DE2539924C3 - Verfahren zur kontinuierlichen Polarisierung einer bahnförmigen Kunststoffolie aus thermoplastischem Material - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen Polarisierung einer bahnförmigen Kunststoffolie aus thermoplastischem Material

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Polarisieren einer bahnförmigen Kunststoffolie aus thermoplastischem Material, bei dem die beiden Oberflächen der Folie jeweils mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen werden, bei dem die Folie kontinuierlich durch einen Polansierungsbereich geführt wird, in dem die Folie einer Temperatur von über 5O0C, jedoch unterhalb der Erweichungstemperatur des Folienmaterials und einem elektrischen Gldichspannungsfeld, das zwischen den mit einer Gleichspannungs* quelle verbundenen, als Elektroden dienenden, elek-* irisch leitenden Schichten gebildet wird, ausgesetzt wird und bei dem nach dem Polarisieren die Temperature^ wirkung und das elektrische Feld entfernt werden.
Es ist bereits bekannt, ausgehend von einer Folie aus polarisierbarem, thermoplastischem Material, wie einem Polyvinylfluorid oder einem Polycarbonat, zur Herstellung einer polarisierten Folie auf die Folie bei der Polarisierungstemperatur ein hohes elektrisches Gleichspannungsfeld einwirken zu lassen. Dabei werden zuerst an die Oberflächen der Ausgangsfolien elektrisch leitende Schichten durch Aufsprühen, Plattieren, Drukken odgl. aufgebracht. Dann wird eine elektrische Gleichspannung über Elektroden zugeführt, die aus den elektrisch leitenden, auf den Oberflächen der Folie niedergeschlagenen Schichten bestehen, um die Folie bei gleichseitiger Einwirkung der Polarisierungstemperaiur zu polarisieren. I" diesem Fall kann durch die Anwendung einer stark erhöhten Spannung eine Folie von höherer Polarisierung hergestellt werden, sofern die Spannung so gewählt ist. daß bei der Polarisationstemperatur kein Isolationsdurchschlag erfolgt (JP-OS 21 472/72 v. 4. 10. 1972).
Hierbei treten allerdings folgende Schwierigkeiten auf: Die polarisierte Folie hat wegen ihrer polaren Beschaffenheit eine hohe Dielektrizitätskonstante und bildet eine Kapazität, die relativ viel elektrische Energie bei Anwendung einer hohen Gleichspannung speichert. Diese Energie ist proportional der Kapazität des Kondensators bzw. der Höhe der angelegten Spannung.
Ferner ist diese Kapazität proportional Jer Eiektrodenfläche und der Elektrizitätskonstanten des Folienmaterials. Deshalb wird im Film relativ viel Energie während der Polarisierung nutzlos gespeichert. In der Folie kann häufig ein dielektrisrher Durchschlag an den Fehlstellen auftreten, so daß dann die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie sofort entladen wird. Durch die Entladung wird nicht nur die Durchschlagsfläche vergrößert, sondern durch die dabei auftretende Hitze verdampfen auch die elektrisch leitenden Schichten der Elektroden in der Umgebung der fleckenförmigen Durchschlagsstelle. Hierbei wird die Fehlstelle um ein Mehrfaches vergrößert und die QuaMtat der Produktion beachtlich verringert. Andererseits. c:i einer Polarisation der Folie bei einer höheren Temperatur als nahe an
•»o der Erweichungstemperatur wird die Folie sogar weich. Durch die erhöhte Temperatur verringert sich die dielektrische Festigkeit, so d.iß ein dielektrischer Duk'-,schlag leichter eintritt. Diese Schwierigkeit tritt nahe/u immer auf. v. cnn man eine dünne Folie bei hoher Spannung nahe der Durchschlagsspannung polarisieren muß.
Ferner führt die eroße Kapazität des mit der Folie gebildeten Kondensators bei der l'o ansicrur.g /u einem bcachilichen Innenstrom, du hierbei der Kondensator an eine elektrische Spannungsquelle geiegt ist. fs sind eine hohe Spannung und größere Abmessungen notwendig.
Es ist ein polarisiertes Bauelement (Elektret) aus Vinylidenf'uoridharzfolie bekannt, welches in Vakuum auf die Folienoberflächen aufplattierte, als Klekfodcn dienende Schichten aufweist und bei dessen I lcr-.!cl!u.ig die Folientemperatur im Bereich zwischen Raumtemperatur bis zum Schmelzpunkt des Kunststoffes liegt Die Folienstarkc des Hlektrcts kann 3 bis 50 μι« betragen Hier ist auch bekannt, noch während der Zeit, in der die Polarisierungsspannung anliegt, die Folie zu kühlen oder bei relativ erhöhter Wärme zu behandeln. Allerdings spricht das bekannte Verfahren das Problem an, die entstehenden Raumladungen zu Entpolarisieren und betrifft nicht Maßnahmen, die Isolation auf der Oberfläche des Elektrets zu beeinflussen (DE-OS 22 05 875).
Ferner sind filrriartige Elektrete mit auf beiden Seiten
aufgedampften, als Elektroden dienenden Schichten aus Legierungen bekannt, bei deren Herstellung die Schichten einer Wärmebehandlung (Erhitzen, Abkühlen) unterworfen werden. Hierfür werden verschiedene Tempcraturbedingungen vorgesehlagen. Hiernach ist zwar bekannt, die im Material auftretenden Nadellocher zu beeinflussen, die die Durchschlagsspannung herabsetzen. Dies soll !jrch eine Legierungsschicht erreicht werden, deren Metalle sich aus einer bestimmten Gruppe von einzelnen Metalle zusammensetzen. Hier wird nicht das Problem angesprochen, die Isolationseigenschaften auf der Oberfläche des Elektrets durch nichtchemische Mittel zu verbessern (DE-OS 21 34 571).
Es ist auch bekannt, solche Elektrete in Zigarettenfiltern zu verwenden, wobei durch auftretende Ladungen unerwünschte Rauchbestandteile der Zigarette entzogen werden sollen. Für deren Herstellung wird eine bestimmte Wärmebehandlung vorgeschlagen, wobei das Elektret eine erste und eine zweite Zone durchläuft und die Beschichtung vorzugsweise aus eir.err·. hochpermanenten Metall bestehen kann. Das Elektret Lunn auf Walzen aufgewickelt werden. Auch soll ein solches Elektret als Speicher diener, können. Allerdings gibt das bekannte Verfahren nicht Maßnahmen an. weiche auf einer oder beiden Schichtseiten des Elektrets das gegenseitige Verhältnis von isolations- und Ladungswerten, bezogen auf einen Ort auf der Oberfläche, betreffen würde (CH-PS 4 69 336).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Verfahren der eingangs genannten Art die Gefahr dielektrischen Durchschlags zu verringern und die Verwendung einer niedrigeren Hochspannung zu ermöglichen, um so die Qualität der dadurch erhaltenen, polarisierten Folie zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Palentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelost, daß mindestens eine der elektrisch leitenden Schichten in eine Mehrzahl von Abschnitten durch etwa re.hiwinklig zur Längsrichtung des Filmes verlaufende, gegenüber den Abschnitten schmälere Isoljlionsbcrciehe aufgeteilt wird.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden naher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 perspektivisch, eine teilweise auf eine Walze aufgewickelt.· Kunstüoffolie mit elektrisch leitenden Schichten auf beiden Seiten;
Fig. 2 die Abgabe- und Aufnahmewalzen, die Polansierungszone mit zugehöriger Kammer und einem Heizgerät in der Polarisier», ngskammer;
Fig. 3 eine beheizte rotierende Trommel und die Folienfuhrur·^ von Walze zu Walze;
Fig. 4 eine weitere Polarisierungsvorrichtung mit Kammer. Abgabe- und Aufnahmewalze, Spannungszuführung und Elektroaen;
F i g. 5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Folie aus thermoplastischem Material mit als Elektroden dienenden elektrisch leitenden Schichten auf beiden Oberflächen.
Fig. 1 zeigt eine Folie 1 aus thermoplastischem Material mit einer elektrisch leitenden Schicht 2 als Kathode, niedergeschlagen auf der ganzen Oberfläche der einen Seite der Folie 1, wobei eine zweite, auf die Oberfläche der anderen Seite der Folie 1 aufgebrachte, elektrisch leitende Schicht 3 als Anode dient und in separate Abschnitte 3adurch stegartige Isolationsbereiehe 4 aufgeteilt ist, die zwixhen diesen Abschnitten 3a liegen- Die Ränder 5 sind ebenfalls schichtfrei, so daß zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten ein Kurzschluß infolge der hohen Po|arisierungsspannun>? verhindert wird. Dieser Rand 5 kann auf einer Oberflache oder auch auf beiden Oberflächen der gleichen Folie 1 vorhanden sein.
Fig. 2 zeigt, daß die von der Abgabewalze 6 abgehende Kunststoffolie 1 zwischen anderen Walzen 7 und 8 hindurchgeführt ist, weiche an die Pole einer hohen Gleichspannungsquelle 7 a angeschlossen sind, so daß die elektrisch leitenden Schichten auf beiden Oberflächen der Folie 1 in Berührung mit den beiden Walzen 7 und 8 kommen, derart, daß die Walze 7 am negativen und geerdeten Pol, die Walze 8 am positiven Pol der Spannungsquelle anliegt. Somit liegt die Hochspannung quer über die Folie 1. In diesem Zustand wird die Folie in den Polarisierungsbereich 9 eingeführt. Der Polarisierungsbereich 9 kann eine Wärmekammer sein, die von einer wärmeisolierenden Wand 10. vgl. Fig. 2, mindestens teilweise umfaßt ist, oder eine Wandung odgl. einer Heiztrommel 15 odgl, vgi. F i g. 3. haben, weiche in Berührung mit der rolie 1 steht. In beiden Fällen kann die Zuführung der Gleichspannung und das Erwärmen bzw. Beheizen der Folie 1 gleichzeitig ausgeführt werden. Verwendet man ?ine Wärmekammer gemäß F i g. 2 in dem Polarisierungsbereich 9, wird die Folie, an der die Gleichspannung anliegt, über einen Schlitz 11 in die Polarisierungskammer ein- und über einen anderen Schlitz 12 herausgeführt. Die Beheizung der Polarisierungskammer kann durch ein Heizaggregat 13. vgl. F i g. 2. erfolgen, oder es wird Warmluft von außen zugeführt und in der Kammer zirkuliert, bzw. es wird ein bekanntes Heizgerät, z. B. ein Induktionsheizgerät benutzt. Man kann ein Transportband 14 zur Förderung der Folie 1 verwenden, das jedoch gegebenenfalls auch entfallen kann.
An der Austrittsseite hat die Polarisierungskammer eine zweite Kontaktwalze 8'. die ebenfalls wie die Walze 3 am positiven Pol der Spannungsquelle liegt. Dementsprechend kann die Länge eines elektrisch leitenden Abschnittes 3a so gewählt werden, daß dieser ständig entweder die Kontaktwalze 8 oder 8' berührt, so daß eine Spannung kontinuierlich auf den den Polarisicrungsbcrcich durchlaufenden Film einwirkt. Vorzugsweise wird die Länge des Abschnitts 3a so gewählt, daß diese etwas größer als der Abstand zwischen den beiden Walzen 8 und 8' ist. Die isolierenden Abschnitte 4 zwischen den Abschnitten 3a weisen dann voneinander einen dieser Länge der elektrisch leitenden Abschnitte 3a entsprechenden Abstand auf. Die Breite der isolierenden Abschnitte 4 hat eine Größe, die d:e elektrische Entladung quer über die Folie 1 unterbindet. Wenn auch die Größe kleiner als 1 mm sein kann, wird sie Joch in der Regel zwischen 2 unt! 50 m.n gewählt. Man kann, im Einzelfall, auch eine größere Breite dieses Bereiches vorsehen, jedoch ist zu beachten, daß dann die Isolationsbereiche LeyrDächen bilden können, die nicht polarisiert sind.
Wenn das elektrische Feld entfernt wurde, und die polarisierte Folie btPts auf hoher Temperatur war. kann sich die Ladung etwas verringern. Deshalb ist es vorteilhaft, nach Entfernen der Spannung den Film zu kühlen. Es hat sich gezeigt, daß nach Entfernen der Spannung bei einer 80°C unterschreitenden Temperatur keine nennenswerte Verringerung der Polarisierung feststellbar ist, die aber vorhanden ist, wenn die Polarisierungslempefätur mehr als 80°C beträgt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Polarisierungsvorrichtung, vgl, F i g, 3, verwendet einen Polarisierungsbereich in Form einer rotierenden Heiztrommel 15, welche auf
die Polarisicrungstcmpcratur erwärmt ist. Die an Spannung gelegte Folie wird über eine Berührungswal· /.c 8 zugeführt, auf der rotierenden Hciztrommcl 5. die mit dem negativen Pol der Spannungsquellc in Verbindung steht, crwürmt und polarisiert, wonach die Folie durch die Kühltrommcl 16 gekühlt wird. Die der Wal/c 8 /ugeführte positive Spannung wird auch der Wal/c 16 zugeführt. Deshalb können die Abschnitte der an der Anode liegenden elektrisch leitenden Schicht auf der Folie eine Lange haben, die eine Kontaktierung entweder mit der Walze 8 bzw. 16 während seines Weges an der Heizlrommcl 15 vorbei, gewährleistet. Die auf beiden Oberflächen der Folie gespeicherte Ladung verbleibt, nachdem die den Walzen zugeführte Spannung entfernt worden ist. und deshalb ist es vorteilhaft, die Ladung abzuführen, bevor die Folie auf die Aufnahmewalze aufgewickelt wird. Es ist eine geerdete blekirode i/ vorhanden, um die verbleibende Ladung zu entfernen. Die Folie, von der die Ladung auf diese Weise abgeführt wurde, wird zum Schluß auf die Aufnahmcwalzc 18 aufgewickelt. Abweichend hiervon . kann die Folie, nach Entfernung der Ladung, auch in geeignete Abschnitte geschnitten werden.
Das Ausführungsbeispiel einer Polarisierungsvorrichtung gemäß Fig.4 zeigt einen wesentlich größeren Polarisierungsbereich, der eine hochwirksame Polarisiefung gestattet. In diesem Falle ist der Folienweg im Polarisierungsbereich relativ lang und regelmäßig führt der Versuch, mit einer elektrisch leitenden Schicht zu arbeiten, die sich über den langen Weg erstreckt, dazu, daß er von einer übermäßig hohen Kapazität begleitet wird. Um diesen Nachteil zu verme'den. sind an dem Pluspol der Gleichspannung liegende Berührungswalzen 8a, Sb. 8c und Sd in der Polarisierungskammer vorgesehen, und die Abschnitte Za der elektrisch leitenden (in Fig. 3 nicht dargestellten) Schicht 3 werden so lang bemessen, daß sie jeweils eine der Berührungswalzcn 8a, 86, 8c und Sd berühren. Die elektrisch leitenden Schichten der der Polarisierungsbereich verlassenden Folie werden über ebenfalls am Pluspol liegende Walzen 8e und Sf unter Spannung gehalten, bis die Folie durch eine oder mehrere Kühldüsen 19 gekühlt worden ist. Die abgekühlte Folie wird in Kontaktberührung mit einer geerdeten Elektrode 17 gebracht, dadurch die auf den elektrisch leitenden Schichten verbliebene Ladung entfernt und die Folie kann nunmehr auf die Aufnahmewalze 18 aufgewickelt werden.
Sind die beiden leitenden Schichten auf den beiden Oberflächen der Folie durch isolierende Bereiche 4 in mehrere Abschnitte unterteilt, so sind zusätzlich noch eine Mehrzahl von geerdeten Elektroden vorgesehen, um eine Kontaktberührung zu allen Abschnitten der elektrisch leitenden Schicht 2 zu schaffen und diese zu erden. Wenn im Einzelfall erforderlich, kann vorteilhaft eine vorbestimmte Anzahl von isolierenden Bereichen 20 ebenfalls vorgesehen werden, die in der Längsrichtung der Folie, vgl. F i g. 5 verlaufen.
Die Länge eines einzelnen Abschnitts 3a einer elektrisch leitenden Schicht hängt von der Breite der Schicht, vom Schichtabstand und ggfs. von anderen Parametern ab. Wenn jedoch die Länge eines Abschnittes zu klein gewählt wird, werden die Isolationsbereiche, die als Abfallbereiche anzusehen sind, zu groß und der Potarisierungsverlust wird ebenfalls groß. Wird aber die gesarate Abschnittslänge zu groß gewählt, wird die Kondensatorladung zu groß. Es wird deshalb vorzugsweise eine Gesamtlänge der leitenden Abschnitte von 0.5 m bis 20 m, vorzugsweise aber von I bis 15 m, verwendet. Die Groß« der Flächen der Abschnitte einer leitenden Schicht soll auf einen bestimmten Bereich beschrankt werden: Wenn n.imlich der obere Wert der benutzten Spannung verändert wird, ist es vorteilhaft, diese Fläche auf höchstens 5 mJ zu beschränken. Der untere Grenzwert bedarf normalerweise keiner Einschränkung, es kann aber vorteilhaft sein, hierfür eine Fläche von 0,01 m2 mit Rücksicht auf die Wirtschaftlichkeit zu wählen.
Ein bevorzugtes Beispiel:
Auf der einen Oberfläche einer Folie aus Polyvinylfluorid, hergestellt durch Suspensions-Polymerisation und nach Recken in einer Richtung, um eine Dicke von 9 (im und eine Breite von 150 mm zu erhalten, wurde Aluminium über die ganze Oberfläche durch Vakuumniederschlag aufgebracht. Auf der anderen Folienober· fiijtiic wuf'jc das gleiche Metal! ίπ Vakuum rücdcrgc schlagen, mit Ausnahme von durch Masken abgedeckte Isolationsbereiche von 10 mm Breite auf beiden seitlichen Teilen der Oberfläche, mit einer solchen Schichtdicke, daß sich ein Oberflächenwiderstand von 2 — 3 Ohm/cm2 ergibt. Die Aluminiumschicht auf dieser maskierten Oberfläche der Folie wurde entlang schmaler Bereiche entfernt, die ca. 3 m voneinander entfernt sind, und die sich seitlich sowie unter rechtem Winke,- zur Filmlängsrichtung erstrecken, so daß Isolationsbereiche von 10 mm Breite entstanden.
Dann wurde die Folie, vgl. Fig.3. mit einer Geschwindigkeit von 0.5 m/min durch den Polarisierungsbereich geführt. In der Vorrichtung wurde die Folie in Kontaktberührung mit der Heiztrommel 15 mit 120°C gebracht. Die Umfangslänge des Heizteiles der Trommel betrug 2.5 m. Es wurde so gearbeitet, daß keine Falten in der Folie entstanden, während gleichzeitig eine Gleichspannung von 700 Volt quer über den Film angelegt war. Dann wurde der Film in die Kühltrommel 16 mit 15°C eingeführt. Die zwischen den einzelnen Abschnitten der einen leitenden Schicht verbliebene Restladung wurde durch die geerdete Elektrode 17 abgezogen und der Film auf die Aufnahme walze 18 aufgewickelt. Wenn auch in diesem Fall die Durchschlagsspannung der gebildeten polarisierten Folie in dem Folienteil am niedrigsten war, welcher die Oberfläche der Heiztrommel berührt, traf kein Kurzschluß entlang dieser Stellen durch die Selbstheilungswirkung, weiche auf das Abschleudern des Aluminiums an den Durchschlagsstellen zurückgeführt wird, ein und der Durchmesser der Bereiche, von welchen Aluminium herausgeschleudert wur/ % war kleiner als 0.3 mm. was für eine praktische Verwendung ohne Auswirkung isL
Eine kontinuierliche Polarisierung wurde, unter gleichen Bedingungen wie vorstehend angegeben, bewirkt und in einer genügend isolierten Vorrichtung wurde eine Rolle einer Folie mit 100 m Länge verwendet, auf der Aluminium niedergeschlagen war. wobei jedoch in diesem Ausführungsbeispiel keine schmalen, isolierenden und in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Bereiche vorhanden sind. Hierbei wurde festgestellt, daß eine größere elektrische Entladung an den Durchschlagstellen erfolgte, und der Durchmesser der abgeschleuderten Teilchen, welche die Selbsheilung bewirken, im Bereich 1—5 mm lag. Femer wurde der Teii der Folie, weicher den Durchschlagsbereich unigsb, verkohlt und es ergab sich ein ständiger Kurzschluß auf der Aufnahmetrommel, und eine Polarisierung im industriellen Maßstab konnte in diesem Falle nicht
erfolgen.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß bei der" Ausführungsform nach Fig. I elektrisch leitende Schichten auf beiden Oberflächen vorhanden sind, ebenfalls bei der Ausführungsfof m gemäß F i g. 5. -
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Palentansprüche:
1. Verfahren zum kontinuierlichen Polarisieren einer bahnförmigen Kunststoffolie aus thermoplastischem Material, bei dem die beiden Oberflächen der Folie jeweils mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen werden, bei dem die Folie kontinuierlich durch einen Polansierangsbereich geführt wird, in dem die Folie einer Temperatur von über 5(T C, jedoch unterhalb der Erweichungstemperatur des Fohenmaicrials und einem elektrischen Gleichspannungsfeld, das zwischen den mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen, als Elektroden dienenden, elektrisch leitenden Schicht gebildet wird, ausgesetzt wird und bei dem nach dem Polarisieren die Temperatureinwirkung und das elektrische Feld entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der elektrisch leitenden Schichten in eine Mehrzahl von Abschnitten durch etwa rechtwinklig zur Längsrichtung des Filmes verlaufende, gegenüber den Abschnitten schmälere lsolationsbereiche aufgeteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen des elektrischen Feldes die elektrischen Reüladungen auf den elektrisch leitenden Schichten der Folie entfernt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationstemperatur von ti.ehr als 800C, aber weniger als 1503C verwendet wird, dar ach d'v Temperatur der polarisierten Kunststofföse auf 800C verringert und erst dann das elektrische C:iichspannungsfeld entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche der Kunststoffolie mit einer abschnittsweise aufgeteilten, elektrisch leitenden Schicht versehen wird, die beim Polarisierungsvorgang ais Anode verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der unterteilten elektrisch leitenden Schicht isolierende Abschnitte mit einer Breite von 2 — 50 mm vorgesehen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine bandförmige Kunststoffolie aus thermoplastischem Polyvinylidenfluorid verwendet wird.
DE2539924A 1974-09-11 1975-09-09 Verfahren zur kontinuierlichen Polarisierung einer bahnförmigen Kunststoffolie aus thermoplastischem Material Expired DE2539924C3 (de)

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