De Leidse fles (fig. 1) is ruim tweeëneenhalve eeuw oud. In de Leidse fles zit permanent elektrische lading opgeslagen: het is een elektreet. Die zijn verwant aan maar minder bekend dan magneten. Toch maken velen van ons er dagelijks gebruik van via de microfoon van hun telefoon. Na de Leidse fles was het letterlijk eeuwenlang wachten op polymeren. Polymeren hebben covalente bindingen waarin de elektrische lading volkomen gelijkmatig verdeeld is. Daarom isoleren ze uitstekend en zijn het goede uitgangsmaterialen voor stabiele elektreten.
Figuur 1: De Leidse fles Bron: Museum Boerhaave
Elektreten
Elektreten trekken deeltjes, dus stof, aan (fig. 2). De vangst is vooral effectief voor submicrondeeltjes, die gevaarlijk zijn voor onze gezondheid omdat ze diep in de longen doordringen. Elektreetfilters hebben daarom een open vezelstructuur (fig. 4). Ze combineren een hoge efficiëntie met een laag drukverlies.
Figuur 2. Aantrekking van geladen en ongeladen stof. De elektreetvezels wekken in ongeladen deeltjes een elektrisch veld op (analoog aan de wijze waarop een magneet in niet-magnetische voorwerpen een magneetveld opwekt). Door dit effect, dat inductie wordt genoemd, ondervinden deze deeltjes toch een sterke coulombkracht, zodat ze efficiënt worden afgevangen. Bron: J. van Turnhout
Lange tijd wilde het niet lukken om elektreetfilters op grote schaal te fabriceren. Men liet zich te veel leiden door de analogie met magneten, waar de magnetische dipolen gericht worden. Hetzelfde streefde men na bij elektreten door een polymeer op te warmen én af te koelen in een sterk elektrisch veld.
Injectie
Zodra men de analogie met magneten echter loslaat, biedt zich een andere optie aan. Deze is bij TNO rond 1970 voor Philips-ELA (Breda) ontwikkeld. Het idee was: stap af van dipool-oriëntatie en ga over op ladingsinjectie. De eerste ladingsinjectie werd met een elektronenmicroscoop uitgevoerd. Vervolgens werd de corona-oplading ontwikkeld, waarmee geïoniseerde lucht in bijvoorbeeld een polymeerfilm van Teflon- FEP (tetrafluoretheen en propeen) wordt geïnjecteerd (fig. 3).
Figuur 3. Snelle, uniforme corona-oplading van een kunststoffilm van circa 25 micrometer dik. De corona gloeit op door ionisatie rond de dunne draadjes, die op een hoge spanning zijn aangesloten. Met het stuurrooster wordt de hoogte van de oplading ingesteld. Bron: J. van Turnhout
De snelle, contactloze ladingsinjectie bracht de productie van elektreetfilters een stap dichterbij. Een extra voordeel was dat ook niet polaire polymeren – d.w.z. nog betere isolatoren – konden worden gebruikt, die bovendien waterafstotend ( hydrofoob) en dus vochtongevoelig zijn. Eén van de nieuwste ontwikkelingen is poreuze polymeren als basismateriaal te nemen.
Figuur 4. Scanning-electron microscoopfoto van een met stof beladen elektreetfilter. Bron: J. van Turnhout
Film
Hoe laadt men vezels op? In 1973 is bij TNO voor een route gekozen, waarop in 1974 wereldwijd octrooi verleend werd. Hierbij worden van een polymeerfilm fijne, rechthoekige vezels gemaakt. Dat heeft het voordeel dat men een film in plaats van vezels kan opladen. Dit alles leidde tot het gewenste, volcontinue productieproces voor elektreetfilters (fig. 5). Het was verheugend dat de industriële productie spoedig daarna, in 1975, werd opgestart door Verto (Verenigde Touwfabrieken, Maassluis). De productie is later overgegaan naar 3M-Filtrete (Breda) en daar sterk uitgebreid (nu 120 medewerkers). De filters worden ook bij de 3M vestiging in Engeland (Aycliffe) en in de hoofdvestiging van 3M (St Paul, VS) geassembleerd.
Figuur 5. Industriële productie van elektreetfilters op basis van splijtvezels van bv. isotactisch polypropeen (schematisch) Bron: J. van Turnhout
Elektreetfilters (merknaam Filtrete) hebben diverse toepassingen gevonden: in mondmaskers, diskdrives, medische filters, stofzuigers, autofilters, luchtreinigers, en luchtverwarming.
Zie ook:
Literatuur:
- J.I.T. Stenhouse, L. Gradon, J.C.M. Marijnissen, Electret Filters, Production and Properties, Delft University Press, Delft (1999).
- G.M. Sessler, Electrets, Laplacian Press, Morgan Hill (Cal.) (3rd Ed. 1999)
- J. van Turnhout, Toepassingen van geladen kunststoffen, in Kunststoffen 1986 – Terugblik en Toekomst, Wijt, Rotterdam (1986), pp. 296-305
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).