DE102019123894B4 - Production of an elastic dielectric from nitrile butadiene rubber or a derivative thereof - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130) für eine dielektrische Vorrichtung (100), insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor, wobei das Verfahren aufweist:Bereitstellen einer Basis (210), welche eine Basisfläche (212) aufweist,wobei die Basis (210) ein Basismaterial aufweist,wobei das Basismaterial Teil einer Elektrode (110) ist,wobei die Basisfläche (212) ein elektrisch leitfähiger, funktioneller Bereich (112) der Elektrode (110) ist, undwobei der funktionelle Bereich (112) eine Folie, eine Schicht, oder eine Beschichtung aus Metall und/oder einer Metall-Legierung aufweist;Bilden einer Elastomerschicht (230) aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial auf der Basisfläche (212),wobei das Elastomermaterial ein Copolymer aufweist,wobei das Copolymer Nitril-Butadien-Rubber, NBR, oder ein Derivat davon aufweist;zumindest teilweises Aushärten, insbesondere Vernetzen, der Elastomerschicht (230) zum Bereitstellen des elastischen Dielektrikums (130), wobei das elastische Dielektrikum (130) eine Dicke (d) von 200 µm oder weniger aufweist.A method for producing an elastic dielectric (130) for a dielectric device (100), in particular a dielectric actuator and/or a dielectric sensor, the method comprising: providing a base (210) having a base surface (212), wherein the base (210) comprises a base material, the base material being part of an electrode (110), the base surface (212) being an electrically conductive, functional area (112) of the electrode (110), and the functional area (112) being a foil, layer, or coating of metal and/or metal alloy; forming an elastomeric layer (230) of uncured elastomeric material on said base surface (212), said elastomeric material comprising a copolymer, said copolymer being nitrile butadiene Rubber, NBR, or a derivative thereof; at least partially curing, in particular crosslinking, the elastomeric layer (230) to provide the resilient board ktrikums (130), wherein the elastic dielectric (130) has a thickness (d) of 200 microns or less.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine dielektrische Vorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verwenden von einem (elastischen) Copolymer in einer dielektrischen Vorrichtung.The invention relates to a method for producing an elastic dielectric for a dielectric device (in particular a dielectric actuator and/or a dielectric sensor). Furthermore, the invention relates to a method for producing a dielectric device. The invention also relates to a dielectric device. The invention also relates to using an (elastic) copolymer in a dielectric device.
Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von dielektrischen Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen (Elastomer) Aktoren und/oder dielektrischen (Elastomer) Sensoren beziehen. Weiter insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet des Einsatzes von elastischen Copolymeren (insbesondere basierend auf NBR oder einem Derivat davon) bezüglich dielektrischer Vorrichtungen beziehen.The invention can thus relate to the technical field of dielectric devices. In particular, the invention can relate to the technical field of dielectric (elastomer) actuators and/or dielectric (elastomer) sensors. More particularly, the invention can relate to the technical field of the use of elastic copolymers (in particular based on NBR or a derivative thereof) in relation to dielectric devices.
Eine dielektrische Vorrichtung, wie z.B. ein dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA), ein dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS), ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine (bezüglich elektromechanischen Aspekten im Wesentlichen) passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (pel) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstante, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt.A dielectric device, such as a dielectric (elastomer) actuator (DEA), dielectric (elastomer) sensor (DES), or hybrid (DEAS), is constructed in principle like a compliant electrostatic capacitor. A passive elastomer layer (or a polymer layer) (essentially with regard to electromechanical aspects) is clamped between two electrode plates. When an electrical voltage U is applied (i.e. in the operating mode), the opposite electrode plates attract each other due to the electrostatic pressure (p el ). The incompressible elastomer layer is then compressed in the vertical direction and expands in the lateral direction (area expansion). The electrostatic pressure that causes the deformation is determined by the dielectric constant, the relative permittivity, and the thickness of the material, as well as the applied voltage.
Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck peq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck pel und lässt sich berechnen als: peq = ε0*εr*(U2/z2), wobei ε0 die Permittivität des Vakuums, εr die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist.The equivalent electromechanical pressure p eq occurring in the operating mode is twice the electrostatic pressure p el and can be calculated as: p eq = ε 0 *ε r *(U 2 /z 2 ), where ε 0 is the permittivity of the vacuum, ε r is the dielectric constant, and z is the layer thickness of the elastomer layer.
Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/µm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %.The movement is thus generated by the electrostatic forces which act on the elastomer layer between two electrode plates. In one example, a dielectric actuator achieves an elongation of up to 20% at a field strength of 30 V/µm. Usual unidirectional strains of dielectric actuators are, for example, in the range of 10 to 35%, maximum values are up to 300%.
Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann.Since the elastomer layer is almost incompressible, the volume remains constant during deformation. When the voltage is reduced, the excess charges flow away via the voltage source, so that the elastomer layer returns to its original shape and can exert forces due to the stored elastic energy.
Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Materialkosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen.This principle can be used both as an actuator and as a sensor and offers a number of promising technical applications. Particular advantages of these dielectric devices can be that they can be light, flexible and noiseless and also cause low material costs. However, these advantageous application options are currently opposed to unresolved production and reliability issues.
Für die insbesondere grossvolumige industrielle Herstellung von dielektrischen Vorrichtungen ist ein hohes Mass an Stabilität und Alterungsbeständigkeit für das Dielektrikum erwünscht. Für einen vorteilhaften Betrieb ist zudem eine geringe Dicke des Dielektrikums wünschenswert. Hierbei sind bekannte Laminier-Techniken nicht mehr das Mittel der Wahl, weil sich durch den für die Fabrikation benötigten Zug in y-Richtung beim Unterschreiten einer gewissen Minimaldicke zu grosse Eigenschaftsunterschiede zwischen den Haupterstreckungsrichtungen zeigen. Die vorausgehende separate Vernetzung bei Laminierverfahren erschwert auch eine erwünschte Haftung auf der (Herstellungs-) Basis (insbesondere einer Elektrode), da fast jede Möglichkeit einer kovalenten Bindung bereits vorweggenommen wurde. Ferner ist das Schaffen eines Verdrängungsraums für das Dielektrikum erwünscht bzw. notwendig. Dies, um zu verhindern (bzw. zu begrenzen), dass bei Komprimierung im Betrieb ein seitliches (in x- und y-Richtung) Auspressen von Dielektrikums-Material stattfindet. Das Bereitstellen von Verdrängungsraum ist bei einem Verwenden von elastischen Polymeren als Dielektrikums-Material durchaus herausfordernd, insbesondere wegen der Vernetzungsgeschwindigkeit und der ausgeprägten Haftung.For the particularly large-volume industrial production of dielectric devices, a high degree of stability and resistance to aging is desirable for the dielectric. In addition, a small thickness of the dielectric is desirable for advantageous operation. Known laminating techniques are no longer the method of choice here, because the tension in the y-direction required for fabrication when the thickness falls below a certain minimum results in excessive property differences between the main directions of extent. The prior separate cross-linking in laminating processes also complicates a desired adhesion on the (manufacturing) base (especially an electrode), since almost every possibility of a covalent bond has already been anticipated. Furthermore, the creation of a displacement space for the dielectric is desirable or necessary. This is to prevent (or limit) the lateral (in the x- and y-direction) squeezing out of dielectric material during compression during operation. The provision of displacement space is quite challenging when using elastic polymers as dielectric material, in particular because of the crosslinking speed and the pronounced adhesion.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elastisches Dielektrikum für eine dielektrische Vorrichtung effizient herzustellen, so dass ein vorteilhafter Betrieb (hohe Sensitivität, hohe Stabilität, und Altersbeständigkeit) ermöglicht ist.It is an object of the present invention to efficiently produce an elastic dielectric for a dielectric device, so that advantageous operation (high sensitivity, high stability, and durability) is enabled.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is solved by the subject matter according to the independent patent claims. Preferred configurations emerge from the dependent patent claims.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere einen dielektrischen (Elastomer) Aktor und/oder einen dielektrischen (Elastomer) Sensor) beschrieben. Das Verfahren weist auf:
- i) Bereitstellen einer Basis, welche eine Basisfläche aufweist, wobei die Basis ein Basismaterial aufweist, wobei das Basismaterial Teil einer Elektrode ist, wobei die Basisfläche ein elektrisch leitfähiger, funktioneller Bereich der Elektrode ist, und wobei der funktionelle Bereich eine Folie, eine Schicht, oder eine Beschichtung aus Metall und/oder einer Metall-Legierung aufweist;
- ii) Bilden einer Elastomerschicht aus nicht ausgehärtetem Elastomermaterial auf der Basisfläche, wobei das Elastomermaterial ein Copolymer aufweist, wobei das Copolymer Nitril-Butadien-Rubber, NBR, oder ein Derivat davon aufweist;
- iii) zumindest teilweises Aushärten, insbesondere Vernetzen, der Elastomerschicht zum Bereitstellen des elastischen Dielektrikums, wobei das elastische Dielektrikum eine Dicke von 200 µm oder weniger aufweist.
- i) providing a base which has a base surface, the base having a base material, the base material being part of an electrode, the base surface being an electrically conductive, functional area of the electrode, and the functional area being a foil, a layer, or has a coating of metal and/or a metal alloy;
- ii) forming an elastomeric layer of uncured elastomeric material on the base surface, the elastomeric material comprising a copolymer, the copolymer comprising nitrile butadiene rubber, NBR, or a derivative thereof;
- iii) at least partial curing, in particular crosslinking, of the elastomer layer to provide the elastic dielectric, the elastic dielectric having a thickness of 200 μm or less.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Elastomer Aktors und/oder Sensors beschrieben. Das Verfahren weist auf:
- i) Bereitstellen eines elastischen Dielektrikums wie oben beschrieben;
- ii) Strukturieren und/oder Perforieren zumindest eines Teils der Oberfläche der noch nicht ausgehärteten Elastomerschicht und/oder des festen Dielektrikums, wobei das Strukturieren durch ein lösliches und/oder auswaschbares Strukturmaterial erreicht wird;
- iii) Aufbringen von Elektrodenmaterial (insbesondere auf das noch nicht ausgehärtete Elastomermaterial), und
- iv) Bilden einer (zweiten) Elektrode aus dem Elektrodenmaterial. Dies insbesondere derart, dass die Elektrode an dem Dielektrikum haftet (z.B. durch Strukturierungen/Perforationen an der Dielektrikum-/Elektroden-Oberfläche).
- i) providing an elastic dielectric as described above;
- ii) structuring and/or perforating at least part of the surface of the not yet cured elastomer layer and/or the solid dielectric, the structuring being achieved by a soluble and/or washable structural material;
- iii) application of electrode material (particularly to the not yet cured elastomeric material), and
- iv) forming a (second) electrode from the electrode material. This in particular in such a way that the electrode adheres to the dielectric (for example through structuring/perforations on the dielectric/electrode surface).
