Magnetfolie und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine hartmagnetische Folie auf Polymerbasis, insbesondere zum Einsatz in Elektromotoren oder für Sensoranwendungen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronik werden in zunehmendem Masse auch besonders kleine oder flache Elektromotoren benötigt. Für diese Motoren, die üblicherweise hartmagnetische Komponenten im Stator oder auch im Rotor enthalten, wer- den naturgemäss auch besonders flache Magnetkomponenten gebraucht. Ebenso besteht ein wachsender Bedarf an besonders flachen Permanentmagneten für Miniatur-Relais und Sensoren, die nach magnetischen Prinzipien arbeiten (z. B. Drehzahl- oder Positionsgeber). Zudem sollten diese Magneten möglichst flexibel sein, um sich gegebenenfalls noch nach der Magnetisierung in die gewünschte Form bringen zu lassen und einen Bruch während der Verarbeitung oder im Betrieb auszuschliessen.
Nach den für die Herstellung von Dauermagneten aus pulverformigen metallischen oder nichtmetallischen magnetischen Werkstoffen üblicherweise eingesetzten Formgebungs- verfahren ist es jedoch nicht möglich, flächige Gebilde mit einer geringen Dicke von bei- spielsweise 100 μm und hoher Energiedichte auf wirtschaftliche Weise herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, ein flexibles hartmagnetisches Material geringer Dicke sowie ein wirtschaftliches Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Erfmdungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Folie nach Patentanspruch 1 und das Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 9 gelöst.
Es wurde gefunden, dass es durch Anwendung der Giesstechnik möglich ist, trägerfreie hartmagnetische Folien aus einer Polymermatrix und einem darin verteiltem hartmagne- tischen Pulver herzustellen. Der Begriff „trägerfrei" bedeutet hierbei, dass die fertigen Folien nicht - wie beispielsweise die als Magnetbänder oder „Floppy-Disks" bekannten Folien - aus einem nichtmagnetischen Träger und einer magnetisierbaren ein- oder beid-
2 seitigen Beschichtung aufgebaut sind, sondern aus einer einzigen durchgehend magnetischen bzw. magnetisierbaren Schicht bestehen. Das hartmagnetische Pulver hat dabei zweckmässig eine mittlere Teilchengrösse von weniger als 100 μm, vorzugsweise eine solche von weniger als 20 μm.
Die erfindungsgemässen Folien haben vorteilhaft eine Dicke von 50 bis 2000 μm, vorzugsweise eine solche von 100 bis 500 μm.
Der Volumenanteil des hartmagnetischen Pulvers an der erfindungsgemässen Magnetfolie kann je nach Bedarf eingestellt werden. Er beträgt vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 60%. Es ist möglich, den Polymeranteil so gering zu halten, dass das Polymer praktisch nur die Lücken einer annähernd dichten Packung der Pulverteilchen ausfüllt.
Als hartmagnetisches Pulver enthalten die erfindungsgemässen Folien vorzugsweise eine oder mehrere Seltenerdlegierung(en). Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, andere hartmagnetische Materialien wie beispielsweise Al-Ni-Co- oder Cr-Fe-Co-Legie- rungen oder Ferrite einzusetzen.
Besonders bevorzugt sind Seltenerdlegierungen, die sich durch die allgemeinen Formeln SECo5, (SE)2(Co, Fe,Cu,Zr)17 oder (SE)2Fe14B beschreiben lassen. Hierin bedeutet SE ein Element aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium oder ein Gemisch mehrerer dieser Elemente. Ganz besonders be- vorzugt sind die Zusammensetzungen Sm2(Co, Fe,Cu,Zr)17 und (Pr,Nd,Dy)Fe14B. Legierungen dieser Typen sind beispielsweise unter den Marken VACOMAX® und VACODYM® von der Firma Vacuumschmelze GmbH bzw. unter der Marke MAGNE- QUENCH® von der Firma Magnequench Inc. erhältlich.
