[发明专利]一种生产驻极体材料的方法

说明书

本发明涉及一种生产驻极体材料的方法、一种新种类驻极体材料 和包含这种驻极体材料的装置。

驻极体材料通常是具有准永久电荷或偶极极化的电介体材料。驻 极体产生内电场和外电场且是永磁铁的静电相等物(electrostatic equivalent)。术语“驻极体”是在1885年由Oliver Heaviside创造的，但 是具有驻极体性质的材料自从18世纪早期就已被研究。一般来说有 两种类型的驻极体，即，真实电荷驻极体(real-charge electret)，其在电 介体表面或在电介体容积内包含具有一种极性或两种极性的过量电 荷，当过量电荷在电介体表面时具有表面电荷，当过量电荷在电介体 容积内时具有空间电荷。第二种是含有定向偶极的定向偶极驻极体。 这些定向偶极驻极体的一个例子是铁电材料。例如，存在于自然界中 的驻极体材料有石英和各种形式的二氧化硅。大多数商业上使用的驻 极体是由合成聚合物制造的。

1.驻极体材料：

大多数商业上生产的聚合物驻极体是基于被用机器制造成薄膜 的含氟聚合物(例如无定形聚(四氟乙烯)氟化乙烯丙 烯(FEP)或聚偏二氟乙烯(PVDF))。它们有存储电荷的保持时间很长的 优点。所使用的其他聚合物是，例如，聚丙烯、聚(甲基丙烯酸甲 酯)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)、聚酰胺(尼龙)和聚酰亚胺，这些物质的优点在于，它们可由溶 液流延以在许多类型的表面和形状上形成薄膜。真实电荷驻极体包含 正的或负的、过量的空间电荷或表面电荷，或它们两者，而定向偶极 驻极体含有定向偶极。由驻极体产生的准永久内电场或准永久外电场 可被使用在多种应用中。

现代的驻极体材料可具有高达10¹⁵元电荷/cm³的电荷密度，且具 有长于十年的保持时间。

2.充电的方法：

主体(bulk)驻极体通常是通过在将合适的电介体材料加热至超过 某些特性温度(例如，聚合物的玻璃化转变温度或其熔化温度)之后在 强电场内使其冷却而制备的。驻极体通常被制造成薄膜的形式，其中 两个电极被蒸发(evaporate)或压在膜上，或者一个或两个电极与膜保 持短距离。高电场重置(reposition)电荷载体，或在材料内排列(align) 偶极，或将外部电荷载体沉积或注射至电极。当材料冷却时，凝固使 得它们固定在适当的位置。

驻极体常常也通过将过量电荷包埋在电介体内而制造，包埋通过 使用高压电晕放电使电荷搁浅(strand)于表面上或表面附近进行(这种 方法被称为电晕充电)或通过使用电子束或离子束进行。电晕充电常常 是通过三极管装置来完成的，其中平面背电极(planar back electrode) 在介电薄膜之下，栅极在膜之上且尖端电极(pointed electrode)(高电势) 在栅极之上。栅极使得充电更均匀且允许更高的电势。

驻极体充电的另一种方法是通过接触带电(也称为摩擦起电)来实 现的，其中要被充电的材料被与另一种不同的或相同的材料机械接 触，随后再分离，例如通过摩擦或通过在转筒中的颗粒滚动(particles rolling)实现。

3.应用：

驻极体材料已被发现具有商业和技术利益。它们的应用可被分成 两组，一组是在生产期间驻极体材料被充电一次，另一组是在装置的 操作期间驻极体材料被重复地再充电和消除(erase)。

属于第一组的应用是例如驻极体传声器，其广泛用于移动电话、 耳机、扩音器、机电换能器、压电驻极体、驻极体电动机及发电机、 用于尘粒控制的驻极体空气过滤器、用于测量电离辐射或氡的驻极体 离子室、用于非线性光学元件的聚合物驻极体材料和用于改善伤口愈 合和断裂骨愈合和血液相容性的驻极体箔和绷带。

属于第二组的应用是用在静电印刷术、激光打印机和最近用于纳 米静电印刷术(NanoXerography)(US7232771)和数据保存(例如， US4340953、US5132934、US5724336)中的驻极体材料。