Material compuesto multicapa ferroelectreto y procedimiento para la producción de un material compuesto multicapa ferroelectreto con canales en forma de tubo paralelos.

Material compuesto multicapa ferroelectreto que comprende al menos dos láminas de polímero dispuestas unasobre otra y unidas entre sí,

estando configurados entre las láminas de polímero espacios huecos, caracterizadoporque los espacios huecos son canales en forma de tubos.

Material compuesto multicapa ferroelectreto y procedimiento para la producción de un material compuesto multicapa ferroelectreto con canales en forma de tubo paralelos La presente invención se refiere a un material compuesto multicapa ferroelectreto y a un procedimiento para la producción de un material compuesto multicapa ferroelectreto con canales en forma de tubo, de forma particular canales que discurren paralelamente unos respecto a otros.

Debido a sus propiedades ventajosas y regulables como, por ejemplo, bajo peso, conductividad térmica, conformabilidad mecánica, propiedades eléctricas así como propiedades barrera, se usan polímeros y materiales compuestos de polímeros en múltiples aplicaciones comerciales. Estos se usan, por ejemplo, como material de envasado para alimentos o mercancías tales como materiales de construcción o de aislamiento, por ejemplo, en construcción o en automóviles. Los polímeros de función han adquirido importancia creciente también como componentes activos en aplicaciones de sensores o actuadores. Un concepto de aplicación importante se refiere a este respecto al uso de polímeros como transductores electromecánicos o piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos tienen la capacidad de transformar una presión mecánica lineal en una señal de tensión eléctrica. Pueden invertir un campo eléctrico dispuesto en el material piezoeléctrico en un cambio de la geometría del convertidor. Los polímeros piezoeléctricos se integran ya en múltiples aplicaciones como componentes activos. A estos pertenecen, por ejemplo, sensores de presión estructurados para teclados o pantallas táctiles, sensores de aceleración, micrófonos, altavoces, transductores de ultrasonidos para aplicaciones en la técnica de medicina, la técnica marítima o para el ensayo de materiales. En el documento WO 2006/053528 Al se describe, por ejemplo, un convertidor electroacústico basado en un elemento piezoeléctrico de láminas de polímero.

En los últimos años adquirieron interés creciente en investigación una nueva clase de polímeros piezoeléctricos, los denominados ferroelectretos. Los ferroelectretos se denominan también piezoelectretos. Los ferroelectretos se componen también de materiales poliméricos que pueden almacenar cargas eléctricas durante periodos de tiempo prolongados y presentan adicionalmente una estructura de espacio hueco. Los ferroelectretos conocidos hasta ahora presentan una estructura de espacio hueco celular y están configurados como láminas de polímero espumadas o como sistemas multicapa de láminas de polímero o tejidos de polímero. Son cargas eléctricas que corresponden a su polaridad distribuida en las distintas superficies de los espacios huecos, representando cada espacio hueco cargado un dipolo eléctrico. Si los espacios huecos se deforman, estos condicionan un cambio del tamaño del dipolo y conduce a un flujo de corriente entre electrodos externos. Los ferroelectretos pueden mostrar una actividad piezoeléctrica que es comparable a los otros piezoeléctricos.

En el documento US 4.654.546 se describe un procedimiento para la producción de láminas de espuma de polipropileno como precursores de una lámina de ferroelectreto. A este respecto se adicionan a las láminas de polímero partículas de carga. Como carga se usa, por ejemplo, dióxido de titanio. Las láminas de polipropileno se estiran biaxialmente tras la extrusión, de modo que configuran en la lámina espacios huecos redondos, de pequeño tamaño, en torno a las partículas de carga. Este procedimiento se aplica entre tanto también a otros polímeros. De este modo se describió, por ejemplo, en M. Wegener, M. Paajanen, O. Voronina, R. Schulze, W. Wirges, y R. Gerhard-Multhaupt "Voided cyclo-olefin polymer films: Ferroelectrets with high thermal stability", Proceedings, 12º International Symposium on Electrets (IEEE Service Center, Piscataway, Nueva Jersey, EEUU 2005) , 47-50 (2005) y Eetta Saarimäki, Mika Paajanen, Ann-Mari Savijärvi, y Hannu Minkkinen, Michael Wegener, Olena Voronina, Robert Schulze, Werner Wirges y Reimund Gerhard-Multhaupt "Novel Heat Durable Electromechanical Film: Processing for Electromechanical and Electret Applications", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 13, 963-972 (Octubre de 2006) , la producción de láminas de ferroelectreto de copolímeros de ciclo-olefina (COC) y polímeros de ciclo-olefina (COP) . Las láminas de polímero espumadas presentan la desventaja de que pueden dar lugar a una amplia distribución del tamaño de burbujas. De este modo se pueden cargar bien en la etapa de carga subsiguiente no todas las burbujas homogéneamente. Adicionalmente debe seguir en una producción de láminas de polímero espumadas en un procedimiento de rodillo-a-rodillo en continuo por lo general una etapa de procedimiento adicional para la optimización del tamaño de burbuja, que de nuevo no es accesible en un procedimiento rodillo-a-rodillo.

Otro procedimiento para la producción de láminas de polímero ferroelectreto es la espumación física directa de una lámina homogénea con líquidos supercríticos, por ejemplo, con dióxido de carbono. En Advanced Functional Materials 17, 324-329 (2007) , Werner Wirges, Michael Wegener, Olena Voronina, Larissa Zirkel, y Reimund Gerhard-Multhaupt "Optimized preparation of elastically soft, highly piezoelectric, cellular ferroelectrets from nonvoided poly (ethylene terephthalate) films", y en Applied Physics Letters 90, 192908 (2007) , P. Fang, M. Wegener, W. Wirges, and R. Gerhard L. Zirkel "Cellular polyethylene-naphthalate ferroelectrets: Foaming in supercritical carbon dioxide, structural and electrical preparation, and resulting piezoelectricity", se ha descrito este procedimiento con materiales de poliéster así como en Applied Physics A: Materials Science & Processing 90, 615-618 (2008) , O. Voronina, M. Wegener, W. Wirges, R. Gerhard, L. Zirkel, y H. Münstedt "Physical foaming of fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers in supercritical carbon dioxide: Single film fluoropolymer piezoelectrets" para un fluoropolímero FEP (copolímero de etileno-propileno fluorado) . El procedimiento de espumación con dióxido de carbono supercrítico

tampoco se lleva a cabo hasta ahora en un procedimiento rodillo-a-rodillo, lo que significa una desventaja esencial del procedimiento para la aplicación industrial.

En los sistemas multicapas de ferroelectreto se conocen entre otros disposiciones de capas duras y blandas y cargas incorporadas entre ellas. En “Double-layer electret transducer", Journal of Electrostatics, Vol. 39, páginas 33-40, 1997, R. Kacprzyk, A. Dobrucki, y J. B. Gajewski, se describen capas múltiples de materiales sólidos con diversos módulos de elasticidad elevados. Estos tienen la desventaja de que estos sistemas de capas muestran un efecto piezoeléctrico relativamente bajo.

Los desarrollos más novedosos en el campo de los ferroelectretos prevén capas de polímero estructuradas. En varias publicaciones de los últimos años se describen sistemas multicapa de capas exteriores cerradas y una capa media porosa o perforada. A estas pertenecen el artículo de Z. Hu y H. von Seggern, "Air-breakdown charging mechanism of fibrous polytetrafluoroethylene films", Journal of Applied Physics, vol. 98, documento 014108, 2005 y "Breakdown-induced polarization buildup in porous fluoropolymer Sandwiches: A thermally stable piezoelectret", Journal of Applied Physics, vol. 99, documento 024102, 2006, así como la publicación de H.C. Basso, R.A.P. Altafilm,

R.A.C. Altafilm, A. Mellinger, Peng Fang, W. Wirges, y R. Gerhard "Three-layer ferroelectrets from perforated Teflon -PTFE films fused between two homogeneous Teflon -FEP films" EEEE, 2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1-4244-1482-2/07, 453-456 (2007) y el artículo de Jinfeng Huang, Xiaoqing Zhang, Zhongfu Xia, y Xuewen Wang "Piezoelectrets from laminated Sandwiches of porous polytetrafluoroethylene films and nonporous fluoroethylenepropylene films" Journal of Applied Physics, vol. 103, documento 084111, 2008. Los sistemas de capa con una capa media porosa o perforada presentan frente a los sistemas descritos previamente mayores piezoconstantes. A este respecto se pueden laminar las capas medias muchas veces pero no de forma fiable con las capas exteriores sólidas. Adicionalmente la perforación de la capa media lleva por lo general mucho tiempo.

