DE3631584A1 - Vorrichtung zur oberflaechenbehandlung von folienbahnen mittels elektrischer koronaentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflä­ chenbehandlung von Folienbahnen mittels elektrischer Koronaentladung, bestehend aus einer Gegenelektrode und einer Walzenelektrode aus einer elektrisch leitfähigen Trägerwalze und einer darauf aufgebrachten, nicht leit­ fähigen Schicht, mit einem Wechselstromgenerator, der mit der Gegen- und Walzenelektrode verbunden ist, um eine mittel- bis hochfrequente Wechselspannung an die Gegenelektrode anzulegen.

Eine derartige Vorrichtung ist in der Zeitschrift "Pa­ pier- und Kunststoffverarbeiter", 1984, Heft 10, S. 50, 52, "Faserverstärkte Coronawalzen" beschrieben. Als Werkstoffe für das Dielektrikum werden bei den Walzen­ elektroden chlorsulfonierte Polyethylene, Silikonkau­ tschuke und Keramikmassen sowie glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt.

In der kunststoffverarbeitenden Industrie, und hier insbesondere in der Folienbranche, zählt die Oberflä­ chenbehandlung mittels elektrischer Koronaentladung zwecks Bedruckbarmachung bzw. Steigerung der Verbund­ festigkeiten von Laminaten seit Jahren zum Stand der Technik. bei der Koronabehandlung wird die einer Koro­ naentladung auszusetzende Folienbahn über eine elek­ trisch geerdete Stützfläche als die eine Elektrode, im Normalfall eine mit einer dielektrischen Schicht be­ schichtete Walze, geführt. Die Beaufschlagung der der Walzenoberfläche abgewandten Seite der Folienbahn durch die Koronaentladung erfolgt durch Anlegen eines mittel- bis hochfrequenten Wechselstroms hoher Spannung an ei­ ne im Abstand von wenigen Millimetern zur Walze ange­ ordnete Gegenelektrode. Im Luftspalt ionisieren die von der Gegenelektrode emittierten Elektronen die Luft, und die Ionen werden durch das elektrische Feld in Richtung Walzenelektrode beschleunigt und geben ihre Ladungen und Energie an die Folienoberfläche ab. Als Folge die­ ses Beschusses werden Kettenbrüche in der Polymerober­ fläche sowie nachfolgende Reaktionen dieser Bruchstel­ len mit den in der Koronaentladung entstehenden Produk­ ten, wie z.B Ozon bei der Behandlung in Luftatmosphäre, ausgelöst. Neben diesen erwünschten, chemisch-physika­ lischen Effekten hat die Koronaentladung bei ausrei­ chend langer Einwirkzeit aber auch ausgesprochen nega­ tive, in Etappen fortschreitende Auswirkungen, wie z.B. eine mechanische Aufrauhung, einen erosiven Abtrag der Oberfläche des behandelten Substrats und im Extremfall eine Zerstörung der Dielektrikumsschicht der Walzen­ elektrode zur Folge.

Insbesondere sind die Bereiche der Dielektrikumsschicht der Walzenelektrode gefährdet, die im praktischen Be­ trieb bei Einsatz unterschiedlich breiter Rollenware nicht durch das zu behandelnde Substrat abgedeckt wer­ den. Aber auch unter dem Substrat liegende Bereiche der Walzenoberfläche sind nicht von der auf Dauer zerstö­ rerischen Koronaentladung geschützt, wenn sich, wo­ durch auch immer bedingt, zwischen Walze und Folienbahn ein ionisierbarer Luftfilm befindet, der die Ursache für den unerwünschten "Rückseiteneffekt" darstellt.

Die Standzeit der dielektrischen Walzenbeschichtung hängt selbstverständlich von der Koronabeständigkeit des eingesetzten Werkstoffes ab.

Im Falle der in der DE-OS 27 53 750 beschriebenen Wal­ zenkonstruktion, die auf einem Rohrkörper aus glasfa­ serverstärkten Kunstharzen basiert, ist die Lebensdauer des Systems durch Freilegung des Verstärkungsgewebes limitiert. Die Rohrkörper der beschriebenen Walzenelek­ troden bestehen beispielsweise aus glasfaserverstärkten Epoxid- oder Silikonharzen, Polyestern, Polycarbonaten, Glas oder phenol- bzw. melaminharzgetränkten Papieren.

In der Zeitschrift "Papier und Kunststoffverarbeiter", 1984, Heft 10, S. 50/52, wird in diesem Zusammenhang auf die Überlackierung der Walzenelektroden mit dünnen Silikonschichten als Schutzüberzug gegen die Koronaent­ ladungsabrasion verwiesen. Wie die Praxis jedoch zeigt, reicht dieser Schutzüberzug in Anbetracht der ständig gesteigerten Energiedichte in den Koronavorbehandlungs­ systemen vielfach nicht mehr aus. Da glasfaserverstärk­ te Koronawalzen eine Reihe verfahrenstechnischer Vor­ teile bei der Herstellung besitzen und zudem kosten­ günstig produziert werden können, stellt die Anpassung ihrer Eigenschaften an die höheren Anforderungen ein durchaus lohnendes Ziel dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, für den produktionsmäßi­ gen Einsatz der eingangs beschriebenen Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen die Standzeiten der Walzenelektrode der Vorrichtung gegen die Erosions­ wirkung der engergiereichen Koronaentladung erheblich zu steigern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Walzenelektrode eine Silikonlackschicht aufweist, die als Füllstoff eine elektrisch nicht leitfähige, ge­ genüber der Koronaentladung beständige Substanz ent­ hält.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Vorrichtung wird im folgenden anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung im Schnitt, mit einer ersten Ausführungsform der Walzenelek­ trode,

und

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß Fig. 1, mit einer zweiten Ausführungsform der Walzenelektrode.

Eine Folienbahn 10 ist über eine Walzenelektrode 1 ge­ führt, oberhalb der eine Gegenelektrode 2 angeordnet ist. Die Gegenelektrode 2 besteht beispielsweise aus Spitzenelektroden in Form von Kämmen, Zähnen, Messern, kann aber auch aus dünnen Drähten gebildet sein. Die Walzenelektrode nach Fig. 1 besteht aus einer elek­ trisch leitfähigen Trägerwalze mit einer Dielektri­ kumsschicht 5, einer füllstoffhaltigen Silikonlack­ schicht 6 und einer Finishschicht 7 aus einem Silikon­ lack. Die Trägerwalze ist bei der ersten Ausführungs­ form eine Stahlwalze 4 und bei der zweiten Ausführungs­ form z.B. ein glasfaserverstärktes Rohr 8 aus Kunst­ stofflaminat, mit eingeschlossener Drahtwendel 9, das durch Filamentwicklung der mit einem Bindemittel, wie Epoxidharzen, getränkten Glasfasern um einen Dorn her­ gestellt wird. Die auf der Stahlwalze 4 aus Vollmateri­ al aufgebrachte Dielektrikumsschicht 5 nach Fig. 1 besteht aus dem mit Glasfasern verstärktem Epoxidharz, auf dem die mit Füllstoff versetzte Silikonlackschicht 6 aufgetragen ist. Der Füllstoff ist elektrisch nicht leitfähig und gegenüber einer Koronaentladung bestän­ dig. Die Finishschicht 7 ist ein Silikonlack ohne die­ sen Füllstoff.

Die zweite Ausführungsform der Walzenelektrode 1 nach Fig. 2 umfaßt ein glasfaserverstärktes Rohr 8 aus Epoxidharz, mit eingewickelter Drahtwendel 9, die füll­ stoffhaltige Silikonlackschicht 6 und die Finishschicht 7 aus füllstofffreiem Silikonlack.

Ein Wechselspannungsgenerator 3 ist mit der Gegenelek­ trode 2 und der Trägerwalze verbunden und legt eine ausreichend hohe Wechselspannung von mittlerer oder ho­ her Frequenz an die Vorrichtung an, so daß sich zwi­ schen der Gegenelektrode 2 und der Folienbahn 10 eine Koronaentladung ausbildet und die Luft im Luftspalt zwischen den Spitzenelektroden der Gegenelektrode und der Folienbahn ionisiert. Dadurch werden dann die elek­ trischen Ladungen auf die Folienbahnoberfläche aufge­ bracht, auf der chemisch reaktionsfähige Gruppen des Folienbahnmaterials gebildet werden, die die Aufnahme von Druckfarben und/oder Beschichtungsmaterialien ver­ bessern.

Die Lackpräparation besteht primär aus einem hydroxyl­ gruppenhaltigen Methylphenylsilikonharz, das in Form ei­ ner Lösung vorliegt. Als Lösungsmittel kommen aromatische Lösungsmittel, wie etwa Benzol, Xylol und Toluol, in Fra­ ge, Obwohl die Konzentration der Lösung nicht kritisch ist, hat es sich jedoch herauskristallisiert, Lösungen mit Silikonharzgehalten im Bereich von 40 bis 80 Gew.-% zu verwenden.

Das hydroxylgruppenhaltige Methylphenylsilikonharz liegt in vorkondensierter Form vor, wobei die Molmasse des vorkondensierten hydroxylgruppenhaltigen Methylphenyl­ silikonharzes zwischen 500 und 2000 g/mol, bevorzugt zwischen 750 und 1300 g/mol, liegt.

Bei dem vorkondensierten Methylphenylsilikonharz wei­ sen 30 bis 50% der Si-Atome eine vernetzungsfähige Hydroxylgruppe auf. Das Verhältnis von Phenylsubstitu­ enten zu Methylsubstituenten liegt zwischen 1,2 und 2, insbesondere zwischen 1,4 und 1,8. Ist das Molverhält­ nis <2, so ist die ausgehärtete Beschichtung zu weich und kratzempfindlich. Bei Molverhältnissen <1,2, ist die Temperaturbeständigkeit der Beschichtung zu gering.

Zur Aushärtung der vorkondensierten Methylphenylsili­ konharze werden Härtungskatalysatoren auf Basis von Schwermetallcarboxylaten eingesetzt. Geeignete Härtungs­ katalysatoren sind beispielsweise Dibutylzinndiacetat, Zinnoctoat, Zinkoctoat und Dibutylzinndilaurat.

Die Zusammensetzung der vorkondensierten hydroxylgrup­ penhaltigen Methylphenylsilikonharze wird mit Hilfe der Kernspinresonanz von ²⁹Si charakterisiert.

Zwecks Verbesserung der Koronabeständigkeit der vorge­ nannten Silikonlackrezeptur werden elektrisch nicht leitende Füllstoffe, wie z.B. Glas- oder Keramikpulver, Bariumoxid- und insbesondere Aluminiumoxidpulver, zu­ gemischt. Die Zusatzmenge der vorgenannten Additive richtet sich im wesentlichen nach der Viskosität des Lackes, die noch eine einwandfreie Verarbeitung mit herkömmlichen Auftragsmethoden gewährleisten muß. Im Falle von Aluminiumoxidpulver können problemlos bis zu 80 Gew.-% des Füllstoffes in die Silikonlösung eingear­ beitet werden. Die Lackrezeptur läßt sich problemlos mittels einer Rakel in unterschiedlichen Schichtstärken auf den Walzenkörper auftragen.

Die Aushärtung der Lackschicht kann nach einer kurzen Ablüftungsphase bei Temperaturen bis 250°C in einer Wärmekammer vorgenommen werden. Bei niedrigeren Tempe­ raturen verändert sich zwangsläufig nur die Härtungs­ zeit. Unter Berücksichtigung der thermischen Eigen­ schaften des zur Fertigung des Walzenkörpers benutzten Kunstharzes stellt sich eine Härtungstemperatur von maximal 120°C und eine daraus resultierende Härtungs­ zeit von etwa 2 Stunden als ausreichend heraus.

Nach Aushärtung der Lackschicht empfiehlt es sich, den Walzenkörper oberflächlich durch Überschleifen zu glätten. Einem Einsatz eines derart präparierten Wal­ zenkörpers als Walzenelektrode in einer Koronaentla­ dungsvorrichtung steht dann prinzipiell nichts mehr im Wege.

Es hat sich aber als zweckmäßig herausgestellt, den Walzenkörper mit einer abschließenden, dünnen Finish­ schicht zwecks Erzielung einer sehr glatten, glänzen­ den, schmutzabweisenden Oberfläche auszurüsten. Hierzu wird der Silikonlack in seiner Originalrezeptur, d.h. ohne zusätzliche Füllstoffe, verwendet. Für diesen Vor­ gang gelten bezüglich Härtungstemperatur und -zeit die­ selben Bedingungen wie für den modifizierten Lack.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß die Walzenkörper bei ihrem Einsatz als Walzenelektroden in Koronaentladungsvorrichtungen gegenüber bekannten Wal­ zenelektroden mit einem Silikonüberzug deutlich längere Standzeiten haben die beispielsweise um einen Faktor 3 bis 5 erhöht sind.

Beispiel

Ein vorkondensiertes, hydroxylgruppenhaltiges Methyl­ phenylsilikonharz in Form einer 50-%igen Lösung in Toluol wird als Dielektrikumsschicht aufbereitet. Die Molmasse des Harzes beträgt 1000 g/mol. Das Molverhält­ nis von Phenylgruppen zu Methylgruppen beträgt 1,4, wo­ bei, bezogen auf 100 Si-Atome, 40 vernetzungsfähige Hydroxylgruppen, 77 Phenylgruppen und 55 Methylgruppen vorliegen.

Als Härtungskatalysator werden der Lösung 0,5 Gew.-% Zinkoctoat, bezogen auf das Silikonharz, zugesetzt.

Dem Silikonharz/Härter-System werden, bezogen auf das Silikonharz, 80 Gew.-% eines Aluminiumoxidpulvers mit einer Korngrößenverteilung von 22 bis 45 µm zugegeben.

Die Aushärtung der Beschichtung erfolgt bei 120°C. Die Aushärtungszeit beträgt dabei 2 Stunden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folien­ bahnen mittels elektrischer Koronaentladung, bestehend aus einer Gegenelektrode und einer Walzenelektrode aus einer elektrisch leitfähigen Trägerwalze und einer da­ rauf aufgebrachten, nicht leitfähigen Schicht, mit ei­ nem Wechselstromgenerator, der mit der Gegen- und Wal­ zenelektrode verbunden ist, um eine mittel- bis hoch­ frequente Wechselspannung an die Gegenelektrode anzu­ legen, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzenelektrode (1) eine Silikonlackschicht (6) aufweist, die als Füll­ stoff eine elektrisch nicht leitfähige, gegenüber der Koronaentladung beständige Substanz enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß elektrisch nicht leitende Füllstoffe zur Modi­ fizierung des Silikonlackes Glaspulver, Keramikpulver, Aluminiumoxidpulver, Bariumoxidpulver in Konzentrations­ bereichen zwischen 5 und 80%, insbesondere zwischen 10 und 50%, sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des mit Füllstoff modifizierten Silikonlackes 0,1 bis 1 mm, insbesondere 0,5 mm, beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Silikonlack ein vorkondensiertes, hydrox­ ylgruppenhaltiges Methylphenylsilikonharz in Kombina­ tion mit Schwermetallcarboxylaten als Härtungskatalysa­ tor ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das hydroxylgruppenhaltige Methylphenylsilikon­ harz als Lösung in aromatischen Lösungsmitteln mit Si­ likonharzgehalten von 40 bis 80 Gew.-% vorliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Molmasse des vorkondensierten hydroxylgrup­ penhaltigen Methylphenylsilikonharzes zwischen 500 und 2000 g/mol, insbesondere zwischen 750 und 1300 g/mol, liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß 30 bis 50% der Si-Atome des vorkondensierten Methylphenylsilikonharzes eine vernetzungsfähige Hy­ droxylgruppe aufweisen und daß das Verhältnis von Phe­ nyl- zu Methylsubstituenten 1,2 bis 2, insbesondere 1,4 bis 1,8, beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß Härtungskatalysatoren für die Silikonlacke Dibutylzinndiacetat, Zinnoctoat, Zinkoctoat und Di­ butylzinndilaurat sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Silikonlackschicht (6) der Walzenelektrode (1) neben reaktionsvernetzenden auch wärmevernetzende oder strahlungsvernetzende Silikonlacke enthält.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Silikonlackschicht (6) eine Finishschicht (7) aus füllstofffreiem Silikonlack aufge­ bracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerwalze eine Stahlwalze (4) aus Vollma­ terial ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerwalze ein glasfaserverstärktes Rohr (8) aus Epoxidharz mit eingewickelter Drahtwendel (9) ist.