DE2062609A1

DE2062609A1 - Stabiles Elektret, das ein hohes Ober flachenpotential beibehalt, sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE2062609A1
Application number: DE19702062609
Authority: DE
Inventors: Yunko Musashino Tokio Kakutani Haruko Tokio Igarashi, (Japan) P
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1970-12-18
Publication date: 1971-09-09
Also published as: FR2074040A5; JPS4948119B1; GB1298490A; CA920279A

Description

TELEFON: 555476 · 8000 Mo NCH EN 15,

TELEGRAMME: KARPATENT NUSSBAUMSTRASSE 10

18» Dezember 1970 W. 40273/70 - Ko/Ke

Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Tokyo, Japan

Stabiles Elektret, das ein hohes Oberflächenpotential beibehält, sowie Verfahren zur Herstellung desselben gk

Erfindungsgegenstand ist ein Elektret mit Schichtaufbau, das ein hohes Oberflächenpotential während eines langen Zeitraumes oder praktisch permanent beibehält, das aus einem Schichtgebilde aus einer Mehrzahl von Elektreteinheiten besteht, die aus einem Bogen eines synthetischen Kunststoffmaterials' gefertigt sind, wobei jede Seite des Schichtgebildes mit einem dünnen PiIm einer Substanz von hohem Molekulargewicht mit höherem elektrischen Widerstand als demjenigen des Materials der Elektreteinheiten abgedeckt ist. In einer modifizierten Ausführungsform ist zusätzlich der dünne Film aus der Substanz von hohem %

Molekulargewicht auch zwischen benachbarten Elektreteinheiten zwischengelegt.

Die Erfindung befaßt sich mit Elektret3 mit Schichtaufbau, die ein hohes Oberflächenpot'ential beibehalten, sowie mit einem Verfahren zur Herstellung desselben aus synthetischen Substanzen von hohem Molekulargewicht.

Elektrets, die aus Kunststoffbögen oder -filmen gefertigt sind, und die aus organischen Verbindungen

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von niedrigem Molekulargewicht, wie Carnaubawachs oder Naphthalin, nicht-kristallinen hochmolekularen Verbindungen, wie Polymethylmethacrylat oder Polystyrol, kristallinen hochmolekularen Verbindungen, wie Polyäthylenterephthalat, Polycarbonat, Polyfluoräthylenen oder Polypropylen oder Copolymeren oder Gemischen hiervon bestehen_;und durchlfelten des Bogens oder Filmes bei einer geeignet hohen Temperatur während eines langen Zeitraumes und Abkühlung auf Raumtemperatur, wobei hieran eine Gleichstromhochspannung während der Erhitzungsund Abkühlungsstufen angelegt wird, oenalten xnren polarisierten Zustand während eines langen Zeitraumes bei, sodaß eine Vielzahl von Anwendungszwecken hierfür, beispielsweise Anwendung in Sprechanlagen, Mikrofonen und ähnlichen elektrischen Klangumwandlern oder bei anderen elektronischen Anwendungen, für sie in Betracht kommt, besonders sind polare Verbindungen von hohem Molekulargewicht, beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polyäthylenterephthalat, Polycarbonate oder polare Fluorharze als Materialien zur Bildung von Elektrets mit einer relativ langen Lebensdauer gut geeignet. Jedoch behalten aus derartigen Materialien gefertigte Elektrets nicht stets ein ausreichend hohes Oberflächenpotential zur Anwendung in elektrischen Klangumwandlern oder anderen elektronischen Anwendungen bei.

Wenn es auch notwendig ist, um ein Elektret mit einem hohen Oberflächenpotential zu erhalten, ein Elektretmaterial von ausreichender Stärke zu verwenden, ist die Anwendung eines dicken Elektretmaterials unpraktisch, da hierbei ein elektrisches Feld von hoher Spannung zur Polarisation erforderlich ist. Ein üblicheres Ver-

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fahren zur Herstellung von Elektrets mit hohem Oberflächenpotential besteht darin, daß ein relativ dünnes Kunststoffbogenmaterial in üblicher Weise auf ein Elektret aufgedeckt wird und das Elektret in Schichten aufgebaut wird. In zahlreichen Fällen wird das Elektret unter weit schädlicheren Bedingungen als den gewöhnlichen Lagerungsbedingungen verwendet, beispielsweise unter ziemlich hohen Temperaturbedingungen und unter derartig schädlichen Bedingungen können selbst Elektrets, die aus den vorstehend aufgeführten Kunststoffmaterialien aufgebaut sind und bisher als relativ stabil betrachtet wurden, nicht stets M ihre Funktion während eines langen Zeitraumes beibehalten.

Die erfindungsgemäßen Elektrets mit Schichtaufbau haben eine bemerkenswert verbesserte Lebensdauer bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit, sowie bei gewöhnlichen Lagerungsbedungungen und werden durch Herstellung von Elektrets mit einem hohen Oberflächenpotential durch Aufstapelung von Schichten aus relativ dünnen Elektreteinheiten, "ecken der beiden Seiten des Elektrets mit Schichtaufbau mit einem dünnen Film aus einer hochmolekularen Substanz mit hohen elektrischen Isoliereigenschaften und gegebenenfalls Zwischenlegung eines derartigen dünnen Filmes auch zwischen benachbarte Schichten der Elektreteinheiten erhalten. Das gleiche Ergebnis wird β auch erhalten, wenn eine oder beide Oberflächen eines Elektretmaterials mit einem dünnen Film einer hochmolekularen Substanz von hohen elektrischen Isoliereigenschaften überzogen oder abgedeckt wird und das auf diese Weise überzogene Elektretmaterial zu einer Elektreteinheit in üblicher "/eise umgewandelt und zwei oder mehr Schichten der Elektreteinheit aufeinandergestapelt werden; obwohl

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keine Begrenzung hinsichtlich der Anzahl der Schichten eines Elektrets bestehen, werden 2 bis 10 Schichten bevorzugt und das Oberflächenpotential ist praktisch proportional zur Anzahl der Schichten.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung können günstigerweise sämtliche polaren hochmolekularen Substanzen verwendet werden und außerdem können auch Polyäthylen, Polypropylen und ähnliche nichtpolaren hochmolekularen Substanzen verwendet werden, falls die nichtpolare hochmolekulare Substanz in ein Elektret mit Hilfe der darin enthaltenen ionischen Verunreinigungen überführt werden kann, jedoch werden bevorzugt solche mit hohen Erweichungstemperaturen eingesetzt. Obwohl keine Begrenzung hinsichtlich der Stärke der Elektreteinheit besteht, werden üblicherweise Bögen mit Stärken von 50 Mikron bis zu 2000 Mikron verwendet.

Der dünne Film, der auf beide Seiten aufzubringenden und gegebenenfalls zwischen die Schichten einzulegenden hochmolekularen Substanz eines Elektrets mit Schichtaufbau kann aus einem selbsttragenden dünnen PiIm bestehen, der vorhergehend nach einem üblichen Filmherstellungsverfahren hergestellt wurde, oder kann direkt auf den Oberflächen der Elektreteinheiten oder des Elektretmaterials aus einer Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel gebildet werden. Im letzteren Fall dient die Lösung als Binder der Schichten der Elektreteinheit oder des Elektretmaterials. Sie den dünnen Film bildende hochmolekulare Substanz muß natürlich von unterschiedlicher Art gegenüber der hochmolekularen Substanz, woraus die Elektreteinheit gebildet ist, sein, und muß höhere elektrische Isoliereigenschaften als die Letztere besitzen,und besitzt vorzugsweise einen

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Volumenwiderstand von mindestens 10 Ohm-cm, noch günstiger

17 einen Volumenwiderstand von mindestens 10 Ohm-cm. Auch hinsichtlich der Stärke des dünnen Filmes gibt es keine spezielle Begrenzung und üblicherweise werden Stärken von 4 Mikron bis 100 Mikron verwendet.

Das auf diese Weise erhaltene Elektret mit Schichtaufbau hat ein höheres Oberflächenpotential und eine größere Stabilität als ein Elektret mit Schichtaufbau, das nach dem gleichen Verfahren, jedoch ohne der Anwendung von Abdeckungs^- filmen, hergestellt wurde.

.Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. In den Zeichnungen stellt

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung der Elektreteinheit 1, die bei der praktischen Ausführung der Erfindung verwendet wird,

die Figuren 2, a, b und c Seitansichten im Schnitt von Elektrets mit Schichtaufbau, die die Arten der Aufstapelung der Elektreteinheit oder der Elektreteinheit und des Isolierfilmes darstellen,

Figur 3 eine graphische Darstellung, die die Variierungen der Oberflächenpotentiale von 3 Elektrets mit Schichtaufbau a, b und c entsprechend den Figuren 2 a, b und c bei öO°C angeben und

Figur 4 eine schematische Ansicht im Schnitt, die die Art der Aufstapelung von zwei Elektreteinheiten unter Ausbildung eines Isolierfilmes darauf angibt,dar.

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Beispiel 1

Ein 700 Mikron dicker Bogen 1 aus einem Gemisch von 60 Gew.-Teilen Polyvinylidenfluorid, das nachfolgend mit PVDF abgekürzt wird,und aus 40 Gew.-Teilen Polymethylmethacrylat, das nachfolgend mit PLiMA abgekürzt wird, wurde zwischen die Elektroden 2,2in einem Ofen 3, wie in Figur 1 gezeigt, gebracht und auf 100⁰C während

1 Stunde erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die Elektroden 2,2 mit einer elektrischen Gleichstromquelle 4 zur Ausbildung eines elektrischen Feldes mit einem Gradienten von 50 KV/cm verbunden waren. Nach der Abnahme des elektrischen Feldes wurden 4 Stücke der dabei erhaltenen Elektreteinheit 1 in Schichten zusammen mit Stücken aus einem 13 Mikron dicken Film 2 aus F.E-P. Tefron, einem Polytetrafluoräthylen der E.I. Du Pont Co., USA, die auf die oberen Oberflächen und Bodenober-.flächen und zwischen die Schichten der aufgestapelten Stücke der Elektreteinheit 1 gelegt wurden, wie in Figur

2 b gezeigt, aufgestapelt. Das dabei erhaltene Elektret mit Schichtaufbau wurde in eine Zinnfolie eingewickelt und in Luft bei 8O⁰C in einem Thermostaten 3, wie in Figur 1 gezeigt, gehalten und die Ablesung des Oberflächenpotentials erfolgte mittels eines Potentiometers vom Sektor-Typ, um den Abfall des Oberflächenpotentials im Verlauf der Zeit zu bestimmen. Der Abfall des Oberflächenpotentials im Verlauf der Zeit wurde als Kurve b in Figur 3 aufgetragen, wo die aufgetragenen Werte von der Seitfläche der Kathode aufgezeigt sind,, während die von der Anodenseite gemessenen V/erte das umgekehrte Vorzeichen, jedoch hinsichtlich des absoluten Wertes praktisch identisch waren.

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¹ HP

Ein Elektret mit Schichtaufbau, das aus 4 Stücken der Elektreteinheit 1 und mit einem P.E.P. Tefronfilm 2 an beiden Seiten bedeckt war, wie in Figur 2c gezeigt, wurde der Bestimmung des Oberflächenpotentials in der gleichen »Veise unterzogen. Der Abfall des Oberflächenpotentials, gemessen von der Kathodenseite, ist als Kurve c in Figur aufgetragen.

Der Abfall des Oberflächenpotentials, gemessen mit einem Elektret mit Schichtaufbau, das nur aus 4 Stücken der Elektreteinheit 1 bestand, wie in Figur 2a gezeigt, ist als Kurve a in Figur 3 dargestellt.

Beispiel 2

Elektreteinheiten 1, die aus einem Gemisch von 60 Gewichtsteilen PVDF und 40 Gewichtsteilen PMMA gebildet waren und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung hergestellt v/orden waren, wurden durch eine 10 $ige Lösung 2 von Polystyrol in Benzol, wie in Fi£ - 4A gezeigt, geführt, um die Lösung auf die Oberflächen aufzutragen und noch ungetrocknet wurden zwei Elektreteinheiten miteinander, wie in Figur 4B gezeigt, verklebt und. der Trocknung in Luft überlassen, so daß ein Elektret mit Schichtaufbau mit dünnen Filmen 4¹ aus Polystyrol auf den Oberflächen und Zwischenflächen der Schichten erhalten wurde. Das Elektret mit Schichtaufbau wurde in eine Zinnfolie eingewickelt und in Luft bei 8O⁰C in einem Ofen gehalten und der Bestimmung des Oberflächenpotentials mittels eines Potentiometers vom Drehsektor-Typ unterworfen. Nach etwa 400 Stunden war das Oberflächenpotential ί 2 230 V/cm. Das Oberflächenpotential nach etwa 400 Stunden eines Elektrets mit Schichtaufbau, das in der gleichen Weise , wie vorstehend

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hergestellt worden war, wobei jedoch die Elektreteinheiten nicht durch die 10 folge Polystyrollösung in Benzol geführt wurden, betrug 200 V/cm.

Beispiel 3

Auf einem 700 Mikron starken Bogen aus einem Gemisch von 60 Gewichtsteilen PVDF und 40 Gewichtsteilen PMMA wurde ein Polystyrolüberzugsfilm aus einer 10 $igen Polystyrollösung in Benzol gebildet und der dabei erhaltene überzogene Bogen in ein Elektret in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung Überführt. 4 Stücke der dabei erhaltenen Elektreteinheit wurden in Schichten gestapelt, in eine dünne Zinnfolie eingewickelt, in Luft bei 80⁰C in einem Ofen gehalten und das Oberflächenpotentiel mittels eines Potentiometers vom Drehsektor-Typ bestimmt. Das Oberflächenpotential war, nach etwa 350 Stunden - 2 200 V/cm.

Das Oberflächenpotential nach etwa 350 Stunden eines Elektrets mit Schichtaufbau, das in der gleichen Weise hergestellt worden war, wobei jedoch die Elektreteinheiten nicht mit einem Polystyrolfilm überzogen waren, betrug 160 V/cm.

Beispiel 4

Ein dünner Film aus Polystyrol wurde aus einer 10 ^igen Polystyrollösung in Benzol auf einem etwa 70^ Mikron starken PVDF-Bogen gebildet und der überzogene Bogen in das Elektret mittels der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung in der gleichen '.'»'eise wie in Beispiel 1 überführt. 4 Stücke der dabei erhaltenen Elektreteinheit wurden in eine Zinnfolie eingev:ickelt und in luft bei 8O⁰C in einem Ofen gehalten und das Oberflächenpotential bestimmt. Das Oberflächenpotential war

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nach etwa 300 Stunden,bestimmt mittels eines Potentiometers vom Drehsektor-Typ, betrug i 1500 V/cm.

Das Oberflächenpotential nach etwa 300 Stunden eines Elektrets mit Schichtaufbau, das in der gleichen V/eise erhalten worden war, wobei jedoch nichtüberzogene Elektreteinheiten verwendet wurden, war praktisch Null.

Beispiel 5

Ein etwa 700 Mikron starker PVDF-Bogen wurde bei 120 C während 1 Stunde der Einwirkung eines elektrischen Gleichstromfeldes mit einem Gradienten von 50 KV/cm ausgesetzt ^ und auf Raumtemperatur im elektrischen Feld abgekühlt. ™

Nachdem er durch eine 10 plge Polystyrollösung in Benzol geführt worden war, wurden zwei Stücke der überzogenen Elektreteinheit noch ungetrocknet zu Schichten vereinigt und der Trocknung in Luft überlassen. Das dabei erhaltene Elektret mit Schichtaufbau wurde in eine Zinnfolie eingewickelt und in Luft bei 8O⁰O gehalten und das Oberflächenpotential mittels eines Potentiometers vom Drehsektor-Typ bestimmt. Das Oberflächenpotential nach etwa 300 Stunden betrug - 1000 V/am. Andererseits zeigte ein Elektret mit Schichtaufbau, das aus der gleichen Elektreteinheit gefertigt war, wobei jedoch die Elektreteinheit nicht mit der Polyathylenlösung überzogen war, ein Oberflächenpoten- m tial von praktisch Null nach etwa 300 Stunden.

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Claims

Patentansprüche

Stabilisiertes Elektret mit Schichtaufbau von hohem Oberflächenpotential, bestehend aus einer Mehrzahl von Schichten von Elektreteinheiten, die aus einem hochmolekularen Kunststoff gebildet sind und aus isolierenden Schichten aus einem hochmolekularen Kunststoff mit einem höheren elektrischen Widerstand als dem Material der Elektreteinheit, wobei die isolierende Schicht mindestens auf die beiden äußeren Oberflächen des Stapels'der Schichten aus den Elektreteinheiten aufgetragen ist.
2. Elektret mit Schichtaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Schichten auf zwischen benachbarten Schichten aus Elektreteinheiten vorliegen.
3. Elektret mit Schichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektreteinheit aus einer der polaren organischen hochmolekularen Substanzen PoIymethylmethacrylat, Polyäthylenterephthalat, Polycarbonaten, Polyvinyledenfluorid und den Gemischen hiervon aufgebaut ist.
4. Elektret mit Schichtaufbau nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht aus Polystyrol besteht,
5. Verfahren zur Herstellung von Elektrets mit Schichtaufbau durch Aufstapelung einer Mehrzahl von Schichten von Elektreteinheiten, die aus polaren hochmolekularen organischen Substanzen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide äußeren Oberflächen des Stapeleave den Schichten aus Elektreteinheiten mit einem dünnen Film einer ftoehatolekularefi organischen Substanz mit einem hohen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von

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mindestens 10 Ohm-cm abgedeckt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Elektrets mit Schichtaufbau durch Aufstapelung einer Mehrzahl von Schichten aus Elektreteinheiten, die aus polaren, organischen hochmolekularen Substanzen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht der Elektreteinheit mit einem dünnen Film einer organischen hochmolekularen Substanz mit einem elektrischen Widerstand in der Größenordnung von mindestens 10 Ohm-cm abgedeckt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne isolierende Film aus der organischen hochmolekularen Substanz aus einer Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel für die organische hochmolekulare Substanz aufgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Stücken der Elektreteinheit mit einer Lösung der organischen hochwolekulc^ren Substanz in einem geeigneten Lös· ""^mittel überzogen werden, noch im ungetrockneten Zustai»„ in Schichten aufgestapelt werden und in Luft zu einem zusammenhängendenKörper getrocknet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösung eine 10 folge Polystyrollösung in Benzol verwendet wird.

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