DE4438533A1 - Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphärendruck - Google Patents
Verfahren zur Koronabehandlung bei AtmosphärendruckInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Die Behandlung mit Koronaentladungen ist ein bekanntes und
anerkanntes Verfahren zur Oberflächenmodifizierung unter
schiedlichster Werkstoffe mit dem Ziel, die Bedruck- und/
oder Verklebbarkeit dieser Materialien zu verbessern bzw.
überhaupt erst zu ermöglichen.
Nach dem bekannten Stand der Technik findet diese Korona
behandlung bisher mit sinusförmigen Spannungsverläufen
statt.
Bei Koronaentladungen handelt es sich um transiente Gasentladun
gen, die in sogenannten Barrierenanordnungen erzeugt und auch
stille Entladung genannt werden. Die Entladung findet zwischen
zwei Elektroden statt, wobei mindestens eine dielektrische
Barriere zwischen den Elektroden angeordnet ist. Hierdurch wird
die Entladungscharakteristik beeinflußt.
Bei sinusförmiger Spannung, oder allgemeiner ausgedrückt,
bei Wechselspannung, zünden in jeder Halbwelle viele paral
lele Mikroentladungen, wenn die Spannungshöhe bei gegebener
Spaltweite ausreichend hoch ist. Die Barriere begrenzt die
Dauer der Mikroentladungen und damit die Energie, die in
die Entladungen eingekoppelt wird. Der Beeinflussung der
Entladungscharakteristik und damit der Verbesserung der
Behandlung von Oberflächen mit Koronaentladungen sind bei
sinusförmigen Spannungen enge Grenzen gesetzt. Es können le
diglich die Spannungsamplitude und die Frequenz variiert
werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das die Effek
tivität der Oberflächenbehandlung mit Koronaentladungen
erheblich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruches 1
grundsätzlich gelöst.
Das Kernstück des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein
gepulst betriebener Hochspannungsgenerator, der es ermög
licht, die Charakteristik und die Wirkung der Entladungen
in weiten Bereichen zu verändern. Dieser Hochspannungsgene
rator erzeugt repetierend Spannungspulse bzw. Pulszüge. Im
Gegensatz zu dem bekannten Generator, der sinusförmige
Spannungen zur Verfügung stellt, können bei der Erfindung
Spannungsamplitude und Pulsrepetitionsfrequenz unabhängig
voneinander verändert werden. So sind Pulse von beispiels
weise 17 kV mit einer Anstiegszeit von 4 µs erhältlich,
wobei die Pulsrepetitionsfrequenz zwischen 0 bis 30 kHz ein
gestellt werden kann.
In vorteilhafter Weise kann das Verfahren in dem Bereich
durchgeführt werden, der in Anspruch 2 definiert ist.
Grundsätzlich ist es natürlich möglich, den in dem erfin
dungsgemäßen Verfahren eingesetzten, gepulsten Hochspan
nungsgenerator auch in einem sinusförmigen Betrieb zu
betreiben. Dieses ermöglicht eine universelle Einsetzbar
keit der vorhandenen Apparatur.
Im einzelnen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren
unter Einsatz eines gepulsten Hochspannungsgenerators die
Oberflächenbehandlungseffekte in folgender Weise zu verbes
sern:
Im Pulsbetrieb kann die Zündspannung über den Elektroden
spalt auf einem hohen Niveau gehalten werden, und in Folge
wird die Intensität der zeitlich parallel erfolgenden Mikro
entladungen gegenüber dem Sinusbetrieb beträchtlich gestei
gert. Die Entladungscharakteristik ist deutlich gleichmäßi
ger, und somit wird die Oberflächenbehandlung verbessert,
d. h. bei einer gepulsten Koronaentladung wird eine höhere
Effektivität (höhere Oberflächenspannung bezogen auf die
eingesetzte Koronaenergie) erreicht. Darüberhinaus weisen
die Mikroentladungen im Pulsbetrieb eine kürzere Verweil
zeit auf der zu behandelnden Oberfläche auf. Diese Effekte
gehen mit einer geringeren Wärmeentwicklung und somit einer
schonenderen Behandlung der Oberflächen einher. Bedingt
durch die gleichmäßigere Entladungsscharakteristik bei ge
pulstem Betrieb kann eine derartige Entladung auch bei der
Oberflächenreinigung zur Anwendung kommen. Durch die höhere
Effektivität lassen sich des weiteren Rückseiteneffekte bei
der gepulsten Koronaoberflächenbehandlung von siegelfähigen
Kunststoffolien minimieren.
