[0001] Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen mittels elektriscber Coronaentladung
[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wechselstromcoronavorrichtung zur Behandlung
der Oberflächen von Kunststoff- oder Metallfolien.
[0003] Bei der Verarbeitung von Folien und bei der Verbundfolienherstellung zählt die Oberflächenbehandlung
mittels einer Coronaentladung zwecks Bedruckbarmachung bzw. Steigerung von Verbundfestigkeiten
zum Stand der Technik.
[0004] Die Funktionsweise dieser Verfahren sieht das Führen des zu behandelnden Filmes 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 mit
einer elektrischen Coronaentladung, die durch die Speisung einer im Abstand zur Stützfläche
angeordneten Elektrode mit einem hochfrequenten Wechselstrom hoher Spannung erzeugt
wird, vor.
[0005] Im wesentlichen unterscheiden sich die nach diesem Grundprinzip arbeitenden, bekannten
Verfahren und Vorrichtungen mehr oder weniger nur in der Ausführungsform 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.
[0006] 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, wobei
die Folie durch eine mit einem dielektrischen Material isolierte Elektrode mit einer
elektrischen Coronaentladung beaufschlagt wird.
[0007] Beiden 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 o.dgl. oder durch Einschleppen von Feuchtigkeit in die Station
entstehen. Die in der gängigsten Ausführung mit Spezialgummi-, Silikonschichten usw.
isolierten Walzen müssen dann zwecks Reparatur an einen Gummier- und Vulkanisierbetrieb
geliefert werden. Erfahrungsgemäß ist der Instandsetzungsprozeß technisch aufwendig
und nimmt längere Zeit in Anspruch, so daß der betroffene Betrieb zwangsläufig für
eine entsprechend aufwendige Ersatzteilhaltung sorgen muß.
[0008] Die geschilderten Probleme dürfen mit Sicherheit Anlaß für die Entwicklung des Alternativverfahrens
gewesen sein, bei dem man sich, wie bereits 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
einfacheren Gestaltung sowie der leichteren Handhabung beim Ein- und Ausbau auch eine
Reduzierung der Repäraturkosten 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. die erzielte Oberflächenveränderung (genessen in 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 Elektrodenprofil
entfernt ist.
[0009] Aus Kenntnis der genannten Probleme resultiert sicherlich auch die Vorrichtung des
DE-Gm 74 14 965, in der profilierte blanke Elektrodenwalzen in Verbindung mit einer
isolierten Gegenelektrodenwalze verwendet werden. In Anbetracht jedoch der gegenüber
einem feststehenden Elektrodenprofil (Messer, Kamm usw.) nicht eindeutig erkennbaren
Vorteile - ganz davon abgesehen, daß man das durchaus günstige Ausführungsprinzip
der isolierten Elektrode aufgegeben hat - kann diese Vorrichtung nur als ein Kompromiß
zwischen dem Zwang zur Verbesserung einesnicht optimalen Systemes und der Beibehaltung
des einmal, propagierten Konzepts verstanden werden.
[0010] Dahingegen stellt die in der DE-OS 25 56 228 beschriebene Elektrode ein praktisch
optimales Gerät innerhalb der Kategorie Roll- oder Walzenelektroden dar. Trotz gegenüber
den konventionellen Elektroden wesentlich verbesserter Leistungsausnutzung sind jedoch
auch hier bei hohen Behandlungsgeschwindigkeiten immer noch mehrere Elektroden erforderlich,
was in Anbetracht des einmal erforderlichen höheren technischen und finanziellen Aufwands
als ein gewisser Nachteil angesehen werden kann.
[0011] Bei Anlagen für größere Behandlungsbreiten, wo aus konstruktiven Gründen, z.B. wegen
der Durchbiegung der Walzen der Durchmesser der Walzenelektrode automatisch vergrößert
werden muß, kristallisieren sich die Nachteile der konventionellen Roll- oder Walzenelektroden
sogar noch erheblich ungünstiger heraus. Zu der wesentlich reduzierten Energiedichte
kommt auch noch die Erhöhung der Masse der stromführenden Teile und damit der elektrischen
Verluste durch Abstrahlung hinzu, da der gesamte Walzenkörper ja unter Spannung steht,
obwohl nur ein geringer Bruchteil davon als Entladefläche benötigt wird.
