WO2013113846A1 - Electromechanical converter comprising a polyurethane polymer having polyester and/or polycarbonate units - Google Patents

Electromechanical converter comprising a polyurethane polymer having polyester and/or polycarbonate units Download PDF

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WO2013113846A1
WO2013113846A1 PCT/EP2013/051956 EP2013051956W WO2013113846A1 WO 2013113846 A1 WO2013113846 A1 WO 2013113846A1 EP 2013051956 W EP2013051956 W EP 2013051956W WO 2013113846 A1 WO2013113846 A1 WO 2013113846A1
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polyurethane polymer
reaction
polycarbonate
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Joachim Wagner
Sebastian Dörr
Werner Jenninger
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Bayer Intellectual Property Gmbh
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Definitions

  • Electromechanical transducer comprising a polyurethane polymer with polyester and / or
  • the present invention relates to an electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, the dielectric elastomer comprising a polyurethane polymer.
  • the polyurethane polymer here comprises at least one polyester and / or polycarbonate unit.
  • the invention further relates to a method for producing such an electromechanical transducer, the use of the dielectric elastomer used and an electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to the invention.
  • Electromechanical transducers play an important role in converting electrical energy into mechanical energy and vice versa. Electromechanical converters can therefore be used as sensors, actuators and / or generators. As an example of this, the systems mentioned in WO-A 2001/006575 are presented, which use prestressed polymers.
  • One class of such transducers is based on electroactive polymers. It is a constant goal to increase the properties of the electroactive polymers, in particular the electrical resistance and the breakdown strength. At the same time, however, the mechanics of the polymers make them suitable for use in electromechanical transducers.
  • WO-A 2008/095621 describes soot-filled polyurethane compositions which at least consist of polyetherurethanes incorporated with polyol components containing from 50 to 100% by weight of polyalkylene oxides prepared by DMC catalysis, in particular polypropylene oxides, and 0-50% by weight. % of catalyst-free polyols, in particular those which are purified by distillation or by recrystallization, or those which have not been prepared by ring-opening polymerization of oxygen heterocycles constructed. Furthermore, the polyurethane compositions contain 0.1-30 wt .-% carbon black.
  • the invention therefore proposes an electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer.
  • the converter according to the invention is characterized in that the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
  • the polyurethane polymers provided in the electromechanical converter according to the invention have particularly high tear propagation strengths with simultaneously small remaining elongations.
  • the polyurethanes are present as soft elastomers. The combination of these properties results in an advantageous use in electromechanical transducers.
  • the transducer When a mechanical stress is applied to such a transducer, the transducer deforms along its thickness and area, for example, and a strong electrical signal can be detected at the electrodes. This converts mechanical energy into electrical energy.
  • the converter according to the invention can consequently be used both as a generator and as a sensor.
  • the converter according to the invention can equally serve as an actuator.
  • the electrodes basically all materials are suitable which have a sufficiently high electrical conductivity and can advantageously follow the expansion of the dielectric elastomer.
  • the electrodes can be constructed from an electrically conductive polymer, from lead ink or from carbon black.
  • Dielectric elastomers for the purposes of the present invention are elastomers that can change their shape by the application of an electric field.
  • the thickness may decrease while at the same time extending the film lengthwise in the planar direction.
  • the thickness of the dielectric elastomer layer is preferably> 1 ⁇ to ⁇ 500 ⁇ and more preferably> 10 ⁇ to ⁇ 150 ⁇ . It can be constructed in one piece or in several pieces. For example, a multi-piece layer can be obtained by laminating individual layers.
  • the dielectric elastomer may have other ingredients in addition to the inventively provided polyurethane polymer. Such ingredients include, for example, crosslinkers, thickeners, cosolvents, thixotropic agents, stabilizers, antioxidants, light stabilizers, emulsifiers, surfactants, adhesives, plasticizers, water repellents, pigments, fillers and leveling agents.
  • fillers in the elastomer can regulate the dielectric constant of the polymer.
  • ceramic fillers in particular barium titanate, titanium dioxide and piezoelectric ceramics such as quartz or lead zirconium titanate, as well as organic fillers, in particular those having a high electrical polarizability, for example phthalocyanines.
  • a high dielectric constant can also be achieved by introducing electrically conductive fillers below their percolation threshold.
  • electrically conductive fillers below their percolation threshold.
  • these are carbon black, graphite, single-walled or multi-walled carbon nanotubes, electrically conductive polymers such as polythiophenes, polyanilines or polypyrroles, or mixtures thereof.
  • electrically conductive polymers such as polythiophenes, polyanilines or polypyrroles, or mixtures thereof.
  • those types of carbon black which have a surface passivation and therefore at higher concentrations below the percolation threshold increase the dielectric constant and nevertheless do not lead to an increase in the conductivity of the polymer.
  • the polyurethane polymer provided in the electromechanical converter according to the invention is obtainable from the reaction of a polyisocyanate A) and / or a polyisocyanate prepolymer B) with a compound C) which comprises at least two isocyanate-reactive groups, with no further isocyanate-reactive for the preparation of the polyurethane polymer Compounds in addition to component C) are used and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B) to isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0, preferably 0, 9: 1.0 to 1.2: 1.0.
  • B) and / or C) have polycarbonate and / or polyester units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups between the hydroxy groups.
  • the polycarbonate and / or polyester units according to the invention can be obtained by known methods, for example from the reaction of polyisocyanates A) and / or polyisocyanate prepolymers B) with the corresponding polycarbonate polyols and / or polyester polyols. These polycarbonate polyols and / or polyester polyols can also be used to form the prepolymers.
  • suitable polyisocyanates A) are 1,4-butylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 2,2,4 and / or 2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, the isomeric bis (4, 4'-isocyanatocyclohexyl) methanes or mixtures thereof of any isomer content, 1,4-cyclohexylene diisocyanate, 4-isocyanatomethyl-1,8-octane diisocyanate (nonane triisocyanate), 1,4-phenylene diisocyanate, 2,4- and / or 2,6-toluene diisocyanate, 1,5-naphthylene diisocyanate, 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 1,3- and / or l,
  • uretdione, isocyanurate, biuret, iminooxadiazinedione or oxadiazinetrione-containing compounds based on the diisocyanates mentioned are suitable building blocks of component A).
  • HDI 1,6-hexamethylene diisocyanate
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • bis (4,4'-isocyanatocyclohexyl) methane tolylene diisocyanate and / or diphenylmethane diisocyanate
  • HDI 1,6-hexamethylene di
  • the polyisocyanate prepolymers which can be used as component B) can be obtained by reacting one or more of the abovementioned diisocyanates with one or more hydroxy-functional, in particular polymeric, polyols, if appropriate with addition of catalysts and auxiliaries and additives.
  • components for chain extension for the formation of the polyisocyanate prepolymer can be used in addition, such as components having primary and / or secondary amino groups.
  • Hydroxy-functional, polymeric polyols for the conversion to the polyisocyanate prepolymer B) according to the invention include, for example, polyester polyols, polyacrylate polyols, polyurethane polyols, polycarbonate polyols, polyether polyols, polyester polyacrylate polyols, polyurethane polyacrylate polyols, polyurethane polyester polyols, polyurethane polyether polyols and / or polyurethane polycarbonate polyols and / or polyester polycarbonate polyols. These can be used to prepare the polyisocyanate prepolymer individually or in any mixtures with each other.
  • diisocyanates with the polycarbonate polyols containing an even number of CH 2 groups and / or polyester polyols based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 - Groups, to be implemented.
  • diisocyanates may be reacted with the polyols at a ratio of the isocyanate groups to hydroxyl groups (NCO / OH ratio) of 2: 1 to 20: 1, preferably of 8: 1 to 15: 1.
  • NCO / OH ratio a ratio of the isocyanate groups to hydroxyl groups
  • urethane and / or allophanate structures can be formed.
  • the proportion of unreacted polyisocyanates can then be separated off.
  • a thin-film distillation can be used, with residual monomer low products with residual monomer contents of, for example, ⁇ 1 weight percent, preferably ⁇ 0.5 weight percent, more preferably ⁇ 0.1 weight percent, are obtained.
  • the reaction temperature may be from 20 ° C to 120 ° C, preferably from 60 ° C to 100 ° C, amount.
  • stabilizers such as benzoyl chloride, isophthaloyl chloride, dibutyl phosphate, 3-chloropropionic acid or methyl tosylate may be added during the preparation.
  • Components suitable for chain extension in the polyisocyanate prepolymers B) according to the invention are organic di- or polyamines.
  • organic di- or polyamines For example, ethylenediamine, 1, 2-diaminopropane, 1, 3-diaminopropane, 1, 4-diaminobutane, 1, 6-diaminohexane, isophoronediamine, isomer mixture of 2,2,4- and 2,4,4-trimethylhexamethylenediamine, 2-methylpentamethylene - Diamine, diethylenetriamine, diaminodicyclohexylmethane or dimethylethylenediamine or mixtures thereof are used.
  • compounds which, in addition to a primary amino group, also have secondary amino groups or, in addition to an amino group (primary or secondary), OH groups for the preparation of the polyisocyanate prepolymers B).
  • primary / secondary amines such as diethanolamine, 3-amino-1-methylaminopropane, 3-amino-1-ethylaminopropane, 3-amino-1-cyclohexylaminopropane, 3-amino-1-methylaminobutane, alkanolamines such as N-aminoethylethanolamine, ethanolamine , 3-aminopropanol, neopentanolamine.
  • amines with an isocyanate-reactive group such as methylamine, ethylamine, propylamine, Butylamine, octylamine, laurylamine, stearylamine, isononyloxypropylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, N-methylaminopropylamine,
  • the polyisocyanate prepolymers or mixtures thereof used according to the invention as component B) preferably have an average NCO functionality of> 1.8 to ⁇ 5, more preferably> 2 to ⁇ 3.5 and very particularly preferably> 2 to ⁇ 2.5 ,
  • component C) may in principle be a compound having at least two isocyanate-reactive groups, preferably amino and / or hydroxyl groups, particularly preferably hydroxy groups.
  • component C) may be a polyol having at least two isocyanate-reactive hydroxyl groups, such as, for example, trimethylolpropane (TMP).
  • TMP trimethylolpropane
  • Polyester components which can be used as component C) and / or for the preparation of component B) are the known polycondensates of di- and optionally tri- and tetraols and di- and optionally tri- and tetracarboxylic acids or hydroxycarboxylic acids or lactones , Instead of the free polycarboxylic acids, it is also possible to use the corresponding polycarboxylic acid anhydrides or corresponding polycarboxylic acid esters of lower alcohols for the preparation of the polyesters. Polyester polyols having number-average molecular weights M n of from 1000 to 10000 g / mol, preferably from 1500 to 4000 g / mol, particularly preferably from 1800 to 2300 g / mol, may be used.
  • M n is determined by gel permeation chromatography (GPC) at 23 ° C in THF using as calibration relationship polystyrene standards in the relevant molecular weight range.
  • suitable diols for the preparation of the polyester polyols are those which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, for example ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, butanediol (1,3), butanediol (1 , 4), hexanediol (1,6).
