DE1963248B2

DE1963248B2 - Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der ladungsdichte auf der oberflaeche eines elektrisch nicht leitenden materials

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Publication number: DE1963248B2
Application number: DE19691963248
Authority: DE
Priority date: 1969-12-17
Filing date: 1969-12-17
Publication date: 1972-02-17
Also published as: US3739246A; AT315473B; SU471745A3; CA921973A; GB1325580A; SE365976B; CH519979A; DE1963248A1; FR2073907A5; NL7017829A; BE760381A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ladungsdichte auf der Oberfläche eines elektrisch nicht leitenden Materials, wobei man mittels Gleichspannung in dem über der Oberfläche des Materials liegenden Gasraum Elektronen und Gasionen erzeugt, wodurch die Oberfläche elektrostatisch aufgeladen wird.

Daß sich elektrisch nicht leitende Materialien, beispielsweise Kunststoffbahnen, z. B. beim Führen über Walzen, elektrostatisch aufladen, ist seit langem bekannt. Es gehört weiterhin zum Stand der Technik, die Oberfläche von Kunststoffbahnen mit Hilfe von Ladungsträgern aufzuladen. So ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 068 528 ein Verfahren zum (-.(recken oder Transportieren von organischem thermoplastischem Material bekannt, bei dem neben anderen Vorrichtungsteilen die Bahn auf einer geerdeten Unterlage geführt wird und wobei über der Bahn eine mit einem Spannungserzeuger verbundene Elektrode, beispielsweise in Form eines gespannten Drahtes, angeordnet ist. Infolge des inhomogenen elektrischen Feldes in der Nähe der stark gekrümmten Elektrode in Form eines gespannten Drahtes entstehen durch Ionisation des Luftraumes Elektronen und Gasionen, die die der Elektrode zugekehrte Seite der Folienoberfläche elektrisch aufladen, wodurch eine Anlegung an die geerdete Unterlage, beispielsweise an eine Walze, erfolgt. Durch eine solche Behandlung soll der Schlupf zwischen der bewegten Unterlage und der zu streckenden Folie vermindert werden, um unter anderem die durch den Schlupf entstehenden Beschädigungen der Bahn auf der geführten Seite zu vermeiden.

Die genannten Verfahren arbeiten in manchen Fällen durchaus zufriedenstellend. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß die erzeugten Elektronen und Gasionen außer zur Oberfläche der Bahn auch in den die Elektrode umgebenden Raum wandern. Es ist somit erforderlich, um eine bestimmte Ladungsdichte auf der Oberfläche des Isolators zu erzeugen, eine wesentlich größere Anzahl von Ladungsträgern zu produzieren als notwendig wäre, wenn alle Ladungsträger auf die Oberfläche wandern würden. Das bekannte Verfahren ist somit nur in der Lage, eine begrenzte Aufladung der Oberfläche zu erzielen, da bei Erhöhung der Spannung zum Zweck der Vermehrung von Ladungsträgern die Gefahr des elektrischen Durchschlages und damit eine Beschädigung der Folienoberfläche erfolgen würde.

Es stellte sich somit die Aufgabe, unter Vermeidung der genannten Nachteile, einen Weg zu finden, um die Ladungsdichte bei der elektrostatischen Aufladung von elektrisch nicht leitenden Materialien zu erhöhen.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs dargelegten Verfahren dadurch gelöst, daß man zur Erzielung einer Richtwirkung auf die Wanderung der Elektronen und Gasionen zur Oberfläche des Materials hin oberhalb der die Elektronen und Gasionen erzeugsnden Quelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufbaut.

Unter Gleichspannung sollen im folgenden auch solche Spannungen verstanden werden, die noch einen gewissen Betrag an Restwelligkeit enthalten. Durch die mit den Elektronen und Gasionen gleichsinnige Polarität werden die erzeugten Ladungsträger gehindert, in den die Elektrode umgebenden Raum zu wandern, vielmehr werden sie nahezu vollständig in Richtung zur Oberfläche des Materials hin geleitet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß wesentlich weniger Elektronen und Gasionen erzeugt werden müssen, um eine mit den früheren Verfahren vergleichbare Ladungsdichte auf der Oberfläche des Materials zu erhalten. Außerdem kann eine erheblich höhere Aufladung der Oberfläche bei gleicher Spannung an der Elektrode erzielt werden.

In besonderer Ausführung des Verfahrens wird zusätzlich die die Ladungsträger erzeugende Quelle beheizt. Hierdurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß man mit einer Spannung im Bereich von 200 bis 5000 V, bevorzugt im Bereich von 500 bis 1000 V, arbeiten kann, wodurch erhebliche Probleme bei der Isolierung der Elektrode entfallen, ohne daß die Anzahl der erzeugten Ladungsträger reduziert wird.

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Wird die die Ladungsträger erzeugende Quelle, beispielsweise in Form eines gespannten dünnen Drahtes, nicht beheizt, wird mit einer Gleichspannung von 2000 bis 30 000 V, bevorzugt im Bereich zwischen 10 000 und 15 000V, gearbeitet.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer geerdeten Unterlage, auf der das nicht leitende Material aufliegt, und einer über dem Material angeordneten mit Gleichspannung betriebenen Elektrode. Die Vorrichtung ist m dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode eine mit einem Spannungserzeuger verbundene elektrisch leitende Schicht als Steuerelektrode, die gegenüber den übrigen Vorrichtungsteilen isoliert ist, angeordnet ist. t5

Die elektrisch leitende Schicht besteht aus einem oder mehreren mit dem Spannungserzeuger verbundenen Drähten und/oder Metallbändern. Auch sind euf einem isolierten Trägermaterial aufgedampfte und/ oder aufkaschierte Schichten, beispielsweise aus Metall, gebräuchlich. In besonderer Ausführung besitzt tue Steuerelektrode eine Formgebung entsprechend einer eventuell vorgegebenen Form der die Ladungsträger erzeugenden Elektrode.

Um den Stromfiuß messen und eine Regulierung an der Steuerelektrode vornehmen zu können, wird zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem Spannungserzeuger ein Meßinstrument zwischengeschaltet. Auf diese V/eise kann sehr leicht festgestellt werden, ob und in welchem Maße bei einer elektrostatischen Beladung Ladungsträger von der Elektrode zur Steuerelektrode abfließen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die aber im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß oberhalb der Elektrode eine leitfähige Schicht als Steuerelektrode angeordnet ist, die durch einen hochohmigen Widerstand mit einer Spannungsquelle in Verbindung steht.

Es stellt sich dann infolge der über den Widerstand abfließenden und der von der Elektrode zufließenden Ladungsträger ein Gleichgewichtspotential der Steuerclektrodenspannung ein, dergestalt, daß die Spannungshöhe der Steuerelektrode sich so einstellt, daß nur so viele Ladungsträger abfließen, wie auch auf die Steuerelektrode auftreffen. Der einzuschaltende Widerstand liegt im Bereich zwischen 20 bis ν ΜΩ.

Zur Messung des Stromflusses wird zwischen den Widerstand und das Bezugspotential ein Meßinstrument geschaltet. Es kann ein veränderlicher Wider-Hand vorgesehen werden, um eine schnelle Reguliermöglichkeit, beispielsweise bei der Änderung der Elektrodenspannung, vornehmen zu können. Wenn auch der Abstand zwischen Steuerelektrode und Elektrode in gewissen Bereichen ebenso wie der Abstand !wischen Elektrode und Materialoberfläche variabel sein kann, so hat es sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand zwischen Steuerelektrode und Elektrode etwa gleich dem zwischen Elektrode und Oberfläche des Materials gehalten wird. Die Abstände liegen je nach Dicke des Materials, der Fahrgeschwindigkeit des Materials sowie der Anzahl der erzeugten Ladungsträger im Bereich zwischen 0,1 bis 15 cm, bevorzugt zwischen 1 und 5 cm. Entsprechend der Polarität der die Elektronen und Gasionen erzeugenden Elektrode wird oberhalb dieser Quelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufgebaut. Die dieses elektrische Feld erzeugende Quelle wird im folgenden als Steuerelektrode bezeichnet. Di& maximale Beladungsdichte, die, ohne die Folie zu schädigen, auf der Oberfläche des Materials erzeugt werden kann, ist nach der Formel

A see
V cm

cm

= A sec/cm²

zu berechnen, wobei

ε_α die Dielektrizitätskonstante des Vakuums,

ε die relative Dielektrizitätskonstante des Materials, E die Durchbruchsfeldstärke des Materials,

die nicht nur von der Art, sondern auch von der Materialstärke abhängt, bedeuten.

Je nach Material sind die Werte von ε und E sowie bei der Verwendung von Gr^sn an Stelle von Vakuum auch die für T₀ verschieden. ε₀ für Vakuum und für Luft sind als nahezu gleich anzusehen.

Beispiel 1

Über eine geerdete Walze wurde im Abstand von 10 mm ein 0,3 mm dünner Stahldraht zwischen elektrisch isolierten Halterungen eingespannt. An den Draht wurden Spannungen verschiedener Höhe angelegt und dabei folgende Stromwerte gemessen:

i/l	is	JX
kV	mA
9	0,34
9,5	0,54
10	0,690
10,5	0,90
Be	piel 2

Es wurde mit der gleichen Anordnung wie nach Beispiel 1 gearbeitet, jedoch wurde 15 mm über diesem gespannten Draht eine gebogene etwa 2 cm breite längsgestreckte Steuerelektrode isoliert angebracht. Diese Steuerelektrode wurde mit einem Spannungsmesser elektrisch verbunden und hatte einen Widerstand zur Erde in der Größe von einigsn 100 ΜΩ. Durch Anlegen verschiedener Spannungen an der_t Draht wurden folgende Werte gemessen, wobei Ul die Spannung am Draht, Ul die Spannung an der Steuerelektrode und J\ den aus dem Draht austretenden Strom darstellt. Der Strom ist hier bei gleicher Spannung deutlich niedriger als im Beispiel 1.

