WO2021043588A1 - Elastic dielectric with microscale pores, use and manufacturing method - Google Patents

Elastic dielectric with microscale pores, use and manufacturing method Download PDF

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WO2021043588A1
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    • C08J2427/00Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
    • C08J2427/02Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08J2427/12Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08J2427/18Homopolymers or copolymers of tetrafluoroethylene

Definitions

  • the invention relates to an elastic dielectric.
  • the invention relates to using the elastic dielectric.
  • the invention also relates to a dielectric device, in particular a dielectric actuator and / or a dielectric sensor.
  • the invention also relates to a method for producing the elastic dielectric.
  • the invention also relates to using an electrical insulator.
  • the invention can thus relate to the technical field of elastic dielectrics. Furthermore, the invention can relate to dielectric devices. In particular, the invention can relate to the technical field of dielectric (elastomer) actuators and / or dielectric (elastomer) sensors. More particularly, the invention can relate to the technical field of the use of special insulators with respect to dielectric devices.
  • a dielectric device such as a dielectric (elastomer) actuator (DEA), a dielectric (elastomer) sensor (DES) or a mixed form (DEAS) is basically constructed like a flexible electrostatic capacitor.
  • a (with regard to electromechanical aspects essentially) passive elastomer layer (or a polymer layer) is clamped between two electrode plates. When an electrical voltage U is applied (i.e. in the operating mode), the opposing electrode plates attract each other due to the electrostatic pressure (p e / ). The incompressible elastomer layer is then compressed in the vertical direction and expands in the lateral direction (surface expansion). The electrostatic pressure that causes the deformation is determined by the dielectric constant, the relative permittivity, and the thickness of the material as well as the voltage applied.
  • a dielectric actuator achieves an elongation of up to 20% at a field strength of 30 V / pm.
  • Usual unidirectional expansions of dielectric actuators are e.g. in the range 10 to 35%, maximum values up to 300%.
  • the elastomer layer Since the elastomer layer is almost incompressible, the volume remains in principle constant during the deformation. When the voltage is reduced, the excess charges flow away via the voltage source, so that the elastomer layer returns to its original shape and can exert forces due to the stored elastic energy.
  • This principle can be used both as an actuator and as a sensor and offers a number of promising technical application possibilities.
  • Particular advantages of these dielectric devices can be that they can be light, flexible and noiseless and also cause low material costs.
  • these advantageous possible applications are currently opposed to unresolved issues relating to production and reliability.
  • the elastic dielectric material In the event of a mechanical deformation of a dielectric device, the elastic dielectric material is displaced to the side due to a lack of compressible properties, which can negatively affect both the mechanical properties and the linearity.
  • dielectric strength can be understood to mean in particular that electrical field strength of a dielectric which may at most be present in the material (e.g. elastic polymer) without a voltage breakdown (e.g.
  • breakdown field strength kV / mm or kV / pm
  • maximum voltage or breakdown voltage in volts
  • partial discharges can denote any form of plasma or breakdown effects, Elms fires or breakthroughs due to electrical potential differences. These can result in the immediate or slow destruction of the electrical and / or mechanical properties of a dielectric.
  • an elastic dielectric which has an elastic polymer and a plurality of pores (in particular within the elastic polymer).
  • the majority of Pore has a mean (or average) pore diameter of 50 mhh or less (in particular 20 ⁇ m or less).
  • the plurality of pores has a total pore volume which makes up 60% or less (in particular 40% or less) of the total volume of the elastic dielectric (in particular the total volume of the elastic polymer).
  • a use of the above-mentioned elastic dielectric is described in at least one of the group consisting of: a dielectric device (in particular a dielectric sensor and / or a dielectric actuator), a cable, a capacitor, a Vibration damper, an electromechanical system.
  • a dielectric device in particular a dielectric actuator and / or a dielectric sensor
  • the dielectric device has: i) a plurality of electrodes, each of which has: a functional region which is formed along two main directions of extent (x, y) and spans a first plane, and ii) a plurality of elastic dielectrics, each dielectric is formed along the two main directions of extent (x, y) and spans a second plane.
  • the electrodes and the elastic dielectrics are arranged alternately.
  • At least one dielectric of the plurality of elastic dielectrics is an elastic dielectric (in particular with a pore configuration) as described above.
  • a method for producing an elastic dielectric (in particular for a dielectric device, further in particular a dielectric actuator and / or sensor) is described.
  • the method comprises: i) providing a (in particular elastic) polymer as the base material, and ii) forming a plurality of pores in the base material such that the plurality of pores has an average pore diameter of 50 ⁇ m or less, and the total pore volume of the plurality of pores is 60% or less of the total volume of the elastic dielectric.
  • an electrical insulator for example a dielectric
  • an elastic polymer which has a plurality of gas bubbles (or gas (in particular air) -filled pores) mean pore diameter is 20 ⁇ m or less and the total pore volume of which makes up 40% or less of the total volume of the electrical insulator, as a dielectric in a dielectric actuator and / or a dielectric sensor.
  • dielectric (elastomer) actuator can be understood to mean, in particular, an actuator which consists of two electrodes and an intermediate spring-based or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material Understand the interplay of the spring forces between the electrodes (plates) on the one hand and the Coulomb attraction between the electrodes on the other.
  • dielectric (elastomer) sensor can be understood to mean, in particular, a sensor which consists of two electrodes and an intermediate spring-based or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material capacity determined by the electrode spacing, or by the change in capacitance resulting from changes in the distance between the electrodes.
  • dielectric (elastomer) actuator and sensor can be understood to mean, in particular, a combination of the principles of DEA and DES in one system. Features that apply to a DEA can also apply to a DES and vice versa.
  • x and y can correspond to the width (cross-direction (CD) in a reel-to-reel production) and y to the processing direction (machine direction (MD) in a reel-to-reel production).
  • electrode can in particular be understood to mean an electron conductor which is connected to a counter electrode (then referred to as anode and cathode, or as a plus pole and a minus pole) via a (dielectric) medium located between the two electrodes In this way, an electric field can be generated between the electrodes.
  • an electrode can have a “functional (active) area” or else consist entirely of the functional area.
  • the functional area is electrically conductive (in particular comprising a metal) and can thus form the active part of the electrode, which interacts electrically with the counter-electrode.
  • an electrode can have an electrically non-conductive area, e.g.
  • an electrode can have an (electrically conductive) contact area to which contact can be made with the electrode or to which a voltage can be applied.
  • the metal of the electrode (or of the functional area) is at least one from the group consisting of: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd ,
  • Alloy components below 2% by weight can also consist of other metals (e.g. Si, As, etc.). Alloys can include, for example: iron alloy, brass, bronze, stainless steel, aluminum, etc. In order to avoid incompatibilities (e.g. copper on polymer), metal multilayer structures are also possible.
  • dielectric can in particular denote any material (or substance) in which charge carriers are essentially not freely movable an electrically weakly conductive to non-conductive property.
  • a dielectric can, for example, be a polymer, in particular an elastomer.
  • a dielectric cannot be a metal.
  • the dielectric can be an elastic dielectric, for example a dielectric polymer (DE).
  • Dielectric polymers, along with piezoelectric polymers and electrostrictive polymers, are also known as electroactive polymers (EAP).
  • material of an elastic polymer in particular elastomer material
  • uncured form in particular on an electrode
  • cured in particular the term “hardening” can be understood to mean in particular a multitude of different forms of material hardening or an increase in material viscosity.
  • a material can change from a first state to a second state, the material being in the second state is more solid than in the first state.
  • the viscosity of the first state can be significantly lower than the viscosity of the second state.
  • Curing can include, for example, at least one of the following processes: crosslinking, thermal solidification processes, drying reactions, gelation processes.
  • a non-cured, at least partially liquid elastomer material e.g. in a solvent or a suspension medium
  • an electrode or a carrier film
  • the elastomer material can have an essentially more solid form and / or have a higher viscosity than the uncured elastomer material.
  • the cured elastomer material can be used as a dielectric.
  • the curing can be carried out, for example, by means of a crosslinking reaction and / or film formation by drying from solution and / or film formation by drying from a dispersion.
  • a crosslinking reaction preferably by UV radiation
  • electron crosslinking eg by an electron beam source
  • thermally initiated radical crosslinking e.g., thermal sulfur crosslinking
  • thermal sulfur crosslinking e.g., sulfur crosslinking
  • pores can denote in particular any type of cavity within a dielectric (or insulator), in particular the elastic polymer of the dielectric.
  • the term “pores” can mean a (discrete) cavity within the elastic polymer matrix of a dielectric describe.
  • the term “pore” can be synonymous with “bubble”.
  • the pores can be fluid (in particular air) filled or evacuated.
  • the pores have a pore diameter in the micro-scale or nano-scale range
  • the pores are particularly preferably designed as discrete cavities. This can be understood to mean that the majority of the cavities do not coagulate, but that the majority of the pores are spatially separated from one another (by the material of the elastic polymer).
  • the pores are preferably not part
  • foam or foams can in particular denote that open-line gas bubbles are present in a base material, with only thin cell walls made of the base material being present between the gas bubbles. These gas bubbles in foam can thus be described as coagulating and not as discrete.
  • the dielectric described on the other hand, preferably consists of the elastic polymer base material which contains isolated pores that are encapsulated in large volumes by the base material (that is, discrete and non-coagulating). Compared to foams, this can result in completely different electrical and / or mechanical properties.
  • the term "pores” relates in particular to the total pore volume, that is to say to the totality of the pores in the elastic polymer of the dielectric.
  • this total of pores in the elastic polymer has a total pore volume which is 60% ( in particular 40%) or less of the total volume of the elastic dielectric.
  • the pores are designed as discrete cavities. By means of these formulations, foams be excluded.
  • a robust dielectric is preferably described which has isolated (discrete) pores in the form of cavities with a small total pore volume and which does not represent any foam.
  • the term “pores” in this document does not refer to embedded particles, full-cell structures, or undesired gas bubbles.
  • the invention can be based on the idea that an elastic dielectric (in particular for a dielectric device) can be provided, which has a high dielectric strength, is robust against partial discharges, and is particularly long-lived by the elastic polymer of the dielectric with micro (or nano) -scalines (ie average pore diameter 50 ⁇ m or less) pores (in particular air-filled gas bubbles) is provided, which only require part of the dielectric volume (total pore volume 60% (in particular 40%) or less in relation to the Total dielectric volume).
  • the dielectric with the actually incompressible elastic polymer and the described pore configuration thus shows (pseudo) compressible properties with a high dielectric strength at the same time.
  • the micro (nano) -scaline gas bubbles can be distributed in the dielectric in such a way that field distortions are minimized and at the same time a displacement space is created for mechanical stress.
  • the molecular chain movements of the elastic polymer can be reduced in such a way that a particularly long (material) service life is created.
  • the described dielectric can be installed particularly advantageously in a dielectric device (as described above) and thus enable the provision of dielectric devices with a (pseudo) compressible dielectric, which nevertheless does not show any large field distortions, has a high dielectric strength, and so that it counteracts premature signs of aging.
  • the pores are fluid-filled (in particular gas-filled, furthermore in particular air-filled).
  • This has the advantage that the dielectric exhibits particularly efficient (pseudo) compressible properties.
  • the pores can be completely or partially (e.g. residual liquids in addition to the gas) gas-filled.
  • the plurality of pores has an average pore diameter of 20 ⁇ m or less (in particular 10 ⁇ m or less, further in particular 1 ⁇ m or less). This has the advantage that the dielectric strength (in particular with regard to partial discharges) can be improved particularly efficiently.
  • the total pore volume makes up 40% or less (in particular 25% or less, further in particular 12% or less, further in particular 8% or less) of the total volume of the elastic dielectric.
  • the pores can be (essentially) highly closed pores, so that there is no rapid gas exchange with the environment in the case of pulsed compression. For this reason, it can be advisable to choose the pore volume as a proportion of the dielectric in such a way that the pressure increase in the pores during compression fits optimally into a dielectric device. For example, with a total pore volume of 10% and a deflection of the actuator by 5% in the vertical direction, the pressure in the pores can increase double that. This increase in pressure can be sufficient to experience noticeable effects of adiabatic compression, which corresponds to a reduction in efficiency by heating the air in the pores. If dielectric devices remain in the compressed state slowly or for an extended period of time, heat can be given off into the environment (and vice versa).
  • the total pore volume makes up at least 5%, in particular at least 2.5%, further in particular at least 1%, further in particular at least 0.5%, further in particular at least 0.01%, of the total volume of the elastic dielectric.
  • the pores are (essentially) distributed homogeneously in the elastic dielectric.
  • a homogeneous distribution of the pores can also be advantageous for the overall performance of the dielectric or a dielectric device.
  • pore formation mechanisms can be used during production which, by virtue of their operating principle, promote or contain a homogeneous fine distribution of the pores.
  • An example of this can be the action of hyperbaric CO2, which diffuses into a thin (preferably not yet or not yet fully crosslinked) dielectric layer (or polymer base material) and (preferably during crosslinking, so that the pore mobility remains low and none Pore coagulation occurs) then expanded in a controlled manner to form gas bubbles.
  • This described (highly) homogeneous distribution of the pores can allow the dielectric to react to the next pore with minimal volume movements during mechanical loads.
  • This next pore can be provided a suitable compression or expansion space for the total volume changed in height direction by external force in an operating mode. It has been recognized that this high degree of homogenization can ensure that the molecular chains rubbing against one another in an elastic polymer under dynamic loading have a minimal effect Experience the friction path. Since every rubbing of molecular chains against each other increases the risk of chemical changes (e.g. through reorganization of molecular chains), any mechanical deformation load can fundamentally affect the service life. In particular, loads at the upper limit of elastic extensibility and high numbers of strokes reduce the service life.
  • the mean distance (r) between at least 50% (in particular at least 90%, further in particular 97%) of the pores of the plurality of pores is greater than half the mean diameter (d) of the plurality of pores.
  • the mean distance (r) between at least 50% (in particular at least 90%, further in particular 97%) of the pores of the plurality of pores is greater than the mean diameter (d) of the plurality of pores.
  • the pores are distributed in the elastic dielectric in such a way that 10% or less (in particular 1% or less, further in particular 0.1% or less) of the pores coagulate.
  • the dielectric strength or dielectric strength can mainly depend on the homogeneous distribution of the pores. If the pore generation is not caused by nuclei (e.g. hyperbaric CO2, which principle penetrates an as yet non-crosslinked elastomer in a uniformly distributed manner and thus implicitly enters into a natural uniform distribution), methods and mechanisms are available to achieve a to achieve such uniform distribution before pore formation (e.g. by ultrasound or microwave) and then to maintain this uniform distribution until crosslinking.
  • nuclei e.g. hyperbaric CO2
  • methods and mechanisms are available to achieve a to achieve such uniform distribution before pore formation (e.g. by ultrasound or microwave) and then to maintain this uniform distribution until crosslinking.
  • the elastic polymer has at least one from the group consisting of: i) a diene polymer (in particular at least one of butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, cyclopentadiene, cyclooctadiene), ii) an elastomer with a 1 , 2 and / or 1,4 linkage in cis and / or trans form, iii) a copolymer with monounsaturated monomers (in particular one of styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid, acrylic acid esters, vinyl ethers, vinyl esters, vinyl halides ), iv) a thermoplastic elastomer (in particular a crosslinked thermoplastic elastomer), v) a polyaddition elastomer (in particular polyurethane or a silicone elastomer), vi
  • the elastomer comprises natural rubber (NR) or a derivative thereof.
  • the elastomer has nitrile butadiene rubber (NBR) or a derivative thereof.
  • Elastomers which are present as polymers of dienes, such as butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, cyclopentadiene, cyclohexadiene, cyclooctadiene, etc.
  • Elastomers which are present as copolymers with monounsaturated monomers such as: styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid (esters), vinyl ethers, vinyl esters, vinyl halides, etc.
  • Elastomers which have been subjected to subsequent crosslinking using sulfur, peroxide, UV light and photoinitiators and other free-radical-initiated methods.
  • Such polymers are known and can be used as non-crosslinked rubbers (e.g. NR, EPDM, SBR, NBR, HNBR, XNBR, HXNBR, BR, EVA, etc.).
  • TPEs thermoplastic elastomers
  • polyaddition elastomers such as polyurethanes or silicone elastomers based on the Pt addition process (also by means of peroxide crosslinking) are suitable.
  • mixtures (polymer alloys) of the elastomers mentioned above are also included in the context of the invention, as well as elastomer mixtures with high-boiling solvents and "extenders" such as paraffins, waxes, carbonic acid esters, plasticizers, etc., insofar as they meet the general requirements as dielectric elastomers.
  • the elastic dielectric has a dielectric strength of 5 kV / mm or more (in particular of 12 kV / mm or more, further in particular of 16 kV / mm or more).
  • the aforementioned particularly advantageous dielectric strength can be achieved through the selection or configuration of the pores described above.
  • the field inhomogeneity in the dielectric can be reduced and very high dielectric strengths of over 5 kV / mm, in particular over 16 kV / mm, can be achieved.
  • the dielectric strengths can be higher by a factor of approximately three, because the thinner the dielectric, the higher the dielectric strength (and the associated partial discharge problem).
  • the elastic dielectric has a thickness of 100 ⁇ m or less (in particular 70 ⁇ m (50 ⁇ m, 40 ⁇ m, 20 ⁇ m) or less).
  • the elastic dielectric has a dielectric strength of 15 V / pm or more (in particular 36 V / pm or more, further in particular 48 V / pm or more). Due to the configuration of the pores described above, a particularly advantageous dielectric strength can also be achieved for very thin dielectrics (which in turn enable particularly advantageous dielectric devices).
  • the elastic dielectric has: a capacitance-increasing additive (in particular a ferroelectric dielectric additive which crystallizes in the perovskite manner, further in particular a titanate).
  • a capacitance-increasing additive in particular a ferroelectric dielectric additive which crystallizes in the perovskite manner, further in particular a titanate.
  • This has the advantage that the capacity can be increased.
  • the described pore design can counteract hardening of the polymer by the additive.
  • a heterogeneous dielectric can be provided by mixing in capacitance-increasing substances. These can be ferroelectric dielectrics that crystallize in perovskite (CaTi0 3 ) type. These are (mixed) oxides of e.g. Ba, Sr, Pb and titanate (e.g. BaTiOs).
  • the perovskite structure is a well-known type of structure for compounds such as ferroelectrics. These can be very hard and specifically heavy, so that hardening of the dielectric can be determined. Despite the addition of capacity-increasing additives, in one example the effect of hardness (and thus an increase in the modulus of elasticity) can be counteracted by means of the above-described pore design of the elastomer.
  • the elastic dielectric has: a fluoropolymer, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the dielectric is used as an insulator in an electrical cable (or e.g., a vibration damper).
  • a fluoropolymer such as PTFE is preferably added as an additive to the elastic polymer. This can bring about the following additional positive changes in properties: i) improved sliding ability between the dielectric and further layers in a cable, ii) improved resilience in the elastic polymer in the event of mechanical expansion or compression.
  • the elastic dielectric is (essentially) designed as an integral foam.
  • the elastic dielectric has a (essentially) closed outer layer. This has the advantage that the dielectric is protected against partial discharges in the outer area (in particular when used in a dielectric device between two electrodes).
  • integral foam a type of foam that has a closed outer skin (or outer layer) and decreases in density towards the inside can be referred to as integral foam.
  • integral foam preferably relates in this However, document on the characteristic of the outer layer and not on the density variation.
  • the dielectric is designed analogously to an integral foam (with regard to the outer layer).
  • the fact that there are (essentially) no pores on the surface of the dielectric (or of the elastic polymer) can prevent partial discharge effects (in particular Elmsfeuer) from occurring on the electrode of a dielectric device.
  • An exemplary process for this would be "reaction injection molding" (RIM).
  • RIM reaction injection molding
  • the pore-free zone is kept at a lower temperature than the rest of the dielectric. The lower temperature results in significantly weaker pore formation, which is surprising for the mentioned effect of the outer layer can already be enough.
  • the elastic dielectric is formed along two main directions of extent (x, y), which span a plane, and the elastic dielectric is set up in an operating mode to carry out a change in length in a height direction (z) which is perpendicular to the main directions of extent (x, y) is oriented.
  • the elastic dielectric is set up to carry out a change in length of 1% or more (in particular 3% or more, further in particular 5% or more) in an operating mode in at least one spatial direction. Furthermore, the elastic dielectric is set up to carry out a plurality of the changes in length.
  • the described pore configuration (in particular also due to the highly homogeneous distribution of the pores) can be used to improve the electrical properties as well as an improvement in the mechanical properties: the already described close proximity to the next pore for each elastomer molecule Volume change compensation has other additional effects: the reduced bond load on the molecular chains can result in good resilience of the elastomer (or the elastic polymer). This is especially true for long-term fluctuating loads. In addition, it was found that the tendency to creep can be reduced.
  • the dielectric is used to produce a dielectric actuator and / or a dielectric sensor (DEAS). Particularly for DEAS with high dynamic loads, it has been shown that both the aging behavior and the dielectric strength could be optimized and the pores are also suitable for absorbing the excess volume in the elastic polymer of the dielectric that is created during the DEAS compression.
  • DEAS dielectric actuator and / or a dielectric sensor
  • the elastic dielectric is used to produce an electrical cable, in particular which is designed for high voltage loads and at the same time has a high long-term load cycle strength and / or an improved cross-sectional stability.
  • the pores can compensate for the volume of material displaced or expanded during bending. Thereby, the formation of an oval deformation can be suppressed.
  • strands and / or wires can be sheathed and insulated with the elastic dielectric (in particular to provide cables therefrom), which, due to the compressibility of the elastic dielectric, have a particularly high degree of flexibility and suppleness.
  • the elastic dielectric is used to produce a capacitor (in particular a capacitor which has acousto-electrical properties).
  • the pores can achieve greater elasticity, which in turn can improve the acoustic radiation output when an alternating voltage is applied.
  • the elastic dielectric is used to produce an electrically insulating vibration damper. Due to the improved high voltage properties, both the dielectric strength and the long-term stability of the corresponding component can be improved. The inherent pores (gas bubbles) can reduce a change in cross-section in the event of mechanical stress.
  • the elastic dielectric can be used as an insulator in an electro-mechanical system.
  • the improved high-voltage properties can reduce the size of such systems.
  • the at least one elastic dielectric is adhered to the two adjacent electrodes (or only to one of the two adjacent electrodes). This has the advantage that the dielectric device can be designed to be particularly robust and at the same time efficient, and that partial discharges can be reduced (or suppressed).
  • the dielectric is adhesively bonded to both electrodes.
  • This adhesion is preferably so strong that it is greater than the expansive forces occurring during operation (eg external load in the case of a dielectric sensor or repulsion force in the case of a dielectric actuator). Depending on the area of application, this does not have to be particularly strong. As a result, repulsion effects (which, however, can be very weak) can be possible with actuators due to electrodes that are charged in the same way, as well as a correspondingly extended one Sensor area when using. Furthermore, this adhesion can ensure that there are no large-area (eg larger than 100 to 10,000 square micrometers) air inclusions between the electrode and the dielectric, which could cause partial discharge problems.
  • the maximum change in length of the dielectric device in an operating mode in the height direction (z) is 20% or less (in particular 12% or less, further in particular 8% or less). This has the surprising advantage that the efficiency of the dielectric device can be improved.
  • the dielectric strength can be ensured, but on the other hand the volume which is available as a displacement space for the activated (or in the operating mode) dielectric device can be limited. It has been shown in one embodiment that the dielectric device experiences a maximum of 20% change in length in the vertical direction, that with length changes of up to 12% the efficiency is particularly desirable and with length changes of up to 8% the efficiency can be essentially optimal.
  • the formation of the plurality of pores comprises: i) applying a fluid (in particular CO2) to (essentially) non-hardened (in particular not completely crosslinked) base material at a predetermined pressure, and then ii) lowering the predetermined pressure Pressure during curing (in particular crosslinking) of the base material.
  • the formation of the plurality of pores has at least one of the following steps: i) Introducing a propellant into the base material, and subsequently thermal decomposition of the propellant (in particular during a sulfur vulcanization or a Peroxide crosslinking), ii) carrying out a photochemically activated peroxide crosslinking in such a way that oxygen is split off and acts as a pore-forming gas, iii) photochemical initiation of an azo polymerization in such a way that nitrogen is split off and acts as a pore-forming gas, iv) generation of CO2 as a pore-forming gas (in particular using at least one of the following substances: photoacid generator (PAG), photoacid (PAH), carboxylated nitrile rubber, isocyanate), v) thermal decomposition of tetrazoles (in particular formed by means of the nitrile groups of nitrile rubber and azides) in such a way that nitrogen
  • PAG photoacid generator
  • the method comprises: initiating targeted crosslinking in the base material.
  • the initiation is at least one from the group consisting of: i) radiation crosslinking, in particular by means of UV radiation, ii)
  • Electron crosslinking in particular by means of an electron beam source, iii) thermally initiated radical crosslinking, iv) thermal sulfur crosslinking, v) peroxide-initiated radical crosslinking.
  • the base material is a polymer gel. This can have the advantage that an elastic dielectric with particularly advantageous elastic properties can be provided.
  • Gels can be defined as viscoelastic liquids that have the properties of solids and liquids at the same time.
  • the solids can be crosslinked elastomers that have liquid components embedded in a three-dimensional network. This gives the elastomer network the possibility of a more free spread into the liquid free spaces: For example, balls can dissolve or relax, Twists, spirals, helixes can stretch, etc. so move much more easily overall.
  • gels of the present type can be particularly suitable for actuator and sensor tasks, since they can combine the easy deformability of liquids with the resilience of elastomers.
  • the listed high boiling points of the liquids e.g. cyclic carbonates etc.
  • the gels can be provided with thixotopic properties which make gels reversibly “more fluid”, that is to say more easily deformable, by shearing (ie dielectric loading).
  • the following design variants relate to mechanisms of pore generation and can be freely combined both with one another and with the above mechanisms.
  • the list is exemplary.
  • the gases that subsequently fill the cavities are usually formed by chemical reactions.
  • i) Complete, or usually partial, pressure saturation of thermoplastic (uncrosslinked) elastomer with gas (nitrogen, carbon dioxide, noble gases) at 30 to 200 bar pressure and subsequent rapid relaxation to form micropores and immediately subsequent crosslinking (especially photochemical).
  • blowing agents e.g.
  • azodicarbonamide, sulfonic acid hydrazides, nitrosamines, phenyltetrazole etc. decompose, possibly through "Kicker" activated at temperatures of 120 ° to 200 ° C, ie in the range of vulcanization.
  • the gas yields (eg N2, CO2) can be in the range of 120 to 230 ml / g 8% and 40% amounts of 0.5 to 2 mg propellant / g elastomer to be introduced, primarily in the form of a solution, preferably that solvent, in which the unvulcanized elastomer, including all crosslinking and auxiliary substances, was dissolved or dispersed in order to apply it to a carrier (conveyor belt, mold, carrier layer, but also metal electrode) in the appropriate layer thickness (spraying, lolling, screen printing, pouring ...)
  • a carrier conveyor belt, mold, carrier layer, but also metal electrode
  • Saturated elastomers eg HNBR, including those with oils as extenders
  • Peroxide crosslinking for both saturated and unsaturated elastomers can also be carried out photochemically. This is achieved with UV light sources (Hg high pressure lamps) or LED blue light sources at moderate temperatures (> 0 ° C). By coordinating peroxides and UV sources (wavelengths), simultaneous crosslinking by means of peroxide A and decomposition of peroxide B with the elimination of oxygen as a gas supplier can be carried out. Benzoyl peroxide (as an example for peroxide B) provides about 90 ml O2 / g. Additions of 1-5 mg / g elastomer should therefore be used.
  • Photoacid generators (PAGs) and photoacids (PAHs) form so-called Brönsted or Lewis acids under the influence of UV.
  • These reaction products are usually used for the cationic polymerization / curing of epoxides and vinyl ethers, but are generally not suitable for crosslinking elastomers. According to the invention, however, these acids can be used in combination with finely divided carbonates of the alkali and alkaline earth metals and ammonium bases to generate CO 2 .
  • the UV radiation that is required for this reaction can, however, also be used at the same time for crosslinking and / or additional pore formation according to exemplary embodiments iv), v), vi), and vii).
  • CO 2 is generated from finely divided carbonates. Crosslinking by means of photoreactions iv) - viii).
  • CO 2 can be generated by reaction of isocyanates (R-NCO) with water to form urea derivatives (2 RNCO + H 2 O - RNH-CO-NH-R + CC).
  • R-NCO isocyanates
  • 2 RNCO + H 2 O - RNH-CO-NH-R + CC In order to avoid the disadvantageous introduction of water into an elastomer-isocyanate mixture, it is proposed to generate the required water in situ by reacting acid with base.
  • the acid part according to embodiment viii) is generated from PAG by a photoreaction.
  • the base portion is preferred to quaternary Ammonium bases, preferably tetrabutylammonium hydroxide, provided.
  • the particular advantage can lie in the solubility of this base in organic solvents and in a function of this compound which catalyzes the reaction of isocyanate with water.
  • Another embodiment is based on the thermal decomposition potential of tetrazoles (formation of N2). These can be formed by the (partial) reaction of nitrile groups from NBR rubbers (the dielectric) with azides. The crosslinking takes place, for example, thermally or photocatalytically.
  • xii) Another embodiment uses non-crosslinked elastomers as dielectric, but polymer gels, preferably made of PVDF, HFP, etc., in organic carbonates such as propylene carbonate and uses photo reactions according to examples iv) to viii) or isocyanate reaction for gas or pore formation in the course the gelation process.
  • an elastic dielectric which has an elastic polymer with a plurality of pores, the pores being discrete gas-filled cavities, the totality of the pores in the elastic polymer having an average pore diameter of 50 ⁇ m or less, and where the totality of the pores in the elastic polymer has a total pore volume which makes up 60% (in particular 40%) or less of the total volume of the elastic dielectric.
  • Figures la, lb, and lc each show a dielectric device according to an embodiment of the invention.
  • Figure ld shows a dielectric device as a stack actuator / sensor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows an elastic dielectric, which has a plurality of pores, according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a corresponding space is to be created for the compressed or expanded elastic dielectric, so that these movements are possible without significant lateral changes in volume in the x or y direction.
  • the problem of electric fields caused by gas bubbles should be minimized.
  • the field disturbance or field distortion
  • the changes in capacity due to the pores are associated with the square of the radius of a pore. This allows a suitable partial discharge to be determined for each area of application by choosing the average (or maximum) pore diameter.
  • a partial discharge is not desirable, but surprisingly it has been shown that no nano-scale pores are required to design a partial discharge behavior, but that even micro-scale pores alleviate the problem of partial discharges in such a way that it can be used as a dielectric device (e.g. DEA) is efficiently enabled.
  • a dielectric device e.g. DEA
  • the partial discharge use increases to over 15 kV / mm.
  • the modulus of elasticity of the polymer can be reduced by inserting pores into an elastic polymer base material.
  • the described pores can act as “thinners”, which is shown in an increase in the deflection (or in the actuator path (with a reduction in the actuator force)) of a dielectric device.
  • a special feature is a low degree of expansion in the pore formation.
  • known methods are aimed at generating foams for insulating and damping purposes, that is to say at a particularly low foam weight.
  • foam pores from one another, usually only separated by cell membranes, mostly even connected to one another
  • an elastic material with discrete (not coagulated) pores and thus completely different relevant mechanical and electrical ones Characteristics.
  • the term "pores" is understood to mean discrete, gas-filled cavities within an elastomer matrix. Discrete because, if possible, contact between individual pores must / should be avoided This would be in complete contrast to the desired partial discharge field strength and limit this.
  • the cavities should not exceed 40% of the Total dielectric volume, preferably ⁇ 25%, even more preferably ⁇ 12%, resulting in a preferred cavity diameter of ⁇ 5 ⁇ m.
  • a dielectric with a thickness of 50 ⁇ m (h) contains approximately (assuming that the pore diameter roughly corresponds to the pore spacing) the following number of pores in order to ensure a discrete pore distribution:
  • the gases that fill the cavities are usually formed by chemical reactions. Accordingly, the Avogadro rule applies, according to which 1 mol of a gas corresponds to a volume of 22.4 l or 1 mmol to 22.4 ml and 1 pmol to 22.4 pl.
  • a pore (or gas bubble) about 7 times as large is created from spherical CaCCb.
  • cubic CaCCb creates a pore about 8.5 times as large.
  • Solids such as CaCOs
  • CaCOs can be produced by mechanical comminution (impact mill) or precipitation with a minimum fineness of 30 nm to 80 nm particle size, ie, according to the above approximation, pore diameters of about> 250 to 700 nm can be realized.
  • 40% 0.40 ml gas corresponds to 1.5 - 2.0 mg / g elastomer.
  • FIG. 1 a shows a dielectric device 100 which can be used as a dielectric actuator (DEA), a dielectric sensor (DES) or a mixed form (DEAS).
  • the device 100 has a first electrode 110 and a second electrode 120, the second electrode 120 being arranged opposite the first electrode 110. Furthermore, the device 100 has an elastic dielectric 130 which is arranged between the first electrode 110 and the second electrode 120.
  • the electrodes 110, 120 each have a contact area 114 which consists of electrically conductive material and via which the electrodes 110, 120 can be contacted, or via which a voltage U can be applied.
  • the second electrode 120 here represents the counter electrode to the first electrode 110.
  • Each of the two electrodes 110, 120 is electrically contacted separately, so that an electrical field can be generated by means of the electrodes 110, 120. In the example shown, no voltage is applied (0 volts), so that the dielectric device 100 is not in an operating mode.
  • Each of the two electrodes 110, 120 has a functional area 112, which has an electrically conductive metal.
  • the functional area 112 is Plate-shaped and thus extends along two main directions of extent x, y, the functional area 112 spanning an area plane E. In the example shown, the functional area 112 makes up the entire electrode plate 110.
  • the electrode 110 has an (insulating) carrier material, on which the functional region 112 is then arranged (for example vapor-deposited).
  • FIG. Lb shows the dielectric device 100 according to FIG. La, the electrodes 110, 120 being electrically contacted at the respective contact areas 114.
  • a voltage of 1 kV is applied to the electrodes 110, 120, so that the dielectric device 100 is in an operating mode.
  • the first electrode 110 now forms a positive pole and the second electrode 120 (counter electrode) forms the negative pole.
  • This electrical contact leads to the positively charged first electrode 110 and the negatively charged second electrode 120 attracting one another and moving spatially towards one another.
  • the dielectric 130 which is arranged between the first electrode 110 and the second electrode 120, is designed as an elastic dielectric (e.g. as an elastomer), it is partially pressed out to the sides of the dielectric device 100 due to its incompressibility.
  • FIG. 1c shows the basic functional principle of the dielectric device 100 (as already described above for FIGS. 1a and 1b) as a dielectric actuator or sensor. If a voltage U is applied to the electrodes 110, 120, the electrode plates move towards one another. This in turn generates a pressure P on the dielectric 130, which is arranged between the electrodes 110, 120. If the dielectric 130 is designed as an elastomer, it is essentially incompressible and is forced to expand by the pressure from above (z +) and from below (z-). The area expansion (see the movement arrows pointing outwards) takes place along the two main directions of extension x, y of the electrodes 110, 120.
  • Figure ld shows a plurality of dielectric devices 100 according to Figures la to lc, which are in the form of a stack actuator (or stack sensor) or a stacking system are arranged.
  • the individual dielectric devices 100 are stacked one on top of the other in the height direction (z) to form a dielectric device 100 composed of multiple units.
  • a third electrode 121 which is arranged opposite the second electrode 120, is now arranged below the first electrode 110 and the second electrode 120 (between which the first dielectric 130 is arranged).
  • a second elastic dielectric 131 is arranged between the third electrode 121 and the second electrode 120.
  • This arrangement can be continued by means of a fourth electrode and a third dielectric, etc.
  • the first electrode 110 and the third electrode 121 are connected in an electrically conductive manner at their contact areas 114 via a bonding wire.
  • the second electrode 120 (and then the fourth electrode, etc.) in this case represent the counter electrodes 160, the counter electrodes 160 again being connected to one another in an electrically conductive manner (e.g. by means of bonding wires) at their contact areas 114.
  • several such stacks can also be arranged next to one another and used jointly.
  • FIG. 2 shows an elastic dielectric 130 (or an electrical insulator) which has an elastic polymer 190.
  • a plurality of pores 180 are formed in the polymer 190.
  • the pores 180 are here filled with air, the air essentially not being able to escape from the pores 180.
  • the elastic dielectric 130 is designed essentially as an integral foam and thus has a closed (air-impermeable) outer layer 191.
  • Each pore 180 has a pore diameter d.
  • the pores are very small and the pore diameters d are in the micro-scale range.
  • An average pore diameter of the plurality of pores 180 can be calculated from the plurality of pore diameters d. This mean pore diameter is 50 ⁇ m or less.
  • each pore 180 has a pore volume and a total pore volume can be calculated from the majority of the pore volumes of the pores 180 (for example by addition). This Total pore volume is 60% or less (in particular 8% or less) of the total volume of the elastic dielectric 130 (or the total volume of the elastic polymer 190).
  • the pores 180 are distributed essentially homogeneously, so that less than 10% (in particular less than 0.1%) of the pores 180 coagulate.
  • the pores 180 are separated from one another by a respective pore spacing r.
  • an average pore spacing can be calculated from the individual pore spacings r. This mean pore spacing is greater than half the mean diameter of the plurality of pores (or greater than the mean diameter of the plurality of pores) for at least 50% (in particular at least 97%) of the pores.
  • the elastic dielectric 130 has a particularly high dielectric strength of 5 kV / mm or more (in particular of 16 kV / mm or more).
  • the elastic dielectric 130 is preferably designed to be very thin with a thickness of 100 ⁇ m or less. With this particularly small thickness, the elastic dielectric 130 has a dielectric strength of 15 n / mhh or more (in particular 48 V / pm or more).
  • the elastic dielectric 130 is formed along the two main directions of extent x and y, which span a plane.
  • the elastic dielectric 130 is set up in an operating mode to carry out a change in length (or deflection) in a height direction z, which is oriented perpendicular to the main extension directions x, y.

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Abstract

The invention describes an elastic dielectric (130) which has an elastic polymer (190) and a plurality of pores (180). The plurality of pores (180) have an average pore diameter (d) of 50 pm or less, and the plurality of pores (180) have a total pore volume which makes up 60% or less of the total volume of the elastic dielectric (130). The invention further relates to a use of the elastic dielectric (130), a dielectric device (100), a method for manufacturing an elastic dielectric (130), and a use of an electric insulator.

Description

Elastisches Dielektrikum mit mikroskaiinen Poren, Verwenden und Elastic dielectric with microscopic pores, use and
Herstellungsverfahren production method
Die Erfindung betrifft ein elastisches Dielektrikum. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verwenden des elastischen Dielektrikums. Weiterhin betrifft die Erfindung eine dielektrische Vorrichtung, insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des elastischen Dielektrikums. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verwenden eines elektrischen Isolators. The invention relates to an elastic dielectric. In particular, the invention relates to using the elastic dielectric. The invention also relates to a dielectric device, in particular a dielectric actuator and / or a dielectric sensor. The invention also relates to a method for producing the elastic dielectric. The invention also relates to using an electrical insulator.
Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von elastischen Dielektrika beziehen. Weiterhin kann sich die Erfindung auf dielektrische Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen (Elastomer) Aktoren und/oder dielektrischen (Elastomer) Sensoren beziehen. Weiter insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet des Einsatzes von speziellen Isolatoren bezüglich dielektrischer Vorrichtungen beziehen. The invention can thus relate to the technical field of elastic dielectrics. Furthermore, the invention can relate to dielectric devices. In particular, the invention can relate to the technical field of dielectric (elastomer) actuators and / or dielectric (elastomer) sensors. More particularly, the invention can relate to the technical field of the use of special insulators with respect to dielectric devices.
Eine dielektrische Vorrichtung wie z.B. ein dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA), ein dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine (bezüglich elektromechanischen Aspekten im Wesentlichen) passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (pe/) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstanten, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt. A dielectric device such as a dielectric (elastomer) actuator (DEA), a dielectric (elastomer) sensor (DES) or a mixed form (DEAS) is basically constructed like a flexible electrostatic capacitor. A (with regard to electromechanical aspects essentially) passive elastomer layer (or a polymer layer) is clamped between two electrode plates. When an electrical voltage U is applied (i.e. in the operating mode), the opposing electrode plates attract each other due to the electrostatic pressure (p e / ). The incompressible elastomer layer is then compressed in the vertical direction and expands in the lateral direction (surface expansion). The electrostatic pressure that causes the deformation is determined by the dielectric constant, the relative permittivity, and the thickness of the material as well as the voltage applied.
Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck peq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck pei und lässt sich berechnen als: Peq = eo*eG*(u2/z2), wobei eo die Permittivität des Vakuums, eG die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist. The equivalent electromechanical pressure p eq occurring in the operating mode is twice as large as the electrostatic pressure p ei and can be calculated as: Peq = eo * e G * (u 2 / z 2 ), where eo is the permittivity of the vacuum, e G is the dielectric constant, and z is the layer thickness of the elastomer layer.
Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/pm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %. The movement is thus generated by the electrostatic forces that act on the elastomer layer between two electrode plates. In one example, a dielectric actuator achieves an elongation of up to 20% at a field strength of 30 V / pm. Usual unidirectional expansions of dielectric actuators are e.g. in the range 10 to 35%, maximum values up to 300%.
Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann. Since the elastomer layer is almost incompressible, the volume remains in principle constant during the deformation. When the voltage is reduced, the excess charges flow away via the voltage source, so that the elastomer layer returns to its original shape and can exert forces due to the stored elastic energy.
Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Material kosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen. This principle can be used both as an actuator and as a sensor and offers a number of promising technical application possibilities. Particular advantages of these dielectric devices can be that they can be light, flexible and noiseless and also cause low material costs. However, these advantageous possible applications are currently opposed to unresolved issues relating to production and reliability.
Bei einer mechanischen Verformung einer dielektrischen Vorrichtung wird das elastische Dielektrikum-Material infolge fehlender kompressibler Eigenschaften zur Seite verdrängt, was sowohl die mechanischen Eigenschaften, als auch die Linearität negativ beeinflussen kann. In the event of a mechanical deformation of a dielectric device, the elastic dielectric material is displaced to the side due to a lack of compressible properties, which can negatively affect both the mechanical properties and the linearity.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken werden im Stand der Technik Schäume als Dielektrikum verwendet. Dies bringt jedoch viele technische Nachteile wie eine geringe elektrische Durchschlagsfestigkeit, eine geringe Lebensdauer (insbesondere bei hohem elektrischen Potential), und elektrische Feldverzerrungen mit sich. Ferner führt auch die Problematik der Teilentladungen zu einem Bauteilversagen über die Zeit. Unter dem Begriff „Durchschlagsfestigkeit" kann in diesem Dokument insbesondere jene elektrische Feldstärke eines Dielektrikums verstanden werden, welche in dem Material (z.B. elastisches Polymer) höchstens vorhanden sein darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (z.B. Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt. Die Durchschlagsfestigkeit kann z.B. als Durchschlagsfeldstärke (kV/mm oder kV/pm) angegeben werden, welche sich berechnet aus der maximalen Spannung bzw. Durchschlagsspannung (in Volt) bezogen auf die Dicke (z.B. mm oder pm Bereich) des Dielektrikums. In order to counteract this problem, foams are used as a dielectric in the prior art. However, this brings with it many technical disadvantages such as a low dielectric strength, a short service life (especially with a high electrical potential), and electrical field distortions. Furthermore, the problem of partial discharges also leads to component failure over time. In this document, the term "dielectric strength" can be understood to mean in particular that electrical field strength of a dielectric which may at most be present in the material (e.g. elastic polymer) without a voltage breakdown (e.g. electric arc or spark) occurring eg as breakdown field strength (kV / mm or kV / pm), which is calculated from the maximum voltage or breakdown voltage (in volts) based on the thickness (eg mm or pm area) of the dielectric.
Der Begriff „Teilentladungen" kann in diesem Zusammenhang jegliche Formen von Plasma- oder Durchschlagseffekten, Elmsfeuern oder Durchbrüchen aufgrund von elektrischen Potentialunterschieden bezeichnen. Diese können die sofortige oder langsame Zerstörung der elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften eines Dielektrikums zur Folge haben. In this context, the term "partial discharges" can denote any form of plasma or breakdown effects, Elms fires or breakthroughs due to electrical potential differences. These can result in the immediate or slow destruction of the electrical and / or mechanical properties of a dielectric.
Bei speziellen Schäumen, welche aus der Elektrotechnik bekannt sind (z.B. Gap- Filler, wärmeleitende Schaum- und Gel-Folien), können hohe elektrische Durchschlagfestigkeiten von etwa 4 kV/mm erreicht werden. Allerdings eignen sich diese Schäume aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nicht für den Einsatz als Dielektrikum (insbesondere nicht in einer dielektrischen Vorrichtung). With special foams known from electrical engineering (e.g. gap fillers, thermally conductive foam and gel foils), high dielectric strengths of around 4 kV / mm can be achieved. However, because of their mechanical properties, these foams are unsuitable for use as a dielectric (in particular not in a dielectric device).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elastisches Dielektrikum (insbesondere geeignet für den effizienten Einsatz in einer dielektrischen Vorrichtung) bereitzustellen, welches eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist, robust gegen Teilentladungen, und besonders langlebig ist. It is an object of the present invention to provide an elastic dielectric (particularly suitable for efficient use in a dielectric device) which has a high dielectric strength, is robust against partial discharges, and is particularly durable.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. This object is achieved by the subjects according to the independent patent claims. Preferred configurations emerge from the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elastisches Dielektrikum beschrieben, welches ein elastisches Polymer und eine Mehrzahl von Poren (insbesondere innerhalb des elastischen Polymers) aufweist. Die Mehrzahl von Poren weist einen mittleren (bzw. durchschnittlichen) Porendurchmesser von 50 mhh oder weniger (insbesondere 20 pm oder weniger) auf. Weiterhin weist die Mehrzahl von Poren ein Porengesamtvolumen aufweist, welches 60% oder weniger (insbesondere 40% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (insbesondere des Gesamtvolumens des elastischen Polymers) ausmacht. According to one aspect of the present invention, an elastic dielectric is described which has an elastic polymer and a plurality of pores (in particular within the elastic polymer). The majority of Pore has a mean (or average) pore diameter of 50 mhh or less (in particular 20 μm or less). Furthermore, the plurality of pores has a total pore volume which makes up 60% or less (in particular 40% or less) of the total volume of the elastic dielectric (in particular the total volume of the elastic polymer).
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verwenden des oben genannten elastischen Dielektrikums beschrieben in zumindest einem aus der Gruppe, welche besteht aus: einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere einem dielektrischen Sensor und/oder einem dielektrischen Aktor), einem Kabel, einem Kondensator, einem Vibrationsdämpfer, einem elektromechanischen System. According to a further aspect of the present invention, a use of the above-mentioned elastic dielectric is described in at least one of the group consisting of: a dielectric device (in particular a dielectric sensor and / or a dielectric actuator), a cable, a capacitor, a Vibration damper, an electromechanical system.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor) beschrieben (welche als Stapel-System ausgestaltet ist). Die dielektrische Vorrichtung weist auf: i) eine Mehrzahl von Elektroden, welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich, welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt, und ii) eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika, wobei jedes Dielektrikum entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt. Die Elektroden und die elastischen Dielektrika sind alternierend angeordnet. Zumindest ein Dielektrikum der Mehrzahl von elastischen Dielektrika ist ein elastisches Dielektrikum (insbesondere mit einer Porenausgestaltung) wie oben beschrieben. According to a further aspect of the present invention, a dielectric device (in particular a dielectric actuator and / or a dielectric sensor) is described (which is designed as a stack system). The dielectric device has: i) a plurality of electrodes, each of which has: a functional region which is formed along two main directions of extent (x, y) and spans a first plane, and ii) a plurality of elastic dielectrics, each dielectric is formed along the two main directions of extent (x, y) and spans a second plane. The electrodes and the elastic dielectrics are arranged alternately. At least one dielectric of the plurality of elastic dielectrics is an elastic dielectric (in particular with a pore configuration) as described above.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung, weiter insbesondere einem dielektrischen Aktor und/oder Sensor) beschrieben. Das Verfahren weist auf: i) Bereitstellen eines (insbesondere elastischen) Polymers als Basismaterial, und ii) Bilden einer Mehrzahl von Poren in dem Basismaterial derart, dass die Mehrzahl von Poren einen mittleren Porendurchmesser von 50 pm oder weniger aufweist, und das Gesamtporenvolumen der Mehrzahl von Poren 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums ausmacht. According to a further aspect of the present invention, a method for producing an elastic dielectric (in particular for a dielectric device, further in particular a dielectric actuator and / or sensor) is described. The method comprises: i) providing a (in particular elastic) polymer as the base material, and ii) forming a plurality of pores in the base material such that the plurality of pores has an average pore diameter of 50 μm or less, and the total pore volume of the plurality of pores is 60% or less of the total volume of the elastic dielectric.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verwenden beschrieben eines elektrischen Isolators (z.B. einem Dielektrikum), welcher ein elastisches Polymer hat (bzw. aufweist), welches eine Mehrzahl von Gasblasen (bzw. Gas (insbesondere Luft) gefüllten Poren) aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser 20 pm oder weniger beträgt und deren Gesamtporenvolumen 40% oder weniger des Gesamtvolumens des elektrischen Isolators ausmacht, als Dielektrikum in einem dielektrischen Aktor und/oder einem dielektrischen Sensor. According to a further aspect of the present invention, the use of an electrical insulator (for example a dielectric) is described which has (or has) an elastic polymer which has a plurality of gas bubbles (or gas (in particular air) -filled pores) mean pore diameter is 20 μm or less and the total pore volume of which makes up 40% or less of the total volume of the electrical insulator, as a dielectric in a dielectric actuator and / or a dielectric sensor.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA)" insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden. In the context of this document, the term "dielectric (elastomer) actuator (DEA)" can be understood to mean, in particular, an actuator which consists of two electrodes and an intermediate spring-based or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material Understand the interplay of the spring forces between the electrodes (plates) on the one hand and the Coulomb attraction between the electrodes on the other.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES)" insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung, gewonnen. In the context of this document, the term "dielectric (elastomer) sensor (DES)" can be understood to mean, in particular, a sensor which consists of two electrodes and an intermediate spring-based or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material capacity determined by the electrode spacing, or by the change in capacitance resulting from changes in the distance between the electrodes.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor und Sensor (DEAS)" insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welcher für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt. In the context of this document, the term "dielectric (elastomer) actuator and sensor (DEAS)" can be understood to mean, in particular, a combination of the principles of DEA and DES in one system. Features that apply to a DEA can also apply to a DES and vice versa.
Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen. In the context of this document, the described coordinate system can be understood such that the directions x and y (as Main extension directions) span the surface of an electrode and the height direction z is aligned for this purpose along the distance direction of two opposing (parallel aligned) electrodes. In one embodiment with regard to a manufacturing process, x can correspond to the width (cross-direction (CD) in a reel-to-reel production) and y to the processing direction (machine direction (MD) in a reel-to-reel production).
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode" insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich" aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, AI, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd,In the context of this document, the term “electrode” can in particular be understood to mean an electron conductor which is connected to a counter electrode (then referred to as anode and cathode, or as a plus pole and a minus pole) via a (dielectric) medium located between the two electrodes In this way, an electric field can be generated between the electrodes. In this case, an electrode can have a “functional (active) area” or else consist entirely of the functional area. The functional area is electrically conductive (in particular comprising a metal) and can thus form the active part of the electrode, which interacts electrically with the counter-electrode. Furthermore, an electrode can have an electrically non-conductive area, e.g. a carrier material, to which the functional area (e.g. as a metal foil) is applied. Furthermore, an electrode can have an (electrically conductive) contact area to which contact can be made with the electrode or to which a voltage can be applied. According to one embodiment, the metal of the electrode (or of the functional area) is at least one from the group consisting of: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd ,
Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten (beispielsweise Kupfer auf Polymer) zu vermeiden, sind auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich. Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, and alloys thereof. Alloy components below 2% by weight can also consist of other metals (e.g. Si, As, etc.). Alloys can include, for example: iron alloy, brass, bronze, stainless steel, aluminum, etc. In order to avoid incompatibilities (e.g. copper on polymer), metal multilayer structures are also possible.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum" (bzw. Isolator) insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet. In the context of this document, the term “dielectric” (or insulator) can in particular denote any material (or substance) in which charge carriers are essentially not freely movable an electrically weakly conductive to non-conductive property. A dielectric can, for example, be a polymer, in particular an elastomer. A dielectric cannot be a metal. With regard to a dielectric device, the dielectric can be an elastic dielectric, for example a dielectric polymer (DE). Dielectric polymers, along with piezoelectric polymers and electrostrictive polymers, are also known as electroactive polymers (EAP).
In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines Dielektrikums Material eines elastischen Polymers (insbesondere Elastomermaterial) in nicht ausgehärteter Form (insbesondere auf eine Elektrode) aufgetragen und dann ausgehärtet. In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten" insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode (oder einer Trägerfolie) aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/ Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nicht-ausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden. In one embodiment, to produce a dielectric, material of an elastic polymer (in particular elastomer material) is applied in uncured form (in particular on an electrode) and then cured. In this document, the term “hardening” can be understood to mean in particular a multitude of different forms of material hardening or an increase in material viscosity. In a hardening process, a material can change from a first state to a second state, the material being in the second state is more solid than in the first state. Furthermore, the viscosity of the first state can be significantly lower than the viscosity of the second state. Curing can include, for example, at least one of the following processes: crosslinking, thermal solidification processes, drying reactions, gelation processes. In one example, a non-cured, at least partially liquid elastomer material (e.g. in a solvent or a suspension medium) applied to an electrode (or a carrier film) during curing (e.g. by drying the solvent / suspension medium and / or crosslinking the elastomer material as, in particular a specifically controlled crosslinking e.g. by means of UV radiation), the elastomer material can have an essentially more solid form and / or have a higher viscosity than the uncured elastomer material. In particular, the cured elastomer material can be used as a dielectric.
Das Aushärten kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung. The curing can be carried out, for example, by means of a crosslinking reaction and / or film formation by drying from solution and / or film formation by drying from a dispersion. With regard to networking, this can be done with at least one of the following processes the following are carried out: i) radiation crosslinking (preferably by UV radiation), ii) electron crosslinking (eg by an electron beam source), iii) thermally initiated radical crosslinking, iv) thermal sulfur crosslinking, v) peroxide initiated radical crosslinking.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Poren" insbesondere jede Art von Hohlraum innerhalb eines Dielektrikums (bzw. Isolators), insbesondere dem elastischen Polymer des Dielektrikums, bezeichnen. Der Begriff „Poren" kann einen (diskreten) Hohlraum innerhalb der elastischen Polymermatrix eines Dielektrikums bezeichnen. Hierbei kann der Term „Pore" gleichbedeutend mit „Blase" oder „Bubble" sein. Die Poren können Fluid (insbesondere Luft) gefüllt sein oder luftleer sein. In einem bevorzugten Beispiel weisen die Poren einen Porendurchmesser im mikro-skalinen oder nano-skalinen Bereich auf. Besonders bevorzugt sind die Poren als diskrete Hohlräume ausgestaltet. Dies kann dahingehend verstanden werden, dass die Mehrzahl der Hohlräume nicht koaguliert, sondern dass die Mehrzahl der Poren (durch Material des elastischen Polymers) räumlich voneinander getrennt sind. Bevorzugt sind die Poren nicht Teil eines Schaumstoffs. Der Begriff „Schaumstoff bzw. Schäume" kann insbesondere bezeichnen, dass offen-zeilige Gasblasen in einem Basismaterial vorliegen, wobei zwischen den Gasblasen lediglich dünne Zellwände aus dem Basismaterial vorhanden sind. Diese Gasblasen in Schaumstoff können somit als koagulierend und nicht als diskret bezeichnet werden. Das beschriebene Dielektrikum hingegen besteht bevorzugt aus dem elastischen Polymer Basismaterial, welches vereinzelte Poren enthält, die grossvolumig von dem Basismaterial umkapselt sind (also diskret und nicht koagulierend). Im Vergleich zu Schäumen können sich dadurch völlig verschiedene elektrische und/oder mechanische Eigenschaften ergeben. In the context of this document, the term “pores” can denote in particular any type of cavity within a dielectric (or insulator), in particular the elastic polymer of the dielectric. The term “pores” can mean a (discrete) cavity within the elastic polymer matrix of a dielectric describe. The term “pore” can be synonymous with “bubble”. The pores can be fluid (in particular air) filled or evacuated. In a preferred example, the pores have a pore diameter in the micro-scale or nano-scale range The pores are particularly preferably designed as discrete cavities. This can be understood to mean that the majority of the cavities do not coagulate, but that the majority of the pores are spatially separated from one another (by the material of the elastic polymer). The pores are preferably not part The term “foam or foams” can in particular denote that open-line gas bubbles are present in a base material, with only thin cell walls made of the base material being present between the gas bubbles. These gas bubbles in foam can thus be described as coagulating and not as discrete. The dielectric described, on the other hand, preferably consists of the elastic polymer base material which contains isolated pores that are encapsulated in large volumes by the base material (that is, discrete and non-coagulating). Compared to foams, this can result in completely different electrical and / or mechanical properties.
Im Rahmen dieses Dokuments bezieht sich der Begriff „Poren" insbesondere auf das Porengesamtvolumen, also auf die Gesamtheit der Poren in dem elastischen Polymer des Dielektrikums. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist diese Gesamtheit der Poren in dem elastischen Polymer ein Porengesamtvolumen auf, welches 60% (insbesondere 40%) oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums ausmacht. Die Poren sind hierbei als diskrete Hohlräume ausgebildet. Mittels dieser Formulierungen können Schäume ausgeschlossen werden. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein robustes Dielektrikum beschrieben, welches vereinzelte (diskrete) Poren in Form von Hohlräumen mit geringem Gesamtporenvolumen aufweist und eben keinen Schaum darstellt. Insbesondere bezieht sich der Begriff „Poren" in diesem Dokument nicht auf eingebettete Partikel, Vollzellenstrukturen, oder unerwünschte Gasblasen. In the context of this document, the term "pores" relates in particular to the total pore volume, that is to say to the totality of the pores in the elastic polymer of the dielectric. In a preferred embodiment, this total of pores in the elastic polymer has a total pore volume which is 60% ( in particular 40%) or less of the total volume of the elastic dielectric. The pores are designed as discrete cavities. By means of these formulations, foams be excluded. According to the invention, a robust dielectric is preferably described which has isolated (discrete) pores in the form of cavities with a small total pore volume and which does not represent any foam. In particular, the term “pores” in this document does not refer to embedded particles, full-cell structures, or undesired gas bubbles.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass ein elastisches Dielektrikum (insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung) bereitgestellt werden kann, welches eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist, robust gegen Teilentladungen, und besonders langlebig ist, indem das elastische Polymer des Dielektrikums mit mikro (bzw. nano)-skalinen (i.e. durchschnittlicher Porendurchmesser 50 pm oder weniger) Poren (insbesondere luftgefüllten Gasblasen) versehen wird, welche lediglich einen Teil des Dielektrikum-Volumens benötigen (Gesamtporenvolumen 60% (insbesondere 40%) oder weniger in Bezug zu dem Dielektrikum-Gesamtvolumen). According to an exemplary embodiment, the invention can be based on the idea that an elastic dielectric (in particular for a dielectric device) can be provided, which has a high dielectric strength, is robust against partial discharges, and is particularly long-lived by the elastic polymer of the dielectric with micro (or nano) -scalines (ie average pore diameter 50 μm or less) pores (in particular air-filled gas bubbles) is provided, which only require part of the dielectric volume (total pore volume 60% (in particular 40%) or less in relation to the Total dielectric volume).
Das Dielektrikum mit dem eigentlich inkompressiblen elastischen Polymer und der beschriebenen Poren-Ausgestaltung zeigt somit (pseudo-) kompressible Eigenschaften bei zugleich hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit. Die mikro (nano)-skalinen Gasblasen können derart im Dielektrikum verteilt sein, dass Feldverzerrungen minimiert werden und zugleich für eine mechanische Beanspruchung ein Verdrängungsraum geschaffen wird. Die Molekülkettenbewegungen des elastischen Polymers können derart reduziert werden, dass eine besonders hohe (Material-) Lebensdauer entsteht. The dielectric with the actually incompressible elastic polymer and the described pore configuration thus shows (pseudo) compressible properties with a high dielectric strength at the same time. The micro (nano) -scaline gas bubbles can be distributed in the dielectric in such a way that field distortions are minimized and at the same time a displacement space is created for mechanical stress. The molecular chain movements of the elastic polymer can be reduced in such a way that a particularly long (material) service life is created.
Es hat sich völlig überraschend gezeigt, dass die Kombination von mikro (bzw. nano)-skalinen Poren (bzw. Gasblasen) mit einem deutlich reduzierten Gesamtporenvolumen-Anteil zu einer Ableitung von Krafteinflüssen aufgrund äusserer mechanischer Faktoren (pseudo-kompressibles Verhalten) und gleichzeitig einer minimalen Feldverzerrung zur Sicherstellung einer besonders hohen Spannungsfestigkeit bzw. Durchschlagsfestigkeit führen kann. Das beschriebene Dielektrikum kann mit diesen Eigenschaften besonders vorteilhaft in eine dielektrische Vorrichtung (wie oben beschrieben) eingebaut werden und damit das Bereitstellen von dielektrischen Vorrichtungen mit einem (pseudo-) kompressiblen Dielektrikum ermöglichen, welches dennoch keine grossen Feldverzerrungen zeigt, eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist, und damit vorzeitigen Alterungserscheinungen entgegen wirkt. It has been shown, completely surprisingly, that the combination of micro (or nano) -scaline pores (or gas bubbles) with a significantly reduced total pore volume proportion leads to a derivation of force influences due to external mechanical factors (pseudo-compressible behavior) and, at the same time, a minimal field distortion to ensure a particularly high dielectric strength or dielectric strength. With these properties, the described dielectric can be installed particularly advantageously in a dielectric device (as described above) and thus enable the provision of dielectric devices with a (pseudo) compressible dielectric, which nevertheless does not show any large field distortions, has a high dielectric strength, and so that it counteracts premature signs of aging.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Poren Fluid-gefüllt (insbesondere Gas-gefüllt, weiter insbesondere Luft-gefüllt). Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum besonders effiziente (pseudo) kompressible Eigenschaften zeigt. Die Poren können vollständig oder teilweise (z.B. Residualflüssigkeiten neben dem Gas) Gas-gefüllt sein. According to one exemplary embodiment, the pores are fluid-filled (in particular gas-filled, furthermore in particular air-filled). This has the advantage that the dielectric exhibits particularly efficient (pseudo) compressible properties. The pores can be completely or partially (e.g. residual liquids in addition to the gas) gas-filled.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Mehrzahl von Poren einen mittleren Porendurchmesser von 20 pm oder weniger (insbesondere 10 pm oder weniger, weiter insbesondere 1 pm oder weniger) auf. Dies hat den Vorteil, dass die Durchschlagsfestigkeit (insbesondere bezüglich Teilentladungen) besonders effizient verbessert werden kann. According to a further exemplary embodiment, the plurality of pores has an average pore diameter of 20 μm or less (in particular 10 μm or less, further in particular 1 μm or less). This has the advantage that the dielectric strength (in particular with regard to partial discharges) can be improved particularly efficiently.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel macht das Porengesamtvolumen 40% oder weniger (insbesondere 25% oder weniger, weiter insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums aus. Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum besonders effiziente und robuste (pseudo-) kompressible Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann der Verdrängungsraum damit gezielt auf vorteilhafte Weise begrenzt werden. According to a further exemplary embodiment, the total pore volume makes up 40% or less (in particular 25% or less, further in particular 12% or less, further in particular 8% or less) of the total volume of the elastic dielectric. This has the advantage that the dielectric has particularly efficient and robust (pseudo) compressible properties. In particular, the displacement space can thus be delimited in an advantageous manner in a targeted manner.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei den Poren um (im Wesentlichen) hochgradig geschlossene Poren handeln, so dass kein schneller Gasaustausch mit der Umgebung bei impulsartiger Kompression gegeben ist. Aus diesem Grund kann es sich empfehlen das Porenvolumen als Anteil des Dielektrikums so zu wählen, dass die bei der Kompression erfolgende Druckerhöhung in den Poren optimal in eine dielektrische Vorrichtung hineinpasst. So kann z.B. bei einem Porengesamtvolumen von 10% und einer Auslenkung des Aktors um 5% in der Höhenrichtung der Druck in den Poren auf das Doppelte steigen. Dieser Druckanstieg kann ausreichen, um merkbare Effekte der adiabatischen Kompression zu erleben, was einer Wirkungsgradreduktion durch Erhitzung der Luft in den Poren entspricht. Wenn dielektrische Vorrichtungen langsam oder über längere Zeit im komprimierten Zustand verweilen, kann Wärme an die Umgebung abgegeben werden (und umgekehrt). According to one exemplary embodiment, the pores can be (essentially) highly closed pores, so that there is no rapid gas exchange with the environment in the case of pulsed compression. For this reason, it can be advisable to choose the pore volume as a proportion of the dielectric in such a way that the pressure increase in the pores during compression fits optimally into a dielectric device. For example, with a total pore volume of 10% and a deflection of the actuator by 5% in the vertical direction, the pressure in the pores can increase double that. This increase in pressure can be sufficient to experience noticeable effects of adiabatic compression, which corresponds to a reduction in efficiency by heating the air in the pores. If dielectric devices remain in the compressed state slowly or for an extended period of time, heat can be given off into the environment (and vice versa).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel macht das Porengesamtvolumen zumindest 5%, insbesondere zumindest 2,5%, weiter insbesondere zumindest 1%, weiter insbesondere zumindest 0,5%, weiter insbesondere zumindest 0,01%, des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums aus. According to a further exemplary embodiment, the total pore volume makes up at least 5%, in particular at least 2.5%, further in particular at least 1%, further in particular at least 0.5%, further in particular at least 0.01%, of the total volume of the elastic dielectric.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Poren (im Wesentlichen) homogen in dem elastischen Dielektrikum verteilt. According to a further exemplary embodiment, the pores are (essentially) distributed homogeneously in the elastic dielectric.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat sich gezeigt, dass nebst den erwähnten Massnahmen auch eine homogene Verteilung der Poren vorteilhaft für die Gesamtleistung des Dielektrikums bzw. einer dielektrischen Vorrichtung sein kann. Bevorzugt können während der Herstellung Porenbildungsmechanismen verwendet werden, welche bereits durch ihr Wirkprinzip eine homogene Feinverteilung der Poren fördern oder beinhalten. Ein Beispiel hierfür kann die Einwirkung von hyperbarem CO2 sein, welches dadurch in eine dünne (bevorzugt noch nicht oder noch nicht vollständig vernetzte) Dielektrikum-Schicht (bzw. Polymer Basismaterial) hineindiffundiert und (bevorzugt währen der Vernetzung, damit die Porenbeweglichkeit gering bleibt und keine Porenkoagulation entsteht) dann kontrolliert zu Gasblasen expandiert. According to one exemplary embodiment, it has been shown that, in addition to the measures mentioned, a homogeneous distribution of the pores can also be advantageous for the overall performance of the dielectric or a dielectric device. Preferably, pore formation mechanisms can be used during production which, by virtue of their operating principle, promote or contain a homogeneous fine distribution of the pores. An example of this can be the action of hyperbaric CO2, which diffuses into a thin (preferably not yet or not yet fully crosslinked) dielectric layer (or polymer base material) and (preferably during crosslinking, so that the pore mobility remains low and none Pore coagulation occurs) then expanded in a controlled manner to form gas bubbles.
Diese beschriebene (hochgradig) homogene Verteilung der Poren kann es dem Dielektrikum erlauben, während mechanischer Belastungen mit minimalen Volumenbewegungen bis zur nächsten Pore zu reagieren. Diese nächste Pore kann ein geeigneter Kompressions- oder Expansionsraum für das durch äussere Kraft in einem Betriebsmodus in Höhenrichtung veränderte Gesamtvolumen bereitgestellt sein. Es wurde erkannt, dass diese hohe Homogenisierung dafür sorgen kann, dass die in einem elastischen Polymer bei dynamischer Beanspruchung aneinander reibenden Molekülketten einen minimalen Reibungsweg erleben. Da jedes Reiben von Molekülketten aneinander die Gefahr von chemischen Veränderungen erhöht (z.B. durch Umorganisation von Molekülketten), kann sich jede mechanische Verformungsbelastung grundsätzlich auf die Lebensdauer auswirken. Insbesondere Belastungen an der Obergrenze der elastischen Dehnbarkeit und hohe Hubzahlen wirken sich lebensdauerreduzierend aus. Dieser Effekt zeigt sich durch den Einsatz des Dielektrikums als Isolator, d.h. beim „unter Spannung stehen" des Isolators zusätzlich negativ. Durch die Reduktion der Bewegungswege der Molekülketten (weil sich in grosser Nähe die nächste Pore für den Volumenausgleich befindet) erfolgt so eine Verlängerung der Lebensdauer und eine Verbesserung der Alterungsbeständigkeit, insbesondere bei dynamischer Beanspruchung. Der Vorteil kann aber auch bei statischer mechanischer Beanspruchung feststellbar sein. Zusätzlich kann dieser beschriebene Effekt und die verbundenen Zusammenhänge auch für zusammengeknäuelte Molekülketten gelten. This described (highly) homogeneous distribution of the pores can allow the dielectric to react to the next pore with minimal volume movements during mechanical loads. This next pore can be provided a suitable compression or expansion space for the total volume changed in height direction by external force in an operating mode. It has been recognized that this high degree of homogenization can ensure that the molecular chains rubbing against one another in an elastic polymer under dynamic loading have a minimal effect Experience the friction path. Since every rubbing of molecular chains against each other increases the risk of chemical changes (e.g. through reorganization of molecular chains), any mechanical deformation load can fundamentally affect the service life. In particular, loads at the upper limit of elastic extensibility and high numbers of strokes reduce the service life. This effect is shown by the use of the dielectric as an insulator, ie when the insulator is "under voltage" it is also negative Service life and an improvement in resistance to aging, especially under dynamic stress. The advantage can also be noticeable under static mechanical stress. In addition, this described effect and the related relationships can also apply to coiled molecular chains.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50% (insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%) der Poren der Mehrzahl von Poren größer als die Hälfte des mittleren Durchmessers (d) der Mehrzahl von Poren. According to a further exemplary embodiment, the mean distance (r) between at least 50% (in particular at least 90%, further in particular 97%) of the pores of the plurality of pores is greater than half the mean diameter (d) of the plurality of pores.
In einem anderen Beispiel ist der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50% (insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%) der Poren der Mehrzahl von Poren größer als der mittlere Durchmesser (d) der Mehrzahl von Poren. In another example, the mean distance (r) between at least 50% (in particular at least 90%, further in particular 97%) of the pores of the plurality of pores is greater than the mean diameter (d) of the plurality of pores.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Poren derart in dem elastischen Dielektrikum verteilt, dass 10% oder weniger (insbesondere 1% oder weniger, weiter insbesondere 0,1% oder weniger) der Poren koagulieren. According to a further exemplary embodiment, the pores are distributed in the elastic dielectric in such a way that 10% or less (in particular 1% or less, further in particular 0.1% or less) of the pores coagulate.
In einem Beispiel hat sich gezeigt, dass die Spannungsfestigkeit bzw. Durchschlagsfestigkeit vor allem von der homogenen Verteilung der Poren abhängen kann. Wenn die Porenerzeugung nicht durch Nuklei entsteht (z.B. hyperbares CO2, welches Prinzip bedingt gleichverteilt in ein noch nicht vernetztes Elastomer eindringt und dadurch implizit eine natürliche Gleichverteilung eingeht), sind Methoden und Mechanismen vorhanden, um eine solche Gleichverteilung vor der Porenbildung zu erreichen (z.B. durch Ultraschall oder Mikrowelle) und dann diese Gleichverteilung bis zur Vernetzung beizubehalten. In one example it has been shown that the dielectric strength or dielectric strength can mainly depend on the homogeneous distribution of the pores. If the pore generation is not caused by nuclei (e.g. hyperbaric CO2, which principle penetrates an as yet non-crosslinked elastomer in a uniformly distributed manner and thus implicitly enters into a natural uniform distribution), methods and mechanisms are available to achieve a to achieve such uniform distribution before pore formation (e.g. by ultrasound or microwave) and then to maintain this uniform distribution until crosslinking.
In einem Beispiel wurde erreicht, dass nur wenige Poren koagulieren, was indirekt ein Massstab für die homogene Verteilung der Poren-bildenden Nuklei sein kann. Somit wurde erreicht, dass weniger als 10%, bei besonderer Sorgfalt sogar weniger als 1%, oder weniger als 0.1%, der Poren koagulieren. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass bei einer derart homogenen Verteilung der mittlere Abstand für 50% der Poren grösser als der mittlere Porendurchmesser sein kann, bei bestimmten Elastomeren gilt dieser Bezug für über 90 % der Poren, und bei besonders ausgeprägten Homogenisierungsmassnahmen für über 97% der Poren. In one example, it was achieved that only a few pores coagulate, which can indirectly be a measure of the homogeneous distribution of the pore-forming nuclei. It was thus achieved that less than 10%, with special care even less than 1%, or less than 0.1%, of the pores coagulate. Further investigations have shown that with such a homogeneous distribution the mean distance for 50% of the pores can be larger than the mean pore diameter; with certain elastomers this reference applies to over 90% of the pores, and in the case of particularly pronounced homogenization measures to over 97% of the pores Pores.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Polymer zumindest eines auf aus der Gruppe, welche besteht aus: i) einem Dien-Polymer (insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien), ii) einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form, iii) einem Copolymer mit einfach ungesättigten Monomeren (insbesondere einem von Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden), iv) einem thermoplastischen Elastomer (insbesondere einem vernetzten thermoplastischen Elastomer), v) einem Polyadditionselastomer (insbesondere Polyurethan oder einem Silikonelastomer), vi) einem Elastomer, welches nachträglich vernetzt wurde (insbesondere mittels einem aus der Gruppe, welche besteht aus Schwefel, Peroxid, UV-Strahlung, Photoinitiatoren), vii) einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. In einem Beispiel weist das Elastomer Naturkautschuk (NR) oder ein Derivat davon auf. In einem weiteren Beispiel weist das Elastomer Nitril-Butadien-Rubber (NBR) oder ein Derivat davon auf. Diese Ausführungsformen kann den Vorteil haben, dass erprobte Industriematerialien direkt eingesetzt werden können. According to a further exemplary embodiment, the elastic polymer has at least one from the group consisting of: i) a diene polymer (in particular at least one of butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, cyclopentadiene, cyclooctadiene), ii) an elastomer with a 1 , 2 and / or 1,4 linkage in cis and / or trans form, iii) a copolymer with monounsaturated monomers (in particular one of styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid, acrylic acid esters, vinyl ethers, vinyl esters, vinyl halides ), iv) a thermoplastic elastomer (in particular a crosslinked thermoplastic elastomer), v) a polyaddition elastomer (in particular polyurethane or a silicone elastomer), vi) an elastomer which was subsequently crosslinked (in particular by means of one from the group consisting of sulfur, peroxide , UV radiation, photoinitiators), vii) a polymer mixture of at least two of the above-mentioned elastomers. In one example, the elastomer comprises natural rubber (NR) or a derivative thereof. In a further example, the elastomer has nitrile butadiene rubber (NBR) or a derivative thereof. These embodiments can have the advantage that tried and tested industrial materials can be used directly.
Es hat sich gezeigt, dass mit folgenden Elastomeren besonders wünschenswerte Ergebnisse erzielt werden können: 1. Elastomere, welche als Polymerisate von Dienen, wie Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclohexadien, Cyclooctadien usw. vorliegen. It has been shown that particularly desirable results can be achieved with the following elastomers: 1. Elastomers which are present as polymers of dienes, such as butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, cyclopentadiene, cyclohexadiene, cyclooctadiene, etc.
2. Elastomere, welche in 1,2 und /oder 1,4 Verknüpfung, sowohl in cis und/oder trans- Form vorliegen. 2. Elastomers which are 1,2 and / or 1,4 linkages, both in cis and / or trans form.
3. Elastomere, welche als Copolymere mit einfach ungesättigten Monomeren wie: Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure(-estern), Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden etc. vorliegen. 3. Elastomers, which are present as copolymers with monounsaturated monomers such as: styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid (esters), vinyl ethers, vinyl esters, vinyl halides, etc.
4. Elastomere, welche einer nachfolgender Vernetzung mittels Schwefel, Peroxid, UV-Licht und Photoinitiatoren und anderen radikalinitiierten Methoden unterworfen wurden. Solche Polymere sind bekannt und als noch unvernetzte Kautschuke (z.B. NR, EPDM, SBR, NBR, HNBR, XNBR, HXNBR, BR, EVA, etc.) einsatzfähig. 4. Elastomers which have been subjected to subsequent crosslinking using sulfur, peroxide, UV light and photoinitiators and other free-radical-initiated methods. Such polymers are known and can be used as non-crosslinked rubbers (e.g. NR, EPDM, SBR, NBR, HNBR, XNBR, HXNBR, BR, EVA, etc.).
5. Ebenfalls geeignet sind thermoplastische Elastomere (TPEs), die einer nachträglichen Vernetzung zugeführt werden können. 5. Thermoplastic elastomers (TPEs) that can be subsequently crosslinked are also suitable.
6. Ferner sind geeignet Polyadditionselastomere wie Polyurethane oder Silikonelastomere nach dem Pt-Additionsverfahren (auch mittels Peroxidvernetzung). 6. Furthermore, polyaddition elastomers such as polyurethanes or silicone elastomers based on the Pt addition process (also by means of peroxide crosslinking) are suitable.
7. Darüber hinaus sind auch Gemische (Polymerlegierungen) oben genannter Elastomere im Sinne der Erfindung, sowie Elastomermischungen mit hochsiedenden Lösemitteln und „Extendern" wie Paraffine, Wachse, Kohlensäureester, Weichmacher, usw., soweit sie den generellen Ansprüchen als dielektrische Elastomere entsprechen. 7. In addition, mixtures (polymer alloys) of the elastomers mentioned above are also included in the context of the invention, as well as elastomer mixtures with high-boiling solvents and "extenders" such as paraffins, waxes, carbonic acid esters, plasticizers, etc., insofar as they meet the general requirements as dielectric elastomers.
Unabhängig davon wurden sehr gute Effekte mit elastischen Dielektrika erreicht, welche auf der Verwendung von Elastomeren mit funktionellen Gruppen, welche die Dielektrizitätskonstante (DEK) entsprechend anheben. Solche sind z.B. Nitrilkautschuk (NBR) und/oder seine Derivate wie HNBR, XNBR, HXNBR. Dabei gilt, dass ein erhöhter Nitril-Anteil die Steifigkeit/Härte erhöhen kann, aber gleichzeitig die DEK steigen lassen kann. Somit kann mit dem beschriebenen Porenanteil diese Steifheitserhöhung kompensiert werden. Zusätzlich bleibt ein homogenes Produkt erhalten, das ohne punktuelle Fremdstoffe, die eine entsprechend ungünstige Feldverzerrung verursachen und durchschlagsfördernd wirken. Die Verwendung von Dielektrika mit funktionellen Gruppen zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante können mit einem erhöhten Vernetzungsgrad einher gehen, wodurch wiederum die Dauerfestigkeit hinsichtlich Alterung, Oxidation und Wärme verbessert wird, auch wenn das Dielektrikum dadurch etwas versteift werden könnte. Irrespective of this, very good effects were achieved with elastic dielectrics, which are based on the use of elastomers with functional groups that increase the dielectric constant (DEK) accordingly. Such are, for example, nitrile rubber (NBR) and / or its derivatives such as HNBR, XNBR, HXNBR. The rule here is that an increased nitrile content can increase the rigidity / hardness, but at the same time can increase the DEK. This increase in stiffness can thus be compensated for with the pore proportion described. In addition, a homogeneous product is retained that is free of punctual foreign substances that cause a correspondingly unfavorable field distortion and promote breakdown. The use of dielectrics with functional groups to increase the dielectric constant can be associated with an increased degree of crosslinking go, which in turn improves the fatigue strength in terms of aging, oxidation and heat, even if the dielectric could be stiffened somewhat.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr (insbesondere von 12 kV/mm oder mehr, weiter insbesondere von 16 kV/mm oder mehr) auf. Durch die oben beschriebene Wahl bzw. Ausgestaltung der Poren kann die genannte besonders vorteilhafte Durchschlagfestigkeit erreicht werden. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has a dielectric strength of 5 kV / mm or more (in particular of 12 kV / mm or more, further in particular of 16 kV / mm or more). The aforementioned particularly advantageous dielectric strength can be achieved through the selection or configuration of the pores described above.
Durch die beschriebenen (insbesondere stark vereinsamten (diskreten)) Poren mit einem sehr kleinen Durchmesser kann die Feldinhomogenität im Dielektrikum reduziert werden und es können so sehr hohe Durchschlagsfestigkeiten von über 5 kV/mm, insbesondere über 16 kV/mm erreicht werden. In Folienform können die Durchschlagsfestigkeiten ca. um den Faktor drei höher sein, denn je dünner das Dielektrikum, desto höher kann die Durchschlagsfestigkeit (und die damit verbundene Teilentladung-Problematik) sein. Due to the described (in particular very isolated (discrete)) pores with a very small diameter, the field inhomogeneity in the dielectric can be reduced and very high dielectric strengths of over 5 kV / mm, in particular over 16 kV / mm, can be achieved. In foil form, the dielectric strengths can be higher by a factor of approximately three, because the thinner the dielectric, the higher the dielectric strength (and the associated partial discharge problem).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Dicke von 100 pm oder weniger (insbesondere 70 pm (50 pm, 40 pm, 20 pm) oder weniger) auf. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 15 V/pm oder mehr (insbesondere 36 V/pm oder mehr, weiter insbesondere 48 V/pm oder mehr) auf. Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Poren kann ebenfalls eine besonders vorteilhafte Durchschlagfestigkeit auch für sehr dünne Dielektrika erreicht werden (welche wiederum besonders vorteilhafte dielektrische Vorrichtungen ermöglichen). According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has a thickness of 100 μm or less (in particular 70 μm (50 μm, 40 μm, 20 μm) or less). According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has a dielectric strength of 15 V / pm or more (in particular 36 V / pm or more, further in particular 48 V / pm or more). Due to the configuration of the pores described above, a particularly advantageous dielectric strength can also be achieved for very thin dielectrics (which in turn enable particularly advantageous dielectric devices).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum auf: ein Kapazitäts-erhöhendes Additiv (insbesondere ein ferroelektrisches dielektrisches Additiv, welches in Perowskit-Art kristallisiert, weiter insbesondere ein Titanat). Dies hat den Vorteil, dass die Kapazität erhöht werden kann. Die beschriebene Porenausgestaltung kann hierbei einer Verhärtung des Polymers durch das Additiv entgegenwirken. In einem Beispiel kann ein heterogenes Dielektrikum bereitgestellt werden durch Einmischen von Kapazität-vergrössernden Stoffen. Dies können ferroelektrische Dielektrika sein, die in Perowskit (CaTi03)-Art kristallisieren. Dies sind (Misch-) Oxide von z.B. Ba, Sr, Pb und Titanat (also z.B. BaTiOs). Die Perowskit-Struktur ist ein bekannter Strukturtyp für Verbindungen wie Ferroelektrika. Diese können sehr hart und spezifisch schwer sein, so dass eine Verhärtung des Dielektrikums festgestellt werden kann. Trotz Zumischung von Kapazitäts-erhöhenden Additiven kann aber in einem Beispiel dem Effekt der Härte (und damit einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls) mittels der oben beschriebenen Porenausgestaltung des Elastomers entgegengewirkt werden. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has: a capacitance-increasing additive (in particular a ferroelectric dielectric additive which crystallizes in the perovskite manner, further in particular a titanate). This has the advantage that the capacity can be increased. The described pore design can counteract hardening of the polymer by the additive. In one example, a heterogeneous dielectric can be provided by mixing in capacitance-increasing substances. These can be ferroelectric dielectrics that crystallize in perovskite (CaTi0 3 ) type. These are (mixed) oxides of e.g. Ba, Sr, Pb and titanate (e.g. BaTiOs). The perovskite structure is a well-known type of structure for compounds such as ferroelectrics. These can be very hard and specifically heavy, so that hardening of the dielectric can be determined. Despite the addition of capacity-increasing additives, in one example the effect of hardness (and thus an increase in the modulus of elasticity) can be counteracted by means of the above-described pore design of the elastomer.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Dielektrikum auf: ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE). Dies hat den Vorteil, dass in spezifischen Anwendungen die Gleitfähigkeit und/oder die Rückstellfähigkeit des elastischen Polymers verbessert werden kann. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric has: a fluoropolymer, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE). This has the advantage that, in specific applications, the sliding ability and / or the resilience of the elastic polymer can be improved.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum als Isolator in einem elektrischen Kabel (oder z.B. einem Vibrationsdämpfer) verwendet. Für diese Ausführungsvariante(n) wird dem elastischen Polymer bevorzugt ein Fluorpolymer wie PTFE als Additiv beigefügt. Dies kann folgende zusätzliche positive Eigenschaftsveränderungen bewirken: i) verbesserte Gleitfähigkeit zwischen dem Dielektrikum und weiteren Lagen in einem Kabel, ii) eine verbesserte Rückstellfähigkeit im elastischen Polymer bei mechanischer Expansion oder Kompression. In one embodiment, the dielectric is used as an insulator in an electrical cable (or e.g., a vibration damper). For this embodiment variant (s), a fluoropolymer such as PTFE is preferably added as an additive to the elastic polymer. This can bring about the following additional positive changes in properties: i) improved sliding ability between the dielectric and further layers in a cable, ii) improved resilience in the elastic polymer in the event of mechanical expansion or compression.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum (im Wesentlichen) als Integralschaum ausgebildet. Insbesondere weist das elastische Dielektrikum eine (im Wesentlichen) geschlossene äußere Schicht auf. Dies hat den Vorteil, dass das Dielektrikum im Außenbereich (insbesondere bei Einsatz in einer dielektrischen Vorrichtung zwischen zwei Elektroden) gegen Teilentladungen geschützt ist. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is (essentially) designed as an integral foam. In particular, the elastic dielectric has a (essentially) closed outer layer. This has the advantage that the dielectric is protected against partial discharges in the outer area (in particular when used in a dielectric device between two electrodes).
Als Integralschaum kann z.B. eine Schaumart bezeichnet werden, welche eine geschlossene Aussenhaut (bzw. Außenschicht) aufweist und in der Dichte nach innen abnimmt. Bevorzugt bezieht sich der Begriff „Integralschaum" in diesem Dokument allerdings auf das Merkmal der Außenschicht und nicht auf die Dichtevariation. For example, a type of foam that has a closed outer skin (or outer layer) and decreases in density towards the inside can be referred to as integral foam. The term “integral foam” preferably relates in this However, document on the characteristic of the outer layer and not on the density variation.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum analog eines Integralschaums (bezüglich der Außenschicht) ausgestaltet. Dadurch, dass es auf der Oberfläche des Dielektrikums (bzw. des elastischen Polymers) (im Wesentlichen) keine Poren gibt, kann verhindert werden, dass Teilentladungs- Effekte (insbesondere Elmsfeuer) an der Elektrode einer dielektrischen Vorrichtung entstehen. Ein beispielhafter Prozess hierfür wäre „reaction injection moulding" (RIM). Dabei wird die Poren-freie Zone auf einer tieferen Temperatur gehalten als das restliche Dielektrikum. Durch die tiefere Temperatur findet eine deutlich schwächere Porenbildung statt, was für den erwähnten Effekt der Außenschicht erstaunlicherweise bereits ausreichen kann. In one embodiment, the dielectric is designed analogously to an integral foam (with regard to the outer layer). The fact that there are (essentially) no pores on the surface of the dielectric (or of the elastic polymer) can prevent partial discharge effects (in particular Elmsfeuer) from occurring on the electrode of a dielectric device. An exemplary process for this would be "reaction injection molding" (RIM). The pore-free zone is kept at a lower temperature than the rest of the dielectric. The lower temperature results in significantly weaker pore formation, which is surprising for the mentioned effect of the outer layer can already be enough.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet, welche eine Ebene aufspannen, und das elastische Dielektrikum ist eingerichtet in einem Betriebsmodus eine Längenänderung in einer Höhenrichtung (z) durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Dielektrikum auf vorteilhafte Weise als Aktor und/oder Sensor in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is formed along two main directions of extent (x, y), which span a plane, and the elastic dielectric is set up in an operating mode to carry out a change in length in a height direction (z) which is perpendicular to the main directions of extent (x, y) is oriented. This has the advantage that the dielectric described can advantageously be used as an actuator and / or sensor in a large number of applications.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum eingerichtet in einem Betriebsmodus in zumindest einer Raumrichtung eine Längenänderung von 1% oder mehr (insbesondere 3% oder mehr, weiter insbesondere 5% oder mehr) durchzuführen. Ferner ist das elastische Dielektrikum eingerichtet eine Mehrzahl von den Längenänderungen durchzuführen. According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is set up to carry out a change in length of 1% or more (in particular 3% or more, further in particular 5% or more) in an operating mode in at least one spatial direction. Furthermore, the elastic dielectric is set up to carry out a plurality of the changes in length.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann mittels der beschriebenen Poren Ausgestaltung (insbesondere auch durch die hohe homogene Verteilung der Poren) neben der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften auch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden: die bereits beschriebene, für jedes Elastomermolekül grosse Nähe zur nächsten Pore bei Volumenveränderungskompensation hat noch weitere zusätzliche Effekte: durch die somit reduzierte Bindungsbelastung der Molekülketten kann sich eine gute Rückstellfähigkeit des Elastomers (bzw. dem elastischem Polymer) einstellen. Dies insbesondere auch bei Langzeitwechselbelastungen. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Kriechneigung reduziert werden kann. According to one embodiment, the described pore configuration (in particular also due to the highly homogeneous distribution of the pores) can be used to improve the electrical properties as well as an improvement in the mechanical properties: the already described close proximity to the next pore for each elastomer molecule Volume change compensation has other additional effects: the reduced bond load on the molecular chains can result in good resilience of the elastomer (or the elastic polymer). This is especially true for long-term fluctuating loads. In addition, it was found that the tendency to creep can be reduced.
Diese Reduktion eines mechanischen Ermüdungseffektes kann sich vor allem bei grösseren mechanischen Auslenkungen im Dielektrikum zeigen. So wurden Verbesserungen der erwähnten mechanischen Eigenschaften festgestellt, wenn das Elastomer in zumindest einer Richtung eine Längenänderung von mehr als 1%, bevorzugt mehr als 3%, besonders bevorzugt mehr als 5% erlebt. Auch mechanische Wechselbeanspruchungen können durch die beschriebene Ausgestaltung besser toleriert werden. Es wurde festgestellt, dass das Dielektrikum die erwähnte Längenänderung mehrfach, bei adäquater Auslegung sehr häufig zulässt und gegenüber Vergleichsprodukten konstant bessere mechanische Eigenschaften aufweist. This reduction in a mechanical fatigue effect can be particularly evident in the case of larger mechanical deflections in the dielectric. Improvements in the mechanical properties mentioned were found when the elastomer experiences a change in length of more than 1%, preferably more than 3%, particularly preferably more than 5%, in at least one direction. Mechanical alternating stresses can also be better tolerated by the design described. It was found that the dielectric allows the mentioned change in length several times, very often with adequate design and has consistently better mechanical properties compared to comparable products.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Dielektrikum zur Herstellung eines dielektrischen Aktors und/oder eines dielektrischen Sensors (DEAS) verwendet. Insbesondere für DEAS mit hoher dynamischer Belastung hat sich gezeigt, dass sowohl das Alterungsverhalten und die Durchschlagsfestigkeit optimiert werden konnten als auch die Poren zur Aufnahme des im Rahmen der DEAS- Kompression entstehenden Überschussvolumens im elastischen Polymer des Dielektrikums geeignet sind. In one embodiment, the dielectric is used to produce a dielectric actuator and / or a dielectric sensor (DEAS). Particularly for DEAS with high dynamic loads, it has been shown that both the aging behavior and the dielectric strength could be optimized and the pores are also suitable for absorbing the excess volume in the elastic polymer of the dielectric that is created during the DEAS compression.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines elektrischen Kabels verwendet, insbesondere welches für hohe Spannungsbelastungen ausgelegt ist und gleichzeitig eine hohe Langzeitlastwechselfestigkeit und/oder eine verbesserte Querschnittsstabilität aufweist. Betreffend Querschnittsstabilität kann durch die Poren das bei einer Biegung verdrängtes oder gedehntes Materialvolumen kompensiert werden. Dadurch kann das Bilden einer Ovalverformung unterdrückt werden. In a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is used to produce an electrical cable, in particular which is designed for high voltage loads and at the same time has a high long-term load cycle strength and / or an improved cross-sectional stability. In terms of cross-sectional stability, the pores can compensate for the volume of material displaced or expanded during bending. Thereby, the formation of an oval deformation can be suppressed.
Insbesondere können mit dem elastischen Dielektrikum Litzen und/oder Drähte umhüllt und isoliert werden (insbesondere um daraus Kabel bereitzustellen), welche aufgrund der Komprimierbarkeit des elastischen Dielektrikums eine besonders hohe Flexibilität und Geschmeidigkeit aufweisen. In particular, strands and / or wires can be sheathed and insulated with the elastic dielectric (in particular to provide cables therefrom), which, due to the compressibility of the elastic dielectric, have a particularly high degree of flexibility and suppleness.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines Kondensators verwendet (insbesondere einem Kondensator, welcher akusto-elektrische Eigenschaften aufweist). Durch die Poren kann eine grössere Elastizität erreicht werden, wodurch wiederum die akustische Abstrahlleistung beim Anlegen einer Wechselspannung verbessert werden kann. In a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is used to produce a capacitor (in particular a capacitor which has acousto-electrical properties). The pores can achieve greater elasticity, which in turn can improve the acoustic radiation output when an alternating voltage is applied.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das elastische Dielektrikum zur Herstellung eines elektrisch isolierenden Vibrationsdämpfers verwendet. Durch die verbesserten Hochspannungseigenschaften kann sowohl die Spannungsfestigkeit als auch die Langzeitstabilität des entsprechenden Bauteils verbessert werden. Durch die inhärenten Poren (Gasblasen) kann eine Querschnittsveränderung bei mechanischer Belastung reduziert werden. In a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is used to produce an electrically insulating vibration damper. Due to the improved high voltage properties, both the dielectric strength and the long-term stability of the corresponding component can be improved. The inherent pores (gas bubbles) can reduce a change in cross-section in the event of mechanical stress.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das elastische Dielektrikum als Isolator in einem elektro-mechanischen System verwendet werden. In einem Beispiel kann sich durch die verbesserten Hochspannungseigenschaften die Bauform bei derartigen Systemen verkleinern lassen. In a further exemplary embodiment, the elastic dielectric can be used as an insulator in an electro-mechanical system. In one example, the improved high-voltage properties can reduce the size of such systems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung ist das zumindest eine elastische Dielektrikum an den beiden benachbarten Elektroden (bzw. nur an einer der beiden benachbarten Elektroden) haftend befestigt. Dies hat den Vorteil, dass die dielektrische Vorrichtung besonders robust und zugleich effizient ausgestaltet werden kann, und dass Teilentladungen vermindert (bzw. unterdrückt) werden können. According to a further exemplary embodiment of the dielectric device, the at least one elastic dielectric is adhered to the two adjacent electrodes (or only to one of the two adjacent electrodes). This has the advantage that the dielectric device can be designed to be particularly robust and at the same time efficient, and that partial discharges can be reduced (or suppressed).
In einem Beispiel wird das Dielektrikum haftend mit beiden Elektroden in Verbindung gebracht. Diese Haftung ist bevorzugt so stark, dass sie grösser ist als die im Betrieb auftretenden expansiven Kräfte (z.B. externe Belastung bei dielektrischem Sensor oder Abstossungskraft bei dielektrischem Aktor). Dies muss, je nach Anwendungsbereich, nicht besonders stark sein. Dadurch können Abstossungseffekte (die allerdings sehr schwach sein können) bei Aktoren durch gleichartig geladene Elektroden möglich sein, sowie ein entsprechend erweiterter Sensorbereich bei der Verwendung. Des Weiteren kann durch diese Haftung sichergestellt werden, dass keine grossflächigen (z.B. grösser als 100 bis 10000 Quadratmikrometer) Lufteinschlüsse zwischen Elektrode und Dielektrikum existieren, welche Teilentladungs-Probleme verursachen können. In one example, the dielectric is adhesively bonded to both electrodes. This adhesion is preferably so strong that it is greater than the expansive forces occurring during operation (eg external load in the case of a dielectric sensor or repulsion force in the case of a dielectric actuator). Depending on the area of application, this does not have to be particularly strong. As a result, repulsion effects (which, however, can be very weak) can be possible with actuators due to electrodes that are charged in the same way, as well as a correspondingly extended one Sensor area when using. Furthermore, this adhesion can ensure that there are no large-area (eg larger than 100 to 10,000 square micrometers) air inclusions between the electrode and the dielectric, which could cause partial discharge problems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung ist die maximale Längenänderung der dielektrischen Vorrichtung in einem Betriebsmodus in der Höhenrichtung (z) 20% oder weniger (insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger). Dies hat den überraschenden Vorteil, dass der Wirkungsgrad der dielektrischen Vorrichtung verbessert werden kann. According to a further exemplary embodiment of the dielectric device, the maximum change in length of the dielectric device in an operating mode in the height direction (z) is 20% or less (in particular 12% or less, further in particular 8% or less). This has the surprising advantage that the efficiency of the dielectric device can be improved.
Durch den geringen Gesamtvolumen-Anteil der Poren kann einerseits die Spannungsfestigkeit sichergestellt werden, andererseits aber auch das Volumen begrenzt werden, welches als Verdrängungsraum für die aktivierte (bzw. im Betriebsmodus befindliche) dielektrische Vorrichtung zur Verfügung steht. So hat sich in einem Ausführungsbeispiel gezeigt, dass die dielektrische Vorrichtung maximal 20% Längenänderung in Höhenrichtung vorteilhaft erlebt, dass bei Längenänderungen bis zu 12% der Wirkungsgrad besonders wünschenswert und bei Längenänderungen bis zu 8% der Wirkungsgrad im Wesentlichen optimal sein kann. Due to the low total volume fraction of the pores, on the one hand the dielectric strength can be ensured, but on the other hand the volume which is available as a displacement space for the activated (or in the operating mode) dielectric device can be limited. It has been shown in one embodiment that the dielectric device experiences a maximum of 20% change in length in the vertical direction, that with length changes of up to 12% the efficiency is particularly desirable and with length changes of up to 8% the efficiency can be essentially optimal.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bilden der Mehrzahl von Poren auf: i) Beaufschlagen von (im Wesentlichen) nicht ausgehärtetem (insbesondere nicht vollständig vernetztem) Basismaterial mit einem Fluid (insbesondere CO2) bei vorbestimmtem Druck, und danach ii) Absenken des vorbestimmten Drucks während einem Aushärten (insbesondere Vernetzen) des Basismaterials. Dies hat den Vorteil, dass die beschriebenen Poren besonders effizient mit erprobten und etablierten Verfahren (insbesondere homogen verteilt) bereitgestellt werden können. According to a further exemplary embodiment of the method, the formation of the plurality of pores comprises: i) applying a fluid (in particular CO2) to (essentially) non-hardened (in particular not completely crosslinked) base material at a predetermined pressure, and then ii) lowering the predetermined pressure Pressure during curing (in particular crosslinking) of the base material. This has the advantage that the described pores can be provided particularly efficiently with tried and tested and established methods (in particular homogeneously distributed).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bilden der Mehrzahl von Poren zumindest einen der folgenden Schritte auf: i) Einbringen eines Treibmittels in das Basismaterial, und nachfolgend thermisches Zersetzen des Treibmittels (insbesondere während einer Schwefelvulkanisation oder einer Peroxidvernetzung), ii) Durchführen einer photochemisch aktivierten Peroxidvernetzung derart, dass Sauerstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt, iii) photochemisches Initiieren einer Azopolymerisation derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt, iv) Generieren von CO2 als porenbildendes Gas (insbesondere unter Verwenden von zumindest einer der folgenden Substanzen: Photoacidgenerator (PAG), Photoacid (PAH), carboxyliertem Nitrilkautschuk, Isocyanat), v) thermisches Zersetzen von Tetrazolen (insbesondere gebildet mittels der Nitrilgruppen von Nitrilkautschuk und Aziden) derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass die beschriebenen Poren besonders effizient mit erprobten und etablierten Verfahren bereitgestellt werden können. According to a further exemplary embodiment of the method, the formation of the plurality of pores has at least one of the following steps: i) Introducing a propellant into the base material, and subsequently thermal decomposition of the propellant (in particular during a sulfur vulcanization or a Peroxide crosslinking), ii) carrying out a photochemically activated peroxide crosslinking in such a way that oxygen is split off and acts as a pore-forming gas, iii) photochemical initiation of an azo polymerization in such a way that nitrogen is split off and acts as a pore-forming gas, iv) generation of CO2 as a pore-forming gas (in particular using at least one of the following substances: photoacid generator (PAG), photoacid (PAH), carboxylated nitrile rubber, isocyanate), v) thermal decomposition of tetrazoles (in particular formed by means of the nitrile groups of nitrile rubber and azides) in such a way that nitrogen is split off and as pore-forming gas acts. This also has the advantage that the described pores can be provided particularly efficiently using tried and tested and established methods.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren auf: Initiieren einer gezielten Vernetzung in dem Basismaterial. Insbesondere wobei das Initiieren zumindest eines ist aus der Gruppe, welche besteht aus: i) Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung, ii)According to a further exemplary embodiment, the method comprises: initiating targeted crosslinking in the base material. In particular, where the initiation is at least one from the group consisting of: i) radiation crosslinking, in particular by means of UV radiation, ii)
Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle, iii) thermisch initiiertes Radikalvernetzen, iv) thermisches Schwefelvernetzen, v) Peroxid-initiiertes Radikalvernetzen. Auf diese Weise kann das Vernetzen vorteilhaft beeinflusst bzw. gesteuert werden. Auch können dadurch sehr dünne Schichten (z.B. in dem Bereich ca. 20 bis 150 Mikrometer) effizient aufgebracht werden. Electron crosslinking, in particular by means of an electron beam source, iii) thermally initiated radical crosslinking, iv) thermal sulfur crosslinking, v) peroxide-initiated radical crosslinking. In this way, the networking can advantageously be influenced or controlled. This also allows very thin layers (e.g. in the range of approx. 20 to 150 micrometers) to be applied efficiently.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist das Basismaterial ein Polymergel. Dies kann den Vorteil haben, dass ein elastisches Dielektrikum mit besonders vorteilhaften elastischen Eigenschaften bereitgestellt werden kann. According to a further exemplary embodiment of the method, the base material is a polymer gel. This can have the advantage that an elastic dielectric with particularly advantageous elastic properties can be provided.
Gele können als viskoelastische Flüssigkeiten definiert werden, die gleichzeitig die Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten haben. Bei den Feststoffen kann es sich um vernetzte Elastomere handeln, die in einem dreidimensionalen Netzwerk eingelagerte Flüssigkeitsanteile haben. Damit ergibt sich für das Elastomernetzwerk die Möglichkeit einer freieren Ausbreitung in die flüssigen Freiräume: Beispielsweise können sich Knäuel auflösen oder entspannen, Verwindungen, Spiralen, Wendel können sich strecken, usw. insgesamt also deutlich leichter bewegen. Gels can be defined as viscoelastic liquids that have the properties of solids and liquids at the same time. The solids can be crosslinked elastomers that have liquid components embedded in a three-dimensional network. This gives the elastomer network the possibility of a more free spread into the liquid free spaces: For example, balls can dissolve or relax, Twists, spirals, helixes can stretch, etc. so move much more easily overall.
Damit können Gele der vorliegenden Art besonders geeignet für Aktor und Sensor-Aufgaben sein, da sie die leichte Verformbarkeit von Flüssigkeiten mit der Rückstell- Elastizität der Elastomere verbinden können. Wichtig können hierbei die angeführten hohen Siedepunkte der Flüssigkeiten (z.B. cyclische Carbonate etc.) sein, damit sich das Gleichgewicht, durch Verdampfung, nicht vom Gel zum Elastomer verschiebt. This means that gels of the present type can be particularly suitable for actuator and sensor tasks, since they can combine the easy deformability of liquids with the resilience of elastomers. The listed high boiling points of the liquids (e.g. cyclic carbonates etc.) can be important here, so that the equilibrium does not shift from the gel to the elastomer due to evaporation.
In einer besonderen Ausführungsform können die Gele mit thixotopen Eigenschaften ausgerüstet werden, welche Gele per Scherung (also dielektrischer Belastung) reversibel "flüssiger", also leichter verformbar, machen. In a particular embodiment, the gels can be provided with thixotopic properties which make gels reversibly “more fluid”, that is to say more easily deformable, by shearing (ie dielectric loading).
Die nachfolgenden Ausführungsvarianten beziehen sich auf Mechanismen der Porenerzeugung und können sowohl untereinander als auch mit obigen Mechanismen frei kombinierbar sein. Die Aufzählung ist beispielhaft. Wie in nachfolgenden Ausführungsvarianten unten dargestellt, werden die Gase, die die Hohlräume in der Folge füllen, in der Regel durch chemische Reaktionen gebildet. i) Vollständige, oder in der Regel partielle Drucksättigung, von thermoplastischem (unvernetztem) Elastomer mit Gas (Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase) bei 30 bis 200 bar Druck und nachfolgende rasche Entspannung zur Mikroporenbildung und eine sich unmittelbar anschließende Vernetzung (insbesondere photochemisch). ii) Thermische Zersetzung von Treibmitteln im Zuge einer bei 150° bis 200° C ablaufenden Schwefelvulkanisation von ungesättigten Elastomeren: NR, NBR, EPDM, SBR etc. Solche Treibmittel (z.B. Azodicarbonamid, Sulfonsäurehydrazide, Nitrosamine, Phenyltetrazol etc.) zersetzen sich, eventuell durch „Kicker" aktiviert, bei Temperaturen von 120° bis 200° C, also im Bereich der Vulkanisation. Die Gasausbeuten (z.B. N2, CO2) können in der Größenordnung von 120 bis 230 ml/g liegen. Es sind somit zur Erzielung eines Porenvolumens zwischen 8% und 40% Einsatzmengen von 0,5 bis 2 mg Treibmittel/g Elastomer einzubringen, vornehmlich in Form einer Lösung, bevorzugt jenes Lösungsmittel, in dem das unvulkanisierte Elastomer inkl. aller Vernetzungs- und Hilfsstoffen gelöst bzw. dispergiert wurde, um es in entsprechender Schichtstärke auf einen Träger (Förderband, Form, Trägerschicht, aber auch Metallelektrode) aufzubringen (sprühen, räkeln, Siebdruck, gießen...)· iii) Gesättigte Elastomere (z.B. HNBR, auch solche mit Ölen als Extender) sind nicht mit Schwefel, aber mit Peroxid vernetzbar. Hier kann analog Ausführungsbeispiel ii) vorgegangen werden, wobei bei tieferen Temperaturen (100° bis 130° C) gearbeitet wird. Dies erfordert einerseits Treibmittel mit niedriger Zersetzungstemperatur (Sulfohydrazide), ermöglicht gleichzeitig den Einsatz von Natriumbicarbonat, welches in CÖ2 und H2O (neben Na2CÖ3) zerfällt. Bei Arbeitstemperaturen > 100°C sind beide Zersetzungsprodukte gasförmig und als Porenbildner brauchbar, zumindest jedoch CO2 (1 g NaHCÖ3 stellt bis zu 260 ml CO2 zur Verfügung). Die Einsatzmengen können sehr gering sein (unter 2 mg/g Elastomer). iv) Eine Peroxidvernetzung (sowohl für gesättigte als auch ungesättigte Elastomere) kann auch photochemisch ausgeführt werden. Dies gelingt mit UV- Lichtquellen (Hg-Hochdrucklampen) bzw. LED-Blaulichtquellen, bei moderaten Temperaturen (> 0°C). Durch Abstimmung von Peroxiden und UV-Quellen (Wellenlängen) lässt sich eine gleichzeitige Vernetzung mittels Peroxid A und Zersetzung von Peroxid B unter Abspaltung von Sauerstoff als Gaslieferant ausführen. Benzoylperoxid (als Beispiel für Peroxid B) liefert etwa 90 ml Ö2/g. Somit sind Zusätze von 1-5 mg/g Elastomer einzusetzen. v) Analog der photochemischen Peroxidvernetzung kann dies auch mit Azopolymerisations-Initiatoren (wie Azo-bis-(isobutyronitril)- AIBN) möglich sein. Auch diese zerfallen unter UV-Einfluss in vernetzende Radikale und N2, welches in situ zur Porenbildung verwendet werden kann, beispielsweise 1 g AIBN liefert 130 bis 140 ml N2. Durch Kombination unterschiedlicher, kommerziell erhältlicher Azonitrile und verwandter Initiatoren lassen sich Vernetzungs- und Zersetzungstemperatur zur N2-Gewinnung in einem weiten Bereich (50 bis 150°C) einstellen. vi) Kombination von iv) und v) zur wahlweisen Vernetzung mittels Peroxid und/oder Azonitril bzw. Gasgewinnung mittels Peroxid und/oder Azonitril. Gegebenenfalls auch in einer Mehrphasenbestrahlung mittels unterschiedlicher Wellenlängen bzw. unterschiedlicher Temperaturen. vii) Variation der Ausführungsbeispiele iv), v) und vi) derart, dass Peroxide und/oder Azonitrile lediglich zur Gasgewinnung verwendet werden, während die Vernetzung mit anderen, nicht gasbildenden, Photoinitiatoren erfolgt. Solche (z.B. Alkylhydroxybenzophenone, Polythiole etc.) erlauben eine weitgehende Anpassung an Elastomertyp und Vernetzungsbedingungen. viii) Photoacidgeneratoren (PAGs) und Photoacide (PAHs) bilden unter UV- Einfluss sogenannte Brönsted- oder Lewis-Säuren. Diese Reaktionsprodukte werden üblicherweise zur kationischen Polymerisation/Härtung von Epoxiden und Vinylethern eingesetzt, sind jedoch zur Vernetzung von Elastomeren, in der Regel nicht geeignet. Erfindungsgemäß lassen sich aber diese Säuren in Kombination mit feinteiligen Carbonaten der Alkali- und Erdalkalimetalle sowie Ammoniumbasen zur Generierung von CO2 verwenden. Die UV-Strahlung, die zu dieser Reaktion benötigt wird, kann aber auch gleichzeitig zu einer Vernetzung und/oder zusätzlichen Porenbildung gemäß Ausführungsbeispielen iv), v), vi), und vii) verwendet werden. ix) Eine weitere Ausführungsvariante generiert CO2 aus der Kombination von Elastomeren mit (z.B. carboxyliertem Nitrilkautschuk wie XNBR bzw. HXNBR in seiner hydrierten Form) als saure Komponente: Unter Nutzung der Carboxylfunktion wird aus feinteiligen Carbonaten CO2 generiert. Vernetzung mittels Photoreaktionen iv) - viii). x) In einer weiteren Ausführungsform kann CO2 durch Reaktion von Isocyanaten (R-NCO) mit Wasser unter Bildung von Harnstoffderivaten (2 RNCO + H2O - RNH-CO-NH-R+CC ) generiert werden. Um die unvorteilhafte Einbringung von Wasser in ein Elastomer-Isocyanatgemisch zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das benötigte Wasser in situ durch Reaktion von Säure mit Base zu generieren. Dabei wird der Säureteil gemäß Ausführungsbeispiel viii) durch eine Photoreaktion aus PAG generiert. Der Basenanteil wird bevorzugt durch quartäre Ammoniumbasen, vorzugsweise Tetrabutylammoniumhydroxid, beigestellt. Der besondere Vorteil kann in der Löslichkeit dieser Base in organischen Lösungsmitteln liegen, sowie in einer, die Reaktion von Isocyanat mit Wasser katalysierenden, Funktion dieser Verbindung. xi) Ein weiteres Ausführungsbeispiel geht vom thermischen Zersetzungspotential von Tetrazolen (Bildung von N2) aus. Diese können durch (partiale) Reaktion von Nitrilgruppen aus NBR- Kautschuken (des Dielektrikums) mit Aziden gebildet werden. Die Vernetzung geschieht z.B. thermisch oder photokatalytisch. xii) Ein weiteres Ausführungsbeispiel benützt nicht vernetzte Elastomere als Dielektrikum, sondern Polymergele, vorzugsweise aus PVDF, HFP etc., in organischen Karbonaten wie Propylencarbonat und benützt Photo-Reaktionen laut Beispielen iv) bis viii) oder Isocyanatreaktion zur Gas- bzw. Porenbildung im Zuge des Gelierungsprozesses. The following design variants relate to mechanisms of pore generation and can be freely combined both with one another and with the above mechanisms. The list is exemplary. As shown in the following design variants below, the gases that subsequently fill the cavities are usually formed by chemical reactions. i) Complete, or usually partial, pressure saturation of thermoplastic (uncrosslinked) elastomer with gas (nitrogen, carbon dioxide, noble gases) at 30 to 200 bar pressure and subsequent rapid relaxation to form micropores and immediately subsequent crosslinking (especially photochemical). ii) Thermal decomposition of blowing agents in the course of sulfur vulcanization of unsaturated elastomers at 150 ° to 200 ° C: NR, NBR, EPDM, SBR etc. Such blowing agents (e.g. azodicarbonamide, sulfonic acid hydrazides, nitrosamines, phenyltetrazole etc.) decompose, possibly through "Kicker" activated at temperatures of 120 ° to 200 ° C, ie in the range of vulcanization. The gas yields (eg N2, CO2) can be in the range of 120 to 230 ml / g 8% and 40% amounts of 0.5 to 2 mg propellant / g elastomer to be introduced, primarily in the form of a solution, preferably that solvent, in which the unvulcanized elastomer, including all crosslinking and auxiliary substances, was dissolved or dispersed in order to apply it to a carrier (conveyor belt, mold, carrier layer, but also metal electrode) in the appropriate layer thickness (spraying, lolling, screen printing, pouring ...) · Iii) Saturated elastomers (eg HNBR, including those with oils as extenders) cannot be crosslinked with sulfur, but with peroxide. The procedure here is analogous to embodiment ii), working at lower temperatures (100 ° to 130 ° C.). On the one hand, this requires propellants with a low decomposition temperature (sulfohydrazides), and at the same time enables the use of sodium bicarbonate, which breaks down into CO 2 and H 2 O (in addition to Na 2 CO 3). At working temperatures> 100 ° C, both decomposition products are gaseous and can be used as pore-forming agents, but at least CO2 (1 g NaHCO3 provides up to 260 ml CO2). The amounts used can be very small (less than 2 mg / g elastomer). iv) Peroxide crosslinking (for both saturated and unsaturated elastomers) can also be carried out photochemically. This is achieved with UV light sources (Hg high pressure lamps) or LED blue light sources at moderate temperatures (> 0 ° C). By coordinating peroxides and UV sources (wavelengths), simultaneous crosslinking by means of peroxide A and decomposition of peroxide B with the elimination of oxygen as a gas supplier can be carried out. Benzoyl peroxide (as an example for peroxide B) provides about 90 ml O2 / g. Additions of 1-5 mg / g elastomer should therefore be used. v) Analogously to the photochemical peroxide crosslinking, this can also be possible with azo-polymerization initiators (such as azo-bis (isobutyronitrile) - AIBN). These also break down under the influence of UV into crosslinking radicals and N2, which can be used in situ to form pores, for example 1 g of AIBN provides 130 to 140 ml of N2. By combining different, commercially available azonitriles and related initiators, the crosslinking and decomposition temperature for N2 production can be set in a wide range (50 to 150 ° C). vi) Combination of iv) and v) for optional crosslinking by means of peroxide and / or azonitrile or gas extraction by means of peroxide and / or azonitrile. If necessary also in a multiphase irradiation by means of different wavelengths or different temperatures. vii) Variation of the exemplary embodiments iv), v) and vi) such that peroxides and / or azonitriles are only used for gas extraction, while the crosslinking takes place with other, non-gas-forming photoinitiators. Such (eg alkylhydroxybenzophenones, polythiols etc.) allow extensive adaptation to the type of elastomer and crosslinking conditions. viii) Photoacid generators (PAGs) and photoacids (PAHs) form so-called Brönsted or Lewis acids under the influence of UV. These reaction products are usually used for the cationic polymerization / curing of epoxides and vinyl ethers, but are generally not suitable for crosslinking elastomers. According to the invention, however, these acids can be used in combination with finely divided carbonates of the alkali and alkaline earth metals and ammonium bases to generate CO 2 . The UV radiation that is required for this reaction can, however, also be used at the same time for crosslinking and / or additional pore formation according to exemplary embodiments iv), v), vi), and vii). ix) Another variant generates CO 2 from the combination of elastomers with (eg carboxylated nitrile rubber such as XNBR or HXNBR in its hydrogenated form) as an acidic component: using the carboxyl function, CO 2 is generated from finely divided carbonates. Crosslinking by means of photoreactions iv) - viii). x) In a further embodiment, CO 2 can be generated by reaction of isocyanates (R-NCO) with water to form urea derivatives (2 RNCO + H 2 O - RNH-CO-NH-R + CC). In order to avoid the disadvantageous introduction of water into an elastomer-isocyanate mixture, it is proposed to generate the required water in situ by reacting acid with base. The acid part according to embodiment viii) is generated from PAG by a photoreaction. The base portion is preferred to quaternary Ammonium bases, preferably tetrabutylammonium hydroxide, provided. The particular advantage can lie in the solubility of this base in organic solvents and in a function of this compound which catalyzes the reaction of isocyanate with water. xi) Another embodiment is based on the thermal decomposition potential of tetrazoles (formation of N2). These can be formed by the (partial) reaction of nitrile groups from NBR rubbers (the dielectric) with azides. The crosslinking takes place, for example, thermally or photocatalytically. xii) Another embodiment uses non-crosslinked elastomers as dielectric, but polymer gels, preferably made of PVDF, HFP, etc., in organic carbonates such as propylene carbonate and uses photo reactions according to examples iv) to viii) or isocyanate reaction for gas or pore formation in the course the gelation process.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein elastisches Dielektrikum beschrieben, welches ein elastisches Polymer mit einer Mehrzahl von Poren aufweist, wobei die Poren diskrete gasgefüllte Hohlräume sind, wobei die Gesamtheit der Poren in dem elastischen Polymer einen mittleren Porendurchmesser von 50 pm oder weniger aufweist, und wobei die Gesamtheit der Poren in dem elastischen Polymer ein Porengesamtvolumen aufweist, welches 60% (insbesondere 40%) oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums ausmacht. According to an exemplary embodiment, an elastic dielectric is described which has an elastic polymer with a plurality of pores, the pores being discrete gas-filled cavities, the totality of the pores in the elastic polymer having an average pore diameter of 50 μm or less, and where the totality of the pores in the elastic polymer has a total pore volume which makes up 60% (in particular 40%) or less of the total volume of the elastic dielectric.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben. In the following, exemplary embodiments of the present invention are described in detail with reference to the following figures.
Figuren la, lb, und lc zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figures la, lb, and lc each show a dielectric device according to an embodiment of the invention.
Figur ld zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figure ld shows a dielectric device as a stack actuator / sensor according to an embodiment of the invention.