  • the polyester polyols are preferably obtainable as component C) and / or for the preparation of component B) by reacting adipic acid and / or adipic anhydride with Diols which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, particularly preferably with hexanediol (1,6), butanediol (1,4) and ethylene glycol and very particularly preferably with hexanediol (1,6) and ethylene glycol.
  • Polycarbonate components which can be used as component C) and / or for the preparation of component B) are hydroxyl-containing polycarbonate polyols, preferably polycarbonate diols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, with number-average molecular weights M n of 1000 to 10000 g / mol, preferably from 1500 to 4000 g / mol, particularly preferably from 1800 to 3000 g / mol.
  • M n number-average molecular weights
  • M n number-average molecular weights
  • These are obtainable by reaction of carbon dioxide, carbonic acid derivatives, such as diphenyl carbonate, dimethyl carbonate or phosgene, with polyols, preferably diols, which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups.
  • diols examples include ethylene glycol, 1,3- and 1, 4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, 1, 4-bishydroxymethylcyclohexane, dibutylene glycol and polybutylene glycols.
  • the diol component contains 40 to 100 wt .-% of hexanediol, preferably 1,6-hexanediol and / or hexanediol derivatives.
  • Such hexanediol derivatives are based on hexanediol and have ester or ether groups in addition to terminal OH groups. Such derivatives are obtainable by reaction of hexanediol with excess caprolactone or by etherification of hexanediol with itself to di- or trihexylenglykol. Particularly preferred is 1,6-hexanediol as the diol component.
  • the equivalent ratio of the isocyanate groups from A) to the isocyanate groups from B) is advantageously between> 1:10 to ⁇ 10: 1, more preferably> 1: 5 ⁇ 5: 1, and most preferably> 1: 3 to ⁇ 3: 1.
  • the terms "a” and “an” in connection with the components A), B) and C) are not used as number words but as an indefinite article.
  • the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with a compound having at least two NCO-reactive groups C).
  • the polyurethane prepolymer B) is obtainable from the reaction of a diisocyanate A) with a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups, and / or a polyesterpolyol, based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups, particularly preferably used as diisocyanate A) hexamethylene diisocyanate.
  • the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with C) a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups and / or a polyester polyol based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups and the polyisocyanate prepolymer B) is obtainable from the reaction of an at least difunctional polyisocyanate with a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups, and / or a polyester polyol based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups, particularly preferably the diisocyanate A) used is the monomer and / or trimerizate (biuret or isocyanurate) of hexamethylene diisocyanate.
  • the polyisocyanate A) used is the monomer and / or trim
  • the proportion of polyester and / or polycarbonate units is> 20% by weight to ⁇ 90% by weight. This proportion is preferably between> 25% by weight and ⁇ 80% by weight and more preferably between> 30% by weight and ⁇ 50% by weight.
  • the polyurethane polymer has a modulus of elasticity at an elongation of 50%>from> 0.1 MPa to ⁇ 15 MPa.
  • the module is determined according to DIN EN 150 672 1-1 and can also be> 0.2 MPa to ⁇ 5 MPa.
  • the polyurethane polymer may have a maximum stress of> 0.2 MPa, in particular of> 0.4 MPa to ⁇ 50 MPa and a maximum elongation of>200%>, in particular of>350%>.
  • the polyurethane polymer contained in the electromechanical transducer according to the invention has a tensile strength of> 1, 5kN / m, preferably of> 1.6 kN / m. The tear strength was determined according to ASTM D 624-00 on films of thickness from 30 ⁇ to 200 ⁇ .
  • a further subject of the present invention is a method for producing an electromechanical transducer, comprising the steps:
  • dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer
  • polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
  • the provision of the dielectric elastomer is preferably carried out by applying the reaction mixture leading to the polyurethane polymer to the first and / or second electrode.
  • the advantage of this procedure is in particular that the curing elastomer can build a good adhesion to the electrodes.
  • the application of the reaction mixture can be carried out, for example, by knife coating, brushing, pouring, spinning, spraying or extrusion.
  • drying and / or tempering is carried out after application of the reaction mixture.
  • the drying / tempering can take place in a temperature range from 0 ° C to 200 ° C, for example for 0.1 min to 48 h, in particular for 6 h to 18 h; drying / heat treatment for a period of 15 minutes to 30 minutes in the temperature range from 60 ° C. to 120 ° C. is particularly preferred.
  • the present invention further relates to the use of a dielectric elastomer as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
  • the present invention further relates to the use of a dielectric elastomer as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
  • Uses can be found in a variety of different applications in the electro-mechanical and electro-acoustic field, in particular in the field of energy production 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, Modulators for optical fiber optics, pyroelectric detectors, capacitors and control systems; and 'intelligent' floors, and systems for converting water wave energy, in particular sea-wave energy, into electrical energy.
  • Another object of the invention is an electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to the invention.
  • the tensile tests were carried out by means of a tractor from Zwick, model number 1455, equipped with a load cell of the total measuring range 1 kN according to DIN 53 504 with a pulling speed of 50 mm / min. S2 specimens were used as specimens. Each measurement was carried out on three identically prepared test specimens and the mean of the data obtained was used for the evaluation. The elongation at break in [%] and the modulus of elasticity in [MPa] at 50% elongation were determined.
  • the stress relaxation (creep) of the elastomer films was determined on rectangular bars of dimensions 15 mm ⁇ 100 mm according to DIN 53 441 at 10% elongation after a time of 30 minutes.
  • the propagation energy was determined according to ASTM D 624-00 at a strain rate of 100 mm / min on rectangular bars of dimensions 15 mm ⁇ 100 mm.
  • the electrical resistance was determined by means of a Keithley Instruments Model No. 6517 A and 8009 laboratory setup in accordance with ASTM D 257 (a method for determining the insulation resistance of materials). Substances used and abbreviations:
  • Desmodur® N 100 trifunctional biuret based on hexamethylene diisocyanate (HDI biuret), NCO content 21.95 ⁇ 0.3% (according to DIN EN ISO 1 909), viscosity at 23 ° C. 9630 ⁇ 750 mPa ⁇ s, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE. Desmodur® 44M 4,4'-methylene diphenyl diisocyanate, Bayer MaterialScience AG,
  • Desmodur® XP 2599 Aliphatic, ether group-containing prepolymer based on
  • Example 1 Preparation of a di-isocyanate-functional polyisocyanate prepolymer
  • Example 3 (comparative): Preparation of a polymer not to be used according to the invention
  • the raw materials used were not degassed separately. 55.2 g of a prepolymer from Example 2 and 33.33 g of PolyTHF® 2000 were mixed with an amount of 0.00083 g of DBTDL in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 revolutions per minute for 1 minute. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • Example 4 Preparation of a polymer not to be used according to the invention The raw materials used were not degassed separately. 50.0 g of Acclaim® 4220 and 0.05 g of Irganox® 1076 were weighed into a polypropylene beaker and mixed in the Speedmixer at 3000 rpm for 1 minute with 0.4 g DBTDL and 5.75 g Desmodur® N 100 mixed. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • Example 5 Preparation of a polymer not to be used according to the invention The raw materials used were not degassed separately. 29, ll g of Desmodur® XP 2599 and 50.0 g of Desmophen® C 2200 were loaded with 0.045 g of Desmorapid® SO and 0.05 g of Irganox® 1076 in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 revolutions per minute for the duration mixed for 1 minute. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • Example 6 Preparation of a Polymer Not According to the Invention
  • the raw materials used were not degassed separately.
  • 50.0 g Desmophen® C 1200 was mixed with 0.05 g Irganox® 1076, 9.188 g Desmodur® N100 and 0.013 g DBTDL in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 rpm for 1 minute.
  • films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • Example 7 Preparation of a polymer to be used according to the invention
  • films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were cured after production at 100 ° C in the oven for a period of 1 h. The films could be easily released from the glass plate after curing by hand.
  • Elongation at break and modulus of elasticity in tension (DIN EN 150 672 1-1), tension relaxation in tension (Creep; DIN 53 441), tensile elongation at break (ASTM D 412), tear strength (ASTM D 624 -00) and the electrical resistance (ASTM D 257) determined.
  • the results for the examples not according to the invention and the examples of polymer elements according to the invention are shown in Table 1 below. Numerical values the volume resistances are given in exponential notation. For example, the numerical value 3 means a volume resistance of 1.88 ⁇ 10 12 ohm cm.
  • Particularly advantageous when using the film according to the invention is the combination of high elongation at break, low creep, high electrical resistance and high tear propagation resistance.
  • Particularly advantageous electromechanical transducers can be produced with this polymer according to the invention.

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Abstract

The present invention relates to an electromechanical converter comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer. In this case, the polyurethane polymer comprises at least one polyester and/or polycarbonate unit. The invention further relates to a method for producing such an electromechanical converter, the use of the inserted dielectric elastomer and an electrical and/or electronic device comprising an electromechanical converter according to the invention.

Description

Elektromechanischer Wandler, umfassend ein Polyurethanpolymer mit Polyester-und/oder Electromechanical transducer comprising a polyurethane polymer with polyester and / or
Polycarbonat Einheiten Polycarbonate units
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, umfassend ein durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode kontaktiertes dielektrisches Elastomer, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst. Das Polyurethanpolymer umfasst hierbei mindestens eine Polyester- und/oder Polycarbonat-Einheit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektromechanischen Wandlers, die Verwendung des eingesetzten dielektrischen Elastomers sowie eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung, umfassend einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler. Elektromechanische Wandler spielen eine wichtige Rolle bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt. Elektromechanische Wandler können daher als Sensoren, Aktuatoren und/oder Generatoren eingesetzt werden. Als Beispiel hierfür seien die in WO-A 2001/006575 genannten Systeme vorgestellt, welche vorgespannte Polymere einsetzen. The present invention relates to an electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, the dielectric elastomer comprising a polyurethane polymer. The polyurethane polymer here comprises at least one polyester and / or polycarbonate unit. The invention further relates to a method for producing such an electromechanical transducer, the use of the dielectric elastomer used and an electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to the invention. Electromechanical transducers play an important role in converting electrical energy into mechanical energy and vice versa. Electromechanical converters can therefore be used as sensors, actuators and / or generators. As an example of this, the systems mentioned in WO-A 2001/006575 are presented, which use prestressed polymers.
Eine Klasse von solchen Wandlern basiert auf elektroaktiven Polymeren. Es ist ein ständiges Ziel, die Eigenschaften der elektroaktiven Polymere, insbesondere den elektrischen Widerstand und die Durchbruchfestigkeit, zu erhöhen. Gleichzeitig soll aber die Mechanik der Polymere sie für Einsätze in elektromechanischen Wandlern geeignet machen. One class of such transducers is based on electroactive polymers. It is a constant goal to increase the properties of the electroactive polymers, in particular the electrical resistance and the breakdown strength. At the same time, however, the mechanics of the polymers make them suitable for use in electromechanical transducers.
Eine Möglichkeit der Erhöhung der Dielektrizitätskonstante ist die Zugabe von bestimmten Füllstoffen. So beschreibt WO-A 2008/095621 rußgefüllte Polyurethanmassen, die wenigstens bestehen aus Polyetherurethanen, in die Polyolkomponenten eingebaut sind, die zu 50-100 Gew.- % aus durch DMC-Katalyse hergestellten Polyalkylenoxiden, insbesondere Polypropylenoxiden, und 0-50 Gew.-% aus von Katalysatorresten freien Polyolen, insbesondere solchen, die destillativ oder durch Umkristallisation gereinigt sind, oder solchen, die nicht durch ringöffnende Polymerisation von Sauerstoffheterocyclen hergestellt wurden, aufgebaut sind. Weiterhin enthalten die Polyurethanmassen 0,1-30 Gew.-% Ruß. One way to increase the dielectric constant is to add certain fillers. Thus, WO-A 2008/095621 describes soot-filled polyurethane compositions which at least consist of polyetherurethanes incorporated with polyol components containing from 50 to 100% by weight of polyalkylene oxides prepared by DMC catalysis, in particular polypropylene oxides, and 0-50% by weight. % of catalyst-free polyols, in particular those which are purified by distillation or by recrystallization, or those which have not been prepared by ring-opening polymerization of oxygen heterocycles constructed. Furthermore, the polyurethane compositions contain 0.1-30 wt .-% carbon black.
Energiewandler aus filmbildenden wässrigen Polyurethandispersionen werden in WO-A 2009/074192 offenbart. Auch hier werden die hohen Dielektrizitätskonstanten und die guten mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Polyurethanfilme hervorgehoben. Energy converters of film-forming aqueous polyurethane dispersions are disclosed in WO-A 2009/074192. Again, the high dielectric constants and the good mechanical properties of the resulting polyurethane films are highlighted.
US-A 5977685, JP-A 07240544, JP-A 06085339 und JP-B 3026043 offenbaren elektromechanische Wandler enthaltend ein Polyurethan-Elastomer, hergestellt aus makromolekularen Polyolen, organischen Polyisocyanaten und Verbindungen zur Kettenverlängerung, wobei das molare Verhältnis der NCO-Gruppen des Polyisocyanats zu den OH-Gruppen des Polyols im Bereich von 1,5 zu 9 liegt. US-A 5977685, JP-A 07240544, JP-A 06085339 and JP-B 3026043 disclose electromechanical transducers comprising a polyurethane elastomer prepared from macromolecular polyols, organic polyisocyanates and compounds of the Chain extension, wherein the molar ratio of the NCO groups of the polyisocyanate to the OH groups of the polyol is in the range of 1.5 to 9.
Die noch nicht veröffentlichte Anmeldung mit der Anmeldenummer PCT/EP2011/063571 offenbart elektromechanische Wandler enthaltend verschiedene Polyurethan-Elastomere, die in der Regel sehr hohe elektrische Widerstände und Durchbruchsfeldstärken aufweisen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Elastomere zeigen zum Teil eine Kombination von niedrigen bleibenden Dehnungen mit niedrigen Weiterreißfestigkeiten und hohen Weiterreißfestigkeiten mit hohen bleibenden Dehnungen. Hinweise auf die für die Anwendung als mechanisch-elektrischer Energiewandler besonders wichtige Kombination von niedrigen bleibenden Dehnungen und vergleichsweise dann hohen Weiterreißfestigkeiten werden nicht offenbart. Hohe Weiterreiß- widerstände führen dazu, dass bei einem dielektrischen Durchschlag im Betrieb des elektromechanischen Wandlers die Folien nicht spontan durchreißen und damit der elektromechanische Wandler seine Funktion komplett verliert. The not yet published application with the application number PCT / EP2011 / 063571 discloses electromechanical transducer containing various polyurethane elastomers, which generally have very high electrical resistances and breakdown field strengths. The mechanical properties of these elastomers show, in part, a combination of low elongations with low tear strengths and high tear strengths with high levels of permanent elongation. References to the combination of low permanent strains and comparatively high tear strengths, which is particularly important for use as a mechanical-electrical energy converter, are not disclosed. High tear propagation resistance means that in the case of a dielectric breakdown during operation of the electromechanical transducer, the foils do not spontaneously tear through and thus the electromechanical transducer completely loses its function.
Es besteht jedoch Bedarf an elektromechanischen Wandlern mit dielektrischen Elastomeren, die zusätzlich zu den bekannten Eigenschaften, wie hohe elektrische Widerstände und hohe Durchbruchfeldstärken, eine erhöhte Weiterreißfestigkeit aufweisen und damit gegenüber dem dielektrischen Durchschlag erhöhte Stabilität aufweisen im Vergleich zu den bislang bekannten Systemen. However, there is a need for electromechanical transducers with dielectric elastomers which, in addition to the known properties, such as high electrical resistances and high breakdown field strengths, have increased tear propagation resistance and thus increased stability over the dielectric breakdown in comparison to the systems known hitherto.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird daher ein elektromechanischer Wandler, umfassend ein durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode kontaktiertes dielektrisches Elastomer, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst. Der erfindungsgemäße Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von The invention therefore proposes an electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer. The converter according to the invention is characterized in that the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, wobei die Polycarbonat-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0, bevorzugt 0,9 : 1,0 bis 1,2 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number based on CH 2 groups between the hydroxyl groups, wherein for the preparation of the polyurethane polymer no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1 , 3: 1.0, preferably 0.9: 1.0 to 1.2: 1.0.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass die im erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler vorgesehenen Polyurethanpolymere besonders hohe Weiterreißfestigkeiten bei gleichzeitig kleinen bleibenden Dehnungen aufweisen. Gleichzeitig liegen die Polyurethane als weiche Elastomere vor. Die Kombination dieser Eigenschaften ergibt einen vorteilhaften Einsatz in elektromechanischen Wandlern. Surprisingly, it has been found that the polyurethane polymers provided in the electromechanical converter according to the invention have particularly high tear propagation strengths with simultaneously small remaining elongations. At the same time, the polyurethanes are present as soft elastomers. The combination of these properties results in an advantageous use in electromechanical transducers.
Wenn eine mechanische Beanspruchung auf einen derartigen Wandler ausgeübt wird, so deformiert sich der Wandler beispielsweise entlang seiner Dicke und seiner Fläche und ein starkes elektrisches Signal kann an den Elektroden detektiert werden. Damit wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Der erfindungsgemäße Wandler kann folglich sowohl als Generator als auch als Sensor eingesetzt werden. When a mechanical stress is applied to such a transducer, the transducer deforms along its thickness and area, for example, and a strong electrical signal can be detected at the electrodes. This converts mechanical energy into electrical energy. The converter according to the invention can consequently be used both as a generator and as a sensor.
Unter Ausnutzung des entgegengesetzten Effekts, nämlich der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, kann der erfindungsgemäße Wandler andererseits gleichermaßen als Aktuator dienen. On the other hand, taking advantage of the opposite effect, namely the conversion of electrical energy into mechanical energy, the converter according to the invention can equally serve as an actuator.
Als Elektroden sind grundsätzlich alle Materialien geeignet, welche eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und vorteilhafterweise der Ausdehnung des dielektrischen Elastomers folgen können. Beispielsweise können die Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Polymer, aus Leittinte oder aus Ruß aufgebaut sein. As electrodes, basically all materials are suitable which have a sufficiently high electrical conductivity and can advantageously follow the expansion of the dielectric elastomer. By way of example, the electrodes can be constructed from an electrically conductive polymer, from lead ink or from carbon black.
Dielektrische Elastomere im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Elastomere, die ihre Form durch das Anlegen eines elektrischen Feldes ändern können. Im Fall von Elastomerfolien kann sich zum Beispiel die Dicke verringern, während es gleichzeitig zu einer Längenausdehnung der Folie in Flächenrichtung kommt. Dielectric elastomers for the purposes of the present invention are elastomers that can change their shape by the application of an electric field. For example, in the case of elastomeric films, the thickness may decrease while at the same time extending the film lengthwise in the planar direction.
Die Dicke der dielektrischen Elastomerschicht beträgt vorzugsweise > 1 μιη bis < 500 μιη und mehr bevorzugt > 10 μιη bis < 150 μιη. Sie kann einstückig oder mehrstückig aufgebaut sein. Beispielsweise kann eine mehrstückige Schicht durch Aufeinanderlaminieren von einzelnen Schichten erhalten werden. Das dielektrische Elastomer kann neben dem erfindungsgemäß vorgesehenen Polyurethanpolymer noch weitere Inhaltsstoffe aufweisen. Solche Inhaltsstoffe sind beispielsweise Vernetzer, Verdicker, Colösemittel, Thixotropiermittel, Stabilisatoren, Antioxidantien, Lichtschutzmittel, Emulgatoren, Tenside, Klebstoffe, Weichmacher, Hydrophobierungsmittel, Pigmente, Füllstoffe und Verlaufshilfsmittel. The thickness of the dielectric elastomer layer is preferably> 1 μιη to <500 μιη and more preferably> 10 μιη to <150 μιη. It can be constructed in one piece or in several pieces. For example, a multi-piece layer can be obtained by laminating individual layers. The dielectric elastomer may have other ingredients in addition to the inventively provided polyurethane polymer. Such ingredients include, for example, crosslinkers, thickeners, cosolvents, thixotropic agents, stabilizers, antioxidants, light stabilizers, emulsifiers, surfactants, adhesives, plasticizers, water repellents, pigments, fillers and leveling agents.
Füllstoffe im Elastomer können beispielsweise die Dielektrizitätskonstante des Polymers regulieren. Beispiele hierfür sind keramische Füllstoffe, insbesondere Bariumtitanat, Titandioxid und piezoelektrische Keramiken wie Quarz oder Bleizirkoniumtitanat, sowie organische Füllstoffe, insbesondere solche mit einer hohen elektrischen Polarisierbarkeit, beispielsweise Phthalocyanine. For example, fillers in the elastomer can regulate the dielectric constant of the polymer. Examples of these are ceramic fillers, in particular barium titanate, titanium dioxide and piezoelectric ceramics such as quartz or lead zirconium titanate, as well as organic fillers, in particular those having a high electrical polarizability, for example phthalocyanines.
Außerdem ist eine hohe Dielektrizitätskonstante auch durch das Einbringen elektrisch leitfähiger Füllstoffe unterhalb ihrer Perkolationsschwelle erzielbar. Beispiele hierfür sind Ruß, Graphit, einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, elektrisch leitfähige Polymere wie Polythiophene, Polyaniline oder Polypyrrole, oder Mischungen davon. In diesem Zusammenhang sind insbesondere solche Rußtypen von Interesse, die eine Oberflächenpassivierung aufweisen und deshalb bei niedrigen Konzentrationen unterhalb der Perkolationsschwelle zwar die Dielektrizitätskonstante erhöhen und trotzdem nicht zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Polymers führen. In addition, a high dielectric constant can also be achieved by introducing electrically conductive fillers below their percolation threshold. Examples of these are carbon black, graphite, single-walled or multi-walled carbon nanotubes, electrically conductive polymers such as polythiophenes, polyanilines or polypyrroles, or mixtures thereof. Of particular interest in this connection are those types of carbon black which have a surface passivation and therefore at higher concentrations below the percolation threshold increase the dielectric constant and nevertheless do not lead to an increase in the conductivity of the polymer.
