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驻极体及其应用

—.驻极体及其制备

驻极方法主要有静电纺丝法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法、低能电子束轰击法等

20世纪70年代以来,各种荷电技术以及通过混合不同纤维的带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用[2]。其直接的结果是导致了现在的静电驻极方法(工艺)。这些方法(工艺)的静电驻极机理等内容见表1。
     常见的电介质在外电场作用下发生极化,当去除外电场,电介质的极化现象也随之消失.驻极体是具有长久电荷的电介质,它的电荷可以是因极化而被“冻结”的极化电荷,也可以是陷入表面或体内“陷阱” 中的正、负电荷.与钢棒经磁化后具有剩磁成为永磁体类似,人们也把具有长久保留电荷的电介质叫永电体,习惯上称为驻极体。
     1919年日本海军大学的江口元太郎甚首次人工制成驻极体.当时用巴西棕榈蜡与松香的等量混合,再加些蜂蜡,熔融至130摄氏度,加上15千伏每厘米的电场,冷却凝固后,去掉电场,便制成驻极体.这种制备方法热极化法.
    随着人们对驻极体的研究和应用,制备的材料不再用天然材料的混合物,而是大量使用人工制造的聚合物资料,如聚四氟乙烯(PTFE),聚偏二氟乙烯(PVDF)等,聚合物驻极体具有更好荷电能力优良的机械性能,可制成微米量级的薄膜.用热极化法制备时,加热温度应稍高于聚合物的玻璃化温度(聚四氟乙烯约150~200摄氏度),所用电场约0.1~1千伏每厘米,极化时间约几分钟到1小时,此期间保持恒温.而制备方法除热极化法之外,还有电晕法,电子射线法和液体接触法等。
 

二 驻极体电荷情况
    驻极体荷电情况是比较复杂的,包括有表面电荷、极化电荷和体电荷.表面电荷是由于介质表面存在杂质、氧化物、被切断的分子链等形成聚合物的表面陷阱,可能捕捉正、负电荷成为表面电荷;在电介质中,偶极子的每一个平衡位置对应着位能的极小值,当获得附加能(如加热)或在外电场作用下使位阱偏斜,就有可能超出原来的位阱,而沿外电场方向整齐排列,冷却后,偶极子就被“冻结”在电场方向上,形成永久极化电荷;在聚合物体内往往有杂质离子及各种缺陷,形成了正、负电的陷阱,在外电场的作用下,正负离子将向两极分离,并可能被陷阱捕获,外界电荷也可能注入介质内的陷阱中,形成永久性电荷,这种电荷称体电荷.
    在实际应用中,多数情况下不必详细了解驻极体具体的荷电情况,只要了解介质表面或它与电极之间气隙的电场,这时,可用等效表面电荷的概念来描述驻极体的荷电特性.设想驻极体的全部电荷折合成一定数量集中在表面,而内部好象没有电荷,如果这种折合表面电荷在表面及气隙中所产生的场强与实际场强相等,这种折合表面电荷就叫做等效表面电荷。
 

三. 驻极体的场强和表面电位
      在研究应用中,驻极体通常处在平行板电极之中,电极与驻极体表面相互平行.最简单的如由一面蒸镀金属的驻极体薄膜,与另一金属板构成, 如图7-1所示.设驻极体的厚度为L,相对介电常数为 ,等效表面电荷面密度为,驻极体表面与另一电极间夹有空气层,厚度为d,为简便起见,只讨论两电极短路的情况。根据静电场的高斯定理有 (1)  根据静电场的环路定理有 (2) 解得: (3) 上式E表示气隙中的场强.由于两电极短路,驻极体两表面间的电位差应等于驻极体表面与电极间气隙两端的电位差,即为驻极体的表面电位,其绝对值可表示为 (4) 在实际测量中,有L< ,则用 表示在这一条件下的表面电位,有 (5) 上式表明,驻极体表面电位只决定于其等效表面电荷面密度及自身是厚度.驻极体的表面电位可用特制的表面电位计测量(测时电极接地),从而便可计算出等效表面电荷面密度
         驻极体在工业技术、医学、生物学等领域都有应用,下面介绍驻极体传声器、驻极体空气过滤器和传真图像记录等几种。

