CN111554801A - 一种有机压电薄膜连续极化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机压电薄膜连续极化方法，属于压电材料领域。本发明由于沿着有机压电薄膜宽度方向设置了金属丝状电晕电极，能够在有机压电薄膜宽度方向上产生均匀的极化电场，从而实现对有机压电薄膜的均匀极化。由于有机压电薄膜上下表面没有预先蒸镀或涂覆电极，一旦某一点击穿，将在电晕电极与零电极之间形成间歇放电，但极化电压仍能维持，当该部位在牵引装置的带动下完全通过电晕电极后，间歇放电消失，因此，偶尔产生的极化击穿点不影响极化进程的实现。本发明所述极化方法可以在室温极化，也可以在较高的温度极化，极化温度范围为室温～100℃。另外，本发明还有操作简单、工作效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于压电材料领域，特别涉及一种有机压电薄膜连续极化方法。
背景技术
有机压电薄膜特别是聚偏氟乙烯压电薄膜具有韧性好、抗冲击、频响高、声阻抗低的特点，在爆炸冲击测量、振动测量、结构健康测量、人体脉象测量、水声测量等领域具有广阔的应用价值。
聚偏氟乙烯压电薄膜制备工艺主要包括：熔体挤出片材，单向或双向拉伸晶型转化，高压直流极化。极化是赋予有机压电薄膜压电性能的基本工艺过程，包括接触极化和非接触电晕极化。
接触极化是早期采用的一种极化方法，有大量的文献报道，即将有机压电薄膜夹在两片金属平面之间，在上下两片金属电极上施加电压，对中间的有机压电薄膜进行极化处理，这种方法存在以下缺点：（1）需要较长的时间才能完成，（2）一般需要在较高温度极化（3）一旦有机薄膜存在缺陷被击穿，极化电压将降为零，无法完成极化进程，（4）难以实现连续极化。
非接触电晕极化具有极化时间短，可在室温完成，容易实现连续极化的特点，被逐渐采用。美国专利US4918567报道了“移动电晕放电装置”，可以对有机压电薄膜实现连续极化，其技术方案是：有机压电薄膜上下表面预先蒸镀金属电极或涂覆导电涂料，通过放卷装置和收卷装置将有机压电薄膜张紧，并带动移动，在收放卷装置中间部位的有机压电薄膜两面安装金属薄片作为电晕电极，在薄片状电晕电极上施加直流电压并在一定范围内上下移动，对有机压电薄膜进行极化。该装置虽然可以实现对有机压电薄膜连续极化，但由于最终极化电压仍然是通过有机压电薄膜上下表面蒸镀或涂覆的电极材料施加到有机压电薄膜上的，因此，仍然存在有机薄膜可能被击穿，导致薄膜上下表面蒸镀或涂覆的电极短路，极化电压将降为零，极化进程不能完成的缺点。
中国专利CN1549145公开了“高分子压电材料有序取向装置”。其中涉及对有机压电薄膜进行连续极化的装置和方法，其技术方案为：在对有机压电薄膜进行拉伸取向的同时，进行电晕极化处理，实现拉伸极化同步完成。电晕极化部分主要包括铺放在有机压电薄膜背面的平面铝板，与高压电源的地端连接，有机压电薄膜上表面一定距离处安装的针状阵列电极与电源的高压输出端连接，通过对针状电极阵列施加高压，实现对有机压电薄膜极化处理。该方法可以实现对有机压电薄膜的连续极化，但存在以下缺点：（1）每一根针状电极产生以针为圆心向外辐射的电晕环，所有的针状电极在有机压电薄膜表面上产生许多并排的电晕环，这必然导致有机压电薄膜上的电场分布不均匀，导致有机压电薄膜的压电性能不均匀；（2）针状阵列电极结构复杂，加工困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有机压电薄膜连续极化方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将没有电极的有机压电薄膜，在前后导向辊、压紧辊、牵引辊的作用下，紧贴在与高压极化电源接地端连接的零电极辊上表面，有机压电薄膜上方一定距离处，安装横跨在有机压电薄膜上、与高压极化电源高压输出端连接的线电极作为电晕电极；有机压电薄膜在牵引装置的带动下，连续通过电晕电极下方的极化电场，实现对有机压电薄膜的连续极化。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其操作步骤如下：
1） 制备厚0.02mm～0.5mm的有机压电薄膜；
2） 组装有机压电薄膜极化装置，包括牵引装置、电晕电极和高压极化电源；所述牵引装置，包括从前往后依次放置的放卷辊、前压紧辊组、前导向辊、零电极辊、后导向辊、后压紧辊组以及牵引辊；所述电晕电极，圆柱体结构金属丝，直径0.2mm～0.5mm，位于零电极辊的上方，两者长度方向一致；所述零电极辊和电晕电极分别通过导线与高压极化电源的接地端和输出端连接；所述前压紧辊组和后压紧辊组都包括上下两个压紧辊；
3） 将制备的有机压电薄膜放置到牵引装置上，调整放卷辊、前压紧辊、后压紧辊和牵引辊转动速度，使有机压电薄膜贴在零电极辊的上表面，两者紧密接触；调整电晕电极位置，使其轴心与有机压电薄膜上表面的垂直距离为5mm～20mm；
