DE4438533A1 - Verfahren zur Koronabehandlung bei Atmosphärendruck - Google Patents

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.

Mit Aluminium bedampftes Papier Keramik-Elektrode - Typ MMD

Parameter: 50 m/min, 220 Volt an Primärspule

Ergebnisse

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.

Fazit

Im Pulsbetrieb keine Zerstörungen, daher keine Verbrennungen der Aluminiumschicht und deutlich höhere Oberflächenspannung als im Dauerbetrieb.

PE-Folie mit hohem Gleitmittelanteil Metall-Elektrode - Typ MM

Parameter: 50 m/min, 150 bzw. 220 Volt an Primärspule

Ergebnisse

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.

Fazit

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.

Wollgewebe Keramik-Elektrode - Typ MMD Behandlung der beiden Oberflächen

Parameter: 10 m/min, 220 Volt an Primärspule

Ergebnisse

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.

Fazit

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.