專利名稱：電-機械轉(zhuǎn)換器、其制備方法及其用途的制作方法
電-機械轉(zhuǎn)換器、其制備方法及其用途本發(fā)明涉及電-機械轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明還涉及電-機械轉(zhuǎn)換器的制備方法及其用途。本發(fā)明還涉及獲得電能的方法，其中可使用本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器。電-機械轉(zhuǎn)換器使電能轉(zhuǎn)化為機械能并且反之亦然。其可以用作傳感器、執(zhí)行器和發(fā)電機的部件。例如，W02001/06575A1公開了一種能量轉(zhuǎn)換器、其用途及其制備。能量轉(zhuǎn)換器使機械能轉(zhuǎn)換為電能。一些示出的能量轉(zhuǎn)換器包括預(yù)應(yīng)力聚合物。預(yù)加應(yīng)力改進電能和機械能之間的轉(zhuǎn)化。還公開了一種包括使電能轉(zhuǎn)化為機械能的電活性聚合物的裝鉻。還公開了適應(yīng)能量轉(zhuǎn)換器中聚合物形式的電極。也公開了制備包括一種或多種電活性聚合物的機電裝鉻的方法。目前為止僅記載了以所謂的厚度模式(d33模式)使用鐵電駐極體材料并且特別是聚合物鐵電駐極體。然而，由于理論上可以實現(xiàn)的更大的擴展，所以以平面模式(d31模式)進行操作也同樣需要。該操作特別是在能量生產(chǎn)領(lǐng)域引起了人們的興趣。會議論文“Three-layerferroelectrets from perforated Teflon -PTFE
films fused between two homogeneous Τ€ 1θ -Γ Ρ films”，2007Annual ReportConference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena by H.C. Basso, R.A. P. Altaf im, R. A. C. Altaf im, A. Mellinger, Peng Fang, ff. Wirges 和 R. Gerhard 中記載了
具有均勻空隙的聚合物鐵電駐極體的制備方法。兩個均一的Teflon -FEP膜通過與其 熱粘合的Teflon -PTFE膜而彼此隔離。Teflon -PTFE膜具有許多均勻的孔。因
此形成了具有FEP底部和頂部以及PTFE壁的密閉空隙。用正極性和負極性充電FEP頂層和FEP底層后，空隙形成大的偶極，其可以通過機械作用或電作用而變形。因此，三層夾層結(jié)構(gòu)顯示出正壓電性和逆壓電性。使各層連接的連續(xù)方法包括用熱的圓柱軋輥擠壓，其在高達310°C的溫度下進行操作。這使得可以大規(guī)模制備廉價的轉(zhuǎn)換器材料。該會議論文涉及三層鐵電駐極體的設(shè)計、加工、充電和機電特性。介電彈性體和用于電-機械轉(zhuǎn)換器的其他材料的層狀復(fù)合物公開于US2009/0169829A1。該專利申請涉及一種多層復(fù)合物，其具有膜、第一導(dǎo)電層和至少一個中間層，所述中間層布鉻于所述膜和第一導(dǎo)電層之間。所述膜由介電材料制成并且具有第一表面和第二表面。至少第一表面包括具有凸起和凹陷的表面圖案。第一導(dǎo)電層附著于該表面圖案并且具有波浪形狀，所述波浪形狀通過膜的表面圖案形成。根據(jù)該專利申請中記載的發(fā)明的一個實施方案，中間層可以通過膜表面的等離子體處理而獲得。中間層用于改進導(dǎo)電層與膜之間的粘著力。國際專利申請W02008/076271A1提供了電活性聚合物與壓電聚合物的一種具體的結(jié)合。該申請記載了集成傳感器/執(zhí)行器，其使用電活性聚合物。傳感器/執(zhí)行器包括離子聚合物/金屬復(fù)合物的執(zhí)行器部分、壓電材料的傳感器部分以及執(zhí)行器部分和傳感器部分之間的絕緣部分。該傳感器/執(zhí)行器還可以具有用于接收來自傳感器部分的傳感器信號和來自執(zhí)行器部分的執(zhí)行器信號的補償電路，其中所述電路補償用于執(zhí)行器部分和傳感器部分的耦合的接受信號。然而，其中公開的結(jié)構(gòu)不適用于元件的表面方向上的能量生產(chǎn)操作。本發(fā)明的目的是提供本文開始時提及的類型的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以具有更大擴展的操作，特別是在表面方向上。該目的根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)，并且轉(zhuǎn)換器包括至少一個介電彈性體層、電極和至少一個駐極體層，其中所述介電彈性體層與所述至少一個駐極體層接觸，其中所述至少一個駐極體層帶有電荷并且與第一電極接觸，并且其中第二電極布鉻于介電彈性層的與第一電極相對的一側(cè)。本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器首先是基于常規(guī)發(fā)現(xiàn)介電位移(電通量密度)可以通過改變兩個參數(shù)而改變，所述介電位移決定了該轉(zhuǎn)換器的操作。介電位移可以由電場強度和電場常數(shù)的乘積與極化作用的和給出D = sj+p將第二電極布鉻于介電彈性體層的與第一電極相對的一側(cè)可以是指彈性體層與電極接觸。然而，駐極體層和其他層也可以位于電極和彈性體層之間。轉(zhuǎn)換器在縱向或表面方向上的擴展或壓縮引起體系的電場常數(shù)和/或極化作用的變化。