DE1220999B - Verfahren und Vorrichtung zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoffen unter Anwendung von Hochspannung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoffen unter Anwendung von Hochspannung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen (unvernetzte Hochpolymere) oder thermoelastischen (vernetzte Hochpolymere) Kunststoffen unter Anwendung von Hochspannung.
• Poröse Kunststoffe können als Kunstleder Verwendung finden. Für künstliches Leder ist wegen der begrenzten Herstellungsmöglichkeiten natürlicher Leder mit einem zunehmenden Bedarf zu rechnen.
• Bei früheren Versuchen, Kunstleder herzustellen, hat man mit Funken zum Durchschlagen von Folien gearbeitet (deutsche Patentschrift 952 937). Schon bei Porendichten niedrigerer Größenordnung, beispielsweise bei zehn Poren je Quadratmillimeter, kann jedoch nicht verhindert werden, daß der Funke seinen Weg über bereits vorhandene Poren nimmt und nicht immer neue Poren erzeugt. Bei Vorrichtungen, die nach dem geschilderten Verfahren arbeiten, hat man deshalb Anstrengungen unternommen, den Funkenüberschlag durch Hilfselektroden auf eine gewünschte Bahn zu zwingen. Ein weiteres bekanntes Verfahren nach der deutschen Patent-Schrift 950 090 zum Porösmachen von Folien besteht darin, das Folienmaterial zuerst durch eine Nadelelektrode anzustechen, bevor der Funke gezündet wird. Die Arbeitsgeschwindigkeit ist deshalb beschränkt. Nach beiden Verfahren ist es nicht gelungen, feine Poren bei einer für annehmbare Lederqualität ausreichend hohen Porendichte, beispielsweise von zehn Poren je Quadratmillimeter, zu erzeugen.
• Nach einem weiteren bekannten Verfahren werden Textilgewebe mit polymerisierendem Kunststoff beschichtet und noch im plastischen Zustand mit Luft durchperlt (deutsche Auslegeschrift 1005 037). Der feinste Porenabstand ist dabei durch den Fadenabstand gegeben. Abgesehen davon, daß mit diesem Verfahren auch nur verhältnismäßig geringe Porendichten erreicht werden, erhält man auch keine reinen Kunststoffprodukte.
• Es wurde nun erkannt, daß Elektronenstrahlen geeignet sind, Kunststoff mit Poren hoher Dichte zu versehen.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, aus Kunststoffen lederartige Stoffe mit einer bisher nicht erreichten Porendichte mittels Elektronenstrahlen herzustellen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Perforieren während des Durchlaufens der Folien durch eine Vakuumkammer mittels darin gepulster, fokussierter Elektronenstrahlen mit Leistungsdichten von mindestens 500 W/cm2 nach einem Rasterschema von mindestens 10/mm2 erfolgt. Nach diesem Verfahren lassen sich bei entsprechender Rasterwahl und Fokussierung sehr hohe Porendichten erzielen, wie sie bisher nicht erreicht wurden. Um bei Kunststoffen zur Herstellung von Schuhen Ledereigenschaften ausreichender Qualität zu erzielen, sind Porendichten von mindestens 100 Poren je Quadratmillimeter günstig.
• Mit Hilfe des neuen Verfahrens wird bei Kunststoffen gewissermaßen die natürliche Lederfunktion nachgebildet und eine gleichmäßig gute Atmungsfähigkeit erzielt. Hochporöser Kunststoff ist neben seiner Atmungsfähigkeit auch imstande, Feuchtigkeit aufzunehmen. Durch bekannte Methoden der Nachbehandlung in Prägen oder Walkvorrichtungen und durch Wahl geeigneter Kunststoffe oder durch Bedrucken läßt sich auch der optische Ledercharakter erzielen.
