DE1704762B2 - Use of a vinylidene fluoride polymer film as a dielectric - Google Patents
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Description
In Erzeugnissen, wie Kondensatoren, wurden bisher als Dielektrika viele verschiedenartige Stoffe in folienartiger Form zusammen mit Papier als Grundmaterial verwendet. Mit dem wachsenden Bedürfnis, kleinere Kondensatoren und Bauteile herzustellen, verbreiteten sich in den letzten Jahren verschiedenartige Folien oder Filme aus Kunstharz. Das VoIumen ν pro Kapazitätseinheit, das ein Maß für die räumliche Größe eines Kondensators ist, kann man durch folgende Gleichung ausdrücken:In products such as capacitors, many different substances have been used as dielectrics in a sheet-like form together with paper as the base material. With the growing need to manufacture smaller capacitors and components, synthetic resin foils of various types have spread in recent years. The volume ν per capacitance unit, which is a measure of the spatial size of a capacitor, can be expressed by the following equation:
(d + t)d(d + t) d
[mnr/,ix[mnr /, ix
3535
Dabei istIt is
d die Stärke der Folie zwischen den Elektroden in Millimeter, d is the thickness of the foil between the electrodes in millimeters,
K gleich 3,6 ■ .τ 10\
f' die Dielektrizitätskonstante der Folie,
t die Stärke jeder Elektrode in Millimeter. K equals 3.6 ■ .τ 10 \
f 'is the dielectric constant of the foil,
t is the thickness of each electrode in millimeters.
Es ist bekannt, daß Polyvinylidenfluorid-Folien, kurz PVDF-Folien genannt, im Vergleich mit anderen Kunstharz-Folien eine hohe Dielektrizitätskonstante haben. Ferner ist bekannt, daß Polyvinylfluorid-Folien ebenfalls eine hohe Dielektrizitätskonstante haben, die im wesentlichen mit der Dielektrizitätskonstante von PVDF-Folien übereinstimmt.It is known that polyvinylidene fluoride films, called PVDF films for short, in comparison with others Synthetic resin foils have a high dielectric constant. It is also known that polyvinyl fluoride films also have a high dielectric constant, which is essentially the same as the dielectric constant of PVDF foils.
Gereckte Folien aus Vinylidenfluorid-Homopolymerisaten sind bereits aus der US-PS 3197 538 bekannt. Bei ihnen dient das Recken dazu, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Weiter ist es aus der Literaturstelle Kolloid-Zeitschrift 153, 5 bis 27 (1957), bekannt, daß bei Folien aus hochpolymeren Kunststoffen durch Recken der dielektrische Verlustfaktor verändert werden kann.Stretched films made from vinylidene fluoride homopolymers are already known from US Pat. No. 3,197,538. With them, the stretching is used, the mechanical Properties to improve. It is also from the reference Kolloid-Zeitschrift 153, 5 to 27 (1957), known that in films made of high polymer plastics, the dielectric loss factor due to stretching can be changed.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines noch verbesserten Dielektrikums in Form von Polyvinyliden-Folien, das neben einer erhöhten Dielektrizitätskonstante zugleich einen verringerten Verlustfaktor aufweist.The object of the invention is to create an even better dielectric in the form of polyvinylidene films, In addition to an increased dielectric constant, this also means a reduced loss factor having.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention specified in claim 1.
Man hat nämlich gefunden, daß beim Recken einer unorientierten Folie aus einem PVDF-Polymerisat in mindestens einer Richtung die Dielektrizitätskonstante der gereckten Folie größer wird. Die gereckte Folie hat also eine größere Dielektrizitätskonstante als die bekannten PVDF-Folien.It has been found that when stretching an unoriented film made of a PVDF polymer in at least one direction the dielectric constant of the stretched film is greater. The stretched one The film therefore has a higher dielectric constant than the known PVDF films.
Ferner hat man gefunden, daß sich bei niedrigen Frequenzen der dielektrische Verlustfaktor oder dielektrische Verlustwinkel einer durch Recken orientierten Folie beträchtlich verbessert und daher wesentlich niedriger ist als bei einer unorientierten Folie. Der Verlustfaktor wird ferner durch Wärmebenandeln der gereckten Folie verbessert. Bei der Wärmebehandlung der Folie ist diese in ihrer Orientierungsrichtung unter einem wirksamen Spannungszustand zu halten. Da es möglich ist, die Folien dünn auszubilden, spielen sie eine große Rolle bei der Volumenverkleinerung von Kondensatoren und ähnlichen Bauteilen.It has also been found that the dielectric loss factor or dielectric Loss angle of a film oriented by stretching is considerably improved and therefore essential is lower than that of an unoriented film. The loss factor is further reduced by heat treatment the stretched film improved. During the heat treatment of the film, it is under an effective state of tension in its direction of orientation to keep. Since it is possible to make the foils thin, they play a major role in reducing the volume of capacitors and similar components.
Die erfindungsgemäß verwendeten PVDF-Folien kommen dem Erfordernis nach kleinen Bauteilen noch in einem viel größeren Maße nach als die bekannten PVDF-Folien oder Polyvinylfluorid-Folien sowie andere Kunstharzfolien, weil sie zusätzlich zu ihrer geringen Stärke eine wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante haben.The PVDF films used according to the invention meet the requirement for small components to a much greater extent than the known PVDF films or polyvinyl fluoride films as well as other synthetic resin films because, in addition to their low thickness, they have a much higher dielectric constant to have.
Da weiterhin der Verlustfaktor bei den erfindungsgeinäß verwendeten PVDF-Folien beträchtlich geringer ist als bei den bekannten Folien, wird der erfindungsgemäß verwendeten. Folie eine große praktische Bedeutung Für die Herstellung von Kondensatoren zugemessen. Die erfindungsgemäß verwendete PVDF-Folie kann aber wie andere dielektrische Stoffe auch für andere Verwendungszwecke benutzt werden, beispielsweise als Lumineszenzstoff.Since the loss factor continues in the erfindungsgeinäß PVDF films used is considerably less than in the case of the known films, that according to the invention used. Foil is of great practical importance for the manufacture of capacitors measured. The PVDF film used according to the invention can, however, like other dielectric films Substances can also be used for other purposes, for example as a luminescent substance.
Man hat gefunden, daß die Dielektrizitätskonstante von erfindungsgemäß verwendeten PVDF-Folien gleich 10 oder höher ist und daß der Verlustfaktor nahezu 1 % oder weniger beträgt.It has been found that the dielectric constant of PVDF films used according to the invention is 10 or more and that the loss factor is almost 1% or less.
Zur Herstellung der für die erfindungsgemäß verwendeten Folien geeigneten Polyvinylidenfluoride wird ein Harz verwendet, das nach einem bekannten Verfahren durch Polymerisation von Vinylidenfluorid mit sich selbst oder mit einem Monomerengemisch hergestellt wird, 80 Gewichtsprozent oder mehr Vinylidenfluorid enthält und in der Lage ist, Mischpolymerisate zu bilden. Ein Polyvinylidenfluorid, das durch Polymerisation von Vinylidenfluorid bei einer Temperatur, die unterhalb der kritischen Temperatur liegt, hergestellt ist, eignet sich für die Zwecke der Erfindung besonders gut, da es eine molekulare Anordnung von größerer Regelmäßigkeit annehmen kann.For the production of the polyvinylidene fluorides suitable for the films used according to the invention a resin is used which is obtained by a known method by polymerizing vinylidene fluoride is made with itself or with a mixture of monomers, 80 weight percent or more vinylidene fluoride contains and is able to form copolymers. A polyvinylidene fluoride that by polymerizing vinylidene fluoride at a temperature below the critical temperature is, is produced, is particularly suitable for the purposes of the invention, since it is a molecular May assume arrangement of greater regularity.
Zur Herstellung der unorientierten PVDF-Folie kann man irgendein bekanntes Verfahren anwenden, wie das Gießverfahren, Schmelzspritzverfahren oder Kalanderverfahren. Dabei wird das Polyvinylidenfluorid bei vorhandenem oder nicht vorhandenem Lösungsmittel folienartig oder röhrenförmig ausgebildet. Any known method can be used to produce the unoriented PVDF film, such as the casting process, melt spraying process or calendering process. This is the polyvinylidene fluoride in the presence or absence of solvent, it is formed in a film-like or tubular shape.
Die auf diese Weise hergestellten Folien haben im allgemeinen einen unorientierten Aufbau, in dem man Sphärolithe mit Hilfe eines Mikroskops erkennen kann. Zumindest sind jedoch dem Begriff nach unendlich kleine Sphärolithe vorhanden, wie es unter einem Elektronenmikroskop zu sehen ist. In allen Fällen wurde unabhängig davon, ob Sphärolithe im Aufbau zu sehen waren oder nicht, eine willkürliche MoIekularorientation in unorientierten Folien durch Röntgenstrahlenreflexion nachgewiesen.The films produced in this way generally have an unoriented structure in which one Can recognize spherulites with the help of a microscope. However, at least they are conceptually infinite small spherulites present as seen under an electron microscope. In all cases became an arbitrary molecular orientation regardless of whether spherulites could be seen in the structure or not detected in unoriented foils by x-ray reflection.
Beim Herstellen dieser unorientierten PVDF-Folien wird in manchen Fällen eine Teilorientierung hervorgerufen, und zwar durch irgendwelche Vorgänge beim Herstellungsverfahren, beispielsweise durch Strecken beim Hochnehmen der Folie nach dem Schmelzgießen und vor dem völligen Erhärten oder durch Druckeinwirkung mittels Walzen oder Rollen nach dem Erhärten. Diese Folien haben jedoch keine bestimmte Richtungseigenschaft, wie man durch Röntgenstrahlreflexion nachweisen kann, und können noch als unorientierte Folien betrachtet werden.When making these unoriented PVDF films a partial orientation is caused in some cases by some processes at the Manufacturing process, for example by stretching when lifting the film after melt casting and before complete hardening or by applying pressure by means of rollers or rollers hardening. However, these foils do not have a specific directional property, as can be seen by X-ray reflection can prove, and can still be viewed as unoriented slides.
Die erfindungsgemäß verwendeten Folien werden aus im wesentlichen unorientierten Folien dadurch hergestellt, daß diese Folien um 150% oder mehr in mindestens einer Richtung gereckt werden. Für den Fall, daß nach dem ersten Reckvorgang durch Erwärmen ein weiteres Strecken oder Schrumpfen stattfindet, soll die endgültig gereckte Folie ebenfalls um mindestens 150% in bezug auf die Länge der ursprünglichen, nicht orientierten Folie verlängert worden sein. Bei einer derart gereckten Folie ist es möglich, eine bestimmte Anordnung der Molekularketten in mindestens einer Richtung durch Röntgenstrahlreflexion nachzuweisen.The films used according to the invention are thereby made from essentially unoriented films made that these films are stretched 150% or more in at least one direction. For the In the event that further stretching or shrinking takes place after the first stretching process by heating, should the finally stretched film also be at least 150% in relation to the length of the original, non-oriented slide may have been extended. With a film stretched in this way, it is possible to use a certain arrangement of the molecular chains in at least one direction by X-ray reflection to prove.
Die bei Raumtemperatur vorgenommenen Meßergebnisse der Dielektrizitätskonstante und des Verlustfaktors von verschiedenen unorientierten PVDF-Folien und von verschiedenen, durch Recken orientierten, erfindungsgemäß verwendeten PVDF-Folien sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Diese Messungen wurden mit einem Transformatorbrückengerät (hergestellt von Ando Denki Co., Japan) vorgenommen. Als Meßelektroden dienten unter Vakuum bedampfte Aluminiumelektroden.The measurement results of the dielectric constant and the dissipation factor made at room temperature of various unoriented PVDF films and of various, oriented by stretching, PVDF films used according to the invention are compiled in Table 1. These measurements were made with a transformer bridge apparatus (manufactured by Ando Denki Co., Japan). Aluminum electrodes vapor-deposited under vacuum were used as measuring electrodes.
Als PVDF-Harz wurden zwei Arten von Harzen verwendet, nämlich Harz A, das durch Emulsionspolymerisation bei hoher Temperatur hergestellt wurde und das bei Auflösung von 0,4 g Harz in 100 cm3 Dimethylformamid bei 300C eine grundmolare Viskosität '/,„,, von 1,7 hat, sowie Harz B, das durch Suspensionspolymerisation bei einer Temperatur, die unterhalb der kritischen Temperatur lag, hergestellt wurde und eine grundmolare Viskosität i/inh von 1,00 aufweist. As a PVDF resin were used two kinds of resins, namely, resin A, which was prepared by emulsion polymerization at high temperature and at the resolution of 0.4 g of resin in 100 cm 3 of dimethylformamide at 30 0 C has an intrinsic viscosity '/, " , of 1.7, as well as resin B, which was prepared by suspension polymerization at a temperature which was below the critical temperature and has an intrinsic viscosity i / inh of 1.00.
Die unorientierte Folie wurde dadurch hergestellt, daß man eine 20%ige Lösung von PVDF in Dimethylformamid über eine Glasplatte fließen ließ, die Temperatur der Lösung durch Bestrahlung mit einer Infrarotlampe allmählich erhöhte, um das Lösemittel zu verdampfen, das verbleibende PVDF auf eine endgültige Temperatur von 190 bis 200GC erhitzte, um das PVDF vollständig zu schmelzen, und dann das geschmolzene PVDF mit Wasser auf eine Temperatur von 200C abschreckte oder das PVDF in einer Atmosphäre allmählich oder stufenweise auf Raumtemperatur abkühlte.The unoriented film was prepared by flowing a 20% solution of PVDF in dimethylformamide over a glass plate, gradually increasing the temperature of the solution by exposure to an infrared lamp to evaporate the solvent, the remaining PVDF to a final temperature of 190 to 200 G C to melt the PVDF completely, and then quenched the melted PVDF with water to a temperature of 20 0 C or the PVDF in an atmosphere gradually or gradually cooled to room temperature.
Die Folien, die durch das allmählich oder stufenweise vorgenommene Abkühlen hergestellt worden waren, waren unorientiert mit einem Aufbau, in dem die Sphärolithe mit bloßem Auge oder mit Hufe eines optischen Mikroskops sichtbar waren. Die Folien, die durch Abschrecken hergestellt worden waren, waren ebenfalls unorientiert, jedoch konnte man mit einem optischen Mikroskop keine Sphärolithe nachweisen. The films produced by gradual or gradual cooling were, were disoriented with a structure in which the spherulites were visible to the naked eye or with a hoof optical microscope were visible. The foils made by quenching were also disoriented, but no spherulites could be detected with an optical microscope.
Die orientierten PVDF-Folien wurden dadurch hergestellt, daß zunächst PVDF-Pulver zwischen zwei Platten mit chromplattierten Oberflächen gebracht wurde. Das zwischen den Platten eingeschlossene Pulver wurde dann bei einer Temperatur von 230cC und einem Druck von 100 kg/cm2 5 Minuten lang gepreßt und der gepreßte Stoff in Wasser von 5C abgeschreckt oder in Luft allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wurde die so erhaltene Folie in einer Richtung auf ihre vierfache Länge gereckt.The oriented PVDF films were produced by first placing PVDF powder between two plates with chrome-plated surfaces. The powder enclosed between the plates was then pressed at a temperature of 230 ° C. and a pressure of 100 kg / cm 2 for 5 minutes, and the pressed material was quenched in water at 5 ° C. or gradually cooled to room temperature in air. The film thus obtained was then stretched in one direction to four times its length.
