DE2433888C2

DE2433888C2 - Verfahren zum Polarisieren von Folien aus einem Stoff mit hohem Molekulargewicht

Info

Publication number: DE2433888C2
Application number: DE2433888A
Authority: DE
Inventors: Takao Iwaki Fukushima Ichii; Tohru Sasaki; Shinsuke Yoshikawa
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1973-07-17
Filing date: 1974-07-15
Publication date: 1985-03-07
Also published as: FR2238277A1; NL170344C; JPS5027992A; NL7409611A; DE2433888A1; US3943614A; NL170344B; GB1450338A; JPS5718641B2; FR2238277B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Polarisieren von Folien aus einem Stoff mit hohem Molekulargewicht, bei dem eine geradzahlige Anzahl von Lagen dieser Folien, von denen jede auf einer ihrer beiden Oberflächen eine leitende Schicht besitzt, zu einer Rolle gewickelt wird, bei dem an die gerollten Folien jeweils eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, durch die ein die Folien senkrecht durchsetzendes Feld erzeugt wird, dessen Feldstärke im Bereich von 50 kV/ cm bis zur Durchschlagfeldstärke der Folie liegt, und die Rolle gleichzeitig einer Temperatur, die im Bereich von bis 150° C liegt, ausgesetzt wird und bei dem danach die Folien entrollt werden.

Ein derartigen Verfahren ist aus der DE-OS 34612 bekannt. Die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Elektretfolien sind nur einseitig metallisiert und für die Ausnutzung von pyroelektrischen und piezoelektrischen Wirkungen nicht geeignet.

Aus der DE-OS 20 55 713 ist ebenfalls die Herstellung einer einseitig metallisierten Elektretfolie bekannt, wobei die Formierung auch «in einer mehrschichtigen Rolle durchgeführt wird. Dabei wird auf die nichtmetallisierte Fläche der ersten und der zweiten Folien je eine Deckschicht aufgelegt und die Folien und Schichten werden zu einer vierschichtigen Rolle gerollt.

Aus der DE-OS 21 34 571 und der DE-OS 22 16 805 ist jeweils ein Elektret aus einem geformten und in einem Gleichspannungsfeid polarisierten hochisolierenden Folienmaterial bekannt, bei welchem auf beide Oberflächen der Folien leitfähige Metallschichten aufgebracht sind, jedoch wird bei der Herstellung dieses Elektrets keine gerollte Lage von Folien verwendet

Diese Verfahren haben jedoch als Nachteile eine schlechte Bearbeitbarkeit bei der Polarisierung und eine niedrige Produktionsleistung. Da die Polarisierung im allgemeinen in einem Heizofen durchgeführt wird, müssen die zu polarisierenden Folien auf eine Größe geschnitten werden, welche in den Heizofen paßt — üblicherweise weniger als einige hundert Quadraizentimeter. Außerdem werden gewöhnlich stark verstreckte Folien verwendet, um die piezoelektrischen und pyroelckirischen Effekte zu erhöhen bzw. zu verbessern, und solche Folien müssen von einem Folienrahmen gleichmäßig und ohne irgendein Durchhängen getragen wcr-

den, wobei dies ein sehr schwieriger Arbeitsgang ist. Selbst wenn die Polarisierung in dieser Weise erreicht wird, liegt die Menge an Folien, die auf einmal erhalten werden kann, lediglich in der Größenordnung von zehn bis zwanzig Bahner: oder Bögen einer Breite von 30 cm und einer Länge von 30 cm unter Berücksichtigung der Dicke des Rahmens zum Tragen der Folie und bei Verwendung eines Heizofens mit einem Volumen von 901.

Außerdem müssen bei derartigen Polarisierungsverfahren die die Elektroden bildenden Teile, beispielsweise dampfabgeschiedenes Aluminium, entlang des Umfanges der Folien beim Schneiden und Umlegen oder Umfalten der Folien entfernt werden, und freie Bereiche oder Rese^rvcbereiche müssen von den Folien getrennt werden, um die Folien an dem Tragrahmen anbringen

jo zu können. Dies führt zu einer Verringerung der Produktionsausbeute an polarisierten Folien und auch zur Verringerung der Produktionsleistung.

Schließlich beschreibt die CH-PS 4 29 947 ein Verfahren /um Polarisieren von Folien aus polymcrem Material, bei dem die nicht-metallisiertc Folie über einen leitenden Kern gewickelt, dann der Wickel mit einer leitenden Hülle umgeben wird und zum Erhalt des zur Polarisicrung nötigen Feldes an den Wickelkern und an die Wickelhülle eine Gleichspannung gelegt wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zum Polarisieren von Folien aus einem Stoff mit hohem Molekulargewicht, mit dem eine große Menge beidseitig metallisierter polarisierter Folien gleichzeitig mit ausgezeichneter Wirksamkeit hergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art dadurch, daß die Folien auch auf der zweiten ihrer beiden Oberflächen mit leitenden Schichten versehen werden, und daß die Folien derart auf einen Kern gewickelt werden und an ihre leitenden Schichten die elektrische Gleichspannung derart angelegt wird, daß Paare benachbarter leitender Schichten zweier Lagen die gleiche Polarität aufweisen und jeweils die beiden leitenden Schichten der beiden Oberflächen einer zu polarisierenden Folie zueinander entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Folie hohen Molekulargewichts, auf deren beiden Seiten Alumi-

b^r> nium aufgedampft worden ist.

F i g. 2u bis 2d sind Schnittansichten, die zeigen, auf welche Weise die Folien hohen Molekulargewichts in Schichten rund um einen Kern gewickelt werden.

F i g. 3 ist eine Schnittansicht einer Folienlage, in der Isolierstreifen zwischen den geschichteten Folien angeordnet sind.

F i g. 4 ist eine perepeklivische Ansicht, die den Endteil von Folien hohen Molekulargewicht«!, die rund um einen Kern gewickelt sind, zeigt

F i g. 5a und 5b zeigen Schnittansichten, in denen die Art und Weise dargestellt ist, in weither das Ende von rund um einen Kern gewickelten Folien hohen Molekulargewichts Fixiert ist

Fig.6 ist eine Darstellung, in welcher das Atiegen von Spannung zur Polarisierung der Folien hohen Molekulargewichts erläutert ist.

Fig.? ist eine Ansicht von Folien hohen Molekulargewichts in geschichtetem und polarisiertem Zustand.

In der Zeichnung ist mit 1 bzw. Y eine Folie aus einem polymeren Stoff hohen Molekulargewichts, mit 2 eine elektrisch leitende Schicht, mit 3 ein Rand der Folie 1, mit 4 ein Kern, mit 5 ein Isolierstreifen, mit 6 ein Leiter für die elektrisch leitende Schicht und mit P und /"der Mittelpunkt der Folie bezeichnet

Es wird zunächst eine Folie aus einem Stoff hohen Molekulargewichts, auf die leitende Schichten niedergeschlagen sind, hergestellt, wie es in Fi g. 1 dargestellt ist, indem auf beide Oberflächen der polaren Folie 1 eine elektrisch leitende Schicht 2 aufgebracht wird, wobei Ränder 3 einer Breite von etwa 5 bis 15 mm am Umfang der Folie 1 freigelassen werden, um eine Entladung in den Randteilen der Folie zu verhindern.

Die polaren Folien t, 1' können aus Mischpolymerisaten, die im wesentlichen aus beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Polyvinylflourid oder Vinylidenfluorid oder solchen Harzen wie Vinylchloridharze, Vinylidenchioridharze oder Acrylnitrilharze bestehen, gebildet sein. Obwohl keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Dicke der Folien bestehen, solange sie um einen Kern gewickelt werden können, ist eine Dicke zwischen 2 und 1000 μιη geeignet. Gewöhnlich werden dünne Folien einer Dicke von etwa 3 bis 30 μηι verwendet.

Zur Ausbildung der leitenden Schichten 2 auf den Folien I₁ Γ können elektrisch leitende Substanzen, wie Aluminium, Gold, Zink, Nickel oder Zinn verwendet werden. Dünne Filme aus diesen elektrisch leitenden Materialien werden auf beiden Oberflächen der polaren Folien unter Anwendung von beispielsweise Dampfabschcidung oder Elektroplattierung aufgebracht.

