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M I K R O   P E R F O R A T I O N S T E C H N I K  f ü r  K u n s t s t o f f f o l i e n

 

Erstellungsdatum : 16.4.93

Veröffentlichungen :

coating Magazin 6/93

Kunststoffe 84 – 1994

Sonderdruck Kunststoffe – Carl Hanser Verlag 84 - 1994/1995

Kunststoffe Plast Europe 5/1994

1.0 Einleitung

Für verschiedene Anwendungsbereiche werden seit über 15 Jahren zur Gasventilation oder Saugaufnahmeerhöhung von Bahnmaterialien wie : Fein-, Filter- oder Spezialpiere und auch Vliesstoffe MIKRO- oder MAKRO perforiert. Unter MIKROPERFORATION sind hierbei Lochgrößen von 2 - 70 µm und respektive für MAKROPERFORATION von 50 -  500 µm Durchmesser in unterschiedlicher Anordnung zu verstehen. Hierbei können die Perforationen flächen-, linien- wie auch zonenförmig  und  in wiederholbaren Abständen über die Bahnbreite verteilt  sein, wobei  nach dem elektrostatischen Verfahren die erzielbaren  Porengrößen 2-70 µm und respektive 50-200 µm durch gepulste oder aufgefächerte Laserstrahlbearbeitungen betragen. Flächenperforationen ermöglichen Lochdichten bis zu 1.6 Mill. Poren pro m² und Zonenanordnungen mit Breiten von 2....13 mm können bis zu 300 Poren/cm² enthalten.

Die  Forderungen, wie sie für bestimmte Produkte mit Kunststofffolien, Filme, Vliesstoffen,  Verbundmaterialien oder kaschierten Papieren nach einer Gasdurch- aber Wasserdampf- oder Flüssigkeitsundurchlässigkeit verbunden sind, gehören ebenfalls zur produktionellen Veredelungspraxis der MIKROPERFORATIONSTECHNIK, da die Flüssigkeitströpfchen aufgrund ihrer höheren Oberflächenspannung die Mikroporen nicht durchdringen können.

Somit bildet das eingesetzte Material eine natürliche Barriere zur Feuchtigkeitsabweisung nach außen oder innen, und ermöglicht gleichzeitig einen beidseitigen Gasaustausch, der eine Kondenswasserbildung unterbindet.

Durch  den allgemeinen Wandel in der Verpackungsindustrie und besonders im Hinblick auf die Wieder Verwertbarkeit von Substraten ist die Mikroperforation unter gänzlich neuen Gesichtspunkten zu betrachten, da sich die recycle baren Bahnmaterialien besonders gut elektrostatisch Mikro perforieren lassen und neue Applikationen ermöglichen, die mit anderen Verfahren auch zukünftig nicht machbar sind.

Darüber hinaus sind durch neue auf dem Markt verfügbare hydrophile  Polysulfine, mikroporöse Polypropylene, Biocoats zusätzliche Mikroperforations- und damit verbundene Produktmöglichkeiten eröffnet worden, deren Verfahren wir zum Patent angemeldet haben.

2.0 Perforationsverfahren

Zur Perforation von Bahnmaterialien sind folgende Verfahren bekannt :

Mit  Hot-Needles Einrichtungen werden seit vielen Jahren die konventionellen Kunststofffolien wie PP, PE, LDPE, HDPE usw. und auch Vliese linien- oder flächenperforiert, wobei die Lochgrößen meist 200 µm - 500 µm, die Bahngeschwindigkeiten 10 -30 m/min und Bahnbreiten bis zu 1500 mm betragen.

Die technisch meist sehr aufwendigen Flüssigkeits- oder Gasstrahltechniken sind ausschließlich zu Schneidzwecken von weichen Bahnmaterialien wie Schaumstoffen, Vliesen, Wellpappen usw. eingesetzt. Aufgrund des Düsenverschleißes ist ein getakteter oder gepulster Betrieb zur flächen abdeckenden Perforation mit hohen Investitionsaufwand und bedingt durch die Materialhydrophobie mit nicht vertretbaren, starken Änderungen der Porengrößen verbunden.

