DE602004006773T2

DE602004006773T2 - Verfahren zur herstellung einer porösen kunststoffolie und kunststoffolie

Info

Publication number: DE602004006773T2
Application number: DE602004006773T
Authority: DE
Inventors: Mikko Karttunen; Satu Kortet; Mika Paajanen
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2024-11-05
Also published as: EP1680461A1; DE602004006773D1; FI20031607A0; CN1898305B; FI20031607A; EP1680461B1; ES2287792T3; ATE363509T1; CN1898305A; US7452593B2; WO2005044902A1; KR101123589B1; US20070080477A1; KR20060122834A; FI122368B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Kunststofffilms, wobei das Verfahren das Herstellen einer streckbaren Vorform aus einer Rohmaterialmischung aufweist, aufweisend ein Polymer enthaltendes Basismaterial und ein Additiv, und Verstrecken des Rohlings, um einen Film zu bilden, der geschlossene Poren aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen porösen Kunststofffilm, hergestellt aus einem Rohmaterialblend, enthaltend ein Basismaterial und ein damit vermischtes Additiv, wobei eine Vielzahl von Poren in der Struktur des Kunststofffilms angeordnet sind.
Poröse Kunststofffilme sind dafür bekannt, eine Vielzahl von Verwendungen als Verpackungsmaterial, Dichtung, thermische Isolatoren, Feuchtigkeitssperren, Geräuschisolationsmaterial, Basismaterial für bedruckte Sachen und so weiter zu besitzen. Poröse Kunststofffilme werden ebenfalls verwendet, da sie im Vergleich zu einem festen Film Kunststoffmaterial einsparen. Weiterhin kann die Oberfläche eines porösen Kunststofffilms mit einem glatten und angenehmen Gefühl ausgerüstet werden, was ein signifikanter Vorteil bei einer Vielzahl von Anwendungen ist.
Eine der neuesten Anwendungen für einen porösen Kunststofffilm ist ein elektromechanischer Film, wobei ein Beispiel das Produkt ist, das als EMFi-Film (elektromechanischer Film) bekannt ist. In einem elektromechanischen Film erzeugt dynamisch-mechanische oder akustische Energie eine elektrische Ladung oder eine Veränderung darin oder umgekehrt, d.h. elektrische Energie wird in Bewegung, Schwingung oder Geräusch umgewandelt. Ein solcher Film ist zum Beispiel in US-Patent 4 654 546 beschrieben.
Ein EMFi-Film ist ein dünner, typischerweise 30 bis 100 μm dicker Polypropylenfilm aus eingeschlossenen Aushöhlungen und als ein Elektret wirkend. Ein Elektret betrifft ein Objekt, hier einen Film, der eine permanente elektrische Ladung hat und ein elektrisches Feld außerhalb seiner Oberfläche erzeugt, vorausgesetzt, dass die Oberfläche des Objekts nicht elektrisch leitfähig ist. Derzeit wird ein Film mit einer porösen Struktur durch biaxiales Verstrecken aus einer Polypropylenkunststoffvorform zur Verfügung gestellt, die für diesen Zweck hergestellt wird. Die Vorform weist ein Polypropylen (PP) auf, das den Matrixteil des Films bildet und mit welchem Kalziumcarbonatteilchen oder andere entsprechende Mineralfüller vermischt werden. Die Teilchen des Mineralfüllers initiieren die Bruchstellen oder Diskontinuitäten des Matrixkunststoffes, was während der Orientierung eine Vielzahl von eingeschlossenen Poren oder Aushöhlungen verursacht, die in dem Matrixteil erzeugt werden. Nach dem Verstrecken wird der poröse Film elektrisch geladen, zum Beispiel durch Gleichstrom-Koronabehandlung, gefolgt von Metallisierung von zumindest einem Teil der Oberflächen des Films.
Ein elektromechanischer Film wurde zur Anwendung für zum Beispiel in Mikrophonen und Lautsprechern, Ultraschalldetektoren, Hydrophonen, Elektret-Luftfiltern, Keyboards und Bedienungsschaltern, Bewegungsdetektoren, dynamischen Rauschunterdrückungsanwendungen, Selbstklebepostern oder ähnlichem, Druck-, Kraft- und Beschleunigungssensoren, Wind- und Regendetektoren, ortsbestimmenden Fußbodenoberflächen und ähnlichem vorgeschlagen.
Ein Problem, das mit der Herstellung von bekannten biaxial verstreckten porösen Filmen verknüpft ist, ist, dass die Erzeugung der gewünschten feinstrukturierten Porenstruktur mit den meisten thermisch stabilen Kunststoffen extrem schwierig ist.
Ein weiteres Problem ist, dass lediglich wenige Kunststoffmaterialien zur Verwendung als Herstellungsmaterial für Filme geeignet sind. Polypropylen (PP) wird hauptsächlich verwendet.