[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Coronaeinrichtung zu schaffen,
die im Aufbau technisch einfach ausgestattet ist, die schnell repariert werden kann,
bei hohen Folienlaufgeschwindigkeiten einsetzbar und mit der eine höhere Energiedichte
für den Entladungsvorgang erzielbar ist.
[0013] Gelöst wird die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Folienbahnen mittels elektrischer Coronaentladung, bestehend aus wenigstens einer
Walzenelektrode, wenigstens einer dieser zugeordneten geerdeten Gegenelektrode sowie
einem mit der Elektrode verbundenen Generator zur Erzeugung einer Wechselspannung,
bevorzugt in hochfrequenter Form, wobei die Walzenelektrode aus einer zentralen Achse,
zwei an der Achse zentrisch befestigten zylindrischen Abschlußstücken, die über Lager
mit der Achse rotierbar verbunden sind, einem von den Abschlußstücken gestützten Rohr
aus dielektrischem Material, einer Zuleitung zwischen Elektrode und Transformator/Generator
sowie wenigstens einem Lagerarm, der die Achse haltert, besteht, deren kennzeichnendes
Merkmal darin besteht, daß in dem Rohr ein Innenrohr eingepaßt ist, das die Elektroden
trägt, die über einen Schleifring und über die Zuleitung mit dem Transformator und
Generator in Verbindung stehen und daß die geerdeten Gegenelektroden in an sich bekannter
Weise als Spitzenelektroden in Form von Kämmen, Messern, Zähnen, bevorzugt jedoch
dünnen Drähten, ausgebildet sind.
[0014] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine ideale Gestaltung von Elektroden und
Gegenelektroden in Form von scharfen Spitzen erreicht worden. Durch die drastische
Verringerung der Kapazität der Elektroden und der damit in Zusammenhang stehenden
elektrischen Verluste auf ein Minimum wird eine extrem hohe Energiedichte für den
Entladungsvorgang erreicht, wie sie keines der bekannten - Roll- oder Walzenelektrodensysteme
nur annähernd ermöglichen kann.' Dieser Vorteil bleibt in jedem Fall 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 eigentlichen Elektroden in keinerlei Zusammenhang
mit dem Rotationskörper stehen.
[0015] Da zwischen der Walzenelektrode und der auf ihr anliegenden, zu behandelnden Folienbahn
keine Relativgeschwindigkeit besteht, wäre die Ausbildung eines mit der Elektrodengeometrie
übereinstimmenden Vorbehandlungsmusters zu erwarten. überraschenderweise ist dies
aber nicht der Fall. Erklären läßt.sich das Phänomen mög- ; licherweise damit, daß
aufgrund der Relativbewegung zwischen Elektroden und Gegenelektroden sich eine "wedelnde"
oder "wischende" Coronaentladung ausbildet. Selbstverständlich spielen hierbei die
Abstände der Elektroden zueinander auf dem Innenrohr eine Rolle, die sich bevorzugt
zwischen 5 und 10 mm bewegen sollen.
[0016] Ein weiterer verfahrenstechnischer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
auch in der Verwendung zur Vorbehandlung von Metallfolien zu sehen. In diesem Falle
wäre nur ein Drehen der Apparatur gemäß Figur 1 um 180° notwendig, wodurch die Elektroden
gegen die dann zu erdenden Stahlwalzen gerichtet würden. Eine über die Walzen geführte
Metallfolienbahn könnte dann einer Coronaentladung ausgesetzt werden.
[0017] Ein ebenfalls nicht zu erwartender Effekt macht die erfindungsgemäße Vorrichtung
vor allem für die Anwendung in Beschichtungs- oder Druckmaschinen ungemein wertvoll.
Während bei den herkömmlichen Coronaanlagen in die Vorbehandlungsstation eingeschleppte
Feuchtigkeit, z.B. bei Abrissen, 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.
[0018] Abgesehen von der Vielzahl rein verfahrenstechnischer Vorzüge beinhaltet die Coronaeinrichtung
noch zusätzliche positive Merkmale. U.a. darf hierunter zweifellos auch die elektrisch
sichere Ausführung durch Verlagerung aller stromführenden Teile in das Innere der
Walzenelektrode angesehen werden.
[0019] Der konstruktiv relativ einfache Aufbau der Apparatur hat sich positiv in der betrieblichen
Praxis bemerkbar gemacht. Da die eingesetzten dielektrischen Rohre, im Gegensatz zu
dünnen, weichen Gummischichten, relativ harte Oberflächen aufweisen, wurde eine erhebliche
Verminderung der mechanischen Beschädigungen (z.B. durch Messerschnitte beim Beseitigen
von "Walzenwicklern" infolge Bahnriß) festgestellt. Wird im Falle nie ganz auszuschließender
elektrischer Durchschläge einmal ein Auswechseln eines defekten Rohres notwendig,
so kann dies der betroffene Betrieb ohne großen Zeit- und Reparaturaufwand durch Einsatz
preiswerter, im Betrieb gelagerter Ersatzteile selbst bewerkstelligen. Auf diese Weise
wird die Unabhängigkeit von Fremdfirmen und häufig langwierigen Reparaturabwicklungen
erzielt.
[0020] Die Bestückung des Innenrohres mit den Elektroden kann verschieden erfolgen. So können
dünne Drähte oder Drahtgewebe, die bevorzugt eine Stärke von 0,2 bis 0,3 mm aufweisen
auf das Innenrohr aufgeklebt werden. Da es aber bei unsachgemäßer Einpassung des Innenrohres
in das Rohr zu Beschädigungen kommen kann, sind die'Drähte oder das Drahtgewebe bevorzugt
in entsprechend eingefräßten Nuten des Innenrohres untergebracht. Die Nutentiefe entspricht
dabei bevorzugt nahezu der Stärke der Drähte oder des Drahtgewebes. Bei dieser Auführungsform
ist gewährleistet, daß Beschädigungen der Elektrode beim Einpassen des Innenrohres
absolut vermieden werden.
[0021] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, daß man die Elektroden aufdruckt,
d.h., daß sie in Form von gedruckten Schaltungen vorliegen.
[0022] In weiterer Ausgestaltung ist die Achse der Walzenelektrode als Hohlachse ausgebildet,
die bevorzugt Bohrungen aufweist. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, wenn
die Hohlachse Anschlüsse zum Ein- und Ableiten besitzt, oder wenn in den Abschlußstücken
entsprechende Bohrungen vorhanden sind, ein Kühlmedium während der Coronabehandlung
durch die Vorrichtung durchzuleiten, um entstehende Wärme zu entfernen.
[0023] Wenn auch die Gegenelektroden der Walzenelektrode weitgehend beliebig zugeordnet
sein können, so hat es sich jedoch als besonders zweckmäßig erwiesen, daß man sie
entsprechend dem Krümmungsradius der Walzenelektrode anbringt.
[0024] Damit bei der Behandlung eventuell durch Wärme auftretende Längenunterschiede, die
zu einer ungleichmäßigen Oberflächenbehandlung führen würden, ausgeglichen werden,
sind die Gegenelektroden bevorzugt mit Federn verbunden. Das Außen- und das Innenrohr
der Vorrichtung bestehen bevorzugt aus dem gleichen dielektrischen Material, z.B.
insbesondere aus Glas, phenol- bzw. melaminharzgetränkten Papieren, glasfaserverstärkten
Epoxyd- oder Silikonharzen, Polyestern oder Polycarbonaten, die alle eine relativ
kratzfeste Oberfläche aufweisen und somit beispielsweise durch die genannten notwendigen
Messerschnitte bei Walzenwicklern nicht beschädigt werden. In Sonderfällen kann jedoch
auch anstelle des mechanisch formbeständigen äußeren Rohres ein elastisches Dielektrikum
in Schlauchform verwendet werden.
[0025] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Wirkungsweise wird nun anhand der folgenden
Figuren näher erläutert, ohne daß jedoc-h eine Einschränkung hierauf bestehen soll.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt gemäß Schnittlinie A - A der Figur 2.
Figur 2 stellt einen Schnitt in Achsrichtung durch die erfindungsgemäße Apparatur
dar.
Figur 3, 4 und 5 zeigen in perspektivischer Darstellung Möglichkeiten der Elektrodenanordnung
auf dem Innenrohr.
[0026] Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, besteht die erfindungsgemäße Coronaanlage im wesentlichen
zunächst aus einem als Elektrode fungierenden, gleichzeitig der Führung des zu behandelnden
Substrates S dienenden, zylindrischen, aus dielektrischem Material bestehenden Walzenkörper
W, der durch zwei ineinandergeschobene, enggepaßte Rohre 5 und 6 gebildet wird sowie
einem darüber um den Drehpunkt D schwenkbar angeordneten, die geerdeten Gegenelektroden
14 aufnehmenden Rahmen R. Beim Transport des Substrates S über den Walzenkörper W
wird die dem rotierenden Walzenkörper abgewandte Oberfläche des Substrates S von der
zwischen den Elektroden 7, die sich zwischen den beiden ineinandergeschobenen Rohren
5 und 6 befinden und den äußeren, geerdeten Gegenelektroden 14 gezündeten, elektrischen
Coronaentladung behandelt.
[0027] Anhand des in Figur 2 dargestellten Längsschnittes wird der konstruktive Aufbau der
erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verdeutlicht.
[0028] So besteht die Walzenelektrode aus einer feststehenden, in den Lagerarmen 2 gelagerten
Achse 1. Auf der Achse 1 sind im Abstand zwei in Kugellagern 3 um die Achse 1 rotierbar
gelagerte zylindrische Abschlußstücke 4 aufgezogen, die ein aus einem dielektrischen
Material bestehendes, · zylindrisches Rohr 5 tragen. In das Rohr 5 ist ein weiteres,
ebenfalls aus dielektrischem Material bestehendes, zylindrisches Rohr 6 derartig eng
eingepaßt, daß beide Rohre innigen Kontakt am gesamten Umfang miteinander haben. Zwischen
den beiden Rohren 5 und 6 sind die Elektroden 7 in ihrem Querschnitt entsprechenden,
in das Rohr 6 am gesamten Umfang eingearbeiteten, Nuten angeordnet. Ober den segmentartig
ausgestalteten Schleifring 8 sowie die Zuleitung 9 werden die Elektroden 7, bevorzugt
dünne metallische Drähte von etwa 0,2 bis 0,3 mm Dicke, von einen Generator G mit
einem hochfrequenten, im Transformator T hochgespannten Wechselstrom beaufschlagt.
Gegen axiale Verschiebung ist der komplette Walzenkörper durch Spannringe 10 gesichert.
Der Schleifring 8 wird durch eine Feder 19 gegen die Elektroden gedrückt.
[0029] Da der Vorbehandlungsprozeß mit Wärmeentwicklung verbunden ist, wird zwecks kontrollierbarer
Temperaturführung der gesamten Einheit durch das Gebläse V ein gasförmiges Medium,
im einfachsten Falle Luft, durch die Achse 1 zugeführt, das durch die radialen Verteilerbohrungen
11 in die Walzenelektrode einströmt und diese wiederum durch die in den Abschlußstücken
4 eingearbeiteten Bohrungen 12 verläßt. Die Temperierung für die Walzenelektrode kann
gegebenenfalls noch durch Kombination mit temperierbaren Stahl- oder Gummiwalzen,
wie in Figur 1 in Form der Walzen 13 angedeutet ist, verbessert werden, zumal ja im
Kontaktbereich keine elektrische Spannung mehr vorhanden ist. Ebenfalls praktikabel
ist auch eine Flüssigkeits-. innentemperierung mittels elektrisch nicht leitender
Substanzen wie etwa destilliertem Wasser, Transformatoren-oder Silikonölen. Für diesen
Fall müssen die Bohrungen 12 der Abschlußstücke verschlossen werden.
[0030] Ober der beschriebenen Walzenelektrode ist die notwendige Gegenelektrode angeordnet.
Es handelt sich hierbei ebenfalls um dünne metallische Drähte 14, die zur Walzenelektrode
einen Abstand von bevorzugt etwa 1 bis 2 mm aufweisen. In ihrer Lage zur Walzenelektrode
fixiert sind die Drähte 14 durch die dem Radius des Walzenkörpers angepaßten Segmentscheiben
15. Die Druckfedern 16 erzeugen die erforderliche Vorspannung und kompensieren die
wärmebedingten Längenausdehnungen und Durchhänge. Aufgehängt sind die Gegenelektroden
in einem RahmenteiT ; 17, der zwecks besseren Einführens des zu behandelnden Substrates
um den Drehpunkt D schwenkbar bzw. aufklappbar ist. Das Rahmenteil 18 dagegen ist
fest mit der Achse 1 verbunden.
[0031] Welche Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausführung der Elektroden 7 auf dem Innenrohr
6 z.B. gegeben sind, wird aus den Figuren 3, 4 und 5 deutlich. Während erstere Figur
die technisch einfachste Version der Elektrodenanordnung auf dem Trägerzylinder 6
in achsparalleler Form wiedergibt, repräsentieren die Figuren 4 und 5 modifizierte
Fertigungsbeispiele.
1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen mittels elektrischer Coronaentladung,
bestehend aus wenigstens einer Walzenelektrode, wenigstens einer dieser zugeordneten
geerdeten Gegenelektrode sowie einem mit der Elektrode verbundenen Generator zur Erzeugung
einer Wechselspannung, bevorzugt in hochfrequenter Form, wobei die Walzenelektrode
aus einer zentralen Achse, zwei an der Achse zentrisch befestigten zylindrischen Abschlußstücken,
die über Lager mit der Achse rotierbar verbunden sind, einem von den Abschlußstücken
gestützten Rohr aus dielektrischem Material, einer Zuleitung zwischen der Elektrode
und Transformator/Generator sowie wenigstens einem Lagerarm, der die Achse haltert,
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rohr (5) ein Innenrohr (6) aus dielektrischem
Material eingepaßt ist, das mehrere Elektroden (7) trägt, die über einen Schleifring
(8) über die Zuleitung (9) mit dem Transformator (T) und Generator (G) in Verbindung
stehen und daß die geerdeten Gegenelektroden (14) in an sich bekannter Weise als Spitzenelektroden
in Form von Kämmen, Messern, Zähnen, bevorzugt ; jedoch dünnen Drähten, ausgebildet
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) dünne
Drähte oder Drahtgewebe sind, die auf dem Innenrohr (6) aufgeklebt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) dünne
Drähte oder Drahtgewebe sind, die in Nuten des Innenrohres (6) eingelassen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) als
gedruckte Schaltungen ausgeführt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse
(1) als Hohlachse ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlachse
(1) Bohrungen (11) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußstücke
(4) Bohrungen (12) aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden
(14) dem Krümmungsradius des Rohres (5) entsprechend angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden
(14) mit Federn (16) verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rohre (5, 6) aus dem gleichen dielektrischen Material bestehen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (5, 6) aus
Glas, phenol- bzw. melaminharzgetränkten Papieren, glasfaserverstärkten Epoxyd- oder
Silikonharzen, Polyestern oder Polycarbonaten bestehen.