• Bei dem Verfahren nach der Erfindung ergibt sich die günstige Situation, daß auf Erfahrungen zurückgegriffen werden kann, die sich bei Bestrahlung zur Vernetzung von Kunststoffen - z. B. mit Polyäthylen - ergeben haben (vgl. »Nature«, Januar 1953, S. 167, Nr. 4343). Es ist nur dafür zu sorgen, daß der Generator so eingestellt bzw. ausgewählt wird, daß das Entfernen aller Moleküle für eine gewünschte Pore durch die Energie eines Einzelimpulses erfolgt und die Energie mindestens gleich der Dissoziationsenergie ist, um auch die Verdampfungsenergie des verdampfenden Materials zu decken. Es. sind also höhere Leistungsdichten als zur Vernetzung erforderlich. Es ist weiter zweckmäßig, daß die Elektronenstrahlen auf der Folie zu Durchmessern der Größenordnung von 10 #t fokussiert sind.
• Zur Erzielung solcher hohen Leistungsdichten kann im Prinzip auf Vorrichtungen zurückgegriffen werden, wie sie zum Metallbohren mit Elektronenstrahlen bekanntgeworden sind. Eine Anordnung zur hnpulsmodulation für Ladungsträgerstrahlen hoher Beschleunigungsspannung für technische Elektronenstrahlgeräte ganz allgemein ist in der Schweizer Patentschrift 372765 beschrieben. Um Kunststoffbahnen oder Folien in einer Vakuumkamtner durch quer zur Bahnrichtung gerastet geführte Strahlimpulse rasterförnüg zu perforieren, können die Kunststoffbahnen über Vakuumschleusen bekannter Art kontinuierlich durchgeschleust werden.
• Die Schleusen können durch Gummimanschetten nach Art der Wilson-Dichtung gegen den äußeren Luftdruck abgeschirmt sein oder dadurch, daß die lichte Weite der Durchführungsschlitze bei eingebrachtem Kunststoff kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in den anschließenden Räumen. Durch die zuletzt genannte Dichtungsart werden Dichtungsmittel entbehrlich. Auf diese Dichtungsart bezieht sich die Schweizer Patentschrift 334330.
• Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Vakuumkammer für ein Hochvakuum mit angeschlossenen Vorkammern und Durchlässen für den Durchgang einer endlosen Materialbahn sowie einer Auf- und Abwickelvorrichtung für die Folie kann es vorteilhaft sein, daß in der zum Durchlauf der Folie geeigneten Vakuumkammer mehrere an sich bekannte Elektronenstrahlgeneratoren angeordnet sind.
• An Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens soll die Erfindung weiter erläutert werden.
• F i g. 1 zeigt im Prinzip eine Vorrichtung in Seitenansicht; in F! g. 2 ist ein Ablenkschenia und in F i g. 3 die dazugehörige Ablenkspannung für die Elektronenstrahlünpulse wiedergegeben; in F i g. 4 ist ein weiteres Ablenkschema und in F i g. 5 die dazu gehörige Ablenkspannung dargestellt; F i g. 6 zeigt schematisch die Justierung von verdrehbaren Ablenkplatten für senkrechte Porenzeilen. Ein Elektronenstrahlgenerator 1 ist nach F i g, 1 für gepulste Elektroneiastrahlen 3, die in der Ebene einer zu bearbeitenden Folie 2 fukussiert sind, auf einer Vakuumkammer 4 angeordnet. Benachbart zur Vakuumkammer 4 sind als Vakuumschleusen dienende Vorkamm ern 5 für ein Vorvakuum vorhanden. Die Seitenwände der Vakuumkammer 4 und Vorkammern 5 weisen rechteckige mit verlängerten Begrenzungsflächen versehene Durchführungsschlitze 6 auf, deren lichte Weite so bemessen ist,- daß sie bei eingebrachter Folie 2 kleiner-ist-als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in den anschließenden Räumen, Der Elektroneristrahlgenerator 1 weist ein Steueraggregat 16 auf, um die Impulsfrequenz, und ein Ablenksystem, um die Elektronenstrahlen 3 zu steuern. Als Ablenksystem können, wie angedeutet, zwei hintereinanderliegende Ablenkplatten 17 (in Seitenansicht dargestellt, wobei die zweite Platte verdeckt ist) dienen.
• Um bahnförmige Folien durch die Vakuumkammer 4 und Vorkammern 5 durchzuführen, können paarweise angeordnete Walzen 8 und 9 verwendet weiden, die mit der Vorratswalze 7 und der Walze 10 zum Aufwickeln der Folie 2 in einem Walzengestell angeordnet sein können. Die Walzen werden durch Motoren 11, IZ bzw. 13 angetrieben, und die Walzengeschwindigkeiten können mittels aus der Papierindustrie bekannter Regelsätze aufeinander abgestimmt werden.
• So kann über einen Meßkopf 15 für optische Bahnabtastung oder durch einen der Antriebswelle des Motors 12 zugeordneten Meßkopf die Bahngeschwindigkeit in elektrischen Signalen nachgebildet werden. Diese Signale können einem Regler 14 zugeführt werden, der Einstellknöpfe zum Einstellen einer gewünschten Bahngeschwindigkeit hat. Die Ausgänge des Reglers 14 sind mit den Motoren 11, 12 und 13 verbunden. Der Motor 13 ist mit dem Regler 14 über einen Steuersatz bzw. Regler 13 a zum Anpassen der Walzengeschwindigkeit an den jeweiligen Wickeldurchmesser verbunden.
• In Abhängigkeit von der am Regler 14 eingestellten Bahngeschwindigkeit wird mittels des Steueraggregates 16 die Impulsfrequenz und die Anstiegse zeit der Ablenkspannung beeinflußt. Fokussiert man den Elektronenstrahl 3 so, daß er bei der Ablenkspannung Null auf die Bahnmitte trifft, so erzielt man mit einer Ablenkspannung nach F i g. 3 das in F i g. 2 dargestellte Ablenkschema. Die Nullinie N liegt dann in der Bahnmitte. Die Folienbahn ist in Pfeilrichtung unter dem von der Mitte aus abwechselnd nach beiden Kanten hin schräg über die Bahn geführten Elektronenstrahl for ewegt zu denken. g #tb Um saubere, nicht verschmierte Poren zu erhalten, werden die Impulse des Elektronenstrahls 3 gerastet über die Bahn geführt. Das wird durch,die überlagerung einer Sägezahnspannung 18 - auf der Ab,-szisse abgetragen vorzustellen - mit der Frequenz der Impulsfrequenz und einer Ablenkgrundspannung 19 erzielt. Dadurch vQrharrt der Elektronenstrahl 3 während einer Impulsdauer an einem Fleck. Die Zeitdauer t einer Periode der stufenförmig und dreieckartig verlaufenden Ablenkspannung U bestimmt die Zeit, in der der Elektronenstrahl 3 eine versetzte Doppelzeile an Poren erzeugt hat.
• Auf der Folienbahn nach F i g. 4 ist ein anderes Ablenkschema dargestellt. Die Zeilen der Perforierung sind rechtwinklig zur Bahnrichtung. Nach einer Doppelzeile ist wieder wie bei F! g. 2 ein bearbei# tetes Folienstück an-edeutet, Die Nullinie liegt an der rechten Kante in Balinrichtung gesehen, Das dargestellte Ablenkscheina kommt bei einer sägezahnförmigen Ablenkspannung nach F i g. 5 durch in Bahnrichtung verdrehte Ablenkplatteri 17 - zustande, Solche verdrehbaren Ablenkplatten 17 sind in F i g. 6 grob schematisch angedeutet. Die zu den Ablenkplatten 17 senkrechte Verbindungslinie, 20 der Ablenkplatten 17 ist um einen Winkel oc gedreht, um den eine Zeile 21 bei zur Balmrichtung (Pfeilrichtung) senkrechter Verbindungslinie 20 der Ablenkplatten 1-7 infolge, der Bahngeschwindigkeit spiegelbildlich verdreht wäre, Legt man an die zur Bahnrichtung zurückbleibende Ablenkplatte 17 bei Elektronenstrahlen 3 die negative Spannung an, so folgen die Impulse der weiterbewegten Bahn und man erhält eine rechtwinklige Porenzeile. Für zwei Sägezahnimpulse der überlagerten Ablenkspannung erhält man eine Doppelzeile.
