ionentauscherharzprodukt,
das auf seiner Oberfläche
voneinander isolierte Metallelektroden aufweist, in eine wässrige Lösung eintaucht,
die Alkylammoniumionen enthält,
um die Gegenionen durch die Alkylammoniumionen auszutauschen. Im
erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied wird im Allgemeinen eine wässrige Lösung eines Alkylammoniumsalzes,
wie Chlorid, Dioxid Bromid oder Jodid, des Alkylammoniums zum Austausch
der Gegenionen verwendet.
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In
der wässrigen
Lösung
ist das Alkylammoniumsalz in gleicher oder größerer Menge enthalten, als die
der funktionellen Gruppen des Ionentauscherharzes, d. h. die Konzentrati on
des Alkylammoniumsalzes liegt im Bereich von 0,01 bis 10 Mol/l,
vorzugsweise 0,1 bis 1,0 Mol/l.
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Es
ist bevorzugt, dass die Alkylammoniumionen Alkylammoniumionen der
nachstehenden Formel (1) enthalten. Es ist außerdem bevorzugt, dass die
Alkylammoniumionen Alkylammoniumionen der folgenden Formel (1) sind.
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-
In
der vorstehenden Formel können
R1 bis R4 gleich
oder verschieden sein und jeweils für ein Wasserstoffatom, eine
Kohlenwasserstoffgruppe, eine sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffgruppe
oder eine stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffgruppe stehen, wobei
wenigstens einer der Reste R1 bis R4 für
ein von einem Wasserstoffatom verschiedene Gruppe steht, und zwei
oder mehrere Reste R1 bis R4 unter
Ausbildung eines Rings verbunden sein können.
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Als
Alkylammoniumionen der Formel (1) sind bevorzugt CH
3N
+H
3, C
2H
5N
+H
3,
(CH
3)
2N
+H
2, (C
2H
5)
2N
+H
2, (CH
3)
3N
+H,
(C
2H
5)
3N
+H, (CH
3)
4N
+, (C
2H
5)
4N
+,
(C
3H
7)4N
+, (C
4H
9)
4N
+, H
3N
+(CH
2)
4N
+H
3, H
2C=CHCH
2N
+HCH
3, H
3N
+(CH
2)
4N
+H
2(CH
2)
4N
+H
3, HC≡CCH
2N
+H
2,
CH
3CH(OH)CH
2N
+H
3, H
3N
+(CH
2)
5OH,
H
3N
+CH(CH
2OH)
2, (HOCH
2)
2C(CH
2N
+H
3)
2,
C
2H
5OCH
2CH
2N
+H
3.
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Starker
bevorzugt sind (C4H9)3N+H, (C5H11)3N+H,
(C3H7)4N+ und (C4H9)4N+.
Diese Alkylammoniumionen können
einzeln oder in Kombination zweier oder mehrer Arten eingesetzt
werden.
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Beim
erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied unterliegt das Verfahren zur Ausbildung der Metallelektroden
keinen Einschränkungen
und sie können
z. B. durch beliebige herkömmliche
Verfahren ausgebildet werden.
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Damit
das erfindungsgemäße polymere
Stellglied und das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
funktionieren, muss das Ionentauscherharzprodukt im wasserhaltigen
Zustand vorliegen. Der vorliegend verwendete Ausdruck „wasserhaltige
Zustand” bedeutet,
dass Gegenionen entsprechend einer Potentialdifferenz wandern können, weil
das Ionentauscherharzprodukt Wasser enthält. In der vorliegenden Erfindung
kann das polymere Stellglied auch in Wasser oder einer Atmosphäre hoher
Feuchtigkeit arbeiten, mit der Maßgabe, dass es in einem derartigen
wasserhaltigen Zustand vorliegt.
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Im
Folgenden wird das Funktionsprinzip des polymeren Stellglieds mit
Bezug auf 3 näher beschrieben.
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Wenn,
wie in 3 gezeigt, über
die voneinander isolierten Metallelektroden 3a, 3b eine
Potentialdifferenz an die Oberflächen
des Ionentauscherharzprodukts 2 angelegt wird, wandern
positive Ionen 6 zur Kathodenseite (Elektrode 3a in 3)
im Ionentauscherharzprodukt 2, und die die positiven Ionen 6 begleitenden Wassermoleküle wandern
ebenfalls im Harzprodukt 2. Im Ergebnis erhöht sich
der Wassergehalt in der Umgebung der Kathode (Elektrode 3a),
wobei die Kathodenseite des Harzprodukts 2 quillt und sich
ausdehnt, wenn der Wassergehalt in der Umgebung der Anode (entgegengesetzte
Seite, Elektrode 3b in 3) abnimmt,
wobei sich die Anodenseite des Harzprodukts 2 zusammenzieht.
Aufgrund des Unterschieds im Wassergehalt zwischen den Elektroden 3a, 3b verbiegt
sich daher das Ionentauscherharzprodukt 2.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied die Wassermoleküle
zusammen mit den Ionen wandern und Ionen mit einem großen Ionenradius,
wie Alkylammoniumionen, als wandernde Ionen verwendet werden, wird
der Unterschied im Wassergehalt zwischen den Elektroden weiter erhöht und im
Ergebnis erhöht sich
der Grad des Verbiegens (Deformation), d. h. der Grad der Auslenkung.
Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße polymere Stellglied im Vergleich
zu herkömmlichen
polymeren Stellgliedern eine größere Auslenkung
erzeugt. Im erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied, das Alkylammoniumionen enthält, wird das im Ionentauscherharzprodukt
enthaltene Wasser kaum elektrolysiert, auch wenn eine hohe Spannung
angelegt wird, und die Entstehung von Bläschen kann daher gehemmt werden,
im Unterschied zu herkömmlichen
polymeren Stellgliedern, worin Na+- oder H+-Ionen enthalten sind. Man kann daher eine
höhere
Spannung als die an herkömmliche
polymere Stellglieder angelegte an das erfindungsgemäße polymere
Stellglied anlegen und so kann das Ansprechen des polymeren Stellglieds
verbessert werden.
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Wenn
eine Gleichspannung von 0,1 bis 3 V zwischen den Elektroden des
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten polymeren Stellglieds angelegt wird, kann das polymere
Stellglied eine Auslenkung innerhalb weniger Sekunden erreichen,
die etwa 0,5 bis 3 Mal so groß ist
wie das Element. Beim Anlegen einer Gleichspannung von 0,1 bis 4
V zwischen die Elektroden des erfindungsgemäßen polymeren Stellglieds kann
das polymere Stellglied eine Auslenkung innerhalb weniger Sekunden
erreichen, die etwa 1 bis 3 Mal so groß ist wie das Element. Außerdem kann
das polymere Stellglied in Wasser eine flexible Bewegung erfahren.
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Eine
Ausführungsform
einer Anwendung des vorstehend beschriebenen polymeren Stellglieds
ist als Richtlinie in den 4 und 5 gezeigt.
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Bei
dieser Anwendung besteht ein Führungsdraht 11 als
Führung
aus einem linearen Glied 12 z. B. aus einem schmalen Rohr
aus synthetischem Harz oder einem schmalen Rohr aus Edelstahl und
einem mit der Spitze des linearen Glieds 12 verbundenen
polymeren Stellglied 13.
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Das
Stellglied 13 umfasst ein Ionentauscherharzprodukt 14 in
Form einer schmalen rechteckigen flachen Platte und ein Elektrodenpaar 15a, 15b,
die an beiden Oberflächen
des Harzproduktes angeordnet sind und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgebildet sein können.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen die Elektroden 15a, 15b wird
das polymere Stellglied 13 in zwei Richtungen gebogen.
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An
die Elektroden 15a, 15b ist jeweils ein Ende eines
Paars von Anschlussdrähten 16a, 16b elektrisch angeschlossen.
Die Anschlussdrähte 16a, 16b verlaufen
im Inneren des linearen Gliedes 12 und die anderen Enden
der Anschlussdrähte 16a, 16b sind
an einen Bedienungsregler 17 angeschlossen.
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Der
Bedienregler 17 ist mit einem schaltbaren Bedienhebel 18 ausgerüstet. Durch
Bedienen des Hebels 18 kann man die Richtung des Stroms
einer Stromquelle 20 in die Anschlussdrähte 16a, 16b mittels
des zweipoligen Wechselschalters 19 schalten, der im Inneren
des Bedienreglers 17 eingebaut ist.
