CN103069601A - 电-机械转换器、其制备方法及其用途 - Google Patents

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J·瓦格纳
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Abstract

本发明涉及电-机械转换器，包括至少一个介电弹性体层(1)、至少一个驻极体层(4、5)，和两个电极(2、3)，其中介电弹性体层(1)与至少一个驻极体层(4)接触，至少一个驻极体层(4)带有电荷并且与第一电极(2)接触并且第二电极(3)布臵于介电弹性体层(1)的与第一电极(2)相对的一侧上。本发明还涉及制备该类电-机械转换器的方法、其用途以及可应用本发明转换器的电能生产。对用于产生电能的转换器的操作可以以平面模式（d31模式）进行。

Description

电-机械转换器、其制备方法及其用途
本发明涉及电-机械转换器。本发明还涉及电-机械转换器的制备方法及其用途。本发明还涉及获得电能的方法，其中可使用本发明的转换器。
电-机械转换器使电能转化为机械能并且反之亦然。其可以用作传感器、执行器和发电机的部件。例如，WO2001/06575A1公开了一种能量转换器、其用途及其制备。能量转换器使机械能转换为电能。一些示出的能量转换器包括预应力聚合物。预加应力改进电能和机械能之间的转化。还公开了一种包括使电能转化为机械能的电活性聚合物的装臵。还公开了适应能量转换器中聚合物形式的电极。也公开了制备包括一种或多种电活性聚合物的机电装臵的方法。
目前为止仅记载了以所谓的厚度模式（d33模式）使用铁电驻极体材料并且特别是聚合物铁电驻极体。然而，由于理论上可以实现的更大的扩展，所以以平面模式（d31模式）进行操作也同样需要。该操作特别是在能量生产领域引起了人们的兴趣。
会议论文“Three-layer ferroelectrets from perforated
Figure BDA00002840691400011
films fused between two homogeneous
Figure BDA00002840691400012
films”，2007Annual Report Conference on Electrical Insulation andDielectric Phenomena by H.C.Basso,R.A.P.Altafim,R.A.C.Altafim,A.Mellinger,Peng Fang,W.Wirges和R.Gerhard中记载了具有均匀空隙的聚合物铁电驻极体的制备方法。两个均一的
Figure BDA00002840691400013
膜通过与其热粘合的
Figure BDA00002840691400014
膜而彼此隔离。
Figure BDA00002840691400015
膜具有许多均匀的孔。因此形成了具有FEP底部和顶部以及PTFE壁的密闭空隙。
用正极性和负极性充电FEP顶层和FEP底层后，空隙形成大的偶极，其可以通过机械作用或电作用而变形。因此，三层夹层结构显示出正压电性和逆压电性。使各层连接的连续方法包括用热的圆柱轧辊挤压，其在高达310℃的温度下进行操作。这使得可以大规模制备廉价的转换器材料。该会议论文涉及三层铁电驻极体的设计、加工、充电和机电特性。
介电弹性体和用于电-机械转换器的其他材料的层状复合物公开于US2009/0169829A1。该专利申请涉及一种多层复合物，其具有膜、第一导电层和至少一个中间层，所述中间层布臵于所述膜和第一导电层之间。所述膜由介电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图案。第一导电层附着于该表面图案并且具有波浪形状，所述波浪形状通过膜的表面图案形成。
根据该专利申请中记载的发明的一个实施方案，中间层可以通过膜表面的等离子体处理而获得。中间层用于改进导电层与膜之间的粘着力。
国际专利申请WO2008/076271A1提供了电活性聚合物与压电聚合物的一种具体的结合。该申请记载了集成传感器/执行器，其使用电活性聚合物。传感器/执行器包括离子聚合物/金属复合物的执行器部分、压电材料的传感器部分以及执行器部分和传感器部分之间的绝缘部分。该传感器/执行器还可以具有用于接收来自传感器部分的传感器信号和来自执行器部分的执行器信号的补偿电路，其中所述电路补偿用于执行器部分和传感器部分的耦合的接受信号。然而，其中公开的结构不适用于元件的表面方向上的能量生产操作。
