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Elastomere für generatorische Anwendungen

Dr. Raman Rabindranath, Fraunhofer ISC

Energie-Symposium der Fraunhofer-Institute IISB, IIS und ISC Energietechnik im Wandel-

Bayerische Energieforschungsprojekte

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Inhalt

Anforderungen an Elastomere für Dielektrische Elastomer Generatoren (DEG)

Allgemeine Eigenschaften von Elastomeren

Materialentwicklung in DEGREEN

Herstellung von DEG über das Schlitzdüsenverfahren

Anwendung als Sensoren und Aktoren

Ausblick

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Funktionsprinzip dielektrischer Elastomer Generatoren

Elektrische Spannungserhöhung durch mechanische Dehnung ⇒ Wel = ½ ⋅ C ⋅ U²

DEG - Generator

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Elastomerklassen:

Silicone, Naturkautschuk, Acrylate, Polyurethan

Anforderungen an Elastomere für Generatoren

Hohe Dielektrizitätszahl εr (>3)

Hohe Durchschlagsfeld- stärke EB (> 60 kV/ mm)

Geringes E-Modul (~ 400 kPa)

Niedriger mech. Verlust tanδ

Reißdehnung: ≥ 300 %

Ökolog. Unbedenklichkeit des Materials

Gute Verarbeitbarkeit (Rakeln etc.)

Viskosität des unvernetzten Kautschuks (≤ 50.000 mPa*s)

Hohe Dauerstabilität bei 100% Dehnung (200 Mio. Zyklen)

Schutzschicht

Elektrode

Dielektrikum

Elektrode

Schutzschicht

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Allgemeine Eigenschaften von Elastomeren

3D-verknüpftes Netzwerk von Polymerketten

Hohe Dehnbarkeit, Entropieelastizität

Unlöslich, aber quellbar

Komplexer Schubmodul: G* = G‘ + iG‘‘

Verschiedenste polymere Vorstufen und Verknüpfungsarten

Naturkautschuk, Silicon, SBR, Chloropren, PU

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Allgemeine Eigenschaften von Siliconen und NR Silicon (PDMS,Polydimethylsiloxan) Vorteil: Reinheit, Verarbeitung (Mischen, Formgebung), Eigenschaftseinstellung, Variabilität der Rohstoffe, Reproduzierbarkeit, kein Volumenschwund, chem. Beständigkeit, Hydrophobie, viele herausragende Eigenschaften Nachteil: Vernetzung reagiert empfindlich auf Katalysatorgifte, Weiterreißfestigkeit schlecht, Energieaufwand Naturkautschuk (NR, cis-1,4-Polyisopren) Vorteil: Nachwachsender Rohstoff, Dehnbarkeit, Preis Rohstoffe, ökolog. unbedenklich Nachteil: Witterungsbeständigkeit, Quellung durch Wasser, Reproduzierbarkeit

CH2

C CH

H2C

H3C

n

Si O

CH3

CH3

n

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Si O Si O

CH3

CH3 CH3

CH3

Si

CH3

CH3

nSi O Si O

CH3

H3C

CH3 CH3

CH3

n Si O Si

CH3

H CH3

CH3

CH3m

Si

O

SiO

CH3H3C

H3C CH3

Si

O

Si

CH3

H3C CH3

Si O Si O

CH3

CH3 CH3

CH3

Si

CH3

CH3

nPt0

+

Si

O

O

H3C

Additionsvernetzendes Siliconelastomer via Hydrosilylierung

Vinylpolymer Vernetzer (Hydrosilan)

Elastomer Kat.-System: Pt(0) + Ligand + Retarder/Inhibitor

SiO O

Si Si

CH2 CH2

CH3

CH3 CH3

CH3

Pt

Vernetzung von Siliconen

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Materialentwicklung

Silicon NR

Durchschlagsfestigkeit / kV/mm

80 65

E-Modul / kPa 380 550

Lastspielzahl 106 < 105

Reißdehnung / % 250 400

Verlustfaktor 0,07 0,06

Materialentwicklung

Übersetzung des Anforderungsprofils in eine additionsvernetzende Siliconformulierung

Leitfähige elastomere Elektroden

Prozessentwicklung

Viskosität

Topfzeit (Verarbeitungszeit)

Benchmark ISC-Elastomere

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Materialentwicklung: Mechan. Zyklierbeständigkeit Dielektrikum

Versuche am Süddeutschen Kunststoffzentrum (SKZ) zur Ermittlung der Wöhlerkurve

- Schulterstäbe S2 (DIN 53504) - ISC-Silicon Einspann- länge 35 mm - max. Zyklier- frequenz 2 Hz (Pneumatik)

100 101 102 103 104 105 106 107 10850

100

150

200

250

300

KZ-Zug Wöhler Durchläufer Lineare Anpassung Anforderung ISC

Max

imal

dehn

ung

ε max

[%]

Lastspielzahl, N [-]

Zugschwellversuch (R = 0,1), f ≤ 2 Hz

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Materialentwicklung: Dehnbare Elektroden

1E-02

1E-01

1E+00

0 100 200 300

Spez

if. L

eitf

ähig

keit

/ S

cm

-1

Dehnung / %

1 2 3

Material: - Leitruß in Siliconbinder - Schichtdicke ~ 10 µm

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DEG-Herstellung: Schlitzdüsenverfahren

Für DEG werden zahlreiche Folien benötigt Nicht im Labor herstellbar Schlitzdüsenherstellverfahren

(„slot die coating“) grundsätzlich für große Folienflächen geeignet

Schlitzdüsenverfahren erfordert geringe Verarbeitungsviskosität und längere Topf- zeiten

Einstellung der Foliendicke über Viskosität, Abziehgeschwindigkeit, Düsenspalt und Materialförderdruck

Lamination von mehrschichtigen Verbünden

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DEG-Herstellung: Schlitzdüsenverfahren

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DEG-Herstellung: Schlitzdüsenverfahren

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großflächig als Bänder (0,5 m breit, ca. 100 m lang) von Rolle zu Rolle kostengünstig herstellbar

DEG-Herstellung: Schlitzdüsenverfahren

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Anwendung als Sensor

Neue Klasse mechanischer Sensoren zur Druck- oder Dehnungsmessung

Funktionsprinzip: Bei einer Verformung verringert sich die Dicke der Folie bei gleichzeitiger Vergrößerung der Fläche, woraus eine elektrische Kapazitätserhöhung als Messgröße resultiert

⇒ großflächige, flexible und integrierbare Sensorik

⇒ ortsaufgelöste Sensorfläche durch strukturierte Elektroden

C1 C2C1C1 C2C2

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Dielektrische Elastomeraktoren: Flächenänderung durch elektrisches Feld

Anwendung als Aktor

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Funktionsprinzip dielektrischer Elastomer Aktoren

Rollenaktor

Flächenänderung durch elektrisches Feld

DEA - Lautsprecher

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Ausblick

Miniaturisierung des Schichtaufbaus Multischichtaufbau Optimierung der Betriebsfestigkeit der Elastomere unter zyklischer

Last

Erhöhung Leitfähigkeit der Elektroden Vertiefung der Prozessentwicklung

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Dr. Raman Rabindranath Fraunhofer ISC Neunerplatz 2 97082 Würzburg

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