DE69300618T2 - Koronaelektroden. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koronaelektrode, die eine Unterschicht aus Kupfer und eine Oberschicht aus einem Dielektrikum aufweist, wobei die Elektrode bei Hochleistungs- und/oder Hochgeschwindigkeitsvorgängen bei verminderten Temperaturen benutzt werden kann.
• Es ist bekannt, daß die Haftung an der Oberfläche von Materialien durch Anwendung einer Koronaentladung verbessert wird. Daher wurden Koronabehandlungen benutzt, um die Oberflächen von thermoplastischen Materialien zu behandeln, um deren Haftung bezüglich Druckfarben, Farben, Überzügen und Körpern aus anderen Materialien zu verbessern. Es wurden viele Methoden für die kontinuierliche Koronaentladungs-Oberflächenbehandlung von thermoplastischen Materialien eingesetzt, wobei das Materialkontinuum durch einen Luftspalt zwischen stationären Elektroden und Walzenelektroden hindurchgeführt wird. Bei der stationären Elektrode handelt es sich typischerweise um eine Stange oder um mehrere Stangen, und die relativ größere Walzenelektrode ist mit einem dielektrischen Überzug beschichtet. Typischerweise wird eine Hochspannung in der Größenordnung von 20 kV bei 10 kHz über die Elektroden angelegt. In dem Spalt wird eine Koronalichtbogenentladung entwickelt, und diese erzeugt eine Oberflächenbehandlung des thermoplastischen Materialkontinuums, was zu der Ausbildung von exzellenten Haftungseigenschaften an der Oberfläche des behandelten Kontinuums führt. Jedoch bereitet die Ausbildung und die Aufrechterhaltung von solchen dielektrischen Überzügen auf solchen Walzenelektroden, welche das zu behandelnde Material abstützen, eine Reihe von Problemen, die zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Betriebes führen.
• Der dielektrische Walzenüberzug stellt einen Hauptfaktor für gute Leistung des Koronabehandlungsverfahrens dar. Aus den unten angegebenen Gründen sind verschiedene Qualitätsfaktoren gefragt.
• 1. Die Kapazität pro Flächeneinheit muß groß sein, und dies erfordert ein hohes ε/t-Verhältnis, wobei ε die Dielektrizitätskonstante und t die Dicke ist. Die Koronaleistung ist direkt proportional zu der Kapazität pro Flächeneinheit.
• 2. Der Puffer muß eine hohe dielektrische Festigkeit haben (d.h. Volt/mm = Emax; ein elektrisches Feld), da diese Oberfläche der gesamten angelegten Elektrodenspannung ausgesetzt sein kann, und da große Arbeitsspannungen großen Koronaleistungen entsprechen.
• 3. Der Walzenüberzug sollte in der Lage sein, erzeugte Wärme abzuleiten, er sollte von Ozon und Stickoxiden nicht beeinträchtigt werden und er sollte mechanisch zäh sein.
• EP-A-0 274 043 offenbart eine Koronaentladungs-Walzenelektrode, die ein Substrat aufweist, auf das eine erste elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, welche im wesentlichen die Elektrode bildet, wobei diese elektrisch leitende Schicht an deren Außenseite von einer isolierenden Schutzschicht bedeckt ist.
• Das katastrophale Versagen einer Walze kann zu kostspieligen Produktionsverlusten führen. Das Auswechseln einer Walze und der Transport einer Walze weg von einer Anlage zwecks erneuter Beschichtung sind kostspielig. Bei manchen Anwendungen kann der dielektrische Überzug, welcher im allgemeinen auf der Walzenelektrode abgeschieden wird, statt dessen auf der stationären Elektrode aufgebracht sein. Dies vermindert das kostspieligere Beschichten der Walzenelektrode und die mit dem Austausch der Walze verbundenen Kosten. In jedem Fall kann die Temperatur der Oberfläche der dielektrisch beschichteten Elektrode während Hochleistungsbetriebszuständen (über 4 oder 5 kW pro m²) 100 ºC übersteigen oder sich sogar dem Schmelzpunkt des behandelten Materials nähern oder diesen übersteigen.
• Es wurde nun ermöglicht, eine zweifach beschichtete Koronaelektrode bereitzustellen, bei welcher bei einem Einsatz bei Hochleistungsbetriebspegeln die Betriebstemperatur gesenkt und stabilisiert ist. Es wurde nun auch ermöglicht, eine Duplexbeschichtung für eine Koronawalzenelektrode zu schaffen, die es der Elektrode ermöglicht, bei verringerter Temperatur bei höheren Leistungspegeln und höheren Geschwindigkeiten betrieben zu werden als einfach beschichtete Walzenelektroden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zur Verwendung in einer Koronavorrichtung bestimmte Koronaelektrode geschaffen, die ein elektrisch leitendes Substrat aufweist, das mit einer ersten Schicht aus Kupfer beschichtet ist, die von einer zweiten Schicht aus einem dielektrischen Werkstoff bedeckt ist.
• Die bevorzugte Dicke der Kupferschicht kann zwischen etwa 0,025 und 1,0 mm liegen, und stärker bevorzugt liegt sie zwischen etwa 0,25 und 0,6 mm. In der bevorzugten Ausführungsform wäre die Koronaelektrode die Koronawalzenelektrode. Das Substrat der Elektrode kann eine große Vielfalt von Metallen aufweisen, wie beispielsweise niederen Stahl (insbesondere Kohlenstoffstahl) oder eine Aluminiumlegierung. Das Substrat könnte außerdem aus Kohlenstoffasern gefertigt sein.
• Die äußere feuerfeste Schicht kann eine oder mehrere Komponenten mit dielektrischen Eigenschaften aus einer großen Vielfalt von feuerfesten anorganischen Metaliverbindungen aufweisen, wie z.B. feuerfeste Metalloxide, Nitride und Boride, wie sie seit langem in der Technik eingesetzt werden, um bei einem Einsatz als Schutz- oder Abschirmüberzug für Hochtemperaturfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Stoßfestigkeit und andere solche Eigenschaften zu sorgen. Solche dielektrischen Überzüge besitzen normalerweise gute Eigenschaften hinsichtlich einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie sie erwnscht sind, um den Anstau von Wärme in der Elektrode zu vermeiden, und sie besitzen außerdem einen hohen spezifischen Widerstand, dielektrische Festigkeit und eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie geringe Verlustfaktoren. Bei der bevorzugten äußeren Schicht würde es sich um eine Aluminiumlegierung, Aluminiumoxid, Gemische aus Aluminiumoxid und Kobalt oder ähnliches handeln. Die Dicke der äußeren Schicht könnte zwischen 0,25 und 5,0 mm liegen, und vorzugsweise beträgt sie 0,5 bis 1,2 mm.
• Vorzugsweise könnte ein Dichtmittel benutzt werden, um den äußeren Überzug zu versiegeln und um jegliche Leerräume in dem Überzug aufzufüllen. Ein geeignetes Dichtmittel wäre ein Expoxiddichtmittel, wie z.B. UCAR 100 Dichtmittel, wie es von der Union Carbide Corporation, Danbury, Connecticut, auf den Markt gebracht wurde. UCAR 100 ist ein Warenzeichen der Union Carbide Corporation für ein wärmehärtendes Epoxidharz. Andere geeignete Dichtmittel sind Dow Corning 994 Firnis, wobei dies ein elektrisches Firnis auf Silikonbasis ist, sowie Xylock 210, wobei es sich hierbei um ein von Advanced Resins Ltd. of England auf den Markt gebrachtes Phenolaralkylharz handelt. Das Dichtmittel kann feine Mikroporen, die sich während dem Beschichtungsprozeß entwickelt haben, versiegeln, und es kann daher ein Finish mit guter Beständigkeit gegen eine Kontamination schaffen, wie sie während eines Gebrauchs auftreten kann.
• Eine Koronavorrichtung weist im allgemeinen zwei Elektroden auf, wobei eine derselben mit einem dielektrischen Werkstoff beschichtet ist und wobei die andere aus Metall gefertigt ist. Die Elektroden sind an einen elektrischen Generator angeschlossen, der so bei einer Spannung und einer Frequenz betrieben wird, daß eine Entladung erzeugt wird, die entlang der gesamten Länge der Elektroden an deren wechselseitig gegenüberliegenden Flächen stattfindet. Die zu behandelnden Materialien, bei welchen es sich um Lagen oder Folien aus Kunststoff oder anderen Materialien handeln kann, werden zwischen die beiden Elektroden in dem Bereich eingeführt, wo die Entladung auftreten soll. Da nahezu die gesamte den Elektroden zugeführte elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird, die sich zwischen den Oberflächen der Elektroden verteilt, steigt die Temperatur der Elektroden an. Eine Verkürzung der Verweildauer des unter der Entladung zu behandelnden Materials, wie sie für eine hohe Produktionsrate oder einen hohen Ausstoß erforderlich ist, bedingt einen Anstieg der Entladungsdichte über die Elektroden, um die für den erforderlichen Grad an Oberflächenbehandlung erforderliche Energie konstant zu halten. Dies führt zu einem Anstieg der an die Elektroden abgegebenen thermischen Energie und einem damit einhergehenden Anstieg der Temperatur, wobei gleichzeitig sich die dielektrischen Eigenschaften der isolierten Elektrode verschlechtern. Ein Anstieg der Temperatur einer Koronawalze könnte außerdem einen auf der Walze behandelten thermoplastischen Film beschädigen.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Kupferschicht auf eines der Elektrodensubstrate abgeschieden, und dann wird ein dielektrischer Überzug, wie beispielsweise eine Aluminiumlegierung, insbesondere Aluminiumoxid, über die Kupferschicht abgeschieden. Es wurde festgestellt, daß die Kupferschicht die sich ergebene stabilisierte Betriebstemperatur der Elektrode senkt und somit höhere Betriebsleistungen für die Koronabehandlung zuläßt. Wenn die Leistung gesteigert wird, kann die Verweildauer des behandelten Materials verkürzt werden, und somit kann die Produktionsrate des Koronaverfahrens gesteigert werden. Wie oben erwähnt, wird eine bei einer niedrigen Temperatur betriebene Koronawalze nicht den behandelten Film beschädigen. Eine bei einer niedrigeren Temperatur betriebene Walze wird außerdem einem Dichtmittel, falls benutzt, ermöglichen, in geeigneter Weise zu wirken.
• Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel näher beschrieben, ist jedoch in keiner Weise auf dieses begrenzt.
Beispiel
• Eine ein Stahl- oder Kohlenstoffasersubstrat aufweisende Walze wurde mit einer 0,25 mm Schicht aus Kupfer und einer Oberschicht aus Aluminiumoxid beschichtet. Die zweifach beschichtete Koronawalzenelektrode wurde in einer Koronavorrichtung benutzt, und unter Verwendung der gleichen Leistungseinspeisung wurde die Temperatur jeder Koronawalzenelektrode nach der gleichen Zeitspanne gemessen. Die erhaltenen Daten sind in der Tabelle angegeben. Tabelle Probe Koronawalze untere Schicht obere Schicht Temperatur Stahlsubstrat Kohlenstoffasersubstrat keine Kupfer Aluminiumoxid
• Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, senkte eine Unterschicht aus Kupfer die Temperatur der Koronawalzenelektrode des Beispiels B gegenüber einer ähnlichen Koronawalzenelektrode des Beispiels A, die keine Unterschicht aus Kupfer aufwies. Die Daten zeigen außerdem, daß eine Koronawalzenelektrode, die ein Kohlenstoffasersubstrat mit einer Unterschicht aus Kupfer und einer Oberschicht aus Aluminiumoxid aufweist, bei einem speziellen Leistungspegel mit einer verringerten Temperatur betrieben werden kann, als eine ähnliche Koronawalzenelektrode, die ein Stahlsubstrat aufwies. Wie aus den Daten ersichtlich ist, kann die Koronawalzenelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung bei höheren Leistungspegel und niedrigeren Temperaturen betrieben werden, wodurch die Ausstoßrate für das Behandeln von Filmmaterialien gesteigert wird.
• Obschon die bevorzugte Ausführungsform darin besteht, daß die Duplexbeschichtung auf der Koronawalzenelektrode angeordnet ist, liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß die Duplexbeschichtung auf der stationären Elektrode angeordnet ist.

Claims (10)

1. Zur Verwendung in einer Koronavorrichtung bestimmte Koronaelektrode, die ein elektrisch leitendes Substrat aufweist, das mit einer ersten Schicht aus Kupfer beschichtet ist, die von einer zweiten Schicht aus einem dielektrischen Werkstoff bedeckt ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Kupferschicht 0,025 bis 1,0 mm dick ist.

3. Elektrode nach Anspruch 2, wobei die Kupferschicht 0,25 bis 0,6 mm dick ist.

4. Elektrode nach Anspruch 3, wobei das Substrat aus Stahl, einer Aluminiumlegierung oder Kohlenstoffasern ausgewählt ist.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Schicht aus einem feuerfesten Metalloxid oder einer Aluminiumlegierung besteht.

6. Elektrode nach Anspruch 5, bei der die zweite Schicht aus Aluminiumoxid besteht.

7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektrode eine Rollenelektrode zur Verwendung in einer Koronavorrichtung ist.

8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektrode eine stationäre Elektrode zur Verwendung in einer Koronavorrichtung ist.

9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die zweite Schicht mit einem Dichtmittel beschichtet ist.

10. Elektrode nach Anspruch 9, bei der das Dichtmittel ein Epoxidharz oder ein Silikon ist.