一种静电吸附面板的制作方法

本实用新型属于吸附面板技术领域，尤其涉及一种静电吸附面板。

背景技术：

静电吸附的原理主要是在导电电极施加高压电(电场通常在1kV/mm左右的范围)后电极上生产出大量自由电荷，自由电荷激发产生的电场使壁面极化而产生极化电荷，利用电极和壁面上极性相反电荷间的电场力作用实现吸附。它已经广泛使用于夹具夹持工件、航天任务粘接、半导体行业中物料输送和抓取、夹持先进的复合材料和纤维材料(如布和碳纤维)的末端效应器、制造自动化和仓库自动化的攀登机器人和材料处理单元的粘合机构。

静电吸附是一个复杂和动态的静电吸引现象，电介质材料的电阻率、厚度、介电常数、电介质强度、表面纹路、分子结构、分子质量、分子极性、结晶度及其电负性，电极的图形、间距、宽度、厚度、长度、导电率以及供电电压大小、电压极性和输出电流，基板材料的厚度、表面结构、介电常数、电负性、电阻率、结晶度、分子结构、分子量和分子极化率，以及使用环境的温度、湿度、压力、静电吸附垫和基板间的空气间隙和污染物等近30多个因素都对静电吸附面板表面的静电吸附力大小有影响。根据现有理论研究表明，单个平行板电容间电场静电力大小为：

其中C为电极间电容，V为电极电压，d为电极间距。电极间存在击穿电压，不可能通过无限增加电压的方式的来提高静电力，因此可以采用若干(N个)共面并联电极型式来增加电容，从而增大静电力。根据相关理论研究和经验公式，可得N个共面并联电极激发高压电场使壁面极化产生的静电力大小为：

其中ε0为空气间隙的介电常数，εr为绝缘层材料的相对介电常数，d为电极间距、电极与壁面间的间距(理论简化)，w为单个并联电极的宽度，l为单个并联电极的长度，V为电极电压。综上所述，影响并联电极吸附面板的主要因素有电极几何结构(如长度、宽度、间距)、绝缘层材料的相对介电常数、电极两端供应电压值。

目前，用于静电吸附板的电极结构有单极型和双极型两种。双极型电极的吸附力与电极的几何尺寸和排布的拓扑结构有关，在电压相同的情况下，双极型比单极型的吸附力小。但是双极型的吸附可控，响应速度快，不需要辅助电极，设备更轻便。目前，双极型静电吸附板的报道有方形(专利号CN 2777687Y)，而梳状交叉电极多停留在理论研究阶段。

当前，市面上静电吸附产品不少，但通常存在以下缺点：①电压较高，大多数供电电压高于4kV到10kV以上，作为民用，特别是儿童或生活用品，存在触电的危险；②直流高压供电产生静电，在绝缘层表面形成持续静电电荷累积，容易在局部形成高压放电，既不安全，也容易产生臭氧，形成环境污染；③有使用条件苛刻，特别是环境湿度对静电强度影响较大，在湿度大于70％条件下，静电吸附力有较大衰减；④体积大、能耗较高，不利于外出携带。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种静电吸附面板，吸力强、耗能低、使用范围多、寿命长等，具有安全、高效、强力的特点。

解决以上技术问题的本实用新型中的一种静电吸附面板，包括由上到下依次设置的功能介质层、绝缘层、阻隔层、电极层和绝缘基板层，其特征在于所述功能介质层、绝缘层和隔离层采取精密控制厚度的多层复合结构；所述阻隔层完整地无缝隙地覆盖在电极层表面，且与绝缘层无缝衔接；所述绝缘层和电极层在水平方向采取平行交叉互补设置结构。

所述功能介质层由1-2层功能性绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.001～0.025mm；所述绝缘层由2～9层绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.005～1.0mm；所述阻隔层厚度为0.001～0.01mm。所述功能介电层表面硬度可为2～5H。

最外层功能介质层，不仅负责电荷的产生，也是防潮的重要部分，这部分材料必须具有优异的憎水特性，可采取低表面能材料或高交联密度材料，阻止水雾在表面铺展开，较少在潮湿环境下的电荷衰减，从而达到防潮的功能。

所述电极层的电极结构由一套或多套平行交叉的电极对组构成；所述单对电极宽度为15～50mm，单对电极间的绝缘间距为0.5～8.0mm，电极层厚度为0.001～0.1mm。

所述电极层的平行交叉电极形状为平行直线、平行半圆波浪、正弦波和方波形式中的一种。采取交叉式电极，至少两组导电电极，可以通过不同曲线形式，增加电容面积。同时，应尽量避免尖锐结构，防止局部电场畸变。提高极板电容量，增大静电吸附力。

