WO2022002598A1 - Elektroaktiver elastomerwandler, verfahren zur herstellung von elektroaktiven elastomerwandlern, verwendung von elektroaktiven elastomeraktoren und/oder elektroaktiven elastomerstapelaktoren und flächiger elektrodenkörper - Google Patents

Elektroaktiver elastomerwandler, verfahren zur herstellung von elektroaktiven elastomerwandlern, verwendung von elektroaktiven elastomeraktoren und/oder elektroaktiven elastomerstapelaktoren und flächiger elektrodenkörper Download PDF

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WO2022002598A1
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layer
elastomer
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flat electrode
electrode body
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PCT/EP2021/066293
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Sven Herold
William Kaal
Thorsten Koch
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials
    • H10N30/878—Conductive materials the principal material being non-metallic, e.g. oxide or carbon based
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Definitions

  • Electroactive elastomer converter Process for the production of electroactive elastomer transducers. Use of electroactive elastomer actuators and / or electroactive elastomer stack actuators and flat electrodes body by
  • the present invention relates to an electroactive elastomer converter, the at least two flat electrode bodies, the at least one first layer made of at least one thermoplastic polymer, at least one surface of this at least one first layer having structuring, as well as at least one flat dielectric, which is between two flat
  • Electrode bodies is arranged, comprises.
  • the present invention relates to a method for producing the electroactive elastomer transducer according to the invention, in which, inter alia, the at least one first layer made of the at least one thermoplastic polymer is structured.
  • the process according to the invention is preferably carried out continuously.
  • the present invention relates to the use of electroactive elastomer actuators and / or electroactive Elastomerstapelak factors and flat electrode bodies.
  • From EP2630674 B1 an electroactive elastomer converter with at least one electroactive elastomer layer, which has an upper and lower side, as well as an electrically conductive electrode body which is at least partially surface-connected to the upper side and to the lower side, is known.
  • the processes for their production are very complex, however, since they use expensive and difficult to handle semi-finished products (individual, structured metal foils with a very small thickness). For economical manufacturing, a continuous manufacturing process that uses roll material is particularly worth striving for.
  • DEA / DES components (DEA: dielectric elastomer actuators, DES: dielectric elastomer sensors) have been assembled manually, which is only profitable for small quantities and is limited in terms of manufacturing accuracy and quality.
  • the electrodes have been manufactured as individual parts using the etching process or the electroforming process.
  • an electroactive elastomer converter is thus provided comprehensively a) at least two flat electrode bodies, comprising at least one first layer of at least one thermoplastic polymer, with at least one surface of the at least one first layer structuring, which are recesses and / or depressions, at least some of the recesses and / or depressions have a closed edge within the at least one surface, electrical conductivity of the electrode body being provided by at least one second layer, comprising or consisting of an electrically conductive material, with the at least one surface facing away from the structured surface a first layer and the at least one second layer consists of a surface composite, and / or an at least regional coating of the at least one first layer with an electrically conductive material, wherein the at least regional coating is applied to the at least one surface, which has the structuring, is applied, and / or at least one additive, comprising or consisting of an electrically conductive material which is introduced into the at least one thermoplastic polymer, and / or the at least one thermoplastic polymer having an
  • structured electrodes based on plastic are realized according to the present invention, which preferably have a high rigidity compared to the dielectric elastomer material.
  • the global conductivity of the electroactive elastomer transducer according to the invention can optionally be achieved via internal metallic areas.
  • a structured layer made of plastic or glass fiber, for example
  • a preferred variant of the electroactive elastomer converter according to the invention is characterized in that BO to 70%, preferably 40 to 60%, particularly preferably 45 to 55%, of the at least one surface of the at least one first layer that has structuring is structured.
  • Another preferred variant of the electroactive elastomer transducer according to the invention is characterized in that the recesses and / o the depressions have a maximum diameter (d) in the range from 500 to 5 miti, preferably in the range from 250 to 10 miti, particularly preferably in the range of 100 to 20 miti.
  • the at least one first layer has a layer thickness (h) in the range from 5 to 500 miti, preferably in the range from 10 to 100 miti, particularly preferably in the range from 20 to 50 miti.
  • the conductivity of the at least two flat electrode bodies is provided by the at least one second layer, the at least two flat electrode bodies each comprising at least one further first layer, with between the at least one The at least one second layer is arranged in the first layer and the at least one further first layer, with a surface composite between these layers, the surface of the at least one further first layer facing away from the at least one second layer also being structurings Recesses and / or depressions is, at least some of the recesses and / or depressions have a closed edge within the at least one area, the at least one further first layer having a layer thickness (h) in the range from 5 to 500 miti, preferably in the range from 10 to 100 miti, particularly preferably in the range from 20 to 50 miti.
  • h layer thickness
  • the at least one first elastomer layer has a layer thickness (s) in the range from 5 to 500 miti, preferably in the range from 10 to 250 miti, particularly preferably in the range from 20 to 100 miti.
  • the at least one flat dielectric comprises at least one further first elastomer layer and at least one metal foil or metallized layer, with between the at least one first elastomer layer and the at least one further first elastomer layer the at least one metal foil or metallized layer is arranged, with a surface composite between the elastomer layers and the at least one metal foil or metallized layer, the at least one first elastomer layer having a layer thickness that is identical to the layer thickness of the at least one first elastomer layer.
  • thermoplastic polymer in the event that it does not have intrinsic electrical conductivity, is selected from the group consisting of polyamide, PP, PS, polyester, such as PET , PPAT, PLA, or mixtures thereof; or in the event that this has an intrinsic electrical conductivity, is selected from the group consisting of polypyrrole, polythiophene, polyaniline or mixtures thereof.
  • electrically conductive material preferably comprises or consists of a metal, an alloy or a metallic material, particularly preferably copper, silver, gold, aluminum, steel, nickel or mixtures thereof .
  • the at least one first elastomer layer and the at least one further first elastomer layer comprise or consist of at least one plastic which is selected from the group consisting of polyacrylic elastomers; Silicones, preferably polydimethylsiloxane; Polyurethanes; Natural rubber; Polymer gels and mixtures thereof.
  • a powder e.g. based on talc
  • a powder is inserted between the elastomer and electrode layers to improve the sliding properties.
  • the present invention further relates to a method for producing electroactive elastomer transducers according to one of the preceding claims, in which c) at least two flat electrode bodies, comprising or consisting of the at least one first layer, are provided; d) at least one surface of the at least one first layer is structured by a method, with depressions and / or recesses being at least partially introduced into the surface of the at least one first layer as structuring, with at least some of the recesses and / or depressions in be introduced in such a way that, after structuring, they have a closed edge within the edge of the at least one surface; e) at least one flat dielectric, comprising or consisting of at least one first elastomer layer, between each two flat chigen electrode bodies is arranged and at least be a direct or indirect surface composite between tween the two flat electrode bodies and the at least one first elastomer layer is realized, in the event that the structuring is depressions, at least one flat electrode body with its structured surface is connected directly or
  • a preferred variant of the process according to the invention is characterized in that process step b) is carried out continuously.
  • Another preferred variant of the method according to the invention is characterized in that the structuring according to process step b) by means of a forming process in which at least one mold, which preferably has antagonistic structuring compared to the structuring generated in process step b), with the at least one first layer is brought into contact.
  • Another preferred variant of the process according to the invention is characterized in that the forming process is a rolling process or hot pressing.
  • the flat electrode body in addition to the at least one first layer, comprises the at least one second layer, the at least one first layer and the at least one second layer being brought into a surface composite, the surface of the at least one first layer facing away from the at least one second layer is structured according to method step b).
  • Another preferred variant of the method according to the invention draws net is that the surface composite of the at least one first layer and the at least one second layer by a coating process, preferably by a spray process using a solution or melt of the at least one thermoplastic polymer, in which the solution or melt on the at least a second layer is sprayed on, is realized.
  • the at least two flat electrode bodies each comprise at least one further first layer
  • the at least one second layer between the at least one first layer and the at least one further first layer Layer is arranged, where between these layers a surface composite, preferably by a coating process, particularly preferably by a spraying process using a solution or melt of the at least one thermoplastic polymer, in which the solution or melt on a surface of the at least one second Layer for producing the at least one first layer and is sprayed onto the surface opposite this surface for producing the at least one further first layer, is realized.
  • Another preferred variant of the method according to the invention is characterized in that the surface of the at least one further first layer facing away from the at least one second layer is structured according to method step b), the structuring of the at least one first layer and the structuring of the at least one further first layer is preferably carried out at the same time.
  • the at least one flat dielectric comprises at least one further first elastomer layer and at least one metal foil or metallized layer, with a layer between the at least one first elastomer layer and the at least one further first elastomer the at least one metal foil or metallized layer is arranged is, with a surface composite being realized between the elastomer layers and the at least one metal foil or metallized layer.
  • the electrically conductive material preferably comprises or comprises a metal, an alloy or a metallic material, particularly preferably copper, silver, gold, aluminum, steel, nickel or mixtures thereof consists.
  • the at least one first elastomer layer and the at least one further first elastomer layer comprise or consist of at least one plastic which is selected from the group consisting of polyacrylic elastomers; Silicones, preferably polydimethylsiloxane; Polyurethanes; Natural rubber; Polymer gels and mixtures here from.
  • the present invention further relates to the use of electroactive elastomer converters produced by a method according to the invention for integrated force sensors for elastomer components; Sensors in gripping surfaces, preferably in tools, sports equipment, tablets and smartphones; Active elastomer bearings for vehicle applications as well as flat speakers.
  • the present invention further relates to a flat electrode body, comprising at least one first layer of at least one thermoplastic polymer, with at least one surface of the at least one first layer structuring, which are recesses and / or depressions, at least some of the Recesses and / or depressions have a closed edge within the at least one surface, wherein an electrical conductivity of the electrode body is provided by at least one second layer, comprising or consisting of an electrically conductive material, with the at least one surface facing away from the structured surface a first layer and the at least one second layer consists of a surface composite; and / or an at least regional coating of the at least one first layer with an electrically conductive material, the at least regional coating being applied to the at least one surface that has the structuring; and / or at least one additive, comprising or consisting of an electrically conductive material which is introduced into the at least one thermoplastic polymer; and / or the at least one thermoplastic polymer having an intrinsic electrical conductivity is provided.
  • a preferred variant of the electrode body according to the invention is characterized in that up to 80%, preferably 40 to 70%, of the at least one area of the at least one first layer that has structuring is structured.
  • the recesses and / or depressions have a maximum diameter (d) in the range from 500 to 5 miti, preferably im Range from 250 to 10 mih, particularly preferably range from 100 to 20 mih.
  • the at least one first layer has a layer thickness (h) in the range from 5 to 500 ⁇ m, preferably in the range from 10 to 100 ⁇ m, particularly preferably in the range from 20 to 50 ⁇ m, having.
  • thermoplastic polymer is selected from the group consisting of polyamide, PP, PS, polyester, such as PET, in the event that it has no intrinsic electrical conductivity , PPAT, PLA, or mixtures thereof.
  • the electrically conductive material preferably comprises or consists of a metal, an alloy or a metallic material, particularly preferably copper, silver, gold, aluminum, steel, nickel or mixtures thereof .
  • thermoplastic polymer in the event that it has intrinsic electrical conductivity, is selected from the group consisting of polypyrrole, polythiophene, polyaniline or mixtures thereof.
  • Figure 1 shows an elastomer transducer according to the invention consisting of two flat electrode bodies, which are each formed from a layer of a thermoplastic polymer 10a, 10b. Each of the layers has structures 12 on one side. A dielectric 20 is arranged between the flat electrode bodies. The structuring of the layer 11b is facing the dielectric 20.
  • Figure 2 also shows an elastomer converter with two flat Electrode body 10, which are each formed from a layer of a thermoplastic polymer 10a, 10b. Each of the layers has structures 12 on both sides. A dielectric 20 is arranged between the flat Electrode bodies. In this case, both electrode bodies with their structuring are consequently facing the dielectric 20.
  • FIG. 5 shows an elastomer converter with a structure similar to the elastomer converter from FIG. 2, but with the difference that the electrode bodies 10 additionally have a further layer made of an electrically conductive material ISa, ISb, the further layers ISa, ISb being between two layers are arranged from the thermoplastic polymer 11a, 11b.
  • FIG. 4 shows an elastomer converter which, like the elastomer converter according to FIG. 5, has two identically constructed electrode bodies.
  • the dielectric formed between the two electrode bodies is also built up in layers, with a first dielectric layer 21a and a second dielectric layer 21b.
  • a conductive layer 22 is provided between the two dielectric layers, for example a metal film or a metallized layer.
  • the composite of the two dielectric layers 21a and 21b as well as the electrically conductive layer 22 results in the overall dielectric 20.
  • the electroactive elastomer converter according to FIG. 4 is iterative and comprises two electrode bodies 10 and two dielectrics 20.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of an electroactive elastomer converter according to the present invention.
  • the elastomer converter shown has three dielectrics 20, each of which is built up in a single layer.
  • a layer 21 of a thermoplastic polymer can be provided for this purpose.
  • An electrode body 10, which has structures 12, is embedded between each two dielectrics 20.
  • the structures 12 are formed on both sides of the electrode body.
  • the electrode body is formed in one layer 11 and consists of an intrinsically conductive one thermoplastic plastic formed.
  • FIG. 6 shows a modification of the concept shown in FIG.
  • the electroactive elastomer converter shown in the example has two electrics 20, each of which is designed as a layer of a thermoplastic or an elastomer. Between the two dielectrics 20, an electrode body 10 is embedded, which has a base body made of a ther moplastic plastic. The base body is structured and has the structures 12. On its surface, the base body is metallized on both sides, as a result of which electrically conductive layers 11a, 11b are formed.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of an electroactive elastomer converter according to the invention.
  • This elastomer converter can be built up modularly, in which, as shown in Figure 7, individual fragments I and II are connected to one another. Each part follows with I and II has a three-layer structure.
  • the structured electrode body 10 which can be made of a single layer 11, for example.
  • the electrode body 10 can be designed as an insulator (for example, made of an insulating thermoplastic plastic), but also leitfä hig (for example, made of an intrinsically conductive thermoplastic plastic).
  • a metallization 13 or a metal foil is applied.
  • a dielectric 20 the exemplary case of which in the FIGURE is formed as a single layer 21. It can be an elastomer film, for example.
  • FIG. 8 shows an embodiment of a method according to the invention, the molding tool 30, which has structures 31, being brought into contact with a thermoplastic polymer layer and thereby the Structures 12 are pressed in.
  • the molding tool can be designed, for example, as a calender roller, with which depressions are made in the polymer layer.
  • FIG. 9 shows an alternative method in which, analogously to FIG. 8, a layer 11 of a thermoplastic polymer of an electrode body is structured on both sides.
  • FIG. 10 shows a further variant of a method according to the invention, in which a complex electrode body 10 can be produced.
  • a metal foil 13 is coated on both sides with a plastic by spraying the plastic, for example.
  • the layer composite is then structured in a rolling process, with the structuring 12 being created.
  • the forces required for this are significantly lower than those for structuring a pure metal foil.
  • the metal foil can be coated with a thermoplastic material and then structured, for example by means of hot pressing.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektroaktiven Elastomerwandler, der mindestens zwei flächige Elektrodenkörper, die mindestens eine erste Schicht aus mindestens einem thermoplastischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche dieser mindestens einen ersten Schicht Strukturierungen aufweist, so- wie mindestens ein flächiges Dielektrikum, das zwischen jeweils zwei flächigen Elektrodenkörpern angeordnet ist, umfasst. Zudem betrifft die vorliegende Er- findung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandler, bei welchem unter anderem die mindestens eine erste Schicht aus dem mindestens einen thermoplastischen Polymer strukturiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich durch- geführt. Ferner betrifft die die vorliegende Erfindung die Verwendung von elektroaktiven Elastomeraktoren und/oder elektroaktiven Elastomerstapelak- toren sowie flächige Elektrodenkörper.

Description

Elektroaktiver Elastomerwandler. Verfahren zur Herstellung von elektroakti ven Elastomerwandlern. Verwendung von elektroaktiven Elastomeraktoren und/oder elektroaktiven Elastomerstapelaktoren und flächiger Elektrodenkör per
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektroaktiven Elastomerwandler, der mindestens zwei flächige Elektrodenkörper, die mindestens eine erste Schicht aus mindestens einem thermoplastischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche dieser mindestens einen ersten Schicht Strukturierungen aufweist, so- wie mindestens ein flächiges Dielektrikum, das zwischen jeweils zwei flächigen
Elektrodenkörpern angeordnet ist, umfasst. Zudem betrifft die vorliegende Er findung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandler, bei welchem unter anderem die mindestens eine erste Schicht aus dem mindestens einen thermoplastischen Polymer strukturiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich durch geführt. Ferner betrifft die die vorliegende Erfindung die Verwendung von elektroaktiven Elastomeraktoren und/oder elektroaktiven Elastomerstapelak toren sowie flächige Elektrodenkörper. Aus der EP2630674 Bl ist ein elektroaktiver Elastomerwandler mit wenigstens einer elektroaktiven Elastomerschicht, die eine Ober- und Unterseite auf weist, sowie einem mit der Oberseite und einem mit der Unterseite zumin dest bereichsweise flächenverbundenen, elektrisch leitfähigen Elektrodenkör per bekannt. Die Verfahren zu deren Herstellung sind allerdings sehr aufwän dig, da sie teure und schwer handhabbare Halbzeuge (einzelne, strukturierte Metallfolien mit sehr geringer Dicke) verwenden. Für eine wirtschaftliche Fer tigung ist insbesondere ein kontinuierlicher Fertigungsprozess erstrebens wert, der Rollenmaterial verwendet.
Bisher wurden DEA-/DES-Komponenten (DEA: dielektrische ElastomerAkto- ren, DES: dielektrische Elasto-merSensoren) manuell aufgebaut, was nur für kleine Stückzahlen rentabel und hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit und - qualität begrenzt ist.
Die Elektroden wurden bisher als Einzelteile im Ätzverfahren oder im Electro- forming-Verfahren hergestellt.
Ausgehend hiervon war es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektroaktiven Elastomerwandler bereitzustellen, der weniger aufwendig her zustellen ist als beispielsweise strukturierte Metallelektroden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines elektroaktiven Elastomerwandlers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hinsichtlich eines Verfahrens zur Her stellung dieser elektroaktiven Elastomerwandler mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 12, hinsichtlich der Verwendung von elektroaktiven Elastomer aktoren und/oder elektroaktiven Elastomerstapelaktoren hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23 sowie hinsichtlich eines flächigen Elektrodenkörpers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst. Dabei stellen die jeweilig abhängigen Pa tentansprüche vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein elektroaktiver Elastomerwandler bereitge stellt, umfassend a) mindestens zwei flächige Elektrodenkörper, umfassend mindestens eine erste Schicht aus mindestens einem thermoplastischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche der mindestens einen ersten Schicht Strukturierungen, bei denen es sich um Ausnehmungen und/oder Ver tiefungen handelt, wobei zumindest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen geschlossenen Rand innerhalb der min destens einen Fläche aufweisen, aufweist, wobei eine elektrische Leit fähigkeit des Elektrodenkörpers bereitgestellt wird durch mindestens eine zweite Schicht, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei zwischen einer der struk turierten Fläche abgewandten Fläche der mindestens einen ersten Schicht und der mindestens einen zweiten Schicht ein Flächenverbund besteht, und/oder eine zumindest bereichsweise Beschichtung der mindestens ei nen ersten Schicht mit einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die zumindest bereichsweise Beschichtung auf die mindestens eine Fläche, die die Strukturierungen aufweist, aufgebracht ist, und/oder mindestens ein Additiv, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in das mindestens eine thermoplas tische Polymer eingebracht ist, und/oder das mindestens eine thermoplastische Polymer aufweisend eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit; sowie b) mindestens ein flächiges Dielektrikum, umfassend oder bestehend aus mindestens einer ersten Elastomerschicht, das zwischen jeweils zwei flächigen Elektrodenkörpern angeordnet ist, wobei zumindest bereichsweise ein unmittelbarer oder mittelbarer Flächen verbund zwischen den zwei flächigen Elektrodenkörpern und der mindestens einen ersten Elastomerschicht besteht, wobei für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen um Vertiefungen handelt, mindestens ein flächiger Elektro denkörper mit seiner strukturierten Fläche unmittelbar oder mittelbar mit der Elastomerschicht verbunden ist, wobei im Bereich der Strukturierung kein Flächenverbund zwischen dem mindestens einen flächigen Elektrodenkörper und dem mindestens einen flächigen Dielektrikum besteht.
Anstatt strukturierter Metallelektroden, wie aus dem Stand der Technik be kannt, die aufwändig herzustellen sind, werden gemäß der vorliegenden Erfin dung strukturierte Elektroden basierend auf Kunststoff realisiert, die bevor zugt eine im Vergleich zum dielektrischen Elastomermaterial hohe Steifigkeit aufweisen. Die globale Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers kann gegebenenfalls über innen liegende metallische Be reiche erzielt werden. Alternativ kann ebenso eine strukturierte Schicht (bei spielsweise aus Kunststoff oder Glasfaser) lokal metallisiert und damit leitfä hig ausgestaltet werden.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomer wandlers zeichnet sich dadurch aus, dass BO bis 70 %, bevorzugt 40 bis 60 %, besonders bevorzugt 45 bis 55 %, der mindestens einen Fläche der mindes tens einen ersten Schicht, die Strukturierungen aufweist, strukturiert sind.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen um Vertiefungen handelt, die Tiefe der Vertiefungen (t) 80 % bis 30 %, bevorzugt 70 % bis 40 %, der Schichtdicke der mindestens ei nen ersten Elastomerschicht beträgt, und/oder für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen um Ausnehmungen han delt, die Schichtdicke (h) der mindestens einen ersten Schicht 80 % bis 30 %, bevorzugt 70 % bis 40 %, der Schichtdicke (h) der mindestens einen ersten Elastomerschicht beträgt; und/oder für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen um Vertiefungen handelt, die Vertiefungen eine Tiefe (t) von t = h*x aufweisen, wobei für den für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper die mindestens eine zweite Schicht nicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper die mindestens eine zweite Schicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 1 liegt.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmungen und/o der Vertiefungen einen maximalen Durchmesser (d) im Bereich von 500 bis 5 miti, bevorzugt im Bereich von 250 bis 10 miti, besonders bevorzugt im Be reich von 100 bis 20 miti, aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine erste Schicht eine Schichtdicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Be reich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitfähigkeit der min destens zwei flächigen Elektrodenkörpern durch die mindestens eine zweite Schicht bereitgestellt wird, die mindestens zwei flächigen Elektrodenkörper je weils mindestens eine weitere erste Schicht umfassen, wobei zwischen der mindestens einen ersten Schicht und der mindestens einen weiteren ersten Schicht die mindestens eine zweite Schicht angeordnet ist, wobei zwischen diesen Schichten ein Flächenverbund besteht, wobei die der mindestens ei nen zweiten Schicht abgewandte Fläche der mindestens einen weiteren ers ten Schicht ebenfalls Strukturierungen , bei denen es sich um Ausnehmungen und/oder Vertiefungen handelt, wobei zumindest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen geschlossenen Rand innerhalb der mindestens einen Fläche aufweisen, aufweist, wobei die mindestens eine weitere erste Schicht eine Schichtdicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Be reich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine erste Elastomerschicht eine Schichtdicke (e) der im Bereich von 5 bis 500 miti, be vorzugt im Bereich von 10 bis 250 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 100 miti, aufweist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine flä chige Dielektrikum mindestens eine weitere erste Elastomerschicht sowie mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht umfasst, wobei zwi schen der mindestens einen ersten Elastomerschicht und der mindestens ei nen weiteren ersten Elastomerschicht die mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht angeordnet ist, wobei zwischen den Elastomerschichten und sowie der mindestens einen Metallfolie oder metallisierten Schicht ein Flächenverbund besteht, wobei die mindestens eine erste Elastomerschicht eine Schichtdicke aufweist, die der Schichtdicke der mindestens einen ersten Elastomerschicht identisch ist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine ther moplastische Polymer für den Fall, dass dieses keine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polyamid, PP, PS, Polyester, wie zum Beispiel PET, PPAT, PLA, oder Mischungen hiervon; oder für den Fall, dass dieses eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin oder Mischungen hiervon. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrisch leitfähige Material bevorzugt ein Metall, eine Legierung oder einen metallischen Werk stoff, besonders bevorzugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hiervon umfasst oder daraus besteht.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen elektroaktiven Elastomerwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine erste Elastomerschicht sowie die mindestens eine weitere erste Elastomerschicht mindestens einen Kunststoff umfassen oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylischen Elastomeren; Silikonen, be vorzugt Polydimethylsiloxan; Polyurethanen; Naturkautschuk; Polymergelen und Mischungen hiervon.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass zwischen Elastomer- und Elektroden schichten ein Pulver/Puder (z.B. auf Talkumbasis) zur Verbesserung der Gleiteigenschaften eingebracht ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von elektroaktiven Elastomerwandlern nach einem der vorangegangenen Ansprü che, bei welchem c) mindestens zwei flächige Elektrodenkörper, umfassend oder beste hend aus der mindestens einen ersten Schicht bereitgestellt werden; d) zumindest eine Fläche der mindestens einen ersten Schicht durch ein Verfahren strukturiert wird, wobei Vertiefungen und/oder Ausneh mungen zumindest bereichsweise in die Fläche der mindestens einen ersten Schicht als Strukturierungen eingebracht werden, wobei zumin dest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen in solcher Weise eingebracht werden, dass diese nach der Strukturierung einen geschlossenen Rand innerhalb des Randes der mindestens einen Flä che aufweisen; e) mindestens ein flächiges Dielektrikum, umfassend oder bestehend aus mindestens einer ersten Elastomerschicht, zwischen jeweils zwei flä- chigen Elektrodenkörpern angeordnet wird und dabei zumindest be reichsweise ein unmittelbarer oder mittelbarer Flächenverbund zwi schen den zwei flächigen Elektrodenkörpern und der mindestens einen ersten Elastomerschicht realisiert wird, wobei für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen um Vertiefungen handelt, mindestens ein flächiger Elektrodenkörper mit seiner strukturierten Fläche unmittelbar oder mittelbar mit der Elastomerschicht verbunden wird, wobei im Bereich der Strukturierung kein Flächenverbund zwischen dem min destens einen flächigen Elektrodenkörper und dem mindestens einem flächi gen Dielektrikum realisiert wird.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Verfahrensschritt b) kontinuierlich durchgeführt wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass die Strukturierung gemäß Verfahrensschritt b) mit tels eines Umformverfahrens, bei welchem mindestens ein Formwerkzeug, das bevorzugt antagonistische Strukturierungen gegenüber den in Verfahrens schritt b) erzeugten Strukturierungen aufweist, mit der mindestens einer ers ten Schicht in Kontakt gebracht wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass es sich bei dem Umformverfahren um ein Walzver fahren oder Heißpressen handelt.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass der flächige Elektrodenkörper zusätzlich zu der mindestens einen ersten Schicht die mindestens eine zweite Schicht umfasst, die mindestens eine erste Schicht mit der mindestens einen zweiten Schicht in einen Flächenverbund gebracht wird, wobei die der mindestens einen zweiten Schicht abgewandte Fläche der mindestens einen ersten Schicht gemäß Ver fahrensschritt b) strukturiert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich- net sich dadurch aus, dass der Flächenverbund aus der mindestens einen ers ten Schicht und der mindestens einen zweiten Schicht durch ein Beschich tungsverfahren, bevorzugt durch ein Sprühverfahren unter Verwendung einer Lösung oder Schmelze des mindestens einen thermoplastischen Polymers, bei welchem die Lösung oder Schmelze auf die mindestens eine zweite Schicht aufgesprüht wird, realisiert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass für den Fall, dass die mindestens zwei flächigen Elektrodenkörper jeweils mindestens eine weitere erste Schicht umfassen, zwischen der mindestens einen ersten Schicht und der mindestens einen wei teren ersten Schicht die mindestens eine zweite Schicht angeordnet wird, wo bei zwischen diesen Schichten ein Flächenverbund, der bevorzugt durch ein Beschichtungsverfahren, besonders bevorzugt durch ein Sprühverfahren un ter Verwendung einer Lösung oder Schmelze des mindestens einen thermo plastischen Polymers, bei welchem die Lösung oder Schmelze auf einer Fläche der mindestens einen zweiten Schicht zur Herstellung der mindestens einen ersten Schicht und auf der dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche zur Her stellung der mindestens einen weiteren ersten Schicht aufgesprüht wird, reali siert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass die der mindestens einen zweiten Schicht abge wandten Fläche der mindestens einen weiteren ersten Schicht gemäß Verfah rensschritt b) strukturiert wird, wobei die Strukturierung der mindestens ei nen ersten Schicht sowie die Strukturierung der mindestens einen weiteren ersten Schicht bevorzugt zeitgleich erfolgt.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass das mindestens eine flächige Dielektrikum mindes tens eine weitere erste Elastomerschicht sowie mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht umfasst, wobei zwischen der mindestens einen ers ten Elastomerschicht und der mindestens einen weiteren ersten Elastomer schicht die mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht angeordnet wird, wobei zwischen den Elastomerschichten und sowie der mindestens ei nen Metallfolie oder metallisierten Schicht ein Flächenverbund realisiert wird.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass das elektrisch leitfähige Material bevorzugt ein Me tall, eine Legierung oder ein metallischer Werkstoff, besonders bevorzugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hiervon um fasst oder daraus besteht.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeich net sich dadurch aus, dass die mindestens eine erste Elastomerschicht sowie die mindestens eine weitere erste Elastomerschicht mindestens einen Kunst stoff umfassen oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe be stehend aus Polyacrylischen Elastomeren; Silikonen, bevorzugt Polydimethyl- siloxan; Polyurethanen; Naturkautschuk; Polymergelen und Mischungen hier von.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung von elektroakti ven Elastomerwandlern hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren für integrierte Kraftsensorik für Elastomerkomponenten; Sensoren in Griffflä chen, bevorzugt in Werkzeugen, Sportgeräten, Tablets und Smartphones; ak tive Elastomerlager für Fahrzeuganwendungen sowie Flachlautsprecher.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen flächigen Elektrodenkörper, umfassend mindestens eine erste Schicht aus mindestens einem thermoplas tischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche der mindestens einen ersten Schicht Strukturierungen, bei denen es sich um Ausnehmungen und/oder Ver tiefungen handelt, wobei zumindest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen geschlossenen Rand innerhalb der mindestens einen Flä che aufweisen, aufweist, wobei eine elektrische Leitfähigkeit des Elektroden körpers durch mindestens eine zweite Schicht, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei zwischen einer der strukturierten Fläche abgewandten Fläche der mindestens einen ersten Schicht und der mindestens einen zweiten Schicht ein Flächenverbund besteht; und/oder eine zumindest bereichsweise Beschichtung der mindestens einen ers ten Schicht mit einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die zumindest bereichsweise Beschichtung auf die mindestens eine Fläche, die die Struk turierungen aufweist, aufgebracht ist; und/oder mindestens ein Additiv, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in das mindestens eine thermoplasti sche Polymer eingebracht ist; und/oder das mindestens eine thermoplastische Polymer aufweisend eine intrin sische elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt wird.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass BO bis 80 %, bevorzugt 40 bis 70 %, der mindestens ei nen Fläche der mindestens einen ersten Schicht, die Strukturierungen auf weist, strukturiert sind.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei den Strukturierungen um Vertie fungen handelt, die Vertiefungen eine Tiefe (t) von t = h*x aufweisen, wobei für den für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper die mindestens eine zweite Schicht nicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper die mindestens eine zweite Schicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 1 liegt.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmungen und/oder Vertiefungen ei nen maximalen Durchmesser (d) im Bereich von 500 bis 5 miti, bevorzugt im Bereich von 250 bis 10 mih, besonders bevorzugt Bereich von 100 bis 20 mih, aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine erste Schicht eine Schichtdicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine thermoplastische Poly mer für den Fall, dass dieses keine intrinsische elektrische Leitfähigkeit auf weist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polyamid, PP, PS, Polyester, wie zum Beispiel PET, PPAT, PLA, oder Mischungen hiervon.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrisch leitfähige Material bevorzugt ein Metall, eine Legierung oder einen metallischen Werkstoff, besonders be vorzugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hier von umfasst oder daraus besteht.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine thermoplastische Poly mer für den Fall, dass dieses eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit auf weist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polypyrrol, Polythiophen, Po lyanilin oder Mischungen hiervon.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbei spiele anhand von Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die darge stellten Beispiele zu beschränken.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elastomerwandler bestehend aus zwei flächigen Elektrodenkörper, die jeweils aus einer Schicht eines thermoplasti schen Polymers 10a, 10b gebildet sind. Jede der Schichten weist dabei jeweils auf einer Seite Strukturierungen 12 auf. Ein Dielektrikum 20 ist zwischen den flächigen Elektrodenkörpern angeordnet. Die Strukturierungen der Schicht 11b sind dabei dem Dielektrikum 20 zugewandt. Figur 2 zeigt dabei ebenfalls einen Elastomerwandler mit zwei flächigen Elekt rodenkörper 10, die jeweils aus einer Schicht eines thermoplastischen Poly mers 10a, 10b gebildet sind. Jede der Schichten weist dabei jeweils beidseitig Strukturierungen 12 auf. Ein Dielektrikum 20 ist zwischen den flächigen Elekt rodenkörpern angeordnet. Hierbei sind dem Dielektrikum 20 folglich beide Elektrodenkörper mit ihren Strukturierungen zugewandt.
Figur S zeigt einen Elastomerwandler mit einem dem Elastomerwandler aus Figur 2 ähnlichen Aufbau, allerdings mit dem Unterschied, dass die Elektro denkörper 10 zusätzlich eine weitere Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material lSa, lSb aufweisen, wobei die weiteren Schichten lSa, lSb hierbei zwischen zwei Schichten aus dem thermoplastischen Polymer 11a, 11b ange ordnet sind.
Figur 4 zeigt einen Elastomerwandler, der ebenso wie der Elastomerwandler gemäß Figur S zwei identisch aufgebaute Elektrodenkörper aufweist. Das zwi schen den beiden Elektrodenkörpern ausgebildete Dielektrikum ist dabei ebenso schichtweise aufgebaut, mit einer ersten dielektrischen Schicht 21a, einer zweiten dielektrischen Schicht 21b. Zwischen den beiden dielektrischen Schichten ist eine leitfähige Schicht 22 vorgesehen, beispielsweise eine Me tallfolie bzw. eine metallisierte Schicht. Der Verbund aus den beiden dielektri schen Schichten 21a und 21b sowie der elektrisch leitfähigen Schicht 22 ergibt insgesamt das Dielektrikum 20. Der elektroaktive Elastomerwandler gemäß Fi gur 4 ist dabei iterativ ausgebildet und umfasst zwei Elektrodenkörper 10 so wie zwei Dielektrika 20.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektroaktiven Elastomer wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der dargestellte Elastomer wandler verfügt dabei über drei Dielektrika 20, die jeweils einschichtig aufge baut sind. Beispielsweise kann hierfür eine Schicht 21 eines thermoplastischen Polymers vorgesehen sein. Zwischen jeweils zwei Dielektrika 20 ist jeweils ein Elektrodenkörper 10 eingebettet, der Strukturierungen 12 aufweist. Die Struk turierungen 12 sind im beispielhaften Fall des Elastomerwandlers gemäß Figur 5 auf beiden Seiten des Elektrodenkörpers ausgebildet. Der Elektrodenkörper ist dabei einschichtig 11 ausgebildet und aus einem intrinsisch leitfähigen thermoplastischen Kunststoff gebildet.
Figur 6 zeigt eine Abwandlung des in Figur 5 dargestellten Konzepts. Der bei spielhafte dargestellte elektroaktive Elastomerwandler verfügt über zwei Die lektrika 20, die jeweils als eine Schicht eines thermoplastischen Kunststoffs bzw. eines Elastomers ausgebildet sind. Zwischen den beiden Dielektrika 20 ist ein Elektrodenkörper 10 eingebettet, der einen Grundkörper aus einem ther moplastischen Kunststoff aufweist. Der Grundkörper ist dabei strukturiert und weist die Strukturierungen 12 auf. An seiner Oberfläche ist der Grundkörper beidseitig metallisiert, wodurch elektrisch leitfähige Schichten 11a, 11b ausge bildet werden.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektro aktiven Elastomerwandlers. Dieser Elastomerwandler kann modular aufge baut werden, in dem wie in Figur 7 dargestellte einzelne Fragmente I und II miteinander verbunden werden. Jedes Teil folgt mit I und II verfügt hierbei über einen dreischichtigen Aufbau. Jeweils oben dargestellt ist der strukturiert 12 ausgebildete Elektrodenkörper 10, der beispielsweise einschichtig 11 aus gebildet sein kann. Der Elektrodenkörper 10 kann dabei als Isolator (beispiels weise aus einem isolierenden thermoplastischen Kunststoff), aber auch leitfä hig (beispielsweise aus einem intrinsisch leitfähigen thermoplastischen Kunst stoff) ausgebildet sein. Unten anschließend an den Elektrodenkörper 10 ist eine Metallisierung 13 bzw. eine Metallfolie aufgebracht. Hieran schließt sich ein Dielektrikum 20 an, dessen beispielhafter Fall der Figur einschichtig 21 ausgebildet ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Elastomerfolie handeln.
Werden mehrere dieser Fragmente I und II übereinander gebracht und mitei nander verbunden, erhält man insgesamt den elektroaktiven Elastomerwand ler. Durch Stapeln dieser gleichartigen Schichtverbundelemente, d. h. der Fragmente I und II und wechselseitige Kontraktierung/Ansteuerung kann sehr einfach ein Stapelwandler aufgebaut werden.
Figur 8 zeigt dabei eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfah rens, wobei das Formwerkzeug 30, das Strukturierungen 31 aufweist, mit ei ner thermoplastischen Polymerschicht in Kontakt gebracht wird und dabei die Strukturierungen 12 eingepresst werden. Das Formwerkzeug kann dabei bei spielsweise als Kalanderwalze ausgebildet sein, mit der Vertiefungen in die Polymerschicht eingebracht werden. Figur 9 zeigt ein alternatives Verfahren, bei dem analog zur Figur 8 eine beid seitige Strukturierung einer Schicht 11 eines thermoplastischen Polymers ei nes Elektrodenkörpers erfolgt.
Figur 10 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein komplexer Elektrodenkörper 10 erzeugt werden kann. Beispielsweise wird eine Metallfolie 13 beidseitig mit einem Kunststoff beschichtet, indem der Kunststoff beispielsweise aufgesprüht wird. Der Schichtverbund wird an schließend in einem Walzverfahren strukturiert, wobei die Strukturierungen 12 entstehen. Die dafür notwendigen Kräfte sind deutlich geringer als die für die Strukturierung einer reinen Metallfolie. Alternativ kann die Metallfolie mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichtet werden und im Anschluss zum Beispiel mittels Heißpressen strukturiert werden.

Claims

1 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 219PCT 1186 ME Patentansprüche
1. Elektroaktiver Elastomerwandler, umfassend a) mindestens zwei flächige Elektrodenkörper (10), umfassend mindes tens eine erste Schicht (11, 11a, 11b) aus mindestens einem thermo plastischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche der mindestens ei nen ersten Schicht (11, 11a, 11b) Strukturierungen (12), bei denen es sich um Ausnehmungen und/oder Vertiefungen handelt, wobei zumin dest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen ge schlossenen Rand innerhalb der mindestens einen Fläche aufweisen, aufweist, wobei eine elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenkörpers bereitgestellt wird durch mindestens eine zweite Schicht (IS), umfassend oder beste hend aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei zwischen einer der strukturierten Fläche abgewandten Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und der mindestens einen zweiten Schicht (13) ein Flächenverbund besteht, und/oder eine zumindest bereichsweise Beschichtung der mindestens ei nen ersten Schicht (11, 11a, 11b) mit einem elektrisch leitfähigen Ma terial, wobei die zumindest bereichsweise Beschichtung auf die min destens eine Fläche, die die Strukturierungen (12) aufweist, aufge bracht ist, und/oder mindestens ein Additiv, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in das mindestens eine thermoplas tische Polymer eingebracht ist, und/oder 2 das mindestens eine thermoplastische Polymer aufweisend eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit; sowie b) mindestens ein flächiges Dielektrikum (20), umfassend oder bestehend aus mindestens einer ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b), das zwi schen jeweils zwei flächigen Elektrodenkörpern (10) angeordnet ist, wobei zumindest bereichsweise ein unmittelbarer oder mittelbarer Flä chenverbund zwischen den zwei flächigen Elektrodenkörpern (10) und der mindestens einen ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b)) besteht, wobei für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen (12) um Vertiefungen handelt, mindestens ein flächiger Elektrodenkörper (10) mit seiner struk turierten Fläche unmittelbar oder mittelbar mit der Elastomerschicht (21, 21a, 21b) verbunden ist, wobei im Bereich der Strukturierung (12) kein Flächenverbund zwischen dem mindestens einen flächigen Elektrodenkör per (10) und dem mindestens einen flächigen Dielektrikum (20) besteht.
2. Elektroaktiver Elastomerwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass SO bis 70 %, bevorzugt 40 bis 60 %, besonders bevorzugt 45 bis 55 %, der mindestens einen Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b), die Strukturierungen (12) aufweist, strukturiert sind.
3. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen (12) um Vertiefungen handelt, die Tiefe der Vertiefungen (t) 80 % bis 30 %, bevorzugt 70 % bis 40 %, der Schichtdicke der mindestens einen ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b) beträgt, und/oder für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen (12) um Ausnehmungen handelt, die Schichtdicke (h) der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) 80 % bis 30 %, bevorzugt 70 % bis 40 %, der Schichtdicke (h) der min destens einen ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b) beträgt; und/oder 3 für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen (12) um Vertiefungen handelt, die Vertiefungen eine Tiefe (t) von t = h*x aufweisen, wobei für den für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper (10) die mindes tens eine zweite Schicht (IS) nicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper (10) die mindestens eine zweite Schicht (13) umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 1 liegt.
4. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und/oder Ver tiefungen einen maximalen Durchmesser (d) im Bereich von 500 bis 5 miti, bevorzugt im Bereich von 250 bis 10 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 20 miti, aufweisen.
5. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (11, 11a, 11b) eine Schichtdicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevor zugt im Bereich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
6. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Leitfähigkeit der mindestens zwei flächigen Elektrodenkörpern (10) durch die mindes tens eine zweite Schicht (13) bereitgestellt wird, die mindestens zwei flä chigen Elektrodenkörper (10) jeweils mindestens eine weitere erste Schicht (11b) umfassen, wobei zwischen der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und der mindestens einen weiteren ersten Schicht (11b) die mindestens eine zweite Schicht (13) angeordnet ist, wobei zwi schen diesen Schichten ein Flächenverbund besteht, wobei die der min destens einen zweiten Schicht (13) abgewandte Fläche der mindestens ei nen weiteren ersten Schicht (11b) ebenfalls Strukturierungen (12), bei de nen es sich um Ausnehmungen und/oder Vertiefungen handelt, wobei zu mindest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen ge schlossenen Rand innerhalb der mindestens einen Fläche aufweisen, auf- 4 weist, wobei die mindestens eine weitere erste Schicht (11b) eine Schicht dicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
7. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elasto merschicht (21, 21a, 21b) eine Schichtdicke (e) der im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Bereich von 10 bis 250 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 100 miti, aufweist.
8. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flächige Die lektrikum (20) mindestens eine weitere erste Elastomerschicht (21b) so wie mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht (22) umfasst, wobei zwischen der mindestens einen ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b) und der mindestens einen weiteren ersten Elastomerschicht (21b) die mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht (22) angeordnet ist, wobei zwischen den Elastomerschichten (21a) und (21b) sowie der mindestens einen Metallfolie oder metallisierten Schicht (22) ein Flächen verbund besteht, wobei die mindestens eine erste Elastomerschicht (21b) eine Schichtdicke aufweist, die der Schichtdicke der mindestens einen ers ten Elastomerschicht (21, 21a, 21b) identisch ist.
9. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoplasti sche Polymer für den Fall, dass dieses keine intrinsische elektrische Leitfä higkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polyamid, PP, PS, Polyester, wie zum Beispiel PET, PPAT, PLA, oder Mischungen hiervon; oder für den Fall, dass dieses eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polypyrrol, Polythiophen, Polya nilin oder Mischungen hiervon.
10. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material 5 bevorzugt ein Metall, eine Legierung oder einen metallischen Werkstoff, besonders bevorzugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hiervon umfasst oder daraus besteht.
11. Elektroaktiver Elastomerwandler nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elasto merschicht (21, 21a, 21b) sowie die mindestens eine weitere erste Elasto merschicht (21b) mindestens einen Kunststoff umfassen oder daraus be stehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylischen Elastomeren; Silikonen, bevorzugt Polydimethylsiloxan; Polyurethanen; Naturkautschuk; Polymergelen und Mischungen hiervon.
12. Verfahren zur Herstellung von elektroaktiven Elastomerwandlern nach ei nem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem a) mindestens zwei flächige Elektrodenkörper (10), umfassend oder be stehend aus der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) bereit gestellt werden; b) zumindest eine Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) durch ein Verfahren strukturiert wird, wobei Vertiefungen und/o der Ausnehmungen zumindest bereichsweise in die Fläche der mindes tens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) als Strukturierungen (12) ein gebracht werden, wobei zumindest ein Teil der Ausnehmungen und/o der Vertiefungen in solcher Weise eingebracht werden, dass diese nach der Strukturierung einen geschlossenen Rand innerhalb des Ran des der mindestens einen Fläche aufweisen; c) mindestens ein flächiges Dielektrikum (20), umfassend oder bestehend aus mindestens einer ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b), zwischen jeweils zwei flächigen Elektrodenkörpern (10) angeordnet wird und da bei zumindest bereichsweise ein unmittelbarer oder mittelbarer Flä chenverbund zwischen den zwei flächigen Elektrodenkörpern (10) und der mindestens einen ersten Elastomerschicht (21) realisiert wird, wobei für den Fall, dass es sich bei den Strukturierungen (12) um Ver tiefungen handelt, mindestens ein flächiger Elektrodenkörper (10) mit 6 seiner strukturierten Fläche unmittelbar oder mittelbar mit der Elasto merschicht (21, 21a, 21b) verbunden wird, wobei im Bereich der Struk turierung (12) kein Flächenverbund zwischen dem mindestens einen flächigen Elektrodenkörper (10) und dem mindestens einem flächigen Dielektrikum (20) realisiert wird.
13. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass Verfahrensschritt b) kontinuierlich durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der beiden vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (12) gemäß Verfahrensschritt b) mittels eines Umformverfahrens, bei welchem mindestens ein Formwerk zeug (30), das bevorzugt antagonistische Strukturierungen (31) gegenüber den in Verfahrensschritt b) erzeugten Strukturierungen (12) aufweist, mit der mindestens einer ersten Schicht (11a) in Kontakt gebracht wird.
15. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass es sich bei dem Umformverfahren um ein Walzverfahren oder Heißpressen handelt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper (10) zusätzlich zu der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) die mindestens eine zweite Schicht (13) umfasst, die mindestens eine erste Schicht (11, 11a, 11b) mit der mindestens einen zweiten Schicht (13) in einen Flächenverbund ge bracht wird, wobei die der mindestens einen zweiten Schicht (13) abge wandte Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) gemäß Verfahrensschritt b) strukturiert wird.
17. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass der Flächenverbund aus der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und der mindestens einen zweiten Schicht (13) durch ein Beschichtungsverfahren, bevorzugt durch ein Sprühverfahren unter Ver wendung einer Lösung oder Schmelze des mindestens einen thermoplasti schen Polymers, bei welchem die Lösung oder Schmelze auf die mindes tens eine zweite Schicht (13) aufgesprüht wird, realisiert wird. 7
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeich net, dass für den Fall, dass die mindestens zwei flächigen Elektrodenkör per (10) jeweils mindestens eine weitere erste Schicht (11b) umfassen, zwischen der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und der min destens einen weiteren ersten Schicht (11b) die mindestens eine zweite Schicht (13) angeordnet wird, wobei zwischen diesen Schichten ein Flä chenverbund, der bevorzugt durch ein Beschichtungsverfahren, besonders bevorzugt durch ein Sprühverfahren unter Verwendung einer Lösung oder Schmelze des mindestens einen thermoplastischen Polymers, bei welchem die Lösung oder Schmelze auf einer Fläche der mindestens einen zweiten Schicht (13) zur Herstellung der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und auf der dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche zur Herstellung der mindestens einen weiteren ersten Schicht (11b) aufgesprüht wird, rea lisiert wird.
19. Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeich net, dass die der mindestens einen zweiten Schicht (13) abgewandten Flä che der mindestens einen weiteren ersten Schicht (11b) gemäß Verfah rensschritt b) strukturiert wird, wobei die Strukturierung der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) sowie die Strukturierung der mindes tens einen weiteren ersten Schicht (11b) bevorzugt zeitgleich erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das mindestens eine flächige Dielektrikum (20) min destens eine weitere erste Elastomerschicht (21b) sowie mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht (22) umfasst, wobei zwischen der mindestens einen ersten Elastomerschicht (21, 21a, 21b) und der mindes tens einen weiteren ersten Elastomerschicht (21b) die mindestens eine Metallfolie oder metallisierte Schicht (22) angeordnet wird, wobei zwi schen den Elastomerschichten (21a) und (21b) sowie der mindestens ei nen Metallfolie oder metallisierten Schicht (22) ein Flächenverbund reali siert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material bevorzugt ein Metall, eine Legierung 8 oder ein metallischer Werkstoff, besonders bevorzugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hiervon umfasst oder daraus be steht.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elastomerschicht (21, 21a, 21b) sowie die mindestens eine weitere erste Elastomerschicht (21b) mindestens einen Kunststoff umfassen oder daraus bestehen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyacrylischen Elastomeren; Silikonen, bevorzugt Polydimethylsiloxan; Polyurethanen; Naturkautschuk; Polymergelen und Mischungen hiervon.
23. Verwendung von elektroaktiven Elastomeraktoren und/oder elektroakti ven Elastomerstapelaktoren hergestellt nach einem Verfahren gemäß ei nem der Ansprüche 12 bis 22 für integrierte Kraftsensorik für Elastomer komponenten; Sensoren in Griffflächen, bevorzugt in Werkzeugen, Sport geräten, Tablets und Smartphones; aktive Elastomerlager für Fahrzeugan wendungen sowie Flachlautsprecher.
24. Flächiger Elektrodenkörper (10), umfassend mindestens eine erste Schicht (11, 11a, 11b) aus mindestens einem thermoplastischen Polymer, wobei mindestens eine Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) Strukturierungen (12), bei denen es sich um Ausnehmungen und/oder Vertiefungen handelt, wobei zumindest ein Teil der Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen geschlossenen Rand innerhalb der mindes tens einen Fläche aufweisen, aufweist, wobei eine elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenkörpers durch mindestens eine zweite Schicht (13), umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei zwischen einer der struktu rierten Fläche abgewandten Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b) und der mindestens einen zweiten Schicht (13) ein Flächen verbund besteht; und/oder eine zumindest bereichsweise Beschichtung der mindestens einen ers ten Schicht (11, 11a, 11b) mit einem elektrisch leitfähigen Material, wobei 9 die zumindest bereichsweise Beschichtung auf die mindestens eine Fläche, die die Strukturierungen (12) aufweist, aufgebracht ist; und/oder mindestens ein Additiv, umfassend oder bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material, das in das mindestens eine thermoplasti sche Polymer eingebracht ist; und/oder das mindestens eine thermoplastische Polymer aufweisend eine intrin sische elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt wird.
25. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass BO bis 80 %, bevorzugt 40 bis 70 %, der min destens einen Fläche der mindestens einen ersten Schicht (11, 11a, 11b), die Strukturierungen (12) aufweist, strukturiert sind.
26. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass es sich bei den Strukturie rungen (12) um Vertiefungen handelt, die Vertiefungen eine Tiefe (t) von t = h*x aufweisen, wobei für den für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper (10) die mindes tens eine zweite Schicht (13) nicht umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 0,4 oder für den Fall, dass der flächige Elektrodenkörper (10) die mindestens eine zweite Schicht (13) umfasst, x im Bereich von 0,01 bis 1 liegt.
27. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen und/oder Vertiefungen einen maximalen Durchmesser (d) im Bereich von 500 bis 5 miti, bevorzugt im Bereich von 250 bis 10 miti, besonders bevorzugt Bereich von 100 bis 20 miti, aufweisen. 10
28. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach einem den Ansprüchen 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Schicht (11, 11a, 11b) eine Schichtdicke (h) im Bereich von 5 bis 500 miti, bevorzugt im Be reich von 10 bis 100 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 50 miti, aufweist.
29. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach den Ansprüchen 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoplastische Polymer für den Fall, dass dieses keine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polyamid, PP, PS, Polyester, wie zum Beispiel PET, PPAT, PLA, oder Mischungen hiervon.
30. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach den Ansprüchen 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Material bevorzugt ein Me tall, eine Legierung oder einen metallischen Werkstoff, besonders bevor zugt Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Stahl, Nickel oder Mischungen hier- von umfasst oder daraus besteht.
31. Flächiger Elektrodenkörper (10) nach den Ansprüchen 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoplastische Polymer für den Fall, dass dieses eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweist, ausgewählt ist aus Gruppe bestehend aus Polypyrrol, Polythiophen, Polya- nilin oder Mischungen hiervon.
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WO2011161052A2 (de) * 2010-06-23 2011-12-29 Bayer Materialscience Ag Elektromechanischer wandler, verfahren zu dessen herstellung und verwendung desselben
EP2630674B1 (de) 2010-10-22 2014-08-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektroaktiver elastomerwandler
EP2899521A1 (de) * 2014-01-27 2015-07-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Volumenkompressible kapazitive flächige flexible Sensormatte zur Messung von Druck oder Druckverteilungen und/oder zur Messung oder Detektion von Deformationen

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