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Dielektrischer Körper
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den, das an gegenüberliegenden Flächen elektrische Ladungen von entgegengesetztem Vorzeichen aufweist, 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 Metall- folien aufweisen. Es wird gerade in dieser Patentschrift auch darauf hingewiesen, dass mehrere beidseitig mit Folien armierte, scheibenförmige Elektrete aufeinander gelegt werden können, wobei diese kom- binierten Elektrete dann auf jeden Fall auf den beiden Aussenflächen eine Metallfolie haben.
Nun haben aber die normalen (nicht armierten) Elektrete nur einen beschränkten Wirkungsgrad, weil sie auf beiden Seiten entgegengesetzte Ladungen aufweisen und sich somit kein elektrisches Gesamtfeld ausbilden kann. Auch durch die normale Metallisierung eines solchen Elektrets, wie er in der deutschen Patentschrift Nr. 928 842 beschrieben ist, wird aber dieser Nachteil von Elektreten nicht beseitigt, denn dadurch, dass diese Elektrete auf beiden Seiten eine Metallfolie aufweisen, sind wieder auf beiden Seiten entgegengesetzte Ladungen vorhanden.
In dem Aufsatz"Harz-Elektrete", erschienen in der ETZ-B, 1l. 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.
Ziel der Erfindung ist es nun, eine Elektretkonstruktion anzugeben, die diese Nachteile beseitigt und die besonders gut für die Zwecke der Staubfilterung u. dgl. geeignet ist. d. h. die imstande ist, ein besonders hohes elektrostatisches Feld über lange Zeit aufrechtzuerhalten.
Dies wird bei einem dielektrischen Körper mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die elektrische Ladungen aufweisen, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass er ein Schichtkörper ist, der aus zwei Elektreten mit je mindestens zwei parallelen Oberflächen mit einer nur an je einer der beiden Oberflächen anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht, und einer mittleren Klebstoffschicht so zusammengesetzt ist, dass die beiden Elektreten mit ihren elektrisch leitenden Schichten aneinander festhaften und zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten elektrischer Kontakt besteht.
Die Elektret-Schichtkörper gemäss der Erfindung eignen sich besonders zur Anwendung in Filtern für
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Tabakrauch, da sie verhältnismässig hohe Ladungen aufweisen 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, wie sie bisher nicht erreicht werden konnte. Zum Beispiel ermöglichen sie einfache und wirksame Anordnungen von elektrisch geladenen Stoffen in einem Filter derart, dass positive und/oder negative Ladungen an beiden Seiten der Gebilde auftreten.
Gemäss der Erfindung werden somit neue Elektret-Schichtkörper hergestellt, die in ihren Eigenschaften den bisher bekannten Elektreten überlegen sind. Ausser ihrem besonderen Wert für Tabakrauchfilter haben sich die neuen Elektret-Schichtkörper auch für andere Arten von Filtern, wie Luftfilter, sowie auch in Vorrichtungen, wie Elektrometern, Mikrophonen und Dosimetern, als wertvoll erwiesen.
Die Elektret-Schichtkörper 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.
Metallisierte Elektrete mit einem leitenden Überzug nur an einer der beiden Oberflächen bringen zwar einen technischen Fortschritt gegenüber den früher bekannten nicht-metallisierten Elektreten für gewisse Anwendungszwecke sind sie jedoch noch nicht vollkommen zufriedenstellend. Die Elektret- Schichtkörper gemäss der Erfindung weisen auch Vorteile gegenüber diesen metallisierten Elektreten auf.
Sie beseitigen z. B. die Bildeffekte, die infolge der metallisierten Auflage auftreten können. Ferner ermöglichen sie Anordnungen von elektrisch geladenen Stoffen und Kombinationen von Ladungen, die bisher nicht erreicht werden konnten.
Die neuen Elektret-Schichtkörper gemäss der Erfindung können aus metallisierten Elektretbildnern oder aus metallisierten Elektreten hergestellt werden.
Die für den erfindungsgemässen Schichtkörper benötigten beiden metallisierten Elektretbildner können in Form eines Flächengebildes oder in kleineren Stücken miteinander kombiniert werden, indem man die metallisierten Auflagen von zwei Folien oder Stücken der metallisierten Elektreten einander gegenüber anordnet und mit einem geeigneten Klebstoff, wie einer dünnen Schicht eines Polyesterund/oder Polyurethanklebstoffes oder eines Nitrocellulose-, Epoxy- oder Epoxy-Polyamidklebstoffes, zusammenklebt.
Wenn die beiden metallisierten Elektrete durch eine nichtleitende Schicht, z. B. eine Schicht aus einem der oben beschriebenen nichtleitenden Klebstoffe, zusammengehalten werden, erfolgt dies derart, dass zwischen den beiden aneinandergeklebten elektrisch leitenden Schichten ein guter elektrischer
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B.tret-Schichtkörper gemäss der Erfindung einen guten elektrischen Kontakt herzustellen, besteht darin, dass man eine Klebstoffschicht verwendet, in der, wie an sich bekannt, sich eine ausreichende Menge von elektrisch leitenden Teilchen befindet, so dass die Klebstoffschicht selbst elektrisch leitend ist. Zum Beispiel kann die Klebstoffschicht aus einem der oben genannten Klebstoffe bestehen und, wie an sich bekannt, Teilchen aus elektrisch leitendem Kohlenstoff (z. B. Acetylenruss) enthalten.
Gegebenenfalls kann man auch, wie an sich bekannt, Teilchen aus Kupfer, Bronze, Messing oder Graphit verwenden.
Vorzugsweise sind die in der Klebstoffschicht enthaltenen elektrisch leitenden Teilchen gleichmässig in der Klebstoffschicht verteilt.
So erhält man einen Schichtkörper aus einer Schicht, die auf einer Seite eine elektrische Ladung aufweist, einer elektrisch leitenden Schicht in der Mitte und einer weiteren Schicht auf der andern Seite, die je nach Wunsch die gleiche Ladung oder Ladungsverteilung von gleicher Grösse oder, im Falle von Mehrfachladungen, von den gleichen Grössen aufweist wie die erste Schicht, oder bei der die Ladung hinsichtlich Vorzeichen und Grösse von derjenigen der andern geladenen Schicht abweichen kann.
Die erfindungsgemäss zu verwendenden metallisierten Elektrete 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 Elek- tretbildnereinen spezifischen Volumenwiderstand von mindestens 1012, insbesondere von 1014 Ohm. cm bei Raumtemperatur besitzen. Als Elektretbildner kommen z. B. Kunststoffe, wieCelluloseacetat, Polyvinylidenchlorid, Polymonochlortrifluoräthylen, Polytetrafluoräthylen, Polyvinylchlorid, Polymethacrylsäuremethylester, insbesondere aber Polyäthylenterephthalat in Betracht.
Ferner können anorganische Stoffe, wie keramische Stoffe u. dgl., als Elektretbildner verwendet wer-
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den, wiez. B. Erdalkalititanite,-zirkonateod. dgl.
Der Elektretbildner wird vorzugsweise in Form eines Flächengebildes oder einer Folie mit einer
Dicke von etwa 2, 54 l bis 1, 27 mm und der gewünschten Breite 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, ver- sehen, die eine Auflage auf dem Elektretbildner bildet.
Der elektrisch leitende Stoff soll vorzugsweise die Form einer gleichmässigen Schicht mit einer
Dicke von mindestens 100 Ä haben. Die Schicht kann eine abgeschiedene Schicht aus Aluminium,
Silber, Nickel, Kupfer od. dgl. sein, die in an sich bekannter Weise durch Vakuumbedampfung, Auf- stäuben od. dgl. aufgetragen ist. Eine solche Schicht kann von molekularer Dicke bis zu einer Dicke von 0, 25 mm oder mehr variieren, soferne sie nur als elektrischer Leiter wirkt. Der elektrisch lei- tende Stoff kann auch im Form eines Bleches oder einer Folie aus Metall, wie Aluminium, Zinn,
Silber, Nickel, Kupfer, rostfreiem Stahl, mit einer Dicke von 0, 25} l bis 25 mm oder mehr vorliegen. Der elektrisch leitende Stoff soll sich vorzugsweise über die ganze Oberfläche einer der elek- trisch geladenen Seiten des Elektretbildners erstrecken.
Es können auch andere Leiter als Metall oder Kohle für die elektrisch leitende Schicht verwendet werden, soferne sie nur auf dem Elektretbildner hinrei chend festhaften, sich als gleichmässige Schicht herstellen lassen und elektrisch leitend sind. Zum Beispiel kann eine dünne Klebstoffschicht mit gleichmässig darin verteilten Graphitteilchen, Kohleteilchen oder leitenden Metallteilchen als elektrisch lei- tende Schicht verwendet werden.
Für gewisse Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, einen magnetischen Stoff für die elektrisch lei- tende Schicht zu verwenden. Zum Beispiel kann die elektrisch leitende Schicht eine magnetische NickelEisenlegierung aufweisen, die auf den Elektretbildner als dünner Film aufgebracht wird. Andere magne- tische 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 of Thin Films, Advances in Research and Development", Band 1 [1963],
S. 277 bis 334, herausgegeben von Georg Hass (Verlag AcademicPress, New York und Londen) 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.
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 schmilztoder 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 Elektretbildner bereits in einem 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 Metallauflage 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 Vakuumbedampfung u. dgl. aufgebracht werden. Zum Beispiel kann man eine im Handel erhältliche metallisierte Polyäthylenterephthalatfolie als metallisierten Elektretbildner verwenden und 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 des Elektreten, bei der dem Elektretbildner eine elektrische Ladung erteilt wird, als eine der Elektroden verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäss verwendeten metallisierten Elektrete sind Elektrete mit zwei gegenüberliegenden Seiten, die voneinander abweichende elektrische Ladungen aufweisen, wobei eine der bei-
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den 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 anhaftenden, 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, wie Aluminium- 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 es Halbleiter oder Ferroelektrika, wie Barium- oder Calciumtitanat, enthalten oder mit Harzen beschichtet sein, die solche Halbleiter oder Ferroelektrika enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung des Elektret-Teiles der erfindungsgemäss metallisierten Elektreten besteht im allgemeinen darin, dass man ein massives Stück aus dem'Elektretbildner zwischen zwei Elektroden einbringt, und mit Hilfe der beiden Elektroden an den Elektretbildner bei höherer Temperatur ein elektrisches Feld anlegt.
Das elektrische Feld kann von etwa 0, 001 bis 1000 kV/cm variieren, beträgt aber vorzugsweise et- wa 50bis200kV/cm. Das elektrische Feld stammt aus einer Gleichstromquelle, die mit mindestens einem Paar von Elektroden, z. B. flachen Platten, verbunden ist.
So kann z. B. der Elektretbildner in Form einer Scheibe vorliegen, die zwischen zwei Schichten aus Aluminiumfolie oder ähnlichem Material angeordnet werden kann, wobei auch ein Stapel von metallisierten Scheiben verwendet werden kann, wobei der metallisierte Teil jeden Elektretbildner von dem nächsten trennt. Die Scheibe oder die Scheiben werden dann zwischen Metallelektroden, z. B. Scheiben aus rostfreiem Stahl oder anderem geeignetem Werkstoff, angeordnet, die die gleiche Form besitzen oder so gross sind, dass sie die ganze Oberfläche der Elektretbildnerscheibe, z. B. der Polyäthylenterephthalatscheibe, bedecken. Der so entstehende Aufbau besteht z.
B. aus einer Polyäthylenterephthalatschei- be, 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 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 1700 C liegen.
Auf diese Temperatur wird die Scheibe oder der Zusammenbau innerhalb einer Vorerhitzungzeit 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. Vorzugweise erfolgt das Vorerhitzen bei Atmosphärendruck ; es kann jedoch auch bei höheren oder niedrigeren Drücken 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 Elektrodenwerkstoffe 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 norma-
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lerweise auf einer Temperatur von etwa 80 bis 1700 C gehalten. Das Polyäthylenterephthalatkann aber auch z. B. auf 6000C erhitzt werden, sofern nur die Erhitzungszeit kurz genug ist, z. B. eine Mikrose- kunde, 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 10-3 sec bis 12 h oder länger, vorzugsweise im Verlaufe von etwa 15 sec bis 5 h, innegehalten.
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-300 C oder darunter gekühlt werden ; vorzugsweise soll sie auf eine Temperatur nicht über + 300 C gekühlt werden. Vorzugsweise lässt man die Scheibe in dem elektrischen Feld auf Raum- temperatur (etwa 20 bis 300 C) erkalten und entfernt sie dann, immer noch im elektrischen Feld, aus dem Ofen oder der Heizzone.
Die Dauer der Verfahrensstufe des Abkühlens kann etwa 1 u sec 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 er-
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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 wirksamsten Methoden zur Anwendung des kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemässen 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 (nicht-metallisierten) Seite des Elektretbildners eine Ladung von entgegengesetztem Vorzeichen erteilt wird. Während der Einwirkung dieser elektrischen Ladung wird der metallisierte Elektretbildner erst durch eine Hochtemperaturzone und dann durch eine Zone niedriger Temperatur geführt, wie oben beschrieben.
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wendet werden.
Zum Beispiel können sie in Zigarettenfiltern verwendet werden, wenn sie in Stücke von etwa 12,7 u 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.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Elektret-Schichtkörper als Bestandteile von Filtern für Tabakrauch beruht darauf, dass sie dem Rauch elektrisch geladene Teilchen entziehen.
Der nicht-gasförmige Teil des Zigarettenrauches besteht, unter dem elektrischen Gesichtspunkt betrachtet, 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 den 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 bestimmte physiologische und psychologische Wirkungen erzielt werden.
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Filter, die die Elektret-Schichtkörper 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 Teilchen zu entziehen ; diese Elektrete hatten jedoch nur einen beschränkten Wirkungsgrad. Da die Elektrete auf beiden Seiten 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.
Metallisierte Elektrete weisen zwar viele dieser Nachteile der gewöhnlichen Elektrete nicht auf und ermöglichen die Herstellung einer neuen Art von elektrisch geladenem Material für Filter und mit-
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teile bei der Anwendung in Filtern, da man ihnen nach einer einfachen Methode die verschiedensten Ladungen erteilen und auf diese Weise besonders und vorteilhaft Anordnungen von Ladungsverteilungen in Filtern erzielen kann.
Die Elektret-Schichtkörper gemäss der Erfindung ermöglichen auch die Herstellung eines neuen Materials und die Anwendung einer neuen Methode zum Speichern von Informationen. Sie können als auf elektronische Impulse ansprechende Bänder für Tonbandgeräte und ähnliche Vorrichtungen verwendet werden, da sie sich für die Überlagerung eines Musters von elektronischen Signalen auf der geladenen Elektretoberfläche anpassen lassen, die dem Elektreten unter ähnlichen Bedingungen mitgeteilt werden können, wie sie oben beschrieben sind. Sie ermöglichen die Speicherung von elektrisch registrierten Informationen gleichzeitig auf beiden Seiten des Bandes ohne Störung zwischen den beiden Seiten.
Es ist auch möglich, ein Elektret-Schichtkörperband zu verwenden, bei dem auf jeder Bandseite eine Reihe von Signalen 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 mehrere elektrische und magnetische Signale überlagert werden können, so dass man gleichzeitig auf der gleichen Bandlänge mehrere Signale aufnehmen kann.
Solche Bänder eignen sich für Fernsehaufnahmen, bei denen ein visuelles Signal und ein stereophonisches Audiosignal gleichzeitig empfangen und registriert werden.
Da die beiden Seiten des aus den erfindungsgemässen Elektret-Schichtkörpern hergestellten Bandes imstande sind, elektrische Ladungen von verschiedenem Grade und bzw. oder entgegengesetztem Vorzeichen festzuhalten, selbst wenn die Ladungen sich auf dem Band in unmittelbarer Nachbarschaft oder einander gegenüber 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, von denen Fig. 1 bis 8 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Fig. 1 ist eine längengetreue Darstellung eines Elektret- Schichtkörpers --5-- gemäss der Erfindung.
Auf der Elektretbildnerschicht --10-- befindet sich die daran anhaftende elektrisch leitende Schicht Eine ähnliche Elektretbildnerschicht --12-- mit einer daran anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht -13-- ist mit der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht --13-- an die Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht --11-- mittels der Klebstoffschicht --14-- angeklebt. In den Elektretschichten sind die positiven Ladungen bei --A-- und die negativen Ladungen bei --B--angedeutet. In den elektrisch leitenden Schichten sind die positiven Ladungen bei-C-und die negativen Ladungen bei --D-- angedeutet.
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Fig. 2 erläutert ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Elektret-Schichtkörper. Der Schichtkörper --15-- ist aus den folgenden Schichten in der angegebenen Reihenfolge zusammengesetzt. Elektretbildnerschicht --20--, elektrisch leitende Schicht --21--, Klebstoffschicht --24--, elektrisch leitende Schicht --23-- und Elektretbildnerschicht --22--. Dieser Schichtstoff wird durch die Öffnung --42-- in die Zone --A-- eingeführt. Die Zone --A-- wird auf einer Temperatur über der Einfriertemperatur des Elektretbildners gehalten.
Die elektrisch leitenden Schichten --21 und 23-- sind geerdet. Die positiv geladenen Wal- zen --35, 36, 37 und 38-- laufen in den durch die Pfeile angedeuteten Richtungen um und treiben die Förderbänder --47a und 47b--, zwischen denen sich der Schichtstoff --15-- befindet. Hiedurch wird der Schichtstoff --15-- durch Zone --A--, aus der Zone --A-- durch Öffnung --49a-- in die Zone - und aus der Zone --B-- durch die Öffnung --48-- nach aussen gefördert. Die Förderbänder --47a
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den elektrisch leitenden Schichten --21 und 23-- des Schichtstoffes --15-- anderseits zustande kommt.
Wenn der Schichtstoff --15-- in der Zone --A-- eine ausreichende Verweilzeit hat, um den vorgeschriebenen Bedingungen für die erste Behandlung der den Schichtstoff bildenden beiden metallisier-
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stoff eingewirkt hat, gelangt der Schichtstoff --15-- durch die Öffnung --49a-- in die auf einer Temperatur unterhalb etwa 300C gehaltene Zone bis er selbst eine Temperatur unterhalb 300C erreicht hat. Der fertige Schichtstoff verlässt die Zone --B-- durch die Öffnung --48--. Das Förderband - 47a-- läuft durch die Öffnungen --49a und 49b-- zwischen den beiden Zonen hin und her, während das Förderband--47b-- durch die Öffnungen --49a und 49c-- zwischen den beiden Zonen hin-und herläuft.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Zigarette --61-- mit einem Papierzylinder --62--, der dem Körper der Zigarette begrenzt. In dem Zylinder --62-- befindet sich zerkleinerter Tabak --63--. Am andern Ende des zerkleinerten Tabaks befindet sich der Papierzylinder --64--, der an ein Ende des Papierzylinders - anstösst. Der Zylinder --64-- begrenzt das Zigarettenfilter. Das Filter ist mit dem von dem Papierzylinder --62-- begrenzten Tabakabschnitt durch den Papierzylinder --65-- verbunden, der den ganzen Papierzylinder --64-- und einen Teil des Papierzylinders --62-- bedeckt.
Der von dem Papierzylinder --64-- begrenzte Filterabschnitt enthält den Elektret-Schichtkörper-66--, der aus der an der Aussenseite positv geladenen Elektretschicht --66a--, der elektrisch leitenden Schicht --66b--, der Klebstoffschicht --66c--, der elektrisch leitenden Schicht --66d-- und der an der Aussenseite positiv geladenen Elektretschicht --66e-- besteht. Der Elektret-Schichtkörper --66- ist in dem Zylinder - spiralförmig aufgewickelt. Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen dem Elektret-Schichtkörper --66-- in dem Zylinder --64-- mit Celluloseacetatfasern --67-- gefüllt; man kann hiefür jedoch auch andere Filterstoffe verwenden oder den Zwischenraum leer lassen. Wichtig ist
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Die in Fig. 5 und 6 dargestellte Zigarette -71-- besitzt einen Papierzylinder --72--, der den Zigarettenkörper begrenzt. In dem Zylinder --72-- befindet sich zerkleinerter Tabak --73--. Am andern Ende des zerkleinerten Tabaks befindet sich der Papierzylinder --74--, der an ein Ende des Papierzylinders --72-- anstösst. Das von dem Zylinder --74-- begrenzte Filter der Zigarette --71-- ist mit dem von dem Papierzylinder --72-- begrenzten Tabakabschnitt durch den Papierzylinder --75-verbunden, der den ganzen Papierzylinder --74-- und einen Teil des Papierzylinders --72-- bedeckt.
Der von dem Papierzylinder --74-- begrenzte Filterabschnitt enthält die Elektret- Schichtkörper --76 --, die aus je einer an der Aussenseite positiv geladenen Elektretschicht --76a--, einer elektrisch leitenden Schicht --76b--, einer Klebstoffschicht-76c-, einer elektrisch leitenden Schicht --76d-- und einer an der Aussenseite positiv geladenen Elektretschicht --76e-- bestehen. Die Elektret-Schichtkörper - sind in dem Zylinder --74-- in Längsrichtung derart angeordnet, dass ein Ende einer jeden leitenden Schicht --76b und 76d-bis zum Ende des Filters reicht, so dass jede der leitenden Schichten mit dem Mund des Rauchers in Berührung kommt und dadurch geerdet wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen den Elektret-Schichtkörpern-76-in dem Zylinder --74--durch Cellu-
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loseacetatfasern --77-- ausgefüllt; man kann jedoch hiefür auch andere Filterstoffe verwenden oder den Zwischenraum leer lassen.
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die aus je einer an der Aussenseite positiv geladenen Elektretschicht-86a-, einer elektrisch leitenden Schicht-86b-, einer Klebstoffschicht --86c--, einer elektrisch leitenden Schicht --86d-- und einer an der Aussenseite positiv geladenen Elektretschicht-86e-bestehen. Die Zylinder --86- sind in dem Zylinder --84-- in Längsrichtung derart angeordnet, dass ein Ende einer jeden leitenden Schicht - 86b und 86d-- sich bis zum Ende des Filters erstreckt und dadurch beim Rauchen der Zigarette mit dem Mund des Rauchers in Berührung kommt und geerdet wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen den metallisierten Elektreten --86-- in dem Zylinder-84-mit Celluloseace- tatfasern-87-gefüllt ; mann kann jedoch auch andere Filterstoffe verwenden oder die Zwischenräume leer lassen.
Beispiel l : Ein 50 z dicker Elektret-Schichtkörper aus Polyäthylenterephthalat wird zu einem Streifen von 22 cm Länge und 1, 5 cm Breite zurechtgeschnitten. Der Elektret wird auf beiden Seiten mit einer Ladung von etwa 10-8 Coulomb/cm2 positiv geladen. Der Streifen wird in Stücke geschnitten, die in eine 30 mm lange Röhre eingebracht werden. Die Röhre wird dann mit Klebband an einer Zigarette befestigt. Als Kontrolle dient eine Zigarette der gleichen Art ohne Elektretfilter.
Zur Bestimmung der Gesamtladung des Rauches der Versuchszigarette und der Kontrollzigarette wird das folgende Verfahren angewendet: Ein Rauchgerät (General Electric), ein Ladungsabnehmer (General Electric), einMikromikroamperemeter (Keithley 410), ein Rauchladungsintegrator (Jefferson Research Laboratories), ein Raumladungs-"Control-Consol" (GeneralEleetric), eine Fisher-Luftpumpe und ein "Rectiriter" (10 MV ; Texas Instrument Company) werden zusammengebaut und geeicht. Die zu untersuchenden Zigaretten werden gewogen, und ihr Zugwiderstand wird bestimmt. Zuerst wird die Kontrollzigarette in die Raucheröffnungen des Rauchgerätes eingesetzt. Die Vakuumpumpe wird angestellt und der Strömungsmesser des"Control-Consol"auf 2, 4 (1050 ml/min) eingestellt.
Hierauf wird das Mikromikroamperemeter auf Null gestellt, der Schaltknopf des Integrators in Arbeitsstellung gedreht und der Registrierkartenantrieb eingelegt. Der Antriebsmotor für das Rauchgerät wird in Gang gesetzt, und die Zigarette wird angezündet, sobald die mit ihr besetzte Öffnung des Rauchgerätes an der Vakuum-Abzugsstellung vorbeiläuft. Wenn die Zigarette angezündet wird, wird gleichzeitig eine Stoppuhr in Gang gesetzt. Nach 35 sec wird der Schaltknopf des Integrators auf Arretierung gestellt. Hiedurch kehrt der Registrierschreiber zur Mitte der Skala zurück. 55 sec nach der Rauchzeit wird der Schaltknopf wieder in Arbeitsstellung gedreht, um die nächste Rauchperiode vorzubereiten. Dieses Verfahren wird bis zum Ende des Versuches sowohl mit der Kontrollzigarette als auch mit der Versuchszigarette fortgesetzt.
Die Gesamtladungen errechnen sich aus der Gleichung :
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Zug. Bei den mit dem elektrostatischen Filter gerauchten Zigaretten beträgt die Ladung des Rauches +2, 1 x 10" Coulomb je Zug, woraus sich ergibt, dass eine selektive Entfernung von geladenen Teilchen aus dem Rauch erzielt worden ist.
Beispiel 2 : Ein Schichtkörper aus 25 dicker, mitAluminium beschichteter Polyäthylenterephthalatfolie wird mit Hilfe eines Polyurethanklebstoffes hergestellt. Hieraus wird ein mit einer Ladung versehener Elektret durch 10 sec langes Anlegen eines Potentials von 600 V an jede Seite hergestellt, so dass die Gesamtladung positiv ist und einen Mittelwert von 4 i l : 1 X 10-9 Coulomb/cm2 hat. Durch Erden der Aluminiumauflagen und Einwirkenlassen eines negativen Potentials von 700 V mit Hilfe einer Messerschneide werden auf den positiven Untergrund in Abständen von etwa 4 : I : 1 mm voneinander
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negative parallele Linien aufgedruckt.
Das Ganze wird derart auf eine Grösse von 20 x 1, 5 cm ge- schnitten, dass die negativen Linien mit dem Rand einen Winkel von 450 bilden. Dann wird der Elektret in eine Glasröhre eingebracht, die gemäss Beispiel 1 an einer Zigarette befestigt wird. Die Kontrollzigaretten und die Versuchszigaretten werden geraucht, und es wird die Gesamtladung des Rauches gemäss Beispiel 1 bestimmt. Die Ladung des Rauches ändert sich von-l, 3 x 10- auf + 3,4 x 10'"Coulomb je Zug.
Beispiel 3 : In diesem Beispiel wird kein Klebstoff verwendet. Zwei Elektrete aus 25 11 dicker,
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In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Teile und Prozentangaben, falls nichts anderes an- gegeben 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 Kubikzentimenter eines Stoffes dem Durchgang des elektrischen Stromes senkrecht zu zwei parallelen Flächen des Würfels entgegensetzt.
DieEinfriertemperatur, die auch als Glastemperatur, Glasübergangstemperatur oder Übergangstemperatur zweiter Ordnung bezeichnet wird, ist diejenige Temperatur, bei der bei einem amorphen Kunststoff oder im amorphen Bereich 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 dem Plastometer aus dem Zustand des viskosen 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. Dielektrischer Körper mit mindestens zwei parallelen Oberflächen, die elektrische Ladungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Schichtkörper ist, der aus zwei Elektreten (10, 12) mit je mindestens zwei parallelen Oberflächen mit einer an nur je einer der beiden Oberflächen anhaftenden, elektrisch leitenden Schicht (11, 13), und einer mittleren Klebstoffschicht (14) so zusammengesetzt ist, dass die beiden Elektreten mit ihren elektrisch leitenden Schichten (11, 13) aneinander festhaften und zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten elektrischer Kontaktbesteht (Fig. 1).