一种驻极体荷电修复设备及修复方法

技术领域

本发明涉及电子工业技术领域，尤其是涉及一种驻极体荷电修复设备及修复方法。

背景技术

驻极体又称永电体，是一种特殊的电介质，指具有长期贮存空间逾量电荷或长期保持极化状态的物体。驻极体具有体电荷特性，即它的电荷既出现在驻极体表面，也存在于其内部，这个特性与永久磁体相似。驻极体近年来发展迅速，其应用遍及物理、电子、生物、医疗等各个领域，范围包括麦克风、传感器、换能器、仪器仪表、医用口罩、空气过滤器等各种产品，其研究也越来越深入。

通常情况下，根据驻极体电荷的性质和来源，驻极体通常会存在两种电荷：空间电荷和偶极电荷。空间电荷是由外界的电子或离子被电介质表面或体内的带电粒子(陷阱)捕获所产生，也称为驻极体的捕获电荷。而偶极电荷通常是指被冻结的取向偶极子，这种电荷是由于外场被束缚在所属的分子之内，所以也被称为束缚电荷。驻极体的荷电或充电方法通常有热极化、电晕放电、摩擦起电、静电纺丝、低能电子束轰击等。不同驻极体所用方法、工艺和设备也不相同。工业上最常用的是电晕充电法与热极化法，这些方法一般只用于驻极体的制作过程，通常体积较大，操作也比较复杂。

驻极体在使用过程中，其所载电荷会逐渐衰减和流失，最终将导致驻极体静电性能的下降。电荷的衰减既受到材料自身性质的影响，同时也与驻极体的使用环境密切相关，如温度、湿度等。目前对于电荷衰减所导致的驻极体性能下降尚无有效的修复手段，所以绝大多数驻极体都属于一次性使用材料，不但存在资源浪费，也容易造成环境污染。最典型的例子就是一次性医用口罩，其无法重复使用的重要原因就是所用熔喷布驻极材料静电性能下降、无法达到过滤要求而又不能进行有效地荷电修复，所以使用4-5小时后只能抛弃，从而造成巨大的浪费和严重的环境问题。类似问题在空气过滤器滤芯、除尘布袋、渗析膜材料等驻极体应用领域同样存在。

目前人们对于驻极体的研究多集中于材料的开发与设计以及应用范围的拓展，对于驻极体的修复研究还属于空白。因此，亟需研究和开发一种高效、简单、安全的驻极体荷电修复设备，以解决驻极体的荷电衰减无法修复的问题，通过修复能使驻极体长周期使用和循环利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驻极体荷电修复设备及修复方法，以解决现有技术中存在的驻极体荷电衰减无法修复的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种驻极体荷电修复设备，包括底座、设置在所述底座上的热极化充电组件、位于所述热极化充电组件上方的电晕充电组件、设置在所述底座上以将所述热极化充电组件和所述电晕充电组件罩设在内的保护罩；以及与所述热极化充电组件和所述电晕充电组件电性连接的电源模块。

作为本发明的进一步改进，所述电源模块包括电针阵列高压供电组件、栅电极高压供电组件、电加热温控组件，通过上述组件可对电针阵列、栅电极板的电压以及加热台的温度进行调节和控制。

作为本发明的进一步改进，所述热极化充电组件包括设置在所述底座上的加热台和设置在所述加热台上的地电极板，所述加热台与所述电源模块电性连接。

作为本发明的进一步改进，所述电晕充电组件包括放置在所述加热台上方的栅电极板和活动设置在所述底座上且位于所述栅电极板上方的电针阵列；所述栅电极板和所述地电极板之间围成用于放置待修复驻极体的空间；所述栅电极板和所述电针阵列均与所述电源模块电性连接。

本发明的驻极体荷电修复设备，将电晕充电技术与热极化充电技术相结合，通过优化的的电针列设计，可以在低功率下对驻极体材料进行高速充电，从而实现对驻极体静电性能的快速修复，可移动式的电针列和栅电极板设计、以及可调整的电针列布局能够针对不同的驻极体材料，提供灵活、适宜的充电条件，以满足不同条件下的驻极体修复需要。

