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Verfahren und Vorrichtung zum Perforieren einer Schicht oder Folie
aus flexiblem thermoplastischem Kunststoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Perforieren einer Schicht oder Folie aus flexiblem thermoplastischem Kunststoff,
der an den Perforationsstellen örtlich begrenzt lochartig durchgeschmolzen und in
den zwischen diesen Stellen liegenden Bereichen einer Kühlung unterworfen wird,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Zum Perforieren von Schicht- oder folienartigem thermoplastischem
Kunststoffmaterial ist es bekannt, beheizte Nadeln zu verwenden, die häufig auf
Stachelwalzen angeordnet sind und die ein örtliches Durchschmelzen des über eine
Gegenwalze geführten Materials bewirken. Die Gegenwalze wurde hierbei auf ihrer
Oberfläche schon mit Längsrillen ausgerüstet, in welche die Nadeln der Stachelwalze
eingreifen, während gleichzeitig die aus Aluminium oder einem anderen gut leitenden
Material bestehende Gegenwalze mit einer Kühleinrichtung versehen ist. Diese Kühleinrichtung,
die es gestattet, kaltes Wasser od. dgl. durch die Gegenwalze zu schicken, bewirkt,
zusammen mit der rillenartigen Ausbildung der Gegenwalzenoberfläche, eine Kühlung
der zwischen den durchgeschmolzenen Stellen des Kunststoffmaterials liegenden Bereiche.
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Solche mit Nadeln arbeitende Perforationsvorrichtungen sind in einigen
Ausführungsformen bekannt. Sie weisen einige grundsätzliche Nachteile auf, die ihre
Verwendung insbesondere dann einschränken, wenn es darum geht, sehr dünne oder sehr
genau bezüglich ihrer Umfangsberandung bestimmte Perforationen zu erzeugen. Zum
einen müssen nämlich die Nadeln eine gewisse Länge aufweisen oder aber es muß die
Fläche des Trägers isoliert werden, von der die Nadeln hervorragen, um zu verhindern,
daß die heiße Trägerfläche während des Perforationsvorganges die Oberfläche des
vorbeilaufenden Kunststoffmaterials anschmilzt. Zum anderen müssen bei Perforationen
mit sehr kleinen Nadeln aber auch sehr kleine, d. h. dünne Nadeln verwendet werden.
Derartige Nadeln sind jedoch schwierig zu heizen und wenig stabil, so daß sie sich
leicht verbiegen. Auch die im Fall einer Kühlung des Kunststoffmaterials auf der
den Nadeln abgewandten Seite vorzusehenden Gitterbleche, deren Öffnungsanordnung
der Nadelteilung der Stachelwalzen entsprechen muß, ist nicht ganz einfach so genau
einzustellen, daß ein genaues Fluchten der Nadelspitzen mit den Löchern gegeben
ist, wie es erforderlich ist, um ein Verbiegen der Nadeln zu vermeiden.
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Da bei der Anordnung der Nadeln auf dem Umfang einer Zylinderwalze,
d. h. in Gestalt einer Stachelwalze, die Nadeln nicht senkrecht zu der Fläche des
Kunststoffmaterials aus den Perforationslöchern herausgezogen werden, sondern vielmehr
beim Herausziehen der Nadeln eine seitwärts gerichtete Bewegungskomponente auftritt,
die zu einer Verzerrung und einseitigen Vergrößerung der Löcher führt, ist es auch
schon bekanntgeworden, zur Abhilfe dieses übelstandes die Nadeln auf einem ebenen
Träger anzuordnen, der senkrecht zur Fläche des Kunststoffmaterials beweglich ist.
Das Perforationsverfahren ist damit jedoch nicht mehr kontinuierlich, auch treten
Schwierigkeiten hinsichtlich der überlappung bzw. Ausbildung von Unregelmäßigkeiten
der Perforation an den Übergangsstellen der bei aufeinanderfolgenden Niedergängen
der Nadelmatrize entstehenden Perforationsbereichen auf.
