DE102008016851B4

DE102008016851B4 - Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff

Info

Publication number: DE102008016851B4
Application number: DE102008016851A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Kirst; Gerhard Dr.-Ing. Johner; Christian Dudazy; Claus Dr. Heuser
Original assignee: Coatec Gesellschaft fuer Oberflaechenveredelung mbH
Current assignee: Coatec Gesellschaft fuer Oberflaechenveredelung mbH
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: EP2260552A1; DE102008016851A1; US20110053741A1; CN102017342A; JP2011523161A; WO2009121756A1; DK2260552T3; CN102017342B; EP2260552B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff, bei dem auf die Außenfläche des Grundkörpers eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht wird, bei dem die Kunststoffschicht bis zu einer honigähnlichen Viskosität erwärmt wird, bei dem in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der so erwärmten Kunststoffschicht Feststoffpartikel mit elektrisch isolierenden Eigenschaften formschlüssig haftend derart eingebettet werden, dass nur ein Teilbereich dieser Partikel aus der Innenschicht herausragt, und bei dem die derart vorbereitete Kunststoffschicht mit einer elektrisch isolierenden, verschleißfesten äußeren Funktionsschicht beschichtet wird, in welche sich die aus der Kunststoffschicht herausragenden Partikel-Teilbereiche im Zuge des Beschichtungsvorgangs einlagern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff.
Häufig wird als dielektrischer Werkstoff für den Walzenbezug einer Koronawalze Aluminiumoxid benutzt, welches durch Plasmaspritzen auf den Walzenkörper aufgetragen wird. Eingesetzt werden solche Walzen in Koronaanlagen (siehe beigefügte Abbildung), in denen z. B. Kunststofffolien mit gezielten elektrischen Entladungen so vorbehandelt werden, dass deren Oberflächen durch Oxidationsprozesse hydrophil werden und damit im konventionellen Offsetverfahren bedruckbar sind. Da diese dielektrisch wirksamen Schichten aus Aluminiumoxid häufig porös sind, erfolgt eine Versiegelung mit Kunstharzen, und wenn die nicht nur oberflächlich, sondern über der gesamten Schichtdicke wirksam sein soll, wird dieser Prozess im Vakuum durchgeführt, wie dies aus DE 199 57 644 A1 und WO 01/40544 A1 bekannt ist. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt, dass auch eine porentiefe Vakuumversiegelung der Aluminiumoxidschicht mit einem Kunstharz kein Garant dafür ist, dass es nicht zu elektrischen Durchschlägen auf den Walzenkern kommen kann. Die Gründe dafür liegen einerseits in der beim Plasmaspritzen üblichen metallischen Haftvermittlerschicht mit erheblicher Topographie und entsprechender Spitzenwirkung (lokale Erhöhung der Feldstärke bis zum Durchschlag – Prinzip Blitzableiter) und in der Dynamik des Walzenkörpers im Betrieb mit Durchbiegungen, Schwingungen etc., was zur Folge hat, dass auch die kunstharzversiegelte Aluminiumoxidschicht Risse bekommt, durch die der Durchschlag erfolgt. Ein Durchschlag bedeutet im Allgemeinen nicht nur eine Prozessunterbrechung, sondern auch eine Zerstörung der Funktionalität der Koronawalze.
Aus US 4 869 881 A ist ferner eine Hochspannungselektrode zur Koronabehandlung von Kunststofffolien bekannt, bei der auf einem dielektrischen walzenförmigen Grundkörper ein zweischichtiger Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff aufgebracht wird. Die innere Schicht des Walzenbezugs besteht aus einem elastischen Elastomer, insbesondere Silikonkautschuk. Die äußere Schicht wird aus einem zunächst noch nicht ausgehärteten Material, insbesondere ebenfalls Silikonkautschuk, und aus Feststoffpartikeln aus anorganischem, insbesondere keramischem Werkstoff, aufgebaut. Teilbereiche der Feststoffpartikel ragen zunächst aus der äußeren Schicht heraus, und die Feststoffpartikel werden dann durch Aushärten der äußeren Schicht in dieser formschlüssig haftend gehalten. Während des Betriebs der Walze wird die Kunststoffmatrix an der Oberfläche durch natürlichen Verschleiß abgetragen, so dass die Walzenoberfläche schließlich nur noch von den eingelagerten und vor weiterem Verschleiß schützenden Feststoffpartikeln gebildet wird. Bei der bekannten Hochspannungselektrode ist die schlechte Haftung des zunächst noch nicht ausgehärteten Materials zu der inneren Schicht problematisch. Silikonkautschuk hat eher Antihafteigenschaften. Ferner ist die die Feststoffpartikel haltende Kunststoffmatrix erheblicher Alterung ausgesetzt, weil sie selbst nach natürlichem Verschleiß noch außerordentlich nahe an der Walzenoberfläche liegt und dort einer permanenten, prozessbedingten Ozonbildung ausgesetzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein zuverlässiges Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit hoher Betriebssicherheit gegen elektrische Durchschläge bereit zu stellen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 und 7 gelöst.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 wird in einem ersten Schritt auf die Außenfläche des Grundkörpers eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird die Kunststoffschicht bis zu einer honigähnlichen Viskosität erwärmt. Anschließend werden in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der so erwärmten Kunststoffschicht Feststoffpartikel mit elektrisch iso lierenden Eigenschaften formschlüssig haftend derart eingebettet, dass nur ein Teilbereich dieser Partikel aus der Innenschicht herausragt. Die derart vorbereitete Kunststoffschicht wird mit einer elektrisch isolierenden, verschleißfesten äußeren Funktionsschicht beschichtet, in welche sich die aus der Kunststoffschicht herausragenden Partikel-Teilbereiche im Zuge des Beschichtungsvorgangs einlagern.