Noch ein weiteres Problem, das mit bekannten porösen elektromechanischen Filmen verknüpft ist, ist, dass ihre elektromechanische Konstante (d₃₃) signifikant und permanent abfällt, wenn die Temperatur für eine ausreichend lange Zeit ansteigt, was die Verwendungstemperatur des Films auf 50 bis 60°C, abhängig von der Anwendung, einschränkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung eines porösen Kunststofffilms zur Verfügung zu stellen und einen porösen Kunststofffilm, der die oben angegebenen Probleme vermeidet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist charakterisiert durch das Additiv, welches eine POS(S)-Chemikalie aufweist.
Der erfindungsgemäße Kunststofffilm ist dadurch charakterisiert, dass das Additiv eine POS(S)-Chemikalie aufweist.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass wenn eine Materialvorform, aufweisend eine POSS (polyedrische oligomere Silsesquioxan) oder POS (polyedrische oligomere Silikat)-Chemikalie orientiert wird, der Film mit einer extrem feinstrukturierten Porenstruktur ausgerüstet wird, welche unter anderem die elektromechanische Antwort und Empfindlichkeit des Films in elektromechanischen Anwendungen verbessert. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, das in der vorliegenden Anwendung die Abkürzung POS(S) für POSS- und POS-Chemikalien verwendet wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch geeignete Auswahl des POS(S) für die Matrixpolymerstruktur poröse, teilweise poröse elektromechanische Filme und/oder Elektretfilme aus einer Vielzahl von anderen Polymeren neben PP hergestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die elektromechanische Konstante (d₃₃) eines Films, aufweisend POS(S)-Chemikalien, thermisch stabiler ist, d.h. dass sie sich wesentlich langsamer verringert wenn die Temperatur ansteigt als in bekannten Filmen, d.h. Filme, die elektromechanische POS(S)-Chemikalien aufweisen, können bei höheren Arbeitstemperaturen verwendet werden als ähnliche bekannte Filme.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird eingehender in den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
1 das SEM-Bild eines Teils eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Kunststofffilms zeigt,
2 schematisch die elektromechanische Konstante des in 1 gezeigten Kunststofffilms als eine Funktion der Alterungszeit zeigt, und
3 schematisch die elektromechanische Konstante von Kunststofffilmen gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform der Erfindung als eine Funktion der Alterungszeit zeigt, und
4 das SEM-Bild eines Teils eines Querschnitts eines Kunststofffilms gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt das SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Bild eines Teils eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Kunststofffilms. Die Vergrößerung in der Figur ist 750fach. Die Dicke des Films ist etwa 100 μm. Der Querschnitt des Films ist gefüllt mit einer Vielzahl von linsenartigen eingeschlossenen Poren, die in der Richtung der Oberfläche des Films orientiert sind.
Der Film ist aus einem Basismaterial hergestellt, aufweisend ein Polymer, zu dem eine POS(S)-Chemikalie zugegeben wurde.
POS(S)-Chemikalien
POS(S), was in dem vorliegenden Zusammenhang sowohl POSS (polyedrische oligomere Silsesquioxan) als auch POS (polyedrische oligomere Silikat)-Chemikalien bezeichnet, besteht aus einem Satz von Nanostrukturen mit der folgenden empirischen Formel RSiO_1,5 wobei R ein organischer Substituent ist, wie zum Beispiel Wasserstoff, Siloxy- oder cyclische oder lineare aliphatische oder aromatische Gruppe, welche zusätzlich reaktive funktionelle Gruppen enthalten kann, zum Beispiel Alkohol-, Ester-, Amin-, Keto-, Olefin-, Ether- oder Halogenidgruppen. Die Basisstruktur von POS(S) weist eine polyedrisches Si-O-Rückgrat auf, an welches die R-Gruppen angeheftet sind. Homoleptische POS(S)-Chemikalien, enthaltend lediglich eine einzige Art von R-Gruppen, und heteroleptische POS(S)-Chemikalien, enthaltend jeweils unterschiedlich R-Gruppen, sind bekannt.
Bei Raumtemperatur sind POS(S)e entweder fest oder flüssig. Wenn es mit einem Basismaterial vermischt wird schmilzt festes POS(S) entweder oder es verbleibt in dem festen Zustand, abhängig von den Parametern des Mischprozesses. Zum Beispiel können die folgenden POS(S)-Chemikalien in der Erfindung angewendet werden: Dodecaphenyl-POSS C₁₇H₆₀O₁₈Si₁₂, Isooctyl-POSS [Me₃CCH₂CH(Me)CH₂]_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Octacyclohexyl-POSS C₄₈H₈₈O₁₂Si₈, Octacyclopentyl-POSS C₄₀H₇₂O₁₂Si₈, Octaisobutyl-POSS C₃₂H₇₂O₁₂Si₈, Octamethyl-POSS C₈H₂₄O₁₂Si₈, Octaphenyl-POSS C₄₈H₄₀O₁₂Si₈, Octa-TMA-POSS C₃₂H₉₆O₂₀Si₈·~60H₂O, Dodecatrifluorpropyl-POSS C₃₆H₄₈F₃₆O₁₈Si₁₂, Octatrimethylsiloxy-POSS C₂₄H₇₂O₂₀Si₁₆, Phenethyl-POSS (PhCH₂CH₂)_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Phenethylisobutyl-POSS C₃₆H₇₂O₁₂Si₈. Es soll erwähnt werden, dass die hier angegebenen Chemikalien lediglich einige Beispiel von möglichen POS(S)-Chemikalien sind. Andere POS(S)-Chemikalien können sehr gut in den verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden.
POS(S)-Verbindungen werden zum Beispiel in der WO-Veröffentlichung 01/072 885 beschrieben, deren Prioritätsanmeldung US-60/192 083 ist.
Basismaterialien
Das Basismaterial kann Polypropylen (PP) oder ein anderes thermoplastisches Polymer, Copolymer oder Polymerblend sein, der zumindest monoaxial verstreckt werden kann. Als Beispiele können cyclische Olefincopolymere (COC), cyclische Olefinpolymere (COP), Polymethylpenten (PMP), wie zum Beispiel TPX^®, Polyethylenterephthalat (PET), Polybutenterephthalat (PBT), Polyethylennaphthalat (PEN), ein Blend aus Polyethylennaphthalat und Polyeterimid PEN/PEI genannt werden.
Als Basismaterial für einen elektromechanischen porösen Film und/oder porösen Elektretfilm ist allgemein jeder Kunststoff, der zumindest monoaxial und vorzugsweise auf zumindest ein Dreifaches seiner Länge gestreckt werden kann, geeignet. Dies resultiert in einer ausreichend flachen Porenstruktur. In Verbindung mit dem Verstrecken kann Orientierung der Kunststoffmoleküle auftreten. Zusätzlich muss der Kunststoff eine ausreichend geringe Leitfähigkeit haben und darf im Wesentlichen keine Feuchtigkeit absorbieren. Die dielektrische Festigkeit des Kunststoffes muss ausreichend sein, so dass Teilentladungen in den Poren im Zusammenhang mit einer Gleichstromaufladung auftreten. Weiterhin muss unter in Betracht ziehen der Endverwendung des Films der Kunststoff thermisch ausreichend stabil sein.
Das Basismaterial kann natürlich nicht nur das Polymer, sondern auch Additive, Zumischungen und Füller enthalten, die dem Fachmann wohlbekannt sind.
Beispiel 1
Der in 1 gezeigte Film wird wie folgt hergestellt:
Die Mischung wird durch vermischen des Basismaterials, Borclean HB300BF, und eines POS(S)-Additivs, Hybrid Plastics MS0830, hergestellt, so dass die Menge an Additiv 20 Gewichtsprozent des Gewichts des Basismaterials ist. Hybrid Plastics MS0830 ist Octamethyl-POSS, dessen chemische Formel C₈H₂₄O₁₂Si₈ ist. Das Vermischen wird mit dem Mischteil einer Brabender Plasticorder-Apparatur ausgeführt. Die Solltemperatur des Blenders ist 190°C und die Geschwindigkeit der Rotation während der Zudosierung des Additivs ist 70 min^–1 und nach der Zudosierung 100 min^–1. Die Mischzeit ist 15 min. Während des Vermischens schmilzt das PP, während POS(S) in einem festen Zustand verbleibt.
Der als ein Ergebnis des Vermischens erhaltende Blend wird kompoundiert, in dem er zweimal nacheinander durch einen Extruder, Berstorff ZE 25 × 48 D-Doppelschraubenextruder, hindurch gefahren wird. Die Solltemperatur des Extruders ist 200°C und die Rotationsgeschwindigkeit 200 min^–1. Von dem so erhaltenen Kunststofffilm-Rohmaterialblend wird eine plattenähnliche Vorform durch Extrusion mit einem Einschraubenextruder, Brabender Plasticorder, hergestellt. Die Dicke der hergestellten Vorform ist 1200 μm.
Die Vorform wird in einer biaxialen Streckapparatur Lab Stretcher Karo IV verstreckt. Das Zugverhältnis ist 4,8:1 bei einer Zuggeschwindigkeit von 15 m/min, sowohl in der MD (Maschinenrichtung) als auch TD (Querrichtung)-Richtung. Die Temperatur der Vorform ist etwa 155°C. Als ein Ergebnis des Versteckens wird überraschenderweise eine zahllose Menge an linsenähnlichen geschlossenen Poren in dem Film erzeugt und es wird ein Film erhalten, dessen Querschnitt in 1 gezeigt wird. Der Film ist sehr flexibel und weich.
Im Prinzip hat die Innenseide des Films eine zweiphasige Struktur: eine Matrix, zusammengesetzt hauptsächlich aus dem Basismaterial, und Poren, enthaltend Gas. Die Abmessungen der Poren in der Richtung der Oberfläche des Films sind etwa 10 bis 100 μm. Die Poren enthalten Agglomerate, aufweisend POS(S), deren Durchmesser typischerweise unterhalb 5 μm is. Auf der Basis einer EDS-Analyse (Elektronenstreuungsspektroskopie) enthält die Matrix ebenfalls POS(S). Jedoch ist es als so kleine Teilchen dispergiert, dass man die POS(S)-Teilchen in 1 nicht sehen kann.
Es wird auch beobachtet, dass der Modul der Matrix als ein Ergebnis der Zugabe des Additivs ansteigt. Dies kann als ein Hinweis auf die Dispersion der POS(S)-Chemikalie in die Matrix hinein angenommen werden.
Der Film wird durch direkte Gleichstrom-Koronabehandlung aufgeladen. Hierbei wird eine Grundplatte, die mit dem Erdungspotenzial verbunden ist verwendet, auf welcher der zu behandelnde Film befestigt wird. Eine Koronaspitzenelektrode wird einige Zentimeter von der Probe entfernt angeordnet. Der Film wird einer 55 kV Gleichspannung für einen Zeitraum von 2 bis 5 sec. ausgesetzt. Es soll erwähnt werden, dass das Aufladen innerhalb eines breiten Koronaspannungsbereiches, abhängig von der Filmstruktur, ausgeführt werden kann, zum Beispiel 15 bis 60 kV, und bei unterschiedlichen Gasatmosphären und Gasdrücken.
Nach der Koronabehandlung werden leitfähige Elektrodenelemente auf den Oberflächen des aufgeladenen Films durch Kaltbedampfen unter Verwendung einer Au-Zielelektrode hergestellt.
Eigenschaften des Films
2 zeigt die elektromechanische Konstante d₃₃ des in 1 gezeigten Kunststofffilms als eine Funktion der Alterungszeit. Obwohl es dem Fachmann offensichtlich ist, soll bestätigt werden, das d₃₃ die elektromechanische Konstante des Films betrifft, gemessen in der Richtung der Dicke des Films. In der Figur wird der genannte Film durch die Bezeichnung „Film 1" bezeichnet. Referenz 1 ist ein PP-Film gemäß Stand der Technik mit einem konventionellen Mineralfüller als Additiv. Die Alterungstemperatur ist 60°C.
Die d₃₃-Messung wird mittels eines Ladungsverstärkers ausgeführt. Die vergoldete Probe wird an sechs unterschiedlichen Messpunkten gemessen, von denen die ersten drei sich auf der oberen Oberfläche der Probe befinden und die zweiten drei auf der unteren Oberfläche, aber an den selben Stellen der Probe wie die ersten Messpunkte. Die Frequenz der sinusförmigen dynamischen Kraft, die während der Messung auf die Probe gerichtet ist, ist 2 Hz, wobei die Amplitude 1,5 N ist.
2 zeigt, dass der erfindungsgemäße Film seine Ladungsmenge klar signifikant besser als ein herkömmlicher Film beibehält. Der erfindungsgemäße Film kann demzufolge bei wesentlich höheren Temperaturen eingesetzt werden, was die Anzahl an möglich Anwendungen des Films beträchtlich erweitert.
3 zeigt schematisch die elektromechanische Konstante d₃₃ eines Films gemäß einer zweiten und dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform als eine Funktion der Alterungszeit. Die genannten Filme sind durch die Bezeichnung „Film 2" und „Film 3" bezeichnet. Das Basismaterial der Filme ist aus zwei Bestandteilen zusammengesetzt: Topas 6015 und Topas 8007. Beide genannten Materialien gehören zu cyclischen Olefincopolymeren (COC). Film 2 wird in Übereinstimmung mit dem folgenden Beispiel 2 hergestellt und Film 3 in Übereinstimmung mit Beispiel 3. Der Referenzfilm, Referenz 3, ist ein Film gemäß Beispiel 3, wobei das Additiv nicht eine POS(S)-Chemikalie, sondern ein herkömmlicher Mineralfüller ist.
Beispiel 2
Film 2 wird wie folgt hergestellt:
15 Gewichtsprozent Additiv Hybrid Plastics MS0830, berechnet aus dem Gewicht des Polymeren, werden mit Topas 6015 vermischt. Das Vermischen findet in einem Brabender Plasticorder Blender statt, dessen Solltemperatur 260°C und die Rotationsgeschwindigkeit bei der Additiv-Zudosierungsstufe 70 min^–1 ist, gefolgt von 120 min^–1.
Der Blend wird kompoundiert, indem er zweimal durch einen Berstorff ZE 25 × 48 D-Doppelschraubenextruder unter gleichzeitiger Zugabe von Topas 8007-Kunststoffmaterial zu dem Blend hindurch laufen lassen wird, sodass das Verhältnis von Topas 6015 zu Topas 8007 im Rohmaterialblend des Films, der als ein Ergebnis des Kompoundierens erhalten wird, 80/20 ist, wobei der Anteil des Additivs etwa 9 Gewichtsprozent beträgt, berechnet aus dem Gewicht des Kunststoffmaterials.
Die Solltemperatur des Extruders ist 270°C im ersten Teil der Schraube und 250°C im letzten Teil der Schraube, die Rotationsgeschwindigkeit ist 200 min^–1.
Der als ein Ergebnis des Kompoundierens erhaltene Rohmaterialblend wird als eine plattenähnliche Vorform mit einem Brabender Plasticorder Extruder extrudiert. Die Dicke der Vorform ist etwa 740 μm.
Die Vorform wird in einer biaxialen Streckapparatur Lab Stretcher Karo IV verstreckt. Das Zugverhältnis ist sowohl in den MD- als auch TD-Richtungen 3. Die Temperatur der Vorform ist etwa 169°C und die Zuggeschwindigkeit 0,5 m/min.
Nach dem Verstrecken wird der Film durch die Verwendung des Gasdiffusionsverfahrens expandiert. Die Sättigungsphase der Expansion dauert 95 Minuten an, die Temperatur ist 50°C und der Druck 60 bar. Die Expansionsphase, welche bei Normaldruck auf die Sättigungsphase folgt, dauert 0,5 min, wobei die Temperatur 140°C ist. Die Dicke des Films vor der Expansion ist etwa 88 μm und nach der Expansion etwa 99 μm.
Die Struktur des in Beispiel 2 hergestellten Films ist ähnlich wie die des in 1 gezeigten Films.
Der Film wird durch Koronabehandlung aufgeladen und auf beiden Seiten in der Art und Weise metallisiert, wie im Zusammenhang mit Beispiel 1 beschrieben. Die elektromechanische Konstante wird ebenfalls in der oben beschriebenen Art gemessen.
Wie 3 zeigt, ist die elektromechanische Konstante d₃₃ des erfindungsgemäßen Films, Film 2, wesentlich höher als die des herkömmlichen Referenzfilms.
Beispiel 3
Film 3 wird wie folgt hergestellt:
Das Basismaterial wird aus einem Blend der Materialien Topas 6015 und Topas 8007 hergestellt, aber in diesem Fall so, dass das Verhältnis der genannten Komponenten in dem Blend 90/10 Gewichtsprozent ist.
Der Blend wird in der gleichen Art und Weise und mit den gleichen Apparaturen und Mischparametern wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme der Mischzeit, die 12 min ist.
Der Blend wird kompoundiert, indem er zweimal durch einen Extruder laufen lassen wird, wobei die Solltemperatur des Extruders 270°C im ersten Teil der Schraube und 250°C im letzten Teil der Schraube ist und die Rotationsgeschwindigkeit 200 min^–1 ist. Gleichzeitig wird Material Topas 8007 zu dem Blend zugegeben. Das Verhältnis von Topas 6015 zu Topas 8007 ist 90/10 im Rohmaterialblend des Films, der als ein Ergebnis des Kompoundierens erhalten wird, der Anteil des Additivs ist 10 Gewichtsprozent, berechnet aus dem Gewicht des Kunststoffmaterials.
Der als ein Ergebnis des Kompoundierens erhaltene Rohmaterialblend wird als eine plattenähnliche Vorform mit einem Brabender Plasticorder Extruder extrudiert. Die Dicke der Vorform ist etwa 780 μm.
Die Vorform wird in einer biaxialen Streckapparatur Lab Stretcher Karo TV verstreckt. Die Zuggeschwindigkeit ist 0,5 m/min und das Zugverhältnis ist 3,1:1, sowohl in den MD- als auch TD-Richtungen. Die Temperatur der Vorform ist 164°C.
Der biaxial verstreckte Film wird expandiert. Der Druck der Sättigungsphase ist 40 bar, die Sättigungszeit 60 min und die Sättigungstemperatur 60°C. Die Temperatur der Expansionsphase bei Normaldruck ist 145°C und die Dauer 0,5 min. Die Dicke des Films vor der Expansion ist etwa 78 μm und nach der Expansion etwa 86 μm.
Der Film wird durch Koronabehandlung aufgeladen und mit Elektrodenmaterial in der Art und Weise beschichtet, wie im Zusammenhang mit Beispiel 1 beschrieben. Die elektromechanische Konstante wird ebenfalls in der oben angegebenen Art und Weise gemessen.
Wie 3 zeigt, verringert sich die elektromechanische Konstante d₃₃ des in Beispiel 3 hergestellten Films extrem langsam im Vergleich mit einem entsprechenden Film, in welchem das Additiv nicht eine POS(S)-Chemikalie ist, sondern ein herkömmlicher Mineralfüller ist.
