RU2755643C1 - Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation - Google Patents
Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755643C1 RU2755643C1 RU2021103317A RU2021103317A RU2755643C1 RU 2755643 C1 RU2755643 C1 RU 2755643C1 RU 2021103317 A RU2021103317 A RU 2021103317A RU 2021103317 A RU2021103317 A RU 2021103317A RU 2755643 C1 RU2755643 C1 RU 2755643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- corona
- electrode
- corona discharge
- source
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 19
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 238000010525 oxidative degradation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 24
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- WFLOTYSKFUPZQB-UHFFFAOYSA-N 1,2-difluoroethene Chemical group FC=CF WFLOTYSKFUPZQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005796 dehydrofluorination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 125000002573 ethenylidene group Chemical group [*]=C=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 229910000040 hydrogen fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
- H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к области изготовления пленочных диэлектриков, в которых индуцированная внешним электрическим полем поляризация молекулярной структуры остается стабильной в течение длительного промежутка времени. Конкретно настоящее изобретение относится к способу поляризации пленок из полимерного материала и к устройству для осуществления этого способа.The present invention relates to the field of producing film dielectrics in which the polarization of the molecular structure induced by an external electric field remains stable for a long period of time. Specifically, the present invention relates to a method for polarizing films of a polymer material and to an apparatus for carrying out this method.
Уровень техникиState of the art
Известен способ поляризации диэлектрических пленок, которые помещают в постоянное электрическое поле, нагревают до определенной температуры, а затем охлаждают в электрическом поле до комнатной температуры (патент США №4512941, опубл. 23.04.1985). Время поляризации данным способом, например, фторполимера составляет примерно 1 час в изотермических условиях в электростатическом поле конденсатора при температуре (90-110)°C. Недостатком данного способа является низкая производительность, разброс плотности зарядов в полимерной пленке из-за краевой неоднородности поля.A known method of polarizing dielectric films, which are placed in a constant electric field, heated to a certain temperature, and then cooled in an electric field to room temperature (US patent No. 4512941, publ. 04/23/1985). The polarization time by this method, for example, of a fluoropolymer is about 1 hour under isothermal conditions in the electrostatic field of a capacitor at a temperature of (90-110) ° C. The disadvantage of this method is the low productivity, the spread of the charge density in the polymer film due to the edge field inhomogeneity.
Известен способ, включающий поляризацию диэлектрических пленок в поле газового разряда (авторское свидетельство СССР №1102395, опубл. 23.03.1987; заявка РФ №94038630, опубл. 10.08.1996), в котором полимерный пленочный материал подвергают термообработке при 90-120°C в течение 40-120 мин, а затем воздействуют полем коронного разряда при напряжении 25-45 кВ в процессе его охлаждения. При этом остаются те же недостатки: низкая производительность, неоднородность распределения плотности зарядов, ограниченность размеров обрабатываемых поверхностей.The known method, including the polarization of dielectric films in the field of a gas discharge (USSR author's certificate No. 1102395, publ. 03/23/1987; RF application No. 94038630, publ. 08/10/1996), in which the polymer film material is subjected to heat treatment at 90-120 ° C in for 40-120 minutes, and then exposed to a corona discharge field at a voltage of 25-45 kV during its cooling. At the same time, the same disadvantages remain: low productivity, non-uniform distribution of charge density, limited size of the treated surfaces.
В некоторых случаях нагревание пленок при их поляризации совмещают с механическим растяжением (например, патент США №5254296, опубл. 19.10.1993), либо совмещают процесс экструзии размягченного или расплавленного полимера и устройство для его поляризации конденсаторного типа (заявка США №2016/0016369, опубл. 21.01.2016).In some cases, heating the films during their polarization is combined with mechanical stretching (for example, US patent No. 5254296, publ. publ. 01.21.2016).
Известен способ изготовления пленочных электретов (авторское свидетельство СССР №497887, опубл. 28.02.1982), где поляризация производится на воздухе при комнатных условиях с помощью движущегося коронирующего электрода (коротрона), изготовленного из тонких вольфрамовых проволок. При движении коротрона над пленкой происходит ее поляризация в поле коронного разряда, что позволяет получить однородную плотность заряда по всей поверхности пленки. После поляризации пленка подвергается термостабилизации. Недостатком данного способа является наличие стадии термостабилизации и возможная необходимость повторного процесса поляризации, что снижает производительность процесса. Перемещение же электрода, находящегося под высоким напряжением (коротрона), относительно пленки снижает технологичность процесса. Кроме того, не все типы полимеров могут быть эффективно поляризованы при обычных условиях (т.е. при комнатной температуре).A known method of manufacturing film electrets (USSR author's certificate No. 497887, publ. 02/28/1982), where polarization is carried out in air at room conditions using a moving corona electrode (corotron) made of thin tungsten wires. When the corotron moves over the film, it is polarized in the corona discharge field, which makes it possible to obtain a uniform charge density over the entire film surface. After polarization, the film is thermally stabilized. The disadvantage of this method is the presence of a thermal stabilization stage and the possible need for a repeated polarization process, which reduces the productivity of the process. Moving the electrode, which is under high voltage (corotron), relative to the film, reduces the manufacturability of the process. In addition, not all types of polymers can be effectively polarized under normal conditions (i.e., room temperature).