Vergleich zwischen den Dielektrizitätskonstanten (/') und den Verlustfaktoren (tan Λ) von unorientierten und orientierten PVDF-HarzenComparison between the dielectric constant (/ ') and the loss factors (tan Λ) of unoriented and oriented PVDF resins
Eigenschaftcharacteristic
Frequenz (Hz)
30Frequency (Hz)
30th
ι' tan fi ι 'tan fi
6060
120 1(XH)120 1 (XH)
10 0(X)10 0 (X)
Foliensliirke Foil thickness
tan Λtan Λ
Unorientierte Folie
A, schnell gekühltUnoriented slide
A, chilled quickly
A, allmählich gekühltA, gradually chilled
B, schnell gekühltB, chilled quickly
B, allmählich gekühltB, gradually cooled
HandelsüblicheCommercially available
PVDF-Folie*)PVDF film *)
106
10,5
12,2
11,1106
10.5
12.2
11.1
7,9
7,7
7,1
6,97.9
7.7
7.1
6.9
10,3
10,2
11,8
11,110.3
10.2
11.8
11.1
6,0 6,26.0 6.2
5,3 5,15.3 5.1
9,9 10,0 11,6 11,0 tan Λ9.9 10.0 11.6 11.0 tan Λ
5,0 4,8 4,35.0 4.8 4.3
3,73.7
9,59.5
9,69.6
11,211.2
10,710.7
tan Λtan Λ
3,3
2,2
2,0
1,63.3
2.2
2.0
1.6
9,19.1
9,49.4
11,011.0
10,610.6
tan Atan A
2,7 2,0 1,8 1,52.7 2.0 1.8 1.5
10,0 6,6 9,6 5,5 9,4 4,2 9,2 2,0 8,9 1,910.0 6.6 9.6 5.5 9.4 4.2 9.2 2.0 8.9 1.9
Folic aus unorientiertem Vorprodukt, längs einer Richtung gerecktFolic made from unoriented preproduct, stretched in one direction
A, schnell gekühlt 13,4 2,3 — — 13,3 1,2 12,9 1,4 12,6 2,5A, fast chilled 13.4 2.3 - - 13.3 1.2 12.9 1.4 12.6 2.5
A, allmählich gekühlt 13,0 2,3 — — 12,8 1,8 12,6 1,6 12,1 2,5A, gradually chilled 13.0 2.3 - - 12.8 1.8 12.6 1.6 12.1 2.5
B, schnell gekühlt 14,7 1.3 14,6 1,3 14,5 1,3 14,3 1,7 14,1 2,2 B, allmählich gekühlt 14,3 2,4 14,1 1,9 13,9 1,6 13,6 1,4 13,3 2,7B, quick chilled 14.7 1.3 14.6 1.3 14.5 1.3 14.3 1.7 14.1 2.2 B, gradually chilled 14.3 2.4 14.1 1.9 13.9 1.6 13.6 1.4 13.3 2.7
*) PVDF-Folie (/,,„,, = 1.7). hergestellt von Pensalt Chemical Co.. V.Sl.A. Es wird angenommen, daß die Folie durch Emulsionspolymerisation bei einer Temperatur von 100 C oder mehr hergestellt wurde.*) PVDF film (/ ,, ",, = 1.7). manufactured by Pensalt Chemical Co .. V.Sl.A. It is believed that the film is produced by emulsion polymerization was produced at a temperature of 100 C or more.
(μηι)(μηι)
30 30 30 3030 30 30 30
4848
30 30 30 3030 30 30 30
Die in Tabelle I dargestellten Meßergebnisse zeigen sehr deutlich, daß gereckte Folien eine höhere Dielektrizitätskonstante haben als unorientierte, und zwar bei allen Vergleichsmessungen. Ferner geht aus der Tabelle hervor, daß beim Recken gleichzeitig mit dem Erhöhen der Dielektrizitätskonstante eine beträchtliche Verminderung des Verlustfaktors auftritt, und zwar be< einer Frequenz, die gleich oder kleiner als 1 kHz ist.The measurement results shown in Table I show very clearly that stretched films have a higher dielectric constant than unoriented films, namely in all comparative measurements. It is also clear from the table that a significant reduction of the loss factor occurs during stretching at the same time with the increase of the dielectric constant, namely be <a frequency which is equal to or less than 1 kHz.
In allen Fällen haben die bei einer niedrigen Temperatur polymerisierten PVDF-Harze eine größere Dielektrizitätskonstante als die bei einer höheren Temperatur polymerisierten Harze. Dies kann man auf die größere Regelmäßigkeit in der kristallinen Struktur der bei einer niedrigeren Temperatur polymerisierten PVDF-Harze zurückführen.In all cases, the PVDF resins polymerized at a low temperature have a larger one Dielectric constant than the resins polymerized at a higher temperature. One can do this due to the greater regularity in the crystalline structure of those polymerized at a lower temperature Recycle PVDF resins.
Während die durch Recken orientierten PVDF-Folien eine wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante und einen geringeren Verlustfaktor im Niederfrequenzbereich haben, hat man ferner festgestellt, daß der Verlustfaktor dieser durch Recken orientierten PVDF-Folien mittels einer Wärmebehandlung nach dem Recken weiter verbessert werden kann. Durch zahlreiche Versuche wurde gefunden, daß es durch eine genauestens überwachte Wärmebehandlung möglich ist, den Verlustfaktor tan A bis auf etwa 0,5% zu verringern, ohne daß dabei die hohe Dielektrizitätskonstante dieser PVDF-Folien abnimmt.While the stretched oriented PVDF films have a much higher dielectric constant and a lower loss factor in the low frequency range, it has also been found that the loss factor of these stretched oriented PVDF films can be further improved by means of a post-stretching heat treatment. It has been found through numerous tests that it is possible, by means of a precisely monitored heat treatment, to reduce the loss factor tan A to about 0.5% without the high dielectric constant of these PVDF films decreasing.