UX	Ul	JX
kV	kV	mA
9	4,5	0,145
9,5	5	0,285
10	5,3	0,4
10,5	5,8	0,575

Beispiel 3

Es wurde mit der Anordnung nach Beispiel 2 gearbeitet, jedoch wurde an die Steuerelektrode eine zusätzliche Spannung unterschiedlicher Höhe angelegt. Die Stromwerte variieren zwischen Beispiel 1 und Beispiel 2 je nach eingestellter Spannungshöhe der

teuerelektrode. Es wurden die nachfolgenden Werte emessen:

Ul	Ul	Ji
kV	kV	mA
9	4,5	0,16
9,5	4,5	0,325
10	4,5	0,5
10,5	4,5	0,675
9	5	0,15
9,5	5	0,30
10	5	0,45
10,5	5	0,65

Die Haftreibungskräfte von auf einer Walze transportierten Kunststoffbahnen waren nach Beispiel 2 und 3 bei vergleichbarem Strom jeweils um etwa 20°/₀ höher als beim Arbeiten nach Beispiel 1.

In der Zeichnung ist eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung in perspektivischer Sicht dargestellt.

Die Abbildung zeigt eine Bahn 1 eines nicht leitenden elektrischen Materials, das auf einer geerdeten Walze 2 geführt wird. Über der Bahn liegt eine isolierte, gebogene Steuerelektrode 3, die über ein Instrument 4 zur Messung des Stromflusses mit einem Spannungser/euger 5. der vom Netz /V her gespeist wird, verbunden ist. Zwischen der Bahn 1 und der Steuerelektrode 3 befindet sich eine Ladungsträger erzeugende, elektrisch isoliert aufgehängte Elektrode 6, die vom Netz N her über einen Spannungserzeuger 7 gespeist wird. Bei dieser Vorrichtung wird die Elektrode 6 gleichzeitig über Verbindungsdrähte 8 und 8' von einem Heizaggregat 9 beheizt. Es ist leicht ersichtlich, daß die Vorrichtung vielerlei Variationsmöglichkeiten besitzt. Im Falle der Verwendung eines hochohmigen Widerstandes als Ableitwiderstand wird der Spannungserzeuger 5 durch einen entsprechenden, gegebenenfalls variablen Widerstand ersetzt.

Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich

is grundsätzlich für alle Anwendungen, bei denen eine Erhöhung der Beladung ohne großen Aufwand erwünscht ist, so z. B. zur Verbesserung der Haftung von Beschichtungen, beispielsweise bei der Herstellung aus Dispersionen oder Lösungen oder zur genaueren

ao und besseren Herstellung von Markierungen, die z.B. zu Steuerungsvorgängen unter anderem bei Bedrukkungen Verwendung finden. Bevorzugte Anwendungen bestehen in der Verbesserung der Haftung zwischen geerdeter Unterlage und Isolator, wie sie insbesondere

as bei Füb'"\ings- und Transportverfahren für Kunststoff-Folien erwünscht sind, wobei das Verfahren auch bei Sireckverfahren besonders geeignet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Ladungsdichte auf der Oberfläche eines elektrisch nicht leitenden Materials, wobei man mittels Gleichspannung in dem über der Oberfläche des Materials liegenden Gasraum Elektronen und Gasionen erzeugt, wodurch die Oberfläche elektrostatisch aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzielung einer Richtwirkung auf die Wanderung der Elektronen und Gasionen zur Oberfläche des Materials hin oberhalb der die Elektronen und Gasionen erzeugenden Quelle ein elektrisches Feld mit gleicher Polarität aufbaut.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich die die Elektronen und Gasionen erzeugende Quelle beheizt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, mit einer ge- ao erdeten Unterlage, auf der das elektrisch nicht leitende Material aufliegt und einer über dem Material angeordneten, mit Gleichspannung betriebenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode (6) eine mit einem Spannungserzeuger (7) verbundene elektrisch leitende Schicht als Steuerelektrode (3), die gegenüber den übrigen Vorrichtungsteilen isoliert ist, angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 3c kennzeichnet, daß die leitende Schicht aus einem oder mehreren Drähten und/oder Metallbändern besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht aus einer oder mehreren, auf einem isolierenden Trägermaterial aufgedampften und/oder aufkaschierten elektrisch leitenden Schicht besteht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, mit einer geerdeten Unterlage, auf der das elektrisch nicht leitende Material aufliegt und einer über dem Material angeordneten, mit Gleichspannung betriebenen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode (6) eine leitfähige Schicht als Steuerelektrode (3) angeordnet ist, die durch einen hochohmigen Widerstand mit einer Spannungsquelle in Verbindung steht.