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Verfahren und Vorrichtung zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen
oder thermoelastischen Kunststoffen unter Anwendung von Hochspannung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen
(unvernetzte Hochpolymere) oder thermoelastischen (vernetzte Hochpolymere) Kunststoffen
unter Anwendung von Hochspannung.
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Poröse Kunststoffe können als Kunstleder Verwendung finden. Für künstliches
Leder ist wegen der begrenzten Herstellungsmöglichkeiten natürlicher Leder mit einem
zunehmenden Bedarf zu rechnen.
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Bei früheren Versuchen, Kunstleder herzustellen, hat man mit Funken
zum Durchschlagen von Folien gearbeitet (deutsche Patentschrift 952 937).
Schon bei Porendichten niedrigerer Größenordnung, beispielsweise bei zehn Poren
je Quadratmillimeter, kann jedoch nicht verhindert werden, daß der Funke
seinen Weg über bereits vorhandene Poren nimmt und nicht immer neue Poren erzeugt.
Bei Vorrichtungen, die nach dem geschilderten Verfahren arbeiten, hat man deshalb
Anstrengungen unternommen, den Funkenüberschlag durch Hilfselektroden auf eine gewünschte
Bahn zu zwingen. Ein weiteres bekanntes Verfahren nach der deutschen Patent-Schrift
950 090 zum Porösmachen von Folien besteht darin, das Folienmaterial zuerst
durch eine Nadelelektrode anzustechen, bevor der Funke gezündet wird. Die Arbeitsgeschwindigkeit
ist deshalb beschränkt. Nach beiden Verfahren ist es nicht gelungen, feine Poren
bei einer für annehmbare Lederqualität ausreichend hohen Porendichte, beispielsweise
von zehn Poren je Quadratmillimeter, zu erzeugen.
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Nach einem weiteren bekannten Verfahren werden Textilgewebe mit polymerisierendem
Kunststoff beschichtet und noch im plastischen Zustand mit Luft durchperlt (deutsche
Auslegeschrift 1005 037). Der feinste Porenabstand ist dabei durch den Fadenabstand
gegeben. Abgesehen davon, daß mit diesem Verfahren auch nur verhältnismäßig geringe
Porendichten erreicht werden, erhält man auch keine reinen Kunststoffprodukte.
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Es wurde nun erkannt, daß Elektronenstrahlen geeignet sind, Kunststoff
mit Poren hoher Dichte zu versehen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, aus Kunststoffen
lederartige Stoffe mit einer bisher nicht erreichten Porendichte mittels Elektronenstrahlen
herzustellen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Perforieren während des
Durchlaufens der Folien durch eine Vakuumkammer mittels darin gepulster, fokussierter
Elektronenstrahlen mit Leistungsdichten von mindestens 500 W/cm2 nach einem
Rasterschema von mindestens 10/mm2 erfolgt. Nach diesem Verfahren lassen sich bei
entsprechender Rasterwahl und Fokussierung sehr hohe Porendichten erzielen, wie
sie bisher nicht erreicht wurden. Um bei Kunststoffen zur Herstellung von Schuhen
Ledereigenschaften ausreichender Qualität zu erzielen, sind Porendichten von mindestens
100 Poren je Quadratmillimeter günstig.
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Mit Hilfe des neuen Verfahrens wird bei Kunststoffen gewissermaßen
die natürliche Lederfunktion nachgebildet und eine gleichmäßig gute Atmungsfähigkeit
erzielt. Hochporöser Kunststoff ist neben seiner Atmungsfähigkeit auch imstande,
Feuchtigkeit aufzunehmen. Durch bekannte Methoden der Nachbehandlung in Prägen oder
Walkvorrichtungen und durch Wahl geeigneter Kunststoffe oder durch Bedrucken läßt
sich auch der optische Ledercharakter erzielen.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung ergibt sich die günstige Situation,
daß auf Erfahrungen zurückgegriffen werden kann, die sich bei Bestrahlung zur Vernetzung
von Kunststoffen - z. B. mit Polyäthylen - ergeben haben (vgl. »Nature«,
Januar 1953,
S. 167, Nr. 4343). Es ist nur dafür zu sorgen, daß der
Generator so eingestellt bzw. ausgewählt wird, daß das Entfernen aller Moleküle
für eine gewünschte Pore durch die Energie eines Einzelimpulses erfolgt und die
Energie mindestens gleich der Dissoziationsenergie ist, um auch die Verdampfungsenergie
des verdampfenden Materials zu decken.
Es. sind also höhere Leistungsdichten
als zur Vernetzung erforderlich. Es ist weiter zweckmäßig, daß die Elektronenstrahlen
auf der Folie zu Durchmessern der Größenordnung von 10 #t fokussiert
sind.
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Zur Erzielung solcher hohen Leistungsdichten kann im Prinzip auf Vorrichtungen
zurückgegriffen werden, wie sie zum Metallbohren mit Elektronenstrahlen bekanntgeworden
sind. Eine Anordnung zur hnpulsmodulation für Ladungsträgerstrahlen hoher Beschleunigungsspannung
für technische Elektronenstrahlgeräte ganz allgemein ist in der Schweizer Patentschrift
372765 beschrieben. Um Kunststoffbahnen oder Folien in einer Vakuumkamtner
durch quer zur Bahnrichtung gerastet geführte Strahlimpulse rasterförnüg zu perforieren,
können die Kunststoffbahnen über Vakuumschleusen bekannter Art kontinuierlich durchgeschleust
werden.
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Die Schleusen können durch Gummimanschetten nach Art der Wilson-Dichtung
gegen den äußeren Luftdruck abgeschirmt sein oder dadurch, daß die lichte Weite
der Durchführungsschlitze bei eingebrachtem Kunststoff kleiner ist als die mittlere
freie Weglänge der Gasmoleküle in den anschließenden Räumen. Durch die zuletzt genannte
Dichtungsart werden Dichtungsmittel entbehrlich. Auf diese Dichtungsart bezieht
sich die Schweizer Patentschrift 334330.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Vakuumkammer
für ein Hochvakuum mit angeschlossenen Vorkammern und Durchlässen für den Durchgang
einer endlosen Materialbahn sowie einer Auf- und Abwickelvorrichtung für die Folie
kann es vorteilhaft sein, daß in der zum Durchlauf der Folie geeigneten Vakuumkammer
mehrere an sich bekannte Elektronenstrahlgeneratoren angeordnet sind.
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An Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
für eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens soll die Erfindung weiter
erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt im Prinzip eine Vorrichtung in Seitenansicht;
in F! g. 2 ist ein Ablenkschenia und in F i g. 3 die dazugehörige
Ablenkspannung für die Elektronenstrahlünpulse wiedergegeben; in F i g. 4
ist ein weiteres Ablenkschema und in F i g. 5 die dazu gehörige Ablenkspannung
dargestellt; F i g. 6 zeigt schematisch die Justierung von verdrehbaren Ablenkplatten
für senkrechte Porenzeilen. Ein Elektronenstrahlgenerator 1 ist nach F i
g, 1
für gepulste Elektroneiastrahlen 3, die in der Ebene einer zu
bearbeitenden Folie 2 fukussiert sind, auf einer Vakuumkammer 4 angeordnet.
Benachbart zur Vakuumkammer 4 sind als Vakuumschleusen dienende Vorkamm ern
5 für ein Vorvakuum vorhanden. Die Seitenwände der Vakuumkammer 4 und Vorkammern
5 weisen rechteckige mit verlängerten Begrenzungsflächen versehene Durchführungsschlitze
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auf, deren lichte Weite so bemessen ist,- daß sie bei eingebrachter Folie
2 kleiner-ist-als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in den anschließenden
Räumen, Der Elektroneristrahlgenerator 1 weist ein Steueraggregat
16 auf, um die Impulsfrequenz, und ein Ablenksystem, um die Elektronenstrahlen
3 zu steuern. Als Ablenksystem können, wie angedeutet, zwei hintereinanderliegende
Ablenkplatten 17 (in Seitenansicht dargestellt, wobei die zweite Platte verdeckt
ist) dienen.
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Um bahnförmige Folien durch die Vakuumkammer 4 und Vorkammern
5 durchzuführen, können paarweise angeordnete Walzen 8 und
9 verwendet weiden, die mit der Vorratswalze 7 und der Walze
10 zum Aufwickeln der Folie 2 in einem Walzengestell angeordnet sein können.
Die Walzen werden durch Motoren 11, IZ bzw. 13 angetrieben, und die
Walzengeschwindigkeiten können mittels aus der Papierindustrie bekannter Regelsätze
aufeinander abgestimmt werden.
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So kann über einen Meßkopf 15 für optische Bahnabtastung oder
durch einen der Antriebswelle des Motors 12 zugeordneten Meßkopf die Bahngeschwindigkeit
in elektrischen Signalen nachgebildet werden. Diese Signale können einem Regler
14 zugeführt werden, der Einstellknöpfe zum Einstellen einer gewünschten Bahngeschwindigkeit
hat. Die Ausgänge des Reglers 14 sind mit den Motoren 11, 12 und
13 verbunden. Der Motor 13 ist mit dem Regler 14 über einen Steuersatz
bzw. Regler 13 a
zum Anpassen der Walzengeschwindigkeit an den jeweiligen
Wickeldurchmesser verbunden.