4）室温下或将有机压电薄膜温度加热至不大于100℃，通过高压极化电源，根据被极化的有机压电薄膜厚度， 对电晕电极施加250V/µm～350V/µm的直流电压；
5）启动牵引装置，带动有机压电薄膜以不大于800mm/min的速度连续通过电晕电极，对其进行连续极化。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述电晕电极为单根。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述电晕电极为2根以上，其以零电极辊的轴心为圆心弧形排列，到有机压电薄膜上表面的垂直距离相等；所有电晕电极电路并联设置。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述相邻两电晕电极的轴心距离，与电晕电极到有机压电薄膜上表面的垂直距离相等。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：在所述电晕电极的一侧或上方设置红外加热灯，来对有机压电薄膜加热。
本发明涉及的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述有机压电薄膜为聚偏氟乙烯压电薄膜、聚偏氟乙烯三氟乙烯压电薄膜、聚偏氟乙烯三氟氯乙烯压电薄膜。
本发明由于沿着有机压电薄膜宽度方向设置金属丝状电晕电极，能够在有机压电薄膜宽度方向上产生均匀的极化电场，从而实现对有机压电薄膜的均匀极化。由于有机压电薄膜上下表面没有预先蒸镀或涂覆电极，一旦某一点击穿，将在电晕电极与零电极之间形成间歇放电，但极化电压仍能维持，当该部位在牵引装置的带动下完全通过电晕电极后，间歇放电消失，因此，偶尔产生的极化击穿点不影响极化进程的实现。本发明所述极化方法可以在室温极化，也可以在较高的温度极化，极化温度范围为室温～100℃。另外，本发明还有操作简单、工作效率高等优点。
四、附图说明
附图1本发明所述采用单根电晕电极对聚偏氟乙烯压电薄膜连续极化方法示意图；
附图2 本发明所述采用多根电晕电极对聚偏氟乙烯压电薄膜连续极化方法示意图。
其中，1-聚偏氟乙烯压电薄膜，2-零电极辊，3-电晕电极，4-高压极化电源，5-前导向辊,6-后导向辊；7-前压紧辊组，8-后压紧辊组；9-放卷辊；10-牵引辊。
五、具体实施方式
下面结合实施例对本发明涉及的极化方法进行详细描述，但不作为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，聚偏氟乙烯压电薄膜1极化装置，包括牵引装置、电晕电极3以及高压极化电源4。
牵引装置，从前往后依次包括放卷辊9、前压紧辊组7、前导向辊5、零电极辊2、后导向辊6、后压紧辊组8以及牵引辊10。前压紧辊组7和后压紧辊组8都由上下两个压紧辊构成。
电晕电极3，单根铜丝制成，外径0.3mm，位于零电极辊2的正上方10mm处，两者分别通过导线与高压极化电源4的输出端和接地端连接。
聚偏氟乙烯压电薄膜1，采用常规方法制备：经熔体挤出、单向拉伸后制成厚0.1mm的聚偏氟乙烯压电薄膜1，缠绕到放卷辊9上。
聚偏氟乙烯压电薄膜1的连续极化操作步骤如下：
首先，室温下，将缠绕在放卷辊9上的聚偏氟乙烯压电薄膜1拉出，使其依次经过前压紧辊组7的上下压紧辊之间、前导向辊5、零电极辊2、后导向辊6、后压紧辊8的上下压紧辊之间以及牵引辊10；在前导向辊5、后导向辊6、前压紧辊组7、后压紧辊组8和牵引辊10的作用下，聚偏氟乙烯压电薄膜1贴在零电极辊2的上表面，两者的接触位置无缝隙。调整电晕电极3位置，使其轴心与零电极辊2正上方的聚偏氟乙烯压电薄膜1上表面垂直距离10mm。
然后通过高压极化电源4，对电晕电极3施加30kV的直流电压，同时启动牵引装置，带动聚偏氟乙烯压电薄膜1以200mm/min的速度连续通过电晕电极3，对其进行连续极化。
极化完成后，对聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数进行测量，测得其d33为20.1 pC/N。
实施例二
按照实施例一的方法，在室温下对不同厚度的聚偏氟乙烯压电薄膜1进行极化，根据薄膜的厚度，对极化电压、牵引速度做相应的调整。
极化完成后，测得聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数见表1。
表1 不同厚度聚偏氟乙烯压电薄膜1极化实验与结果
实施例三
按照实施例一的方法，更换电晕电极3金属丝的材质和直径，在室温下对厚度为0.1mm的聚偏氟乙烯压电薄膜1进行极化。
极化完成后，测得聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数见表2。
