WO2009074192A1 - Energiewandler hergestellt aus filmbildenden wässrigen polymer-dispersionen, insbesondere polyurethan-dispersionen - Google Patents

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Sebastian Dörr
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Burkhardt KÖHLER
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Definitions

  • the present invention relates to compositions comprising aqueous polymer dispersions, in particular polyurethane dispersions, which are used for the production of energy converters and energy converters produced therefrom and to the use of such energy converters.
  • Transducers convert electrical energy into mechanical energy and vice versa. They are used for sensors, actuators and generators.
  • the basic structure of such a transducer consists of a layer of the electroactive polymer, which is coated on both sides with electrodes, as described for example in WO 01/06575.
  • This basic structure can be used in a variety of configurations for the production of sensors, actuators or generators.
  • Polymer dispersions as a starting point for the production of elastic films have various advantages, in particular they are safe to handle due to the absence of larger amounts of solvents and generally do not dissolve plastic substances. Extraction of solvents is usually not required, furthermore, can generally be carried out at temperatures between room temperature and 100 0 C, so that temperature-sensitive
  • Substrates are coatable.
  • the object of the present invention was therefore to provide new elastic insulating electroactive layers for actuators, sensors and generators, which have advantageous properties. In particular, they should enable easy processing and have advantageous mechanical properties.
  • oil-forming compositions based on aqueous polyurethane dispersions are well suited for the production of elastic insulating intermediate layers for actuators.
  • the present invention therefore relates to film-forming compositions containing aqueous polymer dispersions, preferably aqueous polyurethane dispersions, for the production of actuators, sensors and generators.
  • the present invention further provides a process for producing actuators by using a film, a film or a coating prepared from an aqueous polymer dispersions, preferably an aqueous polyurethane dispersions.
  • the present invention furthermore relates to actuators produced using a film of an aqueous polymer dispersions, preferably an aqueous polyurethane
  • the present invention furthermore relates to electronic and electrical devices, devices, apparatuses, building blocks, machines, components and instruments which contain corresponding actuators.
  • aqueous polyurethane dispersions can be used in the film-forming compositions according to the invention.
  • polymeric polyols having number average molecular weights of 400 to 8000 g / mol, preferably 400 to 6000 g / mol and more preferably of 600 to 3000 g / mol, and OH functionalities of 1.5 to 6, preferably 1.8 to 3 , more preferably from 1.9 to 2.1, and
  • step B2) with amino-functional, anionic or potentially anionic hydrophilicizing agents are reacted under chain extension and the prepolymers before, during or after step B) are dispersed in water.
  • Isocyanate-reactive groups are, for example, primary and secondary amino groups, hydroxy groups or thiol groups.
  • These aqueous polyurethane dispersions are preferably hydrophilized anionically by means of sulfonate groups and / or carboxylate groups. Particular preference is given to anionic hydrophilization exclusively sulfonate groups.
  • the number-average particle size of the specific polyurethane dispersions is preferably less than 750 nm, more preferably less than 500 nm, determined by means of laser correlation spectroscopy.
  • the polyurethane dispersions have solids contents of 10 to 70 wt .-%, particularly preferably 30 to 70 wt .-%, most preferably 30 to 65 wt .-% based on the polyurethane contained therein.
  • these polyurethane dispersions less than 5 wt .-%, more preferably less than 0.2 wt .-%, based on the total dispersions of unbound organic
  • the prepolymer may be completely or partially converted to the anionic form before, during or after the dispersion by admixing a base.
  • hydrophilizing agents which have at least one NCO-reactive group, such as
  • Suitable polyisocyanates of component A1) are the aliphatic, aromatic or cycloaliphatic polyisocyanates of an NCO functionality of greater than or equal to 2 which are known per se to the person skilled in the art.
  • suitable polyisocyanates are 1,4-butylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 2,2,4- and / or 2,4,4-trimethylhexamethylene diisocyanate, the isomeric bisisocyanate.
  • TXDI 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate
  • TXDI 1,3- and / or 1,4-bis- (2-isocyanato-prop-2-yl) - benzene
  • XDI 1,3-bis (isocyanato-methyl) benzene
  • proportionally modified diisocyanates which have a functionality of> 2, with uretdione, isocyanurate, urethane, allophanate, biuret, iminoxadiazinedione or oxadiazinetrione structures and mixtures thereof.
  • polyisocyanates or polyisocyanate mixtures of the abovementioned type with exclusively aliphatically or cycloaliphatically bonded isocyanate groups or mixtures of these and an average NCO functionality of the mixture of 2 to 4, preferably 2 to 2.6 and more preferably 2 to 2.4 ,
  • Hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate or the isomeric bis (4,4'-isocyanatocyclohexyl) methanes and mixtures of the abovementioned diisocyanates are particularly preferably used in Al).
  • A2 are polymeric polyols having a number average molecular weight M n of 400 to
  • 8000 g / mol preferably from 400 to 6000 g / mol and more preferably from 600 to 3000 g / mol.
  • These preferably have an OH functionality of from 1.5 to 6, particularly preferably from 1.8 to 3, very particularly preferably from 1.9 to 2.1.
  • Such polymeric polyols are the polyester polyols known per se in polyurethane coating technology, polyacrylate polyols, polyurethane polyols, polycarbonate polyols, polyether polyols, polyester polyacrylate polyols, polyurethane polyacrylate polyols, polyurethane polyester polyols, polyurethanepolyether polyols, polyurethane polycarbonate polyols and polyester polycarbonate polyols. These can be used in A2) individually or in any mixtures with each other.
  • polyester polyols are the known polycondensates of di- and optionally tri- and tetraols and di- and optionally tri- and tetracarboxylic acids or hydroxycarboxylic acids or lactones.
  • the corresponding polycarboxylic acid anhydrides or corresponding polycarboxylic acid esters of lower alcohols can also be used to prepare the polyesters.
  • diols examples include ethylene glycol, butylene glycol, diethylene glycol, diethylene glycol, polyalkylene glycols such as polyethylene glycol, furthermore 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, butanediol (1,3), butanediol (1,4), hexanediol (I, 6) and isomers, neopentyl glycol or hydroxypiva- lenklareneopentylglykolester, with hexanediol (l, 6) and isomers, butanediol (l, 4), neopentyl glycol and Hydroxypivahnklareneopentylglykolester are preferred.
  • polyols can also be used
  • T ⁇ methylolpropan, Glyce ⁇ n, Eryth ⁇ t, pentaerythritol, Tnmethylolbenzol or T ⁇ shydroxyethyl- isocyanurate be used.
  • Suitable dicarboxylic acids are phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, tetrahydrophthalic acid, hexahydrophthalic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, glutaric acid, tetrachlorophthalic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, malonic acid, suberic acid,
  • Methylbernstemklare, 3,3-Diethylglutar Textre and / or 2,2-Dimethylbernstemklare be used.
  • the acid source used may also be the corresponding anhydrides.
  • monocarboxylic acids such as benzoic acid and hexanecarboxylic acid may additionally be used.
  • Preferred acids are aliphatic or aromatic acids of the abovementioned type. Particular preference is given to adipic acid, isophthalic acid and phthalic acid.
  • Hydroxycarboxylic acids which can be used as reactants in the preparation of a hydroxyl-terminated polyester polyol include, for example, hydroxycaproic acid, hydroxybutyric acid, hydroxydecanoic acid, hydroxystearic acid and the like.
  • Suitable lactones are caprolactone, butyrolactone and homologs. Preference is given to caprolactone.
  • hydroxyl-containing polycarbonates preferably polycarbonatediols, having number-average molecular weights M n of from 400 to 8000 g / mol, preferably from 600 to 3000 g / mol.
  • carbonic acid derivatives such as diphenyl carbonate, dimethyl carbonate or phosgene
  • diols examples include ethylene glycol, 1,2- and 1,3-propanediol, 1,3- and 1,4-butanediol,
  • the diol component preferably contains 40 to 100% by weight of hexanediol; 1,6-hexanediol and / or hexanediol derivatives are preferred.
  • Such derivatives are obtainable by reaction of hexanediol with excess caprolactone or by etherification of hexanediol with itself to give di- or triethylene glycol.
  • polyether-polycarbonate diols in Al it is also possible to use polyether-polycarbonate diols in Al).
  • Hydroxyl-containing polycarbonates are preferably built linear.
  • polyether polyols can be used.
  • Suitable examples are the polytetra methylene glycol polyethers known per se in polyurethane chemistry, such as are obtainable by polymerization of tetrahydrofuran by means of cationic ring opening.
  • polyether polyols are the per se known addition products of styrene oxide, ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide and / or epichlorohydrin to di- or polyfunctional starter molecules.
  • Polyether polyols, based on the at least proportional addition of ethylene oxide to di- or polyfunctional starter molecules, can also be used as component A4) (nonionic hydrophilicizing agents).
  • starter molecules it is possible to use all compounds known from the prior art, for example water, butyldiglycol, glycerol, diethylene glycol, trimethylolpropane, propylene glycol, sorbitol, ethylenediamine, triethanolamine, 1,4-butanediol.
  • Preferred components in A2) are polytetramethylene glycol polyethers and polycarbonate polyols or mixtures thereof, and polytetramethylene glycol polyethers are particularly preferred.
  • polyols of the stated molecular weight range having up to 20 carbon atoms such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,3-butylene glycol, cyclohexanediol, 1,4 Cyclohexanedimethanol, 1,6-
  • ester diols of the stated molecular weight range, such as oc-hydroxybutyl- ⁇ -hydroxycaproic acid ester, ⁇ -hydroxyhexyl-gamma-hydroxybutyric acid ester, adipic acid ( ⁇ -hydroxyethyl) ester or terephthalic acid bis ( ⁇ -hydroxyethyl) ester.
  • monofunctional isocyanate-reactive hydroxyl group-containing compounds can also be used in A3).
  • monofunctional compounds are ethanol, n-butanol, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol mono-propyl ether, propylene glycol monobutyl ether, dipropylene glycol monobutyl ether.
  • Suitable ionically or potentially ionically hydrophilizing compounds according to the definition of component A4) are, for example, mono- and dihydroxycarboxylic acids, mono- and dihydroxy-sulfonic acids, and mono- and dihydroxyphosphonic acids and their salts, such as dimethylolpropionic acid, dimethylolbutyric acid, hydroxypivalic acid, malic acid, citric acid, glycol - Acid, lactic acid, the propoxylated adduct of 2-butenediol and NaHSO 3 , for example described in DE-A 2 446 440 (page 5-9, formula Im).
  • Suitable nonionically hydrophilicizing compounds of component A4) are e.g. Polyoxyalkylene ethers containing at least one hydroxyl, amino or thiol group. Examples are the monohydroxy-functional, on average 5 to 70, preferably 7 to 55 Ethylenoxideinhei- ten per molecule containing polyalkylene oxide polyether alcohols, as they are accessible in a conventional manner by alkoxylation of suitable starter molecules (eg in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th Edition, Volume 19, Verlag Chemie, Weinheim pp. 31-38). These are either pure polyethylene oxide ethers or mixed polyalkylene oxide ethers, wherein they contain at least 30 mol%, preferably at least 40 mol% based on all contained Alkylenoxideinhei- th ethylene oxide units.
  • Particularly preferred nonionic compounds are monofunctional mixed polyalkylene oxide polyethers which have 40 to 100 mol% of ethylene oxide and 0 to 60 mol% of propylene oxide units.
  • Suitable starter molecules for such nonionic hydrophilicizing agents are saturated monohydric alcohols, such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, sec-butanol, the isomeric pentanols, hexanols, octanols and nonanols, n-decanol, n-dodecanol, n-tetradecanol, n-hexadecanol, n-octadecanol, cyclohexanol, the isomeric methylcyclohexanols or hydroxymethylcyclohexane, 3-ethyl-3-hydroxymethyloxetane or tetrahydrofurfuryl alcohol, diethylene glycol monoalkyl ethers, such as diethylene glycol monobutyl ether, unsaturated alcohols such as allyl alcohol, 1,1
  • Preferred starter molecules are saturated monoalcohols of the abovementioned type. Particular preference is given to using diethylene glycol monobutyl ether or n-butanol as starter molecules.
  • Alkylene oxides which are suitable for the alkoxylation reaction are, in particular, ethylene oxide and propylene oxide, which can be used in any desired order or else as a mixture in the alkoxylation reaction.
  • organic di- or polyamines such as, for example, 1,2-ethylenediamine, 1,2- and 1,3-diaminopropane, 1,4-diaminobutane, 1,6-diaminohexane, isophoronediamine,
  • component B1) compounds which, in addition to a primary amino group, also have secondary amino groups or, in addition to an amino group (primary or secondary), also OH groups.
  • primary / secondary amines such as diethanolamine, 3-amino-1-methylaminopropane, 3-amino-1-ethylaminopropane, 3-amino-1-cyclohexylaminopropane, 3-amino-1-methylaminobutane, alkanolamines such as N-aminoethylethanolamine , Ethanolamine, 3-aminopropanol, neopentanolamine.
  • component Bl) and monofunctional isocyanate-reactive amine compounds are used, such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, octylamine, laurylamine, stearylamine, isononyloxypropylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, N-methylaminopropylamine, diethyl (methyl) aminopropylamine, morpholine , Piperidine, or suitable substituted derivatives thereof, amide amines from diprimary amines and monocarboxylic acids, monoketim of diprimary amines, primary / tertiary amines, such as N, N-dimethylaminopropylamine.
  • amide amines from diprimary amines and monocarboxylic acids monoketim of diprimary amines, primary / tertiary amines, such as N, N-dimethylaminoprop
  • Suitable anionically hydrophilicizing compounds of component B2) are alkali metal salts of mono- and diaminosulfonic acids. Examples of such anionic hydrophilicizing agents are
  • the salt of cyclohexylaminopropanesulfonic acid (CAPS) from WO-A 01/88006 can be used as anionic hydrophilicizing agent.
  • anionic hydrophilicizing agents B2 are those which contain sulfonate groups as ionic groups and two amino groups, such as the salts of 2- (2-aminoethylamino) ethylsulfonic acid and 1,3-propylenediamine / ethylsulfonic acid.
  • sulfonate groups as ionic groups and two amino groups, such as the salts of 2- (2-aminoethylamino) ethylsulfonic acid and 1,3-propylenediamine / ethylsulfonic acid.
  • the components A1) to A4) and B1) to B2) are used in the following amounts, the individual amounts always adding up to 100% by weight:
  • the components A1) to A4) and B1) to B2) are used in the following amounts, the individual amounts always adding up to 100% by weight:
  • the components A1) to A4) and B1) to B2) are used in the following amounts, the individual amounts always adding up to 100% by weight:
  • the preparation of the polyurethane dispersions can be carried out in one or more stages in homogeneous or in multistage reaction, partly in disperse phase. After complete or partial polyaddition from Al) to A4), a dispersing, emulsifying or dissolving step takes place. This is followed, if appropriate, by a further polyaddition or modification in disperse phase.
  • Example prepolymer mixing method, acetone method or Schmelzdispergiervon can be used.
  • the process is preferably carried out by the acetone process.
  • the constituents A2) to A4) and the polyisocyanate component Al) are initially charged in whole or in part to prepare an isocyanate-functional polyurethane prepolymer and optionally diluted with a water-miscible but isocyanate-inert solvent Temperatures in the range of 50 to 120 0 C heated. To accelerate the isocyanate addition reaction, the catalysts known in polyurethane chemistry can be used.
  • Suitable solvents are the customary aliphatic, ketofunctional solvents such as acetone, 2-butanone, which may be added not only at the beginning of the preparation, but optionally also in parts later. Preference is given to acetone and 2-butanone, particular preference to acetone. The addition of other solvents without isocyanate-reactive groups is possible, but not preferred.
  • the molar ratio of isocyanate groups to isocyanate-reactive groups is generally 1.05 to 3.5, preferably 1.1 to 3.0, particularly preferably 1.1 to 2, 5th
  • the reaction of the components al) to a4) to the prepolymer takes place partially or completely, but preferably completely.
  • polyurethane prepolymers containing free isocyanate groups are obtained in bulk or in solution.
  • bases such as tertiary amines, eg trialkylamines having 1 to 12, preferably 1 to 6, carbon atoms in each alkyl radical or alkali metal bases such as the corresponding hydroxides are used.
  • alkyl radicals can also carry, for example, hydroxyl groups, as in the case of the dialkylmonoalkanol, alkyldialkanol and trialkanolamines.
  • inorganic bases such as aqueous ammonia solution or sodium, lithium or potassium hydroxide can also be used as neutralizing agent.
  • ammonia triethylamine, triethanolamine, dimethylethanolamine or diisopropylethylamine and sodium hydroxide, lithium hydroxide or potassium hydroxide, particularly preferred are ammonia, sodium hydroxide, lithium hydroxide or potassium hydroxide.
  • the molar amount of the bases is generally 50 and 125 mol%, preferably between 70 and 100 mol% of the molar amount of the acid groups to be neutralized.
  • the neutralization can also take place simultaneously with the dispersion in which the dispersing water already contains the neutralizing agent.
  • step B NH 2 - and / or NH-functional components are reacted with the remaining isocyanate groups of the prepolymer.
  • the chain extension / termination is preferably carried out in water before dispersion.
  • Suitable components for chain extension are organic di- or polyamines B1) such as, for example, ethylenediamine, 1,2- and 1,3-diaminopropane, 1,4-diaminobutane, 1,6-diaminohexane, isophoronediamine, mixture of 2,2,4- and isomers 2,4,4-trimethylhexamethylenediamine, 2-methylpentamethylenediamine, diethylenetriamine, diaminodicyclohexylmethane and / or dimethylethylenediamine.
  • organic di- or polyamines B1 such as, for example, ethylenediamine, 1,2- and 1,3-diaminopropane, 1,4-diaminobutane, 1,6-diaminohexane, isophoronediamine, mixture of 2,2,4- and isomers 2,4,4-trimethylhexamethylenediamine, 2-methylpentamethylenediamine, diethylenetriamine, diaminodicy
  • compounds B1) which, in addition to a primary amino group, also have secondary amino groups or, in addition to an amino group (primary or secondary), also OH groups.
  • primary / secondary amines such as diethanolamine, 3-amino-1-methylaminopropane, 3-amino-1-ethylaminopropane, 3-amino-1-cyclohexylaminopropane, 3-amino-1-methylaminobutane, alkanolamines, such as N -Aminoethylethanolamin, ethanolamine, 3-aminopropanol, neopentanolamine for chain extension or termination can be used.
  • amines Bl are usually used with an isocyanate-reactive group, such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, octylamine, laurylamine, stearyl amine, isononyloxypropylamine, dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, N-methylaminopropylamine, diethyl (methyl) aminopropylamine, morpholine, piperidine, or suitable substituted derivatives thereof, amide amines from diprimary amines and monocarboxylic acids, mono-ketim of diprimary amines, primary / tertiary amines, such as N, N-dimethylaminopropylamine used.
  • an isocyanate-reactive group such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, octylamine, laurylamine, stearyl amine, ison
  • the chain extension of the prepolymers preferably takes place before the dispersion.
  • the degree of chain extension ie the equivalent ratio of NCO-reactive groups of the compounds used for chain extension and chain termination to free NCO groups of the prepolymer, is generally between 40 and 150%, preferably between 50 and 120%, particularly preferably between 60 and 120%.
  • the aminic components B1) and B2) can optionally be used individually or in mixtures in water- or solvent-diluted form in the process according to the invention, wherein in principle any sequence of addition is possible.
  • the diluent content in the chain-extending component used in B) is preferably 40 to 95% by weight.
  • the dispersion preferably takes place after the chain extension.
  • the dissolved and chain-extended polyurethane polymer is optionally sheared under high shear, such as e.g. vigorous stirring, either added to the dispersing water or, conversely, the dispersing water is stirred into the chain-extended polyurethane polymer solutions.
  • the water is added to the dissolved chain-extended polyurethane polymer.
  • the solvent still present in the dispersions after the dispersion step is then usually removed by distillation. A removal already during the dispersion is also possible.
  • the residual content of organic solvents in the polyurethane dispersions is typically less than 10 wt .-%, preferably less than 3 wt .-%, based on the total dispersion.
  • the pH of the polyurethane dispersions essential to the invention is typically less than 8.0, preferably less than 7.5, and is more preferably between 5.5 and 7.5.
  • the film-forming compositions according to the invention comprise at least 10% by weight of polyurethane, based on the solids content of all the components present in the composition.
  • NEN film-forming polymers preference is given to containing at least 50% by weight, more preferably at least 90% by weight, and most preferably at least 95% by weight of polyurethane as the film-forming polymer.
  • polyurethane is not used exclusively as the film-forming polymer, it is also possible to use other polymer dispersions, e.g. based on polyesters, poly (meth) acrylates, polyepoxides, polyvinyl acetates, polyethylene, polystyrene, polybutadienes, polyvinyl chloride and / or corresponding copolymers.
  • polymer dispersions e.g. based on polyesters, poly (meth) acrylates, polyepoxides, polyvinyl acetates, polyethylene, polystyrene, polybutadienes, polyvinyl chloride and / or corresponding copolymers.
  • the film-forming compositions may additionally contain auxiliaries and additives.
  • auxiliaries and additives are crosslinkers, thickeners, cosolvents, thixotropic agents, stabilizers, antioxidants, light stabilizers, emulsifiers, surfactants, plasticizers, pigments, fillers and leveling agents.
  • crosslinkers used optionally bring about the formation of covalent bonds between the film-forming polymers used, in particular polyurethanes, by means of which e.g. the mechanical properties can be improved.
  • Suitable crosslinkers are, for example, blocked or unblocked polyisocyanate crosslinkers, amides and amines.
  • Formaldehyde resins phenolic resins, aldehyde and ketone resins, e.g. Phenol-formaldehyde resins, resoles, furan resins, urea resins, carbamic acid ester resins, triazine resins, melamine resins, benzoguanamine resins, cyanamide resins or aniline resins.
  • Particularly preferred is methylolated melamine, e.g. Bi-tri- and / or tetramethylolmelamine.
  • polyurethanes crosslinking of hydroxy-functional polyurethanes by means of isocyanate-functional building blocks.
  • the polymer dispersion is only shortly before film formation such crosslinkers, such. hydrophilic polyisocyanates (described in EP-A-0 540 985) added.
  • the application is then preferably two-component, e.g. by means of two-component spray application.
  • the polyurethane dispersions are preferably used without crosslinker in the composition according to the invention.
  • the film-forming compositions may additionally contain fillers which regulate the dielectric constant of the film. Preference is given to the addition of special fillers for increasing the dielectric constants, such as electrically conductive fillers or fillers with a high dielectric constant. Examples are carbon black, graphite, single-walled or multi-walled carbon nanotubes.
  • Additives for increasing the dielectric constant and / or the breakdown field strength can also be added after film formation, for example by producing one or more further layers or for penetrating the film.
  • the order of the film-forming compositions according to the invention can be carried out according to all known forms of application, may be mentioned, for example, doctoring, brushing, pouring or spraying.
  • temperatures above 30 ° C. are preferably used. Temperatures between 30 and 200 0 C. useful are preferred is also a two- or multi-stage drying, with a correspondingly increasing temperature gradient in order to prevent boiling of the coating.
  • the drying is usually carried out using known heating and drying equipment, such as (convection) drying cabinets, hot air or IR lamps. Drying by passing the coated substrate over heated surfaces, eg rollers, is also possible.
  • the application and the drying can each be carried out batchwise or continuously, but a completely continuous process is preferred.
  • the film according to the invention can be provided with further layers. This can be done on one side or on both sides, in one layer or in several layers one above the other, by complete or by partial planar coating of the film.
  • Glass, release paper, films and plastics, from which the film may optionally be easily removed, are particularly suitable as carrier materials for film production.
  • the processing of the individual layers is carried out by casting or manual or machine-carried doctoring; also printing, screen printing and spraying or spraying and dipping are possible processing techniques. In general, all techniques are conceivable which are suitable for application of thin layers - e.g. in a paint - can be used, conceivable.
  • the films of the polymer dispersions have good mechanical strength and high elasticity. Typically, the values for the maximum stress (tensile strength) are greater than
  • the maximum elongation (elongation at break) is greater than 250%.
  • the maximum stress tensile strength
  • the elongation is greater than 350%.
  • the elasticity modulus at an elongation of 100% is preferably between 0.1 and 10 MPa, more preferably between 0.5 and 5 MPa (determined according to DIN 53455).
  • the films After drying, the films typically have a thickness of 0.1 to 1500 .mu.m, preferably 1 to 500 .mu.m, particularly preferably 5 to 200 .mu.m, very particularly preferably 5 to 50 .mu.m.
  • these films are coated on both sides with electrodes, as described, for example, in WO 01/06575.
  • This basic structure can be used in a variety of configurations for the production of sensors, actuators or generators.
  • NCO contents were determined volumetrically in accordance with DIN-EN ISO 11909, unless expressly stated otherwise.
  • the determination of the average particle sizes (indicated by the number average) of the polyurethane dispersions was carried out by means of laser correlation spectroscopy (device: Malvern Zetasizer 1000, Malver Inst. Limited).
  • Measurements of the film layer thicknesses were carried out using a mechanical probe from Heidenhain GmbH, PO Box 1260, D-83292 Traunreut. The specimens were measured at three different locations and the mean value was used as a representative measurement.
  • the tensile tests were carried out by means of a tractor from Zwick, model number 1455, equipped with a load cell of the total measuring range IkN according to DIN 53455 at a pulling speed of 50 mm / min. S2 specimens were used as specimens. Each measurement was carried out on three identically prepared test specimens and the mean of the data obtained was used for the evaluation. Specifically, in addition to the tensile strength ZF in [Mpa] and the elongation at break BD in [%], the stress SP in [Mpa] at 100%
  • the determination of the electrical volume resistance VW was with a measuring structure of
  • Measurements of the dielectric constant DK were carried out with a test setup from Novocontrol Technologies GmbH & Co. KG, 56414 Hundsangen (measuring bridge: Alpha-A Analyzer, measuring head: ZGS Active Sample Cell Test Interface) with a diameter of the test specimens of 20 mm. Analyzes it was a frequency range of 10 7 to 10 -2 Hz. As a measure of the dielectric constant of the investigated material, the real part of the dielectric constant at 10 "was selected 2 Hz.
  • Diaminosulphonate NH 2 -CH 2 CH 2 -NH-CH 2 CH 2 -SO 3 Na (45% in water)
  • Desmophen ® 2020 / C2200 polycarbonate polyol, OH number 56 mg KOH / g, number average molecular weight 2000 g / mol (Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE)
  • PolyTHF ® 2000 Polytetramethylenglykolpolyol, OH number 56 mg KOH / g, number average molecular weight 2000 g / mol (BASF AG, Ludwigshafen, DE)
  • PolyTHF ® 1000 Polytetramethylenglykolpolyol, OH number 112 mg KOH / g, number-average number average molecular weight 1000 g / mol (BASF AG, Ludwigshafen, DE)
  • Polyether LB 25 monofunctional polyether based on ethylene oxide / propylene oxide number-average molecular weight 2250 g / mol, OH number 25 mg KOH / g (Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE)
  • the finished prepolymer was dissolved with 4830 g of acetone and thereby cooled to 50 0 C and then a solution of 25.1 g of ethylenediamine, 116.5 g of isophoronediamine, 61.7 g of diaminosulfonate and 1030 g of water was added within 10 min , The stirring time was 10 min. Then was dispersed by adding 1250 g of water. This was followed by removal of the solvent by distillation in vacuo.
  • the resulting white dispersion had the following properties:
  • Viscosity (viscometer, 23 0 C): 241 mPas pH (23 ° C): 6.02
  • Example 2 was weighed in a PP cup. From the still liquid reaction mixture, films of the wet film thickness 1 mm are hand-rolled onto glass plates by hand. All films are dried after production at 30 0 C in a drying oven overnight and then postcured for 5 min at 120 0 C. The films can be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • Example 2 was weighed into a PP beaker, weighed the appropriate amount of 1.783 g of Printex 140 and then mixed for 5 min at 3000 U / min. From the still liquid reaction mixture, films of the wet film thickness 1 mm are hand-rolled onto glass plates by hand. All films are dried after production at 30 0 C in a drying oven overnight and then postcured for 5 min at 120 0 C. The films can after the
  • Tempering by hand can be easily solved by the glass plate.
  • Example 4 was weighed in a PP cup. From the still liquid reaction mixture, films of the wet film thickness 1 mm are hand-rolled onto glass plates by hand. All films are dried after production at 30 0 C in a drying oven overnight and then postcured for 5 min at 120 0 C. The films can be easily released from the glass plate after tempering by hand.
  • the films of dispersions of the invention are the high dielectric constant and the very good mechanical properties such as: high elasticity, high elongation at break, well-suited stress-strain curve with low stress at moderate strains in the field of use of the application.
  • the aim was an elongation at break (BD) of at least 250%, preferably 350%, more preferably 400%, a tensile strength (ZF) between 0.2 and 100 MPa, preferably between 0.4 and 50 MPa, in addition a very flat stress-strain curve with stresses below 10 MPa, preferably between 0.1 and 10 MPa at moderate strains in the range of 100% to 200%, an electrical volume resistivity (VW) of more than 1 x 10 10 ohm cm and a dielectric constant (DK) of At least 20.
  • BD elongation at break
  • ZF tensile strength
  • VW electrical volume resistivity
  • DK dielectric constant
  • Another advantage of the use of the dispersions is the ease of handling, since this is a low-viscosity 1K system, there is no handling of reactive groups such. free isocyanates when incorporating the fillers required.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen enthaltend wässrige Polymer-Dispersionen, insbesondere Polyurethan-Dispersionen, welche zur Herstellung von Energiewandlern eingesetzt werden und daraus hergestellte Energiewandler und die Anwendung derartiger Energiewandler.

Description

Energiewandler hergestellt aus filmbildenden wässrigen Polymer-Dispersionen, insbesondere Polyurethan-Dispersionen
Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen enthaltend wässrige Polymer- Dispersionen, insbesondere Polyurethan-Dispersionen, welche zur Herstellung von Energiewand- lem eingesetzt werden und daraus hergestellte Energiewandler und die Anwendung derartiger E- nergiewandler.
Wandler wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um und umgekehrt. Sie werden für Sensoren, Aktuatoren und Generatoren eingesetzt.
Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Wandlers besteht aus einer Schicht des elektroaktiven Polymeren, welche beidseitig mit Elektroden beschichtet ist, wie beispielsweise in WO 01/06575 beschrieben. Dieser grundsätzliche Aufbau kann in unterschiedlichsten Konfigurationen zur Herstellung von Sensoren, Aktuatoren oder Generatoren eingesetzt werden.
Im Stand der Technik sind verschiedene Polymere als elektroaktive Schicht beschrieben, siehe beispielsweise in WO 01/06575.
Polymerdispersionen zur Herstellung der elektroaktiven Schicht sind bislang nicht beschrieben.
Polymer-Dispersionen als Ausgangsbasis zur Herstellung von elastischen Filmen weisen verschiedene Vorteile auf, insbesondere sind sie durch die Abwesenheit von größeren Mengen an Lösemitteln sicher zu handhaben und lösen Kunststoffsubstate im allgemeinen nicht an. Eine Absaugung von Lösemitteln ist meist nicht erforderlich, weiterhin kann im Allgemeinen bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 1000C gearbeitet werden, so dass auch temperaturempfindliche
Substrate beschichtbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung von neuen elastischen isolierenden elektroaktiven Schichten für Aktuatoren, Sensoren und Generatoren, welche vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere sollen sie eine einfache Verarbeitung ermöglichen und vor- teilhafte mechanische Eigenschaften aufweisen.
Es wurde nun gefunden, dass fϊlmbildende Zusammensetzungen auf Basis wässriger Polyurethan- Dispersionen sich gut zur Herstellung elastischen isolierenden Zwischenschichten für Aktuatoren eignen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher filmbildende Zusammensetzungen enthaltend wässrige Polymer-Dispersionen, bevorzugt wässrige Polyurethan-Dispersionen, zur Herstellung von Aktuatoren, Sensoren und Generatoren. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung Aktuatoren durch Einsatz eines Films, einer Folie oder einer Beschichtung hergestellt aus einer wässrigen Polymer-Dispersionen, bevorzugt einer wässrigen Polyurethan-Dispersionen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind weiterhin Aktuatoren hergestellt unter Einsatz eines Films aus einer wässrigen Polymer-Dispersionen, bevorzugt einer wässrigen Polyurethan-
Dispersionen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind weiterhin elektronische und elektrische Geräte, Vorrichtungen, Apparate, Bausteine, Automaten, Komponenten und Instrumente, die entsprechende Aktuatoren enthalten.
Prinzipiell können alle bekannten wässrigen Polyurethan-Dispersionen in den erfindungsgemäßen filmbildenden Zusammensetzungen eingesetzt werden. Bevorzugt sind jedoch anionisch hydrophi- lierte und anionische/nichtionisch hydrophilierte Polyurethan-Dispersionen.
Besonders bevorzugt einzusetzenden Polyurethan-Dispersionen sind erhältlich, in dem
A) isocyanatfunktionelle Prepolymere aus
Al) organischen Polyisocyanaten
A2) polymeren Polyolen mit zahlenmittleren Molekulargewichten von 400 bis 8000 g/mol, vorzugsweise 400 bis 6000 g/mol und besonders bevorzugt von 600 bis 3000 g/mol, und OH-Funktionalitäten von 1,5 bis 6, bevorzugt 1,8 bis 3, besonders bevorzugt von 1,9 bis 2,1, und
A3) gegebenenfalls hydroxyfunktionellen Verbindungen mit Molekulargewichten von
62 bis 399 g/mol sowie
A4) gegebenenfalls isocyanatreaktiven, anionischen oder potentiell anionischen und/oder gegebenenfalls nichtionischen Hydrophilierungsmitteln,
hergestellt, und
B) dessen freie NCO-Gruppen dann ganz oder teilweise
Bl) gegebenenfalls mit aminofunktionellen Verbindungen mit Molekulargewichten von 32 bis 400 g/mol und
B2) mit aminofunktionellen, anionischen oder potentiell anionischen Hydrophilierungsmitteln unter Kettenverlängerung umgesetzt werden und die Prepolymere vor, während oder nach Schritt B) in Wasser dispergiert werden.
Isocyanatreaktive Gruppen sind beispielsweise primäre und sekundäre Aminogruppen, Hydro- xygruppen oder Thiolgruppen. Bevorzugt sind diese wässrigen Polyurethan-Dispersionen anionisch mittels Sulfonatgruppen und/oder Carboxylatgruppen hydrophiliert. Besonders bevorzugt sind zur anionischen Hydrophi- lierung ausschließlich Sulfonatgruppen enthalten.
Um eine gute Sedimentationsstabilität zu erreichen, liegt die zahlenmittlere Teilchengröße der speziellen Polyurethan-Dispersionen bevorzugt bei weniger als 750 nm, besonders bevorzugt bei weniger als 500 nm, bestimmt mittels Laserkorrelations-Spektroskopie.
Bevorzugt besitzen die Polyurethan-Dispersionen Feststoffgehalte von 10 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 70 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 30 bis 65 Gew.-% bezogen auf das darin enthaltene Polyurethan.
Bevorzugt weisen diese Polyurethan-Dispersionen weniger als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 0,2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Dispersionen, an ungebundenen organischen
Aminen auf.
Falls gewünscht, kann das Prepolymer vor, während oder nach der Dispergierung durch Beimischung einer Base ganz oder teilweise in die anionische Form überführt werden.
Um eine anionische Hydrophilierung zu erreichen müssen in A4) und/oder B2) Hydrophilie- rungsmittel eingesetzt werden, die wenigstens eine gegenüber NCO-Gruppen reaktive Gruppe wie
Amino-, Hydroxy- oder Thiolgruppen aufweisen und darüber hinaus -COO" oder -SO3 " oder - PO3 2" als anionische bzw. deren ganz oder teilweise protonierte Säureformen als potentiell anionische Gruppen aufweisen.
Bevorzugt werden in A4) und/oder B2) solche Verbindungen zur anionischen oder potentiell anio- nischen Hydrophilierung eingesetzt, die als anionische oder potentiell anionische Funktionalität ausschließlich Sulfonsäure- bzw. Sulfonatgruppen (-SO3H bzw. -SO3M, mit M = Alkali- oder Erdalkalimetall) aufweisen.
Geeignete Polyisocyanate der Komponente Al) sind die dem Fachmann an sich bekannten alipha- tischen, aromatischen oder cycloaliphatischen Polyisocyanate einer NCO-Funktionalität von grö- ßer oder gleich 2. Beispiele solcher geeigneten Polyisocyanate sind 1,4-Butylendiisocyanat, 1 ,6-Hexamethy- lendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,2,4- und/oder 2,4,4-Trimethylhexamethylen- diisocyanat, die isomeren Bis-(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methane oder deren Mischungen beliebigen Isomerengehalts, 1,4-Cyclohexylendiisocyanat, 4-Isocyanatomethyl-l,8-octandiisocyanat (Nonantriisocyanat), 1,4-Phenylendiisocyanat, 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat, 1,5-
Naphthylendüsocyanat, 2,2'-und/oder 2,4'- und/oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 1,3- und/oder l,4-Bis-(2-isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI), l,3-Bis(isocyanato-methyl)benzol (XDI) sowie Alkyl-2,6-diisocyanatohexanoate (Lysindiisocyanate) mit Cl-C8-Alkylgruppen.
Neben den vorstehend genannten Polyisocyanaten können auch modifizierte Diisocyanate die eine Funktionalität >2 aufweisen, mit Uretdion-, Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Biuret-, Iminoo- xadiazindion- oder Oxadiazintrionstruktur sowie Mischungen aus diesen anteilig eingesetzt werden.
Bevorzugt handelt es sich um Polyisocyanate oder Polyisocyanatgemische der vorstehend genannten Art mit ausschließlich aliphatisch oder cycloaliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen oder Mischungen aus diesen und einer mittleren NCO-Funktionalität der Mischung von 2 bis 4, bevorzugt 2 bis 2,6 und besonders bevorzugt 2 bis 2,4.
Besonders bevorzugt werden in Al) Hexamethylendiisocyanat, Isophorondiisocyanat oder die isomeren Bis-(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methane sowie Mischungen der vorgenannten Diisocyanate eingesetzt.
In A2) werden polymere Polyole mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht Mn von 400 bis
8000 g/mol, bevorzugt von 400 bis 6000 g/mol und besonders bevorzugt von 600 bis 3000 g/mol eingesetzt. Diese weisen bevorzugt eine OH-Funktionalität von 1,5 bis 6, besonders bevorzugt von 1,8 bis 3, ganz besonders bevorzugt von 1,9 bis 2,1 auf.
Solche polymeren Polyole sind die in der Polyurethanlacktechnologie an sich bekannten Polyester- polyole, Polyacrylatpolyole, Polyurethanpolyole, Polycarbonatpolyole, Polyetherpolyole, PoIy- esterpolyacrylatpolyole, Polyurethanpolyacrylatpolyole, Polyurethanpolyesterpolyole, PoIy- urethanpolyetherpolyole, Polyurethanpolycarbonatpolyole und Polyesterpolycarbonatpolyole. Diese können in A2) einzeln oder in beliebigen Mischungen untereinander eingesetzt werden.
Solche Polyesterpolyole sind die an sich bekannten Polykondensate aus Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetraolen und Di- sowie gegebenenfalls Tri- und Tetracarbonsäuren oder Hydroxycarbon- säuren oder Lactonen. Anstelle der freien Polycarbonsäuren können auch die entsprechenden Po- lycarbonsäureanhydride oder entsprechende Polycarbonsäureester von niederen Alkoholen zur Herstellung der Polyester verwendet werden. Beispiele für geeignete Diole sind Ethylenglykol, Butylenglykol, Diethylenglykol, Tπethy- lenglykol, Polyalkylenglykole wie Polyethylenglykol, weiterhin 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, Butandiol(l,3), Butandiol(l,4), Hexandiol(l,6) und Isomere, Neopentylglykol oder Hydroxypiva- linsäureneopentylglykolester, wobei Hexandiol(l,6) und Isomere, Butandiol(l,4), Neopentylglykol und Hydroxypivahnsäureneopentylglykolester bevorzugt sind. Daneben können auch Polyole wie
Tπmethylolpropan, Glyceπn, Erythπt, Pentaerythπt, Tnmethylolbenzol oder Tπshydroxyethyl- isocyanurat eingesetzt werden.
Als Dicarbonsäuren können Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Tetrahydrophthalsäure, Hexahydrophthalsäure, Cyclohexandicarbonsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacmsäure, GIu- tarsäure, Tetrachlorphthalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Malonsäure, Korksäure, 2-
Methylbernstemsäure, 3,3-Diethylglutarsäure und/oder 2,2-Dimethylbernstemsäure eingesetzt werden. Als Säurequelle können auch die entsprechenden Anhydride verwendet werden.
Sofern die mittlere Funktionalität des zu veresternden Polyols > als 2 ist, können zusätzlich auch Monocarbonsäuren, wie Benzoesäure und Hexancarbonsäure mit verwendet werden.
Bevorzugte Säuren sind aliphatische oder aromatische Säuren der vorstehend genannten Art. Besonders bevorzugt sind Adipinsäure, Isophthalsäure und Phthalsäure.
Hydroxycarbonsäuren, die als Reaktionsteilnehmer bei der Herstellung eines Polyesterpolyols mit endständigen Hydroxylgruppen mitverwendet werden können, sind beispielsweise Hydroxy- capronsäure, Hydroxybuttersäure, Hydroxydecansäure, Hydroxysteaπnsäure und dergleichen. Ge- eignete Lactone sind Caprolacton, Butyrolacton und Homologe. Bevorzugt ist Caprolacton.
Ebenfalls können in A2) hydroxylgruppenaufweisende Polycarbonate, bevorzugt Polycarbo- natdiole, mit zahlenmittleren Molekulargewichten Mn von 400 bis 8000 g/mol, bevorzugt 600 bis 3000 g/mol eingesetzt werden. Diese sind durch Reaktion von Kohlensäuredeπvaten, wie Diphe- nylcarbonat, Dimethylcarbonat oder Phosgen, mit Polyolen, bevorzugt Diolen, erhältlich
Beispiele derartiger Diole sind Ethylenglykol, 1,2- und 1,3-Propandiol, 1,3- und 1,4-Butandiol,
1,6-Hexandiol, 1,8-Octandiol, Neopentylglykol, 1 ,4-Bishydroxymethylcyclohexan, 2-Methyl-l,3- propandiol, 2,2,4-Tnmethylpentandiol-l,3, Dipropylenglykol, Polypropylenglykole, Dibutylengly- kol, Polybutylenglykole, Bisphenol A und lactonmodifizierte Diole der vorstehend genannten Art.
Bevorzugt enthält die Diolkomponente 40 bis 100 Gew.-% Hexandiol, bevorzugt sind 1,6- Hexandiol und/oder Hexandioldeπvate. Solche Hexandioldeπvate basieren auf Hexandiol und weisen neben endständigen OH-Gruppen Ester- oder Ethergruppen auf. Solche Deπvate sind durch Reaktion von Hexandiol mit überschüssigem Caprolacton oder durch Veretherung von Hexandiol mit sich selbst zum Di- oder Tπhexylenglykol erhältlich. Statt oder zusätzlich zu reinen Polycarbonatdiolen können auch Polyether-Polycarbonatdiole in Al) eingesetzt werden.
Hydroxylgruppen aufweisende Polycarbonate sind bevorzugt linear gebaut.
Ebenfalls können in A2) Polyetherpolyole eingesetzt werden.
Geeignet sind beispielsweise die in der Polyurethanchemie an sich bekannten Polytetra- methylenglykolpolyether wie sie durch Polymerisation von Tetrahydrofuran mittels kationischer Ringöffhung erhältlich sind.
Ebenfalls geeignete Polyetherpolyole sind die an sich bekannten Additionsprodukte von Styrolo- xid, Ethylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid und/oder Epichlorhydrin an di- oder polyfunktionelle Startermoleküle. Polyetherpolyole, basierend auf der zumindest anteiligen Addition von Ethylenoxid an di- oder polyfunktionelle Startermoleküle, können auch als Komponente A4) eingesetzt werden (nichtionische Hydrophilierungsmittel).
Als geeignete Startermoleküle können alle dem Stand der Technik nach bekannten Verbindungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Wasser, Butyldiglykol, Glycerin, Diethylenglykol, Trimethy- olpropan, Propylenglykol, Sorbit, Ethylendiamin, Triethanolamin, 1,4-Butandiol.