Wenn langgestreckte Folien, die mit elektrisch leitenden Schichten, beispielsweise mit dampfabgeschiedenem Aluminium, auf beiden Seiten der Folie versehen sind, lediglich rund um einen Kern gewickelt werden berühren die gegenüberliegenden elektrisch leitenden Schichten einander an der Wickelfläche, was zu einem Versagen aufgrund von Kurzschluß führt. Ein Versuch, dies zu verhindern, könnte gedanklich darin bestehen, während des Aufwickclns der Folien geeignetes Isoliermaterial dazwischenzulegen. Jedoch sollten solche Isoliermaterialien auch eine zufriedenstellende Isolierfähigkeit bei höhereren Temperaturen haben, da eine Spannung bei hoher Temperatur angelegt wird, so daß tatsächlich nur einige besondere Materialien als solche Isoliermaterialien verwendet werden können, beispielsweise ein dicker Bogen aus Polytetrafluoräthylen. Wenn bei Verwendung eines solchen Isoliermaterials eine kleine Gasschicht zwischen der leitenden Schicht und dem Isoliermaterial verbleibt, wird ferner eine außerordentlich hohe Stärke des elektrischen Feldes (kV/mm) hervorgerufen, selbst wenn eine kleine Spannung an diesen sehr dünnen Luftspalt angelegt wird. Hierdurch wird manchmal eine Coronaentladung erzeugt die zur Verdampfung der leitenden Substanz führen kann, die als leitende Schicht niedergeschlagen wurde, oder die zur Bildung von sogenannten Nadellöchern in polaren Folien führen kann. Es ist jedoch schwierig, polare Folien, auf denen leitende Schichten aufgebracht sind, und Isolierfolien ohne einen Luftspalt in Rollenform zu wickeln. Wenn die für die Polarisierung angewendete Spannung hoch ist, muß die Dicke der Isolierbögen oder Isolierstreifen stark vergrößert werden, um die an den Luftspalt angelegte Spannung unterhalb der Coronaentladungsspannung zu halten, was ebenfalls dazu führt, daß ein gleichmäßiges Wickeln der Folien zu Rollenform !schwierig ist

Wenn jedoch Folien, die auf beiden Oberflächen leitende Schichten tragen, geschichtet werden, wie es in Fi g. 7 dargestellt ist. wobei die Folien 1 in zwei Lagen angeordnet sind, haben die leitenden Schichten 2 an den betreffenden sich berührenden Flächen der in einem Schichtgebilde einer geradzahligen Anzahl von Lagen zu einer Rolle gewickelten Folien 1 immer die gleiche Polarität mit Bezug zueinander.

Das Verfahren des Wickeins von Folien 1, Γ hohen Molekulargewichts mit leitenden Schichten 2, die in einer geradzahligen Anzahl von Lagen angeordnet sind, rund um einen Kern 4, wie er beispielsweise in Fig.2 dargestellt ist, umfaßt

(a) das Wickeln langgestreckter Folien rund um den Kern 4, während die Folien an der Mitte ihrer Länge an dem Kern 4 festgelegt werden,

(b) das Wickeln der Folien 1, Γ rund um den Kern 4, wobei die Folien 1, Γ in Längsrichtung an ihrer Mitte gefaltet werden,

(c) das Wickeln der Folie 1 rund um den Kern 4, wobei die Folien 1 in ihrer breiten Richtung gefaltet werden, oder das

(d) Wickeln der Folien 1 rund um den Kern 4, während ein Schichtgebilde aus einer geradzahligen Anzahl von Lagen oder Schichten gebildet wird durch Falten einer langgestreckten Folie 1 in einer ungeradzahligen Anzahl bzw. ungeradzahligen Male, oder das gleichzeitige Wickeln einer geradzahligen Anzahl von Bögen oder Bahnen von Folien rund um den Kern 4.

Irgendeines der vorbeschriebenen Verfahren kann angewendet werden, vorausgesetzt, daß ein Schichtgebilde aus einer geradzahligen Anzahl von Lagen gleichzeitig rund um den Kern gewickelt wird, um dadurch Kurzschlüsse zu verhindern, wenn die aufgebrachten leitenden Schichten sich an den gegenüberliegenden Oberflächen berühren. Wenn eine hohe Gleichspannung auf die Innenflächen (die sich berührenden Flächen) und auf die Außenflächen (zwei Flächen) angelegt wird, ist da die leitenden Schichten der jeweiligen beiden Folien in einem Schichtgebilde in einer geradzahligen Anzahl von Lagen vorhanden sind, kein Potential für Luftspalte zwischen den leitenden Schichten vorhanden, so daß eine Polarisierung erreicht werden kann, ohne daß ein durch Coronaentladung bewirkte Zerstörung der leitenden Schichten und der Folien stattfindet. Ein Leiter 6, beispielsweise eine Zinnfolie, als Leiter für die leitende Schicht wird an einer geeigneten Stelle

b5 au' der Innenseite der beiden Folien 1 und Γ gewickelt, wie es in F i g. 4 dargestellt ist. Der Leiter 6 wird vorteilhaft beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Anstrich 7 gewickelt, um die Bildung von Luftspalten zwi-

sehen denjenigen Teilen zu verhindern, in die der Leiter 6 eingesetzt ist, um mögliche Entladungen zu vermeiden. Gemäß F i g. 4 wird eine Isolierfolie 9 verwendet, um einen Kurzschluß zwischen dem Leiter 6 und dem Kern 4 zu verhindern, jedoch ist dies nicht immer notwendig. Vorteilhaft wird der Endteil der vollständig rund um den Kern 4 gewickelten Folien I₁ Γ befestigt. Dieses Befestigen kann beispielsweise derart erfolgen, daß eine Isolierfolie 8 mit dem rückseitigen Ende der Ränder 3. 3' der Folien I, Γ verbunden wird und die in Isolierfolie 8 mehrere Male um den Kern 4 gewickelt wird, wonach ihr Ende mit einem Klebeband 10 gemäß F i g. 5a befestigt wird oder das Ende der Folien an einem Teil eines Rahmens 11 befestigt wird, an welchem der mit den Folien bewickelte Kern 4 befestigt ist, wie es ι s in F i g. 5b dargestellt ist.

Durch das Befestigen der Enden der Folien kann eine Wärmeschrumpfung bequem auf einem Minimum von unter 1% während des Polarisierungsvorganges gehalten werden und eine Kräuselung, die durch Wärmeschrumpfung hervorgerufen würde, kann ebenfalls verhindert werden.

Wenn fehlerhafte Teile in den dünnen Folien vorhanden sind, beispielsweise Nadellöcher oder extrem dünne Teile, bewirken solche fehlerhaften Teile oftmals einen Kurzschluß unter dem Einfluß eines starken elektrischen Feldes, was zu einer Zerstörung der Folien führt. Die fehlerhaften Teile in den Folien führen nicht nur zu einer Zerstörung der fehlerhaften Teile selbst, sondern auch manchmal von anderen Teilen oder zur Zerstörung von anderen behandelten Folien, die als Schichtgebilde um eine Rolle gewickelt sind und über oder unter dem zerstörten fehlerhaften Teil liegen, was zu einer Verringerung der Ausbeute führt. Um dies zu verhindern, werden vorzugsweise Isolierstreifen 5, beispielsweise aus hochschmelzender Kunststoffolie oder Papier zwischen die sich berührenden Oberflächen der leitenden Schichten 2 der Folien 1 eingefügt und gleichzeitig mitgewickelt. Durch Einfügen von Isolierstreifen 5 zwischen die Folien 1, wie es in F i g. 3 dargestellt ist führt eine Zerstörung von fehlerhaften Teilen in den Folien 1 bei der Polarisierung lediglich zur Zerstörung der fehlerhaften Teile selbst oder höchstens zur Zerstörung derjenigen Folien 1, die zwischen den Isoiierstreifen 5 vorhanden sind, so daß die Wirkung der Zerstörung auf andere Teile der geschichteten Folien 1 verhindert werden kann.

Wenn der Isolierstreifen 5 zwischen zwei leitende Schichten 2 eingefügt wird, soll die Polarisierung so durchgeführt werden, daß sie leitenden Schichten 2, die an die betreffenden Oberflächen des Isolierstreifens 5 angrenzen, die gleiche Polarität haben.

Der verwendete Kern 4 kann eine Rolle, eine Platte oder eine Stange sein, und irgendein Kern kann verwendet werden, vorausgesetzt, daß er unter der für die PoIarisierung erforderlichen Temperatur starr bleibt Ein zylindrischer Kern aus Metall oder Bakelit wird allgemein verwendet Die Metallrolle wird gegenüber Rollen aus anderen Materialien bevorzugt weil sie zufolge ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit bequem erhitzt und abgekühlt werden kann, weil die Innenseite des Zylinders bequem mit Wasser abgeschreckt werden kann, und weil weiterhin ein elektrischer Kontakt zu den leitenden Schichten bequem hergestellt werden kann.

Die rund um den Kern 4 gemäß vorstehender Be-Schreibung gewickelten Folien 1 und Γ werden an eine Quelle elektrischer Energie angeschlossen und eine hohe Gleichspannung, die ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke größer als 50 kV/cm und unterhalb der Durchschlagfeldstärke erzeugt, wird bei einer Temperatur von oberhalb 40"C bis 150°C zwischen dem Kern 4 und dem Leiter 6 angelegt Die langgestreckten Folien 1, 1', an die die hohe Gleichspannung angelegt wird, während sie zu einer Rolle geschichtet sind, werden derart polarisiert daß die abwechselnden sich berührenden Oberflächen der geschichteten Folien verschiedene Polarität haben.