表2 室温下不同电晕电极3对0.1mm厚聚偏氟乙烯压电薄膜1极化实验与结果
实施例四
与实施例一不同之处在于：
在电晕电极3的上方安装红外加热灯，对聚偏氟乙烯压电薄膜1加热，通过变压器调整红外加热灯电压，使聚偏氟乙烯压电薄膜1温度分别稳定在50℃、80℃、100℃。
对电晕电极3分别施加30kV、28kV、25kV的直流电压，极化完成后，对聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数见表3。
表3 不同温度对0.1mm厚聚偏氟乙烯压电薄膜1极化实验与结果
实施例五
按照实施例一方法，室温下分别连续极化厚0.1mm聚偏氟乙烯三氟乙烯压电薄膜和聚偏氟乙烯三氟氯乙烯压电薄膜。电晕电极3由直径为0.3mm镀金铜丝制成，其轴心与两种薄膜上表面的垂直距离都为10mm。
极化时，对电晕电极3施加30kV的直流电压，牵引速度为200mm/min。
极化完成后，对压电系数进行测量，测得聚偏氟乙烯三氟乙烯压电薄膜压电薄膜d33为21.5 pC/N， 聚偏氟乙烯三氟氯乙烯压电薄膜d33为12.2 pC/N。
实施例六
与实施例一不同之处在于：
调整电晕电极3与聚偏氟乙烯压电薄膜1之间的垂直距离，并相应调整牵引速度，在相同极化电压下，对厚0.1mm的聚偏氟乙烯压电薄膜1进行极化。
极化完成后，测得聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数见表4。
表4不同电晕电极3距离对聚偏氟乙烯压电薄膜1极化实验与结果
实施例七
与实施例一不同之处在于：
电晕电极3为多根，电路并联设置，如图2所示，其以零电极辊2的轴心为圆心弧形放置，每根电晕电极3到聚偏氟乙烯压电薄膜1上表面垂直距离都为10mm，相邻两根电晕电极3之间轴心距离为10mm。
调整电晕电极3数量,并相应调整牵引速度，在相同极化电压下，对厚0.1mm的聚偏氟乙烯压电薄膜1进行极化。
极化完成后，测得聚偏氟乙烯压电薄膜1的压电系数见表5。
表5 多根电晕电极3对聚偏氟乙烯压电薄膜极化实验与结果
Claims (6)
1.一种有机压电薄膜连续极化方法，其技术方案如下：
① 制备厚度为0.02mm～0.5mm有机压电薄膜；
②（2）组装有机压电薄膜极化装置，包括牵引装置、电晕电极（3）和高压极化电源（4）；所述牵引装置，包括从前往后依次放置的放卷辊（9）、前压紧辊组（7）、前导向辊（5）、零电极辊（2）、后导向辊（6）、后压紧辊组（8）以及牵引辊（10）；所述电晕电极（3），圆柱体结构金属丝，直径0.2mm～0.5mm，位于零电极辊（2）的上方，两者长度方向一致；所述零电极辊（2）和电晕电极（3）分别通过导线与高压极化电源（4）的接地端和输出端连接；所述前压紧辊组（7）和后压紧辊组（8）都包括上下两个压紧辊；
③ 将制备的有机压电薄膜放置到牵引装置上，调整放卷辊（9）、前压紧辊组（7）、后压紧辊组（8）和牵引辊（10）转动速度，使有机压电薄膜贴在零电极辊（2）的上表面，两者紧密接触；调整电晕电极（3）位置，使其轴心与有机压电薄膜上表面的垂直距离为5mm～20mm；
④ 室温下或将有机压电薄膜温度加热至不大于100℃，通过高压极化电源（4），根据制备的有机压电薄膜厚度，对电晕电极（3）施加250V/µm～350V/µm的直流电压；
⑤ 启动牵引装置，带动有机压电薄膜以不大于800mm/min的速度连续通过电晕电极（3），对其进行连续极化。
2.根据权利要求1所述的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述电晕电极（3）为单根。
3.根据权利要求1所述的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述电晕电极（3）为2根以上，其以零电极辊（2）的轴心为圆心弧形排列，到有机压电薄膜上表面的垂直距离相等；所有电晕电极（3）电路并联设置。
4.根据权利要求3所述的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述相邻两电晕电极（3）的轴心距离，与电晕电极（3）到有机压电薄膜上表面的垂直距离相等。
5.根据权利要求1所述的有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：在所述电晕电极（3）的一侧或上方设置红外加热灯，用于对有机压电薄膜加热。
6.根据权利要求1所述的一种有机压电薄膜连续极化方法，其特征在于：所述有机压电薄膜为聚偏氟乙烯压电薄膜、聚偏氟乙烯三氟乙烯压电薄膜和聚偏氟乙烯三氟氯乙烯压电薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200818 |