RU2648360C1 - Electret material based on polyethylene and method of its manufacture - Google Patents
Electret material based on polyethylene and method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648360C1 RU2648360C1 RU2017115606A RU2017115606A RU2648360C1 RU 2648360 C1 RU2648360 C1 RU 2648360C1 RU 2017115606 A RU2017115606 A RU 2017115606A RU 2017115606 A RU2017115606 A RU 2017115606A RU 2648360 C1 RU2648360 C1 RU 2648360C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polyethylene
- electret
- film
- carrier gas
- structures
- Prior art date
Links
- -1 polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 42
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 40
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical group [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- FAIAAWCVCHQXDN-UHFFFAOYSA-N phosphorus trichloride Chemical compound ClP(Cl)Cl FAIAAWCVCHQXDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical group Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims abstract description 7
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 30
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 18
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical group [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LFGREXWGYUGZLY-UHFFFAOYSA-N phosphoryl Chemical group [P]=O LFGREXWGYUGZLY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N hydridophosphorus(.) (triplet) Chemical compound [PH] BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 27
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 11
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 5
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000005516 deep trap Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 2
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 2
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M sodium nitrite Chemical compound [Na+].[O-]N=O LPXPTNMVRIOKMN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 2
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- WWILHZQYNPQALT-UHFFFAOYSA-N 2-methyl-2-morpholin-4-ylpropanal Chemical compound O=CC(C)(C)N1CCOCC1 WWILHZQYNPQALT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100160821 Bacillus subtilis (strain 168) yxdJ gene Proteins 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910000402 monopotassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019796 monopotassium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;potassium Chemical compound [K].OP(O)(O)=O PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910001392 phosphorus oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- LJCNRYVRMXRIQR-OLXYHTOASA-L potassium sodium L-tartrate Chemical compound [Na+].[K+].[O-]C(=O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O LJCNRYVRMXRIQR-OLXYHTOASA-L 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 235000010288 sodium nitrite Nutrition 0.000 description 1
- 235000011006 sodium potassium tartrate Nutrition 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G7/00—Capacitors in which the capacitance is varied by non-mechanical means; Processes of their manufacture
- H01G7/02—Electrets, i.e. having a permanently-polarised dielectric
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технологий изготовления электретных материалов и изделий на их основе. Полимерные электретные материалы широко используются при промышленном производстве электретных микрофонов, электретных фильтров и респираторов, электретных компонентов микроэлектромеханических систем (МЭМС), а также активной электретной упаковки пищевых продуктов.The invention relates to the field of manufacturing technologies of electret materials and products based on them. Polymeric electret materials are widely used in the industrial production of electret microphones, electret filters and respirators, electret components of microelectromechanical systems (MEMS), as well as active electret packaging of food products.
Важнейшими факторами, определяющими эффективность практического использования электретных материалов, являются величина и стабильность сформированного в них электретного заряда. В первую очередь имеется в виду временная стабильность, в качестве критерия которой иногда используют параметр τ (время жизни электрета) - время, за которое эффективная поверхностная плотность заряда электрета σ уменьшается в e раз. Для электретных материалов с ярко выраженными электретными свойствами типичные значения параметра τ при нормальных условиях составляют значения от нескольких суток до нескольких лет. Однако время жизни электретов резко уменьшается по мере увеличения эффективной поверхностной плотности накопленного в них заряда. Поэтому критерием качества электрета также является величина стабильной остаточной поверхностной плотности заряда σст. Типичные значения стабильной остаточной плотности заряда σст, которые реально удается получить в полимерных электретных материалах на основе полиэтилена, на практике составляют, как правило, величины порядка 10-6-10-5 Кл/м2, что сильно ограничивает возможные области применения таких электретов [1].The most important factors determining the effectiveness of the practical use of electret materials are the magnitude and stability of the electret charge formed in them. First of all, we mean temporary stability, the criterion of which is sometimes used by the parameter τ (electret lifetime) - the time during which the effective surface charge density of the electret σ decreases e times. For electret materials with pronounced electret properties, typical values of the parameter τ under normal conditions are from several days to several years. However, the lifetime of electrets decreases sharply as the effective surface density of the charge accumulated in them increases. Therefore, the criterion for the quality of the electret is also the value of the stable residual surface charge density σ st . Typical values of the stable residual charge density σ st , which can actually be obtained in polymer electret materials based on polyethylene, in practice, as a rule, are of the order of 10 -6 -10 -5 C / m 2 , which greatly limits the possible applications of such electrets [one].
Наряду со стабильностью поверхностной плотности заряда во времени важнейшей комплексной характеристикой электретов является термостабильность заряда, которая, во-первых, определяет номинальные температурные условия эксплуатации электретных материалов, а, во-вторых, указывает максимальные температуры, до которых допускается кратковременный нагрев таких материалов без существенного спада электретного заряда. Количественными критериями термостабильности электретного заряда могут служить характерные точки на зависимости поверхностной плотности заряда электрета от температуры, а именно температуры начала спада заряда (Т*) и температуры, при которой поверхностная плотность заряда уменьшается в два раза от начального значения (Т**). Along with the stability of the surface charge density over time, the most important integrated characteristic of electrets is the thermal stability of the charge, which, firstly, determines the nominal temperature operating conditions of electret materials, and, secondly, indicates the maximum temperatures to which short-term heating of such materials is allowed without significant decline electret charge. The quantitative criteria for the thermal stability of the electret charge can be characteristic points on the temperature dependence of the surface charge density of the electret, namely, the temperature at which the charge decays (T *) and the temperature at which the surface charge density decreases by half from the initial value (T **).
Электретные материалы на основе полиэтилена обладают крайне низкой термостабильностью поверхностной плотности заряда. Так, в короноэлектретах, изготовленных из пленок полиэтилена высокого давления, температура Т* составляет 30-40°С, а их нагрев до температур 50-60°С вызывает полное разрушение электретного состояния в течение нескольких минут [1]. Таким образом, электретные материалы на основе полиэтилена по основным электретным свойствам уступают ряду других полимерных материалов, например полипропилену и, особенно, политетрафторэтилену [1, 2]. Однако полиэтилен обладает и целым рядом преимуществ. Прежде всего - это экономическая и технологическая эффективность его использования. Себестоимость производства единицы продукции на основе полиэтилена - одна из самых низких, крупнотоннажное производство листов, пленок и волокнистых материалов хорошо отлажено, возможность рециклинга предоставляет перспективы производства одноразовых изделий с ограниченным жизненным циклом. Поэтому активно ведутся работы по созданию новых электретных материалов на основе полиэтилена с улучшенными электретными свойствами, а также по разработке способов их изготовления. Для этого в полимерную матрицу или на ее поверхность вводят (наносят) вещества, способные увеличить поляризационные эффекты в полимере и стабилизировать электретный заряд, который, как правило, формируется методом зарядки в коронном разряде (электретирование) [1, 2].Polyethylene-based electret materials exhibit extremely low thermal stability of surface charge density. So, in corona electrets made of high pressure polyethylene films, the temperature T * is 30–40 ° С, and their heating to temperatures of 50–60 ° С causes complete destruction of the electret state within several minutes [1]. Thus, polyethylene-based electret materials are inferior in terms of basic electret properties to a number of other polymeric materials, for example polypropylene and, especially, polytetrafluoroethylene [1, 2]. However, polyethylene has a number of advantages. First of all, it is the economic and technological efficiency of its use. The cost of production of a unit of production based on polyethylene is one of the lowest, large-scale production of sheets, films and fibrous materials is well established, the possibility of recycling provides prospects for the production of disposable products with a limited life cycle. Therefore, work is underway to create new electret materials based on polyethylene with improved electret properties, as well as to develop methods for their manufacture. For this purpose, substances capable of increasing polarization effects in the polymer and stabilizing the electret charge, which, as a rule, is formed by the method of charging in a corona discharge (electret), are introduced (deposited) into the polymer matrix or on its surface [1, 2].
Известен электретный материал на основе полиэтилена, представляющий собой слоистую систему вида «полимер - неорганический сегнетоэлектрик - полимер», в которой неорганический сегнетоэлектрик - вещество из ряда: нитрит натрия, сегнетова соль, дигидрофосфат калия, гидросульфат аммония, а толщина неорганического слоя составляет от 10 до 50 мкм [3]. Данный материал получают методом последовательного нанесения (напыления) слоев с термообработкой каждого слоя и последующим охлаждением в поле коронного разряда [3].Known electret material based on polyethylene, which is a layered system of the type "polymer - inorganic ferroelectric - polymer", in which the inorganic ferroelectric is a substance from the series: sodium nitrite, Rochelle salt, potassium dihydrogen phosphate, ammonium hydrogen sulfate, and the thickness of the inorganic layer is from 10 to 50 μm [3]. This material is obtained by the method of successive deposition (spraying) of layers with heat treatment of each layer and subsequent cooling in the field of corona discharge [3].
Известны электретные материалы на основе полиэтилена, представляющие собой композиты с дисперсными наполнителями из диоксида титана [4], некоторых сегнетоэлектриков [5], а также с добавками из диоксида кремния и крахмала [6]. Данные материалы изготавливают путем объемного введения наполнителей в расплав полимера с последующим электретированием в коронном разряде.Known electret materials based on polyethylene, which are composites with dispersed fillers of titanium dioxide [4], some ferroelectrics [5], as well as additives from silicon dioxide and starch [6]. These materials are made by volumetric introduction of fillers into the polymer melt, followed by electrification in a corona discharge.
