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Elektret
Die Erfindung betrifft Elektrete, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B. Tabakrauch, durch Filtrieren.
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weist, wobei die Polarisation sich nicht nur auf die Oberfläche beschränkt, sondern durch das ganze Volumen des Dielektrikums hindurch erstreckt.
Elektrete sind bereits aus vielen Werkstoffen einschliesslich Kunststoffen, wie Polyvinylchlorid, oder Carnaubawachs mit verschiedenen Zusätzen, wie Esterharzen u. dgl., hergestellt worden. So sind z. B. aus der deutschen Patentschrift Nr. 928 842 Elektrete bekanntgeworden, die auf beiden Seiten eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweisen. Diese Elektrete sind für hohe elektrische Spannungen gedacht und wirken etwa in der Art einer Batterie. Zu diesem Zweck werden mehrere, beidseitig mit Folien armierte scheibenförmige Elektrete aufeinandergelegt. Auch diese Elektrete besitzen jedoch, so wie die normalen Elektrete (ohne leitende Beschichtung), nur einen beschränkten Wirkungsgrad, da auch hier auf beiden Seiten entgegengesetzte Ladungen auftreten und sich somit kein elektrisches Gesamtfeld ausbilden kann.
In demAufsatz"Harz-Elektrete", erschienen in der ETZ-B, 11. Jahrgang, H 9/1959, S. 359 bis 364, wird auf kurzgeschlossene Elektrete hingewiesen. Es werden aber dort offensichtlich Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden beschrieben und nicht elektrostatische Felder. Ein polarisiertes Dielektrikum, das eine äussere metallische Oberfläche hat, ist zwar elektrostatisch abgeschirmt, es kann aber trotzdem noch ein Potential zwischen den Oberflächen haben. Es wird in diesem Aufsatz auch erwähnt, dass die Verwendung von Elektreten als elektrostatische Staubfilter anscheinend wenig erfolgreich gewesen ist, weil stark inhomogene Felder mit Elektreten nur schwer zu verwirklichen sind.
Zie, der Erfindung ist es nun, einen Elektret zu schaffen, der diese Nachteile beseitigt und der besonders gut für die Zwecke der Staubfiltrierung u. dgl. geeignet ist, d. h. der imstande ist, ein besonders hohes elektrostatisches Feld über lange Zeit aufrecht zu erhalten.
Dies wird bei einem Elektret, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B.
Tabakrauch, durch Filtrieren mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die einander entgegengesetzte elektrische Ladungen aufweisen, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass nur an einer der beiden Oberflächen eine Schicht aus elektrisch leitendem Material anhaftet. Gemäss der Erfindung ist somit nur eine Oberfläche des Elektrets abgeschirmt, so dass nach wie vor das elektrostatische Feld an der entgegengesetzten Oberfläche vorhanden ist und somit beispielsweise zum Filtrieren von Tabakrauch wirksam gemacht werden kann.
Zweckmässigerweise können dabei, wie an sich bekannt, die beiden parallelen Oberflächen eben ausgebildet sein. Da durch die erfindungsgemässen Elektrete erstmals die Möglichkeit geboten wird, auf einer bestimmten Seite des Elektrets entweder eine positive oder negative Ladung aufzubringen, ist gemäss einer weiterenAusgestaltung der Erfindung der Elektret dadurch gekennzeichnet, dass er auf der der
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metallisierten Seite gegenüberliegenden Seite eine entgegengesetzte Ladung aufweist.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung eignen sich besonders zur Anwendung in Filtern für Tabakrauch, da sie höhere Ladungen aufweisen als die bisher bekannten Elektrete und infolgedessen dem Tabakrauch die unerwünschten Bestandteile in höherem Ausmasse entziehen, und da sie eine einfache und wirksame Anordnung von elektrisch geladenen Stoffen in einem Filter ermöglichen.
Gemäss der Erfindung werden somit neue metallisierte Elektrete geschaffen, die in ihren Eigenschaften den bisher bekannten Elektreten überlegen sind. Ausser ihrem besonderen Wert für Tabakrauchfilter haben sich die neuen metallisierten Elektrete auch für andere Arten von Filtern, wie Luftfilter,
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Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung sind ferner besonders geeignet für die Speicherung von Informationen. Sie können als Bänder u. dgl. für die elektronische Speicherung von Signalen verwendet werden, wie es später näher erläutert wird.
Die neuen metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung können aus einem elektretbildenden Stoff (nachstehend als "Elektretbildner" bezeichnet) hergestellt werden, der ein Dipolmoment von mindestens 0, 1 Debye, vorzugsweise von mindestens 0, 5 Debye, aufweist. Vorzugsweise soll der Elektretbildner einen spezifischen Volumenwiderstand von mindestens 101%, insbesondere von 101. Ohm- cm bei Raumtemperatur besitzen. Als Elektretbildner kommen z. B. Kunststoffe, wie Celluloseacetat, Polyvinylidenchlorid, Polymonochlortrifluoräthylen, Polytetrafluoräthylen, Polyvinylchlorid, Polymethacrylsäuremethylester, insbesondere aber Polyäthylenterephthalat in Betracht.