本发明的目的是提供本文开始时提及的类型的电-机械转换器，其特征在于可以具有更大扩展的操作，特别是在表面方向上。
该目的根据本发明实现，并且转换器包括至少一个介电弹性体层、电极和至少一个驻极体层，其中所述介电弹性体层与所述至少一个驻极体层接触，其中所述至少一个驻极体层带有电荷并且与第一电极接触，并且其中第二电极布臵于介电弹性层的与第一电极相对的一侧。
本发明的电-机械转换器首先是基于常规发现：介电位移（电通量密度）可以通过改变两个参数而改变，所述介电位移决定了该转换器的操作。介电位移可以由电场强度和电场常数的乘积与极化作用的和给出：
D → = ϵ 0 E → + P →
将第二电极布臵于介电弹性体层的与第一电极相对的一侧可以是指弹性体层与电极接触。然而，驻极体层和其他层也可以位于电极和弹性体层之间。
转换器在纵向或表面方向上的扩展或压缩引起体系的电场常数和/或极化作用的变化。因此可以以平面模式（d31模式）操作转换器以产生能量。
与以平面模式操作并且其中注意到千分之几范围内的偏移（excursions in the per-thousand range）的压电转换器相比，本发明的转换器可以以大得多的扩展进行操作。例如在操作期间的最大扩展率可以为≥10%、≥20%、≥30%或者甚至≥50%。以此方式，对于例如构建更有效的电-机械转换器而言获得了新的可能性。
例如，介电弹性体可以具有的最大张力≥0.2Mpa并且最大扩展率≥100%。在最高达≤200%的使用扩展率范围中，张力可以为≥0.1Mpa至≤50Mpa（根据ASTM D412测定）。弹性体在100%扩展率下还可以具有弹性模量≥0.1Mpa至≤100MPa（根据ASTM D412测定）。
弹性体层和/或一层或多层驻极体层可以为压缩形式。这在本发明范围内应理解为是指在所述层中空隙比例为≥0体积%至≤5体积%并且特别是≥0体积%至≤1体积%。
还优选弹性体层和一层或多层驻极体层在其范围内连接在一起。连接的性质特别地可以是基于材料的连接。
一层或多层驻极体层与其相关的电极接触的性质没有进一步指定于该点上并且可以在例如侧面或表面上进行。当介电弹性体层与在相对侧上的驻极体层接触时，各自形成面向和远离介电弹性体层的驻极体层侧面。优选第一驻极体层以其远离介电弹性体层的侧面与第一电极接触。
电极还可以是结构化的。结构化的电极可以为以条形或格子形的导电涂层形式。因此可以另外影响电-机械转换器的灵敏度并且适应于具体的应用。例如，可以构造电极以使转换器具有活性的和中性的区域。特别地，可以构造电极从而可以以空间分辨方式检测信号或可以有目的地触发活性区域。这可以通过为活性区域提供电极，而中性区域不具有电极来实现。
介电弹性体层的厚度可以为例如≥10μm至≤500μm并且优选≥20μm至≤200μm范围内。第一驻极体层和/或其它驻极体层的厚度可以为例如≥1μm至≤200μm并且优选≥2μm至≤100μm范围内。
本发明的实施方案在下文进行描述，单个实施方案可以根据需要彼此结合，除非本发明明确并非如此。
在本发明的电-机械转换器的一个实施方案中，介电弹性体层在相对的两侧与第一驻极体层和第二驻极体层接触，其中第一驻极体层和第二驻极体层带有相反的电荷并且其中第一驻极体层与第一电极接触并且第二驻极体层与第二电极接触。
通过在纵向或表面方向上扩展或压缩转换器，两个带不同电荷的驻极体层一起靠近或分开。因此可以以平面模式（d31模式）操作转换器以进行能量生产。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，介电弹性体层至少一侧具有沿着至少一个方向的波状的具有凸起和凹陷的横截面轮廓。
优选地，具有沿着至少一个方向的波状的具有凸起和凹陷的横截面轮廓的侧面为至少一个介电弹性体层的与第一电极和/或第二电极（当存在时）接触的侧面。
本文中的“波状”应理解为是指凸起或凹陷的规则或不规则的序列。优选为规则的序列。由一个凸起至相邻凸起的距离可以为例如≥1μm至≤5000μm并且优选为≥5μm至≤2000μm。从凹陷的最低点至相邻凸起的最高点的垂直距离可以为例如≥0.3μm至≤5000μm并且优选≥5μm至≤2000μm。
沿着一个方向的波状轮廓的实例为：在具有厚度方向、纵向方向和横向方向的弹性体层中，波状轮廓仅在纵向方向上形成。另一个实例为该轮廓存在于纵向方向和横向方向的情况。
波状轮廓的优点为当弹性体层在波的方向上扩展时，更多的材料可以用于扩展。
介电弹性体层侧面的波状轮廓为正弦波形或三角波形是有利的。这些波形应理解为可以使用垂直和/或水平刻度的任何所需的正弦或三角形波。然而，优选遵循等式y=sin(x)的正弦波或其中三角形的顶点形成直角的三角形波。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，与至少一个驻极体层接触的介电弹性体层的侧面和与该侧面相对的介电弹性体层的侧面具有沿着相同方向具有凸起和凹陷的波状横截面轮廓，并且一个侧面轮廓的凸起和凹陷还与介电弹性体层的另一侧面轮廓的凸起和凹陷平行。则在波运行方向上的弹性体层的厚度甚至在较大扩展的情况下也可以尽可能保持均匀。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，至少一个驻极体层和/或至少第一电极具有沿着至少一个方向的波状横截面轮廓，所述横截面轮廓与介电弹性体层的接触侧面的波状横截面轮廓相匹配。以此方式，驻极体层和/或电极层也可以容易地适应弹性体层的扩展。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，介电弹性体层包括聚氨酯聚合物、硅酮聚合物和/或丙烯酸酯聚合物。优选为聚氨酯弹性体。这些聚合物可以通过多异氰酸酯A)和/或多异氰酸酯预聚物B)与至少一种对异氰酸酯基团具有反应性的二官能化合物C)在聚氨酯化学中常规的催化剂D)的存在下进行反应而制备。
适合作为多异氰酸酯A)的为例如1,4-亚丁基二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)、2,2,4-和/或2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、同分异构的二-(4,4'-异氰酸根合环己基)甲烷或其任意所需异构体含量的混合物、1,4-环己基二异氰酸酯、4-异氰酸根合甲基-1,8-辛烷二异氰酸酯(壬烷三异氰酸酯)、1,4-亚苯基二异氰酸酯、2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯、1,5-亚萘基二异氰酸酯、2,2'-和/或2,4'-和/或4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,3-和/或1,4-二-(2-异氰酸根合-丙-2-基)-苯(TMXDI)、1,3-二(异氰酸根合甲基)苯(XDI)、具有含1至8个碳原子的烷基的2,6-二异氰酸根合己酸烷基酯(赖氨酸二异氰酸酯)，以及其混合物。组分A)的其他的合适的结构单元为基于提及的二异氰酸酯并且含有脲二酮、异氰脲酸酯、缩二脲、亚氨基噁二嗪二酮或噁二嗪三酮结构的化合物。
组分A)优选可为平均NCO官能度为2至4且仅具有脂族或脂环族键合的异氰酸酯基团的多异氰酸酯或多异氰酸酯混合物。优选为具有脲二酮、异氰脲酸酯、缩二脲、亚氨基噁二嗪二酮或噁二嗪三酮结构以及其混合物的上述类型的多异氰酸酯或多异氰酸酯混合物，并且多异氰酸酯混合物的平均NCO官能度为2至4，优选为2至2.6并且特别优选为2至2.4。
可以用作组分B)的多异氰酸酯预聚物可以通过一种或多种二异氰酸酯与一种或多种羟基官能的（特别是聚合的）多元醇反应，任选地加入催化剂以及辅助性物质和添加剂而获得。此外，用于扩链的组分例如伯氨基和/或仲氨基（NH2-和/或NH-官能组分）可以另外用于形成多异氰酸酯预聚物。
组分B)的多异氰酸酯预聚物可以优选通过聚合的多元醇与脂族二异氰酸酯反应而获得。用于反应以形成多异氰酸酯预聚物B)的羟基官能的聚合多元醇可以为例如聚酯多元醇、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。这些多元醇可以以其自身或与另一种多元醇的任意所需混合物用于制备多异氰酸酯预聚物。
用于制备多异氰酸酯预聚物B)的合适的聚酯多元醇可以为二元醇和任选地三元醇和四元醇与二羧酸和任选地三羧酸和四羧酸或羟基羧酸或内酯的缩聚产物。还可以使用相应的多羧酸酐或相应的低级醇的多羧酸酯代替游离的多羧酸以制备聚酯。
合适的二元醇的实例为乙二醇、丁二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚亚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-己二醇及其异构体、新戊二醇或羟基新戊酸新戊二醇酯或其混合物，优选为1,6-己二醇及其异构体、1,4-丁二醇、新戊二醇以及羟基新戊酸新戊二醇酯。还可以使用多元醇例如三羟甲基丙烷、丙三醇、赤藻糖醇、季戊四醇、三羟甲基苯或三羟乙基异氰脲酸酯或其混合物。
可以使用邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、四氢邻苯二甲酸、六氢邻苯二甲酸、环己二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、戊二酸、四氯邻苯二甲酸、马来酸、富马酸、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为二羧酸。还可以使用相应的酸酐作为酸源。
如果待酯化的多元醇的平均官能度≥2，还可以另外伴随使用单羧酸例如苯甲酸和己烷甲酸。
优选的酸为上述类型的脂族酸或芳族酸。特别优选为己二酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸。
可以在具有端羟基的聚酯多元醇的制备中作为反应物伴随使用的羟基羧酸为例如羟基己酸、羟基丁酸、羟基癸酸或羟基硬脂酸或其混合物。合适的内酯为己内酯、丁内酯或其同系物或混合物。优选己内酯。
还可以将含羟基的聚碳酸酯——例如聚碳酸酯多元醇，优选聚碳酸酯二醇——用于制备多异氰酸酯预聚物B)。例如，所述含羟基的聚碳酸酯的数均分子量Mn可以为400g/mol至8000g/mol，优选600g/mol至3000g/mol。其可以通过碳酸衍生物（例如碳酸二苯酯、碳酸二甲酯或光气）与多元醇（优选二元醇）反应而获得。
适于此目的的二元醇的实例为乙二醇、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、1,4-二羟甲基环己烷、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、双酚A或上述类型的经内酯改性的二醇，或其混合物。
二醇组分优选包含40重量%至100重量%的己二醇，优选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基团外可以包括酯基或醚基。所述衍生物可以通过例如己二醇与过量的己内酯进行反应或通过己二醇与其自身进行醚化反应以形成二己二醇或三己二醇而得到。选择这些组分和其他组分的量使得其总和不超过100重量%并且特别是为100重量%。
含羟基的聚碳酸酯，特别是聚碳酸酯多元醇优选为线性结构。
聚醚多元醇也可以用于制备多异氰酸酯预聚物B)。例如，合适的聚丁二醇聚醚可以由四氢呋喃通过阳离子开环进行聚合而获得。同样合适的聚醚多元醇可以为氧化苯乙烯、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷和/或表氯醇在二官能或多官能起始分子上的加成产物。可以用作合适的起始分子的为例如水、丁基二乙二醇、丙三醇、二乙二醇、三羟甲基丙烷、丙二醇、山梨醇、乙二胺、三乙醇胺或1,4-丁二醇或其混合物。
用于制备多异氰酸酯预聚物B)的优选组分为聚丙二醇、聚丁二醇聚醚和聚碳酸酯多元醇或其混合物，特别优选为聚丙二醇。
可以使用数均分子量Mn为400g/mol至8000g/mol，优选400g/mol至6000g/mol并且特别优选600g/mol至3000g/mol的聚合多元醇。其OH官能度优选为1.5至6，特别优选1.8至3，最特别优选1.9至2.1。
除所提及的聚合多元醇外，还可以将短链的多元醇用于制备多异氰酸酯预聚物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、环己二醇、1,4-环己烷二甲醇、1,6-己二醇、新戊二醇、氢醌二羟基乙基醚、双酚A(2,2-二(4-羟基苯基)丙烷)、氢化双酚A(2,2-二(4-羟基环己基)丙烷)、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、丙三醇或季戊四醇或其混合物。
还合适的为所述分子量范围的酯二醇例如α-羟基丁基-ε-羟基-己酸酯、ω-羟基己基-γ-羟基丁酸酯、己二酸(β-羟基乙基)酯或对苯二甲酸双(β-羟基乙基)酯。
单官能的异氰酸酯反应性的含羟基化合物也可以用于制备多异氰酸酯预聚物B)。这种单官能化合物的实例为乙醇、正丁醇、乙二醇单丁醚、二乙二醇单甲醚、二乙二醇单丁醚、丙二醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、三丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚、丙二醇单丁醚、二丙二醇单丁醚、三丙二醇单丁醚、2-乙基己醇、1-辛醇、1-十二烷醇或1-十六烷醇或其混合物。