Bevorzugte Komponenten in A2) sind Polytetramethylenglykolpolyether und Polycarbonat-Polyole bzw. deren Mischungen und besonders bevorzugt sind Polytetramethylenglykolpolyether.
In A3) können Polyole des genannten Molekulargewichtsbereichs mit bis zu 20 Kohlenstoffatomen, wie Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, 1 ,2-Propandiol, 1,3- Propandiol, 1 ,4-Butandiol, 1,3-Butylenglykol, Cyclohexandiol, 1 ,4-Cyclohexandimethanol, 1,6-
Hexandiol, Neopentylglykol, Hydrochinondihydroxyethylether, Bisphenol A (2,2-Bis(4- hydroxyphenyl)propan), hydriertes Bisphenol A (2,2-Bis(4-hydroxycyclohexyl)propan), Trimethy- lolpropan, Trimethylolethan, Glycerin, Pentaerythrit sowie deren beliebige Mischungen untereinander eingesetzt werden.
Geeignet sind auch Esterdiole des genannten Molekulargewichtsbereichs wie oc-Hydroxybutyl-ε- hydroxy-capronsäureester, ω -Hydroxyhexyl -γ-hydroxybuttersäure-ester, Adipinsäure-(ß-hydroxy- ethyl)ester oder Terephthalsäurebis(ß-hydroxyethyl)-ester.
Ferner können in A3) auch monofunktionelle isocyanatreaktive Hydroxyl-gruppenhaltige Verbindungen eingesetzt werden. Beispiele solcher monofunktionellen Verbindungen sind Ethanol, n- Butanol, Ethylenglykolmonobutylether, Diethylenglykolmonomethylether, Diethylenglykolmono- butylether, Propylenglykolmonomethylether, Dipropylenglykol-monomethylether, Tripropylengly- kolmonomethylether, Dipropylenglykolmono-propylether, Propylenglykolmonobutylether, Dipro- pylenglykolmonobutylether, Tripropylenglykolmonobutylether, 2-Ethylhexanol, 1-Octanol, 1-Do- decanol, 1-Hexadecanol.
Geeignete ionisch oder potentiell ionisch hydrophilierende Verbindungen entsprechend der Definition der Komponente A4) sind z.B. Mono- und Dihydroxycarbonsäuren, Mono- und Dihydroxy- sulfonsäuren, sowie Mono- und Dihydroxyphosphonsäuren und ihre Salze wie Dimethylol- propionsäure, Dimethylolbuttersäure, Hydroxypivalinsäure, Äpfelsäure, Zitronensäure, Glykol- säure, Milchsäure, das propoxylierte Addukt aus 2-Butendiol und NaHSO3, z.B. beschrieben in der DE-A 2 446 440 (Seite 5-9, Formel I-m).
Geeignete nichtionisch hydrophilierende Verbindungen der Komponente A4) sind z.B. Polyoxyal- kylenether, die mindestens eine Hydroxy-, Amino- oder Thiolgruppe enthalten. Beispiele sind die monohydroxyfunktionellen, im statistischen Mittel 5 bis 70, bevorzugt 7 bis 55 Ethylenoxideinhei- ten pro Molekül aufweisenden Polyalkylenoxidpolyetheralkohole, wie sie in an sich bekannter Weise durch Alkoxylierung geeigneter Startermoleküle zugänglich sind (z.B. in Ullmanns Encyc- lopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 19, Verlag Chemie, Weinheim S. 31-38). Diese sind entweder reine Polyethylenoxidether oder gemischte Polyalkylenoxidether, wobei sie mindestens 30 mol-%, bevorzugt mindestens 40 mol-% bezogen auf alle enthaltenen Alkylenoxideinhei- ten an Ethylenoxideinheiten enthalten.
Besonders bevorzugte nichtionische Verbindungen sind monofunktionelle gemischte PoIy- alkylenoxidpolyether, die 40 bis 100 mol-% Ethylenoxid- und 0 bis 60 mol-% Propylen- oxideinheiten aufweisen.
Geeignete Startermoleküle für solche nichtionischen Hydrophilierungsrnittel sind gesättigte Mono- alkohole wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Isobutanol, sec-Butanol, die isomeren Pentanole, Hexanole, Octanole und Nonanole, n-Decanol, n-Dodecanol, n-Tetradecanol, n-Hexadecanol, n-Octadecanol, Cyclohexanol, die isomeren Methylcyclohexanole oder Hydroxy- methylcyclohexan, 3-Ethyl-3-hydroxymethyloxetan oder Tetrahydrofurfurylalkohol, Diethylengly- kol-monoalkylether, wie beispielsweise Diethylenglykolmonobutylether, ungesättigte Alkohole wie Allylalkohol, 1,1-Dimethylallylalkohol oder Oleinalkohol, aromatische Alkohole wie Phenol, die isomeren Kresole oder Methoxyphenole, araliphatische Alkohole wie Benzylalkohol, Anisalkohol oder Zimtalkohol, sekundäre Monoamine wie Dimethylamin, Diethylamin, Dipropylamin, Diisopropylamin, Dibutylamin, Bis-(2-ethylhexyl)-amin, N-Methyl- und N-Ethylcyclohexylamin oder Dicyclohexylamin sowie heterocyclische sekundäre Amine wie Morpholin, Pyrrolidin, Pipe- ridin oder 1H-Pyrazol. Bevorzugte Startermoleküle sind gesättigte Monoalkohole der vorstehend genannten Art. Besonders bevorzugt werden Diethylenglykolmonobutylether oder n-Butanol als Startermoleküle verwendet. Für die Alkoxylierungsreaktion geeignete Alkylenoxide sind insbesondere Ethylenoxid und Propy- lenoxid, die in beliebiger Reihenfolge oder auch im Gemisch bei der Alkoxylierungsreaktion eingesetzt werden können.
Als Komponente Bl) können organische Di- oder Polyamine wie beispielsweise 1,2-Ethy- lendiamin, 1,2- und 1,3-Diaminopropan, 1,4-Diaminobutan, 1,6-Diaminohexan, Isophorondiamin,
Isomerengemisch von 2,2,4- und 2,4,4-Trimethylhexamethylendiamin, 2-Methylpentamethy- lendiamin, Diethylentriamin, 4,4-Diaminodicyclohexylmethan, Hydrazinhydrat, und/oder Dime- thylethylendiamin eingesetzt werden.
Darüber hinaus können als Komponente Bl) auch Verbindungen, die neben einer primären Ami- nogruppe auch sekundäre Aminogruppen oder neben einer Aminogruppe (primär oder sekundär) auch OH-Gruppen aufweisen, eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind primäre/sekundäre Amine, wie Diethanolamin, 3-Amino-l-methylaminopropan, 3-Amino-l-ethylaminopropan, 3-Amino-l- cyclohexylaminopropan, 3-Amino-l- methylaminobutan, Alkanolamine wie N-Aminoethylethanol- amin, Ethanolamin, 3-Aminopropanol, Neopentanolamin.
Ferner können als Komponente Bl) auch monofunktionelle isocyanatreaktive Aminverbindungen eingesetzt werden, wie beispielsweise Methylamin, Ethylamin, Propylamin, Butylamin, Octylamin, Laurylamin, Stearylamin, Isononyloxypropylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Dipropylamin, Dibutylamin, N-Methylaminopropylamin, Diethyl(methyl)aminopropylamin, Morpholin, Piperidin, bzw. geeignete substituierte Derivate davon, Amidamine aus diprimären Aminen und Mono- carbonsäuren, Monoketim von diprimären Aminen, primär/tertiäre Amine, wie N,N-Dimethyl- aminopropylamin.
Bevorzugt werden 1,2-Ethylendiamin, Bis(4-aminocyclohexyl)methan, 1 ,4-Diaminobutan, Isophorondiamin, Ethanolamin, Diethanolamin und Diethylentriamin eingesetzt.
Geeignete anionisch hydrophilierende Verbindungen der Komponente B2) sind Alkalimetallsalze der Mono- und Diaminosulfonsäuren. Beispiele solcher anionischen Hydrophilierungsmittel sind
Salze der 2-(2-Aminoethylamino)ethansulfonsäure, Ethylendiamin-propyl- oder -butylsulfonsäure, 1,2- oder 1,3-Propylendiamin-ß-ethylsulfonsäure oder Taurin. Weiterhin kann das Salz der Cyclo- hexylaminopropansulfonsäure (CAPS) aus WO-A 01/88006 als anionisches Hydrophilierungsmittel verwendet werden.
Besonders bevorzugte anionische Hydrophilierungsmittel B2) sind solche, die Sulfonatgruppen als ionische Gruppen und zwei Aminogruppen enthalten, wie die Salze der 2-(2- Aminoethylamino)ethylsulfonsäure und 1 ,3-Propylendiamin-/?-ethylsulfonsäure. Zur Hydrophilierung können auch Mischungen aus anionischen und nichtionischen Hydrophi- lierungsmitteln verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform zur Herstellung der speziellen Polyurethan-Dispersionen werden die Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) in den folgenden Mengen eingesetzt, wobei sich die Einzelmengen stets zu 100 Gew.-% addieren:
5 bis 40 Gew.-% Komponente Al),
55 bis 90 Gew.-% A2),
0,5 bis 20 Gew.-% Summe der Komponenten A3) und Bl)
0,1 bis 25 Gew.-% Summe der Komponenten A4) und B2), wobei bezogen auf die Gesamtmengen der Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) 0,1 bis 5 Gew.-% an anionischen bzw. potentiell anionischen Hydrophilierungsmitteln aus A4) und/oder B2) verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der speziellen Polyurethan- Dispersionen werden die Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) in den folgenden Mengen eingesetzt, wobei sich die Einzelmengen stets zu 100 Gew.-% aufaddieren:
5 bis 35 Gew.-% Komponente Al),
60 bis 90 Gew.-% A2),
0,5 bis 15 Gew.-% Summe der Komponenten A3) und Bl)
0,1 bis 15 Gew.-% Summe der Komponenten Komponente A4) und B2), wobei bezogen auf die Gesamtmengen der Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) 0,2 bis 4 Gew.-% an anionischen bzw. potentiell anionischen Hydrophilierungsmitteln aus A4) und/oder B2) verwendet werden.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der speziellen Polyurethan- Dispersionen werden die Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) in den folgenden Mengen eingesetzt, wobei sich die Einzelmengen stets zu 100 Gew.-% aufaddieren:
10 bis 30 Gew.-% Komponente Al),
65 bis 85 Gew.-% A2),
0,5 bis 14 Gew.-% Summe der Komponenten A3) und Bl)
0,1 bis 13,5 Gew.-% Summe der Komponenten A4) und B2), wobei bezogen auf die Gesamtmengen der Komponenten Al) bis A4) und Bl) bis B2) 0,5 bis 3,0 Gew.-% an anionischen bzw. potentiell anionischen Hydrophilierungsmitteln aus A4) und/oder B2) verwendet werden. Die Herstellung der Polyurethan-Dispersionen kann in einer oder mehreren StufeAn in homogener oder bei mehrstufiger Umsetzung, teilweise in disperser Phase durchgeführt werden. Nach vollständig oder teilweise durchgeführter Polyaddition aus Al) bis A4) erfolgt ein Dispergier-, Emul- gier- oder Lösungsschritt. Im Anschluss erfolgt gegebenenfalls eine weitere Polyaddition oder Modifikation in disperser Phase.
