[发明专利]含有机改性的层状硅酸盐的聚合物材料

说明书

本发明涉及一种包含聚合物和分散于该聚合物中的有机改性的层状硅酸盐的聚合物材料。本发明进一步涉及所述聚合物材料作为驻极体材料的用途和涉及包含该聚合物材料的机电转换器。

驻极体是一种带有准永久电荷和/或极化的电介质。该类驻极体被广泛用作例如麦克风、传感器和/或促动器中的声学膜。

聚合物驻极体可另外作为自粘合、可无残留物地剥离的和可重复使用的膜，例如在设计领域、在海报广告中使用或用于信息标牌。

聚合物驻极体特别在机电排列体(Anordnung)例如压电排列体，如扬声器、振动转换器、热电检测器和电容器中使用。机电或压电指的是由于施加的机械负荷而产生电势的能力。机电排列体例如压电排列体可以特别通过尤其是在其厚度上不均匀的结构形成。例如，由相互叠加的聚合物泡沫和致密的聚合物膜形成的多层排列体是已知的，其中聚合物膜充当驻极体和带有电荷，在该排列体经受机械应力时，所述电荷产生电反应。

在如今市场上可购得的驻极体膜中，例如在麦克风中使用的驻极体膜，几乎只使用聚四氟乙烯(PTFE) 或聚四氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)作为驻极体材料。这些氟化的聚合物的优点在于它们具有良好的电荷存储行为。然而，这些 聚合物非常昂贵和另一方面尤其是在聚四氟乙烯的情况下，难于加工。

因此，已经尝试通过向从经济和技术观点来说更合适的聚合物材料中加入添加剂来提高其驻极体性质。例如在EP 2 159 222 A1中描述了用于改善聚碳酸酯的驻极体行为的有机化学添加剂。这些添加剂的不利之处在于它们必须是特殊合成的。

层状硅酸盐是硅酸盐矿物质的重要小类。它们以非常高度的变化性而著称并因此可用于许多不同的应用中。

在层状硅酸盐中，SiO₄ 四面体交联形成具有组成Si₂O₅的层。这些四面体层与所谓的八面体层交替，其中阳离子，尤其是铝和镁，被氢氧根（hydroxid）或氧八面包围。区分为两层矿物质例如高岭土或蛇纹石，和三层矿物质尤其是蒙脱石或云母。在两层的层状硅酸盐中，四面体层在每种情况下与八面体层结合，在三层的层状硅酸盐中，八面体层与两个四面体层结合。

为此原因，形成通过静电相互作用被相互结合在一起的二维的层。大多数情况下实际的层自身是部分带负电荷的，电荷被中间层空间中的阳离子所平衡。因此大多数这些化合物可以容易地在水中被溶胀和分散。此过程称为剥落。通过此过程，制备了称之为纳米层的颗粒。取决于层状硅酸盐的结构，纳米层的长宽比可以显著地变化。

中间层中的抗衡离子(大多为钠离子)可以被交换，从而存在用各自不同的的阳离子化合物改性该层的可能性。为了使该层状硅酸盐也与非水性介质相容，例如对于聚碳酸酯，提供了广泛选择的适合的改性剂。常规的有机改性剂是三甲基烷基铵化合物，其优先地吸附在硅酸盐层表面和因此将该层状硅酸盐疏水化。其它适合的改性剂是非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂以及嵌段共聚物或聚电解质。在具有的分子量小于1000 g/mol 的低分子量表面活性剂存在下，可能需要辅助表面活性剂，例如具有C₁-C₁₀-碳链的链烷醇。

层状硅酸盐的有机改性通常通过将层状硅酸盐完全分散到水溶液中来进行。然后加入有机改性剂，其优先地吸附在层状硅酸盐表面，直到全部电荷被平衡。随后可将该悬浮体纯化、干燥和作为固体进一步加工。进行纯化，特别是为了除去层状硅酸盐的中间层离子和任选地除去有机改性剂的抗衡离子，否则它们将残留在干燥的材料中。

关于改性的粘土材料，EP 0 952 187 A1例如公开了粘土和有机化合物的组合物，该组合物包括一种离子交换反应产物，所述反应产物可通过绿土粘土、季铵化合物和非阴离子有机材料反应得到。该专利申请进一步公开了一种纳米复合材料，所述纳米复合材料含有来自聚合物、塑料和树脂的基质以及由粘土和有机化合物形成的上述组合物。混杂（hybrid）的有机粘土包含有机化学品/层状硅酸盐粘土掺入物（intercalate），该掺入物是已用季铵化合物进行了离子交换的。因为该混杂的有机粘土是疏水性的，所以可以用水洗涤以除去反应盐和过量的水溶性或水分散性聚合物。可通过便宜的措施如过滤得到清洁产物。这样，能量密集的除水方法将得以避免。该类粘土的应用领域是作为流变添加剂。

然而，其中没有提及纳米复合材料的驻极体性能。另外，该专利申请没有涉及聚合物材料是否由于阳离子杂质而具有较低的稳定性的问题。

因此，本发明的目的是提供适合作为驻极体并易于加工的备选聚合物材料。