因此可以以平面模式(d31模式)操作轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生能量。與以平面模式操作并且其中注意到千分之幾范圍內(nèi)的偏移(excursions in theper-thousand range)的壓電轉(zhuǎn)換器相比,本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以以大得多的擴展進行操作。例如在操作期間的最大擴展率可以為彡10%、彡20%、彡30%或者甚至彡50%。以此方式，對于例如構(gòu)建更有效的電-機械轉(zhuǎn)換器而言獲得了新的可能性。例如，介電彈性體可`以具有的最大張力> O. 2Mpa并且最大擴展率> 100%。在最高達彡200%的使用擴展率范圍中，張力可以為彡O.1Mpa至彡50Mpa (根據(jù)ASTM D412測定)。彈性體在100%擴展率下還可以具有彈性模量> O.1Mpa至彡IOOMPa (根據(jù)ASTM D412測定)。彈性體層和/或一層或多層駐極體層可以為壓縮形式。這在本發(fā)明范圍內(nèi)應(yīng)理解為是指在所述層中空隙比例為> O體積％至< 5體積％并且特別是> O體積％至< I體積％。還優(yōu)選彈性體層和一層或多層駐極體層在其范圍內(nèi)連接在一起。連接的性質(zhì)特別地可以是基于材料的連接。一層或多層駐極體層與其相關(guān)的電極接觸的性質(zhì)沒有進一步指定于該點上并且可以在例如側(cè)面或表面上進行。當(dāng)介電彈性體層與在相對側(cè)上的駐極體層接觸時，各自形成面向和遠離介電彈性體層的駐極體層側(cè)面。優(yōu)選第一駐極體層以其遠離介電彈性體層的側(cè)面與第一電極接觸。電極還可以是結(jié)構(gòu)化的。結(jié)構(gòu)化的電極可以為以條形或格子形的導(dǎo)電涂層形式。因此可以另外影響電-機械轉(zhuǎn)換器的靈敏度并且適應(yīng)于具體的應(yīng)用。例如，可以構(gòu)造電極以使轉(zhuǎn)換器具有活性的和中性的區(qū)域。特別地，可以構(gòu)造電極從而可以以空間分辨方式檢測信號或可以有目的地觸發(fā)活性區(qū)域。這可以通過為活性區(qū)域提供電極，而中性區(qū)域不具有電極來實現(xiàn)。 介電彈性體層的厚度可以為例如彡10 μ m至< 500 μπι并且優(yōu)選彡20μηι至(200μπι范圍內(nèi)。第一駐極體層和/或其它駐極體層的厚度可以為例如> Ιμπι至彡200 μ m并且優(yōu)選彡2 μ m至彡100 μ m范圍內(nèi)。本發(fā)明的實施方案在下文進行描述，單個實施方案可以根據(jù)需要彼此結(jié)合，除非本發(fā)明明確并非如此。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的一個實施方案中，介電彈性體層在相對的兩側(cè)與第一駐極體層和第二駐極體層接觸，其中第一駐極體層和第二駐極體層帶有相反的電荷并且其中第一駐極體層與第一電極接觸并且第二駐極體層與第二電極接觸。通過在縱向或表面方向上擴展或壓縮轉(zhuǎn)換器，兩個帶不同電荷的駐極體層一起靠近或分開。因此可以以平面模式(d31模式)操作轉(zhuǎn)換器以進行能量生產(chǎn)。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，介電彈性體層至少一側(cè)具有沿著至少一個方向的波狀的具有凸起和凹陷的橫截面輪廓。優(yōu)選地，具有沿著至少一個方向的波狀的具有凸起和凹陷的橫截面輪廓的側(cè)面為至少一個介電彈性體層的與第一電極和/或第二電極(當(dāng)存在時)接觸的側(cè)面。本文中的“波狀”應(yīng)理解為是指凸起或凹陷的規(guī)則或不規(guī)則的序列。優(yōu)選為規(guī)則的序列。由一個凸起 至相鄰?fù)蛊鸬木嚯x可以為例如彡Iym至彡5000 μπι并且優(yōu)選為彡5 μπι至< 2000 μ m。從凹陷的最低點至相鄰?fù)蛊鸬淖罡唿c的垂直距離可以為例如彡O. 3 μ m至(5000 μ m并且優(yōu)選彡5 μ m至彡2000 μ m。沿著一個方向的波狀輪廓的實例為在具有厚度方向、縱向方向和橫向方向的彈性體層中，波狀輪廓僅在縱向方向上形成。另一個實例為該輪廓存在于縱向方向和橫向方向的情況。波狀輪廓的優(yōu)點為當(dāng)彈性體層在波的方向上擴展時，更多的材料可以用于擴展。介電彈性體層側(cè)面的波狀輪廓為正弦波形或三角波形是有利的。這些波形應(yīng)理解為可以使用垂直和/或水平刻度的任何所需的正弦或三角形波。然而，優(yōu)選遵循等式y(tǒng)=sin(x)的正弦波或其中三角形的頂點形成直角的三角形波。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，與至少一個駐極體層接觸的介電彈性體層的側(cè)面和與該側(cè)面相對的介電彈性體層的側(cè)面具有沿著相同方向具有凸起和凹陷的波狀橫截面輪廓，并且一個側(cè)面輪廓的凸起和凹陷還與介電彈性體層的另一側(cè)面輪廓的凸起和凹陷平行。則在波運行方向上的彈性體層的厚度甚至在較大擴展的情況下也可以盡可能保持均勻。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，至少一個駐極體層和/或至少第一電極具有沿著至少一個方向的波狀橫截面輪廓，所述橫截面輪廓與介電彈性體層的接觸側(cè)面的波狀橫截面輪廓相匹配。以此方式，駐極體層和/或電極層也可以容易地適應(yīng)彈性體層的擴展。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，介電彈性體層包括聚氨酯聚合物、硅酮聚合物和/或丙烯酸酯聚合物。優(yōu)選為聚氨酯彈性體。這些聚合物可以通過多異氰酸酯A)和/或多異氰酸酯預(yù)聚物B)與至少一種對異氰酸酯基團具有反應(yīng)性的二官能化合物C)在聚氨酯化學(xué)中常規(guī)的催化劑D)的存在下進行反應(yīng)而制備。適合作為多異氰酸酯A)的為例如1，4_亞丁基二異氰酸酯、1，6_六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、異氟爾酮二異氰酸酯(IPDI)、2，2，4-和/或2，4，4-三甲基六亞甲基二異氰酸酯、同分異構(gòu)的二 _(4，4’ -異氰酸根合環(huán)己基)甲烷或其任意所需異構(gòu)體含量的混合物、1，4-環(huán)己基二異氰酸酯、4-異氰酸根合甲基-1，8-辛烷二異氰酸酯(壬烷三異氰酸酯)、1，4-亞苯基二異氰酸酯、2，4-和/或2，6-甲苯二異氰酸酯、1，5-亞萘基二異氰酸酯、2，2’ -和/或2，4’ -和/或4，4’ - 二苯基甲燒二異氰酸酯、1，3-和/或1，4- 二 -(2-異氰酸根合-丙-2-基)_苯(TMXDI)、1，3-二(異氰酸根合甲基)苯(XDI)、具有含I至8個碳原子的烷基的2，6- 二異氰酸根合己酸烷基酯(賴氨酸二異氰酸酯)，以及其混合物。組分A)的其他的合適的結(jié)構(gòu)單元為基于提及的二異氰酸酯并且含有脲二酮、異氰脲酸酯、縮二脲、亞氨基噁二嗪二酮或噁二嗪三酮結(jié)構(gòu)的化合物。組分A)優(yōu)選可為平均NCO官能度為2至4且僅具有脂族或脂環(huán)族鍵合的異氰酸酯基團的多異氰酸酯或多異氰酸酯混合物。優(yōu)選為具有脲二酮、異氰脲酸酯、縮二脲、亞氨基噁二嗪二酮或噁二嗪三酮結(jié)構(gòu)以及其混合物的上述類型的多異氰酸酯或多異氰酸酯混合物，并且多異氰酸酯混合物的平均NCO官能度為2至4，優(yōu)選為2至2. 6并且特別優(yōu)選為2 至 2. 4?？梢杂米鹘M分B)的多異氰酸酯預(yù)聚物可以通過一種或多種二異氰酸酯與一種或多種羥基官能的(特別是聚合的)多元醇反應(yīng)，任選地加入催化劑以及輔助性物質(zhì)和添加劑而獲得。此外，用于擴鏈的組分例如伯氨基和/或仲氨基(NH2-和/或NH-官能組分)可以另外用于形成多異氰酸酯預(yù)聚物。組分B)的多異氰酸酯預(yù)聚物可以優(yōu)選通過聚合的多元醇與脂族二異氰酸酯反應(yīng)而獲得。用于反應(yīng)以形成多異氰酸酯預(yù)聚物B)的羥基官能的聚合多元醇可以為例如聚酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚醚多元醇、聚酯聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯聚酯多元醇、聚氨酯聚醚多元醇、聚氨酯聚碳酸酯多元醇和/或聚酯聚碳酸酯多元醇。這些多元醇可以以其自身或與另一種多元醇的任意所需混合物用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物。

用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)的合適的聚酯多元醇可以為二元醇和任選地三元醇和四元醇與二羧酸和任選地三羧酸和四羧酸或羥基羧酸或內(nèi)酯的縮聚產(chǎn)物。還可以使用相應(yīng)的多羧酸酐或相應(yīng)的低級醇的多羧酸酯代替游離的多羧酸以制備聚酯。合適的二元醇的實例為乙二醇、丁二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚亞烷基二醇例如聚乙二醇、以及1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇及其異構(gòu)體、新戊二醇或羥基新戊酸新戊二醇酯或其混合物，優(yōu)選為1，6_己二醇及其異構(gòu)體、1，4-丁二醇、新戊二醇以及羥基新戊酸新戊二醇酯。還可以使用多元醇例如三羥甲基丙烷、丙三醇、赤藻糖醇、季戊四醇、三羥甲基苯或三羥乙基異氰脲酸酯或其混合物?？梢允褂绵彵蕉姿?、間苯二甲酸、對苯二甲酸、四氫鄰苯二甲酸、六氫鄰苯二甲酸、環(huán)己二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、戊二酸、四氯鄰苯二甲酸、馬來酸、富馬酸、衣康酸、丙二酸、辛二酸、2-甲基琥珀酸、3，3- 二乙基戊二酸和/或2，2- 二甲基琥珀酸作為二羧酸。還可以使用相應(yīng)的酸酐作為酸源。如果待酯化的多元醇的平均官能度> 2，還可以另外伴隨使用單羧酸例如苯甲酸和己烷甲酸。優(yōu)選的酸為上述類型的脂族酸或芳族酸。特別優(yōu)選為己二酸、間苯二甲酸和鄰苯
