Elektrische Koronaentladung (Koronabehandlung)
Wichtigste Erkenntnisse
- Korona ionisiert Umgebungsluft über einen kleinen Spalt zwischen einer Elektrode und einer geerdeten Fläche und bildet ein Niedertemperaturplasma.
- Typisch sind 10–30 kV Wechselspannung an einer scharfen oder ummantelten Elektrode.
- Sie erhöht die Oberflächenenergie, sodass Druckfarben und Klebstoffe auf Polyethylen-, Polypropylen- und Polyesterfolien benetzen.
- Sie hat praktisch keine Reinigungswirkung – Verunreinigungen müssen vor der Behandlung entfernt werden, nicht durch sie.
Elektrische Koronaentladung
Die Behandlung mit elektrischer Koronaentladung erhöht die Oberflächenenergie von Kunststofffolien, -platten und -bahnen, indem sie diese bei Atmosphärendruck durch eine hochfrequente elektrische Hochspannungsentladung in Luft führt. Sie ist die dominierende Vorbehandlung in der kontinuierlichen Bahnverarbeitung – Extrusionsbeschichtung, flexible Verpackung, Etikettenmaterial und Folienbedruckung –, weil sie schnell, pro Quadratmeter günstig und direkt in die Linie integrierbar ist.
Wie eine Koronaanlage aufgebaut ist
Die Bahn läuft durch einen schmalen Spalt zwischen einer Hochspannungselektrode und einer geerdeten Walze. Eine der beiden Flächen trägt eine dielektrische Beschichtung. Wird eine hochfrequente Hochspannung über den Spalt gelegt – typischerweise im Bereich von 10–20 kV bei 10–30 kHz –, ionisiert sie die Luft und erzeugt die sichtbare violette Entladung, die dem Verfahren den Namen gibt.
Die in dieser Entladung gebildeten reaktiven Sauerstoffspezies oxidieren die Polymeroberfläche und pfropfen Hydroxyl-, Carbonyl- und Carboxylgruppen auf das Kohlenwasserstoffgerüst. Polyethylen- und Polypropylenfolien, die unbehandelt im Wesentlichen nicht bedruckbar sind, steigen in einem Durchlauf routinemäßig von etwa 30 dyne/cm auf 40–46 dyne/cm.
Dosis und ihre Kontrolle
Die Koronabehandlung wird als Leistungsdichte quantifiziert – die je Flächeneinheit und Zeiteinheit eingebrachte Leistung, üblicherweise in W·min/m² angegeben:
Leistungsdichte = Leistung (W) ÷ [ Bahnbreite (m) × Liniengeschwindigkeit (m/min) × Anzahl behandelter Seiten ]
Die Leistungsdichte konstant zu halten, hält bei geänderter Liniengeschwindigkeit das Dyn-Niveau konstant. Eine bei 100 m/min richtig eingestellte Anlage behandelt bei 200 m/min zu wenig, sofern die Leistung nicht proportional erhöht wird.
Typische Probleme
- Abklingen der Behandlung. Koronabehandelte Folie verliert über Tage bis Wochen Oberflächenenergie, weil sich Polymerketten umorientieren und niedermolekulares oxidiertes Material wandert. Gleit- und Antiblockadditive beschleunigen den Verlust. Rollenware sollte innerhalb ihres validierten Fensters bedruckt oder kaschiert werden, nicht Monate später.
- Rückseitenbehandlung. Die Entladung kann bei dünnen oder schmalen Bahnen um die Kante herumgreifen und die Rückseite behandeln, was in der gewickelten Rolle zum Verblocken führt. Richtige Walzenbeschichtung und Spalteinstellung beherrschen das.
- Pinholes und Mikroperforation. Eine zu hohe Leistungsdichte auf dünner Folie kann sie durchlöchern oder eine schwache, überoxidierte Grenzschicht erzeugen, die kohäsiv versagt – mehr Behandlung ist nicht besser.
- Ozon. Es entsteht kontinuierlich; Absaugung und Zerstörung sind erforderlich.
- Geometrie. Das Verfahren eignet sich für zweidimensionale Bahnen. Geformte dreidimensionale Teile erfordern stattdessen Flammenplasma, Atmosphärendruckplasma oder Kaltgasplasma.