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In Abhängigkeit von der am Regler 14 eingestellten Bahngeschwindigkeit
wird mittels des Steueraggregates 16 die Impulsfrequenz und die Anstiegse
zeit der Ablenkspannung beeinflußt. Fokussiert man den Elektronenstrahl
3 so, daß er bei der Ablenkspannung Null auf die Bahnmitte trifft, so erzielt
man mit einer Ablenkspannung nach F i g. 3 das in F i g. 2 dargestellte
Ablenkschema. Die Nullinie N
liegt dann in der Bahnmitte. Die Folienbahn ist
in Pfeilrichtung unter dem von der Mitte aus abwechselnd nach beiden Kanten hin
schräg über die Bahn geführten Elektronenstrahl for ewegt zu denken. g #tb
Um saubere, nicht verschmierte Poren zu erhalten, werden die Impulse des Elektronenstrahls
3 gerastet über die Bahn geführt. Das wird durch,die überlagerung einer Sägezahnspannung
18 - auf der Ab,-szisse abgetragen vorzustellen - mit der Frequenz
der Impulsfrequenz und einer Ablenkgrundspannung 19 erzielt. Dadurch vQrharrt
der Elektronenstrahl 3
während einer Impulsdauer an einem Fleck. Die
Zeitdauer t einer Periode der stufenförmig und dreieckartig verlaufenden Ablenkspannung
U bestimmt die Zeit, in der der Elektronenstrahl 3 eine versetzte
Doppelzeile an Poren erzeugt hat.
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Auf der Folienbahn nach F i g. 4 ist ein anderes Ablenkschema
dargestellt. Die Zeilen der Perforierung sind rechtwinklig zur Bahnrichtung. Nach
einer Doppelzeile ist wieder wie bei F! g. 2 ein bearbei# tetes Folienstück
an-edeutet, Die Nullinie liegt an der rechten Kante in Balinrichtung gesehen, Das
dargestellte Ablenkscheina kommt bei einer sägezahnförmigen Ablenkspannung nach
F i g. 5 durch in Bahnrichtung verdrehte Ablenkplatteri 17 - zustande,
Solche verdrehbaren Ablenkplatten 17 sind in F i g. 6 grob schematisch
angedeutet. Die zu den Ablenkplatten 17 senkrechte Verbindungslinie, 20 der
Ablenkplatten 17 ist um einen Winkel oc gedreht, um den eine Zeile 21 bei
zur Balmrichtung (Pfeilrichtung) senkrechter Verbindungslinie 20 der Ablenkplatten
1-7 infolge, der Bahngeschwindigkeit spiegelbildlich verdreht wäre, Legt
man an die zur Bahnrichtung zurückbleibende Ablenkplatte 17 bei Elektronenstrahlen
3 die negative Spannung an, so folgen die Impulse der weiterbewegten Bahn
und man erhält
eine rechtwinklige Porenzeile. Für zwei Sägezahnimpulse
der überlagerten Ablenkspannung erhält man eine Doppelzeile.
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Bei dem neuen Verfahren ergeben sich beispielsweise folgende Verhältnisse:
Liefert der Elektronenstrahlgenerator einen Elektronenstrahl von 100kV Voltgeschwindigkeit
bei einer Impulsdauer von 10 Mikrosekunden und einer Impulsstromstärke von
10 mA, so erziellt man bei einer Fokussierung auf einen Durchmesser von
10 #t Impulsenergie von 10-2 Wsec. Die Energiedichte auf der Folie beträgt
dann etwa 12 kWseC/CM2. Führt man dann den Elektronenstrahl bei einer Impulsfrequenz
von 50 kHz gerastet quer zur Bahnrichtung der Folie, so ergibt sich bei einem
Porenabstand von 0,1 mm und einer Bahnbreite von 1 m eine Bearbeitungs-
bzw. Wanderungsgeschwindigkeit der Folie von 3 cm/min.
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Für Polyäthylen von 1 mm Stärke und einem gewünschten Porendurchmesser
von 10 #t ergibt sich dann für vollständige Dissoziation die zuzuführende
Energie von 5.10-3 Wsec. Dabei ist die Bindungsenergie der Atome mit etwa
4 eV angesetzt. Eine Impulsenergie von 10-2 Wsec ist dann völlig ausreichend, um
auch die Verdampfungswärme rasch aufzubringen.
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Für übliche Folienstärken genügen daher Elektronenstrahlen von einigen
100 kV Voltgeschwindigkeit, die auf 10-3 bis 10-2 cm fokussiert werden
können. Es versteht sich, daß das neue Verfahren leicht den jeweiligen besonderen
Erfordernissen angepaßt werden kann. So können mit kürzeren Impulsdauern als
10 Mikrosekunden und größeren Impulsleistungen höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten
erzielt werden. Das läßt sich auch dadurch erreichen, daß in der Vakuumkammer mehrere
Elektronenstrahlgeneratoren verwendet werden, die gemeinsam oder getrennt gepulst
und gesteuert -
oder auch nur getrennt gesteuert - sein können.
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Das neue Verfahren eignet sich ganz allgemein zur Perforierung von
Kunststoffen und bietet besondere Vorteile, wo es darum geht, in großtechnischem
Maßstab Kunststoffe mit feinen Poren bei gleichmäßig hoher Porendichte
- bezogen auf die Flächeneinheit - zu versehen. So bearbeitete Kunststoffe
haben außer als Lederersatz auch sonst vielfältige Anwendungsgebiete, wie z. B.
die Filtertechnik.