DE2643772C2

DE2643772C2 - Coronaeinrichtung

Info

Publication number: DE2643772C2
Application number: DE2643772A
Authority: DE
Inventors: Peter 6229 Hallgarten Dinter; Andreas 6200 Wiesbaden Kolbe
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1976-09-29
Publication date: 1985-01-17
Also published as: FR2366720A1; GB1589785A; DK156793B; FR2366720B1; SE7710801L; SE429022B; DE2643772A1; US4153560A; DK156793C; DK429277A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Coronaeinrichtung zur Modifizierung der Oberflächen von insbesondere thermoplastischen Folien.

Bei der Bearbeitung von Folien und der Herstellung von Verbundfolien zählt die Oberflächenbehandlung mittels einer Coronabehandlung zwecks Bedruckbarmachung bzw. Steigerung von Verbundfestigkeiten zum Stand der Technik.

Die Funktionsweise dieses Verfahrens sieht das Führen der zu behandelnden Folie über eine elektrisch geerdete Stützfläche, z. B. eine Walze, eine Trommel oder ein endloses Band sowie die Beaufschlagung der der Stützfläche abgewandten Seite des Filmes mittels einer Corona, die durch die Speisung einer im Abstand zur Stützfläche angeordneten Elektrode mit einem hochfrequenten Wechselstrom hoher Spannung erzeugt wird, vor.

Im wesentlichen unterscheiden sich die nach diesem

Grundprinzip arbeitenden, bekannten Verfahren und Vorrichtungen mehr oder weniger nur in der Ausführiingsform der als Gegenelektrode dienenden Stützfläche, wie z. B. einer Zentralwalze mit mehreren Elektroden, mehreren Stützwalzen mit entsprechenden Elektroden usw, der zur Isolierung der Gegenelektrode verwendeten dielektrischen Materialien, wie z. B. Glimmer, Glas, Keramik, Kunststoffolien, spezielle Gummiqualitäten, in der konstruktiven Gestaltung der benutzten Elektrode, wie z. B. Platten-, Draht-, Kamm-, Messer-, Halbschalen-, Feder- oder Spindelelektrode sowie der Bauart des jeweiligen Generators, wie etwa Nieder-, Mittel- oder Hochfrequenztyp. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt (DE-OS 14 04 413, US-PS 28 64 755, US-PS 28 02 085), bei denen die zuvor beschriebenen Verhältnisse umgekehrt worden sind, d.h. die Folie durch eine mit einem dielektrischen Material isolierte Elektrode mit einer elektrischen Coronaentladung beaufschlagt wird.

Bei den beschriebenen Grundkonzepten (blanke Elektrode/isolierte Gegenelektrode bzw. isolierte Elektrode/blanke Gegenelektrode) haften generelle Mängel an, die sich in der betrieblichen Praxis mehr oder weniger störend bemerkbar machen.

Im ersteren Falle sind dies unter anderem die relativ hohen Kosten, die durch Beschädigung der Isolierung der Gegenelektrode durch elektrische Durchschläge, mechanische Verletzungen in Form von Messerschnitten oder dgl. oder durch Einschleppen von Feuchtigkeit in die Station entstehen. Die in der gängigsten Ausführung mit Spezialgummischichten, Silicon usw. isolierten Walzen müssen dann zwecks Reparatur an einen Gummier- und Vulkanisierbetrieb geliefert werden. Erfahrungsgemäß ist der Instandsetzungsprozeß zeit- und kostenaufwendig, so daß der betroffene Betrieb zwangsläufig für eine entsprechend aufwendige Ersatzteilhaltung sorgen muß.

Die geschilderten Probleme dürfen mit Sicherheit Anlaß für die Entwicklung des AIy-?nativverfahrens gewesen sein, bei dem man sich, wie bereits eingangs erwähnt, in bevorzugter Weise mit einem Dielektrikum ummantelter Walzen- oder Rollelektroden bedient. Der Einsatz kleiner Elektrodenwalzen ist durchaus mit einigen Vorteilen verbunden. So kommt zu der konstruktiv einfachen Gestaltung sowie der leichteren Handhabung bei Ein- und Ausbau auch eine Reduzierung der Reparaturkosten hinzu. Letzteres hat man dadurch realisieren können, daß anstelle der vulkanisierbaren, unlösbaren Isolierschichten, auswechselbare dielektrische Überzüge in Form aufzieh- bzw. aufschrumpfbarer Schlauchmaterialien verwendet werden. Was die Effektivität, d. h. erzielte Oberflächenspannung in mN/m auf dem behandelten Substrat, der Vorbehandlung angeht, so liegt diese bei dem erstgenannten Verfahren durch die mögliche Kombination der zwangsläufig flächigen Gegenelektrode (isolierte Walze) mit einer beliebig ausgeführten Spitzenelektrode (Draht-, Kamm-, Gewindestab-, Messerelektrode usw.) eindeutig höher als bei der Alternativtechnik. Dieses wird um so verständlicher, wenn man die hier bevorzugt verwendete Elektrodenform, einen zylindrischen Walzenkörper von 80 bis 100 mm Durchmesser, berücksichtigt, der sehr weit von dem allgemein als ideal angesehenen scharfkantigen Elektrodcnprofil entfernt ist.

Auf Kenntnis der genannten Probleme resultiert sicherlich auch das DE-GM 74 14 965, das die Verwendung profilierter blanker Elektrodenwalzen in Verbindung mit einer isolierten Gegenelektrodenwalze vor-

schlägt In Anbetracht jedoch der gegenüber einem feststehenden Elekirodenprofil (Messer, Kamm usw.) nicht erkennbaren Vorteile — ganz davon abgesehen, daß man das durchaus günstige Ausführungsprinzip der isolierten Elektrode aufgegeben hat — kann dieser Vorschlag nur als ein Kompromiß zwischen dem Zwang zur Verbesserung eines nicht optimalen Systems und der Beibehaltung des einmal propagierten Konzeptes verstanden werden.

Ergänzend zu den geschilderten Vorrichtungen sei noch auf die Coronaeinrichtung der DE-PS 2044 828 hingewiesen, die Ausführungsformen beschreibt, bei denen innerhalb eines aus Stäben gefertigten Walzenkörpers Elektrodendrähte angeordnet sind, durch die die Unterseite der über die geführten Folie entladen wird, während durch die oberhalb des Walzenkörpers angeordneten Elektrodendrähte die Oberseite der Folie entladen wird.

Bei dieser Coronaeinrichtung handelt es sich jedoch um eine Einrichtung, die lediglich zur Entladung von Folien dient und die nicht zur Oberflächenmodifizierung im Hinblick auf eine bessere Beuruekbärkeii und/odcr Haftverbesserung geeignet ist

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik stellt sich somit die Aufgabe, eine verbesserte Coronaeinrichtung zur Oberflächenmodifizierung von Folien zu schaffen, die eine gerichtete und hohe Effektivität aufweist

Gelöst wird die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Coronaeinrichtung zur Oberflächenmodifizierung von Folien, die aus einer drehbaren Walze und wenigstens einer oberhalb der Walze angeordneten Elektrode aufgebaut ist, deren kennzeichnende Merkmale darin bestehen, daß die drehbare Walze aus einer Achse besteht die beidseitig mit Scheiben verbunden ist, die ei- 3s nen aus dielektrischem Material bestehenden Walzenmantel tragen, daß im Inneren des Walzenkörpers mehrere, bevorzugt der Krümmung des Walzenmantels folgende. Elektroden angeordnet sind und oberhalb des Waizenkörpers wenigstens eine Elektrode vorhanden ist wobei entweder die im Walzenkörper befindliche Elektrode oder die oberhalb des Walzenkörpers befindliche Elektrode stromführend sind, während die andere Elektrode, als Gegenelektrode wirkend, an Masse liegt.

In vorzugsweiser Ausbildung der Vorrichtung ist die Achse als Hohlachse ausgeführt Hierdurch wird es möglich, über in diese angeordnete Bohrungen ein gasförmiges Temperiermedium einzublasen, das zur Temperaturregelung auf der Oberfläche des Walzenmantels dient So ist es in vielen Fällen notwendig, z. B. den so Mantel durch Einblasen von kalter Luft von innen zu kühlen.

