专利名称：聚合物电介质静电极化装置及其静电极化方法
技术领域：
本发明涉及ー种聚合物电介质静电极化装置及其静电极化方法，属于极化技术领域，尤其涉及孔洞驻极体的极化方法及极化装置。
背景技术：
通常静电驻极方法如静电纺丝、电晕放电、摩擦起电、热极化、低能电子束轰击等，其中，电晕放电法最为常用。CN1528500采用电晕或电子束对聚四氟こ烯驻极体多孔过滤膜充电，《物理学报》3705，55 (7)，2006、CN1845353A和CN1933206A报道了孔洞结构的聚合物的驻极方法为电晕充电、接触式充电或电子束充电，其中，电晕充电法更为重要。《功能材料》741，(38)卷，2007年增刊报道了对孔洞聚四氟こ烯压电体使用针-板电极在-20 -65KV的直流电压电晕充电。CN85100859采用线电晕固定或针晕法制造聚四氟こ 烯等高聚物微孔驻极体膜。CN201355745公开了ー种驻极体电晕充电装置，包括弦丝、扇形绝缘装置、导电辊筒和支撑台。CN2081560的针-板驻极装置于聚酯膜与地电极金属板间增设ー层钠玻璃。JP2010 165926提出了ー种平板电极带有温度控制的针-板电极电晕装置，可以更稳定地把电荷注入到聚四氟こ烯薄膜中。CN101777425A公布了一种生产驻极体材料的方法，将周围的相対湿度条件維持在用户定义范围内，对聚合物电介质材料按照下述条件选择充电方法(i)加热所述聚合物电介质材料至超过所述材料的熔化温度或玻璃化转变温度，使所述材料经受电场并在存在所述电场的情况下将所述材料冷却至低于所述熔化温度或玻璃化转变温度，( )电晕充电，(iii)使所述材料经受电子束或离子束，(iv)接触带电，(V)任何前述方法的组合。CN1658944A在玻璃化温度以上熔点以下的温度范围内进行加热结晶化处理，以加热到60 140°C的状态外加直流电晕电场，冷却到40°C以下，并由此获得表面电荷密度较高的驻极体。电晕放电是ー种不完全击穿的自持放电，在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声，受到环境气氛、温度、湿度等因素的影响，不宣在高湿环境使用。针-板电极直流电晕在不稳定的环境中，稍高的电压就容易过渡到火花放电，不能用于易燃易爆的场合。CN85100574A报道了ー种具有抑制极化边缘夹具的多针电晕极化方法，CN2422765报道了ー种碳纤维束-板状金属电极电晕充电装置，能避免明火放电和大面积均匀电晕充电。本发明提出另ー种适于エ厂现场牢固稳定的能在易燃易爆的场合使用的聚合物电介质卷绕式连续极化的方法。以聚丙烯(PP)蜂窝膜和聚四氟こ烯多孔膜(ePTFE)为代表的空间电荷型多孔压电材料是近年来崛起的新一代非极性压电材料，是具有透镜状孔洞结构的聚合物电介质，属于缺乏本征偶极子和不存在畴结构的非极性电介质，由于空间电荷的注入和伴随孔洞内气体的Paschen击穿而在透镜状孔洞相对两壁上沉积了等值异号的空间电荷而形成的微米(μ m)尺度的以孔洞为基本结构单元的宏观电偶极子，完成其极化。随着空间电荷型多孔压电材料等功能材料的エ业生产的发展，需要与之相适应的极化方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ー种聚合物电介质静电极化装置，为聚合物电介质非接触静电极化方法，尤其适合于空间电荷型多孔压电材料等功能材料的エ业生产的极化，安静无声、不发光、无火花，可用干潮湿、易燃易爆场所。本发明的再一目的在于提供针对上述聚合物电介质静电极化装置的静电极化方法。本发明的又一目的在干提供针对上述极化装置的聚合物电介质卷到卷(roll-to-roll)的卷绕式连续极化系统。