四.驻极体传声器
     驻极体传声器是驻极体换能器的一种,它是依据静电效应进行工作的,它的结构如图7-1所示,再稍加改造便可,将对着驻极体裸露面的极板穿了少数小孔,并用气隙垫圈隔开,即成为充以驻极体和空气双层介质的电容器.两极板之间用电阻器R连接,R便上传声器的前置放大器的输入电阻。
     如图7-2所示,因此,这种传声器叫做驻极体电容传声器(实际上气隙和驻极体薄膜的总厚度与传声器的直径相比是微不足道的)。由于驻极体薄膜带有电荷,在气隙中产生电场,使得气隙两端有一定的电压 ,这就提供了固有偏压,另一方面驻极体薄膜也是传声器的振膜.当声波以振幅l 、圆频率 的正弦波作用在振膜上时,振膜便按正弦规律振动起来,通过严格的数学运算,可求出在R上产生的与声波同频率的交流信号电压为  (6)其中C为传声器的电容,其它各量均与上设相同.这样,就实现了声电转换过程,声频电信号经放大后,可推动扬声器,也可以激励录音机磁头,将声音的电信号再转换成磁信号储存在磁带中。
    驻极体电容传声器有较好的声学特性,其工作频率可从10 ~10 赫,有低的谐波失真,低的机振灵敏度和好的瞬态响应,对磁场不敏感,对水汽造成的短路也不敏感,且易于设计.目前使用极为广泛的无线话筒,便是驻极体电容传声器的一种。
 

五.驻极体空气过滤器
     用聚丙稀纤维制成的空气过滤器,可以高效率地从污染的空气中除去粒径为微米级的尘埃,这种过滤器已用于超级净化工房。
     将聚丙稀拉伸的薄膜用电晕法充电,随后切纤维,由于纤维间的静电斥力,混乱堆放的纤维之间将保持着比较均匀但不规则的空隙,把这些纤维装入清理空气通道中,便能除去漂浮在空气中的尘埃。
<    驻极体纤维是靠静电吸力除去尘埃的.由于静电吸力作用距离较长,过滤器中驻极体纤维之间的空隙可以比较大,故流过过滤器后气流的压力降落比非驻极体过滤器要小;而且潮湿和电离的空气不会使过滤器中的驻极体纤维显著放电.因此,驻极体空气过滤器是受欢迎的节能高效过滤器。
 

六.传真图像记录
     商用传真图像记录是电子束将电荷像沉积在绝缘介质表面,经显影而成,其装置如图7-3所示.在阴极射线管屏幕上穿通地镶嵌着许多彼此平行而绝缘的细短导线,导线一端在管内,另一端在管外,分别整齐地排列在射线管屏幕内、外两个平面上,涂有高电阻率的介质膜的纸带紧贴在射线管的屏幕上,当被图像调制的电子束扫描时,落在屏幕的导线端上的电荷便传到纸带的介质膜上,在纸带上形成一个电荷潜像,再用带异种电荷的色粉与具有潜像的纸带接触,由于静电效应,潜像便变成可见的图像。
    如果扫描电子束的直径为0.5微米,能量为10keV.可以直接在氟朔料薄膜上写字作图,生成的图像可以保存许多年。
   

 此外,值得一提的,用驻极体可制成医用材料,如我A国首创的消炎止痛膜用于治疗某种类型的伤痛,已取得良好的疗效,获得国际尤里卡发明金奖,并已批量生产;驻极体薄膜的电场有阻止血栓形成作用,有希望成为人造血管的材料等等。

驻极体在生物医学领域的应用过程中,除了要考虑环境因素和工作条件对其电荷储存稳定性(即驻极体电荷的寿命)的影响外,还必须考虑使用前的消毒方法对驻极体
 

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