SE452525B - Forfarande for framstellning av elektret samt bipoler elektret, som er positivt laddad pa en sida genom forfarandet - Google Patents

Description

15 20 25 .50 35 452 525 2 mycket stabila mekaniska och termiska egenskaper. Den termíska förbehandlíngen, även benämnd utlöpning, utföres under vídhäft- níngsförfarandet. Betingelserna under värmeförseglingen behöver endast optimeras. I sådana transduktorer är folien och plattan perforerade.Laddningen av folien kan utföras antingen före eller efter perforeringen.

Förfarandet enligt uppfinningen har vidare fördelen av att tidsintervallet mellan den termiska förbehandlingen och ladd- ningen icke är krítßkt, så att behandlingarna kan utföras pà skilda platser under framställningen; alternativt kan det för- behandlade materialet lagras under viss tid före laddningen.

Att lagringstíden icke är kritisk är av betydelse, emedan ladd- ningen i allmänhet fortskrider snabbare än den termiska förbe- handlingen. _ i Uppfinningen kommer nu att beskrivas under hänvisning till ett fåtal exempel och under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 schematiskt visar en anordning för utförande av en utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen. Fig. 2 åskådliggör schematiskt en anordning-för utförande av en annan utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen och fig. 3-6 visar ett diagram över folier, behandlade och laddade genom flera metoder. _ Framställningen av ett elektret genom laddning av utgångs- materíalet kan ske genom flera metoder: 1. Genom polning av materialet på enkelt sätt mellan tvâ 'elektroder eller alternativt genom användning av ett glasfiber- nätverk mellan elektroderna och materialet; 2. Elektrodbombardemang; 3. Jonbombardemang; 4. Koronaurladdning och S; Vätskeladdníng.

Vid koronaurladdning användes luft såsom transportmedel för laddningsbärarnag medan vid vätskeladdning en vätska använ- des såsom transportmedel, vilken vätska företrädesvis bör vara flyktig.

Elektronbombardemang är 1ämplíg_endast för negativ laddning, d v s för framställning av ett negativt laddat elektret, medan återstående möjligheter (1,3,4 och S) är väl lämpade för positiv 10 15 20 25 30 35 3 s 452 sgs laddning av utgângsmateríalet, som skall användas för ett elektret.

Metoderna 1, 3, 4 och S är även lämpliga för bipolär ladd- ning. " I den i fig. 1 visade anordningen har koronaladdning valts såsom exempel för framställningen av ett elektret.

Enligt fig. 1 tillföres en produkt i form av en folie av ett polymeïmaterial _ genom en transportanordning (icke Visad) till en ugn 2, i vilken folien uppvärmes till en temperatur över den lägsta kristallisationstemperaturen för den använda polymeren.

Denna temperatur hálles under en i förväg bestämd tid. Ehuru? en folie användes, är förfarandet enligt uppfinningen även lämp- ligt för fibrer, ark med flera dimensioner osv, vilka matas till ugnen med hjälp av en anpassad transportanordning.

Såsom angivits består folien av en polymer, t ex polytetra- fluoreten, även benämnd "Teflon". Även sampolymerer, t ex tetra- fluoreten-hexafluorpropen ("Teflon"-FEP) eller tetrafluoreten- perfluormetoxieten ("Teflon"-TFA), är dock lämpliga för framställ- ning av positivt laddade elektreter under användning av förfarandet enligt uppfinningen. Dessa polymerer har dessutom den fördelen, att de lätt kan häftas vid vissa andra material genom tillförsel av värme, vilken vídhäftningsmetod även benämnes värmeförsegling.

För att hålla folien i ugnen vid en temperatur över den läg- sta krístallisationstemperaturen under en i förväg bestämd tid, kan folien uppehålla sig i ugnen under denna tid. Uppehållstiden -i ugnen under den i förväg bestämda tiden kan även uppnås genom anpassning av matningshastigheten och/eller ugnens dimension i foliens transportriktning.

Folien 1 matas därefter till en snabbkylningsanordníng 3 med hjälp av en icke visad transportanordning, i vilken folíen kyles abrupt. Därefter föres folien 1 till laddningsanordningen 4, för vilken i denna utföringsform en koronaurladdningsanord- ning har valts, med hjälp av vilken en positiv laddning insprutas i folíen 1.

Koronaurladdningsanordningen består av en metallplatta 4 förbunden med jord, ett galler 6 och koronatràdar 7. Folien 1, som kan vara ensidigt metalliserad, ledes mellan en jordad me- tallplatta 5 och gallret 6. Koronatràdarna 7 förbíndes med en positiv eller växlande potential av exempelvis 8 kV. I det 452 525 4 senare fallet bestämmes den av folien antagna laddningen av gaflrets 6 potential, vilket galler i detta fall bör bära en positiv potential, t ex av storleksordningen + 300 V med av~ seende på den jordade plattan Q. Vid långsam matningshastighet laddas folien i stort sett upp till gallrets 6 potential. Den såsom exempel angivna storleksordningen kan väljas upp till så hög nivå att likväl varken elektrisk genombrott av folien 1 eller gnistbildning i koronatrådarna 7 till plattan S inträder.

I fig. 2 visas schematiskt en anordning med hjälp av\dlken en annan utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen kan genomföras. Här laddas folien i två steg. Även här användes en transportanordning (icke visad) för matning av:blien 1.

Folien 1 matas till ugnen 2, i vilken folien förbehandlas termiskt, såsom i anordningen enligt fig. 1. Efter en snabbkyl- ning (eventuell) ledes folien 1 vidare och föres till den första laddningsanordningen 4, i vilken folien laddas för första gången.

Därefter matas folien 1 till ugnen 2', i vilken folien urladdas partiellt genom uppvärmning. Efter urladdningen matas folien 1 till en andra laddningsanordning 4'. Laddningsanordningarna visas såsom block, men det är tydligt att härför en koronaladdningsan- ordning enligt fig. 1 eller någon annan lämplig laddningsanord- ning kan användas.

I fig. 3 upp till och inklusive S visas några resultat av laddade folier i form av diagram. Längs abskissan är tempera- turen T avsatt i grader C , medan längs ordinatan ytspänningen Vc hos folien är avsatt i volt efter en logaritmisk skala, varvid spänningen Vc är proportíonell mot den positiva laddningsdensi- 'teten i folien. Det bör observeras att de använda parametrarna endast är exempel och att de följaktligen icke skall anses såsom en begränsning av uppfinningen.

Diagrammen i fig. 3 är tillämpliga pà 50 um tjocka folier framställda av polymeren "Teflon-FEÉ"; vilka är laddade vid rumstemperatur; varvid koronatrádar 7 är förbundna med en växel- spänningskälla om 8kV och varvid gallret 6 har en potential av + 300 V med avseende på den jordade plattan S. Diagram a i fig. 1 är tillämplig på en folie av angivet slag, vilken icke är ut- löpt. Díagrammet a visar en skarpt laddningsfall över en upp- värmningstemperatur av 75°C. Diagrammet b visar“resultatet av 10 _15 20 25 SU 35 452 525 en laddad folie av samma slag, men utlöpt genom en förvärmning :in zso°c, varvid folien haiies vid denna temperatur under 2 h.

Efter denna värmeförbehandling och efter snabbkylning av folien, laddas den under samma betingelser som folien enligt diagram a.

Vid en jämförelse av diagrammen a och b framkommer verkan av värmeförbehandlingen på stabiliteten såsom en funktion av tempera- turen tydligt. Laddningsfallet enligt diagram a har fullständigt försvunnit i diagram b. Den värmeförbehandlade folien bibehåller därför sin laddning upp till mycket högre temperatur.

Det bör observeras att de små spänningsskillnaderna vid diagrammens början beror pá skillnader i de använda foliernas tjocklek. Detta gäller även de diagram, som kommer att diskuteras.

Försök har visat, att förbättringeniestabilítet vanligen bör- jar bli tydligt urskiljbar efter en värmeförbehandling vid en temperatur obetydligt över den lägsta kristallisationstempera- turen hos materialet i folien. Verkan av utlöpningen blir mer- uttalad, när utlöpningstemperaturen ökar. Även tiden varunder folien hàlles vid utlöpningstemperatur, är av betydelse.

Verkan av utlöpningstiden visas i fig. 4. Diagrammet a i fig. 4 gäller en folie, som icke är teïmiškt ferbehenaiad een som är laddad med koronaladdningsanordningen 4 enligt fig. 1, i vilken koronatrådarna 7 är förbundna med en växelspänningskälla om 8 kV och varvid gallret har en potential av + 300 V med av- seende på plattan 5. Diagrammen b och c i fig. 4 gäller folier, .som är laddade under samma laddningsbetingelser som angiven folie, varvid emellertid före laddningen folierna uppvärmes till ZSOOC.

Folien, som avser diagram b, uppvärmed under 60 min, medan folien -för diagram c, uppvärmdes under 120 min.

Det har överraskande visat sig, att snabb kylning av folien 1 vid snabbkylningsanordningen 3 efter en värmeförbehandling, icke endast accelererar framställningsförfarandet, utan över- raskande även förbättrar stabiliteten.

En ytterligare förbättring i stabilitet uppträder, när laddningen av folien utföres vid en temperatur över rumstempera- tur , företrädesvis vid en temperatur mellan den lägsta kristalli- sationstemperaturen och foliematerialets smälttemperatur. Denna ökade laddningstemperatur kan exempelvis uppnås genom uppvärmning av metallplattan 5 i koronaladdningsanordningen 4. När folien 10 15 20 25 30 35 452 525 6' snabbkyles efter laddningen vid förhöjd temperatur inträder en ytterligare förbättring i stabilitet.

Resultaten för diagrammen enligt fig. 5 har uppnåtts genom det förfarande, som beskrivits i uppsättningen enligt fig. 2.

Diagram a i fig. 5 är avsatt för en folie, som har hållits ' vid en temperatur av 250°C under 2 h, varefter åfllsnabbkylts.

Laddningsparametrarna är lika dem för folierna, för vilka de diskuterade diagrammen är tillämpliga.

Diagrammet a gäller en folie, som partiellt urladdas genom uppvärmning i ugnen 2, varvid urladdningen avbrytes vid en ytpo- tential av + 100 V. Diagram a visar resultatet av folien efter laddning av den för första gången. Diagram b i fig. S är avsatt sedan folien laddats en andra gång i laddningsanordningen 4' enligt fig. 2. Vid denna andra laddning är samma laddningsbetingel- ser giltiga. _ Värmeförbehandlingen ger icke endast en förbättring i stabi- litet såsom funktion av temperaturen, utan även såsom funktion av tiden, Den senare förbättringen i stabilitet framgår av diagram- men i fig. 6. n I fíg. 6 är tiden t ( i min.) avsatt längs abskissan och längs ordinatan är ytspänningen Vc (i volt) avsatt, vilken spän- ning alstras av folien och som är ett mått på den positiva ladd- ningsdensiteten hos folien.

Diagram a visar vid en mätningstemperatur av ZOOQC minskningen i laddning hos en folie omedelbart efter dess laddning under an- vändning av angivna laddningsbetíngelser. Denna folie var icke utsatt för en termisk förbehandling. Diagramdb visar resultatet -av en folie, som före sin laddning hade utsatts för en utlöpning vid ZSOOC under 2 h, varefter folien snabbkylts.

Positiva elektreter kan användas speciellt i elektroackustíska transduktorer, såsom hörlurar. I dessa hörlurar har perforerade elektretfolier använts laddade genom förfarandet enligt uppfin- ningen.

Det är tydligt att förfarandet enligt uppfinningen är väl lämpat för laddning av perforerade folier trots att fältmönstret på grund av perforeringen icke är homogent under'laddningen. För användningen i en elektroackustisk transduktor fästes den perfore- rade folien vid en tunn, perforerad metallplåt, t ex genom värme- m 10 15 -25 1- 452 525 försegling. Det är tydligt att genom värmeförseglingen den per- forerade folien automatiskt utlöpes, emedan förseglingsmetoden sker vid en förhöjd temperatur. För att erhålla ettsá stabilt elektret som möjligt behöver man endast optimera betíngelserna, under vilka värmeförseglingen genomföres.

Emedan stabila, positivt laddade elektreter genom förfaran- ' det enligt uppfinningen nu kan framställas, kan man använda en kombination av ett positivt och negativt elektret i en elektro- ackustisk transduktor (t ex en hörlur). Det uppnådda balanssystemet har många fördelar, t ex en enklare drivenhet och en högre ackus- tisk energiutsignal.

Det bör observeras att en förbättring i stabilitet hos posi- tiva elektreter kan uppnås genom uppruggning av materialet före laddningen förutom utlöpningen av utgångsmaterialet, varvid upp- ruggningen exempelvis sker genom slipning med sandpapper eller sprutning med glaspärlor.

För framställning av bipolära elekretfibrer för elektret- filter kan man utgå från en icke-metalliserad folie, som först utlöpes och därefter eller samtidigt laddas'positivt och negativt pá sina respektive sidor. Därefter kan en känd fibrilleringsmetod användas för framställning av bipolära elektretfibrer från den bípolärt laddade folien. Man kan även omedelbart utgå från fib- rer och ladda dem positivt och negativt.

Det har visat sig att icke endast den positiva, utan även den negativa laddningen blir mer stabil genom den termiska för- behandlingen.

Claims (9)

452 525 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av elektret av ett material bestående av en polymer, speciellt en fluorerad polymer eller sampolymer. varvid den av materialet bildade produkten är positivt laddad, k ä n n e t e c k n a t därav. att materialet före laddningen íörbehandlas genom termisk utlöpning vid en temperatur över den lägsta kristallisations- temperaturen. _

2. Förlarande enligt krav t, k ä n n e t e c k n a t därav. att materialet hålles vid denna temperatur under en i förväg bestämd tid.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att den i förväg bestämda tiden är minst en timme.

4. Förlarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t därav. att materialet efter utgången av den i förväg bestämda tiden snabbt kyles.

5. Förtarande enligt något av krav 1-4, k ä n n e - t e c k n a t därav, att materialet laddas vid en temperatur mellan sin lägsta kristallisationstemperatur och sin smält- temperatur.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att materialet efter laddningen snabbkyles.

7. Förfarande enligt något av krav 1-6, k ä n n_e - t e c k n a t därav, att materialets yta före laddningen upp- ruggas.

8. B. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att materialet efter sin utlöpning laddas positivt en första gång, partiellt urladdas därefter och sedan omladdas positivt.

9. Bipolärt elektret, som är positivt laddat pà en sida genom förfarandet enligt något av töregàende patentkrav och den andra sidan är negativt laddad, varvid båda laddningarna utlörts genom laddningsinsprutning med en positiv källa resp. en negativ källa, k a n n e t e c k n a t därav, att elektretet består av en polymer, som är utlöpt.