Für die Linienperforierung von thermoplatischen Kunststoffen, PVC, PE und auch PP sind Ultraschallverfahren bekannt, die sich produktionell nicht durchgesetzt haben. Weiterhin ist bekannt, dass Polymerfilme in Dicken zu 5 - 30 µm mit Verweilzeiten von mehren Sekunden im statischen Zustand mit Hochfrequenz mikroperforierbar sind.

Die mit hohen Anlageninvestitionen und erheblichen Betriebskosten verbundene CO-2-Laserstrahltechnik ist seit einigen Jahren im Feinpapierbereich zur Zonenmakroperforation von schnell laufenden Bobienenbahnen bis zu 600 m/min und in Bahnbreiten bis zu 80 mm eingesetzt, wobei die Porendurchmesser 50 - 200 µm betragen. Größere Bahnbreiten  abdeckende Flächenperforationen sind mit aufgefächerten  Laserstrahlen, den geforderten  moderaten Einzelstrahlenergien und flexiblen, geometrischen Porenlagen technisch nicht möglich.

3.0 Materialkonditionen

Grundsätzlich lassen sich nach dem elektrostatischen Mikroperforationsverfahren nur elektrisch nicht leitende und durchschlagfähige Bahnmaterialien in Dicken von 10 - 80 µm, Breiten von 50 - 2000 mm, Flächengewichten von 5 - 100 g/m2 und mit Bahngeschwindigkeiten bis zu 300 m/min Mikro perforieren.

Zu diesen Materialien gehören:

Auch andere "mikroperforierbare Kunststofffolien" wie : polyurethan beschichtete Materialien, diverse Acrylate, Neopren oder verschiedene PVC-Sondermischungen mit Dicken bis zu 20 µm kommen in Frage. Hierbei liegen die steuerbaren Porengrößen und Dichten in den genannten Größenordnungen von 2-70 µm, bis zu 1.6 Mill. Poren pro m² bei der Flächen- oder bis zu 300 Poren/cm² bei der Zonenanordnung. Die spezifische Perforierbarkeit, Lochgrößenbildung, erzielbaren Lochqualitäten und Perforationsleistungen werden signifikant durch die Materialkriterien : elektrische Durchschlagfestigkeit, Dielektrizitätszahl, Materialdicke, Molekularstruktur, Konsistenz, Farbaufträge, Pigmente,  Füllstoffe und Oberflächenbeschaffenheit bestimmt.

Daher ist eine Bestimmung der Mikroperforierbarkeit von Materialien ohne praktische Vortests außerordentlich schwierig. Die beispielhaft aufgeführten Materialsorten liefern hierzu gute Produktionsergebnisse.  

4.0 Elektrostatisches Mikroperforationsverfahren

Der Grundaufbau zur Verfahrensausführung besteht aus viel zahligen, zwei sich direkt gegenüberstehenden, luftgekühlten Elektrodenstiftgruppen von 1.0 mm Durchmesser und speziell hierfür ausgebildeten Aufnahmekörpern, in deren Spalt die Bahn mittig hindurchführt. Ein steuerbares Generatorsystem erzeugt die definierten Hochspannungsimpulse von 500 - 5000 Hz, welche an den Funkenstrecken in bestimmten Taktfolgen abgesetzt werden. Das Bahnmaterial ist elektrisch optimal zu durchschlagen, wenn deren Durchschlagsfestigkeit um den Faktor 1.5 kleiner ist, als die zwischen den Elektrodenstiftpaaren, oder deren mehrpaarigen Reihenschaltung, angelegten Hochspannung.

Eine exakte Positionierung der Durchschlagstelle ist aufgrund der physikalischen   Verhältnisse zwischen den Funkenstrecken und letztlich des inhomogenen Materiales eingeschränkt. In der Praxis lassen sich 0.15 mm als Zonenrandabgrenzung und 1.0 mm Porenabstände bei Flächenperforationen produktionell einhalten.

Mit der Energieentladung bilden sich im Funkenspalt hohe Temperaturen aus, so daß durch die elektrisch wirkenden Ladungskräfte anorganische Perforationsmaterialrückstände als so genannter Besatz nach längeren Laufzeiten festsintern, und somit eine Funkenspaltabstandsverringerung eintritt, was zu negativen Auswirkungen in der Produktion führen könnte. Hier sorgt eine spezielle elektrische  Schaltung zur Kompensation dieses Prozesses und gänzlicher Reduktion der Besatzrückstände, ohne dass es zu negativen Beeinflussungen in der produktionellen Praxis kommt. Durch eine besondere  Elektrodenkonstruktion und Kühlluftführung wird das durchlaufende Material geführt und thermisch nicht belastet.

Prinzipiell besteht die technische Möglichkeit über folgende Parameter auf die Lochgrößen, Dichten und Lochqualitäten einzuwirken :

5.0 Gas- oder Flüssigkeitsdurchsatz

Die physikalische Größe der Gasdurchlässigkeit ist die Porosität in Ltr. pro Flächen- und Zeiteinheit. Hier gibt es statischen Meßverfahren wie : Frankverfahren, Coresta, Borgwaldt, Bendtson und Scan usw. Für die Flüssigkeits- oder Filtrationsmessung gilt dies in gleicher Weise. Zu beachten ist hierbei, dass Lochgrößen- und deren Dichte Änderungen nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz exponentiell in die Porosität eingehen.

6.0 Perforationsausführungen

Wie eingangs ausgeführt und in Abb. 1 bildlich dargestellt, unterscheiden sich Flächen-, Linien- und Zonenperforationen in deren Lochverteilung und Dichte über die Bahnbreite. Bei dem elektrostatischen Verfahren sind die ober- und unterhalb der Bahn und in Laufrichtung  angeordneten Elektrodenpaare mechanisch verschränk bar, um so die gewünschten seitlichen Lochabstände, Zonenpositionen  und Breiten einstellen zu können. Zur Lochdichten- und Porositätserhöhung sind die Elektrodenpaare in Bahnlaufrichtung kaskadier bar. Werden die Elektrodenpaare derart verschränkt, dass sich in der Quer- und Längsrichtung symmetrische Lochanordnungen mit bestimmten Abständen einstellen, so erhält man Flächenperforationen, wie die Abb. 1 zeigt.

In Bahnlaufrichtung  erfolgt  dann, wie auch beim Zonenperforationsverfahren, die synchrone Steuerung der Lochdichte und deren Abstände durch die Wiederholungsfrequenz in Abhängigkeit zur Maschinengeschwindigkeit oder bei konstanter Bahngeschwindigkeit als  Festfrequenz. Die Mikroperforationsanlagen können bis zu 50 Perforationszonen über separierte Einzelkanäle, oder Flächenperforationsmuster mit 1.0 mm Einzelabständen in Bahnbreiten bis 2000  mm erzeugen. Hierbei sind alle Lochgrößen der zusammengefassten Einzelkanäle stromsteuerbar, so dass eine Porositätsprofilierung über die Bahnbreite und Schwankungsausregelung über ein spezielles, optisches online Porositätsmesssystems möglich ist.

 

7.0 Perforationsanlagen

Wie aus Abb. 6 zu ersehen ist, besteht die Perforationsanlage aus den Funktionseinheiten : Umrolleranlage, Perforationsstation, Elektroden mit Halterungen, Elektrodenkühlungssystem, Staubabsaugung, Perforationssteuerung, Leistungselektronik,  Stromversorgungseinheiten, Hochspannungsimpulstrafos und der optischen inline  Porositätsmesseinheit, die direkt nach dem Bahnauslauf plaziert ist.

Prinzipiell sind die Umrolleranlagen mit Ab- und Aufwickeleinheiten und dem dazwischen befindlichen Bahnführungssystemen aufgebaut und für die mechanisch und dynamisch extrem sensible Führung von Feinpapieren oder Folien aller Art ausgelegt. Darüber hinaus  haben diese Anlagen einen hohen Automatisierungsgrad. Für die Elektrodenpositionierung, dem Bahneinzug oder zu Reinigungs- und auch Austauschzwecken sind die gegenständigen Elektrodenpaare, deren Bahndurchführungsspalt meist 1.3 mm beträgt, einseitig auf fahrbar.

Durchgehende Führungsstangen und Halterungen ermöglichen eine manuelle Verschränkung der Elektrodenpaare auf die gewünschten Porenraster, Zonenbreiten und deren Positionen. Eine vollständige metallische Kapselung des Perforationsteiles und angeschlossenem  Absaugsystem erfüllt die industriellen Anforderungen im Hinblick  auf  Geräuschreduktion, Staubabsaugung und elektromagnetischer  Abschirmung. Der sich durch den Abbrand der Wolframstifte erhöhende Elektrodenspalt wird durch eine pneumatische Nachstellvorrichtung  in zeitlichen Intervallen von ca. 12 Stunden zum Maschinenstillstand  korrigiert. Zur Elektrodenkühlung sind konventionelle Seitenkanalverdichter mit Kühlluftmengen je nach Anzahl und  Ausführung der Elektrodenpaare von 400 - 1600 cm²/h eingesetzt.

Die direkt neben dem Schaltpult befindlichen 19"-Schränke beinhalten die elektrischen Komponenten wie : Stromversorgungseinheiten, Perforationssteuerung, Porositätsregelung, Leistungselektronik, Überwachungs- und Interface-Anbindungen zum übergeordneten SPS Steuerungs- und Mikrocomputersystemen. Die Einhaltung der internationalen EMV Bedingungen trägt das gesamte elektrische Anlagensystem durch eine bis ins Detail gehende Ausführung Rechnung, so dass die Mikroelektronik mit der abgeschirmten Hochspannungs-Perforationstechnik problemlos kommuniziert. Diese elementaren Voraussetzungen garantieren auch langzeitlich einen störungsfreien Produktionsbetrieb. 

 

8.0 Porositätsmessung

Die Forderungen der Anlagenbetreiber nach separierten Zonen- oder Flächenprofileinstellungen der Porosität ist manuell über Zehngangpotentiometer  oder  direktem Stellgrößeneingriff als automatisiert eingebundenes, akkumulierendes PID Regelsystem realisiert.

Zur optischen online Porositätsmessung kommt das speziell hierzu entwickelte und patentangemeldete Messverfahren im Traversiermodus zum Einsatz. Damit lassen sich auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten, unterschiedlichen Bahnbreiten oder Materialarten durch die online Regelungseinbindung die vorgegebenen Porositäts- oder zu geordneten Filtrationssollwerte in engen Grenzen zu halten. Mittels der Rechnerunterstützung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, weitere Messwertverarbeitungen und statistische Datenaufbereitungen durchzuführen.

Gleichzeitig deckt das neue Porositätsmeßsystem die Forderungen nach den steigenden  Qualitäts- und Ausschussminderungen bei der Herstellung, Veredelung und  Weiterverarbeitung von hoch- oder niederporösen, mikro- oder makroperforierten bahnförmigen Materialien in idealer Weise ab. Damit ist eine direkte Produktzertifizierung des Bahnmateriales in der Lauf- wie auch in deren Querrichtung  verbunden und gleichzeitig eine Integration der inline Qualitätssicherung als Process Controlling in der Fertigung, insbesondere unter dem Gesichtpunkt der ISO 9000/1, realisierbar. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch Rechnerunterstützungen de- oder zentrale Messdatenerfassungen für die Produktionsanlagen aufzubauen.

 

 

9.0 Perforationsparameter und Leistungen

Die nachstehende Tabelle weist die nach dem heutigen technischen Stand erreichbaren Porositätsbereiche und Produktionsparameter als  praktische Richtwerte  aus, welche von den materialspezifischen Gegebenheiten stark beeinflusst werden.

--------------------------------------------------------------------------------------------------

 Parameter                        Zonen-   Flächenperforation

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Poro.bereiche in CORESTA          60 -  600       20 -  300

Maschinengeschw. in m/min        30 -  250       30 -  300

Bahnbreiten in mm                    500 - 2000     500 - 2000

Taktfrequenzen ( Hz )                 100 - 5000     100 - 5000

Elekt.stiftpaare                             10 -    40       10 -     40

Zonenbr./Porenraster in mm         2 -    10         1 -     20

Zonen/Porenraster    in mm         11 -    40         1 -     20

Lochgrößen in µm                        10 -   80          2 -     70

Lochdichten  Z=4mm/cm             25 -  200       1.6 Mil./m²

Var.K. (ohne Reg.) in %                 <=  6.0          <=   6.0

Var.K  ( mit Reg.) in %                   <=  3.5          <=   3.5

10.0 Qualitätskriterien

Der Einsatz digitaler Steuerungstechnik kombiniert mit der und redundanten IGBT Leistungslelektronik sorgt für die Einhaltung der Verhältnisse von Taktfrequenz zur Bahngeschwindigkeit und kanalseparierter Stromsteuerung, so dass hohe Systemstabilitäten  die geforderten Produktionsqualitäten in Bezug auf : Porositätsmittelwert,  Streuung,  Zonenbreiten, Zonenraster und Porenrepetitionen garantieren.

Zur weiteren Einengung der Porositätswerte, welche durch die materialspezifischen Eigenschaft Änderungen und den damit verbundenen Perforierbarkeiten sporadisch auftreten  und diese negativ beeinträchtigen können, sind optische online Porositätsmeßsysteme  in stationärer oder traversierender Ausführung zur Istwerterfassung  und eingebundener Porositätsnachregelung zum Bahnauslauf an der Maschine integriert. So lassen sich Variationsköffizienten von <  3.5  % über weite Porositätsbereiche erzielen und das Mikro perforierte Bahnmaterial rollen Weise zertifizieren.

Ein weiteres und sehr wichtiges Qualitätskriterium der Mikroperforation ist deren  gewünschte Nicht-Sichtbarkeit, Porengrößen, Porenraster und Zonenbreite und deren Lage. Durch die überlappende  Elektrodenverschränkung und optimierten Energieverhältnisse der  Funkenstrecken erfüllt das technische System die produktionellen Anforderungen in jeder Weise. Desgleichen gilt dies für die grad- und rückstandsfreie Lochausbildung, die für den Weiterverarbeitungsprozess  keinen negativen Einfluss auf die : Porosität Veränderung durch Wickelpressung und Umwickelung durch so genannte Konuslöcher, Gasaustritt, Geruchsbildung usw. haben darf.

Die bei Laserperforationen häufig ausgeprägten und nicht gewünschten ovalen Konuslochformen, als Folge der relativ langen Belichtungszeit ( bei konstanten Energieverhältnissen ) bei Bahngeschwindigkeit bis zu 10 m/sek., treten beim elektrostatischen Mikroperforationsverfahren nicht auf.

11.0 Verfahrensanwendungen und Produktbeispiele

Breitbahnanlagen bieten zukünftig die produktionelle Möglichkeit, auch gänzliche neue  Produktbearbeitungen mit der elektrostatischen Mikroperforationsmethode auszuführen, die mit anderen, investitionsintensiven Produktionsverfahren wie z.B. der LASER ULLTRASCHALL-, oder  HOCHDRUCKWASSERSTRAHL-MAKROPERFORATION verfahrenstechnisch nicht machbar sind.

Flächenperforationsverfahren eignen sich besonders gut zur großflächigen Einbringung von Mikroporen für die unter Kap. 3 ausgeführten Materialarten. Eine besondere Bedeutung haben hierbei die eingangs erwähnten Anforderungen nach Gasdurch- und Flüssigkeitsundurchlässigkeit. Durch die inline steuerbare Entladungsenergiedosierung an den Funkenstrecken kann die gewünschte und materialspezifische Porenbildung  und Erhaltung, und dies gilt insbesondere auch für deren Weiterverarbeitung, erreicht und langfristig sichergestellt werden.

  

Hier einige Produktbeispiele von Mikro perforierten Kunststofffolien der eingangs genannten Art, deren Anwendungen meist mit "atmungsaktiven Kriterien" verbunden sind :

12.0 Zukunftsperspektiven

Die elektrostatische Mikroperforation findet ihre Anwendung in Bereichen der Veredelung von Feinpapieren, Vliesstoffen, Folien und  Filmen verschiedenster Art und im zunehmenden Maße bei der nachträglichen Bearbeitung von Bahnmaterialien mit besonderen Eigenschaften, die nicht mit anderen Verfahrenstechniken erreichbar sind, ein außerordentlich breites Anwendungsfeld.

Der exorbitant hohe technische Stand und die relativ einfache Integrationsmöglichkeit dieser Systeme verbunden mit den praxisorientierten know-how Kenntnissen der unterschiedlichen Produkte, welche für dieses Spezialgebiet unerlässlich sind, ermöglichen es, auch zukünftig neue Anwendungsbereiche zu erschließen.

13.0  Literaturquellen

13.1    Hartmann, W.: Untersuchungen zum Mechanismus der Pseudofunkenentladung, Dipl. Arbeit-Uni Erlangen 81

13.2    Anvari, A.: Study  of a 40 KV multistage spark gap operated in air atmosherie pressure , journal of physics E-1973

13.3    KFK-Forschungsbericht-PFT-54/83: Feinstperforieren von flächenhaften und kunststoffbeschichteten Materialbahnen

13.3   Werner Große : EP 0.460.369 A1, DE 40.18.209 A1, Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Querperforation

13.4    Werner Große : P 42.43.721.0, Verfahren und Vorrichtung zur Mikroperforation von laufenden Bahnen

13.5    Werner Große : P 43.02.137.9, Verfahren und Vorrichtung zur optischen Porositätsmessung an einer laufenden Bahn

13.6    W.Große :  Elektroerosive Mikroperforationstechnik für die Papierindustrie, PKV 11/92

13.7    W.Große : Optische Porositätsmesstechnik PKV 3/93, Sensor Report 1/93

13.8    Werner Große : Neues Verfahren zur opto-dynamischen Oberflächenspannungsmessung von Folien vom 30.4.92

13.9    Weitere Patente, IPCL - B 26 F : EP 0.188.105, DE 36.40.244 C2, DE 38.31.601 A1, US 43141442A, EP 0.000.7488 A1, DE 4.018.209, DE 2.833.527

          DE 2.817.390, DE 2.830.326, DE 0.036.630 A1, DE 3.011.460 A1

Zusammenfassung : Mikroperforationstechnik für Kunststofffolien

Die elektrostatische Mikroperforationstechnik ermöglicht es, Mikroporen mit verschiedenen Ausführungsformen in bestimmten Kunststofffolien einzubringen. Der Aussatz beschreibt das physikalische Arbeitsprinzip, die eingesetzte Produktionstechnik und Produktmöglichkeiten  für die unterschiedlichen Applikationsbereiche.

Des weiteren werden mit dem Mikroperforationseinsatz verfahrenstechnische Möglichkeiten aufgezeigt, die Kunststoffbahnmaterialien durch diese nachträgliche Bearbeitung mit besonderen Eigenschaften versehen können, die nicht mit anderen Behandlungstechniken erreichbar  sind.

Darüber hinaus bietet sie gute Bearbeitungsalternativen gegenüber der mit hohem Investitionsaufwand verbundenen Laser-Makroperforationstechnik. Der hohe technische Stand und die relativ einfache Integrationsmöglichkeit der Perforationssysteme ermöglichen es, auch zukünftig neue Anwendungsbereiche zu erschließen.