Messung
Dyn-Stifte und Benetzungsspannungslösungen nach ASTM D2578 bleiben die Standardprüfung in der Fertigung; sie werden über die Bahnbreite angewendet, um die Gleichmäßigkeit zu bestätigen, nicht an einem einzelnen Punkt. Die Abweichung zwischen Rand und Mitte ist ein häufiger und leicht übersehener Fehler. Für Validierungsarbeiten liefert die Kontaktwinkelmessung den quantitativen Wert der Oberflächenenergie – der Ansatz, der in der Wissenschaft hinter der Lösung von Haftungsproblemen bei Kunststoffen dargelegt ist.
Leistungsdichte-Ziele in der Praxis
Die Leistungsdichte ist die Steuergröße, aber entscheidend ist das Dyn-Niveau, das sie auf einem bestimmten Substrat erzeugt. Dies sind die in der Bahnverarbeitung üblichen Bereiche; betrachten Sie sie als Ausgangspunkt für einen Versuch und nicht als Spezifikation, denn Gleit- und Antiblockpakete verschieben die Anforderung erheblich:
| Substrat | Oberflächenenergie unbehandelt | Üblicher Zielwert nach der Behandlung | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| LDPE-Folie | Etwa 31 dyne/cm | 38–44 dyne/cm | Gleitadditive wandern schnell und ziehen das behandelte Niveau wieder herunter |
| HDPE-Folie | Etwa 31 dyne/cm | 38–44 dyne/cm | Ähnlich wie LDPE; das Abklingen ist in der Regel langsamer |
| BOPP | Etwa 29 dyne/cm | 38–42 dyne/cm | Das klassische Koronasubstrat; Überbehandlung führt leicht zum Verblocken |
| PET-Folie | Etwa 41 dyne/cm | 46–52 dyne/cm | Startet höher, daher ist die nötige Steigerung kleiner |
| Nylonfolie | Etwa 40 dyne/cm | 46–52 dyne/cm | Hygroskopisch – die Umgebungsfeuchte beeinflusst den Messwert |
| Polyethylen-Extrusionsbeschichtung | Niedrig und mit der Schmelztemperatur sinkend | Bestimmt durch die Anforderung an den Laminierverbund | Ozonbehandlung des Schmelzevorhangs begleitet häufig die Korona auf dem Substrat |
Legen Sie die Anforderung anhand der tatsächlich verwendeten Druckfarbe, des Klebstoffs oder der Beschichtung fest und nicht anhand eines allgemeinen Dyn-Ziels. Eine Spezifikation, die 42 dyne/cm verlangt, weil die Branche oft 42 dyne/cm sagt, ist eine Spezifikation, die niemand getestet hat.
Fehlersuche an einer Koronalinie
| Symptom | Wahrscheinliche Ursache | Abhilfe |
|---|---|---|
| Dyne-Wert in der Mitte korrekt, an den Rändern niedrig | Elektrode deckt nicht die volle Bahnbreite ab oder der Spalt variiert über die Walze | Immer über die Breite messen, nie an nur einer Stelle. Elektrodenlänge mit der Bahnbreite abgleichen und die Spaltgleichmäßigkeit prüfen. |
| Behandlungsniveau sinkt bei höherer Liniengeschwindigkeit | Die Wattdichte sinkt, weil die Leistung nicht proportional angehoben wurde | Die Leistung an die Liniengeschwindigkeit koppeln, sodass die Wattdichte konstant gehalten wird statt der Leistung. |
| Rolle verblockt beim Abwickeln | Rückseitenbehandlung – Entladung greift um eine dünne oder schmale Bahn herum | Walzenbelag und Spalt korrigieren. Prüfen, ob die Bahnbreite zur Elektrodenkonfiguration passt. |
| Guter Dyne-Wert, dennoch schlechte Tintenhaftung | Verunreinigung. Korona aktiviert alles auf der Oberfläche, auch die Verunreinigung | Die Quelle finden – Ausblühen von Gleitadditiv, Kompressorölverschleppung, Trennmittel, luftgetragenes Silikon. Korona hat praktisch keine Reinigungswirkung. |
| Haftung bei der Weiterverarbeitung gut, Wochen später versagend | Abklingen der Behandlung bei gelagerter Rollenware | Ein validiertes Zeitfenster zwischen Behandlung und Weiterverarbeitung festlegen und durchsetzen. Den Dyne-Wert an gealterten Rollen vor dem Einsatz erneut messen. |
| Nadelstiche oder schwache, pudrige Oberfläche | Überbehandlung – zu hohe Wattdichte hat die Oberfläche zu einer schwachen Grenzschicht geschädigt | Wattdichte verringern. Mehr Behandlung ist nicht besser; eine überoxidierte Schicht versagt kohäsiv. |
| Ergebnis schwankt mit dem Wetter | Die Umgebungsfeuchte beeinflusst die Entladung und bei hygroskopischen Folien den Messwert | Umgebungsbedingungen zusammen mit den Dyne-Werten protokollieren, bevor man auf eine Drift der Behandlungsanlage schließt. |
Wo die Korona unter den Vorbehandlungen steht
| Korona | Flammenplasma | Atmosphärendruckplasma | Kaltgasplasma | |
|---|---|---|---|---|
| Optimale Geometrie | Zweidimensionale Bahn | Bahn und einfache dreidimensionale Teile | Dreidimensional, selektive Bereiche | Komplexe dreidimensionale Teile, Charge |
| Reinigungswirkung | Praktisch keine | Gewisse | Gut | Ausgezeichnet |
| Kosten pro Flächeneinheit | Niedrigste | Niedrig | Mäßig | Höchste |
| Linienintegration | Direkt, inline | Inline | Inline oder robotergeführt | Charge, Vakuumkammer |
| Behandelt abgeschattete Flächen | Nein | Nein | Nein | Ja |
| Dauerhaftigkeit der Aktivierung | Tage bis Wochen | Tage bis Wochen | Stunden bis Tage | Die längste der vier |
Weiterführende Begriffe und Lektüre
- Dienstleistungen zur Behandlung mit elektrischer Koronaentladung
- Alle Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung von Polymeren
- Fortschrittliche Technologien zur Dekoration von Polyethylen
- Tintenstrahldruck und Haftung bei Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie
Anwendung in der Produktion
The Sabreen Group bietet unabhängige Ingenieurunterstützung bei der Optimierung der Koronabehandlung und der Fehlersuche bei der Bahnvorbehandlung. Ob Sie einen Prozess spezifizieren, einen Werkstoff qualifizieren oder ein Produktionsproblem beheben: Unser Team für Ingenieurdienstleistungen hilft Ihnen gern. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung zu besprechen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Behandlung mit elektrischer Koronaentladung?
Eine Oberflächenbehandlung, die ein elektrisches Hochspannungsfeld über einen kleinen Luftspalt legt und die Umgebungsluft nahe der Materialoberfläche zu einem schwachen, büschelartigen Plasma ionisiert. Die entstehenden reaktiven Spezies oxidieren die Oberfläche und erhöhen ihre Energie, sodass Druckfarben, Klebstoffe und Beschichtungen benetzen können.
Welche Spannung nutzt die Koronabehandlung?
Wechselstrom, typischerweise zwischen 10 und 30 kV, an einer scharfen oder ummantelten Elektrode. Das intensive Feld ionisiert die umgebenden Luftmoleküle und erzeugt reaktive Sauerstoffspezies und UV-Photonen, die die Oberfläche verändern.
Welche Werkstoffe profitieren am meisten von der Koronabehandlung?
Polymere mit niedriger Oberflächenenergie, die sich dem Kleben widersetzen – besonders Polyethylen-, Polypropylen- und Polyesterfolien. Sie wird bei diesen Substraten häufig vor Bedrucken, Kaschieren, Beschichten und Kleben eingesetzt.
Reinigt die Koronaentladung die Oberfläche auch?
Im Wesentlichen nein. Korona hat praktisch keine Reinigungswirkung, sodass Schmutz, Fett, Öle, Silikone, Trennmittel und Gleitmittel vor der Behandlung entfernt werden müssen. Die Behandlung über einer Verunreinigung aktiviert lediglich die Verunreinigung und nicht das Substrat.
Wie lange hält die Koronabehandlung?
Die Behandlung altert, und die Lagerfähigkeit hängt vom Harz, seiner Formulierung und der Lagerumgebung ab. Niedermolekulare Stoffe, die zur Oberfläche wandern, verringern die Wirkung fortlaufend, daher sollten Kleben, Beschichten oder Bedrucken so bald wie praktikabel folgen.
Welche Leistungsdichte sollte ich fahren?
