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Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen auf Metalloberflächen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Vorbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen, wie z. B. Lacken, Druckfarben, Klebernoder zur Beschichtung oder Kaschierung dienenden hochmolekularen Stoffen auf Metalloberflächen, die vor der erfindungsgemässen Behandlung durch bekannte chemische oder physikalische Methoden von anhaftenden Verunreinigungen gesäubert wurden.
Eine solche Oberfläche bietet z. B. durch den sogenannten Glühprozess entfettete Bleche, Bänder oder Folien aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
Bisher wurden vielfach zur Erhöhung der Hafteigenschaften chemische Haftvermittler (Primer) benutzt, deren Anwendung indessen nicht nur einen erheblichen Aufwand verursachte, sondern in derRegel auch einen zusätzlichen Arbeitsgang zur Folge hatte. Ausserdem bietet die Aufbringung von Haftvermittlern vielfach zu wenig Sicherheit in jenen Fällen, in denen an die geforderte Haftfestigkeit hohe Ansprüche, z. B. durch gesteigerte technische, mechanische oder chemische Beeinflussungen, gestellt werden. Ausserdem erleidet die Wirksamkeit chemischer Haftvermittler oft erhebliche Einbussen, wenn z. B. bei durch Glühen entfetteten Metalloberflächen die Entfettung nicht vollständig ist oder sich sonstige Verunreinigungen auf der Metalloberfläche befinden.
Erfindungsgemäss werden diese und andere Mängel bei dem eingangs geschilderten Verfahren dadurch vermieden, dass die in bekannter Weise gereinigte, insbesondere durch Glühen entfettete Metalloberfläche einer Behandlung in einem hochfrequenten, hochgespannten Wechselfeld mit einer Spannung von mehr als 50 000 V, vorzugsweise zwischen 400 000 und 600 000 V, und einer Frequenz von mindestens 25 kHz unterworfen und dabei das Metall als Gegenpol zu der oder den Behandlungselektroden geschaltet wird.
Versuche haben ergeben, dass auf diese Weise eine hervorragende Haftfestigkeit zwischen den oben genannten Stoffen und den Metalloberflächen erzielbar ist, die sich in vieler Hinsicht vorteilhaft auswirkt ; z. B. lassen sich auf Grund des erheblich gesteigerten Haftvermögens der Aluminiumoberfläche beim Beschichten von Aluminiumfolien mit Polyolefinen an Extrusionsmaschinen haftfesteverbindungen zwischen speziellen, normalerweise schlecht an Aluminium haftenden Polyolefintypen und der Aluminiumoberfläche ermöglichen bzw. wesentlich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten als bisher erzielen.
Ausserdem wird erfindungsgemäss der weitere Vorteil erreicht, dass z. B. bei HochdruckpolyäthylenExtrusionsbeschichtungen mit wesentlich niedrigeren Temperaturen in der Breitschlitzdüse gearbeitet werden kann. Bei Versuchen liess sich z. B. die Extrusionstemperatur bestimmter Polyäthylentypen um 20 - 300C unter die normalerweise erforderliche Temperatur senken, ohne dass die Haftfestigkeit auf der Metalloberfläche unter die erforderlichen Werte sank. Durch die geringere Hitzebelastung bleibt die Polyäthylenschicht wesentlich geruchfreier, was besonders im Hinblick auf die Verwendungsmöglichkeit
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der auf diese Art beschichteten Aluminiumfolie als Packstoff in der Lebensmittelindustrie von grösster Bedeutung ist.
Wesentlich kann es auch sein, dass die bisher bestehende Notwendigkeit der Benutzung von Haftvermittler zwecks Steigerung der Haftfestigkeit erfindungsgemäss entfallen kann. Entschliesst man sich
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thoden, wie Eloxieren u. dgl., so bringt das erfindungsgemässe Verfahren den Vorteil, dass diese her- kömmlichen Verfahren in ihrer haftvermittelnden Wirkung verbessert werden ; d. h. durch Kombination beider Verfahren lässt sich eine bisher nicht erreichbare hohe Haftung erzielen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist ausser auf Aluminium auch auf Oberflächen, insbesondere Fo- lien und Bänder aus Stahl, verzinntem und verzinktem Stahl, Kupfer, Blei und verzinktem Blei als auch Zinn anwendbar.
Solche Folien wurden versuchsweise vorbehandelt und an einer Extrusionsmaschine mit zirka 50g/m2
Hochdruckpolyäthylen beschichtet. Durch die Vornahme der elektrischen Vorbehandlung kam man in allen Fällen zu Haftwerten, die denen bei Beschichtung ohne elektrische Vorbehandlung weit überlegen waren. Die Vorbehandlung fand in allen Fällen in einem Abstand von zirka einem Meter vor der Extruderdüse statt. Die Polyäthylentemperatur der Breitschlitzdüse betrug zirka 2800C. Die Spannung betrug 600 000 V und die Frequenz 50 kHz. Die Spaltöffnung zwischen der zu behandelnden Oberfläche und der Behandlungselektrode betrug immer zirka 2 mm.
Blei und Zinn wurden mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 20 m/min, die andern angeführten Metalle bei einer Geschwindigkeit von 60 m/min beschichtet.
Bei den Metallqualitäten handelte es sich um handelsübliche Qualitäten und es konnte festgestellt werden, dass der Reinheitsgrad bzw. die Analyse des Materials fast ohne Einfluss auf den Wirkungsgrad der elektrischen Haftvorbehandlung ist. Die Breiten der Metallbahnen lagen zwischen 30 und 80 cm.
Für die praktische Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung hat es sich als zweckmässig erwiesen, das hochgespannte Wechselfeld über eine in der Ausführungsform bekannte feststehende Elektrode auf die Oberfläche des als Gegenpol geschalteten Metalles zur Einwirkung zu bringen. Die Elektroden werden vorzugsweise mit speziellen Isoliermaterialien an der Behandlungsseite versehen.
Die Elektroden können feststehend oder als umlaufende Walzen ausgebildet sein. Die vorstehend erwähnte Ausbildung der Elektrode als Walze hat den Vorteil, dass eine linienförmige Entladung über die ganze Materialbreite erzeugt werden kann, wobei der Ort der Entladung auf der Walze bei deren Rotation dauernd verändert wird. Hiedurch ist die Gefahr ausgeschlossen, dass die Behandlungswalze unzweckmässig erwärmt oder örtlich überhitzt wird. Ausserdem besteht die Möglichkeit, die Walze notfalls zu kühlen. Zweckmässigerweise erfolgt die Anbringung der Walze in gut isolierenden Lagern, um Spannungsverluste zu vermeiden.
Die zwischen der Elektrode und der Metallbahn einzuhaltende Spaltbreite hängt weniger von der Leitfähigkeit des Dielektrikums im Spalt als von der Höhe der angelegten Spannung ab. Als Dielektrikum im Spalt wirkt im wesentlichen Luft, deren Sauerstoffanteil wie bekannt unter dem Einfluss der einwirkenden elektrischen Energie zurOzonbildung angeregt wird. Die Spaltbreite beträgt in der Regel 0, 5 bis 3 mm. Da der erreichbare Hafteffekt von der Art des Metalles bzw. der Legierungszusammensetzung abhängig ist, ist es in manchen Fällen zweckmässig, die erfindungsgemässe Behandlung wiederholt vorzunehmen ; z. B. in der Weise, dass mehrere Elektroden hintereinander angeordnet werden.
In gleicher Weise kann durch mehrere hintereinander angeordnete Elektroden die Durchlaufgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden. Ausserdem kann man das Blech oder die Folienbahn auch so führen bzw. die Behandlungselektroden so anordnen, dass in einem Durchlauf beide Manteloberflächen durch je eine oder mehrere Elektroden behandelt werden, wodurch die Hafteigenschaften beidseitig verbessert werden. Die erfindungsgemässe Behandlung wird vorteilhaft an langen Metallbahnen (Rollen) bzw. Halbzeugen in Fertigungslängen vorgenommen, weil sich auf diese Art eine möglichst kontinuierliche Arbeitsweise durchführen lässt. Bei Formatblechen z.
B. erfolgt sie entweder intermittierend oder der Vorschub
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mässigerweise werden die in der unmittelbaren Nähe der Behandlungselektrode ober-und unterhalb der Formatbleche zum Zwecke der präzisen Bahnführung notwendigen Führungswalzen aus nichtleitenden Materialien wie Gummi od. ähnl. gewählt, um Überschläge neben der zu behandelnden Metallbahn zu vermeiden. Wird die angelegte Spannung hoch genug gewählt, so lässt sich ohne merkliche Beeinflussung des späteren Hafteffektes oder anderer Nachteile die Breite der zu behandelnden Bleche beliebig variieren.
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Das Verfahren lässt sich, wie bereits erwähnt, auch bei Halbzeugen, insbesondere bei Rohren, an- wenden. Hier ist die Form der Elektrode genau der zu behandelnden Metalloberfläche anzupassen. Man kann das Verfahren gemäss der Erfindung auch so ausführen, dass die Behandlung unmittelbar vor dem
Lackieren, Bedrucken, Kaschieren und Beschichten vorgenommen wird. Es ist jedoch auch möglich, die
Einwirkung des Wechselfeldes getrennt von der Weiterverarbeitung durchzuführen und die Weiterverar- beitung in Form des vorgenannten Lackierens, Bedruckens, Kaschierens und Beschichtens erst zu einem späteren Zeitpunkt folgen zu lassen.
Die Erfindung wird an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert : Beispiel l : Wird eine weichgeglühte Aluminiumfolie von 0, 015 mm Dicke und 1000 mm Brei- te ohne vorhergehende chemische oder anders geartete Oberflächenbehandlung auf einer Extrusionsma- schine mit Hochdruckpolyäthylen beschichtet, so erweist sich ab einer Arbeitsgeschwindigkeit von
30 m/min aufwärts die Haftung zwischen Aluminiumoberfläche und Polyäthylen bei einer Polyäthylen- temperatur in der Breitschlitzdüse von zirka 280 C bereits als unzureichend.
Bei Vornahme der erfin- dungsgemässen elektrischen Vorbehandlung von 600 000 V, 50 kHz im Abstand von zirka 1 m vor der Extruderdüse, erwies sich die Haftung jedoch als so gut, dass man die Hochdruckpolyäthylenschicht von
0,050 mm Dicke, selbst bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 60 m/min und mehr aufgebracht, nicht mehr von der Aluminiumfolie lösen konnte, ohne den Polyäthylenfilm zu zerreissen. Der Abstand zwi- schen Walzenelektrode und Aluminiumoberfläche betrug dabei 1,2 mm.
Beispiel 2 : In einem weiteren Versuch wurde ein weichgeglühtes Aluminiumband von 0, 050 mm
Dicke und 800 mm Breite ohne vorhergehende chemische oder anders geartete Oberflächenbehandlung bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von 25 m/min dem erfindungsgemässen elektrischen Behandlungsverfahren unterworfen. Die elektrischen Bedingungen entsprachen den im Beispiel 1 angegebenen. Die Rolle wurde nach fünfzehntägiger Lagerung auf einer Extrusionsmaschine mit Hochdruckpolyäthylen be- schichtet. Polyäthylentemperatur in der Breitschlitzdüse : 2800C ; Polyäthylenschichtdicke : 70 g/m'. Die mit Hilfe dieser Arbeitsweise erreichte Haftung konnte auch hier gegenüber dem bekannten Stand der
Technik erheblich verbessert werden.
Beispiel S: Ein zwischenhartes Aluminiumband von 0, 2 mm Dicke und 600 mm Breite wurde ohne herkömmliche Oberflächenvorbehandlung auf einer Einbrennlackiermaschine mit einem für solche Zwecke üblichen Lack versehen (Walzenauftrag) ; Arbeitsgeschwindigkeit : 5 m/min ; Einbrenntem- peratur : 2300C ; Lackfilmdicke 5 g/m 2. Bei herkömmlicher Arbeitsweise war die Lackhaftung für höch- ste Ansprüche nicht ausreichend.
Nach der erfindungsgemässen elektrischen Oberflächenbehandlung bei den im Beispiel 1 geschilderten Betriebsbedingungen und elektrischen Daten - jedoch bei einem Abstand der Behandlungselektrode von 1, 5 m vom Lackierwerk - erwies sich die Haftung der Lackschicht auf der Aluminiumoberfläche als so gut, dass selbst schwierige Verformungen durch Tiefziehen ausgeführt wer- den konnten, ohne dass die Haftung der Lackschicht auf dem Aluminium überbeansprucht wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Stoffen, wie z. B. Lacken, Druckfarben, Klebern oder zur Beschichtung oder Kaschierung dienenden hochmolekularen Stoffen auf Metalloberflächen, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die in bekannter Weise gereinigte, insbesondere durch Glühen entfettete Metalloberfläche einer Behandlung in einem hochfrequenten, hochgespannten Wechselfeld mit einer Spannung von mehr als 50000 V, vorzugsweise zwischen 400 000 und 600000 V, und einer Frequenz von mindestens 25 kHz unterworfen und dabei das Metall als Gegenpol zu der oder den Behandlungselektroden geschaltet wird.