Beispiel 4
4 zeigt ein SEM-Bild eines Teils des Querschnitts eines Kunststofffilms gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Der in 4 gezeigte Film wird wie folgt hergestellt:
Der Blend wird hergestellt durch Vermischen des Basismaterials, Topas 6015, welches ein COC-Polymer ist, mit einem POS(S)-Additiv Hybrid Plastics MS0825, so dass die Menge des Additivs 15 Gewichtsprozent des Gewichts des Basismaterials ist. Vermischen wird mit dem Mischteil einer Brabender Plasticorder-Apparatur ausgeführt. Die Solltemperatur des Mischers ist 250°C und die Rotationsgeschwindigkeit während der gesamten Vermischung ist 70 min^–1. Die Mischzeit ist 12 min. Während des Vermischens schmelzen sowohl das Basismaterial als auch das POS(S)-Additiv. MS0825 ist ein polymorphes Material mit Schmelzpunkten von 55°C und 269°C.
Der als ein Ergebnis des Vermischens erhaltene Blend wird kompoundiert, indem er zweimal nacheinander durch einen Extruder, Berstorff ZE 25 × 48 D-Doppelschraubenextruder, gefahren wird, und indem gleichzeitig zu dem Blend Topas 8007 Basismaterial zugegeben wird, welches ein COC-Polymer ist. Die Solltemperatur des Extruders im ersten Teil der Schraube ist 275°C und 270°C im letzten Teil der Schraube. Die Rotationsgeschwindigkeit der Schraube ist 200 min^–1.
Der als ein Ergebnis des Kompoundierens erhaltene Rohmaterialblend hat ein Verhältnis von Topas 6015 zu Topas 8007 von 90/10, der Anteil des Additivs ist 10 Gewichtsprozent, gemessen aus dem Gewicht des Kunststoffmaterials. Ein Kunststofffilm wird aus diesem Rohmaterialblend durch Extrusion mit einem Einschraubenextruder, Brabender Plasticorder, hergestellt.
Der Kunststofffilm wird geschreddert und noch einmal als plattenähnliche Vorform mit einer Dicke von 610 μm extrudiert. Die Vorform wird biaxial in einer Streckapparatur Lab Stretcher Karo IV verstreckt. Das Zugverhältnis ist 3,3, sowohl in MD (Maschinenrichtung) als auch TD (Querrichtung)-Richtung. Die Zuggeschwindigkeit ist 1 m/min, die Temperatur der Vorform ist 162°C. Eine extrem feine Porenstruktur wird in dem Film erreicht.
Nach dem Verstrecken wird der Film unter Verwendung des Gasdiffusionsverfahrens expandiert. Die Sättigungsphase der Expansion dauert 51 min, ihre Temperatur ist 60°C und der Druck 20 bar. Die Expansionsphase, welche bei Normaldruck auf die Sättigungsphase folgt, dauert 0,5 min, wobei die Temperatur 150°C ist. Die Dicke des Films ist etwa 59 μm vor der Expansion und nach der Expansion etwa 102 μm.
Als ein Ergebnis der Expansion wird ein Film erhalten, dessen Querschnitt in 4 gezeigt ist. Man kann beobachten, dass die Struktur des Films extrem porös ist. Da das POS(S) beim Kompoundieren schmilzt, können die aus der Schmelze mit einem Größenbereich von einigen Zehnteln Nanometern kristallisierten POS(S)-Agglomerate als Nukleatoren für die Poren gewirkt haben.
Der Mechanismus, mit welchem das POS(S) als ein Aushöhlungsmittel wirkt, um Poren zu erzeugen, ist jedoch noch aufzuklären. Eine Alternative ist, dass die POS(S)-Agglomerate mit einem Größenbereich von 1 bis 2 μm als Nukleatoren der Poren wirken. Die aufgelösten POS(S)-Agglomerate, die kleiner als diese sind, mit einem Durchmesser von vielleicht einigen Zehnteln Nanometern, oder individuelle POS(S)-Moleküle erhöhen die Stabilität der Matrix. Eine andere Alternative ist, dass die genannten gelösten Agglomerate oder individuellen Moleküle die Poren initiieren. In diesem Fall würden die in den SEM-Bildern in den Poren gezeigten größeren POS(S)-Agglomerate keine wesentliche Bedeutung bezüglich der Erzeugung der Poren haben. Der Grund, warum die elektromechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen porösen Films thermisch stabil sind, muss ebenfalls noch geklärt werden. Der Grund kann die extrem poröse Struktur des Films sein. Nichts desto weniger verbleibt der Mechanismus wie erwähnt noch aufzuklären.
