Brevet FR2535114A1 — publié le 19840427

L'invention concerne un procédé pour stabiliser des feuilles piézo- électriques polymères polarisées, dans lequel une feuille piézoélectrique polymère polarisée est exposée à un champ électrique de polarité opposée à celle utilisée pour la polarisation, pendant une période suffi- sante pour éliminer des homocharges et hétérocharges instables, mais insuffisante pour dépolariser les charges utiles de la feuille finale Dans la forme préférée de réalisation, le champ de polarité inverse est appliqué sensiblement immédiatement après la polarisation, bien que de longs délais entre la polarisation et la stabilisation puissent être tolérés. On a observé que des feuilles en matières diélectriques pouvaient acquérir une charge électrique statique en étant polarisées (c'est-à-dire- exposées à un champ de courant continu), laquelle charge statique est quasi-permanente, le degré de permanence dépendant largement de la constitution chimique de la feuille Une telle charge, due en grande partie à des porteurs posi- tifs et négatifs piégés se trouvant aux deux surfaces ou à proximité des deux surfaces du diélectrique, respec- tivement, produit ce qui est connu sous le nom d'électret. En plus d'être capable d'acquérir une charge électrique statique (et, par conséquent, un champ électro- statique), une certaine classe limitée de feuilles acquièrent également une orientation moléculaire interne ordonnée lors- qu'elles sont exposées à un champ de courant continu de sorte que, même lorsque les charges statiques (ou électrets caractérisants) sont dissipées, la feuille possède ensuite la propriété de pouvoir produire un courant électrique entre les surfaces opposées, connectées électriquement, sous l'effet d'une variation de la pression imposée aux surfaces opposées Cette propriété est connue sous le nom d'effet piézo-électrique et certaines de ces feuilles (par exemple une feuille produite en fluorure de polyvinylidène (FPVD)) possèdent également un effet pyro-électrique (c'est- à-dire la propriété de produire un flux d'électrons lors- que la température de la feuille varie) De plus, lorsqu'une tension est appliquée aux surfaces opposées d'une feuille piézo-électrique, un effet piézo-électrique inverse se produit, c'est-à-dire que la feuille se déforme physique- ment proportionnellement à la tension qui lui est appliquée. La production d'électrets et d'une feuille piézo-électrique par interversion des polarités est bien connue dans la technique Les demandes de brevets des Etats-Unis d'Amérique No 197 463 et N O 197 466, déposées le 16 Octobre 1980 au nom de Radice, décrivent un appareil avantageux pour l'interversion continue de polarité d'une feuille sensible piézoélectrique, cet appareil utilisant une décharge d'effluves pour induire la charge piézo-électrique. Quels que soient les moyens mécaniques utilisés pour l'interversion des polarités, on a observé que la feuille ayant subi une interversion de polarité possède des charges instables, parfois décrites comme homocharges ou hétéro- charges instables Tant que ces charges instables ne sont pas éliminées, les propriétés piézo-électriques ou pyro- électriques de la structure à polarités interverties varient Il est décrit dans l'art antérieur plusieurs techniques pour éliminer de telles charges instables, par exemple par l'utilisation d'une pression, tandis que les deux surfaces de la structure sont en court-circuit (brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 4 055 878 >, l'utilisation d'un traitement thermique (brevets des Etats-Unis d'Améri- que N O 3 660 736 et N O 3 833 503) et par immersion dans de l'eau (brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 793 715). La présente invention apporte un moyen plus rapide et plus efficace pour éliminer de telles charges indésirables. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un appareil à décharge d'effluves réalisant une stabilisation par champ inverse, conformément à la présente invention; la figure 2 est un graphique donnant la charge électrique, en Q x 108 coulombs, en ordonnées, en fonction du nombre de cycles de pression, en abscisses, la courbe "A" représentant les caractéristiques de charges électri- ques d'une feuille à peu près immédiatement après l'inter- version de polarité, et la courbe "B" donnant les carac- téristiques de charge électrique de la même feuille après 12 heures de stabilisation à 21 M Pa; et la figure 3 est un graphique de mêmes coor- données que celles du graphique de la figure 2, mais sur lequel la courbe "C" représente les caractéristiques de la chiarge électrique d'une feuille à peu près immédiate- ment après l'interversion de polarités, suivie d'une sta- bilisation par champs inverses conformément à la présente invention, et la courbe "D" représente les caractéristiques de la charge électrique de la même feuille après 12 heures de stabilisation à 21 M Pa. La figure 1 représente sous la forme d'une feuille 10 le polymère devant être soumis à une inter- version de polarité, ce polymère pouvant être avantageuse- ment du "KYNAR", à savoir un fluorure de polyvinylidène produit par la firme Pennwalt Corporation, Philaldelphie, Pennsylvanie Des feuilles de fluorure de polyvinylidène (désigné ci-après PVF 2) présentent des propriétés piézo- électriques qui peuvent être améliorées par soumission des feuilles à des techniques de polarisation ou de "'interversion de polarités" La feuille 10 peut être orientée uniaxiale- ment, biaxialement ou multiaxialement L'invention n'est pas limitée au PVF 2 o D'autres matières thermoplastiques ou polymères (y compris des copolymères), telles que du polyfluorure de vinyle, du polychlorure de vinyle et les copolymères du fluorure de vinylidène et du trifluoréthylène, et du fluorure de vinylidène et du tétrafluoréthylène, par exemple, peuvent être utilisées avantageusement à l'aide de l'appareil perfectionné d'interversiondepolarités décrit ci-après. La feuille 10 est enroulée sur une bobine débitrice 12 et, après que la feuille a été soumise à une interversion de polarités, elle est rebobinée sur une bobine réceptrice 14 Un tambour 16, placé entre les bobines, est mis en rotation par un moteur (non représenté), avantageuse- ment un moteur pas à pas qui fait progresser la feuille 10 le long d'un trajet déterminé, c'est-à-dire un trajet défini par des rouleaux classiques comprenant-des rouleaux fous ou de guidage 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 et 36; des rouleaux danseurs 38 et 40, et des rouleaux tendeurs 42 et 44 Les rouleaux danseurs 38 et 40 peuvent être suspendus, placés en appui sur un bras pivotant ou disposés de toute autre manière convenable Le rouleau danseur "danse" vers le haut lorsque la tension appliquée à la feuille 10 entre le tambour 16 et la bobine débitrice 12 augmente Un interrupteur 48 de proximité peut être disposé à proximité immédiate du rouleau danseur 38 pour commander un moteur convenable (non représenté) qui fait débiter davantage de feuille de la bobine 12 jusqu'à ce que la tension imposée à la feuille 10 soit revenue à la valeur normale Un autre interrupteur 50 de proximité peut être disposé de façon à coopérer avec le rouleau danseur 40 pour réguler la tension de la feuille 10 entre la bobine récep- t Xice 14 et une chambre 52 de chauffage. Un réglage précis des moteurs (non représentés) commandant la rotation du tambour 16 et de la bobine récep- trice 14 évite d'avoir à utiliser les interrupteurs de proximité. Des rouleaux tendeurs classiques 42 et 44 maintiennent la feuille 10 dans un état pratiquement sans pli avant et après le traitement par décharge d'effluves. Une électrode 60 de décharge d'effluves, aux bornes de laquelle est connectée une source 66 à tension continue, coopère avec le tambour tournant 16 dans le traitement de la feuille 10 par interversion de polarités. L'électrode 60 oscille dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation du tambour 16 pendant que ce dernier tourne. Des éléments flexibles 70 de chauffage par rayonnement sont disposés autour du tambour 16 et de l'électrode 60 s'il est souhaité de les chauffer. Pour préserver l'intégrité physique de la feuille 10 pendant l'interversion de polarités, une pellicule de protection ou pellicule jointe 74 est de préférence intercalée entre la feuille 10 et l'électrode 60 afin que cette dernière roule sur la pellicule qui est trans- portée à une vitesse sensiblement égale à celle de L 7 a feuille 10 La pellicule 74 peut être enroulée sur une bobine débitrice 76 et rebobinée sur une bobine réceptrice 78, cette dernière étant entraînée par un moteur à couple constant ou à accouplement glissant, par exemple En variante, la pellicule réutilisable 74 peut être réalisée sans joint et transportée sur la feuille 10 à la façon d'une bande sans fin Les rouleaux fous ou de guidage définissent le trajet suivi par la pellicule de pro- tection. La pellicule 74 est constituée avantageuse- ment d'un polymère de monomères fluorure de vinylidène et tétrafluoréthylène, en proportion d'environ 70-30 % en poids, respectivement. La chambre 52 de chauffage comprend plusieurs panneaux rayonnants 82 à commande thermostatique, de toute conception convenable. La chambre 90 de stabilisation par champs inverses contient deux électrodes 91, chargées par une source 92 de tension (qui peut être à courant alternatif ou à courant continu), en contact avec la feuille 10 afin de soumettre cette dernière à une charge de polarité opposée à celle appliquée et produite entre l'électrode et le tambour 16 Le champ inverse est maintenu pendant au moins 0,001 seconde et il est appliqué à une tempéra- ture comprise entre 20 'C et la température d'interversion de polarités Il est préférable que la feuille soit maintenue exposée au champ inverse pendant une durée de 5 à 60 secon- des. Outre qu'il peut être appliqué à une feuille soumise à un traitement d'interversion de polarités par décharge d'effluves, le procédé de stabilisation par champ inverse selon l'invention peut également être appliqué à une feuille qui a été polarisée entre des plaques chargées, par exemple comne décrit dans la demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique NI 248 151, déposée le 30 Mars 1981. L'exemple suivant est cité pour illustrer l'invention, à titre nullement limitatif. EXEMPLE a Une feuille en fluorure de polyvinylidène orientée est polarisée entre des plaques chargées par des techniques classiques En l'absence de toute stabilisation visant à éliminer les homocharges ou hétérocharges instables, la feuille polarisée est soumise à un traitement périodique sur une presse Carver fonctionnant à une force comprise entre 4500 et 9000 newtons et la charge appliquée à la surface de la feuille est mesurée au moyen d'un électro- mètre à haute impédance Les valeurs affichées par l'élec- tromètre sur onze cycles sont indiquées par la courbe "A" de la figure 2, ce qui montre qu'il faut environ huit cycles avant que l'activité piézo-électrique de la feuille appa- raisse stable Lorsque la même feuille-est stabilisée par le procédé décrit dans le brevet N' 4 055 878 précité pendant 12 heures, en commençant à peu près immédiatement après l'interversion de polarités comme décrit, on obtient les valeurs affichées, lors de l'application cyclique d'une pression, telles qu'indiquées par la courbe "B" de la figure 2 Une comparaison des courbes A et B de la figure 2 montre que la stabilisation appliquée à la feuille de la courbe B a pour résultat d'éliminer de cette feuille la charge additionnelle qui est présente sur la feuille, apparemment stabilisée, de la courbe A; en outre, la feuille de la courbe B présente un niveau de piézo-activité supérieur à celui de la feuille partiellement stabilisée de la courbe A. b Une seconde feuille, soumise à une inter- version de polarités identique à celle indiquée dans le paragraphe "a" cidessus, est stabilisée par le procédé du brevet N O 4 055 878 précité pour donner une feuille qui, lorsqu'elle est soumise à des cycles à la presse Carver, donne, à l'électromètre, les valeurs indiquées par la courbe "D" sur la figure 3 Par contre, une feuille témoin, soumise à une stabilisation par champs inversés à une tempé- rature comprise entre 50 et 55 'C, pendant 15 secondes, à environ 10 % de la tension appliquée dans l'interversion de polarités, donne, à l'électromètre, les valeurs affi- chées telles qu'indiquées par les courbes C et D de la figure 3, ce qui démontre que la stabilisation par champ inverse selon l'invention, réalisée en 15 secondes, équi- vaut au moins, en efficacité, à la suppression des charges instables telles que celles effectuées dans un traitement classique de stabilisation sous pression de 12 heures, conforme à ce qui est décrit dans le brevet N O 4 055 878 précité. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour éliminer des charges instables d'une feuille polarisée ( 10), caractérisé en ce qu'il consiste à exposer la feuille, après polarisation, à un champ électrique de polarité inverse de celle utilisée dans la polarisation. 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la feuille est exposée audit champ de polarité inverse à peu près immédiatement après la pola- risation. 3 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la feuille présente des propriétés piézo- électriques ou pyro-électriques. 4 Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la feuille comprend du fluorure de poly- vinylidène. Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la polarisation est effectuée par décharge d'effluves. 6 Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la polarisation est effectuée entre des électrodes chargées. 7 Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la feuille est exposée audit champ de polarité inverse pendant au moins 0,001 seconde. 8 Procédé selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la feuille est exposée audit champ de polarité inverse pendant une durée de 5 à 15 minutes. 9 Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce qu'une source de courant continu est utilisée pour produire ledit champ électrique de polarité inverse.