Так, например, наиболее перспективным материалом для получения полимерных пленок с пьезоэлектрическими свойствами является поливи-нилиденфторид (ПВДФ). Этот фторполимер [-CH2-CF2]n существует в четырех возможных кристаллических фазах, которые получили названия α-, β-, γ-, δ-фазы и каждой из которых соответствует своя конформация молекул. Связи C-F являются полярными, и максимальный дипольный момент достигается в том случае, если все диполи полимерной молекулы направлены параллельно друг другу вдоль оси цепи. Такая структура соответствует β-фазе ГТВДФ. Поэтому данный вид пленок поляризуют, как правило, с предварительным нагреванием до определенной температуры с последующим охлаждением в зоне приложенного электрического поля.For example, polyvinylidene fluoride (PVDF) is the most promising material for the production of polymer films with piezoelectric properties. This fluoropolymer [-CH 2 -CF 2 ] n exists in four possible crystalline phases, which are called α-, β-, γ-, δ-phases and each of which corresponds to its own conformation of molecules. CF bonds are polar, and the maximum dipole moment is achieved if all the dipoles of the polymer molecule are directed parallel to each other along the chain axis. This structure corresponds to the β-phase of HTVDF. Therefore, this type of films is polarized, as a rule, with preliminary heating to a certain temperature, followed by cooling in the zone of the applied electric field.
Однако при термообработке водородфторсодержащих полимеров на воздухе в них протекает ряд деструктивных процессов. Одновременно могут наблюдаться процессы дегидрофторирования, деполимеризации и окислительной деструкции. Последний вид деструкции, протекающий преимущественно по цепному механизму, преобладает в ПВДФ и его сополимерах. Основным продуктом их разложения является фтористый водород, выделение которого сопровождается образованием двойных связей, обусловливающих сшивание макроцепей и карбонизацию полимера. Как, следствие, эффективность поляризации пленки из полимера ПВДФ существенно снижается.However, during heat treatment of hydrogen fluorine-containing polymers in air, a number of destructive processes occur in them. At the same time, the processes of dehydrofluorination, depolymerization and oxidative destruction can be observed. The latter type of destruction, which proceeds mainly by a chain mechanism, predominates in PVDF and its copolymers. The main product of their decomposition is hydrogen fluoride, the release of which is accompanied by the formation of double bonds, which cause crosslinking of macrochains and carbonization of the polymer. As a consequence, the efficiency of polarization of the PVDF polymer film is significantly reduced.
Ближайший аналог настоящего изобретения описан в заявке США №2018/0198055 (опубл. 12.07.2018). В предложенных в этой заявке схемах используется коронный разряд барьерного типа, где полимерная пленка выступает в роли диэлектрического барьера на пути движения заряженных частиц, осаждая их на своей поверхности, обращенной к потенциальному электроду. Другая сторона пленки прилегает к поверхности заземленного электрода. В схемах предусмотрено перемещение пленки относительно источников коронного разряда (посредством вращения диска), а также имеется вариант с диффузным нагревом пленки при помощи катков в случае прямолинейного перемещения. Недостатком предложенного способа является использование набора острийных или нитевидных электродов для организации коронного разряда (т.е. в качестве коротронов) над поверхностью обрабатываемой пленки. Это усложняет конструкцию и вносит неоднородность в распределение исходного электрического поля. Кроме того, при значительных размерах обрабатываемой площади, осажденные заряды центральной области будут экранировать потенциал коротронов, блокируя развитие коронных разрядов. Для устранения данных проблем применяется добавочный электрод в виде сетки, что дополнительно усложняет конструкцию. Как следствие, величина межэлектродного зазора существенно выше, и для сохранения необходимой напряженности поля потребуется более высокие значения потенциала коротрона. Другим недостатком является использование диффузионного способа нагрева полимерной пленки. Этот процесс является инерционным и не обеспечивает тонкую регулировку, а нагреву подвергается значительная площадь пленки. В то же время для получения β-фазы в полимере ПВДФ важное значение имеет скорость охлаждения (концентрация β-фазы тем выше, чем выше скорость охлаждения).The closest analogue of the present invention is described in US application No. 2018/0198055 (publ. 12.07.2018). In the schemes proposed in this application, a corona discharge of a barrier type is used, where the polymer film acts as a dielectric barrier in the path of movement of charged particles, depositing them on its surface facing the potential electrode. The other side of the film rests on the surface of the grounded electrode. The schemes provide for the movement of the film relative to the sources of corona discharge (by rotating the disk), and there is also an option with diffuse heating of the film using rollers in the case of rectilinear movement. The disadvantage of the proposed method is the use of a set of pointed or filamentary electrodes for organizing a corona discharge (i.e., as corotrons) over the surface of the processed film. This complicates the design and introduces inhomogeneity in the distribution of the initial electric field. In addition, with a significant size of the treated area, the deposited charges of the central area will screen the corotron potential, blocking the development of corona discharges. To eliminate these problems, an additional electrode in the form of a grid is used, which further complicates the design. As a result, the interelectrode gap is much higher, and to maintain the required field strength, higher values of the corotron potential are required. Another disadvantage is the use of a diffusion method for heating a polymer film. This process is inertial and does not provide fine adjustment, and a significant area of the film is exposed to heating. At the same time, to obtain the β-phase in the PVDF polymer, the cooling rate is of great importance (the concentration of the β-phase is the higher, the higher the cooling rate).
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Таким образом, существует потребность в таком способе поляризации, который, сохраняя однородную плотность заряда по всей поверхности пленки, обеспечивал бы повышение эффективности процесса и его высокую технологичность для широкого спектра полимерных материалов, а также снижал вероятность термоокислительной деструкции полимеров.Thus, there is a need for such a method of polarization, which, while maintaining a uniform charge density over the entire surface of the film, would provide an increase in the efficiency of the process and its high manufacturability for a wide range of polymeric materials, as well as reduce the likelihood of thermal oxidative degradation of polymers.
Для решения данной задачи с достижением указанного технического результата в первом объекте по настоящему изобретению предложен способ поляризации пленки из полимерного материала, заключающийся в том, что: перемещают пленку, контактирующую с поверхностью заземленного электрода, с заданной скоростью относительно источника коронного разряда, размещенного на заданном расстоянии по меньшей мере над всей поверхностью по ширине перемещаемой пленки; подвергают воздействию лазерного излучения зону пленки в процессе ее перемещения непосредственно перед источником коронного разряда для кратковременного повышения подвижности молекулярных групп в макроцепочках полимерного материала.To solve this problem with the achievement of the specified technical result in the first object according to the present invention, a method of polarizing a film made of a polymer material is proposed, which consists in the fact that: move the film in contact with the surface of the grounded electrode at a predetermined speed relative to the corona discharge source located at a predetermined distance at least over the entire surface across the width of the transported film; the zone of the film is exposed to laser radiation during its movement directly in front of the corona discharge source for a short-term increase in the mobility of molecular groups in the macrochains of the polymer material.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что могут выбирать параметры лазерного излучения так, чтобы при его поглощении пленкой температура ее облучаемой зоны повышалась до заданной величины с последующим охлаждением во время перемещения пленки в электростатическом поле, создаваемом ионами, возникающими в коронном разряде.A feature of the method according to the first object of the present invention is that the parameters of laser radiation can be selected so that when it is absorbed by the film, the temperature of its irradiated zone rises to a predetermined value, followed by cooling during the movement of the film in an electrostatic field created by ions arising in a corona discharge ...
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что могут выбирать параметры лазерного излучения так, чтобы при его поглощении пленкой происходила активация собственных колебательно-вращательных частот валентных связей молекулярных групп в макроцепочках полимерного материала с последующей релаксацией активированных связей во время перемещения пленки в электростатическом поле, создаваемом ионами, возникающими в коронном разряде.Another feature of the method according to the first object of the present invention is that the parameters of laser radiation can be selected so that when it is absorbed by the film, the natural vibrational-rotational frequencies of the valence bonds of molecular groups in the macrochains of the polymer material are activated, followed by relaxation of the activated bonds during the movement of the film into an electrostatic field created by ions generated in a corona discharge.
Для решения той же задачи с достижением того же технического результата во втором объекте по настоящему изобретению предложено устройство для осуществления способа по первому объекту настоящего изобребтения, содержащее: заземленный экран, предназначенный для размещения на нем пленки из полимерного материала, подлежащей поляризации; источник поверхностного коронного разряда в виде коронирующего электрода, размещенный на первом заданном расстоянии над по меньшей мере всей поверхностью пленки по ее ширине; токосъемный электрод, размещенный на втором заданном расстоянии над по меньшей мере всей поверхностью пленки по ее ширине и на третьем заданном расстоянии от коронирующего электрода; высоковольтный источник постоянного тока, выводы которого подключены к коронирующему и токосъемному электродам; источник лазерного излучения, направленного на зону пленки непосредственно перед источником коронного разряда со стороны, противоположной токосъемному электроду; при этом заземленный экран выполнен с возможностью перемещения пленки в направлении от коронирующего электрода к токосъемному электроду.To solve the same problem with the achievement of the same technical result, the second aspect of the present invention provides a device for implementing the method according to the first aspect of the present invention, comprising: a grounded shield for placing on it a film of a polymer material to be polarized; a source of surface corona discharge in the form of a corona electrode, located at a first predetermined distance above at least the entire surface of the film along its width; a collector electrode located at a second predetermined distance above at least the entire surface of the film across its width and at a third predetermined distance from the corona electrode; a high-voltage direct current source, the leads of which are connected to the corona and current-collecting electrodes; a source of laser radiation directed to the film area immediately in front of the corona discharge source from the side opposite to the current-collecting electrode; in this case, the grounded shield is configured to move the film in the direction from the corona electrode to the current-collecting electrode.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что заземленный экран может быть выполнен в виде цилиндра высотой не менее ширины пленки, приводимого во вращение с заданной скоростью.A feature of the device according to the second object of the present invention is that the grounded shield can be made in the form of a cylinder with a height not less than the width of the film, driven into rotation at a given speed.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что коронирующий и токосъемный электроды могут быть выполнены ножевой формы с острием, обращенным к пленке.Another feature of the device according to the second aspect of the present invention is that the corona and current-collecting electrodes can be made in a knife-like shape with the tip facing the film.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы имеют одни и те же ссылочные позиции.The present invention is illustrated in the drawings, in which like elements have the same reference numbers.
На Фиг. 1 представлена условная схема, иллюстрирующая осуществление способа по первому объекту настоящего изобретения.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the implementation of the method according to the first aspect of the present invention.
На Фиг. 2 приведена схема устройства по первому варианту осуществления.FIG. 2 shows a diagram of the device according to the first embodiment.
На Фиг. 3 приведена схема устройства по второму варианту осуществления.FIG. 3 shows a diagram of the device according to the second embodiment.
Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments
В основе настоящего изобретения лежит разрешение следующего технического противоречия. С одной стороны, увеличение температуры материала полимерных пленок является фактором, повышающим эффективность процесса поляризации, но с другой стороны, этот процесс может послужить причиной изменений физико-химических свойств полимера, а также приводит к увеличению длительности технологического процесса.The present invention is based on the resolution of the following technical contradiction. On the one hand, an increase in the temperature of the polymer film material is a factor that increases the efficiency of the polarization process, but on the other hand, this process can cause changes in the physicochemical properties of the polymer, and also leads to an increase in the duration of the technological process.
Настоящее изобретение решает данное противоречие за счет кратковременного интенсивного вложения энергии, осуществляемого посредством лазерного излучения, в небольшой выделенный участок полимерной пленки непосредственно перед процессом поляризации. Благодаря этому создаются условия для его эффективного протекания процесс поляризации либо за счет нагревания выделенного участка материала до оптимальной температуры, либо при поглощении энергии на ослабление связей молекулярных групп с телом макроцепочек полимера. В принципе, возможны оба указанных явления.The present invention solves this contradiction due to a short-term intense investment of energy, carried out by means of laser radiation, in a small isolated area of the polymer film just before the polarization process. Due to this, conditions are created for its effective course of the polarization process either by heating the selected area of the material to the optimal temperature, or by absorbing energy to weaken the bonds of molecular groups with the body of the polymer macrochains. In principle, both of these phenomena are possible.
Способ по первому объекту настоящего изобретения поясняется на Фиг. 1, где приведена принципиальная схема реализации данного способа поляризации пленки из полимерного материала с лазерной активацией.The method according to the first aspect of the present invention is illustrated in FIG. 1, which shows a schematic diagram of the implementation of this method of polarization of a film made of a polymer material with laser activation.
Пленка 1 из полимерного материала расположена на поверхности экрана 2, который электрически соединен с заземлением 3. Пленка 1 перемещается вместе с экраном 2 относительно системы протяженных ножевых электродов. Один электрод является источником поверхностного коронного разряда - коронирующим электродом («коротрон») 4, другой - токосъемным электродом (ТЭ) 5. Расположение обоих электродов 4 и 5 ортогонально вектору перемещения пленки 1 предпочтительно, однако возможно располагать эти электроды 4 и 5 и под косым углом к направлению перемещения пленки, если это окажется более удобным технологически. Следует только учитывать, что для более протяженных электродов потребуется более мощный источник питания. В любом случае оба электрода 4 и 5 должны размещаться над всей пленкой 1 по ее ширине, а предпочтительно - выходить за края пленки для устранения неоднородности электрического поля на торцах электродов.The
Отметим, что далее по тексту пары выражений «полимерная пленка» и «пленка из полимерного материала», а также «коронирующий электрод» и «коротрон» употребляются как синонимические.Note that hereinafter, the pairs of expressions "polymer film" and "film made of polymer material", as well as "corona electrode" and "corotron" are used synonymously.