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Daneben ist es auch bekannt, die erwähnten Stachelwalzen nur dazu
zu verwenden, um die elektrische Durchschlagsfestigkeit der zu perforierenden Schicht
an den den Perforationsstellen entsprechenden Breichen herabzusetzen, während das
eigentliche Durchschmelzen der Perforationslöcher mit Hilfe einer elektrostatischen
Entladung geschieht. Außer den Nachteilen, die durch die Verwendung der Stachelwalzen
auftreten, tritt bei diesem Verfahren, abgesehen von dem Aufwand, der für die Erzeugung
und Isolierung der verhältnismäßig hohen auftretenden Spannungen erforderlich ist,
die grundsätzliche Schwierigkeit auf, daß die Entladungen nicht gleichmäßig über
alle Perforationslöcher erfolgen. Zur
Abhilfe insbesondere bei feinen
und dichten Perforationen sind verhältnismäßig komplizierte Elektrodenanordnungen
erforderlich, die jedoch auch keine völlige Sicherheit zu bieten vermögen, daß sämtliche
Perforationslöcher gleich ausgebildet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, die es gestatten, auch feine Perforationen bei kontinuierlicher Arbeitsweise
in einem Kunststoffmaterial zu erzeugen, welche sich durch eine genaue Randbegrenzung
und eine absolut gleichmäßige Ausbildung auszeichnen, während gleichzeitig den oben
erläuterten Nachteilen abgeholfen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Perforieren
während des Aufliegens der Folie oder Schicht auf einer gekühlten, mit Durchbrüchen
versehenen Fläche durch einen Strahl heißen Mediums erfolgt.
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Dieses Verfahren ist sehr einfach und gestattet es, auch bei feinen
und dichten Perforationen eine absolut gleichmäßige Lochausbildung zu erzielen,
während gleichzeitig eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit möglich ist. Da ein Durchschmelzen
der Schicht bei dem neuen Verfahren unter der Einwirkung des heißen Mediums nur
in dem Bereich der Öffnungen oder Durchbrüche der darunterliegenden gekühlten Fläche
möglich ist, wird die Gestalt der Perforationslöcher automatisch der Gestalt der
Durchbrüche der Fläche angepaßt. Ist die Fläche mit kleinen Löchern versehen, so
wird auch die Perforation der Schicht kleine Löcher aufweisen. Umgekehrt werden
diese Löcher größer sein, wenn auch die öffnungen in der Trägerfläche größer sind.
Genau so leicht läßt sich auch eine Kombination größerer und kleinerer Perforationslöcher
erzielen, wie es auch ohne weiteres gelingt, verschieden -gestaltete Löcher vorzusehen,
falls dies erwünscht sein sollte. Durch einfaches Auswechseln der Trägerfläche läßt
sich jede beliebige Veränderung der Trägerperforation erzielen, ohne daß weitere
Vorkehrungen getroffen werden müssen.
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Die einen weiteren Teil der Erfindung bildende Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens ist in bekannter Weise mit einer Ab- und Aufwickelstelle für
eine Folie aus flexiblem thermoplastischem Kunststoff und einem gegebenenfalls gekühlten
rotierenden Zylinder ausgerüstet, um den die Folie fortlaufend an ihm anliegend
geführt wird. Sie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Wand des Zylinders
an den Auflagestellen der Folie Durchbrüche aufweist und ihr in einigem Abstand
zwei Düsen zugeordnet sind, von denen die gegen die auf der Wand des Zylinders aufliegende
Folie gerichtete Düse mit einer Leitung für heißes Medium-und die gegen einen von
der Folie unbedeckten Teil der Wand des Zylinders gerichtete Düse mit einer Leitung
für ein Kühlmedium verbindbar ist.
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Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung können in Verbindung
mit einem polymeren Material, wie z. B. Polyäthylenterephthalat, verwendet werden,
das eine kristalline Struktur besitzt. In diesem Fall werden nicht nur Perforationen
erzeugt, sondern auch örtlich begrenzte, unter Wärmeeinwirkung verschweißbare Bereiche
mit amorpher Struktur. Der Erfindungsgedanke kann -jedoch auch für die Behandlung
von polymerem Material, z. B. Polyäthylen, verwendet werden, das sich bei Raumtemperatur
nicht in amorphem Zustand befindet. Mit dem Erfindungsgegenstand sollen in erster
Linie Perforationen in biegsamen Schichten in Gestalt kontinuierlicher Bänder oder
Filme erzeugt werden, es können jedoch auch Perforationen in solchen Schichten hergestellt
werden, die durch das Zusammenfassen von Fasern eines thermoplastischen polymeren
Materials, z. B. durch Weben, Stricken, Streichen, Gießen oder durch ein bei der
Papierherstellung übliches Verfahren erzeugt werden.
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Für den Strahl des heißen Mediums kann mit Vorzug ein Heißluftstrahl
verwendet werden, doch sind auch andere Wärmequellen zum Zuführen der Schmelzwärme
denkbar, wie z. B. ein heißer Gasstrahl ganz allgemein, eine Flamme usw., was sich
in dem Sammelbegriff eines heißen Fluidums bzw. Mediums zusammenfassen läßt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine nach dem neuen Verfahren behandelte Schicht
aus thermoplastischem Material in einer Draufsicht in Teildarstellung, F i g. 2
einen Teil der Schicht nach F i g. 1 in perspektivischer Darstellung in größerer
Darstellung, F i g. 3 bis 6 die Schicht nach F i g. 1 und 2 in verschiedenen Stadien
während der Herstellung einer Perforation in einer Seitenansicht in senkrechtem
Schnitt in größerer Darstellung und F i g. 7 eine Vorrichtung zur Durchführung des
neuen Verfahrens in einer Seitenansicht in schematischer Darstellung.
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Die in F i g. 7 gezeigte Vorrichtung enthält eine Rolle
51, auf die eine thermoplastische Folie 52 in Gestalt eines kontinuierlichen
Bandes aufgewickelt ist, das zu einem rotierenden Zylinder 53 aus Metall geführt
wird, dessen Oberfläche mit Durchbrüchen für die Perforationen der Folie 52 in der
gewünschten Größe und Anordnung versehen ist. Die Folie 52 geht von dem Zylinder
53 zu der Aufwickelrolle 54.
Gegenüber dem Zylinder 53 sind Mittel angeordnet,
die einen Strahl heißer Luft auf die Fläche der um den Zylinder herumgeführten Folie
52 richten. Der Strahl wird so gebildet, daß er mit einer Gasflamme von einem Brenner
56 aus erhitzt wird. Die Luft wird durch die Düse 57 von der Leitung 58 aus kommend
unter Druck ausgestoßen. Ein Kühlstrahl aus einer Düse 60 ist gegen die entgegengesetzte
Seite des Zylinders 53 gerichtet.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 7 gezeigten Vorrichtung kann jeweils
entsprechend der besonderen Art der zu behandelnden Schicht bzw. Folie 52 abgewandelt
werden. Im allgemeinen wird die Temperatur des Heißluftstrahles so gewählt, daß
zumindest die Bereiche der Schicht bzw. Folie 52, die die Durchbrüche des Zylinders
53 während ihres Vorbeiwanderns am Luftstrahl überdecken, mit Sicherheit zerschmolzen
werden. Die Geschwindigkeit des Strahls wird auf die Bahngeschwindigkeit der zu
behandelnden Schicht bzw. Folie 52 und die Temperatur des Strahls abgestimmt, wobei
bei größerer Strahlgeschwindigkeit für eine gegebene Bahngeschwindigkeit der Schicht
bzw. Folie 52 eine niedrigere Temperatur erforderlich ist.
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Es können Strahltemperaturen verwendet werden, die etwa so niedrig
wie der Schmelzpunkt des zu behandelnden Materials liegen. Vorzuziehen sind jedoch
Temperaturen von 260 bis 875° G bei Foliengeschwindigkeiten von 3,6 bis 29,25 m/min
jeweils in Abhängigkeit von der Art der zu behandelnden
Folie. Die
bei der Herstellung von kreisförmigen Perforationen verwendeten Gitter haben einen
Durchmesser von 50,8 um bis 6,35 mm. Selbstverständlich kann dieser Bereich erweitert
werden.
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Bei einer 6,35 um dicken Polyesterfolie war die Strahlöffnung 635
um breit und 228,6 mm lang, während der Luftdruck 2,1 kg/cm2 betrug. Der Zylinder
53 hatte einen Durchmesser von ungefähr 101,6 mm und enthielt in einem Fall z. B.
etwa 35 Löcher pro Quadratzentimeter, von denen jedes ungefähr einen Durchmesser
von 838 um hatte und deren Mittelpunkte gleichmäßig so voneinander entfernt waren,
daß der gesamte offene Bereich ungefähr 21 % der Fläche betrug. Die Temperatur der
aus der Strahlöffnung austretenden Luft betrug etwa 370° C. Bei dieser Temperatur
wurde die Folie 52 mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,4 m/min durch die Vorrichtung
hindurchgeführt, wobei der Abstand zwischen der Strahlöffnung und dem Zylinder 53
etwa 6,35 mm betrug. (F i g. 4 zeigt eine proportional vergrößerter Darstellung
dieser Anordnung). Der aus der Düse 60 austretende Kühlstrahl wurde hierbei vorzugsweise
so gerichtet, daß die Oberfläche des Zylinders 53 eine Temperatur von etwa 55 bis
70° C besitzt.
