Способ изготовления пленочного электрета

Изобретение относится к области технологий изготовления пленочных электретов и может быть использовано, например, при производстве биполярных электретных микрофонов и нового класса пьезодатчиков на основе ламинированных электретных пленок, обладающих гигантским пьезомодулем (до 1000 пКл/Н). Целью изобретения является повышение величины и стабильности поверхностной плотности положительного заряда в пленочных фторполимерах. Это достигается тем, что в способе изготовления пленочного электрета, включающем нанесение на металлический электрод слоя фторполимера, нанесение на поверхность фторполимера дискретного слоя, состоящего из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур, и последующее электретирование в положительном коронном разряде, перед нанесением титансодержащих наноструктур поверхность фторполимера обрабатывают плазмой высокочастотного емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара. Использование данного технического решения позволяет не менее чем в 1.45 раза увеличить поверхностную плотность положительного заряда во фторполимерах, а также повысить временную и термостабильность заряда. 2 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к области технологий изготовления пленочных электретов. Полимерные пленочные электреты широко используются при промышленном производстве электретных микрофонов, электретных фильтров, электретных компонентов микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Важнейшими факторами, определяющими эффективность практического использования полимерных пленочных электретов, 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 ℮ раз. Для полимеров 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 на практике, составляют, как правило, величины порядка 10-6-10-5 Кл/м2, редко достигают значений 10-4-10-3 Кл/м2.

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.

Формирование в полимерных пленочных материалах стабильного электретного заряда обычно предполагает их обработку в электрическом поле (электретирование). Наиболее эффективным и технологичным способом электретирования в настоящее время является способ зарядки полимерных пленок в коронном разряде. В ряде случаев в полимерную матрицу или на поверхность пленки вводят (наносят) вещества, способные увеличить поляризационные эффекты в полимере.

Известен способ изготовления электретов путем конденсации паров на диэлектрическом изделии с последующей сушкой [1]. Предложен способ электризации нетканого диэлектрического полотна ударами струй воды под давлением с последующей сушкой [2]. Недостатки указанных способов:

- они являются разновидностями методов контактной электризации диэлектрических пленок [3], для которых характерна низкая величина и стабильность поверхностной плотности заряда получаемых электретов. Кроме того, данные методы не обеспечивают однородность и воспроизводимость распределения поверхностной плотности заряда по поверхности изготавливаемых электретов и в целом являются не технологичными;

- в них отсутствуют непосредственные сведения о величине и стабильности электретного заряда, а об электретных свойствах получаемых объектов судят косвенно (по увеличению эффективности фильтрации фильтрующих систем на их основе), что не позволяет прогнозировать величину и стабильность электретного заряда;

- данные способы не позволяют изготавливать электреты из фторполимеров с положительным зарядом, поскольку фторполимеры являются наиболее электроотрицательными диэлектриками и при контактной электризации заряжаются только отрицательным зарядом [3].

Для изготовления пленочных электретов с положительным зарядом из фторполимеров обычно используют зарядку в коронном разряде. Однако получаемые таким способом электреты характеризуются низкой стабильностью положительного заряда [4]. С целью повышения стабильности положительного заряда во фторполимерах предложен ряд способов [5, 6].

Так, в патенте [5] для стабилизации положительного заряда производят зарядку в положительном коронном разряде при повышенных температурах. Указанный способ позволяет заметно увеличить термостабильность положительного заряда, однако обладает при этом следующими недостатками:

- низкая поверхностная плотность электретного заряда (всего 0,2 мКл/м2);

- невозможность надежного контроля исходной величины электретного заряда;

- отсутствуют экспериментальные данные о долговременной стабильности заряда (указаны только расчетные значения времени жизни электрета τ).

Прототипом изобретения является способ изготовления пленочного электрета [6], включающий нанесение на металлический электрод слоя фторполимера, нанесение на поверхность фторполимера дискретного слоя, состоящего из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур и последующее электретирование в положительном коронном разряде. Сущность данного технического решения состоит в том, что наноразмерные агрегаты титансодержащих наноструктур на поверхности фторполимерной пленки являются энергетически глубокими ловушками для положительного заряда. Кроме того, титансодержащие наноструктуры значительно снижают подвижность поверхностных макромолекул, что в совокупности приводит к увеличению стабильности поверхностной плотности положительного заряда, сообщаемого фторполимеру при электретировании. В результате достигается возможность получения электретов со стабильной поверхностной плотностью заряда σст до 1,44 мКл/м2. Это создает условия для использования таких электретов в устройствах, где кроме отрицательных зарядов приемлемой стабильностью должны обладать и положительные заряды.

Недостатки прототипа:

- недостаточная величина стабильной поверхностной плотности заряда электрета.

- недостаточная термостабильность и стабильность во времени электретного заряда.

Цель изобретения - повышение величины и стабильности поверхностной плотности положительного заряда в пленочных фторполимерах.

Выбор фторполимеров в качестве объекта для реализации заявляемого способа обусловлен следующими соображениями. На сегодняшний день фторполимеры обладают самыми высокими электретными характеристиками. Именно фторполимеры реально используются при массовом производстве электретов. И наконец, именно на их базе имеются реальные перспективы создания новейших технических устройств. Например, биполярных электретных микрофонов и нового класса пьезодатчиков с гигантским пьезомодулем (до 1000 пКл/Н) - «ферроэлектреты». Сдерживающим фактором для создания таких устройств является недостаточная величина и стабильность положительного заряда во фторполимерах (напомним, что отрицательные заряды во фторполимерах очень стабильны). Поэтому разработка способов изготовления пленочных электретов из фторполимеров, несущих стабильный положительный заряд, является актуальной задачей.

Искомый технический результат достигается за счет того, что в известном способе изготовления пленочного электрета, перед нанесением на поверхность фторполимера дискретного слоя, состоящего из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур, поверхность фторполимера обрабатывают плазмой высокочастотного емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара.

Сущность изобретения состоит в том, что обработка поверхности фторполимера плазмой высокочастотного емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара приводит к:

1) разрушению и частичному удалению физически сорбированных загрязнений на поверхности полимерной пленки;

2) формированию на поверхности фторполимерной пленки кислородсодержащих функциональных группировок, обладающих повышенной химической активностью при взаимодействии с реагентом-модификатором (тетрахлоридом титана).

Все эти факторы существенно увеличивают реакционную способность поверхности фторполимера. В результате, при последующем нанесении на поверхность фторполимера обработанного плазмой высокочастотного емкостного разряда (в атмосфере насыщенного водяного пара) дискретного слоя изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур методом молекулярного наслаивания [7], к поверхностным макромолекулам прививается большее количество наноструктур. Так, по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии общее содержание титана в дискретном слое, нанесенном по способу-прототипу, составляет 2 атомных процента, то в слое, нанесенном по заявляемому способу, - 4 атомных процента. Таким образом, удается увеличить поверхностную концентрацию энергетически глубоких ловушек, а следовательно, величину и стабильность положительного заряда, сообщаемого фторполимеру при последующем электретировании в коронном разряде.

Последовательность операций при реализации заявляемого способа состоит в следующем. На металлический электрод наносится пленка фторполимера. Затем, в течение 15 секунд осуществляют обработку поверхности фторполимера плазмой высокочастотного (частота 27,12 МГц) емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара при давлениях 500-1000 Па и удельных мощностях разряда 2-4 кВт/м2.

После плазменной обработки поверхность фторполимера обрабатывается парами тетрахлорида титана (TiCl4) в реакторе проточного типа при температуре 130°С в течение 10 мин. Затем реактор продувается потоком осушенного газа-носителя (воздух) без подачи реагента (TiCl4) и охлаждается в течение 5 мин. После извлечения образцов из реактора они электретируются положительным зарядом.

Перечень фигур

Фиг.1. Результаты климатических испытаний (при 40°С и 98% относительной влажности) пленочных электретов на стабильность поверхностной плотности заряда:

1 - электреты, изготовленные по способу-прототипу (заряжены до величины начальной поверхностной плотности заряда 20,4·10-4 Кл/м2),

2 - электреты, изготовленные по способу-прототипу (заряжены до величины начальной поверхностной плотности заряда 27,2·10-4 Кл/м2),

3 - электреты, изготовленные согласно заявляемому способу (заряжены до величины начальной поверхностной плотности заряда 27,2·10-4 Кл/м2).

Фиг.2. Результаты испытаний (при линейном нагреве образцов со скоростью 5°С/мин) пленочных электретов на термостабильность поверхностной плотности заряда:

1 - электреты, изготовленные по способу-прототипу;

2 - электреты, изготовленные согласно заявляемому способу.

Приведем примеры реализации способа

Пример 1. Изготавливается партия (15 шт.) полимерных пленочных электретов согласно способу-прототипу. На металлический электрод наносится пленка политетрафторэтилена толщиной 13 мкм, после чего на ее свободную поверхность наносится дискретный слой, состоящий из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур. Для этого свободная поверхность пленки обрабатывается парами тетрахлорида титана (TiCl4) в реакторе проточного типа при температуре 130°С в течение 10 мин. Затем реактор продувается потоком осушенного газа-носителя (воздух) без подачи реагента (TiCl4) и охлаждается в течение 5 мин. После извлечения образцов из реактора они электретируются положительным зарядом. Электретирование производится в положительном коронном разряде на воздухе до величины начальной поверхностной плотности заряда 20,4·10-4 Кл/м2.

Результаты климатических испытаний (40°С, 98% относительной влажности) таких электретов на стабильность показаны на фиг.1 - кривая 1.

Пример 2. Изготавливается партия (15 шт.) полимерных пленочных электретов согласно способу-прототипу. На металлический электрод наносится пленка политетрафторэтилена толщиной 13 мкм, после чего на ее свободную поверхность наносится дискретный слой, состоящий из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур. Для этого свободная поверхность пленки обрабатывается парами тетрахлорида титана (TiCl4) в реакторе проточного типа при температуре 130°С в течение 10 мин. Затем реактор продувается потоком осушенного газа-носителя (воздух) без подачи реагента (TiCl4) и охлаждается в течение 5 мин. После извлечения образцов из реактора они электретируются положительным зарядом. Электретирование производится в положительном коронном разряде на воздухе до величины начальной поверхностной плотности заряда 27,2·10-4 Кл/м2.

Результаты климатических испытаний (40°С, 98% относительной влажности) таких электретов на стабильность показаны на фиг.1 - кривая 2.

Пример 3. Изготавливается партия (15 шт.) полимерных пленочных электретов согласно изобретению. На металлический электрод наносится пленка политетрафторэтилена толщиной 13 мкм, после чего в течение 15 секунд осуществляют обработку поверхности политетрафторэтилена плазмой высокочастотного (частота 27,12 МГц) емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара при давлениях 500-1000 Па и удельных мощностях разряда 2-4 кВт/м2. После плазменной обработки поверхность политетрафторэтилена обрабатывается парами тетрахлорида титана (TiCl4) в реакторе проточного типа при температуре 130°С в течение 10 мин. Затем реактор продувается потоком осушенного газа-носителя (воздух) без подачи реагента (TiCl4) и охлаждается в течение 5 мин. После извлечения образцов из реактора они электретируются положительным зарядом. Электретирование производится в положительном коронном разряде на воздухе до величины начальной поверхностной плотности заряда 27,2·10-4 Кл/м2. Результаты климатических испытаний (40°С, 98% относительной влажности) таких электретов на стабильность показаны на фиг.1 - кривая 3.

Пример 4. Изготавливается партия (15 шт.) полимерных пленочных электретов согласно способу-прототипу (так же как в примере 2).

Результаты испытаний полученных пленочных электретов на термостабильность (в режиме линейного нагрева образцов со скоростью 5°С/мин) представлены на фиг.2 - кривая 1.

Пример 5. Изготавливается партия (15 шт.) полимерных пленочных электретов согласно изобретению (так же как в примере 3).

Результаты испытаний полученных пленочных электретов на термостабильность (в режиме линейного нагрева образцов со скоростью 5°С/мин) представлены на фиг.2 - кривая 2.

Анализ результатов, представленных на фиг.1 и фиг.2, свидетельствует о следующем.

1. Временная стабильность поверхностной плотности положительного заряда в электретах, изготовленных из фторполимерной пленки согласно изобретению (фиг.1, кривая 3), существенно выше, чем у электретов, полученных известным способом (фиг.1, кривая 2).

2. Величина остаточной (стабильной) поверхностной плотности положительного заряда у электретов, изготовленных из фторполимерной пленки согласно изобретению (фиг.1, кривая 3), в 1,45 раза выше, чем у электретов, полученных известным способом (фиг.1, кривая 2).

3. Термостабильность поверхностной плотности положительного заряда у электретов, изготовленных из фторполимерной пленки согласно изобретению (фиг.2, кривая 2), выше, чем у электретов, полученных известным способом (фиг.2, кривая 1). Об этом, в частности, можно судить по характерным точкам (отмечены на фиг.2 стрелками) на зависимостях относительной поверхностной плотности заряда электретов от температуры.

Таким образом, цель изобретения, заключающаяся в повышении величины и стабильности поверхностной плотности положительного заряда в электретах на основе фторполимерных пленок, достигнута.

Источники информации

1. Патент 2260866.

2. Патент 2130521.

3. Полимерные электреты // Г.А. Лущейкин. - М.: Химия. - 1984. - 184 с.

4. Electrets // G.M. Sessler (Ed.). - 3rd ed., vol.1. - Laplacian press, Morgan Hill, Ca, 1999, pp.41-42.

5. US Patent 4527218.

6. Патент 2477540 (прототип).

7. Технология молекулярного наслаивания и некоторые области ее применения // А.А. Малыгин. - Журнал прикладной химии. - 1996. - Т.69, №10. - с.1585-1593.

Способ изготовления пленочного электрета, включающий нанесение на металлический электрод слоя фторполимера, нанесение на поверхность фторполимера дискретного слоя, состоящего из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур и последующее электретирование в положительном коронном разряде, отличающийся тем, что перед нанесением титансодержащих наноструктур поверхность фторполимера обрабатывают плазмой высокочастотного емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления полимерных пленочных электретов, которые могут быть использованы при производстве биполярных электретных микрофонов и пьезодатчиков на основе ламинированных электретных пленок, обладающих стабильным зарядом.

(57) Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу изготовления электретов, и может быть использовано в медицине для изготовления костных имплантатов, применяемых в хирургии для лечения переломов костей и артрозов суставов.

Изобретение относится к области технологий изготовления пленочных электретов и может быть использовано, например, при производстве биполярных электретных микрофонов и нового класса пьезодатчиков на основе ламинированных электретных пленок, обладающих гигантским пьезомодулем (до 1000 нКл/Н).

Изобретение относится к усовершенствованию электрета и устройству для преобразования энергии посредством электростатической индукции, содержащему такой электрет.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к получению полимерных электретов, которые используются в герметизирующих системах, в триботехнике, в различных приборах и аппаратах, таких как электретные дозиметры, электретные фильтры, а также в звуковоспроизводящей аппаратуре.

Изобретение относится к способам изготовления диэлектрических изделий, длительно сохраняющих статический заряд. .

Изобретение относится к фильтрующим средам электретного эффекта с улучшенной, фильтрующей способностью (так называемые "электретные фильтры"). .

Изобретение относится к технике изготовления электретов на основе анодного оксида алюминия, которые могут быть использованы в различных электрофизических устройствах: микрофонах, датчиках, фильтрах для очистки воздуха.

Заявлен способ изготовления поглощающего покрытия для солнечного нагрева, наносимого на металлическую подложку, в частности наносимого на тонкий алюминиевый лист, и покрытие, изготовленное таким способом.

Изобретение относится к области органической электроники, а именно к органическим фотовольтаическим устройствам (солнечным батареям и фотодетекторам), изготовленным с использованием органических фторсодержащих соединений в качестве модифицирующих добавок.

Изобретение относится к области химии, биологии и молекулярной медицины, а именно к способу получения наноразмерной системы доставки нуклеозидтрифосфатов. Способ включает модификацию носителя, в качестве которого используют аминосодержащие наночастицы диоксида кремния размером до 24 нм, путем обработки последних N-гидроксисукцинимидным эфиром алифатической азидокислоты, далее получение модифицированного нуклеозидтрифосфата (pppN) путем обработки последнего смесью трифенилфосфин/дитиодипиридин с последующим инкубированием образующегося активного производного pppN с 3-пропинилоксипропиламином и последующую иммобилизацию модифицированного pppN на полученных азидомодифицированных наночастицах в течение 2-4 ч.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении стеклянных шариков как цельных, так и пустотелых, например, для фильтров различного назначения, светоотражающих устройств.
Изобретение относится к технологии получения естественных загустителей и может быть использовано в пищевой промышленности. Способ получения пектина из створок зеленого гороха предусматривает замачивание предварительно измельченных створок зеленого гороха в воде.
Изобретение относится к технологии изготовления композиционных ионообменных мембран, обладающих свойством селективности сорбции или переноса нитрат-аниона. Предложена композиционная ионообменная мембрана, характеризующаяся повышенной подвижностью нитрат-анионов и повышенной константой ионного обмена по отношению к нитрат-аниону.

Изобретение относится к получению тонкодисперсных органических суспензий, включающих металл/углеродный нанокомпозит, и может использоваться для создания функциональных полимерных материалов.

Изобретение относится к области машиностроения и ремонта техники, в частности металлических деталей и узлов машин. Композиция для склеивания металлических изделий содержит анаэробный герметик АН-111 и наполнитель - углеродные нанотрубки «Таунит-М».

Изобретение относится к технологии нанесения пленок и касается конструкций, включающих молекулярные структуры с высоким аспектным соотношением (ВАСМ-структуры), и способа их изготовления.
Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для эффективного изменения оптоэлектронных свойств ансамблей покрытых лигандной оболочкой наночастиц серебра в вязких средах и пленках.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения композитов, которые применяются в фотокаталитических процессах, в качестве катализаторов олигомеризации олефинов и полимеризации этилена. Композиционный материал на основе силикагеля получают путем осаждения диоксида кремния из силиката натрия в присутствии диоксида титана или закиси меди барботированием углекислого газа через толщину суспензии при атмосферном давлении с образованием композиционного материала по типу «ядро (диоксид кремния)/оболочка (оксид металла)». Изобретение позволяет упростить процесс получения композита, так как отпадает необходимость сложного аппаратного оформления процесса, связанного с применением высоких давлений диоксида углерода при получении силикагеля, а также экологическая чистота технологии, которая связана с отсутствием выбросов диоксида углерода, достигаемая повторным его использованием. Способ может быть использован как в лабораторных, так и в промышленных условиях. 3 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области технологий изготовления пленочных электретов и может быть использовано, например, при производстве биполярных электретных микрофонов и нового класса пьезодатчиков на основе ламинированных электретных пленок, обладающих гигантским пьезомодулем. Целью изобретения является повышение величины и стабильности поверхностной плотности положительного заряда в пленочных фторполимерах. Это достигается тем, что в способе изготовления пленочного электрета, включающем нанесение на металлический электрод слоя фторполимера, нанесение на поверхность фторполимера дискретного слоя, состоящего из изолированных друг от друга наноразмерных агрегатов титансодержащих наноструктур, и последующее электретирование в положительном коронном разряде, перед нанесением титансодержащих наноструктур поверхность фторполимера обрабатывают плазмой высокочастотного емкостного разряда в атмосфере насыщенного водяного пара. Использование данного технического решения позволяет не менее чем в 1.45 раза увеличить поверхностную плотность положительного заряда во фторполимерах, а также повысить временную и термостабильность заряда. 2 ил., 5 пр.

Наверх