Недостатки указанных материалов и способов их изготовления:The disadvantages of these materials and methods for their manufacture:
- низкая величина стабильной поверхностной плотности заряда (σст не более 5⋅10-5 Кл/м2);- low value of a stable surface charge density (σ st not more than 5⋅10 -5 C / m 2 );
- низкая термостабильность заряда (температура начала спада поверхностной плотности электретного заряда Т* не превышает 45°С);- low thermal stability of the charge (the temperature of the beginning of the decline in the surface density of the electret charge T * does not exceed 45 ° C);
- невозможность изготовления материалов в виде тонких пленок (получаемые электретные материалы представляют собой листы с толщиной более 0,25 мм), что для большинства технических приложений означает нерациональное использование полимерного вещества;- the impossibility of manufacturing materials in the form of thin films (the obtained electret materials are sheets with a thickness of more than 0.25 mm), which for most technical applications means the irrational use of a polymer substance;
- трудоемкость и низкая технологичность способов изготовления материалов.- the complexity and low adaptability of the methods of manufacturing materials.
Для улучшения электретных свойств пленок полиэтилена и получения на их основе электретных материалов, способных стабильно удерживать заряд с большей поверхностной плотностью, предложено перед электретированием в коронном разряде производить химическую модификацию поверхности полиэтилена парами ряда реагентов [7, 8].To improve the electret properties of polyethylene films and to obtain electret materials based on them that can stably hold a charge with a higher surface density, it was proposed to chemically modify the surface of polyethylene by pairs of a number of reagents before electrifying in a corona discharge [7, 8].
Так, в работе [7] предложен электретный материал, в котором на поверхности полиэтилена методом молекулярного наслаивания [9] синтезированы титаноксидные структуры, дискретно расположенные на поверхности. Это позволило заметно повысить величину стабильной поверхностной плотности заряда (σст=3⋅10-4 Кл/м2), однако термостабильность электретного заряда при этом увеличивается недостаточно (Т*=50°С, а Т**=95°С).So, in [7], an electret material was proposed in which titanium oxide structures discretely located on the surface were synthesized by the method of molecular layering [9] on the surface of polyethylene. This made it possible to significantly increase the value of the stable surface charge density (σ st = 3⋅10 -4 C / m 2 ), however, the thermal stability of the electret charge does not increase sufficiently (T * = 50 ° C, and T ** = 95 ° C).
Прототипом изобретения является электретный материал на основе полиэтилена и способ его изготовления, предложенный в работе [8]. А именно электретный материал, состоящий из пленки полиэтилена с синтезированным на ее поверхности дискретным слоем фосфороксидных структур, химически связанных с полимерной матрицей. Для его изготовления осуществляют синтез на поверхности пленки полиэтилена фосфороксидных структур путем последовательной обработки пленки парами трихлорида фосфора, осушенным газом-носителем, парами воды и вновь осушенным газом-носителем с последующим электретированием в коронном разряде.The prototype of the invention is an electret material based on polyethylene and a method for its manufacture, proposed in [8]. Namely, an electret material consisting of a polyethylene film with a discrete layer of phosphorus structures synthesized on its surface chemically bonded to a polymer matrix. For its manufacture, synthesis of phosphorus oxide structures on the surface of a polyethylene film is carried out by sequentially treating the film with phosphorus trichloride vapors, a dried carrier gas, water vapor and a newly dried carrier gas, followed by electrification in a corona discharge.
Сущность данного технического решения состоит в том, что фосфороксидные структуры, химически связанные с полимерной матрицей и образующие на ее поверхности дискретный слой, являются энергетически глубокими ловушками для электретных зарядов. Кроме того, эти структуры значительно снижают подвижность поверхностных макромолекул, что в совокупности приводит к увеличению стабильности поверхностной плотности заряда, сообщаемого полимеру при электретировании. В результате достигается возможность получения электретов со стабильной поверхностной плотностью заряда σст до 3⋅10-4 Кл/м2. Причем имеется возможность получать электретные материалы в виде тонких пленок (толщиной 50 мкм и менее).The essence of this technical solution is that phosphorus structures chemically bonded to the polymer matrix and forming a discrete layer on its surface are energetically deep traps for electret charges. In addition, these structures significantly reduce the mobility of surface macromolecules, which together leads to an increase in the stability of the surface charge density imparted to the polymer upon electretization. As a result, it is possible to obtain electrets with a stable surface charge density σ st up to 3⋅10 -4 C / m 2 . Moreover, it is possible to obtain electret materials in the form of thin films (with a thickness of 50 μm or less).
