[发明专利]生产可伸缩电极的方法

说明书

本发明涉及生产可伸缩电极的方法。在这里，导电碳颗粒被加入包含弹性体的表面层。这些碳颗粒尤其可以是碳纳米管。而且，本发明涉及根据本发明可获得的可伸缩电极以及这种电极的用途。

碳纳米管(CNT)因其非凡的性能而众所周知。这例如其强度是钢的大约100倍，其导热性能是金刚石的大约两倍，其热稳定性在真空下直至高达2800℃，其导电性能可以是铜的导电性能的许多倍。但是，这种由于结构而引起的特征在分子层面上只有在以下情况才可实现，成功地实现了碳纳米管的均匀分布并且在管和介质之间产生尽量多的接触，就是说，它与介质相容并因而可以稳定分散。此外，关于导电性能需要在管上形成任选均匀的网络，在网络中碳纳米管在理想情况下仅在端头相互接触。在此情况下，碳纳米管应尽尽可能单独地，就是说不结成团块地，没有对齐排列地，以能够刚好形成这样的网络的浓度存在，所述网络表现为导电性能取决于碳纳米管的浓度而突然增大(渗滤阈值)。

在承受机械载荷时没有改变或仅略微改变其导电性能的导电材料可被用于例如时髦用语“智能衬材”、柔性显示器元件、可伸缩电路、植入物、义体、微电子机械系统(MEMS)和介电弹性体促动器的用途。在这样用途中起作用的机械应变可达到从小于5％至超过200％的范围。

迄今常见的可伸缩电极生产方法受限于弹性体的选择，该弹性体满足所需要的机械要求，并且受限于事后用导电材料来处理。该材料例如可以是导电炭黑或金属粉末，其包埋在液态基材中被刷涂到弹性体表面上。在溶剂蒸发后，在电极上留下薄层导电材料。在Journal of Optoelectronics and Advanced Materials(光电构件和前沿材料)(2007，9，3585-3591)中S.R.Ghaffarian等人的公开文献中有不同方法的探讨。

伴随该方法出现的问题是显而易见的。电极可能因为机械载荷而用旧并且它从根本上具有不同于载体弹性体的机械伸缩能力。后者导致弹性较小的电极在承受机械载荷时更早开裂。这样的开裂表现为导线断开并且可能总体上造成这种可伸缩双层电极的功能性的丧失。通过将导电材料施加至预伸长的弹性体上的变型，人们确实可以获得在预伸长范围的百分之几的电极伸长量，而没有损失导电性能。但是，具有电极材料的弹性体的涂层如导电银总是造成不希望有的弹性模量增大，就是说，导致可伸缩电极的机械性能的损失。这可能根据用途和材料甚至导致载体弹性体的刚性在达到电极材料渗滤阈值之前已经超出容限范围。

在最近的工作中，例如E.Smela等人在公开出版物Advanced Materials(前沿材料)2007，19，2629-2633中报道，可伸缩电极可通过金属盐与可辐射硬化的弹性体前体化合物的混合、硬化和用还原溶液还原来获得。

当人们想要通过碳纳米管的使用来使得材料例如能导电时，对碳纳米管的成功加工必须考虑两个方面：碳纳米管团聚体的完全打散(Aufbrechen)和散束(Entbündeln)和抑制碳纳米管再团聚的明显趋势(在老化过程或者在加工这样的分散体成成品材料的过程中在同一介质中)。碳纳米管加工的难点立足于碳纳米管表面的疏水特性和近似一维结构的大的长径比。

如果现在要避免呈集束和/或团聚体形式的碳纳米管在其相互排列中有最小能量，则其必须提高其与周围介质的相容性。但在此情况下需注意，碳纳米管的化学共价官能化可以实际上改善其与聚合物材料的相容性。这例如表现在提高的(热)长期稳定性和没有再团聚。但是，通过表面改性，管的离域π电子体系被打破，并因此每个单独的管的导电性能随官能化程度而降低。

碳纳米管例如通过分散添加剂的非共价官能化是化学共价改性且使管与介质相容的替代方式。但此时需注意，该措施针对每种新型材料，无论弹性体原料或制剂，需要在各自的分散添加剂的化学物质和浓度方面做出新的优化而从来不可能有万能解决方法。

最后要注意的是，填料和还有碳纳米管的每次加工也在以下方面蕴藏着风险，即，有可能得到新的性能如导电性，但同时可能削弱许多其它性能如机械性能。这尤其在碳纳米管被加入在未发泡的、致密的和/或弹性的体系中时是关键的。在分散过程中未能被完全打散的剩余团聚体例如在致密的成型件中成为潜在断裂点(Sollbruchstelle)。机械性能比如例如冲击韧性和断裂强度可以通过这样的团聚体被削弱。现在，当意图通过添加碳纳米管使致密的材料能导电时，根据迄今为止的现有技术，碳纳米管必须均匀分布到该材料的整个体积上，从而超过渗滤阈值并且同时不再存在剩余团聚体。