所述静电电源通过导电杆与静电吸附面板电极层相连；所述静电电源采用低电流高压脉冲方式供电，放电频率需要与功能介质层结构相适应，根据功能介质层极性、放电特性、交联密度，选择脉冲频率为2～30Hz，电压为300～3000V。采用脉冲方式供电、产生静电吸附力。

本实用新型中功能介电层机构主要指材料本身分子链的长短及支链结构。

所述导电杆形状似于铆钉，由空心圆柱杆和上端一个环形金属薄片组成的一体结构；环形金属薄片掩埋于静电吸附面板电极层的两个电极中；电源电线接于圆柱杆内侧中上端；圆柱上端为导电膏与电极层融为一体，下段为环氧树脂。

所述基板厚度大于1mm。

所述强力静电吸附面板的整体厚度小于5.0mm，面积为0.0001～100m²。

所述绝缘介电材料主要用于填充所述电极层的两电极间空隙，同时所述绝缘层的厚度等于或略大于所述电极层的厚度。

本实用新型采取一种与基板及导电层相容性极好的阻隔层，通过液相涂敷的方式在导电层、基板间隙之间形成精密附着的连续层，从而实现阻隔防潮的作用；采用最少2种材料，分层交替涂敷，最少2层，最多9层，使得在满足绝缘的同时，满足阻隔防潮的要求，提高绝缘效率和阻隔防水效率。

本实用新型的强力静电吸附面板：

(1)强静电吸附力：①本实用新型在理论上综合考虑了电极层的化学成分、电极形状、电极几何结构，同时根据系统重复实验结果确定相关参数，确保了静电吸附面板的强静电吸附力；②合理选择功能介电层材料，介电功能层材料在弱电场中的响应时间和供电电源频率相匹配，使得静电吸附面板表面的极化电荷在低供电电压情况下达到最大，从而实现强静电吸附力；

(2)安全可靠，能满足与人体直接接触的安全要求，可用于民用产品：本实用新型的静电吸附面板除了选用介电常数匹配的绝缘材料能防止击穿漏电外，还创新性地采用了脉冲放电模式供电，在每次充电之间间隔一段时间，表面累积电荷量在这段时间内会发生一定衰减，这使得在静电吸附面板最表层不会蓄积大量极化电荷，从而杜绝了高电压空气击穿放电情况的发生；

(3)耐潮湿，使用条件温和：本实用新型引入的功能介电层用材具有超疏水性，不会因为静电吸附面板表面的水雾而使极化电荷消失，因而本实用新型产品可在潮湿环境中使用；

(4)使用寿命长：①本实用新型引入的阻隔层能完整无缝地将电极层和绝缘层复合成一体，能防止空气中的水分渗入到电极层从而影响极性电荷的产生，因此本实用新型能在潮湿环境中长期使用；②本实用新型最表面的功能介电层表面硬度达到2～5H，耐摩擦性能良好，使表面不易划伤。

本实用新型吸附面板在供应电压和绝缘材料一定的条件下，具有利于提高静电吸附力的电极形状和几何结构，并创新性提出波浪状电极，在并联电极个数相同的情况，单个波浪状电极的总长度要长于梳状电极，从而实现在相同接触面积时，静电吸附力更大。通过本实用新型中吸附面板的实施，实现了当电极间脉冲电压为520V时，产生约0.2N/cm2静摩擦力(面板直立)的效果。能够在较低的供电条件下，产生较强的静电吸附力，具有高效、节能、耐潮湿等优点，且能满足与人体直接接触的安全要求。

本实用新型不仅能应用于机械手执行机构类工业产品，还能应用于民用产品，如画板、展板等，替代传统的需要通过夹子、图钉、胶水、胶带、磁铁等方式进行固定的展板、画板、展板、粘贴板等。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1为本实用新型中静电吸附面板剖视图；

图2为本实用新型中静电吸附面板平行交叉半圆波浪状电极俯视图；

图3为本实用新型中静电吸附面板平行交叉方波状电极俯视图；

图4为本实用新型中静电吸附面板平行交叉直线状电极俯视图；

图5为本实用新型中静电吸附面板两组平行交叉波浪状电极俯视图；

图6为本实用新型中静电吸附面板静电电源的脉冲波形图。

图中：

1.功能介质层，2.绝缘层，3.阻隔层，4.电极层(4-1电极层的电极1,4-2电极层的电极2)，5.绝缘基板层，6.供电杆，7.静电电源,l.电极长度，2w+d.单对电极宽度，d.绝缘间距，w.单个电极宽度