Недостатки прототипа:The disadvantages of the prototype:
- недостаточная величина стабильной поверхностной плотности заряда электрета;- insufficient amount of stable surface charge density of the electret;
- недостаточная термостабильность электретного заряда (температура начала спада заряда Т*=42°С, температура полуспада заряда Т**=92°С, полная релаксация заряда происходит при температуре 140°С).- insufficient thermal stability of the electret charge (temperature of the beginning of the decay of the charge T * = 42 ° C, the half-life of the charge T ** = 92 ° C, complete relaxation of the charge occurs at a temperature of 140 ° C).
Цель изобретения - повышение величины и термостабильности поверхностной плотности заряда в электретном материале на основе полиэтилена.The purpose of the invention is to increase the magnitude and thermal stability of the surface charge density in an electret material based on polyethylene.
Искомый технический результат достигается за счет того, что в известном электретном материале, состоящем из пленки полиэтилена с синтезированным на ее поверхности дискретным слоем фосфороксидных структур, химически связанных с полимерной матрицей, на поверхности пленки синтезирован второй дискретный слой, состоящий из титаноксидных структур, химически связанных с фосфороксидными структурами. Для этого в известном способе изготовления электретного материала на основе полиэтилена, включающем синтез на поверхности пленки полиэтилена фосфороксидных структур путем последовательной обработки пленки парами трихлорида фосфора, осушенным газом-носителем, парами воды и вновь осушенным газом-носителем, после синтеза фосфороксидных структур производят синтез титаноксидных структур путем последовательной обработки пленки парами тетрахлорида титана, осушенным газом-носителем, парами воды и вновь осушенным газом-носителем с последующим электретированием в коронном разряде.The desired technical result is achieved due to the fact that in the known electret material consisting of a polyethylene film with a discrete layer of phosphorus structures chemically bonded to a polymer matrix synthesized on its surface, a second discrete layer is synthesized on the film surface, consisting of titanium oxide structures chemically bonded phosphorus oxide structures. To this end, in a known method for producing an electret material based on polyethylene, comprising synthesizing phosphorus oxide structures on the surface of a polyethylene film by sequentially treating the film with phosphorus trichloride vapors, dried carrier gas, water vapor and newly dried carrier gas, synthesis of titanium oxide structures is carried out after synthesis of phosphorus oxide structures by sequentially treating the film with vapors of titanium tetrachloride, a dried carrier gas, water vapor and a newly dried carrier gas followed by corona discharge electretion.
Сущность изобретения состоит в том, что в заявляемом электретном материале формируется двухкомпонентный дискретный слой, химически связанный с поверхностью полимерной матрицы, причем за счет проявления синергетического эффекта при образовании -Р-O-Ti- структур создаются энергетически более глубокие ловушки, чем это имеет место, когда фосфороксидные или титаноксидные структуры прививаются к поверхностным макромолекулам полиэтилена по отдельности. В результате удается повысить величину и термостабильность электретного заряда, сообщаемого полимеру при последующем электретировании в коронном разряде, поскольку зарядам предоставляется возможность закрепляться на этих глубоких ловушках.The essence of the invention lies in the fact that in the inventive electret material a two-component discrete layer is formed, chemically bonded to the surface of the polymer matrix, and due to the manifestation of a synergistic effect during the formation of -P-O-Ti- structures, energetically deeper traps are created than is the case, when phosphorus or titanium oxide structures are grafted onto the surface macromolecules of polyethylene individually. As a result, it is possible to increase the magnitude and thermal stability of the electret charge imparted to the polymer during subsequent electrification in the corona discharge, since the charges are given the opportunity to be fixed on these deep traps.