Insbesondere an folgenden Materialien kann mit gepulster
Koronaentladung ein deutlich besseres Behandlungsergebnis
erhalten werden: Polyethylenfolie mit hohem Gleitmittelan
teil, aluminiumbedampftem Papier und Wollgewebe. Gegenüber
dem Dauerbetrieb liefert der Pulsbetrieb bei der gleitmit
telhaltigen Polyethylenfolie ein um 6 mN/m höheren Oberflä
chenspannungswert. Beim aluminiumbedampften Papier kann im
Pulsbetrieb ein Oberflächenspannungswert von 72 mN/m er
zielt werden, ohne die Aluminiumschicht zu perforieren und
damit zu schädigen. Hingegen wird im Sinusbetrieb die Alumi
niumschicht auf dem Papier teilweise zerstört, und es wird
nur ein Oberflächenspannungswert von 46 mN/m erreicht. Bei
Wollgewebe wird beim Dochttest nach Behandlung im Pulsbe
trieb nach 60 Sekunden eine um den Faktor zwei bis drei grö
ßere Steighöhe gemessen als im Vergleich zum Sinusbetrieb.
Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzte Koronastation besteht aus der Elektrodenanord
nung (Metall, Keramik, Glas) und Walze (mit und ohne Be
schichtung). Weiterhin ist der Betrieb von Stiftelektroden
systemen mit der gepulsten Koronaentladung zur Behandlung
dreidimensionaler Gegenstände möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Atmosphärendruck
sowohl unter Luft als auch unter Fremdgasen durchgeführt
werden.
Angewendet kann das erfindungsgemäße Verfahren auf die
unterschiedlichsten Materialien, z. B. Kunststoff-Metall-Fo
lien, Verbundmaterialien, Textilien (Naturfaser, Kunstfaser
und Mischgewebe), Papier und dreidimensionale Gebilde
(Kunststoff, Metall, Glas und Keramik).
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die
Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaubild eines Pulsmusters, bei
dem die Spannung über der Zeit aufgetragen
ist;
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Vollbrücken
schaltung zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens; und
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Halbbrücken
schaltung.
In Fig. 1 sind vier Beispiele für repetierenden Pulsbetrieb
dargestellt. Es ist jeweils der zeitliche Verlauf der
Spannung über der Zeit schematisch wiedergegeben.
Fig. 1a zeigt fünf unipolare Spannungspulse, die jeweils
durch eine Pulspause voneinander getrennt sind. Die Dauer
der Pulspausen kann von Null bis in den Sekundenbereich
verändert werden. Auch die Pulsdauer läßt sich von Bruchtei
len einer µs bis zu einigen ms variieren.
Fig. 1b zeigt ein weiteres Beispiel, in dem die einzelnen
Spannungspulse durch verschieden lange Pulspausen voneinan
der getrennt sind.
Anstelle von unipolaren Spannungspulsen kann auch mit
Pulszügen gearbeitet werden. Ein Beispiel mit sinusförmigen
Spannungspulszügen zeigt Fig. 1c. Neben der Dauer des
Pulszuges (µs bis ms) und der Frequenz (1 kHz bis ca. 100
kHz) kann auch hierbei die Pausenzeit von Null bis in den
Sekundenbereich verändert werden. Es kann ebenfalls mit
unterschiedlich langen Pulspausenzeiten gearbeitet werden,
wie schematisch in Fig. 1d dargestellt.
Es sind auch andere Pulsmuster möglich.
Im gepulsten Betrieb ist eine Arbeitsfrequenzeinstellung,
eine Zeitbereichseinstellung, eine Einstellung der Zwi
schenkreisspannung und eine Auswahl verschiedener Pulsmu
ster möglich.
Der in Fig. 2 wiedergegebene Generator mit Vollbrückenschal
tung weist einen Brückengleichrichter 1 auf, der die va
riable Wechselspannung gleichrichtet.
Diese Gleichspannung ist die Versorgungsspannung des Wech
selrichters (bestehend aus den IGBT-Transistoren (2, 3, 4, 5)
und den Inversdioden (6, 7, 8, 9)).
Die Ausgangswechselspannung wird erzeugt durch wechselseiti
ges Ansteuern der Transistoren, wobei jeweils die Transisto
ren 2 und 5 bzw. 3 und 4 gleichzeitig angesteuert werden.
Die Inversdioden 6, 7, 8, 9 dienen als Freilaufzweig.
Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt aus der Gatesteuer
baugruppe 10, die die Signale des Pulsmustergenerators 11
in Gatesignale für die IGBT-Transistoren umsetzt.
Die Wechselspannung wird mit dem Transformator 12 auf die
für die Koronaerzeugung notwendige Höhe transformiert.
Die Längsinduktivität des Transformators (12) bildet mit
der Kapazität der Elektrode einen Schwingkreis.
Die Koronaleistung ist von der Ansteuerfrequenz des Umrich
ters, von der Höhe der Versorgungsspannung und dem einge
stellten Pulsmuster des Pulsmustergenerators abhängig.
Der Pulsmustergenerator 11 erzeugt die erforderliche Modula
tion der Korona.
Das Schaltbild nach Fig. 3 zeigt eine Ausführung des Genera
tors in Halbbrückenschaltung.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Halbbrückenschaltung sind die
Transistoren einer Brückenhälfte durch die Kondensatoren 13
und 14 ersetzt.
Eine Seite des Transformators 12 wird durch die
Transistoren 6 und 7 wechselweise an den Plus- bzw. an den
Minuspol der Versorgungsspannung gelegt.
Die andere liegt an einer nahezu konstanten Spannung, da
die Kondensatoren für den Wechselstrom einen geringen
Widerstand haben.
Im übrigen entspricht die Schaltung in ihrem Verhalten der
schon beschriebenen Vollbrücke.
Folgende Werte können für ein Pulsmuster angegeben werden:
Arbeitsfrequenz: 20-50 kHz
Pulszugdauer: 60-200 µs
Pulspause: 10-220 µs
Im folgenden werden einige Laborversuche für verschiedene Materialien unter verschiedenen Bedingungen wiedergegeben.
Arbeitsfrequenz: 20-50 kHz
Pulszugdauer: 60-200 µs
Pulspause: 10-220 µs
Im folgenden werden einige Laborversuche für verschiedene Materialien unter verschiedenen Bedingungen wiedergegeben.
Parameter: 50 m/min, 220 Volt an Primärspule
In der folgenden Tabelle ist eine einmalige Dauerbehandlung mit einer
zweimaligen Pulsbehandlung (60 µs ein/60 µs aus) zu vergleichen.
Entsprechend eine zweimalige Dauerbehandlung mit einer viermaligen
Pulsbehandlung.
Im Pulsbetrieb keine Zerstörungen, daher keine Verbrennungen der
Aluminiumschicht und deutlich höhere Oberflächenspannung als im
Dauerbetrieb.
Parameter: 50 m/min, 150 bzw. 220 Volt an Primärspule
In der folgenden Tabelle ist eine einmalige Dauerbehandlung mit einer
zweimaligen Pulsbehandlung (60 µS ein/60 µs aus) zu vergleichen.
Entsprechend eine zweimalige Dauerbehandlung mit einer dreimaligen
Pulsbehandlung (120 µs ein/60 µs aus) vergleichbar.