Die durch Recken orientierten Folien werden wieder in ihrer Orientierungsrichtung unter Zugspannung gebracht und bei einer Temperatur zwischen 125 und 175' C, vorzugsweise 135 und 170° C, wärmebehandelt. Der Verlustfaktor tan 6 dieser Folien verbessert sich dabei vom Bereich 1,0 bis 1,5% auf einen Bereich, der zwischen 0,5 und 1,0% liegt. Vorzugsweise wird eine derart behandelte Folie unmittelbar nach der Wärmebehandlung, beispielsweise mit Wasser, abgeschreckt, wodurch die Verbesserung des Verlustfaktors tan Λ noch deutlicher ausfällt.The films oriented by stretching are put under tension again in their direction of orientation and heat-treated at a temperature between 125 and 175.degree. C., preferably 135 and 170.degree. The loss factor tan 6 of these foils improves from the range 1.0 to 1.5% to a range between 0.5 and 1.0%. A film treated in this way is preferably quenched immediately after the heat treatment, for example with water, as a result of which the improvement in the loss factor tan Λ is even more pronounced.
Unter normalen Bedingungen ist die Wärmekapazität der Folie bei der Wärmebehandlung sehr gering, weil die Folie sehr dünn ist. Wenn die Folie daher aus dem beheizten Raum genommen wird, kühlt sie die kühle Urngebungsluft sehr schnei' ab. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei einem Fertigungsverfahren, ist die umgebende Atmosphäre nicht immer kühle Luft. Die Kühlwirkung nach der Wärmebehandlung kann daher nicht in allen Fällen sichergestellt werden, und es ist dann notwendig, eine schnelle Abkühlung durch Luft, Wasser oder durch kühle Oberflächen, auf denen die Folie abrollt, vorzunehmen. Under normal conditions, the heat capacity of the film during heat treatment is very low, because the film is very thin. Therefore, when the film is taken out of the heated room, it cools the cool ambient air was very snowy. Under certain Conditions, for example in a manufacturing process, are the surrounding atmosphere not always cool air. The cooling effect after the heat treatment can therefore not be achieved in all cases be ensured, and it is then necessary to use air, water or by rapid cooling make cool surfaces on which the film rolls off.
Der orientierte Aufbau der molekularen PVDF-Ketten trägt zur Verbesserung des Verlustfaktors tan Λ bei. Dies wird durch eine Wärmebehandlung der unter einer wirksamen Spannung stehenden Folie vorgenommen. Die auf den orientierten Aufbau der Folie zurückzuführenden elektrischen Eigenschaften kann man um so mehr verbessern, je schneller die Abkühlung nach der Wärmebehandlung durchgeführt wird.The oriented structure of the molecular PVDF chains helps to improve the loss factor tan Λ at. This is done by heat treating the film under effective tension performed. The electrical properties attributable to the oriented structure of the film the faster the cooling is carried out after the heat treatment, the more it can be improved will.
ίο Zur Verbesserung des Verlustfaktors sind die Bedingungen bei der nach dem Recken erfolgenden Wärmebehandlung, also die Temperatur und die wirksame Spannung, äußerst wichtig. Dabei soll unter dem Ausdruck »wirksame Spannung« nicht notwendigerweise verstanden werden, daß die Folie bereits beim Beginn der Wärmebehandlung unter Spannung steht. Ein Zusammenschrumpfen der Folie, das innerhalb des prozentualen Schrumpfmaßes bei der Wärmebehandlungstemperatur der Folie liegt, wird während der Wärmebehandlung durch eine Spannung verhindert, und zwar durch eine geringe Haltespannung.ίο To improve the loss factor are the conditions in the heat treatment that takes place after stretching, i.e. the temperature and the effective tension, extremely important. The expression "effective tension" is not necessarily intended to mean be understood that the film is already under tension at the start of the heat treatment. A shrinkage of the film which is within the shrinkage percentage at the heat treatment temperature of the film, is prevented by a stress during the heat treatment, namely by a low one Holding voltage.
Die Folie kann durch diese Spannung auch etwas gestreckt werden. Dabei ist eine durch diese SpannungThis tension can also stretch the film a little. There is one through this tension
hervorgerufene Streckung um mehr als 10% ohne bedeutende Wirkung. Vorzugsweise wird die Spannung so gewählt, daß das Zusammenschrumpfen oder Strecken der Folie weniger als 5% beträgt. Wenn sich die Folie bei der Wärmebehandlung in bezug auf ihre ursprüngliche Länge nach dem Recken um weniger als 5% zusammenzog oder verlängerte, dann verminderte sich der Verlustfaktor tan Λ auf einen Bereich zwischen 0,5 und 1,0%. Betrug hingegen die Verlängerung oder Schrumpfung mehr als 10%, dann wurde keineelicited elongation by more than 10% with no significant effect. Preferably the tension chosen so that the shrinkage or stretching of the film is less than 5%. If the film in the heat treatment with respect to its original length after stretching by less than 5% contracted or lengthened, then the loss factor tan Λ decreased to a range between 0.5 and 1.0%. On the other hand, if the elongation or shrinkage was more than 10%, then it was none
Verbesserung des Verlustfaktors festgestellt.Improvement of the loss factor noted.
Ferner wurde gefunden, daß eine Wärmebchandlungstemperatur innerhalb eines Temperaturbereichs, in dem eine beträchtliche Rekristallisation des PVDF stattfindet, äußerst wirkungsvoll zur Verbesserung des Verlustfaktors ist. Die Rekristallisationstemperatur von orientierten PVDF-Folien liegt etwa zwischen 125 und 175" C. Bei einer Temperatur von 120 C oder darunter war die durch den orientierten Aufbau der PVDF-Molekülketten beigesteuerte Verbesserung des Verlustfaktors tan δ sehr gering. Andererseits verlor sich der orientierte Aufbau bei einer Temperatur von mehr als 1750C, wodurch auch die dielektrischen Eigenschaften, die durch Recken verbessert worden waren, im wesentlichen verloren gingen.Further, it has been found that a heat treatment temperature within a temperature range in which considerable recrystallization of the PVDF takes place is extremely effective in improving the loss factor. The recrystallization temperature of oriented PVDF films is approximately between 125 and 175 "C. At a temperature of 120 C or below, the improvement in the loss factor tan δ due to the oriented structure of the PVDF molecule chains was very small. On the other hand, the oriented structure was lost a temperature of more than 175 ° C., as a result of which the dielectric properties, which had been improved by stretching, were also essentially lost.
Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Stoffe sollen im folgenden an Hand von Beispielen beschrieben werden.The substances produced by the process described are illustrated below with the aid of examples to be discribed.
Ein Polyvinylidenfluorid mit »/,„,, voi. 1,00, das durch Suspensionspolymerisation bei einer Polymerisationstemperatur von 25' C hergestellt worden war, wurde mittels einer Spritzform bei einer Temperatur zwischen 230 und 240'C in Folienform ausgespritzt. Während das PVDF noch in geschmolzenem Zustand war, wurde es mit auf 80' C beheizten Walzen in Berührung gebracht und sehr schnell abgekühlt. Die auf diese Weise gewonnene unorientierte Folie wurde bei 150''C in ihrer Längsrichtung auf das 3,5fache (250%) ihrer ursprünglichen Länge gestreckt, wodurch eine monoaxial oder eindimensional gereckte Folie entstand. A polyvinylidene fluoride with "/," ,, voi. 1.00 that through Suspension polymerization had been prepared at a polymerization temperature of 25 ° C Injected in film form by means of an injection mold at a temperature between 230 and 240 ° C. While the PVDF was still in the molten state, it was in contact with rollers heated to 80 ° C brought and cooled very quickly. The unoriented film obtained in this way was at 150''C in its longitudinal direction to 3.5 times (250%) stretched to their original length, resulting in a monoaxially or one-dimensional stretched film.
Die bei verschiedenen Frequenzen gemessenenThe ones measured at different frequencies
6j Werte für die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor der unorientierten PVDF-Folie und der monoaxial gereckten, orientierten PVDF-Folie sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.6j values for the dielectric constant and the loss factor of the unoriented PVDF film and the Monoaxially stretched, oriented PVDF films are shown in Table 2 below.
120120
KK)OKK) O
3,73.7
tan Λtan Λ
K)(HK)K) (HK)
folienstärke film thickness
WmIWmI
11,5 1,7 11,2 1,8 7411.5 1.7 11.2 1.8 74
13,9 1,7 13,7 1,7 13,7 1,6 13,5 1,3 13,2 2,4 2513.9 1.7 13.7 1.7 13.7 1.6 13.5 1.3 13.2 2.4 25
Unorientierte PVDF-Folie, die in der gleichen biaxial oder zweidimensional orientierte Folie ent-Unoriented PVDF film formed in the same biaxially or two-dimensionally oriented film
Weise wie im Beispiel 1 beschrieben hergestellt worden stand.Way as described in Example 1 was prepared.
war, wurde bei 15O0C in ihrer Längsrichtung um das In Tabelle 3 sind die Meßwerte für die Dielektrizi-was, at 15O 0 C in its longitudinal direction around the In Table 3 the measured values for the dielectric
3,5fache (250%) ihrer ursprünglichen Länge gereckt, 20 tätskonstante und Verlustfaktor bei verschiedenen3.5 times (250%) its original length stretched, 20 constant of energy and loss factor at different
wobei eine monoaxial gereckte Folie entstand. Frequenzen von der unorientierten, der monoaxiala monoaxially stretched film was produced. Frequencies from the unoriented to the monoaxial
Diese monoaxial gereckte Folie wurde dann bei orientierten und der biaxial orientierten PVDF-FolieThis monoaxially stretched film was then used for oriented and biaxially oriented PVDF films
60' C quer zur ersten Streckrichtung um das 3,4fache dargestellt, ihrer ursprünglichen Abmessung gereckt, so daß eine60 'C shown at right angles to the first stretching direction by 3.4 times, their original dimensions stretched so that one
30l-frequency
30th
stärkestrength
1,3
1,14.5
1.3
1.1
1.5
1,33.8
1.5
1.3
1,7
1,51.9
1.7
1.5
2.3
3,21.9
2.3
3.2
Monoaxial orientierte
Folie
Biaxial orientierte FolieUnoriented slide
Monoaxially oriented
foil
Biaxially oriented film
13,3
13.211.8
13.3
13.2
1.5
0.95.8
1.5
0.9
13.2
13,111.7
13.2
13.1
13.1
13.011.5
13.1
13.0
12,8
12.811.3
12.8
12.8
12,7
12,710.0
12.7
12.7
312th
3
Ein PVDF-Harz mit ,linh von 1.00. das durch Suspensionspolymerisation hergestellt worden war, wurde nach dem Schmelzgießverfahren gegossen und dann mit Wasser gekühlt, wobei eine unorientierte Folie entstand, die dann bei 150JC in ihrer Längsrichtung um das Vierfache ihrer ursprünglichen Länge gestreckt wurde. Es wurden mehrere derartige Folien hergestellt und zwar mit verschiedenen Streckverhältnissen und bei verschiedenen Temperaturen.A PVDF resin with a linh of 1.00. which had been produced by suspension polymerization was cast by the melt-casting method and then cooled with water, whereby an unoriented film was formed, which was then stretched at 150 ° C. in its longitudinal direction by four times its original length. Several such films have been made with different stretch ratios and at different temperatures.
