NL7907539A - Werkwijze voor het vervaardigen van elektreten. - Google Patents

Description

N.O. 28.064 tferkwiize voor het vervaardigen Tan elektreten.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van elektreten van een materiaal bestaande uit polymeren, in het bijzonder gefluoreerde polymeren of copolymeren, waarbij een uit genoemd materiaal gevormd voortbrengsel positief wordt opge-5 laden.

i

Stabiele, door middel van bijvoorbeeld een coronaoplading, negatief geladen elektreten zijn bekend.

In verband met de voordelen van balanssystemen voor bijvoorbeeld elektreet hoofdtelefoons, waarin een combinatie van een positief en 10 een negatief geladen elektreet nodig is, bestaat de behoefte aan een stabiele positief geladen elektreet.

Ben soortgelijke behoefte bestaat ook bij filters uit elektreet-vezels, waarbij de filterwerking hoofdzakelijk berust op elektrische aantrekking van de te filteren stofdeeltjes. Hierbij zijn tweezijdig 15 geladen elektreetvezels gewenst, waarvan de ene zijde positief en de andere zijde negatief is geladen. Deze bipolair geladen vezels wekken een sterk, inhomogeen elektrisch veld op, waardoor zowel geladen als ongeladen deeltjes beter worden gevangen dan in conventionele filters uit ongeladen vezels.

20 Toorts heeft men bij elektreetfilters een andere belangrijke be hoefte, namelijk dat het filter bestand moet zijn tegen hoge temperaturen, in welk verband polytetrafluorethyleen (üfeflon) nodig is, of daarmee overeenkomende en/of daaruit afgeleide polymeren.

Gebleken is, dat positief geladen elektreten vervaardigd uit 25 gefluoreerde polymeren het bezwaar hebben veel minder stabiel te zijn dan negatief geladen elektreten.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort, waarbij dit bezwaar wordt opgeheven.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat het ma-50 teriaal aan een thermische voorbehandeling wordt onderworpen.

De aldus vervaardigde positief opgeladen elektreet heeft niet slechts het voordeel van een uitstekende stabiliteit als fuhktie van de temperatuur, maar blijft ook stabiel op de lange duur en bij een hoge vochtigheidsgraad.

35 Bovendien is de werkwijze volgens de uitvinding interessant voor toepassingen waarbij,bijvoorbeeld voor akoestische transducenten, een foelie vast op een plaat wordt gehecht volgens een methode die "heat sealing" wordt genoemd ten einde een transducent met stabiele mechanische en thermische eigenschappen te krijgen. De thermische 790 7 5 39 -2- 4 Λ voorbehandeling vindt bij deze hechtingsmethode automatisch plaats.

De omstandigheden by de "heat sealing" behoeven dan alleen te worden geoptimaliseerd. In dergelijke transducenten zijn foelie en plaat geperforeerd. Het opladen van de foelie kan zowel voor of na het per-5 foreren plaats vinden.

De werkwijze volgens de uitvinding heeft voorts nog het voordeel dat de tijd tussen de thermische voorbehandeling en het opladen niet kritisch is, zodat deze bewerkingen in gescheiden fabrikage-plaatsen kunnen geschieden; eventueel kan het voorbehandeHe;materi-10 aal voor het opladen een zekere tijd worden opgeslagen. Het niet kritisch zijn van de opslagtyd is van belang, aangezien het opladen sneller kan verlopen dan de thermische voorbehandeling.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van tekeningen', waarin: 15 Fig. 1 schematisch een inrichting voor het uitvoeren van een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding toont;

Fig. 2 schematisch een inrichting voor het uitvoeren van een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding illustreert; en 20 Fig. 5-6 grafieken van volgens diverse werkwijzen opgeladen foelies voorstellen.

Het vervaardigen van een elektreet door opladen van het uitgangsmateriaal kan' volgens diverse werkwijzen geschieden; 1. Aanliggende elektroden eventueel onder toepassing van glas-25 vezelgaas tussen de elektroden en het materiaal; 2. Elektronenbombardement; 5. Ionenbombardement; 4· Coronaoplading; en 5. Vloeistofoplading.

