DE2638115A1

DE2638115A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von lochfolienbahnen

Info

Publication number: DE2638115A1
Application number: DE19762638115
Authority: DE
Inventors: John Edward Whittle
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1975-08-26
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2321977B1; IE44382B1; NO146644B; IT1069842B; ZA765012B; CA1078777A; JPS5227029A; ATA631876A; SE7609387L; NL7609393A; BE845558A; JPS5844760B2; ES450982A1; GB1524985A; AT349849B; LU75661A1; FR2321977A1; NO762904L; IN144751B; DK383176A

Description

Drpl.-lng. H. Sauerfand · Dr.-lng. R. König ■ Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte · 4000 Düsseldorf 30 · Cecilienallee ve ■ Telefon 2£K£3QgX

24o August 1976 31 014 K

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. ¥. 1, Großbritannien

"Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Lochfo-

Ii enb ahnen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Lochfolienbahnen, wie sie beispielsweise als dünne Metallfolien mit einem bestimmten Lochraster bzw. -raport für Teile optischer und elektronischer Apparate sowie für Batterien Verwendung finden. Derartige Lochfolienbahnen wurden bislang durch Galvanoformen, d.h. durch ein galvanisches Niederschlagen von Metall auf einem geätzten Träger hergestellt. Dieses Verfahren wird beispielsweise in dem Aufsatz von J. Van der Waals in "Nickel Bulletin", Oktober 1963, S₀ 235 bis 236 beschrieben.

Das vorerwähnte Verfahren hat sich an sich bewährt, ist jedoch im Hinblick auf die kurze Lebensdauer des Trägers sowie die Kosten für dessen Herstellung und Reparatur nach einem mechanischen und/oder chemischen Verschleiß verhältnismäßig unwirtschaftlich.

Aus den britischen Patentschriften 561 788 und 1 009 518 sind Verfahren zum Herstellen von Lochfolien durch chargenweises Ätzen bekannt, bei denen die zu lochende Folie zwischen dekkungsgleiche und entsprechend gelochte Masken gelegt und anschließend anodisch geätzt wird. Dieses Verfahren erlaubt je-

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doch angesichts der Schwierigkeiten beim Ausrichten der Masken nicht das Herstellen fortlaufender Folienbahnen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich Lochfolienbahnen auf einfache und insbesondere wirtschaftliche Weise herstellen lassen. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, daß sich ein Lochraster durch partielles anodisches Lösen herstellen läßt. Dementsprechend besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Herstellen von Lochfolienbahnen, bei dem eine auf der einen Seite mit einer badbeständigen Abdeckung und auf der anderen Seite mit einem Lochmaskenband beispielsweise aus Titan versehene Folienbahn bei einer Potentialdifferenz bis 10 Volt an der Folie bzw. Maske durch ein elektrolytisches Ätzbad mit einer Kathode geführt und dabei lochweise geätzt wird. Neben Titan eignen sich an sich auch andere Werkstoffe für das Lochmaskenband. Der besondere Vorteil von Lochmasken aus Titan besteht jedoch darin, daß sie als Anode eine ausreichende Beständigkeit besitzen und darüber hinaus auch hinreichend formbeständig sind. Des weiteren lassen sich gelochte Titanmasken ohne Schwierigkeiten nach herkömmlichen Verfahren herstellen. Die badbeständige Abdeckung der anderen Bahnoberfläche kann aus einem endlosen Band oder einer Rolle bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Folienbahnen aus Nickel, Kupfer, Eisen und deren Legierungen mit einer Dicke bis etwa 125

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im wesentlichen aus einem Badbehälter, einem endlosen Band oder einer Rolle jeweils mit einer badbeständigen Oberfläche und einem Lochmaskenband aus Titan, einer Stromzuführung sowie einer im Abstand von dem Maskenband in das Bad eintauchenden Kathode bestehen und muß dabei so be-

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schaffen sein, daß sich die zu lochende Folienbahn in Berührung mit dem badbeständigen Band oder Rolle einerseits sowie mit der Lochmaske andererseits befindet.

Die badbeständige Bahn oder Rolle besteht vorteilhafterweise aus einem nicht leitenden flexiblen Werkstoff wie beispielsweise Gummiο Es genügt allerdings auch, wenn das Band oder die Rolle mit einem derartigen Werkstoff beschichtet ist_o

Vorzugsweise wird die zu lochende Bahn über eine Rolle mit so großem Durchmesser geführt, daß die Folienbahn mindestens etwa 50% des Rollenumfangs bedeckt. Bei einer 4 jum dicken Folie kann der Rollendurchmesser 15 cm betragene

Die Kathode besitzt vorzugsweise im wesentlichen dieselbe Form wie das Band oder die Rolle bzw. die Folienbahn, um während des Durchlaufs durch den Elektrolyten in etwa einen gleichmäßigen Abstand zwischen der Folie und der Kathode zu gewährleisten. Dieser Abstand liegt vorzugsweise unter 20 mm und beträgt normalerweise etwa 2 mm.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Kathode auf die Folie gerichtete Durchlässe aufweist und mit einer Leitung zum Zuführen des Elektrolyten verbunden ist, so daß der Elektrolyt durch die Kathodendurchlässe gepumpt und direkt auf die unter der Titanmaske freiliegende Folienoberfläche strömen kann.

Das endlose Maskenband aus Titan läßt sich in üblicher Weise durch fotomechanisches Ätzen herstellen. Vorzugsweise wird das Titanband gründlich gereinigt und durch Tauchen mit einem Fotoresist versehen' sowie anschließend getrocknet und gebrannt. Das in dieser Weise beschichtete Maskenband wird alsdann zwischen zwei übereinstimmende und miteinander fluchten-

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de Fotomasken gebracht. Anschließend werden die freiliegenden Oberflächen der Masken entwickelt, um die nicht freiliegenden Teile des Resists zu entfernen, sowie gebrannt und beidseitig geätzt, bis sich das gewünschte Lochmuster ergibt. Um das mit dem Ätzen verbundene Unterschneiden auszugleichen, ist jeder Punkt auf der Fotomaske um einen der Unterschneidung entsprechenden Betrag kleiner. Nach dem Entfernen des Fotoresists mit Hilfe eines Lösungsmittels wird die Maskenoberfläche gereinigt und die Maske auf die vorgesehene Länge gebracht sowie durch Punktverschweißen an den Enden in die Form eines endlosen Bandes gebracht.

Vorzugsweise verläuft das Lochmaskenband über mindestens drei Führungsrollen, von denen mindestens eine einstellbar oder abgefedert ist, um innerhalb des Ätzbades ein dichtes Anliegen des Lochmaskenbandes an der zu lochenden Folienbahn zu gewährleisten. Eine der Führungsrollen des Lochmaskenbandes ist in üblicher Weise angetrieben und überträgt durch Reibung ein Antriebsmoment auf das Lochmaskenband. Die Reibung verstärkt den Klemmdruck zwischen dem Lochmaskenband und der gegen das badbeständige Band oder eine badbeständige Rolle gedrückten Folienbahn. Die Stromversorgung der Folie erfolgt vorzugsweise über eine Kontaktrolle außerhalb des Bereichs des badbeständigen Bandes oder der Rolle oder über das Band oder die Rolle selbst, sofern mindestens deren Oberflächen aus einem leitfähigen Werkstoff wie beispielsweise Titan bestehen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich die üblichen -Elektrolyten, insbesondere solche zum elektrochemischen Bearbeiten. Das Herstellen von Lochfolienbahnen aus Nickel bedarf eines hochgechlorten Elektrolyten, um eine ausreichende Lochbildung ohne Passivierung zu erreichen. Darüber hinaus können bei nicht bewegten Bädern sehr niedrige pH-Werte,

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beispielsweise pH-Werte von 1 erforderlich sein, um eine Passivierung zu vermeiden. Versuche haben ergeben, daß eine Badbewegung im allgemeinen zu einer Beschleunigung der Lochbildung führt. Ein besonders bevorzugter Elektrolyt zum Herstellen von Lochfolienbahnen aus Nickel enthält etwa 20% Natriumchlorid und besitzt einen pH-Wert von 1 bis 7, vorzugsweise von 4 bis 6, Bei höheren pH-Werten scheidet sich das Nickel als Hydroxyd auf dem Maskenband ab, sofern es in dem Natriumchloridelektrolyten verbleibt. Im Hinblick auf möglichst lange Betriebszeiten ist dies unerwünscht, weswegen der Nickelhydroxyd-Niederschlag bei den erwähnten pH-Werten kontinuierlich aus dem Elektrolyten entfernt werden sollte. Bei niedrigeren pH-Werten bleibt das Nickel hingegen gelöst und ergibt" sich kein Nickelniederschlag an der Kathode, sofern die Nikkeikonzentration des Bades, beispielsweise mit Hilfe eines Ionenaustauschers, begrenzt wird.

Von wesentlicher Bedeutung ist eine Begrenzung des Potentials an der Maskenoberfläche auf höchstens etwa 10 Volt, ohne die es augenblicklich zu einer unerwünschten Korrosion kommt. Dieser Fall tritt jedoch nur dann ein, wenn die Folie beispielsweise wegen eines Ausfalls der Zirkulationspumpe für den Elektrolyten oder des Folienantriebs vollständig gelöst und damit passiviert wird. Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung daher einen auf einen Pumpen- oder Antriebsausfall ansprechenden automatischen Ausschalter.

Versuche haben ergeben, daß der Stromverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich geringer ist als theoretisch zu erwarten war. Der Ätzvorgang verläuft nämlich von den Lochrändern ausgehend nach innen, so daß normalerweise kleine Scheiben aus der Folie herausgelöst werden. Demzufolge braucht die für das Lösen der herausfallenden Scheiben im Elektrolyten theoretisch erforderliche Strommenge nicht aufgewandt zu wer-

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den. Obgleich sich das erfindungsgemäße Verfahren bereits

mit Stromdichten von etwa 100 A/dm durchführen läßt, liegt die Stromdichte vorteilhaft erweise so hoch wie möglich und

beträgt üblicherweise etwa 600 A/dm bei einer Foliendicke von 4 ,um. Die Stromdichte bestimmt die Lösungsgeschwindigkeit, so daß auch höhere Stromdichten angewandt werden können, sofern die Folienkapazität das erlaubt.

Die Lochfolienbahn kann nach dem Verlassen des Bades in üblicher Weise durch eine Waschflüssigkeit geführt und ofengetrocknet werden. Feine Metallfolienbahnen können sich unter dem Einfluß der normalen Luftkonvektion in der Vorrichtungsumgebung wellen. Um dies zu vermeiden, sollte die aus dem Ofen austretende warme Lochfolienbahn mittels Luftstrahlen gekühlt und die gekühlte Folie mit einer textlien Zwischenlage aufgewickelt werden,

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Herstellen von Folien mit einem Lochdurchmesser bis 6 mm und mehr, deren Gesamtlochfläche bis 50% beträgt. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Folien für Batterieelektroden, wie sie beispielsweise in der britischen Patentschrift 1 246 048 beschrieben sind_o

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung sowie eines Ausführungsbeispiels des näheren erläutert,,

Eine 4 pm dicke Folienbahn 1 wird von einem Ablaufhaspel 2 über eine Stromkontaktrolle 3 sowie Führungsrollen 4, 5 und eine mit einer Gummi oberfläche versehene Rolle 6 abgezogen, deren Oberfläche zu mindestens 50% von der Folienbahn 1 umschlungen ist. Ein Lochmakenband 7 verläuft über Rollen 8 und 9 sowie eine anstellbare Rolle 10, die das Lochmaskenband gegen die zwischen ihr und der Rolle 6 liegende Folien-

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bahn 1 drückt. Das Lochmaskenband 7 ist aus einem 100 yum dicken geglühten Titanband durch fotomechanisches Ätzen hergestellt. Die Rollen 6, 8, 9 und 10 befinden sich in nicht dargestellten Gehäusen aus Polmethylmethacrylat. Die Folienbahn 1 wird infolge ihrer Reibung mit dem über die Rolle 9 angetriebenen Lochmaskenband 7 von dem Ablaufhaspel 2 abgezogen. Dem Maskenband 7 gegenüber befindet sich eine gekrümmte Nickelkathode 11, deren Krümmungsradius dem Radius der gummibeschichteten Rolle 6 entspricht.

Die Kathode 11 besitzt mehrere Durchlässe in Richtung ihrer Symmetrieachse und wird über eine Elektrolytleitung 12 mit einem Elektrolyten, beispielsweise einer 20%-igen Chloridlösung mit einem pH-Wert von 1 bis 5 versorgt. Der Abstand zwischen der Kathode und der hinter dem Maskenband 7 befindlichen Folienbahn 1 liegt in der Größenordnung von 2 mm. Der über die Kathodenkanten fließende Teil des Elektrolyten wird in einem Behälter gesammelt und gegebenenfalls über einen Kunststoff-Ionenaustauscher zum Entfernen der Nickelionen geleitet sowie mittels einer Pumpe zirkuliert. Die Stromdichte und die Durchlaufgeschwindigkeit der Folie müssen unter Berücksichtigung der gewünschten Lochart und -verteilung im Einzelfall eingestellt werden. Geeignet ist eine Potentialdifferenz von 5 Volt bei einer Stromdichte von

etwa 600 A/dm vm
von etwa 100 m/h.

etwa 600 A/dm und einer Durchlaufgeschwindigkeit der Folie

Die Lochfolienbahn wird mit Hilfe einer über eine Rutschkupplung angetriebenen Rolle 13 über mehrere Führungsrollen durch mehrere Behälter 14 mit einer Waschlösung, beispielsweise 10%-iger Salzsäure, einen Sprühwäscher 15 und einen mit acht 250 W-InfrarotStrahlern ausgestatteten Ofen gezogen. Am Ofenausgang wir"d die Lochfolienbahn mit Hilfe eines Gebläses 17 gekühlt und mit einer Gewebezwischenlage von einer Vorratsrolle 18 gehaspelt.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 1, Großbritannien

Patentansprüche :

Verfahren zum Herstellen von Lochfolienbahnen aus Metall durch anodisches Ätzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der einen Seite mit einer badbeständigen Abdeckung und auf der anderen Seite mit einem perforierten Maskenband aus Titan versehene Folienbahn bei einer Potentialdifferenz bis 10 Volt durch einen Elektrolyten gezogen und in Anwesenheit einer Kathode lochweise geätzt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbahn aus Nickel, Kupfer, Eisen oder deren Legierungen besteht und eine Dicke bis 125 pn besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mindestens 50% einer Stützrolle mit großem Durchmesser umschlingt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienbahn aus Nickel in einem bewegten Chloridelektrolyten mit einem pH-Wert von 1 bis 7 elektrolytisch gelocht wird.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Elektrolyt umgepumpt wird und sein pH-Wert 4 bis 6 beträgt.

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6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte 600 A/dm² beträgt.

7· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbahn nach dem Lochen gewaschen, getrocknet und mittels Druckluft gekühlt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Elektrolytbehälter, eine badbeständige Rolle (6), ein endloses Lochmaskenband (7) aus Titan, eine Stromzuführung und eine im Abstand von dem Lochmaskenband (7) angeordnete Kathode(ii)c

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die badbeständige Rolle (6) aus einem nichtleitenden elastischen Werkstoff besteht oder damit überzogen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) gekrümmt ist und ihr Krümmungsradius dem Radius der badbeständigen Rolle (6) entspricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn· zeichnet, daß die Kathode (11) in einem Abstand von unter 20 mm von der Maskenbahn (7) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) in Richtung der Folienbahn (1) weisende Durchlässe besitzt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12,

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dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolytbehälter ein Waschbehälter (14), ein Sprühwascher (15), ein Trockenofen (16) und ein Kühlgebläse (17) sowie ein Haspel (13) nachgeordnet sind.

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