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駐極體及其應(yīng)用

—.駐極體及其制備

駐極方法主要有靜電紡絲法、電暈放電法、摩擦起電法、熱極化法、低能電子束轟擊法等。

20世紀(jì)70年代以來，各種荷電技術(shù)以及通過混合不同纖維的帶電技術(shù)等各具特色的帶靜電過濾器得到了開發(fā)和利用[2]。其直接的結(jié)果是導(dǎo)致了現(xiàn)在的靜電駐極方法（工藝）。這些方法（工藝）的靜電駐極機(jī)理等內(nèi)容見表1。
     常見的電介質(zhì)在外電場作用下發(fā)生極化,當(dāng)去除外電場,電介質(zhì)的極化現(xiàn)象也隨之消失.駐極體是具有長久電荷的電介質(zhì),它的電荷可以是因極化而被“凍結(jié)”的極化電荷,也可以是陷入表面或體內(nèi)“陷阱” 中的正、負(fù)電荷.與鋼棒經(jīng)磁化后具有剩磁成為永磁體類似,人們也把具有長久保留電荷的電介質(zhì)叫永電體,習(xí)慣上稱為駐極體。
     1919年日本海軍大學(xué)的江口元太郎甚首次人工制成駐極體.當(dāng)時用巴西棕櫚蠟與松香的等量混合,再加些蜂蠟,熔融至130攝氏度,加上15千伏每厘米的電場,冷卻凝固后,去掉電場,便制成駐極體.這種制備方法熱極化法.
    隨著人們對駐極體的研究和應(yīng)用,制備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資料,如聚四氟乙烯(PTFE),聚偏二氟乙烯(PVDF)等,聚合物駐極體具有更好荷電能力優(yōu)良的機(jī)械性能,可制成微米量級的薄膜.用熱極化法制備時,加熱溫度應(yīng)稍高于聚合物的玻璃化溫度(聚四氟乙烯約150~200攝氏度),所用電場約0.1~1千伏每厘米,極化時間約幾分鐘到1小時,此期間保持恒溫.而制備方法除熱極化法之外,還有電暈法,電子射線法和液體接觸法等。
　

二駐極體電荷情況
駐極體荷電情況是比較復(fù)雜的,包括有表面電荷、極化電荷和體電荷.表面電荷是由于介質(zhì)表面存在雜質(zhì)、氧化物、被切斷的分子鏈等形成聚合物的表面陷阱,可能捕捉正、負(fù)電荷成為表面電荷;在電介質(zhì)中,偶極子的每一個平衡位置對應(yīng)著位能的極小值,當(dāng)獲得附加能(如加熱)或在外電場作用下使位阱偏斜,就有可能超出原來的位阱,而沿外電場方向整齊排列,冷卻后,偶極子就被“凍結(jié)”在電場方向上,形成永久極化電荷;在聚合物體內(nèi)往往有雜質(zhì)離子及各種缺陷,形成了正、負(fù)電的陷阱,在外電場的作用下,正負(fù)離子將向兩極分離,并可能被陷阱捕獲,外界電荷也可能注入介質(zhì)內(nèi)的陷阱中,形成永久性電荷,這種電荷稱體電荷.
在實際應(yīng)用中,多數(shù)情況下不必詳細(xì)了解駐極體具體的荷電情況,只要了解介質(zhì)表面或它與電極之間氣隙的電場,這時,可用等效表面電荷的概念來描述駐極體的荷電特性.設(shè)想駐極體的全部電荷折合成一定數(shù)量集中在表面,而內(nèi)部好象沒有電荷,如果這種折合表面電荷在表面及氣隙中所產(chǎn)生的場強(qiáng)與實際場強(qiáng)相等,這種折合表面電荷就叫做等效表面電荷。
　

三. 駐極體的場強(qiáng)和表面電位
在研究應(yīng)用中,駐極體通常處在平行板電極之中,電極與駐極體表面相互平行.*..簡單的如由一面蒸鍍金屬的駐極體薄膜,與另一金屬板構(gòu)成, 如圖7-1所示.設(shè)駐極體的厚度為L,相對介電常數(shù)為 ,等效表面電荷面密度為,駐極體表面與另一電極間夾有空氣層，厚度為d,為簡便起見，只討論兩電極短路的情況。根據(jù)靜電場的高斯定理有 (1) 根據(jù)靜電場的環(huán)路定理有 (2) 解得：（3）上式E表示氣隙中的場強(qiáng).由于兩電極短路,駐極體兩表面間的電位差應(yīng)等于駐極體表面與電極間氣隙兩端的電位差,即為駐極體的表面電位,其絕對值可表示為 (4) 在實際測量中,有L< ,則用表示在這一條件下的表面電位,有 (5) 上式表明,駐極體表面電位只決定于其等效表面電荷面密度及自身是厚度.駐極體的表面電位可用特制的表面電位計測量(測時電極接地),從而便可計算出等效表面電荷面密度。
駐極體在工業(yè)技術(shù)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域都有應(yīng)用,下面介紹駐極體傳聲器、駐極體空氣過濾器和傳真圖像記錄等幾種。

四.駐極體傳聲器
     駐極體傳聲器是駐極體換能器的一種,它是依據(jù)靜電效應(yīng)進(jìn)行工作的,它的結(jié)構(gòu)如圖7-1所示,再稍加改造便可,將對著駐極體裸露面的極板穿了少數(shù)小孔,并用氣隙墊圈隔開,即成為充以駐極體和空氣雙層介質(zhì)的電容器.兩極板之間用電阻器R連接,R便上傳聲器的前置放大器的輸入電阻。
     如圖7-2所示,因此,這種傳聲器叫做駐極體電容傳聲器(實際上氣隙和駐極體薄膜的總厚度與傳聲器的直徑相比是微不足道的)。由于駐極體薄膜帶有電荷,在氣隙中產(chǎn)生電場,使得氣隙兩端有一定的電壓 ,這就提供了固有偏壓,另一方面駐極體薄膜也是傳聲器的振膜.當(dāng)聲波以振幅l 、圓頻率的正弦波作用在振膜上時，振膜便按正弦規(guī)律振動起來，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運算，可求出在R上產(chǎn)生的與聲波同頻率的交流信號電壓為 (6)其中C為傳聲器的電容,其它各量均與上設(shè)相同.這樣,就實現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換過程,聲頻電信號經(jīng)放大后,可推動揚聲器,也可以激勵錄音機(jī)磁頭,將聲音的電信號再轉(zhuǎn)換成磁信號儲存在磁帶中。
    駐極體電容傳聲器有較好的聲學(xué)特性,其工作頻率可從10 ~10 赫,有低的諧波失真,低的機(jī)振靈敏度和好的瞬態(tài)響應(yīng),對磁場不敏感,對水汽造成的短路也不敏感,且易于設(shè)計.目前使用極為廣泛的無線話筒,便是駐極體電容傳聲器的一種。
　

五.駐極體空氣過濾器
     用聚丙稀纖維制成的空氣過濾器,可以高效率地從污染的空氣中除去粒徑為微米級的塵埃,這種過濾器已用于超級凈化工房。
     將聚丙稀拉伸的薄膜用電暈法充電,隨后切纖維,由于纖維間的靜電斥力,混亂堆放的纖維之間將保持著比較均勻但不規(guī)則的空隙,把這些纖維裝入清理空氣通道中,便能除去漂浮在空氣中的塵埃。
<    駐極體纖維是靠靜電吸力除去塵埃的.由于靜電吸力作用距離較長,過濾器中駐極體纖維之間的空隙可以比較大,故流過過濾器后氣流的壓力降落比非駐極體過濾器要小;而且潮濕和電離的空氣不會使過濾器中的駐極體纖維顯著放電.因此,駐極體空氣過濾器是受歡迎的節(jié)能高效過濾器。
　

六.傳真圖像記錄
     商用傳真圖像記錄是電子束將電荷像沉積在絕緣介質(zhì)表面,經(jīng)顯影而成,其裝置如圖7-3所示.在陰極射線管屏幕上穿通地鑲嵌著許多彼此平行而絕緣的細(xì)短導(dǎo)線,導(dǎo)線一端在管內(nèi),另一端在管外,分別整齊地排列在射線管屏幕內(nèi)、外兩個平面上,涂有高電阻率的介質(zhì)膜的紙帶緊貼在射線管的屏幕上,當(dāng)被圖像調(diào)制的電子束掃描時,落在屏幕的導(dǎo)線端上的電荷便傳到紙帶的介質(zhì)膜上,在紙帶上形成一個電荷潛像,再用帶異種電荷的色粉與具有潛像的紙帶接觸,由于靜電效應(yīng),潛像便變成可見的圖像。
    如果掃描電子束的直徑為0.5微米,能量為10keV.可以直接在氟朔料薄膜上寫字作圖,生成的圖像可以保存許多年。

此外,值得一提的,用駐極體可制成醫(yī)用材料,如我A國首創(chuàng)的消炎止痛膜用于治療某種類型的傷痛，已取得良好的療效，獲得國際尤里卡發(fā)明金獎，并已批量生產(chǎn)；駐極體薄膜的電場有阻止血栓形成作用，有希望成為人造血管的材料等等。

駐極體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，除了要考慮環(huán)境因素和工作條件對其電荷儲存穩(wěn)定性(即駐極體電荷的壽命)的影響外，還必須考慮使用前的消毒方法對駐極體
　