En las publicaciones de X. Zhang, J. Hillenbrand y G. M. Sessler, "Thermally stable fluorocarbon ferroelectrets with high piezoelectric coefficient". Applied Physics A, vol. 84, páginas 139-142, 2006 y "Ferroelectrets with improved thermal stability made from fused fluorocarbon layers", Journal of Applied Physics, vol. 101, documento 054114, 2007, así... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto multicapa ferroelectreto que comprende al menos dos láminas de polímero dispuestas una sobre otra y unidas entre sí, estando configurados entre las láminas de polímero espacios huecos, caracterizado porque los espacios huecos son canales en forma de tubos.

2. Material compuesto multicapa ferroelectreto según la reivindicación 1, caracterizado porque los espacios huecos son canales en forma de tubos que discurren en paralelo unos respecto a otros.

3. Material compuesto multicapa ferroelectreto según la reivindicación 1, caracterizado porque las láminas de polímero se componen de materiales de polímero iguales o distintos, seleccionados del grupo de policarbonatos, polímeros y copolímeros de flúor, poliésteres, poliimidas, poli (metacrilato de metilo) , polímeros cicloolefínicos, copolímeros ciclo-olefínicos y polipropileno.

4. Material compuesto multicapa ferroelectreto según la reivindicación 1, caracterizado porque están dispuestas tres

o más láminas de polímero unas sobre otras y unidas entre sí y los canales en forma de tubos entre las láminas de polímero están dispuestos en capas superpuestas paralela o perpendicularmente entre sí.

5. Material compuesto multicapa ferroelectreto según la reivindicación 1, caracterizado porque los canales (3) están abiertos por sus lados frontales o están cerrados por uno o ambos lados.

6. Material compuesto multicapa ferroelectreto según la reivindicación 1, caracterizado porque sobre las superficies que dan al exterior de las láminas de polímero se aplica al menos parcialmente un recubrimiento conductor.

7. Procedimiento para la producción de un material compuesto multicapa ferroelectreto con canales en forma de tubo paralelos caracterizado por las siguientes etapas:

a) proporcionar una pila de capas que contenga una primera lámina de polímero, una segunda lámina de polímero y una capa de máscara dispuesta entre ellas, presentando la máscara dentro de la pila de capas uno o varios nervios paralelos, distanciados unos de otros por entalladuras, no estando unidos los nervios por al menos un lado frontal o estando unidos de forma que se puedan separar unos de otros y sobresaliendo la máscara en uno o ambos lados frontales de la pila de capas,

b) laminación de la pila de capas producida en la etapa a) y unión de las láminas de polímero dando un material compuesto de láminas de polímero,

c) separación dado el caso de los nervios de la máscara en un lado frontal,

d) separación de la máscara del material compuesto de lámina de polímero mediante retirada de la máscara del material de lámina de polímero,

e) carga eléctrica de las superficies interiores de los canales en forma de tubos liberados en la etapa d) con cargas eléctricas opuestas.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque antes y/o después de la carga eléctrica de las superficies interiores de los canales en la etapa e) se realiza la aplicación de electrodos en las superficies exteriores del material compuesto de polímero.

9. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque en la etapa a) la pila de capas contiene una o varias láminas de polímero adicionales y una o varias capas de máscara, formándose las capas exteriores de la pila de capas de láminas de polímero.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque las láminas de polímero adicionales y capas de máscara están dispuestas en secuencia alternante en la pila de capas.

11. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque los nervios de la máscara no están unidos a un lado frontal y las etapas a) , b) y d) se llevan a cabo como procedimiento rodillo-a-rodillo en continuo.

12. Elemento piezoeléctrico que contiene un material compuesto multicapa ferroelectreto según una de las reivindicaciones 1 a 6.

13. Elemento piezoeléctrico según la reivindicación 12, caracterizado porque es un elemento sensor o actuador.

14. Dispositivo para la realización de un procedimiento según la reivindicación 7 u 11 caracterizado porque contiene al menos los siguientes componentes

a. una unidad de laminación,

b. una máscara con dos o varios nervios paralelos separados entre sí por entalladuras, en la que los nervios están dispuestos al menos parcialmente dentro de la unidad de laminación,

c. respectivamente uno o varios dispositivos de alimentación para la alimentación en continuo de al menos una lámina de polímero por encima y al menos una lámina de polímero por debajo de la máscara, para la formación de una pila de capas, y adicionalmente d. los nervios de la máscara sobre el lado frontal que da a los dispositivos de alimentación están unidos entre sí y están separados unos de otros en el lado frontal.