作为本发明的进一步改进，所述栅电极板规格不大于所述电针阵列规格，所述栅电极板规格大于待修复驻极体规格。

作为本发明的进一步改进，所述电针阵列包括导电金属板、围设在所述导电金属板周侧的第一绝缘层、可拆卸设置在所述导电金属板上的多个针电极，所有的所述针电极均匀阵列布置。所述第一绝缘层起绝缘和保护作用；所述导电金属板通过导线与电针阵列高压供电组件连接，导电金属板的作用是固定针电极和为针电极供电。

作为本发明的进一步改进，所述针电极包括击穿保护长电针和驻极充电短电针，所述击穿保护长电针围设在所有的所述驻极充电短电针外侧；电针阵列可分为内外两部分，内部为驻极充电短电针，用于驻极的充电，其阵列形状和针电极高度可根据驻极体进行调整；外部为击穿保护长电针，长度较其他电针长5mm，用于火花击穿保护。

作为本发明的进一步改进，所述针电极末端具有变径部形成针尖结构；所述针尖结构与所述针电极之间为弧形过渡结构；所述针电极直径不大于8mm；相邻两根所述针电极之间间距不小于5mm；所述针尖结构的曲率半径不大于100微米。

作为本发明的进一步改进，所述针电极直径为1mm，所述针尖结构的曲率半径为10微米，相邻两根所述针电极之间间距为10mm。

作为本发明的进一步改进，所述针电极与所述导电金属板之间采用螺纹式固定方式，可根据驻极工艺的要求快速拆装和组合。

作为本发明的进一步改进，所述栅电极板包括导电金属网、围设在所述导电金属网周侧的第二绝缘层、设置在所述第二绝缘层四角处的支撑结构，栅电极板的作用是提高驻极体表面电荷和电位的均匀性。

作为本发明的进一步改进，所述保护罩为透明绝缘材料制成，所述保护罩前侧具有可启闭的罩门，所述罩门与所述保护罩之间设置有与所述电源模块电性连接的状态开关。

作为本发明的进一步改进，所述保护罩采用亚克力材料制成，通过设置透明保护罩用于充电操作时的安全保护；为便于操作，其前部为开合式罩门设计，同时设有罩门开合状态开关，该开关通过电源模块对系统供电情况进行控制，充电时前门须处于关闭状态系统才能供电，一旦打开则系统断电。

作为本发明的进一步改进，所述加热台的加热方式为电加热，其加热温度通过所述电源模块进行设定和调控。

作为本发明的进一步改进，所述电针阵列通过升降柱设置在所述底座上。

作为本发明的进一步改进，所述导电金属网的网孔直径不大于1mm。

作为本发明的进一步改进，所述地电极板采用导电金属板材制成。

作为本发明的进一步改进，所述击穿保护长电针长度比所述驻极充电短电针长度长5mm。

本发明提供的一种修复方法，使用所述驻极体荷电修复设备进行荷电修复的方法，具体包括如下步骤：

步骤100、驻极准备：根据待修复驻极体的外形和驻极要求，调节电针阵列中针电极至合适长度，调节升降柱使电针阵列至所需高度；将驻极体放置于地电极板上，覆上栅电极板，关闭透明保护罩门；

步骤200、充电方式选择：根据驻极体材料的要求选择正高压或负高压充电方式，将电针阵列、栅电极板接电源模块中的正极或负极、地电极板接电源模块中的负极或正极，电源模块通电；

步骤300、参数调节：根据驻极工艺要求分别调节加热台的温度、栅电极板的工作电压、电针列阵的工作电压至所需值，保持稳定至所需时间即完成驻极体的荷电修复。

作为本发明的进一步改进，步骤300中，电针阵列的工作电压为1-50KV，栅电极板工作电压为0.5-2KV。

作为本发明的进一步改进，步骤200中，当充电方式为负高压充电方式时，所述电针阵列和所述栅电极板接电源模块的负极、地电极板接电源模块的正极。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明提供的驻极体荷电修复设备和修复方法，将电晕充电技术与热极化充电技术相结合，可以在低功率下对驻极体材料进行高速充电，从而实现对驻极体静电性能的快速修复；通过独特的的电针结构设计，使得该设备具有更低的电离启动电压和更强的电流密度，明显提升驻极材料的荷电效果；保护电针列阵的设计，可以对驻极材料进行有效保护，避免火花击穿对驻极体的损伤；可控电压、可移动式的电针列和栅电极板设计以及可调式的电针列布局能够针对不同的驻极体材料，提供灵活、适宜的充电条件，以满足不同条件下的驻极体修复需要，同时有利于驻极材料表面电荷和电位的均匀分布，提高驻极材料的静电性能；通过可控温的底部电加热方式，可以对极化温度进行精确和稳定控制，温度分布更加均匀，驻极效果更好；驻极过程中的高压微电流脉冲环境和产生的弱电离气体能够有效杀灭病毒、细菌、胞子等微生物，实现驻极材料的快速消毒；封闭供电式的设备结构、高压微电流的电路设计、电路过载预警与断路保护等安全设计确保了驻极过程的安全可靠；设备体积小，使用简单，便于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明驻极体荷电修复设备的主视图；

图2是本发明驻极体荷电修复设备中电针阵列的主视图；

图3是本发明驻极体荷电修复设备中电针阵列的俯视图；

图4是本发明驻极体荷电修复设备中针电极的主视图；

图5是本发明驻极体荷电修复设备中栅电极板的俯视图。

图中1、电源模块；2、电针阵列；21、导电金属板；22、第一绝缘层；23、针电极；231、击穿保护长电针；232、驻极充电短电针；3、升降柱；4、栅电极板；41、导电金属网；42、第二绝缘层；43、支撑结构；5、地电极板；6、加热台；7、底座；8、保护罩；9、待修复驻极体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种驻极体荷电修复设备，包括底座7、设置在底座7上的热极化充电组件、位于热极化充电组件上方的电晕充电组件、设置在底座7上以将热极化充电组件和电晕充电组件罩设在内的保护罩8；以及与热极化充电组件和电晕充电组件电性连接的电源模块1。

本发明的驻极体荷电修复设备，通过将电晕充电技术与热极化充电技术相结合，通过优化的的电针列设计，可以在低功率下对驻极体材料进行高速充电，从而实现对驻极体静电性能的快速修复。

进一步的，热极化充电组件包括设置在底座7上的加热台6和设置在加热台6上的地电极板5，加热台6与电源模块1电性连接。

具体的，加热台6的加热方式为电加热，其加热温度通过电源模块1进行设定和调控。

如图1所示，作为本发明的一种可选实施方式，电晕充电组件包括放置在加热台6上方的栅电极板4和活动设置在底座7上且位于栅电极板4上方的电针阵列2；栅电极板4和地电极板5之间围成用于放置待修复驻极体9的空间；栅电极板4和电针阵列2均与电源模块1电性连接。

需要说明的是，在本发明的一种可选实施方式中，电针阵列2通过升降柱3设置在底座7上。具体的，升降柱3位于底座7一端，电针阵列2边部固定在升降柱3上，升降柱3采用现有技术中的产品实现，能够进行升降以及升降完成后的位置锁定。由于采用现有技术产品实现，故具体结构再此不做赘述，只要能实现带动电针阵列2的升降和位置锁定就可以。

为了保证修复效果，栅电极板4规格不大于电针阵列2规格，栅电极板4规格大于待修复驻极体9规格。也就是说，栅电极板4整体均位于电针阵列2俯视投影区域内，待修复驻极体9整体位于栅电极板4俯视投影区域内。

具体的，击穿保护长电针231末端与待修复驻极体9边缘之间的水平距离不小于2cm。

如图2和图3所示，作为本发明的一种可选实施方式，电针阵列2包括导电金属板21、围设在导电金属板21周侧的第一绝缘层22、可拆卸设置在导电金属板21上的多个针电极23，所有的针电极23均匀阵列布置。第一绝缘层22起绝缘和保护作用；导电金属板21通过导线与电针阵列高压供电组件连接，导电金属板21的作用是固定针电极23和为针电极23供电。需要说明的是，第一绝缘层22为盖形结构，包括基部和围设在基部四周的墙部，导电金属部21放置在第一绝缘层22的内腔顶部。