Der Verlustfaktor tan 6 (%) war von den betreffenden Herstellungsbedingungen abhängig. In allen Fällen lag der Verlustfaktor jedoch in einem Bereich zwischen 1,0 und 1.5%.The loss factor tan 6 (%) was dependent on the relevant manufacturing conditions. In all cases, however, the loss factor was in a range between 1.0 and 1.5%.
Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor dieser orientierten Folien, die nach dem Recken keiner Wärmebehandlung ausgesetzt wurden, sind bei verschiedenen Frequenzen gemessen worden. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.The dielectric constant and dissipation factor of these oriented films are none after stretching Have been subjected to heat treatment have been measured at different frequencies. The measurement results are shown in Table 4.
schaftOwn
shaft
konstante ·'Dielectric
· constant '
Folien
probe
IStretched
Foils
sample
I.
Die in Tabelle 4 mit I bezeichnete Probe wurde in einem Ofen bei 1400C wärmebehandelt, wobei die Folie einer wirksamen Zugspannung ausgesetzt war, die eine Schrumpfung um 5% in der Orientierungsrichtung zuließ. Die Folie wurde nach der Wärmebehandlung mit Wasser abgekühlt.The sample labeled I in Table 4 was heat-treated in an oven at 140 ° C., the film being exposed to an effective tensile stress which allowed a shrinkage of 5% in the direction of orientation. The film was cooled with water after the heat treatment.
1010
Andere Folien wurden auf ähnliche Weise hergestellt, jedoch mit verschiedenen Wärmebehandlungszeiten. Der Verlustfaktor tan ö und die Dielektrizitätskonstante / der auf diese Weise hergestellter Folien sind in Tabelle 5 zusammengestellt.Other foils were made in a similar manner, but with different heat treatment times. The loss factor tan δ and the dielectric constant / of the foils produced in this way are listed in Table 5.
Eigenschaftcharacteristic
Behandlungszeil (Min.|Treatment line (min. |
I 3I 3
lan Λ /' lan Λlan Λ / 'lan Λ
IOIO
tan Λtan Λ
15
lan λ15th
lan λ
Die in Tabelle 4 mit II bezeichnete gereckte Folie wurde in einem Ofen bei 1600C wärmebehandelt und war dabei einer wirksamen Spannung ausgesetzt, durch die die Folie während der Behandlung um 5% in ihrei Orientierungsrichtung gereckt wurde. Nach der Wärmebehandlung wurde die Folie mit Wasser absekühlt.The stretched film designated II in Table 4 was heat-treated in an oven at 160 ° C. and was exposed to an effective tension by which the film was stretched by 5% in its direction of orientation during the treatment. After the heat treatment, the film was cooled with water.
Andere Folien wurden auf ähnliche Weise hergestellt, jedoch mit verschiedenen Wärmebehandlungszeiten. Dei Verlustfaktor und die Dielektrizitätskonstante dieser Folien wurden anschließend gemessen und sind in Tabelle 6 dargestellt.Other foils were made in a similar manner, but with different heat treatment times. Dei Dissipation factor and dielectric constant of these films were then measured and are in Table 6 shown.
Die in Tabelle 4 mit III bezeichnete gereckte Folie wurde in einem Ofen bei 150=C wärmebehandelt und dabei einer effektiven Spannung ausgesetzt, die ,.ine Schrumpfune der Folie um 2% in ihrer Orientierun»srichtung zuließ. Nach der Wärmebehandlung wurde die Folie mit Wasser abgekühlt Ähnliche Folien wurden aul analoge Weise hergestellt, jedoch mit verschiedenen Wärmebehandluneszeiten Der Verlustfaktor und die Dielektrizitätskonstante dieser Folien sind in Tabelle 7 dargestelltThe stretched film designated III in Table 4 was heat-treated in an oven at 150 ° C. and exposed to an effective tension which causes the film to shrink by 2% in its orientation allowed. After the heat treatment, the film was cooled with water. Similar films were also used produced in an analogous manner, but with different heat treatment times. The loss factor and the Dielectric constants of these films are shown in Table 7
PVDF-Folien. die in der gleichen Weise hergestellt 65 lung ausgesetzt waren, wurden um das 4 8fache ihrei wurden wie die genannten rnonoaxial orientierten ursprünglichen Länge in ihrer Querrichtung gestrecktPVDF films. manufactured in the same manner 65 lung were suspended, to the 4 ihrei 8 times as those mentioned rnonoaxial oriented original length were stretched in its transverse direction
wobei biaxial orientierte Folien entstanden. Dies<whereby biaxially oriented films were created. This <
Proben und die um das Vierfache ihrer ursprünglichenSamples and those four times their original
Lange gereckt wurden, jedoch keiner Warmebehand- Folien wurden danr bei verschiedenen WärmebeWere stretched for a long time, but no heat-treated foils were then at various heat levels
handlungszeiten einer Temperatur von 170° C ausgesetzt und dabei in ihrer Längsrichtung um 5% verlängert und in ihrer Querrichtung um 5% schrumpfen gelassen.exposure times to a temperature of 170 ° C and thereby lengthened by 5% in their longitudinal direction and shrink by 5% in their transverse direction calmly.
Nach der Wärmebehandlung wurden die Folien mit Wasser abgekühlt. Der Verlustfaktor und die Dielektrizitätskonstante dieser Folien wurden gemessen und sind in Tabelle 8 dargestellt.After the heat treatment, the films were cooled with water. The dissipation factor and the dielectric constant these films were measured and are shown in Table 8.
Wie man aus den vorstehenden Beispielen sieht, ist es durch Wärmebehandlung einer orientierten PVDF-Folie bei einer Temperatur zwischen 125 und 175° C, vorzugsweise zwischen 135 und 1700C, und bei gleichzeitiger Streckung oder Schrumpfung um 5% oder weniger möglich, den Verlustfaktor tan 6 der Folie im Nennfrequenzbereich auf 0,5 bis 1,0% zu verringern.As seen from the above examples, it is possible by heat treatment of an oriented PVDF film at a temperature of 125-175 ° C, preferably 135-170 0 C, and at the same time stretch or shrinkage of 5% or less, the loss factor tan 6 of the film in the nominal frequency range to 0.5 to 1.0%.
Wenn man andererseits eine Dehnung oder Schrumpfung von 10% zuläßt, dann kann man eine Verbesserung des Verlustfaktors nicht feststellen. Ebenso wurde bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 120cC keine Verbesserung des Verlustfaktors nachgewiesen. Bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 1800C wurde die Qualität der Folie einträchtigt. On the other hand, if one allows an elongation or shrinkage of 10%, then one cannot see any improvement in the loss factor. Likewise, no improvement in the loss factor was demonstrated at a heat treatment temperature of 120 ° C. At a heat treatment temperature of 180 ° C., the quality of the film was impaired.
Zum Aufzeigen der extremen Zustände dienen die folgenden Vergleichsbeispiele.The following comparative examples serve to show the extreme conditions.
Vergleichsbeispiel 1Comparative example 1
Gereckte Folien, die mit den in Tabelle 4 mit V bezeichneten Folien identisch waren, wurden in einem Ofen bei 160° C 5 Minuten lang einer Wärmebehandlung ausgesetzt und gleichzeitig einer Spannung unterworfen, die eine Streckung von 12% bewirkte, oder in völlig entspanntem Zustand gehalten, so daß die Folie unbeeinträchtigt zusammenschrumpfen konnte. Die auf diese Weise wärmebehandelten Folien wurden anschließend mit Wasser gekühlt. Der Verlustfaktor tan d und die Dielektrizitätskonstante e' dieser Folien wurden gemessen und sind in Tabelle 9 dargestellt. Die prozentuale Schrumpfung betrug für den Fall einer unbeeinträchtigten Schrumpfung etwa 8%.Stretched films identical to those indicated by V in Table 4 were subjected to a heat treatment in an oven at 160 ° C. for 5 minutes and at the same time subjected to a tension causing an elongation of 12% or kept in a completely relaxed state so that the film could shrink unaffected. The films heat-treated in this way were then cooled with water. The loss factor tan d and the dielectric constant e 'of these films were measured and are shown in Table 9. The percent shrinkage when the shrinkage was unaffected was about 8%.
Eigenschaftcharacteristic
Foliefoil
um 12% gereckte,
wärmebehandelte Foliestretched by 12%,
heat treated foil
tan Λtan Λ
entspannte,relaxed,
wärmebehandelteheat treated
Foliefoil
tan fi tan fi ι'ι '
Frequenz
60Hzfrequency
60Hz
1,121.12
14,014.0
1,101.10
Vergleichsbeispiel 2Comparative example 2
Gereckte Folien, die mit den in Tabelle 4 von Beispiel 1 mit IV bezeichneten Folien identisch waren, wurden in einem Ofen bei 120 bzw. 180° C 5 Minuten lang wärmebehandelt und gleichzeitig einer Spannung ausgesetzt, die eine Schrumpfung von 5% zuließ. Die Folien wurden nach der Wärmebehandlung mit Wasser abgekühlt.Stretched films which were identical to the films designated IV in Table 4 of Example 1, were heat-treated in an oven at 120 and 180 ° C for 5 minutes and a tension at the same time exposed, which allowed a shrinkage of 5%. The foils were after the heat treatment with Water cooled.
Der Verlustfaktor tan f> und die Dielektrizitätskonstante ;■' wurden gemessen und sind in Tabelle IC daraestellt.The loss factor tan f> and the dielectric constant; ■ 'were measured and are shown in Table IC.
Eigenschaftcharacteristic
Foliefoil
mit 120 C wärmebehandelte Foliefilm heat-treated with 120 ° C
tan Λ Γtan Λ Γ
mit 180 C wärmebehandelte Folieheat-treated at 180 ° C foil
tan Λ Ζtan Λ Ζ
Frequenz
60Hzfrequency
60Hz
1,101.10
Für den Fall der Wärmebehandlung bei 180'C wurde die Folie leicht undurchsichtig und begann an mehreren Oberflächenstellen zu schmelzen. Das ursprüngliche Aussehen der Folie wurde stark beeir trächtigt. Es wurden daher keine Messungen vorgc nommen.In the case of heat treatment at 180'C the film became slightly opaque and began to melt in several places on the surface. The original The appearance of the film was severely affected. No measurements were therefore made took.
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EP0039231A1 (en) * | 1980-04-28 | 1981-11-04 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Dielectric polymer materials |
EP0105750A1 (en) * | 1982-10-01 | 1984-04-18 | Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Dielectric film and process for producing same |
EP0129244A1 (en) * | 1983-06-20 | 1984-12-27 | Daikin Kogyo Co., Ltd. | Polymeric dielectric material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB1173688A (en) | 1969-12-10 |
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NL6709725A (en) | 1968-01-15 |
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Legal Events
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