Die, die das Dyn-Niveau hält, das die Druckfarbe, der Klebstoff oder die Beschichtung tatsächlich verlangt – die Zahl sollte aus einem Versuch mit der realen Chemie stammen, nicht aus einem allgemeinen Branchenwert. Polyolefinfolien steigen üblicherweise von etwa 30 dyne/cm unbehandelt auf 38–44 dyne/cm behandelt; PET und Nylon starten höher und zielen auf 46–52. Halten Sie bei geänderter Liniengeschwindigkeit die Leistungsdichte konstant, nicht die Leistung.
Warum versagt die Haftung, obwohl der Dyn-Wert stimmt?
Fast immer durch Verunreinigung. Korona hat praktisch keine Reinigungswirkung und aktiviert daher alles, was auf der Oberfläche liegt – Ausblühungen von Gleitadditiven, Ölverschleppung aus dem Kompressor, Trennmittel oder luftgetragenes Silikon. Ein Dyn-Stift misst die Oberflächenenergie der Verunreinigung ohne Weiteres. Suchen und beseitigen Sie die Quelle, statt das Behandlungsniveau zu erhöhen, was nicht hilft.
Kann eine koronabehandelte Rolle vor dem Bedrucken gelagert werden?
Nur innerhalb eines validierten Fensters. Behandelte Folie verliert über Tage bis Wochen Oberflächenenergie, weil sich Polymerketten umorientieren und niedermolekulares Material zur Oberfläche zurückwandert; Gleit- und Antiblockadditive beschleunigen den Verlust. Legen Sie das Fenster für die konkrete Folie und die Lagerbedingungen fest, setzen Sie es durch und messen Sie bei jeder gealterten Rolle das Dyn-Niveau über die Breite erneut, bevor Sie sie verarbeiten.
Fordern Sie Ihr kostenloses Angebot an
Scott Sabreen — Präsident und Chefingenieur, über 30 Jahre Erfahrung. Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Anwendung und die Lösungen von SABREEN unverbindlich und kostenlos zu besprechen. Bringen Sie uns Ihre schwierigsten Herausforderungen.
Telefon: +1 972-820-6777
Häufig gestellte Fragen
Was ist die elektrische Koronaentladungsbehandlung?
Die klassische elektrische Koronaentladung – die dielektrisch behinderte Entladung – arbeitet mit Generator und Elektroden an einer Hochspannungsquelle, einer Gegenelektrode auf Nullpotential und einem Dielektrikum als Barriere. Es handelt sich um eine hochfrequente Hochspannungsentladung, die eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten erzeugt und typischerweise eine Erdung bei über 35 kV und 20 bis 25 kHz erfordert.
Lassen sich mit Koronaentladung auch dreidimensionale Bauteile behandeln oder nur flache Folien?
Individuelle Elektrodenkonfigurationen erlauben die Behandlung sehr unterschiedlicher Oberflächengeometrien – flach, gewölbt, vertieft und eingeschlossen. Eine dokumentierte Anwendung ist eine Korona-Behandlungsanlage für elektrische Steckverbinder, bei der eine Kombination aus Nadel- und Kugelelektroden dreidimensionale Bohrungen kleinen Durchmessers und flache Außenflächen gleichzeitig behandelt; beschrieben im US-Patent US5051586 (1991).
Ist Atmosphärenplasma ein günstigerer Ersatz für die Koronaentladung?
In der Regel nicht. Die Koronaentladung ist auf größeren Flächen und bei größerer Behandlungstiefe oft wirksamer, und viele Atmosphärenplasma-Anlagen sind tatsächlich teurer statt günstiger. Die Entscheidung sollte nach Behandlungsanforderung und Geometrie fallen, nicht nach einer Annahme über die relativen Kosten.
Wie wirksam reinigt die Koronaentladung?
Sie hat sich als recht wirksam erwiesen, um die unsichtbaren Kohlenwasserstoffrückstände zu entfernen, die nach einer Lösemittel- oder Tensidwäsche zurückbleiben. Deshalb wird sie häufig als Schritt nach der Reinigung eingesetzt und nicht als deren Ersatz.
Entsteht bei der Koronaentladung Ozon?
Ja. Im Plasmabereich entsteht durch die elektrische Entladung Ozon, das in der Anlage beherrscht werden muss.
