DE1771795C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Haftfähigkeit der Oberfläche von Kunststoffen - Google Patents

Description

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zur Er- trode 4. Zwischen der Oberfläche 2 und der Elektrode 3

höhung der Haftfähigkeit nur oder weitaus überwie- liegt der zu ionisierende Raum 5. Die Spannungs-

gend solche Teilchen zur Einwirkung gebracht, die quelle 6 ist durch eine Zuleitung 7 mit der Elektrode 3

während der unmittelbar nach periodisch einsetzender verbunden.

Ionisation noch bestehenden hohen, der elektrischen 5 Die Kurve 8 in F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf Durchbruchspannung größenordnungsmäßig ver- des für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen gleichbaren elektrischen Feldstärke eine hohe Be- Spannungsverlaufs zwischen den Elektroden 3 und 4, schleunigung erfahren haben, und es unterbleibt ganz wobei 9 die mittlere Spannung des Bereiches 9' ist, oder weitgehend eine Einwirkung der wenig beschleu- innerhalb dessen bei gegebener Anordnung mit Sichernigten Ionen während Bestehen des nach erfolgter io heit ein Spannungsdurchschlag zu erwarten ist, wäh-Ionisation auf die niedrigere Bogenspannung zusam- rend 10 die mittlere Zeit (Ionisierungszeit) darstellt, mengebrochenen elektrischen Feldes. Hierdurch wird die vom Einsetzen des Spannungsanstieges bis zu dem eine für den angestrebten Zweck überflüssige Erwär- innerhalb des Zeitbereiches 10' eintretenden Durchmung der Elektroden und des behandelten Werk- schlag verstreicht, und 11 die Zeit vom Verschwinden stückc-s sowie des dazwischenliegenden Gases durch 15 des Entladestromes bis zum nächstfolgenden Span-Aufrechterhaltung eines länger dauernden Licht- nungsanstieg ist.

bogens vermieden und der größere Anteil der auf- Die Spannungsquelle 6 soll so geführt werden, daß gewendeten elektrischen Energie zur Erzeugung von sie bis zum Durchschlagsbereich, das ist die Kreuzung auf hohe Geschwindigkeit beschleunigten Teilchen ver- zwischen den Bereichen 9' und 10', eine steil anbraucht, die ihrerseits in dem gewünschten Sinne auf ao steigende Spannung abgibt, die möglichst kurz nach die Oberfläche des Werkstückes einwirken. Passieren dieses Bereiches ihr Maximum 12 erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den weiteren Tatsächlich bricht im Augenblick des Durchbruches Vorteil, daß die auf die Werkstückoberfläche einwir- der Entladestrecke die Spannungskurve 8 auf die kenden geladenen Teilchen infolge der bestehenden Bogenspannung 13 zusammen und behält einen anhohen Feldstärke einer Richtwirkung unterliegen und 25 nähernd konstanten niedrigen Wert, solange die Spandaher unerwünschten Nebeneinwirkungen, wie Un- nungsquelle 6 Strom nachliefert. Nach Aufhören ebenheiten der Oberfläche, Luftbewegung, Tempera- dieses Stromes zum Zeitpunkt 14 setzt die Entionisieturdifferenzen u. dgl., in geringerem Maße unter- rung ein (gestrichelte Linie). In F i g. 3 zeigt die liegen, als dies bei niedriger Bogenspannung der Fall Kurve 15 den entsprechenden Stromverlauf in der ist. 30 Entladestrecke.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfüh- Die Einwirkung der Teilchen auf die Werkstoff-

rung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß oberfläche soll sich im wesentlichen auf die kurze

sie einen Kondensator niederer Spannung enthält, der Zeitspanne (vgl. Stromkurve 15) beschränken, wäh-

durch periodische Entladung über ein Schaltelement, rend der die Entladung der unmittelbar zwischen den

vorzüglich einen Thyristor, und die Primärwicklung 35 Elektroden 3 und 4 gegebenen Kapazität durch den in

eines Transformators über dessen Hochspannungs- diesem Augenblick sehr hohen Teilchenstrom vor

wicklung das elektrische Feld erzeugt, und daß die sich geht, während die zwischen diesem Zeitpunkt und