Dabei können alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wie z. B. Prepolymer- Mischverfahren, Acetonverfahren oder Schmelzdispergierverfahren verwendet werden. Bevorzugt wird nach dem Aceton- Verfahren verfahren.
Für die Herstellung nach dem Aceton-Verfahren werden üblicherweise die Bestandteile A2) bis A4) und die Polyisocyanatkomponente Al) zur Herstellung eines isocyanatfunktionellen Polyu- rethan-Prepolymers ganz oder teilweise vorgelegt und gegebenenfalls mit einem mit Wasser mischbaren aber gegenüber Isocyanatgruppen inerten Lösungsmittel verdünnt und auf Temperaturen im Bereich von 50 bis 1200C aufgeheizt. Zur Beschleunigung der Isocyanatadditionsreaktion können die in der Polyurethan-Chemie bekannten Katalysatoren eingesetzt werden.
Geeignete Lösungsmittel sind die üblichen aliphatischen, ketofunktionellen Lösemittel wie Aceton, 2-Butanon, die nicht nur zu Beginn der Herstellung, sondern gegebenenfalls in Teilen auch später zugegeben werden können. Bevorzugt sind Aceton und 2-Butanon, besonders bevorzugt ist Aceton. Auch die Zugabe anderer Lösemittel ohne isocyanatreaktive Gruppen ist möglich, jedoch nicht bevorzugt.
Anschließend werden die gegebenenfalls zu Beginn der Reaktion noch nicht zugegebenen Bestandteile von Al) bis A4) zudosiert.
Bei der Herstellung des Polyurethan-Prepolymeren aus Al) bis A4) beträgt das Stoffmengenverhältnis von Isocyanat-Gruppen zu isocyanatreaktiven Gruppen im allgemeinen 1,05 bis 3,5, bevorzugt 1,1 bis 3,0, besonders bevorzugt 1,1 bis 2,5.
Die Umsetzung der Komponenten Al) bis A4) zum Prepolymer erfolgt teilweise oder vollständig, bevorzugt aber vollständig. Es werden so Polyurethan-Prepolymere, die freie Isocyanatgruppen enthalten, in Substanz oder in Lösung erhalten.
Im Anschluss wird in einem weiteren Verfahrensschritt, falls noch nicht oder nur teilweise geschehen, das erhaltene Prepolymer mit Hilfe von aliphatischen Ketonen wie Aceton oder 2-Butanon gelöst.
Die Umsetzung der Komponenten al) bis a4) zum Prepolymer erfolgt teilweise oder vollständig, bevorzugt aber vollständig. Es werden so Polyurethan-Prepolymere, die freie Isocyanatgruppen enthalten, in Substanz oder in Lösung erhalten. Im Neutralisationsschritt zur teilweisen oder vollständigen Überfuhrung potentiell anionischer Gruppen in anionische Gruppen werden Basen wie tertiäre Amine, z.B. Trialkylamine mit 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 6 C-Atomen in jedem Alkylrest oder Alkalimetallbasen wie die entsprechenden Hydroxide eingesetzt.
Beispiele hierfür sind Trimethylamin, Triethylamin, Methyldiethylamin, Tripropylamin, N-methyl- morpholin, Methyldiisopropylamin, Ethyldiisopropylamin und Diisopropylethylamin. Die Alkyl- reste können beispielsweise auch Hydroxylgruppen tragen, wie bei den Dialkylmonoalkanol-, Al- kyldialkanol- und Trialkanolaminen. Als Neutralisationsmittel sind gegebenenfalls auch anorganische Basen, wie wässrige Ammoniaklösung oder Natrium-, Lithium bzw. Kaliumhydroxid einsetz- bar.
Bevorzugt sind Ammoniak, Triethylamin, Triethanolamin, Dimethylethanolamin oder Diisopropylethylamin sowie Natriumhydroxyd, Lithiumhydroxyd oder Kaliumhydroxid, besonders bevorzugt sind Ammoniak, Natriumhydroxyd, Lithiumhydroxyd oder Kaliumhydroxid .
Die Stoffmenge der Basen beträgt im allgemeinen 50 und 125 mol-%, bevorzugt zwischen 70 und 100 mol-% der Stoffmenge der zu neutralisierenden Säuregruppen. Die Neutralisation kann auch gleichzeitig mit der Dispergierung erfolgen, in dem das Dispergierwasser bereits das Neutralisationsmittel enthält.
Bei der Kettenverlängerung in Stufe B) werden NH2- und/oder NH-funktionelle Komponenten mit den noch verbliebenen Isocyanatgruppen des Prepolymers umgesetzt. Bevorzugt wird die Ketten- verlängerung/-terminierung vor der Dispergierung in Wasser durchgeführt.
Geeignete Komponenten zur Kettenverlängerung sind organische Di- oder Polyamine Bl) wie beispielsweise Ethylendiamin, 1,2- und 1,3-Diaminopropan, 1 ,4-Diaminobutan, 1,6- Diaminohexan, Isophorondiamin, Isomerengemisch von 2,2,4- und 2,4,4-Trimethylhexa- methylendiamin, 2-Methylpentamethylendiamin, Diethylentriamin, Diaminodicyclohexylmethan und/oder Dimethylethylendiamin.
Darüber hinaus können auch Verbindungen Bl), die neben einer primären Aminogruppe auch sekundäre Aminogruppen oder neben einer Aminogruppe (primär oder sekundär) auch OH-Gruppen aufweisen, eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind primäre/sekundäre Amine, wie Diethanola- min, 3-Amino-l-methylaminopropan, 3-Amino-l-ethylaminopropan, 3-Amino-l-cyclohexylamino- propan, 3-Amino-l- methylaminobutan, Alkanolamine wie N-Aminoethylethanolamin, Ethanola- min, 3-Aminopropanol, Neopentanolamin zur Kettenverlängerung bzw. -terminierung eingesetzt werden.
Zur Kettenterminierung werden üblicherweise Amine Bl) mit einer gegenüber Isocyanaten reaktiven Gruppe wie Methylamin, Ethylamin, Propylamin, Butylamin, Octylamin, Laurylamin, Stearyl- amin, Isononyloxypropylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Dipropylamin, Dibutylamin, N-Me- thylaminopropylamin, Diethyl(methyl)aminopropylamin, Morpholin, Piperidin, bzw. geeignete substituierte Derivate davon, Amidamine aus diprimären Aminen und Monocarbonsäuren, Mono- ketim von diprimären Aminen, primär/tertiäre Amine, wie N,N-Dimethylaminopropylamin ver- wendet.
Werden zur Kettenverlängerung anionische Hydrophilierungsmittel entsprechend der Definition B2) mit NH2- oder NH-Gruppen eingesetzt, erfolgt die Kettenverlängerung der Prepolymere bevorzugt vor der Dispergierung.
Der Kettenverlängerungsgrad, also das Äquivalentverhältnis von NCO-reaktiven Gruppen der zur Kettenverlängerung und Kettenterminierung eingesetzten Verbindungen zu freien NCO-Gruppen des Prepolymers, liegt im allgemeinen zwischen 40 und 150 %, bevorzugt zwischen 50 und 120 %, besonders bevorzugt zwischen 60 und 120 %.
Die aminischen Komponenten Bl) und B2), können gegebenenfalls in wasser- oder lösemittelverdünnter Form im erfindungsgemäßen Verfahren einzeln oder in Mischungen eingesetzt werden, wobei grundsätzlich jede Reihenfolge der Zugabe möglich ist.
Wenn Wasser oder organische Lösemittel als Verdünnungsmittel mit verwendet werden, so beträgt der Verdünnungsmittelgehalt in der in B) eingesetzten Komponente zur Kettenverlängerung bevorzugt 40 bis 95 Gew.-%.
Die Dispergierung erfolgt bevorzugt im Anschluss an die Kettenverlängerung. Dazu wird das ge- löste und kettenverlängerte Polyurethanpolymer gegebenenfalls unter starker Scherung, wie z.B. starkem Rühren, entweder in das Dispergierwasser eingetragen oder es wird umgekehrt das Disper- gierwasser zu den kettenverlängerte Polyurethanpolymerlösungen gerührt. Bevorzugt wird das Wasser in das gelöste kettenverlängerte Polyurethanpolymer gegeben.
Das in den Dispersionen nach dem Dispergierschritt noch enthaltene Lösemittel wird üblicher- weise anschließend destillativ entfernt. Eine Entfernung bereits während der Dispergierung ist ebenfalls möglich.
Der Restgehalt an organischen Lösemitteln in den Polyurethan-Dispersionen beträgt typischerweise weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 3 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Dispersion.
Der pH- Wert der erfindungswesentlichen Polyurethan-Dispersionen beträgt typischerweise weni- ger als 8,0, bevorzugt weniger als 7,5 und liegt besonders bevorzugt zwischen 5,5 und 7,5.
Typischerweise enthalten die erfindungsgemäßen filmbildenden Zusammensetzungen mindestens 10 Gew.-% Polyurethan, bezogen auf den Feststoffanteil aller in der Zusammensetzung enthalte- nen filmbildenden Polymere. Bevorzugt sind jedoch mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% Polyurethan als filmbildendes Polymer enthalten.
Wird nicht ausschließlich Polyurethan als filmbildendes Polymer eingesetzt, so können weiterhin andere Polymer-Dispersionen mit eingesetzt werden, z.B. auf Basis von Polyestem, Po- ly(meth)acrylaten, Polyepoxiden, Polyvinylacetaten, Polyethylen, Polystyrol, Polybutadienen, Polyvinylchlorid und/oder entsprechenden Copolymerisaten.
Die filmbildenden Zusammensetzungen können neben den Polymer-Dispersionen zusätzlich auch Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten. Beispiele für solche Hilfs- und Zusatzstoffe sind Vernetzer, Ver- dicker, Colösemittel, Thixotropiermittel, Stabilisatoren, Antioxidantien, Lichtschutzmittel, Emul- gatoren, Tenside, Weichmacher, Pigmente, Füllstoffe und Verlaufshilfsmittel.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bewirken gegebenenfalls eingesetzte Vernetzer die Bildung kovalenter Bindungen zwischen den eingesetzten filmbildenden Polymeren, insbesondere Polyurethanen, womit z.B. die mechanischen Eigenschaften verbessert werden können. Geeignete Ver- netzer sind beispielsweise blockierte oder unblockierte Polyisocyanat- Vernetzer, Amid- und Amin-
Formaldehydharze, Phenolharze, Aldehyd- und Ketonharze, wie z.B. Phenol -Formaldehydharze, Resole, Furanharze, Harnstoffharze, Carbamidsäureesterharze, Triazinharze, Melaminharze, Ben- zoguanaminharze, Cyanamidharze oder Anilinharze. Bevorzugt sind Melamin-Formaldehyd Harze, wobei bis 20 mol-% des Melamins durch äquivalente Mengen Harnstoff ersetzt sein können. Be- sonders bevorzugt ist methyloliertes Melamin, z.B. Bi-Tri- und/oder Tetramethyolmelamin. Als
Beispiel sei die Vernetzung Hydroxy-funktioneller Polyurethane mittels Isocyanat-funktioneller Bausteine genannt. Bevorzugt werden der Polymer-Dispersion erst kurz vor der Filmbildung solche Vernetzer, wie z.B. hydrophile Polyisocyanate (beschrieben in der EP-A-O 540 985), zugesetzt. Die Applikation erfolgt dann vorzugsweise zweikomponentig, z.B. mittels Zweikomponenten- Sprühauftrag. Bevorzugt werden die Polyurethan-Dispersionen jedoch ohne Vernetzer in die erfindungsgemäße Zusammensetzung eingesetzt.
