[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrode zur Korona-Behandlung von Oberflächen und eine
Vorrichtung umfassend eine entsprechende Elektrode.
[0002] Um die Benetzung mit und Haftung von Druckfarben oder Klebstoffen auf Oberflächen,
insbesondere von Kunststofffolien, zu erhöhen, ist es bekannt, die Oberflächenenergie
mit Hilfe einer Plasmabehandlung zu erhöhen. Das ist besonders bei Verpackungen aus
Kunststofffolie, insbesondere aus Polyolefinen zwingend, damit sich die Farben bei
der Verarbeitung, dem Transport oder der Benutzung einer entsprechenden Verpackung
nicht abreiben oder ablösen.
[0003] Im Stand der Technik sind hierzu Vorrichtungen zur Oberflächenbehandlung von Kunststofffolien
bekannt, bei denen die Folie über eine geerdete Metallwalze läuft, zu der parallel
und in geringem Abstand eine lang gestreckte Koronaelektrode angeordnet ist, sodass
sich zwischen der über die Walze geführten Folie und der Koronaelektrode ein Abstand
von nur wenigen Millimetern ergibt. Auf der Metallwalze ist ein Dielektrikum zur galvanischen
Trennung und elektrischen Isolation in Form eines Überzugs vorgesehen. Zur letztendlichen
Erzeugung der Koronaentladung ist die Koronaelektrode verbundene Wechselspannungsquelle
verbunden.
[0004] Als Dielektrikum wird regelmäßig Silikonkautschuk verwendet, mit dem die Metallwalze
beschichtet wird, um so den gewünschten Überzug zu erzeugen. Allerdings ist Silikonkautschuk
mechanisch nur wenig robust und kann auch durch elektrostatische Rückentladung der
ablaufenden Kunststofffolie perforiert werden. Jegliche Beschädigung des Silikonkautschuks
hat einen Kurzschluss zur Folge, der einen Tausch der Metallwalze erfordert. Aufgrund
der regelmäßig großen Breite der Metallwalze (bis zu 10 Meter) bei einem Durchmesser
von typischerweise um die 40 cm sowie dem mit der Metallwalze verbundenen Antrieb
erfordert ein Austausch der Metallwalze in der Regel mehrere Stunden, der einen ebenso
langen Produktionsausfall bedeutet.
[0005] Es besteht daher schon lange der Wunsch, das Dielektrikum nicht mehr auf der Metallwalze,
sondern vielmehr an der Elektrode vorzusehen. Während bei kleineren Anlagen mit geringer
Breite hierfür auf Keramikelektroden zurückgegriffen werden kann, sind entsprechende
Keramikelektroden für Anlagen mit großer Breite aufgrund herstellungstechnischer Beschränkungen
hinsichtlich der Länge von Keramikelektroden nicht verfügbar. Eine Aneinanderreihung
von bekannten Keramikelektroden ist nicht möglich, da sich an den Stoßstellen zwischen
zwei Keramikelektroden, an denen regelmäßig ein Abstand von mehreren Zentimetern zwischen
den aktiven Bereichen der Elektroden ergeben, koronafreie Lücken ausbilden.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrode zur Korona-Behandlung von
Oberflächen sowie einer Vorrichtung mit einer entsprechenden Elektrode zu schaffen,
bei dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr oder nur noch
im verminderten Umfang auftreten.
[0007] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Elektrode gemäß dem Hauptanspruch sowie eine
Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
[0008] Demnach betrifft die Elektrode zur Korona-Behandlung von Oberflächen mit einer Breitenausdehnung
parallel zur zu behandelnden Oberfläche, wobei in Richtung der Breitenausdehnung mehrere
Elektrodensegmente an einem Träger angeordnet sind, wobei die Elektrodensegmente jeweils
eine flächige, elektrisch leitende Elektrodenelemente aufweisen, die von einem zur
Seite des Trägers offenen, im Übrigen geschlossenen Keramikelement umgeben sind.
[0009] Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen
umfassend wenigstens eine über eine Wechselspannungsquelle mit Wechselspannung versorgte
Elektrode und wenigstens einer Gegenelektrode als Masse, wobei Elektrode und Gegenelektrode
so voneinander beabstandet angeordnet sind, dass der Gegenstand mit der zu behandelnden
Oberfläche zwischen diesen angeordnet werden kann, und wobei die Elektrode erfindungsgemäß
ausgebildet ist.
[0010] Die erfindungsgemäße Elektrode ist aus mehreren Elektrodensegmenten zusammengesetzt,
sodass sich durch entsprechende Aneinanderreihung von Elektrodensegmenten nahezu beliebig
breite Elektroden realisieren lassen. Da die Elektrodensegmente und somit auch die
Elektrode jeweils mit einem keramischen Dielektrikum versehen sind, kann als Gegenelektrode
bspw. eine blanke Metallwalze eingesetzt werden. Ein ggf. anfälliges Dielektrikum
auf der Gegenelektrode ist nicht erforderlich.
[0011] Erfindungsgemäß sind die Elektrodensegmente so ausgestaltet, dass sich an den Stoßkanten
zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten, keine oder nur sehr geringe koronafreie
Lücken oder sonstige, in einer ungleichmäßigen Oberflächenbehandlung resultierenden
Effekte ausbilden. Die Elektrodensegmente umfassen dazu jeweils ein flächiges, elektrisch
leitendes Elektrodenelemente, welches auf der, der zu behandelnden Oberfläche zugewandten
Seite sowie den benachbarten Seiten von einem Keramikelement umgeben ist. Das Keramikelement
kann flächig mit dem Elektrodensegment verbunden - bspw. verklebt - sein, sodass das
Keramikelement nicht zwingend selbsttragend sein muss. In der Folge kann das Keramikelement
eine geringe Wandstärke aufweisen, wodurch insbesondere an den jeweiligen Stoßkanten
zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten das Entstehen von koronafreien Lücken
grundsätzlich bereits verhindert werden kann.
[0012] Um eine einfache und kostengünstige Herstellung bzw. Montage entsprechender Elektrodensegmente
sicherzustellen, ist das Keramikelement auf der von der zu behandelnden Oberflächen
abgewandten Seite, auf der das Elektrodensegment am Träger befestigt ist, offen. Das
Keramikelement kann dabei grundsätzlich hinterschneidungsfrei ausgestaltet sein, was
eine besonders kostengünstige Herstellung des Keramikelements gestattet. Aufgrund
der offenen Seite ist das Zusammenfügen von Elektrodenelement und Keramikelement ebenfalls
sehr einfach möglich. Das Elektrodenelement muss lediglich an der offenen Seite in
das Keramikelement eingelegt werden. Soll die Verbindung zwischen Elektrodenelement
und Keramikelement stoffschlüssig sein, ist zuvor noch geeigneter Klebstoff in dem
Keramikelement oder auf dem Elektrodenelement vorzusehen.
[0013] Es ist bevorzugt, wenn die jeweils eines benachbarten Elektrodensegments zugewandte
Seite der Elektrodensegmente nicht-senkrecht zur Richtung der Breitenausdehnung der
Elektrode sind. Durch eine entsprechende Ausgestaltung wird sichergestellt, dass die
Stoßkante zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten nicht-senkrecht zur Richtung
der Breitenausdehnung und somit regelmäßig nicht parallel zur Laufrichtung der zu
behandelnden Oberfläche gegenüber der Elektrode verläuft. Evtl. auftretende Effekte
an den Stoßkanten, die grundsätzlich eine ungleichmäßige Oberflächenbehandlung zur
Folge haben könnten, hinterlassen so keine streifenförmigen Bereiche auf der zu behandelnden
Oberfläche.
[0014] Es ist bevorzugt, wenn die Elektrodensegmente derart ausgebildet und/oder am Träger
angeordnet sind, dass zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten wenigstens ein
Gasführungsspalt und/oder wenigstens ein senkrecht zur behandelnden Oberfläche verlaufender
Gasführungskanal gebildet ist. Ein Gasführungsspalt kann durch das Vorsehen eines
Abstandes zwischen zwei benachbarten, grundsätzlich zur Anlage auf Stoß ausgebildeten
Elektrodensegmenten gebildet sein, womit vom Träger her eingebrachtes Gas grundsätzlich
auch auf den Seiten, die nicht zur zu behandelnden Oberfläche ausgerichtet sind, zwischen
den Elektrodensegmenten austreten kann. Bei einem Gasführungskanal ist der Bereich
zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten hingegen zu allen Seiten, die nicht
zum Träger und zur zu behandelnden Oberfläche weisen, begrenzt. Entsprechendes lässt
sich durch geeignete Ausgestaltung der einem benachbarten Elektrodenelement zugewandten
Seite des Keramikelements erreichen. Durch den Gasführungsspalt und/oder den Gasführungskanal
kann Gas vom Träger zur zu behandelnden Oberfläche strömen und dort während der Oberflächenbehandlung
entstehende Abbauprodukte wegführen. Auch kann durch geeignete Wahl des zugeführten
Gases die Oberflächeneigenschaft weiter beeinflusst werden.
[0015] Es ist bevorzugt, wenn an den Elektrodenelementen der Elektrodensegmente elektrisch
leitende Befestigungselemente zur Befestigung an dem Träger vorgesehen sind. Die Elektrodenelemente
sind aus elektrisch leitfähigem Material, wie bspw. Metall, welches sich regelmäßig
einfacher mit Befestigungselementen versehen lässt als ein Keramikbauteil. So können
an ein metallisches Elektrodenelement bspw. Bolzen angeschweißt werden. In dem die
Befestigungselemente elektrisch leitend sind, kann weiterhin die für die Korona-Behandlung
erforderliche Wechselspannung unmittelbar über die Befestigungselemente in das Elektrodenelement
eingebracht werden, ohne dass es einer separaten Spannungszuführung bedarf.
[0016] Vorzugsweise sind die Elektrodenelemente und/oder Keramikelemente der Elektrodensegmente
auf der der zu behandelnden Oberseite zugewandten Seite konkav mit einen Radius um
eine Richtung parallel zur Richtung der Breitenausdehnung der Elektrode. Insbesondere
wenn die Elektrode in einer Vorrichtung umfassend eine Walze als Gegenelektrode verwendet
werden soll, kann so sichergestellt werden, dass der Abstand zwischen Elektrode und
Gegenelektrode über die gesamte Länge der Elektrodensegmente konstant ist.
[0017] Es ist bevorzugt, wenn die Elektrodensegmente um eine Achse senkrecht zur Richtung
der Breitenausdehnung der Elektrode rotationssymmetrisch sind. Durch eine rotationssymmetrische
Ausgestaltung gibt es keine grundsätzlich bevorzugte Einbaurichtung der Elektrodensegmente,
was die Erst-Montage und den Austausch von Elektrodensegmenten stark vereinfacht.
[0018] Die Wandstärke des Keramikelements kann vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise
zwischen 2 mm und 4 mm, weiter vorzugsweise ca. 3 mm betragen. Die Elektrode kann
eine Breite von mehr als 1000 mm aufweisen. Es ist dafür erfindungsgemäß lediglich
erforderlich, eine ausreichende Anzahl an Elektrodensegmenten nebeneinander vorzusehen.
[0019] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen umfasst wenigstens
eine über eine Wechselspannungsquelle mit Wechselspannung versorgte, gemäß den vorstehenden
Erläuterungen ausgebildete Elektrode und wenigstens einer Gegenelektrode als Masse,
wobei Elektrode und Gegenelektrode so voneinander beabstandet angeordnet sind, dass
der Gegenstand mit der zu behandelnden Oberfläche zwischen diesen angeordnet werden
kann. Die Vorrichtung ist also dazu ausgebildet, eine Korona-Entladung zur Oberflächenbehandlung
eines Gegenstandes, bspw. eine Folie, zu erzeugen.
[0020] Da bereits ein Dielektrikum in Form des Keramikelementes vorhanden ist, ist es möglich,
dass die Gegenelektrode eine blanke Metallwalze mit korrosionsfester Oberfläche ist.
Der aus dem Stand der Technik bekannte Austausch der Walze bei Beschädigung deren
Überzugs ist dann nicht mehr erforderlich. Sollte eine Beschädigung an der Elektrode
auftreten, ist vielmehr nur das jeweils betroffene Elektrodensegment auszutauschen,
was in der Regel kurzfristig möglich ist.
[0021] Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Gasversorgungseinrichtung zum Einbringen
von Gas über den Träger durch den oder die Gasführungsspalten und/oder Gasführungskanäle
zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen auf. Die Gasversorgungseinrichtung
kann zum Einbringen von Luft, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, oder
Gemischen daraus, vorzugsweise mit Beimischung von organischen Gasen oder Dämpfen,
vorzugsweise Äthylen, Acetylen, Ammoniak, Silane, Siloxane, ausgebildet sein. Durch
geeignete Wahl des Gasgemisches können die Oberflächeneigenschaften nach der Behandlung
beeinflusst werden. Bei Kunststofffolien aus orientiertem Polypropylen kann durch
einen gegenüber Luft erhöhten Stickstoffanteil eine extrem stabile Haftung durch die
dann gebildeten Amino- und Amidogruppen erreicht werden. Hingegen kann durch einen
erhöhten Wasserstoffanteil die Oberflächenspannung reduziert werden, um so bspw. Anti-Fogging-Eigenschaften
zu erreichen. Auch lassen sich durch geeignete Gasgemische bei der erfindungsgemäßen
Oberflächenbehandlung bspw. Silizium-Nanoschichten auf der Oberfläche aufbringen.