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步说明：

实施例1

静电吸附面板包括由上到下依次设置的功能介质层、绝缘层、阻隔层、电极层和绝缘基板层，所述功能介质层、绝缘层和隔离层采取精密控制厚度的多层复合结构；所述阻隔层完整地无缝隙地覆盖在电极层表面，且与绝缘层无缝衔接；所述绝缘层和电极层在水平方向采取平行交叉互补设置结构。

其中功能介质层由1或2层功能性绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.001mm；绝缘层由2～9层绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.005mm；阻隔层厚度为0.001mm。功能介电层表面硬度可为2～5H。

静电电源通过导电杆与静电吸附面板电极层相连；静电电源采用低电流高压脉冲方式供电，放电频率需要与功能介质层结构相适应，根据功能介质层极性、放电特性、交联密度，选择脉冲频率为2Hz，电压为300V。采用脉冲方式供电、产生静电吸附力。

导电杆为铜、银导电金属材质；其形状似于铆钉，由空心圆柱杆和上端一个环形金属薄片组成的一体结构；环形金属薄片掩埋于静电吸附面板电极层的两个电极中；电源电线接于圆柱杆内侧中上端；圆柱上端为导电膏与电极层融为一体，下段为环氧树脂。

电极层的电极结构由一套或多套平行交叉的电极对组构成；单对电极宽度为15mm，单对电极间的绝缘间距为0.5mm，电极层厚度为0.001mm。电极层的平行交叉电极形状为正弦波。

实施例2

其它内容如实施例1中内容，其中功能介质层由1或2层功能性绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.025mm；绝缘层由2～9层绝缘材料复合组成，其整体厚度为1.0mm；阻隔层厚度为0.01mm。功能介电层表面硬度可为2～5H。

静电电源选择脉冲频率为30Hz，电压为3000V。

电极层的电极结构由一套或多套平行交叉的电极对组构成；所述单对电极宽度为50mm，单对电极间的绝缘间距为8.0mm，电极层厚度为0.1mm。电极层的平行交叉电极形状为方波。

功能介质层、绝缘层和所述阻隔层所用材料相同，且为多官能度丙烯酸酯和有机硅等相关树脂为主体的涂料或薄膜。

实施例3

其它内容如实施例1中内容，其中功能介质层由1或2层功能性绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.015mm；绝缘层由2～9层绝缘材料复合组成，其整体厚度为0.05mm；所述阻隔层厚度为0.005mm。功能介电层表面硬度可为2～5H。

静电电源选择脉冲频率为15Hz，电压为1500V。

电极层的电极结构由一套或多套平行交叉的电极对组构成；所述单对电极宽度为15～50mm，单对电极间的绝缘间距为0.5～8.0mm，电极层厚度为0.001～0.1mm。电极层的平行交叉电极形状为平行直线。

功能介质层、绝缘层和所述阻隔层所用材料可以相同，且为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺(PI)、改性丙烯酸酯等相关树脂为主体的涂料或薄膜。

实施例4

绝缘基板采用市售5层板，厚度3mm，方案1层板不处理，方案2木板浸环氧树脂，固化烘干后待用。

电极层采用如图4的平行交叉直线状电极结构，单对电极间的绝缘间距4mm，市售55％浓度导电银浆模框法，涂涮导电浆料，110℃、30分钟烘干，电极层厚度0.05mm。

电极层表面喷涂水性PVDF涂料，105℃烘干，喷涂3遍，分别从下向上依次形成阻隔层、绝缘层和功能介电层，三个涂层总厚度为0.1mm。

静电电源：采用低电流高压脉冲方式供电，脉冲频率5Hz，电压1100V。

测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力：

吸附剪切力测量：将测试板垂直地面，悬挂在测试架上。deli纯木浆复印纸，A4，平铺在划定20x20cm框内，下部通过夹板悬挂砝码，逐步增加砝码量，待测量A4纸面发生移动时，所加砝码重量即为该吸附板吸附剪切力。重复9遍，记录算数平均值。测量时，接通电源1分钟后，粘贴测量纸，等待1分钟后再逐渐增加砝码量。

潮湿条件老化：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

实施例5

绝缘基板采用环氧覆铜板(方案3)及酚醛覆铜板(方案4、5)，板厚3mm、覆铜厚度0.1mm。采用刻蚀法，按如图4结构制备电极。

电极层表面涂环氧树脂，23℃、24小时固化后形成阻隔层，阻隔层上再涂环氧树脂，形成绝缘层，绝缘层厚度，方案3、4：0.1mm，方案5：0.15mm；再在表面喷涂聚氨酯保形漆形成功能介电层，阴干后100℃烘4小时，冷却待用。

静电电源：脉冲频率5.5Hz，电压1100V。测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力(同实施例1)。

潮湿老化条件：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

实施例6

绝缘基板采用ABS板，板厚2mm。采用如图2中平行交叉半圆波浪状结构，单对电极间的绝缘间距4mm(方案6)。

电极层采用市售65％浓度导电铜浆，利用模框法，涂涮导电浆料，85℃、90分钟烘干，电极层厚度0.05mm。

电极层表面喷涂PVDF底涂涂料，85℃烘干2小时，形成阻隔层；再喷涂PVDF面漆，喷涂2遍，依次形成绝缘层和功能介质层，85℃烘干4小时，最后三层涂层总厚度0.1mm。

静电电源：脉冲频率6.6Hz，电压900V。测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力(同实施例1)。

潮湿老化条件：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

实施例7

绝缘基板采用ABS板，板厚2mm。采用如图3中平行交叉方波状结构，单对电极间的绝缘间距3mm(方案7)，单对电极间的绝缘间距4mm(方案8)。

电极层采用市售65％浓度导电镍浆，利用丝印法，印刷导电电路，85℃、90分钟烘干，电极层厚度0.03mm。

电极层表面滚涂丙烯酸酯底涂、UV固化，厚度20g/m²；滚涂丙烯酸酯+钛白粉、UV固化，厚度8g/m²，2遍；滚涂环氧改性丙烯酸酯涂料、UV固化，厚度22g/m²；喷涂PU保形漆+含氟丙烯酸酯，85℃烘干2小时，形成绝缘层、阻隔层和功能介质层，总厚度0.12mm左右。

电源：脉冲频率15Hz，电压1300V。测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力(同实施例1)。

潮湿老化条件：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

实施例8

绝缘基板采用ABS板，板厚2mm。采用如图2中平行交叉半圆波浪状结构，单对电极间的绝缘间距4mm。

电极层采用市售65％浓度导电镍浆，利用丝印法，印刷导电电路，85℃、90分钟烘干，电极层厚度0.03mm。

电极层表面滚涂丙烯酸酯底涂、UV固化，厚度20g/m²；滚涂丙烯酸酯+碳酸钙、UV固化，厚度8g/m²滚涂丙烯酸酯+钛白粉、UV固化，厚度6g/m²，2遍；滚涂环氧改性丙烯酸酯涂料、UV固化，厚度20g/m²；滚涂聚氨酯改性丙烯酸酯树脂、UV固化，依次形成绝缘层、阻隔层和功能介质层，总层厚度0.13mm左右。

电源：脉冲频率3.5Hz，电压900V(方案9)、电压1450V(方案10)。测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力(同实施例1)。

潮湿老化条件：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

实施例9

绝缘基板采用ABS板，板厚2mm。采用如图5中平行交叉波浪状结构，单对电极间的绝缘间距4mm。

电极层采用市售65％浓度导电镍浆，利用丝印法，印刷导电电路，85℃、90分钟烘干，电极层厚度0.03mm。

电极层上涂PVDF膜、再涂丙烯酸酯胶形成绝缘层、阻隔层和功能介质层，总层厚0.175mm，通过热压辊与绝缘基板复合，辊温170℃。

静电电源：脉冲频率4.5Hz，电压1250V(方案11)。测试电极间绝缘电阻及吸附剪切力(同实施例1)。

潮湿老化条件：23℃，湿度：饱和。

测试结果：

本实用新型中以静电电源供电形式：①通过加限流电阻的方式供电：限流电阻的加入，使得电路最大供电电流小于100μA；②采取脉冲放电形式供电：在两个供电脉冲之间存在一个间隔时间，使得电极板表面电荷有一个较小幅度的衰减，防止了过量电荷累积，避免了过高静电电压的产生、和空气击穿及臭氧的生成；脉冲频率由电极板表面功能介质层分子结构相应；③为安全起见，采用较低供电电压，控制在300-3000V之间，通过表面功能介质层偶极子取向，实现较低电压产生较高静电电场及高吸附力的目的。功能介质层还必须具有在电场中容易吸附电子产生负电荷，或者容易被夺电子，产生正电荷。

本实用新型的静电吸附面板能够在较低的供电条件下(采用四节5号或7号电池供电，低电流脉冲放电模式)，产生较强的静电吸附力，具有高效、节能、耐潮湿等优点，且能满足与人体直接接触的安全要求。本实用新型的静电吸附面板适用于民用白板、画板、展板、告示板、爬墙机器人玩具、工业机器人执行机构等。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。