包含具有聚四亚甲基二醇醚单元的聚氨酯聚合物的机电转换器制造技术

本发明专利技术提供了一种机电转换器，其包含与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物，其包含A)多异氰酸酯和/或B)多异氰酸酯预聚物与C)具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物的反应产物，其中多异氰酸酯预聚物B)和/或具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物C)包含式(I)的聚四亚甲基二醇醚单元：-[O-CH2-CH2-CH2-CH2-]n(I)其中n≥25；且在式(I)中对于值n选择其最小值nmin和对于值n选择其最大值nmax，以便nmax和nmin之间的差≥0到≤4。本发明专利技术还进一步提供一种用于生产这种机电转换器的方法，以及涉及包括本发明专利技术的机电转换器的电动和/或电子装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由与第一电极和第二电极接触的介电(dielectric)弹性体制备的机电转换器，其中所述介电弹性体含有包括至少一种聚四亚甲基二醇醚单元的聚氨酯聚合物。本专利技术进一步还涉及用于制备这种机电转换器的方法；涉及包括本专利技术的机电转换器的电动和/或电子装置。
技术介绍
机电转换器在电能向机械能的转化以及反向转化中起着重要的作用。机电转换器因此可以用作传感器、传动器和/或发电机。这种转换器中的一类是基于电活化聚合物的。它持续目标在于增加电活化聚合物的性能，特别是电阻性和击穿强度。但是同时，聚合物的机械性能应该使它们适合用于机电转换器。增加介电常数的一种方法是添加颗粒状的填料。例如，WO 2008/095621描述了碳黑填充的聚氨酯材料，它至少由其中混合了由聚氧化烯，特别是聚环氧丙烷通过DMC催化形成的50-100%重量范围的多元醇组分，以及0-50%重量的来自不含催化剂残留的、特别是那些通过蒸馏或再结晶纯化的，或者是那些不能通过含氧杂环开环聚合制备的多元醇的聚醚型氨酯组成。此外，该聚氨酯材料含有0. 1-30%重量的碳黑。WO 2009/074192中公开了由成膜水性聚氨酯分散体形成的能量转换器。这里也强调了得到的聚氨酯薄膜的高介电常数和良好的机械性能。但是，在本领域中仍然存在着对于包含同时具有高电阻性和高绝缘场强度的介电弹性体的机电转换器的需求，以获得甚至更高的转换器效率。
技术实现思路
专利技术概述因此，本专利技术提供了这种包含同时具有高电阻性和高绝缘(breakdown)场强度的介电弹性体的机电转换器，以获得甚至更高的转换器效率。从以下的专利技术详述部分，本专利技术的这些和其他优点及益处将显而易见。专利技术详述现在将对本专利技术进行描述，用于说明的目的，而不是限制。除了在操作实施例中， 或者除非另外指出，所有表示数量、百分数、OH数、官能度以及在说明书中出现的数字均可以理解为在所有的例子中通过术语“大约”进行修饰。当量和这里以道尔顿(Da)给出的分子量分别为数均当量和数均分子量，除非另外指出。因此本专利技术提供了一种机电转换器，其包含具有与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，其中所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物，其包含A)多异氰酸酯和/或B)多异氰酸酯预聚物与C)具有至少两个异氰酸酯活性基团的化合物的反应产物，其中多异氰酸酯预聚物B)和/或具有至少两个异氰酸酯活性基团的化合物C)含有式(I)的聚四亚甲基二醇醚单元- [O-CH2-CH2-CH2-CH2-] n (I)其中η彡25;且在式(I)中对于值η选择其最小值nmin和对于值η选择其最大值 nmax，以便nmax和nmin之间的差彡0到彡4，其中n、nfflax和nmin值可以相同或不同；且其中多异氰酸酯预聚物B)和在具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物C)中并不含有附加的不同于式(I)的那些的聚四亚甲基二醇醚单元。本专利技术人已发现本专利技术的机电转换器中提供的聚氨酯聚合物具有特别高的电阻性以及与其结合的高的绝缘场强度。同时，该聚氨酯为柔软弹性体的形式。这些性质的结合在机电转换器中可以证明是有利的。当机械应力外加于这种转换器上时，该转换器会变形，例如，沿着它的厚度和其面积，且在电极处可以检测到强的电子信号。由此将机械能转换为电能。本专利技术的转换器因此可以既用作发电机又用作传感器。利用相反的效果，也就是电能向机械能的转化，本专利技术的转换器在另一方面可以同样用作传动器。合适的电极原则上是具有足够高的导电性并且可以有利地遵循介电弹性体膨胀的所有材料。例如，这种电极可以由导电性聚合物、导电油墨或碳黑形成。本专利技术上下文中的介电弹性体为通过应用电场可以改变其形状的弹性体。在弹性体薄膜的情况中，例如，其厚度可以降低，而同时薄膜长度在面积的方向上会延长。介电弹性体层的厚度优选为彡Iym到彡500μπι且更优选为彡10 μ m到 ^ 100 μ m。它们可以具有一片(one-piece)或多片(multi-piece)结构。例如可以通过在彼此上层压各个层而获得多片层。介电弹性体，以及根据本专利技术提供的聚氨酯聚合物，可以具有其他的组分。这些组分包括例如，交联剂，增稠剂，助溶剂，触变剂，稳定剂，抗氧化剂，光稳定剂，乳化剂，表面活性剂，粘合剂，增塑剂，疏水剂，颜料，填料和水平助剂。弹性体中的填料，例如可以调节聚合物的介电常数。其实例为陶瓷填料，特别是钛酸钡，二氧化钛和压电陶瓷，例如石英或钛酸铅-锆，且还可以是有机填料，特别是具有高电极化率的那些，例如酞菁染料。此外，高的介电常数还可以通过在低于其穿流阈值的情况下引入导电性填料获得。其实例为碳黑、石墨、单壁或多壁碳纳米管，导电聚合物，例如聚噻吩，聚苯胺或聚吡咯， 或者它们的混合物。在该上下文中，感兴趣的碳黑的类型特别是具有表面钝化且因此在低于穿流阈值的情况下在低浓度下增加介电常数、但是并不导致聚合物导电性增加的那些。可以想像由多异氰酸酯A)和/或多异氰酸酯预聚物B)与包含至少两个异氰酸酯活性基团的化合物C)的反应获得的聚氨酯聚合物。在该上下文中，B)和/或C)具有在开始提及的式(I)的聚四亚甲基二醇醚单元。这产生了以下的可能性在C)中具有单元(I) 的A)+C)；在B)中具有单元⑴的B)+C)；在C)中具有单元⑴的B)+C)；在B)和C)中具有单元(I)的B)+C)；在B)中具有单元(I)的A)+B)+C)；在C)中具有单元(I)的A)+B)+C) 以及最后在B)+C)中具有单元(I)的A)+B)+C)。聚氨酯聚合物中的单元(I)例如可以由多异氰酸酯和/或多异氰酸酯预聚物与基于聚合的四氢呋喃(聚合的THF)的聚醚多元醇的反应获得。这些聚合物同样还可以用于形成预聚物。在通式⑴中值η表示聚合的THF的链长且因此其与使用的多元醇的分子质量有关。这里值η为至少25。这对应于具有大约1800g/mol分子质量的聚合的THF。已经发现， 在明显较低平均分子质量的聚合的THF中，不能获得聚氨酯聚合物中期望的电阻性和绝缘场强度的结合。例如值η还可以彡27，这将对应于大约2000g/mol的分子质量。此外，对于 η优选的值为彡41或彡55。在根据本专利技术使用的聚合物中，其目的在于单元(I)的链长实质上非常均一。当聚合物中的最短链和聚氨酯聚合物的最长链的长度差为彡0到彡4个-[O-CH2-CH2-CH2-CH2-] 基团时，可以达到这种情况。nmax和nmin之间的差还可以是彡0到<3，或者彡1到<2。在实质上非常均一的链长的情况中可以获得非常规整的聚氨酯聚合物，为了这个目的，在本专利技术的情况中可以产生例外。这种例外涉及制备了具有组分A)+B)+C)的聚氨酯聚合物的情况。