DD141576A1 - Messanordnung zur bestimmung wichtiger elektrostatischer eigenschaften von flaechengebilden mit inhomogener gefuege-und oberflaechenstruktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur■kontaktlosen Ermittlung der elektrostatischen Aufladbarkeit und der Entladungsfunktion von dielektrischen Schichten, die eine inhomogene Gefüge- und Oberflächenstruktur bzw. eine mechanisch empfindliche Oberfläche besitzen. Ziel der Erfindung ist es, eine Meßanordnung vorzuschlagen, die für derartige Flächengebilde eine Bestimmung des elektrostatischen Verhaltens mit hoher Genauigkeit erlaubt, indem eine elektrostatische Aufladung mit nachfolgender Potentialabtastung am Prüfling erfolgt, wobei die Ladefeldstärke etwa bis auf 10θ V/cm gesteigert werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung sieht dabei zur kontaktlosen Aufladung eine Koronaelektrode vor, die mit einer regelbaren Hochspannung gespeist wird. Die nachfolgende Potentialabtastung erfolgt mit einer Elektrometersonde, indem sich die Prüfschicht mit.der auf Nullpotential liegenden Gegdnelektrode mit konstanter Geschwindigkeit von der Ladeeinrichtung zur .Meßsonde bewegt. Die Registrierung des Ännahraepotentials und der Entladungsfunktion der Prüfschicht erfolgt mit einem Schreiber, der über ein —99 r»-.» A4 --w, »* Λ-·*.— der Meßsonde verbunden ist, Pier. 1 8 Seiten Schwingkondengg^relektrometer mit

Description

-A —

w) Titel der Erfindung

Meßanordnung zur Bestimmung wichtiger elektrostatischer Eigenschaften von Flächengebilden mit inhomogener Gefüge- und Oberflächenstruktur

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur kontaktlosen Messung der elektrostatischen Aufladbarkeit, der Entladungsfunktion und der Sntladezeitkonstanten von dielektrischen Flächengebilden,, vorzugsweise von Schichten, die eine inhomogene Gefüge- und Oberflächenstruktur bzw. eine mechanisch empfindliche Oberfläche besitzen·· Der Einsatz der Erfindung bietet sich vorzugsweise in der Papier— und Textilfaser— st off entwicklung an«,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt,, die elektrostatischen Eigenschaften dielektrischer Schichten durch eine statische Messung der Kapazität und des Volumenwiderstandes bei einer definierten äußeren Feldstärke zu bestimmen« Diese Meßverfahren basieren alle auf dem Prinzip der zweiseitigen Kontaktierung der Schicht mit entsprechenden Elektroden definierter Fläche und Ge-

staltung (Schutzringelelektroden u.a.)«. Hierbei tritt der Nachteil auf, daß besonders bei Schichten mit inhomogener Gefügestruktur und mit Oberfiächenrauhigkeiten ab etwa 10 «m (z.B. Papier) Kontaktierungsschwierigkeiten sowie elektrische Nebenschlüsse unbekannten Querschnittes in der Schicht auftreten, die den Meßwert stark verfälschen können. Dieses Problem nimmt mit wachsender angelegter Feldstärke progressiv ZUj wobei die angelegte Feldstärke nach oben durch partielle Durchschläge begrenzt wird* Auf Grund dieser Effekte ist es praktisch nicht möglich für die genannten Flächengebilde die maximal zu erwartenden Flächenladungsdichten mit den dazugehörigen Entladezeitkonstanten ausreichend genau zu bestimmen*

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Meßanordnung vorzuschlagen, mit deren Hilfe es möglich ist, wichtige elektrostatische ' Eigenschaften von Flächengebilden mit inhomogener Gefüge— und Oberflächenstruktur mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit zu ermitteln*

Darlegung des Y/esens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die es gestattet die maximale Flächenladungsdichte und die Entladungsfunktion der zu untersuchenden Flächengebilde durch kontaktlose elektrostatische Aufladung der Schichten mit nachfolgender kontaktloser Potentialabtastung zu be stimmen, wobei die Aufladung, d.h. die äußere elektrische Feldstärke bis etwa 10 T/cm variiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der elektrostatischen Eigenschaften ein z.B. aus der Elektrofotografie bekanntes Meßverfahren in Anwendung kommt und entsprechend modifiziert wird-, wobei die Aufladung der Schicht mit Hilfe einer Koronaentladung erfolgt. Die Abtastung der Flächenladungsdichte wird mit einer Elektrometersonde vorgenommen, indem sich die zu untersuchende Schicht einschließlich der sich auf Nullpotential befindlichen Unterlage mit definierter Geschwindigkeit von der Ladestation zur Meßsonde bewegt« Als Unterlage empfiehlt sich

eine Metalltrommel, so daß der ganze Meßvorgang-zyklisch ablaufen kann« Zur Aufladung der Schicht wird dabei, eine aus der Elektrofotografie bekannte Koronaelektrode hoher Ladestromausbeute verwendet, die mit einer regelbaren vorzugsweise positiven Hochspannung gespeist wird, _ ' So ist einmal eine gleichmäßige Aufladung über die gesamte Schichtfläche gewährleistet und zum anderen ist durch- die Regelung der Hochspannung die Flächenladungsdichte einstellbar, . "

Durch zwei seitlich auseinanderliegende Potentialabtastungen läßt sich nun die mittlere Entladezeitkonstante für den gemessenen Feldstärkebereich bestimmen.

Die Kalibrierung der Meßeinrichtung erfolgt, indem mit der Elektrometersonde bei gleichem Meßabstand wie zur Oberfläche der danach zu untersuchenden Schicht definierte Oberflächen— Potentiale der leitenden Unterlage abgetastet werden

Da mit der genannten Meßanordnung bei entsprechender Sonden— geometrie eine Fläche in der Größenordnung von Quadratzenti— metern abgetastet wird, erhält man sofort ein repräsentatives Ergebnis über das elektrostatische Verhalten der Schicht im Gegensatz zur Elektrodenmessung, wo immer mehrere Messungen nötig sind.

Bei der kontaktlosen dynamischen Messung erfolgt keine Deformierung der Schicht durch Elektrodenandruck, so daß mit dieser Meßanordnung auch mechanisch druckempfindliche und elastische Flächengebilde wie Schaumstoffe, textile Gewebe, Papier usw,' untersucht v/erden können.

Durch das gewählte Prinzip des zyklischen Betriebes kann man der Ladestation auf einfache Weise eine weitere Station voransetzen, die.zur Einstellung bestimmter Schichtparameter verwendet werden kann« So läßt sich z,B, durch eine vorangesetzte Wärmequelle der Wassergehalt von Papieren beeinflussen.

- 4 -

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden» In der diazugehörigen Zeichnung zeigt Fig,I.eine schematische Darstellung der Meßaliordnung, Eine drehbar gelagerte Me^talltrommel 1 von ca. 200 mm Durchmesser und einer Breite von 200 mm dient als Träger für die zu untersuchende Prüfschicht 2 sowie als Gegenr- bzw« Kalibrierelektrode. Die Schicht 2 wird auf der Trommel 1 so befestigt, daß noch etwa der halbe Trommelumfang unbedeckt bleibt». Die Breite der Schicht 2 ist dabei größer als die Länge der Koronaelektroden 3 bzw. 4 zu wählen. Die Dicke der Schicht 2 kann für das dargestellte Beispiel bis etwa 0,5 mm betragen. Die beiden Ladeelektroden 3 und 4 bestehen aus rostfreiem Stahldraht Von ca* 0,i mm Durchmesser und haben zur Trommeloberfläche 1 einen Abstand von etwa 15 mm, Die Hüllelektroden 5 und 6 bestehen aus dünnem Blech und sind ca. 20 mm breit» Die Länge der Elektroden 3 bis 6 beträgt etwa 180 mm« Ihre Anordnung auf dem Trommelumfang 1 wurde so vorgenommen j daß der Abstand zur Elektrometersonde 4 cm bzw» 14 cm beträgt. Für die Meßgenauigkeit von Bedeutung ist die gute Übereinstimmung der Elektrodenanordnungen 3 und.5 bzw« 4 und 6 in ihren elektrischen Parametern,, Die Elektrometersonde 7 besteht aus einem Blech von 0,1 mm χ 25 mm, daß sich direkt hinter dem Schlitz der Sondenabschirmung 8 befindet, die einen Durchmesser von ca» 35 mm hat. Der Abstand der Son- ) denabschirmung 8 zur Trommel 1 beträgt etwa 1 mm» Beide Teile 7 und 8 sind elektrisch mit dem Eingang eines Schwingkondensatorelektrometers verbunden, dessen Meßwerte über einen χ - y - Schreiber ausgegeben werden« Die elektrischen Potentiale sind so festgelegt, daß die Trommel 1 und die Hüllelektroden 5 und 6 auf Nullpotential liegen, während die La-. deelektroden 3 und 4 mit einer positiven Hochspannung von 5,._e10 kY betrieben w.erden, so daß es zu einer Koronaentladung kommt» Beim Meßvorgang dreht sich die Trommel .1 in der angegeben Richtung mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit von ca. 100 mm/s bis 300 mm/s. Der Trommelumfang 1 benötigt dabei von der. Elektrode 3 zur Elektrode 4 die Zeit At,

Wird nun an die Ladeelektrode 4 eine Hochspannung gelegt, so läßt sich am Schreiber ein Potential U, registrieren. Eine eventuelle Drift kann dabei sofort eliminiert werden, da die Prüfschioht 2 und der unbedeckte Tromme!umfang 1 stets im Wechsel an der Sonde 7 vorbeilaufen und so auch eine Registrierung des Nullpotentials erfolgt. Wird nun der gleiche Vorgang durch Umschalten der Hochspannung von Elektrode 3 auf Elektrode 4 wiederholt, so wird man ein Potential Up registrieren, für das stets gilt U„ i= U,. Die mittlere Entladezeitkonstante f für den Potential— bereick zwischen U, und U_? läßt sich aus der Beziehung

bestimmen, die sich aus der Entladefunktion eines verlustbe-

__ , , ... ' hafteten

Kondensators ergibt»

Durch entsprechende Wahl von A t und der Ladepotentiale können mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel Zeitkon— stanten von Millisekunden bis Stunden bestimmt werden. Gleichzeitig kann nach Abschalten der Ladeelektrode 3 bzw» 4 bei rotierender Trommel Λ am x-y-Schreiber bei zeitproportionaler x-Auslenkung die Entladezeitfunktion direkt registriert werden«

Claims (3)

Erfindungsanspruoh

1. Meßanordnung zur Bestimmung wichtiger elektrostatischer Eigenschaften von Flächengebilden mit inhomogener Ge-• füge- und Oberflächenstruktur, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Prüfschicht auf einer drehbaren, elektrisch auf Nullpotential liegenden Elektrode befindet über der einer oder mehrere Korona-Ladeelektroden mit den dazugehörigen Hüllelektroden und eine Elektrometersonde angeordnet sind·

2* Meßanordnung nach Punkt ΐ_β, gekennzeichnet dadurch, daß die drehbare Bezugselektrode die Form einer Trommel oder Scheibe hat«

3# Meßanordnung nach Punkt >1* und 2_e, gekennzeichnet dadurch, daß die Prüfschicht nur einen Teilumfang der Bezugselektrodenoberfläche bedeckt, so daß während der Messung, bei der sich die Bezugselektrode mit konstanter Besohwindigkeit dreht ein ständiger Nullpotential— vergleich zur Ausschaltung der elektrischen Drift erfolgt·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen