專利名稱：聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置及其靜電極化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置及其靜電極化方法，屬于極化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及孔洞駐極體的極化方法及極化裝置。
背景技術(shù)：
通常靜電駐極方法如靜電紡絲、電暈放電、摩擦起電、熱極化、低能電子束轟擊等，其中，電暈放電法最為常用。CN1528500采用電暈或電子束對聚四氟こ烯駐極體多孔過濾膜充電，《物理學報》3705，55 (7)，2006、CN1845353A和CN1933206A報道了孔洞結(jié)構(gòu)的聚合物的駐極方法為電暈充電、接觸式充電或電子束充電，其中，電暈充電法更為重要?！豆δ懿牧稀?41，(38)卷，2007年增刊報道了對孔洞聚四氟こ烯壓電體使用針-板電極在-20 -65KV的直流電壓電暈充電。CN85100859采用線電暈固定或針暈法制造聚四氟こ 烯等高聚物微孔駐極體膜。CN201355745公開了ー種駐極體電暈充電裝置，包括弦絲、扇形絕緣裝置、導電輥筒和支撐臺。CN2081560的針-板駐極裝置于聚酯膜與地電極金屬板間增設(shè)ー層鈉玻璃。JP2010 165926提出了ー種平板電極帶有溫度控制的針-板電極電暈裝置，可以更穩(wěn)定地把電荷注入到聚四氟こ烯薄膜中。CN101777425A公布了一種生產(chǎn)駐極體材料的方法，將周圍的相対濕度條件維持在用戶定義范圍內(nèi)，對聚合物電介質(zhì)材料按照下述條件選擇充電方法(i)加熱所述聚合物電介質(zhì)材料至超過所述材料的熔化溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使所述材料經(jīng)受電場并在存在所述電場的情況下將所述材料冷卻至低于所述熔化溫度或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，( )電暈充電，(iii)使所述材料經(jīng)受電子束或離子束，(iv)接觸帶電，(V)任何前述方法的組合。CN1658944A在玻璃化溫度以上熔點以下的溫度范圍內(nèi)進行加熱結(jié)晶化處理，以加熱到60 140°C的狀態(tài)外加直流電暈電場，冷卻到40°C以下，并由此獲得表面電荷密度較高的駐極體。電暈放電是ー種不完全擊穿的自持放電，在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲，受到環(huán)境氣氛、溫度、濕度等因素的影響，不宣在高濕環(huán)境使用。針-板電極直流電暈在不穩(wěn)定的環(huán)境中，稍高的電壓就容易過渡到火花放電，不能用于易燃易爆的場合。CN85100574A報道了ー種具有抑制極化邊緣夾具的多針電暈極化方法，CN2422765報道了ー種碳纖維束-板狀金屬電極電暈充電裝置，能避免明火放電和大面積均勻電暈充電。本發(fā)明提出另ー種適于エ廠現(xiàn)場牢固穩(wěn)定的能在易燃易爆的場合使用的聚合物電介質(zhì)卷繞式連續(xù)極化的方法。以聚丙烯(PP)蜂窩膜和聚四氟こ烯多孔膜(ePTFE)為代表的空間電荷型多孔壓電材料是近年來崛起的新一代非極性壓電材料，是具有透鏡狀孔洞結(jié)構(gòu)的聚合物電介質(zhì)，屬于缺乏本征偶極子和不存在疇結(jié)構(gòu)的非極性電介質(zhì)，由于空間電荷的注入和伴隨孔洞內(nèi)氣體的Paschen擊穿而在透鏡狀孔洞相對兩壁上沉積了等值異號的空間電荷而形成的微米(μ m)尺度的以孔洞為基本結(jié)構(gòu)單元的宏觀電偶極子，完成其極化。隨著空間電荷型多孔壓電材料等功能材料的エ業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，需要與之相適應(yīng)的極化方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種ー種聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，為聚合物電介質(zhì)非接觸靜電極化方法，尤其適合于空間電荷型多孔壓電材料等功能材料的エ業(yè)生產(chǎn)的極化，安靜無聲、不發(fā)光、無火花，可用干潮濕、易燃易爆場所。本發(fā)明的再一目的在于提供針對上述聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的靜電極化方法。本發(fā)明的又一目的在干提供針對上述極化裝置的聚合物電介質(zhì)卷到卷(roll-to-roll)的卷繞式連續(xù)極化系統(tǒng)。
本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，其電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為在適當長度的電導體棒或電導體管上排布針狀電極陣列，并在電導體棒或電導體管的外圍同軸安裝牢固的電導體罩，所述的電導體罩與電導體棒或電導體管之間防放電高電壓絕緣，電導體罩在面對針狀電極陣列的一面開ロ并設(shè)置電導體柵網(wǎng)，電導體柵網(wǎng)與電導體罩之間防放電高電壓絕緣，由此形成柵壓式靜電極化器電極系統(tǒng)基礎(chǔ)。在上述方案的基礎(chǔ)上，在所述的電導體罩軸向端部電導體罩與電導體棒或電導體管之間設(shè)防放電高電壓絕緣體，在電導體罩的開ロ邊緣處設(shè)電導體罩與電導體柵網(wǎng)之間的防放電高電壓絕緣體。在上述方案的基礎(chǔ)上，電導體棒或電導體管上的適當圓周角范圍排布針狀電極陣列。
所述的針狀電極陣列的寬度不大于電導體棒或電導體管的半圓柱面。本發(fā)明針對上述裝置提供一種聚合物電介質(zhì)靜電極化的方法，在電導體棒或電導體管接4 60KV范圍內(nèi)低于輝光放電電壓的激發(fā)電壓，電導體罩作為排斥電極接與激發(fā)電壓同極性、數(shù)值大O 5KV的排斥電壓，電導體柵網(wǎng)作為柵極接與激發(fā)電壓同極性O(shè) IOKV的柵壓，在電導體管內(nèi)通入或不通入恒溫控制的潔凈干燥惰性氣體，在恒溫的潔凈干燥惰性氣體開ロ(B卩附圖3中金屬的電導體柵網(wǎng)5的部位)的下方設(shè)置承接被極化的聚合物電介質(zhì)的支承收放部件，該部件包括導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞?，所述的導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞佔鳛榻拥乇畴姌O良好接地。在上述方案基礎(chǔ)上，以4 60KV范圍內(nèi)低于輝光放電電壓的負極性激發(fā)電壓產(chǎn)生電子繁流暗放電，以與激發(fā)電壓同極性、數(shù)值大O 5KV的排斥電壓和與激發(fā)電壓同極性
O IOKV的柵壓把針狀電極陣列外圍的電子和負離子導出到靜電極化器(參見附圖I)的外圍，電子和負離子由于極性相同相互排斥，致使靜電極化器下方形成負電荷殼層，殼層的厚度與激發(fā)電壓、排斥電壓和柵壓相關(guān)。正極性激發(fā)電壓時可以用類似的方法描述。本發(fā)明靜電極化器各電極電壓的極性和數(shù)值的設(shè)計，使得各電極相互之間形成的電場均具有相同的方向，驅(qū)動針狀電極尖端的荷電粒子飛行，經(jīng)過柵極逸出到靜電極化器的外圍，由于極性相同相互排斥，形成荷電粒子殼層，聚合物電介質(zhì)位于殼層以內(nèi)、緊貼在接地的背電極上面，因而電荷向聚合物電介質(zhì)遷移。在本發(fā)明的裝置中，靜電極化器和導電傳動輥的個數(shù)依據(jù)傳動速度、充電時間和充電區(qū)域的長度來決定。合理排布多個靜電極化器，使充電區(qū)域處于均勻電場和均勻電荷殼層之中。聚合物電介質(zhì)通過與沉積在表面的離子進行電荷交換而極化。本發(fā)明在一定程度上呈現(xiàn)多種靜電駐極方法的復合。導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞佉约俺潆娞幚淼目臻g自動恒溫控制(T200°C。本發(fā)明裝置在大氣條件下工作，在電導體管內(nèi)可以通入或不通入溫度控制的潔凈干燥惰性氣體，通入恒溫干燥惰性氣體使得本發(fā)明的極化裝置不受環(huán)境氣氛、溫度、濕度等因素的影響，可以在高濕、易燃易爆的環(huán)境使用。在本發(fā)明裝置上還設(shè)置聚合物電介質(zhì)卷的連續(xù)放卷和收卷機構(gòu)。本發(fā)明提供上述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的卷繞式連續(xù)靜電極化系統(tǒng)，采用高壓電源及其保護電路，所述的靜電極化器以低于輝光放電電壓的暗放電方式進行聚合物電介質(zhì)的極化，聚合物電介質(zhì)被連續(xù)放卷和收卷機構(gòu)牽引通過充電區(qū)域，所述的充電區(qū)域維持在均勻電場和均勻電荷殼層之中，聚合物電介質(zhì)與沉積在其表面的離子進行電荷交換而極化，被極化的聚合物電介質(zhì)被支承收放部件支承和收卷，所述充電處理的空間恒溫在O 200。。。本發(fā)明的靜電極化器在電極系統(tǒng)外面設(shè)有絕緣的屏蔽外殼，本發(fā)明裝置還設(shè)置電磁輻射防護系統(tǒng)和有害氣體處理排除系統(tǒng)。本發(fā)明的控制電路具有過電流保護、短路保護功能，對地“不打火”，直接碰地或エ件距離過近，人員不慎碰觸自動關(guān)閉系統(tǒng)和殘留高壓自動泄放系統(tǒng)。 本發(fā)明優(yōu)越性在干用本發(fā)明的裝置和方法極化的空間電荷型多孔壓電材料的準靜態(tài)壓電常數(shù)較高于電暈極化后的壓電材料，本發(fā)明的電子繁流暗放電靜電極化裝置及其靜電極化方法亦適用于致密型聚合物電介質(zhì)駐極體的極化。另外，本發(fā)明的靜電極化裝置除了用于電子繁流暗放電靜電極化以外，還可以用作電暈極化。
圖I.靜電極化器電極系統(tǒng)立體示意 圖2.靜電極化器電極系統(tǒng)主視示意 圖3. A-A首I]視不意 圖中標號
1一金屬管；
2一針狀電極陣列；
3一金屬罩；
4一電導體罩與電導體棒或電導體管之間的絕緣體；
4’ 一防放電高電壓絕緣體；
5一金屬柵網(wǎng)；
6——氣孑し；
7ー從惰性氣體開ロ逸出的恒溫控制潔凈干燥惰性氣體。
具體實施例方式參照附圖更為詳細地描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明并不限定在所述的具體實施方式
，符合本發(fā)明精神的各種改變、添加和替代都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。實施例I
本發(fā)明的靜電極化器的電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下所述在適當長度的電導體棒或電導體管，本實施例為金屬管I上的適當圓周角范圍排布針狀電極陣列2，在金屬管I的外圍同軸安裝牢固的電導體罩，本實施例電導體罩為金屬罩3，金屬罩3與金屬管I都固定在防放電高電壓絕緣體4上，金屬罩3在面對針狀電極陣列2的一方開ロ并設(shè)置電導體柵網(wǎng)，本實施例電導體柵網(wǎng)為金屬柵網(wǎng)5,金屬柵網(wǎng)5亦固定在金屬罩3與金屬柵網(wǎng)5之間的防放電高電壓絕緣體4’上，并與 金屬罩3和金屬管I以及針狀電極陣列2防放電高電壓絕緣。即所述的金屬罩3在面對針狀電極陣列2的一面開ロ并設(shè)置金屬柵網(wǎng)5,金屬柵網(wǎng)5與金屬罩3之間設(shè)防放電高電壓絕緣體4’，由此形成柵壓式靜電極化器。通過金屬管I上的氣孔6逸出恒溫控制的潔凈干燥惰性氣體，使得本發(fā)明的極化裝置不受環(huán)境氣氛、溫度、濕度等因素的影響，可以在高濕、易燃易爆的環(huán)境使用。被極化的薄膜或其它物品在正對靜電極化器開ロ的下方的導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞?本實施例為金屬傳動輥)上通過，經(jīng)由金屬傳動輥加之氣孔6逸出的恒溫控制氣體實現(xiàn)(T200°C恒溫控制，增強靜電極化的效果。金屬傳動輥良好接地。以4 60KV范圍內(nèi)低于輝光放電電壓的不太高的激發(fā)電壓使針狀電極陣列2暗放電，其下方的薄膜等被極化。金屬罩3接與金屬管I的激發(fā)電壓同極性、數(shù)值大O 5KV的排斥電壓，金屬柵網(wǎng)5接與金屬管I的激發(fā)電壓同極性O(shè) IOKV的柵壓，他們的共同作用增強了靜電極化器的功效。用本發(fā)明的極化裝置，在130°C金屬傳動輥背電極上面及130°C恒溫控制的潔凈干燥惰性氣體下，激發(fā)電壓-8KV，排斥電壓-9KV，柵極電壓-5KV，20 μ m厚的PTFE無孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/20 μ m厚的PTFE無孔膜的三層復合膜置于針狀電極陣列2末端以下85mm，連續(xù)極化45S。然后，在25°C背電極上面及25°C潔凈干燥惰性氣體下，以與上述相同的極化條件，冷卻至40°C以下。極化過程平穩(wěn)，安靜無聲、不發(fā)光、更無火花。極化以后再雙面真空蒸發(fā)淀積IOOnm厚的鋁電扱。由此制得的空間電荷型多孔壓電膜準靜態(tài)壓電常數(shù) d331350pC/N。實施例2
在實施例I極化裝置基礎(chǔ)上，12 μ m厚的PFA無孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/12 μ m厚的PFA無孔膜的三層復合膜，與實施例I相同的條件極化和淀積鋁電扱，極化過程平穩(wěn)，安靜無聲、不發(fā)光、更無火花。由此制得的空間電荷型多孔壓電膜準靜態(tài)壓電常數(shù)d331240pC/N。實施例3
在實施例I極化裝置基礎(chǔ)上，15 μ m厚的FEP無孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/15 μ m厚的FEP無孔膜的三層復合膜，與實施例I相同的條件極化和淀積鋁電扱，極化過程平穩(wěn)，安靜無聲、不發(fā)光、更無火花。由此制得的空間電荷型多孔壓電膜準靜態(tài)壓電常數(shù)d331280pC/N。實施例4
在實施例I極化裝置基礎(chǔ)上，用本發(fā)明的極化裝置，在25°C的環(huán)境中，以25°C的潔凈干燥壓縮空氣作為保護氣氛，激發(fā)電壓-IOkV,排斥電壓-llkV，柵壓-1.5KV，25 μ m厚的無孔PTFE膜置于針狀電極陣列末端以下80mm，連續(xù)極化5S。然后雙面真空蒸發(fā)淀積IOOnm厚的鋁電極，測量得到PTFE的表面電位是-1200V。比較例
實施例I的PTFE無孔膜/ ePTFE多孔膜/ PTFE無孔膜三層復合膜，用本發(fā)明的極化裝置，在室溫25°C下電暈極化，電壓-30KV，針狀電極與背電極間距離70mm，極化時間60S。然后雙面真空蒸發(fā)淀積IOOnm厚的鋁電扱。由此制得的空間電荷型多孔壓電膜準靜態(tài)壓電常數(shù) d331200pC/N。通過實施例I 3和比較例的結(jié)果表明，使用本發(fā)明的電子繁流暗放電靜電極化裝置及其靜電極化方法極化過程平穩(wěn)，安靜無聲、不發(fā)光、更無火花。用本發(fā)明的裝置和方法極化的空間電荷型多孔壓電材料的準靜態(tài)壓電常數(shù)較高于電暈極化后的壓電材料。實施例4表明，本發(fā)明的電子繁流暗放電靜電極化裝置及 其靜電極化方法亦適用于致密型聚合物電介質(zhì)駐極體的極化。而比較例的結(jié)果表明，本發(fā)明的靜電極化裝置除了用于電子繁流暗放電靜電極化以外，還可以用作電暈極化。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，其特征在于在電導體棒或電導體管上排布針狀電極陣列，并在電導體棒或電導體管的外圍同軸安裝電導體罩，所述的電導體罩與電導體棒或電導體管之間防放電高電壓絕緣，電導體罩在面對針狀電極陣列的一面開ロ并設(shè)置電導體柵網(wǎng)，電導體柵網(wǎng)與電導體罩之間防放電高電壓絕緣，由此形成柵壓式靜電極化器的電極系統(tǒng)基礎(chǔ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，其特征在于所述的針狀電極陣列的寬度不大于電導體棒或電導體管的半圓柱面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，其特征在于在所述的電導體罩軸向端部，在電導體罩與電導體棒或電導體管之間設(shè)防放電高電壓絕緣體，在電導體罩的開ロ邊緣處設(shè)電導體罩與電導體柵網(wǎng)之間的防放電高電壓絕緣體。
4.利用權(quán)利要求I至3所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的靜電極化方法，其特征在于電導體棒或電導體管接4 60KV范圍內(nèi)低于輝光放電電壓的激發(fā)電壓，電導體罩作為排斥電極接與激發(fā)電壓同極性、數(shù)值大O 5KV的排斥電壓，電導體柵網(wǎng)作為柵極接與激發(fā) 電壓同極性O(shè) IOKV的柵壓，在電導體管內(nèi)通入或不通入恒溫控制的潔凈干燥惰性氣體，惰性氣體從電導體管上的氣孔排出，經(jīng)由電導體柵網(wǎng)從靜電極化器溢出，在電導體柵網(wǎng)的下方設(shè)置承接被極化的聚合物電介質(zhì)的支承收放部件，該部件包括導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞?，所述的導電傳動帶或?qū)щ妭鲃虞佔鳛榻拥乇畴姌O，良好接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述靜電極化方法,其特征在于4 60KV范圍內(nèi)低于輝光放電電壓的負極性激發(fā)電壓產(chǎn)生電子繁流暗放電，以與激發(fā)電壓同極性、數(shù)值大O 5KV的排斥電壓和與激發(fā)電壓同極性O(shè) IOKV的柵壓把針狀電極陣列外圍的電子和負離子導出到靜電極化器的外圍，電子和負離子由于極性相同相互排斥，致使靜電極化器下方形成負電荷殼層，殼層的厚度與激發(fā)電壓、排斥電壓和柵壓相關(guān)；正極性激發(fā)電壓時可以用類似的方法描述。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的卷繞式連續(xù)靜電極化系統(tǒng)，其特征在干所述的靜電極化器以低于輝光放電電壓的暗放電方式進行聚合物電介質(zhì)非接觸極化，聚合物電介質(zhì)被連續(xù)放卷和收卷機構(gòu)牽引通過充電區(qū)域，所述的充電區(qū)域維持在均勻電場和均勻電荷殼層之中，聚合物電介質(zhì)與沉積在聚合物電介質(zhì)表面的離子進行電荷交換而極化，被極化的聚合物電介質(zhì)被支承收放部件支承和收卷，所述充電處理的空間恒溫在O 200°C。
7.權(quán)利要求I至3所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的卷繞式連續(xù)靜電極化系統(tǒng)，采用高壓電源及其保護電路；具有多種安全保護設(shè)施；其特征在于靜電極化器設(shè)有絕緣的屏蔽外殼，所述的靜電極化系統(tǒng)設(shè)置電磁輻射防護和有害氣體處理排除部件，過電流保護、短路保護電路，對地放電“不打火”控制電路，直接碰地或エ件距離過近，人員不慎碰觸自動關(guān)閉電路和殘留聞壓自動泄放電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置及其靜電極化方法，屬于極化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及孔洞駐極體的極化方法及極化裝置。聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置，是在電導體棒或電導體管上排布針狀電極陣列，并在電導體棒或電導體管的外圍同軸安裝電導體罩，所述的電導體罩與電導體棒或電導體管之間防放電高電壓絕緣，電導體罩在面對針狀電極陣列的一面開口并設(shè)置電導體柵網(wǎng)，電導體柵網(wǎng)與電導體罩之間防放電高電壓絕緣體，由此形成柵壓式靜電極化器的電極系統(tǒng)基礎(chǔ)。本發(fā)明還提出利用所述的聚合物電介質(zhì)靜電極化裝置的靜電極化方法。
文檔編號H01L41/22GK102738384SQ20121020700
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者宮繼業(yè), 宮香山, 張曉青 申請人:上海大宮新材料有限公司