Die Polymermatrix kann grundsätzlich aus jedem in flüchtigen Lösungsmitteln löslichen oder dispergierbaren Polymeren bestehen. Es ist aber auch möglich Polymere zu verwenden, die aus niedrigviskosen Monomeren oder Oligomeren auf geeignete Weise in dünnen
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Schichten erhältlich sind. In diesen Fällen kann gegebenenfalls bei der Herstellung auf die Verwendung von Lösungsmitteln verzichtet werden. Vorzugsweise werden lösliche thermoplastische Materialien eingesetzt, insbesondere lösliches Polyvinylidenfluorid. Es ist jedoch auch möglich, nicht-thermoplastische Materialien wie beispielsweise Einkompo- nenten-Polyurethandispersionen einzusetzen.
Die hartmagnetischen Pulverteilchen können regellos (isotrop) angeordnet oder, wenn sie eine inhärente Anisotropie aufweisen, gegebenenfalls ausgerichtet sein. Vorzugsweise sind sie parallel oder senkrecht zur Folienoberfläche ausgerichtet.
Die magnetische Remanenz der erfindungsgemässen Magnetfolien wird durch die Art und die Packungsdichte der hartmagnetischen Pulverteilchen bestimmt und beträgt vorzugsweise 0,2 bis 0,8 Tesla.
Die erfindungsgemässen Magnetfolien können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass (i) ein Pulver aus einem hartmagnetischen Material in einer Lösung oder Dispersion eines Polymermaterials in einem flüchtigen Lösungsmittel dispergiert, (ii) die so erhaltene Dispersion als Film definierter Dicke auf ein umlaufendes Giessband gegossen, (iii) das Lösungsmittel verdampft und (iv) die so gebildete Folie vom Giessband abgezogen wird. Die Magnetisierung der Folie kann nach dem Verdampfen des Lösungsmittels oder zu einem späteren Zeitpunkt (z. B. nach der Konfektionierung) erfolgen, wobei wegen der Einbindung der Magnetpartikel in die Polymermatrix eine isotrope Magnetfolie erhalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren erfolgt die
Orientierung der hartmagnetischen Pulverteilchen durch ein externes Magnetfeld zwischen dem Giessvorgang und dem Abziehen der Folie.
Besonders bevorzugt ist eine Orientierung vor der Verfestigung des gegossenen Films. Partikel aus einem anisotropen Material können sich hierbei im externen Magnetfeld ausrichten, so dass eine anisotrope Magnetfolie erhalten wird.
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Die Magnetisierung und gegebenenfalls Ausrichtung können vorzugsweise mittels eines gepulsten Magnetfeldes vorgenommen werden. Hierdurch können mit Elektromagneten hohe Feldstärken bei geringem Energieverbrauch erreicht werden. Besonders leicht orientierbare hartmagnetische Pulverteilchen können auch im Luftspalt eines geeigneten Dauermagnetjoches orientiert werden.
Als hartmagnetisches Pulver wird vorzugsweise eine Seltenerdlegierung eingesetzt.
Besonders bevorzugt sind Seltenerdlegierungen der allgemeinen Formeln SECo5, (SE)2(Co, Fe,Cu,Zr)17 oder (SE)2Fe14B, worin SE für eines oder mehrere der Elemente Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder Lu steht.
Als Polymermaterial wird vorzugsweise lösliches Polyvinylidenfluorid (-Copolymer) eingesetzt. Ein bevorzugtes flüchtiges Lösungsmittel für lösliches Polyvinylidenfluorid (-Copolymer) ist Aceton.
Das umlaufende Giessband besteht vorzugsweise aus mattiertem Edelstahl.
Eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemässen Magnetfolie ist in Abbildung 1 dargestellt. Die eigentliche Giessvorrichtung umfasst einen temperierbaren Vorratsbehälter 1 mit Rührvorrichtung für die Giesslösung bzw. -dispersion, eine regelbare Förderpumpe 2, eine Filtereinrichtung 3 zum Abtrennen von Agglomeraten und den Giesser 4. Die Giesslösung bzw. -dispersion wird auf ein endloses Giessband 5 gegossen, welches über Walzen 6, 7 umläuft und von Heizelementen 8 indirekt beheizt wird. Das Giessband wird über eine der Walzen, welche mit einem geschwindigkeitsgeregelten Antrieb 16 versehen ist, angetrieben. Eine Kühlvorrichtung 9 kühlt gegebenenfalls die Magnetfolie 11 vor dem Abziehen vom Giessband mittels einer Abnahmevorrichtung 10. Zur Entfernung von verbleibenden Lösungsmittelresten kann die Magnetfolie gegebenenfalls vor dem Aufwickeln auf einen Wickeldorn 13 einer Nachtrocknung in einer Trockenstrecke 12 unterzogen werden, wobei die Folie vorteilhaft von einer Trägerbahn 14 unterstützt wird. Die Trägerbahn kann gegebenenfalls auch als Trennfolie dienen und zusammen mit der Magnetfolie aufge-
5 wickelt werden (nicht abgebildet). Zur Magnetisierung der Folie ist vorteilhaft ein Elektromagnet oder Dauermagnetjoch 17 in geringem Abstand über dem Giessband angebracht. Die gesamte Giess- und Trockenvorrichtung ist vorteilhaft von einem Gehäuse 15 umgeben, welches Wärmeverluste verringert und in Kombination mit einer Absaug- und Filter- Vorrichtung die Belastung der Produktionsräume durch Lösungsmitteldämpfe verhindert. Als Förderpumpen 2 können beispielsweise Zahnradpumpen oder Schlauchpumpen eingesetzt werden.
Der Giesser 4 kann sowohl als Druckgiesser, bei dem die Giesslösung durch die Förderpumpe 2 mit erhöhtem Druck direkt dem Giessspalt zugeführt wird, als auch als offener Abstreifgiesser, der allein mit hydrostatischem Druck arbeitet, ausgebildet sein. In beiden Fällen wird durch entsprechende Regelung der Pumpenleistung vorteilhaft der Druck bzw. die Füllhöhe konstant gehalten. Die Foliendicke wird im wesentlichen von der Weite des Giessspaltes zwischen Giesser 4 und Giessband 5 bestimmt. Die Huizeinrichtungen 8 führen die Wärme vorzugsweise als Strahlungswärme zu. Zur Unterstützung des Trocknungsprozesses und zur Abfuhr der Lösungsmitteldämpfe wird vorteilhaft erwärmte Luft zugeführt. Weiterhin ist es möglich, die Wärme beispielsweise über beheizte Walzen auf das Giessband zu übertragen oder dieses durch direkten Stromdurchgang oder induktiv zu erwärmen. Schliesslich kann auch der gegossene Film durch Mikrowellenenergie erwärmt werden. Zur Erhöhung der Festigkeit der Magnetfolie vor der Abnahme vom Giessband wird diese vorteilhaft gekühlt. Zu diesem Zweck kann die Giessvorrichtung mit einer oder mehreren Einrichtungen zur Kühlung 9 versehen sein. Diese können beispielsweise als kühlbare Trommeln oder Walzen, über welcher das Giessband 5 geführt wird, ausgebildet sein, so dass die Kühlung indirekt erfolgt. Andererseits sind auch Einrichtungen zur direkten Kühlung der Folie möglich, beispielsweise in Form geeignet angeordneter Düsen zum Aufblasen von Kaltluft oder anderen Kühlmedien. Selbstverständlich ist auch eine Kombination beider Massnahmen möglich.
Da die erfindungsgemässe Magnetfolie eine relativ geringe Zugfestigkeit aufweist, ist die Abnahmevorrichtung 10 zweckmässig so ausgebildet, dass kein übermässiger Zug auf die Folie ausgeübt wird, welcher zu einer unerwünschten Verstreckung oder gar zum Reissen der Folie führen könnte. Vorteilhaft besteht die Abnahmevorrichtung aus einer Walze oder
6 einem Walzenpaar, das eine kontrollierte Zugspannung auf die Folie ausübt und vorzugsweise so angeordnet ist, dass sich ein Abnahmewinkel von 15° bis 45° ergibt. Anstelle der Aufwickelvorrichtung 13 k-ann alternativ auch eine Schneide- und Stapelvorrichtung vorgesehen werden, um die Folie als Bogenstapel abzulegen.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Herstellung und die Eigenschaften der erfindungsgemässen Magnetfolie.
Beispiel 1
In Aceton wurden 8,7 Teile lösliches Polyvinylidenfluorid-Copolymer (SOLEF® 21508/1001, Hersteller: Solvay Kunststoffe), 1,4 Teile Netzmittel (Disperbyk® 180, Hersteller: Byk Chemie) und 89,9 Teile Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)I7-Magnetpulver (VACOMAX® 240, Hersteller: Vacuumschmelze GmbH) gelöst bzw. dispergiert. Das Magnetpulver war in einer Strahlmühle unter Stickstoff gemahlen und zur Entfernung von Überkorn durch ein 80 μm-Sieb gesiebt worden. Gemäss Siebanalyse entfielen 60 Massen-% auf Teilchen <25 μm und 1,8 Massen-% auf Teilchen >40 μm. Die mittlere Teilchengrösse wurde zu 10 μm bestimmt. Der gesamte Feststoffanteil der so erhaltenen Giesslösung betrug 78,3 Massen-%, der Volumenanteil des Magnetpulvers nach dem Trocknen ca. 63%>. Mit der vorstehend beschriebenen Giessvorrichtung wurde eine Folie von 120-140 μm Dicke hergestellt. Die so erhaltene Folie hatte eine Dichte von 2,9-3,3 g/cm3. Durch Variation der Giessspaltbreite und des Magnetpulvergehalts wurden weiterhin Folien von 220-230 μm Dicke und 230-235 μm Dicke mit Dichten von 3,6-3,7 g/cm3 bzw. 4,0-4,1 g/cm3 herge- stellt. Die Folien besassen eine Remanenz von 0,2-0,29 T bei Koerzitivfeldstärken von
10,6 kOe. Die Entmagnetisierungskurven der beispielgemässen Folien sind in Abbildung 2 dargestellt.
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Beispiel 2
Es wurde verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch wurde anstelle des Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17-Magnetpulvers ein NdFeB-Magnetpulver eingesetzt. Die so erhaltene Magnetfolie hatte eine Dicke von 315 μm, eine Dichte von 4,11 g/cm3 und eine Remanenz von 0,35 T bei einer Koerzitivfeldstärke von 11,4 kOe. Die Entmagnetisierungskurve dieser Folie ist in Abbildung 3 dargestellt.
Beispiel 3
Es wurde wie in Beispiel 2 verfahren, jedoch wurde ein anisotropes NdFeB-Magnetpulver des Typs MAGNEQUENCH® MQP-T verwendet und die Folie nach 0,5 min Trocknungszeit einem Magnetfeld von 2,4—2,9 kOe parallel zur Oberfläche ausgesetzt, so dass sich die Pulverteilchen in der noch nicht verfestigten Folie ausrichten konnte. Die fertige anisotrope Folie hatte eine Dicke von 333 μm, eine Dichte von 4,0 g/cm3, eine Remanenz von 0,505 T parallel zur Oberfläche und eine Koerzitivfeldstärke von 11,5 kOe. Die Entmagnetisierungskurve dieser Folie ist in Abbildung 4 dargestellt.
Beispiel 4
Es wurde analog zu Beispiel 1 verfahren (Magnetpulver: VACOMAX® 240), jedoch wurde die Folie nach 0,5 min Trocknungszeit zur Ausrichtung der anisotropen Pulverteilchen gepulsten externen Magnetfeldern parallel zur Oberfläche ausgesetzt. Die Feldstärke wurde zwischen 15 kOe (12 kA/cm) und 45 kOe (36 kA/cm) variiert. Die Entmagnetisierungs- kurven der so erhaltenen anisotropen Magnetfolien sind zusammen mit derjenigen einer entsprechenden isotropen Folie in Abbildung 5 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Remanenz parallel zur Oberfläche von 0,26 T bei der isotropen Folie bis auf 0,46 T nach einer Ausrichtung bei 45 kOe steigt. Die entsprechenden Werte nach Ausrichtung bei 15 kOe, 20 kOe und 30 kOe betragen 0,37 T, 0,41 T und 0,43 T. Durch die Ausrichtung der Pulverteilchen mit Magnetfeldpulsen parallel zur Folienoberfläche wird der
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Orientierungsgrad f0 von 0,5 bei der isotropen Magnetfolie bis auf 0,95 verbessert. Die Koerzitivfeldstärke nimmt aufgrund der verbesserten Orientierung von 11,5 kOe bei der isotropen Magnetfolie auf ca. 9 kOe bei den anisotropen Magnetfolien ab.