压电聚合物膜元件、尤其是聚合物箔及其制造方法

文档序号:6991686

专利名称::压电聚合物膜元件、尤其是聚合物箔及其制造方法压电聚合物膜元件、尤其是聚合物箔及其制造方法本发明涉及压电聚合物膜元件,尤其是聚合物箔,包括聚合物基材,其中在聚合物基材中布置有空心颗粒。此外,本发明涉及用于制造这样的聚合物膜元件的方法。聚合物和聚合物复合材料已经大量地被用于商业应用。在这种情况下,功能聚合物作为有功分量在传感器-和驱动器应用中日益重要。近年来,一种新种类的压电聚合物,所谓的铁电驻极体,日益成为研究热点。铁电驻极体也称为压电驻极体。铁电驻极体由具有可长时间存储电荷的空腔结构的聚合物材料构成。一些公知的铁电驻极体具有多孔空腔结构且形成为发泡聚合物膜或聚合物膜的多层体系或聚合物织物。如果电荷根据其极性分布在空腔的不同表面,则每一个带电的空腔是一个电偶极。如果现在使空腔变形,这将引起偶极尺寸的改变并导致外部电极之间的电流。铁电驻极体能够显示出与其它压电物质可比较的压电活性。在US4654546中描述了一种用于制造作为铁电驻极体膜的前体的聚丙烯泡沫膜的方法。在此,将填料颗粒掺入该聚合物膜。例如釆用二氧化钛作为填料。在挤出之后双轴拉伸聚丙烯膜,这样在填充颗粒周围形成小的空腔。这种方法此后也用于其它聚合物。因而,例如,M.Wegener,M.Paajanen,0.Voronina,R.Schulze,W.Wirges和R.Gerhard-Multhaupt在“Voidedcyclo-olefinpolymerfilmsFerroelectretswithhighthermalstability”,第12届国际驻极体研讨会汇编(IEEEServiceCenter,Piscataway,NewJersey,USA2005)47-50(2005)中和EettaSaarimakl5MikaPaajanen,Ann-MariSavijarvi和HannuMinkkinen,MichaelWegene;01enaVoronina,RobertSchulze,WemerWirges和ReimundGerhard-MuIthaupt在“NovelHeatDurableElectromechanicalFilmProcessingforElectromechanicalandElectretApplications,,,IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation13,963-972(十月2006)中描述了环烯径共聚物(COC)和环烯烃聚合物(COP)的铁电驻极体膜的制造。发泡聚合物具有会出现泡沫大小分布广范的缺点。由此,在随后的充电步骤中,不是所有的泡沫都能够均匀良好地充电。用于制备发泡铁电驻极体聚合物膜的另一方法是使用超临界液体,例如用二氧化碳直接物理发泡均质膜。在AdvancedFunctionalMaterials17,324-329(2007),WernerWirges,MichaelWegener,OlenaVoronina,LarissaZirkel和ReimundGerhard-Multhaupt“Optimizedpreparationofelasticallysoft,highpiezoelectric,cellularferroelectretsfromnonvoidedpoly(ethyleneterephthalate)films”中和在AppliedPhysicsLetters90,192908(2007),P.Fang,M.Wegener,W.Wirges,和R.GerhardLZirkel“Cellularpolyethylene-naphthalateferroelectretsFoaminginsupercriticalcarbondioxide,structuralandelectricalpreparation,andresultingpiezoelectricity,,中,该方法用聚酉旨材料,以及在AppliedPhysicsA!MaterialsScience&Processing90,615-618(2008),0.Voronina,M.Wegener,W.Wirges,R.Gerhard,L.Zirkel,和H.Miinstedt“Physicalfoamingoffluorinatedethylene-propylene(FEP)copolymersinsupercriticalcarbondioxidesinglefilmfluopolymerpiezoelectrets”中描述了选择氟聚合物(氟化乙稀-丙烯共聚物)。在X.Zhang,J.Hillenbrand和G.M.Sessler“Thermallystablefluocarbonferroelectretswithhighpiezoelectriccoefficient'AppliedPhysicsA,第84卷,第139-142页,2006中和“Ferroelectretswithimprovedthermalstabilitymadefromfusedfluorocarbonlayers,,,JournalofAppliedPhysics,第101卷,第054114页,2007,以及在XiaoqingZhang,JinfengHuang和ZhongfuXia“Piezoelectricactivityandthermalstabilityofcellularfluocarbonfilms”PHYSICASCRIPTA,第T129卷,第274-277页,2007中的的出版物中,描述了通过在得自至少三层的以交替顺序彼此叠置的FEP和PTFE层的聚合物堆垛上印刷金属格栅来使聚合物层结构化。通过在高于FEP熔点且低于PTFE熔点的温度下用格栅压紧这些层,该聚合物层按照格栅结构这样彼此结合,使得在格栅条之间形成具有矩形基底的拱形或泡状空腔。但是,这些方法导致具有不同品质的铁电驻极体,因为首先随增加的层数很难能够控制形成均匀的空腔。另一种使用格栅制造泡状空腔的方法由R.A.C.Altafim,H.C.Basso,R.A.P.Altafim,L.Lima,C.V.DeAquino,L.GonalvesNeto和R.Gerhard-Multhaupt描述于“Piezoelectretsfromthermo-formedbubblestructuresoffluoropolymer-electretfilms,,,IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,第13卷,No.5,第979-985页,2006中。在此,将两个上下叠置布置的特氟龙-FEP膜布置在金属格栅和上部的圆柱体形金属部分之间。将此结构以金属格栅压紧在具有用于连接真空的开口的下部圆柱体形金属部分。通过上部金属部分加热FEP膜,且通过与下部金属部分施用的真空将下部的膜吸入格栅的开口并且形成相应的空腔。所描述的使用格栅以在聚合物多层复合体中形成空腔的方法耗费多且难以转化成大工业规模。对于商业应用而言,例如对于传感器系统、驱动器系统和生成器系统压电材料也具有日以增加的兴趣。在此情况下,制造方法在工业规模中的可应用性对于经济性来说是必要的。因此,本发明以提供新的可替代的压电材料和可替代的用于制造这样的压电驻极体材料的方法的目的为基础,用此方法可制成给定的压电驻极体空腔结构并且其也可以简单而费用不大地在大工业的和工业的规模上实施。根据本发明,提出了一种压电聚合物膜元件,尤其是聚合物箔,其包括聚合物基材,其中空心颗粒布置在该聚合物基材中。换而言之,根据本发明,提供了得自含空心颗粒作为填料的聚合物材料的膜。“空心颗粒”尤其可被理解为在导入聚合物基材之前具有确定的形状和包含在其中的确定的空腔体积的颗粒。优选基本上保持此形状直至根据本发明的压电聚合物膜元件的制造结束。这样可以有利地预先确定空腔结构,尤其是空腔本身的形状和尺寸。空心颗粒可以具有例如球状的或细长的形状。在根据本发明的聚合物膜元件,特别是聚合物箔中的空腔体积可有利地通过空心颗粒的尺寸和密度,例如聚合物膜每面积单位的空心颗粒的数目来精确地确定。空心颗粒的分布,即空心颗粒彼此之间的平均(最大)距离,可根据所希望的聚合物膜元件的性质适当选择。在本发明的一个实施方式中,空心颗粒可以形成空心球和/或空心线(管)的形状。空心颗粒优选具有尽可能小的尺寸分布。特别地,空心颗粒不仅可以具有基本上相同的高度,还可以具有基本上相同大小的空腔直径。这里,空心颗粒的高度被理解为在聚合物膜的厚度方向上的(外部的)高度。这里,“基本上相同的高度”和“基本上相同大小的直径”可被理解为空心颗粒具有在例如小于5%,尤其是小于1%的制造生产容许偏差范围的相同的高度和/或相同的直径。如果在聚合物膜元件中的空心颗粒在其大小和几何上制作尽可能均一,则将有利地特别良好地优化压电聚合物膜元件的其它条件和特性,例如极化过程或谐振频率的调整。如此调整空心颗粒的尺寸,尤其是高度和/或直径对聚合物基材厚度的比例,使得聚合物基材完全包围空心颗粒。特别地,形成为聚合物膜的聚合物基材可具有连续的平面表面。根据本发明,与该聚合物基材相比,空心颗粒的体积比可为>10体积%,优选^15体积%,更优选>20体积%。但是,根据本发明,更大的空心颗粒的体积比,例如>50体积%,或者甚至>60体积%的空心颗粒也是可能的。根据本发明,在每一种情况下,空心颗粒和聚合物基材的体积份额总计为100体积%。空心颗粒的