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Die
Erfindung betrifft eine beschichtete Kunststofffolie, ein Verfahren
zum Herstellen einer beschichteten Kunststofffolie sowie die Verwendung der
beschichteten Kunststofffolie zur Ausrüstung von Sensoren,
Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen.
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Wie
der
DE 10 2004
060 593 A1 entnommen werden kann, werden Elektretfilter üblicherweise
so hergestellt, dass eine elektretfähige Substanz auf das
Trägermaterial aufgebracht, aufgeschmolzen und in einem
elektrischen Feld aufgeladen wird.
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Aus
der
US 5,191,905 A ist
ein Zigarettenfilter bekannt, in dem magnetische Fasern und Elektretfasern
zum Filtern von Feinstaub genutzt werden.
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US 5,162,608 A beschreibt
eine Druckwalze mit einer Elektretbeschichtung, die mit einer Entwicklersubstanz,
magnetische Teilchen enthaltend, in Kontakt kommt.
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US 4,258,730 A beschreibt
eine Ummantelung eines Zigarettenfilters, die einen Schalter mit
einem Elektretkörper und einem magnetischen Körper beinhaltet,
zur Verbesserung der Effizienz des Zigarettenfilters.
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Auch
die
JP 08038934 A betrifft
einen Luftfilter. Bei diesem wird eine Mischung verschiedener Pulver
in einen Behälter eingefüllt. Es entsteht dadurch
eine sehr geringe Kontaktfläche des Elektretmaterials mit
der einströmenden Luft. Da sich nur wenige Elektretpartikel
direkt an der Oberfläche des Filters befinden, kann nur
ein sehr geringer Anteil der Elektretpartikel mit einer möglichst
hohen Spannung aufgeladen werden. Mit dem hierin beschriebenen Material
ist eine flächige Ausrüstung nicht möglich.
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In
den meisten dieser Ausgestaltungsformen wirken die magnetischen
und die Elektretkomponenten aus unterschiedlichen Richtungen auf
dieselben zu filternden Partikel. Zudem können die aus
dem obengenannten Stand der Technik bekannten Elektretmaterialien,
gerade wenn sie als Fasern vorliegen, üblicherweise mit
einer Spannung von höchstens 500 V aufgeladen werden. Selbst
bei einem langsamen Abbau der Ladung werden diese Materialien deshalb
schnell wirkungslos.
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Es
ist also die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Einwirkung von
magnetischem Material und/oder beschichteten Teilchen und Elektretmaterial aus
derselben räumlichen Richtung zu ermöglichen und
das Elektretmaterial mit einer möglichst hohen Spannung
aufladen zu können.
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Diese
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform
gelöst durch eine beschichtete Kunststofffolie, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Beschichtung magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische
Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung in einer Menge in
einem Bereich von 0,01 bis 6 Gew.% und Elektretmaterial in einer
Menge in einem Bereich von 0,1 bis 99 Gew.% enthält.
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Hohe
Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Elektretbeschichtung
sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
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Vorteilhafterweise
enthält die erfindungsgemäße Elektretbeschichtung
jedoch magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische Teilchen mit
einer anorganischen Beschichtung in einer Menge in einem Bereich
von 0,01 bis 1 Gew.% und Elektretmaterial in einer Menge in einem
Bereich von 0,1 bis 10 Gew.%. Niedrige Gehalte an Teilchen in der
erfindungsgemäßen Elektretbeschichtung sind besonders
für Sensoren, Kondensatormikrofonen oder Datenspeichern
geeignet.
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Magnetische
Teilchen im Sinne der Erfindung umfassen vorteilhafterweise Teilchen
mit einer magnetischen Suszeptibilität bei 25°C
von wenigstens 0,1 und höher oder mindestens –0,1
und weniger. Unter magnetischen Teilchen im Sinne der Erfindung
werden darüber hinaus Teilchen verstanden, die diamagnetisch,
ferrimagnetisch, paramagnetisch, superparamagnetisch, antiferromagnetisch,
oder ferromagnetisch sind, oder ferromagnetische Domains aufweisen,
die zwar somit als solche für sich ferromagnetisch sind,
wobei aber die magnetischen Momente der Domains unterschiedliche
Richtungen aufweisen und sich somit ganz oder teilweise aufheben,
so dass nach Außen hin kein oder nur ein schwächeres magnetisches
Moment messbar ist. Elektretmaterial im Sinne der Erfindung ist
ein Material, dass dielektrisch ist und ein permanentes elektrisches
Dipolmoment aufweisen kann.
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Viele
Partikeln, die durch das vom Elektretmaterial aufgebaute elektrische
Feld wandern, tragen eine elektrische Ladung. Wird eine elektrische Ladung
bewegt, so wird neben dem elektrischen Feld ein magnetisches Feld
erzeugt, welches mit dem Magnetfeld der magnetischen Pigmente Wechselwirken kann.
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Das
Verhältnis von Breite zu Länge der magnetischen
Teilchen, das Aspektverhältnis, liegt vorzugsweise in einem
Bereich von 0,5 bis 2. Dadurch weisen die magnetischen Teilchen
eine höhere mechanische Stabilität auf, als solche
Teilchen, die eine länglichere Form haben wie beispielsweise
Fasern.
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Der
mittlere Teilchendurchmesser der magnetischen Teilchen und/oder
nichtmagnetische Teilchen mit anorganischer Beschichtung liegt vorzugsweise
in einem Bereich von 5 bis 50000 nm, insbesondere in einem Bereich
von 5 bis 500 nm. Dadurch ist eine homogenere Verteilung der Teilchen
in der daraus entstehenden Elektretbeschichtung und die Anwendung
in geringeren Schichtdicken möglich.
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Die
ferromagnetischen Teilchen bestehen vorzugsweise aus einem Material,
das ausgewählt ist aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel,
Fe2O3, Fe3O4, CrO2,
Bariumferrit, Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Terbium,
Al-Ni-Co-Legierung, Sm-Co-Legierung, Nd2Fe14B, Ni-Fe-Legierung, Ni-Cu-Co-Legierung,
Manganarsenid, Europiumoxid, Seltenerdenlegierung, Permalloy, Siliciumeisen, Mn-Zn-Ferrite,
Supermalloy, Bariumoxid, Nd-Fe-B-Legierung oder einer Mischung derselben.
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Bei
der Filtration von Luft durch Vlies- oder andere Filtermedien werden
Staubpartikel an dem Filtermedium abgeschieden. Kleine und kleinste
Partikel, Feinstaub und Nanopartikel, passieren das Filtermedium
jedoch oft ungehindert und werden somit nicht abgetrennt. Das erfindungsgemäße
Ziel ist es also, auch diese Partikel abzuscheiden. Meist tragen die
Staubpartikel entweder eine positive oder eine negative Ladung,
was sich für die Staubabscheidung ausnutzen lässt.
Bisher wird dies über die elektrische Aufladung von Beschichtungen
des Filtermediums durchgeführt. Die vorliegende Erfindung
nutzt genau diesen Effekt der Staubpartikel. Bekanntermaßen
ist ATO ein Halbleiter und kann geladene Staubpartikel durch elektrische
Anziehungskräfte binden. So wird bei beschichteten Glimmerpartikeln
durch die Beschichtung mit Antimon-dotiertem Zinnoxid eine bessere
Ladungserhaltung erreicht.
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Die
nichtmagnetischen Teilchen umfassen beispielsweise, insbesondere
bestehen aus, Schichtsilikaten. Zudem sind die erfindungsgemäßen
Teilchen nichtmagnetisch. Bevorzugt bestehen die Teilchen aus Glimmer.
Der Vorteil von Glimmer ist, dass es sich hier um Plättchen
handelt, die sich bei der Trocknung der Beschichtung zum großen
Teil flach auf der Substratoberfläche ablegen. Es ist daher
die ganze Oberfläche des Plättchens wirksam.
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Die
anorganische Beschichtung insbesondere der Glimmerteilchen weist
vorteilhafterweise eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis
200 nm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 nm, ganz besonders
bevorzugt 12 bis 30 nm auf. Die Beschichtungdicke ist vorteilhafterweise
möglichst gering. Die Beschichtung ist dann amorph, was
zu einer besseren Ladungsspeicherung führt. Zudem wird
dadurch weniger Beschichtungsmaterial benötigt, wodurch diese
Teilchen wirtschaftlicher hergestellt werden können.
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Die
anorganische Beschichtung enthält vorzugsweise ein Material
ausgewählt aus der Gruppe Antimon-dotiertes Zinnoxid, Siliziumoxid,
Titandioxid oder Mischungen derselben. Besonders bevorzugt besteht
die Beschichtung daraus. Ganz besonders bevorzugt besteht die Beschichtung
aus Antimon-dotiertem Zinnoxid, einem Gemisch aus Antimon-dotiertem
Zinnoxid und Siliziumoxid oder einem Gemisch aus Titandioxid, Siliziumoxid
und Antimon-dotiertem Zinnoxid. Diese Materialien sind Halbleiter und
können dadurch Staubpartikel durch elektrische Anziehungskräfte
binden. Durch die Beschichtung wird eine bessere Ladungserhaltung
erreicht.
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Siliziumoxid
und Zinnoxid im Sinne der Erfindung umfasst mindestens eines aller
bekannten Oxide von Silizium beziehungsweise Zinn.
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Hohe
Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Elektretausrüstung
sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
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Das
Gewichtsverhältnis von Elektretmaterial zu magnetischen
Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit einer anorganischen
Beschichtung beträgt vorteilhafterweise mindestens 1,2:1,
da so eine besonders gute Abscheidecharakteristik von Staub verwirklicht
werden kann.
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Das
Elektretmaterial ist vorzugsweise anorganisch oder organisch, insbesondere
ausgewählt aus der Gruppe Methylsiloxan, Fluoralkylsilan, Fluorpolyurethan,
Fluorpolyacrylat, Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen,
Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid, Copolymere dieser
vorgenannten Polymere, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Bariumtitanat
oder Carnaubawachs.
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Ganz
besonders bevorzugt umfasst das Elektretmaterial Fluor-haltige oder
Fluor-freie Polymere, wie beispielsweise Baygard AFF® der
Lanxess AG, Fluor-haltige oder Fluor-freie Acrylpolymere bzw. -copolymere,
wie beispielsweise Dicrylan® AC
der Firma Huntsman Textile Effects, Fluorhaltige oder Fluor-freie
Polyurethane, wie beispielsweise Alberdingk® U2101
der Alberdingk Boley GmbH, Fluor-haltiges oder Fluor-freies Polyethylen,
wie beispielsweise Permanol® HDL
der Dick Peters B. V. oder Fluoralkylsilane oder deren Salze, wie
beispielsweise Dynasilan® F8815
der Degussa AG.
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Die
erfindungsgemäßen Fasern umfassen neben den Teilchen
und dem Elektretmaterial weitere Polymere, insbesondere Thermoplaste
und/oder Elastomere. Thermoplaste im Sinne der vorliegenden Erfindung
umfassen beispielsweise Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen
sowie deren Copolymere; Vinylpolymere, insbesondere Polyvinylalkohole
und/oder Polyvinylacetat; Polyamide; Polyester; Polyether; Polyacrylate,
insbesondere Polymethylmethacrylat; Polycarbonate; Polyphenylensulfid; Polysulfone;
Polysiloxane; so auch Polyurethane und Ionomere.
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Die
erfindungsgemäß zu beschichtende Kunststofffolie
weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 20 bis 200 μm
auf. Die Materialien sind vorzugsweise aus denselben Gruppen ausgewählt,
die auch für die Beschichtung maßgebend sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen beschichteter Folien,
dadurch gekennzeichnet, dass man in einem ersten Schritt eine Elektretausrüstung,
die magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit
einer anorganischen Beschichtung enthält, mit einer Kunststofffolie
in Kontakt bringt, und in einem nachfolgenden Schritt die Folie
in einem elektrischen Feld auflädt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich im
Unterschied zum Stand der Technik erstmals magnetische Komponenten
und Elektretkomponenten so positionieren, dass sie im Wesentlichen aus
derselben Richtung auf Partikel einwirken können. So können
sich bewegende, elektrisch geladene Teilchen, welche dadurch auch
ein magnetisches Moment erhalten, besonders effektiv angezogen werden,
da das elektrische Feld und das magnetische Feld aus derselben Richtung
einwirken können. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren lässt sich die Elektretbeschichtung mit besonders
hohen elektrischen Spannungen aufladen. So beträgt die
Spannung vorteilhafterweise mindestens 0,5 kV, insbesondere liegt
die Spannung in einem Bereich von 1 bis 100 kV, insbesondere in
einem Bereich von 10 bis 50 kV. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wurde weiterhin überraschenderweise gefunden,
dass so hergestellte Beschichtungen eine gegenüber dem Stand
der Technik wesentlich verbesserte Ladungserhaltung aufweisen.
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Die
erfindungsgemäße Elektretbeschichtung kann auch
durch Sprühen, Tauchen, Coextrudieren oder Rakeln auf die
Kunststofffolie aufgetragen werden.
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In
der Beschichtung sind neben gegebenenfalls üblichen Additiven
wie Bindemitteln, Farbstoffen oder ähnlichen Bestandteilen
vorzugsweise 1 bis 20 Gew.% magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetischen
Teilchen mit anorganischer Beschichtung und vorzugsweise 80 bis
99 Gew.% Elektretmaterial enthalten.
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Die
Schichtdicke der erfindungsgemäßen Elektretbeschichtung
beträgt vorzugsweise 0,1 bis 100 μm, insbesondere
1 bis 30 μm.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kunststofffolie
zur Herstellung von Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern
oder Membranen.
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Ausführungsbeispiele:
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Beispiel 1:
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99
Gew.-Teile einer Poly(methyl)methacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma
Röhm und 1 Gew.-Teil Magnetpigment Ferronan 8500 der Firma Nano
Chemonics mit einer Partikelgröße von ca. 20 bis
30 nm wurden bei 150°C in einem Extruder geschmolzen und
gemischt und zu einer transparenten Folie mit einer Dicke von ca.
10 μm bis 50 μm extrudiert. Die hergestellte Folie
konnte über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen
werden.
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Beispiel 2:
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93
Gew.-Teile einer Poly(methyl)methacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma
Röhm, 2 Gew.-Teile eines magnetischen Eisenoxidpigmentpulvers,
Magnetpigment 346 der BASF AG, Partikelgröße < 1 μm und
5 Gew.-Teile des mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwachses
LancoTM TF 1780 EF der Lubrizol Coating
Additives GmbH, Ritterhude, wurden bei 150°C in einem Extruder
geschmolzen und gemischt und zu einer schwarzen Folie mit einer
Dicke von ca. 10 μm bis 50 μm extrudiert. Die
hergestellte Folie konnte über eine Balkenelektrode wie
oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 3:
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94
Gew.-Teile einer Poly(methyl)methacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma
Röhm, 1 Gew.-Teil Magnetpigment Ferronan 8500 der Firma Nano
Chemonics mit einer Partikelgröße von ca. 20 bis
30 nm und 5 Gew.-Teile des mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwachses
LancoTM TF 1780 EF der Lubrizol Coating
Additives GmbH, Ritterhude, wurden bei 150°C in einem Extruder
geschmolzen und gemischt und zu einer weißen Folie mit
einer Dicke von ca. 10 μm bis 50 μm extrudiert. Die
hergestellte Folie konnte über eine Balkenelektrode wie
oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 4:
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5
g eines wässrigen Flurosilans (Dynasilan® F
8815 der Firma Evonik) wurden mit 1 g eines Glimmers mit einer Beschichtung
aus einer Mischung aus Titandioxid und Siliziumdioxid und Antimon-dotiertem Zinnoxid
(Partikelgröße etwa 5 bis 60 μm, Minatec 30CM
der Merck KGaA) in 94 g VE-Wasser dispergiert. Die Dispersion wurde
durch Sprühen auf eine 50 μm dicke PET-Folie dispergiert
und bei 50°C bis zur Trockenheit ausgeheizt. Die Trockenschichtdicke beträgt
ca. 60 μm. Die beschichtete Folie konnte über eine
Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 5:
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5
g eines wässrigen Flurosilans (Dynasilan® F
8815 der Firma Evonik) wurden mit 1 g einer ca. 20%igen ethanolischen
Dispersion des nichtmagnetischen Eisenoxidpigments der Bühler
AG (V306 MP) mit einer Partikelgröße von ca. 30
nm gemischt und in 94 g VE-Wasser dispergiert. Die Dispersion wurde durch
Sprühen auf eine 50 μm dicke PET-Folie dispergiert
und bei 50°C bis zur Trockenheit ausgeheizt. Die Trockenschichtdicke
beträgt ca. 250 nm. Die beschichtete Folie konnte über
eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004060593
A1 [0002]
- - US 5191905 A [0003]
- - US 5162608 A [0004]
- - US 4258730 A [0005]
- - JP 08038934 A [0006]