Bei Temperaturen oberhalb I5O°C nimmt die Fähigkeit der Folien, der angelegten Spannung zu widerstehen, beträchtlich ab, und die Polarisierung wird dann praktisch unmöglich.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispielc nähererläutert

Beispiel 1

Aluminium wurde auf eine monoaxial gestreckte Folie aus Polyvinylidenfluorid einer Dicke von 30 μηι, wie in F i g. 1 dargestellt, dampfabgeschied en und das Wikkeln der Folie wurde nach der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Arbeitsweise durchgeführt. Nach gleichzeitigem Wickeln von etwa 20 m zweier Bahnen dieser Folie wurde ein Leiter für die leitende Schicht vorgesehen, wie es in Fig.4 dargestellt ibt, und die Polarisierung wurde durch Anlegen eines Gleichstrompotentials von 600 V (200kV/cm), wie es in Fig.6 dargestellt ist, durchgeführt Die Polarisierung erfolgte in einem trockenen Gefäß und die Folien wurden während 30 Minuten auf einer Temperatur von 115°C gehalten und danach abkühlen gelassen. Die dadurch erhaltene piezoelektrische Konstante</ii betrug833 · 10-^|2(C/N).

Beispiel 2

Aluminium wurde auf eine monoaxial gestreckte Folie aus Polyvinylidenfluorid einer Dicke von 7 μιη, wie in Fig.1 dargestellt, dampfabgeschieden, und die Folie wurde auf ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 100 mm gewickelt, und zwar zusammen mit Polyesterfolien einer Dicke von 9 μπι, die zwischen zwei Bahnen der Folien und auf deren Außenoberfläche vorgesehen wurden. Nach dem Wickeln von etwa 20 m dieser Bahnen wurde ein Leiter für die leitenden Schichten vorgesehen, wie es in F i g. 4 dargestellt ist und ein Gleichstrompotential von 450 V (700 kV/cm) wurde angelegt um die Polarisierung, wie in F i g. 6 gezeigt auszuführen. Die Polarisierung erfolgte in einem trockenen Gefäß und die Folien wurden während 30 Minuten auf einer Temperatur von 115°C gehalten und danach abgekühlt indem kaltes Wasser durch das Rohr aus rostfreiem Stahl geführt wurde. Es ergab sich ein Durchschlag an den fehlerhaften Teilen in der PoIyvinylidenfluoridfolie, jedoch waren die anderen Teile der geschichteten Polyvinylidenfluoriclfolie durch die Polyesterfolien abgeschirmt und sie wurden nicht beeinflußt und die Erzeugung von Nadellöctiern fand nur in den fehlerhaften Teilen statt.

Wenn im Gegensatz dazu die gleichen Polyvinylidenfluoridfolien einer Dicke von 7 μιη geschichtet und polarisiert wurden ohne Verwendung von Isolierstreifen, breitete sich der Durchschlag, der in den fehlerhaften Teilen dieser Folien erzeugt wurde, auf andere Teile der geschichteten Folien aus, so daß die Ausbeute verringert wurde. Die auf diese Weise erhaltene piezoelektrische Konstante(J₁₁ betrug2.4 · 10-"(ON).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Polarisieren von Folien aus einem Stoff mit hohem Molekulargewicht, bei dem eine geradzahlige Anzahl von Lagen dieser Folien, von denen jede auf einer ihrer beiden Oberflächen eine leitende Schicht besitzt, zu einer Rolle gewikkelt wird, bei dem an die gerollten Folien jeweils eine elektrische Gleichspannung angelegt wird, durch die ein die Folien senkrecht durchsetzendes Feld erzeugt wird, dessen Feldstärke im Bereich von 50 kV/cm bis zur Durchschlagsfeldstärke der Folien liegt, und die Rolle gleichzeitig einer Temperatur, die im Bereich von 40 bis 15O⁰C liegt, ausgesetzt wird und bei dem danach die Folien entrollt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (I bzw. V) auch auf der zweiten ihrer beiden Oberflächen mit leitenden Schichten (2) versehen werden und daß die Folien (1 bzw. V) derart auf einen Kern (4) gewickelt werden und an ihre leitenden Schichten (2) die elektrische Gleichspannung derart angelegt wird, daß Paare benachbarter leitender Schichten (2) zweier Lagen die gleiche Polarität aufweisen und jeweils die beiden leitenden Schichten (2) der beiden Oberflächen einer zu polarisierenden Folie (1 bzw. V) zueinander entgegengesetzte Polarität aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Anzahl von Folien (1) zur Bildung einer geradzahligen Anzahl von Lagen vor dem Wickeln gefaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Folien (1) Isolierstreifen eingefügt werden.