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Verfahren zur Beseitigung von elektrostatischen Aufladungen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren~zur Beseitigung der elektrostatischen Aufladung von elektrisch
nichtleitenden Werkstoffen, insbesondere von Kunststoffen. Die Aufladung wird während
der Verarbeitung dieser Werkstoffe beseitigt, d.h. im allgemeinen neutralisiert,
Die elektrostatische Kontaktaufladung von elektrisch nichtleitenden Werkstoffen
stellt in vielen technischen Bereichen ein bisher ungelöstes Problem dar. Dassgilt
vor
allem für die Verarbeitung und für den Gebrauch von Kunststoffen. Die bekannten
Abhilfemaßnahmen bestehen grundsätzlich entweder darin, daß die beim Kontakt auf
den elektrisch nichtleitenden Werkstoff übertretende Ladung minimiert wird oder
daß für eine schnelle Ableitung der übergetretenen Ladung gesorgt wird. Für die
letztgenannte Maßnahme ist es erforderlich, daß der Werkstoff, zumindest aber dessen
kontaktierte Oberfläche, elektrisch leitfähig gemacht'wird, wobei das Maß der Leitfähigkeit
von den Auf- und Entladebedingungen abhängig ist. Diese Maßnahme muß dann angewendet
werden, wenn die Kontakt partner sehr vielfältig sein können, d.h. im allgemeinen
beim Gebrauch der Werkstoffe.
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Dagegen ist es bei der Verarbeitung von Werkstoffen in vielen Zellen
möglich, spezielle Kontaktmaterialien auszuwählen. So wird beispielsweise bei Kunststoffverarbeitungsmaschinen
oft das gleiche Material für die Führungswellen und für andere Maschinenteile, die
mit dem Werkstoff in Beruhrung kommen, verwendet. Tatsächlich kärin auf diese Weise
in einigen Fällen die Aufladung vermindert werden.
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Solche Verfahren scheitern jedoch immer dann, wenn die Werkstoffeigenschaften
bezogen auf bestimmte Maschinenteile zeitlich variieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem es möglich ist, die elektrostatische Kontaktaufladung der elektrisch nichtleitenden
Werkstoffe während deren Verarbeitung auch dann zu beseitigen oder auf ein Minimum
zu reduzieren, wenn die Materialeigenschaften der Kontaktpartner innerhalb der Herstellungs-bzw.
Verarbeitungsvorrichtungen sich zeitlich ändern.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst
werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Werkstoff während des Verarbeitungsvorganges
über ein Führungselement geleitet wird, dessen elektrochemisches Potential veränderbar
ist und in Abhängigkeit von dem elektrochemischen Potential des geführten Werkstoffes
ständig derart beeinflußt wird, daß der Ladungszustand des Werkstoffes nach dem
Passieren des Führungselementes einen vorgegebenen Wert annimmt.
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Nach'einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung besitzt das
Führungselement eine das Material berührende Oberfläche aus+-photoleitendem Måterial,
d'essen elektrochemisches Potential durch Lichteinstrahlung in Abhängigkeit von
dem unmittelbar hinter dem Fu'hrungsele'ment gemessenen Ladungswert gesteuert wird.
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Im ltahmen der Erfindung ist es auch möglich, als photoleitendes Material
eine dünne Schicht aus im sichtbaren Spektralbereich empfindlichen Material, wie
CdS , Se, oder aus im infraroten Spektralbereich empfindlichen Material, wie Si,
CdTe , zu verwenden.
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Das Führungselement wird, wenn es sich bei den verarbeiteten nicht
leitenden Werkstoffen um langgestreckte Elemente, wie Schläuche, Folien, Bänder
oder dergleichen, handelt, zweckmäßig in Form einer Rolle ausgebildet, über die
der Werkstoff geleitet wird.
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In einer Reihe von Veröffentlichungen ist gezeigt worden, daß für
die elektrostatische Aufladung, beispielsweise von Polymeren, die Differenz der
elektrochemischen Potentiale der Kontaktpartner verantwortlich ist. Daraus folgt,
daß beim Kontakt gleicher Materialien ein Ladungsübergang eigentlich nicht stattfinden
sollte. Da aber für die Kontaktaufladung weniger die Eigenschaften des Volumens
eines Materials bestimmend sind, sondern die Eigenschaften der Oberfläche, ist es
im allgemeinen, zumindest aber im technischen Bereich kaum möglich, über längere
Zeiten die erforderliche Konstanz der relevanten Eigenschaften aufrechtzuerhalten.
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Eine Abhilfe müßte demnach möglich werden, wenn die Eigenschaften
des den Werkstoff kontaktierenden Maschinenteils oder eines zusätzlichen Teils,
wie des hier genannten
Führungselementes, so gesteuert werden könnten,
daß Variaktionen in den Eigenschaften'des elektrisch nichtleitenden Werkstoffes
ausgeglichen würden; bereits entstandene Kontaktaufladungen könnten dabei ebenfalls
berücksichtigt werden. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, der zu dem angegebenen
Verfahren der Beseitigung von elektrostatischen Aufladungen führt, beruht auf diesen
Überlegungen.