Das im erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler vorgesehene Polyurethanpolymer ist erhältlich ist aus der Reaktion von einem Polyisocyanat A) und/oder einem Polyisocyanat- Prepolymer B) mit einer Verbindung C), welche mindestens zwei isocyanatreaktive Gruppen umfasst, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B) zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0, bevorzugt 0,9 : 1,0 bis 1,2 : 1,0 betragen. Hierbei weisen B) und/oder C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten auf, wobei die Polycarbonat-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren. Es ergeben sich folgende Möglichkeiten zum Einbau der erfindungsgemäßen Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten im Polyurethanpolymer: A) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in C); B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in B); B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in C); B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in B) und C); A) + B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in B); A) + B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in C) und schließlich A) + B) + C) mit Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten in B) und C). Die erfindungsgemäßen Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten lassen sich nach bekannten Methoden beispielsweise aus der Umsetzung von Polyisocyanaten A) und/oder Polyisocyanat- Prepolymeren B) mit den entsprechenden Polycarbonatpolyolen und/oder Polyesterpolyolen erhalten. Diese Polycarbonatpolyole und/oder Polyesterpolyole können ebenfalls zum Aufbau der Prepolymere verwendet werden. Als Polyisocyanat A) eignen sich erfindungsgemäß beispielsweise 1 ,4-Butylendiisocyanat, 1,6 Hexamethylendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,2,4 und/oder 2,4,4-Trimethylhexamethylendiisocyanat, die isomeren Bis-(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methane oder deren Mischungen beliebigen Isomerengehalts, 1 ,4-Cyclohexylendiisocyanat, 4-Isocyanatomethyl-l,8-octandiisocyanat (Nonantriisocyanat), 1 ,4-Phenylendiisocyanat, 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat, 1,5- Naphthylendiisocyanat, 2,2'- und/oder 2,4'- und/oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 1,3- und/oder l ,4-Bis-(2-isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI), 1 ,3-Bis(isocyanatomethyl)benzol (XDI), Alkyl-2,6-diisocyanatohexanoate (Lysindiisocyanate) mit Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen sowie Mischungen davon. Weiterhin sind Uretdion-, Isocyanurat-, Biuret-, Iminooxadiazindion- oder Oxadiazintrionstruktur enthaltende Verbindungen basierend auf den genannten Diisocyanaten geeignete Bausteine der Komponente A). Bevorzugt eingesetzt werden Komponenten basierend auf 1,6 Hexamethylendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), Bis-(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methan, Toluylendiisocyanat und/oder Diphenylmethan- diisocyanat, besonders bevorzugt auf 1,6 Hexamethylendiisocyanat (HDI). The polyurethane polymer provided in the electromechanical converter according to the invention is obtainable from the reaction of a polyisocyanate A) and / or a polyisocyanate prepolymer B) with a compound C) which comprises at least two isocyanate-reactive groups, with no further isocyanate-reactive for the preparation of the polyurethane polymer Compounds in addition to component C) are used and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B) to isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0, preferably 0, 9: 1.0 to 1.2: 1.0. In this case, B) and / or C) have polycarbonate and / or polyester units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups between the hydroxy groups. The following possibilities arise for incorporation of the polycarbonate and / or polyester units according to the invention in the polyurethane polymer: A) + C) with polycarbonate and / or polyester units in C); B) + C) with polycarbonate and / or polyester units in B); B) + C) with polycarbonate and / or Polyester units in C); B) + C) with polycarbonate and / or polyester units in B) and C); A) + B) + C) with polycarbonate and / or polyester units in B); A) + B) + C) with polycarbonate and / or polyester units in C) and finally A) + B) + C) with polycarbonate and / or polyester units in B) and C). The polycarbonate and / or polyester units according to the invention can be obtained by known methods, for example from the reaction of polyisocyanates A) and / or polyisocyanate prepolymers B) with the corresponding polycarbonate polyols and / or polyester polyols. These polycarbonate polyols and / or polyester polyols can also be used to form the prepolymers. Examples of suitable polyisocyanates A) according to the invention are 1,4-butylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 2,2,4 and / or 2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, the isomeric bis (4, 4'-isocyanatocyclohexyl) methanes or mixtures thereof of any isomer content, 1,4-cyclohexylene diisocyanate, 4-isocyanatomethyl-1,8-octane diisocyanate (nonane triisocyanate), 1,4-phenylene diisocyanate, 2,4- and / or 2,6-toluene diisocyanate, 1,5-naphthylene diisocyanate, 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 1,3- and / or l, 4-bis (2-isocyanato-prop-2 -yl) -benzene (TMXDI), 1, 3-bis (isocyanatomethyl) benzene (XDI), alkyl 2,6-diisocyanatohexanoate (lysine diisocyanates) having alkyl groups of 1 to 8 carbon atoms and mixtures thereof. Furthermore, uretdione, isocyanurate, biuret, iminooxadiazinedione or oxadiazinetrione-containing compounds based on the diisocyanates mentioned are suitable building blocks of component A). Preference is given to using components based on 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), bis (4,4'-isocyanatocyclohexyl) methane, tolylene diisocyanate and / or diphenylmethane diisocyanate, particularly preferably 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI).
Die als Komponente B) einsetzbaren Polyisocyanat-Prepolymere können durch Umsetzung von einem oder mehreren der vorstehend genannten Diisocyanate mit einem oder mehreren hydroxyfunktionellen, insbesondere polymeren Polyolen, gegebenenfalls unter Zusatz von Katalysatoren sowie Hilfs- und Zusatzstoffen erhalten werden. Des Weiteren können zusätzlich Komponenten zur Kettenverlängerung für die Bildung des Polyisocyanat-Prepolymers eingesetzt werden, wie beispielsweise Komponenten mit primären und/oder sekundären Aminogruppen. Hydroxyfunktionelle, polymere Polyole für die Umsetzung zum Polyisocyanat Prepolymer B) k ö nn en e rfin dungsgemäß beispielsweise Polyesterpolyole, Polyacrylatpolyole, Polyurethanpolyole, Polycarbonatpolyole, Polyetherpolyole, Polyesterpolyacrylatpolyole, Polyurethanpolyacrylatpolyole, Polyurethanpolyesterpolyole, Polyurethanpolyetherpolyole und/oder Polyurethanpolycarbonatpolyole und/oder Polyesterpolycarbonatpolyole sein. Diese können zur Herstellung des Polyisocyanat-Prepolymers einzeln oder in beliebigen Mischungen untereinander eingesetzt werden. The polyisocyanate prepolymers which can be used as component B) can be obtained by reacting one or more of the abovementioned diisocyanates with one or more hydroxy-functional, in particular polymeric, polyols, if appropriate with addition of catalysts and auxiliaries and additives. In addition, components for chain extension for the formation of the polyisocyanate prepolymer can be used in addition, such as components having primary and / or secondary amino groups. Hydroxy-functional, polymeric polyols for the conversion to the polyisocyanate prepolymer B) according to the invention include, for example, polyester polyols, polyacrylate polyols, polyurethane polyols, polycarbonate polyols, polyether polyols, polyester polyacrylate polyols, polyurethane polyacrylate polyols, polyurethane polyester polyols, polyurethane polyether polyols and / or polyurethane polycarbonate polyols and / or polyester polycarbonate polyols. These can be used to prepare the polyisocyanate prepolymer individually or in any mixtures with each other.
Vorzugsweise können zur Herstellung der Polyisocyanat-Prepolymere B) Diisocyanate mit den Polycarbonatpolyolen, enthaltend eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen, und/oder Polyesterpolyolen, basierend auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen mit einer geraden Anzahl an CH2-Gruppen, umgesetzt werden. For the preparation of the polyisocyanate prepolymers B) it is possible to use diisocyanates with the polycarbonate polyols containing an even number of CH 2 groups and / or polyester polyols based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 - Groups, to be implemented.
Zur Herstellung der Polyisocyanat-Prepolymere B) können Diisocyanate mit den Polyolen bei einem Verhältnis der Isocyanatgruppen zu Hydroxylgruppen (NCO/OH-Verhältnis) von 2: 1 bis 20:1, bevorzugt von 8:1 bis 15:1, umgesetzt werden. Dabei können Urethan- und/oder Allophanatstrukturen gebildet werden. Der Anteil an nicht umgesetzten Polyisocyanaten kann anschließend abgetrennt werden. Hierfür kann beispielsweise eine Dünnschichtdestillation verwendet werden, wobei restmonomerenarme Produkte mit Restmonomergehalten von beispielsweise < 1 Gewichtsprozent, bevorzugt < 0,5 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt < 0,1 Gewichtsprozent, erhalten werden. Die Reaktionstemperatur kann dabei von 20 °C bis 120 °C, bevorzugt von 60 °C bis 100 °C, betragen. Gegebenenfalls können während der Herstellung Stabilisatoren wie Benzoylchlorid, Isophthaloylchlorid, Dibutylphosphat, 3- Chlorpropionsäure oder Methyltosylat zugesetzt werden. To prepare the polyisocyanate prepolymers B), diisocyanates may be reacted with the polyols at a ratio of the isocyanate groups to hydroxyl groups (NCO / OH ratio) of 2: 1 to 20: 1, preferably of 8: 1 to 15: 1. In this case, urethane and / or allophanate structures can be formed. The proportion of unreacted polyisocyanates can then be separated off. For this purpose, for example, a thin-film distillation can be used, with residual monomer low products with residual monomer contents of, for example, <1 weight percent, preferably <0.5 weight percent, more preferably <0.1 weight percent, are obtained. The reaction temperature may be from 20 ° C to 120 ° C, preferably from 60 ° C to 100 ° C, amount. Optionally, stabilizers such as benzoyl chloride, isophthaloyl chloride, dibutyl phosphate, 3-chloropropionic acid or methyl tosylate may be added during the preparation.
Erfindungsgemäß geeignete Komponenten zur Kettenverlängerung in den Polyisocyanat- Prepolymeren B) sind organische Di- oder Polyamine. Beispielsweise können Ethylendiamin, 1 ,2- Diaminopropan, 1 ,3-Diaminopropan, 1 ,4-Diaminobutan, 1 ,6-Diaminohexan, Isophorondiamin, Isomerengemisch von 2,2,4- und 2,4,4-Trimethylhexamethylendiamin, 2-Methylpentamethylen- diamin, Diethylentriamin, Diaminodicyclohexylmethan oder Dimethylethylendiamin oder Mischungen davon eingesetzt werden. Darüber hinaus können auch Verbindungen, die neben einer primären Aminogruppe auch sekundäre Aminogruppen oder neben einer Aminogruppe (primär oder sekundär) auch OH- Gruppen aufweisen, zur Herstellung der Polyisocyanat-Prepolymere B) eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind primäre/sekundäre Amine, wie Diethanolamin, 3-Amino-l- methylaminopropan, 3-Amino-l-ethylaminopropan, 3-Amino-l-cyclohexylaminopropan, 3- Amino-l-methylaminobutan, Alkanolamine wie N-Aminoethylethanolamin, Ethanolamin, 3- Aminopropanol, Neopentanolamin. Zur Kettenterminierung werden üblicherweise Amine mit einer gegenüber Isocyanaten reaktiven Gruppe wie Methylamin, Ethylamin, Propylamin, Butylamin, Octylamin, Laurylamin, Stearylamin, Isononyloxypropylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Dipropylamin, Dibutylamin, N-Methylaminopropylamin,Components suitable for chain extension in the polyisocyanate prepolymers B) according to the invention are organic di- or polyamines. For example, ethylenediamine, 1, 2-diaminopropane, 1, 3-diaminopropane, 1, 4-diaminobutane, 1, 6-diaminohexane, isophoronediamine, isomer mixture of 2,2,4- and 2,4,4-trimethylhexamethylenediamine, 2-methylpentamethylene - Diamine, diethylenetriamine, diaminodicyclohexylmethane or dimethylethylenediamine or mixtures thereof are used. In addition, it is also possible to use compounds which, in addition to a primary amino group, also have secondary amino groups or, in addition to an amino group (primary or secondary), OH groups, for the preparation of the polyisocyanate prepolymers B). Examples of these are primary / secondary amines, such as diethanolamine, 3-amino-1-methylaminopropane, 3-amino-1-ethylaminopropane, 3-amino-1-cyclohexylaminopropane, 3-amino-1-methylaminobutane, alkanolamines such as N-aminoethylethanolamine, ethanolamine , 3-aminopropanol, neopentanolamine. For chain termination are usually amines with an isocyanate-reactive group such as methylamine, ethylamine, propylamine, Butylamine, octylamine, laurylamine, stearylamine, isononyloxypropylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, N-methylaminopropylamine,
Diethyl(methyl)aminopropylamin, Morpholin, Piperidin, beziehungsweise geeignete substituierte Derivate davon, Amidamine aus diprimären Aminen und Monocarbonsäuren, Monoketim von diprimären Aminen, primär/tertiäre Amine, wie Ν,Ν-Dimethylaminopropylamin, verwendet. Diethyl (methyl) aminopropylamine, morpholine, piperidine, or suitable substituted derivatives thereof, amide amines from diprimary amines and monocarboxylic acids, monoketim of diprimary amines, primary / tertiary amines, such as Ν, Ν-dimethylaminopropylamine used.
Die als Komponente B) erfindungsgemäß eingesetzten Polyisocyanat-Prepolymere oder deren Mischungen weisen bevorzugt eine mittlere NCO-Funktionalität von > 1,8 bis < 5, besonders bevorzugt > 2 bis < 3,5 und ganz besonders bevorzugt > 2 bis < 2,5 auf. The polyisocyanate prepolymers or mixtures thereof used according to the invention as component B) preferably have an average NCO functionality of> 1.8 to <5, more preferably> 2 to <3.5 and very particularly preferably> 2 to <2.5 ,
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann Komponente C) grundsätzlich eine Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, bevorzugt Amino- und/oder Hydroxygruppen, besonders bevorzugt Hydroxygruppen sein. Beispielsweise kann Komponente C) ein Polyol mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Hydroxygruppen wie beipsielsweise Trimethylolpropan (TMP) sein. In the context of the present invention, component C) may in principle be a compound having at least two isocyanate-reactive groups, preferably amino and / or hydroxyl groups, particularly preferably hydroxy groups. For example, component C) may be a polyol having at least two isocyanate-reactive hydroxyl groups, such as, for example, trimethylolpropane (TMP).
Polyester-Komponenten, die als Komponente C) und/oder zur Herstellung der Komponente B) eingesetzt werden können, sind die an sich bekannten Polykondensate aus Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetraolen und Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetracarbonsäuren oder Hydroxycarbonsäuren oder Lactonen. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester von niederen Alkoholen zur Herstellung der Polyester verwendet werden. Es können Polyester-Polyole mit zahlenmittleren Molekulargewichten Mn von 1000 bis 10000 g/mol, bevorzugt 1500 bis 4000 g/mol, besonders bevorzugt 1800 bis 2300 g/mol eingesetzt werden. Polyester components which can be used as component C) and / or for the preparation of component B) are the known polycondensates of di- and optionally tri- and tetraols and di- and optionally tri- and tetracarboxylic acids or hydroxycarboxylic acids or lactones , Instead of the free polycarboxylic acids, it is also possible to use the corresponding polycarboxylic acid anhydrides or corresponding polycarboxylic acid esters of lower alcohols for the preparation of the polyesters. Polyester polyols having number-average molecular weights M n of from 1000 to 10000 g / mol, preferably from 1500 to 4000 g / mol, particularly preferably from 1800 to 2300 g / mol, may be used.
Mn wird durch Gelpermeationschromatographie (GPC) bei 23°C in THF bestimmt, wobei als Kalibierbeziehung Polystyrol-Standards im relevanten Molekulargewichtsbereich verwendet werden. Beispiele für geeignete Diole zur Herstellung der Polyester-Polyole sind solche, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen wie beispielsweise Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polyalkylenglykole wie Polyethylenglykol, Bu- tandiol(l,3), Butandiol(l,4), Hexandiol(l,6). Bevorzugt sind Hexandiol(l,6), Butandiol(l,4) und Ethylenglykol, besonders bevorzugt sind Hexandiol(l,6) und Ethylenglykol. M n is determined by gel permeation chromatography (GPC) at 23 ° C in THF using as calibration relationship polystyrene standards in the relevant molecular weight range. Examples of suitable diols for the preparation of the polyester polyols are those which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, for example ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, butanediol (1,3), butanediol (1 , 4), hexanediol (1,6). Preference is given to hexanediol (1,6), butanediol (1,4) and ethylene glycol, particularly preferred are hexanediol (1,6) and ethylene glycol.
Vorzugsweise sind die Polyesterpolyole als Komponente C) und/oder zur Herstellung der Komponente B) erhältlich durch Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen, besonders bevorzugt mit Hexandiol(l,6), Butandiol(l,4) und Ethylenglykol und ganz besonders bevorzugt mit Hexandiol(l,6) und Ethylenglykol. The polyester polyols are preferably obtainable as component C) and / or for the preparation of component B) by reacting adipic acid and / or adipic anhydride with Diols which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, particularly preferably with hexanediol (1,6), butanediol (1,4) and ethylene glycol and very particularly preferably with hexanediol (1,6) and ethylene glycol.
Polycarbonat-Komponenten, die als Komponente C) und/oder zur Herstellung der Komponente B) eingesetzt werden können, sind Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, bevorzugt Polycarbonatdiole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, mit zahlenmittleren Molekulargewichten Mn von 1000 bis 10000 g/mol, bevorzugt von 1500 bis 4000 g/mol, besonders bevorzugt 1800 bis 3000 g/mol. Diese sind durch Reaktion von Kohlenstoffdioxid, Kohlensäurederivaten, wie Diphenylcarbonat, Dimethylcarbonat oder Phosgen, mit Polyolen, bevorzugt Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, erhältlich. Polycarbonate components which can be used as component C) and / or for the preparation of component B) are hydroxyl-containing polycarbonate polyols, preferably polycarbonate diols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, with number-average molecular weights M n of 1000 to 10000 g / mol, preferably from 1500 to 4000 g / mol, particularly preferably from 1800 to 3000 g / mol. These are obtainable by reaction of carbon dioxide, carbonic acid derivatives, such as diphenyl carbonate, dimethyl carbonate or phosgene, with polyols, preferably diols, which have an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups.
Beispiele derartiger Diole sind Ethylenglykol, 1,3- und 1 ,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, 1,8- Octandiol, 1 ,4-Bishydroxymethylcyclohexan, Dibutylenglykol und Polybutylenglykole. Bevorzugt sind Ethylenglykol, 1,3- und 1 ,4-Butandiol und 1,6-Hexandiol. Bevorzugt enthält die Diolkomponente 40 bis 100 Gew.-% Hexandiol, bevorzugt sind 1,6- Hexandiol und/oder Hexandiolderivate. Solche Hexandiolderivate basieren auf Hexandiol und weisen neben endständigen OH-Gruppen Ester- oder Ethergruppen auf. Solche Derivate sind durch Reaktion von Hexandiol mit überschüssigem Caprolacton oder durch Veretherung von Hexandiol mit sich selbst zum Di- oder Trihexylenglykol erhältlich. Besonders bevorzugt ist 1,6- Hexandiol als Diolkomponente. Examples of such diols are ethylene glycol, 1,3- and 1, 4-butanediol, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, 1, 4-bishydroxymethylcyclohexane, dibutylene glycol and polybutylene glycols. Preference is given to ethylene glycol, 1,3- and 1,4-butanediol and 1,6-hexanediol. Preferably, the diol component contains 40 to 100 wt .-% of hexanediol, preferably 1,6-hexanediol and / or hexanediol derivatives. Such hexanediol derivatives are based on hexanediol and have ester or ether groups in addition to terminal OH groups. Such derivatives are obtainable by reaction of hexanediol with excess caprolactone or by etherification of hexanediol with itself to di- or trihexylenglykol. Particularly preferred is 1,6-hexanediol as the diol component.
Es gelten natürlich die zuvor genannten Bedingungen hinsichtlich des Vorliegens und der Gestalt von Polycarbonat und/oder Polyester-Einheiten in dem Polyurethanpolymer. Of course, the aforementioned conditions regarding the presence and shape of polycarbonate and / or polyester units in the polyurethane polymer apply.
Falls eine Mischung aus Komponente A) und Komponente B) eingesetzt wird, liegt das eingesetzte Äquivalent- Verhältnis der Isocyanatgruppen aus A) zu den Isocyanatgruppen aus B) vorteilhafterweise zwischen > 1 : 10 bis < 10: 1 , besonders bevorzugt > 1 :5 zu < 5:1 und ganz besonders bevorzugt > 1 :3 zu < 3:1. If a mixture of component A) and component B) is used, the equivalent ratio of the isocyanate groups from A) to the isocyanate groups from B) is advantageously between> 1:10 to <10: 1, more preferably> 1: 5 <5: 1, and most preferably> 1: 3 to <3: 1.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe„ein" und„eine" im Zusammenhang mit den Komponenten A), B) und C) nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmter Artikel verwendet. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers ist das Polyurethanpolymer erhältlich aus der Reaktion eines Polyisocyanat-Prepolymers B) mit einer Verbindung mit mindestens zwei NCO-reaktiven Gruppen C). In the context of the present invention, the terms "a" and "an" in connection with the components A), B) and C) are not used as number words but as an indefinite article. In one embodiment of the electromechanical transducer according to the invention, the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with a compound having at least two NCO-reactive groups C).
Bevorzugt in dieser Ausführungsform ist, dass das Polyurethan-Prepolymer B) erhältlich ist aus der Reaktion eines Diisocyanats A) mit einem Polycarbonatpolyol, enthaltend eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen, und/oder einem Polyesterpolyol, basierend auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen mit einer geraden Anzahl an CH2-Gruppen, besonders bevorzugt wird als Diisocyanat A) Hexamethylendiisocyanat eingesetzt. Preferred in this embodiment is that the polyurethane prepolymer B) is obtainable from the reaction of a diisocyanate A) with a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups, and / or a polyesterpolyol, based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups, particularly preferably used as diisocyanate A) hexamethylene diisocyanate.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers ist das Polyurethanpolymer erhältlich aus der Umsetzung eines Polyisocyanat-Prepolymers B) mit C) einem Polycarbonatpolyol, enthaltend eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen, und/oder einem Polyesterpolyol, basierend auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen mit einer geraden Anzahl an CH2-Gruppen und das Polyisocyanat-Prepolymer B) ist erhältlich aus der Reaktion eines mindestens difunktionellen Polyisocyanats mit einem Polycarbonatpolyol, enthaltend eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen, und/oder einem Polyesterpolyol, basierend auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen mit einer geraden Anzahl an CH2-Gruppen, besonders bevorzugt wird als Diisocyanat A) das Monomer und/oder das Trimerisat (Biureth oder Isocyanurat) von Hexamethylendiisocyanat eingesetzt. Hierbei dient das Polycarbonatpolyol und/oder das Polyesterpolyol sowohl zum Aufbau des Prepolymers als auch zu dessen Kettenverlängerung. In a further embodiment of the electromechanical transducer according to the invention, the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with C) a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups and / or a polyester polyol based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups and the polyisocyanate prepolymer B) is obtainable from the reaction of an at least difunctional polyisocyanate with a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups, and / or a polyester polyol based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 groups, particularly preferably the diisocyanate A) used is the monomer and / or trimerizate (biuret or isocyanurate) of hexamethylene diisocyanate. Here, the polycarbonate polyol and / or the polyester polyol serves both for the construction of the prepolymer and for its chain extension.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers beträgt in dem Polyurethanpolymer der Anteil von Polyester- und/oder Polycarbonat-Einheiten > 20 Gewichts- % bis < 90 Gewichts-%. Vorzugsweise liegt dieser Anteil zwischen > 25 Gewichts-% und < 80 Gewichts- % und besonders bevorzugt zwischen > 30 Gewichts-% und < 50 Gewichts-%. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers weist das Polyurethanpolymer ein Elastizitätsmodul bei einer Dehnung von 50%> von > 0,1 MPa bis < 15 MPa auf. Der Modul wird hierbei nach DIN EN 150 672 1-1 bestimmt und kann auch > 0,2 MPa bis < 5 MPa betragen. Weiterhin kann das Polyurethanpolymer eine maximale Spannung von > 0,2 MPa, insbesondere von > 0,4 MPa bis < 50 MPa und eine maximale Dehnung von > 200 %>, insbesondere von > 350 %>, aufweisen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Polymerelement im Gebrauchsdehnungsbereich von > 50 % bis < 200 % eine Spannung von > 0,1 MPa bis < 10 MPa, beispielsweise von > 0, 15 MPa bis < 5 MPa, insbesondere von > 0,2 MPa bis < 3 MPa, aufweisen (Bestimmung nach DIN 53504). Das im erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler enthaltene Polyurethanpolymer weist eine Weitereißfestigkeit von > l,5kN/m, bevorzugt von > 1,6 kN/m auf. Die Weiterreißfestigkeit wurde bestimmt nach ASTM D 624-00 an Folien der Dicke von 30 μιη bis 200 μιη. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers, umfassend die Schritte: In one embodiment of the electromechanical transducer according to the invention in the polyurethane polymer, the proportion of polyester and / or polycarbonate units is> 20% by weight to <90% by weight. This proportion is preferably between> 25% by weight and <80% by weight and more preferably between> 30% by weight and <50% by weight. In a further embodiment of the electromechanical transducer according to the invention, the polyurethane polymer has a modulus of elasticity at an elongation of 50%>from> 0.1 MPa to <15 MPa. The module is determined according to DIN EN 150 672 1-1 and can also be> 0.2 MPa to <5 MPa. Furthermore, the polyurethane polymer may have a maximum stress of> 0.2 MPa, in particular of> 0.4 MPa to <50 MPa and a maximum elongation of>200%>, in particular of>350%>. In addition, the polymer element according to the invention in the use stretch range of> 50% to <200%, a tension of> 0.1 MPa to <10 MPa, for example from> 0, 15 MPa to <5 MPa, in particular of 0.2 MPa to <3 MPa, have (determination according to DIN 53504). The polyurethane polymer contained in the electromechanical transducer according to the invention has a tensile strength of> 1, 5kN / m, preferably of> 1.6 kN / m. The tear strength was determined according to ASTM D 624-00 on films of thickness from 30 μιη to 200 μιη. A further subject of the present invention is a method for producing an electromechanical transducer, comprising the steps:
1 ) Bereitstellen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; 1) providing a first electrode and a second electrode;
2) Bereitstellen eines dielektrischen Elastomers, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, und das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von 2) providing a dielectric elastomer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, w o b e i di e P o lyc arb o n at-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1 ,3 : 1,0, bevorzugt 0,9 : 1,0 bis 1,2 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarboxylate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols which are based on an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, wherein for the preparation of the polyurethane polymer, no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to to isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0, preferably 0.9: 1.0 to 1.2: 1.0.
3) Anordnen des dielektrischen Elastomers zwischen die erste Elektrode und die zweite Elektrode. Details zu dem Polyurethanpolymer einschließlich der Ausführungsformen wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen wird bezüglich des Verfahrens auf dieses Bezug genommen. 3) placing the dielectric elastomer between the first electrode and the second electrode. Details of the polyurethane polymer including the embodiments have already been described in connection with the device according to the invention. To avoid unnecessary repetition, reference is made to the process with respect to this.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Bereitstellen des dielektrischen Elastomers bevorzugt durch Auftragen der zu dem Polyurethanpolymer führenden Reaktionsmischung auf die erste und/oder zweite Elektrode. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist insbesondere, dass das aushärtende Elastomer eine gute Haftung zu den Elektroden aufbauen kann. In the process according to the invention, the provision of the dielectric elastomer is preferably carried out by applying the reaction mixture leading to the polyurethane polymer to the first and / or second electrode. The advantage of this procedure is in particular that the curing elastomer can build a good adhesion to the electrodes.
Das Auftragen der Reaktionsmischung kann beispielsweise durch Rakeln, Streichen, Gießen, Schleudern, Sprühen oder Extrusion erfolgen. Vorzugsweise wird nach Auftragen der Reaktionsmischung getrocknet und/oder getempert. Das Trocknen/Tempern kann dabei in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 200 °C, beispielsweise für 0,1 min bis 48 h, insbesondere für 6 h bis 18 h erfolgen; besonders bevorzugt ist eine Trocknung/Temperung für die Dauer von 15 min bis 30 min im Temperaturbereich von 60 °C bis 120 °C. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines dielektrischen Elastomers als Aktor, Sensor und/oder Generator in einem elektromechanischen Wandler, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, und das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von The application of the reaction mixture can be carried out, for example, by knife coating, brushing, pouring, spinning, spraying or extrusion. Preferably, drying and / or tempering is carried out after application of the reaction mixture. The drying / tempering can take place in a temperature range from 0 ° C to 200 ° C, for example for 0.1 min to 48 h, in particular for 6 h to 18 h; drying / heat treatment for a period of 15 minutes to 30 minutes in the temperature range from 60 ° C. to 120 ° C. is particularly preferred. The present invention further relates to the use of a dielectric elastomer as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, wobei die Polycarbonat-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0, bevorzugt 0,9 : 1,0 bis 1,2 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number based on CH 2 groups between the hydroxyl groups based, wherein for the preparation of the polyurethane polymer no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to isocyanate-reactive groups in C) are from 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0, preferably 0.9: 1.0 to 1.2: 1.0.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines dielektrischen Elastomers als Aktor, Sensor und/oder Generator in einem elektromechanischen Wandler, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, und das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von The present invention further relates to the use of a dielectric elastomer as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, wobei die Polycarbonat-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0, bevorzugt 0,9 : 1,0 bis 1,2 : 1,0 betragen. Details zu dem Polyurethanpolymer einschließlich der Ausführungsformen wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen wird bezüglich dessen Verwendung hierauf Bezug genommen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number are based on CH 2 groups between the hydroxyl groups, wherein for the preparation of the polyurethane polymer no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to isocyanate-reactive groups in C ) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0, preferably 0.9: 1.0 to 1.2 : 1.0. Details of the polyurethane polymer including the embodiments have already been described in connection with the device according to the invention. To avoid unnecessary repetition, reference is made to the use thereof.
Verwendungen finden sich in einer Vielzahl von verschiedensten Anwendungen im elektromechanischen und elektroakustischen Bereich, insb e s ondere im B ereich 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. Typische Beispiele hierfür sind Drucksensoren, elektroakustische Wandler, Mikrophone, Lautsprecher, Schwingungswandler, Lichtdeflektoren, Membrane, Modulatoren für Glasfaseroptik, pyroelektrische Detektoren, Kondensatoren und Kontrollsysteme und "intelligente" Fußböden sowie Systeme zur Umwandlung von Wasserwellenenergie, insbesondere Meereswellenenergie, in elektrische Energie. Uses can be found in a variety of different applications in the electro-mechanical and electro-acoustic field, in particular in the field of energy production 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, Modulators for optical fiber optics, pyroelectric detectors, capacitors and control systems; and 'intelligent' floors, and systems for converting water wave energy, in particular sea-wave energy, into electrical energy.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung, umfassend einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler. Another object of the invention is an electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to the invention.
Beispiele Examples
Sofern nicht abweichend gekennzeichnet, beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht und alle analytischen Messungen beziehen sich auf Temperaturen von 23 °C. NCO-Gehalte wurden, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt, volumetrisch gemäß DIN-EN ISO 11909 bestimmt. Die angegebenen Viskositäten wurden mittels Rotationsviskosimetrie nach DIN 53019 bei 23 °C mit einem Rotationsviskosimeter der Firma Anton Paar Germany GmbH bestimmt. Unless otherwise indicated, all percentages are by weight and all analytical measurements are for temperatures of 23 ° C. NCO contents were determined volumetrically in accordance with DIN-EN ISO 11909, unless expressly stated otherwise. The indicated viscosities were determined by means of rotational viscometry according to DIN 53019 at 23 ° C. using a rotational viscometer from Anton Paar Germany GmbH.
Die Zugversuche wurden mittels einer Zugmaschine der Firma Zwick, Modell Nummer 1455, ausgestattet mit einer Kraftmessdose des Gesamtmessbereiches 1 kN nach DIN 53 504 mit einer Zuggeschwindigkeit von 50 mm/min ausgeführt. Als Probekörper wurden S2-Zugstäbe eingesetzt. Jede Messung wurde an drei gleichartig präparierten Probekörpern ausgeführt und der Mittelwert der erhaltenen Daten zur Bewertung verwendet. Es wurde die Bruchdehnung in [%] und der E-Modul in [MPa] bei 50 % Dehnung bestimmt. The tensile tests were carried out by means of a tractor from Zwick, model number 1455, equipped with a load cell of the total measuring range 1 kN according to DIN 53 504 with a pulling speed of 50 mm / min. S2 specimens were used as specimens. Each measurement was carried out on three identically prepared test specimens and the mean of the data obtained was used for the evaluation. The elongation at break in [%] and the modulus of elasticity in [MPa] at 50% elongation were determined.
Die Spannungsrelaxation (Creep) der Elastomerfilme wurde an Rechteckstäben der Dimensionen 15 mm x 100 mm nach DIN 53 441 bei 10% Dehnung nach einer Zeit von 30 min bestimmt. Die Weiterreißenergie wurde gemäß ASTM D 624-00 mit einer Dehngeschwindigkeit von 100 mm/min an Rechteckstäben der Dimensionen 15 mm x 100 mm bestimmt. The stress relaxation (creep) of the elastomer films was determined on rectangular bars of dimensions 15 mm × 100 mm according to DIN 53 441 at 10% elongation after a time of 30 minutes. The propagation energy was determined according to ASTM D 624-00 at a strain rate of 100 mm / min on rectangular bars of dimensions 15 mm × 100 mm.
Die Bestimmung des elektrischen Widerstandes geschah mittels eines Laboraufbaus der Firma Keithley Instruments, Modell Nr.: 6517 A und 8009, gemäß ASTM D 257 (einer Methode zur Bestimmung des Isolationswiderstandes von Werkstoffen). Verwendete Substanzen und Abkürzungen: The electrical resistance was determined by means of a Keithley Instruments Model No. 6517 A and 8009 laboratory setup in accordance with ASTM D 257 (a method for determining the insulation resistance of materials). Substances used and abbreviations:
Desmodur® N 100: trifunktionelles Biuret auf Basis von Hexamethylendiisocyanat (HDI- Biuret), NCO-Gehalt 21,95 ± 0,3 % (nach DIN EN ISO 1 1 909), Viskosität bei 23 °C 9630 ± 750 mPa-s, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE. Desmodur® 44M 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat, Bayer MaterialScience AG, Desmodur® N 100: trifunctional biuret based on hexamethylene diisocyanate (HDI biuret), NCO content 21.95 ± 0.3% (according to DIN EN ISO 1 909), viscosity at 23 ° C. 9630 ± 750 mPa · s, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE. Desmodur® 44M 4,4'-methylene diphenyl diisocyanate, Bayer MaterialScience AG,
Leverkusen, DE.  Leverkusen, DE.
Desmodur® XP 2599 Aliphatisches, Ethergruppen enthaltendes Prepolymer auf Basis von Desmodur® XP 2599 Aliphatic, ether group-containing prepolymer based on
HDI, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE PolyTHF® 2000 difunktioneller Polytetraethylenglykol-Polyether mit Mn = 2000 g/mol,HDI, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE PolyTHF® 2000 difunctional polytetraethylene glycol polyether with M n = 2000 g / mol,
BASF SE, Ludwigshafen, DE BASF SE, Ludwigshafen, DE
Acclaim® 4220 difunktioneller Polypropylenoxid-polyethylenoxid-Polyether mit Mn = Acclaim® 4220 difunctional polypropylene oxide-polyethylene oxide polyether with M n =
4000 g/mol und einem Anteil an Ethylenoxid-Einheiten von 20 Gewichts- %, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE  4000 g / mol and a proportion of ethylene oxide units of 20% by weight, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
Acclaim® 6300 trifunktioneller Polypropylenoxid-Polyether mit Mn = 6000 g/mol, Bayer Acclaim® 6300 trifunctional polypropylene oxide polyether with M n = 6000 g / mol, Bayer
MaterialScience AG, Leverkusen, DE  Material Science AG, Leverkusen, DE
Desmophen® C 1200 Linearer, aliphatischer Polycarbonat-Polyester, Bayer MaterialScience Desmophen® C 1200 Linear, aliphatic polycarbonate polyester, Bayer MaterialScience
AG, Leverkusen, DE. Desmophen® C 2200 Lineares aliphatisches Po lycarb onatdio l mit endständigen  AG, Leverkusen, DE. Desmophen® C 2200 Terminal linear aliphatic polycarboxylate ion
Hydroxylgruppen und einem Molekulargewicht von ca. 2000 g/mol, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE  Hydroxyl groups and a molecular weight of about 2000 g / mol, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE
DBTDL Dibutyl-zinn-dilaurat, E. Merck KGaA , Darmstadt, DE. DBTDL dibutyltin dilaurate, E. Merck KGaA, Darmstadt, DE.
Desmorapid® SO Zinn(II)-2-ethylhexanoat, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE Irganox® 1076 Octadecyl-3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxyphenyl)-propionat, Ciba Desmorapid® SO Tin (II) 2-ethylhexanoate, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE Irganox® 1076 Octadecyl 3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, Ciba
Specialty Chemicals Inc., Basel, CH  Specialty Chemicals Inc., Basel, CH
Die weiteren Chemikalien wurden vom Chemikalienfachhandel bezogen (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, DE). The other chemicals were purchased from the chemicals trade (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, DE).
Beispiel 1 : Herstellung eines di-isocyanatfunktionellen Polyisocyanat-Prepolymers Example 1: Preparation of a di-isocyanate-functional polyisocyanate prepolymer
592 g Hexamethylen-l,6-diisocyanat (HDI) und 1,3 g Isophthaloylchlorid wurden in einem 4 Liter Vierhalskolben unter Rühren vorgelegt. Innerhalb von 2 Stunden fügte man bei 80 °C 470 g Desmophen® C 2201 portionsweise hinzu und rührte 1 Stunde bei gleicher Temperatur nach. Anschließend wurde durch Dünnschichtdestillation bei 130 °C und 0,1 Torr das überschüssige HDI abdestilliert. Das erhaltene NCO-Prepolymer hatte einen NCO-Gehalt von 3,4 %, es verfestigte sich beim Abkühlen auf Raumtemperatur. Beispiel 2: Herstellung eines di-isocyanatfunktionellen Polyisocyanat-Prepolymers 592 g of hexamethylene-l, 6-diisocyanate (HDI) and 1.3 g of isophthaloyl chloride were placed in a 4 liter four-necked flask with stirring. Within 2 hours 470 g of Desmophen® C 2201 were added in portions at 80 ° C., followed by stirring at the same temperature for 1 hour. Subsequently, the excess HDI was distilled off by thin-layer distillation at 130 ° C and 0.1 Torr. The NCO prepolymer obtained had an NCO content of 3.4%, it solidified on cooling to room temperature. Example 2: Preparation of a di-isocyanate-functional polyisocyanate prepolymer
Zur Herstellung des Prepolymers wurden 7,15 kg Desmodur 44M® in einem Rührwerksbehälter bei einer Temperatur von 50 °C vorgelegt und 45,85 kg des auf Raumtemperatur temperierten Polyethers Acclaim 6300® innerhalb von 15 Minuten zugegeben (wahlweise könnte aber auch der Polyether bei 50 °C vorgelegt und danach das ebenfalls auf 50 °C erwärmte Isocyanat zugegeben werden). To prepare the prepolymer 7.15 kg of Desmodur 44M® were placed in a stirred tank at a temperature of 50 ° C and added 45.85 kg of temperature-controlled polyether Acclaim 6300® within 15 minutes (alternatively, but could also be the polyether at 50 C., and then the isocyanate, likewise heated to 50.degree. C., is added).
Danach wurde zur Reaktion auf 100 °C aufgeheizt und weitere 7 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen erhielt man ein Produkt mit einem NCO-Gehalt von 2,70 ± 0,lGewichts-% und einer Viskosität bei 70°C von ca. 4200 ± 600 mPas. Beispiel 3 (Vergleich): Herstellung eines nicht erfindungsgemäß zu verwendenden Polymers Thereafter, the reaction mixture was heated to 100 ° C and held at this temperature for a further 7 hours. After cooling, a product having an NCO content of 2.70 ± 0, lGewichts-% and a viscosity at 70 ° C of about 4200 ± 600 mPas. Example 3 (comparative): Preparation of a polymer not to be used according to the invention
Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. 55,2 g eines Prepolymeren aus Beispiel 2 und 33,33 g PolyTHF® 2000 wurden mit einer Menge von 0,00083 g DBTDL in einem Polypropylen-Becher im Speedmixer bei 3000 Umdrehungen pro Minute für die Dauer von 1 Minute vermischt. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch wurden auf Glasplatten von Hand Filme einer Nassschichtdicke von 1 mm geräkelt. Alle Filme wurden nach der Herstellung bei 80 °C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 120 °C nachgetempert. Die Filme konnten nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden. The raw materials used were not degassed separately. 55.2 g of a prepolymer from Example 2 and 33.33 g of PolyTHF® 2000 were mixed with an amount of 0.00083 g of DBTDL in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 revolutions per minute for 1 minute. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
Beispiel 4 (Vergleich): Herstellung eines nicht erfindungsgemäß zu verwendenden Polymers Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. 50,0 g Acclaim® 4220 und 0,05 g Irganox® 1076 wurden in einem Polypropylen-Becher eingewogen und im Speedmixer bei 3000 Umdrehungen pro Minute für 1 Minute mit einer Menge von 0,4 g DBTDL und 5,75 g Desmodur® N 100 vermischt. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch wurden auf Glasplatten von Hand Filme einer Nassschichtdicke von 1 mm geräkelt. Alle Filme wurden nach der Herstellung bei 80 °C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 120 °C nachgetempert. Die Filme konnten nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden. Example 4 (comparison): Preparation of a polymer not to be used according to the invention The raw materials used were not degassed separately. 50.0 g of Acclaim® 4220 and 0.05 g of Irganox® 1076 were weighed into a polypropylene beaker and mixed in the Speedmixer at 3000 rpm for 1 minute with 0.4 g DBTDL and 5.75 g Desmodur® N 100 mixed. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
Beispiel 5 (Vergleich): Herstellung eines nicht erfindungsgemäß zu verwendenden Polymers Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. 29, ll g Desmodur® XP 2599 und 50,0 g Desmophen® C 2200 wurden mit einer Menge von 0,045 g Desmorapid® SO und 0,05 g Irganox® 1076 in einem Polypropylen-Becher im Speedmixer bei 3000 Umdrehungen pro Minute für die Dauer von 1 Minute vermischt. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch wurden auf Glasplatten von Hand Filme einer Nassschichtdicke von 1 mm geräkelt. Alle Filme wurden nach der Herstellung bei 80 °C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 120 °C nachgetempert. Die Filme konnten nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden. Example 5 (comparative): Preparation of a polymer not to be used according to the invention The raw materials used were not degassed separately. 29, ll g of Desmodur® XP 2599 and 50.0 g of Desmophen® C 2200 were loaded with 0.045 g of Desmorapid® SO and 0.05 g of Irganox® 1076 in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 revolutions per minute for the duration mixed for 1 minute. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
Beispiel 6 (V ergleich) : Herstellung eines nicht erfindungsgemäß zu verwendenden Polymers Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. 50,0 g Desmophen® C 1200 wurden mit 0,05 g Irganox® 1076, 9,188 g Desmodur® N100 und einer Menge von 0,013 g DBTDL in einem Polypropylen-Becher im Speedmixer bei 3000 Umdrehungen pro Minute für die Dauer von 1 Minute vermischt. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch wurden auf Glasplatten von Hand Filme einer Nassschichtdicke von 1 mm geräkelt. Alle Filme wurden nach der Herstellung bei 80 °C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 120 °C nachgetempert. Die Filme konnten nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden. Example 6 (Comparative): Preparation of a Polymer Not According to the Invention The raw materials used were not degassed separately. 50.0 g Desmophen® C 1200 was mixed with 0.05 g Irganox® 1076, 9.188 g Desmodur® N100 and 0.013 g DBTDL in a polypropylene beaker in the Speedmixer at 3000 rpm for 1 minute. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were dried after production at 80 ° C in a drying oven overnight and then post-annealed at 120 ° C for 5 min. The films could be easily released from the glass plate after tempering by hand.
Beispiel 7: Herstellung eines erfindungsgemäß zu verwendenden Polymers Example 7: Preparation of a polymer to be used according to the invention
Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. 309,5 g des Prepolymeren aus Beispiel 1 wurde auf 60°C vorgewärmt, mit 10,0 g TMP, 0,2 g DBTDL und 0,01 g Irganox® 1076 in einem Polypropylen-Becher eingewogen und im Speedmixer bei 3000 Umdrehungen pro Minute für die Dauer von 1 Minute vermischt The raw materials used were not degassed separately. 309.5 g of the prepolymer from Example 1 was preheated to 60 ° C, with 10.0 g of TMP, 0.2 g of DBTDL and 0.01 g Irganox ® was weighed into a polypropylene beaker 1076 and in the Speedmixer at 3000 revolutions per minute mixed for a period of 1 minute
Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch wurden auf Glasplatten von Hand Filme einer Nassschichtdicke von 1 mm geräkelt. Alle Filme wurden nach der Herstellung bei 100 °C im Trockenschrank für die Dauer von 1 h gehärtet. Die Filme konnten nach dem Härten von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden. From the still liquid reaction mixture, films of a wet layer thickness of 1 mm were laced by hand on glass plates. All films were cured after production at 100 ° C in the oven for a period of 1 h. The films could be easily released from the glass plate after curing by hand.
An den Proben wurden die Bruchdehnung und der Elastizitätsmodul in Zug (DIN EN 150 672 1- 1), die Spannungsrelaxation in Zug (Creep; DIN 53 441), die bleibende Dehnung in Zug (ASTM D 412), die Weiterreißfestigkeit (ASTM D 624-00) und der elektrische Widerstand (ASTM D 257) bestimmt. Die Ergebnisse für die nicht erfindungsgemäßen Beispiele und die Beispiele für erfindungsgemäße Polymerelemente sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt. Zahlenwerte der Volumenwiderstände sind in Exponentialschreibweise angegeben. So bedeutet der Zahlenwert zum Beispiel 3 einen Volumen- Widerstand von 1,88 · 1012 Ohm cm. Elongation at break and modulus of elasticity in tension (DIN EN 150 672 1-1), tension relaxation in tension (Creep; DIN 53 441), tensile elongation at break (ASTM D 412), tear strength (ASTM D 624 -00) and the electrical resistance (ASTM D 257) determined. The results for the examples not according to the invention and the examples of polymer elements according to the invention are shown in Table 1 below. Numerical values the volume resistances are given in exponential notation. For example, the numerical value 3 means a volume resistance of 1.88 × 10 12 ohm cm.
BruchE-Modul Bleibende Weiterrei߬Breaking modulus Continuing tear propagation
Beispiel dehnung 50% Creep Dehnung 100% festigkeit Widestand Example Stretching 50% Creep Stretching 100% Strength Widestand
[%] [Mpa] [%] [%] [kN/m] [Ohm cm] [%] [Mpa] [%] [%] [kN / m] [Ohm cm]
3 (Vgl.) 220 1,032 5,01 0,92 0,995 1.88E+123 (Cf.) 220 1.032 5.01 0.92 0.995 1.88E + 12
4 (Vgl.) 133 0,825 2,90 0,65 0,265 9,61E+104 (Cf.) 133 0.825 2.90 0.65 0.265 9.61E + 10
5 (Vgl.) 274 0,874 18,35 16,26 1,421 1.20E+135 (Cf.) 274 0.874 18.35 16.26 1.421 1.20E + 13
6 (Vgl.) 125 1,723 2,35 0,76 0,829 2,42E+13 6 (See) 125 1.723 2.35 0.76 0.829 2.42E + 13
7 274 1,785 3,34 1,56 1,746 3,43E+13 7,274 1,785 3.34 1.56 1.746 3.43E + 13
Tabelle 1: Eigenschaften der in den Beispielen 3 bis 6 (Vgl. = Vergleich) und 7 (erfindungsgemäß) hergestellten Filme Es zeigte sich bei den Versuchen, dass das erfindungsgemäße Polymer als Film deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist. TABLE 1 Properties of the Films Produced in Examples 3 to 6 (Comp. = Comparison) and 7 (Inventive) It was found in the experiments that the polymer according to the invention has a clear advantage over the prior art as a film.
Besonders vorteilhaft bei Einsatz des erfindungsgemäßen Films ist die Kombination aus hoher Bruchdehnung, niedrigem Creep, hohem elektrischen Widerstand und hoher Weiterreißfestigkeit. Mit diesem erfindungsgemäßen Polymer können vorteilhaft besonders langlebige elektromechanischen Wandler hergestellt werden. Particularly advantageous when using the film according to the invention is the combination of high elongation at break, low creep, high electrical resistance and high tear propagation resistance. Particularly advantageous electromechanical transducers can be produced with this polymer according to the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromechanischer Wandler, umfassend ein durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode kontaktiertes dielektrisches Elastomer, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von An electromechanical transducer comprising a dielectric elastomer contacted by a first electrode and a second electrode, the dielectric elastomer comprising a polyurethane polymer, characterized in that the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, wobei die Polycarbonat-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CEh-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarbonate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CEh groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number CH 2 groups between the hydroxyl groups are based, wherein for the preparation of the polyurethane polymer no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to isocyanate-reactive groups in C) from 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0.
2. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 1, wobei das Polyurethanpolymer erhältlich aus der Reaktion eines Polyisocyanat-Prepolymers B) mit einer Verbindung mit mindestens zwei NCO-reaktiven Gruppen C). 2. Electromechanical transducer according to claim 1, wherein the polyurethane polymer obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with a compound having at least two NCO-reactive groups C).
3. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 2, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer3. Electromechanical transducer according to claim 2, wherein the polyisocyanate prepolymer
B) erhältlich ist aus der Reaktion eines Diisocyanats A) mit einem Polycarbonatpolyol, enthaltend eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen, und/oder einem Polyesterpolyol, basierend auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen mit einer geraden Anzahl an CH2-Gruppen. B) is obtainable from the reaction of a diisocyanate A) with a polycarbonate polyol containing an even number of CH 2 groups, and / or a polyester polyol based on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols having an even number of CH 2 - Groups.
4. Elektromechanischer Wandler gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyisocyanat Prepolymer B) auf Hexamethylendiisocyanat basiert und Komponente4. Electromechanical transducer according to claim 2 or 3, characterized in that the polyisocyanate prepolymer B) based on hexamethylene diisocyanate and component
C) Trimethylolpropan ist. Elektromechanischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Polyurethanpolymer ein Elastizitätsmodul bei einer Dehnung von 50 % von > 0,1 MPa bis < 15 MPa und eine Weiterreißfestigkeit von größer 1,5 kN/m aufweist. C) is trimethylolpropane. Electromechanical transducer according to one of claims 1 to 4, wherein the polyurethane polymer has a modulus of elasticity at an elongation of 50% of> 0.1 MPa to <15 MPa and a tear strength of greater than 1.5 kN / m.
Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers, umfassend die Schritte: A method of making an electromechanical transducer comprising the steps of:
1 ) Bereitstellen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; 1) providing a first electrode and a second electrode;
2) Bereitstellen eines dielektrischen Elastomers, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, und das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von 2) providing a dielectric elastomer, wherein the dielectric elastomer comprises a polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, w o b e i di e P o lyc arb o n at-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units, wherein the polycarboxylate units contain hydroxyl-containing polycarbonate polyols having an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols which are based on an even number of CH 2 groups between the hydroxyl groups, wherein for the preparation of the polyurethane polymer, no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to towards isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0.
Verwendung eines dielektrischen Elastomers als Aktuator, Sensor und/oder Generator in einem elektromechanischen Wandler, wobei das dielektrische Elastomer ein Polyurethanpolymer umfasst, und das Polyurethanpolymer erhältlich ist aus der Reaktion von Use of a dielectric elastomer as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer, wherein the dielectric elastomer a Polyurethane polymer, and the polyurethane polymer is obtainable from the reaction of
A) einem Polyisocyanat und/oder B) einem Polyisocyanat-Prepolymer mit C) einer Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen, wobei das Polyisocyanat-Prepolymer B) und/oder die Verbindung mit mindestens zwei isocyanatreaktiven Gruppen C) Polycarbonat- und/oder Polyester-Einheiten umfassen, w o b e i d i e P o l y c arb o n at-Einheiten Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonatpolyole, die eine gerade Anzahl an CEh-Gruppen zwischen den Hydroxylgruppen aufweisen, enthalten und/oder die Polyester-Einheiten auf der Umsetzung von Adipinsäure und/oder Adipinsäureanhydrid mit Diolen, die eine gerade Anzahl an CH2-Gruppen zwischen den Hydroxygruppen aufweisen basieren, wobei zur Herstellung des Polyurethanpolymers keine weiteren gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen neben der Komponente C) eingesetzt werden, und wobei die molaren Verhältnisse von Isocyanatgruppen in A) und/oder B zu gegenüber isocyanatreaktiven Gruppen in C) von 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0 betragen. A) a polyisocyanate and / or B) a polyisocyanate prepolymer with C) a compound having at least two isocyanate-reactive groups, wherein the polyisocyanate prepolymer B) and / or the compound having at least two isocyanate-reactive groups C) polycarbonate and / or polyester Units comprising polycarbonate units containing hydroxyl group-containing polycarbonate polyols having an even number of CEh groups between the hydroxyl groups, and / or the polyester units on the reaction of adipic acid and / or adipic anhydride with diols containing a are just number of CH 2 groups between the hydroxyl groups based, wherein for the preparation of the polyurethane polymer no further isocyanate-reactive compounds in addition to the component C) are used, and wherein the molar ratios of isocyanate groups in A) and / or B to isocyanate-reactive groups in C) of 0.8: 1.0 to 1.3: 1.0.
Verwendung gemäß Anspruch 7, wobei das Polyurethanpolymer erhältlich aus der Reaktion eines Polyisocyanat-Prepolymers B) mit einer Verbindung mit mindestens zwei NCO-reaktiven Gruppen C). Use according to claim 7, wherein the polyurethane polymer obtainable from the reaction of a polyisocyanate prepolymer B) with a compound having at least two NCO-reactive groups C).
Verwendung eines dielektrischen Elastomers gemäß Anspruch 7 oder 8 als Aktuator, Sensor und/oder Generator in einem elektromechanischen Wandler, der eine Weiterreißfestigkeit von größer 1,5 kN/m aufweist. Use of a dielectric elastomer according to claim 7 or 8 as an actuator, sensor and / or generator in an electromechanical transducer having a tear strength of greater than 1.5 kN / m.
10. Elektrische und/oder elektronische Vorrichtung, umfassend einen elektromechanischen Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5. 10. Electrical and / or electronic device comprising an electromechanical transducer according to one of claims 1 to 5.
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