TY - THES A1 - Kussmaul, Björn T1 - Modifizierung von Silikonelastomeren mit organischen Dipolen für Dielektrische Elastomer Aktuatoren T1 - Modification of silicone elastomers with organic dipoles for dielectric elastomer actuators N2 - Ein Dielektrischer Elastomer Aktuator (DEA) ist ein dehnbarer Kondensator, der aus einem Elastomerfilm besteht, der sich zwischen zwei flexiblen Elektroden befindet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung, ziehen sich die Elektroden aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen an, wodurch das Elastomer in z-Richtung zusammengepresst wird und sich dementsprechend in der x-,y-Ebene ausdehnt. Hierdurch werden Aktuationsbewegungen erreicht, welche sehr präzise über die Spannung gesteuert werden können. Zusätzlich sind DEAs kostengünstig, leicht und aktuieren geräuschlos. DEAs können beispielsweise für Produkte im medizinischen Bereich oder für optischer Komponenten genutzt werden. Ebenso kann aus diesen Bauteilen Strom erzeugt werden. Das größte Hindernis für eine weite Implementierung dieser Materialien liegt in den erforderlichen hohen Spannungen zum Erzeugen der Aktuationsbewegung, welche sich tendenziell im Kilovolt-Bereich befinden. Dies macht die Elektronik teuer und die Bauteile unsicher für Anwender. Um geringere Betriebsspannungen für die DEAs zu erreichen, sind signifikante Materialverbesserungen - insbesondere des verwendeten Elastomers - erforderlich. Um dies zu erreichen, können die dielektrischen Eigenschaften (Permittivität) der Elastomere gesteigert und/oder deren Steifigkeit (Young-Modul) gesenkt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte die Aktuationsleistung von Silikonfilmen durch die Addition organischer Dipole erheblich verbessert werden. Hierfür wurde ein Verfahren etabliert, um funktionalisierte Dipole kovalent an das Polymernetzwerk zu binden. Dieser als "One-Step-Verfahren" bezeichnete Ansatz ist einfach durchzuführen und es werden homogene Filme erhalten. Die Dipoladdition wurde anhand verschiedener Silikone erprobt, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unterschieden. Bei maximalem Dipolgehalt verdoppelte sich die Permittivität aller untersuchten Silikone und die Filme wurden deutlich weicher. Hierbei war festzustellen, dass die Netzwerkstruktur der verwendeten Silikone einen erheblichen Einfluss auf die erreichte Aktuationsdehnung hat. Abhängig vom Netzwerk erfolgte eine enorme Steigerung der Aktuationsleistung im Bereich von 100 % bis zu 4000 %. Dadurch können die Betriebsspannungen in DEAs deutlich abgesenkt werden, so dass sie tendenziell bei Spannungen unterhalb von einem Kilovolt betrieben werden können. N2 - Dielectric elastomer actuators (DEAs) are compliant capacitors consisting of an elastomer film between two flexible electrodes. When a voltage is applied the electrostatic attraction of the electrodes leads to a contraction of the polymer in the z-direction and to a corresponding expansion in the x,y-plane. DEAs show high actuation strains, which are very accurate and adjustable by the applied voltage. In addition these devices are low-cost, low-weight and the actuation is noise-free. DEAs can be used for medical applications, optical components or for energy harvesting. The main obstacle for a broad implementation of this technology is the high driving voltage, which tends to be several thousand volts. For this reason the devices are unsafe for users and the needed electronic components are expensive. A significant improvement of the materials - especially of the used elastomer - is necessary to lower the actuation voltages. This can be achieved by improving the dielectric properties (permittivity) of the elastomer and/or by lowering it's stiffness (Young's modulus). In this work the actuation performance of silicone lms was improved significantly by the addition of organic dipoles. A simple procedure was developed, in which functionalized dipoles were bound to the polymer matrix, leading to homogenous and transparent films. This so-called "one-step-film-formation" was tested on various silicones with different mechanical properties. For the highest dipole content the permittivity of all tested silicones was doubled and the modified films showed a substantially lower stiffness. It was proven that the structure of the macromolecular network has a clear impact on the achievable actuation properties. For the highest dipole contents the actuation performance increased remarkably by 100 % up to 4000 % in respect to the investigated network. The addition of organic dipoles to the elastomer enables a signicant reduction of the needed driving voltage for DEAs below one kilovolt. KW - Dielektrische Elastomer Aktuatoren KW - Elektroaktive Polymere KW - Silikonelastomere KW - organische Dipole KW - Dielectric elastomer actuators KW - electroactive polymers KW - silicone elastomers KW - organic dipoles Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65121 ER - TY - JOUR A1 - Risse, Sebastian A1 - Kussmaul, Björn A1 - Krüger, Hartmut A1 - Kofod, Guggi T1 - A versatile method for enhancement of electromechanical sensitivity of silicone elastomers JF - RSC Advances N2 - Dielectric elastomer actuators (DEAs) draw their function from their dielectric and mechanical properties. The paper describes the fabrication and various properties of molecularly grafted silicone elastomer films. This was achieved by addition of high-dipole molecular co-substituents to off-the-shelf silicone elastomer kits, Elastosil RT 625 and Sylgard 184 by Wacker and Dow Corning, respectively. Strong push-pull dipoles were chemically grafted to both polymer networks during a one step film formation process. All manufactured films were characterized using (13) C-NMR and FT-IR spectroscopy, confirming a successful attachment of the dipoles to the silicone network. Differential scanning calorimetry (DSC) results showed that grafted dipoles were distributed homogeneously throughout the material avoiding the formation of nano-scale aggregates. The permittivity increased with the amount of dipole at all frequencies, while the Young's modulus and electrical breakdown strength were reduced. Actuation strain measurements in the pure shear configuration independently confirmed the increase in electromechanical sensitivity. The ability to enhance electromechanical properties of off-the-shelf materials could strongly expand the range of actuator properties available to researchers and end-users. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1039/c2ra21541a SN - 2046-2069 VL - 2 IS - 24 SP - 9029 EP - 9035 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Kussmaul, Björn A1 - Risse, Sebastian A1 - Wegener, Michael A1 - Kofod, Guggi A1 - Krüger, Hartmut T1 - Matrix stiffness dependent electro-mechanical response of dipole grafted silicones JF - Smart materials and structures N2 - The properties of dielectric elastomer actuators can be optimized by modifying the dielectric or mechanical properties of the dielectric elastomer. This paper presents the simultaneous control of both dielectric and mechanical properties, in a silicone elastomer network comprising cross-linker, chains and grafted molecular dipoles. Chains with two different molecular weights were each combined with varying amounts of grafted dipole. Chemical and physical characterization showed that networks with stoichiometric control of cross-linking density and permittivity were obtained, and that longer chain lengths resulted in higher electrical field response due to the reduction in cross-linking density and correspondingly in mechanical stiffness. Both actuation sensitivities were enhanced by 6.3 and 4.6 times for the short and long chain matrix material, respectively. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1088/0964-1726/21/6/064005 SN - 0964-1726 VL - 21 IS - 6 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER -