DE1951749B2 - Vorrichtung zur Formierung von Elektreten aus Dielektrika mit offener oder poröser Struktur - Google Patents
Vorrichtung zur Formierung von Elektreten aus Dielektrika mit offener oder poröser StrukturInfo
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Description
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3 4
zugten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeich- bar, beispielsweise Porzellan, gewisse Titanate und
nungen näher erläuert. Es zeigt Metalloxyde, wärmehärtende Kunststoffe, u. a. auch
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zwi- mit Asbest vermischte Polyesterharze, Polyamide,
achen zwei Elektroden mit den Merkmalen der Er- Polyurethane, Polyvinylfluoride usw. Die orga-
findung eingefügten porösen Filtermatte, 5 nischen Hüllmaterialien sind weniger temperatur-
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Auf- beständig und empfindlicher gegenüber thermischem
spulrolle mit auf dieser angeordneter, umhüllter Duichschlag bzw. Durchbruch, andererseits aber
Metallfolien-Elektrode, auf welche eine langfaserige leichter zu verarbeiten. Beispielsweise ist bei der aus
Lage aufgerollt ist, während die andere umhüllte den Teilen 1 bis 5 bestehenden Vorrichtung ein
Folien-Elektrode aus Gründen der besseren Über- io MoS2-gefülltes Polyamid erfolgreich bei Temperasichtlichkeit
nicht eingezeichnet ist, und türen bis zu 120° C angewandt worden.
F i g. 3 einen Einzelheiten zeigenden, in vergrö- Zur Aufladung von Pulvera ist die untere Be-
ßertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt zur Ver- schichtung mit einem hochstehenden Rand versehen,
anschaulichung der zwischen die beiden Elektroden Auf diese Weise konnte beispielsweise Polytetra-
eingefügten Faserlage. i5 fluoräthylen-Pulver von 100 μ Teilchengröße zu
In den Figuren sind gleiche Teile mit jeweils den- einem Elektret formiert werden.
selben Bezugsziffern bezeichnet, und obgleich die Die in F i g. 3 dargestellte hohle Aufspulrolle 6
thermostatgeregelte Heizeinrichtung nicht darge- besitzt einen Durchmesser von 190 mm und eine
stellt ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Länge von 200 mm. Auf der Rolle ist eine Aluin
Verbindung mit jedem derzeit bekannten Gas- 20 miniumfolie 2 von 50 μ Dicke angeordnet, über
Thermostaten angewandt werden. welcher eine Hüll-Folie 4 aus einem Polyamid von
Gemäß Fig. 1 besitzen abgerundete polierte Elek- 50 μ Dicke liegt. Auf der Folie ist ein einfaseriger
troden 1 und 2 aus rostfreiem Stahl einen Durch- Faserstrang, der zu einem Elektret formiert werden
messer von 40 mm und sind mit schwach leitfähigen soll, eng zusammengewickelt angeordnet. Die Faser
Hüllen 3 bzw. 4 aus einem Asbest-Zement-Gemisch 25 besteht aus Polypropylen und besitzt eine Dicke von
überzogen. 20 μ. Auf der Faserlage sind wiederum eine PoIy-
Zwischen den Hüllen 3 und 4 befindet sich eine amid-Folie und eine Aluminium-Folie angeordnet,
dünne Filtermatte 5 aus Polyäthylenterephthalat- Die Einfügung des endlosen Faserstrangs zwischen
Fasern, aus welcher das Elektret hergestellt werden die beiden Elektroden ist aus F i g. 3 näher ersicht-
soll. Die Filtermatte 5 besitzt 9O°/oige Porosität, 30 lieh. Zur Polarisierung der Fasern während einer
einen Durchmesser von 70 mm, eine Dicke von 4 mm Zeitspanne von 3 Stunden bei 120° C mit einer
und besteht aus ausgefällten Fasern von 3 mm Länge Spannung von 200 V wird die ganze Anordnung in
und 20 bis 25 u Dicke. Zur Entfernung von Fremd- eine thermostatgeregelte Heizeinrichtung einge-
stoffen wie Avivagemitteln sind die Fasern vorher bracht. Wegen der geringen Faserdicke reichte die
mit Alkohol gewaschen worden. Die Dicke der 35 niedrige Spannung aus, eine permanente Ladung von
Hüllen 3 und 4 beträgt jeweils 3 mm. Die Formie- 5 ■ 10-» C/cm2 zu erzeugen. Bei dieser Ausführungs-
rung der Filtermatte 5 zu einem Elektret geschieht form beträgt das Widerstandsverhältnis zwischen
auf folgende Weise: Polyamid und Propylen etwa 1:104. An Stelle von
Polyamid eignen sich auch Polyvinylfluorid, PoIy-
1. Die aus den Teilen 1 bis 5 bestehende Anord- +0 vinylchlorid und Polyzelluloseacetat als Hüllfilme,
nung wird langsam, beispielsweise in 1 Stunde, Gewünschtenfalls können mehrere Lagen der
mittels erhitzter Luft auf 160° C erwärmt. Fasern gleichzeitig auf der Rolle aufgeladen werden,
2. Die Elektroden 1 und 2 werden an eine Gleich- indem immer w-eder neue Faserlagen und neue
stromquelle von 10 kV angeschlossen und etwa Lagen der urnhüllten Elektroden aufgebracht wer-4
Stunden lang an dieser Spannung gehalten. 45 den von denen letztere, wie bei einem Mehrschicht-
3. Wahrend die Elektroden mit der Spannungs- Kondensator, eine abwechselnde metallische Verquelle
verbunden bleiben, wird die Anordnung 1 bindung zulassen. Weiterhin können an Stelle der
bis 5 innerhalb 1 Stunde auf U.ngebungstem- endlosen Fäden auch endlose Streifen auf die Rolle
peratur abgekühlt. aufgewickelt werden.
Nunmehr kann die dünne Filtermatte aus der Vor- 50 Die umhüllten Elektroden bieten die Möglichkeit,
richtung herausgenommen werden, wobei es sich Fasern und Folien in einem kontinuierlichen Verdann
zeigt, daß sie zu einem Elektret mit einer per- fahren mit einer Ladung zu verrehen, beispielsweise
manenten Ladung von etwa 3 · IO-9 C/cm2 gewor- unmittelbar nach dem Spinnen, Ziehen oder Strangden
ist. pressen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die
Selbstverständlich können aber auch andere For- 55 Formierzeit auf Sekunden herabgesetzt werden kann,
mierbedingungen gewählt werden. wenn die Formierung in der Nähe des Schmelzpunkts
Vorzugsweise sollte die Temperatur jedoch über des Stoffs erfolgt.
130° C liegen, während die Formierzeit nicht zu Abschließend sei ein Beispiel für die Verwendung
kurz sein darf, um unabhängig von Hindernissen im der mittels der Vorrichtung nach der Erfindung mit
Ladungstransport eine gleichmäßige Raumladungs- 60 einer Ladung versehenen Elektrete angeführt,
polarisation zu gewährleisten. Bei der beschriebenen Über ein Elektroi-Filter gemäß F i g. 2 wurden
polarisation zu gewährleisten. Bei der beschriebenen Über ein Elektroi-Filter gemäß F i g. 2 wurden
Ausführungsform liegt das Widerstandsverhältnis Submikron-Teilchen von etwa 0,5 μ Größe zu
zwischen dem erwähnten Asbest-Zement-Gemisch 99,995 0Zo bei einer Filtriergeschwindigkeit von
und Polyäthylenterephthalat bei etwa 1:104. 5 cm/s ausgefällt. Der Druckabfall über das Filter
Ersichtlicherweise kann auch ein anderes Hüll- 65 betrug nur 4 mm Wassersäule.
material als das erwähnte Asbest-Zement-Gemisch Der Versuch wurde mit einem Dibutylphthalat und
benutzt werden. Hierfür sind zahlreiche schwach einem Salz-Aerosol durchgeführt. Ein nicht mit einer
leitfähige anorganische und organische Stoffe brauch- Ladung versehenes, identisches Filter fällte nur
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30% desselben Aerosols aus. Folglich erhöht die elektrostatische Ausfällung der Elektret-Fasern den
Filter-Wirkungsgrad ganz erheblich; die Durchlässigkeit verringert sich um nicht weniger als das
1400fache.
Filter aus endlosen Elektret-Fasern und -Pulvern gewährleisten ebenfalls eine ausgezeichnete Ausfällung
bzw. Abtrennung; mit derartigen Filtern wurden Ausfällungen von 99% bei einem Druckabfall von
2 mm bzw. 7,5 mm Wassersäule erzielt.
Die Ladung der derart hergestellten Elektret-Fasern zeigt innerhalb eines halben Jahres keinen
merklichen Schwund. Auch die Filter-Eigenschaften verschlechterten sich innerhalb dieses Zeitraums
nicht. Die voraussichtliche Betriebslebensdauer derartiger Filter wird daher auf Jahre geschätzt.
Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin eine Vorrichtung zum Formieren von Elektreten mit
offener Struktur, mit Elektroden, die mit einem Material bedeckt sind, dessen spezifischer Widerstand
um einen Faktor 104—108 kleiner ist als derjenige
ίο des Elektret-Materials und dessen Dicke so gewählt
ist, daß es den angelegten Formierspannungen ohne Dielektrikum-Durchschläge zu widerstehen vermag.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
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daß man Durchschläge durch die in den Poren entPatentanspruch: haltene Luft nur dadurch verhindern kann, daß man
an die Elektroden weit unter dem erwähnten, vorteil-
Vorrichtung zur Formierung von Elektreten haften Grenzwert liegende Formierspannungen; d. h.
aus Dielektrika mit offener oder poröser Struktur, 5 kleinere Feldstärken anlegt.
bestehend aus zwei Metall-Elektroden, zwischen Aufgabe der Erfindung ist es nun, die vorstehend
weichen ein elektrisches Feld vorgesehen werden geschilderte Unvollkommenheit der bekannten Vorkann
und zwischen welche die Elektret-Dielek- richtung zu vermeiden und insbesondere eine
trika eingebracht werden, bei der mindestens Elektretfonnierungs-Vorrichtung zu schaffen, mit der
eine der Metall-Elektroden auf der der anderen io Dielektrika mit offener oder poröser Struktur ohne
Elektrode zugewandten Seite mit einer Hülle ver- besondere Schwierigkeiten mit einer hohen Ladung
sehen ist, bei deren Material sich eine elektrische versehen und bei der insbesondere Formierungsspan-Eigenschaft
in ihrer Größe wesentlich von der nungen angewendet werden können, die dicht an der
entsprechenden Eigenschaft des Elektret-Dielek- Durchschlagsspannung von Luft liegen,
trikums unterscheidet, und deren Dicke so ge- 15 Demgemäß besteht die Erfindung aus einer Vorwählt ist, daß sie auch ohne zwischengelegtem richtung zur Formierung von Elektreten aus Elektret-Dielektrikum der angelegten Formier- Dielektrika mit offener oder poröser Struktur, bespannung zu widerstehen vermag, dadurch stehend aus zwei Metall-Elektroden, zwischen welgekennzeichnet, daß das Material der chen ein elektrisches Feld vorgesehen werden kann Hülle einen spezifischen Widerstand aufweist, 20 und zwischen welche die Elektret-Dielektrika einder um einen Faktor 10* bis 108 kleiner ist als gebracht werden, bei der mindestens eine der Metaltderjenige des Elektret-Dielektrikums. Elektroden auf der der anderen Elektrode zugewandten Seite mit einer Hülle versehen ist, bei deren Material sich eine elektrische Eigenschaft in ihrer
trikums unterscheidet, und deren Dicke so ge- 15 Demgemäß besteht die Erfindung aus einer Vorwählt ist, daß sie auch ohne zwischengelegtem richtung zur Formierung von Elektreten aus Elektret-Dielektrikum der angelegten Formier- Dielektrika mit offener oder poröser Struktur, bespannung zu widerstehen vermag, dadurch stehend aus zwei Metall-Elektroden, zwischen welgekennzeichnet, daß das Material der chen ein elektrisches Feld vorgesehen werden kann Hülle einen spezifischen Widerstand aufweist, 20 und zwischen welche die Elektret-Dielektrika einder um einen Faktor 10* bis 108 kleiner ist als gebracht werden, bei der mindestens eine der Metaltderjenige des Elektret-Dielektrikums. Elektroden auf der der anderen Elektrode zugewandten Seite mit einer Hülle versehen ist, bei deren Material sich eine elektrische Eigenschaft in ihrer
25 Größe wesentlich von der entsprechenden Eigen-
~ schaft des Elektret-Dielektrikums unterscheidet, und
deren Dicke so gewählt ist, daß sie auch ohne zwischengelegtem Elektret-Dielektrikum der ange-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur For- legten Formierspannung zu widerstehen vermag, und
mierung von Elektreten aus Dielektrika mit offener 30 kennzeichnet sich dadurch, daß das Material der
oder poröser Struktur, bestehend aus zwei Metall- Hülle einen spezifischen Widerstand aufweist, der um
Elektroden, zwischen welchen ein elektrisches Feld einen Faktor 104 bis 108 kleiner ist als derjenige des
vorgesehen werden kann und zwischen welche die Elektret-Dielektrikums.
Elektret-Dielektrika eingebracht werden, bei der Die vorteilhafte Wirkung der Elektretformierungs-
mindestens eine der Metall-Elektroden auf der der 35 Vorrichtung nach der Erfindung beruht auf fol-
anderen Elektrode zugewandten Seite mit einer Hülle gendem:
versehen ist, bei deren Material sich eine elektrische Da die Hülle in der elektrischen Kette der For-Eigenschaft
in ihrer Größe wesentlich von der ent- rnierungsvorrichtung als Leiter hohen Widerstandes
sprechenden Eigenschaft des Elektrei-Dielektrikums mit den Elektroden in Reihe geschaltet ist, wirkt sie
unterscheidet, und deren Dicke so gewählt ist, daß 40 in dem Fall dämpfend, in dem infolge zu hoher Einsie auch ohne zwischengelegtem Elektret-Dielektri- stellung der Formierspannung unerwarteter- und
kum der angelegten Fonnierspannung zu wider- ungewollterweisc ein Spannungsdurchschlag über die
stehen vermag. Dielektrikumporen erfolgen würde, und schützt Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus gleichzeitig die Stromquelle gegen Überlastung. Bei
der US-PS 3 354 373 bekannt. Mit ihrer Hilfe kann 45 normaler, d. h. richtig angepaßter Formierspannung,
ein Elektret formiert werden, indem ein Dielektrikum bei der also gerade nicht mehr die Gefahr eines
eine gewisse Zeit lang bei erhöhter Temperatur in Dielektrikumdurchschlags besteht, baut sich infolge
einem elektrischen Feld gehalten und anschließend des hohen Widerstands in der Hülle die Spannung
langsam bei Umgebungstemperatur und unter Auf- allmählich und unter gleichmäßiger Verteilung an
rechterhaltung des elektrischen Feldes abgekühlt 50 den dem Dielektrikum zugewendeten Abschnitten der
wird. Infolge dieser Behandlung entsteht ein Elektret, Hülle auf. Bei einem etwa auftretenden Durchschlag
das an beiden Enden permanente elektrostatische durch das Dielektrikum verlagert sich die Ladung
Ladungen aufweist. Derart aufgeladene Dielektrika längs der Oberfläche dieser Hüllenabschnitte zum
können in Anwendungsgebieten verwendet werden, Durchschlagspunkt hin. Da die Hülle ein schlechter
in welchen das elektrische Feld oder die Kraft einer 55 Leiter ist, fällt das elektrische Feld nur am Durchelektrostatischen
Ladung oder die Erzeugung von schlagspunkt, nicht aber im übrigen Gebiet zwischen
Strom durch sie benötigt wird. den Ebenen vollständig zusammen. Der Luft-Durch-Die
bekannte Vorrichtung besitzt einen großen schlag bleibt daher lokal begrenzt und löscht sich
Nachteil. Beispielsweise ist es schwierig, mit ihr infolge des zu langsam erfolgenden Ladungsnachporösen
Elektreten eine brauchbare hohe permanente öo schubs zum Durchschlagspunkt hin selbsttätig.
Aufladung in der Größenordnung von zwei Nano- Die möglichst an die Durchschlagsspannung der Coulomb je cm2 und vorzugsweise darüber zu er- Luft angenäherte Einstellung der Formierspannung teilen. Eine solche Ladung kann nur dadurch erzielt führt mithin bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden, daß die Formierspannung an den Elektroden im Fall eines Luft-Durchschlags nicht zu einem möglichst dicht bis an den Grenzwert der Durch- 65 lawinenartig ansteigenden Kurzschluß der Formierschlagfestigkeit von Luft heran eingestellt wird. Im spannung, wie dies bei den herkömmlichen Elektro-Falle eines Dielektrikums mit offener bzw. poröser den der Fall ist.
Struktur hat es sich aber in der Praxis herausgestellt, Im folgenden ist die Erfindung in einem bevor-
Aufladung in der Größenordnung von zwei Nano- Die möglichst an die Durchschlagsspannung der Coulomb je cm2 und vorzugsweise darüber zu er- Luft angenäherte Einstellung der Formierspannung teilen. Eine solche Ladung kann nur dadurch erzielt führt mithin bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden, daß die Formierspannung an den Elektroden im Fall eines Luft-Durchschlags nicht zu einem möglichst dicht bis an den Grenzwert der Durch- 65 lawinenartig ansteigenden Kurzschluß der Formierschlagfestigkeit von Luft heran eingestellt wird. Im spannung, wie dies bei den herkömmlichen Elektro-Falle eines Dielektrikums mit offener bzw. poröser den der Fall ist.
Struktur hat es sich aber in der Praxis herausgestellt, Im folgenden ist die Erfindung in einem bevor-
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