[发明专利]包含具有聚酯和/或聚碳酸酯单元的聚氨酯聚合物的机电转换器

说明书

本发明涉及机电转换器，其包含与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，其中所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物。在此情况下聚氨酯聚合物包含至少一个聚酯和/或聚碳酸酯单元。本发明还涉及制备这种机电转换器的方法、包含的介电弹性体的用途以及包含本发明的机电转换器的电气和/或电子设备。

机电转换器在将电能转换为机械能中发挥重要的作用并且反之亦然。为此，机电转换器可用作传感器、致动器和/或发电机。这种机电转换器的实例可见于WO-A2001/006575提及的系统，所述系统使用预拉伸聚合物。

这种转换器的一类是基于电活性聚合物。不变的目标是提高电活性聚合物的特性，特别是电阻和抗破裂性。但是，同时，所述聚合物的机械特性应当使其适于在机电转换器中应用。

提高介电常数的方法之一是加入某些填充剂。例如，WO-A2008/095621记载了用炭黑填充的聚氨酯组合物，其至少包含多元醇组分引入其中的聚醚氨酯并且其基于50-100重量%的通过DMC催化剂制备的聚环氧烷，特别是聚环氧丙烷，以及0-50重量%的不含催化剂残留物的多元醇，特别是通过蒸馏或重结晶纯化的那些多元醇，或不是通过氧杂环的开环聚合反应制备的多元醇。所述聚氨酯组合物还包含0.1-30重量%的炭黑。

WO-A2009/074192公开了包含成膜水基聚氨酯分散体的能量转换器。该文献中还强调了获得的聚氨酯膜的高介电常数和良好的机械特性。

US-A5977685、JP-A07240544、JP-A06085339和JP-B3026043公开了包含聚氨酯弹性体的机电转换器，所述聚氨酯弹性体由大分子多元醇、有机多异氰酸酯以及用于链扩展的化合物制成，其中所述多异氰酸酯的NCO基团与多元醇的OH基团的摩尔比例在1.5至9的范围内。

但是，为了在转换器中实现甚至更高程度的效率，仍然需要具有介电弹性体的机电转换器，所述介电弹性体同时具有高的电阻和高的击穿电场强度值。此外，必须进一步改进介电弹性体的弹性以及可逆的形变能力。

因此，本发明提出一种机电转换器，其包含与第一电极和第二电极接触的介电弹性体，其中所述介电弹性体包含聚氨酯聚合物。本发明的转换器的特征在于所述聚氨酯聚合物可通过以下物质反应而获得：

A）具有缩二脲和/或异氰脲酸酯结构的三官能的多异氰酸酯

B）具有至少两个异氰酸酯反应活性基团的化合物，

其中所述具有至少两个异氰酸酯反应活性基团的化合物B）包含聚酯和/或聚碳酸酯单元，并且

其中A）中的异氰酸酯基团与B）中的异氰酸酯反应活性基团的摩尔比例为从0.8:1.0至1.3:1.0，优选0.9:1.0至1.2:1.0。出人意料地，已发现在本发明的机电转换器中提供的聚氨酯聚合物具有特别高的电阻值和高的击穿电场强度值。同时，所述聚氨酯作为软弹性体存在。所述特性的结合带来了在机电转换器中应用的优势。

当在这种转换器上施加机械载荷时，所述转换器——例如沿着其厚度和其表面——变形，并且在电极上可检测到强的电信号。这将机械能转换为电能。因此，本发明的转换器可用作发电机以及传感器。

另一方面，本发明的转换器通过利用相反的作用（将电能转化成机械能）还可以作为致动器。

适合的电极原则上为任意具有足够高的电导率并且可有利地遵从介电弹性体的延伸的材料。例如，所述电极可由导电聚合物、导电油墨或炭黑构成。

在本发明的上下文中，介电弹性体是可由于施加电场而改变其形状的那些弹性体。对于弹性体膜，其厚度可例如随着膜在表面方向上纵向延伸的同时减小。

介电弹性体膜的厚度优选≥1μm至≤500μm，更优选≥10μm至≤150μm。其可以是单层或多层的结构。例如多层膜可通过将彼此覆盖的单个膜层压获得。

除了本发明提供的聚氨酯聚合物之外，所述介电弹性体还可包含其他组分。所述组分为，例如交联剂、增稠剂、共溶剂、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、防水剂、颜料、填充剂和均化剂（levelling agent）。

在所述弹性体中的填充剂可——例如——调节聚合物的介电常数。所述填充剂的实例为陶瓷填充剂（特别是钛酸钡、二氧化钛和压电陶瓷（例如石英或钛酸铅锆））、以及有机填充剂（特别是具有高的电极化容量的有机填充剂，例如酞菁染料）。