DE2111215A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochwirksamen Elektreten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines hochwirksamen ElektretenInfo
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Description
j P.-.?EKTA:r.VKLTE
DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2111215·
DR. M. KOHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT
München Hamburg
: 55 54 7« 8000 MüNCHEN 15, 9* März 1971
M, 40400/71 3/pe
Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha
Tokyo (Japan)
Verfahren zur Herstellung eines hounwirksamen
Elektreten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilen Elektreten mit ausgezeichneten Eigenschaften
aas kristallinen Verbindungen mit hohem Molekulargewicht oder Polymeren.
Durch Wärmebehandlung eines polymerartigen Elektreten, der einer Polarisationsbehandlung bei·einer Temperatur
unterhalb des Schmelzpunktes des Polymeren, aber oberhalb des GlasÜbergangspunktes des Polymeren unterworfen wurde,
kann eine instabiler Heteroladungskomponente und eine Homöoladungskomponente verringert werden, und eine stabile
Heteroladung aufrecht erhalten werden.
Im allgemeinen wird ein Elektret erzeugt, indem man einen Film oder eine Folie eines Kunststoffes, wie ein
organisches Material mit niedrigem Molekulargewicht, z. B. "Garnaubawachs oder Naphthalin; ein amorphes hochmolekulares
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Material, ζ. B. Polymethylmethacrylat oder Polyäthylen;
ein kristallines hochmolekulares Material, z. B. PoIyäthylenterephthalat,
Polycarbonat oder Polyfluoräthylen;
oder ein Copolymer oder eine Mischung derselben, lange Zelt bei einer geeignetenTemperatur hält während ein
hohes elektrisches Gleichstromfeld angewendet wird, und anschließend den Film oder die Folie auf Raumtemperatur
abkühlt, wobei die Anwendung des elektrischen Gleichstromfeldes fortgesetzt wird. Der auf diese Weise hergestellte
Elektret kann seinen polarisierten Zustand lange Zeit aufrechterhalten und kann in weitem Umfang als elektrischer
Strom/Tonumwandler, z. B. in Lautsprechern, Mikrophonen
oder anderen elektronischen Einreichtungen verwendet werden.
Insbesondere wurde angenommen, da halogenhaltige kristalline Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, wie
Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid od. dgl.; ein kristalliner Polyester, wie Polyäthylenterephthalat;
und ein Polycarbonat, leicht zu Filmen oder Folien gegossen werden können, und da sie weder ein Erweichen noch
eine Deformation bei der Temperatur der Polarisationsbehandlung zeigen, daß diese Materialien für Elektrete, die für
verschiedene Zwecke verwendet werden, am geeignetsten sind.
Zur Herstellung von Elektreten aus solchen kirstallinen hochmolekularen Materialien wurde üblicherweise ein Verfahren
angewendet, bei welchem das hochmolekulare Material bei einer geeigneten Temperatur oberhalb des GlasÜbergangs-Punktes
des Materials und unterhalb des Scnmelapunktes
desselben eine geeignete Zeit lang -einem hohen elektrischen Gleichstromfeld von etwa 1 bis 200 kV/cm ausgesetzt wurde,
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um die Polarisation im Material zu erreichen, und wobei nach dem Abkühlen des Materials auf Raumtemperatur, wobei
die Anwendung des elektrischen Feldes fortgesetzt wurde, die Anwendung desselben beendet wird, wodurch die Polarisation
fixiert wird. In diesem Fall jedoch, wird eine Homöoladung mit derselben Polarität als das angelegte
elektrische Feld und eine Heteroladung mit entgegengesetzter Polarität als das angewendete elektrische Feld gleichzeitig
gebildet, und entsprechend den Bedingungen der Behandlung wird eine der beiden Ladungen vorherrschendund bestimmt
das Zeichen der beobachteten Ladung des Elektreten.
Im allgemeinen zeigt ein Elektret kurz nach seiner Herstellung eine Heteroladung und eine verhältnismäßig niedrige
Ladungsdichte der Homöoladung, aber nach kurzer Zeit nimmt die Heteroladung ab und der Elektret zeigt die ganze
Homöoladung und wird allmählich stabil, wobei der Elektret schließlich eine konrante Homöoladung aufweist.
Werden Elektreten praktisch eingesetzt, dann wird die stabilisierte Homöoladung oft verwendet.
Wenn der Elektret sofort nach der Polarisationsbehandlung bei einer Temperatur oberhalb Raumtemperatur gehalten
wird, wird die erforderliche Zeit zur Umwandlung der Polarität stark verkürzt und der Zustand der hohen Homöoladung in
kurzer Zeit erreicht, jedoch wird der dabei auftretende Abfall der Homöoladung beschleunigt, wenn die Temperatur
höher wird, und schließlich verschwinden die Ladungen an
den gegenüberliegenden Flächen, wodurch der Elektret seine
ti
Funktion als Elektret verliert.
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Wie oben erwähnt, ist die Heteroladung des Elektreten
im allgemeinen instabil, und es wurde angenommen, daß die . verhältnismäßig stabile Homöoladung die fUr den Elektreten
erwünschte Ladung ist.
Es wurde jedoch gefunden, daß zwei oder mehr Arten von Heteroladungen bestehen, die verschiedene Bildungs- und
Abklingmechanismen haben, und deshalb verschiedene Stabilitäten aufweisen, und daß auch eine sehr stabile Heteroladung
vorliegt.
Wird ein Elektret, der nach einem üblichen Verfahren
hergestellt ist, bei hoher Temperatur gehalten, wird die Polarität der Ladung,wie oben erwähnt,umgekehrt, worauf
das Abklingen der Homöoladung folgt, wodurch die Ladungen an den,gegenüberliegenden Flächen des Elektreten verschwinden.
Es wurde jedoch gefunden, daß, wenn das Erwärmen weiter fortgesetzt wird, die Polarität der Ladung überraschenderweise
wieder umgekehrt wird, und eine verhältnismäßig hohe Heteroladung erscheint. Diese Tatsachen zeigen,
daß eine bedeutend stabilere Heteroladung als die Homöoladung vorliegt, welche bisher als die stabilste angesehen wurde,
und tatsächlich kann der Elektret, der eine Heteroladung zeigt und gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde,
die Ladung bedeutend länger halten als in dem Fall des Elektreten, der eine Homöoladung zeigt und gemäß dem üblichen
Verfahren hergestellt wurde.
Die Zeitdauer, um eine stabile Heteroladung zu erhalten, hängt natürlich von der Temperatur*der Wärmebehandlung des
Elektreten ab und ist umso kürzer, je höher die Temperatur ist. Es ist jedoch erwünscht, die Temperatur bei der
Wärmebehandlung nicht über die Temperatur, bei der das
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kristalline Polymere zu schmelzen beginnt, ansteigen zu lassen. Im allgemeinen liegt die Temperatur bei der
Wärmebehandlung unter dem Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials oder des Polymeren, aber höher als der Glasübergangspunkt
desselben.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von verbesserten Elektreten, die die Ladung bedeutend
langer aufrechterhalten können, und deshalb ist der praktische Wert dieser Erfindung beträchtlich.
Die Heteroladung, die gemäß der Erfindung erreicht wird, kann auch durch ionische Polarisation oder dipolare
Polarisation erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.
Eine Folie mit einer Dicke von etwa 1 mm, die aus einer Mischung von 70 Gew.-Teilen Polyvinylidenfluorid
und J50 Gew.-Teilen Polymethy lmethacry lat hergestellt
wurde, wurde eine Stunde einer Polarisationsbehandlung in einem bei 120° C gehaltenen Luftbad unterworfen,
wobei ein elektrisches Gleichstromfeld von 50 kV/cm auf die folie angewendet wurde. Anschließend wurde die Folie auf Raumtemperatur
abkühlen gelassen, wobei die Anwendung des elektrischen Feldes fortgesetzt wurde. Der so erhaltene
Elektret wurde in einem Luftbad bei 100° C gehalten,und
die Änderung der Ladung wurde gemessen. Diese Ergebnisse
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sind in Figur 1 der Zeichnung wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß die ursprüngliche Heteroladung schnell
abfiel und in eine verhältnismäßig stabile Homöoladung umgewandelt wurde, jedoch bei Fortsetzung der Wärmebehandlung
die einmal gebildete Homöoladung wieder in eine Heteroladung umgewandelt wurde. Die so erhaltene
Heteroladung war sehr stabil,und es wurde kein Abfall der Heteroladung bei Raumtemperatur beobachtet. Auch
wenn der wie oben eine Stunde bei 100° C behandelte Elektret eine Woche bei 80° C gehalten "wurde, wurde kaum ein
Abfall oder ein Abklingen der Ladung beobachtet.
Die Abklingzeitkonstante (£) der Oberflächenladung
(der Gradient der Änderung des Oberflächenpotentials mit der Zeit) der Homöoladung, die bei 100° C und Γ30° C
für stabil gehalten wird, wurde verglichen mit jener der Heteroladung eines Elektreten, der nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
| Temperatur | Homöoladung | Heteroladung |
| 0,1 Std. 0,05 Std. |
> 285 Std. 155 Std. |
|
| 100° C 130° C |
||
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" 7 -
Seispiel 2
Die in Beispiel 1 verwendete Folie wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel· 1 einer Polarisationsbehandlung
unterworfen, und nach der Polarisation die Anwendung des elektrischen Feldes sofort ohne Abkühlen der Folie beendet,
und nachdem die Folie eine-halbe Stunde bei der Temperatur
im selben Zustand gehalten wurde, wurde die Folie allmählich
auf Raumtemperatur abgekühlt. Wurde das Potential des
so erhaltenen Elektreten mit Hilfe eines Sektorartigen Drehpptentiometers (Pion-elektrostatisches-Feldmeter) an
einer Stelle in 1 cm Entfernung von der Drehelektrode gemessen, wurde beobachtet, daß der Elektret eine Heteroladung
von 550 V aufweist, und der Elektret ebenso wie der gemäß Beispiel 1 erhaltene Elektret; eine ausgezeichnete
Stabilität zeigt.
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Claims (2)
- Patentansprüche ;rlJ Verfahren zur Herstellung eines hochwirksamen Elektreten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektret mit einer Heteroladung und einer Homöoladung, der durch eine Polarisationsbehandlung eines kristallinen Materials mit hohem Molekulargewicht: nach einem üblichen Verfahren bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Ausgangsmaterials und oberhalb des GlasUbergangspunktes des Materials erhalten wurde, bis zum Abklingen der instabilen Heteroladungskomponente und der Homöoladung und bis zur Bildung einer stabilen Heteroladung einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Material mit hohem Molekulargewicht. Polyvinilydenfluorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, PoIyäthylenterephthalat oder Polycarbonat ist.5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit hohem Molekulargewicht eine Mischung aus Polyvinylidenfluorid und Polymethylmethacrylat ist.109839/1190
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