Wenn auch die Elektroden grundsätzlich z. B. als Kämme, Stäbe, Messer u. a. ausgebildet sein können, so hat es sich in der Praxin, als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die in der Walze liegenden Elektroden, bevorzugt auch die außerhalb der Walzen angeordneten Elektroden als Drahtelektroden ausgebildet sind, da sich hierdurch eine optimale Effektivität ergibt

Je nach Anordnung der in der Walze und außerhalb der Walze befindlichen Elektroden zueinander, können bestimmte Effektivitäten der Coronaeinrichtung eingestellt werden (F i g. 3a bis 3c und 4).

Eine besonders hohe Effektivität der Coronaeinrichtung wird dadurch erzielt, daß man die Elektroden versetzt zueinander anordnet wobei es bevorzugt ist, daß zwei außenliegende Elektroden einer innenliegenden Elektrode in versetzter Anordnung zugeordnet sind (F ig. 3c).

Wenn auch der Walzenmantel grundsätzlich aus irgendeinem dielektrischen Material bestehen kann, so haben sich in der Praxis vor allem Materialien wie Glas, phenol- bzw. melaminharzgetränkte Papiere, glasfaserverstärkte Epoxyd- bzw. Siliconharze, Polyester oder Polycarbonat besonders bewährt

Bevorzugt werden jedoch verstärkte Polyester- oder Epoxydharzmassen eingesetzt, da diese den Vorteil guter dielektrischer Eigenschaften mit hohen mechanischen Festigkeiten verbinden.

In bevorzugter Ausführungsform sind die den Walzenmantel tragenden Scheiben mit der Achse drehbar verbunden. Hierdurch ist es möglich, die Elektroden gegeneinander und im Hinblick auf das zu behandelnde Substrat mit bestimmter Richtwirkung einzusetzen.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt gemäß Schnittlinie A-A durch die erfindungsgemäße Einrichtung sowie den hiermit durchzuführenden Verfahreiuyblauf,

F i g. 2 stellt einen Schnitt in Achsrichtung durch die erfindungsgemäße Einrichtung dar,

Fig.3a—3c zeigen Variationen in der Anordnung von Elektroden und Gegenelektroden,

Fig.4 zeigt die Abhängigkeit der mit den in Fig.3a—3c skizzierten verschiedenen Elektrodenanordnungen erzielten Oberflächenspannungen von der Durchlaufgeschwindigkeit des Substrates auf, das hier aus einer Polypropylenflachfolie bestand.

In den Figuren bedeuten gleiche Ziffern gleiche Bauteile.

Wie der F i g. 1 zu entnehmen ist besteht die erfindungsgemäße Coronaeinrichtung im wesentlichen zunächst aus einem als Elektrode fungierenden, gleichzeitig der Führung des zu behandelnden Substrates S dienendem, zylindrischem Walzenkörper W sowie einem darüber um den Drehpunkt D schwenkbar angeordneten, die geerdeten Gegenelektroden 17 aufnehmenden Rahmen R. Beim Tränsport des Substrates S über die Walze W wird die dem rotierenden Walzenkörper abge w und te Oberfläche der Bahn 5 von der zwischen den in der Walze angeordneten Elektroden 7 und den äußeren Gegenelektroden 17 gezündeten elektrischen Coronaentladung behandelt.

Anhand des in Fig.2 dargestellten Längsschnittes wird der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung deutlich. So besteht zunächst die Walze aus einer feststehenden, in den Lagerböcken 2 gelagerten Achse 1 (hier in bevorzugter Form als Hohlachse ausgebildet). Auf der Achse 1 sind im Abstand zwei in Kugellagern 3 um die Achse 1 rotierbar gelagerte Zentrierbuchsen 4 aufgezogen, die mit den Teilen 6 und 3 die Scheit jn 8 bilden, die einen aus einem dielektrischen Material bestehenden, zylindrischen Walzenmantel 5 tragen. Gegen axiale Verschiebung ist der so ausgebildete komplette Walzenkörper durch die Spannringe 6 gesichert. Im Inneren des durch die Zentrierbuchsen 4 und den Walzenmantel 5 gebildeten Raumes sind die eigentlichen, stromführenden Elektroden 7, dünne metallische Drähte (bevorzugt von etwa 0,2 bis 0,3 mm Durchmesser), an den aus Isoliermaterial bestellenden Schulterringen 22 aufgehängt. Die federnden Spannelemente 9 dienen der Kompensation von Wärmeausdehnungen und der Vermeidung von Durchhängen. Da die Elektroden 7 im Hinblick auf die Unterdrückung von Innencorona den rotierenden Walzenmamel 5 leicht kontaktieren müssen, werden sie über in einer Nut 10

geführte, durch Druckfedern 11 belastete Segmentringe 12 mit der Innenwand in Verbindung gebracht. Über das Hochspannungskabel 13 werden die Elektroden von einem Generator G mit einem hochfrequenten, im Transformator T hochgespannten Wechselstrom beaufschlagt. Da der Vorbehandlungsprozeß mit Wärmeentwicklung verbunden ist. wird zwecks kontrollierbarer Temperaturführung der gesamten Einheit durch das Gebläse Vein gasförmiges Medium, im einfachsten Falle Luft, in die Hohlachse 1 eingeblasen, das durch die radialen Verteilerbohrungen 14 in den Elektrodenraum einströmt und diesen wiederum durch die in den Scheiben 8 sowie den Zentrierbuchsen 4 eingearbeiteten Bohrungen 15 verläßt. Die Temperierung für den Walzenmantel 5 kann gegebenenfalls noch durch Kombination mit temperierbaren Stahlwalzen, wie es in F i g. 1 in Form der gestrichelt gezeichneten Walzen 16 angedeutet ist, verbessert werden, zumal ja im Kontaktbereich keine elektrische Spannung mehr '.'orhande.i ist. Denkbar ist auch eine konstruktiv aufwendigere Flüssigkeitsinnentemperierung der Apparatur mittels elektrisch schlecht leitfähiger Substanzen.wie etwa destilliertem Wasser, Transformatoren- oder Siliconölen.

Über der zuvor beschriebenen Walze ist die für das Verfahren notwendige Gegenelektrode 17 angeordnet. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um ebenfalls dünne, metallische Drähte 17, die zum Walzenmantel 5 einen Abstand von etwa 1 bis 2 mm aufweisen. In ihrer Lage zur Walze fixiert werden die Elektroden 17 durch die dem Radius des Walzenkörpers Wangepaßten Segmentscheiben 18. Die Druckfedern 19 erzeugen die erforderliche Vorspannung sowie kompensieren sie wärmebedingte Längsausdehnungen und Durchhänge. Aufgehängt sind die Gegenelektroden in einem Rahmen 20, der zwecks besseren Einführens des zu behandelnden Substrates um den Drehpunkt D schwenkbar bzw. aufklappbar ist. Die Lagerarme 21 dagegen sind fest mit der Achse 1 verbunden.

Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Einrichtung wurde versucht, allen Anforderungen an eine optimale Apparatur gerecht zu werden. Dieses ist im wesentlichen durch die praktisch ideale Gestaltung von Elektrode und Gegenelektrode in Form von scharfen Spitzen als gelungen anzusehen. Durch die drastische Verringerung der Kapazität der Elektroden und der damit im Zusammenhang stehenden elektrischen Verluste auf ein Minimum wird eine extrem hohe Energiedichte für den Entladungsvorgang erreicht, wie sie keines der bekannten Rollelektrodensysteme nur annähernd ermöglichen kann. Dieser Vorteil bleibt in jedem Falle erhalten, auch =wenn aus gewissen konstruktiven Gründen heraus (größere Arbeitsbreite, Durchbiegung des Walzenkörpers usw.) eine Vergrößerung des Durchmessers der Elektrodenwalze einmal notwendig wird, da die Dimensionen der Elektroden in keinerlei Zusammenhang mit dem Rotationskörper stehen.

