DE3641169A1 - Walzenelektrode und vorrichtung zur oberflaechenvorbehandlung von folienbahnen mittels elektrischer koronaentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Walzenelektrode und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen mittels einer elektrischen Koronaentladung, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Trägerwalze und zumin­ dest einer darauf aufgebrachten dielektrischen Schicht.

Auf dem Gebiet der Veredelung von Kunststoffolien und der Verbundfolien zählt die Oberflächenbehandlung mit­ tels elektrischer Koronaentladung zur Bedruckbarmachung bzw. Steigerung der Verbundfestigkeit von mehreren Schichten zum Stand der Technik. Hierbei wird die zu behandelnde Kunststoffolie bzw. der zu behandelnde Film über eine elektrisch geerdete Stützfläche, üblicherweise eine Walze, geführt und die der Stützfläche abgewandte Seite des Films einer elektrischen Koronaentladung aus­ gesetzt, die durch das Anlegen eines hochfrequenten Wechselstromes hoher Spannung an eine im Abstand zur Stützfläche angeordnete Elektrode erzeugt wird. Im we­ sentlichen unterscheiden sich die nach diesem Grund­ prinzip arbeitenden, bekannten Vorrichtungen mehr oder weniger nur in der Ausgestaltung und den Materialien der als Gegenelektrode dienenden Stützfläche, wie z.B. einer einzelnen Zentralwalze mit peripher angeordneten Elektroden gegenüber mehreren Elektrodenwalzen mit zu­ gehörigen Elektroden, der zur Isolierung der Gegenelek­ trode verwendeten dielektrischen Materialien, der kon­ struktiven Gestaltung der benutzten Elektrode sowie der Bauart des jeweiligen Generators.

Bezüglich des Aufbaus der Walzenelektrode haben sich als einfachste und damit bevorzugte Ausführung metalli­ sche Trägerwalzen aus vollem Material, insbesondere solche aus Stahl oder Aluminium, mit darauf aufgebrach­ ten Schichten aus Isolationswerkstoffen, wie z.B. Glas, Keramik, Email, Gummi, oder glasfaserverstärkten Kunststoffen, durchgesetzt. Die Nachteile dieses Kon­ struktionsprinzips bestehen einerseits darin, daß in­ folge der Bereitstellung teurer Stahlwalzen die Anla­ gekosten sich erheblich erhöhen und andererseits durch Gewichtsprobleme, speziell bei Großanlagen, technische Schwierigkeiten bei der Lagerung, Durchbiegung, dem Rundlauf und dem Antrieb der Walzen auftreten. Zur Überwindung dieser Probleme werden in den EP-PS 00 02 453 und EP-PS 00 86 977 Koronavorrichtungen be­ schrieben, die hohle Walzenkörper in Form faserver­ stärkter Kunstharzrohre verwenden. Diese faserverstärk­ ten Rohrkörper erfüllen, bei einem Bruchteil des Ge­ wichts von Stahlwalzen, nicht nur die gestellten me­ chanischen Anforderungen, sondern durch die eingelager­ te Drahtwicklung in der Kunstharzmatrix selbstverständ­ lich auch die Elektrodenfunktion. Die Fertigung dieser glasfaserverstärkten Walzenköper wird voll beherrscht, es zeigt sich jedoch, daß beim Einlagern eines Draht­ wickels oder einer Drahtwendel in die Kunststoffmatrix, um diese elektrisch leitfähig zu machen, die interlami­ nare Scherfestigkeit, das ist die Hafteigenschaft zwi­ schen der Kunststoffmatrix und dem Metalldraht, zu wünschen übrig läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs beschriebene Walzenelektrode so zu verbessern, daß der Verbundkörper aus Kunststoffmatrix und eingelagertem Elektrodenmate­ rial nach einem Wickelverfahren zu einer Walzenelektro­ de ohne fertigungstechnische Schwierigkeiten verarbei­ tet werden kann und daß die Hafteigenschaften des in der Kunststoffmatrix eingelagerten Elektrodenmaterials und somit die interlaminare Scherfestigkeit verstärkt und die mechanische Festigkeit des Verbundkörpers aus Kunststoffmatrix und eingelagertem Elektrodenmaterial erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Walzenelektrode als Verbundkörper aus zumindest ei­ ner elektrisch leitenden Schicht aus faserverstärkten Kunstharzen, deren Fasern elektrisch leitend sind, und aus zumindest einer faserverstärkten, aus Kunstharzen bestehenden Isolierschicht aufgebaut ist, die auf die leitfähige Schicht aufgebracht ist.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Fasern der elek­ trisch leitenden Schicht Kohlenstoffasern. Ferner kön­ nen die Fasern der elektrisch leitenden Schicht durch Metallisierung elektrisch leitfähige Glas-, Aramid­ oder Kohlenstoffasern sein. Zweckmäßigerweise sind in die Isolierschicht Glasfasern eingelagert. Ferner ist die elektrisch leitende Schicht zwischen zwei Isolier­ schichten eingebettet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Walzen­ elektrode als mehrschichtiger Verbundkörper aus sich abwechselnden dielektrischen Isolierschichten und elek­ trisch leitenden Schichten gleicher oder unterschiedli­ cher Dicke nach einem Wickelverfahren aufgebaut. Die Kunstharze für die elektrisch leitenden Schichten und die Isolierschichten sind bevorzugt ungesättigte Poly­ ester-, Epoxid-, Polyimid- oder Silikonharze.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 8 bis 11.

Das Metallisieren von verschiedenen Fasern mit Hilfe eines stromlosen oder chemogalvanischen Verfahrens ist bekannt, wobei durch diese Verfahren ein metallischer Überzug aus Nickel, Kobalt, Legierungen dieser Metalle untereinander, auch mit Eisen, z.B. Nickel-Eisen, auf die Fasern aufgebracht wird. Auch Gold, Silber, Kupfer und andere chemisch abscheidbare Metalle können nach entsprechender Aktivierung auf der Oberfläche von Kunststoffasern oder deren Halbfabrikaten oder textilen Flächengebilden chemisch abgeschieden werden. Diese Metallisierung elektrischer Nichtleiter, aber auch von leitenden Kohlenstoffasern, kann nach verschiedenen, im Stand der Technik bekannten Methoden vorgenommen wer­ den, wobei diese Metallisierung nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Die Faseroberfläche wird im allgemeinen bei diesen Methoden mit Schwermetallkataly­ satoren aktiviert, und nach der Aktivierung wird das Fasermaterial in eine Metallsalzlösung gegeben und mit­ tels eines chemischen Reduktionsmittels das elementare Metall in möglichst reiner Form auf der Faseroberfläche niedergeschlagen (DE-OS 27 43 768).

Nach dem Schritt der Metallisierung lassen sich die Elektrodenmaterialien mit den in der Fertigung von Ver­ bundwerkstoffen eingeführten Maschinen und Herstellungs­ verfahren, wie z.B. der Filament-winding-Technologie, problemlos verarbeiten. Neben diesem Vorteil resultiert aus der Einarbeitung hochfester Fasern, die beispiels­ weise mit demselben Kunstharz imprägniert werden, das zur Herstellung der Kunststoffmatrix des Basiswalzen­ körpers benutzt wird, ein homogenerer Verbundaufbau des fertigen Walzenkörpers, der erhöhte mechanische Festig­ keitseigenschaften aufweist, die denen von Metallen vergleichbar sind. Dabei wirken sich die auf den Fasern abgeschiedenen Metallschichten haftvermittelnd auf das System Faser/Harzkomponente aus, was zur Steigerung der interlaminaren Scherfestigkeit und letztendlich zu ver­ besserter Verbundfestigkeit des Formkörpers führt.

Die bekannten Wickelverfahren ermöglichen auch die Ein­ lagerung einer vollflächig geschlossenen Elektroden­ schicht in die Kunstharzmatrix. Derartige Bemühungen, z.B. eine vollflächig leitfähige Schicht durch Zwischen­ wickeln von Metallbandagen, beispielsweise aus Alumi­ niumfolie, auszuformen, scheiterten bisher daran, daß die Metallfolie als eine die Verbundfestigkeit stören­ de Trennschicht gegenüber den inneren und äußeren Wickellagen des glasfaserverstärkten Walzenkörpers wirkte. Die Imprägnierung der für den Aufbau der Elek­ trodenschicht vorgesehen metallisierten Faserrovings mit dem Matrixharz überwindet diesen Nachteil.

Die erfindungsgemäße Walzenelektrode wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch im Schnitt eine erste und zweite Ausführungsform einer Korona­ vorrichtung mit einer Walzenelektrode als Gegenelektrode,

Fig. 3, 4 und 5 in perspektivischer Darstellung ver­ schiedene Elektrodenformen, die in der Kunststoffmatrix der Walzenelektrode eingelagert sind.

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung zur Koronavorbe­ handlung von Folienbahnen aus einer erfindungsgemäßen Walzenelektrode 1, oberhalb von der eine metallische Entladungselektrode 2 angeordnet ist, die mit einem Hochspannungsgenerator 3 in Verbindung steht. Durch Be­ aufschlagung der Entladungselektrode 2 mit einem hoch­ frequenten Wechselstrom mittlerer bis hoher Spannung wird der Luftspalt zwischen der Walzenelektrode 1 und der Entladungselektrode 2 ionisiert, und es bildet sich eine Koronaentladung aus. Eine über die Walzenelektrode 1 geführte Folienbahn 7 erfährt beim Passieren der Ent­ ladungszone entsprechende physikalisch-chemische Verän­ derungen auf ihrer Oberfläche, die ihre Bedruckbarkeit bzw. Verbundfestigkeit mit Schichtmaterialien steigern.

Die in Fig. 1 dargestellte Walzenelektrode 1 besteht aus einer inneren, elektrisch leitfähigen, vollflächi­ gen Schicht 4 als Elektrodenschicht, einer darüber lie­ genden Isolierschicht 5 aus glasfaserverstärktem Mate­ rial sowie einer äußeren Schutzschicht 6 auf Basis eines Silikonlackes. Zur Bildung der elektrisch leitfä­ higen Elektrodenschicht 4 eignen sich metallisierte Glas-, Aramid- oder Kohlenstoffasern, die in eine Ma­ trix aus Epoxid-, Silikon-, ungesättigten Polyester­ oder Polyimidharzen eingelagert sind. Im Falle von Koh­ lenstoffasern kann, in Anbetracht der ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit des Materials, fallweise auch auf die Metallisierung verzichtet werden. Erfah­ rungsgemäß erfüllen metallische Schichtdicken kleiner als 1 mm, bevorzugterweise um 0,5 mm, voll die Anforde­ rungen an die elektrische Leitfähigkeit der metalli­ sierten Fasern.

Bei der Isolierschicht 5 handelt es sich um eine etwa 2,5 bis 3,5 mm dicke Lage aus Glasfasern, die vergleich­ bar der Elektrodenschicht 4 in eine Matrix aus Epoxid-, Silikon-, ungesättigten Polyester- oder Polyimidharzen eingelagert sind.

Die nur einige wenige µm betragende Schutzschicht 6 auf Basis eines Silikonlackes verhindert die Abrasion und somit die Zerstörung der Isolierschicht 5 durch die Koronaentladung.

Im Vergleich zur Fig. 1 unterscheidet sich die Ausfüh­ rungsform der Walzenelektrode 1 nach Fig. 2 dadurch, daß die Elektrodenschicht 4 zwischen zwei Isolierschich­ ten 5, einer inneren Trägerschicht und einer äußeren dielektrischen Schicht eingebettet ist. Diese Ausfüh­ rungsform läßt verschiedene Ausgestaltungen der Elek­ trodenschicht 4 zu, wie sie anhand der Fig. 3, 4 und 5 noch erläutert werden. Dabei erfüllt die innere Iso­ lierschicht 5 ausschließlich die Trägerfunktion für die Elektrodenschicht 4. Ein Vorzug dieser Walzenkonstruk­ tion liegt darin, daß die aus teurem Werkstoff geformte Elektrodenschicht 4 unter Vernachlässigung ihrer mecha­ nischen Festigkeitseigenschaften nur so dünn gewickelt werden muß, wie es die elektische Anforderung notwendig macht, während die innere Trägerschicht generell nur nach Festigkeitskriterien ausgelegt wird. Da die Harz­ komponenten sowohl der beiden Isolierschichten 5, 5 als auch der Elektrodenschicht 4 identisch sind, gibt es hinsichtlich der interlaminaren Verbundhaftung zwi­ schen den Einzelschichten keine Schwierigkeiten.

Aufgrund der vorstehend erläuterten Zusammenhänge ist durch ein Wickelverfahren auch der Aufbau einer viel­ schichtigen Walze, bestehend aus alternierenden elek­ trisch leitfähigen und isolierenden Schichten, die gleiche oder unterschiedliche Dicken haben, in Gestalt und Wirkungsweise eines elektrischen Kondensators mög­ lich. Über die jeweiligen Schichtdicken der einzelnen Schichten läßt sich die Kapazität eines derartigen Wal­ zenkörpers beliebig einstellen.

In Fig. 3 ist die elektrisch leitende Schicht 4 als Rohr ausgebildet, das eine achsparallel ausgerichtete Faseranordnung 10 in der Kunstharzmatrix aufweist. Die elektrisch leitende Schicht 4 bildet dabei eine homo­ gene geschlossene Schicht in Rohrform, die auf jeder Seite von einer Isolierschicht 5 eingeschlossen ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Fasern als eine ein- oder mehrgängige Helix 8 in der elek­ trisch leitenden Schicht 4 eingebettet, die, wie bei Fig. 3, als homogenes geschlossenes Rohr ausgebildet ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der elektrisch leitenden Schicht 4, bei der die Fasern ein Netzwerk 9 in der Kunstharzmatrix der leitenden Schicht 4 bilden, die als homogenes geschlossenes Rohr geformt ist.

Es ist selbstverständlich, daß die metallisierten Fa­ sern bzw. die Kohlenstoffasern ohne Metallisierung in der elektrisch leitenden Schicht 4, sowie Halbfabrikate oder Flächengebilde dieser Fasern in jeglicher Gestalt als Gelege, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Vliese oder in sonstiger Form in die Kunstharzmatrix eingebunden sein können. Die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Aus­ führungsformen sind exemplarisch für die Vielzahl von möglichen Faseranordnungen in der Kunstharzmatrix.

Die Vorteile im Hinblick auf die Verbesserung der Ver­ bundhaftung der metallisierten Faseranordnungen treffen sowohl auf die Elektrodenkonfigurationen gemäß den Fi­ guren 3, 4 und 5 als auch auf die nicht dargestellten sonstigen Fasergebewebe und -gewirke zu, da diesen ge­ meinsam ist, daß sie keine homogene "Trennschicht" auf­ weisen. Ein weiterer Vorteil der in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten Elektrodenformen besteht darin, daß derartig aufgebaute Walzenkörper, in Anlehnung an die in der EP-PS 00 86 977 beschriebene Koronavorrichtung mit Bohrungen perforiert und damit in Vakuumwalzen ein­ gesetzt werden können.

Claims (11)

1. Walzenelektrode zur Oberflächenbehandlung von Folienbahnen mittels einer elektrischen Koronaentla­ dung, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Trä­ gerwalze und zumindest einer darauf aufgebrachten di­ elektrischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzenelektrode (1) als Verbundkörper aus zumindest einer elektrisch leitenden Schicht (4) aus faserver­ stärkten Kunstharzen, deren Fasern elektrisch leitend sind und aus zumindest einer faserverstärkten, aus Kunstharzen bestehenden Isolierschicht (5) aufgebaut ist, die auf die leitfähige Schicht (4) aufgebracht ist.

2. Walzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern der elektrisch leitenden Schicht (4) Kohlenstoffasern sind.

3. Walzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern der elektrisch leitenden Schicht (4) durch Metallisierung elektrisch leitfähige Glas-, Aramid- oder Kohlenstoffasern sind.

4. Walzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Isolierschicht (5) Glasfasern eingelagert sind.

5. Walzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (4) zwi­ schen zwei Isolierschichten (5, 5) eingebettet ist.

6. Walzenelektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Walzenelektrode (1) als mehrschichtiger Verbundkörper aus sich abwechselnden dielektrischen Isolierschichten (5) und elektrisch leitenden Schichten (4) gleicher oder unterschiedlicher Dicke nach einem Wickelverfahren aufgebaut ist.

7. Walzenelektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kunstharze für die elek­ trisch leitenden Schichten (4) und die Isolierschich­ ten (5) ungesättigte Polyester-, Epoxid-, Polyimid­ oder Silikonharze sind.

8. Walzenelektrode nach den Ansprüchen 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Wal­ zenelektrode (1) zum Schutz gegen die Abrasion durch eine Koronaentladung eine Schicht (6) auf der Basis von Silikonharzen aufgetragen ist.

9. Walzenelektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fasern der elektrisch leitenden Schicht (4), deren Halbfabrikate oder Flä­ chengebilde aus den Fasern in Gestalt von Gelegen, Ge­ weben, Gestricken, Gewirken, Vliesen in die Kunstharz­ matrix eingebunden sind.

10. Walzenelektrode nach den Ansprüchen 3 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (4) als Rohr ausgebildet ist und, als homogen geschlossene Schicht, eine ein- oder mehrgängige Helix (8), ein Netzwerk (9) oder achsparallel ausgerichtete Fasernanordnung (7) in der Kunstharzmatrix aufweist.

11. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Folien­ bahnen mittels einer elektrischen Koronaentladung, be­ stehend aus einer von einem Generator mit hochfrequen­ ter Wechselspannung beaufschlagten Elektrode und einer geerdeten Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einer Walzenelektrode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 besteht.