发明内容

导电聚合物致动器(conducting polymer actuator，CPA)构成iEAP的子集，并且基于通过用供体或受体离子掺杂而变得导电的半导体聚合物。通过其中两个CPA层被由离子传导的电绝缘体制成的隔膜层彼此分离的三层结构，获得具有电诱发的可逆变形性的复合材料。在此，导电聚合物层用作电极。在将电压施加到这些电极上时，发生电极中的氧化还原反应和掺杂离子穿过隔膜层的扩散以进行电荷平衡。这导致了释放离子的(离子供体)聚合物层(以下也称为供体电极)的收缩和接收离子(离子受体)聚合物层(以下也称为受体电极)的膨胀，这导致CPA的宏观变形。CPA的特征尤其在于，致动器变形所需的电压是小的，尤其小于10 V。所述结构在本发明中被利用，以便提供电活性纤维并且有针对性地在其结构方面，尤其在其细度或网孔方面改变由此制成的纺织平面物。

本发明涉及电活性纤维，其特征在于，所述电活性纤维是由卷绕的复合膜构成的中空纤维，所述复合膜具有层结构，所述层结构包括至少一个离子传导聚合物层和至少一个第一和第二电和离子传导聚合物层，其中所述至少一个离子传导聚合物层布置在所述第一和第二电和离子传导聚合物层之间并且使它们彼此机械分离。

在本发明的意义上，电活性纤维是纤维，其对电脉冲，尤其电压的施加起反应并随之改变纤维的空间尺寸。优选地，通过施加电压，尤其可以可逆改变电活性纤维的直径。

这种性质通过电活性纤维构成的本发明的复合膜的层结构实现。本发明的复合膜包括至少一个离子传导聚合物层和至少两个导电聚合物层，其中所述离子传导聚合物层布置在所述第一和第二导电聚合物层之间。

离子传导聚合物层的特征在于，其具有对离子的传导能力。在本发明的一个实施方案中，该离子传导聚合物层具有对阳离子的传导能力。在本发明的一个替代实施方案中，该离子传导聚合物层具有对阴离子的传导能力。在本发明的另一个替代实施方案中，离子传导聚合物层具有对阳离子和阴离子的传导能力。

离子传导聚合物层的离子电导率优选为10^-1至10^-10 cm²/s，更优选10^-5至10^-9 cm²/s。

此外，离子传导聚合物层的特征在于，其不是导电的。因此，离子传导聚合物层是电绝缘体。该性质对于将(如下所述)布置在离子传导聚合物层的表面上的导电聚合物层彼此机械分离并防止短路而言是重要的。离子传导聚合物层因此也被称为隔膜。

用于离子传导聚合物层的合适材料是对离子，特别是对所用掺杂剂的离子具有足够传导能力的所有聚合物。这些材料通常也在锂离子电池组中用作隔膜材料并且是本领域技术人员所熟知的。应强调的是聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、纤维素、聚烯烃如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、和它们的组合。特别优选的聚合物是聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)，更优选聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)，特别是聚偏二氟乙烯(PVDF)。

该离子传导聚合物层具有第一表面和第二表面，其中第一表面和第二表面彼此背离。在第一表面上布置至少一个第一电和离子传导聚合物层。在第二表面上布置至少一个第二电和离子传导聚合物层。第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层可以彼此相同或不同。第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层可以由相同的材料制成，或由不同的材料制成。第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层可以具有相同的层厚度或彼此不同的层厚度。

第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层的特征在于它们是导电的。优选地，电导率为10^-13至10³ S·cm^-1。

第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层的特征还在于，它们具有对离子的传导能力。在本发明的一个实施方案中，第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层具有对阳离子的传导能力。在本发明的一个替代实施方案中，第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层具有对阴离子的传导能力。在本发明的另一替代实施方案中，第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层具有对阳离子和阴离子的传导能力。

第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层的离子电导率优选为10^-1至10^-10 cm²/s，更优选10^-5至10^-9 cm²/s。

第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层包含至少一种聚合物和至少一种掺杂剂，其也称为电解质。

用于电和离子传导聚合物层的合适聚合物特别是NAFION、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯胺(PANI)、聚酰亚胺(PI)及其组合。

除了聚合物材料之外，所述电和离子传导聚合物层还包含至少一种掺杂剂。合适的掺杂剂是离子化合物。在本发明的一个优选的实施方案中，使用具有空间要求高的阴离子和/或空间要求高的阳离子的盐，其能够迁移穿过所述离子传导聚合物层，并因此引起所述电和离子传导聚合物层的膨胀或收缩。

合适的阴离子例如选自卤素离子(Cl^-、Br^-、I^-、F^-)、高氯酸根离子([ClO₄]^-)、四氟硼酸根离子([BF₄]^-)、六氟磷酸根离子([PF₆]^-)、六氟砷酸根离子([AsF₆]^-) 、硝酸根离子([NO₃]^-)、三氟甲磺酸根离子([SO₃CF₃]^-) 、双(氟磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂F)₂]^-、FSI^-)、双(三氟甲磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂(CF₃))₂]、TFSI^-)、双(五氟乙磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂C₂F₅)₂]^-、BETI^-)、双(草酸根合)硼酸根离子([B(C₂O₄)₂]^-、BOB^-)、二氟(草酸根合)硼酸根离子([BF₂(C₂O₄)]^-、DFOB^-)和三(五氟乙基)三氟磷酸根离子([PF₃(C₂F₅)₃]^-)。这些可以单独使用或相互组合使用。

特别优选使用三氟甲磺酸根离子([SO₃CF₃]^-)、双(氟磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂F)₂]^-、FSI^-)、双(三氟甲磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂(CF₃))₂]、TFSI^-)、双(五氟乙磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂C₂F₅)₂]^-、BETI^-)、双(草酸根合)硼酸根离子([B(C₂O₄)₂]^-、BOB^-)、二氟(草酸根合)硼酸根离子([BF₂(C₂O₄)]^-、DFOB^-)和三(五氟乙基)三氟磷酸根离子([PF₃(C₂F₅)₃]^-)，特别是双(三氟甲磺酰基)亚氨基离子([N(SO₂(CF₃))₂]、TFSI^-)作为空间要求高的阴离子。

合适的阳离子通常选自碱金属阳离子和碱土金属阳离子，特别是碱金属阳离子。特别优选锂阳离子和钠阳离子，特别是锂阳离子。其它优选的阳离子是空间要求高的阳离子，特别是咪唑鎓阳离子，例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子。

特别优选的掺杂剂是双(三氟甲基磺酰基)亚氨基锂(Li-TFSI)、双(三氟甲磺酰基)亚氨基钠(Na-TFSI)和1-乙基-3-甲基咪唑鎓-双(三氟甲基磺酰基)亚氨基盐(EMI-TFSI)，特别是1-乙基-3-甲基咪唑鎓-双(三氟甲基磺酰基)亚氨基盐(EMI-TFSI)。

此外，所述第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层在每种情况下具有各至少一个电导体(接触片)，通过该电导体可以电控制复合膜，例如经由恒电位仪。电导体可以由与所述电和离子传导聚合物层相同的材料构成，或由另一导电材料，例如另一导电聚合物或金属构成。优选地，电导体由导电材料制成，各自的电和离子传导聚合物层也由该导电材料制成。替代地，电导体由金属，例如铜、铝或银制成。

原则上，复合膜的所有聚合物层可以具有相同数量级的层厚度，优选1至200μm。该层厚度确保在所有聚合物层中足够的离子电导率。

通常，离子传导聚合物层具有1至200μm，优选10至100μm，尤其是15至50μm的层厚度。

第一和第二电和离子传导聚合物层通常具有1至200μm，优选10至100μm的层厚度。在此，第一电和离子传导聚合物层的层厚度和第二电和离子传导聚合物层的层厚度可以是相同的，例如为10至50μm或50至100μm。替代地，第一电和离子传导聚合物层的层厚度和第二电和离子传导聚合物层的层厚度可以不同。例如，第一电和离子传导聚合物层比第二电和离子传导聚合物层薄。在本发明的一个优选实施方案中，第一电和离子传导聚合物层例如具有10至50μm的层厚度，而第二电和离子传导聚合物层具有50至100μm的层厚度。

所述由至少一个离子传导聚合物层和至少两个电和离子传导聚合物层形成的层序列根据本发明形成复合膜，其中所述至少一个离子传导聚合物层布置在第一电和离子传导聚合物层和第二电和离子传导聚合物层之间并且使它们彼此机械分离。通过将这种复合膜卷绕，获得纤维结构，特别是中空纤维结构。

本发明的主题还是电活性纤维，其特征在于，所述电活性纤维是由卷绕的复合膜构成的中空纤维，所述复合膜具有层结构，所述层结构包括至少一个离子传导聚合物层和至少一个第一电和离子传导聚合物层以及至少一个第二电和离子传导聚合物层，其中所述至少一个离子传导聚合物层布置在所述第一电和离子传导聚合物层与所述第二电和离子传导聚合物层之间并且使它们彼此机械分离，并且其中所述第一和第二电和离子传导聚合物层中的至少一个被至少一种离子化合物掺杂。

电活性纤维如下获得，即所述复合膜例如在热作用下卷绕。为了获得纤维，为此使用具有至少1:5，优选至少1:10，更优选至少1:50，特别是至少1:100的纵横比的复合膜。为此，复合膜以与复合膜的较短边正交的方式卷绕。冷却后，该膜保持卷绕的形式。

除了已经提到的聚合物层，复合膜优选可以包括其它材料层，其优选布置在复合膜的至少一个表面上。优选地，其布置在所述两个电和离子传导聚合物层之一的背离所述至少一个离子传导聚合物层的至少一个表面上。优选地，所述至少一个其它材料层由不导电的材料制成。该不导电的材料层优选由柔性和可变形的材料制成。合适的材料尤其是聚合物，例如聚烯烃如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺。特别优选的是聚烯烃，特别是PE和PP，聚酯，特别是PET，和聚酰胺，特别是PA6.6。

因此，本发明的主题还是由复合膜组成的电活性纤维，其中所述复合膜在第一和/或第二电和离子传导聚合物层的背离所述至少一个离子传导聚合物层的至少一个表面上设有至少一个不导电的材料层。

为了能够有针对性地控制电活性纤维，需要复合膜与电压源接触。通过第一和/或第二电和离子传导聚合物层的电导体，可以实现该接触。

因此，本发明的主题也是电活性纤维，其中第一电和离子聚合物层与电压源的第一极连接，且第二电和离子聚合物层与电压源的第二极连接。

这样获得的电活性纤维的特征在于，其可被电控制，其中通过有针对性地控制复合膜的第一和/或第二电和离子传导聚合物层，可实现电活性纤维的直径的有针对性和可逆的变化。

在本发明的一个实施方案中，电活性纤维用于提供纺织平面物。这样可以获得电活性纺织平面物。因此，本发明的主题还是电活性纺织平面物，其包含至少一个本发明电活性纤维。为此，传统纺织平面物的纤维可以完全或部分地被本发明的电活性纤维替代。

电活性纺织平面物可以根据各种已知的加工技术形成，特别是以机织物、针织物、编织物或编结物的形式。特别优选的是，电活性纺织平面物是机织物或针织物，特别是机织物。因此，本发明的主题还是电活性纺织平面物，其中该电活性纺织平面物是机织物、针织物、编织物或编结物。

在本发明的一个优选实施方案中，电活性纺织平面物与至少一个电压源、但优选与多个电压源导电连接。在本发明的另一个实施方案中，所述纺织平面物被划分成区域并且每个区域单独与各一个电压源连接。通过这种实施方式，降低了整个纺织平面物的易出错性。例如，所述纺织平面物被划分成至少2个，优选至少4个，特别是至少6个单独区域，这些区域分别单独与各一个电压源连接。如果一个区域由于故障，尤其是短路不再能工作，则其余区域保持能工作并且纺织平面物还可使用。此外，电活性平面物的每个区域都可以被选择性地控制。

因此，本发明的另一主题是电活性纺织平面物，其中该电活性纺织平面物与多个电压源连接。本发明的另一主题是电活性纺织平面物，其中该电活性纺织平面物被划分成多个区域并且每个区域单独与各一个电压源连接。

本发明的主题还是用于制造电活性纤维的方法，其包括以下方法步骤：

(i) 提供具有第一和第二表面的离子传导聚合物层；

(ii) 用至少一个第一电和离子传导聚合物层涂覆所述离子传导聚合物层的第一表面，并用至少一个第二电和离子传导聚合物层涂覆所述离子传导聚合物层的第二表面，以由此获得具有第一和第二表面的复合膜；

(iii) 任选地用至少一个不导电的材料层涂覆复合膜的第一和/或第二表面；

(iv) 提供根据方法步骤(i)至(iii)获得的复合膜，其中所述复合膜具有至少1:5的纵横比；

(v) 将在方法步骤(iv)中获得的复合膜卷绕以获得中空纤维；和

(vi) 将第一电和离子传导聚合物层与电压源的第一极接触，并将第二电和离子传导聚合物层与电压源的第二极接触。

离子传导聚合物层被提供为具有1至200μm层厚度的膜。可以使用常见的方法，尤其是在衬底表面上旋涂、刮涂或喷涂，然后可以从所述衬底表面移除膜。

用各自的电和离子传导聚合物层涂覆离子传导聚合物层的第一和第二表面可以通过各种已知的方法进行。例如，旋涂、刮涂、喷涂、浸涂、化学沉积法和电化学沉积法是合适的。优选使用电化学沉积法，其使得能够特别好地调节所述电和离子的聚合物层的层厚度。合适的方法是本领域技术人员已知的。

相同的方法也可以用于用至少一个不导电的材料层涂覆复合膜的第一和/或第二表面。

为了制造电活性纤维，提供具有至少1:5，优选至少1:10，更优选至少1:50，特别是至少1:100的纵横比的复合膜。随后，将复合膜以与复合膜的较短边正交的方式卷绕，优选在热作用下。在冷却之后，复合膜保持卷绕的形式，并因此形成电活性纤维。

第一电和离子传导聚合物层与电压源的第一极的接触且第二电和离子传导聚合物层与电压源的第二极的接触通过电导体实现，并且既可以在卷绕之前、也可以在卷绕之后进行。

本发明的电活性纺织平面物的特征在于，它们可以用作具有可电调节的细度的过滤器。

本发明的优点

本发明的电活性纤维的特征在于，它们可以被电控制，并且因此纤维直径可以有针对性地且可逆地改变。如果电活性纤维用在纺织平面物中，则可以通过有针对性地控制电活性纤维来可逆地改变网孔和因此平面物的细度。这种性质可以有利地用在过滤系统中，由此可以使过滤系统可逆地与要达到的过滤结果相匹配。