Figur 2 zeigt ein elastisches Dielektrikum, welches eine Mehrzahl von Poren aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bevor die Figuren detailliert beschrieben werden, werden im Folgenden nochmals einige exemplarische Ausführungsbeispiele zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens diskutiert. FIG. 2 shows an elastic dielectric, which has a plurality of pores, according to an exemplary embodiment of the invention. Before the figures are described in detail, some exemplary embodiments are discussed again below to illustrate the concept of the invention.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel soll einerseits für das gestauchte oder expandierte elastische Dielektrikum ein entsprechender Raum geschaffen werden, so dass diese Bewegungen ohne wesentliche seitliche Volumenänderungen in x- oder y-Richtung möglich sind. Andererseits soll die elektrische Feldproblematik von Gasblasen minimiert werden. Für kleine Poren kann die Feldstörung (bzw. Feldverzerrung) kleiner (mehr als nur linear kleiner) als bei grösseren Poren sein. Basierend auf den vorhandenen Rechnungsmodellen lässt sich sagen, dass die Kapazitätsveränderungen durch die Poren mit dem Quadrat des Radius einer Pore einhergehen. Dies erlaubt es für jeden Einsatzbereich durch Wahl der mittleren (oder maximalen) Porendurchmesser eine für diesen Einsatzbereich passende Teilentladung festzulegen. Eine Teilentladung ist zwar nicht wünschenswert, aber es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, dass es für das Gestalten eines Teilentladung- Verhaltens keine nano-skalinen Poren benötigt, sondern dass bereits mikro- skaline Poren die Problematik der Teilentladungen derart entschärfen, dass ein Einsatz als dielektrische Vorrichtung (z.B. DEA) effizient ermöglicht ist. According to an exemplary embodiment, on the one hand, a corresponding space is to be created for the compressed or expanded elastic dielectric, so that these movements are possible without significant lateral changes in volume in the x or y direction. On the other hand, the problem of electric fields caused by gas bubbles should be minimized. For small pores, the field disturbance (or field distortion) can be smaller (more than just linearly smaller) than for larger pores. Based on the existing calculation models, it can be said that the changes in capacity due to the pores are associated with the square of the radius of a pore. This allows a suitable partial discharge to be determined for each area of application by choosing the average (or maximum) pore diameter. A partial discharge is not desirable, but surprisingly it has been shown that no nano-scale pores are required to design a partial discharge behavior, but that even micro-scale pores alleviate the problem of partial discharges in such a way that it can be used as a dielectric device (e.g. DEA) is efficiently enabled.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel steigt bei einem Porendurchmesser von unter 100 Mikrometern der Teilentladung-Einsatz auf über 15 kV/mm. Dies bedeutet, dass sich in der weiteren Verkleinerung der Poren (z.B. 20 statt 100 Mikrometer, also 1/5 des Radius, somit 1/25 der Problematik, so dass der Teilentladung-Startbereich sich theoretisch über den Durschlagwert des eigentlichen Basismaterials des Dielektrikums verschiebt) die Teilentladung-Problematik von selbst „herausrechnen" kann. Damit ist eventuell keine Erhöhung der Durchschlagsspannung gegenüber dem Wert ohne Poren zu erreichen, denn jedes Einfügen von Mikro- oder Nanoporen kann eine Störung des Feldes darstellen (und reduziert damit die Durchschlagsspannung, sowie erhöht die Teilentladung-Neigung), aber der störende Einfluss der Poren bezüglich des Feldes kann vernachlässigbar werden. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann durch Einfügen von Poren in ein elastisches Polymer Basismaterial der Elastizitätsmodul des Polymers verringert werden. Dadurch wird das Basismaterial elastischer. Hierbei können die beschriebenen Poren als „Verdünner" wirken, was sich in einer Vergrösserung der Auslenkung (bzw. des Aktorweges (unter Reduktion der Aktorkraft)) einer dielektrischen Vorrichtung zeigt. According to an exemplary embodiment, with a pore diameter of less than 100 micrometers, the partial discharge use increases to over 15 kV / mm. This means that in the further reduction in size of the pores (e.g. 20 instead of 100 micrometers, i.e. 1/5 of the radius, thus 1/25 of the problem, so that the partial discharge starting area theoretically shifts above the breakdown value of the actual base material of the dielectric) can "calculate out" the partial discharge problem by itself. This may not increase the breakdown voltage compared to the value without pores, because every insertion of micro- or nanopores can disrupt the field (and thus reduce the breakdown voltage and increase the Partial discharge tendency), but the disturbing influence of the pores with respect to the field can be negligible. According to an exemplary embodiment, the modulus of elasticity of the polymer can be reduced by inserting pores into an elastic polymer base material. This makes the base material more elastic. In this case, the described pores can act as “thinners”, which is shown in an increase in the deflection (or in the actuator path (with a reduction in the actuator force)) of a dielectric device.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein spezielles Merkmal ein geringer Expansionsgrad in der Porenbildung. In der Regel zielen bekannte Verfahren auf die Generierung von Schaumstoffen zu Isolier-und dämpfungszwecken ab, also auf ein besonders niedriges Schaumgewicht. Im vorliegenden Fall handelt es sich aber nicht um „Schaumstoff' (Poren untereinander, in der Regel nur durch Zellmembranen getrennt, zumeist sogar untereinander verbunden), sondern um ein elastisches Material mit diskreten (nicht koagulierten) Poren und damit völlig anderen relevanten mechanischen und elektrischen Eigenschaften. According to an exemplary embodiment, a special feature is a low degree of expansion in the pore formation. As a rule, known methods are aimed at generating foams for insulating and damping purposes, that is to say at a particularly low foam weight. In the present case, however, it is not a matter of “foam” (pores from one another, usually only separated by cell membranes, mostly even connected to one another), but an elastic material with discrete (not coagulated) pores and thus completely different relevant mechanical and electrical ones Characteristics.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden unter dem Begriff „Poren" diskrete, gasgefüllte Hohlräume innerhalb einer Elastomermatrix verstanden. Diskret deshalb, weil nach Möglichkeit der Kontakt einzelner Poren zueinander vermieden werden muss/soll, da ansonsten die Tendenz zum Kollaps und somit zu einer zumindest Verdoppelung des Hohlraumvolumens besteht. Diese würde im völligen Gegensatz zur gewünschten Teilentladung- Einsatzfeldstärke stehen und diese limitieren. Im Sinne einer angestrebten Minimalschichtstärke des elastischen Dielektrikums von < 50 pm, insbesondere 20 pm, sollen die Hohlräume, um diskret zu bleiben, nicht mehr als 40% des Dielektrikum-Gesamtvolumens, bevorzugt < 25%, noch mehr bevorzugt < 12% ausmachen. Daraus ergibt sich ein bevorzugter Hohlraumdurchmesser von < 5 pm. According to an exemplary embodiment, the term "pores" is understood to mean discrete, gas-filled cavities within an elastomer matrix. Discrete because, if possible, contact between individual pores must / should be avoided This would be in complete contrast to the desired partial discharge field strength and limit this. In terms of a desired minimum layer thickness of the elastic dielectric of <50 μm, in particular 20 μm, the cavities should not exceed 40% of the Total dielectric volume, preferably <25%, even more preferably <12%, resulting in a preferred cavity diameter of <5 μm.
Im Folgenden ist eine Beispielsrechnung, idealisiert zur Grössenabschätzung, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gezeigt: Ein Dielektrikum mit 50 pm Dicke (h) enthält näherungsweise (bei der Annahme, dass der Porendurchmesser in etwa dem Porenabstand entspricht) folgende Porenanzahl, um eine diskrete Porenverteilung sicher zu stellen:
Figure imgf000030_0001
In the following, an example calculation, idealized for size estimation, is shown according to an exemplary embodiment: A dielectric with a thickness of 50 μm (h) contains approximately (assuming that the pore diameter roughly corresponds to the pore spacing) the following number of pores in order to ensure a discrete pore distribution:
Figure imgf000030_0001
Die Gase, welche die Hohlräume füllen, werden in der Regel durch chemische Reaktionen gebildet. Demgemäß gilt die Avogadro Regel, der zufolge 1 mol eines Gases 22,4 I Volumen entspricht bzw. 1 mmol 22,4 ml und 1 pmol 22,4 pl. The gases that fill the cavities are usually formed by chemical reactions. Accordingly, the Avogadro rule applies, according to which 1 mol of a gas corresponds to a volume of 22.4 l or 1 mmol to 22.4 ml and 1 pmol to 22.4 pl.
Modellhaft wird die CC -Bildung durch Ansäuern von CaCCb, zur Abschätzung relevanter Fertigungsparameter herangezogen: As a model, the CC formation by acidification of CaCCb is used to estimate the relevant production parameters:
CaCC>3: Molgewicht 100,1; s = 2,71; ergibt 22,4 I CC /mol, CaCC> 3: molecular weight 100.1; s = 2.71; gives 22.4 I CC / mol,
1 Würfel von 1 cm Seitenlänge wiegt 2,71 g, 1 cube with a side length of 1 cm weighs 2.71 g,
1 Kugel von 1 cm 0 wiegt 1,41 g, 1 ball of 1 cm 0 weighs 1.41 g,
100,1 g CaC03 ergeben 22,4 I Gas (CO2), 100.1 g CaC03 result in 22.4 l gas (CO2),
100,1 mg CaC03 ergeben 22,4 ml Gas, 100.1 mg CaCO3 yield 22.4 ml gas,
2,71 mg (Kubus 1 mm s) ergibt 0,61 ml Gas = 610 mm2 = Pore mit 8,5 mm 0, 1,41 mg (Kugel 1 mm 0) ergibt 0,32 ml Gas = 320 mm3 = Pore mit 6,9 mm 0. 2.71 mg (cube 1 mm s) gives 0.61 ml gas = 610 mm 2 = pore with 8.5 mm 0, 1.41 mg (sphere 1 mm 0) gives 0.32 ml gas = 320 mm 3 = Pore with 6.9 mm 0.
Es entsteht somit aus sphärischem CaCCb eine etwa 7 x so große Pore (bzw. Gasblase). Ferner entsteht aus kubischem CaCCb eine etwa 8,5 x so große Pore. A pore (or gas bubble) about 7 times as large is created from spherical CaCCb. In addition, cubic CaCCb creates a pore about 8.5 times as large.
Feststoffe (wie z.B. CaCOs) lassen sich durch mechanische Zerkleinerung (Prallmühle) oder Fällung mit einer minimalen Feinheit von 30 nm bis 80 nm Partikelgröße hersteilen, d.h. es lassen sich daraus, laut obiger Näherung, Porendurchmesser von etwa > 250 bis 700 nm realisieren. Von Bedeutung ist allerdings die Notwendigkeit einer entsprechenden Verteilung innerhalb der Gesamtrezeptur, insbesondere deshalb, weil nanofeine Partikel sich in der Regel zu größeren Agglomeraten zusammenschließen. Dies kann gelingen durch Anwendung entsprechender Scherkräfte, z.B. unter Mitwirkung von Ultraschall. Solids (such as CaCOs) can be produced by mechanical comminution (impact mill) or precipitation with a minimum fineness of 30 nm to 80 nm particle size, ie, according to the above approximation, pore diameters of about> 250 to 700 nm can be realized. What is important, however, is the need for a corresponding distribution within the overall formulation, in particular because nano-fine particles are usually found merge to form larger agglomerates. This can be achieved by applying appropriate shear forces, for example with the help of ultrasound.
Weitere Möglichkeiten zur Porenbildung beruhen auf Reaktionen, die von gelösten Reagenzien ausgehen, somit eine noch wesentlich feinere Porenstruktur ermöglichen. Um einen Porengesamtvolumen-Anteil von 8 bis 40% zu realisieren, wären (beispielsgerecht) also etwa folgende Mengen kubischem CaC03-Feinstpulver nötig: Further possibilities for pore formation are based on reactions that start from dissolved reagents, thus enabling an even finer pore structure. In order to achieve a total pore volume proportion of 8 to 40%, the following amounts of cubic CaC0 3 ultra-fine powder would be necessary (based on the example):
8% 0,08 ml Gas entspricht 0,3 - 0,4 mg/g Elastomer, 8% 0.08 ml gas corresponds to 0.3 - 0.4 mg / g elastomer,
40% 0,40 ml Gas entspricht 1,5 - 2,0 mg/g Elastomer. 40% 0.40 ml gas corresponds to 1.5 - 2.0 mg / g elastomer.
Bei diesen Mengen ist mit keinen Änderungen der weiteren chemischen, physikalischen oder mechanischen Eigenschaften des Elastomers zu rechnen, ausser der durch die Poren erzeugte Veränderung der Elastizität. With these quantities, no changes in the other chemical, physical or mechanical properties of the elastomer are to be expected, apart from the change in elasticity produced by the pores.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Identical or similar components in different figures are provided with the same reference numbers.
Figur la zeigt eine dielektrische Vorrichtung 100, welche als ein dielektrischer Aktor (DEA), ein dielektrischer Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) verwendet werden kann. Die Vorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 auf, wobei die zweite Elektrode 120 gegenüber der ersten Elektrode 110 angeordnet ist. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 ein elastisches Dielektrikum 130 auf, welches zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Elektroden 110, 120 weisen jeweils einen Kontaktbereich 114 auf, welcher aus elektrisch leitfähigem Material besteht und über welchen die Elektroden 110, 120 kontaktiert werden kann, bzw. über welchen eine Spannung U angelegt werden kann. Die zweite Elektrode 120 stellt hierbei die Gegenelektrode zur ersten Elektrode 110 dar. Jede der beiden Elektroden 110, 120 wird separat elektrisch kontaktiert, so dass ein elektrisches Feld mittels der Elektroden 110, 120 erzeugt werden kann. In dem gezeigten Beispiel ist keine Spannung angelegt (0 Volt), so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 nicht in einem Betriebsmodus befindet. FIG. 1 a shows a dielectric device 100 which can be used as a dielectric actuator (DEA), a dielectric sensor (DES) or a mixed form (DEAS). The device 100 has a first electrode 110 and a second electrode 120, the second electrode 120 being arranged opposite the first electrode 110. Furthermore, the device 100 has an elastic dielectric 130 which is arranged between the first electrode 110 and the second electrode 120. The electrodes 110, 120 each have a contact area 114 which consists of electrically conductive material and via which the electrodes 110, 120 can be contacted, or via which a voltage U can be applied. The second electrode 120 here represents the counter electrode to the first electrode 110. Each of the two electrodes 110, 120 is electrically contacted separately, so that an electrical field can be generated by means of the electrodes 110, 120. In the example shown, no voltage is applied (0 volts), so that the dielectric device 100 is not in an operating mode.
Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, weicher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft). Each of the two electrodes 110, 120 has a functional area 112, which has an electrically conductive metal. The functional area 112 is Plate-shaped and thus extends along two main directions of extent x, y, the functional area 112 spanning an area plane E. In the example shown, the functional area 112 makes up the entire electrode plate 110. In other exemplary embodiments, the electrode 110 has an (insulating) carrier material, on which the functional region 112 is then arranged (for example vapor-deposited).
Figur lb zeigt die dielektrische Vorrichtung 100 gemäß Figur la, wobei die Elektroden 110, 120 elektrisch an den jeweiligen Kontaktbereichen 114 kontaktiert wurden. In dem gezeigten Beispiel ist eine Spannung von 1 kV an den Elektroden 110, 120 angelegt, so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 in einem Betriebsmodus befindet. Die erste Elektrode 110 bildet nun einen Pluspol und die zweite Elektrode 120 (Gegenelektrode) bildet den Minuspol. FIG. Lb shows the dielectric device 100 according to FIG. La, the electrodes 110, 120 being electrically contacted at the respective contact areas 114. In the example shown, a voltage of 1 kV is applied to the electrodes 110, 120, so that the dielectric device 100 is in an operating mode. The first electrode 110 now forms a positive pole and the second electrode 120 (counter electrode) forms the negative pole.
Diese elektrische Kontaktierung führt dazu, dass sich die positiv geladene erste Elektrode 110 und die negativ geladene zweite Elektrode 120 gegenseitig anziehen und sich räumlich aufeinander zubewegen. Wenn das Dielektrikum 130, welches zwischen erster Elektrode 110 und zweiter Elektrode 120 angeordnet ist, als ein elastisches Dielektrikum (z.B. als Elastomer) ausgebildet ist, so wird es aufgrund seiner Inkompressibilität zu den Seiten der dielektrischen Vorrichtung 100 teilweise herausgepresst. This electrical contact leads to the positively charged first electrode 110 and the negatively charged second electrode 120 attracting one another and moving spatially towards one another. If the dielectric 130, which is arranged between the first electrode 110 and the second electrode 120, is designed as an elastic dielectric (e.g. as an elastomer), it is partially pressed out to the sides of the dielectric device 100 due to its incompressibility.
Figur lc zeigt das prinzipielle Funktionsprinzip der dielektrische Vorrichtung 100 (wie schon für die Figuren la und lb oben beschrieben) als dielektrischer Aktor oder Sensor. Wird eine Spannung U an die Elektroden 110, 120 angelegt, so bewegen sich die Elektrodenplatten aufeinander zu. Dies erzeugt wiederum einen Druck P auf das Dielektrikum 130, welches zwischen den Elektroden 110, 120 angeordnet ist. Wenn das Dielektrikum 130 als Elastomer ausgebildet ist, so ist es im Wesentlichen inkompressibel und wird durch den Druck von oben (z+) und von unten (z-) zu einer Flächenausdehnung gezwungen. Die Flächenausdehnung (siehe die nach außen weisenden Bewegungspfeile) findet entlang der beiden Haupterstreckungsrichtungen x, y der Elektroden 110, 120 statt. FIG. 1c shows the basic functional principle of the dielectric device 100 (as already described above for FIGS. 1a and 1b) as a dielectric actuator or sensor. If a voltage U is applied to the electrodes 110, 120, the electrode plates move towards one another. This in turn generates a pressure P on the dielectric 130, which is arranged between the electrodes 110, 120. If the dielectric 130 is designed as an elastomer, it is essentially incompressible and is forced to expand by the pressure from above (z +) and from below (z-). The area expansion (see the movement arrows pointing outwards) takes place along the two main directions of extension x, y of the electrodes 110, 120.
Figur ld zeigt eine Mehrzahl von dielektrischen Vorrichtungen 100 gemäß den Figuren la bis lc, welche in Form eines Stapelaktors (oder Stapelsensors) bzw. eines Stapelsystems angeordnet sind. Hierbei werden die einzelnen dielektrischen Vorrichtungen 100 in Höhenrichtung (z) übereinander zu einer dielektrischen Vorrichtung 100 aus multiplen Einheiten gestapelt. Unter der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 (zwischen welchen das erste Dielektrikum 130 angeordnet ist) ist nun eine dritte Elektrode 121 angeordnet, welche der zweiten Elektrode 120 gegenüberliegend angeordnet ist. Figure ld shows a plurality of dielectric devices 100 according to Figures la to lc, which are in the form of a stack actuator (or stack sensor) or a stacking system are arranged. Here, the individual dielectric devices 100 are stacked one on top of the other in the height direction (z) to form a dielectric device 100 composed of multiple units. A third electrode 121, which is arranged opposite the second electrode 120, is now arranged below the first electrode 110 and the second electrode 120 (between which the first dielectric 130 is arranged).
Entsprechend ist ein zweites elastisches Dielektrikum 131 zwischen der dritten Elektrode 121 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet. Diese Anordnung lässt sich weiter fortsetzen mittels einer vierten Elektrode und einem dritten Dielektrikum etc. Die erste Elektrode 110 und die dritte Elektrode 121 sind an ihren Kontaktbereichen 114 über einen Bonddraht elektrisch leitfähig verbunden. Die zweite Elektrode 120 (und dann die vierte Elektrode etc.) stellen in diesem Fall die Gegenelektroden 160 dar, wobei wiederum die Gegenelektroden 160 untereinander (z.B. mittels Bonddrähten) an ihren Kontaktbereichen 114 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere solcher Stapel nebeneinander angeordnet und gemeinsam genutzt werden. Correspondingly, a second elastic dielectric 131 is arranged between the third electrode 121 and the second electrode 120. This arrangement can be continued by means of a fourth electrode and a third dielectric, etc. The first electrode 110 and the third electrode 121 are connected in an electrically conductive manner at their contact areas 114 via a bonding wire. The second electrode 120 (and then the fourth electrode, etc.) in this case represent the counter electrodes 160, the counter electrodes 160 again being connected to one another in an electrically conductive manner (e.g. by means of bonding wires) at their contact areas 114. In further embodiments, several such stacks can also be arranged next to one another and used jointly.
Figur 2 zeigt ein elastisches Dielektrikum 130 (bzw. einen elektrischen Isolator), welches ein elastisches Polymer 190 aufweist. In dem Polymer 190 ist eine Mehrzahl von Poren 180 gebildet. Die Poren 180 sind hierbei mit Luft gefüllt, wobei die Luft aus den Poren 180 im Wesentlichen nicht entweichen kann. Das elastische Dielektrikum 130 ist im Wesentlichen als Integralschaum ausgebildet und weist somit eine geschlossene (Luft-undurchlässige) äußere Schicht 191 auf. FIG. 2 shows an elastic dielectric 130 (or an electrical insulator) which has an elastic polymer 190. A plurality of pores 180 are formed in the polymer 190. The pores 180 are here filled with air, the air essentially not being able to escape from the pores 180. The elastic dielectric 130 is designed essentially as an integral foam and thus has a closed (air-impermeable) outer layer 191.
Jede Pore 180 weist einen Porendurchmesser d auf. Die Poren sind sehr klein und die Porendurchmesser d befinden sich im mikro-skalinen Bereich. Aus der Mehrzahl von Porendurchmessern d kann ein mittlerer Porendurchmesser der Mehrzahl von Poren 180 berechnet werden. Dieser mittlere Porendurchmesser beträgt 50 pm oder weniger. Each pore 180 has a pore diameter d. The pores are very small and the pore diameters d are in the micro-scale range. An average pore diameter of the plurality of pores 180 can be calculated from the plurality of pore diameters d. This mean pore diameter is 50 μm or less.
Weiterhin nehmen die Poren 180 nur einen (geringen) Teil des Dielektrikums 130 (bzw. des elastischen Polymers 190) in Anspruch. Jede Pore 180 weist ein Porenvolumen auf und aus der Mehrzahl der Porenvolumina der Poren 180 kann ein Porengesamtvolumen errechnet werden (z.B. durch Addition). Dieses Porengesamtvolumen beträgt 60% oder weniger (insbesondere 8% oder weniger) des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums 130 (bzw. des Gesamtvolumens des elastischen Polymers 190). Furthermore, the pores 180 only take up a (small) part of the dielectric 130 (or the elastic polymer 190). Each pore 180 has a pore volume and a total pore volume can be calculated from the majority of the pore volumes of the pores 180 (for example by addition). This Total pore volume is 60% or less (in particular 8% or less) of the total volume of the elastic dielectric 130 (or the total volume of the elastic polymer 190).
In dem elastischen Dielektrikum 130 sind die Poren 180 im Wesentlichen homogen verteilt, so dass weniger als 10% (insbesondere weniger als 0,1%) der Poren 180 koagulieren. Die Poren 180 sind untereinander durch einen jeweiligen Porenabstand r voneinander getrennt. Über die Mehrzahl von Poren 180 kann ein mittlerer Porenabstand aus den einzelnen Porenabständen r errechnet werden. Dieser mittlere Porenabstand ist für zumindest 50% (insbesondere zumindest 97%) der Poren größer als die Hälfte des mittleren Durchmessers der Mehrzahl von Poren (oder größer als der mittlere Durchmesser der Mehrzahl von Poren). In the elastic dielectric 130, the pores 180 are distributed essentially homogeneously, so that less than 10% (in particular less than 0.1%) of the pores 180 coagulate. The pores 180 are separated from one another by a respective pore spacing r. Using the plurality of pores 180, an average pore spacing can be calculated from the individual pore spacings r. This mean pore spacing is greater than half the mean diameter of the plurality of pores (or greater than the mean diameter of the plurality of pores) for at least 50% (in particular at least 97%) of the pores.
Das elastische Dielektrikum 130 weist eine besonders hohe Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr (insbesondere von 16 kV/mm oder mehr) auf. Bevorzugt ist das elastische Dielektrikum 130 sehr dünn ausgestaltet mit einer Dicke von 100 pm oder weniger. Bei dieser besonders geringen Dicke weist das elastische Dielektrikum 130 eine Durchschlagsfestigkeit von 15 n/mhh oder mehr (insbesondere 48 V/pm oder mehr) auf. The elastic dielectric 130 has a particularly high dielectric strength of 5 kV / mm or more (in particular of 16 kV / mm or more). The elastic dielectric 130 is preferably designed to be very thin with a thickness of 100 μm or less. With this particularly small thickness, the elastic dielectric 130 has a dielectric strength of 15 n / mhh or more (in particular 48 V / pm or more).
Ferner ist das elastische Dielektrikum 130 entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen x und y ausgebildet, welche eine Ebene aufspannen. Das elastische Dielektrikum 130 ist eingerichtet in einem Betriebsmodus eine Längenänderung (bzw. Auslenkung) in einer Höhenrichtung z durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen x, y orientiert ist. Furthermore, the elastic dielectric 130 is formed along the two main directions of extent x and y, which span a plane. The elastic dielectric 130 is set up in an operating mode to carry out a change in length (or deflection) in a height direction z, which is oriented perpendicular to the main extension directions x, y.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. Bezuaszeichen In addition, it should be pointed out that “having” does not exclude any other elements or steps and “a” or “a” does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments also can be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Reference symbols in the claims are not to be regarded as a restriction. Bezuaszeichen
100 Dielektrische Vorrichtung 100 Dielectric Device
110 Erste Elektrode, Metallfolie 110 First electrode, metal foil
112 Funktioneller (elektrisch leitfähiger) Bereich112 Functional (electrically conductive) area
114 Kontaktbereich 114 Contact Area
120 Zweite Elektrode 120 Second electrode
121 Dritte Elektrode 121 Third electrode
130 (Erstes) Dielektrikum 130 (first) dielectric
131 Zweites Dielektrikum 131 Second dielectric
150 Strukturierung 150 structuring
160 Gegenelektrode 160 counter electrode
180 Pore 180 pore
190 Elastisches Polymer/Basismaterial 190 elastic polymer / base material
191 Äussere Schicht d Porendurchmesser 191 Outer layer d pore diameter
E Bereichsebene E area level
P Druck r Porenabstand P pressure r pore spacing
U Spannung U voltage
X, Y Haupterstreckungsrichtungen z Höhenrichtung X, Y main directions of extent z height direction

Claims

Ansprüche Expectations
1. Ein elastisches Dielektrikum (130), welches ein elastisches Polymer (190) und eine Mehrzahl von Poren (180) aufweist, wobei die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 50 pm oder weniger aufweist, und wobei die Mehrzahl von Poren (180) ein Porengesamtvolumen aufweist, welches 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht. 1. An elastic dielectric (130) which has an elastic polymer (190) and a plurality of pores (180), the plurality of pores (180) having an average pore diameter (d) of 50 μm or less, and wherein the Plurality of pores (180) has a total pore volume which makes up 60% or less of the total volume of the elastic dielectric (130).
2. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 1, wobei die Poren (180) Fluid-gefüllt, insbesondere Luft-gefüllt, sind. 2. The elastic dielectric (130) according to claim 1, wherein the pores (180) are fluid-filled, in particular air-filled.
3. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 20 pm oder weniger, insbesondere 10 pm oder weniger, weiter insbesondere 1 pm oder weniger, aufweist. 3. The elastic dielectric (130) according to claim 1 or 2, wherein the plurality of pores (180) has an average pore diameter (d) of 20 μm or less, in particular 10 μm or less, more particularly 1 μm or less.
4. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Porengesamtvolumen 40% oder weniger, insbesondere 25% oder weniger, weiter insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger, des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht. 4. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the total pore volume is 40% or less, in particular 25% or less, further in particular 12% or less, further in particular 8% or less, of the total volume of the elastic dielectric (130) ) matters.
5. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Poren (180) im Wesentlichen homogen in dem elastischen Dielektrikum (130) verteilt sind. 5. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the pores (180) are distributed substantially homogeneously in the elastic dielectric (130).
6. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß Anspruch 5, wobei der mittlere Abstand (r) zwischen zumindest 50%, insbesondere zumindest 90%, weiter insbesondere 97%, der Poren (180) der Mehrzahl von Poren (180) größer ist als die Hälfte des mittleren Durchmessers (d) der Mehrzahl von Poren (180) oder größer ist als der mittlere Durchmesser (d) der Mehrzahl von Poren (180); und/oder wobei die Poren (180) derart in dem elastischen Dielektrikum (130) verteilt sind, dass 10% oder weniger, insbesondere 1% oder weniger, weiter insbesondere 0,1% oder weniger, der Poren (180) koagulieren. 6. The elastic dielectric (130) according to claim 5, wherein the mean distance (r) between at least 50%, in particular at least 90%, further in particular 97%, of the pores (180) of the plurality of pores (180) is greater than that Is half the mean diameter (d) of the plurality of pores (180) or greater than the mean diameter (d) of the plurality of pores (180); and or wherein the pores (180) are distributed in the elastic dielectric (130) in such a way that 10% or less, in particular 1% or less, further in particular 0.1% or less, of the pores (180) coagulate.
7. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Polymer (190) zumindest eines aufweist aus der Gruppe, welche besteht aus: einem Dien-Polymer, insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien; einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form; einem Copolymer mit einfach ungesättigten Monomeren, insbesondere einem von Styrol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylethern, Vinylestern, Vinylhalogeniden; einem thermoplastischen Elastomer, insbesondere einem vernetzten thermoplastischen Elastomer, einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan oder einem Silikonelastomer; einem Elastomer, welches nachträglich vernetzt wurde, insbesondere mittels einem aus der Gruppe, welche besteht aus Schwefel, Peroxid, UV- Strahlung, Photoinitiatoren; einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. 7. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic polymer (190) comprises at least one from the group consisting of: a diene polymer, in particular at least one of butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, Cyclopentadiene, cyclooctadiene; an elastomer with a 1,2 and / or 1,4 linkage in cis and / or trans form; a copolymer with monounsaturated monomers, in particular one of styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid, acrylic acid esters, vinyl ethers, vinyl esters, vinyl halides; a thermoplastic elastomer, in particular a crosslinked thermoplastic elastomer, a polyaddition elastomer, in particular polyurethane or a silicone elastomer; an elastomer which was subsequently crosslinked, in particular by means of one from the group consisting of sulfur, peroxide, UV radiation, photoinitiators; a polymer mixture of at least two of the above-mentioned elastomers.
8. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine Durchschlagsfestigkeit von 5 kV/mm oder mehr, insbesondere von 12 kV/mm oder mehr, weiter insbesondere von 16 kV/mm oder mehr, aufweist. 8. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) has a dielectric strength of 5 kV / mm or more, in particular of 12 kV / mm or more, further in particular of 16 kV / mm or more , having.
9. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine Dicke von 100 pm oder weniger aufweist; und wobei das elastische Dielektrikum eine Durchschlagsfestigkeit von 15 V/pm oder mehr, insbesondere 36 V/pm oder mehr, weiter insbesondere 48 V/pm oder mehr, aufweist. 9. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) has a thickness of 100 µm or less; and wherein the elastic dielectric has a dielectric strength of 15 V / pm or more, in particular 36 V / pm or more, further in particular 48 V / pm or more.
10. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) zumindest eines der folgenden Additive aufweist: ein Kapazitäts-erhöhendes Additiv, insbesondere ein ferroelektrisches dielektrisches Additiv, welches in Perowskit-Art kristallisiert, weiter insbesondere ein Titanat; ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen, PTFE. 10. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) has at least one of the following additives: a capacity-increasing additive, in particular a ferroelectric dielectric additive which crystallizes in the perovskite type, further in particular a titanate; a fluoropolymer, especially polytetrafluoroethylene, PTFE.
11. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) im Wesentlichen als Integralschaum ausgebildet ist, insbesondere wobei das elastische Dielektrikum (130) eine im Wesentlichen geschlossene äußere Schicht (191) aufweist. 11. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) is designed essentially as an integral foam, in particular wherein the elastic dielectric (130) has a substantially closed outer layer (191).
12. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist, welche eine Ebene aufspannen, und wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist in einem Betriebsmodus eine Längenänderung in einer Höhenrichtung (z) durchzuführen, welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist. 12. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) is formed along two main directions of extent (x, y) which span a plane, and wherein the elastic dielectric (130) is arranged in one Operating mode to carry out a change in length in a height direction (z) which is oriented perpendicular to the main extension directions (x, y).
13. Das elastische Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist in einem Betriebsmodus in zumindest einer Raumrichtung eine Längenänderung von 1% oder mehr, insbesondere 3% oder mehr, weiter insbesondere 5% oder mehr, durchzuführen, insbesondere wobei das elastische Dielektrikum (130) eingerichtet ist eine Mehrzahl von den Längenänderungen durchzuführen. 13. The elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims, wherein the elastic dielectric (130) is set up in an operating mode in at least one spatial direction a change in length of 1% or more, in particular 3% or more, further in particular 5% or more, to carry out, in particular wherein the elastic dielectric (130) is set up to carry out a plurality of the changes in length.
14. Verwenden eines elastischen Dielektrikums (130) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 in zumindest einem aus der Gruppe, welche besteht aus: einer dielektrischen Vorrichtung, insbesondere einem dielektrischen Sensor und/oder einem dielektrischen Aktor, einem Kabel, einem Kondensator, einem Vibrationsdämpfer, einem elektromechanischen System. 14. Use of an elastic dielectric (130) according to any one of the preceding claims 1 to 13 in at least one of the group consisting of: a dielectric device, in particular a dielectric sensor and / or a dielectric actuator, a cable, a capacitor, a vibration damper, an electromechanical system.
15. Eine dielektrische Vorrichtung (100), insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor, welche aufweist: eine Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121), welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich (112), welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt; und eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), wobei jedes Dielektrikum (130, 131) entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt; wobei die Elektroden (110, 120, 121) und die elastischen Dielektrika (130, 131) alternierend angeordnet sind; und wobei zumindest ein Dielektrikum der Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131) ein elastisches Dielektrikum (130) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13 ist. 15. A dielectric device (100), in particular a dielectric actuator and / or a dielectric sensor, which has: a plurality of electrodes (110, 120, 121), each of which has: a functional area (112) which extends along two main directions of extent (x, y) is formed and spans a first plane; and a plurality of elastic dielectrics (130, 131), each dielectric (130, 131) being formed along the two main directions of extension (x, y) and spanning a second plane; wherein the electrodes (110, 120, 121) and the elastic dielectrics (130, 131) are arranged alternately; and wherein at least one dielectric of the plurality of elastic dielectrics (130, 131) is an elastic dielectric (130) according to any one of claims 1 to 13.
16. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 15, wobei das zumindest eine elastische Dielektrikum (130) an den beiden benachbarten Elektroden (110, 120) haftend befestigt ist. 16. The dielectric device (100) according to claim 15, wherein the at least one elastic dielectric (130) is adhesively attached to the two adjacent electrodes (110, 120).
17. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die maximale Längenänderung der dielektrischen Vorrichtung (100) in einem Betriebsmodus in der Höhenrichtung (z) 20% oder weniger, insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger, ist. 17. The dielectric device (100) according to claim 15 or 16, wherein the maximum change in length of the dielectric device (100) in an operating mode in the height direction (z) is 20% or less, in particular 12% or less, further in particular 8% or less , is.
18. Ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Dielektrikums (130), insbesondere für eine dielektrische Vorrichtung, weiter insbesondere einem dielektrischen Aktor und/oder Sensor, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines, insbesondere elastischen, Polymers als Basismaterial18. A method for producing an elastic dielectric (130), in particular for a dielectric device, further in particular a dielectric actuator and / or sensor, the method comprising: Providing an, in particular elastic, polymer as the base material
(190); (190);
Bilden einer Mehrzahl von Poren (180) in dem Basismaterial (190) derart, dass die Mehrzahl von Poren (180) einen mittleren Porendurchmesser (d) von 50 pm oder weniger aufweist, und das Gesamtporenvolumen der Mehrzahl von Poren (180) 60% oder weniger des Gesamtvolumens des elastischen Dielektrikums (130) ausmacht. Forming a plurality of pores (180) in the base material (190) such that the plurality of pores (180) has an average pore diameter (d) of 50 μm or less, and the total pore volume of the plurality of pores (180) is 60% or less less of the total volume of the elastic dielectric (130).
19. Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Bilden der Mehrzahl von Poren (180) aufweist: 19. The method of claim 18, wherein forming the plurality of pores (180) comprises:
Beaufschlagen von im Wesentlichen nicht ausgehärtetem, insbesondere nicht vollständig vernetztem, Basismaterial (190) mit einem Fluid, insbesondere CO2, bei vorbestimmtem Druck; und danach Applying a fluid, in particular CO2, at a predetermined pressure to essentially uncured, in particular not completely crosslinked, base material (190); and then
Absenken des vorbestimmten Drucks während einem Aushärten, insbesondere Vernetzen, des Basismaterials (190). Lowering the predetermined pressure during curing, in particular crosslinking, of the base material (190).
20. Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Bilden der Mehrzahl von Poren (180) zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: 20. The method of claim 18 or 19, wherein forming the plurality of pores (180) comprises at least one of the following steps:
Einbringen eines Treibmittels in das Basismaterial (190), und nachfolgend thermisches Zersetzen des Treibmittels, insbesondere während einer Schwefelvulkanisation oder einer Peroxidvernetzung; Introducing a propellant into the base material (190), and subsequently thermal decomposition of the propellant, in particular during sulfur vulcanization or peroxide crosslinking;
Durchführen einer photochemisch aktivierten Peroxidvernetzung derart, dass Sauerstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt; photochemisches Initiieren einer Azopolymerisation derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt; Carrying out a photochemically activated peroxide crosslinking in such a way that oxygen is split off and acts as a pore-forming gas; photochemical initiation of an azo polymerization in such a way that nitrogen is split off and acts as a pore-forming gas;
Generieren von CO2 als porenbildendes Gas, insbesondere unter Verwenden von zumindest einer der folgenden Substanzen: Photoacidgenerator, PAG, Photoacid, PAH, carboxyliertem Nitrilkautschuk, Isocyanat. thermisches Zersetzen von Tetrazolen, insbesondere gebildet mittels der Nitrilgruppen von Nitrilkautschuk und Aziden, derart, dass Stickstoff abgespalten wird und als porenbildendes Gas wirkt. Generating CO2 as a pore-forming gas, in particular using at least one of the following substances: Photoacid generator, PAG, Photoacid, PAH, carboxylated nitrile rubber, isocyanate. thermal decomposition of tetrazoles, in particular formed by means of the nitrile groups of nitrile rubber and azides, in such a way that nitrogen is split off and acts as a pore-forming gas.
21. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 20, wobei das Verfahren aufweist: 21. The method of any one of claims 18 to 20, wherein the method comprises:
Initiieren einer gezielten Vernetzung in dem Basismaterial (190), insbesondere wobei das Initiieren zumindest eines ist aus der Gruppe, welche besteht aus: Initiation of a targeted crosslinking in the base material (190), in particular wherein the initiation is at least one from the group consisting of:
Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung; Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle; thermisch initiiertes Radikalvernetzen; thermisches Schwefelvernetzen; Radiation crosslinking, in particular by means of UV radiation; Electron crosslinking, in particular by means of an electron beam source; thermally initiated radical crosslinking; thermal sulfur crosslinking;
Peroxid-initiiertes Radikal vernetzen. Cross-link peroxide-initiated radical.
22. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Basismaterial (190) ein Polymergel ist. 22. The method of any one of claims 18 to 21, wherein the base material (190) is a polymer gel.
23. Verwenden eines elektrischen Isolators, welcher ein elastisches Polymer (190) hat, welches eine Mehrzahl von Gasblasen (180) aufweist, deren mittlerer Porendurchmesser (d) 20 pm oder weniger beträgt und deren Gesamtporenvolumen 40% oder weniger des Gesamtvolumens des elektrischen Isolators ausmacht, als Dielektrikum (130) in einem dielektrischen Aktor und/oder dielektrischen Sensor (100). 23. Using an electrical insulator which has an elastic polymer (190) which has a plurality of gas bubbles (180) whose mean pore diameter (d) is 20 μm or less and whose total pore volume is 40% or less of the total volume of the electrical insulator , as a dielectric (130) in a dielectric actuator and / or dielectric sensor (100).
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