Brevet FR2467474A1 — publié le 19810417

PROCEDE DE FABRICATION D'ELECTRETS - La présente invention concerne un procédé de fabrica- tion d'électrets à partir d'une matière consistant en un poly- mère en particulier un polymère ou un copolymère fluoré, dans lequel un produit formé à partir de cette matière est chargé positivement. Il existe déjà des électrets stables chargés négative- ment, par exemple par charge par effet couronne ou corona. En raison des avantages des systèmes équilibrés, par exemple dans les écouteurs à électrets, dans lequels un élec- tret chargé positivement et un électret chargé négativement doivent être combinés, un important besoin existe d'un élec- tret stable, chargé positivement. Ce besoin se ressent également pour des filtres réalisés avec des fibres électrets dans lesquels le fonctionnement d'un filtre est basé principalement sur l'attraction électrique de la poussière ou de particules d'aérosol par les fibres élec- trets. Dans ce cas, des fibres électrets chargées des deux cô- tés sont nécessaires, avec un côté chargé positivement et l'au- tre côté chargé négativement. Ces fibres à charge bipolaire produisent un fort champ électrique non homogène par lequel des particules chargées et non chargées sont capturées beaucoup plus efficacement que dans des filtres conventionnels consti- tués par des fibres non chargées. Un autre besoin important existe pour les filtres à electrets, c'est-à-dire qu'un filtre de ce genre doit supporter des hautes températures et, à cet égard, le polytétrafluorêthylène (Téflon) ou des polymères qui lui correspondent et/ou qui en sont dérivés peuvent être uti- lisés comme matières premières. Il s'est avéré que des élec- trets chargés positivement, fabriqués à partir de polymères fluorés présentent l'inconvénient d'être beaucoup moins sta- bles que les électrets chargés négativement. Un objet de l'invention est donc de proposer un procédé du type mentionné ci-dessus, et qui permet d'éliminer cet in- convénient. - Selon l'invention, ce résultat est obtenu en soumettant la matière d'électret à un prétraitement thermique. Des électrets chargés positivement, fabriqués de cette manière, offrent non seulement l'avantage d'une excellente stabilité en fonction de la température, mais présentent éga- lement l'avantage qu'ils restent stables pendant un long u- sage et sous une forte humidité. En outre, le procédé selon l'invention est intéressant pour des applications dans lesquelles (par exemple dans des transducteurs électroacoustique) une feuille est collée fermement sur une plaque métallique selon un procédé appelé scellement à chaud, afin d'obtenir des transducteurs à élec- trets avec des propriétés mécaniques et thermiques très sta- bles. Le prétraitement thermique, appelé également recuit, est exécuté automatiquement dans ce procédé de collage. Il suffit simplement d'optimiser les conditions pendant le scel- lement à chaud. Dans ces transducteurs, la feuille et la pla- que sont perforées. L'opération-de charge de la feuille peut être exécutée avant ou après la perforation. Le procédé selon l'invention présente en outre l'avantage que l'intervalle de temps entre le prétraitement thermique et l'opération de charge n'est pas critique de sorte que ces o- pérations peuvent être exécutées dans des endroits séparés pendant la fabrication; en variante, la matière prétraitée peut être emmagasinée pendant une certaine période avant la charge. Le fait que le temps d'emmagasinage n'est pas criti- que est important car l'opération de charge est exécutée gé- néralement plus vite que le prétraitement thermique. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présente in- vention, on va en décrire, ci-après, à titre d'exemples pu- rement illustratifs et non limitatifs, des modes de réalisa- tion représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure 1 représente schématiquement un dispositif destiné à la mise en oeuvre d'un mode de réalisation du pro- cédé selon l'invention; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif destiné à la mise en ouvre d'un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention et, - les figures 3 à 6 sont des diagrammes de feuilles trai- tées et chargées selon différents procédés. La production d'un électret par charge de la matière pre- mière peut se faire selon différents procédés: 1. par-polarisation de la matière, simplement entre deux électrodes, ou en variante, en utilisant un treillis de fibres de verre entre les électrodes et la matière; 2. par bombardement électronique; 3. par bombardement ionique; 4. par charge par effet couronne, et 5. par charge par liquide. Dans la charge par effet couronne, l'air est utilisé comme agent de transport des porteurs de charge tandis que dans la charge par liquide, un liquide est utilisé comme agent de transport, ce liquide étant de préférence volatil. Le bombardement électronique ne convient que pour la charge négative, c'est-à-dire pour obtenir un électret chargé négativement, tandis que les autres possibilités (1, 3, 4 et ) conviennent bien pour la charge positive de la matière pre- mière utilisée pour un électret. Les procédés 1, 3, 4 et 5 conviennent également pour la charge bipolaire. Dans le dispositif représenté sur la figure 1, la charge par effet couronne a été choisie à titre d'exemple pour la fa- brication d'un électret. Selon la figure 1, un produit sous la forme d'une feuille d'une matière polymère est amené par un dispositif de trans- port (non représenté) à un four 2 dans lequel la feuille est chauffée à une température supérieure à la plus basse tempéra- ture de cristallisation du polymère utilisé. Cette température est maintenoe pendant une période prédéterminée. Bien qu'une feuille soit utilisée, le procédé selon l'invention convient également pour des fibres, des plaques de diverses dimenrions, etc.. qui sont amenées au four par tout moyen de transport adapté. Comme cela a déjà été indiqué, la feuille est en polymère par exemple en polytétrafluoréthylène, également appelé "Téflon". Mais également des copolymères, par exemple le tétrafluoréthr lène-hexafluoropropylène (Téflon-FEP) ou le tétrafluoréthylène- per-fluorométhoxyéthylène(Téflon-PFA) conviennent pour la fabri- cation d'électrets chargés positivement en mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. En outre, ciepolymères présentent l'avantage de pouvoir être collés facilement sur certaines autres matières, par chauffage, ce procédé de collage étant appelé scellement à chaud. Dans le but de maintenir la feuille dans le four à une 2467474' température supérieure à la plus basse température de cristal- lisation pendant une période prédéterminée, la feuille peut rester dans le four pendant cette période. La durée de pré- sence dans le four pendant la période prédéterminée peut aussi être obtenue en adaptant la vitesse d'avance et/ou la dimen- sion du four dans la direction d'entraînement de la feuille. Ensuite, la feuille 1 est amenée à un dispositif 3 de refroidissement rapide au moyen d'un dispositif de transport, non représenté, et dans lequel la feuille est refroidie brus- quement. Ensuite, la feuille 1 est amenée à un dispositif de charge 4; dans ce mode de réalisation, un dispositif de char- ge à effet couronne a été choisi, au moyen duquel une charge positive est injectée dans la feuille 1. Le dispositif de charge à effet couronne consiste-en une plaque métallique 4 connectée à la terre, une grille 6 et des fils à effluves 7. La feuille 1, qui peut être métallisée sur une face, est étendue entre une plaque métallique 5 à la terre et la grille 6. Les fils à effluves 7 sont connectés à une tension positive ou alternative, par exemple de 8 kV. Dans ce dernier cas, la charge prise par la feuille est déterminée par le potentiel de la grille 6 qui, dans ce cas, doit recevoir un potentiel positif, par exemple d'une amplitude de + 300 V par rapport à la plaque 5 à la terre. A une vitesse d'avance réduite, la feuille est à peu près chargée jusqu'au potentiel de la grille 6. Les amplitudes mentionnées à titre d'exemple peuvent être choisies jusqu'à un niveau élevé qui ne provo- que cependant aucun amorçage électrique de la feuille 1 ni éclatement d'étincelles entre les fils à effluves 7 et la pla- que 5. La figure 2 représente schématiquement un dispositif destiné à la mise en oeuvre d'un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention. Dans ce cas, la feuille est chargée en deux phases. Là également, un dispositif de transport, non représenté, est utilisé pour avancer la feuille 1. La feuille 1 est amenée au four 2 dans lequel elle est prétraitée thermiquement comme dans le dispositif de la fi- gure 1. Après une opération de refroidissement rapide (en op- tion), la feuille 1 est guidée plus avant et amenée au premier dispositif de charge 4 dans lequel elle est chargée pour la première fois. Ensuite, la feuille 1 est amenée au four 2'dans lequel elle est partiellement déchargée par chauffage. Après cette opération de décharge, la feuille 1 est amenée à un se- cond dispositif de charge 4'. Les dispositifs de charge sont représentés sous forme de cases, mais il est clair que pour cette opération, un dispositif de charge à effet couronne com- me celui de la figure 1, ou tout autre dispositif de charge approprié peut convenir. Les figures 3 à 5 incluses donnent sous forme de courbes des résultats obtenus avec des feuilles chargées. La tempéra- ture T et portée en degrés centigrades sur l'axe des abscis- ses tandis que la tension