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor beschrieben. Die Vorrichtung weist auf: i) eine erste Elektrode, ii) eine zweite Elektrode, welche gegenüber der ersten Elektrode angeordnet ist, und iii) ein elastisches Dielektrikum, welches zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist (wobei das Dielektrikum wie oben beschrieben hergestellt ist). Das elastische Dielektrikum weist ein Copolymer auf, welches wiederum Nitril-Butadien-Rubber oder ein Derivat davon aufweist. Zudem weist das elastische Dielektrikum eine Dicke von 200 µm (insbesondere 100 µm) oder weniger auf. Die erste Elektrode ist von der zweiten Elektrode verschieden.According to a further aspect of the present invention, a dielectric actuator and / o which describes a dielectric sensor. The device comprises: i) a first electrode, ii) a second electrode which is arranged opposite the first electrode, and iii) an elastic dielectric which is arranged between the first electrode and the second electrode (wherein the dielectric is as described above is made). The elastic dielectric has a copolymer, which in turn has nitrile butadiene rubber or a derivative thereof. In addition, the elastic dielectric has a thickness of 200 μm (in particular 100 μm) or less. The first electrode is different from the second electrode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verwenden eines Copolymers in einem elastischen Dielektrikum einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere einer dielektrischen Vorrichtung welche als Stapelsystem (bzw. Stapelaktor und/oder Stapelsensor) ausgebildet ist). Das Copolymer weist hierbei auf: i) eine erste Monomereinheit, welche mit der folgenden Formel (F1) dargestellt ist: - [CH2-C(R1)H] - (F1). Hierbei ist R1 ausgewählt aus: CN, CO(OH), und CO(NH2), und ii) eine zweite Monomereinheit, welche mit der folgenden Formel (F2) dargestellt ist: - [C(R2)H-(X-Y)-CH2] - (F2). Hierbei ist R2 ausgewählt aus: H, und CH3. Ferner ist X ausgewählt aus: - CH=, -CH2-, -C(CH3)=, und -C(CH3)H-, und Y ist ausgewählt aus: -CH=, und - CH2-. Das Verwenden weist ferner zumindest eines der folgenden Merkmale auf: wobei das elastische Dielektrikum eine Dicke von 200 µm oder weniger aufweist, wobei, wenn X und Y jeweils -CH= und/oder -C(CH3)= ist, in dem elastischen Copolymer 50% oder mehr der Doppelbindungen zwischen X und Y in der cis-Konfiguration vorliegen.According to a further aspect of the present invention, a copolymer is used in an elastic dielectric of a dielectric device (in particular a dielectric device which is designed as a stack system (or stack actuator and/or stack sensor)). The copolymer here comprises: i) a first monomer unit represented by the following formula (F1): - [CH 2 -C(R 1 )H] - (F1). Here, R1 is selected from: CN, CO(OH), and CO(NH 2 ), and ii) a second monomeric unit represented by the following formula (F2): - [C(R 2 )H-(XY) -CH2 ] - (F2). Here, R2 is selected from: H, and CH 3 . Further, X is selected from: -CH=, -CH 2 -, -C(CH 3 )=, and -C(CH 3 )H-, and Y is selected from: -CH=, and -CH 2 -. The use further has at least one of the following features: wherein the elastic dielectric has a thickness of 200 µm or less, wherein when X and Y are each -CH= and/or -C(CH3)=, in the elastic copolymer 50 % or more of the double bonds between X and Y are in the cis configuration.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA)“ insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden.In the context of this document, the term “dielectric (elastomer) actuator (DEA)” can be understood in particular to mean an actuator which consists of two electrodes and an intermediate spring or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material. The actuator effect is understood by the interplay of the spring forces between the electrodes (plates) on the one hand and the Coulomb attraction between the electrodes on the other.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES)“ insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung, gewonnen.In the context of this document, the term “dielectric (elastomer) sensor (DES)” can be understood in particular as meaning a sensor which consists of two electrodes and an intermediate spring or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material. The sensory measurand is obtained from the capacitance determined by the distance between the electrodes, or from the change in capacitance that occurs when the distance between the electrodes changes.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor und Sensor (DEAS)“ insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welche für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt.In the context of this document, the term "dielectric (elastomer) actuator and sensor (DEAS)" can be understood in particular as a combination of the principles of DEA and DES in one system. Features that apply to a DEA can also apply to a DES and vice versa.
Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen.In the context of this document, the coordinate system described can be understood in such a way that the directions x and y (as main directions of extent) span the surface of an electrode and the height direction z is aligned along the distance direction of two opposite (parallel aligned) electrodes. In an exemplary embodiment with regard to a manufacturing process, x can correspond to the width (cross-direction (CD) in reel-to-reel production) and y to the processing direction (machine direction (MD) in reel-to-reel production).
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode“ insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten (beispielsweise Kupfer auf Polymer) zu vermeiden, sind auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich.In the context of this document, the term "electrode" can be understood in particular as an electron conductor which is connected to a counter-electrode (then referred to as anode and cathode, or as a positive pole and a negative pole) via a (dielectric) medium located between the two electrodes in interaction stands. In this way, an electric field can be generated between the electrodes. An electrode can have a "functional (active) area" or consist entirely of the functional area. The functional area is electrically conductive (particularly containing a metal) and can thus form the active part of the electrode, which electrically interacts with the counter-electrode. Furthermore, an electrode can have an electrically non-conductive area, e.g. a carrier material, to which the functional area (e.g. as a metal foil) is applied. Furthermore, an electrode can have an (electrically conductive) contact area, to which the electrode can be contacted, or to which a voltage can be applied. According to one embodiment, the metal of the electrode (or of the functional area) is at least one from the group consisting of: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd , Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, and alloys thereof. Alloy components below 2% by weight can also consist of other metals (e.g. Si, As, etc.). Alloys can include, for example: iron alloys, brass, bronze, stainless steel, aluminum, etc. In order to avoid incompatibilities (e.g. copper on polymer), multi-layer metal structures are also possible.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum“ insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet.In the context of this document, the term “dielectric” can include, but is not limited to, any material (or substance) denote in which charge carriers essentially cannot move freely. This results in an electrically weakly conductive to non-conductive property. A dielectric can be, for example, a polymer, in particular an elastomer. A dielectric cannot be metal. Regarding a dielectric device, the dielectric can be an elastic dielectric, eg a dielectric polymer (DE). Dielectric polymers are also known as electroactive polymers (EAP) along with piezoelectric polymers and electrostrictive polymers.
In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines Dielektrikums Material eines elastischen Polymers (insbesondere Elastomermaterial) in nicht ausgehärteter Form (insbesondere auf eine Elektrode) aufgetragen und dann ausgehärtet. In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten“ insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode (oder einer Trägerfolie) aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/ Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nicht-ausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden.In one exemplary embodiment, material of an elastic polymer (in particular elastomer material) is applied in uncured form (in particular to an electrode) and then cured to produce a dielectric. In this document, the term “curing” can be understood to mean, in particular, a large number of different forms of material hardening or an increase in material viscosity. In a curing process, a material may transition from a first state to a second state, where the material is stronger in the second state than in the first state. Furthermore, the viscosity of the first state can be significantly lower than the viscosity of the second state. Curing can, for example, include at least one of the following processes: crosslinking, thermal solidification processes, drying reactions, gelation processes. In one example, an uncured, at least partially liquid, elastomeric material (e.g., in a solvent or suspending medium) is applied to an electrode (or backing film). During curing (e.g. by drying the solvent/suspension medium and/or crosslinking of the elastomeric material, in particular specifically controlled crosslinking, e.g. by means of UV radiation), the elastomeric material can have a substantially more solid form and/or have a higher viscosity than the non- cured elastomeric material. In particular, the cured elastomeric material can be used as a dielectric.
Das Aushärten kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung.Curing can be carried out, for example, by means of a crosslinking reaction and/or film formation by drying from a solution and/or film formation by drying from a dispersion. With regard to crosslinking, this can be carried out using at least one of the following processes: i) radiation crosslinking (preferably by UV radiation), ii) electron crosslinking (e.g. by an electron beam source), iii) thermally initiated free radical crosslinking, iv) thermal sulfur crosslinking, v) peroxide initiated radical crosslinking.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Elastizität“ insbesondere die Eigenschaft eines Materials bezeichnen, unter Krafteinwirkung (z.B. Druck) seine Form zu verändern (Deformation) und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren. Lineare Deformationen können über das hookesche Gesetz beschrieben werden (linear elastisches Verhalten, z.B. Sprungfeder). Nicht-lineare elastische Deformation treten hingegen z.B. bei Gummi auf. Die Elastizität kann beispielsweise über den Elastizitätsmodul beschrieben werden. Dies ist ein Materialkennwert, der bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung(sweg) bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Der Elastizitätsmodul kann als Proportionalitätskonstante im hookeschen Gesetz angesehen werden. Entsprechend kann z.B. der Elastizitätsmodul eine Elastizitätseigenschaft sein. Bei anisotropen Materialien kann der Elastizitätsmodul richtungsabhängig sein, so dass solche Materialien zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften aufweisen können.In the context of this document, the term "elasticity" can refer in particular to the property of a material to change its shape (deformation) under the influence of force (e.g. pressure) and to return to its original shape when the acting force is removed. Linear deformations can be described using Hooke's law (linear elastic behavior, e.g. spring). On the other hand, non-linear elastic deformation occurs, for example, in rubber. The elasticity can be described, for example, via the modulus of elasticity. This is a material parameter that describes the proportional relationship between stress and strain (displacement) in the case of linear-elastic behavior during the deformation of a solid body. Young's modulus can be viewed as a constant of proportionality in Hooke's law. Accordingly, e.g. the modulus of elasticity can be a property of elasticity. In the case of anisotropic materials, the modulus of elasticity can depend on the direction, so that such materials can have two different elastic properties.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „elastisches Copolymer“ insbesondere ein Polymer bezeichnen, welches zwei oder mehr verschiedenartige Monomereinheiten aufweist (im Gegensatz zu Homopolymeren) und eine Elastizität (siehe Definition oben) aufweist. Ein Copolymer kann sowohl statistische Copolymere, Gradientcopolymere, alternierende Copolymere, Block-/Segmentcopolymere und Propfcopolymere umfassen. Ein Beispiel für ein Copolymer ist ein Nitrilkautuschuk wie Nitril-Butadien-Rubber (NBR) oder ein Derivat davon. In diesem Dokument kann der Begriff „NBR oder ein Derivat davon“ eine Mehrzahl von elastischen Copolymeren bezeichnen, deren Monomereinheiten auf Ethan (zwei C Atome) und Butan (vier C Atome) basieren. Die erste Monomereinheit kann z.B. Acrylnitril sein. Die zweite Monomereinheit kann z.B. Butadien sein. Das Copolymer kann also z.B. Acrylnitril-Butadien (AB) sein. Weitere Beispiele sind unten beschrieben. Die Viskosität von NBR kann in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel im unvulkanisierten Zustand betragen: Mooney Viskosität (4+1) gemäß DIN 53523/ISO 289: 29 Mooney Einheiten, Scherviskosität: 2,98 * 103 Pa*s bei einer Schergeschwindigkeit von 100 s-1.In the context of this document, the term "elastic copolymer" can refer in particular to a polymer which has two or more different types of monomer units (in contrast to homopolymers) and has elasticity (see definition above). A copolymer can include both random copolymers, gradient copolymers, alternating copolymers, block/segment copolymers and graft copolymers. An example of a copolymer is a nitrile rubber such as nitrile butadiene rubber (NBR) or a derivative thereof. In this document, the term "NBR or a derivative thereof" can refer to a variety of elastic copolymers whose monomer units are based on ethane (two C atoms) and butane (four C atoms). For example, the first monomer unit can be acrylonitrile. The second monomer unit can be, for example, butadiene. The copolymer can thus be acrylonitrile-butadiene (AB), for example. More examples are described below. In an exemplary embodiment, the viscosity of NBR in the unvulcanized state can be: Mooney viscosity (4+1) according to DIN 53523/ISO 289: 29 Mooney units, shear viscosity: 2.98*10 3 Pa*s at a shear rate of 100 s - 1 .
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Basis“ insbesondere jeglichen Gegenstand bezeichnen, welcher eine Basisfläche aufweist, auf welcher ein elastisches Dielektrikum hergestellt werden kann. In einem bevorzugten Beispiel ist die Basis ein Basismaterial, wie z.B. Elektrodenmaterial, welches nach dem Herstellungsprozess an dem Dielektrikum verleibt (z.B. zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung). In einem anderen Beispiel ist die Basis ein Trägermaterial (insbesondere eine Trägerfolie) auf welchem das Dielektrikum bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann in einem reel-to-reel Verfahren eine Trägerfolie von einer Rolle abgerollt und auf eine weitere Rolle aufgerollt werden. Während des Transportweges kann Dielektrikums-Material auf die Trägerfolie abgeschieden werden. Bevorzugt ist das Trägermaterial von dem Dielektrikum entfernbar und wiederverwendbar.In the context of this document, the term “base” can refer in particular to any object that has a base surface on which an elastic dielectric can be produced. In a preferred example, the base is a base material, such as electrode material, that remains attached to the dielectric after the manufacturing process (eg, for making a dielectric device). In another example, the base is a carrier material (particularly a carrier ger foil) on which the dielectric can be provided. For example, in a reel-to-reel process, a carrier film can be unrolled from one roll and rolled onto another roll. Dielectric material can be deposited on the carrier foil during transport. The carrier material is preferably removable from the dielectric and reusable.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass ein elastisches Dielektrikum für eine dielektrische Vorrichtung einerseits besonders effizient hergestellt werden kann und andererseits einen vorteilhaften Betrieb (der dielektrischen Vorrichtung) ermöglicht, wenn als Elastomermaterial ein elastisches Copolymer, welches NBR oder ein Derivat davon aufweist, in einer ganz besonders dünnen Dicke (insbesondere 100 µm oder weniger) bereitgestellt wird. Die geringe Dicke ermöglicht einen effizienten Betrieb. Durch das Einstellen einer besonders dünnen Schichtdicke kann ein besonders vorteilhaftes elastisches Dielektrikum bereitgestellt werden, dessen Dicke konstant, homogen, und dünn ist. Dadurch können Feldverschiebungen reduziert und die Sensitivität (z.B. eines dielektrischen Aktors/Sensors) erhöht werden. Insbesondere bei einem elastischen Copolymer wie NBR stellt es eine Herausforderung dar, eine solch geringe Schichtdicke zu ermöglichen. Allerdings ergibt sich gleichzeitig eine hohe Stabilität und Altersbeständigkeit durch das robuste Copolymer NBR oder ein Derivat davon, während dieses zugleich besonders erwünschte Elastizitätseigenschaften aufweist.According to an exemplary embodiment, the invention can be based on the idea that an elastic dielectric for a dielectric device can be produced particularly efficiently on the one hand and, on the other hand, enables advantageous operation (of the dielectric device) if the elastomer material is an elastic copolymer, which NBR or a derivative thereof, is provided in a particularly thin thickness (particularly 100 µm or less). The small thickness enables efficient operation. By setting a particularly thin layer thickness, a particularly advantageous elastic dielectric can be provided, the thickness of which is constant, homogeneous and thin. As a result, field shifts can be reduced and the sensitivity (e.g. of a dielectric actuator/sensor) increased. In the case of an elastic copolymer such as NBR, in particular, it is a challenge to make such a small layer thickness possible. However, at the same time there is a high level of stability and resistance to ageing, thanks to the robust copolymer NBR or a derivative thereof, while at the same time it has particularly desirable elasticity properties.
Folgende Vorteile können sich zudem durch den Einsatz von NBR oder dessen Derivaten ergeben:
- a) Das Relaxationsverhalten nach Auflösen der mechanischen äußeren Belastung (durch Kompression oder Expansion bei der Verwendung als DES oder durch elektrostatische Anziehungseffekte bei der Verwendung als DEA) kann sowohl über die gesamte Einsatzamplitude, als auch den gesamten Einsatzzeitraum und unabhängig von der DEAS-Frequenz möglichst konstant bleiben. Dieses Relaxationsverhalten in Korrelation mit der materialspezifischen Elastizität (Dehnungsverhalten) des Elastomers beruht im Wesentlichen auf einer kontrollierten (steuerbaren) Netzwerkdichte der physikalischen oder chemischen Vernetzung.
- b) Eine Temperaturbeständigkeit über den gesamten Einsatzbereich, beispielsweise - 40°C bis +120°C (insbesondere im Automotivbereich), wobei diese Beständigkeit sowohl den Bereich der Alterung, als auch der Relaxationskonstanz umfassen kann.
- c) Die Dielektrizitätskonstante kann die üblichen, für Elastomere gewöhnlichen Werte erreichen, und nach oben erweitern, ohne die mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizitätsminderung durch Permittivität-steigernde Additive wie BaTiO3 zu mindern) und/oder die dielektrischen Eigenschaften (z.B. Durchschlagsfestigkeit) zu verschlechtern.
- a) The relaxation behavior after dissolving the mechanical external load (due to compression or expansion when used as a DES or due to electrostatic attraction effects when used as a DEA) can be measured over the entire deployment amplitude as well as the entire deployment period and independently of the DEAS frequency as far as possible stay constant. This relaxation behavior in correlation with the material-specific elasticity (elongation behavior) of the elastomer is essentially based on a controlled (controllable) network density of the physical or chemical crosslinking.
- b) Temperature resistance over the entire range of use, for example -40°C to +120°C (particularly in the automotive sector), with this resistance being able to include both the area of aging and relaxation constancy.
- c) The dielectric constant can reach the customary values customary for elastomers and increase them upwards without impairing the mechanical properties (eg reduction in elasticity due to permittivity-increasing additives such as BaTiO 3 ) and/or the dielectric properties (eg dielectric strength).
In anderen Worten wurde überraschend erkannt, dass das elastische Copolymer NBR (oder ein Derivat davon) mit seinen erprobten robusten und elastischen Eigenschaften besonders vorteilhaft in einer dielektrischen Vorrichtung eingesetzt werden kann, wenn zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um eine besonders dünne Schichtdicke zu ermöglichen.In other words, it was surprisingly recognized that the elastic copolymer NBR (or a derivative thereof) with its proven robust and elastic properties can be used particularly advantageously in a dielectric device if additional measures are taken to enable a particularly thin layer thickness.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Ethan (Nitril) Monomereinheit (von NBR), oder einem Derivat davon, und der Butan (Butadien) Monomereinheit (von NBR), oder einem Derivat davon, in dem Bereich 1:1 bis 1:5. Dadurch können vorteilhafte Eigenschaften für einen effizienten Betrieb (z.B. hinsichtlich Elastizität) erreicht werden.According to one embodiment, the ratio of the ethane (nitrile) monomer unit (of NBR), or a derivative thereof, and the butane (butadiene) monomer unit (of NBR), or a derivative thereof, is in the range 1:1 to 1:5. This allows advantageous properties for efficient operation (e.g. in terms of elasticity) to be achieved.
In einem Beispiel hat sich für das Verhältnis n (erste Monomereinheit) zu m (zweite Monomereinheit) ergeben: i) je niedriger m ist, desto höher die Temperaturbeständigkeit, desto höher die Permittivität, desto geringer die Gasdurchlässigkeit (eine Eigenschaft mit Bedeutung für eine Ausgestaltungsvariante mit Poren, siehe unten), und ii) je höher m ist,
desto vorteilhafter das Relaxationsverhalten, desto größer die Reißdehnung, und desto geringer der Elastizitätsmodul.In one example, the ratio n (first monomer unit) to m (second monomer unit) was: i) the lower m is, the higher the temperature resistance, the higher the permittivity, the lower the gas permeability (a property that is important for a design variant with pores, see below), and ii) the higher m is,
the more advantageous the relaxation behavior, the greater the elongation at break and the lower the modulus of elasticity.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Copolymer auf: i) eine erste Monomereinheit, welche mit der folgenden Formel (F1) dargestellt ist: - [CH2-C(R1)H] - (F1). Hierbei ist R1 ausgewählt aus: CN, CO(OH), und CO(NH2) (insbesondere ist CN in dem Bereich 90 bis 100% und COOH/CONH2 in dem Bereich 0 bis 10%), und ii) eine zweite Monomereinheit, welche mit der folgenden Formel (F2) dargestellt ist: - [C(R2)H-(X-Y)-CH2] - (F2). Hierbei ist R2 ausgewählt aus: H, und CH3. Ferner ist X ausgewählt aus: -CH=, -CH2-, -C(CH3)=, und -C(CH3)H-, und Y ist ausgewählt aus: -CH=, und -CH2-. Dieses elastische Copolymer (mit den genannten Substitutionen) kann als „NBR oder ein Derivat davon“ bezeichnet werden. Das beschriebene elastische Copolymer hat sich als besonders vorteilhaft (insbesondere Elastizität, Stabilität) in Bezug auf den Betrieb einer dielektrischen Vorrichtung herausgestellt.According to another embodiment, the elastic copolymer comprises: i) a first monomeric unit represented by the following formula (F1): - [CH 2 -C(R 1 )H] - (F1). Here R1 is selected from: CN, CO(OH), and CO(NH 2 ) (particularly CN is in the range 90 to 100% and COOH/CONH 2 is in the range 0 to 10%), and ii) a second monomeric unit , which is represented by the following formula (F2): - [C(R 2 )H-(XY)-CH 2 ] - (F2). Here R2 is selected from: H1 and CH3. Further, X is selected from: -CH=, -CH 2 -, -C(CH 3 )=, and -C(CH 3 )H-, and Y is selected from: -CH=, and -CH 2 -. This elastic copolymer (with the substitutions mentioned) can be referred to as "NBR or a derivative thereof". The elastic copolymer described has turned out to be particularly advantageous (in particular elasticity, stability) with regard to the operation of a dielectric device.
Folgende besondere Eigenschaften können sich durch das beschriebene elastische Copolymer ergeben:
- Die Spannungsfestigkeit kann bei > 50 KV/mm, insbesondere > 80 KV/mm liegen. Eine Permittivität von > 10, insbesondere > 12, weiter insbesondere > 15, kann besonders vorteilhaft sein. Elastizitätsmodul < 600 kPa und/oder Reißdehnung > 250%, insbesondere > 350%, kann ebenfalls vorteilhaft sein.
- The dielectric strength can be >50 KV/mm, in particular >80 KV/mm. A permittivity of >10, in particular >12, more particularly >15, can be particularly advantageous. Modulus of elasticity <600 kPa and/or elongation at break >250%, in particular >350%, can also be advantageous.
Ferner wurden in einem Ausführungsbeispiel folgende Korrelationen gefunden:
- a) X/Y: i) Vermeidung/Eliminierung von Doppelbindungen steigert die Wärmebeständigkeit, verändert das Vernetzungsverhalten (z.B. keine Schwefelvernetzung möglich), und ii) Methylgruppe an X erhöht die Reißdehnung, vermindert den Elastizitätsmodul.
- b) R2 als Methylgruppe: erhöht den Elastizitätsmodul, vermindert Relaxation.
- c) R1 als Nitrilgruppe: erhöht die Permittivität ohne die Durchschlagsfestigkeit zu vermindern.
- d) R1 als Carbonsäuregruppe: ähnliche Permittivität wie die Nitrilgruppe, jedoch Verminderung der Durchschlagsfestigkeit, und (bereits bei geringem Anteil) Haftungserhöhung auf Metalloberflächen, vorteilhafterweise also (Metall-) Elektroden oder (Metall-beschichtete) Trägermaterialien (Folien).
- e) R2 als Amidgruppe (CONH2): ähnliche Permittivität wie die Nitrilgruppe und die Carbonsäuregruppe COOH, fördert aber Gelstrukturen, insbesondere mit polaren Lösemitteln (z.B. Ether, Ester etc.) in der Verarbeitungsphase und damit die Thixotropie in der Verarbeitungsphase bzw. bei Mitvernetzung geeigneter Lösungsmittel durch Fixierung der Gelstrukturen die mechanischen Eigenschaften (insbesondere Erhöhung der Elastizität und Senkung des Elastizitätsmoduls).
- a) X/Y: i) avoidance/elimination of double bonds increases the heat resistance, changes the crosslinking behavior (eg no sulfur crosslinking possible), and ii) methyl group on X increases the elongation at break, reduces the modulus of elasticity.
- b) R2 as a methyl group: increases the modulus of elasticity, reduces relaxation.
- c) R1 as a nitrile group: increases the permittivity without reducing the dielectric strength.
- d) R1 as a carboxylic acid group: similar permittivity to the nitrile group, but reduced dielectric strength and (already in small amounts) increased adhesion to metal surfaces, ie advantageously (metal) electrodes or (metal-coated) carrier materials (foils).
- e) R2 as an amide group (CONH 2 ): similar permittivity as the nitrile group and the carboxylic acid group COOH, but promotes gel structures, especially with polar solvents (e.g. ether, ester, etc.) in the processing phase and thus thixotropy in the processing phase or with co-crosslinking suitable solvents by fixing the gel structures the mechanical properties (in particular increase in elasticity and decrease in the modulus of elasticity).
In einem Beispiel ist den beschriebenen Variationen gemeinsam, dass sie (auch im vernetzten Zustand) nicht in eine Scher-induzierte Kristallinität (z.B. bei einer spontanen, betrieblich typischen Belastung) wechseln, wie dies insbesondere bei Naturkautschuk (NR) beobachtet werden kann. Für die Gleichmäßigkeit der Aktor/Sensor-Eigenschaften kann ist dies in einem Beispiel essentiell sein.In one example, the variations described have in common that they (even in the crosslinked state) do not switch to a shear-induced crystallinity (e.g. in the event of a spontaneous, operationally typical load), as can be observed in particular with natural rubber (NR). In one example, this can be essential for the uniformity of the actuator/sensor properties.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der ersten Monomereinheit zu der zweiten Monomereinheit in dem Bereich 1:1 bis 4 (insbesondere 1:2 oder 3). In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der ersten Monomereinheit zu der zweiten Monomereinheit in dem Bereich 2:2 bis 10 (insbesondere 2:4 bis 8).In another embodiment, the ratio of the first monomeric unit to the second monomeric unit is in the range 1:1 to 4 (especially 1:2 or 3). In another embodiment, the ratio of the first monomeric unit to the second monomeric unit is in the range 2:2 to 10 (especially 2:4 to 8).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt, wenn X und Y jeweils -C(H)= und/oder -C(CH3)= ist, in dem elastischen Copolymer 50% oder mehr der Doppelbindungen zwischen X und Y in der cis-Konfiguration vor.In another embodiment, when X and Y are each -C(H)= and/or -C(CH 3 )=, in the elastic copolymer 50% or more of the double bonds between X and Y are in the cis configuration.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner aufweisend: zumindest teilweises Erzeugen von Strukturierungen (und/oder Perforationen) an der Oberfläche der Elastomerschicht (dies insbesondere während des zumindest teilweisen Aushärtens, ist aber auch am im Wesentlichen festen Dielektrikum möglich). Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und doch effiziente Weise Verdrängungsraum bereitgestellt werden kann. Zudem kann ein Anhaften des Elastomermaterials an ein Basismaterial verbessert werden.In a further exemplary embodiment, the method further comprises: at least partially generating structuring (and/or perforations) on the surface of the elastomer layer (this in particular during the at least partial curing, but is also possible on the essentially solid dielectric). This has the advantage that displacement space can be provided in a simple yet efficient manner. In addition, adhesion of the elastomeric material to a base material can be improved.
Mit dem Bereitstellen eines Verdrängungsraums für Dielektrikums-Material im Betrieb der dielektrischen Vorrichtung kann das seitliche Auspressen von Dielektrikums-Material verhindert/reduziert werden. Insbesondere bei einem elastischen Copolymer wie NBR stellt es eine Herausforderung dar, innerhalb des Vernetzungszeitraums einen geeigneten Verdrängungsraum bereitzustellen.With the provision of a displacement space for dielectric material during operation of the dielectric device, the lateral pressing out of dielectric material can be prevented/reduced. In the case of an elastic copolymer such as NBR in particular, it is a challenge to provide a suitable displacement space within the crosslinking period.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Strukturierungen“ insbesondere jegliche Struktur eines Basismaterials bzw. einer Elektrode verstanden werden, welche nicht planar mit der Fläche (z.B. bei einer Plattenförmigen Elektrode) der Elektrode ist. In anderen Worten ist die Struktur in einer Höhenrichtung (z) orientiert, welche senkrecht zu den zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) der Elektrode(nfläche) ist. Strukturierungen können z.B. Ausbuchtungen sein.In the context of this document, the term "structuring" can be understood in particular to mean any structure of a base material or an electrode that is not planar with the surface (e.g. in the case of a plate-shaped electrode) of the electrode. In other words, the structure is oriented in a height direction (z) which is perpendicular to the two main extension directions (x, y) of the electrode (surface). Structures can be e.g. bulges.
Der Begriff „Perforationen“ kann jegliche Öffnung in dem Basismaterial bzw. einer Elektrode bezeichnen. Eine Perforation kann z.B. als Schlitz, Apertur, oder Aussparung ausgebildet sein. Eine solche Perforation kann einen Raum für verdrängtes elastisches Dielektrikum bereitstellen.The term "perforations" can refer to any opening in the base material or an electrode. A perforation can be designed, for example, as a slit, aperture, or recess. Such a perforation can provide a space for displaced elastic dielectric.
In einem Beispiel wird das Basismaterial (bzw. die Basisfläche) vor dem Aufbringen des Elastomermaterials mechanisch verformt, also z.B. strukturiert oder perforiert (z.B. mittels Plasmaverfahren). Dadurch kann die Haftung verbessert werden (wenn z.B. flüssiges Elastomermaterial in die Strukturierungen fließt und dann ausgehärtet wird) und/oder ein Verdrängungsraum für die (vertikale) Verdrängungsbewegung des Elastomers kann geschaffen werden.In one example, the base material (or the base surface) is mechanically deformed before the elastomer material is applied, e.g. structured or perforated (e.g. using plasma processes). As a result, the adhesion can be improved (e.g. if liquid elastomer material flows into the structures and is then cured) and/or a displacement space for the (vertical) displacement movement of the elastomer can be created.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Vorrichtung derart konfiguriert, dass im Betrieb der Vorrichtung, bei einer Kompression des Dielektrikums durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode, Material des komprimierten Dielektrikums zumindest teilweise in die Strukturierungen (und/oder Perforationen) gedrückt wird. Insbesondere wird hierbei die Mehrzahl von Strukturierungen zumindest teilweise verformt. Dadurch kann eine besonders effiziente Flächendehnung des Dielektrikums ermöglicht werden, so dass die dielektrische Vorrichtung besonders vorteilhaft betreibbar ist.According to another embodiment, the dielectric device is configured such that that during operation of the device, when the dielectric is compressed by the first electrode and the second electrode, material of the compressed dielectric is at least partially pressed into the structures (and/or perforations). In particular, the plurality of structurings is at least partially deformed in this case. As a result, a particularly efficient surface expansion of the dielectric can be made possible, so that the dielectric device can be operated particularly advantageously.
Die Elektrode (bzw. der funktionelle Bereich) kann mittels der Strukturierungen (insbesondere Ausbuchtungen) temporäre Depotorte (Hohlräume) bilden, welche das überschüssige Material des elastischen Dielektrikums bei Inbetriebnahme der dielektrischen Vorrichtung aufnehmen kann. Insbesondere kann sich eine sehr dünn auf einem strukturierten Dielektrikum aufgebrachte Elektrode mit diesem zusammen in die vorgesehenen Ausweichdepots hineinbetten. Wenn z.B. eine Strukturierung ein Hohlraumvolumen von 5 % bis 20 % des Dielektrikum-Volumens ausmacht, kann sich die verdrängte Masse im Betriebszustand (aktivierten Zustand) der dielektrischen Vorrichtung in genau diese Hohlräume hineindrängen (auch inklusive Elektrodenmaterial).The electrode (or the functional area) can form temporary depot locations (cavities) by means of the structuring (in particular bulges), which can accommodate the excess material of the elastic dielectric when the dielectric device is put into operation. In particular, an electrode applied very thinly to a structured dielectric can be embedded together with this in the alternative depots provided. If, for example, a structure accounts for a cavity volume of 5% to 20% of the dielectric volume, the displaced mass in the operating state (activated state) of the dielectric device can force its way into precisely these cavities (also including the electrode material).
Insbesondere kann das Strukturieren mittels einem Strukturierungsmittel durchgeführt werden. Das Strukturierungsmittel kann ein Werkzeug wie eine Walze sein. Ferner kann das Strukturierungsmittel auch die Oberfläche der Basis sein, wenn diese bereits strukturiert ist.In particular, the structuring can be carried out by means of a structuring agent. The structuring means can be a tool such as a roller. Furthermore, the structuring means can also be the surface of the base if this is already structured.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial (bzw. die Elektrode) entweder i) in eine Form gebracht, welche Zwischenräume bildet, in welche das (flüssige) Elastomermaterial wegen seinem Benetzungsverhalten nicht fliesst (alternativ kann auch das Basismaterial partiell derart behandelt sein, dass der Benetzungswinkel zum flüssigen Elastomermaterial derart ist, dass sich eine Luftblase bildet) und/oder ii) mit Perforationen versehen (welche auch nicht benetzt werden).In one embodiment, the base material (or the electrode) is either i) brought into a form that forms spaces into which the (liquid) elastomer material does not flow due to its wetting behavior (alternatively, the base material can also be partially treated in such a way that the wetting angle to the liquid elastomeric material is such that an air bubble forms) and/or ii) provided with perforations (which are also not wetted).
In einem Beispiel können mikroskaline Nickelbeschichtungen auf Trägermaterialien (z.B. Stahl) die Erzeugung einer geeigneten Reliefschicht an der Basis erlauben. Dies ermöglicht die mechanische Ausgestaltung von Formen, Abdruckplatten/Prägeplatten oder Rollen/Walzen (dies ist insbesondere für eine reel-to-reel Produktion geeignet). Diese Reliefschicht wird auf geeignete Weise (z.B. zwischen zwei Walzen, beispielsweise Flachwalze auf Trägerfolienseite und Strukturwalze auf Flüssigseite (nicht ausgehärtetes Elastomermaterial)) bereitgestellt.In one example, microscale nickel coatings on substrates (e.g. steel) may allow the creation of a suitable relief layer on the base. This allows for the mechanical design of moulds, cauls/die plates or reels/rollers (this is particularly suitable for reel-to-reel production). This relief layer is provided in a suitable manner (e.g. between two rolls, e.g. flat roll on the carrier foil side and structured roll on the liquid side (uncured elastomeric material)).
In einem anderen Beispiel werden andere formgebende Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Abdruckform eingesetzt (z.B. 3D-Druck, Ätzen, Prägen, Stanzen, Lasern, usw.). Ebenso ist eine Mehrzahl von Materialien für die Strukturierung-Form geeignet (z.B. Kunststoffe, Metalle, Gläser, usw.).In another example, other shaping methods are used to produce a corresponding mold (e.g. 3D printing, etching, embossing, punching, lasering, etc.). Likewise, a variety of materials are suitable for the patterning mold (e.g., plastics, metals, glasses, etc.).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Mehrzahl der Strukturierungen um 100 µm oder weniger (insbesondere 10 µm oder weniger) in eine Höhenrichtung (z), welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) des elastischen Dielektrikums orientiert ist. Dies kann eine besonders effektive Verdrängung bzw. Haftungsvermittlung bereitstellen.According to a further exemplary embodiment, the majority of the structurings extend by 100 μm or less (in particular 10 μm or less) in a height direction (z) which is oriented perpendicularly to the main directions of extent (x, y) of the elastic dielectric. This can provide a particularly effective displacement or promotion of adhesion.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Dicke (d) von 70 µm oder weniger (insbesondere 20 µm oder weniger, weiter insbesondere 5 µm oder weniger) auf. Dadurch können die oben beschriebenen Vorteile einer geringen Dicke besonders wünschenswert ausgeprägt werden.According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has a thickness (d) of 70 μm or less (in particular 20 μm or less, more particularly 5 μm or less). This allows the advantages of a small thickness described above to be expressed in a particularly desirable manner.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Basis ein Basismaterial auf. Insbesondere ist das Basismaterial Teil einer Elektrode, weiter insbesondere ist die Basisfläche ein elektrisch leitfähiger (insbesondere metallischer) funktioneller Bereich der Elektrode. Dies hat den Vorteil, dass das elastische Dielektrikum direkt auf einer Elektrode bereitgestellt werden kann, wodurch die Herstellung einer dielektrischen Vorrichtung schnell und effizient gelingt.According to a further exemplary embodiment, the base has a base material. In particular, the base material is part of an electrode, more particularly the base area is an electrically conductive (in particular metallic) functional area of the electrode. This has the advantage that the elastic dielectric can be provided directly on an electrode, as a result of which a dielectric device can be produced quickly and efficiently.
Eine Elektrode kann einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit einer Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Der funktionelle Bereich kann die Basisfläche aufweisen, so dass das Dielektrikum direkt an der vorgesehenen Position abgeschieden werden kann.An electrode can have a "functional (active) area" or can consist entirely of the functional area. The functional area is electrically conductive (in particular containing a metal) and can thus form the active part of the electrode, which electrically interacts with a counter-electrode. The functional area can have the base area, so that the dielectric can be deposited directly at the intended position.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Basis (bzw. die Elektrode) eine Dicke von 50 µm oder weniger auf. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders dünne dielektrische Vorrichtung bereitgestellt werden kann, wobei das Basismaterial aber noch robust genug ist, um das Abscheiden des Dielektrikums zu stabilisieren. Insbesondere in Zusammenhang mit dielektrischen Vorrichtungen wie Aktoren oder Sensoren können geringe Dicken besonders vorteilhaft (z.B. in Hinblick auf Sensitivität) sein. Die Elektrode kann eine Gesamtdicke (z.B. elektrisch leitfähiges Material und Trägermaterial zusammen) von unter 50 Mikrometern aufweisen. Bei zu grossen Dicken würde in einem Beispiel die Elektrodendicke gegenüber der Dielektrikum-Dicke zu groß, so dass gewünschte Aktor- oder Sensorsensitivitäten zu stark reduziert werden.According to a further embodiment, the base (or the electrode) has a thickness of 50 μm or less. This has the advantage that a particularly thin dielectric device can be provided, but the base material is still robust enough to stabilize the deposition of the dielectric. In particular in connection with dielectric devices such as actuators or sensors, small thicknesses can be particularly advantageous (eg with regard to sensitivity). The electrode can have a total thickness (eg electrically conductive material and carrier material together) of less than 50 micrometers. If the thicknesses are too great, in one example the electrode thickness would be too great compared to the dielectric thickness, so that desired actuator or sensor sensitivities are reduced too greatly.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Elektrode eine Mehrschicht-Elektrode, welche ein Trägermaterial, insbesondere ein Polymer, aufweist. Hierbei ist der funktionelle Bereich auf dem Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgedampft. Dies kann den Vorteil haben, dass die Elektrode flexibel und/oder stabil aufgebaut werden kann.According to a further exemplary embodiment, the electrode is a multilayer electrode which has a carrier material, in particular a polymer. In this case, the functional area is applied to the carrier material, in particular vapor-deposited. This can have the advantage that the electrode can be constructed flexibly and/or stably.
In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen der Elektrode eine metallische (leitfähige) Beschichtung auf ein Trägermaterial aufgebracht. Das Trägermaterial kann z.B. ein isolierendes Gewebe und/oder ein Vlies sein. Dabei kann die Beschichtungsdicke kleiner oder sehr viel kleiner als die Dicke des isolierenden Trägermaterials sein. Die Strukturierungen (z.B. als Öffnungen, Bewegungszonen, Verdrängungsraum) können durch einen inhärenten, konstruktiven Aufbau des Trägermaterials gegeben sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Elektrode aus einem leitfähigen Vlies und/oder Gewebe und/oder einer metallischen Membrane, welche mit einem Isolator beschichtet oder zumindest in direktem Kontakt mit dem Isolator ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Elektrode einen mehrschichtigen Aufbau auf. Beispielsweise kann dieser schichtweise Aufbau aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus verschiedenen Metallen, bestehen. Elektrisch isolierendes Trägermaterial kann innerhalb der dielektrischen Vorrichtung über eine Überbrückungsstruktur mechanisch oder elektrisch überbrückt werden, um den funktionellen Bereich zu kontaktieren.In one embodiment, a metallic (conductive) coating is applied to a carrier material to produce the electrode. The carrier material can be an insulating fabric and/or a fleece, for example. In this case, the coating thickness can be smaller or very much smaller than the thickness of the insulating carrier material. The structuring (e.g. as openings, movement zones, displacement space) can be given by an inherent, constructive structure of the carrier material. In a further exemplary embodiment, the electrode consists of a conductive fleece and/or fabric and/or a metallic membrane which is coated with an insulator or is at least in direct contact with the insulator. According to a further exemplary embodiment, the electrode has a multilayer structure. For example, this layered structure can consist of different materials, in particular different metals. Electrically insulating carrier material can be mechanically or electrically bridged within the dielectric device via a bridging structure in order to contact the functional area.
Das Trägermaterial kann vorteilhaft besonders stabil sein, um als Basisplattform den Metallbereich (funktioneller Bereich) effizient zu tragen und Bewegungen des Elastomers in x- und y-Richtung zu begrenzen. In einem Beispiel kann die gesamte Elektrode z.B. eine Dicke um 50 µm aufweisen. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Elektrode als eine metallisierte Polyesterfolie, insbesondere als ein Steinerfilm (Kondensatorfolien der Firma Steiner GmbH, D-57339 Erndtebrück, z.B. Steinerfilm T), ausgebildet.The carrier material can advantageously be particularly stable in order to efficiently support the metal area (functional area) as a base platform and to limit movements of the elastomer in the x and y directions. In one example, the entire electrode may have a thickness of around 50 µm. According to an exemplary embodiment, the electrode is designed as a metallized polyester film, in particular as a Steiner film (capacitor films from Steiner GmbH, D-57339 Erndtebrück, e.g. Steinerfilm T).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial eine Polymerfolie. Insbesondere ist die Basisfläche eine Polymerfläche, weiter insbesondere ist das Basismaterial eine einseitig metallisierte Polymerfolie. Dies kann den Vorteil haben, dass ein besonders stabilisierendes Basismaterial bereitgestellt wird.According to a further embodiment, the base material is a polymer film. In particular, the base area is a polymer area, more particularly the base material is a polymer film metallized on one side. This can have the advantage that a particularly stabilizing base material is provided.
In diesem Ausführungsbeispiel findet das Aufbringen des Elastomermaterials nicht unmittelbar auf der metallischen Elektrode statt, sondern auf eine einseitig metallisierte Polymerfolie. Eine solche kann z.B. eine mit Aluminium als Metall bedampfte Polymer-Folie (z.B. PET, PEN, PSU, PPSU) sein. Eine solche (metallisierte) Polymerfolie kann sehr stabil und robust sein. Durch diese Belastbarkeit kann ein Abscheiden von Elastomermaterial mit relativ hohen Verformungskräften (z.B. Rakeln oder Siebdruck) ermöglicht sein. Dies insbesondere auch bei hohen Viskositäten und Scherkräften. Eine solche Stabilität kann schließlich auch zu einer höheren mechanischen Belastbarkeit einer fertigen dielektrischen Vorrichtung führen.In this exemplary embodiment, the elastomeric material is not applied directly to the metallic electrode, but rather to a polymer film that is metallized on one side. Such a film can be, for example, a polymer film (e.g. PET, PEN, PSU, PPSU) vapor-deposited with aluminum as the metal. Such a (metallized) polymer film can be very stable and robust. This resilience can enable the deposition of elastomeric material with relatively high deformation forces (e.g. squeegeeing or screen printing). This is especially the case with high viscosities and shearing forces. Finally, such stability can also lead to a higher mechanical load-bearing capacity of a finished dielectric device.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Basismaterial (z.B. eine Trägerfolie) zumindest teilweise hochtransparent (für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht). Dies hat den Vorteil, dass eine initiierte Vernetzungsreaktion (insbesondere mittels UV Bestrahlung) effizient (insbesondere verkürzte Vernetzungszeit) und gezielt durchgeführt werden kann.In a further preferred embodiment, the base material (e.g. a carrier film) is at least partially highly transparent (for electromagnetic radiation, in particular light). This has the advantage that an initiated crosslinking reaction (in particular by means of UV irradiation) can be carried out efficiently (in particular a shortened crosslinking time) and in a targeted manner.
In einem Beispiel weist das Basismaterial eine Metallschicht und eine Polymerschicht auf, wobei das Polymermaterial (hoch)transparent ist. Das Elastomermaterial wird auf die Polymerschicht abgeschieden und dann gezielt (teilweise) ausgehärtet mittels UV Bestrahlung. Weil die Polymerfolie (zumindest teilweise) transparent ist, durchquert die UV-Strahlung die Polymerfolie und wird von der darunterliegenden Metallschicht reflektiert, insbesondere total reflektiert. Hierdurch kann die UV Bestrahlung des Elastomermaterials besonders effektiv sein und die Vernetzungszeit kann sich deutlich verkürzen lassen.In one example, the base material has a metal layer and a polymer layer, the polymer material being (highly) transparent. The elastomeric material is deposited on the polymer layer and then selectively (partially) cured using UV radiation. Because the polymer film is (at least partially) transparent, the UV radiation passes through the polymer film and is reflected, in particular totally reflected, by the underlying metal layer. As a result, the UV irradiation of the elastomer material can be particularly effective and the crosslinking time can be significantly reduced.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Basis (bzw. das Basismaterial) eine Steifigkeit von 1 GPa oder mehr, insbesondere 5 GPa oder mehr, weiter insbesondere 30 GPa oder mehr, auf. Diese besonders hohe Steifigkeit kann den Vorteil haben, dass eine unerwünschte nichtlineare Verformung einer fertigen dielektrischen Vorrichtung im Betrieb unterbunden werden kann. Dies deswegen, weil das Dielektrikum zwischen steifen Basismaterialien weniger zu den Seiten herausgedrückt wird.According to a further exemplary embodiment, the base (or the base material) has a stiffness of 1 GPa or more, in particular 5 GPa or more, more particularly 30 GPa or more. This particularly high rigidity can have the advantage that an undesired non-linear deformation of a finished dielectric device can be suppressed during operation. This is because the dielectric between stiff base materials is less pushed out to the sides.
In einem Beispiel kann das Basismaterial eine besonders steife Kunststofffolie sein. In einem anderen Beispiel kann das Basismaterial auch eine steife Metallfolie, z.B. aus einem nicht-rostendem Metall, sein. Die Steifigkeit des Basismaterials kann dabei helfen, dass das elastische Dielektrikum nicht auf der Seite herausgepresst wird und so eine stark nichtlineare Verformung der dielektrischen Vorrichtung entsteht. Die oben beschriebene Steinerfolie weist z.B. eine Steifigkeit von etwa 5 GPa auf.In one example, the base material can be a particularly rigid plastic film. In another example, the base material can also be a rigid metal foil, e.g., made of a stainless metal. The rigidity of the base material can help prevent the elastic dielectric from being squeezed out on the side, resulting in highly non-linear deformation of the dielectric device. For example, the Steiner foil described above has a stiffness of about 5 GPa.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bereitstellen des elastischen Dielektrikums auf: Einstellen der Dicke der Elastomerschicht. Dies insbesondere durch teilweises Entfernen von nicht ausgehärtetem Elastomermaterial und/oder Auftragen von zusätzlichem Elastomermaterial. Dies hat den Vorteil, dass die gewünschten Endeigenschaften (insbesondere die Dicke) des Dielektrikums flexibel und gezielt gesteuert werden können.According to a further exemplary embodiment, the provision of the elastic dielectric includes: adjusting the thickness of the elastomer layer. This in particular by partially removing uncured elastomeric material and/or applying additional elastomeric material. This has the advantage that the desired end properties (in particular the thickness) of the dielectric can be flexibly and specifically controlled.
Wie oben beschrieben wird auf die Basisfläche der Basis ein zuerst noch flüssiges (nicht ausgehärtetes) Dielektrikum abgeschieden, für welches die relevanten Enddicken nach Verfestigung, von z.B. unter 200 (100) Mikrometern, in dem Dielektrikum erreicht werden. Zum Einstellen der gewünschten Dicke kann entweder ein entsprechender Mehrauftrag aufgebracht werden (im Falle, dass nach der Verfestigung (Aushärten, Vernetzung) die Dicke reduziert wird), oder es kann eine entsprechende Abtragung (Entfernen) durchgeführt werden. Ein solch dünner Auftrag kann z.B. gewählt wird, wenn das Elastomermaterial während des Verfestigens Quellungen aufweist.As described above, an initially still liquid (uncured) dielectric is deposited on the base surface of the base, for which the relevant final thicknesses after solidification, of e.g. below 200 (100) micrometers, are achieved in the dielectric. To set the desired thickness, either a corresponding additional application can be applied (in the event that the thickness is reduced after solidification (hardening, crosslinking)), or appropriate ablation (removal) can be carried out. Such a thin application can be selected, for example, if the elastomeric material swells during solidification.
Für einen Dünnauftrag können eine Mehrzahl von Methoden (Rakeln, Sprühen, Walzen, Pressen, usw.) verwendet werden. Ferner kann eine Teilvernetzung durchgeführt werden, bei welcher zunächst nur ein unterer Bereich (näher an der Basis) des Elastomermaterials verfestigt wird. Dadurch kann ein stabiler Basisbereich bereitgestellt werden, auf welchem dann das Einstellen der gewünschten Dicke durchgeführt werden kann. Anschließend kann ein weiterer Vernetzungsschritt durchgeführt werden.A variety of methods (knife, spraying, rolling, pressing, etc.) can be used for thin application. Partial crosslinking can also be carried out, in which initially only a lower region (closer to the base) of the elastomeric material is solidified. As a result, a stable base area can be provided on which the desired thickness can then be set. A further crosslinking step can then be carried out.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bilden der Elastomerschicht auf: Aufbringen des Elastomermaterials zumindest teilweise gelöst in einem Lösungsmittel oder in Dispersion mit einem Lösungsmittel (insbesondere einem wässrigen und/oder organischen Lösungsmittel). Dies hat den Vorteil, dass nicht ausgehärtetes Elastomermaterial mittels etablierter Prozesse aufgetragen werden kann.According to a further exemplary embodiment, forming the elastomer layer includes: applying the elastomer material at least partially dissolved in a solvent or in dispersion with a solvent (in particular an aqueous and/or organic solvent). This has the advantage that uncured elastomeric material can be applied using established processes.
Elastomere in unvernetztem Zustand können in hoher Konzentration (z.B. bis zu 80%) in organischen Lösemitteln (Toluol, Xylole, Cyclische Ether, HalogenKohlenwasserstoffe, usw.) löslich und können in dieser Form auf das Basismaterial aufgebracht werden. Dies beispielsweise mittels Sprühen, Giessen, Rakeln, Streichen, oder mittels eines Siebdruck Prozesses.Elastomers in a non-crosslinked state can be soluble in high concentrations (e.g. up to 80%) in organic solvents (toluene, xylenes, cyclic ethers, halogenated hydrocarbons, etc.) and can be applied to the base material in this form. This can be done, for example, by spraying, pouring, squeegeeing, brushing, or using a screen printing process.
In einem Ausführungsbeispiel werden als Lösungsmittel Verbindungen verwendet, die infolge ihres hohen Siedepunktes und der speziellen Löseeigenschaften, im vernetzten Elastomer verbleiben können und als interne Weichmacher wirken. Diese können bei einer Peroxid-Vernetzung auch kovalent eingebaut werden.In one exemplary embodiment, compounds are used as solvents which, because of their high boiling point and special dissolving properties, can remain in the crosslinked elastomer and act as internal plasticizers. In the case of peroxide crosslinking, these can also be incorporated covalently.
In einem weiteren Beispiel werden als Lösungsmittel hochsiedende Lösungsmittel wie Alkylcarbonate (z.B. Ethylenglycolcarbonat, Propylenglycolcarbonat, Butylglycolcarbonat, Neopentylglycolcarbonat, Cyclohexandiolcarbonat, oder Gemische davon) verwendet, die während der Vernetzung erhalten bleiben und nach der Vernetzung, vorzugsweise mittels Peroxid und besonders bevorzugt, mittels UV-Vernetzung, mit dem Elastomer ein Gel bilden, das besondere elastische Eigenschaften zeigt.In a further example, high-boiling solvents such as alkyl carbonates (e.g. ethylene glycol carbonate, propylene glycol carbonate, butyl glycol carbonate, neopentyl glycol carbonate, cyclohexanediol carbonate, or mixtures thereof) are used as solvents, which are retained during crosslinking and after crosslinking, preferably by means of peroxide and particularly preferably by means of UV Cross-linking, forming a gel with the elastomer, which shows special elastic properties.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Viskosität des festen (bzw. im Wesentlichen festen) Dielektrikums 108 Ns/m2 oder mehr. Dies hat den Vorteil, dass das Elastomermaterial mit den erwünschten Eigenschaften ausgehärtet (bzw. vollständig oder in hohem Masse vernetzt) vorliegt und ein vorteilhaftes elastisches Dielektrikum bildet.According to a further embodiment, the viscosity of the solid (or substantially solid) dielectric is 10 8 Ns/m 2 or more. This has the advantage that the elastomeric material with the desired properties is cured (or completely or to a large extent crosslinked) and forms an advantageous elastic dielectric.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Bilden von Poren (insbesondere Fluid-gefüllten Poren, weiter insbesondere Gasblasen) in dem Dielektrikum. Insbesondere wobei die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger aufweisen. Insbesondere wobei die Poren 40 Volumenprozent oder weniger des Dielektrikums ausmachen. Dies kann den Vorteil haben, dass überraschend vorteilhafte und erwünschte Poren während des Herstellungsverfahrens auf einfache Weise eingeführt werden können.According to a further exemplary embodiment, the method also includes: forming pores (in particular fluid-filled pores, further in particular gas bubbles) in the dielectric. In particular, the pores have an average diameter of 20 μm or less. In particular, where the pores are 40 percent or less by volume of the dielectric. This can have the advantage that surprisingly advantageous and desirable pores can be easily introduced during the manufacturing process.
Durch die so produzierten Poren bzw. Gasblasen können innerhalb des Dielektrikums Reserveräume entstehen, in welchen das während es Betriebs verdrängte Dielektrikum eindringen kann und bei Verringerung des Elektrodenabstandes nicht seitlich ausweichen muss. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei mikro- bis nanoskaline Poren (Poren < 20 Mikrometer Durchmesser) erwiesen. Ebenfalls besonders vorteilhaft kann eine grosse Zahl (homogen) verteilter Poren sein, welche nicht mehr als 40% des Gesamtvolumens des Dielektrikums ausmachen.The pores or gas bubbles produced in this way can create reserve spaces within the dielectric, into which the dielectric displaced during operation can penetrate and does not have to give way to the side when the electrode spacing is reduced. Micro- to nanoscale pores (pores <20 microns in diameter) have proven particularly advantageous here. A large number of (homogeneously) distributed pores, which make up no more than 40% of the total volume of the dielectric, can also be particularly advantageous.
In einem Ausführungsbeispiel wird das nicht ausgehärtete (flüssige) Dielektrikum mit einem Mittel versehen, das eine mikro- oder nanoskaline Gasblasenexpansion erlaubt. Dieser Expansionsprozess findet idealerweise in der Verfestigungsphase statt, so dass keine oder nur eine minimale Gasblasenkoagulation entsteht.In one embodiment, the uncured (liquid) dielectric is provided with an agent that allows microscale or nanoscale gas bubble expansion. This expansion process ideally takes place in the solidification phase so that no or only minimal gas bubble coagulation occurs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Bilden von Poren auf: Beaufschlagen der nicht ausgehärteten Elastomerschicht mit einem Fluid, insbesondere CO2, bei vorbestimmtem Druck, und Absenken des vorbestimmten Drucks während des Aushärtens. Dies hat den Vorteil, dass die überraschend vorteilhaften Poren effizient eingeführt werden können.According to a further exemplary embodiment, the formation of pores includes: subjecting the uncured elastomer layer to a Fluid, in particular CO 2 , at a predetermined pressure, and lowering the predetermined pressure during curing. This has the advantage that the surprisingly advantageous pores can be introduced efficiently.
Ein beispielhafter Prozess zur Herstellung der Poren (Gasblasen) besteht darin, das flüssige Dielektrikum mit CO2 unter Überdruck zu beaufschlagen und diesen Druck dann beim Verfestigungsprozess abzusenken, so dass das hineindiffundierte CO2 in der Gasphase expandiert und die Gasblasen bildet.An exemplary process for producing the pores (gas bubbles) consists of subjecting the liquid dielectric to excess pressure of CO 2 and then reducing this pressure during the solidification process, so that the CO 2 that has diffused in expands in the gas phase and forms the gas bubbles.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist eine Variation der Dicke des Dielektrikums 20 % oder weniger, insbesondere 5 % oder weniger, bezogen auf die mittlere Dicke auf. Diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung mit im Wesentlichen konstanter Dicke ermöglicht einen effizienten Betrieb einer dielektrischen Vorrichtung.According to a further exemplary embodiment, a variation in the thickness of the dielectric is 20% or less, in particular 5% or less, based on the mean thickness. This particularly advantageous configuration with a substantially constant thickness enables efficient operation of a dielectric device.
Bei Dielektrikums-Dicken von 20 Mikrometern bedeuten 20 Prozent schon eine Präzision von 4 Mikrometern, was einem 25-igstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Zum Erreichen eines solchen Ergebnisses kann eine umfangreiche Kombination der Kompetenzen von verschiedenen Fachgebieten wie Verfahrenstechnik, Chemie, Mechatronik und Regeltechnik notwendig sein.With a dielectric thickness of 20 micrometers, 20 percent already means a precision of 4 micrometers, which corresponds to a 25th of the diameter of a human hair. In order to achieve such a result, an extensive combination of skills from different specialist areas such as process engineering, chemistry, mechatronics and control technology may be necessary.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Zugeben eines Additivs zu dem Elastomermaterial, wobei die Dielektrizitätskonstante des Additivs von der Dielektrizitätskonstante des Elastomermaterials verschieden ist. Dies kann den Vorteil haben, dass erwünschte Eigenschaften des Dielektrikums flexibel steuerbar sind.According to another embodiment, the method further includes: adding an additive to the elastomeric material, wherein the dielectric constant of the additive is different from the dielectric constant of the elastomeric material. This can have the advantage that desired properties of the dielectric can be flexibly controlled.
Additive können beispielsweise Vernetzer, Peroxide, Initiatoren, oder Stabilisatoren umfassen, welche an dem Aushärteprozess (z.B. durch Vernetzungsreaktionen) teilnehmen. In einem anderen Beispiel kann das Additiv auch eine Mineralfaser oder eine Polymerfaser (z.B. Glasfaser) sein, welche eingebettet in Elastomermaterial die Stabilität erhöht.Additives can include, for example, crosslinkers, peroxides, initiators, or stabilizers that participate in the curing process (e.g., through crosslinking reactions). In another example, the additive can also be a mineral fiber or a polymer fiber (e.g. glass fiber) which, embedded in an elastomeric material, increases stability.
In einem Ausführungsbeispiel können die Additive eine bessere Alterungsbeständigkeit begünstigen. Neben den, für Kautschukelastomere bewährten Additiven, haben sich insbesondere folgende Zusatzstoffe überraschenderweise besonders bewährt:
- i) Carbon black, insbesondere nichtleitende Russ-Sorten, im mikro/nano-skalinen Bereich,
- ii) Aerosil und andere nanoskaline Siliziumdioxid Pigmente, insbesondere zur Viskositätseinstellung bei einer optionalen Porenbildungsreaktion,
- iii) Zinkoxid als Stabilisator und/oder Inhibitor,
- iv) Antioxidantien wie Butylphenolverbindungen,
- v) Acceleratoren wie Diphenylguanidin,
- vi) Lichtschutzmittel wie HALS-Verbindungen, und
- vii) weitere Rezepturbestandteile, wie Extender, Weichmacher etc.
- i) Carbon black, especially non-conductive types of soot, in the micro/nanoscale range,
- ii) Aerosil and other nanoscale silicon dioxide pigments, in particular for viscosity adjustment in an optional pore formation reaction,
- iii) zinc oxide as stabilizer and/or inhibitor,
- iv) antioxidants such as butylphenol compounds,
- v) accelerators such as diphenylguanidine,
- vi) light stabilizers such as HALS compounds, and
- vii) other formulation ingredients such as extenders, plasticizers, etc.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Verfahren in einem reel-to-reel (Rolle zu Rolle) Prozess durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren besonders effizient und kostengünstig durchgeführt werden kann.According to a further exemplary embodiment, the method is carried out in a reel-to-reel (reel-to-reel) process. This has the advantage that the method described can be carried out particularly efficiently and inexpensively.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „reel-to-reel“ insbesondere eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren bezeichnen, welche(s) konfiguriert ist einen reel-to-reel Prozess durchzuführen. In einer einfachsten Ausführungsform weist eine reel-to-reel Maschine zwei Rollen auf. Ein Folien-ähnliches Material kann hierbei auf der ersten Rolle aufgewickelt sein und über einen Transportweg mit der zweiten Rolle verbunden sein. Im Betriebszustand können beide Rollen rotieren, vorzugsweise in dieselbe Richtung. Hierbei kann das Folien-ähnliche Material von der ersten Rolle abgewickelt werden, über den Transportweg transportiert werden, und dann auf der zweiten Rolle aufgewickelt werden. Der Transportweg kann hierbei die Möglichkeit bieten, das Folien-ähnliche Material zu bearbeiten und/oder weiteres Material aufzutragen. Beispielsweise kann das Folien-ähnliche Material ein Leiterplattenmaterial sein, welches auf dem Transportweg bestückt wird. In einem anderen Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Trägerfolie sein, auf welche Elastomermaterial aufgetragen werden kann (z.B. zum Bilden eines elastischen Dielektrikums). In einem weiteren Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Elastomerfolie sein, aus welcher ein elastisches Dielektrikum hergestellt wird. Ferner kann eine reel-to-reel Maschine so eingerichtet sein, dass über ein Einstellen von Prozessparametern der Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden kann. Beispielsweise derart, dass eine gezielte Streckung und damit eine Vorzugsrichtung in einem Dielektrikum bereitgestellt wird. Die Richtung des Transportweges kann als Maschinenfertigungsrichtung (machine direction, MD) bezeichnet werden. Weiterhin kann die senkrecht hierzu orientierte Breite des Transportweges (bzw. Breite des Folien-ähnlichen Materials) als Maschinenbreitenrichtung (cross-direction, CD) bezeichnet werden.In the context of this document, the term “reel-to-reel” can refer in particular to a device and/or a method which is/are configured to carry out a reel-to-reel process. In the simplest embodiment, a reel-to-reel machine has two reels. A film-like material can be wound onto the first roll and connected to the second roll via a transport path. In the operational state, both rollers can rotate, preferably in the same direction. Here, the foil-like material can be unwound from the first roll, transported via the transport path, and then wound up on the second roll. The transport path can offer the possibility of processing the film-like material and/or applying additional material. For example, the foil-like material can be a printed circuit board material that is populated on the transport route. In another example, the foil-like material can be a carrier foil onto which elastomeric material can be applied (e.g., to form an elastic dielectric). In another example, the foil-like material may be an elastomeric foil from which an elastic dielectric is made. Furthermore, a reel-to-reel machine can be set up in such a way that the manufacturing process can be influenced in a targeted manner by setting process parameters. For example, in such a way that a targeted stretching and thus a preferred direction is provided in a dielectric. The direction of the transport path can be referred to as the machine direction (MD). Furthermore, the width of the transport path (or width of the foil-like material) oriented perpendicular thereto can be referred to as the machine width direction (cross-direction, CD).
In einem Ausführungsbeispiel wird das Basismaterial in Form einer Folie auf einer Rolle (reel) bereitgestellt und zu einer weiteren Rolle weitertransportiert. Somit liegt das anfängliche Basismaterial und das End- oder Zwischenprodukt in Form einer Folie vor.In one embodiment, the base material is in the form of a film on a roll (reel) provided and transported to another role. Thus, the initial base material and the final or intermediate product are in the form of a sheet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Zugeben (insbesondere vor dem Aushärten) einer Adhäsion-reduzierenden und/oder innere Reibung reduzierenden Substanz zu dem Elastomermaterial. Insbesondere weist die Substanz ein Fluorpolymer (z.B. PVDF, FEP, FCTFE, ETFE, etc., insbesondere PTFE) aufweist. Weiter insbesondere liegt die Substanz in einer Konzentration in dem Bereich 0,1 bis 5 % in dem Elastomermaterial vor. Dadurch kann eine vorteilhafte Trennwirkung erreicht werden.According to a further exemplary embodiment, the method also includes: adding (in particular before curing) an adhesion-reducing and/or internal friction-reducing substance to the elastomeric material. In particular, the substance has a fluoropolymer (e.g. PVDF, FEP, FCTFE, ETFE, etc., in particular PTFE). More particularly, the substance is present in the elastomeric material in a concentration in the range of 0.1 to 5%. This allows an advantageous separating effect to be achieved.