在那种情况中，有可能不仅仅是聚合物中来自预聚物B)和化合物C)的单元(I) 具有相同的n、nmax和nmin值。比如说，在这种情况中，根据本专利技术可以想象的是可以使用B) 和C)中具有链长均一性的相同的聚合的THF。但是，本专利技术人还预期当它们中的每一个具有要求的链长均一性时，在B)和C)中可以使用不同的聚合的THF多元醇。在那种情况中， B)中的单元(I)可以具有对于n、nmax和nmin的诸值，且nmax和nmin之间的差为彡0到彡4， 彡0到彡3或者彡1到彡2。C)中的单元⑴可以具有对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种机电转换器，其包含与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物，其包含Ａ）多异氰酸酯和／或Ｂ）多异氰酸酯预聚物与Ｃ）具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物的反应产物；其中多异氰酸酯预聚物Ｂ）和／或具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物Ｃ）包含式（Ｉ）的聚四亚甲基二醇醚单元：－［Ｏ－ＣＨ２－ＣＨ２－ＣＨ２－ＣＨ２－］ｎ　　　　（Ｉ）其中ｎ≥２５；且在式（Ｉ）中对于值ｎ选择其最小值ｎｍｉｎ和对于值ｎ选择其最大值ｎｍａｘ，以便ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ之间的差为≥０到≤４；其中ｎ、ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ值可以相同或不同；且其中多异氰酸酯预聚物Ｂ）和具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物Ｃ）并不含有附加的不同于式（Ｉ）的那些的聚四亚甲基二醇醚单元。

【技术特征摘要】
2009.12.04 EP 09015051.71.一种机电转换器，其包含与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物，其包含A)多异氰酸酯和/或B)多异氰酸酯预聚物与C)具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物的反应产物；其中多异氰酸酯预聚物B)和/或具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物C)包含式(I)的聚四亚甲基二醇醚单元-[O-CH2-CH2-CH2-CH2-] n (I)其中η > 25 ；且在式(I)中对于值η选择其最小值nmin和对于值η选择其最大值nmax，以便nmax和nmin 之间的差为>0到彡4;其中n、nmax和nmin值可以相同或不同；且其中多异氰酸酯预聚物B)和具有至少两个异氰酸酯反应性基团的化合物C)并不含有附加的不同于式(I)的那些的聚四亚甲基二醇醚单元。2.根据权利要求1的机电转换器，其中在式⑴中的η为彡四。3.根据权利要求1的机电转换器，其中聚氨酯聚合物包含三官能的多异氰脲酸酯Α)和聚四亚甲基二醇醚多元醇C)的反应产物。4.根据权利要求1的机电转换器，其中聚氨酯聚合物包含聚氨酯预聚物B)与聚氧化烯聚醚多元醇C)的反应产物，且其中聚氨酯预聚物B)包含二官能的多异氰酸酯与聚四亚甲基二醇醚多元醇的反应产物。5.根据权利要求1的机电转换器，其中聚氨酯聚合物包含异氰酸酯官能化的聚氨酯预聚物B)与聚四亚甲基二醇醚多元醇C)的反应产物。6.根据权利要求5的机电转换器，其进一步包括三官能的多异氰脲酸酯Α)。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·杰宁格，S·德尔，J·瓦格纳，E·佩费尔，S·福格尔，H·内夫兹格，M·施密特，
申请(专利权)人：拜尔材料科学股份公司，
类型：发明
国别省市：DE