EP2636084A1 - Polymerschichtenverbund mit ferroelektret-eigenschaften und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Polymerschichtenverbund mit ferroelektret-eigenschaften und verfahren zu dessen herstellung

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EP2636084A1
EP2636084A1 EP11776786.3A EP11776786A EP2636084A1 EP 2636084 A1 EP2636084 A1 EP 2636084A1 EP 11776786 A EP11776786 A EP 11776786A EP 2636084 A1 EP2636084 A1 EP 2636084A1
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EP
European Patent Office
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polymer layer
layer structure
polymer
cavities
continuous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11776786.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ludwig und Maria JENNINGER
Deliani Lovera-Prieto
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Intellectual Property GmbH
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Publication date
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Publication of EP2636084A1 publication Critical patent/EP2636084A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
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    • Y10T428/24996—With internal element bridging layers, nonplanar interface between layers, or intermediate layer of commingled adjacent foam layers

Definitions

  • the present invention relates to a polymer structure with ferroelectret properties having a first continuous polymer layer and a second continuous polymer layer, wherein the first and the second polymer layers are connected to each other by connecting portions arranged inclined to the continuous polymer layers to form cavities. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a polymer layer composite according to the invention and a piezoelectric element comprising a polymer layer composite according to the invention. Because of their advantageous and specifically adjustable properties, such as low weight, thermal conductivity, mechanical deformability, electrical properties and barrier functions, polymer and polymer composites are used in a variety of commercial applications. They are used for example as packaging material for food or other goods, as construction or insulation materials, for example in construction or in vehicle construction. Functional polymers are increasingly gaining in importance as active components in sensor or actuator applications.
  • Piezoelectric materials are capable of converting a mechanical pressure into an electrical voltage signal. Conversely, an electric field applied to the piezoelectric material can be transformed into a change in the transducer geometry.
  • Piezoelectric materials are already being integrated as active components in a variety of applications. These include, for example, structured pressure sensors for keyboards or touchpads, acceleration sensors, microphones, loudspeakers, ultrasonic transducers for applications in medical technology, marine technology or materials testing.
  • the patent application WO 2006/053528 A I describes an electroacoustic transducer based on a piezoelectric element made of polymer films.
  • ferroelectrets are polymer materials with a cavity structure that can store electrical charges for long periods of time.
  • the previously known ferroelectrets have a cellular cavity structure and are formed either as foamed polymer films or as multilayer systems of polymer films or polymer fabrics.
  • the ferroelectrets can exhibit a piezoelectric activity comparable to that of other piezoelectrics.
  • Ferroelectrets continue to be of increasing interest to commercial applications such as sensor, actuator and generator systems. In the case of hostility, the applicability of a production process on an industrial scale is essential.
  • foamed ferroelectret polymer films are to directly physically foam a homogenous film with supercritical fluids, such as carbon dioxide.
  • supercritical fluids such as carbon dioxide.
  • Gerhard I Zirkel Cellular Polyethylene Naphthalate Ferroelectrets: Foaming in Supercritical Carbon Dioxide, Structural and Electrical Preparation, and Resulting Piezoelectricity
  • Applied Physics A Materials Science & Processing 90, 615-618 (2008), O. Voronina, M. Wegener, W. Wirges, R. Gerhard, L. Zirkel and 1.
  • the foamed polymer films have the disadvantage that a broad distribution of the bubble size can result. As a result, not all bubbles can be charged equally well in the subsequent charging step.
  • WO 2010/066348 A2 discloses a method for the production of two- or multi-layer ferroelecates with defined cavities by structuring at least one first surface of a first polymer film to form a height profile, placing at least one second polymer film on the one formed in a first step structured surface of the first polymer film, joining the polymer films to a polymer film to form cavities and electrifying the inner surfaces of the formed cavities with opposite electrical charges.
  • the patent application relates to a piezoelectric element comprising a ferroelectret multi-layer composite of the invention.
  • Structural structures can be generated, the method should be particularly simple and inexpensive to be carried out on a large scale and industrial scale.
  • the present invention thus relates to a polymer structure with ferroelectret properties.
  • the polymer layer structure comprises a continuous first polymer layer and a continuous second polymer layer, wherein the first and the second polymer layer are connected to each other by connecting portions arranged between the continuous polymer layers to form cavities.
  • the polymer layer structure is characterized in that it is designed as an integral extrusion component.
  • an "integral extrusion component” is understood as meaning those components which obtain their required shape for the particular application directly from the extrusion step, ie, apart from possibly necessary post-processing to ensure a consistently high product quality, further shaping steps or Joining steps are necessary, in particular an integral extrusion components requires no connection of individual component components following the extrusion.
  • ferroelectret properties mean that within electric cavities opposite electric charges are arranged on opposite surfaces of the cavity. As already stated, each cavity thus constitutes an electric dipole. When the cavity is deformed, the dipole size changes and an electric current can flow between correspondingly connected external electrodes.
  • the particular advantage of the polymer structure according to the invention is that it can be produced in a cost-effective manner with a high degree of automation by means of an established production process, namely by means of extrusion, in a cost-effective manner.
  • the extrusion allows a high degree of design freedom.
  • a large number of cross-sectional geometries can be realized with a corresponding nozzle shape.
  • the cavities are due to the process over the entire Warr corner of the extruded polymer layer structure tunnel-like with a constant cross-section, so as arranged in parallel, linear, continuous channels formed.
  • the first and the second polymer layer of the polymer layer structure may be formed with variable thickness, in particular with periodically varying thickness.
  • the thicknesses d 1 and d 2 of the first and second polymer layers are constant.
  • the term "constant” is to be understood according to the invention that the thickness varies at most by + 10% due to unavoidable fluctuations, with variations of at most ⁇ 5% of the thickness being preferred.
  • di e cavities at least partially have a trapezoidal cross-section, in particular a symmetrical trapezoidal cross-section with equal legs on. It is preferred that all cavities have a, in particular symmetrical, trapezoidal cross-section, wherein in horizontally arranged polymer layer structure in each case the longer base side of a trapezoidal cross-section is arranged alternately above and below the associated shorter base side.
  • the trapezoidal cross sections of respectively adjacent cavities can be converted into one another by a point mirroring.
  • the connecting sections connecting the two continuous polymer layers can be formed with a thin wall thickness, since the so-called Legs of adjacent Trapezqueritese can be aligned parallel to each other. This contributes to the desired structure softness of the polymer layer structure.
  • adjacently arranged connecting sections are arranged at an acute angle to each other and to the two polymer layers. This further contributes to the desired structural softness, whereby the polymer layer structure has a larger piezoelectric constant d 33 , among other things than comparable ferroelectret systems having rectangular cavity cross-sections.
  • each obtuse angle has two adjacent acute angles and each acute angle has two adjacent obtuse angles.
  • the connecting portions connecting the two continuous polymer layers are tilted in the same direction of rotation with respect to the shortest connection of the two continuous polymer layers.
  • the connection sections are thus arranged "in the same direction". It is particularly preferred in this case that the trapezoidal cross-section is formed parallelogram-shaped, wherein the connecting portions have a uniform length and the continuous polymer layers are arranged parallel to each other, especially in the case of parallelogram-shaped cross-sections, a good structure softness is achieved.
  • the thickness dl of the first polymer layer is> 10 ⁇ m to ⁇ 250 ⁇ m and the thickness d2 of the second polymer layer is> 10 ⁇ m to ⁇ 250 ⁇ m.
  • the width defined as the length of the longer base side of a trapezoidal cross-section is a> 10 ⁇ m to ⁇ 5 mm. preferably> 100 ⁇ to ⁇ 3 mm, is.
  • the width b defined as the width of the trapezoidal cross section at half the height is preferably> 10 ⁇ m to ⁇ 5 mm, preferably> 100 ⁇ m to ⁇ 3 mm.
  • the height h of the trapezoidal cross section is preferably> 10 ⁇ to ⁇ 500 ⁇ .
  • the included between the longer base side of the trapezoidal cross-section and a leg angle ⁇ is preferably> 5 ° to ⁇ 80 °.
  • the polymer layer structure comprises a material selected from the group comprising polycarbonate, perfluorinated or partially fluorinated polymers and copolymers, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, perfluoroalkoxyethylene, polyester, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyimide, polyetherimide, polyether.
  • PPE poly (phenylene ether)
  • PPE polymethyl (meth) acrylate
  • cyclo-olefin polymers especially polypropylene, polystyrene and / or mixtures thereof.
  • the mixtures can be homogeneous or phase-separated.
  • the inventively wide selection of materials can advantageously also allow adaptation to certain applications.
  • the tunnel-like cavities of the polymer layer structure produced by extrusion are filled with gases which are selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), nitrous oxide (N 2 O) and / or sulfur hexafluoride (SF 6 ).
  • gases which are selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), nitrous oxide (N 2 O) and / or sulfur hexafluoride (SF 6 ).
  • the polymer layer structure furthermore comprises one or more electrodes.
  • the polymer layer structure according to the invention may have at least partially a conductive coating on the outwardly directed surfaces of the polymer films. These conductive areas can be used as electrodes.
  • the conductive coating that is to say the electrodes, can be applied in a planar and / or structured manner.
  • a patterned conductive coating may be configured as an application in stripes or in lattice form.
  • the selected electrode materials may be conductive materials known to those skilled in the art.
  • metals, metal alloys, conductive oligo- or polymers such as polythiophenes, Polyaniiine, Polyp yrrole, conductive oxides, such as mixed oxides such as ITO, or filled with conductive fillers polymers come into question.
  • Suitable fillers for polymers filled with conductive fillers are, for example, metals, conductive carbon-based materials, such as, for example, carbon black, carbon nanotubes (CNTs) or, in turn, conductive oligomers or polymers.
  • the filler content of the polymers is above the percolation threshold, so that the conductive fillers form continuous electrically conductive paths.
  • the electrodes can be prepared by methods known per se, for example by metallization of the surfaces, by splitting. Vaporizing, Chemical Vapor Deposit (CVD), Printing, Rake! N. Spin coating, sticking or pressing a conductive layer can be realized in prefabricated form or by a spray electrode of a conductive plastic.
  • the electrodes can be structured, for example in stripes or in lattice form, be configured.
  • the electrodes can also be structured in such a way that the photochemical structure has active and passive regions as an electromechanical transducer.
  • the electrodes can be structured in such a way that, particularly in a sensor mode, the signals are detected with local resolution and / or, in particular in an actuator mode, the active regions can be specifically controlled. This can be achieved, for example, by providing the active regions with electrodes, whereas the passive regions have no electrodes.
  • two or more polymer layer structures can be connected to the same-conductive layer, that is to say to the electrode.
  • an intermediate electrode can be formed, which can be switched against the two electrodes on the then outer surfaces.
  • Electro-mechanical transducers with more than two electrodes can be, for example, staple electrodes made of polymer, preferably layered, polymer layer structure systems, preferably according to the invention.
  • the present invention further relates to a process for producing a polymer layer composite according to the invention, comprising the steps:
  • the application of electrodes to the outer surfaces of the polymer layer structure can take place before and / or after the electrical charging of the inner surfaces of the cavities in step (C).
  • the application of electrodes to the outer surfaces is understood to mean the provision of a conductive surface coating in at least one subregion, in particular on the outwardly directed surfaces of the polymer layer composite.
  • the electrical charging takes place in step (C) by means of direct charging or corona discharge.
  • the charging can be done by a two-electron corona arrangement.
  • the needle voltage can be> 20 kV,> 25 kV and in particular> 30 kV.
  • the charging time can be> 20 s,> 25 s and in particular> 30 s.
  • direct charging is meant charging when, after the application of electrodes to the outer surfaces of the polymer layer structure, a direct charging takes place by application of an electrical voltage.
  • a polling of the opposite sides of the cavities can be realized by a corona discharge.
  • a corona treatment is advantageously also suitable for large-scale use. According to the invention, it is also possible first to provide a conductive surface coating on an er surface, then to charge the polymer layer structure and finally to apply a second electrode on the opposite outer surface.
  • the cavities are filled with gases which are selected from the group comprising nitrogen, nitrogen monoxide and / or sulfur hexafluoride.
  • gases which are selected from the group comprising nitrogen, nitrogen monoxide and / or sulfur hexafluoride.
  • gases which are selected from the group comprising nitrogen, nitrogen monoxide and / or sulfur hexafluoride.
  • significantly higher piezo constants can be achieved by the gas filling advantageously in the polymer layer composites according to the invention by polarity. It is understood that the cavities extending like a tunnel through the polymer layer structure must be sealed at their end faces, so that the gas filled in remains in the cavities.
  • Another object of the present invention is a piezoelectric element comprising a polymer layer structure according to the invention. This piezoelectric element may particularly preferably be a sensor, actuator or generator element.
  • the invention can be embodied in a variety of different applications in the electro-mechanical and electro-acoustic field, especially in the field of energy from mechanical vibrations (energy harvesting), acoustics, ultrasound, medical diagnostics, acoustic microscopy, mechanical sensors, in particular pressure force and / or strain sensors, robotics and / or communication technology.
  • Typical examples include pressure sensors, electroacoustic transducers, microphones, loudspeakers, vibration transducers, light deflectors, diaphragms, optical fiber modulators, pyroelectric detectors, capacitors and control systems, and "smart" floors.
  • FIG. 1 shows an extruded polymer layer structure with trapezoidal cavity cross sections in a cross-sectional view.
  • FIG. 2 shows an alternative extruded polymer layer structure with parallelogram-shaped cavity cross-sections in a cross-sectional view.
  • FIG. 1 shows, for a better understanding, in particular the dimensioning, a polymer layer structure with ferroelectret properties in cross section.
  • the polymer layer structure of FIG. 1 comprises a continuous first polymer layer 1, arranged at the top here, and a continuous second polymer layer 2. Both polymer layers 1, 2 have a substantially constant thickness d1. d2, for example, 50 ⁇ , on.
  • the two continuous polymer layers 1, 2 are interconnected by angled connecting sections 3 arranged to the continuous polymer layers. Their thickness d3 is preferably also 50 .mu.m.
  • tunnel-like cavities 4 are formed, wherein the connecting sections 3 connecting the two polymer layers 1, 2 are arranged at an acute angle to the polymer layers 1, 2 and to each other such that the cavities 4 each have a cross section in the form of a symmetrical trapezoid.
  • the longer base side of a trap element is arranged alternately above and below the associated shorter base side, so that in each case adjacent trapezoidal cross sections are aligned with point mirroring one another.
  • the angle ⁇ enclosed between the longer base side (base) of each trapezoidal cross section and the adjacent connecting sections can assume values between 5 and 80 °. In the present case, the angle is about 60 °.
  • FIG. 2 shows an alternative extruded polymer layer structure with parallelogram-shaped cavity cross-sections 4 * as a special case of trapezoidal cavity cross-sections in a cross-sectional view.
  • the connecting sections 3 * here are inclined in the same direction with respect to the imaginary vertical connection of the parallel continuous polymer layers 1, 2. Consequently, the width a, which is no longer explicitly indicated in FIG. 2, also corresponds to the width b at half the height. It is understood that the thicknesses d1, d2 and the angle ⁇ can assume the above-mentioned values.
  • FIG. 1 An embodiment in which a plurality of the polymer layer structures shown in Figure 1 are stacked to form a stack, wherein each facing continuous polymer layers of adjacent stacked polymer layer structures are charged with the same polarization.
  • electrode layers are arranged between the individual polymer layer structures, which are contacted by the continuous polymer layers of the same polarization.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polymerschichtstruktur mit Ferroelektret-Eigenschaften, umfassend eine durchgehende erste Polymerschicht (1) und eine durchgehende zweite Polymerschicht (2), wobei die erste und die zweite Polymerschicht (1, 2) durch zwischen den durchgehenden Polymerschichten (1, 2) angeordnete Verbindungsabschnitte (3) unter Bildung von Hohlräumen (4) miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäss ist die Polymerschichtstruktur als integrales Extrusionsbauteil ausgebildet.

Description

Polvmcrschichtcnvcrhund mit Ferroelektret-Eigenschaften und Verfahren zu dessen
Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine P olymer s chicht struktur mit Ferroelektret-Eigenschaften mit einer ersten durchgehenden Polymerschicht und einer zweiten durchgehenden Polymerschicht, wobei d i e erste und die zweite Polymerschicht durch geneigt zu den durchgehenden Polymerschichten angeordnete Verbindungsabschnitte unter Bildung von Hohlräumen miteinander verbunden sind. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymerschichtverbundes und ein piezoelektrisches Element, umfassend einen erfindungsgemäßen Polymerschichtverbund. Wegen ihrer vorteilhaften und gezielt einstellbaren Eigenschaften, wie zum Beispiel geringes Gewicht, thermische Leitfähigkeit, mechanische Verformbarkeit, elektrische Eigenschaften sowie Barrierefunktionen werden Polym ere und Polymerverbundstoffe in einer Vielzahl von kommerziellen Anwendungen eingesetzt. Sie werden beispielsweise als Verpackungsmaterial für Lebensmittel oder sonstige Güter, als Konstruktions- oder Isolationsmaterialien beispielsweise im Bauwesen oder im Fahrzeugbau verwendet. Funktionspolymere gewinnen in zunehmendem Maße aber auch als aktive Komponenten in Sensor- oder Aktoranwendungen an Bedeutung.
Ein wichtiges Anwendungskonzept bezieht sich dabei auf den Einsatz der Polymere als elektromechanische oder piezoelektrische Wandler. Piezoelektrische Materialien sind in der Lage, einen mechanischen Druck in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln. Umgekehrt kann ein an das piezoelektrische Material angelegtes elektrisches Fe ld in e i ne Änderung der Wandlergeometrie transformiert werden. Piezoelektrische Materialien werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungen als aktive Komponenten integriert. Hierzu gehören beispielsweise strukturierte Drucksensoren für Tastaturen oder Touchpads, Bes chleunigungss ensor en, Mikrofone, Lautsprecher, Ultraschallwandler für Anwendungen in der Medizintechnik, der Meerestechnik oder zur Materialprüfung. In der Patentanmeldung WO 2006/053528 A I ist beispielsweise ein elektroakustischer Wandler auf Basis eines piezoelektrischen E lements aus Polymerfol ien beschrieben.
In den letzten Jahren steht zunehmend eine neue Klasse piezoelektrischer Polymere, di e sogenannten Ferroelektrete, im Interesse der Forschung. Di e Ferroelektrete werden auch Piezoelektrete genannt. Ferroelektrete sind Polymermaterialien mit einer Hohlraum struktur, die elektrische Ladungen über lange Zeiträume speichern können. Die bisher bekannten Ferroelektrete weisen eine zelluläre Hohlraumstruktur auf und sind entweder als geschäumte Polymerfolien oder als Mehrschichtsysteme aus Polymerfolien oder Polymergeweben ausgebildet. Sind elektrische Ladungen entsprechend ihrer Polarität auf den unterschiedlichen Oberflächen der Hohlräume verteilt, stellt jeder geladene Hohlraum einen elektrischen Dipol dar. Werden die Hohlräume nun deformiert, bedingt dies eine Änderung der Dipolgröße und führt zu einem Stromfluss zwischen äußeren Elektroden. Die Ferroelektrete können eine piezoelektrische Aktivität zeigen, die der anderer Piezoelektrika vergleichbar ist.
Ferroelektrete sind für kommerzielle Anwendungen, beispielsweise für Sensor-, Aktor- und Generatorsysteme, weiterhin von zunehmendem Interesse. Für die Wirts ch aftli chkeit ist dabei eine Anwendbarkeit eines Herstellungsverfahrens im industriellen Maßstab essentiell.
Ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Ferroelektret-Polymerfolien ist das direkte physikalische Schäumen einer homogenen Folie mit superkritischen Flüssigkeiten, zum Beispiel mit Kohlendioxid. In der Veröffentlichung Advanced Functional Materials 17, 324-329 (2007), Werner Wirges, Michael Wegen er. Olena Voronina, Larissa Zirkel und Reimund Gerhard- Multhaupt "Optimized preparation of elastically soft, highly piezoelectric, cellular ferroelectrets (Vom nonvoided poly(ethylene terephthalate) films", und in Applied Physics Letters 90, 192908 (2007), P. Fang, M. Wegener, W. Wirges, and R. Gerhard I Zirkel "Cellular polyethylene- naphthalate ferroelectrets : Foaming in supercritical carbon dioxide, structural and electrical preparation, and resulting piezoelectricity", ist dieses Verfahren mit Polyestermaterialien sowie in Applied Physics A: Materials Science & Processing 90, 615-618 (2008), O. Voronina, M. Wegener, W. Wirges, R. Gerhard. L. Zirkel und 1 1. Münstedt "Physical foaming of fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers in supercritical carbon dioxide: single film fluoropolymer piezoelectrets" für ein Fluorpolymer FEP (Fluorinated Ethylene-Propylene Copolymer) beschrieben worden.
Die geschäumten Polymerfolien haben allerdings den Nachteil, dass sich eine breite Verteilung der Bläschengröße ergeben kann. Dadurch können bei dem anschließenden Aufladungsschritt nicht alle Blasen gleichmäßig gut aufgeladen werden.
Bei den Ferroelektret-Mehrschichtsystemen sind unter anderem Anordnungen aus harten und weichen Schichten und dazwischen eingebrachten Ladungen bekannt. In "Double-layer electret transducer", Journal of Electrostatics, Vol. 39, pp. 33^0, 1997, R. Kacprzyk, A. Dobrucki, and J. B. Gaj ewski, sind Mehrfachschichten aus festen Materialien mi t stark unterschiedlichen Elastizitätsmodulen beschrieben. Diese haben jedoch den Nachteil, dass diese Schichtsysteme nur einen relativ geringen piezoelektrischen Effekt zeigen. Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Ferroclek trete sehen strukturierte Polymerschichten vor. In mehreren Veröffentlichungen aus den letzten Jahren sind Mehrschichtsysteme aus geschlossenen äußeren Schichten und einer porösen oder perforierten Mittelschicht beschrieben. Hierzu gehören die Artikel von Z. Hu und H. von Seggern, "Air-breakdown charging mechanism of fibrous polytetrafluoroethylene films", Journal of Applied Physics, Vol. 98, paper 014108, 2005 und "Breakdown-induced polarization bui ldup in porous fluoropolymer Sandwiches: A therm ally stable piezoelectret", Journal of Applied Physics, Vol. 99, paper 024102, 2006, sowie die Veröffentlichung von H.C. Basso, R.A.P. Altafilm, R.A.C. Altafilm, A. Mellinger, Peng Fang, W. Wirges und R. Gerhard "Three-layer ferroelectrets from perforated Teflon-PTFE films fused between two homogeneous Teflon -FEP films" IEEE, 2007 Annual Report Con ference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. 1 -4244 1482-2/07. 453-456 (2007) und der Artikel von Jinfeng 1 luang. Xiaoqing Zhang, Zhongfu X ia. and Xuewen Wang "Piezoelectrets from l amin at ed S andwi che s o f p oro u s p ol ytetrafluoro ethyl en e film s and n onp orou s fluoroethylenepropylene films", Journal of Applied Physics, Vol. 103, paper 08411 1, 2008. Die Schichtsysteme mit einer porösen oder perfori erten Mittelschicht haben gegenüber den vorstehend beschriebenen Systemen häufig größere Piezokonstanten. Dabei lassen sich di e Mittelschichten jedoch manchmal nicht zuverlässig mit den festen Außenschichen 1 aminieren. Darüber hinaus ist die Perforation der Mittelschicht in der Regel sehr zeitaufwendig.
Eine Herstellungsmethode für Ferroelektrete mit röhrenförmigen Hohlräumen homogener Größe und Struktur wurde von R. A. P. Altafim, X. Qiu, W. Wirges, R. Gerhard, R. A. C. Altafim, H.C. Basso. W. Jenninger und J. Wagner in dem Artikel "Template-based fluoroethylenepropylene piezoelectrets with tubulär Channels for transducer applications", Journal of Applied Physics 106,
014106 (2009), beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird zunächst eine Sandwichanordnung zweier FEP-Folien und einer dazwischen eingelegten PTFE-Maskenfolie bereitgestellt. Der gebildete Folienstapel wird laminiert, die FEP-Folien miteinander verbunden und nachfolgend die Maskenfolie unter Freigabe der Hohlräume entfernt.
WO 2010/066348 A2 offenbart schließlich ein V erfahren zur I lerstellung von Zwei- oder Mehrschicht-Ferroelek treten mit definierten Hohlräumen durch Strukturieren mindestens einer ersten Oberfläche einer ersten Polymerfolie unter Ausbildung eines Höhenprofils, Auflegen mindestens einer zweiten Polymerfolie auf die in einem ersten Schritt gebildete strukturierte Oberfläche der ersten Polymerfolie, Verbinden der Polymerfol ien zu einem P o 1 y m er fo 1 i e n v erbu n d unter Ausbildung von Hohlräumen und die elektrische Aufladung der inneren Oberflächen der ausgebildeten Hohlräume mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen. Gegenstand der Patentanmeldung sind weiterhin Ferroelektret-Mehrschicht verbünde, gegebenenfalls hergestellt nach den erfindungsgemäßen Verfahren umfassend mindestens zwei übereinander angeordnete und miteinander verbundene Polymerfolien, wobei zwischen den Polymerfohen Hohlräume ausgebildet sind Zudem betrifft die Patentanmeldung ein piezoelektrisches Element enthaltend einen erfindungsgemäßen Ferroelektret-Mehrschicht verbünd.
Allen vorstehend beschriebenen Verfahren zur Flerstellung von Ferroelektreten ist gemein, dass sie, da die herzustellenden Ferroelektrete aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten gebildet werden, vergleichsweise aufwändig durchzuführen sind, was zu hohen Produktkosten führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine F erro el ektr et-P olymers chichtstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung von Ferroelektreten bereitzustellen, mit welchem definierte Ferroe!ektret-l loh! äumst rukturen erzeugt werden können, wobei das Verfahren insbesondere einfach und kostengünstig auch im großtechnischen und industriellen Maßstab durchführbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Polymerschichtverbund gemäß dem Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft also eine P olymers chichtstruktur mit Ferroelektret- Eigenschaften. Erfindungsgemäß umfasst die Polymerschichtstruktur eine durchgehende erste Polymerschicht und eine durchgehende zweite Polymerschicht, wobei die erste und die zweite Polymerschicht durch zwischen den durchgehenden Polymerschichten angeordnete Verbindungsabschnitte unter Bildung von Hohlräumen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist die Polymerschichtstruktur dadurch gekennzeichnet, dass sie als integrales Extrusionsbauteil ausgebildet ist.
Unter einem„integralen Extrusionsbauteil" im Sinne der vorliegenden Erfindung werden solche Bauteile verstanden, weiche ihre für den j eweiligen Einsatzzweck erforderliche Bauform unmittelbar durch den Extrusionsschritt erlangen, hne dass, abgesehen von evtl. notwendiger Nachbearbeitung zur Sicherstellung einer gl eichbleibend hohen Produktqualität, weitere Formungsschritte oder Fügeschritte nötig sind, insbesondere erfordert ein integrales Extrusionsbauteile keine Verbindung einzelner Bauteilk mponenten im Anschluss an die Extruison. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeuten Ferroelektret-Eigenschaften, dass innerhalb von Hohlräumen einander entgegengesetzte elektrische Ladungen auf gegenüberliegenden Oberflächen des Hohlraums angeordnet sind. Wie bereits ausgeführt, stellt jeder Hohlraum damit einen elektrischen Dipol dar. Bei einer Deformation des Hohlraums kommt es zu einer Änderung der Dipolgröße und es kann ein elektrischer Strom zwischen entsprechend angeschlossenen äußeren Elektroden fließen.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß en P olymer s ch i chts truktur besteht darin, dass sie mit einem etablierten Produktionsverfahren, nämlich mittels Extrusion, auf kostengünstige Weise mit einem hohen Autom ati si erung sgr ad hocheffizient hergestellt werden kann. Bei der Formung de Polymerschichtstruktur, insbesondere bei der Formung der gewünschten Hohlraumquerschnitte, erlaubt die Extrusion einen hohen Grad an Designfreiheit. So kann mit einer entsprechenden Düsenform eine Vielzahl von Querschnittsgeometrien realisiert werden. Dabei versteht es sich, dass die Hohlräume verfahrensbedingt über die gesamte Erstr eckung der extrudierten Polymerschichtstruktur tunnelartig mit konstantem Querschnitt, also als parallel angeordnete, lineare, durchgehende Kanäle, ausgebildet sind.
Die erste und die zweite Polymerschicht der Polymerschichtstruktur können mit variabler Dicke, insbesondere mit periodisch variierender Dicke ausgebildet sein. Nach einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung sind die Dicken d l und d2 der ersten und der zweiten Polymerschicht konstant. Unter dem Begriff„konstant" ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass die Dicke aufgrund unvermeidlicher Schwankungen höchstens um + 10% variiert, wobei Schwankungen um höchstens ± 5% der Dicke bevorzugt sind.
Die Querschnitte der Hohlräume können verschiedene geometrische Formen annehmen. Denkbar sind runde ebenso wie mehreckige Querschnitte, hier speziell viereckige, insbesondere quadratische Querschnitte. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weisen di e Hohlräume wenigstens teilweise einen trapezförmigen Querschnitt, insbesondere einen symmetrischen trapezförmigen Querschnitt mit gleichlangen Schenkeln, auf. Dabei ist bevorzugt, dass sämtliche Hohlräume einen, insbesondere symmetrisch, trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei bei horizontal angeordneter Polymerschichtstruktur jeweils die längere Grundseite eines Trapezquerschnittes abwechselnd oberhalb und unterhalb der zugehörigen kürzeren Grundseite angeordnet ist. Anders ausgedrückt: die Trapezquerschnitte jeweils benachbarter Hohlräume lassen sich durch eine Punktspiegelung in einander überführen. Hierdurch können di e die beiden durchgehenden Polymerschichten verbindenden Verbindungsabschnitte mit dünner Wandstärke ausgebildet werden, da so die Schenkel benachbarter Trapezquerschnitte parallel zueinander ausgerichtet werden können. Dies trägt zur gewünschten Strukturweichheit der Polymerschichtstruktur bei. Mit einer trapezoiden Anordnung der Hohlraumquerschnitte der vorstehend beschriebenen Art sind zudem jeweils benachbart angeordnete V erbindungs ab schnitte spitzwinklig zueinander und zu den beiden Polymerschichten angeordnet. Dies trägt weiter zu der gewünschten Strukturweichheit bei, wodurch die Polymerschichtstruktur unter anderem gegenüber vergleichbaren Ferroelektret- Systemen mit rechtwinkligen Hohlraumquerschnitten eine größere piezoelektrische Konstante d33 aufweist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist in jedem trapezförmigen Querschnitt jeder stumpfe Winkel zwei benachbarte spitze Winkel auf und jeder spitze Winkel weist zwei benachbarte stumpfe Winkel auf. Dies bedeutet, dass bei diesem speziellen trapezförmigen Querschnitt die die beiden durchgehenden Polymerschichten verbindenden Verbindungsabschnitte gegenüber der kürzesten Verbindung der beiden durchgehenden Polymerschichten in die gleiche Drehrichtung verkippt sind. Die Verbindungs ab s chnitte sind somit "gleichsinnig" angeordnet. Besonders bevorzugt ist hierbei, dass der trapezförmige Querschnitt parallelogrammförmig ausgebildet ist, wobei die Verbindungsabschnitte eine einheitliche Länge aufweisen und die durchgehenden Polymerschichten parallel zueinander angeordnet sind, insbesondere im Falle parallelogrammförmiger Querschnitte wird eine gute Strukturweichheit erzielt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke dl der ersten Polymerschicht > 10 ,um bis < 250 μιη und die Dicke d2 der zweiten Polymerschicht > 10 μιη bis < 250 μπι. Ferner ist bevorzugt, dass die als Länge der längeren Grundseite eines Trapezquerschnitts definierte Breite a > 10 μτη bis < 5 mm. bevorzugt > 100 μηι bis < 3 mm, beträgt. Die als Breite des Trapezquerschnitts auf halber Höhe definierte Breite b beträgt bevorzugt > 10 μηι bis < 5 mm, bevorzugt > 100 μτη bis < 3 mm, beträgt. Die Höhe h des Trapezquerschnitts beträgt bevorzugt > 10 μιη bis < 500 μτη. Der zwischen der längeren Grundseite des Trapez Querschnitts und einem Schenkel eingeschlossene Winkel α beträgt bevorzugt > 5° bis < 80°.
Die vorstehend angegebenen Parameterbereiche ermöglichen optimale Ferroelektret-Eigenschaften und lassen sich durch eine entsprechende Auslegung der Extrusionsanlage, speziell der Extrusionsdüse, realisieren. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Polymerschichtstruktur ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polycarbonat, perfluorierte oder teilfluorierte Polymere und Co-Polymere, Polytetrafluorethylen, Fluorethylenpropylen, Perfluoralkoxyethylen, Polyester, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyimid, Polyetherimid, Polyether. speziell Poiyphenylenether (PPE), P olymeth y l(meth) acry lat, Cyclo-Olefin-Polymere, Cyclo Olefin-Copolymere, Polyolefine, speziell Polypropylen, Polystyrol und/oder Mischungen daraus.
Die Mischungen können homogen oder phasensepariert sein. Die erfindungsgemäß breite Materialauswahl kann vorteilhafterweise auch eine Anpassung auf bestimmte Anwendungen ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtenverbundes sind die tunnelartigen Hohlräume der durch Extrusion hergesteilten Polymerschichtstruktur mit Gasen gefüllt, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Stickstoff (N2), Distickstoffmonoxid (N20) und/oder Schwefelhexafluorid (SF6). Durch die Gasbefüllung können vorteilhafterweise bei den erfindungsgemäßen Po lymer s chicht en verbunden durch P l ling nochmals deutlich höhere Piezokonstanten erzielt werden. Um die Gasfüllung in der Polymers chichtstruktur einzuschließen, versteht es sich, dass die tunnelartigen Hohlräume stirnseitig zu verschließen sind.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Polymerschichtstruktur umfasst die Polymerschichtstruktur weiterhin eine oder mehrere Elektroden. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Polymerschichtstruktur auf den nach außen gerichteten Oberflächen der Polymerfolien mindestens teilweise eine leitende Beschichtung aufweisen. Diese leitenden Bereiche können als Elektroden genutzt werden. Die leitende Beschichtung, das heißt die Elektroden, können dabei flächig und/oder auch strukturiert aufgebracht werden. Eine strukturierte leitende Beschichtung kann beispielsweise als eine Aufbringung in Streifen oder in Gitterform ausgestaltet sein. I lierdurch kann zusätzlich die Empfindlichkeit des Polymerschicht Verbundes beeinflusst und auf bestimmte Anwendungen angepasst werd en.
Bei den ausgewählten Elektrodenmaterial ien kann es sich um dem Fachmann bekannte leitfähige Materialien handeln. Erfindungsgemäß kommen hierfür beispielsweise Metalle, Metall- Legierungen, leitfähige Oligo- oder Polymere, wie zum Beispiel Polythiophene, Polyaniiine, Polyp yrrole, leitfähige Oxide, wie zum Beispiel Mischoxide wie ITO, oder mit leitfähigen Füllstoffen gefüllte Polymere in Frage. Als Füllstoffe für mit leitfähigen Füllstoffen gefüllte Polymere kommen beispielsweise Metalle, leitfähige Kohlenstoff basierte Materialien, wie /um Beispiel Ruß, Kohienstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes, CNTs) oder wiederum leitfähige Oligo- oder Polymere, in Frage. Der Füllstoffgehalt der Polymere liegt dabei oberhalb der Perkolationsschwelle, so dass die leitfähigen Füllstoffe durchgehende elektrisch leitfähige Pfade ausbilden.
Die Elektroden können durch an sich bekannte Verfahren, beispielsweise durch eine Metallisierung der Oberflächen, durch Splittern. Aufdampfen, Chemical Vapor Depositum (CVD), Drucken, Rake!n. Lackschleudern (Spin-Coating), Aufkleben oder Aufdrücken einer leitenden Schicht in vorgefertigter Form oder durch eine Sprühelektrode aus einem leitenden Kunststoff realisiert werden. Die Elektroden können dabei strukturiert, beispielsweise in Streifen oder in Gitterform, ausgestaltet sein. Beispielsweise können nach einer Ausgestaltung der Erfindung die Elektroden auch derart strukturiert sein, dass die P o lym er s chi cht struktur als elektromechanischer Wandler aktive und passive Bereiche aufweist. Beispielsweise können die Elektroden derart strukturiert sein, dass, insbesondere in einem Sensor-Modus, die Signale ortsaufgelöst delektiert und/oder, insbesondere in einem Aktuator-Modus, die aktiven Bereiche gezielt angesteuert werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die aktiven Bereiche mit Elektroden versehen sind, wohingegen die passiven Bereiche keine Elektroden aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass zwei oder mehr P olymers chichtstrukturen mit gleich gepoiter leitender Schicht, das heißt also Elektrode, verbunden werden können. Mit anderen Worten kann zwischen zwei erfindungsgemäßen Polymerschichtstrukturen eine Zwischenelektrode gebildet werden, d ie gegen die beiden Elektroden auf den dann äußeren Oberflächen geschaltet werden kann. Hierdurch können die Fcrroe!ektret-Mehrschicht verbünde in Reihe geschaltet und der erzielbare piezoelektrische Effekt verdoppelt beziehungsweise vervielfacht werden.
Die erfindungsgemäßen Polymerschichtstrukturen enthalten bevorzugt zwei Elektroden. Bei elektromechanis chen Wandlern mit mehr als zwei Elektroden kann es sich beispielsweise um Stap elaufb auten aus m e h reren , vorzugsweis e erfindungs gemäß hergestel lten, Polymerschichtstruktur-Systemen handeln.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymerschichtenverbundes, umfassend die Schritte:
(A) Bereitstellen eines Polymermaterials, (B) Extrusion des Polymermaterials unter Bildung einer Polymerschichtstruktur umfassend eine durchgehende erste Polymerschicht und eine durchgehende zweite Polymerschicht, wobei die erste und die zweite Polymerschicht durch zwischen den durchgeh enden Polymerschichten angeordnete Verbindungsabschnitte unter Bildung von Hohlräumen miteinander verbunden sind, und (C) Elektrisches Aufladen der den Hohlräumen zugewandten Oberflächen der ersten und zweiten Polymerschicht. In Bezug auf Details und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Polymerschichtstruktur verwiesen.
Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vor und/oder nach der elektrischen Aufladung der inneren Oberflächen der Hohlräume in Schritt (C) die Aufbringung von Elektroden an den äußeren Oberflächen der Polymerschichtstruktur erfolgen. Unter der Aufbringung von Elektroden an den äußeren Oberflächen wird die Bereitstellung einer leitenden Oberflächenbeschichtung in mindestens einem Teilbereich, insbesondere auf den nach außen gerichteten Oberflächen des Polymerschichtenverbunds verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht das elektrische Aufladen in Schritt (C) mittels direkter Aufladung oder Coronaentladung. insbesondere kann das Aufladen durch eine Zweielektronen-Corona-Anordnung erfolgen. Dabei kann die Nadelspannung > 20 kV, > 25 kV und insbesondere > 30 kV betragen. Die Aufladezeit kann dabei > 20 s, > 25 s und insbesondere > 30 s betragen.
Unter "direkter Aufladung" ist hierbei ein Aufladen zu verstehen, wenn nach der Aufbringung von Elektroden auf den äußeren Oberflächen der Polymerschichtstruktur eine direkte Aufladung durch Anlegung einer elektrischen Spannung erfolgt. Vor der Aufbringung von Elektroden kann eine Polling der sich gegenüberliegenden Seiten der Hohlräume durch eine Corona-Entladung realisiert werden. Eine Corona-Behandlung ist vorteilhafterweise auch großtechnisch gut einsetzbar. Er findungs gemäß ist es auch möglich, zunächst auf e i n er Ob erfläche eine leitende Oberflächenbeschichtung bereitzustellen, die Polymerschichtstruktur dann aufzuladen und abschließend eine zweite Elektrode auf der gegenüberliegenden äußeren Oberfläche aufzubringen.
I n ei ner weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem elektrischen Aufladen in Schritt (C) die Hohlräume mit Gasen gefüllt, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Stickstoffmonoxid und/oder Schwefelhexafluorid. Wie bereits geschildert, können durch die Gasbefüllung vorteilhafterweise bei den erfindungsgemäßen Polymerschichtenverbunden durch Polung nochmals deutlich höhere Piezokonstanten erzielt werden. Hierbei versteht es sich, dass die sich tunnelartig durch die Polymerschichtstruktur erstreckenden Hohlräume an ihren Stirnseiten verschlossen werden müssen, so dass das eingefüllte Gas in den Hohlräumen verbleibt. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrisches Element, umfassend eine erfindungsgemäße Polymerschichtstruktur. Dieses piezoelektrische Element kann besonders bevorzugt ein Sensor-, Aktor oder Generatorelement sein. Vorteilhafterweis e kann die Erfindung in einer Vielzahl von verschiedensten Anwendungen im elektromechanischen und elektroakustischen Bereich, insbesondere i m Bereich der Energiegewinnung aus mechanischen Schwingungen (Energy-Harvesting), der Akustik, des Ultraschalls, der medizinischen Diagnostik, der akustischen Mikroskopie, der mechanischen Sensorik, insbesondere Druck- Kraft- und/oder Dehnungssensorik, der Robotik und/oder der Kommunikationstechnologie verwirklicht werden.
Typische Beispiele hierfür sind Drucksensoren, elektroakustische Wandler, Mikrophone, Lautsprecher, Schwingungswandler, Lichtdeflektoren, Membrane, Modulatoren für Glasfaseroptik, pyroelektrische Detektoren, Kondensatoren und Kontrollsysteme und "intelligente" Fußböden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende Zeichnung weiter erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
Figur 1 zeigt eine extrudierte Polymerschichtstruktur mit trapezförmigen Hohlraumquerschnitten in einer Querschnittsansicht.
Figur 2 zeigt eine alternative extrudierte Polymerschichtstruktur mit parallelogrammförmigen Hohlraumquerschnitten in einer Querschnittsansicht. Figur 1 zeigt zum besseren Verständnis, insbesondere der Bemaßung, eine Polymerschichtstruktur mit Ferroelektret-Eigenschaften im Querschnitt. Die Polymerschichtstruktur der Figur 1 umfasst eine durchgehende erste Polymerschicht 1 , vorliegend oben angeordnet, sowie eine durchgehende zweite Polymerschicht 2. Beide Polymerschichten 1 ,2 weisen eine im Wesentlichen konstante Dicke d l . d2, beispielsweise 50 μηι, auf. Die beiden durchgehenden Polymerschichten 1 ,2 sind durch gewinkelte zu den durchgehenden Polymerschichten angeordnete Verbindungsabschnitte 3 miteinander verbunden. Deren Dicke d3 beträgt bevorzugt ebenfalls 50 μηχ Hierdurch werden dem Herstellungsverfahren entsprechend - tunnelartige Hohlräume 4 ausgebildet, wobei die die beiden Polymerschichten 1 ,2 verbindenden Verbindungsabschnitte 3 derart spitzwinklig zu den Polymerschichten 1, 2 und zueinander angeordnet sind, dass die Hohlräume 4 jeweils einen Querschnitt in Form eines symmetrischen Trapezes aufweisen. Dabei ist j eweils die längere Grundseite eines Trap ezquers chnittes abwechselnd oberhalb und unterhalb der zugehörigen kürzeren Grundseite angeordnet, so dass jeweils benachbart angeordnete Trapezquerschnitte zueinander punktgespiegelt ausgerichtet sind. Der zwischen der längeren Grundseite (Basis) eines jeden Trapezquerschnittes und den angrenzenden Verbindungsabschnitten eingeschlossene Winkel α kann Werte zwischen 5 und 80° annehmen. Vorliegend beträgt der Winkel ca. 60°. Hierdurch wird eine gute Strukturweichheit und damit ein gute Eignung insbesondere als empfindlicher Sensor und als Generator (Energy harvesting) erreicht. Figur 2 zeigt eine alternative extrudierte Polymerschichtstruktur mit parallelogrammförmigen Hohlraumquerschnitten 4* als Spezialfall trapezförmiger Hohlraumquerschnitte in einer Querschnittsansicht. Die Verbindungsabschnitte 3 * sind hierbei "gleichsinnig" gegenüber der gedachten lotrechten Verbindung der parallelen durchgehenden Polymerschichten 1 ,2 geneigt. Folglich entspricht auch die - in Figur 2 nicht mehr explizit ausgewiesene - Breite a der Breite b auf halber Höhe. Es versteht sich, dass die Dicken dl , d2 sowie der Winkel α Die oben genannten Werte annehmen können.
Nicht dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere der in Figur 1 dargestellten Polymerschichtstrukturen unter Ausbildung eines Stacks übereinander gestapelt sind, wobei sich jeweils zugewandte durchgehende Polymerschichten benachbarter aufeinander gestapelter Polymerschichtstrukturen mit gleicher Polarisation aufgeladen sind. Zwischen den einzelnen Polymerschichtstrukturen sind jeweils Elektrodenschichten angeordnet, die von den durchgehenden Polymerschichten gleicher Polarisation kontaktiert werden.

Claims

Patentansprüche
Polymerschichtstruktur mit Ferroelektret-Eigenschaften, umfassend
eine durchgehende erste Polymerschicht (1) und
eine durchgehende zweite Polymerschicht (2),
wobei die erste und die zweite Polymerschicht (1,2) durch zwischen den durchgehenden Polymerschichten (1,2) angeordnete Verbindungsabschnitte (3) unter Bildung von Hohlräumen (4) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymerschichtstruktur als integrales Extrusionsbauteil ausgebildet ist,
Polymerschichtstruktur nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicken dl und d2 der ersten und zweiten Polymerschicht (1,2) konstant sind.
Polymers ch ichtstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlräume (4) wenigstens teilweise einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Polymerschichtstruktur nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlräume (4) wenigstens teilweise einen symmetrischen trapezförmigen Querschnitt mit gleichlangen Trapezschenkeln aufweisen.
Polymerschichtstruktur nach Anspruch 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
sämtliche Hohlräume (4) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei bei horizontal angeordneter Polymerschichtstruktur jeweils die längere Grundseite eines Trapezquerschnittes abwechselnd oberhalb und unterhalb der zugehörigen kürzeren Grundseite angeordnet ist.
Polymerschichtstruktur nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem trapezförmigen Querschnitt jeder stumpfe Winkel zwei benachbarte spitze Winkel aufweist und jeder spitze Winkel zwei benachbarte stumpfe Winkel aufweist.
7. Polymerschichtstruktur nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der trapezförmige Querschnitt parallelogrammförmig ist.
8. Polymerschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke dl > 10 um bis < 250 μm befragt,
die Dicke d2 > 10 um bis < 250 ,um beträgt,
die Breite a > 10 μm bis < 5 mm beträgt,
die Breite b > 10 um bis < 5 mm beträgt
die maximale Höhe h > 10 μηι bis < 500 μηι beträgt und/ oder
der Winkel α = 5° bis < 80° beträgt.
9. Polymerschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymerschichtstruktur ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polycarbonat, perfluorierte oder teilfluorierte Polymere und Co-Polymere, Polytetrafluorethylen, Fluorethylenpropylen, Perfluoralkoxyethylen, Polyester, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyimid, Polyetherimid, Polyether, speziell Polyphenylenether (PPE), Polymethyl(meth)acrylat, Cyclo-Olefin-Polymere, Cyclo-Olefin-Copolymere, Polyolefine, speziell Polypropylen, Polystyrol und/oder Mischungen daraus.
10. Polymerschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlräume (4) mit Gasen gefüllt sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Distickstoffmonoxid und/ oder S chwefelhexafluorid.
11. Polymerschichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Polymerschichtstruktur eine oder mehrere Elektroden umfasst.
12. Verfahren zur Herstellung einer Polymerschichtstruktur,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrens s chritte :
Bereitstellen eines Polymermaterials,
(B) Extrusion des Polymermateri als unter Bildung einer Polymerschichtstruktur umfassend eine durchgehende erste Polymerschicht (1) und eine durchgehende zweite Polymerschicht (2), wobei die erste und die zweite Polymerschicht (1,2) durch zwischen den durchgehenden Polymerschichten (1,2) angeordnete Verbindungsabschnitte unter Bildung von Hohlräumen (4) miteinander verbunden sind, und (C) Elektrisches Aufladen der den Hohlräumen zugewandten Oberflächen der ersten und zweiten Polymerschicht (1,2).
13. Verfahren nach Anspruch 112,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elektrische Aufladen in Schritt (C) mittels direkter Aufladung oder Corona entladung erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem elektrischen Aufladen in Schritt (C) die Hohlräume mit Gasen gefüllt werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Stickstoff, Stickstoffmonoxid und/oder
Schwefelhexafluorid.
15. Piezoelektrisches Element, umfassend einen Polymerschichten verbünd nach einem der
Ansprüche 1 bis 11.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014037451A (ja) * 2012-08-10 2014-02-27 Sekisui Chem Co Ltd エレクトレットシート
WO2014193493A2 (en) * 2013-02-15 2014-12-04 The Florida State University Research Foundation, Inc. Polymer foam-based piezoelectric materials and method of manufacture
DE102015224778B4 (de) * 2015-12-10 2021-03-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Druckbolzen einer Presse sowie Presse mit Druckbolzen
US20200161532A1 (en) * 2017-07-06 2020-05-21 Sony Corporation Transducer device, joint device, and actuator device
US11245065B1 (en) 2018-03-22 2022-02-08 Facebook Technologies, Llc Electroactive polymer devices, systems, and methods
US10962791B1 (en) 2018-03-22 2021-03-30 Facebook Technologies, Llc Apparatuses, systems, and methods for fabricating ultra-thin adjustable lenses
US10914871B2 (en) 2018-03-29 2021-02-09 Facebook Technologies, Llc Optical lens assemblies and related methods
US11502240B2 (en) 2019-08-30 2022-11-15 Meta Platforms Technologies, Llc Structured actuators: shaped electroactive polymers
WO2022231825A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-03 Meta Platforms Technologies, Llc High surface quality optical film

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661817B2 (ja) * 1989-12-05 1994-08-17 大日本プラスチックス株式会社 中空成形品及びその製造方法
WO1998056836A2 (de) * 1997-06-13 1998-12-17 Ticona Gmbh Elektrete
DE102004056200A1 (de) 2004-11-22 2006-06-01 Technische Universität Darmstadt Elektroakustischer Wandler
US20080003869A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Inteplast Group, Ltd. Extruded thermoplastic boards having enhanced mechanical strength
EP1919071B1 (de) * 2006-11-03 2011-04-27 Danfoss A/S Dielektrischer Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Verbundwerkstoffs
EP2286988A1 (de) 2008-12-13 2011-02-23 Bayer MaterialScience AG Ferroelektret-Zwei- und Mehrschichtverbund und Verfahren zu dessen Herstellung
JP5567030B2 (ja) * 2009-07-15 2014-08-06 バイエル・マテリアルサイエンス・アクチェンゲゼルシャフト フェロエレクトレット２層および多層コンポジットおよびその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012059437A1 *

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Publication number Publication date
KR20130108409A (ko) 2013-10-02
CN103460423A (zh) 2013-12-18
US20140009039A1 (en) 2014-01-09
WO2012059437A1 (de) 2012-05-10
EP2450974A1 (de) 2012-05-09
TW201231284A (en) 2012-08-01
JP2013543273A (ja) 2013-11-28

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