Ferner können anorganische Stoffe, wie keramische Stoffe u. dgl., als Elektretbildner verwendet werden, wie z. B. Erdalkalititanate,-zirkonateod. dgl. in keramischer Form oder in Einkristallform.
Der Elektretbildner wird vorzugsweise in Form eines Flächengebildes oder einer Folie mit einer Dicke von etwa 2, 54 li bis 1, 27 mm und der gewünschtenBreite eingesetzt. Zum Beispiel kann das Flächengebilde oder die Folie eine Dicke von etwa 0, 127 mm und eine Breite von etwa 2, 5 cm oder weniger oder von 3 m oder mehr besitzen.
Der Elektretbildner ist mit einer elektrisch leitenden Schicht, z. B. aus Metall oder Kohle, versehen, die eine Auflage auf dem Elektretbildner bildet.
Der elektrisch leitende Stoff soll vorzugsweise die Form einer gleichmässigen Schicht mit einer Dicke von mindestens 100 haben. Die Schicht kann eine abgeschiedene Schicht aus Aluminium, Sil- 0er, Nickel, Kupfer od. dgl. sein, die durch Vakuumbedampfung, Aufstäuben oder auf sonstige Weise aufgetragen ist. Eine solche Schicht kann von molekularer Dicke bis zu einer Dicke von 0, 25 mm oder mehr variieren, sofern sie nur als elektrischer Leiter wirkt. Der elektrisch leitende Stoff kann auch in Form eines Bleches oder einer Folie aus Metall, wie Aluminium, Zinn, Silber, Nickel, Kupfer, rostfreiem Stahl, mit einer Dicke von 0, 25 bis 25 mm oder mehr vorliegen.
Der elektrisch leitende Stoff, der vorzugsweise aus einem Metall, wie Kupfer, Bronze oder Messing, besteht, soll sich vorzugsweise über die ganze Oberfläche einer der elektrisch geladenen Seiten des Elektretbildners erstrecken.
Es können auch andere Leiter als Metall für die elektrisch leitende Schicht verwendet werden, sofern sie sich nur auf dem Elektretbildner hinreichend festhalten, als gleichmässige Schichtherstellen lassen und elektrisch leitend sind. Zum Beispiel kann eine dünne Klebstoffschicht mit gleichmässig darin verteilten Graphitteilchen, Kohleteilchen oder Metallteilchen verwendet werden, die der Schicht elektrische Leitfähigkeit verleihen.
Für gewisse Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, einen magnetischen Stoff für die elektrisch leitende Schicht zu verwenden. Zum Beispiel kann die elektrisch leitende Schicht eine magnetische Nikkel-Eisenlegierung aufweisen, die auf den Elektretbildner als dünner Film aufgebracht wird. Andere magnetische Stoffe sind Eisen, Nickel und Kobalt in verschiedenen Formen und Kombinationen. Eine besonders wirksame magnetische und elektrisch leitende Schicht lässt sich aus Nickel-Eisenlegierungen, wie den unter dem Markennamen "Permalloy" bekannten herstellen. Diese Legierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in"Physics ofThin Films, Advences in ResearchandDevelopmenf'. Bd-l [1963], S. 277 bis 334, herausgegeben von Georg Hass (Verlag Academic Press, New York und London) beschrieben.
Eine solche magnetische und elektrisch leitfähige Schicht übernimmt eine doppelte Aufgabe und eignet sich für Anwendungszwecke, bei denen es auf die Speicherung umfangreicher Informationen ankommt, da die Information von einem solchen Stoff sowohl magnetisch als auch elektrisch festgehalten werden kann. Magnetische Stoffe dieser Art eignen sich auch zum Filtrieren von elektrisch geladenen Aerosolen.
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Wenn ein Metallblech oder eine Metallfolie verwendet wird, kann sie auf dem Elektretbildner mit einem Klebstoff befestigt werden oder dadurch, dass man den Elektretbildner teilweise schmilzt oder löst, so dass er selbst als Klebstoff wirkt.
Die metallisierte Auflage kann auf jede der beiden elektrisch geladenen Seiten des Elektreten, d. h. entweder auf die positive oder auf die negative Seite desselben, aufgebracht werden, wenn der Elektret- bildner bereits in einen Elektreten übergeführt worden ist.