为了提高设备的适用范围，以及根据驻极体工艺的快速拆装和组合的要求，针电极23与导电金属板21之间采用螺纹式固定方式，电针阵列2上的每个针电极23均可以拆卸、进行更换或布局调整，也可以通过调整针电极23在导电金属板21上的螺接深度调节针电极23长度，或者直接更换不同长度的针电极23实现电针阵列2的长度调节，或者调整针电极23之间的间隔布置阵列形式，通过以上结构可以为驻极体提供灵活、适宜的充电条件，以满足不同条件下的驻极体修复需要。

如图2所示，作为本发明的一种可选实施方式，针电极23包括击穿保护长电针231和驻极充电短电针232，击穿保护长电针231围设在所有的驻极充电短电针232外侧；且击穿保护长电针231长度较其他驻极充电短电针232的长度长5mm；通过升降柱3的调节以进行电针阵列2高度调节，保证修复时，击穿保护长电针231末端与待修复驻极体9之间距离不小于2cm。驻极充电短电针232位于电针阵列2内部，用于驻极的充电，其阵列形状和针电极23高度可根据驻极体进行调整；击穿保护长电针231位于电针阵列2外部，用于火花击穿保护。

如图4所示，为了使电针阵列2的启动电压低，更容易产生电晕，针电极23末端具有变径部形成针尖结构；针尖结构与针电极23之间为弧形过渡结构；需要说明的是，针电极23直径不大于8mm；相邻两根针电极23之间间距不小于5mm；针尖结构的曲率半径不大于100微米。

如图5所示，作为本发明的一种可选实施方式，栅电极板4包括导电金属网41、围设在导电金属网41周侧的第二绝缘层42、设置在第二绝缘层42四角处的支撑结构43，栅电极板4的作用是提高驻极体表面电荷和电位的均匀性。

进一步的，保护罩8为透明绝缘材料制成，保护罩8前侧具有可启闭的罩门，罩门与保护罩8之间设置有与电源模块1电性连接的状态开关。通过设置透明保护罩用于充电操作时的安全保护；为便于操作，其前部为开合式罩门设计，同时设有罩门开合状态开关，该开关通过电源模块对系统供电情况进行控制，充电时前门须处于关闭状态系统才能供电，一旦打开则系统断电。

具体的，地电极板5采用导电金属板材制成。

具体的，导电金属网41的网孔直径不大于1mm。

实施例1：

在本实施例中，如图1所示，提供了一种驻极体荷电修复设备由电源模块1、电针阵列2、升降柱3、栅电极板4、地电极板5、加热台6、底座7、透明保护罩8及其相关电路、仪表等组成。

电源模块1包括电针阵列高压供电组件、栅电极高压供电组件、电加热温控组件，通过上述组件可对电针阵列2、栅电极板4的电压以及加热台6的温度进行调节和控制。

其中，电针阵列高压供电组件和栅电极高压供电组件，从电压等级上划分为低压模块和高压模块，低压模块包括整流滤波电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、过压保护与归零启动电路；高压模块包括高频升压变压器和倍压整流电路。低压控制电路和高压部件分别对应安装在各自的PCB板上，二者之间通过软信号线实现电连接；高压部件灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上。其中，高压绝缘胶包括：硫化硅橡胶、环氧树脂、高压绝缘硅脂等。通常情况下，未进行绝缘灌封的高压超过5kV时就有可能出现放电现象，通过高压绝缘灌封设计可避免裸露在空间中的高压部件发生击穿放电、从而造成电路干扰和设备损坏的问题。灌封的厚度可根据高压值确定，通常的环氧树脂介电强度为20kV/cm左右。为了提高导热性能，可在硅橡胶里加入少量氮化硼。所述新型驻极体荷电修复技术及其设备，其电针阵列高压供电组件和栅电极高压供电组件，从电压等级上划分为低压模块和高压模块，低压模块包括整流滤波电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、过压保护与归零启动电路；高压模块包括高频升压变压器和倍压整流电路。低压控制电路和高压部件分别对应安装在各自的PCB板上，二者之间通过软信号线实现电连接；所述高压部件灌封在高压绝缘胶里，进而再安装在PCB板上。其中，所述高压绝缘胶包括：硫化硅橡胶、环氧树脂、高压绝缘硅脂等。通常情况下，未进行绝缘灌封的高压超过5kV时就有可能出现放电现象，通过高压绝缘灌封设计可避免裸露在空间中的高压部件发生击穿放电、从而造成电路干扰和设备损坏的问题。灌封的厚度可根据高压值确定，通常的环氧树脂介电强度为20kV/cm左右。为了提高导热性能，可在硅橡胶里加入少量氮化硼。

电针阵列2包括中间的导电金属板21，导电金属板21通过导线与电针阵列高压供电组件相连，导电金属板21的作用是固定针电极23和为针电极23供电；导电金属板21为正方形或长方形结构(如图3所示)，导电金属板21外层包覆有一层由环氧树脂板制成的第一绝缘层22，起绝缘和保护作用，导电金属板21上呈多排多行阵列形式布置有针电极23，相邻两排和相邻两行之间的针电极23间距相等；当然，导电金属板21也可以采用其他形状，针电极23也可以采用非排和行的阵列形式布置，比如导电金属板21可以设置成三角形、星形、圆形或其他形状，针电极23也可以设置成如圆环形的阵列形式、之字形阵列形式等。在此，对于形状和阵列形式并不做具体限定。

升降柱3位于底座7一侧，电针阵列2的一边中部与升降柱3连接，电源模块1固定在升降柱3顶部；保护罩8可以将升降柱3罩设在内，也可以在对应升降柱3位置设置沿竖直方向开通的贯通口，以便于升降柱3与电针阵列2之间的连接件穿过。

具体的，针电极23直径为1mm，针尖结构的曲率半径为10μm，针间距为10mm。

在本实施例中，针电极23包括位于外圈的击穿保护长电针231，和位于内圈的长度较短的驻极充电短电针232，其中，驻极充电短电针232呈多排多行矩形阵列设置，击穿保护长电针231位于所有的驻极充电短电针232外侧，成矩形环状设置，且所有的击穿保护长电针231的横向和纵向位置与内圈的驻极充电短电针232的行和排一一对应设置。

在本实施例中，击穿保护长电针231比驻极充电短电针232长5mm。

为了保证修复效果，待修复驻极体9整体位于栅电极板4的俯视投影区内，栅电极板4整体位于电针阵列2的俯视投影区内，在本实施例中，击穿保护长电针231距离驻极体材料边缘的水平距离为5cm。

栅电极板4由导电金属网41与第二绝缘层42组成，第二绝缘层42也可以采用环氧树脂板制成，其中导电金属网41的网孔直径为0.5mm。

电针阵列2工作电压为1～50KV，栅电极板4工作电压为0.5～2KV。

驻极体荷电修复设备的充电方式可根据驻极体材料的要求选择正高压或负高压充电方式，最优的为负高压充电方式，即电针阵列2和栅电极接板4电源模块1的负极、地电极板5接电源模块1的正极。

本发明提供了一种修复方法，使用驻极体荷电修复设备进行荷电修复的方法，具体包括如下步骤：

步骤100、驻极准备：根据待修复驻极体的外形和驻极要求，调节电针阵列中针电极至合适长度，调节升降柱使电针阵列至所需高度；将驻极体放置于地电极板上，覆上栅电极板，关闭透明保护罩门；

步骤200、充电方式选择：根据驻极体材料的要求选择正高压或负高压充电方式，将电针阵列、栅电极板接电源模块中的正极或负极、地电极板接电源模块中的负极或正极，电源模块通电；

步骤300、参数调节：根据驻极工艺要求分别调节加热台的温度、栅电极板的工作电压、电针列阵的工作电压至所需值，保持稳定至所需时间即完成驻极体的荷电修复。

步骤300中，电针阵列的工作电压为1-50KV，栅电极板工作电压为0.5-2KV。

步骤200中，当充电方式为负高压充电方式时，电针阵列和栅电极板接电源模块的负极、地电极板接电源模块的正极。

在使用本发明提供的驻极体荷电修复设备对一次性医用口罩进行荷电修复后，测试结果为：在空气流量(85±2)L/min条件下，其对空气动力学中值直径(0.24±0.06)μm氯化钠气溶胶的过滤效率为由83％提高至97％，即符合N95(或FFP2)及以上等级。

这里首先需要说明的是，“向内”是朝向容置空间中央的方向，“向外”是远离容置空间中央的方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。