DE3522315A1

DE3522315A1 - Verfahren zur aktivierung der oberflaechen von polyolefin-laminaten, polytetrafluoraethylen, karton und metallfolien wie aluminium und weissblech

Info

Publication number: DE3522315A1
Application number: DE19853522315
Authority: DE
Inventors: Giulio Terni Lori
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1986-01-02
Also published as: IT8466706A0; IT1229054B; US4622237A

Description

GIULIO LORI, TERNI, ITALIEN

P^tl_£r «*"*"«*« -η Polyolefin-.aminaten,

Polytetrafluorathtylen, Karton und Metallfolien „le Aluminium und

Weissblech

Bekanntlich sind unter den Umformungsverfahren, denen die Kunststoff-Folien in den verschiedenen Anwendungen unterzogen werden, die wichtigsten das Pressen, Lackieren oder Extrusionsbeschichten und das Laminieren, d.h.Verbinden mit anderen flexiblen Folien

.* - (wie Papier, Karton, Aluminium oder andere Folien) durch Kleber.

j ■ Alle diese Fälle erfordern eine grosse Haftfestigkeit zwischen

der Folie und der damit zu verbindenden Schicht. In manchen Fällen wird hierfür ein mechanisches Kittel zuhilfe genommen, meistens geht es jedoch um ein chemisch-physikalisches Haften infolge der intermolekularen Anziehung der beiden Materialien.

Ohne auf die umfassenden Haftvorgänge im Einzelnen einzugehen, soll nur daran erinnert werden, dass man zur Verbesserung der Haftkraft zwischen einem festen und einem flüssigen Stoff die Oberfläche des festen bereiten muss, indem man dessen Kcr.tariinatoren vereint und die Oberflächenenergie verstärkt.

Die heute angewandten Verfahren zu solcher Verstärkung sine:

- chemische Behandlungen (nicht sehr üblich) bestehend in

BAD ORIGINAL

Eintauchen der zu Leh .uulelnden Stoffe in Flüssigkeiten, die die Cbiirfliiche o::y;^! leren oder eine r.dkrüskopischc: Rauheit

hervorrufen;
• physikalische Behandlungen, davon die zwei wichtigsten:

Sprühentladung und Behandlung mit der Flamme.

Bei der Sprühentladungsbehandlung wird die betreffende Oberfläche durch den Raum (air gap) zwischen der mit Strom von Radiofrequenz mittlerer Spannung beschickten Elektrode und der Trägerwalze, auch Behandlungswalze, geführt; die Walze ist elektrisch geerdet und mit einer Isolierung verkleidet.

In diesem LuftZwischenraum entwickelt sich eine Folge von Sprühentladungen, die die Oberflächenbehandlung bestimmen.

Es erfolgt eine Ionisierung der Luftmolekttle, die sich bis

zum sogenannten dielektrischen Bruch der Luft steigert. **

Die kinetische Energie der Ionen verwandelt sich in Wärmeenergie, die den Luftzwischenraum, das zu behandelnde Material und die isolierende Verkleidung der Walze erhitzt. Insbesondere verkürzt die Wärmeeinwirkung die Lebensdauer der Isolierungsverkleidung, die vielerlei Anforderungen befriedigen muss, was bei ein und demselben Material nicht immer zutrifft; tatsächlich muss dieses kompakt und frei sein von Innenhohlräumen, um beim Sprüheffekt nicht nachzugeben; es muss eine hohe dielektrische Starrheit besitzen, um nicht leicht durchzuschlagen, grosses ^T..*idorstandsver,T.{igen gegenüber Ozon, um keine;.: ::c-it liehen Verfall zu unterliegen, s^vie

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geringe dielektrische Verluste haben, uv. sich nicht übcrmässig zu erhitzen.

Bei der Sprtihentladung ergibt sich oft eine umgekehrte Behandlung (reverse side treatment), wenn die zu behandelnde Oberfläche nicht einwandfrei auf der Trägerwalze anliegt wegen Vorhandenseins von Falten und Fältchen, nicht einwandfreien Spannens, Rauheit des Dielektrikums usw.; in solchen Fällen tritt die Wirkung - oft unerwtinschterweise - auch an der umgekehrten zu der Behandlungsseite auf.Trotzdem wird die Sprühentladung gern angewandt, besonders auf Anlagen massiger Breiten und Betriebsgeschwindigkeiten, da kleinere Leistungen im Spiel sind.

Jedoch sollte die bei diesem Verfahren die cerr. i'ieciener gebotene Vorsicht nicht unterschätzt werden angesichts cer Probleme wegen Beseitigung sowohl der starken K-.rrcsici'iEvirl-rx:^ dei Ozons als der Strahlung von I<adio£ro;uen"rn, .-.'.::;<.: Ce:\ einfachsten Grundsätzen des Umweltschutzes zuwiderzuhandeln. Bei dem Verfahren mit Flamme - Patent Kr.1C336Ci vom 1C.

August 1979 - wird die zu behandelnde Oberfläche von der oxydierenden Zone der Flamme bestrichen, die aus Verbrennung einer von geeignetem Generator gelieferten Luft/Kohlenwasserstoffgas-Mischung entsteht. Die Flamme erreicht in der oxydierender. Zone eine Temperatur von etva 16CC°C. Da sich herausjosteilt hat, dass diese Temperatur zur Behandlung einiger unp^larischer Kunststoffe wie Polytetrafluoräthylen nicht ausreicht, da diese weit geringere Oberflächenenergien besitzen als die

BAD ORlGiN¹AL

handelsüblichen Farben und/oder Kleber, hat man ein Flammenbehandlungsverfahren entwickelt und ausgearbeitet, das diese Begrenzung tiberwinden soll. Die Behandlung bewirkt, besonders bei thermoplastischer Folie, einen Pyrolysevorgang in einer 5CC-ICCO A tiefen Schicht; die Stoffe höheren Molekulargewichts auf der flammenbehandelten Oberfläche zersetzen sich vor der Verdampfung.

Zersetzung ist ein endothermer Vorgang, bei dem die hohen Bindungsenergien, die zwischen 200 und 400 Kj/mol schwanken, von den entsprechenden Aktivierungsenergien übertroffen werden müssen.

Die Zersetzung vollzieht sich in vielen Fällen durch vom Sauerstoff der Flamme ausgelöste Kettenreaktionen freier Radikaler.

Der oxydative Zerfall findet infolge Bildung von Hydroperoxydgruppen statt, deren Zersetzung zu Kettenverzweigungen führt, d.h. zu hechreaktiven Stoffen wie freie Radikale H und OH. Je höher die Temperatur der Flamme, desto schneller und heftiger wird der Bruch der Bindung von Oberflächenmolekülen und die Bildung hochenergetischer freier Radikale erreicht. Insbesondere wurde die Bildung freier Radikaler hoher Zncrrie während der thermischen Oxydation der Polyolefine von verschiedenen Autoren nachgewiesen.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Syster., das die

Behandlung, also Cberflächenaktivierung, ermöglicht durch:

1) eine elektrisch erregte, oxydierende Flamme

2) eine mit Sauerstoff angereicherte, oxydierende Flar^e

3) eine mit Sauerstoff angereicherte und elektrisch erregte oxydierende Flamme

4) eine elektrisch erregte, oxydierende Flamme mit Zusetzung von Spuren alkalischer und erdalkalischer Metalle

5) eine elektrisch erregte oxydierende Flamme mit Zusetzung von Wasserdampf.

Das neue System, zwar auch für Behandlung mit der Fla~:ne, beruht auf der Erregung dieser Flamme mittels Gleichstromspannung, die die Ionisierung der ordentlichen und der radikalischen Stoffe der Verbrennungskomponenten verstärkt.

Der Bruch der Molekülbindungen des zu behandelnden Katerials und die Bildung von hochenergetischen freien Radikalen virc durch eine Verstärkung der Ionisierung der Flamme begünstigt, die bekanntlich ein ausgezeichneter Elektrizitätsleiter ist.

In der Tat: sind zwei Ketallelektroden in eine Zone getaucht, die unmittelbar der Reactionszone folgt und vircl diesen Elektroden ein Spannungsunterschied angelegt, dann kann den v/armen Gasen ein schwacher elektrischer Strom entno:r,;r.^r.

v/erden.

Die Gleichung: Ξ = a A i + (a ü) i'~

BAD ORIQiNAL

a - Tilektrcdenzone

Λ = Xonstaute, die das Mass des spezifischen Widerstands

/ ~*6 —1 ) der Flamme angibt(ca. 10 ühm cm

d = Abstand zwischen den Elektroden

E = Kennkonstante der Elektroden (Ohm cm "" Amp )

i = Stromstärke

liefert das Gesetz für das elektrische Verhalten der Flamme. Das erste Glied der Gleichung bestimmt den Spannungsabfall in der Gasmasse: infolge der Kasseunterschiede zwischen Ionen und Elektronen wird der Strom zu etwa 99°i von letzteren und nur zu Y/, von den Ionen transportiert. Das quadratische Glied gibt den Spannungsabfall in Elektrodennähe wieder; der Kathode korrj.it vier grösste Teil dieses Abfalls zu. Schliesst man den Brennerkörper an den einen Pol und die von der Flamme bestrichene Walze an den andern Pol eines Gleichstromerzeugers, verhält sich die Gruppe Erenner/v/alze wie eine Diode mit hohem Eigenwiderstand.

Der in der Flamme fliessende elektrische Strom ist das Ergebnis der erfolgten Ionisierung.

Bei Urripolung der Gruppe Brenner/Walze erhält man einen anderen "ί/.ert von ionengeleitetem Strom.

Demnach verringert sich das Behandlungsniveau um mindestens zwei Einheiten (dyn/crci), während sich die Behandlung uu etwa vier Einheiten verringert, wenn man den System Spannung wegnimmt.
Zur Bestimmung der Benetzbarkeit eines Laminats oder Films

wendet man das - am meisten verbreitete - Verfahren gemäss ASTM an.

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Dieses sieht die Verwendung einer Reihe Flüssigkeiten mit bekannter Oberflächenspannung vor. Von der Flüssigkeit mit der höchsten Spannung bringt man auf die Oberfläche des Laminats oder Films einen feinen Schleier der Flüssigkeit; zerfällt dieser augenblicklich in winzige Tröpfchen, geht man zur Flüssigkeit mit geringerer Spannung Über und weiter so fort, bis man an die Flüssigkeit kommt, deren Schleier mindestens zwei Sekunden lang vollständig bleibt. Die Oberflächenspannung dieser letzten Flüssigkeit entspricht jener der Benetzbarkeit des zur Prüfung stehenden Laminats oder Films.

Eigenschaften der Flüssigkeit und Durchftihrungsweise sind in ASTK-Norm D 2578 beschrieben.

Um zum Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit der Flamme zurückzukommen: die ionisierten Atome der durch die Verbrennung erzeugten Stoffe, beschleunigt vom angelegten elektrischen Feld, treffen das Laminat mit einer Energie, die zum Brechen der C-H-Bindungen der Oberflächenmoliktile ausreicht. Bei der Aktivierung durch Zusetzen von Sauerstoff ändert sich das thermodynaiiische und das Strömungsprofil der Flamme erheblich, je nach zugesetzter Menge Sauerstoff. Die Temperatur der Flamme hängt ab von der Wärrnebilanz zv/ischen der in den Verbrennungsreaktionen erzeugten Warne und der Wärme, die an die in der Verbrennung entwickelten Komponenten (Stickstoff, Kohlensäure und Wasser) abgegeben wurde; bei der Verbrennung des betroffenen Brennstoffs in

BAD ORIQiN¹AL

der Scllrnenye Luft wird die erlangte Temperatur 16OO°C nicht übersteigen, da die 4/5 trägen Stickstoffs erwärmt v/erden müssen. Es genügt, die Zusammensetzung der Luft/Kohlenwasserstoffmischung durch einen angemessenen Zusatz von Sauerstoff zu verändern, um. die Temperatur der Flamme zu steigern. Mit einer Sauerstoffanreicherung von 5% in Volumen erreicht man eine Verstärkung der Behandlung un zwei Punkte (2 dyn/cm). Die Vermischung Luft/Sauerstoff/Kohlenwasserstoff muss gleichmässic sein, damit eine gleichförmige, konstante Flamme entsteht.

In einen Venturi-Kischer führt man mit der Luft und dem Kohlenwasserstoffgas auch den Sauerstoff ein, dosiert und reguliert entsprechend der gewünschten Anreicherung und gemessen mit einem Durchflussanzeiger. Ein eigenes Messgerät überwacht ständig den Heizwert der hergestellten Mischung und korrigiert selbsttätig die der sauerstoffangereicherten Luft zuzumischende Kohler.vasserstoffnenge zum Konstanthalten des Heizwertes der Mischung. Die Anlage umfasst ausserdem wirksame, geeignete Sicherheitsvorrichtungen in Übereinstimmung mit den einschlägigen gesetzlichen Vorschriften, sowie gemäss den bewährten technischen liegeIn, die im Bereich der industriellen Verbrennung gebräuchlich sind.

Auch Zusätze anderer Substanzen zur Gasmischung vor der Verbrennung verändern die Oberflächenbehandlung der Kunststofflaminate oder -Folien erheblich. Versuche mit verschiedenen Materialien haben die Neigung zu besseren Ergebnissen gegenüber den mit

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normaler Flamme erreichten jedesmal bestätigt. Wasserdampf, in der Kenge von $% des Gewichts in die Mischung eingeblasen, verstärkt die Behandlung un zwei Fur.kuc·; Ji¹UiSt nnzen wie alkalische und erdalkolischr· Ketill'.: bewirken n. ch deutlichere Verstärkung.

Einige Teile/Million alkalische Letalie bringen eine Intensivierung der Behandlung um zwei Funkte; r.iit elektrisch erregter, durch die Verwendung von Kaliumchlorid (spurenweise in die Flamme transportiert) leitfähiger gemachter Flame betrügt die Intensivierung fünf Punkte.

Die genannten Beispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein.

Da die mit verschiedenen Techniken und Verfahren erzeugten Flammen unwiderruflich führen zu

- höheren Temperaturen, dementsprechend zu besseren Värrneübertragungswerten gegenüber der normalen Flamme;

- Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Gase;

- gesteigerter Wirkung der ionisierten Stoffe

kann gefolgert werden, dass sich die Behandlungswirksar.keit einer Flamme nach ihrem Wärmeinhalt, also nach ihrer Temperatur richtet.

Das Verfahren ist besonders geeignet zur Behandlung von Teflon (PTFE), Polypropylen- und Polyäthylen-Schaumstoffplatten, gewellten und geflochtenen (woven) Platten, koextrudierten Folien, Karton, Aluminium und Weissblech.

BAD OR-CMNAL

Claims

Ansprüche

1) . Verfahren zur Überflächenbehandlung von Polyolefin- und polytetrafluoräthylen-Laminaten, PTFE, Karton und von Ketallfolien wie Aluminium und Weissblech beliebiger Stärke und Breite, mit einer Flawiie, die erzeugt

wird durch Verbrennung einer Kischuny aus Luft/Kohlenvasserstoffgas ν cacurch gekennzeichnet, dass diese Mischung mit reinen Sauerstoffgas angereichert wird.

2) Verfahren laut Anspruch 1)., dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherung im Venturi-Mischer erfolgt.

3) Verfahren laut Ansprüchen 1 - 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolle der Flamme kontinuierlich durch ein Heizkraftmessgerät erfolgt. ■

4) Verfahren laut Anspruch I)₁ dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme elektrisch erregt wird.

5) Verfahren laut Ansprüchen 1 ki^s 3), dadurch gekennzeichnet, dass in die mischung Wasserdampf eingeblasen wird.

6) Verfahrer, laut Ansprüchen 1 ki^s 3), dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung Spuren alkalischer und erdalkalischer Metalle zugesetzt werden.

7) Verfahren laut Ansprüchen 1 bis 6)' , dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme elektrisch erregt wird.