Последовательность операций при реализации заявляемого изобретения состоит в следующем. Пленку полиэтилена помещают в емкость с этиловым спиртом для удаления с поверхности полимера загрязнений. После этого пленка размещается в проточном реакторе, где при температуре 60°С в токе сухого (влагосодержание <100 мг/м3) воздуха с поверхности пленки удаляются физически сорбированные спирт и вода. По завершении этой стадии в реактор в потоке осушенного газа-носителя подают пары трихлорида фосфора (PCl3), после чего подача реагента прекращается и реактор продувается потоком газа-носителя для удаления избытка реагента и газообразных продуктов реакции. Далее в реактор в потоке газа-носителя подают пары воды. По завершении стадии парофазного гидролиза избыток паров воды и газообразные продукты реакции удаляют из реактора потоком осушенного газа-носителя. Затем в реактор в потоке осушенного газа-носителя подают пары тетрахлорида титана (TiCl4), после чего подача реагента прекращается и реактор продувается потоком газа-носителя для удаления избытка реагента и газообразных продуктов реакции. Далее в реактор в потоке газа-носителя подают пары воды. По завершении стадии парофазного гидролиза избыток паров воды и газообразные продукты реакции удаляют из реактора потоком осушенного газа-носителя, а модифицированная полиэтиленовая пленка извлекается из реактора и электретируется в коронном разряде на воздухе при комнатной температуре.The sequence of operations when implementing the claimed invention is as follows. A polyethylene film is placed in a container with ethanol to remove contaminants from the surface of the polymer. After that, the film is placed in a flow reactor, where physically sorbed alcohol and water are removed from the film surface at a temperature of 60 ° C in a stream of dry (moisture content <100 mg / m 3 ). At the end of this step, phosphorus trichloride vapor (PCl 3 ) is supplied to the reactor in a stream of dried carrier gas, after which the reagent is shut off and the reactor is purged with a stream of carrier gas to remove excess reagent and gaseous reaction products. Next, water vapor is supplied to the reactor in a carrier gas stream. Upon completion of the vapor-phase hydrolysis step, excess water vapor and gaseous reaction products are removed from the reactor by a stream of dried carrier gas. Then, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) vapors are fed into the reactor in a stream of dried carrier gas, after which the reagent is shut off and the reactor is purged with a carrier gas stream to remove excess reagent and gaseous reaction products. Next, water vapor is supplied to the reactor in a carrier gas stream. At the end of the vapor-phase hydrolysis step, excess water vapor and gaseous reaction products are removed from the reactor by a stream of dried carrier gas, and the modified polyethylene film is removed from the reactor and electrified in a corona discharge in air at room temperature.
Примеры реализации способаMethod implementation examples
Пример 1 (по прототипу). Пленку полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 50 мкм помещают в емкость с этиловым спиртом для удаления с поверхности полимера загрязнений. После этого пленка размещается в проточном реакторе, где при температуре 60°С в токе сухого (влагосодержание <100 мг/м) воздуха с поверхности пленки удаляются физически сорбированные спирт и вода. По завершении этой стадии в реактор в потоке осушенного газа-носителя подают пары трихлорида фосфора (РСl3), после чего подача реагента прекращается и реактор продувается потоком газа-носителя для удаления избытка реагента и газообразных продуктов реакции. Далее в реактор в потоке газа-носителя подают пары воды. По завершении стадии парофазного гидролиза избыток паров воды и газообразные продукты реакции удаляют из реактора потоком осушенного газа-носителя, а модифицированная полиэтиленовая пленка извлекается из реактора и электретируется в коронном разряде на воздухе при комнатной температуре до значения поверхностного потенциала 770 В, что соответствует эффективной поверхностной плотности заряда σ=3⋅10-4 Кл/м2. Результаты испытаний полученных пленочных электретов на термостабильность (в режиме линейного нагрева образцов со скоростью 8,4°С/мин) представлены на фиг. 1 - кривая 1.Example 1 (prototype). A 50 μm thick polyethylene film (LDPE) is placed in a container with ethanol to remove contaminants from the surface of the polymer. After that, the film is placed in a flow reactor, where physically sorbed alcohol and water are removed from the film surface at a temperature of 60 ° C in a stream of dry (moisture content <100 mg / m). At the end of this stage, phosphorus trichloride vapor (PCl 3 ) is supplied to the reactor in a stream of dried carrier gas, after which the reagent is shut off and the reactor is purged with the carrier gas stream to remove excess reagent and gaseous reaction products. Next, water vapor is supplied to the reactor in a carrier gas stream. At the end of the vapor-phase hydrolysis step, excess water vapor and gaseous reaction products are removed from the reactor by a stream of dried carrier gas, and the modified polyethylene film is removed from the reactor and electrified in a corona discharge in air at room temperature to a surface potential of 770 V, which corresponds to an effective surface density charge σ = 3⋅10 -4 C / m 2 . The results of thermal stability tests of the obtained film electrets (in the mode of linear heating of samples at a rate of 8.4 ° C / min) are presented in FIG. 1 -
