DE2242803C3 - Verfahren zur Beseitigung von elektrostatischen Aufladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseiti- *» Jung der elektrostatischen Aufladungen von elektrisch nichtleitendem Werkstoffen, insbesondere von Kunststoffen, während der Verarbeitung. Bei diesem Verfahren wird der Werkstoff während des Verarbeitungsvorganges über ein Führungselement geleitet, dessen elektrisches Potential veränderbar ist und in Abhängigkeit von dem elektrischen Potential des geführten Werkstoffes derart beeinflußt wird, daß der Ladungszustand des Werkstoffes nach dem Passieren des Führungselementes einen vorgegebenen Wert an- so nimmt.

Die elektrostatische Kontaktaufladung von elektrisch nichtleitenden Werkstoffen stellt in vielen technischen Bereichen ein bisher ungelöstes Problem dar. Das gilt 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 nichtleiteu den Werkstoff übertretende Ladung auf ein Minimum reduziert wird oder daß für eine schnelle Ableitung So 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 Kontaktpartner sehr vielfältig sein können.

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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, eine laufende Kunststoffbahn zurRegeludg, d. h. im allgemeinen zur Reduzierung, der elektrostatischen Aufladung auf dieser Bahn über ein als Elektrode dienendes, elektrisch leitfähiges Rad mit variierbarem Gleichstrompotential zu leiten und das elektrische Potential an dieser Elektrode in Abhängigkeit von dem an einer bestimmten Stelle der laufenden Bahn gemessenen elektrostatischen Feld solchermaßen zu steuern, daß das an dem Rad entstehende elektrische Potential die elektrostatische Aufladung der laufenden Kunststoffbahn in gewünschter Weise verändert - neutralisiert oder auch nur verringert.

Bei einem solchen Verfahren muß jedoch zur Beseitigung der üblicherweise in Kunststoff entstehenden elektrostatischen Aufladungen an das Rad, das als Elektrode verwendet wird, eine steuerbare, sehr hohe Gleichspannung, z. B. 1000 V, angelegt werden; dies ist in der Praxis mit einem beträchtlichen Aufwand an Einrichtungen, die der Sicherheit des Bedienungspersonals dienen, und auch mit hohem Aufwand an elektronischen Geräten verbunden.

Zur Reduzierung der bei der Verarbeitung von Kunststoffen grundsätzlich entstehenden elektrostatischen Aufladungen ist es außerdem in vielen Fällen möglich, spezielle Kontaktmaterialien auszuwählen. So wird beispielsweise bei Kunststoffverarbeitungsmaschinen oft das gleiche Material für die Führungswelle und für andere Maschinenteile, die mit dem Werkstoff in Berührung kommen, verwendet. Solche Verfahren scheitern jedoch immer dann, wenn die Werkstoffeigenschaften bezogen auf bestimmte Maschinenteile zeitlich variieren oder wenn man aus anderen Gründen, z. B. mit Rücksicht auf die mechanische oder thermische Belastung, zur Verwendung von Werkstoffen gezwungen ist, die zu hohen Aufladungen führen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile der bekannten Maßnahmen und Vorrichtungen zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine elektrostatische Kontaktaufladung der elektrisch nichtleitenden Werkstoffe während deren Verarbeitung auch dann verhindert, beseitigt oder auf ein Minimum reduziert werden kann, wenn die Materialeigenschaften der Kontaktpartner innerhalb der Herstellung- bzw. Verarbeitungsvorrichtungen sich zeitlich ändern oder wenn Kontaktpartner mit unterschiedlichem Kontaktpotential verwendet werden müssen; das Verfahren sollte aus Sicherheitsgründen ohne Anlegen von hohen Spannungen durchführbar sein.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit dem in Anspruch I beschriebenen Verfahren in technisch fortschrittlicher Weise gelöst werden kann.

Eine besonders einfache Ausführungsart einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dann, wenn die das Material berührende Oberfläche des Führungselementes aus einer dünnen Schicht eines photoleitenden Materials besteht und mit Licht bestrahlt wird, wobei dann die Austrittsarbeit bzw. das elektrochemische Potential dieser Schicht durch Einstrahlung von Licht und Steuerung der Lichtintensität in Abhängigkeit von dem auf der verarbeiteten Kunststoffbahn gemessenen Ladungswert derart verändert werden kann, daß das Kontaktpotential (das ist die Differenz der Austrittsarbeiten der Kontaktpartnci an der Kontakt stelle) zu Null wird; eine eventuell vorhandene elek-

'.!"(»statische Ladung wird dabei neutralisiert bzw. auf ein Minimum oder auf einen anderen gewünschten Wert verändert.

Das erfindungsgemäBe Verfahren besitzt eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber allen bekannten Verfahren zur Beseitigung von Aufladungen. Vor allem wird zur Änderung des Korstaktpotentials in der Oberfläche des Führungselementes keine hohe Spannung benötigt, sondern - bei Verwendung von photoleitendem Material für dieses Führungselement - Iediglich Licht, wodurch der Ladungsausgleich bzw. die Handhabung der Vorrichtung erheblich vereinfacht und eine Gefährdung des Personals ausgeschlossen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn, z.B. wegen Explosions- oder '5 Brandgefahr, mit hohen Spannungen nicht gearbeitet werden darf; mit relativ geringem Aufwand läßt sich sogar die Entstehung von störenden elektrostatischen Aufladungen völlig vermeiden.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ver- »° fahrens und die Überlegungen, die zu der Erfindung führten, werden im folgenden noch näher erläutert:

In einer Reihe von Veröffentlichungen ist gezeigt worden, daß für die elektrostatische Aufladung, beispielsweise von Polymeren, die Differenz der elektrochemischen Potentiale der Kontaktpartner verant wortlich 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. 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 Variationen in den Eigenschaften des elektrisch nichtleitenden Werkstoffes ausgeglichen würden; bereits entstandene Kontaktaufladungcn könnten dabei ebenfalls berücksichtigt werden. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, der /u dt η angegebenen Verfahren der Beseitigung von elektrostatischen Aufladungen führt, beruht auf diesen Überlegungen.

Wird eine Bahn, ein Faden od. dgl. aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff, über eine Rolle geführt, die aus einem photoleitenden Material, z. B. Cadmiumsulfid, hesteht, ergibt sich die Möglichkeit, die für den Ladungsübertritt entscheidende Große, nämlich das elektrochemische Potential, von außen zu beeinflussen; es besteht also eine Steuermöglichkeit. Durch Bestrahlung mit Lichi, 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 elektrochemischen Potentials nach kleineren bzw. größeren Energiewerten verschoben wird. Das bedeutet, daß die durch den Kontakt mit dem Photolcitcr auf einem Kunststoff ei zeugte Aufladung sowohl positiver als auch negativer gemacht werden kann.

Der energetische Bereich, um den sich das dektrochemische 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 Elementarladungen/cm¹ entspricht. Der Änderung der Lichtintensität folgt die entsprechende Verschiebung der energetischen Lage des elektrochemischen Potentials in Zeiten von 10 ' - bis 10 ³ see. 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 Abbildung schematisch dargestellt.

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.

Mit einer auf elektrische Ladungen ansprechenden Sonde 4 wird über einen Regler 5 eine Lichtquelle 6 in Abhängigkeit von dem gemessenen Ladungswert gesteuert.

Ist der verarbeitete elektrisch nichtleitende Werkstoff 1 transparent, kann die gestrichelt dargestellte Anordnung der Lichtquelle 6' gewählt werden.

Di«, mit photoleitendem Material beschichtete Oberfläche 3 der Rolle besitzt eine Dicke von etwa K) μνη. Diese Schicht kann z.B. durch Aufdampfen im Hochvakuum, mit Hilfe des CVD-Verfahrens oder durch Aufstreichen einer entsprechenden Paste hergestellt werden.

Für eine möglichst trägheitslose Steuerung der Lichtintensität der Lichtquelle 6sollte nicht der Strom der Lichtquelle variiert, sondern mit Hilfe üblicher elektrisch gesteuerter Graufilter gearbeitet werden. Die in der schematischen Darstellung gezeigte Anordnung ist für Filme, Folien, Schläuche, Fäden, Platten, Stäbe und ähnliche 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht nur /ur Ladungsbeseitigung auf zusammenhängenden Werkstücken, wie Bänder u. dg., 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 photoleitenden 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.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

2 3 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beseitigung der elektrostatischen Aufladung von elektrisch nichtleitenden Werkstoffen, insbesondere von Kunststoffen, während der Verarbeitung, bei dem der Werkstoff während des Verarbeitungsvorganges über ein Führungselement geleitet wird, dessen elektriiches Potential veränderbar ist und in Abhängigkeit von dem elektrischen Potential des geführten Werkstoffes derart beeinflußt wird, daß der ladungszustand des Werkstoffes nach dem Passieren des Führungselementes einen vorgegebenen Wert annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß ¹S das Führungselement (2) eine das Material berührende Oberfläche (3) mit einem veränderbaren Kontaktpotential aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Material berührende ^ao Oberfläche (3) des Führungselementes (2) aus photoleitendem Material besteht, dessen Kontaktpotential durch Lichteinstrahlung in Abhängigkeit von dem unmittelbar hinter dem Führungselement gemessenen Ladungswert gesteuert *5 wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als photoleitendes Material eine dünne Schicht aus im sichtbaren Spektralbcreich empfindlichen Material, wie CdS, Se, oder aus im infraroten Spektralbereich empfindlichen Material, wie Si, CdTe, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2) in Form einer Rolle ausgebildet ist.