Die metallisierte Auflage kann aber auch auf den Elektretbildner aufgebracht werden, bevor dieser in einen Elektreten umgewandelt wird. In diesem Falle kann die Metallauflage, wenn sie die Form eines
Bleches hat, mit einem Klebstoff auf den Elektretbildner aufgebracht werden. Ebenso kann die Metall- auflage aufgebracht werden, indem man den Elektretbildner teilweise schmilzt, so dass er selbst als
Klebstoff wirkt. Die metallische oder metallisierte Auflage kann auch auf den Elektretbildner vor oder nach dessen Umwandlung in einen Elektreten durch übliche Vakuumverdampfung u. dgL aufgebracht werden. Zum Beispiel kann man eine im Handel erhältliche metallisierte Polyäthylenterephthalatfolie als metallisierten Elektretbildner verwenden und gemäss der Erfindung in einen metallisierten Elektreten umwandeln.
Es ist vorteilhaft, die metallisierte Auflage auf den Elektretbildner vor dessen Überführung in einen
Elektreten aufzubringen, da in diesem Falle die metallisierte Auflage bei der Herstellung desElektreten, bei der dem Elektretbildner eine elektrische Ladung erteilt wird, als eine der Elektroden verwendet wer- den kann.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung sind Elektrete mit zwei gegenüberliegenden Sei- ten, die voneinander abweichende elektrische Ladungen aufweisen, wobei eine der beiden Seiten auf praktisch ihrer ganzen Oberfläche einen anhaftenden, elektrisch leitenden Überzug besitzt. Unter den hier verwendeten Ausdruck"metallisierte Elektrete"fallen also alle Elektrete mit einer daran anhaf- tenden, elektrisch leitenden Schicht, gleich ob die Schicht aus Metall, Kohle oder irgendeinem andern, elektrisch leitenden Stoff besteht.
Die elektrisch leitende Schicht kann eine Folie aus einem Leiter, wieAlu- minium- oder Zinnfolie, oder eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kohleteilchen, Graphit-, Messing-, Kupfer-oder Bronzeteilchen, sein, die unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffes, wie Nitrocellulose, Polyurethan, Äthylcellulose, Wachs u. dgl., aufgespritzt ist. Ebenso kann sie aus einem Leiter, wie Aluminium, bestehen, der durch Vakuumbedampfung auf dem Elektreten oder dem Elektretbildner abgeschieden ist, oder die leitende Schicht kann auf andere geeignete Weise aufgebracht werden.
Die Elektrete können vor oder nach dem Aufbringen der metallisierten Auflage auf den Elektretbildner hergestellt werden. In beiden Fällen können die gleichen Bedingungen angewendet werden, um den Elektretbildner in einen Elektreten umzuwandeln. Die nachfolgend beschriebene allgemeine Methode zur Umwandlung von Elektretbildnern in Elektrete eignet sich in gleicher Weise zur Herstellung von Elektreten aus Elektretbildnern mit oder ohne metallische Auflage. Als Elektretbildner können hiebei alle bekannten Elektretbildner verwendet werden.
Das im Rahmen der Erfindung besonders gut verwendbare Polyäthylenterephthalat kann z. B. in Folienform vorliegen. Ebenso kann man ein festes Stück, z. B. eine Scheibe aus Polyäthylenterephthalat, oder auch einen festen Körper verwenden, der hauptsächlich aus Polyäthylenterephthalat besteht, aber noch geringe Mengen anderer Stoffe enthalten kann. Das Material kann auch mit wasserabweisenden Stoffen, wie Siliconharz oder Polytetrafluoräthylen, beschichtet sein. Ebenso kann man Halbleiter oder Ferroelektrika, wie Barium- oder Calciumtitanat, oder Körper verwenden, die mit Harzen beschichtet sind, welche solche Halbleiter oder Ferroelektrika enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung des Elektretteiles der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete besteht im allgemeinen darin, dass man ein massives Stück aus dem Elektretbildner zwischen zwei Elektroden einbringt und an den Elektretbildner mit Hilfe der beiden Elektroden bei höherer Temperatur ein elektrisches Feld anlegt.
Das elektrische Feld kann von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm variieren, beträgt aber vorzugsweise etwa 50 bis 100 kV/cm. Das elektrische Feld stammt aus einer Gleichstromquelle, die mit mindestens einem Paar von Elektroden, z. B. flachen Platten, verbunden ist.
Der so entstehende Aufbau besteht z. B. aus einer Polyäthylenterephthalatscheibe, die sich zwischen zwei Stücken aus Aluminiumfolie befindet, wobei jede der beiden Aluminiumfolien mit einer Elektrode aus rostfreiem Stahl in Kontakt steht. Der Elektretbildner soll vorzugsweise grösser sein als die Elektroden aus rostfreiem Stahl, so dass ein Rand von mindestens 20 mm übersteht, um ein Durchschlagen des elektrischen Stromes in der umgebenden Atmosphäre zu verhindern. Die Scheibe wird, z. B. in dem soeben
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beschriebenen Aufbau, im Ofen auf eine Temperatur erhitzt, die mindestens der Einfriertemperatur des Elektretbildners entspricht, den Erweichungspunkt desselben aber nicht übersteigt. Für Polyäthylenterephthalat kann diese Temperatur im Bereich von etwa 80 bis 1700C liegen.
Auf diese Temperatur wird die Scheibe oder der Zusammenbau innerhalb einer Vorerhitzungszeit gebracht, die ausreicht, um die Scheibe oder den Zusammenbau auf eine gleichmässige Temperatur zu erhitzen, d. h. so lange, bis in der Scheibe praktisch kein Temperaturgefälle mehr besteht. Vorzugsweise erfolgt das Vorerhitzen bei Atmosphärendruck ; es kann jedoch auch bei höheren oder niedrigerenDrücken durchgeführt werden. Die Scheibe aus dem Elektretbildner kann auch ohne Aluminiumfolie und ohne Elektroden aus rostfreiem Stahl auf diese Temperaturen vorerhitzt werden. Ebenso können andere Werkstoffe als Aluminium und andere Elektrpdenwerkstoffe verwendet werden.
Vorzugsweise wird aber der ganze Zusammenbau in der beschriebenen Weise erhitzt, weil es hiedurch leichter wird, die Elektretbildnerscheibe während des weiteren Verfahrensganges auf dieser Temperatur zu halten.
Nach dem Vorerhitzen wird die Scheibe oder der Zusammenbau einer zweiten Verfahrensstufe unterworfen, in der der Elektretbildner auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur und unterhalb des Erweichungspunktes gehalten wird. Im Falle von Polyäthylenterephthalat wird die Scheibe normalerweise auf einer Temperatur von etwa 80 bis 1700C gehalten. Das Polyäthylenterephthalat kann aber auch z. B. auf 6000C erhitzt werden, sofern nur die Erhitzungszeit kurz genug ist, z. B. 1 tisec, damit die Scheibe nicht erweicht. Während der Elektretbildner auf der oben angegebenen Temperatur gehalten wird, wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt, die eine Feldstärke von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm, vorzugsweise von etwa 50 bis 200 kV/cm, ergibt.
Diese Spannung wird im Verlaufe von etwa 1 usec bis 12 h oder länger, vorzugsweise im Verlaufe von etwa 1 psec bis 5 h, inne gehalten.
Nachdem die Scheibe dieser zweiten Verfahrensstufe unterworfen worden ist, wird in einer dritten Verfahrensstufe die Spannung auf der gleichen Höhe gehalten wie in der zweiten Stufe, das Erhitzen wird jedoch unterbrochen und die Scheibe, z. B. durch Überleiten von Luft, gekühlt oder einfach erkalten gelassen, wobei sie in dem gleichen elektrischen Feld gehalten wird, Die Scheibe kann auf eine Temperatur von -300C oder darunter gekühlt werden ; vorzugsweise soll sie auf eine Temperatur nicht über + 300C gekühlt werden. Vorzugsweise lässt man die Scheibe in dem elektrischen Feld auf Raumtemperatur (etwa 20 bis 30 C) erkalten. Die Dauer dieser Verfahrensstufe des Abkühlens kann etwa 1 lises bis 12 h oder mehr betragen.
Die Kühlung kann in dem gleichen Ofen oder der gleichen Heizkammer wie die zweite Verfahrensstufe durchgeführt werden ; dies ist aber nicht erforderlich. Dann kann der Elektret von den Elektroden und gegebenenfalls der Aluminiumfolie oder der sonstigen Folie getrennt werden, worauf er der Verwendung zugeführt werden kann.
Gegebenenfalls kann der fertige Elektret in einer Art Schutzgehäuse, z. B. einer Umhüllung aus Aluminiumfolie od. dgl., untergebracht werden, damit die elektrischen Ladungen bis zur Verwendung erhalten bleiben.
Bei der Herstellung von Elektreten ist es technisch vorteilhaft, kontinuierlich zu arbeiten. Dies erfolgt normalerweise unter Verwendung von Walzen, wobei der Elektretbildner je nach den besonderen Erfordernissen um die beheizten oder gekühlten Walzen herumgeführt wird. Eine Schwierigkeit bei dieser Herstellungsweise ergibt sich daraus, dass für den Kontakt des Elektretbildners mit dem elektrischen Feld und für die Einwirkung der hohen oder tiefen Temperaturen verschiedene Zeitdauern erforderlich sind. Anordnungen, die besonders vorteilhaft sind, um den gewünschten Grad des elektrischen Kontaktes und der Temperaturkontrolle zu erzielen, werden nachstehend beschrieben.
Eine der wirksamstenMethoden zur Anwendung des kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen metallisierten Elektreten beruht auf der Verwendung der metallisierten Auflage als Elektrode. Bevorzugt werden dabei Herstellungsverfahren, bei denen die metallisierte Auflage auf dem Elektretbildner mit beispielsweise Bürsten oder Rollen in Kontakt gebracht wird, so dass ihr eine elektrische Ladung und der andern (nichtmetallisierten) Seite des Elektretbildners eine Ladung von entgegengesetztem Vorzeichen erteilt wird. Während der Ausbildung dieser elektrischen Ladung wird der metallisierte Elektretbildner erst durch eine Hochtemperaturzone und dann, wie oben beschrieben, durch eine Zone niedriger Temperatur geführt.
Die so hergestellten erfindungsgemässen Elektrete können in Filtern für Tabakrauch verwendet werden. Zum Beispiel können sie in Zigarettenfiltern verwendet werden, wenn sie in Stücke von etwa 12, 7 Jl Dicke, 2 mm Breite und 5 bis 20 mm Länge geschnitten und gekräuselt oder ungekräuselt in Längsrichtung in einem herkömmlichen Filterzylinder so angeordnet werden, dass ein Ende eines jeden Stückes mit dem Mund des Rauchers in Berührung kommt und infolgedessen durch die Feuchtigkeit geerdet wird.
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Die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Elektrete als Bestandteil von Filtern für Tabakrauch beruht darauf, dass sie dem Rauch elektrisch geladene Teilchen entziehen.
Der nichtgasförmige Teil des Zigarettenrauches besteht, unter dem elektrischen Gesichtspunkt be- trachtet, aus drei Arten von Teilchen. Der Rauch enthält positiv geladene Teilchen, negativ geladene
Teilchen und neutrale Teilchen. Gewöhnlich ist etwa die Hälfte oder etwas weniger der Teilchen des
Tabakrauches elektrisch neutral, während der Rest aus etwa gleichen Mengen positiver und negativer
Teilchen besteht.
Das Entfernen von geladenen Teilchen aus Tabakrauch hat sich oft als zweckmässig erwiesen, um dem Rauch in selektiver Weise unerwünschte Bestandteile zu entziehen und den Gesamtwirkungsgrad des
Filters zu erhöhen.
Es ist auch anzunehmen, dass durch die Entfernung gewisser geladener Teilchen aus dem Rauch be- stimmte physiologische und psychologische Wirkungen erzielt werden. Filter, die die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung enthalten, ermöglichen die gesteuerte Entfernung einer oder beider Arten von elektrisch geladenen Teilchen aus dem Tabakrauch. Sie können auch andern Verwendungszwecken zugeführt werden, bei denen Fremdstoffteilchen aus Gasen entfernt werden müssen.
Man hat zwar schon Elektrete verwendet, um dem Tabakrauch gewisse elektrisch geladene Teil- chen zu entziehen ; dieseElektrete hatten jedoch nur einen beschränkten Wirkungsgrad. Da dieElektrete auf beiden Selten entgegengesetzte Ladungen aufweisen, kann sich kein elektrisches Gesamtfeld ausbilden, wenn sie in einem Filter oder einer sonstigen Vorrichtung verwendet werden. Es gibt also keine Möglichkeit, bei der Verwendung solcher Stoffe eine Selektivität zu erzielen, es sei denn, dass man ungewöhnliche und schwierige Massnahmen ergreift, um die Elektrete in das Filter in einer solchen Weise einzubringen, dass sich die Ladungen zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses steuern lassen. Mit andern Worten : es gibt keine wirksame Möglichkeit, um solche Elektrete zu erden.
Die metallisiertenElektrete gemäss der Erfindung weisen diesen Nachteil der gewöhnlichenElektrete nicht auf und ermöglichen die Herstellung einer neuen Art von elektrisch geladenem Material für Filter.
Die Verwendung der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete in Filtern ermöglicht eine vorteilhafte Verteilung einzelner Ladungen in einem Filter unter genauer Steuerung der Ladungsverteilung in dem Filter.
Die Ursache für die Wirksamkeit der erfindungsgemässen metallisierten Elektrete liegt wahrscheinlich darin, dass diese besondere Anordnungsweise zu einer einzigen Ladung auf der metallisierten Elektreteinheit führt. Das Prinzip, auf dem diese Wirkung beruht, ist aus Fig. 1 der Zeichnungen ersichtlich.
Man sieht, dass das Dielektrikum 30 bei A eine positive und bei B eine negative Ladung besitzt. An der negativen Seite ist eine Metallfolie 31 befestigt, wodurch infolge des sogenannten Bildeffektes bei C eine positive Ladung eingefangen und nach D eine negative Ladung abgestossen wird. Die Ladung bei D kann leicht geerdet werden. Da sich die Ladungen bei B und C gegenseitig neutralisieren, bleibt nur die positive Ladung bei A übrig. Diese einzige Ladung ist ausserordentlich beständig.
Es wurde gefunden, dass man mit den metallisierten Elektreten gemäss der Erfindung stark erhöhte elektrische Ladungen erhält. Die Ladungserhöhung ist von überraschender Grösse ; sie beträgt nämlich das Drei- bis Vierfache von derjenigen Ladung, die man ohne leitende Auflage erhält. Diese erhöhten Ladungen sind, wie sich herausgestellt hat, vollständig reproduzierbar. Die Hauptursache für dieses überraschende Ergebnis dürfte darin zu suchen sein, dass der dünne Metallfilm, der an dem Kunststoffkörper anhaftet, einen besseren elektrischen Kontakt gibt und daher einengleichmässigerenund stärkeren elektrischen Stromfluss ermöglicht.
Die metallisierten Elektrete gemäss der Erfindung ermöglichen auch die Herstellung eines neuen Materials und die Anwendung einer neuen Methode zum Speichern von Informationen. Sie können als auf elektrische Impulse ansprechende Bänder für Tonbandgeräte u. ähnl. Vorrichtungen verwendet werden, da sie sich für die Überlagerung eines Musters von elektrischen Signalen auf der geladenen Elektretoberfläche anpassen lassen, die dem Elektret unter ähnlichen Bedingungen mitgeteilt werden können, wie sie oben beschrieben sind.
Es ist auch möglich, ein metallisiertes Elektretbildnerband zu verwenden, auf dem eine Reihe von Signalen nach den oben beschriebenen Methoden überlagert wird, so dass aus dem Band im Endeffekt eine Reihe von Elektreten entsteht, die entweder unmittelbar oder über elektrisch ungeladene Zwischenräume miteinander verbunden sind. Solche Bänder sind besonders wertvoll, wenn die metallisierte Auflage auf dem Elektretbildner magnetisch ist, da auf solchen Bändern zwei verschiedene Arten von Signalen, nämlich elektrische und magnetische, überlagert werden können, so dass man gleichzeitig auf der gleichen Bandlänge zwei Signale aufnehmen kann. Solche Bänder eignen sich für Femsehaufnahmen,
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bei denen ein visuelles Signal und ein Audiosignal gleichzeitig empfangen und registriert werden.
Da die metallisierten Elektretbildner gemäss der Erfindung imstande sind, elektrische Ladungen von verschiedenem Grade und bzw. oder entgegengesetztem Vorzeichen festzuhalten, selbst wenn die Ladungen sich in unmittelbarer Nachbarschaft voneinander befinden, können sie, wie oben erwähnt, als Registrierbänder, aber auch zur Herstellung von Filterelementen verwendet werden. Solche Filterelemente können die verschiedensten Ladungen in den verschiedensten Mustern aufweisen und für die Anwendung in Filtern die verschiedensten Formen aufweisen, so dass sich positive und negative Ladungen in vielen verschiedenen Arten so anordnen lassen, dass die Probleme der jeweiligen Aerosolfiltration am besten gelöst werden.
Für gewisse Anwendungszwecke ist es besonders vorteilhaft, wenn die metallisierte Auflage magnetisch ist, so dass man in dem betreffenden Filter sowohl elektrische als auch magnetische Mittel anwenden kann, um dem Aerosol die unerwünschten Teilchen zu entziehen.
Zur weiteren Erläuterung dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In diesen zeigen Fig. 1 eine längengetreue Ansicht eines gemäss der Erfindung hergestellten Elektreten, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen Elektreten, Fig. 3, 5 und 7 Endansichten von Zigaretten, die Elektrete gemäss der erfindung enthalten, Fig. 4 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 3 nach der Linie 4-4, Fig. 6 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 5 nach der Linie 6-6, Fig. 8 einen Längsschnitt, teilweise weggebrochen, durch die Zigarette gemäss Fig. 7 nach der Linie 8-8, Fig. 9 bis 11 erläutern schematisch Herstellungsverfahren für den erfindungsgemässen Elektretret.
Fig. 1 zeigt die Elektretbildnerschicht --30-- mit der daran anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht --31--. In dem Elektretbildner sind positive Ladungen bei --A-- und negative Ladungen bei - angedeutet. In der elektrisch leitenden Schicht sind positive Ladungen bei --C-- und negative Ladungen bei --D-- angedeutet.
Fig. 2 erläutert eine bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung von erfindungsgemässen Elektreten.
Die Elektretbildnerfolie --40-- mit der daran anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht --41-- wird durch die Öffnung --42-- in die Zone --A-- eingeführt. Die Zone --A-- wird auf einer Temperatur oberhalb der Einfriertemperatur und unterhalb des Erweichungspunktes des Elektretbildners gehalten.
Durch die elektrische Leitung --43-- wird der Bürste --44-- eine positive Ladung erteilt. Die Bürste - befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Oberfläche der durch die Zone --A-- vorrücken- den elektrisch leitenden Schicht--41--. Die negativ geladenen Walzen--45 und 46-- laufen in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung um und treiben das Förderband --47--, welches den Elektretbildner --40-- mit seiner elektrisch leitenden Schicht --41-- trägt.
Auf diese Weise wird der Elektretbildner --40-- mit der Schicht --41-- durch die Zone --A-- gefördert und verlässt die Zone --A-durch die Öffnung --49a--. Das Förderband --47-- besteht aus elektrisch leitendem Werkstoff, wie poliertem rostfreiem Stahl, und die elektrische Ladung der Walzen --45 und 46-- wird dem Förderband - mitgeteilt, so dass zwischen der Oberfläche des Förderbandes --47-- und dem leitenden Belag - auf dem Elektretbildner ein elektrisches Feld besteht
Wenn der Elektretbildner --40-- und der elektrisch leitende Belag --41-- die für die erste Behandlung der metallisierten Elektretbildnerfolie erforderliche Verweilzeit in der Zone --A-- erreicht haben, d. h.
wenn die durch die Spannung zwischen dem Förderband --47-- und der metallisierten Oberfläche - des Elektretbildners erzeugte Feldstärke von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm etwa 1 lises bis 12h oder länger zur Einwirkung gebracht worden ist, treten der Elektretbildner --40-- und die elektrisch leitende Schicht --41-- durch die Öffnung --49a-- in die Zone --B-- ein, wo sie auf einer Temperatur unter etwa 300C gehalten werden, bis das metallisierte Material ebenfalls eine Temperatur unter 300C erreicht hat.
Der Elektretbildner --40-- und die elektrisch leitende Schicht --41-- verlassen die Zone - durch die Öffnung --48--. Das Förderband --47 -- läuft zwischen den beiden Zonen abwechselnd durch die Öffnungen --49a und 49b-- hin und her.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Zigarette --61-- mit einem Papierzylinder --62--, der den Körper der Zigarette begrenzt. In dem Zylinder --62-- befindet sich zerkleinerter Tabak --63--. Am'Ende des zerkleinerten Tabaks befindet sich der Papierzylinder-64-, der an ein Ende des Papierzylinders --62-anstösst. Der Zylinder --64-- begrenzt das Zigarettenfilter. Das Filter ist mit dem von dem Papierzylinder --62-- begrenzten Tabakabschnitt durch denPapierzylinder --65-- verbunden, der den ganzen Papierzylinder --64-- und einen Teil des Papierzylinders --62-- bedeckt. Der von dem Papierzylinder - begrenzte Filterabschnitt enthält metallisierte Elektrete --66--, die aus je einer Elektretschicht --66a-- und einer Metallschicht --66b-- bestehen.
Der metallisierte Elektret --66-- ist in dem Zylin- der --64-- spiralförmig aufgewickelt. Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen
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Potential angelegt wird.
Fig. 11 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 10, wobei jedoch die Rollen --6 und 7- dazu dienen, de metallisierten Elektretbildner --1'-- zwischen den Punkten --B und C-- mit der Walze --4'-in stärkere Berührung zu bringen. Diese Anordnung ermöglicht eine wirksamere Herstellung von metallisierten Elektreten als die Anordnung gemäss Fig. 10.
Zur Erläuterung der Überlegenheit von metallisierten Elektreten im Vergleich zu nichtmetallisierten Elektreten werden zwei Versuche durchgeführt. Im ersten Versuch wird ein nichtmetallisierter Elektret, im zweiten Versuch ein metallisierter Elektret hergestellt. Diese beiden Versuche sind nachstehend als Beispiele 1 und 2 wiedergegeben ; von ihnen bezieht sich nur Beispiel 2 auf die Erfindung.
Beispiel l : Proben von 25, 4 dicker Polyäthylenterephthalatfolie werden zwischen Elektroden aus Aluminiumfolie erhitzt, bis sie eine Temperatur von 150 C erreichen. Dann wird an die Vorrichtung ein Gleichfeld von 200 kV/cm angelegt, wobei die Temperatur auf 1500C gehalten wird. Hierauf lässt man die Proben im elektrischen Feld auf 300C erkalten. Die Zeitspanne, für die die Folie bei den angegebenen Temperaturen der Einwirkung des elektrischen Feldes ausgesetzt wird, und die dabei erzeugten Oberflächenladungsdichten sind in Tabelle I angegeben.
Tabelle I
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<tb>
<tb> Zeitspanne <SEP> der <SEP> Einwirkung <SEP> Oberflächenladungsdichte
<tb> des <SEP> elektrischen <SEP> Feldes <SEP> (min) <SEP> (Heteroladung)
<tb> bei <SEP> 1500C <SEP> Zeit <SEP> zum <SEP> Erkalten <SEP> 10-9 <SEP> Coulomb/cm
<tb> auf <SEP> 300C
<tb> 0 <SEP> 75 <SEP> 27, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 40 <SEP> 21, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 120 <SEP> 40 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 60 <SEP> 12,7
<tb>
Beispiel 2 : Proben von einseitig mit Aluminium beschichteter, 25, 4 jeu dicker Polyäthylenterephthalatfolie werden gemäss Beispiel 1 behandelt. Das Polyäthylenterephthalatwird zwischen Elektroden aus rostfreiem Stahl im Ofen auf 1500C erhitzt und dann gemäss Beispiel 1 erkalten gelassen.
Die Versuchsbedingungen und die entstehenden Ladungen sind in Tabelle Il angegeben.
Tabelle II
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<tb>
<tb> Zeitspanne <SEP> der <SEP> Einwirkung <SEP> Oberflächenladungsdichte
<tb> des <SEP> elektrischen <SEP> Feldes <SEP> (min) <SEP> (Heteroladung)
<tb> bei <SEP> 1500C <SEP> Zeit <SEP> zum <SEP> Erkalten <SEP> 10-9 <SEP> Coulomb/cm2
<tb> auf <SEP> 30 C
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> 48
<tb> 12 <SEP> 20 <SEP> 44
<tb> 180 <SEP> 20 <SEP> 40
<tb> 5400 <SEP> 60 <SEP> 40
<tb>
Beispiele 3 und 4 : Eine Probe einer metallisierten, 25, 4 Jl dicken Polyäthylenterephthalatfolie
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auf Raumtemperatur gekühlt, die nichtmetallisierte Folie innerhalb 25 min und die metallisierte Folie innerhalb 20 min. Während des gesamten Erhitzungs- und Erkaltungsvorganges wird an die metallisierte Seite der metallisierten Folie sowie auch an die nichtmetallisierte Folie eine negative Spannung von 500 V angelegt.
Der auf diese Weise erhaltene nichtmetallisierte Elektret besitzt auf jeder Seite eine Ladungsdichte von 8, 8 x 10-9 Coulomb/cm , jedoch von entgegengesetzter Polarität. Die mit Aluminium metallisierte Folie zeigt auf der nichtmetallisierten Seite eine Ladungsdichte von -40 X 10-9 Coulomb/cm und auf der metallisierten Seite die Ladung Null. Beide Elektrete besitzen stabile
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Heteroladungen.
In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Teile und Prozentangaben, falls nicht anders angegeben ist, auf Gewichtsmengen.
Das Dipolmoment ist eine mathematische Grösse. Es ist das Produkt aus einer der Ladungen einer Dipoleinheit und dem Abstand zwischen den beiden Ladungen in der Dipoleinheit.
Der spezifische Volumenwiderstand ist der elektrische Widerstand, den ein Kubikzentimeter eines Stoffes dem Durchgang des elektrischen Stromes senkrecht zu zwei parallelen Flächen des Würfels entgegensetzt.
Die Einfriertemperatur, die auch als Glastemperatur, Glasübergangstemperatur oder Übergangstemperatur zweiter Ordnung bezeichnet wird, ist diejenige Temperatur, bei der bei einem amorphen Kunststoff oder im amorphenBereich eines kristallinen Kunststoffes die Kurven für die freie Energie, Entropie und Enthalpie kontinuierlich sind und die Kurve der Wärmekapazität diskontinuierlich ist. Die Einfriertemperatur ist derjenige Punkt, bei dem eine Änderung in der molekularen Freiheit eines Stoffes auftritt, und sie ist weiter als der Punkt gekennzeichnet, bei dem der betreffende Stoff aus dem starren Zustand in einen kautschukartigen Zustand übergeht.
Der Schmelzpunkt, der auch als Übergangstemperatur erster Ordnung bezeichnet werden kann, ist diejenige Temperatur, bei der die Kurve der freien Energie kontinuierlich ist und die Kurven der Entropie, Enthalpie und Wärmekapazität diskontinuierlich sind.
Der Erweichungspunkt, auch Erweichungstemperatur genannt, liegt unter dem Schmelzpunkt des betreffenden Stoffes. Bei amorphen Kunststoffen von hohem Molekulargewicht wird gewöhnlich kein scharfer Schmelzpunkt beobachtet. Der Temperaturbereich des Übergangspunktes, bei dem ein Stoff ohne scharfen Schmelzpunkt bei Bestimmung mit demPlastometer aus dem Zustand des viscosen Flusses in denjenigen des plastischen Flusses übergeht, wird Erweichungspunkt genannt. Wenn einem Stoff kein Erweichungspunkt zugeordnet werden kann, wird im Sinne der Erfindung der Schmelzpunkt als die obere Grenze des hier angegebenen Temperaturbereiches betrachtet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektret, insbesondere zum selektiven Entfernen von Teilchen aus Rauch, z. B. Tabakrauch, durch Filtrieren, mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die einander entgegengesetzte, elek-
EMI9.1
flächen eine Schicht aus elektrisch leitendem Material anhaftet.