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Bei der Behandlung einer 19,05-[um-Folie eines Vinylidenchlorid-Vinylchloridkopolymers
wurden derselbe Zylinder, dieselbe Entfernung zwischen Zylinder und Düse und dieselbe
Düse wie bei dem Beispiel verwendet, das oben mit Bezug auf die Behandlung der Polyesterfolie
beschrieben worden ist. Der Luftdruck betrug jedoch 1,265 kg/cm2 bei einer Temperatur
der aus der Düse austretenden Luft von annähernd 235° C. Die Folie wurde hierbei
durch die Vorrichtung mit ungefähr 1,55 m/min hindurchgeführt, wobei der Kühlstrahl
die Oberflächentemperatur des Zylinders innerhalb desselben Bereichs wie bei dem
oben beschriebenen Beispiel hielt.
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Bei der Behandlung einer Folie eines Monochlortrifluoräthylenpolymers
von 50,8 um Dicke wurde eine Strahlöffnung mit einer Breite von 889 um und einer
Länge von 127 mm gewählt, und der Abstand zwischen Zylinder und Düse wurde bei einem
Zylinderdurchmesser von 101,6 mm auf 3,17 mm herabgesetzt, wobei der Zylinder im
Durchschnitt jeweils etwa 1,2 Perforationen pro Quadratzentimeter mit einem Durchmesser
von annähernd 6,3 mm aufwies. Der Luftdruck betrug 2,46 kg/cm2, und die Temperatur
der aus der Düse austretenden Luft betrug annähernd 425° C. In diesem Fall wurde
der Film durch die Vorrichtung mit annähernd 1,8 m/min hindurchgeführt, und die
Zylinderoberfläche wurde vom Kühlstrahl auf einer Temperatur von ungefähr 105° C
gehalten.
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Als Ergebnis wurde eine thermoplastische Folie erzielt, die, wie in
F i g. 1 dargestellt, perforiert ist, wobei die Anordnung der Perforationen 26 in
der Folie von der Anordnung der Perforationen an der Oberfläche des Zylinders 53
abhängt. Die Teile 22 der Folie werden von dem Zylinder, wie dargestellt, gekühlt.
Wie in F i g. 2 gezeigt ist, hat der Rand 20 jeder Perforation 26 die Gestalt eines
Ringkörpers; er besitzt einen ringförmigen Wulst 24, der die Perforation 26 umgibt.
Der Wulst 24 dient dazu, die Ränder der Perforation zu verstärken. Die Perforationen
können außerordentlich klein sein. So z. B. können die Folien nach F i g. 1 und
2 mit einem Abstand von 6,35 um in den Teilen 22 Perforationen enthalten, die einen
kleinsten Durchmesser von etwas weniger als 508 um besitzen und so eng beieinanderliegen,
daß pro Quadratzentimeter 110 Perforationen oder noch mehr vorhanden sind. Dies
ist jedoch nicht die kleinstmögliche Ausführung, da bei sehr kleinen Mustern bis
zu etwa 620 Perforationen pro Quadratzentimeter mit einem Durchmesser von 203,2
um erzielt und einzelne Perforationen mit einem Durchmesser von 50,8 um hergestellt
worden sind.
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Die F i g. 3 bis 6 zeigen nacheinander das Ergebnis der auf das auf
den Perforationen des Zylinders 53 aufliegende Folienmaterial zur Einwirkung gebrachten
Wärme. Diese Figuren zeigen zunächst das Brechen des Materials in der Mitte und
anschließend dessen allmähliches Verschieben in Richtung auf die nicht zerschmolzenen,
die Perforation umgebenden Bereiche, wobei das Material sich allmählich zu wulstartigen
Rändern formt, bis es die in F i g. 6 gezeigte Gestalt annimmt.