50 By coronaoplading wordt lucht als transportmedium voor de la dingsdragers toegepast, terwijl by de vloeistof oplading een vloeistof als transportmedium wordt gebruikt, waarby bij voorkeur de vloeistof vluchtig moet zijn.

Het elektronenbombardement is uiteraard slechts geschikt voor 35 het negatief opladen, dat wil zeggen voor het verkrijgen van een negatief geladen elektreet, terwijl de resterende mogelijkheden (1, 3, 4 en 5) zeer geschikt zyn voor het positief opladen van het voor een elektreet te gebruiken uitgangsmateriaal.

De werkwijzen 1, 5, 4 en 5 zyr?/iroor het bipolair opladen toe-40 pasbaar.

7907539

V

if· * - 5 -

In de in fig. 1 getoonde inrichting voor het vervaardigen van een elektreet is als voorbeeld de keuze gevallen op de coronaopla-ding.

Volgens fig. 1 wordt een gevormd voortbrengsel in de vorm van 5 een foelie van polymeer materiaal via een niet getoonde transportinrichting toegevoerd aan een oven 2, waarin de foelie wordt opgewarmd tot een temperatuur boven de onderste kristallisatietemperatuur van het toegepaste polymeer. Deze temperatuur wordt gedurende een vooraf bepaalde tjjd gehandhaafd. Hoewel hier een foelie wordt toe-10 gepast, is de werkwijze volgens de uitvinding ook geschikt voor vezels, platen van diverse afmetingen en dergelyke, die met aangepaste transportmiddelen aan de oven worden toegevoerd.

Zoals reeds gesteld, bestaat de foelie uit een polymeer, bijvoorbeeld polytetrafluorethyleen, ook wel Teflon genoemd. Toorts 15 zjjn ook copolymeren zoals bijvoorbeeld tetrafluorethyleen-hexafluor-propyleen (Teflon-ΙΈΡ) of tetrafluorethyleen-per-fluormethoxyethy>_ leen (Teflon-rEFA) zeer geschikt voor het vervaardigen van positief geladen elektreten onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding. Deze copolymeren hebben bovendien het voordeel dat zij door 20 toevoer van warmte gemakkelijk kunnen worden gehecht aan een of ander materiaal, welke hechtmethode ook wel "heat sealing” wordt genoemd.

Ten einde de foelie in de oven gedurende een voorafbepaalde tijd op een temperatuur boven de onderste kristallisatietemperatuur te houden kan de foelie gedurende genoemde tijd in de oven worden 25 stilgezet. De verblijftijd in de oven gedurende voorafbepaalde tjjd kan ook worden bereikt door aanpassing van de doorvoer snelheid en/ of de afmeting van de oven in de transportrichting van de foelie.

Daarna wordt de foelie 1 met behulp van een eveneens niet getoonde transportinrichting toegevoerd aan een afschrikinrichting 3» 30 waarin de foelie plotseling wordt afgekoeld. Tervolgens wordt de foelie 1 toegevoerd aan de oplaadinrichting 4» waarvoor in deze uitvoeringsvorm gekozen is voor een corona-oplaadinrichting, met behulp waarvan positieve lading in de foelie 1 wordt gelnjekteerd.

De corona-oplaadinrichting bestaat uit een metalen plaat 4 55 die met aarde is verbonden, een rooster 6 en coronadraden 7· De foelie 1 die eventueel eenzijdig gemetalliseerd is, wordt tussen de geaarde metalen plaat 5 en het rooster 6 geleid. De coronadraden 7 worden op een potentiaal van bijvoorbeeld 8 kY aangesloten. De lading die de foelie 1 aanneemt, wordt bepaald door de potentiaal van 40 het rooster 6 dat in dit geval ten opzichte van de plaat 5 een posi-

79075 3 S

to -¾ - 4 - tieve potentiaal heeft met een waarde van bijvoorbeeld + 300 Y. Bij een langzame doorvoersnelheid wordt de foelie 1 ruwweg opgeladen tot de potentiaal van het rooster 6. De als voorbeeld genoemde waarden kunnen zodanig hoog worden gekozen, dat nog net geen elek-5 trische doorslag van de foelie 1 en ook geen vonkoverslag van de ooronadraden 7 naar de plaat 5 optreden.

In fig. 2 is schematisch een inrichting getoond, met behulp waarvan een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding kan worden uitgevoerd. Hierbij wordt de foelie in twee fasen 10 opgeladen. Ook hier is gebruik gemaakt van niet getoonde transportmiddelen voor de foelie 1.

De foelie 1 wordt toegevoerd aan de oven 2 waarin deze thermisch wordt voorbehandeld zoals in de inrichting volgens fig. 1.

Na een eventuele' afschrikbewerking wordt de foelie 1 verder geleid 15 en toegevoerd naar de eerste oplaadinrichting 4> waarin de foelie voor de eerste keer wordt opgeladen. Daarna wordt de foelie 1 toegevoerd aan de oven 2%. waarin de foelie door verwarmen gedeeltelijk wordt ontladen. Na deze ontlaadbewerking wordt de foelie 1 toegevoerd aan een tweede oplaadinrichting 4’· De oplaadinrichtingen zijn 20 als blokken getekend, echter is het duidelijk dat daarvoor de corona-oplaadinrichting volgens fig. 1 kan worden toegepast of een anderè geschikte oplaadinrichting.

In de fig. 3 t/m 5 zijn enkele resultaten van opgeladen foelies in de vorm van grafieken geïllustreerd. Langs de ordinaat is de 25 temperatuur T in graden Celsius uitgezet, terwijl langs de coördinaat de spanning Yq van de foelie volgens een logaritmische schaal in volts is uitgezet, welke spanning Yq een maat is voor de in de foelie aanwezige positieve lading. Opgem>erkt wordt dat de toegepaste parameters slechts voorbeelden zijn en derhalve niet mogen 30 worden beschouwd als een beperking van de uitvinding.

De grafieken van fig. 3 gelden voor foelies uit het polymeer '^Teflon * PEP" van 50 yum dik, die zijn opgeladen bij kamertemperatuur, waarbij de coronadraden 7 zijn aangesloten op een wisselspanningsbron van 8 kY en het rooster 6 een potentiaal van + 300 volt ten opzichte 35 van de plaat 5 heeft. De grafiek a van fig. 1 geldt voor een foelie van de hierboven genoemde soort, die niet thermisch is voorbehandeld. Uit deze grafiek a blijkt het sterke ladingsverval na 75°0.

De grafiek b geeft het resultaat weer van een opgeladen foelie van dezelfde soort, die echter thermisch is voorbehandeld, waarbij deze 40 foelie vooraf is opgewarmd tot 250°C en gedurende twee uur op deze 790 7 5 39 - 5 - m temperatuur werd gehouden. Na deze thermische voorbehandeling en na afschrikken van de foelie is deze onder dezelfde parameters opgeladen als de foelie met grafiek a als resultaat. ïïit een vergelijking van de grafieken a en b blijkt duidelijk het effekt van de thermische 5 voorbehandeling op de stabiliteit als funktie van de temperatuur.

Het ladingsverval van grafiek a is in grafiek b geheel verdwenen, terwijl de thermisch voorbehandelde foelie bij veel hogere temperaturen nog zijn lading behoudt.

Opgemerkt wordt, dat de geringe verschillen aan het begin van 10 de grafieken te wijten zijn aan dikt evers chili en van de gebruikte foelies. Hetzelfde geldt ook voor de hierna te behandelen grafieken.

Experimenten hebben aangetoond, dat de verbetering van de stabiliteit gering doch aantoonbaar is by een thermische voorbehandeling by een temperatuur enigszins boven de onderste kristallisatietempe-15 ratuur van het materiaal van de foelie. Het effekt van de thermische voorbehandeling neemt toe naarmate de voorbehandelingstemperatuur hoger wordt gekozen. Ook de tyd gedurende welke de foelie op de voorbehandelingstemperatuur wordt gehouden, blijkt van belang te zijn.