[0022] Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1:
- schematische Darstellung eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Elektrode;
- Figur 2a-c:
- schematische Darstellung der Elektrodensegmente der Elektrode aus Figur 1;
- Figur 3a, b:
- schematische Darstellung der Keramikelemente der Elektrodensegmente aus Figur 2a-c;
und
- Figur 4:
- schematische Darstellung einer Vorrichtung umfassend eine Elektrode gemäß Figur 1.
[0023] In Figur 1 ist schematisch ein Abschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrode 1 dargestellt.
Der dargestellte Abschnitt hat eine ungefähre Breite von 400 mm, lässt sich aber beliebig
wiederholen, um so Elektrodenbreiten von 1000 mm oder mehr zu erreichen. In Figur
2 sind die Elektrodensegmente 3 der Elektrode 1 aus Figur 1 isoliert dargestellt.
In Figur 3 ist das Keramikelement 6 eines Elektrodensegments dargestellt.
[0024] Die Elektrode 1 umfasst einen Träger 2, an dem eine Mehrzahl an Elektrodensegmenten
3 angeordnet ist. Der Träger 2 isoliert die Elektrodensegmente 3 elektrisch von der
Umgebung und weist einen entlang der Richtung 90 der der Breitenausdehnung der Elektrode
1 hinter den Elektrodensegmenten 3 liegenden, durchgehenden Zwischenraum 2' auf, in
den Gas eingebracht werden kann.
[0025] Die einzelnen Elektrodensegmente 3 umfassen jeweils ein flächiges, elektrisch leitendes
Elektrodenelement 4 an dem elektrisch leitende Befestigungselemente 5 zur Befestigung
an dem Träger 2 vorgesehen sind. Die Spannungszuführung zu den Elektrodenelementen
4 erfolgt über die jeweiligen Befestigungselemente 5.
[0026] Jedes Elektrodenelement 4 ist von einem, lediglich zur Seite des Trägers 2 hin offenen,
ansonsten aber vollständig geschlossenen Keramikelement 6 umgeben. Das Keramikelement
6 weist eine durchgehende Wandstärke von 3 mm auf und ist an der vom Träger 2 abgewandten
Seite 7 konkav mit einem Radius um eine Richtung parallel zur Richtung 90 der Breitenausdehnung
der Elektrode 1 ausgestaltet, der bei der letztendlichen Verwendung der Elektrode
1 in einer Vorrichtung 10, wie sie bspw. in Figur 4 skizziert ist, einen konstanten
Abstand zu einer Walze 11 als Gegenelektrode über die gesamte Länge der Elektrodensegmente
3 sicherstellt. Aufgrund der konstanten Wandstärke ist auch die Innenseite des Keramikelements
6 mit einem Radius versehen, an den das Elektrodenelement 4 angepasst ist. Das Elektrodenelement
4 ist vollflächig mit der gekrümmten Innenseite des Keramikelements 6 verklebt.
[0027] Wie insbesondere in Figuren 2b und 3b zu erkennen, ist die jeweils einem benachbarten
Elektrodensegment 3 zugewandte Seite 8 eines Elektrodensegments 3 bzw. des jeweiligen
Keramikelements 6 nicht-senkrecht zur Richtung 90 der Breitenausdehnung der Elektrode
1 sondern verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von 75°
zur fraglichen Richtung. Durch diese Ausgestaltung der Elektrodensegmente 3 ist sichergestellt,
dass evtl. auftretende Randeffekte an den Stoßkanten zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten
3 nicht auf einen bestimmten Bereich auf der zu behandelnden Oberfläche fokussiert
sind, sondern vielmehr verteilt werden.
[0028] An der jeweils einem benachbarten Elektrodensegment 3 zugewandten Seite 8 ist weiterhin
jeweils ein Vorsprung 9 vorgesehen. Bei einer Anordnung von mehreren Elektrodensegmenten
3 ergibt sich aufgrund der Vorsprünge 9 zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten
3 jeweils ein Gasführungskanal 9', durch den in den Zwischenraum 2' am Träger 2 eingebrachtes
Gas zur zu behandelnden Oberfläche hin strömen kann.
[0029] Wie insbesondere aus Figur 3c und 2b ersichtlich, sind das Keramikelement 6 bzw.
das Elektrodensegment 3 rotationssymmetrisch ausgestaltet.
[0030] In Figur 4 ist schematisch die Verwendung einer Elektrode 1 gemäß dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel in einer Vorrichtung 10 zur Behandlung der Oberfläche 21 einer
Kunststofffolie 20 gezeigt.
[0031] Die Kunststofffolie 20 wird über eine geerdete Metallwalze 11 in die durch den Pfeil
91 angedeutete Richtung geführt. Die Elektrode 1 ist in geringem Abstand über der
Folie angeordnet 20 und mit einer Wechselspannungsquelle 12 verbunden. Die Wechselspannungsquelle
12 kann so eingestellt werden, dass sich zwischen Elektrode 1 und Walze 11 eine Koronaentladung
ergibt, durch die die Oberfläche 21 der Kunststofffolie 20 behandelt wird.
[0032] Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Gasversorgungseinrichtung 13, mit der Gas
in den Zwischenraum 2' des Trägers 2 eingebracht wird. Das dort eingebrachte Gas strömt
dann durch die Gasführungskanäle 9' in der Elektrode 1 zu der Kunststofffolie 20.
1. Elektrode (1) zur Korona-Behandlung von Oberflächen (21) mit einer Breitenausdehnung
parallel zur zu behandelnden Oberfläche (21), wobei in Richtung (90) der Breitenausdehnung
mehrere Elektrodensegmente (3) an einem Träger (2) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodensegmente (3) jeweils eine flächige, elektrisch leitende Elektrodenelemente
(4) aufweisen, die von einem zur Seite des Trägers (2) offenen, im Übrigen geschlossenen
Keramikelement (6) umgeben sind.
2. Elektrode nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweils einem benachbarten Elektrodensegment (3) zugewandte Seite der Elektrodensegmente
(3) nicht-senkrecht zur Richtung der Breitenausdehnung (90) der Elektrode (1) sind.
3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodensegmente (3) derart ausgebildet und/oder am Träger (2) angeordnet sind,
dass zwischen zwei benachbarten Elektrodensegmenten (3) wenigstens ein Gasführungsspalt
und/oder wenigstens ein Gasführungskanal (9') gebildet ist.
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den Elektrodenelementen (4) der Elektrodensegmente (3) elektrisch leitende Befestigungselemente
(5) zur Befestigung an dem Träger (3) vorgesehen sind.
5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Elektrodenelemente (4) und/oder Keramikelemente (6) der Elektrodensegmente (3) auf
der der zu behandelnden Oberseite (21) zugewandten Seite (7) konkav mit einem Radius
um eine Richtung parallel zur Richtung (90) der Breitenausdehnung der Elektrode (1)
sind.
6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodensegmente (3) um eine Achse senkrecht zur Richtung (90) der Breitenausdehnung
der Elektrode (1) rotationssymmetrisch sind.
7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandstärke des Keramikelements (6) zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen
2 mm und 4 mm, weiter vorzugsweise ca. 3 mm beträgt.
8. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrode (1) eine Breite von mehr als 1000 mm aufweist.
9. Vorrichtung (10) zur Behandlung von Oberflächen (21) umfassend wenigstens eine über
eine Wechselspannungsquelle (12) mit Wechselspannung versorgte Elektrode (1) und wenigstens
einer Gegenelektrode (11) als Masse, wobei Elektrode (1) und Gegenelektrode (11) so
voneinander beabstandet angeordnet sind, dass der Gegenstand (20) mit der zu behandelnden
Oberfläche (21) zwischen diesen angeordnet werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrode (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gegenelektrode (11) eine blanke Metallwalze mit korrosionsfester Oberfläche ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Gasversorgungsvorrichtung (13) zum Einbringen von Gas über den Träger (2) in
den Gasführungsspalt und/oder Gasführungskanal (9') zwischen zwei benachbarte Elektrodensegmenten
(3) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasversorgungsvorrichtung (13) zum Bereitstellen und/oder Blasen von Luft, Sauerstoff,
Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, oder Gemischen daraus, vorzugsweise mit Beimischung
von organischen Gasen oder Dämpfen, vorzugsweise Äthylen, Acetylen, Ammoniak, Silane,
Siloxane, ausgebildet ist.