Die Funktionsschicht wird dabei vorzugsweise durch thermisches Spritzen erzeugt, wobei die ersten Feststoffpartikel, vorzugsweise Pulverpartikel, in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der erwärmten Kunststoffschicht so eingeschossen werden, dass sie mit einem Teilbereich noch aus der Kunststoffschicht herausragen, und wobei im weiteren Verlauf des Spritzvorgangs eine Verbindung der herausragenden Feststoffpartikel mit nachfolgenden, die Funktionsschicht bildenden Feststoffpartikeln bewirkt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Funktionsschicht in einer Dicke von 0,05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm, ausgebildet. Während in konventioneller Ausführung Koronawalzen häufig Schichten aus Aluminiumoxid mit Dicken von bis zu 2 Millimetern und mehr aufweisen, die entsprechend rissanfällig sind, kann mit der erfindungsgemäßen Beschichtung die Dicke der Oxidkeramikschicht normalerweise auf wenige zehntel Millimeter herabgesetzt werden. Dies hat nicht nur ökonomische Vorteile in der Herstellung solcher Beschichtungen für Koronawalzen, sondern bietet auch noch eine wesentlich erhöhte Betriebssicherheit, weil dünnere Oxidkeramikschichten viel weniger zur Rissbildung bei dynamischer Beanspruchung neigen.
Für die in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der Kunststoffschicht eingebetteten Feststoffpartikel kann zweckmäßig der gleiche Werkstoff wie für die Funktionsschicht verwendet werden. Die Funktionsschicht kann insbesondere aus Oxidkeramik, insbesondere Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂, ZrO₂ oder Mullit oder aus einer Mischung aus zwei oder mehr dieser Werkstoffe, hergestellt werden.
Entsprechend dem abgewandelten Verfahren nach Anspruch 7 wird wiederum auf die Außenfläche des Grundkörpers eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht und bis zu einer honigähnlichen Viskosität erwärmt. Dann werden, vorzugsweise mittels einer Sandstrahl- oder Kalanderanlage, in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der so erwärmten Kunststoffschicht Feststoffpartikel mit elektrisch isolierenden Eigenschaften eindispergiert, und eine harte, verschleiß- und korrosionsbeständige Oberfläche wird durch anschließendes Schleifen des derart oberflächennah mit Feststoffpartikeln dispergierten thermoplastischen Kunststoffüberzugs ausgebildet.
Die Vorteile der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 7 liegen insbesondere darin, dass einerseits keine metallischen Haftvermittlerschichten nötig sind und dadurch die Durchschlagsgefahr über die topographiebedingte Spitzenwirkung eliminiert ist und andererseits selbst Rissbildungen in der elektrisch isolierenden Außenschicht nicht dazu führen, dass lokal die dielektrischen Eigenschaften völlig zusammenbrechen und ein Durchschlag erfolgt. Die elektrische Isolationswirkung des thermoplastischen Kunststoffs reicht, insbesondere wenn dessen spezifischer Widerstand mindestens bei 10¹² Ω·m liegt, völlig aus, um die Funktionalität der Koronawalze zu gewährleisten, so dass die darüber befindliche Außenlage eine zusätzliche elektrische Isolation darstellt, deren Hauptaufgabe allerdings im Verschleißschutz liegt. Der Überzug aus thermoplastischem Kunststoff mit hoher Dielektrizität ist sehr chemikalienbeständig und schützt den Walzenkörper sicher vor Korrosion. Unterkorrosion mit lokaler Ablösung der Aluminiumoxidschicht tritt bei konventionellen Koronawalzen dann auf, wenn deren Oberfläche z. B. mit stark sauren Reinigungsmitteln behandelt wird und der Walzenkörper aus niedrig legiertem Stahl besteht.
Als Werkstoff für die Kunststoffschicht kommen insbesondere thermoplastische Polyamide in Frage, das heißt Polyamide auf Basis Rizinusöl und PA 11 auf Basis Lactam Polyamide aus PA 4, PA 11 oder Polyamide aus PA 6.
Für die die Kunststoffschicht erwies sich eine Dicke von 0,5 mm bis 4 mm, vorzugsweise etwa 1 bis 2 mm, als besonders geeignet, und die Oberfläche des Walzenbezugs wird bevorzugt auf eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 0,5 μm < Rz < 500 μm, insbesondere auf Rz = 1,5 μm bis 20 μm, geschliffen oder poliert.
Es versteht sich, dass in beiden Verfahrensvarianten die äußere Beschichtung auch noch eine Poren verschließende Versiegelung bekommen kann, wie dies aus DE 199 57 644 A1 und WO 01/40544 A1 bekannt ist.
Die einzige Figur zeigt beispielhaft eine aus einem Walzengrundkörper 10 und einem Walzenbezug (Dielektrikum) 11 bestehende Koronawalze der vorstehend geschilderten Art bei Anwendung in einer Koronaanlage. Die Koronaanlage weist ein mit einer Absaugung versehenes Elektrodensystem 13 auf. Eine Kunststofffolie 12 ist auf der in Pfeilrichtung rotierenden Koronawalze abgestützt, während sie unter dem Elektrodensystem 13 durchläuft und dabei mit elektrischen Entladungen so vorbehandelt wird, dass ihre Oberfläche durch Oxidationsprozesse hydrophil und damit für ein Bedrucken im konventionellen Offsetverfahren geeignet wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff, bei dem auf die Außenfläche des Grundkörpers eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht wird, bei dem die Kunststoffschicht bis zu einer honigähnlichen Viskosität erwärmt wird, bei dem in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der so erwärmten Kunststoffschicht Feststoffpartikel mit elektrisch isolierenden Eigenschaften formschlüssig haftend derart eingebettet werden, dass nur ein Teilbereich dieser Partikel aus der Innenschicht herausragt, und bei dem die derart vorbereitete Kunststoffschicht mit einer elektrisch isolierenden, verschleißfesten äußeren Funktionsschicht beschichtet wird, in welche sich die aus der Kunststoffschicht herausragenden Partikel-Teilbereiche im Zuge des Beschichtungsvorgangs einlagern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Feststoffpartikel in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der erwärmten Kunststoffschicht eingeschossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Zuge eines die Funktionsschicht erzeugenden thermisches Spritzvorgangs die ersten Feststoffpartikel in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der erwärmten Kunststoffschicht so eingeschossen werden, dass sie mit einem Teilbereich noch aus der Kunststoffschicht herausragen, und bei dem im weiteren Verlauf des Spritzvorgangs eine Verbindung der herausragenden Feststoffpartikel mit nachfolgenden, die Funktionsschicht bildenden Feststoffpartikeln bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die äußere Funktionsschicht in einer Dicke von 0,05 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der Kunststoffschicht eingebetteten Feststoffpartikel der gleiche Werkstoff wie für die Funktionsschicht verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsschicht aus Oxidkeramik, insbesondere Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂, ZrO₂ oder Mullit oder aus einer Mischung aus zwei oder mehr dieser Werkstoffe, hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Koronawalze mit einem zylindrischen Grundkörper und einem Walzenbezug aus dielektrischem Werkstoff, bei dem auf die Außenfläche des Grundkörpers eine Schicht aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht wird, bei dem die Kunststoffschicht bis zu einer honigähnlichen Viskosität erwärmt wird, bei dem in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der so erwärmten Kunststoffschicht Feststoffpartikel mit elektrisch isolierenden Eigenschaften eindispergiert werden und bei dem durch anschließendes Schleifen des derart oberflächennah mit Feststoffpartikeln dispergierten thermoplastischen Kunststoffüberzugs eine harte, verschleiß- und korrosionsbeständige Oberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Feststoffpartikel mittels einer Sandstrahl- oder Kalanderanlage in die oberflächennahe Werkstoffmatrix der erwärmten Kunststoffschicht eindispergiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kunststoffschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10¹² Ω·m hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kunststoffschicht aus Polyamid hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kunststoffschicht auf den Walzen-Grundkörper im Fluidized-Bed-Verfahren oder durch ein thermisches Spritzverfahren aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kunststoffschicht in einer Dicke von 0,5 mm bis 4 mm aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche des Walzenbezugs auf eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 0,5 μm < Rz < 500 μm, insbesondere auf Rz = 1,5 μm bis 20 μm, geschliffen oder poliert wird.