superficielle V de la feuille est portée en volt sur l'axe des ordonnées, avec une échelle lo- garithmique, cette tension Vc étant proportionnelle à la den- sité de charge positive sur la feuille. Il faut noter que les paramètres utilisés ne sont que des exemples et qu'ils ne doi- vent donc pas être considérés comme une limitation de l'inven- tion. Les courbes de la figure 3 s'appliquent à des feuilles d'une épaisseur de 50 microns faites en polymères "Téflon-FEP", qui sont chargées à la température ambiante, les fils à efflu- ves 7 étant connectés à une source de tension alternative de 8 kV et la grille 6 étant portée au potentiel de + 300 V par rapport à la plaque 5 à la terre. La courbe de la figure 3 s'applique à une feuille du type mentionné ci-dessus, qui n'a pas été recuite. Cette courbe montre une brusque chute de char- ge au-delà d'une température de chauffage de 75 C. La courbe b représente le résultat d'une feuille chargée du même type, mais recuite par un préchauffage à 250'C, cette feuille étant main- tenue à cette température pendant 2 heures. Après ce prétraite- ment thermique et après le refroidissement brusque de la feuil- le, celle-ci est chargée dans les mêmes conditions que la feuille de la courbe a. La comparaison des courbes a et b mon- tre clairement l'effet du prétraitement thermique sur la stabi- lité en fonction de la température. La chute de charge de la courbe a a complètement disparu de la courbe b. La feuille pré- traitée thermiquement conserve donc sa charge jusqu'à une tem- pérature beaucoup plus élevée. Il faut noter que les petites différences de tension au début des courbes sont dues à des différences d'épaisseur des feuilles utilisées. Le même commentaire s'applique aux courbes 6 2467474 ' décrites ci-après. Des expériences ont montré que l'amélioration de la sta- _nr nLent bilité commënci -paraItre clairement après un prétraitement thermique à une température légèrement supérieure à la plus basse température de cristallisation de la matière de la feuil- le. L'effet de recuit devient plus prononcé quand la tempéra- ture de recuit augmente. En ouitre, le temps pendant lequel la feuille est maintenue à la température de recuit est important. La figure 4 montre l'effet du temps dé recuit. La cour- 1.0 be a de ta figure 4 s'applique à une feuille qui n'a pas été prétraitée thermiquement et chargée avec le dispositif de char- ge à effet couronne 4 de la figure 1, dans lequel les fils à effluve 7 sont connectés à une source de tension alternative de 8 kV et la grille 6 est portée à un potentiel de + 300 V 1S par rapport à la plaque 5. Les courbes b et c de la figure 4 s'appliquent à des feuilles qui ont été chargées dans les me- mes conditions de charge que la feuille mentionnée ci-dessus, mais dont les feuilles ont été chauffées à 250'C avant la charge. La feuille à laquelle s'applique la courbe b a été chauffée pendant 60 minutes tandis que la feuille de la cour- be c a été chauffée pendant 120 minutes. Il est surprenant de constater que le refroidissement rapide ou la-trempe de la feuille 1 dans le dispositif de re- froidissement 3 après un préchauffage thermique accélére non seulement les opérations de fabrication maisaméliore également la stabilité. Une autre amélioration de la stabilité est obtenue lors- que la charge de la feuille est effectuée à une température supérieure à la température ambiante, de préférence à une tem- pérature entre la plus basse température de cristallisation et la température de fusion de la matière de la feuille. Cette température de charge plus élevée peut être obtenue par exem- ple en chauffant la plaque métallique 5 du dispositif de char- ge 4 à effet couronne. Quand la feuille est refroidie brusque- ment après sa charge à température élevée, une autre amélio- ration de stabilité est obtenue. Les courbes de la figure 5 démontrent le résultat obte- nu avec le procédé en deux phases selon la figure 2. La courbe a de la figure 5 est tracée pour une feuille qui a été maintenue à une température de 250'C pendant 2 heu- res pour être ensuite refroidie brusquement. Les paramètres de charge sont les mêmes que ceux des feuilles auxquelles s'appliquent les courbes décrites ci-dessus. La courbe 1 s'applique à une feuille partiellement dé- chargée par chauffage dans le four 2, cette décharge ayant été interrompue à un potentiel superficiel de + 100 V. La courbe a montre le résultat sur la feuille après sa charge pour la première fois. La courbe b de la figure 5 a été tra- cée après que la feuille a été chargée pour 1 seconde fois dans le dispositif de charge 4' de la figure 2. Les mêmes conditions de charge sont respectées dans cette seconde opé- ration de charge. Le prétraitement thermique apporte non seulement une amé- lioration de stabilité en fonction de la température, mais également en fonction du temps. Cette dernière amélioration de stabilité ressort des courbes de la figure 6. Le temps t (en minutes) est porté en abscisse sur la figure 6 dont les ordonnées indiquent (en volts) la tension superficielle Vc produite par la feuille et qui est une me- sure de la densité de charge positive sur cette feuillet La courbe a montre, à une température de mesure de 200'C, la diminution de charge d'une feuille immédiatement après sa charge, en utilisant les conditions de charge précitées.Cette feuille n'a pas été soumise à un prétraitement thermique. La courbe b montre les résultats d'une feuille qui, avant sa charge, a été soumise à un recuit à 250'C pendant 2 heures, après quoi elle a été refroidie brusquement. Des électrets positifs peuvent être utilisés en parti- culier dans des transducteurs électro-acoustique tels que des écouteurs. Dans ces écouteurs, des feuilles électrets perforées ont été utilisées, chargées selon le-procédé de l'in- vention. Il apparaît que le procédé selon l'invention convient bien pour la charge de ces feuilles perforées en dépit du fait que, en raison des perforations, le diagramme de char- ge n'est pas homogène pendant l'opération de charge. Pour l'application à un traisducteur électro-acoustique, la feuil- le perforée est collée sur une mince feuille métallique per- forée, par exemple par scellement à chaud. Il est clair que par ce scellement à chaud, la feuille perforée est recuite 8 2467474 automatiquement car l'opération de scellement se fait à une température élevée. Pour obtenir un électret aussi stable que possible, il suffit d'optimiser les conditions dans les- quelles le scellement à chaud est effectué. Etant donné quelE procédé selon l'invention permet main- tenant de fabriquer des électrets stables chargés positive- ment, il devient possible d'utiliser une combinaison d'un électret chargé positivement et d'un électret chargé néga- tivement dans un trarMucteur électro-acoustique (par exemple un écouteur). Le système équilibré ainsi obtenu offre de nom- breux avantages, par exemple une unité d'attaque plus simple et une plus forte émission d'énergie acoustique. Il faut noter qu'une amélioration de la stabilité des électrets positifs peut être obtenue en effectuant, en plus du recuit de la matière première, un dépolissage de la ma- tière avant la charge (par exemple au papier de verre ou par projection de perles de verre). Pour la fabrication de fibres électrées bipolaires pour des filtres à électrets, il est possible de partir d'une feuille non métallisée qui est d'abord recuite et qui est en- suite ou simultanément chargée positivement et négativement à ses côtés respectifs. Ensuite, un procédé connu de fibril- lation peut être utilisé pour produire des fibres électrées bipolaires à partir de la feuille à charge bipolaire. Il est également possible de partir immédiatement des fibres et de les charger positivement et négativement. Il s'est avéré que, grâce au prétraitement thermique, non seulement la charge positive mais aussi la charge néga- tive deviennent plus stables. Revendications 1. Procédé de fabrication d'electrets à partir d'une ma- tière consistant en un polymère, notamment un polymère ou co- polymère fluoré, dans lequel un produit formé à partir de la- dite matière est chargé positivement, caractérisé par le fait que la matière est prétraitée thermiquement ou recuite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, avant la charge, la matière est chauffée jusqu'au moins la plus basse température de cristallisation et est main- tenue à cette température pendant une période prédéterminée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite période prédéterminée est d'au moins une heure. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la matière est refroidie brusquement après l'expira- tion de la période prédéterminée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé par le fait que la matière est chargée à une tempéra- ture comprise entre sa plus basse température de cristallisa- tion et sa température de fusion. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la matière est refroidie brusquement après la charge. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, carac- térisé par le fait que la surface de la matière est dépolie avant la charge. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, après son recuit, la matière est chargée positive- ment pour une première fois, partiellement déchargée ensuite, puis rechargée positivement. 9, Electret bipolaire, caractérisé par le fait qu'il est chargé positivement sur un côté par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, tandis que l'autre côté est chargé négativement.