Die filmbildenden Zusammensetzungen können neben den Polymer-Dispersionen zusätzlich auch Füllstoffe enthalten, die die Dielektrizitätskonstante des Films regulieren. Bevorzugt ist der Zusatz von speziellen Füllstoffen zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten wie elektrisch leitfähige Füllstoffe oder Füllstoffe mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten. Beispiele sind Ruß, Graphit, einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Additive zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und/oder der Durchschlagsfeldstärke können auch nach Verfilmung noch zugesetzt werden, beispielsweise durch Erzeugung einer oder mehrerer weiteren Schicht(en) oder zur Durchdringung des Films. Der Auftrag der erfindungsgemäßen fϊlmbildenden Zusammensetzungen kann nach allen an sich bekannten Applikationsformen erfolgen, genannt seien beispielsweise Rakeln, Streichen, Gießen oder Sprühen.
Ein mehrschichtiger Auftrag mit gegebenenfalls zwischengelagerten Trocknungsschritten ist grundsätzlich auch möglich.
Für eine schnellere Trocknung und Fixierung der Schäume werden bevorzugt Temperaturen oberhalb von 300C benutzt. Bevorzugt werden Temperaturen zwischen 30 und 2000C. Sinnvoll ist auch eine zwei- oder mehrstufige Trocknung, mit entsprechend ansteigendem Temperaturgradienten, um eine Aufkochung der Beschichtung zu verhindern. Die Trocknung erfolgt in der Regel unter Verwendung von an sich bekannten Heiz- und Trockenapparaten, wie (Umluft-) Trockenschränken, Heißluft oder IR-Strahlern. Auch die Trocknung durch Führen des beschichteten Substrates über geheizte Oberflächen, z.B. Walzen, ist möglich. Der Auftrag sowie die Trocknung können jeweils diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden, bevorzugt ist jedoch ein gänzlich kontinuierliches Verfahren.
Der erfindungsgemäßen Film kann mit weiteren Schichten versehen werden. Dies kann einseitig oder beidseitig geschehen, in einer Schicht oder in mehreren Schichten übereinander, durch vollständige oder durch flächig partielle Beschichtung des Films.
Als Trägermaterialien für die Filmherstellung eignen sich insbesondere Glas, Trennpapier, Folien und Kunststoffe, von denen der Film ggf. wieder einfach entfernt werden kann.
Die Verarbeitung der einzelnen Schichten erfolgt durch Gießen oder händisches bzw. maschinell durchgeführtes Rakeln; auch Drucken, Siebdrucken und Spritzen bzw. Sprühen und Tauchen sind mögliche Verabeitungstechniken. Generell sind alle Techniken denkbar, die bei einer Auftragung von dünnen Schichten - z.B. bei einer Lackierungen - eingesetzt werden können, denkbar.
Die Filme aus den Polymer-Dispersionen weisen eine gute mechanische Festigkeit und hohe Elas- tizität auf. Typischerweise sind die Werte für die maximale Spannung (Zugfestigkeit) größer als
0,2 N/mm2 (0,2 MPa) und die maximale Dehnung (Bruchdehnung) ist größer als 250 %. Bevorzugt ist die maximale Spannung (Zugfestigkeit) zwischen 0,4 und 50 MPa und die Dehnung größer als 350 %. Das Elastizitätzmodul bei einer Dehnung von 100% liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 10 MPa besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 5 MPa (Bestimmung nach DIN 53455).
Die Filme haben nach dem Trocknen typischerweise eine Dicke von 0,1 bis 1500 μm, bevorzugt 1 bis 500 μm, besonders bevorzugt 5 bis 200 μm, ganz besonders bevorzugt 5 bis 50 μm. Zum Aufbau eines Energiewandlers werden diese Filme (das sind die elektroaktiven Polymerschichten) beidseitig mit Elektroden beschichtet, wie beispielsweise in WO 01/06575 beschrieben. Dieser grundsätzliche Aufbau kann in unterschiedlichsten Konfigurationen zur Herstellung von Sensoren, Aktuatoren oder Generatoren eingesetzt werden.
Beispiele
Sofern nicht abweichend gekennzeichnet, beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht.
Sofern nicht abweichend vermerkt, beziehen alle analytischen Messungen auf Temperaturen von 23°C. Die Bestimmung der Festkörpergehalte erfolgte nach DDSf-EN ISO 3251.
NCO-Gehalte wurden, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt, volumetrisch gemäß DIN-EN ISO 11909 bestimmt.
Die Kontrolle auf freie NCO-Gruppen wurde mittels IR-Spektroskopie (Bande bei 2260 cm"1) durchgerührt. Die angegebenen Viskositäten wurden mittels Rotationsviskosimetrie nach DIN 53019 bei 23°C mit einem Rotationsviskosimeter der Firma Anton Paar Germany GmbH, Ostfϊldern, DE bestimmt.
Die Bestimmung der mittleren Teilchengrößen (angegeben ist das Zahlenmittel) der Polyurethan- Dispersionen erfolgte mittels Laserkorrelations-Spektroskopie (Gerät: Malvern Zetasizer 1000, Malver Inst. Limited).
Die Einarbeitung von Füllstoffen in die erfϊndungsgemäßen Dispersionen geschah mit einem
Speedmixer (Modell 150 FV der Fa. Hauschild & Co KG, Postfach 4380, D-59039 Hamm).
Messungen der Filmschichtdicken wurden mit einem mechanischen Taster der Firma Heidenhain GmbH, Postfach 1260, D-83292 Traunreut, durchgeführt. Die Probekörper wurden an drei unterschiedlichen Stellen vermessen und der Mittelwert als repräsentativer Messwert benutzt.
Die Zugversuche wurden mittels einer Zugmaschine der Firma Zwick, Modell Nummer 1455, ausgestattet mit einer Kraftmessdose des Gesamtmessbereiches IkN nach DIN 53455 mit einer Zuggeschwindigkeit von 50 mm/min ausgeführt. Als Probekörper wurden S2-Zugstäbe eingesetzt. Jede Messung wurde an drei gleichartig präparierten Probekörpern ausgeführt und der Mittelwert der erhaltenen Daten zur Bewertung verwendet. Speziell hierfür wurden neben der Zugfestigkeit ZF in [Mpa] und der Bruchdehnung BD in [%] noch die Spannung SP in [Mpa] bei 100%
(=SP100) und 200% (=SP200) Dehnung bestimmt.
Die Bestimmung des elektrischen Volumen-Widerstandes VW wurde mit einem Messaufbau der
Firma Keithley Instruments Inc., 28775 Aurora Road, Cleveland, Ohio 44139, phone: (440) 248-
0400, (Elektrometer : Modell-Nummer 6517A; Messkopf : Modell-Nummer 8009) und einem mit- gelieferten Programm (Modell-Nummer 6524 : High Resistance Measurement Software) durchge- führt. Es wurde eine symmetrische, rechteckörmige Spannung von +/- 50 V für die Dauer von 4 min pro Periode für die Dauer von 10 Perioden angelegt und der Stromfluß bestimmt. Aus den Werten für den Stromfluß kurz vor Umschalten der Spannung wurde der Widerstand des Prüfkörpers bei jeder Periode der Spannung berechnet und gegen die Periodenanzahl aufgetragen. Der Endwert dieser Auftragung gibt den Messwert für den elektrischen Volumen- Widerstand der Probe an.
Messungen der Dielektrizitätskonstante DK wurden mit einem Messaufbau der Firma Novocontrol Technologies GmbH & Co. KG, 56414 Hundsangen (Messbrücke : Alpha-A Analyzer, Messkopf: ZGS Active Sample Cell Test Interface) mit einem Durchmesser der Probekörper von 20 mm ausgeführt. Untersucht wurde dabei ein Frequenzbereich von 107 bis 10~2 Hz. Als Maß für die Dielektrizitätskonstante des untersuchten Materials wurde der Realteil der Dielektrizitätskonstante bei 10"2 Hz gewählt.
Verwendete Substanzen und Abkürzungen:
Diaminosulfonat: NH2-CH2CH2-NH-CH2CH2-SO3Na (45 %ig in Wasser)
Desmophen® 2020/C2200: Polycarbonatpolyol, OH-Zahl 56 mg KOH/g, zahlenmittleres Molekulargewicht 2000 g/mol (Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE)
PolyTHF® 2000: Polytetramethylenglykolpolyol, OH-Zahl 56 mg KOH/g, zahlenmittleres Molekulargewicht 2000 g/mol (BASF AG, Ludwigshafen, DE)
PolyTHF® 1000: Polytetramethylenglykolpolyol, OH-Zahl 112 mg KOH/g, zahlenmittleres zahlenmittleres Molekulargewicht 1000 g/mol (BASF AG, Ludwigshafen, DE)
Polyether LB 25: monofunktioneller Polyether auf Ethylenoxid-/Propylenoxidbasis zahlenmittleres Molekulargewicht 2250 g/mol, OH-Zahl 25 mg KOH/g (Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, DE)
Printex 140 Produkt der Degussa GmbH, 60311 Frankfurt am Main, Mittlere Korngröße 29 nm, BET-Oberfläche 90 m2/g, pH- Wert 4,5 (alle Angaben hierzu It. Datenblatt Degussa) Beispiel 1: Polyurethan-Dispersion 1
987,0 g PolyTHF® 2000, 375,4 g PolyTHF® 1000, 761,3 g Desmophen® C2200 und 44,3 g PoIy- ether LB 25 wurden in einer Standard-Rührapparatur auf 700C aufgeheizt. Anschließend wurde bei 700C innerhalb von 5 min ein Gemisch aus 237,0 g Hexamethylendiisocyanat und 313,2 g Isopho- rondiisocyanat zugegeben und bei 1200C gerührt, bis der theoretische NCO-Wert erreicht war. Das fertige Prepolymer wurde mit 4830 g Aceton gelöst und dabei auf 500C abgekühlt und anschließend wurde eine Lösung aus 25,1 g Ethylendiamin, 116,5 g Isophorondiamin, 61,7 g Diaminosul- fonat und 1030 g Wasser innerhalb von 10 min zudosiert. Die Nachrührzeit betrug 10 min. Dann wurde durch Zugabe von 1250 g Wasser dispergiert. Es folgte die Entfernung des Lösemittels durch Destillation im Vakuum.
Die erhaltene weiße Dispersion hatte nachfolgenden Eigenschaften:
Feststoffgehalt: 61%
Partikelgröße (LKS): 312 nm
Viskosität (Viskosimeter, 230C): 241 mPas pH (23°C): 6,02
pH (23°C): 7,15
Beispiel 2: Polyurethan-Dispersion 7
450 g PolyTHF® 1000 und 2100 g PolyTHF® 2000 wurden auf 700C aufgeheizt. Anschließend wurde bei 700C innerhalb von 5 min ein Gemisch aus 225,8 g Hexamethylendiisocyanat und 298,4 g Isophorondiisocyanat zugegeben und solange bei 100-1150C gerührt bis der theoretische NCO- Wert unterschritten war. Das fertige Prepolymer wurde mit 5460 g Aceton bei 500C gelöst und anschließend eine Lösung aus 29,5 g Ethylendiamin, 143,2 g Diaminosulfonat und 610 g Wasser innerhalb von 10 min zudosiert. Die Nachrührzeit betrug 15 min. Danach wurde innerhalb von 10 min durch Zugabe von 1880 g Wasser dispergiert. Es folgte die Entfernung des Lösemittels durch
Destillation im Vakuum und es wurde eine lagerstabile Dispersion erhalten.
Feststoffgehalt: 56 %
Partikelgröße (LKS): 276 nm
Viskosität: 1000 mPas Beispiel 3: Polyurethan-Dispersion
1649,0 g eines Polyesters aus Adipinsäure, Hexandiol und Neopentylglykol mit einem mittleren Molekulargewicht von 1700 g/mol wurden auf 65°C aufgeheizt. Anschließend wurden bei 7O0C innerhalb von 5 min 291,7 g Hexamethylendiisocyanat zugegeben und solange bei 100-115°C gerührt bis der theoretische NCO- Wert unterschritten war. Das fertige Prepolymer wurde mit 3450 g Aceton bei 500C gelöst und anschließend eine Lösung aus 16,8 g Ethylendiamin, 109,7 g Diamino- sulfonat und 425 g Wasser innerhalb von 3 min zudosiert. Die Nachrührzeit betrug 15 min. Danach wurde innerhalb von 10 min durch Zugabe von 1880 g Wasser dispergiert. Es folgte die Entfer- nung des Lösemittels durch Destillation im Vakuum und es wurde eine lagerstabile Dispersion erhalten.
Feststoffgehalt: 42 %
Partikelgröße (LKS): 168 nm
Viskosität: 425 mPas
pH- Wert: 7,07
Beispiel 4 : PUR-Dispersion
82,5 g PolyTHF® 1000, 308 g PolyTHF® 2000 und 10,0 g 2-Ethylhexanol wurden auf 700C aufgeheizt. Anschließend wurde bei 700C innerhalb von 5 min ein Gemisch aus 41,4 g Hexamethylen- diisocyanat und 54,7g Isophorondiisocyanat zugegeben und solange bei 110-1250C gerührt bis der theoretische NCO-Wert unterschritten war. Das fertige Prepolymer wurde mit 880 g Aceton bei 500C gelöst und anschließend eine Lösung aus 3,8 g Ethylendiamin, 4,6 g Isophorondiamin, 26,3 g Diaminosulfonat und 138 g Wasser innerhalb von 10 min zudosiert. Die Nachrührzeit betrug 15 min. Danach wurde innerhalb von 10 min durch Zugabe von 364 g Wasser dispergiert. Es folgte die Entfernung des Lösemittels durch Destillation im Vakuum und es wurde eine lagerstabile Dispersion erhalten.
Partikelgröße (LKS): 181 nm
Viskosität: 1300 mPas Anwendungstechnische Versuche-
Beispiel S (erfindungsgemäß):
Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. Die benötigte Menge von 100g an erfindungsgemäßer Dispersion It. Beispiel 2 wurde in einem PP-Becher eingewogen. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch werden auf Glasplatten von Hand Filme der Nassschichtdicke 1 mm geräkelt. Alle Filme werden nach der Herstellung bei 300C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 1200C nachgetempert. Die Filme können nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden.
Beispiel 6 (erfindungsgemäß):
Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. Die benötigte Menge von 100g an erfϊn- dungsgemäßer Dispersion It. Beispiel 2 wurde in einem PP-Becher eingewogen, die entsprechende Menge von 1,783 g an Printex 140 zugewogen und dann im 5 min bei 3000 U/min gemischt. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch werden auf Glasplatten von Hand Filme der Nassschichtdicke 1 mm geräkelt. Alle Filme werden nach der Herstellung bei 300C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 1200C nachgetempert. Die Filme können nach dem
Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden.
Beispiel 7 (erfindungsgemäß):
Die eingesetzten Rohstoffe wurden nicht separat entgast. Die benötigte Menge von 100g an erfindungsgemäßer Dispersion It. Beispiel 4 wurde in einem PP-Becher eingewogen. Aus dem noch flüssigen Reaktionsgemisch werden auf Glasplatten von Hand Filme der Nassschichtdicke 1 mm geräkelt. Alle Filme werden nach der Herstellung bei 300C im Trockenschrank über Nacht getrocknet und anschließend 5 min bei 1200C nachgetempert. Die Filme können nach dem Tempern von Hand einfach von der Glasplatte gelöst werden.
Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel):
Alle flüssigen Rohstoffe wurden in einem dreistufigen Verfahren sorgfältig unter Argon entgast. 10g Terathane 650 (INVISTA GmbH, D-65795 Hatterheim, PoIy-THF der Molmasse Mn = 650) wird in einem 60 ml Einweg-Mischbehälter (APM-Technika AG, Best. Nr. 1033152) eingewogen. Anschließend wird 0,005 g Dibutylzinndilaurat (Metacure® T-12, Air Products and Chemicals, Inc.) und 6,06 g des Isocyanates N3300 (das Isocyanurattrimere des HDI; Produkt der Bayer Mate- rialScience AG) dazu gewogen und 1 min bei 3000 Upm im Speedmixer vermischt. Das Reakti- onprodukt wird auf eine Glasplatte gegossen und mit einem Rakel der Nassschichtdicke 1 mm zu einem homogenen Film ausgezogen. Der Film wird anschließend 16 h bei 800C getempert.
Beispiel 9 (Vergleichsbeispiel):
Alle flüssigen Rohstoffe wurden in einem dreistufigen Verfahren sorgfältig unter Argon entgast, der Ruß wurde über ein 125μm Sieb gesiebt. 10g Terathane 650 (INVISTA GmbH, D-65795 Hat- terheim, PoIy-THF der Molmasse Mn = 650) wird mit 0,536 g Printex 140, in einem 60 ml Einweg-Mischbehälter (APM-Technika AG, Best. Nr. 1033152) eingewogen und im Speedmixer (Produkt der Fa. APM-Technika AG, CH-9435 Heerbrugg; Vertrieb D: Hauschild; Typ DAC 150 FVZ ) 3 min bei 3000 Upm zu einer homogenen Paste vermischt. Anschließend wird 0,005 g Dibu- tylzinndilaurat (Metacure® T-12, Air Products and Chemicals, Inc.) und 6,06 g des Isocyanates N33OO (das Isocyanurattrimere des HDI; Produkt der Bayer MaterialScience AG) dazu gewogen und 1 min bei 3000 Upm im Speedmixer vermischt. Die Reaktionspaste wird auf eine Glasplatte gegossen und mit einem Rakel der Nassschichtdicke 1 mm zu einem homogenen Film des Fest- stoffgehaltes 2% ausgezogen. Der Film wird anschließend 16 h bei 800C getempert.
Daten der Filme:
Filme BD ZF SPlOO SP200 VW DK
[%] [MPa] [MPa] [MPa] [Ohm cm]
Bsp. 5 * 620 26,6 2,2 2,7 7,3*1010 125
Bsp. 6 * 625 38,9 2,6 3,3 3,6*1010 657
Bsp. 7 * 1432 3,4 0,46 0,58 4,8*10u 26,9
Bsp. 8 44 1,7 - - 2,3*10n 18,3
Bsp. 9 46 1,6 - - 7,9*10" 550
*: erfϊndungsgemäß
Es zeigte sich bei den Versuchen, dass Filme aus Polyurethandispersionen deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bieten.
Besonders vorteilhaft bei Einsatz der erfindungsgemäßen Filme aus Dispersionen sind die hohe Dielektrizitätskonstante und die sehr guten mechanische Eigenschaften wie: hohe Elastizität, hohe Reißdehnung, gut geeigneter Spannungs-Dehnungs-Verlauf mit niedriger Spannung bei moderaten Dehnungen im Gebrauchsbereich der Anwendung. Ziel war eine Bruchdehnung (BD) von mindestens 250%, bevorzugt 350%, besonders bevorzugt 400%, eine Zugfestigkeit (ZF) zwischen 0,2 und 100 MPa, bevorzugt zwischen 0,4 und 50 MPa, zusätzlich eine sehr flache Spannungs- Dehnungskurve mit Spannungen unter 10 MPa, bevorzugt zwischen 0,1 und 10 MPa bei moderaten Dehnungen im Bereich um 100% bis 200%, ein elektrischer Volumen- Widerstandes (VW) von mehr als l*1010 Ohm cm und eine Dielektrizitätskonstante (DK) von mindestens 20. Bei den Vergleichsbeispielen war eine Spannung bei 100% bzw. 200% nicht messbar, da diese Materialien bereits bei 40 % bis 60% reissen.
Weiterhin vorteilhaft an der Verwendung der Dispersionen ist die einfache Handhabung, da es sich hierbei um ein niederviskoses 1K-System handelt, es ist keine Handhabung reaktiver Gruppen wie z.B. freier Isocyanate beim Einarbeiten der Füllstoffe erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Wandler zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie oder von mechanischer Energie in elektrische Energie, mindestens aufweisend zwei Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten Polymerfϊlm, dadurch gekennzeichnet dass der Polymerfilm aus einer wässrigen Polymer-Dispersionen, bevorzugt einer wässrigen Polyurethan-Dispersionen, hergestellt wird.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerfilm durch Trocknen einer wässrigen Polyurethandispersion hergestellt ist, die aus einem Prepolymerisations- verfahren mit folgenden Schritten stammt:
A) Herstellen von isocyanatfunktionellen Prepolymere aus
Al) organischen Polyisocyanaten,
A2) polymeren Polyolen mit einem Molekulargewicht (Zahlenmittel) von 400 bis 8000 g/mol und einer OH-Funktionalität von 1 ,5 bis 6 und
A3) gegebenenfalls hydroxyfunktionellen Verbindungen mit Molekulargewichten von 62 bis 399 g/mol und
A4) gegebenenfalls isocyanatreaktiven, anionischen oder potentiell anionischen und gegebenenfalls nichtionischen Hydrophilierungsmitteln,
B) ganz oder teilweises Umsetzen der freien NCO-Gruppen des Prepolymeren aus A)
Bl) gegebenenfalls mit aminofunktionellen Verbindungen mit Molekulargewichten von 32 bis 400 g/mol und
B2) mit aminofunktionellen, anionischen oder potentiell anionischen Hydrophilierungsmitteln,
wobei die Prepolymere vor, während oder nach Schritt B) in Wasser dispergiert werden.
3. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente A2) Polyether- polyole enthält, bevozugt Polytetramethylenglykolpolyether.
4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente Al) di- funktionelle Isocyanatbausteine enthält, bevorzugt difunktionelle aliphatische Isocyanat- bausteine, besonders bevorzugt Hexamethylendiisocyanat und/oder Isophorondiisocyanat, und ganz besonders bevorzugt eine Mischung aus Hexamethylendiisocyanat und Isophorondiisocyanat.
5. Aktuator, Sensor oder Generator aufweisend wenigstens einen Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Vorrichtungen, insbesondere elektronische und elektrische Geräte, die wenigstens einen Aktuator, Sensor oder Generator gemäß Anspruch 5 enthalten.
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