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Wenn
der zweipolige Umschalter 19 sich in der in 5 durch
die durchgezogene Linie angegebenen Stellung befindet, ist ein Anschlussdraht 16a mit
einer positiven Elektrode 15a und der andere Anschlussdraht 16b mit
einer negativen Elektrode 15b verbunden, wodurch das Stellglied 13 gebogen
wird, wie durch die gestrichelten Linien in 5 angegeben.
Wenn der zweipolige Umschalter 19 durch den Bedienhebel 18 des
Bedienreglers 17 über
eine neutrale Stellung in die durch die gestrichelte Linie in 5 angezeigte
Stellung geschaltet wird, wird der Anschlussdraht 16a mit
einer negativen Elektrode 15b und der Anschlussdraht 16b mit einer
positiven Elektrode 15a verbunden, wodurch das Stellglied 13 in
umgekehrter Richtung in die Position gebogen wird, die in 5 durch
die doppelt gepunktete Linie angedeutet ist.
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Somit
kann man das polymere Stellglied 13 durch die Umschaltoperation
zwischen der Anode und der Kathode beliebig und zwangsweise deformieren.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer Anwendung des vorstehend beschriebenen polymeren Stellglieds ist
ein zylindrisches polymeres Stellglied 40, das in 6 dargestellt
ist.
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Zur
Herstellung des zylindrischen polymeren Stellglieds nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
bildet man Metallelektroden in folgender Weise aus. Zuerst wird
nach dem vorstehenden Verfahren ein Metallkomplex an ein Ionentauscherharzprodukt 41 adsorbiert
und mit einem Reduktionsmittel reduziert, um ein Metall auf der
Oberfläche
des Ionentauscherharzproduktes 41 abzuscheiden. Der Metallkomplexadsorptions-/-reduktionsvorgang
und der Metallabscheidevorgang werden wiederholt, um das abgeschiedene
Metall wachsen zu lassen, wobei sich eine Metallschicht bildet,
die von der Oberfläche
des Ionentauscherharzproduktes 41 in dessen Inneres reicht.
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Anschließend wird
das zylindrische Ionentauscherharzprodukt 41, das an seiner äußeren Oberfläche mit
einer Metallschicht versehen ist, mit einem Laserstrahl einer Laserstrahlmaschine
bestrahlt, um die bestrahlte Metallschicht zu entfernen, wodurch
isolierende Zonen 42 in Form einer Nut und Metallelektroden 43a, 43b, 43c, 43d gebildet
werden die elektrisch voneinander durch die Zonen 42 isoliert
sind.
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In
dem in 6 gezeigten polymeren Stellglied sind an den Metallelektroden 43a, 43b, 43c und 43d die
einen Enden von Anschlussdrähten 44a, 44b, 44c und 44d elektrisch
angeschlossen. Dieses polymere Stellglied kann sich in vier Richtungen
biegen, indem man zwischen die am Ionentauscherharzprodukt 41 einander
gegenüberliegenden
Elektroden 43a und 43c und zwischen die am Ionentauscherharzprodukt 41 einander
gegenüberliegenden
Elektroden 43b und 43d eine Spannung anlegt. Das
polymere Stellglied kann auch eine Rotation erfahren, indem man
die Biegerichtungen kombiniert.
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Die
vorstehend angesprochenen Metallelektroden können an der inneren Oberfläche des
Ionentauscherharzprodukts ausgebildet sein oder sowohl an den inneren
als auch äußeren Oberflächen des
Harzproduktes ausgebildet sein.
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Da
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung des polymeren Stellglieds eine Metallelektrode durch
Wiederholen der vorstehend beschriebenen spezifischen Schritte ausgebildet
wird, kann die Kontaktfläche
zwischen dem Ionentauscherharzprodukt und der Metallelektrode vergrößert werden,
wobei sich die Zahl der zur Elektrode wandernden Ionen vergrößert und
die Dicke der Metallelektroden vergrößert werden kann, um den Oberflächenwiderstand
der Elektroden zu verringern, wodurch sich ihre Leitfähigkeit
verbessert. Daher weist das zu erhaltene polymere Stellglied einen
hohen Grad der Verbiegung (Deformation), d. h. Grad der Auslenkung
auf, und zeigt ein rasches Ansprechen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann man daher ein polymeres Stellglied mit einfachem Aufbau erhalten,
das miniaturisiert werden kann, ein rasches Ansprechen zeigt, eine
große
Auslenkung erzeugt und mit niedriger Spannung arbeiten kann.
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Da
beim erfindungsgemäßen polymeren
Stellglied das Gegenion des Ionentauscherharzprodukts durch ein
spezifisches Alkylammoniumion ausgetauscht ist, ist die Zahl der
Wassermoleküle,
die zusammen mit den Alkylammoniumionen durch Anlegen einer Potentialdifferenz
wandern, vergrößert, wodurch
der Unterschied im Wassergehalt zwischen den Elektroden erheblich
größer wird,
und auch beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen die Elektroden
des polymeren Stellglieds erfolgt kaum eine Elektrolyse von Wasser
im Ionentauscherharzprodukt und die Bildung von Bläschen ist
gehemmt, im Unterschied zu den allgemein verwendeten Ionentauscherharzen,
deren Gegenion Na+ oder H+ ist.
Demzufolge ist in dem erfindungsgemäßen polymeren Stellglied der
Grad des Verbiegens (Deformation) d. h. der Grad der Auslenkung,
erhöht,
und man kann eine höhere
Spannung als die an herkömmliche
polymere Stellglieder angelegte an das erfindungsgemäße polymere
Stellglied anlegen und so kann das Ansprechen beschleunigt werden.
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Erfindungsgemäß kann man
daher ein polymeres Stellglied mit einfachem Aufbau erhalten, das
leicht miniaturisiert werden kann, ein rasches Ansprechen zeigt,
eine große
Auslenkung erzeugt, mit niedriger Spannung arbeiten kann und bei
dem keine Bläschen
aufgrund der Elektrolyse von Wasser auftritt, auch wenn die Potentialdifferenz
vergrößert wird,
um die Auslenkung zu erhöhen.
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Beim
Einsatz des erfindungsgemäßen polymeren
Stellglieds oder des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Stellglieds
als Führungsmittel
für eine
chirurgische Ausrüstung
zur Mikrochirurgie, wie eine Schere, Pinzette, Schlinge, Lasermesser
und Spatel, oder Mikrobauteilen, wie verschiedene Sensoren und Werkzeuge,
kann die Führung
verbessert werden, weil das polymere Stellglied durch die Bedienung
des Bedienreglers beliebig und zwangsweise gebogen (deformiert)
werden kann. Im Ergebnis können
die chirurgische Vorrichtung oder die Mikrobauteile zur gewünschten
Stelle gebogen werden und der Biegevorgang kann ohne besondere Fertigkeit
rasch und einfach durchgeführt
werden.
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Beim
Einsatz des erfindungsgemäßen polymeren
Stellglieds in chirurgischen Gerä ten,
wie einer Pinzette, Schere, Zange, Schlinge, Lasermesser, Spatel
oder Clip, wie für
die Mikrochirurgie, die Chirurgie am Augapfel, intracavitäre endoskopische
Operation und Mikrogefäßnahtoperation,
kann der den Patienten bei den Tests oder Behandlungen zugefügte Schmerz
weitgehend gelindert werden und die körperliche oder psychische Belastung
der Patienten kann verringert werden.
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Wenn
die polymeren Stellglieder in verschiedenen Sensoren oder Reparaturwerkzeugen
zur Inspektion oder Reparatur von Fabrikanlagen, wie Kraftwerken,
und mechanischen Systemen, wie Flugzeugmotoren oder dgl. (insbesondere
für Leitungssysteme
oder Motoreninnenräume)
eingesetzt werden, kann die Inspektion oder Reparatur in sicherer
Weise ohne großen
Arbeitsaufwand oder Zeit durchgeführt werden.
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Neben
der vorstehenden Anwendung kann das erfindungsgemäße Stellglied
oder das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltene polymere Stellglied vorteilhaft in Hochfrequenzvibrationsmikropumpen, Gesundheitsapparaten,
wie unterstützende
Massageapparate zur Rehabilitation, Hygrometer, Hygrometerkontrolleinrichtungen,
nachgebende Manipulatoren, Tauchventile, industrielle Apparate,
wie nachgebende Förderbänder, Unterwassermobile,
wie künstliche
Goldfische und künstliche
Meeresalgen, und Freizeitgüter,
wie bewegliche Fischköder
und antreibende Flossen.
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BEISPIELE
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele
näher beschrieben;
die Erfindung ist aber in keiner Weise auf diese Beispiele beschränkt.
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In
den Beispielen und Vergleichsbeispielen erfolgte die Bestimmung
des Grads der Auslenkung wie folgt: Wie in 7 gezeigt,
wurde die Probe 101 an einer 8 mm von einem Ende der Probe
entfernten Ende zwischen zwei Platinplatten eingebracht und die
Probe 101 mit den Platinplatten wurde in Wasser gehalten. Anschlussdrähte 103a, 103b erstreckten
sich von den Platinplatten und waren an einen Potentiostaten 105 angeschlossen.
Man legte eine Spannung zwischen die Goldelektroden 107a, 107b an
beiden Seiten der Probe 101 an. Der Grad der Auslenkung
wurde durch Messen einer Auslenkung an einer 10 mm vom fixierten
Ende mittels eines Laserauslenkungsmessers bestimmt.
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Beispiel 1
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Ein
filmförmiges
Ionentauscherharzprodukt des Fluorharz-Typs mit einer Filmdicke
von 140 μm
(Ionentauschkapazität
1,4 meq/g) wurde einer Oberflächenanraubehandlung
mit Aluminiumteilchen #800 unterzogen. Dann unterzog man das Ionentauscherharzprodukt zwei
Zyklen der folgenden Schritte (1) bis (3) zur Ausbildung von Goldelektroden
auf den Oberflächen
des Harzprodukts.
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(1) Adsorptionsschritt
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Man
taucht das Ionentauscherharzprodukt 24 Stunden in eine
wässrige
Lösung
von Phenanthringoldchlorid, damit das Harzprodukt einen Phenanthringoldkomplex
adsorbiert.
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(2) Abscheideschritt
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In
einer wässrigen,
Natriumsulfit- und NaOH-enthaltenden Lösung wird der adsorbierte Phenanthrengoldkomplex
reduziert, um auf den Oberflächen
des Ionentauscherharzproduktes Goldelektroden auszubilden. Die Reduktion
des Phenanthrengoldkomplexes erfolgt in einer wässrigen Lösung von 60 bis 80°C über sechs
Stunden unter langsamer Zugabe von Natriumsulfit.
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(3) Waschschritt
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Man
entnimmt das Ionentauscherharzprodukt, auf dessen Oberflächen Goldelektroden
ausgebildet worden sind, und wäscht
es eine Stunde mit Wasser bei 70°C.
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Das
erhaltene Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden versehen
ist, wurde zu Stücken
einer Größe von 1,0
mm × 20
mm geschnitten; man bestimmte den Oberflächenwiderstand der Stücke. Dann legte
man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 2,0 V) an, um den Grad der Auslenkung (Verbiegen)
zu bestimmen.
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Der
Grad der Auslenkung der Probe betrug 2,0 mm und der Oberflächenwiderstand
der Probe war 10 Ω.
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Beispiel 2
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in drei Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 3,2 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 5 Ω.
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Beispiel 3
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in vier Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 3,7 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 2 Ω.
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Beispiel 4
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in fünf Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 3,9 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe betrug 1 Ω.
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Beispiel 5
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in sechs Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 4,2 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe betrug 1 Ω.
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Beispiel 6
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in sieben Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 4,5 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe betrug 0,5 Ω.
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Beispiel 7
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in acht Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 5,0 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 0,5 Ω.
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Beispiel 8
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in neun Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 5,3 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 0,5 Ω.
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Beispiel 9
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) in 10 Zyklen wiederholt wurden.
Die Probe wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 5,5 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 0,5 Ω.
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Vergleichsbeispiel 1
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In
gleicher Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Probe hergestellt, wobei
jedoch die Schritte (1) bis (3) nicht wiederholt wurden. Die Probe
wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 13 untersucht.
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Als
Ergebnis betrug der Grad der Auslenkung der Probe 2,0 mm und der
Oberflächenwiderstand
der Probe war 10 Ω.
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Aus
den vorstehenden Ergebnissen ist ersichtlich, dass mit zunehmender
Zyklenzahl der Schritte (1) bis (3) ein polymeres Stellglied erhalten
werden kann, das eine größere Auslenkung
und einen niedrigen Oberflächenwiderstand
zeigt. Man kann auch ersehen, dass der Effekt auf den Grad der Auslenkung
und den Oberflächenwiderstand
besonders groß wird,
wenn die Zahl der Zyklen vier bis neun beträgt.
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Beispiel 10
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Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,5 M wässrige Lösung von (C2H5)NH3Cl, um eine
Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der Vorder-
und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu messen. Außerdem bestimmte man eine Spannung
(Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen gebildet wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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Beispiel 11
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Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,5 M wässrige Lösung von (CH3)2NH2Cl, um eine Probe
zu erhalten. Dann legte man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen gebildet
wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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Beispiel 12
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Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,5 M wässrige Lösung von (C2H5)3NHCl, um eine
Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der Vorder-
und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu messen. Außerdem bestimmte man eine Spannung
(Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen gebildet wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 13
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Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,5 M wässrige Lösung von (C3H7)4NCl, um eine Probe
zu erhalten. Dann legte man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
gebildet wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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Beispiel 14
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Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,5 M wässrige Lösung von (C4H9)4NCl, um eine Probe
zu erhalten. Dann legte man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
gebildet wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 15
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids eines Alkylammoniumions der nachstehenden Formel,
um eine Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der
Vorder- und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu bestimmen. Außerdem bestimmte man eine Spannung
(Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen erzeugt wurden.
-
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 16
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids eines Alkylammoniumions der nachstehenden Formel,
um eine Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der
Vorder- und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu bestimmen. Außerdem bestimmte man eine Spannung
(Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen erzeugt wurden.
-
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 17
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids eines Alkylammoniumions der nachstehenden Formel,
um eine Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der
Vorder- und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu bestimmen. Außerdem bestimmte man eine Spannung
(Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der Bläschen erzeugt wurden.
-
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 18
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids von H2C=CHCH2N+H2CH3,
um eine Probe zu erhalten. Dann legte man über die Elektroden auf der
Vorder- und Rückseite
eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe
an, um den Grad der Auslenkung zu messen. Außerdem bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz), bei der Bläschen
gebildet wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 19
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids von CH3CH(OH)CH2N+H3, um eine Probe
zu erhalten. Dann legte man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
gebildet wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 20
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids von H3N+CH(CH2OH)2, um eine Probe
zu erhalten. Dann legte man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
gebildet wurden.
-
Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
-
Beispiel 21
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine wässrige Lösung (Konzentration: 0,5 M)
eines Chlorids von C2H5OCH2CH2N+H3, um eine Probe zu erhalten. Dann legte
man über
die Elektroden auf der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
gebildet wurden.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
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Vergleichsbeispiel 2
-
Man
schnitt ein rechteckiges Ionentauscherharzprodukt, das mit Goldelektroden
versehen war (Ionentauscherkapazität: 1,8 meq/g), zu einer Größe von 1,0
mm × 20
mm und tauchte es 24 Stunden in eine 0,1 N wässrige NaOH-Lösung, um
eine Probe zu erhalten.
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Dann
legte man über
die Elektroden an der Vorder- und Rückseite eine Spannung (Rechtecksignal
mit 0,1 Hz und 1,5 V) an die Probe an, um den Grad der Auslenkung
zu messen. Außerdem
bestimmte man eine Spannung (Rechtecksignal mit 0,1 Hz), bei der
Bläschen
erzeugt wurden.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. TABELLE 1
| Grad
Auslenkung (mm) | Spannung
bis zur Bläschenbildung
(V) |
Beispiel
10 | 1,0 | 2,0 |
Beispiel
11 | 2,0 | 2,0 |
Beispiel
12 | 2,3 | 2,1 |
Beispiel
13 | 3,0 | 2,5 |
Beispiel
14 | 2,2 | 4,4 |
Beispiel
15 | 2,0 | 4,0 |
Beispiel
16 | 2,3 | 2,5 |
Beispiel
17 | 2,2 | 2,0 |
Beispiel
18 | 2,1 | 2,2 |
Beispiel
19 | 2,3 | 2,3 |
Beispiel
20 | 2,0 | 1,8 |
Beispiel
21 | 2,3 | 2,0 |
Vergleichsbeispiel
2 | 0,5 | 1,8 |
-
Aus
den vorstehenden Ergebnissen ist ersichtlich, dass die polymeren
Stellglieder, worin die Gegenionen des Ionentauscherharzes durch
Alkylammoniumionen der Formel (1) ersetzt wurden, eine größere Auslenkung
und eine höhere
Spannung bis zur Bläschenproduktion
zeigen, als die des herkömmlichen
polymeren Stellglieds des Vergleichsbeispiels 1, dessen Gegenion
Na+ ist.