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Wird eine Bahn, ein Faden oder dergleichen aus einem elektrisch nichtleitenden
Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff, über eine Rolle geführt, die aus"'einem
photoleitenden Material, z.B. Cadmiumsulfid, besteht, ergibt sich die Möglichkeit,
die für den Ladungsübertritt entscheidende Größe, nämlich das elektrochemische Potential,
von außen zu beeinflussen; es besteht also eine Steuermöglichkeit.
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Durch Bestrahlung mit Licht, dessen Wellenlänge stark absorbiert wird,
werden in dem Photoleiter zusätzlich elektrische Ladungsträger erzeugt. Als Folge
davon verschiebt sich im allgemeinen die energetische Lage des elektrochemischen
Potentials. Durch geeignete Behandlung - Dotierung -des photoleitenden materials
läßt sich erreichen, daß bei Belichtung die Lage des elektro chemischen Potentials
nach kleineren bzw. größeren Energiewerten verschoben wird. Das bedeutet, daß die
durch den Kontakt mit dem Photoleiter auf einem Kunststoff erzeugte Aufladung sowohl
positiver
als auch negativer gemacht werden kann.
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Der energetische Bereich, um den sich das elektrochemische Potential
verschieben läßt, ist bei den einzelnen photoleitenden Materialien verschieden und
liegt etwa zwischen 0,5 und 1,5 eV. Daraus folgt, daß in einem weiten Bereich das
elektrochemische Potential des photoleitenden Materials an das elektrochemische
Potential des nichtleitenden Werkstoffes, dessen elektrostatische Aufladung beseitigt
werden soll, angepaßt werden kann. Eine grobe Abschätzung ergibt, daß einer Potentialverschiebung
um 1 eV eine Änderung der übergetretenen Ladung um etwa 1012 ElementaPladungenXcm2
entspricht. Der Änderung der Lichtintensität folgt die entsprechende Verschiebung
der energetischen Lage des elektrochemischen Potentials in Zeiten von io~2 bis 1O13
sec.
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Die Steuermöglichkeit besteht darin, daß über eine Sonde, welche die
auf der Werkstoffbahn erzeugte Ladung mißt, entsprechend die Intensität einer Lichtquelle
gesteuert werden kann. Eine vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung ist in der
beigefügten Abbildung schematisch'darge stellt.
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Nach dieser Abbildung wird eine Werkstoffbahn 1 über ein Führungselement
2 in Form einer Rolle geleitet. Diese Rolle besitzt eine Oberfläche 3 aus photoleitendem
Material.
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Mit einer-auf elektrische Ladungen ansprechenden Sonde 4 wird über
einen Regler 5 eine Lichtquelle 6 in Abhängigkeit von dem gguessenen Ladungswert
gesteuert.
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Ist der verarbeitete elektrisch nichtleitende Werkstoff-1 transparent,
kann die gestrichelt dargestellte Anordnung der Lichtquelle 6' gewählt werden.
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Die mit photoleitendem Material beschichtete Oberfläche 3 der Rolle
besitzt. eine Dicke von etwa 10 ,um. Diese Schicht kann zum Beispiel durch Aufdampfen
im Hochvakuum, mit Hilfe des CVD-Verfahrens oder durch Aufstreichen einer entsprechenden
Paste hergestellt werden.
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Für eine möglichst trägheitslose Steuerung der Lichtintensität der
Lichtquelle 6 sollte nicht der ,Strom der Lichtquelle variiert, sondern mit Hilfe
üblicher elektrisch gesteuerter Graufilter gearbeiteet werd-en. Die in der beigefügten
schematischen Darstellung gezeigte Anordnung ist für Filme, Folien Schläuche, Fäden,
Platten, Stäbe und ähnlich langgestreckte Elemente aus nichtleitenden Werkstoffen
geeignet. Zur Verminderung des Abriebs der Schicht 3 aus photoleitendem Material
ist das Führungselement in Form einer drehbar gelagerten Rolle ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht nur zur Ladungsbeseitigung
auf zusammenhängenden Werkstücken, wie Bänder und dergleichen, sondern auch für
die Verarbeitung
von körnigem oder pulverförmigem Material geeignet.
Hierzu wird dieses Material auf Rutschen oder in Röhren geführt, wobei die Oberfläche
der Rutsche oder der Röhre an einer oder an mehreren Stellen mit dem photoleitendem
Material versehen wird, dessen elektrochemisches Potential beeinflußbar ist. Das
Rutschen- oder Rohrmaterial muß in diesem Fall für das verwendete Licht bestimmter
Wellenlänge - das von dem Photoleiter absorbiert wird - transparent sein.