На Фиг. 1 электроды 4 и 5 условно показаны в сечении в виде треугольников, острый угол каждого из которых направлен на пленку 1. Предпочтительно и коронирующий электрод 4, и токосъемный электрод 5 выполнены каждый ножевой формы с острием, обращенным к пленке 1. Такое выполнение электродов 4 и 5 устраняет неоднородность в распределении исходного электрического поля, имеющую место в ближайшем аналоге (заявка США №2018/0198055).FIG. 1,
При прохождении полимерной пленки 1 через воздушный зазор под коротроном 4, на который подают высоковольтный потенциал 6 (предпочтительно отрицательной полярности), полярные молекулярные группы в макроцепях полимерного материала пленки 1 ориентируются вдоль вектора электрического поля в электродной системе коротрон 4 - экран 2 таким образом, чтобы компенсировать внешнее поле. Коронный разряд является мощным генератором электроотрицательных ионов в воздушной среде. В результате кулоновского взаимодействия образующиеся электроотрицательные ионы адсорбируются на поверхности движущейся полимерной пленки 1, поскольку на стороне пленки 1, обращенной к коротрону 4 (с отрицательны потенциалом), формируется положительный заряд. Знаки «+» и «-» на Фиг. 1 показывают примерное распределение зарядов. Благодаря данному фактору, на протяжении всей дистанции перемещения до токосъемного электрода 5, в полимерном материале пленки 1 поддерживается заданная величина напряженности электростатического поля для стабилизации необходимой пространственной ориентации полярных молекулярных групп. Белая стрелка условно показывает направление перемещения экрана с полимерной пленкой 1. При прохождении полимерной пленки 1 под ТЭ 5 осажденные заряды с ее поверхности снимаются в процессе завершающей стадии коронного поверхностного разряда барьерного типа.When the
Для повышения эффективности процесса поляризации некоторую выделенную зону полимерной пленки 1 непосредственно перед ее перемещением в область межэлектродного зазора системы коротрон 4 - экран 2 облучают лазерным излучением 7 в целях стимулирования подвижности молекулярных групп в полимерном материале пленки 1. Подбором соответствующих параметров излучения (длина волны, интенсивность, апертура пучка, длительность воздействия и т.д.) нужный результат достигают либо за счет кратковременного нагревания полимерного материала пленки 1 до необходимой температуры, либо возбуждением собственных колебательно-вращательных частот валентных связей в молекулярных макроцепочках конкретного полимера, либо применяют оба типа воздействия. Время воздействия регулируют как длительностью импульса излучения и апертурой падающего пучка для непрерывного излучения, так и скоростью относительного перемещения.To increase the efficiency of the polarization process, a certain selected area of the
Необходимые значения параметров излучения могут быть оценены из формулы температурного поля обрабатываемой поверхности для непрерывного излучения Т(0, t) (Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989 - 304 с.):The required values of the radiation parameters can be estimated from the formula for the temperature field of the treated surface for continuous radiation T (0, t) (Grigoryants A.G. Fundamentals of laser processing of materials. - M .: Mashinostroenie, 1989 - 304 p.):
где qп - тепловая мощность,where q p - thermal power,
λT - коэффициент теплопроводности материала,λ T - coefficient of thermal conductivity of the material,
а - коэффициент температуропроводности материала (для справки - это физическая величина, характеризующая скорость изменения, т.е. выравнивания температуры вещества в неравновесных тепловых процессах; численно равна отношению теплопроводности к удельной теплоемкости при постоянном давлении на единицу массы),a is the coefficient of thermal diffusivity of the material (for reference, this is a physical quantity characterizing the rate of change, i.e. equalization of the temperature of a substance in nonequilibrium thermal processes; numerically equal to the ratio of thermal conductivity to specific heat capacity at constant pressure per unit mass),
t - длительность действия теплового источника (время прохождения выделенного участка пленки 1 через пятно пучка падающего излучения 7), с учетом физических свойств материала используемой полимерной пленки.t is the duration of the action of the heat source (the time of passage of the selected section of the
На Фиг. 2 показана схема устройства, предназначенного для реализации рассмотренного способа, в соответствии с первым вариантом осуществления. Это устройство содержит заземленный экран 2, выполненный с возможностью регулируемого вращения, на поверхности которого крепится полимерная пленка 1, подлежащая поляризации. Заземление 3 подвижного экрана 2 может быть осуществлено, например, с помощью роликового контакта. Над поверхностью пленки 1 устанавливаются два протяженных электрода 4 и 5, к примеру, ножевого типа. Коронирующий электрод 4 установлен на первом заданном расстоянии от поверхности пленки 1, токосъемный электрод 5 установлен на втором заданном расстоянии от поверхности пленки 1 и на третьем заданном расстоянии от коронирующего электрода 4 в направлении перемещения пленки 1. Оптимальная величина зазора между коротроном 4 и пленкой 1 находится в интервале (0,5-2) мм. Большее значение зазора потребует приложения более высокого потенциала на короторон 4, что влечет усложнение устройства. Как правило, токосъемный электрод 5 устанавливается относительно пленки 1 с аналогичным зазором, что и коротрон 4, хотя для электрода 5 данная величина некритична. Как уже отмечено, электроды 4 и 5 расположены предпочтительно ортогонально к направлению перемещения пленки 1, хотя допустимо расположить их под иным углом к указанному направлению.FIG. 2 shows a schematic diagram of a device for implementing the above method in accordance with the first embodiment. This device contains a grounded
Расстояние между коротроном 4 и токосъемным электродом 5 (третье заданное расстояние) варьируется в зависимости от скорости перемещения пленки 1 с необходимостью обеспечения стадии завершенного коронного разряда (реализованная на практике величина составляла не менее 100 мм).The distance between the
Скорость перемещения пленки 1 и расстояние от коротрона 4, на котором необходимо осуществлять воздействие излучением 7, устанавливаются, в конечном итоге, экспериментальным путем для каждого конкретного полимерного материала. При цикличном способе обработки, возможно, будет иметь значение общее время нахождения пленки 1 в поле поверхностного коронного разряда. Из общих физических представлений следует, что зона обработки пленки 1 лазерным излучением 7 должна быть максимально приближена к проекции коротрона 4 на поверхность пленки 1.The speed of movement of the
Формирование и поддержание поверхностного коронного разряда осуществляется регулируемым высоковольтным источником 6 постоянного тока посредством подачи на коротрон 4 высоковольтного потенциала (предпочтительно отрицательной полярности). Устройство включает в себя источник 8 лазерного излучения, формирующий пучок излучения 7 с требуемыми параметрами, и блок 9 оптики для формирования пучка заданной формы и апертуры. Выполнение блока 9 оптики будет зависеть от типа используемого источника 8 лазерного излучения. В качестве примера можно привести следующее.The formation and maintenance of a surface corona discharge is carried out by an adjustable high-
При использовании газовых TEA лазеров (Transversely Excited Atmospheric - лазер с поперечным относительно оптической оси возбуждением, работающий при атмосферном давлении), апертура выходного пучка которых приближена к прямоугольной геометрии, блок 9 оптики может быть представлен в виде отражающего зеркала и фокусирующей линзы с цилиндрической геометрией. При использовании пучков излучения с апертурой малого диаметра блок 9 оптики может быть построен на основе элемента сканирования в поперечном направлении (качающееся зеркало или призма). Кроме того, могут быть использованы средства выравнивания мощности излучения по апертуре лазерного пучка (см., например, патент РФ №2717745, опубл. 25.03.2020).When using gas TEA lasers (Transversely Excited Atmospheric - a laser with excitation transverse to the optical axis, operating at atmospheric pressure), the output beam aperture of which is close to rectangular geometry, the
Устройство по Фиг. 2 осуществляет цикличный процесс поляризации без смены полярности диполей, обеспечивая высокую однородность плотности заряда. Периодичность и длительность поляризации регулируются скоростью перемещения пленки 1, протяженностью поверхностного разряда и числом установленных электродных пар коротрон 4 - ТЭ 5. Дополнительные электродные пары повышают эффективность процесса поляризации в случае малых скоростей перемещения, увеличивая совокупную зону обработки (хотя для варианта циклической обработки это мало актуально).The device of FIG. 2 carries out a cyclic polarization process without reversing the polarity of the dipoles, ensuring high uniformity of the charge density. The frequency and duration of polarization are regulated by the speed of
На Фиг. 3 показана схема устройства, предназначенного для реализации рассмотренного способа, в соответствии со вторым вариантом осуществления. Это устройство содержит заземленный экран 2, выполненный с возможностью пассивного вращения, к поверхности которого прилегает полимерная пленка 1, подлежащая поляризации. Заземление 3 подвижного экрана 2 может быть осуществлено, например, через элемент оси вращения. Над поверхностью пленки 1, как в предыдущем варианте осуществления, с минимальным зазором установлены два протяженных электрода 4 и 5, предпочтительно ножевого типа, на третьем заданном расстоянии друг от друга поперек направления перемещения. Один из электродов (коротрон) 4 является источником поверхностного коронного разряда, другой электрод 5 служит для токосъема.FIG. 3 shows a diagram of a device for implementing the considered method in accordance with the second embodiment. This device contains a grounded
Формирование и поддержание поверхностного коронного разряда осуществляется регулируемым высоковольтным источником 6 постоянного тока посредством подачи на коротрон 4 высоковольтного потенциала (предпочтительно отрицательной полярности). Устройство включает в себя источник 8 лазерного излучения, формирующий пучок излучения 7 с требуемыми параметрами, и блок 9 оптики для формирования пучка заданной формы и апертуры. Перемещение пленки 1 относительно электродной пары коротрон 4 - ТЭ 5 осуществляется посредством механизма регулируемого вращения двух катушек, одна 10 из которых служит для подачи пленки 1, а другая 11 - для ее приема после процедуры поляризации.The formation and maintenance of a surface corona discharge is carried out by an adjustable high-
Устройство по Фиг. 3 реализует непрерывный технологический процесс поляризации заданного количества полимерной пленки 1. Длительность поляризации регулируется скоростью перемещения указанной пленки, протяженностью участка поверхностного разряда и числом установленных электродных пар: коротрон 4 - ТЭ 5. На Фиг. 3 показана только одна пара электродов, но при большом диаметре вращающегося экрана 2 можно установить несколько таких пар последовательно по направлению перемещения пленки 1.The device of FIG. 3 implements a continuous technological process of polarization of a given amount of
Ниже даны примеры по обработке полимерных пленок в соответствии со способом по настоящему изобретению.Below are examples of the processing of polymer films in accordance with the method of the present invention.
Пример 1. Обработке подвергалась пленка из поливинилиденфторида (ПВДФ) со следующими параметрами: плотность - 1,78 кг/м3, теплопроводность - 0,17 Вт/(м⋅К), теплоемкость - 1,38 кДж/(кг⋅К), температура плавления - 170-172°C, температура размягчения - 140°C, температуро-проводность - 6,9×10-5 Вт⋅м2/Дж.Example 1. A film of polyvinylidene fluoride (PVDF) with the following parameters was subjected to treatment: density - 1.78 kg / m 3 , thermal conductivity - 0.17 W / (m⋅K), heat capacity - 1.38 kJ / (kg⋅K) , melting point - 170-172 ° C, softening temperature - 140 ° C, temperature conductivity - 6.9 × 10 -5 W⋅m 2 / J.
Эта пленка облучалась непрерывным лазерным излучением от твердотельного YAG:Nd-лазера (ЛТН-103) с длиной волны 1,06 мкм, мощностью 100 Вт с диаметром пучка 10 мм. Учитывая, что коэффициент поглощения ПВДФ для излучения с данной длиной волны составляет примерно 20%, для нагрева поверхности пленки до Т~140°C при заданной мощности скорость ее перемещения составила 0,03 м/с. При подаче на коротрон 4 потенциала в 10 кВ отрицательной полярности усредненное значение потенциала зарядов, адсорбированных на поверхности пленки, на высоте 1 мм составило ~6 кВ. Протяженность разрядного промежутка составляла 100 мм.This film was irradiated with continuous laser radiation from a solid-state YAG: Nd laser (LTN-103) with a wavelength of 1.06 μm, a power of 100 W, and a beam diameter of 10 mm. Taking into account that the absorption coefficient of PVDF for radiation with a given wavelength is about 20%, for heating the film surface to T ~ 140 ° C at a given power, the speed of its movement was 0.03 m / s. When a potential of 10 kV of negative polarity was applied to the
Пример 2. В той же пленке ПВДФ максимумы полос валентных колебаний средней интенсивности для мономера дифторэтилена расположены в области: 1755-1735 см-1 (5,7-5,76 мкм) для соединений фтора и 1660-1640 см-1 (6,024-6,098 мкм) для винилиденовой группы. Для возбуждения указанных колебаний оптимально подходит квантово-каскадный лазер (QCL лазер): полупроводниковый лазер с длиной волны в интервале (5,6-6,9) мкм с пиком 5,76 мкм, с частотой следования импульсов в диапазоне 1-1000 кГц. Кроме того, могут быть использованы FEL лазер (лазер на свободных электронах), представляющий собой дискретно перестраиваемый импульсный источник излучения ИК диапазона от 2 до 22 мкм, некоторые типы лазеров на парах металлов, а также твердотельные лазеры с параметрическим преобразованием частоты.Example 2. In the same PVDF film, the maxima of the stretching vibration bands of average intensity for the difluoroethylene monomer are located in the region: 1755-1735 cm -1 (5.7-5.76 μm) for fluorine compounds and 1660-1640 cm -1 (6.024- 6.098 μm) for the vinylidene group. A quantum cascade laser (QCL laser) is optimal for exciting these oscillations: a semiconductor laser with a wavelength in the range (5.6-6.9) microns with a peak of 5.76 microns, with a pulse repetition rate in the range of 1-1000 kHz. In addition, a FEL laser (free electron laser) can be used, which is a discretely tunable pulsed source of IR radiation from 2 to 22 μm, some types of metal vapor lasers, as well as solid-state lasers with parametric frequency conversion.
Энергия релаксации переходных процессов в полимерах, связанных с подвижностью боковых ответвлений, находится в интервале (10-20) кДж/моль. Для упомянутой пленки при толщине ~500 мкм и диаметре пучка излучения 10 мм для активации связей потребуется мощность порядка (0,5-1) Вт.The relaxation energy of transient processes in polymers associated with the mobility of side branches is in the range (10-20) kJ / mol. For the aforementioned film with a thickness of ~ 500 μm and a radiation beam diameter of 10 mm, a power of the order of (0.5-1) W is required to activate the bonds.
Пример 3. Поляризация пленки из полиэтилентерефталата шириной 42 мм, толщиной d=0,2 мм, прилегающей к поверхности вращающегося металлического ротора с радиусом R=50 мм, осуществлялась при напряжениях на коротроне 8, 10 и 12 кВ в диапазоне скоростей перемещения от 1 до 5 м/сек.Example 3. Polarization of a polyethylene terephthalate film 42 mm wide, d = 0.2 mm thick, adjacent to the surface of a rotating metal rotor with a radius of R = 50 mm, was carried out at voltages on the corotron of 8, 10 and 12 kV in the range of travel speeds from 1 to 5 m / sec.
При величине зазора электродов от поверхности пленки в 1,0 мм получена поверхностная плотность зарядов в интервале от 2⋅10-5 Кл/см2 (U=8 кВ) до 6,2⋅10-5 Кл/см2 (U=12 кВ). Ток поверхностного разряда изменялся в диапазоне от 30 до 420 мкА.With the size of the electrode gap from the film surface of 1.0 mm, the surface charge density was obtained in the range from 2⋅10 -5 C / cm 2 (U = 8 kV) to 6.2⋅10 -5 C / cm 2 (U = 12 kV). The surface discharge current varied in the range from 30 to 420 μA.
Таким образом, способ поляризации полимерных пленок с активацией лазерным излучением по настоящему изобретению и реализующие его варианты устройства обеспечивают:Thus, the method of polarization of polymer films with activation by laser radiation according to the present invention and the devices implementing it provide:
- однородную плотность заряда по всей поверхности пленки, особенно при технологии цикличной поляризации,- uniform charge density over the entire surface of the film, especially with cyclic polarization technology,
- высокую производительность при технологии непрерывной обработки заданного объема пленки,- high productivity with the technology of continuous processing of a given volume of film,
- возможность поляризации широкого спектра полимеров, в том числе наиболее перспективных, например, на основе ПВДФ,- the possibility of polarization of a wide range of polymers, including the most promising ones, for example, based on PVDF,
- высокую автоматизацию и технологичность производственного процесса,- high automation and manufacturability of the production process,
- снижение вероятности термоокислительной деструкции полимеров.- reducing the likelihood of thermal oxidative degradation of polymers.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021103317A RU2755643C1 (en) | 2021-02-11 | 2021-02-11 | Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021103317A RU2755643C1 (en) | 2021-02-11 | 2021-02-11 | Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2755643C1 true RU2755643C1 (en) | 2021-09-17 |
Family
ID=77745828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021103317A RU2755643C1 (en) | 2021-02-11 | 2021-02-11 | Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2755643C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113193108A (en) * | 2021-05-21 | 2021-07-30 | 绵眠（上海）智能科技有限公司 | High-molecular organic film continuous piezoelectric polarization device without electrode substrate |
| RU2847022C1 (en) * | 2025-01-21 | 2025-09-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method for polymer ferroelectric films polarization by means of their movement in plasma of glow discharge |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1448368A1 (en) * | 1978-12-29 | 1988-12-30 | Академие Дер Виссеншафтен Дер Ддр (Инопредприятие) | Device for polarization of polymer bodies |
| SU1623872A1 (en) * | 1988-07-21 | 1991-01-30 | Московский Областной Педагогический Институт Им.Н.К.Крупской | Device for producing polarized polymer film |
| JP2008171935A (en) * | 2007-01-10 | 2008-07-24 | Kureha Corp | Method for producing polymer piezoelectric film and polymer piezoelectric film |
| US20180198055A1 (en) * | 2017-01-08 | 2018-07-12 | Qualcomm Incorporated | Apparatus and method for poling a piezoelectric film |
-
2021
- 2021-02-11 RU RU2021103317A patent/RU2755643C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1448368A1 (en) * | 1978-12-29 | 1988-12-30 | Академие Дер Виссеншафтен Дер Ддр (Инопредприятие) | Device for polarization of polymer bodies |
| SU1623872A1 (en) * | 1988-07-21 | 1991-01-30 | Московский Областной Педагогический Институт Им.Н.К.Крупской | Device for producing polarized polymer film |
| JP2008171935A (en) * | 2007-01-10 | 2008-07-24 | Kureha Corp | Method for producing polymer piezoelectric film and polymer piezoelectric film |
| US20180198055A1 (en) * | 2017-01-08 | 2018-07-12 | Qualcomm Incorporated | Apparatus and method for poling a piezoelectric film |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113193108A (en) * | 2021-05-21 | 2021-07-30 | 绵眠（上海）智能科技有限公司 | High-molecular organic film continuous piezoelectric polarization device without electrode substrate |
| RU2847022C1 (en) * | 2025-01-21 | 2025-09-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Method for polymer ferroelectric films polarization by means of their movement in plasma of glow discharge |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sacchi | Laser-induced electric breakdown in water | |
| US6541924B1 (en) | Methods and systems for providing emission of incoherent radiation and uses therefor | |
| RU2755643C1 (en) | Method for polarizing film from polymer material and device for its implementation | |
| JPS6224959B2 (en) | ||
| US20040183461A1 (en) | Methods and systems for providing emission of incoherent radiation and uses therefor | |
| JP4459455B2 (en) | Surface preionization for gas lasers. | |
| US4459634A (en) | Reverse field stabilization of polarized polymer films | |
| US4191622A (en) | Apparatus and method for producing stereo-regular polymers | |
| Velikanov et al. | Solid-state laser-pumped high-power electric-discharge HF laser | |
| Loktionov et al. | Laser-Induced Electric Breakdown of Krypton in the UV–Near IR Spectral Region | |
| Loktionov et al. | Investigation of electrooptical breakdown threshold in gas mixtures of complex chemical composition | |
| JP4221755B2 (en) | Laser neutralizing and charging method and apparatus | |
| Nakamura et al. | Fundamental Research on Lightning Triggering By Means of UV Lasers. | |
| Nakamura et al. | Fundamental research for lightning trigger experiment by using UV lasers | |
| Nassisi | Experimental studies of a XeCl laser having UV preionization perpendicular and parallel to the electrode surfaces | |
| RU2471263C1 (en) | Method to develop mask on substrate surface | |
| JP7548325B2 (en) | Optical deflector and method for determining control conditions for optical deflector | |
| Kravtsov et al. | Characteristics of electret charge formation in polypropylene fibres | |
| RU2249282C1 (en) | Excimer laser | |
| Panov et al. | Effect of Ultrasound on the Development of a Pulsed Electric Discharge in Conducting Water | |
| Apollonov et al. | Electric discharge CO2 laser with a large radiating aperture | |
| Ren et al. | Effect of electron beam irradiation on surface dielectric properties of polymeric materials | |
| Urai et al. | High-repetition-rate operation of the wire ion plasma source using a novel method | |
| Gorshkov et al. | Effects of multiple interaction in laser damage to optical materials | |
| Gerasimenko et al. | Modification of CNT arrays morphology by nanosecond laser treatment |