二甲酸?？梢栽诰哂卸肆u基的聚酯多元醇的制備中作為反應(yīng)物伴隨使用的羥基羧酸為例如羥基己酸、羥基丁酸、羥基癸酸或羥基硬脂酸或其混合物。合適的內(nèi)酯為己內(nèi)酯、丁內(nèi)酯或其同系物或混合物。優(yōu)選己內(nèi)酯。還可以將含羥基的聚碳酸酯一例如聚碳酸酯多元醇，優(yōu)選聚碳酸酯二醇一用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)。例如，所述含羥基的聚碳酸酯的數(shù)均分子量Mn可以為400g/mol至8000g/mol,優(yōu)選600g/mol至3000g/mol。其可以通過碳酸衍生物(例如碳酸二苯酯、碳酸二甲酯或光氣)與多元醇(優(yōu)選二元醇)反應(yīng)而獲得。適于此目的的二元醇的實例為乙二醇、1，2_和1，3_丙二醇、1，3_和1，4_ 丁二醇、1，6_己二醇、1，8_辛二醇、新戊二醇、1，4-二羥甲基環(huán)己烷、2-甲基-1，3-丙二醇、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇、二丙二醇、聚丙二醇、二丁二醇、聚丁二醇、雙酚A或上述類型的經(jīng)內(nèi)酯改性的二醇，或其混合物。二醇組分優(yōu)選包含40重量％至100重量％的己二醇，優(yōu)選1，6-己二醇和/或己二醇衍生物。所述己二醇衍生物基于己二醇并且除端OH基團外可以包括酯基或醚基。所述衍生物可以通過例如己二醇與過量的己內(nèi)酯進行反應(yīng)或通過己二醇與其自身進行醚化反應(yīng)以形成二己二醇或三己二醇而得到。選擇這些組分和其他組分的量使得其總和不超過100重量％并且特別是為100重量％。含羥基的聚碳酸酯，特別是聚碳酸酯多元醇優(yōu)選為線性結(jié)構(gòu)。聚醚多元醇也可以用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)。例如，合適的聚丁二醇聚醚可以由四氫呋喃通過陽離子開環(huán)進行聚合而獲得。同樣合適的聚醚多元醇可以為氧化苯乙烯、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧丁烷和/或表氯醇在二官能或多官能起始分子上的加成產(chǎn)物?？梢杂米骱线m的起始分子的為例如水、丁基二乙二醇、丙三醇、二乙二醇、三羥甲基丙烷、丙二醇、山梨醇、乙二胺、三 乙醇胺或1，4-丁二醇或其混合物。用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)的優(yōu)選組分為聚丙二醇、聚丁二醇聚醚和聚碳酸酯多元醇或其混合物，特別優(yōu)選為聚丙二醇?？梢允褂脭?shù)均分子量MnS 400g/mol 至 8000g/mol,優(yōu)選 400g/mol 至 6000g/mol并且特別優(yōu)選600g/mol至3000g/mol的聚合多元醇。其OH官能度優(yōu)選為1. 5至6，特別優(yōu)選1. 8至3，最特別優(yōu)選1. 9至2.1。除所提及的聚合多元醇外，還可以將短鏈的多元醇用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)。例如可以使用乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，4- 丁二醇、1，3-丁二醇、環(huán)己二醇、1，4-環(huán)己烷二甲醇、1，6-己二醇、新戊二醇、氫醌二羥基乙基醚、雙酚A(2，2-二(4-羥基苯基)丙烷)、氫化雙酚A(2，2-二(4-羥基環(huán)己基)丙烷)、三羥甲基丙烷、三羥甲基乙烷、丙三醇或季戊四醇或其混合物。還合適的為所述分子量范圍的酯二醇例如α -羥基丁基-ε-羥基-己酸酯、ω-羥基己基-Υ-羥基丁酸酯、己二酸(β_羥基乙基)酯或?qū)Ρ蕉姿犭p羥基乙基)酯。單官能的異氰酸酯反應(yīng)性的含羥基化合物也可以用于制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)。這種單官能化合物的實例為乙醇、正丁醇、乙二醇單丁醚、二乙二醇單甲醚、二乙二醇單丁醚、丙二醇單甲醚、二丙二醇單甲醚、三丙二醇單甲醚、二丙二醇單丙醚、丙二醇單丁醚、二丙二醇單丁醚、三丙二醇單丁醚、2-乙基己醇、1-辛醇、1-十二烷醇或1-十六烷醇或其混合物。
為制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)，二異氰酸酯可以優(yōu)選與多元醇以異氰酸酯基團與羥基的比例(％0/0!1比)為2:1至20:1 (例如8:1)進行反應(yīng)。由此可以形成尿脂和/或脲基甲酸酯結(jié)構(gòu)。一部分未反應(yīng)的多異氰酸酯可以隨后分離。例如薄層蒸餾可以用于此目的，所獲得的低殘留單體產(chǎn)物的殘留單體含量為例如< I重量％，優(yōu)選< O. 5重量％，特別優(yōu)選彡O.1重量％。反應(yīng)溫度可以為20°C至120°C，優(yōu)選60°C至100°C?？梢栽谥苽溥^程中任選地加入穩(wěn)定劑，例如苯甲酰氯、間苯二甲酰氯、磷酸二丁酯、3-氯丙酸或甲苯磺酸甲酯。NH2-和/或NH-官能組分可以額外地在制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)中用于擴鏈。用于擴鏈的合適組分為有機二胺或多胺。例如，可以使用乙二胺、1，2_ 二氨基丙烷、1,3-二氨基丙烷、1,4-二氨基丁烷、1,6-二氨基己烷、異氟爾酮二胺、2，2,4-和2,4, 4-三甲基六亞甲基二胺的異構(gòu)體混合物、2-甲基五亞甲基二胺、二亞乙基三胺、二氨基二環(huán)己基甲烷或二甲基乙二胺或其混合物。此外，還可以使用除伯胺基外還含有仲胺基，或除胺基(伯胺基或仲胺基)外還含有OH基的化合物以制備多異氰酸酯預(yù)聚物B)。其實例為伯胺/仲胺，例如二乙醇胺、3-氨基-1-甲基氨基丙燒、3-氨基-1-乙基氨基丙燒、3-氨基-1-環(huán)己基氨基丙燒、3-氨基-1-甲基氨基丁烷；烷醇胺，例如N-氨基乙基乙醇胺、乙醇胺、3-氨基丙醇、新戊醇胺。對于鏈終止，通常使用具有異氰酸酯-反應(yīng)性基團的胺，例如甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺、十二烷基胺、十八烷基胺、異壬基氧基丙胺、二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、N-甲基氨基丙胺、二乙基(甲基)氨基丙胺、嗎啉、哌啶或其合適地取代的衍生物、二伯胺和單羧酸的酰氨基胺、二伯胺的單酮亞胺、伯胺/叔胺例如N，N- 二甲基氨基丙胺。用作組分B)的多異氰酸酯預(yù)聚物或其混合物優(yōu)選具有的平均NCO官能度可為1. 8至5，特別優(yōu)選2至3. 5并且最特別優(yōu)選2至3。組分C)為具有至少兩個異氰酸酯-反應(yīng)性官能團的化合物。例如，組分C)可以為具有至少兩個異氰酸酯-反應(yīng)性羥基的多胺或多元醇。
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可以用作組分C)的為羥基官能多元醇，特別是聚合多元醇例如聚醚多元醇或聚酯多元醇。在上面關(guān)于預(yù)聚物B)的制備中已經(jīng)描述了合適的多元醇，因此為避免重復(fù)，參考以上內(nèi)容。組分C)優(yōu)選為每個分子具有2至4個羥基的聚合物，最特別優(yōu)選每個分子具有2至3個羥基的聚丙二醇。如果聚合多兀醇C)具有特別窄的分子量分布-即多分散度(PD=Mw/Mn)為1. O
至1. 5，則將是有利的。例如，聚醚多元醇優(yōu)選具有的多分散度為1. O至1. 5并且OH官能度大于1. 9，并且特別優(yōu)選大于或等于1. 95。所述聚醚多元醇可以以本身已知的方法通過合適的起始分子的烷氧基化反應(yīng)，特別是使用雙金屬氰化物催化劑(DMC催化劑)來制備。該方法記載于例如專利說明書US5, 158，922和德國公開說明書EP0654302A1。用于聚氨酯的反應(yīng)混合物可以通過使組分A)和/或B)和C)混合而獲得。異氰酸酯-反應(yīng)性羥基與游離異氰酸酯基團的比例優(yōu)選為1:1. 5至1. 5:1，特別優(yōu)選1:1. 02至1: O. 95。優(yōu)選地，至少一種組分A)、B)或C)的官能度彡2.0，優(yōu)選彡2. 5，優(yōu)選彡3.0，從而將支化或交聯(lián)引入至聚合物單元中。對于組分A)和B)，術(shù)語“官能度”是指每個分子中NCO基團的平均數(shù)量，并且對于組分C)，其是指每個分子中OH基團的平均數(shù)量。所述支化或交聯(lián)帶來更好的機械特性和更好的彈性，特別是還帶來更好的擴展特性。得到的聚氨酯聚合物優(yōu)選具有彡O. 2MPa特別是O. 4MPa至50MPa的最大張力，以及彡100%特別是彡120%的最大擴展率。此外，聚氨酯在最高達< 200%的使用擴展范圍內(nèi)具有O.1MPa至50MPa的張力，例如O. 5MPa至40MPa特別是IMPa至30MPa的張力(根據(jù)ASTM D412測定)。此外，聚氨酯在100%的擴展率時可以具有O.1Mpa至lOOMpa，例如IMPa至80Mpa的彈性模量(根據(jù)ASTMD412測定)。得到的聚氨酯聚合物優(yōu)選為具有彡IO12至彡IO17歐姆/cm的體積電阻率(根據(jù)ASTM D257)的介電彈性體。對于聚氨酯聚合物還優(yōu)選具有彡50V/ μ m至彡200V/ μ m的介電擊穿電壓(根據(jù)ASTM149-97a)。除包含組分A)、B)、C)和D)外，用于制備聚氨酯的反應(yīng)混合物還包含輔助性物質(zhì)和添加劑。所述輔助性物質(zhì)和添加劑的實例為交聯(lián)劑、增稠劑、溶劑、觸變劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑、光穩(wěn)定劑、乳化劑、表面活性劑、粘合劑、增塑劑、疏水劑、顏料、填料和助流劑。優(yōu)選的溶劑為乙酸甲氧基丙酯和乙酸乙氧基丙酯。優(yōu)選的助流劑為聚丙烯酸酯，特別是氨基樹脂改性的丙烯酸共聚物例如填料可以調(diào)節(jié)聚合物元件的介電常數(shù)。反應(yīng)混合物優(yōu)選包含用于提高介電常數(shù)的填料，例如具有高介電常數(shù)的填料。其實例為陶瓷填料，特別是鈦酸鋇、二氧化鈦和壓電陶瓷，例如石英或鋯鈦酸鉛，以及有機填料，特別是具有高電極化率的填料，例如酞菁類化合物。高介電常數(shù)可以另外通過摻入低于逾滲閾值的導(dǎo)電填料來實現(xiàn)。其實例為炭黑、石墨、單壁或多壁碳納米管、導(dǎo)電 聚合物例如聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯，或其混合物。本文感興趣的特別是具有表面鈍化并且因此在低于逾滲閾值的低濃度下提高介電常數(shù)然而不會導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率增加的那些炭黑類型。應(yīng)當(dāng)指出與本發(fā)明有關(guān)并且特別是與組分A)、B)和C)有關(guān)的術(shù)語“一個”不是用作數(shù)字而是作為不定冠詞，除非本文中明確作出不同解釋。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，介電彈性體層的材料的介電常數(shù)％為彡2。介電常數(shù)還可以為彡2至< 2000或彡3至< 1000。介電常數(shù)的測定根據(jù)ASTMl50-98 進行。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，至少一個駐極體層包含選自下列的聚合物聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚全氟烷氧基乙烯(PFA)、聚酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚、聚(甲基)丙烯酸甲酯、環(huán)烯聚合物、環(huán)烯共聚物(C0C)、聚烯烴、聚丙烯和所述聚合物的混合物。如果存在多于一個的駐極體層，這同樣也相應(yīng)地適用于該層。優(yōu)選的材料為FEP。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，至少第一電極的材料選自金屬、金屬合金、導(dǎo)電低聚物或聚合物、導(dǎo)電氧化物，和/或用導(dǎo)電填料填充的聚合物。如果存在第二電極，這同樣也相應(yīng)地適用于第二電極。可以使用的導(dǎo)電低聚物或聚合物為例如聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯?？梢杂糜谟脤?dǎo)電填料填充的聚合物中的填料為例如金屬、基于導(dǎo)電碳的材料，例如炭黑、碳納米管(CNTs)或?qū)щ姷途畚锘蚓酆衔?。聚合物的填料含量?yōu)選高于逾滲閾值以使導(dǎo)電填料在用導(dǎo)電填料填充的聚合物內(nèi)形成連續(xù)導(dǎo)電通路。在本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一個實施方案中，介電彈性體層和至少一個駐極體層的厚度比為> 1:1至< 100:1。在每種情況下，厚度比表示彈性體層和駐極體層的厚度并且還可以為≥2:1至≥50:1。本發(fā)明還涉及制備本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的方法，包括下列步驟(al)提供介電彈性體層；(bl)將介電彈性體層與第一駐極體層接觸；(Cl)將之前獲得的裝鉻充電以使第一駐極體層帶有電荷；(dl)將第一駐極體層與第一電極接觸；和(el)將第二電極布鉻于介電彈性體層的與第一電極相對的側(cè)面。在本發(fā)明的該方法中，步驟的順序，特別是步驟(bl)和(Cl)的順序不是從一開始就固定的。例如，還可以在(Cl)后，首先進行(bl)然后進行(dl)和(el)。提供介電彈性體層可以有利地直接由軋輥進行，從而可以進行“卷對卷”方法。出于同樣的考慮，也可以這樣提供駐極體層。使彈性體層與介電層接觸可以通過例如在高溫下層壓而實現(xiàn)。由此可以在單獨的層之間形成牢固的連接?；蛘?，也可在上述步驟中使用基于溶劑的或擠出和共擠出的方法。兩個駐極體層如此充電以使其具有相反的電荷。這可以通過例如摩擦起電、電子束轟擊、將電壓施加至已經(jīng)存在的電極或電暈放電而進行。特別地，充電還可以通過二電子電暈裝鉻進行。針電壓可以為≥20kV、≥25kV并且特別是≥30kV。充電時間可以為≥20秒、> 25秒并且特別是> 30秒。電暈處理還可以有利地大規(guī)模地成功進行。駐極體層可以通過常規(guī)方法例如濺射、噴霧、氣相沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、印刷、刮刀施用和旋涂而與電極接觸。當(dāng)?shù)诙姌O布鉻于介電彈性體層的與第一電極相對的側(cè)面時，原則上可以使用相同的步驟。彈性體層可以與第二電極接觸。然而，駐極體層例如可以位于第二電極和彈性體層之間，然后將駐極體層相應(yīng)地接觸。本發(fā)明還提供本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器用作執(zhí)行器、傳感器或發(fā)電機的用途。該用途可以用于例如機電和/或電聲領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器可以用于以下領(lǐng)域由機械振動的能量生產(chǎn)(能量收集)、聲、超聲、醫(yī)學(xué)診斷、聲顯微鏡、機械傳感器技術(shù)，特別是壓力、力和/或擴展傳感器技術(shù)、機器人和/或通信技術(shù)，特別是擴音器、振動傳感器、光偏轉(zhuǎn)器、膜、纖維光學(xué)調(diào)節(jié)器、焦熱電探測器、電容器和控制系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及包括本發(fā)明的電-機械轉(zhuǎn)換器的執(zhí)行器、傳感器或發(fā)電機。為避免不必要的冗長段落，對于詳細和具體的實施方案參考上述關(guān)于轉(zhuǎn)換器的說明。本發(fā)明還提供獲得電能的方法，包括下列步驟(a2)提供發(fā)電機元件，其中發(fā)電機元件具有縱向方向和厚度方向并且包括至少一個在縱向方向上布鉻的駐極體層或多個在縱向方向上布鉻的相對的駐極體層，其中在發(fā)電機元件的厚度方向上的駐極體層內(nèi)存在電荷分離，并且所述駐極體層在厚度方向上的相對的側(cè)面上與電極接觸，或其中駐極體層帶有電荷并且該駐極體層在厚度方向上的相對的側(cè)面上與電極接觸，或其中一個駐極體層帶有電荷并且另一個駐極體層具有不同或相同的電荷，并且這些駐極體層各自與電極接觸；(b2)使發(fā)電機元件沿著縱向方向擴展并且從電極得到電荷；和(c2)使發(fā)電機元件沿著縱向方向松弛并且從電極得到電荷。本發(fā)明獲得電能的方法起始于以下發(fā)現(xiàn)發(fā)電機元件以平面模式(d31模式)操作。在最簡單的情況下，發(fā)電機元件為足夠厚的駐極體層，所述駐極體層中沿著其厚度存在宏觀電荷分離并且其可以通過電極連接至合適的電路。還可以存在兩面均與電極接觸的帶電駐極體層。另一種簡單的情況是存在兩個帶相同或不同電荷且空間上分離的疊加駐極體層。發(fā)電機元件沿著其縱向方向擴展。擴展一般也可以在表面方向上進行。在擴展時，電極的相對間距優(yōu)選變化，其結(jié)果是在對稱構(gòu)建發(fā)電機的情況下產(chǎn)生了電荷位移。然而，在對稱的情況下相對的駐極體層的表面積也可以改變，從而導(dǎo)致介電位移。得到的電壓得自電極并且可以使用。當(dāng)發(fā)電機元件松弛時，進行逆過程。在本發(fā)明該方法的一個實施方案中，發(fā)電機元件為如下所述的電-機械轉(zhuǎn)換器。為避免不必要的冗長段落，對于詳細和具體的實施方案參考上述關(guān)于轉(zhuǎn)換器的說明。通過下列附圖對本發(fā)明進行進一步解釋，但并不限于此。在附圖中

圖1不出了一種電-機械轉(zhuǎn)換器圖2示出了另一種電-機械轉(zhuǎn)換器

圖3不出了另一種電-機械轉(zhuǎn)換器圖4示出了另一種電-機械轉(zhuǎn)換器圖5不出了另一種電-機械轉(zhuǎn)換器。圖1以橫截面視圖示出了一種電-機械轉(zhuǎn)換器。其可以為層壓膜的橫截面視圖。在此圖中，該裝鉻厚度方向為垂直方向并且縱向方向為水平方向。介電彈性體層I的上側(cè)與第一駐極體層4接觸。這些駐極體層的電荷通過符號“ + ”示意性地示出。這可以在轉(zhuǎn)換器制備過程中在電暈放電過程中實現(xiàn)。在駐極體層4的遠離介電彈性體層I的側(cè)面上布鉻有第一電極2。第二電極3位于介電彈性體層的遠離駐極體層4的側(cè)面上。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在縱向方向擴展時，其厚度降低。由于在擴展過程中駐極體層4與第一電極2之間的距離保持恒定但是駐極體層4與第二電極3之間的距離改變，因此出現(xiàn)壓電效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電壓可以通過電極2和電極3導(dǎo)出(tapped)。圖2以橫截面視圖示出了另一種電-機械轉(zhuǎn)換器。例如，其還可以為層壓膜的橫截面視圖。在此圖中，該裝鉻的厚度方向為垂直方向并且縱向方向為水平方向。介電彈性體層I在其上側(cè)和在其相對的下側(cè)與第一駐極體層4和第二駐極體層5接觸。兩個駐極體層4、5的相反電荷通過符號“ + ”和示意性地示出。這可以在轉(zhuǎn)換器制備過程中在電暈放電過程中通過合適地布鉻電極而實現(xiàn)。面對和遠離介電彈性體層I的駐極體層4、5的側(cè)面通過駐極體層4、5的定位而形成。第一電極2位于第一駐極體層4的遠離彈性體層I的側(cè)面。相應(yīng)地，第二電極3位于第二駐極體層5的遠離彈性體層I的側(cè)面。
當(dāng)轉(zhuǎn)換器沿著縱向方向擴展時，在厚度方向上存在收縮。這導(dǎo)致帶相反電荷的駐極體層4和5—起靠近。當(dāng)沿著縱向方向松弛時，駐極體層4和5再次分開。由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電壓可以通過電極2和3導(dǎo)出。圖3示出了圖2所示的電-機械轉(zhuǎn)換器的變型。兩個駐極體層4、5現(xiàn)在具有相同的正電荷。當(dāng)然，所述層還可以帶負電。當(dāng)轉(zhuǎn)換器沿著縱向擴展時，由于相對面的尺寸的變化，此時也產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖4示出了圖2所示的電-機械轉(zhuǎn)換器的另一種變型。其中，介電彈性體層I沿著縱向方向具有波狀的橫截面輪廓。在該情況下，波狀橫截面形成于與駐極體層4和5均有接觸的彈性體層I的側(cè)面。波狀橫截面輪廓具有凸起6和凹陷7。彈性體層I的上側(cè)和下側(cè)的凸起6和凹陷7相平行。其優(yōu)點是彈性體層I縱向方向上的厚度在縱向方向上進行較大擴展的情況下仍然保持盡可能地均勻。駐極體層4、5在兩個面上均具有波狀橫截面輪廓，其與彈性體層I的輪廓相匹配。其中，在縱向方向較大擴展的情況下的特性也是有利的。與駐極體層4、5接觸的電極2、3的側(cè)面在其橫截面輪廓上與駐極體層4、5的波狀輪廓相匹配。圖5示出了圖4所示的電-機械轉(zhuǎn)換器的變型。與駐極體層4、5接觸的電極2、3在其上側(cè)和下側(cè)具有與駐極體層4、5的輪廓相匹配的波狀輪廓。其中轉(zhuǎn)換器的橫截面輪廓整體被優(yōu)化至高度擴展情況下的`厚度特性。
權(quán)利要求
1.電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述轉(zhuǎn)換器包括至少一個介電彈性體層(I)、電極(2、3)和至少一個駐極體層(4、5)， 其中介電彈性體層(I)與至少一個駐極體層(4)接觸， 其中至少一個駐極體層(4)帶有電荷并且與第一電極(2)接觸，并且 其中第二電極⑶布絡(luò)于介電彈性體層⑴的與第一電極⑵相對的側(cè)面。
2.權(quán)利要求1的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 介電彈性體層(I)在相對的側(cè)面上與第一駐極體層(4)和第二駐極體層(5)接觸， 其中第一駐極體層(4)和第二駐極體層(5)帶有相反的電荷，并且 其中第一駐極體層(4)與第一電極(2)接觸并且第二駐極體層(5)與第二電極(3)接觸。
3.權(quán)利要求1或2的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 介電彈性體層(I)的至少一個側(cè)面具有沿著至少一個方向的具有凸起(6)和凹陷(7)的波狀橫截面輪廓。
4.權(quán)利要求3的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 與至少一個駐極體層(4)接觸的側(cè)面和與該側(cè)面相對的介電彈性體層(I)的側(cè)面具有沿著相同方向的具有凸起(6)和凹陷(7)的波狀橫截面輪廓，并且其中一個側(cè)面的輪廓的凸起(6)和凹陷(7)與介電彈性體層(I)的另一個側(cè)面的外形的凸起(6)和凹陷(7)相平行。
5.權(quán)利要求3的電-機械轉(zhuǎn)換器,其特征在于 至少一個駐極體層(4)和/或至少第一電極(2)具有沿著至少一個方向的波狀橫截面輪廓，所述輪廓與所接觸的介電彈性體層(I)側(cè)面的波狀橫截面輪廓相匹配。
6.權(quán)利要求1至5中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 介電彈性體層(I)包含聚氨酯聚合物、硅酮聚合物和/或丙烯酸酯聚合物。
7.權(quán)利要求1至6中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 介電彈性體層(I)的材料的介電常數(shù)為>2。
8.權(quán)利要求1至7中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 至少一個駐極體層(4)包含選自下列的聚合物聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚全氟烷氧基乙烯(PFA)、聚酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚醚、聚(甲基)丙烯酸甲酯、環(huán)烯聚合物、環(huán)烯共聚物(COC)、聚烯烴、聚丙烯和所述聚合物的混合物。
9.權(quán)利要求1至8中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 至少第一電極⑵的材料選自金屬、金屬合金、導(dǎo)電低聚物或聚合物、導(dǎo)電氧化物，和/或用導(dǎo)電填料填充的聚合物。
10.權(quán)利要求1至9中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器，其特征在于 介電彈性體層(I)與至少一個駐極體層(4)的厚度比為彡1:1至彡100:1。
11.權(quán)利要求1至10中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括下列步驟 (al)提供介電彈性體層(I)； (bl)將介電彈性體層(I)與第一駐極體層(4)接觸；(cl)將之前獲得的裝鉻充電以使第一駐極體層(4)帶有電荷； (dl)將第一駐極體層(4)與第一電極(2)接觸；和 (el)將第二電極布鉻于介電彈性體層⑴的與第一電極⑵相對的側(cè)面。
12.權(quán)利要求1至10中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器用作執(zhí)行器、傳感器或發(fā)電機的用途。
13.執(zhí)行器、感受器或發(fā)電機，包括權(quán)利要求1至10中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器。
14.獲得電能的方法，包括下列步驟 (a2)提供發(fā)電機元件，其中發(fā)電機元件具有縱向方向和厚度方向并且包括至少一個在縱向方向布鉻的駐極體層或多個在縱向方向布鉻的相對的駐極體層， 其中在發(fā)電機元件的厚度方向上的駐極體層內(nèi)存在電荷分離，并且該駐極體層在厚度方向上的相對的側(cè)面上與電極接觸，或 其中駐極體層帶有電荷并且該駐極體層在厚度方向上的相對的側(cè)面上與電極接觸，或其中一個駐極體層帶有電荷并且另一個駐極體層帶有不同或相同的電荷，并且這些駐極體層各自與電極接觸； (b2)沿著縱向方向擴展發(fā)電機元件并且從電極得到電荷；和 (c2)沿著縱向方向松弛發(fā)電機元件并且從電極得到電荷。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于 所述發(fā)電機元件為權(quán)利要求1至10中任一項的電-機械轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及電-機械轉(zhuǎn)換器，包括至少一個介電彈性體層(1)、至少一個駐極體層(4、5)，和兩個電極(2、3)，其中介電彈性體層(1)與至少一個駐極體層(4)接觸，至少一個駐極體層(4)帶有電荷并且與第一電極(2)接觸并且第二電極(3)布臵于介電彈性體層(1)的與第一電極(2)相對的一側(cè)上。本發(fā)明還涉及制備該類電-機械轉(zhuǎn)換器的方法、其用途以及可應(yīng)用本發(fā)明轉(zhuǎn)換器的電能生產(chǎn)。對用于產(chǎn)生電能的轉(zhuǎn)換器的操作可以以平面模式(d31模式)進行。
文檔編號H01L41/113GK103069601SQ201180040124
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者W·杰寧格, J·瓦格納, 迪莉婭妮·洛韋拉-普列托, D·查佩勒, P·基恩 申請人:拜耳知識產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司