Beispiel 5
Ein Blend wird hergestellt durch Vermischen eines Basismaterials Topas 6015, welches ein COC-Polymer ist, und eines POS(S)-Additivs, Hybrid Plastics MS0830, so dass die Menge an Additiv 10 Gewichtsprozent des Gewichts des Basismaterials ist. Das Vermischen, die Herstellung der Vorform, das Strecken und Expansion der Vorform, werden in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Prinzipien ausgeführt.
Ein poröser Film wird aus dem Blend hergestellt.
Die Zeichnungen und die darauf bezogene Beschreibung sind lediglich dazu gedacht, die Idee der Erfindung zu veranschaulichen. Die Details der Erfindung können innerhalb des Umfangs der Ansprüche variieren. Demzufolge hängt die Dicke des Films von der Anwendung ab: in elektromechanischen und/oder Elektret-Anwendungen wird die maximale Dicke des Films durch die Vorrichtungen bestimmt, die verwendet werden, um den Film aufzuladen. Typischerweise ist die Dicke eines elektromechanischen Films unterhalb 200 μm, vorzugsweise 5 bis 150 μm, stärker bevorzugt 20 bis 120 μm, besonders bevorzugt 30 bis 70 μm. In elektromechanischen und/oder Elektret-Anwendungen ist die praktische obere Grenze der Dicke des Films 2 bis 3 mm, was durch das elektrische Aufladeverfahren vorgeben ist, das für das Aufladen des Films eingesetzt wird. Bei anderen als elektromechanischen Anwendungen kann die Dicke des Films wesentlich dicker sein. In den genannten Anwendungen wird die obere Grenze der Dicke des Films durch die Abmessungen und Kapazität der Herstellungsausrüstung vorgeschrieben. Erfindungsgemäße Filme können natürlich einer auf dem anderen miteinander verbunden werden, wobei größere Produktdicke erreicht wird. Das Verbinden kann zum Beispiel durch Kleben oder durch eine entsprechende, per se bekannte, Art und Weise erfolgen.
Auf der anderen Seite ermöglicht die Erfindung die Herstellung von elektromechanischen Filmanwendungsformen, bei denen die Veränderung der elektromechanischen Energie auf der Änderung in der Dicke des Films im elektrischen Feld basiert, oder andererseits solche elektromechanischen Filmanwendungsformen, bei denen die Änderung in der elektromechanischen Energie auf der Änderung der Stelle des Films in dem elektrischen Feld basiert. Dies sind Prinzipien, die dem Fachmann per se bekannt sind und daher hier nicht im größeren Detail beschrieben werden.
Leiter oder Elektroden, die auf einer oder beiden Seiten des Films angeordnet sind, können zum Beispiel durch Vakuumverdampfung, Sputtern, Aufdrucken, Laminieren oder andere entsprechende Verfahren, die per se bekannt sind, hergestellt werden.
Das POS(S) kann eine oder mehrere reaktive Gruppen enthalten, gebunden an eine Polymerkette, entweder an das Polymerrückgrat oder als eine Seitengruppe des Polymerrückgrats.
Das POS(S) kann mit dem Basismaterial zusammen mit einem Träger vermischt werden. Der Träger kann zum Beispiel ein Füller sein, wie zum Beispiel Siliziumoxid, an dessen Oberfläche von seinen Teilchen das POS(S) gebunden ist. Bindung an das Trägermittel kann zum Beispiel über eine geeignete reaktive Gruppe der POS(S)-Chemikalie implementiert werden.
Die Menge an POS(S)-Chemikalie, berechnet aus dem Gewicht des Basismaterials, kann 0,1 bis 50 Gewichtsprozent betragen, vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent.
Die Vorform kann nicht nur durch Extrusion hergestellt werden, sondern auch durch Spritzgießen und andere Gießverfahren und aus Lösungen.
Das Zugverhältnis, das beim biaxialen Strecken verwendet wird, ist vorzugsweise etwa 2:1 bis 8:1, abhängig von der zu ziehenden Vorform und insbesondere von dem zu ziehenden Material. Das Zugverhältnis kann auch in den MD- und TD-Richtungen verschieden sein.
Der elektromechanische Film kann durch jedes Verfahren aufgeladen werden, das ein ausreichend starkes elektrisches Feld über dem Film erzeugt.
So wie in den Beispielen beschrieben, kann der Film, falls gewünscht, expandiert werden. Vorzugsweise ist der Expansionsdruck zwischen 20 und 60 bar.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines porösen Kunststofffilms, bei dem man eine streckbare Vorform aus einem Rohmaterialblend herstellt, das ein Polymer enthaltendes Grundmaterial und ein Additiv umfasst, den Rohling streckt, um einen Film, der Poren umfasst, zu bilden, den porösen Film auflädt, in dem man über ihn ein elektrisches Feld leitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv eine POS(S)-Chemikalie umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass matt die Vorform biaxial streckt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Vorform innerhalb eines Ziehverhältnis-Bereichs von 2:1 bis 8:1 streckt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das POS(S) bei Raumtemperatur in einem festen Zustand ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das POS(S) mit dem Grundmaterial bei einer Temperatur mischt, die niedriger ist als die Schmelztemperatur des POS(S).