Im Pulsbetrieb (60 µs ein/60 µs aus bzw. 120 µs ein/60 µs aus) werden um
4 mN/m höhere Oberflächenspannungswerte erhalten als im Vergleich zum
Dauerbetrieb.
Parameter: 10 m/min, 220 Volt an Primärspule
In der folgenden Tabelle ist eine zweimalige Dauerbehandlung mit einer
viermaligen Pulsbehandlung (60 µs ein/60 µs aus) zu vergleichen.
Entsprechend ist eine viermalige Dauerbehandlung mit einer achtmaligen
Pulsbehandlung (30 µs ein/60 µs aus) vergleichbar.
Eine zweimalige Behandlung im Dauerbetrieb bzw. eine viermalige
Behandlung im Pulsbetrieb (60 µs ein/60 µs aus) führt zu keiner
nennenswerten Behandlung. Deutliche Effekte sind bei einer viermaligen
Dauerbehandlung bzw. achtmaligen Pulsbehandlung pro Seite zu erzielen.
Dabei zeigen im Pulsbetrieb behandelte Muster nach 60 Sekunden eine um
den Faktor zwei bis drei größere Steighöhe als im Dauerbetrieb
behandelten Muster. Insbesondere in der Steigzeit für die ersten 10
Millimeter zeigt das Muster nach Pulsbehandlung eine um fast den Faktor
vier höhere Steigzeit.
Die vorstehend wiedergegebenen Versuche machen deutlich,
daß die gepulste Koronaentladung im Falle von Folien mit
einem hohen Gleitmittelanteil, metallisierten Folien und im
Einzelfall bei Geweben, zu höherer Effektivität hinsicht
lich der Behandlung im Vergleich zu einer bekannten Entla
dung führt. Insbesondere bei metallisierten Folien und
Papieren führt die gepulste Entladung zu einem
gleichmäßigeren Behandlungsergebnis. Materialschädigungen
im Bereich der Fußpunkte der Koronaentladungen kommen
praktisch nicht vor.
Dieses ist auf eine kürzere Verweilzeit der Fußpunkte der
Entladungskanäle auf der Metallisierung zurückzuführen. Bei
der Behandlung von Textilien mit einem niedrigeren
Flächengewicht kommt es zu einer höheren Begegnungswahr
scheinlichkeit von Entladungskanälen und Fasern.
Das Verfahren wird vorteilhaft auch bei der Behandlung
inhomogener Materialien eingesetzt, wie z. B. Schäumen und
Stegprofilen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphären
druck durch eine alternierende Hochspannung, die durch
einen Hochspannungsgenerator zwischen Elektroden erzeugt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenera
tor eine gepulste, repetierende Spannung erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der gepulste Betrieb mit einer Arbeitsfrequenz im
Bereich zwischen 1 und 100 kHz, einer Pulszugdauer zwischen
1 µs bis 100 ms, einer Pulspause von 0 bis einigen Sekun
den, erfolgt, wobei die Pulspausen auch unterschiedlich
lang sein können.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Arbeitsfrequenz zwischen 15 und 50 kHz liegt
und mit einer Pulszugdauer sowie Pulspause zwischen 20 und
200 µs gearbeitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die gepulste Koronaentladung unter
Luft- oder Fremdgasatmosphäre stattfindet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die gepulste Koronaentladung in Reaktionsgasen,
z. B. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff,
Ethylen, Acetylen, Luft oder Gemischen dieser Gase stattfin
det.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die gepulste Koronaentladung in Inertgasatmosphä
re, z. B. Stickstoff, Argon oder Gemische derartiger Inertga
se stattfindet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944438533 DE4438533A1 (de) | 1994-11-02 | 1994-11-02 | Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphärendruck |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944438533 DE4438533A1 (de) | 1994-11-02 | 1994-11-02 | Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphärendruck |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4438533A1 true DE4438533A1 (de) | 1996-05-09 |
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ID=6531916
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19944438533 Withdrawn DE4438533A1 (de) | 1994-11-02 | 1994-11-02 | Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphärendruck |
Country Status (1)
Country | Link |
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