Ein Nachteil der erfindungsgemäßen Polymere kann in manchen Ausführungsformen die gute Haftung an Metalloberflächen, also auch den Formen zur Strukturierung während der Formgebung und der gleichzeitigen Vernetzung sein. Dieser Effekt im Grenzflächenbereich wird umso stärker bemerkt, je strukturierter die Oberflächen (also je höher die Amplitudenmaximas und je feiner die Auflösung (als Auflösung kann die minimale Distanz bezeichnet werden, welche zwei Punkte in der horizontalen einer Oberfläche haben müssen, damit in mehr als 90 Prozent der Messungen ein geplant eingebrachter Höhenunterschied zwischen den beiden Punkten feststellbar ist)) sind, wird also bei der angestrebten mikroskalinen Ausformung besonders relevant. Eine an sich übliche Verwendung von Trennmitteln durch Sprüh-Auftrag eines üblichen Trennmittels (z.B. Harze oder Silikon) zwischen Form und Elastomer, scheitert in einem Beispiel neben chemisch/physikalisch unerwünschten Begleiterscheinungen, vor allem an der notwendigen Minimalschichtdicke (1-5 Mikrometer) und der damit einhergehenden oberflächenegalisierenden Wirkung. In some embodiments, a disadvantage of the polymers according to the invention can be the good adhesion to metal surfaces, ie also to the molds for structuring during shaping and the simultaneous crosslinking. This effect in the interface area is noticed all the more strongly, the more structured the surfaces (i.e. the higher the amplitude maxima and the finer the resolution (the minimum distance that two points in the horizontal plane of a surface must have so that in more than 90 percent of the measurements a planned height difference between the two points can be determined)) is particularly relevant for the desired microscale shape. A common use of release agents by spraying a common release agent (e.g. resin or silicone) between the mold and the elastomer fails in one example, in addition to chemically/physically undesirable side effects, above all due to the necessary minimum layer thickness (1-5 microns) and the associated surface leveling effect.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Fluorpolymer (insbesondere PTFE) als Mikropulver beigegeben, z.B. über einen Kneter in die noch unvernetzte Elastomer-Masse, oder durch Dispergieren in einer Elastomer-Lösung vor dem Sprüheintrag in die Form. Dadurch können die Ablöseeigenschaften massiv verbessert werden.In one embodiment, a fluoropolymer (particularly PTFE) is added as a micropowder, e.g. via a kneader into the still uncrosslinked elastomer mass, or by dispersing it in an elastomer solution before it is sprayed into the mold. As a result, the release properties can be massively improved.
Es kann durch Beigabe von 0,1 bis 5 %, bezogen auf das Elastomer, eine ausreichende Trennwirkung erreicht werden, wobei auch andere Fluorpolymere vergleichbare Effekte zeigen. Das Problem liegt aber an der unvermeidbaren Inhomogenität des damit entstehenden Elastomers, da diese Partikel entweder sehr fein strukturiert sein müssen (optimal wäre eine Nanoskalierung) oder aber es müssen lokale Veränderungen der Permittivität (PTFE hat einen Wert von 2,1) in Kauf genommen werden (d.h. die so entstehenden Mikrofeldverzerrungen verändern die TE-Eigenschaften (mit massivem Einfluss auf das Langzeitverhalten) und die Durchschlagsfestigkeit). Bereits ein Zusatz von 0,1 - 0,5% kann sowohl eine ausgeprägte Trennwirkung bei der Mikrostrukturierung des vernetzenden Elastomers auf Metalloberflächen, als auch ein überraschendes, verändertes Relaxationsverhalten der entstehenden Folie bewirken.A sufficient release effect can be achieved by adding 0.1 to 5%, based on the elastomer, with other fluoropolymers also showing comparable effects. However, the problem lies in the unavoidable inhomogeneity of the resulting elastomer, since these particles either have to be very finely structured (nanoscale would be ideal) or local changes in permittivity (PTFE has a value of 2.1) have to be accepted (i.e. the resulting microfield distortions change the PD properties (with a massive impact on the long-term behavior) and the dielectric strength). Even an addition of 0.1-0.5% can bring about both a pronounced release effect in the microstructuring of the crosslinking elastomer on metal surfaces and a surprising, changed relaxation behavior of the resulting film.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein wird derzeit vermutet, dass die internen Reibungsverluste bei der Deformation der Elastomer-Matrix (im Molekülmassstab) deutlich verringert werden.Without being bound to a specific theory, it is currently assumed that the internal friction losses are significantly reduced when the elastomer matrix is deformed (on a molecular scale).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Aushärten einen gezielt initiierten Aushärteschritt auf. Dieser weist zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung, Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle, thermisch initiiertes Radikalvernetzen, thermisches Schwefelvernetzen, Peroxid-initiiertes Radikalvernetzen. Dies hat den Vorteil, dass das gezielte Vernetzen mittels effizienter und etablierter Prozesse durchgeführt werden kann.According to a further exemplary embodiment, the curing has a curing step that is initiated in a targeted manner. This has at least one from the group consisting of: radiation crosslinking, in particular by means of UV radiation, electron crosslinking, in particular by means of an electron beam source, thermally initiated free radical crosslinking, thermal sulfur crosslinking, peroxide-initiated free radical crosslinking. This has the advantage that targeted networking can be carried out using efficient and established processes.
In einem Ausführungsbeispiel werden Elastomere mit UV-induzierten Radikalvernetzungsmöglichkeiten verwendet. Durch die Möglichkeit Initiatoren mit unterschiedlicher Frequenzselektivität zu verwenden sind so Aussteifungen in unterschiedlichen Tiefen oder mit unterschiedlichen Geometrien durch einfache Belichtungsprozesse (Musterprojektion auf noch nicht vernetztes Elastomer) möglich. Auf diese Weise sind unterschiedliche Retardation-Eigenschaften implementierbar, welche wiederum z.B. für ein Feedback-Regelsystem verwendet werden können.In one embodiment, elastomers with UV-induced free radical crosslinking capabilities are used. Due to the possibility of using initiators with different frequency selectivity, stiffening at different depths or with different geometries is possible through simple exposure processes (pattern projection onto elastomer that has not yet crosslinked). In this way, different retardation properties can be implemented, which in turn can be used, for example, for a feedback control system.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Aushärten auf: Initiieren einer kovalenten Bindung zwischen dem Elastomermaterial und einem Fluorpolymer, insbesondere PTFE, weiter insbesondere initiiert durch Verwenden freier Radikale.According to a further embodiment, the curing comprises: initiating a covalent bond between the elastomeric material and a fluoropolymer, in particular PTFE, further in particular initiated by using free radicals.
Es wurde überraschend gefunden, dass ein sehr gut trennfähiges Elastomer herstellbar ist, welches infolge von PTFE-Seitenketten, die kovalent an die Elastomer-Matrix gebunden sind, weder Inhomogenitäten, noch eine Minderung der Permittivität ergibt.Surprisingly, it was found that an elastomer which can be separated very well can be produced which, as a result of PTFE side chains which are covalently bonded to the elastomer matrix, results in neither inhomogeneities nor a reduction in permittivity.
Es wird davon ausgegangen, dass bei der Bestrahlung von PTFE Feinpulvern in einer oxidierenden (Luft-) Atmosphäre mit ionisierenden Strahlen, bei einer Intensität von über 100 kGy (bevorzugt > 500 kGy) persistente PTFE-Peroxid-Radikale entstehen. Es wurde gefunden, dass diese (beständigen) Radikale direkt mit den erfindungsgemäßen Polymeren, im Zuge einer Peroxid-Vernetzung, in die Molekülmatrix irreversibel eingebaut werden.It is assumed that the irradiation of PTFE fine powders in an oxidizing (air) atmosphere with ionizing radiation at an intensity of over 100 kGy (preferably > 500 kGy) will produce persistent PTFE peroxide radicals. It was found that these (stable) radicals directly with the invention Polymers, in the course of a peroxide crosslinking, are irreversibly incorporated into the molecular matrix.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Strukturieren und/oder Perforieren zumindest eines Teils der Oberfläche der noch nicht ausgehärteten Elastomerschicht (insbesondere während des Aushärtens) und/oder des (im Wesentlichen) festen Dielektrikums. Dies insbesondere vor dem Aufbringen des Elektrodenmaterials (der weiteren Elektrode). Dies hat den Vorteil, dass die Haftung der weiteren Elektrode verbessert werden kann und Verdrängungsraum für Dielektrikum-Material bereitgestellt wird. Im nicht vollständig ausgehärteten Zustand kann die Strukturierung besonders gut gelingen.According to a further exemplary embodiment, the method also includes: structuring and/or perforating at least part of the surface of the not yet cured elastomer layer (in particular during curing) and/or the (substantially) solid dielectric. This in particular before the electrode material (the further electrode) is applied. This has the advantage that the adhesion of the further electrode can be improved and displacement space for dielectric material is provided. Structuring can be particularly successful if it is not fully cured.
Damit während dem Betrieb der dielektrischen Vorrichtung das elastische Dielektrikum einen Platz für seine Verdrängung findet, wird die Oberfläche des elastischen Dielektrikums derart strukturiert, dass eine nicht planare Oberfläche entsteht, sondern eine gezielt eingebrachte Welligkeit oder Rauheit. Bezüglich der weiteren (zweiten Elektrode) kann z.B. Folgendes umgesetzt werden:
- i) Durch Verwendung einer deutlich steiferen Elektrode in einer genügend dicken Ausführung (z.B. 5-50 µm) bleibt diese auch im Betrieb der dielektrischen Vorrichtung im Wesentlichen planar. Die vorher aufgebrachte Oberflächenstrukturierung bewirkt dann kleine bis mikroskaline Hohlräume zwischen Dielektrikum und Gegenelektrode. Die sich derart bildenden Hohlräume werden nun als Verdrängungsraum für das im Rahmen der Aktivierung verdrängte Elastomer genutzt.
- ii) Die weitere Elektrode ist gegenüber der strukturierten Oberfläche nicht derart versteift, dass sie plan bleibt (sondern zumindest teilweise der Strukturierung der Dielektrikum-Oberfläche folgt). Aber durch den Betrieb wird das elastische Dielektrikum derart verformt, dass im Mittel eine kleinere Elektrodendistanz entsteht. Dieser Vorgang ist z.B. mit einer elastischen Elektrode unterstützt.
- i) By using a significantly stiffer electrode with a sufficiently thick design (eg 5-50 μm), this remains essentially planar even during operation of the dielectric device. The previously applied surface structure then causes small to microscale cavities between the dielectric and the counter-electrode. The cavities that form in this way are now used as displacement space for the elastomer displaced during activation.
- ii) The further electrode is not stiffened in relation to the structured surface in such a way that it remains flat (but at least partially follows the structuring of the dielectric surface). However, during operation, the elastic dielectric is deformed in such a way that, on average, the electrode distance is smaller. This process is supported eg with an elastic electrode.
In einem Ausführungsbeispiel wird das noch flüssige zu vernetzende Dielektrikum zwischen einer Trägerfolie (als Basis) und einer Deckfolie eingebracht (wobei Trägerfolie und Deckfolie auch aus demselben Material und/oder demselben Aufbau bestehen können, insbesondere kann die Deckfolie gleichzeitig die (weitere) Elektrode bilden und auch wieder die Elektrode der nächsten Lage eines Stapelsystems sein). Diese Deckfolie kann sowohl perforiert sein als auch eine von einer planen Fläche abweichende Oberflächenstruktur aufweisen (beide Massnahmen sind zur Bildung von Verdrängungsraum geeignet). Insbesondere kann bei der Verwendung einer transparenten Deckfolie durch diese hindurch vernetzt werden (z.B. durch UV-Vernetzung). Das Einbringen der Deckfolie kann technische Hindernisse bei der Anhaftung des NBR auf der Prägeoberfläche überwinden. Diese Folie kann sehr dünn sein und so auch die Strukturierung von aussen (z.B. durch Walzen) in die oberste Elastomermaterial (NBR)-Zone übertragen. Insbesondere mit sehr dünnen Deckfolien (unter 20 Mikrometern, bevorzugt unter 5 Mikrometern Dicke) wurden gute Ergebnisse erzielt. Diese Prozessvariante erlaubt auch die Herstellung von Dielektrika mit sehr wenig unterschiedlichen Eigenschaften in MD und CD Richtung.In one embodiment, the still liquid dielectric to be crosslinked is introduced between a carrier film (as the basis) and a cover film (whereby the carrier film and cover film can also consist of the same material and/or the same structure, in particular the cover film can simultaneously form the (further) electrode and also be the electrode of the next layer of a stack system). This cover film can either be perforated or have a surface structure that deviates from a flat surface (both measures are suitable for forming displacement space). In particular, when using a transparent cover film, crosslinking can take place through this (e.g. by UV crosslinking). The introduction of the cover foil can overcome technical obstacles in the adhesion of the NBR to the embossing surface. This foil can be very thin and thus transfer the structuring from the outside (e.g. by rolling) to the uppermost elastomer material (NBR) zone. Good results were achieved in particular with very thin cover films (less than 20 micrometers, preferably less than 5 micrometers thick). This process variant also allows the production of dielectrics with very few different properties in the MD and CD directions.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Strukturieren zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: Sandstrahlen, Formen, Pressen, Stempeln, Anwenden von auswaschbaren Reagenzien. Dies kann den Vorteil haben, dass mit etablierten Verfahren kostengünstig eine vorteilhafte Strukturierung erhalten werden kann.According to a further exemplary embodiment of the method, the structuring comprises at least one from the group consisting of: sandblasting, molding, pressing, stamping, applying leachable reagents. This can have the advantage that an advantageous structuring can be obtained inexpensively with established methods.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Strukturierung durch ein lösliches und/oder auswaschbares Strukturmaterial erzeugt. Insbesondere ist dieses Strukturmaterial ein Teil des Basismaterials. Ergänzend oder alternativ weist das Strukturmaterial zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: wasserlösliche Salze, neutrale Salze, insbesondere NaCl, CaCO3, Na2SO4.According to a further exemplary embodiment, the structuring is produced by a soluble and/or washable structural material. In particular, this structural material is part of the base material. Additionally or alternatively, the structural material has at least one from the group consisting of: water-soluble salts, neutral salts, in particular NaCl, CaCO 3 , Na 2 SO 4 .
Dem Dielektrikum kann im noch unvernetzten Zustand auf der Oberfläche ein auswaschbares Mittel, welches nicht in den Vernetzungsprozess reaktiv eingreift (z.B. wasserlösliche Metallsalze oder wasserlösliche Polymere, aber auch Zucker, usw.) beigegeben werden, welches auswaschbare Mittel nach der Vernetzung ausgewaschen werden kann, und so eine strukturierte Oberfläche übrig bleibt.When the dielectric is still uncrosslinked, a leachable agent can be added to the surface, which does not interfere with the crosslinking process (e.g. water-soluble metal salts or water-soluble polymers, but also sugar, etc.), which leachable agent can be washed out after crosslinking, and leaving a textured surface.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Elektrodenmaterial als Film (bzw. Folie) aufgetragen, welcher eine Dicke von 20 µm oder weniger, insbesondere 5 µm oder weniger, aufweist. Ein besonders dünner Aufbau einer dielektrischen Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise die Sensitivität erhöhen.According to a further exemplary embodiment, the electrode material is applied as a film (or foil) which has a thickness of 20 μm or less, in particular 5 μm or less. A particularly thin construction of a dielectric device can advantageously increase the sensitivity.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Film (bzw. die Folie) zumindest teilweise transparent. Insbesondere wird das Vernetzten (insbesondere mittels UV) durch den transparenten Film hindurch durchgeführt. Das Elastomermaterial wird auf die Polymerschicht abgeschieden und dann gezielt (teilweise) ausgehärtet mittels UV Bestrahlung. Weil die Folie (zumindest teilweise) transparent ist, durchquert die UV-Strahlung die Folie und wird von der darunterliegenden (Elektroden) Metallschicht reflektiert, insbesondere total reflektiert. Hierdurch kann die UV Bestrahlung des Elastomermaterials besonders effektiv sein und die Vernetzungszeit kann sich deutlich verkürzen lassen.According to a further embodiment, the film (or foil) is at least partially transparent. In particular, the crosslinking (particularly by means of UV) is carried out through the transparent film. The elastomeric material is deposited on the polymer layer and then selectively (partially) cured using UV radiation. Because the foil is (at least partially) transparent, the UV radiation passes through the foil and becomes metal from the underlying (electrodes). reflected layer, especially totally reflected. As a result, the UV irradiation of the elastomer material can be particularly effective and the crosslinking time can be significantly reduced.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist zumindest ein Teil einer Oberfläche des Dielektrikums strukturiert und/oder perforiert.According to a further exemplary embodiment of the device, at least part of a surface of the dielectric is structured and/or perforated.
Insbesondere ist in den Strukturierungen und/oder Perforationen Elektrodenmaterial angeordnet. Siehe Beschreibung der Strukturierungen oben.In particular, electrode material is arranged in the structures and/or perforations. See description of structuring above.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist zumindest ein Teil einer Oberfläche zumindest einer der beiden Elektroden strukturiert und/oder perforiert. Insbesondere ist in den Strukturierungen und/oder Perforationen Dielektrikum-Material angeordnet.According to a further exemplary embodiment of the device, at least part of a surface of at least one of the two electrodes is structured and/or perforated. In particular, dielectric material is arranged in the structures and/or perforations.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode von der zweiten Elektrode verschieden. Dies insbesondere bezüglich der mechanischen Eigenschaften (insbesondere der Elastizität), weiter insbesondere bezüglich der Dicke und/oder der Materialzusammensetzung. Dadurch können auf flexible Weise verschiedene vorteilhafte Eigenschaften erreicht werden.According to a further embodiment, the first electrode is different from the second electrode. This in particular with regard to the mechanical properties (in particular the elasticity), further in particular with regard to the thickness and/or the material composition. As a result, various advantageous properties can be achieved in a flexible manner.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
-
1a ,1b , und1c zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
1d zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2a bis2e zeigen ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums für eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1a ,1b , and1c each show a dielectric device according to an embodiment of the invention. -
1d FIG. 12 shows a dielectric device as a stack actuator/sensor according to an embodiment of the invention. -
2a until2e show a method for producing an elastic dielectric for a dielectric device according to an embodiment of the invention.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das beschriebene Verfahren die folgenden Vorteile ermöglichen:
- i) Aussergewöhnliche Reinheit der beteiligten Komponenten. Bereits bei minimalen Fremdmaterialanteilen könnte eine Feldstörung produziert werden, welche dann eine reduzierte Hochspannungsfestigkeit in einer dielektrischen Vorrichtung bewirkt.
- ii) Besondere Homogenität der noch flüssigen Materialien. Mangelhafte Homogenität in den Ausgangsmaterialien kann zu einer Verschiebung der relativen Dielektrizitätskonstante im Inneren des Materials führen, was wiederum eine Feldverzerrung bewirken kann. Entsprechende Feldverzerrungen können ebenfalls zu einer tieferen Hochspannungsfestigkeit oder einer damit verbundenen reduzierten Lebenserwartung des entsprechenden Bauteils führen. iii) Vermeidung von Lufteinschlüssen. Diese können ebenfalls eine Feldverzerrung mit den oben genannten Folgen bei einer für dielektrische Vorrichtungen üblichen hohen Spannung auslösen.
- iv) Dickenvariationen minimieren. Dadurch können weniger relevante Feldverschiebungen auftreten. Es wurde gefunden, dass ab einer Dickengenauigkeit von 20%, und genauer, über die gesamte Fläche ein erwünschtes Ergebnis erzielt werden konnte. Bei Dickengenauigkeiten von unter 5% wurden besonders erwünschte Ergebnisse erreicht. Bei Dicken von 20 Mikrometern bedeuten 20 Prozent bereits eine Präzision von 4 Mikrometern, was einem 25-igstel des Durchmessers eines menschlichen Haares entspricht. Solche Produktionsergebnisse bedürfen der Kombination der Kompetenzen von verschiedenen Fachgebieten wie Verfahrenstechnik, Chemie, Mechatronik, und Regeltechnik.
- v) Vermeidung einer anisotropen Elastomerausgestaltung. Eine solche kann durch Laminierprozesse oder anderen Verfahren entstehen, bei welchen eine dünne Folie abgerollt wird und so aufgrund der Abzugsspannung eine Anisotropie bezüglich der Elastizitätseigenschaften geschaffen ist. Dies kann eine Nichtlinearität in der Bewegungsfreiheit in z-Richtung bewirken.
- i) Exceptional purity of the components involved. Even minimal amounts of foreign material could produce a field disturbance, which then causes a reduced high voltage withstand capability in a dielectric device.
- ii) Particular homogeneity of the still liquid materials. Poor homogeneity in the starting materials can lead to a shift in the relative dielectric constant inside the material, which in turn can cause field distortion. Corresponding field distortions can also lead to a lower high-voltage strength or an associated reduced life expectancy of the corresponding component. iii) avoidance of air pockets. These can also induce field distortion with the above consequences at high voltage common for dielectric devices.
- iv) minimize thickness variations. As a result, less relevant field shifts can occur. It was found that from a thickness accuracy of 20%, and more precisely, over the entire surface, a desired result could be achieved. Particularly desirable results have been achieved with thickness accuracies of less than 5%. At a thickness of 20 microns, 20 percent already means a precision of 4 microns, which corresponds to 1/25th the diameter of a human hair. Such production results require the combination of competencies from different fields such as process engineering, chemistry, mechatronics and control technology.
- v) avoidance of an anisotropic elastomer design. This can be caused by laminating processes or other methods in which a thin film is unrolled and an anisotropy with regard to the elasticity properties is thus created due to the peeling tension. This can cause a non-linearity in the freedom of movement in the z-direction.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.Identical or similar components in different figures are provided with the same reference numbers.
Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, welcher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft).Each of the two
Die
Die Dicke (d) der Elastomerschicht 230 wird gezielt eingestellt, so dass das herzustellende elastische Dielektrikum 130 eine Dicke von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 50 µm, aufweist. Eine derart geringe Dicke für ein NBR Copolymer lässt sich u.a. dadurch erreichen, dass nicht ausgehärtetes Elastomermaterial selektiv abgetragen bzw. entfernt wird. Weiterhin lässt sich die erwünschte Dicke auch dadurch erreichen, dass selektiv Elastomermaterial hinzugefügt wird. Ein unterer Bereich des Elastomermaterials, welcher stärker ausgehärtet ist als ein oberer Bereich des Elastomermaterials kann hierbei die notwendige Stabilität bereitstellen.The thickness (d) of the
Der zweite Bereich 230b der Elastomerschicht 230 wird nun derart ausgehärtet, dass die Elastomerschicht 230 ein im Wesentlichen festes Dielektrikum 130 bildet. Dieses feste Dielektrikum 130 weist eine Viskosität von 108 Ns/m2 oder mehr auf. Dieser Prozess kann zusätzlich aufweisen: Bilden von speziellen, besonders kleinen Poren (mittlerer Durchmesser von 20 µm oder weniger) in dem Dielektrikum 130.The second region 230b of the
Das nach dem oben beschriebenen Prozess bereitgestellte elastische Dielektrikum 130 weist besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Eine Variation der Dicke d des erhaltenen elastischen Dielektrikums 130 ist 5 % oder weniger bezogen auf die mittlere Dicke des elastischen Dielektrikums 130. Das elastische Dielektrikum 130 hat hierbei eine Dicke von weniger als 100 µm.The
Bei Auftragen des Elektrodenmaterials kann dieses zumindest teilweise in die Oberflächen-Strukturen 150 des Dielektrikums 130 eindringen. Nach dem Aushärten des Elastomermaterials kann die Elektrode 120 besonders gut an dem im Wesentlichen festen Dielektrikum 130 haften.When the electrode material is applied, it can at least partially penetrate into the
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that "comprising" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Dielektrische Vorrichtungdielectric device
- 110110
- Erste Elektrode, MetallfolieFirst electrode, metal foil
- 112112
- Funktioneller (elektrisch leitfähiger) BereichFunctional (electrically conductive) area
- 114114
- Kontaktbereichcontact area
- 120120
- Zweite ElektrodeSecond electrode
- 121121
- Dritte ElektrodeThird Electrode
- 130130
- (Erstes) Dielektrikum(First) dielectric
- 131131
- Zweites DielektrikumSecond dielectric
- 150150
- Strukturierungstructuring
- 160160
- Gegenelektrode counter electrode
- 210210
- Basis (-material)base (material)
- 212212
- Basisflächebase surface
- 230230
- Elastomerschicht, nicht ausgehärtet Elastomer layer, not cured
- di.e
- Dickethickness
- EE
- Bereichsebenearea level
- PP
- DruckPrint
- Uu
- Spannungtension
- X, YX, Y
- Haupterstreckungsrichtungenmain extension directions
- ZZ
- Höhenrichtungheight direction
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