Der Wert des Erfindungsgegenstandes wird noch um ein beträchtliches Maß erhöht, durch den nur mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu realisierenden Effekt Hierbei handelt es sich überraschenderweise um eo eine wettere Steigerung der Oberflächenspannung bei versetzter Anordnung der Elektroden 7 und Gegenelektroden 17, wie es F i g. 3b schematisch zeigt Die gegenüber der Version 3a intensivere Schrägbehandlung wird nochmals verbessert, wenn man, wie in F i g. 3c dargestellt, einer Elektrode zwei versetzte Gegenelektroden zuordnet
Fig.4 gibt die Abhängigkeit der Oberflächenspannung α(mN/m) von der Geschwindigkeit des zu behandelnden Substrates (hier Polypropylenfolie) und der jeweiligen Elektrodengeometrie unter ansonsten konstanten Bedingungen sehr gut wieder.

Ein weiterer verfahrenstechnischer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist auch in der Verwendung zur Vorbehandlung von Metallfolien zu sehen. In diesem Falle wäre (gem. Fi g. 1) nur ein Drehen der Apparatur um 180° notwendig, wodurch die Elektroden gegen die gestrichelt gezeichneten, zu erdenden Stahlwalzen 16 gerichtet würden. Eine über die Walzen 16 geführte Metallfolienbahn könnte dann einer Coronaentladung ausgesetzt werden.

Ein ebenfalls nicht zu erwartender Effekt macht die erfindungsgemäße Einrichtung vor allem für die Anwendung in Beschichtungs- oder Druckmaschinen ungemein wertvoll. Während bei der herkömmlichen Coronaanlagen in die Vorbehandlungsstation eingeschleppte Feuchtigkeit; ?■ R- hei Ahrissen. sofort zu Überschlägen und damit zum Durchbrennen des Dielektrikums führt, reagiert die erfindungsgemäße Vorrichtung in keiner Weise auf derartige Störungen. Selbst absichtlich auf der zu behandelnden Folie erzeugte Flüssigkeitspfützen führten zu keinem Durchschlag oder Aussetzen der Entladung.

Abgesehen von der Vielzahl rein verfahrenstechnischer Vorzüge beinhaltet der Erfindungsgegenstand noch Zusätzliche positive Merkmale. Unter anderem darf hierunter zweifellos auch die elektrisch sichere Ausführung durch Verlagerung aller stromführenden Teile in das Innere der Elektrod?nwalze angesehen werden.

Der konstruktiv relativ einfache Aufbau der Apparatur hat sich positiv in der betrieblichen Praxis bemerkbar gemacht Da die eingesetzten dielektrischen Walzenmäntel 5, im Gegensatz zu dünnen, weichen Gummischichten, relativ harte Oberflächen aufweisen, ist auch eine erhebliche Verminderung der mechanischen Beschädigungen eingetreten.

Sollte im Falle von Maschinenumrüstungen einmal ein Auswechseln von Teilen notwendig werden, so kann dies der betroffene Betrieb ohne große Umstände durch Einsatz preiswerter, im Betrieb gelagerter Ersatzteile selbst bewerkstelligen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Coronaeinrichtung zur Oberflächenmcdifizierung von Folien, die aus einer drehbaren Walze und s wenigstens einer oberhalb der Walze angeordneten Elektrode aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Walze aus einer Achse (1) besteht, die beidseitig mit Scheiben (8) verbunden ist, die einen aus dielektrischem Material bestehenden Walzenmantel (5) tragen, daß im Inneren des Walzenkörpers mehrere, bevorzugt der Krümmung des Walzenmantels folgende. Elektroden (7) angeordnet sind und oberhalb des Walzenkörpers wenigstens eine Elektrode (17) vorhanden ist, wobei entweder die im Walzenkörper befindliche Elektrode (7) oder die oberhalb des Walzenkörpers befindliche Elektrode (17) stromführend sind, während die andere Elektrode, als Gegenelektrode wirkend, an Masse liegt

2. VornsRtang nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (1) als Hohlachse ausgebildet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlachse (1) Einlaßbohrungen (14) zur Beaufschlagung des Raumes zwischen Achse (1) und Walzenmantel (5) mit gasförmigem Temperiermedium aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) und/ oder die EVktrode (17) als Drahtelektrode ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nacn einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenmantel aus verstärkten Kunstharzen besltnt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (7) und die Elektrode (17) versetzt zueinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils an der Elektrode (7) wenigstens zwei Elektroden (17) versetzt zueinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (8) mit der Achse (1) drehbar verbunden sind.