DE19531898A1 - Elektrode für die Coronabehandlung von Folien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für die Coronabehandlung von Folien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um eine rohe oder beschichtete Kunststoffolie benetzbar bzw. bedruckbar zu ma­ chen, muß deren Oberflächenenergie erhöht werden. Dies folgt üblicherweise durch energiereiche Behandlung der Folienoberfläche und zwar bevorzugt dadurch, daß die Folie einer elektrischen Coronabehandlung ausgesetzt wird. Die direkt vom Extruder oder von einer Rolle kommende Folie durchläuft dabei eine Coronaentladung, welche über die gesamte Folienbreite reicht. Hierbei erhöht sich die Oberflächenenergie der Folie, wodurch Druckfarben auf dieser haften und nicht mehr abperlen.

Die Coronabehandlung der Folie erfolgt in der Regel dadurch, daß die Folie über eine Umlenkwalze geführt wird, an deren radialer Außenseite sich eine oder mehrere Elektroden befinden. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die Elektroden 10 bilden zusammen mit dem Metallkern 11 der Umlenkwalze 12 ei­ nen elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum zum einen durch die dielektrische Beschichtung 13 des Metallkerns 11 der Umlenkwalze 12 und zum anderen durch die zu behandelnde Folie 14 selbst gebildet wird. Die dielektrische Beschichtung 13 be­ steht beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem keramischen Werkstoff. Durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen den Elektroden 10 und dem Metallkern 11 der Umlenkwalze 12 entsteht eine Coronaentladung zwischen den Elektroden 10 und der Oberfläche der zu behandelnden Folie 14. Zur Erzielung einer intensiveren Behandlung werden meist mehrere Elektroden 10 entlang des Umfangs der Umlenkwalze 12 verwendet, welche jeweils mehrere Entladungsspitzen aufweisen können.

Das beschriebene Verfahren funktioniert nur bei elektrisch nichtleitenden Folien, also beispielsweise unbeschichteten Kunststoffolien oder Papierbahnen zufriedenstellend.

Häufig müssen jedoch metallisierte Folien oder Papierbahnen einer Coronavorbe­ handlung unterzogen werden. Da in diesem Fall die Oberfläche der Folie 14 selbst elektrisch leitend ist, wird zwischen den Elektroden 10 und der Folienoberfläche keine homogen verteilte Coronaentladung bewirkt, sondern es finden einzelne, blitzartige Entladungen statt, welche die Folie teilweise zerstören und teilweise unbehandelt be­ lassen. Um diesen Effekt zu vermeiden, werden seit einiger Zeit dielektrisch beschich­ tete Elektroden verwendet, beispielsweise also Metallelektroden mit einem kerami­ schen Überzug. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß der keramische Über­ zug aufgrund seines, verglichen mit dem metallischen Kern, wesentlich geringeren thermischen Expansionskoeffizienten, bei thermischer Beanspruchung der Elektrode bricht. Selbst wenn nur Haarrisse in dem keramischen Überzug entstehen, führt dies sofort zu einer Konzentration des elektrischen Feldes in diesem Bereich und damit zur Unbrauchbarkeit der Elektrode. Auch bei einer aufwendigen Luftkühlung der gesamten Elektrode, können die durch die Coronavorbehandlung entstehenden Temperaturen vor allem im Inneren der Elektrode nicht soweit reduziert werden, daß die Elektrode unbeschädigt bleibt.

Um diesem Nachteil zu begegnen, werden daher häufig Elektroden verwendet, wel­ che aus einem Keramikrohr bestehen, das mit Metallpulver oder -granulat gefüllt ist. Hierdurch verbleibt im Inneren des Keramikrohres genügend Volumen, in wel­ ches sich das Metallpulver thermisch ausdehnen kann. Bei diesen Elektroden ist jedoch von Nachteil, daß der einzig starre Teil das Keramikrohr ist, was zu einer entsprechenden Bruchempfindlichkeit führt. Falls es zu einem Bruch des Keramik­ rohres kommt, werden die entstehenden Keramiksplitter und das austretende Me­ tallpulver von der darunter fortbewegten Folie mittransportiert undverschmutzen und beschädigen so die gesamte Anlage und eventuell auch nachgeschaltete Vor­ richtungen. Außerdem müssen auch diese Elektroden luftgekühlt werden und um eine ausreichende Kühlfläche für die auftreffende Kühlluft zu bilden, entsprechend groß ausgelegt sein. Durch die Kühlung mit der im Bereich von Industrieanlagen regelmäßig verschmutzten Luft, verschmutzen und verkrusten außerdem die Elek­ troden in kurzer Zeit.

Um diesen Nachteilen zu begegnen, beschreiben beispielsweise die Druckschriften DE 38 31 694 A1, DE 36 40 966 A1, DE 24 27 933 A1 und DE-GM 94 02 370 innengekühlte Coronaelektroden aus Metall mit einer dielektrischen Umhüllung. Insbesondere die letztgenannte Druckschrift beschreibt eine Coronaelektrode mit einem festen Metallkörper als elektrisch leitendem Kern welcher mit einer dielektri­ schen Beschichtung aus Keramik überzogen ist, wobei aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik im Bereich der stärksten Erhitzung Kühlbohrungen zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen sind. Bei hoher Beanspruchung genügt jedoch oft die Kühlleistung nicht, um ein Brechen der Keramik aufgrund ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verhindern.

Es besteht daher die Aufgabe, eine einen elektrisch leitenden Kern und eine dielektri­ sche Umhüllung aufweisende Elektrode für die Coronabehandlung so weiterzubilden, daß sie kompakt, wartungsarm und thermisch stabil ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Elektrodenbereichs einer Coronavorbe­ handlungsanlage im Querschnitt;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Elektrode.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Elektrode 10 dient als Ersatz für die bislang verwendeten Elektroden 10 der in Fig. 1 dargestellten Elektrodenanordnung, auf welche bereits in der Beschreibungseinleitung Bezug genommen wurde.

Die Querschnittsabmessungen der Elektrode 10 betragen etwa 5 bis 10 cm, während die Längsausdehnung der Elektrode 10 je nach zu behandelnder Folienbreite bis zu mehreren Metern betragen kann. Die Elektrode 10 besteht aus einem Elektro­ denkörper 1 aus Vollkeramik mit einer im wesentlichen flachen Rückseite 15 und einer Vorderseite 5, welche zwei konvexe Bereiche 6 aufweist, die durch einen kon­ kaven Bereich 7 voneinander getrennt sind (Fig. 3). Die beiden konvexen Berei­ che 6 erzeugen jeweils eine zur Umlenkwalze 12 hin gerichtete Coronaentladung. An der Rückseite 15 des keramischen Elektrodenkörpers 1 befindet sich ein längs­ verlaufender, im Querschnitt T-förmiger Befestigungsschlitz 9, über welchen der Elektrodenkörper 1 an geeigneten Befestigungselementen der Vorbehandlungsanlage befestigbar ist.

Der Elektrodenkörper 1 weist innerhalb jedes der beiden konvexen Bereiche 6 Durch­ gangsbohrungen 2, 3 auf, welche längs durch den gesamten Elektrodenkörper ver­ laufen. Der Radius dieser Durchgangsbohrungen 2, 3 ist geringfügig kleiner als der Krümmungsradius der konvexen Bereiche 6. Auf diese Weise schmiegt sich die Krümmung der Durchgangsbohrungen 2, 3 der Krümmung der konvexen Bereiche 6 an. Der Abstand zwischen den Durchgangsbohrungen 2, 3 und der Oberfläche des Elektrodenkörpers 1 im Bereich der konvexen Bereiche 6 beträgt etwa 1 bis 3 mm.

Innerhalb der Bohrungen 2, 3 befindet sich eine Schraubenfeder 4 aus Federstahl, welche den festen, elektrisch leitenden Kern der Elektrode 10, und somit das Ge­ genstück zum Metallkern 11 der Umlenkwalze 12 bildet. Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Schraubenfeder 4 so eingebaut, daß sie zu beiden Seiten des Elektrodenkörpers 10 einen gewissen Abstand einhält. Hierdurch wird bewirkt, daß die entstehende Coronaentladung nicht bis zum Rand des Elektrodenkörpers 1 bzw. der Elektrode 10 reicht. Somit kann der Elektrodenkörper 1 an seinem Rand befestigt werden, ohne daß während des Betriebs Schwierigkeiten durch die Corona­ entladung aufträten. Darüberhinaus kann erzielt werden, daß eine breite Folie 14 an ihren Randbereichen, an denen sie über die Länge der Schraubenfeder 4 hinaussteht, nicht behandelt wird. Die Schraubenfeder 4 ist beispielsweise durch (nicht darge­ stellte) Stopfen, welche links und rechts in die Durchgangsbohrung 2 eingebracht sind, in ihrer Position fixiert. In Fig. 3 sind die beiden Schraubenfedern 4 in den Durchgangsbohrungen 2 und 3 im Querschnitt schraffiert dargestellt.

Während des Betriebs dieser Elektrode 10 wird durch die Durchgangsbohrungen 2, 3 ein Kühlmittel geleitet. Dies kann entweder ein Gas, beispielsweise Luft sein oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Da sich die Durchgangsbohrungen 2, 3 innerhalb der durch die Coronaentladung stark erhitzten konvexen Bereiche 6 befin­ den, erfolgt die Kühlung genau dort, wo normalerweise die höchsten Temperaturen auftreten. Die als metallischer Elektrodenkern verwendete Schraubenfeder 4 dehnt sich trotz der Kühlung aus. Dies bewirkt jedoch keine Sprengung des keramischen Elektrodenkörpers 1, da die Schraubenfeder 4 ihren Durchmesser bei der Ausdeh­ nung nicht vergrößert. Die Ausdehnung der Schraubenfeder 4 führt nämlich zum einen zu einer nach innen gerichteten Verdickung des Federdrahts und zum anderen zu einer Verlängerung der Schraubenfeder 4 in Elektrodenlängsrichtung, möglicher­ weise zu einer zusätzlichen Verdrillung. Wesentlich ist also, daß der innerhalb der Bohrungen 2, 3 zur Verfügung stehende Raum ausreicht, um dem metallischen Kern Ausdehnungsspielraum zu geben.

Die Bohrungen 2, 3 haben also eine Doppelfunktion. Zum einen nehmen sie die als metallischer Kern wirkende Schraubenfeder 4 auf, zum anderen dienen sie als Kühl­ leitungen. Das Kühlmittel fließt durch die beiden Bohrungen 2, 3 in entgegensetzter Richtung, also im Gegenstromprinzip. Hierdurch wird erreicht, daß sich entlang der Längsausdehnung der Elektrode 10 kein Temperaturgradient aufbaut, sondern eine gleichmäßige Temperaturverteilung vorliegt. Durch den geringen Abstand der Durchgangsbohrungen 2, 3 zur Oberfläche des Elektrodenkörpers 1 wird die bei der Coronaentladung entstehende Wärme so schnell wie möglich an das Kühlmittel übertragen und abgeführt.

In alternativen Ausführungsformen kann die Elektrode auch nur eine oder mehrere konvexe Bereiche 6 umfassen, welche jeweils eine Durchgangsbohrung 2 beinhalten können. Bei mehr als zwei konvexen Bereichen 6 müssen jedoch für jeden Durchmes­ ser der Umlenkwalze 12 besondere Elektroden 10 verwendet werden, da der Abstand zwischen jedem konvexen Bereich 6 und der Oberfläche der Umlenkwalze 12 konstant sein soll.

In weiteren alternativen Ausführungsformen kann anstelle der Schraubenfeder 4 ein anderer metallischer Einsatz innerhalb der Bohrung 2, 3 verwendet werden, vor­ ausgesetzt, daß die Querschnittsfläche des metallischen Kerns an jeder Stelle der Elektrode 10 geringer ist als die Querschnittsfläche der entsprechenden Bohrung 2, 3. Hierdurch wird gewährleistet, daß an jeder Stelle der Elektrode 10 Ausdehnungs­ spielraum für die Elektrode verbleibt. Eine mögliche alternative Ausführungsform in diesem Sinne besteht beispielsweise darin, daß der elektrisch leitende Kern im wesentlichen aus einzelnen, jeweils an der Innenwand der Bohrung 2, 3 anliegenden Metallstäben oder -rohren besteht. Darüberhinaus kann anstelle von Federstahl auch ein anderes leitendes Material, auch ein leitfähiger Kunststoff eingesetzt wer­ den.

Claims (8)

1. Elektrode (10) für die Coronabehandlung von Folien (14), weiche zwischen dieser Elektrode (10) und einer hierzu parallelen, als Gegenelektrode ausgebil­ deten Walze (12) verlaufen, mit einem festen, elektrisch leitenden Kern und einer dielektrischen Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektri­ sche Umhüllung den Elektrodenkörper (1) bildet, der mindestens eine parallel zur Walze (12) verlaufende Bohrung (2, 3) aufweist, in welcher der elektrisch leitende Kern angeordnet ist und an jeder Stelle der Elektrode (10) die Quer­ schnittsfläche des Kerns geringer ist als die Querschnittsfläche der Bohrung (2, 3), wodurch sich der Kern an jeder Stelle innerhalb der Bohrung (2, 3) thermisch ausdehnen kann.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Kern aus Metall besteht.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Kern im wesentlichen aus einer Schraubenfeder (4) aus Federstahl besteht, welche an der Innenwand der Bohrung (2, 3) anliegt.

4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Kern aus einzelnen, jeweils an der Innenwand der Bohrung (2, 3) anliegenden Metallstäben oder -rohren besteht.

5. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Elektrodenkörper (1) im wesentlichen aus einem keramischen Werkstoff besteht.

6. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die oder jede Bohrung (2, 3) eine Durchgangsbohrung zur Durchlei­ tung eines Kühlmittels ist.

7. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ihre der Folie zugewandte Seite im Querschnitt zwei konvexe Bereiche (6) und einen dazwischen liegenden konkaven Bereich (7) aufweist und inner­ halb jedes konvexen Bereiches (6) eine Bohrung (2, 3) verläuft

8. Elektrode nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand der oder jeder Bohrung (2, 3) zur Elektrodenoberfläche (5) etwa 0,5 bis 5 mm beträgt.