專利名稱：電活性聚合物及含有電活性聚合物的制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電響應(yīng)性元件和包括這種電響應(yīng)性元件的制品。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用中使用電活性材料，也稱為電響應(yīng)性材料，例如聚合物。示例性的應(yīng)用包括但不限于機(jī)器人應(yīng)用、泵、揚(yáng)聲器和假體裝置。材料所必需的電能輸入越低，則器件可以能效更高。因此，一直存在著對(duì)這樣一種材料的需要該材料對(duì)相對(duì)較少的能量輸入具有相對(duì)較大的力學(xué)響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的是電活性聚合物器件，該器件包括至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物由至少一種烯鍵式不飽和含氮單體形成，前提條件是該烯鍵式不飽和含氮單體不是丙烯腈。該電活性聚合物器件選自壓電器件、熱電器件、致動(dòng)器、換能器或傳感器。本發(fā)明還公開的是用于在電能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的換能器，該換能器包括致動(dòng)組件，所述致動(dòng)組件具有至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物由烯鍵式不飽和含氮單體形成，前提條件是該烯鍵式不飽和含氮單體不是丙烯腈；第一電極，其電連接至所述致動(dòng)組件；和第二電極，其電連接至所述致動(dòng)組件。一旦越過該致動(dòng)組件施加電場(chǎng)，則所述至少一個(gè)介電聚合物層發(fā)生機(jī)械位移。


根據(jù)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說明，可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1示出了本文所公開的示例性換能器。該圖不一定是按比例繪制。在下面的描述中，參考形成本說明的一部分的附圖，并且其中通過圖示說明了具體的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，設(shè)想到并可作出其他的實(shí)施例。因此，以下的具體實(shí)施方式
不應(yīng)被理解成具有限制性意義。
具體實(shí)施例方式除非另外指明，否則本文所用的所有科技術(shù)語具有在本領(lǐng)域中通常使用的含義。 本文給定的定義旨在便于理解本文頻繁使用的某些術(shù)語，并無意于限制本發(fā)明范圍。除非另外指明，否則在所有情況下，說明書和權(quán)利要求書中用來表述特征物尺寸、 量和物理特性的所有數(shù)字均應(yīng)理解為由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非另外指明，否則上述說明書和所附權(quán)利要求書中給出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員利用本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的所需特性情況，這些近似值可有所不同。用端值來表述的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)包含的所有數(shù)字(例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75,3,3. 80、4和5)以及該范圍內(nèi)的任意范圍。本說明書和所附權(quán)利要求中的單數(shù)形式“一種”、“一個(gè)”和“所述”均涵蓋具有多個(gè)指代物的實(shí)施例，除非其內(nèi)容明確指示另外的情況。如本說明書和所附權(quán)利要求書中所用，術(shù)語“或”的含義一般來講包括“和/或”，除非該內(nèi)容明確地表示其他含義。本文所公開的是電活性聚合物和包括這種聚合物的器件。這種器件的例子包括但不限于壓電器件、熱電器件、致動(dòng)器和傳感器。施加至這種制品的電壓可使該制品或包括在該制品中的電活性聚合物變形；或者作為另一種選擇，當(dāng)制品處于機(jī)械應(yīng)力下時(shí)，可產(chǎn)生電壓。電活性聚合物是表現(xiàn)出力學(xué)響應(yīng)，例如響應(yīng)電場(chǎng)而伸長(zhǎng)、收縮或彎曲的聚合物；或響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生能量的聚合物。本文所公開的示例性電活性聚合物器件包括至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物由至少一種烯鍵式不飽和含氮單體形成。本文所公開的實(shí)施例包括至少一個(gè)聚合物層。所述至少一個(gè)層可具有對(duì)形成諸如制動(dòng)器之類的電氣裝置有用的任何厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)層可具有至少0. 1 微米(μ m)、至少0.2 μ m、至少0.5 μ m、至少Ιμπκ至少10 μ m或至少50 μ m的厚度。所述至少一個(gè)層可具有最多1000 μ m、最多500 μ m、最多200 μ m或最多100 μ m的厚度。例如， 該厚度可以是約0. 01微米至約1000 μ m、約0. 1至500 μ m或約0. 1 μ m至約100 μ m。電氣裝置或制動(dòng)器可還包括多個(gè)聚合物層。在一個(gè)實(shí)施例中，所有的所述多個(gè)層可包括所述介電聚合物。在一個(gè)實(shí)施例中，不是所有的所述多個(gè)層都包括所述介電聚合物。 在一個(gè)實(shí)施例中，電氣裝置或制動(dòng)器可包括多個(gè)聚合物層。在一個(gè)實(shí)施例中，電氣裝置或制動(dòng)器可包括約2至約10個(gè)聚合物層。制造多層式器件的示例性方法可見于2008年9月18 日公布的名稱為 “Multilayer Conductive Elements” 的美國(guó)專利公布 No. 20080224566ο該聚合物可由一種或多于一種單體形成。當(dāng)本文使用術(shù)語單體時(shí)，單體為能夠與其自身或與不同單體聚合的任何分子。僅由一種單體形成的聚合物是均聚物。由不止一種單體形成的聚合物是共聚物。至少一種單體包括含氮基團(tuán)和烯鍵式不飽和官能團(tuán)并且在本文中稱為烯鍵式不飽和含氮單體。在一個(gè)實(shí)施例中，僅一種烯鍵式不飽和含氮單體發(fā)生反應(yīng)，從而形成均聚物。在一個(gè)實(shí)施例中，烯鍵式不飽和含氮單體與烯鍵式不飽和共聚單體反應(yīng)，從而形成共聚物。該烯鍵式不飽和含氮單體含有含氮基團(tuán)和烯鍵式不飽和基團(tuán)。本文所用的短語 “烯鍵式不飽和官能團(tuán)”指處于分子末端的雙鍵(例如，在最后兩個(gè)碳之間的雙鍵或開始的兩個(gè)碳之間的雙鍵)?？砂ㄔ谙╂I式不飽和基團(tuán)內(nèi)的示例性結(jié)構(gòu)是(甲基)丙烯酰基基團(tuán)或乙烯基基團(tuán)。單體的含氮基團(tuán)可具有任何合適的化學(xué)構(gòu)型。含氮基團(tuán)可以是環(huán)狀結(jié)構(gòu)或線性結(jié)構(gòu)。在許多合適的環(huán)狀含氮基團(tuán)中，氮是該環(huán)狀結(jié)構(gòu)的其中一個(gè)環(huán)原子。含有氮環(huán)原子的示例性環(huán)狀基團(tuán)包括但不限于吡咯烷酮基、吡咯基、吡唑基、咪唑基、吡啶基、噠嗪基、嘧啶基、 吡嗪基、哌嗪基、三嗪基和己內(nèi)酰胺基。環(huán)狀基團(tuán)可直接或間接連接至烯鍵式不飽和基團(tuán)。 某些這類單體可以是式(I)化合物或式(II)化合物。
權(quán)利要求
1.一種電活性聚合物器件，其包括至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物包含至少一種烯鍵式不飽和含氮單體的聚合產(chǎn)物，前提條件是所述烯鍵式不飽和含氮單體不是丙烯腈，其中所述電活性聚合物器件選自壓電器件、熱電器件、致動(dòng)器、換能器或傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述介電聚合物僅由一種類型的單體形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中所述單體是丙烯酸吡咯烷酮乙酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述介電聚合物包含所述烯鍵式不飽和含氮單體與烯鍵式不飽和共聚單體的聚合產(chǎn)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中所述烯鍵式不飽和含氮單體選自丙烯酸吡咯烷酮乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基咪唑、N-乙烯基己內(nèi)酰胺以及它們的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中所述烯鍵式不飽和共聚單體含有丙烯酸類基團(tuán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述烯鍵式不飽和共聚單體選自丙烯酸異辛酯、 丙烯酸異冰片酯、丙烯酸-2-乙基己酯以及它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中烯鍵式不飽和含氮單體與烯鍵式不飽和共聚單體的重量比為約20 80至約60 40。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中烯鍵式不飽和含氮單體與烯鍵式不飽和共聚單體的重量比為約30 70至約50 50。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述介電聚合物是交聯(lián)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中用化學(xué)交聯(lián)劑交聯(lián)所述介電共聚物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述化學(xué)交聯(lián)劑選自聚丁二烯二丙烯酸酯、五丙烯酸酯、三甘醇二丙烯酸酯、乙氧基化的雙酚A 二甲基丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯以及它們的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述層還包含電致伸縮添加劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其還包括所述介電聚合物的多個(gè)層。
15.一種用于電能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的換能器，所述換能器包括致動(dòng)組件，所述致動(dòng)組件包括至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物包含至少一種烯鍵式不飽和含氮單體的聚合產(chǎn)物，前提條件是所述烯鍵式不飽和含氮單體不是丙烯腈； 第一電極，其電連接至所述致動(dòng)組件；和第二電極，其電連接至所述致動(dòng)組件。其中一旦越過所述致動(dòng)組件施加電場(chǎng)，所述至少一個(gè)所述聚合物的層則發(fā)生機(jī)械位移。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的換能器，其中所述介電聚合物僅由一種類型的單體形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的換能器，其中所述烯鍵式不飽和含氮單體是丙烯酸吡咯烷酮乙酯。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的換能器，其中所述介電聚合物包含所述烯鍵式不飽和含氮單體與烯鍵式不飽和共聚單體的聚合產(chǎn)物。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的換能器，其中所述烯鍵式不飽和含氮單體選自丙烯腈、丙烯酸吡咯烷酮乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基咪唑、N-乙烯基己內(nèi)酰胺以及它們的組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的換能器，其中所述烯鍵式不飽和共聚單體含有丙烯酸類基團(tuán)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的換能器，其中所述烯鍵式不飽和共聚單體選自丙烯酸異辛酯、丙烯酸異冰片酯、丙烯酸-2-乙基己酯以及它們的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的換能器，其還包括所述介電聚合物的多個(gè)層。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種電活性聚合物器件，所述電活性聚合物器件包括至少一個(gè)介電聚合物層，所述介電聚合物為至少一種烯鍵式不飽和含氮單體的聚合產(chǎn)物。本發(fā)明還公開了一種換能器，所述換能器包括本發(fā)明所公開的電活性聚合物。
文檔編號(hào)H05K3/10GK102272174SQ200980153608
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者T·特朗 圖-凡, 維韋克·巴哈蒂 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司