Пример 2 (согласно заявляемому изобретению). Пленку полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 50 мкм помещают в емкость с этиловым спиртом для удаления с поверхности полимера загрязнений. После этого пленка размещается в проточном реакторе, где при температуре 60°С в токе сухого (влагосодержание <100 мг/м3) воздуха с поверхности пленки удаляются физически сорбированные спирт и вода. По завершении этой стадии в реактор в потоке осушенного газа-носителя подают пары трихлорида фосфора (PCl3), после чего подача реагента прекращается и реактор продувается потоком газа-носителя для удаления избытка реагента и газообразных продуктов реакции. Далее в реактор в потоке газа-носителя подают пары воды. По завершении стадии парофазного гидролиза избыток паров воды и газообразные продукты реакции удаляют из реактора потоком осушенного газа-носителя. Затем в реактор в потоке осушенного газа-носителя подают пары тетрахлорида титана (TiCl4), после чего подача реагента прекращается и реактор продувается потоком газа-носителя для удаления избытка реагента и газообразных продуктов реакции. Далее в реактор в потоке газа-носителя подают пары воды. По завершении стадии парофазного гидролиза избыток паров воды и газообразные продукты реакции удаляют из реактора потоком осушенного газа-носителя, а модифицированная полиэтиленовая пленка извлекается из реактора и электретируется в коронном разряде на воздухе при комнатной температуре до значения поверхностного потенциала 1000 В, что соответствует эффективной поверхностной плотности заряда σ=3,9⋅10-4 Кл/м2. Результаты испытаний полученных пленочных электретов на термостабильность (в режиме линейного нагрева образцов со скоростью 8,4°С/мин) представлены на фиг.1 - кривая 2.Example 2 (according to the claimed invention). A 50 μm thick polyethylene film (LDPE) is placed in a container with ethanol to remove contaminants from the surface of the polymer. After that, the film is placed in a flow reactor, where physically sorbed alcohol and water are removed from the film surface at a temperature of 60 ° C in a stream of dry (moisture content <100 mg / m 3 ). At the end of this step, phosphorus trichloride vapor (PCl 3 ) is supplied to the reactor in a stream of dried carrier gas, after which the reagent is shut off and the reactor is purged with a stream of carrier gas to remove excess reagent and gaseous reaction products. Next, water vapor is supplied to the reactor in a carrier gas stream. Upon completion of the vapor-phase hydrolysis step, excess water vapor and gaseous reaction products are removed from the reactor by a stream of dried carrier gas. Then, titanium tetrachloride (TiCl 4 ) vapors are fed into the reactor in a stream of dried carrier gas, after which the reagent is shut off and the reactor is purged with a carrier gas stream to remove excess reagent and gaseous reaction products. Next, water vapor is supplied to the reactor in a carrier gas stream. At the end of the vapor-phase hydrolysis step, excess water vapor and gaseous reaction products are removed from the reactor by a stream of dried carrier gas, and the modified polyethylene film is removed from the reactor and electrified in a corona discharge in air at room temperature to a surface potential of 1000 V, which corresponds to an effective surface density charge σ = 3.9⋅10 -4 C / m 2 . The test results of the obtained film electrets for thermal stability (in the mode of linear heating of samples at a speed of 8.4 ° C / min) are presented in figure 1 -
Анализ результатов, представленных в приведенных примерах, свидетельствует о следующем:Analysis of the results presented in the above examples indicates the following:
1. Величина остаточной (стабильной) поверхностной плотности заряда у электретов, изготовленных из полиэтиленовой пленки согласно заявляемому изобретению, составляет 3,9⋅10-4 Кл/м2, что в 1, 3 раза выше, чем у электретов, полученных согласно прототипу.1. The value of the residual (stable) surface charge density of electrets made from a polyethylene film according to the claimed invention is 3.9 × 10 -4 C / m 2 , which is 1, 3 times higher than that of electrets obtained according to the prototype.
2. Термостабильность поверхностной плотности заряда у электретов, изготовленных из полиэтиленовой пленки согласно заявляемому изобретению (фиг. 1, кривая 2), существенно выше, чем у электретов, полученных согласно прототипу (фиг. 1, кривая 1), а именно по температуре Т* начала спада заряда выше на 62°С, а по температуре Т** полуспада заряда выше на 94°С. Об этом можно судить по характерным точкам (отмечены на фиг. 1 стрелками) на зависимостях относительной поверхностной плотности заряда электретов от температуры.2. The thermal stability of the surface charge density of electrets made of a plastic film according to the claimed invention (Fig. 1, curve 2) is significantly higher than that of electrets obtained according to the prototype (Fig. 1, curve 1), namely, temperature T * the onset of charge decay is 62 ° C higher, and in terms of temperature T **, the charge half-decay is 94 ° C higher. This can be judged by the characteristic points (indicated by arrows in Fig. 1) on the temperature dependences of the relative surface charge density of electrets.
Таким образом, цель изобретения, заключающаяся в повышении величины и стабильности поверхностной плотности заряда в электретах на основе полиэтиленовых пленок, достигнута.Thus, the aim of the invention, which is to increase the magnitude and stability of the surface charge density in electrets based on plastic films, is achieved.
Источники информацииInformation sources
1. Рычков Д.А., Кузнецов А.Е., Рычков А.А. Стабилизация заряда полимерных электретов. Монография. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2013. - 159 с. 1. Rychkov D.A., Kuznetsov A.E., Rychkov A.A. Stabilization of the charge of polymer electrets. Monograph. - St. Petersburg: Publishing House of the Russian State Pedagogical University named after A.I. Herzen, 2013 .-- 159 p.
2. Electrets / Ed. by G.M. Sessler. 3rd ed. - Vol. 1. - Morgan Hill, CA: Laplacian press, 1999. - p. 41-42.2. Electrets / Ed. by GM Sessler. 3 rd ed. - Vol. 1. - Morgan Hill, CA: Laplacian press, 1999 .-- p. 41-42.
3. Патент RU №2066889, МПК H01G 7/02. Способ изготовления электрета. / Бударина Л.А., Шевцова С.А., Габайдуллин М.Р., Дебердеев Р.Я., Гилев А.В., Карань А.И. // Опубл. 20.09.19963. Patent RU No. 2066889, IPC H01G 7/02. A method of manufacturing an electret. / Budarina L.A., Shevtsova S.A., Gabaydullin M.R., Deberdeev R.Ya., Gilev A.V., Karan A.I. // Publ. 09/20/1996
4. Влияние диоксида титана на электретные свойства полиэтилена высокого давления / М.Ф. Галиханов, Д.А. Еремеев, РЛ. Дебердеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2003. - №1. - С. 299-305.4. The effect of titanium dioxide on the electret properties of high-pressure polyethylene / M.F. Galikhanov D.A. Eremeev, RL. Deberdeev // Bulletin of Kazan Technological University. - 2003. - No. 1. - S. 299-305.
5. Patent US 6573205, IPC H01G 7/02; B03C 3/28; D01F 6/04; D04H 1/00; D04H 3/00. Stable electret polymeric articles. / Myers D.L., Lasslg J.J., Turkevich L.A., Midkiff D.G. // Publ. 03.06.2003.5. Patent US 6,573,205, IPC H01G 7/02; B03C 3/28; D01F 6/04;
6. Патент RU №2568488, МПК C08L 101/16, C08L 23/08, C08L 3/02, C08J 5/18, B65D 65/38. Композитный полимерный упаковочный материал на основе полиэтилена высокого давления с добавками крахмала и диоксида кремния. / Бурда В.В., Гороховатский Ю.А. // Опубл. 20.11.2015.6. Patent RU No. 2568488, IPC C08L 101/16, C08L 23/08, C08L 3/02, C08J 5/18, B65D 65/38. Composite polymer packaging material based on high-pressure polyethylene with additives of starch and silicon dioxide. / Burda V.V., Gorokhovatsky Yu.A. // Publ. 11/20/2015.
7. Enhanced Electret Charge Stability on Polyethylene Films Treated with Titanium-Tetrachloride Vapor / D. Rychkov, R. Gerhard, V. Ivanov, A. Rychkov // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.- 2012. - Vol. 19, №4. - P. 1305-1311.7. Enhanced Electret Charge Stability on Polyethylene Films Treated with Titanium-Tetrachloride Vapor / D. Rychkov, R. Gerhard, V. Ivanov, A. Rychkov // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.- 2012. - Vol. 19, No. 4. - P. 1305-1311.
8. Влияние химического модифицирования поверхности полиэтилена высокого давления на его электретные свойства. / А.А. Рычков, С.А. Трифонов, А.Е. Кузнецов, Е.А. Соснов, Д.А. Рычков, А.А. Малыгин // Журн. прикл. химии. - 2007. - Т. 80, №3. - С. 463-467 (прототип).8. The effect of chemical modification of the surface of high-pressure polyethylene on its electret properties. / A.A. Rychkov, S.A. Trifonov, A.E. Kuznetsov, E.A. Sosnov, D.A. Rychkov, A.A. Malygin // Zh. adj. chemistry. - 2007. - T. 80, No. 3. - S. 463-467 (prototype).
9. Малыгин А.А. Технология молекулярного наслаивания и некоторые области ее применения // Журн. прикл. химии. - 1996. - Т. 69. - №10. - С. 1585-1593.9. Malygin A.A. Molecular layering technology and some areas of its application // Zh. adj. chemistry. - 1996. - T. 69. - No. 10. - S. 1585-1593.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115606A RU2648360C1 (en) | 2017-05-03 | 2017-05-03 | Electret material based on polyethylene and method of its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115606A RU2648360C1 (en) | 2017-05-03 | 2017-05-03 | Electret material based on polyethylene and method of its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2648360C1 true RU2648360C1 (en) | 2018-03-26 |
Family
ID=61707884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017115606A RU2648360C1 (en) | 2017-05-03 | 2017-05-03 | Electret material based on polyethylene and method of its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2648360C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812339C1 (en) * | 2023-07-16 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method for manufacturing electret material |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5411576A (en) * | 1993-03-26 | 1995-05-02 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Oily mist resistant electret filter media and method for filtering |
| RU2528618C1 (en) * | 2013-11-19 | 2014-09-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" (РГПУ им. А.И. Герцена) | Method of film electret production |
| RU2537619C2 (en) * | 2009-06-12 | 2015-01-10 | Кларкор Эр Филтрейшн Продактс, Инк. | No-diaphragm filter and/or solid frame for filter |
-
2017
- 2017-05-03 RU RU2017115606A patent/RU2648360C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5411576A (en) * | 1993-03-26 | 1995-05-02 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Oily mist resistant electret filter media and method for filtering |
| RU2537619C2 (en) * | 2009-06-12 | 2015-01-10 | Кларкор Эр Филтрейшн Продактс, Инк. | No-diaphragm filter and/or solid frame for filter |
| RU2528618C1 (en) * | 2013-11-19 | 2014-09-20 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена" (РГПУ им. А.И. Герцена) | Method of film electret production |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| GUBIN et al/ "NANOMATERIALS BASED ON METAL-CONTAINING NANOPARTICLES IN POLYETHYLENE AND OTHER CARBON CHAIN POLYMERS", JOURNAL OF MATERIALS AND PRODUCT TECHNOLOGY, VOL.23, 2005. * |
| ГАЛИХАНОВ М.Ф. и др. "НОВЫЕ ЭЛЕКТРЕТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ: ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЯ", ВЕСТНИК КАЗАНСКОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. С. 164-171. * |
| ГАЛИХАНОВ М.Ф. и др. "НОВЫЕ ЭЛЕКТРЕТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ: ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЯ", ВЕСТНИК КАЗАНСКОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. С. 164-171. Т. 17, 2014. * |
| Т. 17, 2014. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812339C1 (en) * | 2023-07-16 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method for manufacturing electret material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hyde et al. | Atomic layer deposition and abrupt wetting transitions on nonwoven polypropylene and woven cotton fabrics | |
| Oh et al. | Hydrophobicity of rare earth oxides grown by atomic layer deposition | |
| Pan et al. | Formation of layer-by-layer assembled titanate nanotubes filled coating on flexible polyurethane foam with improved flame retardant and smoke suppression properties | |
| Priolo et al. | Precisely tuning the clay spacing in nanobrick wall gas barrier thin films | |
| Palumbo et al. | Recent advancements in the use of aerosol-assisted atmospheric pressure plasma deposition | |
| Kuzuya et al. | Peroxy radical formation from plasma-induced surface radicals of polyethylene as studied by electron spin resonance | |
| KR20130126709A (en) | Depositing thin layer of material on permeable substrate | |
| Oldham et al. | Encapsulation and chemical resistance of electrospun nylon nanofibers coated using integrated atomic and molecular layer deposition | |
| Shearer et al. | Composite SiO2/TiO2 and amine polymer/TiO2 nanoparticles produced using plasma-enhanced chemical vapor deposition | |
| US20140141179A1 (en) | Method for producing improved feathers and improved feathers thereto | |
| EP2361288A1 (en) | High-barrier composites and method for the production thereof | |
| RU2648360C1 (en) | Electret material based on polyethylene and method of its manufacture | |
| DE102013203080A1 (en) | A method of producing a corrosion resistant and conductive nanodiff carbon coating layer and bipolar plate for a fuel cell using a stainless steel substrate | |
| Soltani et al. | Effect of polyelectrolyte on the barrier efficacy of layer-by-layer nanoclay coatings | |
| Carosio et al. | Improving the flame retardant efficiency of layer by layer coatings containing deoxyribonucleic acid by post-diffusion of hydrotalcite nanoparticles | |
| Hamdi et al. | Time and thermal stability improvement of polyethylene ferroelectrets | |
| JP6863745B2 (en) | A method of adapting the filter material to predefined parameters, and preferably the filter material produced by this method. | |
| Yang et al. | A novel technique toward bipolar films containing alternating nano–layers of allylamine and acrylic acid plasma polymers for biomedical application | |
| RU2477540C2 (en) | Method of film electret production | |
| Rychkov et al. | Influence of charge density on the trap energy spectrum in fluoroethylenepropylene copolymer films with chemically modified surfaces | |
| RU2748032C1 (en) | Method for manufacturing electret material based on fluoropolymer | |
| RU2528618C1 (en) | Method of film electret production | |
| RU2523337C1 (en) | Method of film electret production | |
| EP0695384B2 (en) | Process for coating yarns and fibres in textile objects | |
| Rychkov et al. | Stabilization of positive charge on FEP electret films modified with titanium-tetrachloride vapor: Formation of a two-dimensional nanodielectric? |