Streuinduktivität des Transformators so bemessen ist, dem Zeitpunkt 14 verstreichende Zeit, während der

daß sie mit der Kapazität der Entladestrecke im nicht ein von der Spannungsquelle 6 gelieferter Strom bei

ionisierten Zustand ein Schwingsystem bildet, dessen 40 niedriger Elektrodenspannung fließt, möglichst gering

halbe Eigenperiode annähernd der zwischen Beginn gehalten werden soll, d. h., die Spannungsquelle 6 ist

des Spannungsanstieges und dem Durchbruch ver- so zu dimensionieren, daß an der Entladestrecke 5

streichenden Zeit entspricht. annähernd der Spannungsverlauf gemäß Kurve 13

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus und der Stromverlauf gemäß Kurve 15 entstehen,

den Ansprüchen. 45 Ferner soll die Zeitdauer 11 bis zum Eintreten des

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nächsten Spannungsanstieges so lang sein, daß eine

Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden weitgehende Entionisierung erfolgt, die einen neuen

näher beschrieben. Es zeigt Spannungsanstieg bis in den Bereich 9' erlaubt.

F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Ver- Entsprechend dem verwendeten Werkstoff und desseu

fahrens in schematischer Darstellung, so Oberflächenbeschaffenheit kann es vorteilhaft sein, nur

F i g. 2 eine graphische Darstellung des zwischen positive, nur negative oder abwechselnd positive und

den Elektroden der Entladestrecke vorgesehenen zeit- negative Spannungsanstiege zu verwenden,

liehen Spannungsverlaufes, Bei der Bemessung der Vorrichtungen zur Durch-

F i g. 3 eine graphische Darstellung des zeitlichen führung des Verfahrens ist zunächst zu beachten, daß

Stromverlaufes in der Entladestrecke, 55 die natürliche Kapazität zwischen den Elektroden 3

F i g. 4 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung und 4 so groß gestaltet wird, daß ein für die ge-

des vorgesehenen zeitlichen Spannungsverlaufes, wünschte Oberflächenveränderung ausreichender

F i g. 5 eine andere Schaltungsanordnung zur Er- Strom innerhalb der durch die Kurve 15 vorgegebenen

zeugung des vorgesehenen zeitlichen Spannungsver- Zeit zustande kommt. Da es sich hier aus physikali-

laufs und 60 sehen Gründen um einen Zeitraum unter 1 μβεο han-

F i g. 6 einen schematischen Schnitt durch die Ent- delt, haben zugeschaltete Kapazitäten, die über Lei-

ladestrecke, zur Veranschaulichung einer besonderen tungen mit den Elektroden 3 und 4 verbunden sind,

Ausbildungsform der mit Abstand von der zu behan- wegen der Induktivität dieser Leitung und deren ver-

delnden Oberfläche angeordneten Elektroden. zögernder Wirkung nur geringen Einfluß und können

Wie in F i g. 1 dargestellt, befindet sich das Werk- 65 in der Regel gegenüber der Eigenkapazität der Elek-

stück 1, dessen Oberfläche 2 behandelt werden soll, trodenanordnung außer Betracht bleiben,

zwischen einer Elektrode 3, von der die Entladung aus- Zu beachten ist ferner, daß der Maximalwert der

eeht. und einer an dem Werkstück anliegenden Elek- von der Spannungsquelle eingespeisten Spannung

möglichst kurz nach Passieren des Eiurchbruch- Nach erfolgtem Durchbruch verwandelt sich die

bereiches 8, 9 erreicht werden soll und dann die vorher kapazitive Impedanz der Entladestrecke in eine

Spannung rasch und bleibend gegen Null gehen oder im wesentlichen ohmsche Impedanz, die in Serie mit

gegenpolige Werte nur so weit annehmen soll, als dazu der Streuinduktivität L₁₉ und der beim Übersetzungs-

dienlich ist, den aufgebauten Teilchenstrom wieder 5 verhältnis « des Transformators 18' übertragenen Ka-

abzubauen. pazität Q₆ · 1/w² einen gedämpften Schwingungskreis

Dies kann entweder durch eine solche Dimensionie- ergibt.

rung der Elektrode und der Induktivität ihrer elektri- Der Umstand, daß überlagert zu dem hier darschen Zuleitung erreicht werden, daß der erstmalige gestellten Spannungsverlauf während der Entladezeit Durchgang durch das Spannungsmaximum im Ein- io zusätzlich ultrahohe Schwingungen auftreten, hat schwingvorgang bei noch nicht gezündetsr Entlade- keinen wesentlichen Einfluß auf das Prinzip und die strecke mit Sicherheit gerade noch zum Durchschlag Verwirklichung des Verfahrens,
führt und somit alle zu diesem Zeitpunkt in der Eigen- Die F i g. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung, welche kapazität gespeicherte elektrische Energie durch die im Prinzip derjenigen nach F i g. 4 entspricht, aber Entladung verbraucht wird, oder durch eine Dämp- 15 noch eine Dämpfungsschaltung enthält, die die nach fungsschaltung, die die nach erfolgtem Durchschlag erfolgtem Durchschlag noch in der Kapazität der noch in der Kapazität der Elektrode oder in der Induk- Elektroden oder Induktivität ihrer elektrischen Zuleitivität ihrer elektrischen Zuleitung gespeicherte Energie tung (Streuinduktivität der Hochspannungswicklung) verbraucht oder an die ursprüngliche Energiequelle gespeicherte Energie durch Rückführung in die urzurückleitet. Dann setzt die Entionisierung der Ent- ao sprüngliche Energiequelle entfernt. Diese weist einen ladestrecke ein, deren Zeitdauer die Folgefrequenz der Thyristor 27 auf, der an eine Anzapfung der Hoch-Spannungsanstiege im wesentlichen bestimmt. Spannungswicklung angeschlossen ist und der jeweils In der in F i g. 4 gezeigten Schaltungsanordnung unmittelbar nach dem Spannungsdurchschlag, späzur Erzeugung eines im Sinne des Verfahrens vorteil- testens jedoch vor Ablauf der nächstfolgenden Halbhaften Spannungsverlaufes wird ein Kondensator 16 25 periode der Eigenschwingung des Elektrodenkreises periodisch von einem speisenden Netz 26 über eine gezündet wird und die an ihm anliegende und durch Impedanz 25 und einen ersten Thyristor 24 auf- ihn gleichgerichtete Spannung direkt oder (wie in der geladen und mittels eines periodisch geschalteten Zeichnung dargestellt) über eine Impedanz 28 an die zweiten Thyristors 17 über die Primärwicklung 18 ursprüngliche Energiequelle zurückleitet,
eines Transformators 18' entladen. Die Bemessung 30 Bezüglich der mechanischen Gestaltung der Entder Streuinduktivität 19 des Transformators und der ladestrecke ist es, wie oben aufgeführt, vorteilhaft. Kapazität 20 der Entladestrecke bestimmen den Span- eine große Kapazität zwischen den Elektroden 3 und 4 nungsanstieg bzw. Verlauf der Kurve 8 (Fig. 2) bis herzustellen. Es ist jedoch nicht vorteilhaft, beide zum Spannungsmaximum 12, der nach dem Gesetz Elektroden als große Flächen auszubilden, da die eines ungedämpften Schwingkreises nach Ablauf der 35 Entladung nicht stabil und gleichmäßig über solche ersten halben Schwingungsperiode erreicht wird. Flächen verteilt erfolgt. Dies vermeidet eine Aus-Bei atmosphärischem Druck in Luft und 2O⁰C er- bildung der Entladestrecke, bei welcher an der der zu geben sich als realisierbare Werte etwa 10 |i.sec für die behandelnden Oberfläche zugekehrten Seite eines di-Halbperiode der Einschwingung bis zum Spannungs- elektrischen Überzuges, unmittelbar aufliegend oder maximum (Durchschlag), d. h. ¹I₂ · 10"⁵, das ist 40 in diesen eingebettet, eine Vielzahl von leitenden Elementen angeordnet ist, weiche weder untereinander

■\ji. r = 20 · 10~^s noch mit einer der Elektroden in leitender Verbindung

» 2π ' stehen und von deren der zu behandelnden Fläche zugekehrten Enden die Entladung ausgeht.

wenn mit L die auf die Sekundärseite des Hochspan- « Eine zweckmäßige Gestaltung zeigt die F i g. 6. Die nungstransformators 18' bezogene Streuinduktivität, Elektrode 3 besteht hier aus einem über die Zuleitung Ί mit C die Gesamt-Kapazität 20 der Elektrode(n) 3 ge- mit der Spannungsquelle, d. h. der Hochspannungsgenüber der Gegenelektrode 4 bezeichnet wird. Die wicklung des Transformators verbundenen leitenden Eigenfrequenz der Anordnung in nicht gezündetem Körper 22, der rasterförmig verteilte Bohrungen 22' Zustand beträgt in diesem Fall 50 kHz. Für die De- 50 aufweist, die mit dielektrischem Material 23 gefüllt ionisierung sind unter den angenommenen Voraus- sind, in welches die stiftförmigen Elemente 21 eingesetzungen Zeiten 11 von 100 bis 500 μβεϋ anzusetzen, bettet sind. Zur Erhöhung der Kapazität der Entladedie Folgefrequenz der Spannungsstärke liegt in diesem strecke soll jedes einzelne leitende Element 21 eine Fall bei 2 bis 10 kHz. kreisrunde Entladefläche aufweisen, die planparal'el Die annähernde Übereinstimmung zwischen der 55 der Gegenelektrode 4 gegenübersteht und deren Kan-Zeitdauer T₁₀ vom Beginn des Spannungsanstieges bis ten abgerundet sind. Der Durchmesser für diese zum Spannungsdurchbruch und der Dauer T₁₂ der Fläche soll in einem Bereich zwischen 1 und 5 mm ersten Halbperiode des durch L₁₉ und C₂₀ gebildeten liegen.

Kreises ist durch Versuch zu ermitteln. Die Durch- Für spezielle Zwecke, insbesondere die Oberflächenbruchspannung V₉ steht mit der von der Spannungs- 60 behandlung von Metallen, ist die Anordnung größerei Quelle abgegebenen Leistung N im günstigsten Grenz- Kapazitäten mittels besonderer, jeder einzelnen Entfall in der Beziehung ladestrecke zugeordneter und mit Zuleitungen sehi

geringer Induktivität versehener Kondensatoren vor-

V₉ ² C₂₀ . _{f= N} teilhaft.

2 65 Bei dieser Anordnung ergibt sich die von der Fachwelt bisher unbeachtet gebliebene Erscheinung, daß

worin / die Folgefrequenz der Spannungsdurch- die an sich bekannte Verbesserung der Adhäsiv-

brüche bezeichnet. Eigenschaft von Metalloberflächen nicht auf den Fuß-

punkt de:r elektrischen Entladung beschränkt ist, sondern sich über eine mehrfach größere kreisförmige Fläche rund um den Fußpunkt der Entladung ausdehnt, so daß bei rasterförmiger Anordnung der Entladestrecken ein vergleichsweise weitmaschiger Raster zur Erzielung vollflächiger Oberflächenbehandlung ausreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 77! 795 ι eine kreisrunde, zur Oberfläche parallele Ebene mit 1 bis 5 mm Durchmesser ist. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Haftfähigkeit 5

der Oberfläche von Kunststoffen, Papier, Metall Es ist bekannt, daß durch eine mittels hochgespanngegenüber Druckfarben, Lacken, Klebstoffen tem elektrischem Feld erzeugte Entladung in Luft oder u. dgl. mittels elektrischer Entladung im hoch- Gasen Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe oder Megespannten elektrischen Feld, dadurch ge- talle, dahingehend verändert werden können, daß kennzeichnet, daß ein elektrisches Feld so io ihre Oberfläche bessere Hafteigenschaften gegenüber ausgelegt wird, daß dessen Feldstärke periodisch Lacken, Farben, Klebstoffen u. dgl. aufweist oder steil bis zum Durchschlagspunkt ansteigt und un- andere für die Weiterverarbeitung günstige Veränverzüglich nach erfolgtem Durchschlag während derungen erfährt. Es ist ferner bekannt, daß die Wireiner solchen Zeitdauer auf den Wert Null oder kung der elektrischen Entladung in gewünschtem nahezu Null gebracht wird, bis infolge nunmehr 15 Sinne erhöht werden kann, durch Erhöhung der aufeinsetzender Entionisierung der Entladestrecke der gebrachten elektrischen Leistung, Erhöhung der für erneuten Durchschlag erforderliche Wert gleich Spannung, Erhöhung der Frequenz oder andere die oder nahezu gleich dem bei erstmaligem Durch- Entladung allgemein steigernde Maßnahmen. Allen schlag wird. diesen Verfahren haftet der wesentliche Nachteil an,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 daß ein sehr hoher Anteil der angewendeten elektrizeichnet, daß ein elektrisches Feld ausgelegt wird, sehen Energie an der Oberfläche und in dem behandeldessen Anstiegsdauer im Bereich von 0,1 bis ten Material sowie an den Elektroden und schließlich 10 μβεϋ liegt und das während einer Zeitdauer im in der zwischen Elektrode und Material liegenden Luft Bereich von 10 bis 1000 μ5εο auf den Wert Null bzw. Gas :n Wärme umgewandelt wird und nur ein oder nahezu Null f.bfällt. 25 verhältnismäßig geringer Teil nutzbringend zur Um-

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Wandlung der Oberfläche verwertet wird.

nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verdaß sie einen Kondensator (16) niederer Spannung fahren zur Erhöhung der Haftfähigkeit der Oberenthält, der durch periodische Entladung über ein fläche von Kunststoffen, Papier, Metall u. dgl. gegen-Schaltelement, vorzüglich emen Thyristor (17), 30 über Druckfarben, Lacken, Klebstoffen mittels elek- und die Primärwicklung (18) eines Transformators trischer Entladung im hochgespannten elektrischen über dessen Hochspannungswicklung das elek- Feld sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines trische Felderzeugt, und daß die Streuinduktivität derartigen Verfahrens zu schaffen, das bei gleicher aufdes Transformators so bemessen ist, daß sie mit gewendeter elektrischer Energie einen größeren Anteil der Kapazität der Entladestrecke im nicht ionisier- 35 an Oberflächenwirkung erzielt, bei gleichzeitig weitten Zustand ein Schwingsystem bildet, dessen halbe gehender Verminderung des unerwünschten Anteils Eigenperiode annähernd der zwischen Beginn des der Wärmeerzeugung.

Spannungsanstieges und dem Durchbruch ver- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gestreichenden Zeit entspricht. löst, daß ein elektrisches Feld so angelegt wird, daß

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 40 dessen Feldstärke periodisch steil bis zum Durchkennzeichnet, daß der Kondensator (16) niederer schlagspunkt ansteigt und unverzüglich nach erfolg-Spannung eine solche Kapazität aufweist, daß die tem Durchschlag während einer solchen Zeitdauer auf Eigenschwingung des aus diesem Kondensator, den Wert Null oder nahezu Null gebracht wird, bis dem Streufeld des Transformators und dem infolge nunmehr einsetzender Entionisierung der Entohmschen Widerstand der in ionisiertem Zustand 45 ladestrecke der für erneuten Durchschlag erforderliche befindlichen Entladestrecke gebildeten Schaltkreise Wert gleich oder nahezu gleich dem bei erstmaligem annähernd im Bereich der Grenzdämpfung liegt. Durchschlag wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der In den bekannten sowie in dem erfindungsgemäßen Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Verfahren wird die Wirkung dadurch hervorgerufen, der der zu behandelnden Oberfläche gegenüber- 50 daß die zu verändernde Oberfläche durch geladene liegende Pol der Entladestrecke aus einer Vielzahl Teilchen aus der umgebenden Luft oder eines umvon regelmäßig rasterförmig nebeneinander an- gebenden Gases getroffen wird. Hinsichtlich der Ionigeordneten leitenden Elementen (21) besteht, die sierung eines Gases sind drei grundsätzlich verschiesämtlich voneinander und von einem gemeinsamen, dene Zustände kennzeichnend:

mit der Spannungsquelle verbundenen Leiter (22) 55 1. Der nicht ionisierte oder annähernd nicht ionisierte

durch eine dielektrische Schicht (23) getrennt sind, Zustand, bei dem zumindest kurzzeitig vergleichs-

und daß die Elemente infolge der Kapazität ihrer weise hohe elektrische Feldstärken auftreten

Anordnung gegenüber dem Leiter gespeist werden. können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- 2. Der ionisierte Zustand, bei dem das Gas leitend kennzeichnet, daß die der zu behandelnden 60 ist und die Aufrechterhaltung hoher Feldstärken Oberfläche zugekehrte Fläche jedes einzelnen der nicht möglich ist.

leitenden Elemente (21) so geformt ist, daß es Be- 3. Der Augenblick eintretender Ionisation, wobei

standteil eines Hochspannungs-Luft-Kondensators vorübergehend ein hohes elektrisches Feld so

möglichst großer Kapazität bei möglichst hoher lange bestehen kann, bis die in der unmittelbar an

Durchschlagsspannung ist. 65 der Entladestrecke vorhandene Kapazität ge-

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch speicherte elektrische Energie überwiegend in Begekennzeichnet, daß die der zu behandelnden Ober- schleunigung der vorhandenen Teilchen umgefläche zugekehrte Fläche jedes einzelnen Elementes wandelt ist.