• Bei dem neuen Verfahren ergeben sich beispielsweise folgende Verhältnisse: Liefert der Elektronenstrahlgenerator einen Elektronenstrahl von 100kV Voltgeschwindigkeit bei einer Impulsdauer von 10 Mikrosekunden und einer Impulsstromstärke von 10 mA, so erziellt man bei einer Fokussierung auf einen Durchmesser von 10 #t Impulsenergie von 10-2 Wsec. Die Energiedichte auf der Folie beträgt dann etwa 12 kWseC/CM2. Führt man dann den Elektronenstrahl bei einer Impulsfrequenz von 50 kHz gerastet quer zur Bahnrichtung der Folie, so ergibt sich bei einem Porenabstand von 0,1 mm und einer Bahnbreite von 1 m eine Bearbeitungs- bzw. Wanderungsgeschwindigkeit der Folie von 3 cm/min.
• Für Polyäthylen von 1 mm Stärke und einem gewünschten Porendurchmesser von 10 #t ergibt sich dann für vollständige Dissoziation die zuzuführende Energie von 5.10-3 Wsec. Dabei ist die Bindungsenergie der Atome mit etwa 4 eV angesetzt. Eine Impulsenergie von 10-2 Wsec ist dann völlig ausreichend, um auch die Verdampfungswärme rasch aufzubringen.
• Für übliche Folienstärken genügen daher Elektronenstrahlen von einigen 100 kV Voltgeschwindigkeit, die auf 10-3 bis 10-2 cm fokussiert werden können. Es versteht sich, daß das neue Verfahren leicht den jeweiligen besonderen Erfordernissen angepaßt werden kann. So können mit kürzeren Impulsdauern als 10 Mikrosekunden und größeren Impulsleistungen höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielt werden. Das läßt sich auch dadurch erreichen, daß in der Vakuumkammer mehrere Elektronenstrahlgeneratoren verwendet werden, die gemeinsam oder getrennt gepulst und gesteuert - oder auch nur getrennt gesteuert - sein können.
• Das neue Verfahren eignet sich ganz allgemein zur Perforierung von Kunststoffen und bietet besondere Vorteile, wo es darum geht, in großtechnischem Maßstab Kunststoffe mit feinen Poren bei gleichmäßig hoher Porendichte - bezogen auf die Flächeneinheit - zu versehen. So bearbeitete Kunststoffe haben außer als Lederersatz auch sonst vielfältige Anwendungsgebiete, wie z. B. die Filtertechnik.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Perforieren von Folien aus thermoplastischen oder thermoelastischen Kunststoffen unter Anwendung von Hochspannung, dadurch gekennzeichnet, daß das Perforieren während des Durchlaufens der Folien durch eine Vakuumkammer mittels darin gepulster, fokussierter Elektronenstrahlen mit Leistungsdichten von mindestens 500 W/CM2 nach einem Rasterschema von mindestens 10/mm2 erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen aller Moleküle für eine gewünschte Pore durch die Energie eines Einzelimpulses erfolgt. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlen auf der Folie zu Durchmessern der Größenordnung von 10 #t fokussiert sind. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einer Vakuumkammer für ein Hochvakuum mit angeschlossenen Vorkammern und Durchlässen für den Durchgang einer endlosen Materialbahn sowie einer Auf- und Abwickelvorrichtung für die Folie, dadurch gekennzeichnet, daß in der zum Durchlauf der Folie (2) geeigneten Vakuumkammer (4) mehrere an sich bekannte Elektronenstrahlgeneratoren (1) angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1005 037; deutsche Auslegeschrift S 29842 X/39 a (bekanntgemacht am 15. 3. 1956); deutsche Auslegeschrift S 32392 X/39 a (bekanntgemacht am 3. 5. 1956); deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1676 166; schweizerische Patentschriften Nr. 334 330, 372 765; »Nature«, 1953, Januar, S. 167, 4343.