为制备多异氰酸酯预聚物B)，二异氰酸酯可以优选与多元醇以异氰酸酯基团与羟基的比例（NCO/OH比）为2:1至20:1（例如8:1）进行反应。由此可以形成尿脂和/或脲基甲酸酯结构。一部分未反应的多异氰酸酯可以随后分离。例如薄层蒸馏可以用于此目的，所获得的低残留单体产物的残留单体含量为例如≤1重量%，优选≤0.5重量%，特别优选≤0.1重量%。反应温度可以为20℃至120℃，优选60℃至100℃。可以在制备过程中任选地加入稳定剂，例如苯甲酰氯、间苯二甲酰氯、磷酸二丁酯、3-氯丙酸或甲苯磺酸甲酯。
NH2-和/或NH-官能组分可以额外地在制备多异氰酸酯预聚物B)中用于扩链。
用于扩链的合适组分为有机二胺或多胺。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、异氟尔酮二胺、2,2,4-和2,4,4-三甲基六亚甲基二胺的异构体混合物、2-甲基五亚甲基二胺、二亚乙基三胺、二氨基二环己基甲烷或二甲基乙二胺或其混合物。
此外，还可以使用除伯胺基外还含有仲胺基，或除胺基（伯胺基或仲胺基）外还含有OH基的化合物以制备多异氰酸酯预聚物B)。其实例为伯胺/仲胺，例如二乙醇胺、3-氨基-1-甲基氨基丙烷、3-氨基-1-乙基氨基丙烷、3-氨基-1-环己基氨基丙烷、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。对于链终止，通常使用具有异氰酸酯-反应性基团的胺，例如甲胺、乙胺、丙胺、丁胺、辛胺、十二烷基胺、十八烷基胺、异壬基氧基丙胺、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、吗啉、哌啶或其合适地取代的衍生物、二伯胺和单羧酸的酰氨基胺、二伯胺的单酮亚胺、伯胺/叔胺例如N,N-二甲基氨基丙胺。
用作组分B)的多异氰酸酯预聚物或其混合物优选具有的平均NCO官能度可为1.8至5，特别优选2至3.5并且最特别优选2至3。
组分C)为具有至少两个异氰酸酯-反应性官能团的化合物。例如，组分C)可以为具有至少两个异氰酸酯-反应性羟基的多胺或多元醇。
可以用作组分C)的为羟基官能多元醇，特别是聚合多元醇例如聚醚多元醇或聚酯多元醇。在上面关于预聚物B)的制备中已经描述了合适的多元醇，因此为避免重复，参考以上内容。
组分C)优选为每个分子具有2至4个羟基的聚合物，最特别优选每个分子具有2至3个羟基的聚丙二醇。
如果聚合多元醇C)具有特别窄的分子量分布——即多分散度（PD=Mw/Mn）为1.0至1.5，则将是有利的。例如，聚醚多元醇优选具有的多分散度为1.0至1.5并且OH官能度大于1.9，并且特别优选大于或等于1.95。
所述聚醚多元醇可以以本身已知的方法通过合适的起始分子的烷氧基化反应，特别是使用双金属氰化物催化剂（DMC催化剂）来制备。该方法记载于例如专利说明书US5,158,922和德国公开说明书EP0654302A1。
用于聚氨酯的反应混合物可以通过使组分A)和/或B)和C)混合而获得。异氰酸酯-反应性羟基与游离异氰酸酯基团的比例优选为1:1.5至1.5:1，特别优选1:1.02至1:0.95。
优选地，至少一种组分A)、B)或C)的官能度≥2.0，优选≥2.5，优选≥3.0，从而将支化或交联引入至聚合物单元中。对于组分A)和B)，术语“官能度”是指每个分子中NCO基团的平均数量，并且对于组分C)，其是指每个分子中OH基团的平均数量。所述支化或交联带来更好的机械特性和更好的弹性，特别是还带来更好的扩展特性。得到的聚氨酯聚合物优选具有≥0.2MPa特别是0.4MPa至50MPa的最大张力，以及≥100%特别是≥120%的最大扩展率。此外，聚氨酯在最高达≤200%的使用扩展范围内具有0.1MPa至50MPa的张力，例如0.5MPa至40MPa特别是1MPa至30MPa的张力（根据ASTM D412测定）。此外，聚氨酯在100%的扩展率时可以具有0.1Mpa至100Mpa，例如1MPa至80Mpa的弹性模量（根据ASTM D412测定）。
得到的聚氨酯聚合物优选为具有≥1012至≤1017欧姆/cm的体积电阻率（根据ASTM D257）的介电弹性体。对于聚氨酯聚合物还优选具有≥50V/μm至≤200V/μm的介电击穿电压（根据ASTM149-97a）。
除包含组分A)、B)、C)和D)外，用于制备聚氨酯的反应混合物还包含辅助性物质和添加剂。所述辅助性物质和添加剂的实例为交联剂、增稠剂、溶剂、触变剂、稳定剂、抗氧化剂、光稳定剂、乳化剂、表面活性剂、粘合剂、增塑剂、疏水剂、颜料、填料和助流剂。优选的溶剂为乙酸甲氧基丙酯和乙酸乙氧基丙酯。优选的助流剂为聚丙烯酸酯，特别是氨基树脂改性的丙烯酸共聚物
例如填料可以调节聚合物元件的介电常数。反应混合物优选包含用于提高介电常数的填料，例如具有高介电常数的填料。其实例为陶瓷填料，特别是钛酸钡、二氧化钛和压电陶瓷，例如石英或锆钛酸铅，以及有机填料，特别是具有高电极化率的填料，例如酞菁类化合物。
高介电常数可以另外通过掺入低于逾渗阈值的导电填料来实现。其实例为炭黑、石墨、单壁或多壁碳纳米管、导电聚合物例如聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯，或其混合物。本文感兴趣的特别是具有表面钝化并且因此在低于逾渗阈值的低浓度下提高介电常数然而不会导致聚合物电导率增加的那些炭黑类型。
应当指出与本发明有关并且特别是与组分A)、B)和C)有关的术语“一个”不是用作数字而是作为不定冠词，除非本文中明确作出不同解释。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，介电弹性体层的材料的介电常数εr为≥2。介电常数还可以为≥2至≤2000或≥3至≤1000。介电常数的测定根据ASTM150-98进行。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，至少一个驻极体层包含选自下列的聚合物：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、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚、聚(甲基)丙烯酸甲酯、环烯聚合物、环烯共聚物（COC）、聚烯烃、聚丙烯和所述聚合物的混合物。如果存在多于一个的驻极体层，这同样也相应地适用于该层。优选的材料为FEP。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，至少第一电极的材料选自金属、金属合金、导电低聚物或聚合物、导电氧化物，和/或用导电填料填充的聚合物。如果存在第二电极，这同样也相应地适用于第二电极。可以使用的导电低聚物或聚合物为例如聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯。可以用于用导电填料填充的聚合物中的填料为例如金属、基于导电碳的材料，例如炭黑、碳纳米管（CNTs）或导电低聚物或聚合物。聚合物的填料含量优选高于逾渗阈值以使导电填料在用导电填料填充的聚合物内形成连续导电通路。
在本发明的电-机械转换器的另一个实施方案中，介电弹性体层和至少一个驻极体层的厚度比为≥1:1至≤100:1。在每种情况下，厚度比表示弹性体层和驻极体层的厚度并且还可以为≥2:1至≤50:1。
本发明还涉及制备本发明的电-机械转换器的方法，包括下列步骤：
(a1)提供介电弹性体层；
(b1)将介电弹性体层与第一驻极体层接触；
(c1)将之前获得的装臵充电以使第一驻极体层带有电荷；
(d1)将第一驻极体层与第一电极接触；和
(e1)将第二电极布臵于介电弹性体层的与第一电极相对的侧面。
在本发明的该方法中，步骤的顺序，特别是步骤(b1)和(c1)的顺序不是从一开始就固定的。例如，还可以在(c1)后，首先进行(b1)然后进行(d1)和(e1)。
提供介电弹性体层可以有利地直接由轧辊进行，从而可以进行“卷对卷”方法。出于同样的考虑，也可以这样提供驻极体层。
使弹性体层与介电层接触可以通过例如在高温下层压而实现。由此可以在单独的层之间形成牢固的连接。
或者，也可在上述步骤中使用基于溶剂的或挤出和共挤出的方法。
两个驻极体层如此充电以使其具有相反的电荷。这可以通过例如摩擦起电、电子束轰击、将电压施加至已经存在的电极或电晕放电而进行。特别地，充电还可以通过二电子电晕装臵进行。针电压可以为≥20kV、≥25kV并且特别是≥30kV。充电时间可以为≥20秒、≥25秒并且特别是≥30秒。电晕处理还可以有利地大规模地成功进行。
驻极体层可以通过常规方法例如溅射、喷雾、气相沉积、化学气相沉积（CVD）、印刷、刮刀施用和旋涂而与电极接触。
当第二电极布臵于介电弹性体层的与第一电极相对的侧面时，原则上可以使用相同的步骤。弹性体层可以与第二电极接触。然而，驻极体层例如可以位于第二电极和弹性体层之间，然后将驻极体层相应地接触。
本发明还提供本发明的电-机械转换器用作执行器、传感器或发电机的用途。该用途可以用于例如机电和/或电声领域。特别地，本发明的电-机械转换器可以用于以下领域：由机械振动的能量生产（能量收集）、声、超声、医学诊断、声显微镜、机械传感器技术，特别是压力、力和/或扩展传感器技术、机器人和/或通信技术，特别是扩音器、振动传感器、光偏转器、膜、纤维光学调节器、焦热电探测器、电容器和控制系统。
本发明还涉及包括本发明的电-机械转换器的执行器、传感器或发电机。为避免不必要的冗长段落，对于详细和具体的实施方案参考上述关于转换器的说明。
本发明还提供获得电能的方法，包括下列步骤：
(a2)提供发电机元件，其中发电机元件具有纵向方向和厚度方向并且包括至少一个在纵向方向上布臵的驻极体层或多个在纵向方向上布臵的相对的驻极体层，
其中在发电机元件的厚度方向上的驻极体层内存在电荷分离，并且所述驻极体层在厚度方向上的相对的侧面上与电极接触，或
其中驻极体层带有电荷并且该驻极体层在厚度方向上的相对的侧面上与电极接触，或
其中一个驻极体层带有电荷并且另一个驻极体层具有不同或相同的电荷，并且这些驻极体层各自与电极接触；
(b2)使发电机元件沿着纵向方向扩展并且从电极得到电荷；和
(c2)使发电机元件沿着纵向方向松弛并且从电极得到电荷。
本发明获得电能的方法起始于以下发现：发电机元件以平面模式（d31模式）操作。在最简单的情况下，发电机元件为足够厚的驻极体层，所述驻极体层中沿着其厚度存在宏观电荷分离并且其可以通过电极连接至合适的电路。还可以存在两面均与电极接触的带电驻极体层。
另一种简单的情况是存在两个带相同或不同电荷且空间上分离的叠加驻极体层。
发电机元件沿着其纵向方向扩展。扩展一般也可以在表面方向上进行。在扩展时，电极的相对间距优选变化，其结果是在对称构建发电机的情况下产生了电荷位移。然而，在对称的情况下相对的驻极体层的表面积也可以改变，从而导致介电位移。得到的电压得自电极并且可以使用。当发电机元件松弛时，进行逆过程。
在本发明该方法的一个实施方案中，发电机元件为如下所述的电-机械转换器。为避免不必要的冗长段落，对于详细和具体的实施方案参考上述关于转换器的说明。
通过下列附图对本发明进行进一步解释，但并不限于此。在附图中：
图1示出了一种电-机械转换器
图2示出了另一种电-机械转换器
图3示出了另一种电-机械转换器
图4示出了另一种电-机械转换器
图5示出了另一种电-机械转换器。
图1以横截面视图示出了一种电-机械转换器。其可以为层压膜的横截面视图。在此图中，该装臵厚度方向为垂直方向并且纵向方向为水平方向。
介电弹性体层1的上侧与第一驻极体层4接触。这些驻极体层的电荷通过符号“+”示意性地示出。这可以在转换器制备过程中在电晕放电过程中实现。在驻极体层4的远离介电弹性体层1的侧面上布臵有第一电极2。第二电极3位于介电弹性体层的远离驻极体层4的侧面上。
当转换器在纵向方向扩展时，其厚度降低。由于在扩展过程中驻极体层4与第一电极2之间的距离保持恒定但是驻极体层4与第二电极3之间的距离改变，因此出现压电效应。由此产生的电压可以通过电极2和电极3导出（tapped）。
图2以横截面视图示出了另一种电-机械转换器。例如，其还可以为层压膜的横截面视图。在此图中，该装臵的厚度方向为垂直方向并且纵向方向为水平方向。
介电弹性体层1在其上侧和在其相对的下侧与第一驻极体层4和第二驻极体层5接触。两个驻极体层4、5的相反电荷通过符号“+”和“-”示意性地示出。这可以在转换器制备过程中在电晕放电过程中通过合适地布臵电极而实现。
面对和远离介电弹性体层1的驻极体层4、5的侧面通过驻极体层4、5的定位而形成。第一电极2位于第一驻极体层4的远离弹性体层1的侧面。相应地，第二电极3位于第二驻极体层5的远离弹性体层1的侧面。
当转换器沿着纵向方向扩展时，在厚度方向上存在收缩。这导致带相反电荷的驻极体层4和5一起靠近。当沿着纵向方向松弛时，驻极体层4和5再次分开。由于压电效应而产生的电压可以通过电极2和3导出。
图3示出了图2所示的电-机械转换器的变型。两个驻极体层4、5现在具有相同的正电荷。当然，所述层还可以带负电。当转换器沿着纵向扩展时，由于相对面的尺寸的变化，此时也产生压电效应。
图4示出了图2所示的电-机械转换器的另一种变型。其中，介电弹性体层1沿着纵向方向具有波状的横截面轮廓。在该情况下，波状横截面形成于与驻极体层4和5均有接触的弹性体层1的侧面。波状横截面轮廓具有凸起6和凹陷7。弹性体层1的上侧和下侧的凸起6和凹陷7相平行。其优点是：弹性体层1纵向方向上的厚度在纵向方向上进行较大扩展的情况下仍然保持尽可能地均匀。
驻极体层4、5在两个面上均具有波状横截面轮廓，其与弹性体层1的轮廓相匹配。其中，在纵向方向较大扩展的情况下的特性也是有利的。与驻极体层4、5接触的电极2、3的侧面在其横截面轮廓上与驻极体层4、5的波状轮廓相匹配。
图5示出了图4所示的电-机械转换器的变型。与驻极体层4、5接触的电极2、3在其上侧和下侧具有与驻极体层4、5的轮廓相匹配的波状轮廓。其中转换器的横截面轮廓整体被优化至高度扩展情况下的厚度特性。

Claims (15)

1.电-机械转换器，其特征在于：
所述转换器包括至少一个介电弹性体层(1)、电极(2、3)和至少一个驻极体层(4、5)，
其中介电弹性体层(1)与至少一个驻极体层(4)接触，
其中至少一个驻极体层(4)带有电荷并且与第一电极(2)接触，并且
其中第二电极(3)布臵于介电弹性体层(1)的与第一电极(2)相对的侧面。
2.权利要求1的电-机械转换器，其特征在于：
介电弹性体层(1)在相对的侧面上与第一驻极体层(4)和第二驻极体层(5)接触，
其中第一驻极体层(4)和第二驻极体层(5)带有相反的电荷，并且
其中第一驻极体层(4)与第一电极(2)接触并且第二驻极体层(5)与第二电极(3)接触。
3.权利要求1或2的电-机械转换器，其特征在于：
介电弹性体层(1)的至少一个侧面具有沿着至少一个方向的具有凸起(6)和凹陷(7)的波状横截面轮廓。
4.权利要求3的电-机械转换器，其特征在于：
与至少一个驻极体层(4)接触的侧面和与该侧面相对的介电弹性体层(1)的侧面具有沿着相同方向的具有凸起(6)和凹陷(7)的波状横截面轮廓，并且其中一个侧面的轮廓的凸起(6)和凹陷(7)与介电弹性体层(1)的另一个侧面的外形的凸起(6)和凹陷(7)相平行。
5.权利要求3的电-机械转换器，其特征在于：
至少一个驻极体层(4)和/或至少第一电极(2)具有沿着至少一个方向的波状横截面轮廓，所述轮廓与所接触的介电弹性体层(1)侧面的波状横截面轮廓相匹配。
6.权利要求1至5中任一项的电-机械转换器，其特征在于：
介电弹性体层(1)包含聚氨酯聚合物、硅酮聚合物和/或丙烯酸酯聚合物。
7.权利要求1至6中任一项的电-机械转换器，其特征在于：
介电弹性体层(1)的材料的介电常数εr为≥2。
8.权利要求1至7中任一项的电-机械转换器，其特征在于：
至少一个驻极体层(4)包含选自下列的聚合物：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、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚、聚(甲基)丙烯酸甲酯、环烯聚合物、环烯共聚物（COC）、聚烯烃、聚丙烯和所述聚合物的混合物。
9.权利要求1至8中任一项的电-机械转换器，其特征在于：
至少第一电极(2)的材料选自金属、金属合金、导电低聚物或聚合物、导电氧化物，和/或用导电填料填充的聚合物。
10.权利要求1至9中任一项的电-机械转换器，其特征在于：
介电弹性体层(1)与至少一个驻极体层(4)的厚度比为≥1:1至≤100:1。
11.权利要求1至10中任一项的电-机械转换器的制备方法，包括下列步骤：
(a1)提供介电弹性体层(1)；
(b1)将介电弹性体层(1)与第一驻极体层(4)接触；
(c1)将之前获得的装臵充电以使第一驻极体层(4)带有电荷；
(d1)将第一驻极体层(4)与第一电极(2)接触；和
(e1)将第二电极布臵于介电弹性体层(1)的与第一电极(2)相对的侧面。
12.权利要求1至10中任一项的电-机械转换器用作执行器、传感器或发电机的用途。
13.执行器、感受器或发电机，包括权利要求1至10中任一项的电-机械转换器。
14.获得电能的方法，包括下列步骤：
(a2)提供发电机元件，其中发电机元件具有纵向方向和厚度方向并且包括至少一个在纵向方向布臵的驻极体层或多个在纵向方向布臵的相对的驻极体层，
其中在发电机元件的厚度方向上的驻极体层内存在电荷分离，并且该驻极体层在厚度方向上的相对的侧面上与电极接触，或
其中驻极体层带有电荷并且该驻极体层在厚度方向上的相对的侧面上与电极接触，或
其中一个驻极体层带有电荷并且另一个驻极体层带有不同或相同的电荷，并且这些驻极体层各自与电极接触；
(b2)沿着纵向方向扩展发电机元件并且从电极得到电荷；和
(c2)沿着纵向方向松弛发电机元件并且从电极得到电荷。
15.权利要求14的方法，其特征在于：
所述发电机元件为权利要求1至10中任一项的电-机械转换器。
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