Электрет и содержащее его устройство для преобразования электростатической индукции - RU2465673C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию электрета и устройству для преобразования энергии посредством электростатической индукции, содержащему такой электрет.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ранее предлагались устройства для преобразования энергии посредством электростатической индукции, такие как генератор мощности или микрофон, содержавшие электрет, в котором электрический заряд инжектировали в изоляционный материал. Например, в качестве электретного материала можно использовать фторсодержащий полимер, описанный в Патентном документе 1, указанном ниже.

Патентный документ 1: Выложенная заявка на патент Японии (JP-А) №4-189880.

Однако если используется стандартный фторсодержащий полимер, то невозможно увеличить плотность зарядов, инжектируемых в полимер, и поверхностный потенциал недостаточен. Это приводит к недостатку, состоящему в том, что невозможно повысить эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую энергию в основанном на явлении электростатической индукции устройстве для преобразования энергии, в котором использован такой электрет.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение было сделано с учетом указанных стандартных проблем. Задачей настоящего изобретения было получение электрета с повышенным поверхностным потенциалом и устройства для преобразования энергии посредством электростатической индукции, содержащего такой электрет.

Для достижения указанной цели электрет согласно первому аспекту настоящего изобретения содержит смесь фторсодержащего полимера, включающего в основной цепи кольцевую структуру, и силанового сшивающего агента.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения в электрете согласно первому аспекту настоящего изобретения фторсодержащий полимер, включающий в основной цепи кольцевую структуру, может содержать в качестве концевой группы карбоксильную группу.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения электрет согласно первому или второму аспекту настоящего изобретения может содержать силановое соединение, присоединенное к карбоксильной группе.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения в электрете согласно любому из первого-третьего аспектов изобретения фторсодержащий полимер, включающий кольцевую структуру в основной цепи, может быть фторсодержащим алифатическим полимером, включающим кольцевую структуру в основной цепи.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения в электрете согласно любому из первого-четвертого аспектов изобретения фторсодержащий полимер, включающий кольцевую структуру в основной цепи, может быть фторсодержащим алифатическим полимером, включающим в основной цепи кольцевую структуру, содержащую атом кислорода простой эфирной группы.

Устройство для преобразования энергии посредством электростатической индукции согласно шестому аспекту настоящего изобретения содержит электрет согласно любому из первого-пятого аспектов изобретения.

Эффект изобретения: согласно настоящему изобретению предложены электрет с повышенным поверхностным потенциалом и устройство для преобразования энергии посредством электростатической индукции, содержащее такой электрет.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг.1 является блок-схемой зарядного устройства с коронным разрядом, использованного в испытании с зарядкой.

Фиг.2 является схемой, иллюстрирующей пример выбора точек для измерения поверхностных потенциалов.

Фиг.3 является графиком, иллюстрирующим изменения зарядов, удерживаемых электретами A и B, с течением времени.

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим изменения зарядов, удерживаемых электретами C и D, с течением времени.

Фиг.5 является блок-схемой аппарата, использованного в испытании на термостабильность.

Фиг.6 является графиком, иллюстрирующим результаты испытания на термостабильность электретов A и B.

Фиг.7 является схемой, иллюстрирующей структурированные электроды.

Фиг.8 является блок-схемой аппарата для испытания с генерацией вибраций.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее будет описан пример осуществления настоящего изобретения (который в дальнейшем будет фигурировать под названием «форма осуществления»).

Согласно форме осуществления настоящего изобретения создан электрет, состоящий из материала, содержащего смесь фторсодержащего полимера, включающего кольцевую структуру в основной цепи, и силанового сшивающего агента. Предпочтительно, чтобы фторсодержащий полимер, включающий кольцевую структуру в основной цепи, содержал в качестве концевой группы карбоксильную группу. Силановое соединение может быть присоединено к карбоксильной группе.

Фторсодержащий полимер, включающий кольцевую структуру в основной цепи, предпочтительно является фторсодержащим алифатическим полимером, включающим кольцевую структуру в основной цепи. Кроме того, особо предпочтительно, чтобы полимер был фторсодержащим алифатическим полимером, включающим в основной цепи кольцевую структуру, содержащую атом кислорода простой эфирной группы.

Электрет согласно форме осуществления настоящего изобретения может быть получен посредством формирования пленки из фторсодержащей полимерной композиции покрытия, которое содержит в качестве основных ингредиентов фторсодержащий полимер, включающий в основной цепи кольцевую структуру, силановый сшивающий агент, апротонный фторсодержащий растворитель и фторсодержащий спирт в качестве протонного фторсодержащего растворителя. Формирование пленки осуществляется, например, посредством осаждения фторсодержащей полимерной композиции покрытия на медный субстрат способом центрифугирования и обжига этой композиции.

Электрет согласно данной форме осуществления настоящего изобретения пригоден для использования в качестве устройства для преобразования энергии посредством электростатической индукции, например устройства управления или датчика, которое преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию или кинетическую энергию в электрическую энергию.

В данном случае фторсодержащий полимер, включающий в основной цепи кольцевую структуру, является полимером, растворимым в растворителе. Примером такого полимера является аморфный перфторполимер, который растворим во фторсодержащем растворителе и который включает фторсодержащую алифатическую кольцевую структуру в основной цепи. Фторсодержащий полимер предпочтительно является аморфным, но может быть использован любой фторсодержащий полимер, если его кристалличность равна 30% или меньше, предпочтительно равна 20% или меньше.

Специфическими примерами аморфных перфторполимеров являются циклический полимер, полученный посредством циклополимеризации CF₂=CFO(CF₂)_nCF=CF₂ (n=1-3); и гомополимеры или сополимеры перфтор-2,2-диметил-1,3-диоксола, перфтор-1,3-диоксола, перфтор-4-метокси-1,3-диоксола и т.п. Также предпочтителен сополимер, полученный с использованием двух или более таких мономеров. Также предпочтителен сополимер с фторолефином, таким как тетрафторэтилен, хлортрифторэтилен и винилидена фторид. Для циклополимеризации, гомополимеризации или сополимеризации может быть использован, например, способ, описанный в JP-A №4-18988.

Далее, примерами апротонных фторсодержащих растворителей, в которых растворяется фторсодержащий полимер, включающий в своей основной цепи кольцевую структуру, являются следующие растворители:

полифторароматические соединения, такие как перфторбензол, пентафторбензол, 1,3-бис(трифторметил)бензол или 1,4-бис(трифторметил)бензол;

полифтортриалкиламинные соединения, такие как перфтортрибутиламин или перфтортрипропиламин;

полифторциклоалкановые соединения, такие как перфтордекалин, перфторциклогексан или перфтор-1,3,5-триметилциклогексан;

простые полифторциклические эфиры, такие как перфтор-2-бутилтетрагидрофуран;

фторсодержащие низкомолекулярные простые полиэфиры;

полифторалкановые соединения, такие как перфторгексан, перфтороктан, перфтордекан, перфтордодекан, перфтор-2,7-диметилоктан, 1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтан, 1,1,1-трихлор-2,2,2-трифторэтан, 1,3-дихлор-1,1,2,2,3-пентафторпропан, 1,1,1,3-тетрахлор-2,2,3,3-тетрафторпропан, 1,1,3,4-тетрахлор-1,2,2,3,4,4-гексафторбутан, перфтор-1,2-диметилгексан, перфтор-1,3-диметилгексан, 2Н,3Н-перфторпентан, 1Н-перфторгексан, 1Н-перфтороктан, 1Н-перфтордекан, 1Н,1Н,1Н,2Н,2Н-перфторгексан, 1Н,1Н,1Н,2Н,2Н-перфтороктан, 1Н,1Н,1Н,2Н,2Н-перфтордекан, 3Н,4Н-перфтор-2-метилпентан, 2Н,3Н-перфтор-2-метилпентан, 1Н-1,1-дихлорперфторпропан или 1Н-1,3-дихлорперфторпропан.

Эти апротонные фторсодержащие растворители можно использовать по отдельности или в виде смеси. В дополнение к этим растворителям можно использовать широкий спектр соединений. Например, предпочтителен такой фторсодержащий растворитель, как простой гидрофторэфир (HFE). Фторсодержащий растворитель представляет собой фторсодержащий растворитель с общей формулой R¹-O-R² (где R¹ представляет собой линейную или разветвленную полифторалкильную группу, содержащую от 5 до 12 атомов углерода, которая может содержать простую эфирную связь, а R² представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу, содержащую от 1 до 5 атомов углерода).

Если число атомов углерода в R¹ равно 4 или меньше, то в нем трудно растворить полимер, включающий фторсодержащую кольцевую структуру, тогда как, если число атомов углерода в R¹ равно 13 или больше, то трудно получить такой растворитель в промышленных масштабах. Поэтому число атомов углерода в R¹ было выбрано из диапазона от 5 до 12. Число атомов углерода в R¹предпочтительно находится в диапазоне от 6 до 10, более предпочтительно в диапазонах от 6 до 7 и от 9 до 10.

Полифторалкильная группа - это группа, в которой два или более атомов водорода в алкильной группе замещены атомами фтора. Примерами таких групп являются перфторалкильная группа, в которой все атомы водорода алкильной группы замещены атомами фтора, и группа, в которой два или более атомов водорода в алкильной группе замещены атомами фтора, а один или более атомов водорода в алкильной группе замещены атомами галогена, отличающимися от атома фтора. В качестве атома галогена, отличающегося от атома фтора, предпочтителен атом хлора.

В полифторалкильной группе 60% или более атомов водорода предпочтительно замещены атомами фтора (речь идет об атомах водорода в соответствующей алкильной группе), более предпочтительно 80% и больше. Кроме того, полифторалкильной группой предпочтительно является перфторалкильная группа.

В том случае, если R¹ содержит простую эфирную связь, то растворимость снижается, если количество простых эфирных связей является слишком большим. Поэтому количество простых эфирных связей в R¹ предпочтительно равно 1-3, более предпочтительно - 1-2. Если количество атомов углерода в R² равно 6 или больше, то растворимость полимера, включающего фторсодержащую кольцевую структуру, значительно снижается. Предпочтительными примерами R² являются метиловая группа или этиловая группа.

Если молекулярная масса фторсодержащего растворителя слишком велика, то увеличивается вязкость фторсодержащей полимерной композиции, а растворимость полимера, включающего фторсодержащую кольцевую структуру, снижается. Поэтому молекулярная масса предпочтительно равна 1000 или меньше. Для повышения растворимости полимера, включающего фторсодержащую кольцевую структуру, содержание фтора во фторсодержащем растворителе предпочтительно составляет 60-80 массовых %. Предпочтительными примерами фторсодержащих растворителей являются следующие:

F(CF₂)₅OCH₃, F(CF₂)₆OCH₃, F(CF₂)₇OCH₃, F(CF₂)₈OCH₃, F(CF₂)₉OCH₃, F(CF₂)₁₀OCH₃, H(CF₂)₆OCH₃, (CF₃)₂CF(OCH₃)CFCF₂CF₃, F(CF₂)₃OCF(CF₃)CF₂OCH₃, F(CF₂)₃OCF(CF₃)CF₂OCF(CF₃)CF₂OCH₃, F(CF₂)₈OCH₂CH₂CH₃, (CF₃)₂CFCF₂CF₂OCH₃ и F(CF₂)₂O(CF₂)₄OCH₂CH₃.

Среди этих фторсодержащих растворителей особо предпочтительным является (CF₃)₂CF(OCH₃)CFCF₂CF₃.

Примерами силановых сшивающих агентов являются следующие агенты помимо широкого спектра стандартных или широко используемых агентов:

моноалкоксисиланы, такие как триметилметоксисилан, триметилэтоксисилан, диметилвинилметоксисилан или диметилвинилэтоксисилан;

диалкоксисиланы, такие как γ-хлорпропилметилдиметоксисилан, γ-хлорпропилметилдиэтоксисилан, γ-аминопропилметилдиэтоксисилан, γ-аминопропилметилдиметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиэтоксисилан, γ-глицидилоксипропилметилдиметоксисилан, γ-глицидилоксипропилметилдиэтоксисилан, γ-метакрилоилоксипропилметилдиметоксисилан, метилдиметоксисилан, метилдиэтоксисилан, диметилдиметоксисилан, диметилдиэтоксисилан, метилвинилдиметоксисилан, метилвинилдиэтоксисилан, дифенилдиметоксисилан, дифенилдиэтоксисилан, 3,3,3-трифторпропилметилдиметоксисилан, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-тридекафтороктилметилдиметоксисилан или 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-гептадекафтордецилметилдиметоксисилан;

три- или тетра-алкоксисиланы, такие как γ-аминопропилтриметоксисилан, γ-аминопропилтриэтоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилтриметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилтриэтоксисилан, γ-меркаптопропилтриметоксисилан, γ-глицидилоксипропилтриметоксисилан, γ-глицидилоксипропилтриэтоксисилан, γ-метакрилоилоксипропилтриметоксисилан, γ-хлорпропилтриметоксисилан, метилтриэтоксисилан, фенилтриметоксисилан, фенилтриэтоксисилан, 3,3,3-трифторпропилтриметоксисилан, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-тридекафтороктилтриметоксисилан, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-гептадекафтордецилтриметоксисилан, тетраметоксисилан или тетраэтоксисилан;

силановый сшивающий агент типа ароматического амина, который представляет собой силановый сшивающий агент, содержащий ароматическую аминную структуру.

При использовании силанового сшивающего агента было обнаружено, что не происходит ни гелеобразования, ни загустения даже в случае триалкоксисоединения. При использовании силанового сшивающего агента вследствие реакции конденсации алкоксисилана может образоваться структура, не содержащая алкильной группы, с двумя или более атомами углерода и алкиленовая структура. Поэтому термостойкость может повыситься.

Предпочтительными примерами силанового сшивающего агента типа ароматического амина являются соединения с общими формулами ArSi(OR¹)(OR²)(OR³), ArSiR⁴(OR¹)(OR²) или ArSiR⁴R⁵(OR¹) [где R¹-R⁵ независимо друг от друга являются атомами водорода, алкильными группами или арильными группами, содержащими от 1 до 20 атомов углерода, Ar является p-, m- или о-аминофенильной группой]. Конкретными примерами таких соединений являются:

аминофенилтриметоксисилан, аминофенилтриэтоксисилан, аминофенилтрипропоксисилан, аминофенилтриизопропоксисилан, аминофенилметилдиметоксисилан, аминофенилметилдиэтоксисилан, аминофенилметилдипропоксисилан, аминофенилметилдиизопропоксисилан, аминофенилфенилдиметоксисилан, аминофенилфенилдиэтоксисилан, аминофенилфенилдипропоксисилан и аминофенилфенилдиизопропоксисилан.

Атом водорода в аминогруппе может быть замещен алкильной группой или арильной группой. Примерами таких соединений являются N,N-диметиламинофенилтриалкоксисилан и N,N-диметиламинофенилметилдиалкоксисилан. Кроме этих соединений может быть использован, например, силановый сшивающий агент типа ароматического амина, описанный в патенте США №3481815.

Эти силановые сшивающие агенты могут быть использованы по отдельности или совместно. Также предпочтительно использовать их частичные согидролизаты. Кроме того, предпочтительно использовать частичный согидролизат вышеописанных силановых сшивающих агентов и тетраалкоксисилан, например тетраметоксисилан, тетраэтоксисилан или тетрапропоксисилан. Особо предпочтительными силановыми сшивающими агентами, способными улучшить адгезивные свойства фторсодержащего полимера, не снижая прозрачность фторсодержащего полимера, являются: силановые сшивающие агенты, содержащие аминогруппу (например, γ-аминопропилтриэтоксисилан, γ-аминопропилметилдиэтоксисилан, γ-аминопропилтриметоксисилан, γ-аминопропилметилдиметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилтриметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиметоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилтриэтоксисилан, N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилметилдиэтоксисилан, аминофенилтриметоксисилан, аминофенилтриэтоксисилан, аминофенилметилдиметоксисилан и аминофенилметилдиэтоксисилан) и силановые сшивающие агенты, содержащие эпоксигруппу (например, γ-глицидилоксипропилтриметоксисилан, γ-глицидилоксипропилметилдиметоксисилан, γ-глицидилоксипропилтриэтоксисилан и γ-глицидилоксипропилметилдиэтоксисилан). Более предпочтителен силановый сшивающий агент, содержащий аминогруппу.

В частности, алкоксисиланы, содержащие аминогруппу или эпоксигруппу, эффективны во фторсодержащем полимере, в который предварительно внедрена карбоксильная группа, либо в конец основной цепи, либо в боковую цепь. В частности, алкоксисиланы, содержащие аминогруппу или аминофенильную группу, эффективны во фторсодержащем полимере, в который предварительно внедрена сложноэфирная группа, либо в основную цепь, либо в боковую цепь.

В апротонном фторсодержащем растворителе триалкоксисиланы, содержащие аминогруппу или эпоксигруппу, с большой вероятностью повышают вязкость жидкой композиции согласно примеру осуществления изобретения с течением времени и желируют эту композицию в отличие от диалкоксисиланов, содержащих те же группы. Кроме того, растворимость триалкоксисиланов в растворе фторсодержащего полимера в апротонном фторсодержащем растворителе ниже, чем растворимость диалкоксисиланов. Поэтому при использовании триалкоксисиланов предпочтительно добавлять протонный фторсодержащий растворитель, в частности фторсодержащий спирт.

В случае диалкоксисиланов растворимость не так низка, как в случае триалкоксисиланов. Однако растворимость можно повысить посредством добавления протонного фторсодержащего растворителя, в частности фторсодержащего спирта, так же, как описано выше. В случае диалкоксисиланов временное повышение вязкости жидкой композиции не так значительно, как в случае триалкоксисиланов. Поэтому нет необходимости добавлять протонный фторсодержащий растворитель, такой как фторсодержащий спирт. Однако если он будет добавлен, то можно надежно подавить возрастание вязкости.

Как описано выше, если к раствору фторсодержащего полимера добавить протонный фторсодержащий растворитель, то можно повысить растворимость силанового сшивающего агента в растворе фторсодержащего полимера. Кроме того, можно подавить повышение вязкости и желирование, которые необходимо учитывать из-за реакции между силановыми сшивающими агентами. Примерами протонных фторсодержащих растворителей являются следующие:

фторсодержащие спирты, такие как тирфторэтанол, 2,2,3,3,3-пентафтор-1-пропанол, 2-(перфторбутил)этанол, 2-(перфторгексил)этанол, 2-(перфтороктил)этанол, 2-(перфтордецил)этанол, 2-(перфтор-3-метилбутил)этанол, 1Н,1Н,3Н-тетрафтор-1-пропанол, 1Н,1Н,5Н-октафтор-1-пентанол, 1Н,1Н,7Н-додекафтор-1-гептанол, 1Н,1Н,9Н-гексадекафтор-1-нонанол, 2Н-гексафтор-2-пропанол и 1Н,1Н,3Н-гексафтор-2-бутанол;

фторсодержащие карбоновые кислоты, такие как трифторуксусная кислота, перфторпропионовая кислота, перфтормасляная кислота, перфторпентановая кислота, перфторгексановая кислота, перфторгептановая кислота, перфтороктановая кислота, перфторнонановая кислота, перфтордекановая кислота, 3Н-тетрафторпропановая кислота, 5Н-октафторпентановая кислота, 7Н-додекафторгептановая кислота и 9Н-гексадекафторнонановая кислота; амиды фторсодержащих карбоновых кислот; и фторсодержащие сульфокислоты, такие как трифторметансульфоновая кислота и гептадекафтороктансульфоновая кислота.

Эти протонные фторсодержащие растворители можно использовать по отдельности и в виде смеси двух или более растворителей.

Концентрация фторсодержащего полимера в смеси апротонного фторсодержащего растворителя и протонного фторсодержащего растворителя обычно составляет от 0,1 до 30 массовых %, предпочтительно - от 0,5 до 20 массовых %. Добавляемое количество силанового сшивающего агента составляет от 0,01 до 50 массовых частей, предпочтительно - от 0,1 до 30 массовых частей на 100 массовых частей фторсодержащего полимера. Добавляемое количество протонного фторсодержащего растворителя в смеси апротонного фторсодержащего растворителя и протонного фторсодержащего растворителя составляет от 0,01 до 50 массовых %, предпочтительно - от 0,1 до 30 массовых %.

Хотя выше был описан пример осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будут очевидными многие изменения и модификации приведенного выше описания, которое является исключительно иллюстративным и не ограничивает изобретение, описанное в прилагаемой формуле изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее будут описаны конкретные примеры вышеописанных форм осуществления настоящего изобретения. Тем не менее настоящее изобретение не ограничено этими примерами.

Пример 1

Электрет согласно данному Примеру был получен с использованием следующего процесса.

(1) Получение композиции фторсодержащего полимера для покрытия.

Простой перфторполибутенилвиниловый эфир растворили в перфтортрибутиламине в концентрации 13%, в результате чего был получен раствор полимера В. Был получен инфракрасный абсорбционный спектр пленки, полученной посредством компрессионного формования из полимера, растворенного в растворе полимера В. В результате наблюдали характеристическое поглощение, обусловленное -COOH, при 1775 и 1810 см^-1. Кроме того, внутренняя вязкость [η] растворенного полимера, измеренная в растворе в перфтор-2-бутилтетрагидрофуране, была равна 0,23.

В связи с этим простой перфторполибутенилвиниловый эфир был получен посредством циклополимеризации простого перфторбутенилвинилового эфира (CF₂=CFOCF₂CF₂CF=CF₂) с использованием в качестве инициатора полимеризации диизопропилпероксидикарбоната (((СН₃)₂СНОСОО)₂), термической обработки нестабильного конца, полученного из инициатора, с образованием -COF и последующего гидролиза этой группы с образованием -COOH.

(2) Получение смеси с силановым сшивающим агентом

4,7 г 2-перфторгексилэтанола и 10,6 г перфтортрибутиламина добавили к 84,6 г раствора полимера В, после чего добавили еще 0,4 г γ-аминопропилметилдиэтоксисилана, перемешали и получили однородный раствор полимера А.

4,7 г 2-перфторгексилэтанола и 10,6 г перфтортрибутиламина добавили к 84,6 г раствора полимера В, после чего добавили еще 0,4 г γ-аминопропилтриэтоксисилана, перемешали и получили однородный раствор полимера C.

Затем 0,4 г N-(β-аминоэтил)-γ-аминопропилтриэтоксисилана добавили к 84,6 г раствора полимера B, перемешали и получили однородный раствор полимера D.

(3) Ряд операций для получения многослойного покрытия посредством нанесения центрифугированием раствора полимера A на медный субстрат площадью 3 см² и толщиной 350 мкм при 1000 об/мин в течение 20 секунд и предварительного обжига при 100°C в течение 10 минут с последующим нанесением центрифугированием при 1080 об/мин в течение 20 секунд и предварительным обжигом при 100°C в течение 10 минут был повторен дважды, после чего был проведен заключительный обжиг при 100°C в течение 1 часа и при 200°C в течение 1 часа и было получено пленочное покрытие толщиной 15 мкм. Заряды были инжектированы в пленочное покрытие так же, как описано в Примере 2, в результате чего был получен электрет A.

Затем были получены пленочные покрытия толщиной 15 мкм путем двукратного повторения ряда операций для получения многослойной пленки, включавших в себя центрифугирование, предварительный обжиг, центрифугирование, предварительный обжиг, и последующего заключительного обжига так же, как описано выше, за исключением того, что были использованы раствор полимера C и раствор полимера D соответственно. Заряды были инжектированы в эти пленочные покрытия так же, как описано в Примере 2, в результате чего были получены электреты C и D соответственно.

Сравнительный пример 1

Для сравнительного примера электрет был получен с использованием следующего процесса.

Ряд операций для получения многослойного покрытия посредством нанесения центрифугированием раствора полимера В на медный субстрат площадью 3 см² и толщиной 350 мкм при 1000 об/мин в течение 20 секунд и предварительного обжига при 100°C в течение 10 минут с последующим нанесением центрифугированием при 1850 об/мин в течение 20 секунд и предварительным обжигом при 100°C в течение 10 минут был повторен дважды, после чего был проведен заключительный обжиг при 100°C в течение 1 часа и при 200°C в течение 1 часа и было получено пленочное покрытие толщиной 15 мкм. Заряды были инжектированы в пленочное покрытие так же, как описано в Примере 2, в результате чего был получен электрет B.

Пример 2

Испытание с зарядкой электретов A, B, C и D было выполнено в ходе следующего процесса.

На Фиг.1 изображена блок-схема зарядного устройства с коронным разрядом, использованного в испытании с зарядкой. Как показано на Фиг.1, заряды инжектировались в пленки, полученные посредством нанесения полимерных растворов A, B, C и D соответственно, на медное основание (базовый электрод) 10 с использованием коронного разряда с получением электретов A, B, C и D. Инжекцию зарядов выполняли с использованием медного основания 10 в качестве электрода посредством создания высокого напряжения -8 кВ между коронирующим игольчатым электродом 14 и медным основанием 10 с помощью высоковольтного источника постоянного тока 12 (HAR-20R5; производства компании Matsusada Precision). Отрицательные ионы, генерируемые коронирующим игольчатым электродом 14, выравниваются сеткой 16, а затем направляются на пленочное покрытие, в которое инжектируются заряды. В этом процессе к сетке 16 было приложено напряжение -600 В от источника питания 18 сетки. Затем пленочное покрытие нагревали до температуры стеклования (Tg) или более высокой температуры с использованием нагретой пластины 19 для стабилизации инжектированных зарядов.

В данном Примере образцы соответствующих пленочных покрытий заряжали коронным разрядом в атмосферном воздухе, температура которого поддерживалась равной 120°C, при зарядном напряжении, равном -8 кВ, и при длительности зарядки, равной 3 минутам. Затем температуру образцов возвращали к комнатной температуре. Поверхностные потенциалы были измерены в 9 точках, расположенных в форме сетки через каждые 3 мм от центра пленки, с использованием устройства для измерения поверхностного потенциала (модель 279; производства компании Monroe Electronics), и было рассчитано среднее значение для всех измерений. Пример расположения 9 точек, в которых проводились измерения, приведен на Фиг.2.

Затем образцы соответствующих пленочных покрытий хранили при температуре 20°C и относительной влажности воздуха 65% и в течение периода времени, равного 2500 часов, проводили измерения потенциала.

На Фиг.3 показаны изменения во времени зарядов, удерживаемых каждым из пленочных покрытий (электреты A и B). На Фиг.3 горизонтальная ось отображает прошедшее время, а вертикальная ось - поверхностный потенциал. Поверхностный потенциал тем выше, чем выше плотность зарядов, удерживаемых электретами.

Как видно из Фиг.3, плотность электрических зарядов и стабильность во времени электрета A, в который был добавлен аминосилан, были значительно выше по сравнению с аналогичными характеристиками электрета В из Сравнительного примера, в который не был добавлен аминосилан.

Сходным образом, как видно из Фиг.4, значительно более высокими были плотность электрических зарядов и стабильность во времени электретов C и D.

В Таблице 1 приведены значения поверхностных потенциалов соответствующих электретов, причем эти значения остаются практически постоянными с течением времени. Как видно из Таблицы 1, поверхностные потенциалы у всех электретов A, C и D по истечении времени наблюдения выше, чем у электрета В.

Пример 3

Электреты A, B, C и D были подвергнуты испытанию на термостабильность в ходе следующего процесса.

На Фиг.5 изображена блок-схема аппарата, использованного в испытании на термостабильность. Как видно из Фиг.5, противоэлектрод 20 размещали напротив электретов A и B, полученных посредством инжекции зарядов с помощью коронного разряда в пленки, полученные посредством нанесения растворов А и B на медную основу 10. В результате из каждого из электретов A и B и противоэлектрода 20 образовывался конденсатор. При нагревании каждого из электретов A и В заряды, захваченные пленкой, становились нестабильными, и заряды, находившиеся вблизи поверхности, исчезали вследствие диффузии и тому подобных процессов, поэтому заряд, накопленный на противоэлектроде 2, также снижался. Соответственно, можно измерить термостабильность каждого из электретов A и B по величине тока, текущего от противоэлектрода 20.

Поэтому по мере увеличения температуры участка, отмеченного пунктирной линией на Фиг.5, с постоянной скоростью (1°C/мин) количество зарядов, потерянных каждым из электретов А и В, измеряли как значение тока I, текущего от противоэлектрода, при помощи амперметра 22. Для этих измерений в качестве амперметра 22 использовали микроамперметр (модель 6517А; производства компании Keithley).

На Фиг.6 приведены результаты испытания на термостабильность электретов A и B, выполненного с использованием аппарата, изображенного на Фиг.5. Как видно из Фиг.6, термостабильность электрета А, в который был добавлен аминосилан, была выше по сравнению с электретом В из Сравнительного примера, в который не был добавлен аминосилан. Температура, соответствующая пиковому значению тока, у электрета А (185°C) выше, чем у электрета В (145°C), что свидетельствует о том, что термостабильность электрета А выше.

Испытание на термостабильность электретов С и D было выполнено с использованием аппарата, изображенного на Фиг.5, так же, как описано выше. Температуры, соответствующие пиковому значению тока, у электретов С и D были равны 176°C и 168°C соответственно, что свидетельствует о том, что электреты C и D имели лучшую термостабильность по сравнению с электретом В. В таблице 2 приведены температуры, соответствующие пиковому значению тока, для всех электретов.

Пример 4

Испытание на генерацию вибраций

На стеклянной основе 28, изготовленной из стекла Pyrex (зарегистрированный товарный знак) и имевшей толщину 0,7 мм, был получен электрод посредством последовательного осаждения из паровой фазы Cr, Au и Cr (толщина: 50/200/50 нм) с последующим структурированием посредством фотолитографии, как показано на Фиг.7. Рисунок электрода включал в себя базовый электрод 24 (ширина: 150 мкм, высота: 300 мкм), который содержал электрет на своей верхней поверхности, и экранирующий электрод 26. Ряд операций для получения многослойного покрытия посредством нанесения центрифугированием раствора полимера А при 1000 об/мин в течение 20 секунд и предварительного обжига при 100°C в течение 10 минут с последующим нанесением покрытия центрифугированием при 1080 об/мин в течение 20 секунд и предварительным обжигом при 100°C в течение 10 минут был повторен дважды, после чего был проведен заключительный обжиг при 100°C в течение 1 часа и при 200°C в течение 1 часа и было получено пленочное покрытие (пленка А) толщиной 16 мкм.

Затем на пленку А из паровой фазы осадили Cu и посредством фотолитографии нанесли рисунок, который был использован в качестве металлической маски. Пленку А подвергли сухому травлению с использованием O₂-плазмы при мощности тока радиочастоты, равной 100 Вт, в течение 60-70 минут. Пленочное покрытие из полимера А (пленка Е), которая была структурирована только на поверхность базового электрода 24, была получена с использованием указанного процесса. Пленка Е была подвергнута обработке коронным разрядом так же, как описано в Примере 2, и была получена электретная пленка (пленка F), имевшая поверхностный потенциал -640 В.

Структурированный Cr/Au/Cr-электрод (противоэлектрод А) был сформирован на стеклянной основе, изготовленной из стекла Pyrex (зарегистрированный товарный знак) и имевшей толщину 0,7 мм, с использованием такого же процесса, как описано выше. Как показано на Фиг.8, пленка А и противоэлектрод А были размещены на расстоянии 30 мкм. Посредством фиксации пленки А и горизонтальной вибрации противоэлектрода А в направлении, указанном стрелкой на Фиг.8, с частотой 20 Гц и амплитудой 1,2 нм была получена электрическая мощность до 0,698 мВт.

Реферат

Изобретение относится к усовершенствованию электрета и устройству для преобразования энергии посредством электростатической индукции, содержащему такой электрет. Электрет содержит смесь фторсодержащего полимера и силанового сшивающего агента. Фторсодержащий полимер включает кольцевую структуру в основной цепи и содержит карбоксильную группу. Силановый сшивающий агент содержит аминогруппу. Способ получения электрета включает формирование пленки композиции покрытия, обжиг пленки, инжектирование заряда в пленку. Изобретение позволяет получить электрет с повышенным поверхностным потенциалом. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула