Nano Mikro Technologien für Materialbahnveredelungen

2008-05-24T04:03:14+01:00

Clustertechnologien für Materialveredelungen

Zur Ventilation oder Atmungsaktivierung werden Zigaretten-, Mundstückbelag-, Filter-, beschichtete Spezial-, Kraft-, Sack- oder Verpackungspapierbahnen, Vliesstoffe, spun bonded nonwoven, technische Textilien, Fabrics und Laminate mit Flächengewichten von 20 g/m2 bis zu 140 g/m2 elektrostatisch ESP Nano, Mikro oder Laser- oder mechanisch Mikro oder Makro perforiert.

Unter elektrostatischer ESP NANO MIKRO PERFORATION sind statistisch unregelmäßig verteilte, in der Größe, wenn gewünscht mit bis zu 40 % variierende und analog hierzu unter LASER Mikro oder Makro PERFORATION, gleichmäßig angeordnete und im Durchmesser etwa gleichgroße, nach Möglichkeit runde, gradfreie Löcher und Lochreihen verschiedenster Anordnung zu verstehen.

Im bis 1.5 mm weiten atmosphärischen Elektrodenspalt erfolgt durch Blümlein- und dielektrisch geförderte Mikroendladungen mit Filametierung die Erzeugung eines Plasmentunnels zum ionisierten Funkenstreckenkanal im Nanosekundenzeitfenster. Mit jeder Entladung und Deionisation entsteht für die im Elektrodenspalt relativ schnell durch bewegte Materialbahn eine elektrostatische Nano oder Mikroperforation mit sehr präzise gesteuerten Energieanteilen von 0.1 bis 3 mJ pro Pore, die mit dem menschlichen Auge unsichtbar ist und vollflächig wie auch zonenförmig in bestimmten Abständen über die Bahnbreite verteilt sein kann.

Erzielbaren Lochgrößen sind im Durchmesserbereich von 100 nm - 80 µm bei Lochsequenzen von 1.5 – 16 Million Poren pro Sekunde möglich.

Zonenanordnungen sind in Breiten von 2 bis 6 mm und Porendichten von 120 bis 250 Poren pro cm2 erreichbar, wobei Flächenperforationen Lochdichten bis zu 3 Million Poren pro m2 generieren.

ESP Perforationen ermöglichen Porositätsbereiche von 80 bis 2500 C.U. ( Coresta Unit ml/2cm2/min ), Bahnbreiten von 100 bis 2000 mm bei Bahngeschwindigkeiten bis zu 500 m/min, abhängig von der Porosität und Materialkonsistenz zur Perforierbarkeit.

Anforderungsprofile

Kardinalforderungen die für viele Applikationsbereiche und Produkte mit Vliesstoffen, Sack- oder Verpackungsbahnen mit einer Gas- oder Wasserdampfdurch- aber Wasserundurchlässigkeit verbunden sind, finden sich im Anwendungsbereich der ELEKTROSTATISCHEN NANO MIKRO PERFORATIONSTECHNIK wieder, da Wasser oder andere Flüssigkeiten die relativ kleinen Nano oder Mikroporen von z.B. < 0.5 - 5 µm Durchmesser aufgrund der hydrophoben Oberfläche nicht penetrieren kann.

Diese und weitere physikalische Vorteile der kleinen Poren fordern regelrecht den Einsatz der ESP Mikroperforationsmethode heraus, da Erfüllungen zur Atmungsforderung und Wasserdampfdurchlässigkeit z.B. nach der ASTM E96-80 oder E96-84 Messmethode mit 100 – 800 g/m2/Tag mit anderen Perforations- oder Prozessverfahren nur äußert schwierig machbar, zu teuer, zu unwirtschaftlich oder bei derart hohen Lochdichten technologisch nicht erreichbar sind.

Produktanwendungen

Elektrostatisch Nano oder Mikro perforierte Packmittel oder Folienverbunde verschiedenster Art lassen sich beispielhaft für folgende Produkte und Applikationen verwenden bzw. meist nur durch deren Veredelung erst praktisch realisieren.

atmungsaktive Wanddekorationen mit Beschichtungen oder PVC Verbunden
Wandtapeten wie z.B. Venyl Tapeten oder andere PE Coating mit Feuchtigkeitsaustausch des aufgetragenen Klebers
Papiere zum Verkleben von Gipsplatten für den Innenausbau zur Blasenauflösung von Klebemittel
Kanten- oder Eckenschutzkraftpapiere mit Luftblasendiffusion der Auftragskleber
Vliesverbunde mit dünnen PE Schichten zum Außenschutz und Gasaustausch von Holzhäusern
Unterdachspannbahnen aus Verbundmaterialien mit Gewebeeinlagen zum Gasaustausch zur Vermeidung von Kondenswasserbildung
atmungsaktive Overalls oder Einmalberufskleidung aus spun-bonded PE Vliese
PE beschichtete Papiere für Füllgutsäcke, Granulate, Zementsäcke, Tierfutter oder andere Verpackungseinheiten, die einen Luft Auslass zur vorteilhaften Befüllung oder Warengutbelüftung zur Lagerung benötigen
Bekleidungseinlagen oder inlets mit atmungsaktiven und angenehmen Trageeigenschaften
Seifen, Deo und body care Produkte oder Verpackungen mit Duftstoffsuggerierung als erstklassiges Marketinginstrument
Trage-, Gemüse- oder Blumenverpackungen aus Papier oder Papierersatzverbundstoffen mit Gasaustausch
Brot- oder Brötchenverpackungen aus Papierverbundstoffen zur Erhaltung des Frischheitgrades
technische Industrieverbundfolien oder Papierersatzmaterialien für industrielle Filtrationszwecke
Nanofiltration, Mikrofiltration, Nanomembrane, Mikromembrane, Batterieseparatoren,
Bioanalyse, Alkoholfiltration, Flüssigkeitsfiltration, Medizintechnik, Analysetechnik

beispielhafte Produktvorteile und Anwendungsfelder

signifikante Reduktion von Sack- oder Beutelbefüllungszeiten um bis um 100 %
attraktive Luftdurchlässigkeitsbereiche bei 200 - 350 C.U. was 6.5 bis 3.5 Gurley bzw. 14 - 6 Gurley s/100ml entspricht
vollständig nach außen erhaltener Schutz des Verpackungsproduktes
Luft Auslass ohne Beeinträchtigung verpackter Produkte und deren elementarer Eigenschaften
Erhaltung der Barriereeigenschaften
Duft Übertragung und Suggestion an Produktkäufer ohne die Packung zuvor zu öffnen
Atmungsaktivität von Wandtapeten oder anderen Wandverkleidungen um Schimmelbildung und Fäulnis zu vermeiden
Brotpapierverpackungen zur längeren Haltbarkeit
Atmungsaktivität und Tragkomfort von Bekleidungseinlagen oder inlets
Einwegbleidungsindustrie, Lackier- oder Kesselanzüge, usw.
Unterdachspannbahnen zum Luftaustausch von Innen nach Außen zur Verhinderung von Tropfsteinhöhleneffekte

Ventilation von Massenprodukten
Die elektrostatische Mikroperforation ist seit 30 Jahren zur Ventilation von wenigen Nichtfilter- und jetzt für fast alle im Markt befindlichen Filterzigaretten eingesetzt, um gesteuerte Luft Bypass Eigenschaften, dem so genannten Lindströmprinzip, zu erzeugen. Hierzu wird das Zigarettenpapier für wenige Nichtfilterzigaretten z.B. auch Roll-your-own RYO und bei fast allen Filterzigaretten das Mundstückbelagpapier, dem so genannten Tipping aber auch das Plug-Wrap Papierblättchen, elektrostatisch im Offline Verfahren Zonen Mikro perforiert, um gewünschte Poren im Durchmesserbereich von 10 - 70 µm generieren.

Oder mit fokussierten Laserstrahlen in Offline Verfahren Lochreichenperforationen aber auch im Online Verfahren an der Filteransetzmaschine direkt durch das Mundstückbelagpapierblättchen bis in den Zigarettenfilter gewünschte Poren im Durchmesserbereich von 60 - 120 µm einzubringen, um so Nikotin-, Kondensat- und Schadstoffanteile für den Raucher über die gesteuerte Ventilationskombination auf strikt vorgegebene Werte zu reduzieren.

Vor vielen Jahren hat IPM u.a. auch zur Online Mikroperforation an Zigarettenherstellungsmaschinen ein Verfahren entwickelt und seinerzeit unter EP 0460369 sowie DE 4018209 zum Patent angemeldet, welche das Einbringen von Mikroperforationsprofilen über die jeweilige Zigarettenlänge sowie in deren Umfang an beliebigen Stellen des Zigarettenpapiers erlaubt.

http://www.freepatentsonline.com/EP0460369.html

Resumee

Nur die elektrostatische Mikroperforation ermöglicht durch eine sehr präzise Energieeinkopplung, Filamentierung, dielektrisch geförderte Mikro- und Plasmenentladung eine nano oder mikrofeine Ventilation für Packmitteln mit Barriereeigenschaften, Atmungsaktivität von Massenprodukten, industriellen oder medizinischen Nano oder Mikromembranen, Vliesstoffe und insbesondere Papierbahnen verschiedenster Art bei großen Bahnbreiten und Geschwindigkeiten. Dieser Trend wird sich für spezielle Produkteigenschaften und Anwendungen weiter fortsetzen.

Durch Neuentwicklungen in der elektronischen Leistungsschaltungstopologie mit IGBT, BJT, MOSFETS, FRETFET oder HVFET zur Erzeugung sehr feiner, stromgesteuerter Hochspannungsentladungsimpulse im Zeitfenster von 10 ns bis 15 µs und einzelner Ladungsenergien von 0.1 bis 3 mJ hat die Nanotechnologie zur Submikroperforation auch im diesem Bereich der Feinpapierveredelung und Verpackungsindustrie Einzug gehalten. Patenterteilung DE10328937.

Kunststofffolien wie PE, PP, LDPE, BOPP, EVA HDPE lassen sich auch zukünftig besser mit hot oder micro needle oder anderen mechanischen sowie mit Gasendladungs- oder Festkörperlaser gesteuert perforieren. In diesem weiten Applikationsspektrum ist es denkbar auch dahingehend entwickelte, angepasste Laserperforationssysteme für Breitbahnen bis zu 2000 mm und Lochsequenzen über 3 Mil./Sek. einzusetzen.

Konventionelle Laserperforationstechnik

Durch gepulste, fokussierte Laserstrahlen sind mit im Markt angebotenen Anlagen Lochgrößen von 60 - 200 μm bei Lochdichten von typischer Weise 10 – 30 Löcher pro cm, Lochsequenzen von 100.000 bis 300.000 Löcher pro Sekunde, bei maximal 16 oder 32 Laserlochreihen über die Bahnbreite verteilt, möglich. Deren Porositätsbereiche bewegen sich zwischen 100 – 3000 C.U., in der Regel mit Bahnbreiten von 100 – 500 mm bei Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min, abhängig von der Porosität und Materialkonsistenz zur Perforierbarkeit.

Laserperforationstechniken von IPM

Mit Entwicklung eines Dual Hochleistungslasermultiplexers und optischen Eingangsleistungen bis zu 8 KW ( fast flow or SLAB Laser mit 10.6 μm Wellenlänge ) ist es erstmalig gelungen, bis zu 200 separierte optische Laserstrahlausgänge zu realisieren mit denen nunmehr Papier Perforationen in breiten Bahnen bis zu 2000 mm möglich sind.

Dies jetzt mit Lochsequenzen bis zu 2 Millionen pro Sekunde, Lochgrößen von 60 - 100 µm, Lochdichten von typisch 10 – 30 Löcher pro cm, Porositäten im Bereich von 100 bis 1000 C.U., Bahngeschwindigkeiten bis zu 400 m/min und non stopp 25.000 Meter Jumbo Rollenbetrieb auf der Ab- und Aufwicklung, was eine jährliche Ausbringung von bis zu 2000 Tonnen von laserperforierten Feinpapieren an dieser high Automationsproduktionsmaschine LPM-1 bei exorbitant geringen Papierausschuss von < 1% und QUAFÖ Qualitätszertifizierung einer jeder Produktionsrolle ermöglicht. Patenterteilung DE102004001327.

Hierbei ist das optische online Porosität POROVISION Messsystem OPSS-1 zur präzisen Positionskontrolle aller Laserperforationslinien sowie die permanente Erfassung der Porositätsprofile ein integraler Bestandteil der ISO Qualitätskontrolle und Datenauswertung zum Ende einer jeden Produktionsrolle. Patentanmeldung DE10251610 und Erteilung in China 200310104764.

Eine weitere Entwicklung in der Micro Laser Line Perforationstechnologie MLL-1 generiert einen nicht geradlinigen Lochreihenanordnung auf den Produkten. Z.B. sind auf Mundstückbelagpapierblättchen der Zigarettenfilter, RYO usw. jetzt losgelöst von den seit 20 Jahren traditionell koaxial verlaufenden Laserperforationen, wellenförmige, Zickzack, Rechteck, Dreieck, gewundene Lochreihenlinien oder Paare, Firmenlogos, Kryptogramme, anti-counterfeiting Merkmale oder andere Perforationsausführungsformen mit zeitlich sehr schnell und präzise aus gelenkten Laserstrahlen möglich. Alles dies bei Lochgrößen von 60 - 120 µm, Lochdichten von typisch 10 – 30 Mikrolöcher pro cm in einer jeder Lochreihe, Lochsequenzen von 100.000 bis 300.000 Löcher pro Sekunde bei Porositätsbereichen von 100 – 800 C.U.

Verfahrens-, Vorrichtung und Produktschutzanmeldung DE102004012081.

Verpackungs- und Kunststofffolienprodukte verschiedenster Art lassen sich mit dem neuen Mikro Laserperforationsverfahren MLL-1 in gleicher Weise veredeln oder behandeln.

Wobei sich die Anwendungen nicht nur auf das Perforieren beschränken, sondern auch für den Einsatz der gigantischen Industriebereiche zur Lasermaterialbearbeitung und Oberflächenbehandlungen wie schweißen, formen, trennen, vergüten, bohren, öffnen, fügen usw. übertragbar sind.

Optische online Porovision und Porositätsmessung
Naturporöse oder Mikroperforierte Bahnmaterialien bewegen sich mit Bahngeschwindigkeiten bis zu 600 m/min bei Bahnbreiten bis zu 2000 mm, so dass sich eine pneumatische, also bahn berührende Porositätsmessung, exorbitant schwierig gestaltet. Hinzu kommend sind diese Messmethoden mit Nachteilen der Bahnzugserhöhung, des Materialabriebs, der Faltenbildung, Undichtigkeit im Messkopfbereich, starken Verschmutzungen, Nichtlinearitäten und Schwierigkeiten beim Scannen unabdingbar verbunden.

Daher bieten sich optische Messverfahren zur Transmissionsmessung als Funktion der pneumatisch statischen Gasdurchlässigkeit für naturporöse oder Nano, Mikro oder Makro perforierte Bahnen an. Dabei sind die gestellten Anforderungen aufgrund der eingangs genannten Produktverarbeitung und online Kontrolle, extrem kleiner geometrischer Porenabmessungen, relativ hohen Bahngeschwindigkeiten und guter Messwertreproduktion mit der optischen Porositätsmesstechnik in idealer Weise zu lösen.

Hierzu hat IPM eine Reihe neuer, patenangemeldeter optischer Messverfahren und Systeme in stationärer oder traversierender Ausführung als OPSS-1 und OPRL-1, entwickelt, weltweit im Markt eingeführt und mit der DE 10251610 ( in China unter 200310104764 eingetragen ) zur Patentanmeldung geführt.

Porositätsmessbereiche von 80 C.U. bis 5000 C.U. mit Multifarbsensoren, Perforationslochreihenerfassungen mit Auflösungen < 0.1 mm durch integrierten Präzisionslinienlaser und Zeilenauslesung, Scanning Speeds von 20 bis zum 300 mm/Sek., intelligente DSP/Multicontroller Elektronik mit eigner Firmware und Signalvorverarbeitung im Sensorkopf, high speed RS-232 Link zum Master-PC oder PLC und deren Auswertesoftware sichern eine qualitative, quantitative online Kontrolle nach ISO 9001/9002 an verschiedenen Produktionsmaschinen.

Ausblick

Die elektrostatische Nano oder Mikroperforation findet vorzugsweise ihre Anwendung in Bereichen der Veredelung von Feinpapieren, Verpackungsbahnen, Vliesstoffen, Non-Woven, Filter-, Sack- oder Kraft- sowie Spezialpapiere verschiedenster Art, Nanomembrane, insbesondere bei der zusätzlichen Behandlung von Bahnmaterialien zur Erzielung besonderer Eigenschaften, welche aus physikalischen oder prozesstechnischen Gründen NICHT mit anderen Verfahrenstechniken erreichbar sind.

Die state-of-the-art, industrietaugliche und im Dreischichtbetrieb zuverlässig arbeitende ESP Perforationstechnik, deren Integrationsmöglichkeit in vorhandene Umroller- oder sonstige Bahnlaufanlagen sowie auch als völlig eigenständig arbeitende Perforationsmaschinen möglich sind, wird zukünftig neue Anwendungsbereiche erschließen und Produkte mit besonderen Eigenschaften entstehen lassen.

Pressebeitrag : Micro-perforation of running webs http://www.flexo.de/download/fga/1-2008/Inhalt_FGA_1_2008.pdf

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MLL-1 – Micro Laser Line Perforation for holes pattern, perforation design, e.g. waves, zigzag lines, line packages, cryptograms, company logos, holograms, anti counterfeiting, product indicators.

patent pending for process, device and product property DE102004012081.

LPM-1 – micro laser perforation at wide web material with high power CO2 dual laser beam multiplexers and splitters, patent grant for process and device DE102004001327.

ESP electrostatic nano micro perforation machines for cigarette, tipping, filter, packaging, plug-wrap and other paper products, patent grant for process and device DE10328937 of IGBT power switching unit.

Optical online OPSS-1 porovision control/scanning system for ESP or LASER perforation machines,

patent pending for process and device DE10251610 - China patent grant 200310104764.

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Links to patent references

http://www.wikipatents.com/gb/2149092.html

http://www.wikipatents.com/de/3332886.html

http://www.wikipatents.com/de/2918283.html

http://www.freepatentsonline.com/EP0460369.html

http://www.freepatentsonline.com/7224447.html

IPM – International Perforation Management

high-tech engineering - China – Germany - Thailand

http://www.microperforation.com

http://www.microperforation.com.cn

http://www.deguodaguan.com/ipm/

http://www.dk3qv.de

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Nano Mikro Engineering

Nano Mikro Technologien für Materialbahnveredelungen