20 Het effekt van de voorbehandelingstyd is duidelijk zichtbaar in fig. 4· grafiek a van fig. 4 geldt voor een foelie die niet thermisch is voorbehandeld en die is opgeladen met de corona-oplaad-inrichting 4 van fig. 1, waarbij op de coronadraden 7 een wissel-spanningsbron van 8 kY is aangesloten en het rooster 6 een poten-25 tiaal van + 500 Y heeft ten opzichte van de plaat 5· De grafieken b en c van fig. 4 gelden voor foelies die onder dezelfde oplaad-parameters als de hierboven genoemde foelie zijn opgeladen, waarbij echter voorafgaand aan het opladen, de foelies zijn verwarmd tot 250°C. De foelie waarvoor grafiek b geldt is gedurende 60 minuten 50 verwarmd, terwijl de foelie waarvoor grafiek c geldt gedurende 120 minuten is verwarmd.

Yoorts is bij de experimenten op verrassende wijze gevonden, dat door afschrikken van de foelie 1 in de afschrikinrichting 5 na een thermische voorbehandeling, niet slechts de snelheid van het ver-55 vaar^digingsproces wordt vergroot, maar dat ook een verbetering in de stabiliteit optrad.

Een verdere verbetering van de stabiliteit treedt ook op, wanneer het opladen van de foelie wordt uitgevoerd bij een temperatuur boven kamertemperatuur en by voorkeur bij een temperatuur gelegen 40 tussen de onderste kristallisatietemperatuur en de smelttemperatuur 79075 39 - 6 - van het materiaal van de foelie. Deze verhoogde oplaadtemperatuur kan bijvoorbeeld worden bereikt door het toepassen van een verwarmde metalen plaat 5 van de corona-oplaadinrichting 4· Wanneer de foelie na het op verhoogde temperatuur opladen weer wordt afgeschrikt, 5 treedt ·. nog eèn verdere verbetering van de stabiliteit op.

Aan de hand van de grafieken van fig. 5 zal hierna het resultaat worden toegelicht, dat verkregen is met de werkwijze die is uitgevoerd met de inrichting volgens fig. 2.

De grafiek a van fig. 5 is opgenomen van een foelie die gedu-10 rende twee uur op een temperatuur van 250°C is gehouden, waarna een afschrikken plaats heeft gevonden. De oplaadparameters zijn gelijk aan die voor de foelies, waarvoor de hierboven genoemde grafieken gelden.

De grafiek a is opgenomen tijdens het door verwarmen ontladen .15 van de foelie in de oven 2, welke ontlading werd afgebroken bij + 100 Y. De grafiek a is dus te beschouwen als het resultaat van een foelie na één maal opladen. De grafiek b van fig. 5 is opgenomen, nadat de foelie voor de tweede keer werd opgeladen in de oplaad— inrichting 4' van fig. 2. Ook by deze tweede oplaadbewerking gelden 20 dezelfde oplaadparameters.

De thermische voorbehandeling levert niet slechts een stabili-satieverbetering als furiktie van de temperatuur op, maar ook een stabilisatieverbetering als funktie van de tijd. De laatstgenoemde stabilisatieverbetering kan worden afgeleid uit de grafieken van 25 fig. 6.

In fig. 6 is langs de ordinaat de tijd t in minuten uitgezet en langs de coördinaat de door de foelie opgewekte spanning Y in c volt die een maat is voor de in de foelie aanwezige positieve lading.

30 De grafiek a geeft, bij een meettemperatuur van 200°C, de la- dingafname van een foelie direkt na het opladen weer, welke foelie onder de hierboven genoemde paramèters is opgeladen, maar niet aan een thermische voorbehandeling is onderworpen. De grafiek b is het resultaat van een foelie die voor het opladen eerst is onderworpen 35 aan een thermische voorbehandeling van 250° gedurende twee uur, waarna de foelie is afgeschrikt.

Positieve elektreten kunnen in het bijzonder worden toegepast in akoestische transducenten zoals hoofdtelefoons. Hiervoor wordt een geperforeerde foelie opgeladen volgens de werkwijze van de uit-40 vinding.

79075 39.

- 7 -

Het "bleek dat de werkwijze volgens de uitvinding ook bijzonder geschikt is voor het opladen van deze geperforeerde foelies ondanks het feit, dat door de perforatie het veldpatroon by het opladen niet homogeen is. Toor de toepassing in een akoestische 5 transducent wordt een geperforeerde foelie gehecht aan een dunne geperforeerde metalen plaat volgens een werkwijze die ook wel ’’heat sealing" wordt genoemd. Het is duidelijk dat door deze "heat sealing" de geperforeerde foelie automatisch thermisch wordt voorbehandeld, omdat de "seal" werkwijze onder verhoogde temperatuur plaat s>vindt.

10 Ten einde een zo stabiel mogelijke elektreet te verkrijgen behoeft men slechts de omstandigheden te optimaliseren, waaronder de "heat sealing" plaats>vindt.

Doordat met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding thans ook stabiele positief geladen elektreten kunnen worden vervaardigd, 15 kan men in een akoestische transducent (bijvoorbeeld een hoofdtelefoon) gebruik maken van een combinatie van een positief en negatief geladen elektreet. Het aldus verkregen balanssysteem levert vele voordelen op, zoals bijvoorbeeld een eenvoudige voeding en een groter akoestisch vermogen.

20 Opgemerkt wordt, dat een verbetering van de stabiliteit van positieve elektreten kan worden bereikt, doordat behalve de thermische voorbehandeling van het uitgangsmateriaal, het materiaal vóór het opladen wordt opgeruwd door schuren of glasparelstralen.

Yoor het vervaardigen van bipolaire elektreet vezels voor elek-25 treetfilters kan worden uitgegaan van een foelie die thermisch wordt voorbehandeld en achtereenvolgens of gelijktijdig aan de respectievelijke zijden positief en negatief wordt geladen. Hierna kan een bekende fibrilatiemethode worden toegepast om uit da bipolair geladen foelie, bipolaire elektreetvezels te vervaardigen. Men kan ook di-50 rekt uitgaan van vezels en deze positief en negatief opladen.

Gebleken is, dat door de thermische voorbehandeling niet alleen de positieve, maar ook de negatieve lading stabieler wordt.

790 75 39

Claims (9)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van elektreten van een materiaal bestaande uit polymeren, in het bijzon- 5 der gefluoreerde polymeren of copolymeren, waarbij een uit genoemd materiaal gevormd voortbrengsel positief wordt opgeladen, met het kenmerk, dat het materiaal thermisch wordt voorbehandeld.

2. Werkwijze volgens conclusie 1. met het kenmerk. 10 dat vddr het opladen het materiaal wordt opgewarmd tot ten minste de onderste kristallisatie-temperatuur en gedurende een voorafbepaalde tijd op die temperatuur wordt gehouden.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk. 15 dat de voorafbepaalde tijd ten minste één uur is.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat na het verstrijken van de voorafbepaalde tijd het materiaal wordt afgeschrikt.

5. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclu-20 sies, met het kenmerk, dat het materiaal wordt opgeladen bij een temperatuur gelegen tussen de onderste kristalli-satietemperatuur en de smelttemperatuur daarvan.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat na het opladen het materiaal wordt afgeschrikt.

7. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclu sies, met het kenmerk, dat vddr het opladen het oppervlak van het materiaal wordt opgeruwd.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat vddr het positief opladen het materiaal door middel 30 van een corona-oplading eerst positief wordt opgeladen, . daarna gedeeltelijk ontladen en vervolgens weer positief nageladen.

9. Bipolaire elektreet die aan één zijde positief 35 is geladen volgens een werkwijze van één van de voorafgaande conclusies, waarbij de andere zijde negatief is geladen. 790 75 39