本发明目的通过下述技术方案实现一种聚合物电介质静电极化装置，其电极系统的结构为在适当长度的电导体棒或电导体管上排布针状电极阵列，并在电导体棒或电导体管的外围同轴安装牢固的电导体罩，所述的电导体罩与电导体棒或电导体管之间防放电高电压绝缘，电导体罩在面对针状电极阵列的一面开ロ并设置电导体栅网，电导体栅网与电导体罩之间防放电高电压绝缘，由此形成栅压式静电极化器电极系统基础。在上述方案的基础上，在所述的电导体罩轴向端部电导体罩与电导体棒或电导体管之间设防放电高电压绝缘体，在电导体罩的开ロ边缘处设电导体罩与电导体栅网之间的防放电高电压绝缘体。在上述方案的基础上，电导体棒或电导体管上的适当圆周角范围排布针状电极阵列。
所述的针状电极阵列的宽度不大于电导体棒或电导体管的半圆柱面。本发明针对上述装置提供一种聚合物电介质静电极化的方法，在电导体棒或电导体管接4 60KV范围内低于辉光放电电压的激发电压，电导体罩作为排斥电极接与激发电压同极性、数值大O 5KV的排斥电压，电导体栅网作为栅极接与激发电压同极性O IOKV的栅压，在电导体管内通入或不通入恒温控制的洁净干燥惰性气体，在恒温的洁净干燥惰性气体开ロ(B卩附图3中金属的电导体栅网5的部位)的下方设置承接被极化的聚合物电介质的支承收放部件，该部件包括导电传动带或导电传动辊，所述的导电传动带或导电传动辊作为接地背电极良好接地。在上述方案基础上，以4 60KV范围内低于辉光放电电压的负极性激发电压产生电子繁流暗放电，以与激发电压同极性、数值大O 5KV的排斥电压和与激发电压同极性
O IOKV的栅压把针状电极阵列外围的电子和负离子导出到静电极化器(參见附图I)的外围，电子和负离子由于极性相同相互排斥，致使静电极化器下方形成负电荷壳层，壳层的厚度与激发电压、排斥电压和栅压相关。正极性激发电压时可以用类似的方法描述。本发明静电极化器各电极电压的极性和数值的设计，使得各电极相互之间形成的电场均具有相同的方向，驱动针状电极尖端的荷电粒子飞行，经过栅极逸出到静电极化器的外围，由于极性相同相互排斥，形成荷电粒子壳层，聚合物电介质位于壳层以内、紧贴在接地的背电极上面，因而电荷向聚合物电介质迁移。在本发明的装置中，静电极化器和导电传动辊的个数依据传动速度、充电时间和充电区域的长度来决定。合理排布多个静电极化器，使充电区域处于均勻电场和均勻电荷壳层之中。聚合物电介质通过与沉积在表面的离子进行电荷交换而极化。本发明在一定程度上呈现多种静电驻极方法的复合。导电传动带或导电传动辊以及充电处理的空间自动恒温控制(T200°C。本发明装置在大气条件下工作，在电导体管内可以通入或不通入温度控制的洁净干燥惰性气体，通入恒温干燥惰性气体使得本发明的极化装置不受环境气氛、温度、湿度等因素的影响，可以在高湿、易燃易爆的环境使用。在本发明装置上还设置聚合物电介质卷的连续放卷和收卷机构。本发明提供上述的聚合物电介质静电极化装置的卷绕式连续静电极化系统，采用高压电源及其保护电路，所述的静电极化器以低于辉光放电电压的暗放电方式进行聚合物电介质的极化，聚合物电介质被连续放卷和收卷机构牵引通过充电区域，所述的充电区域维持在均匀电场和均匀电荷壳层之中，聚合物电介质与沉积在其表面的离子进行电荷交换而极化，被极化的聚合物电介质被支承收放部件支承和收卷，所述充电处理的空间恒温在O 200。。。本发明的静电极化器在电极系统外面设有绝缘的屏蔽外壳，本发明装置还设置电磁辐射防护系统和有害气体处理排除系统。本发明的控制电路具有过电流保护、短路保护功能，对地“不打火”，直接碰地或エ件距离过近，人员不慎碰触自动关闭系统和残留高压自动泄放系统。 本发明优越性在干用本发明的装置和方法极化的空间电荷型多孔压电材料的准静态压电常数较高于电晕极化后的压电材料，本发明的电子繁流暗放电静电极化装置及其静电极化方法亦适用于致密型聚合物电介质驻极体的极化。另外，本发明的静电极化装置除了用于电子繁流暗放电静电极化以外，还可以用作电晕极化。
图I.静电极化器电极系统立体示意 图2.静电极化器电极系统主视示意 图3. A-A首I]视不意 图中标号
1一金属管；
2一针状电极阵列；
3一金属罩；
4一电导体罩与电导体棒或电导体管之间的绝缘体；
4’ 一防放电高电压绝缘体；
5一金属栅网；
6——气孑し；
7ー从惰性气体开ロ逸出的恒温控制洁净干燥惰性气体。
具体实施例方式參照附图更为详细地描述本发明的实施方式。本发明并不限定在所述的具体实施方式
，符合本发明精神的各种改变、添加和替代都包括在本发明的范围之内。实施例I
本发明的静电极化器的电极系统结构如下所述在适当长度的电导体棒或电导体管，本实施例为金属管I上的适当圆周角范围排布针状电极阵列2，在金属管I的外围同轴安装牢固的电导体罩，本实施例电导体罩为金属罩3，金属罩3与金属管I都固定在防放电高电压绝缘体4上，金属罩3在面对针状电极阵列2的一方开ロ并设置电导体栅网，本实施例电导体栅网为金属栅网5,金属栅网5亦固定在金属罩3与金属栅网5之间的防放电高电压绝缘体4’上，并与 金属罩3和金属管I以及针状电极阵列2防放电高电压绝缘。即所述的金属罩3在面对针状电极阵列2的一面开ロ并设置金属栅网5,金属栅网5与金属罩3之间设防放电高电压绝缘体4’，由此形成栅压式静电极化器。通过金属管I上的气孔6逸出恒温控制的洁净干燥惰性气体，使得本发明的极化装置不受环境气氛、温度、湿度等因素的影响，可以在高湿、易燃易爆的环境使用。被极化的薄膜或其它物品在正对静电极化器开ロ的下方的导电传动带或导电传动辊(本实施例为金属传动辊)上通过，经由金属传动辊加之气孔6逸出的恒温控制气体实现(T200°C恒温控制，增强静电极化的效果。金属传动辊良好接地。以4 60KV范围内低于辉光放电电压的不太高的激发电压使针状电极阵列2暗放电，其下方的薄膜等被极化。金属罩3接与金属管I的激发电压同极性、数值大O 5KV的排斥电压，金属栅网5接与金属管I的激发电压同极性O IOKV的栅压，他们的共同作用增强了静电极化器的功效。用本发明的极化装置，在130°C金属传动辊背电极上面及130°C恒温控制的洁净干燥惰性气体下，激发电压-8KV，排斥电压-9KV，栅极电压-5KV，20 μ m厚的PTFE无孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/20 μ m厚的PTFE无孔膜的三层复合膜置于针状电极阵列2末端以下85mm，连续极化45S。然后，在25°C背电极上面及25°C洁净干燥惰性气体下，以与上述相同的极化条件，冷却至40°C以下。极化过程平稳，安静无声、不发光、更无火花。极化以后再双面真空蒸发淀积IOOnm厚的铝电扱。由此制得的空间电荷型多孔压电膜准静态压电常数 d331350pC/N。实施例2
在实施例I极化装置基础上，12 μ m厚的PFA无孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/12 μ m厚的PFA无孔膜的三层复合膜，与实施例I相同的条件极化和淀积铝电扱，极化过程平稳，安静无声、不发光、更无火花。由此制得的空间电荷型多孔压电膜准静态压电常数d331240pC/N。实施例3
在实施例I极化装置基础上，15 μ m厚的FEP无孔膜/220 μ m厚的ePTFE多孔膜/15 μ m厚的FEP无孔膜的三层复合膜，与实施例I相同的条件极化和淀积铝电扱，极化过程平稳，安静无声、不发光、更无火花。由此制得的空间电荷型多孔压电膜准静态压电常数d331280pC/N。实施例4
在实施例I极化装置基础上，用本发明的极化装置，在25°C的环境中，以25°C的洁净干燥压缩空气作为保护气氛，激发电压-IOkV,排斥电压-llkV，栅压-1.5KV，25 μ m厚的无孔PTFE膜置于针状电极阵列末端以下80mm，连续极化5S。然后双面真空蒸发淀积IOOnm厚的铝电极，测量得到PTFE的表面电位是-1200V。比较例
实施例I的PTFE无孔膜/ ePTFE多孔膜/ PTFE无孔膜三层复合膜，用本发明的极化装置，在室温25°C下电晕极化，电压-30KV，针状电极与背电极间距离70mm，极化时间60S。然后双面真空蒸发淀积IOOnm厚的铝电扱。由此制得的空间电荷型多孔压电膜准静态压电常数 d331200pC/N。通过实施例I 3和比较例的结果表明，使用本发明的电子繁流暗放电静电极化装置及其静电极化方法极化过程平稳，安静无声、不发光、更无火花。用本发明的装置和方法极化的空间电荷型多孔压电材料的准静态压电常数较高于电晕极化后的压电材料。实施例4表明，本发明的电子繁流暗放电静电极化装置及 其静电极化方法亦适用于致密型聚合物电介质驻极体的极化。而比较例的结果表明，本发明的静电极化装置除了用于电子繁流暗放电静电极化以外，还可以用作电晕极化。
权利要求
1.一种聚合物电介质静电极化装置，其特征在于在电导体棒或电导体管上排布针状电极阵列，并在电导体棒或电导体管的外围同轴安装电导体罩，所述的电导体罩与电导体棒或电导体管之间防放电高电压绝缘，电导体罩在面对针状电极阵列的一面开ロ并设置电导体栅网，电导体栅网与电导体罩之间防放电高电压绝缘，由此形成栅压式静电极化器的电极系统基础。
2.根据权利要求I所述的聚合物电介质静电极化装置，其特征在于所述的针状电极阵列的宽度不大于电导体棒或电导体管的半圆柱面。
3.根据权利要求I所述的聚合物电介质静电极化装置，其特征在于在所述的电导体罩轴向端部，在电导体罩与电导体棒或电导体管之间设防放电高电压绝缘体，在电导体罩的开ロ边缘处设电导体罩与电导体栅网之间的防放电高电压绝缘体。
4.利用权利要求I至3所述的聚合物电介质静电极化装置的静电极化方法，其特征在于电导体棒或电导体管接4 60KV范围内低于辉光放电电压的激发电压，电导体罩作为排斥电极接与激发电压同极性、数值大O 5KV的排斥电压，电导体栅网作为栅极接与激发 电压同极性O IOKV的栅压，在电导体管内通入或不通入恒温控制的洁净干燥惰性气体，惰性气体从电导体管上的气孔排出，经由电导体栅网从静电极化器溢出，在电导体栅网的下方设置承接被极化的聚合物电介质的支承收放部件，该部件包括导电传动带或导电传动辊，所述的导电传动带或导电传动辊作为接地背电极，良好接地。
5.根据权利要求4所述静电极化方法,其特征在于4 60KV范围内低于辉光放电电压的负极性激发电压产生电子繁流暗放电，以与激发电压同极性、数值大O 5KV的排斥电压和与激发电压同极性O IOKV的栅压把针状电极阵列外围的电子和负离子导出到静电极化器的外围，电子和负离子由于极性相同相互排斥，致使静电极化器下方形成负电荷壳层，壳层的厚度与激发电压、排斥电压和栅压相关；正极性激发电压时可以用类似的方法描述。
6.根据权利要求I至3所述的聚合物电介质静电极化装置的卷绕式连续静电极化系统，其特征在干所述的静电极化器以低于辉光放电电压的暗放电方式进行聚合物电介质非接触极化，聚合物电介质被连续放卷和收卷机构牵引通过充电区域，所述的充电区域维持在均匀电场和均匀电荷壳层之中，聚合物电介质与沉积在聚合物电介质表面的离子进行电荷交换而极化，被极化的聚合物电介质被支承收放部件支承和收卷，所述充电处理的空间恒温在O 200°C。
7.权利要求I至3所述的聚合物电介质静电极化装置的卷绕式连续静电极化系统，采用高压电源及其保护电路；具有多种安全保护设施；其特征在于静电极化器设有绝缘的屏蔽外壳，所述的静电极化系统设置电磁辐射防护和有害气体处理排除部件，过电流保护、短路保护电路，对地放电“不打火”控制电路，直接碰地或エ件距离过近，人员不慎碰触自动关闭电路和残留闻压自动泄放电路。
全文摘要
本发明涉及一种聚合物电介质静电极化装置及其静电极化方法，属于极化技术领域，尤其涉及孔洞驻极体的极化方法及极化装置。聚合物电介质静电极化装置，是在电导体棒或电导体管上排布针状电极阵列，并在电导体棒或电导体管的外围同轴安装电导体罩，所述的电导体罩与电导体棒或电导体管之间防放电高电压绝缘，电导体罩在面对针状电极阵列的一面开口并设置电导体栅网，电导体栅网与电导体罩之间防放电高电压绝缘体，由此形成栅压式静电极化器的电极系统基础。本发明还提出利用所述的聚合物电介质静电极化装置的静电极化方法。
文档编号H01L41/22GK102738384SQ20121020700
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者宫继业, 宫香山, 张晓青 申请人:上海大宫新材料有限公司