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das POS(S) mit dem Grundmaterial bei einer Temperatur mischt, die die Schmelztemperatur des POS(S) übersteigt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das POS(S) bei Raumtemperatur einen flüssigen Zustand einnimmt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das POS(S) eine oder mehrere der folgenden Chemikalien umfasst: Dodecaphenyl-POSS C₁₇H₆₀O₁₈Si₁₂, Isooctyl-POSS [Me₃CCH₂CH(Me)CH₂]_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Octacyclohexyl-POSS C₄₈H₈₈O₁₂Si₈, Octacyclopentyl-POSS C₄₀H₇₂O₁₂Si₈, Octaisobutyl-POSS C₃₂H₇₂O₁₂Si₈, Octamethyl-POSS C₈H₂₄O₁₂Si₈, Octaphenyl-POSS C₄₈H₄₀O₁₂Si₈, Octa-TMA-POSS C₃₂H₉₆O₂₀Si₈·~60H₂O, Dodecatrifluorpropyl-POSS C₃₆H₄₈F₃₆O₁₈Si₁₂, Octatrimethylsiloxy-POSS C₂₄H₇₂O₂₀Si₁₆, Phenethyl-POSS (PhCH₂CH₂)_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Phenethylisobutyl-POSS C₃₆H₇₂O₁₂Si₈.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial eines oder mehrere der folgenden Polymere umfasst: Polypropylene, cyclische Olefin-Copolymere, cyclische Olefin-Polymere, Polymethylpenten, Polyethylenterephthalat, Polybutenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyetherimid.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des porösen Kunststofffilms 5 bis 200 μm beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an POS(S) 0,1 bis 50 Gewichtsprozent, berechnet aus dem Gewicht des Grundmaterials, beträgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Poren, die von dem Film umfasst sind, mit Gas expandiert.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man ein elektrisch leitfähiges Element auf wenigstens einer Seite des porösen Films bereitstellt.
Poröser Kunststofffilm, hergestellt aus einem Rohmaterialblend, das ein Grundmaterial und ein mit diesem vermischtes Additiv enthält, wobei eine Vielzahl an Poren in der Struktur des Kunststofffilms angeordnet ist, wobei die Poren dadurch hergestellt sind, dass man eine Vorform aus dem Rohmmaterialblend streckt und wobei der Kunststofffilm elektrisch aufgeladen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv eine POS(S)-Chemikalie umfasst.
Kunststofffilm gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren durch biaxiales Strecken der Vorform hergestellt sind.
Kunststofffilm gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehverhältnis der Streckung innerhalb eines Ziehverhätnis-Bereichs von 2:1 bis 8:1 ist.
Kunststofffilm gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren geschlossene Poren sind.
Kunststofffilm gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das POS(S) eine oder mehrere der folgenden Chemikalien umfasst: Dodecaphenyl-POSS C₁₇H₆₀O₁₈Si₁₂, Isooctyl-POSS [Me₃CCH₂CH(Me)CH₂]_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Octacyclohexyl-POSS C₄₈H₈₈O₁₂Si₈, Octacyclopentyl-POSS C₄₀H₇₂O₁₂Si₈, Octaisobutyl-POSS C₃₂H₇₂O₁₂Si₈, Octamethyl-POSS C₈H₂₄O₁₂Si₈, Octaphenyl-POSS C₄₈H₄₀O₁₂Si₈, Octa-TMA-POSS C₃₂H₉₆O₂₀Si₈·~60H₂O, Dodecatrifluorpropyl-POSS C₃₆H₄₈F₃₆O₁₈Si₁₂, Octatrimethylsiloxy-POSS C₂₄H₇₂O₂₀Si₁₆, Phenethyl-POSS (PhCH₂CH₂)_nT_n, wobei n = 8, 10 oder 12 ist, Phenethylisobutyl-POSS C₃₆H₇₂O₁₂Si₈.
Kunststofffilm gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial eines oder mehrere der folgenden Polymere umfasst: Polypropylene, cyclische Olefin-Copolymere, cyclische Olefin-Polymere, Polymethylpenten, Polyethylenterephthalat, Polybutenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyetherimid.
Kunststofffilm gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine seiner Oberflächen wenigstens teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichtet ist.
Kunststofffilm gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ein elektromechanischer Film oder ein Elektretfilm ist.
Kunststofffilm gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung in der elektromechanischen Energie dergestalt durchgeführt wird, dass sie durch eine Änderung in der Dicke des Films erfolgt.
Kunststofffilm gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung in der elektromechanischen Energie auf der Variation des Orts des Film in einem elektrischen Feld basiert.