Gefahr durch Wickelkondensator

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Materialschäden durch Entladungsfunken

Wickelkondensator als Staubsauger

Elektrisch isolierend oder ableitfähig?

Einfluss Luftfeuchtigkeit im Wickelbereich

Störungen im Druckbild oder der Beschichtung

Elektromagnetische Signale durch Funkenentladung

Koronavorbehandlung ist Doping für Elektrostatik

Elektrisch leitfähige Walzenlager

Hohe Zugspannung bedeutet hohe Ladung

Elektrisch leitfähige Walzenoberflächen

Ionisationssysteme richtig positionieren

Zuverlässige Entladung eines Wickels

Passive Ionisatoren



Obwohl Elektrostatik unter Anderem auch als ruhende elektrische Ladung bezeichnet wird, kann es wegen dieser vermeintlich ruhenden Ladung im Wickelbereich manchmal richtig hektisch, ja sogar gefährlich werden. Werden mit dem Material die darauf ruhenden Ladungsfelder Schicht für Schicht ein- oder abgewickelt, kann man im wahrsten Sinne des Wortes von einem Wickelkondensator sprechen. Von dieser geballten, eingewickelten Ladung geht ein massives Gefährdungspotential aus.

Eine besondere Eigenschaft der Ladung ist es, dass sie sich kontinuierlich summiert. Die Probleme die dieser Ladungsaufbau mit sich bringt kennen wir alle. Es kommt zu Funkenentladungen. Unangenehm, ja sogar gefährlich und gesundheitsschädlich kann es werden, wenn ein Mensch dabei versehentlich und unabsichtlich den Blitzableiter darstellt. Ein elektrischer Entladungsfunke der einen Menschen trifft, kann wenn er im falschen Moment einschlägt zu Herzkammerflimmern führen. Oder der Getroffene zuckt vor Schreck zurück und kommt hierbei versehentlich sich bewegende Maschinenelemente gefährlich nahe. Personenschäden durch elektrostatische Funkenentladung sind leider sehr häufig zu beklagen.




Materialschäden, bis hin zur Zerstörung eines kompletten Wickels können ebenso auftreten. Ein Entladungsfunke der bei Haftetiketten über die Silikon-Trennschicht zuckt, wirkt wie eine Coronavorbehandlung die an anderer Stelle zum Zwecke der Verbesserung der Hafteigenschaften durchgeführt wird. Die Trenneigenschaft die gewährleistet, dass sich das Etikett sauber vom Trägermaterial löst, ist an den vom Blitz getroffenen Stellen nicht mehr gegeben. Eine Materialbahn kann dadurch an diesen haftenden Stellen sogar der Länge nach einreißen, während eigentlich eine Trennung voneinander stattfinden sollte.

Gleichmäßige Beschichtungen werden durch Entladungsfunken negativ beeinträchtigt. Der Verlauf des Funkens kann je nach Schicht sogar optisch beispielsweise mit UV- bzw. Schwarzlicht sichtbar gemacht werden.




Elektrostatik ist auch als Staubmagnet bekannt. Das geballte Ladungspotential eines Rollenwickels vollbringt es, das kleinste herum irrende Staubpartikel aus der Umgebung anzuziehen. Aber nicht nur Staubpartikel werden angezogen. Auch Partikel beispielsweise aus Reifenabrieb von Gabelstaplern, Fusseln aus Kleidung, Haare und Hautpartikel der Mitarbeiter oder Insekten finden sich auf elektrostatisch geladenen Oberflächen wieder. Besonders Letztere finden in Hygienebereichen in denen diese Materialien dann samt allem was dort anhängt weiter verarbeitet werden sollen, wenig Anklang. Stellen Sie sich vor, Sie finden in einer aus tiefgezogener Folie bestehenden Kunststoffschale Ihres leckeren Mikrowellen-Gerichts nach dem Genuss dessen eine kleine Fliege die in die Folienoberfläche herein gedrückt wurde. Das könnten Sie der Elektrostatik zu verdanken haben.




Besonders beim Auf- oder Abwickeln elektrisch nicht leitfähiger Materialien wie Folien oder mit Kunststoff beschichteter Papiere taucht Elektrostatik als fast unbeherrschbares Problem auf. Wie stark dies geschieht hängt von Einflussparametern ab die oft zwar klar erkennbar sind, aber nicht ohne weiteres beeinflusst werden können. Eine Hauptursache für das Auftreten hoher Ladungen ist häufig in der Materialzusammensetzung zu finden. Elektrisch hoch isolierende Materialien, die ohne Beigabe so genannter Antistatika auskommen müssen, sind ganz besonders anfällig. Beispielsweise Folien oder folienkaschierte Papiere die für Lebensmittelverpackungen Verwendung finden, müssen meist ohne diese elektrisch leitfähig machende Beigabe auskommen. Diese Antistatika werden entweder bereits während des Herstellungsprozesses dem Kunststoff als sogenanntes Additiv beigemengt oder nachträglich auf die Oberfläche aufgetragen. Ihre eigentliche Wirkung, den Kunststoff elektrisch leitfähig zu machen und somit die Gefahr der elektrostatischen Aufladung zu verhindern oder zu minimieren, bezieht sich damit entweder auf den verringerten elektrischen Durchgangswiderstand oder nur auf den reduzierten elektrischen Oberflächenwiderstand. Man unterscheidet hier also in sogenannte innere oder externe Antistatika. Bei diesen Antistatika kann es sich um unterschiedlichste Stoffe handeln. Bei den "Inneren" kann es sich um Kohlenstoff, also Ruß handeln. Ein praktisches Beispiel hierfür ist ein Autoreifen, der durch die Beigabe dieses inneren Antistatikums schwarz gefärbt ist. Auch feinste Metallfasern werden oftmals eingearbeitet. Bei den "Äußeren" handelt es sich oft um sogenannte Antistatik Sprays oder Antistatik Beschichtungen. Diese wirken temporär, bis sie sich als Schicht rein mechanisch abnützen. Auch werden feinste Metallisierungen auf Oberflächen aufgebracht um die elektrische Ableitfähigkeit zu gewähren. Ein häufig sichtbares Beispiel hierfür findet man auf metallisierten Kunststoffscheiben.

Um entstehende Ladung ausreichend ableiten zu können, muss dieses Antistatikum jedenfalls in entsprechend ausreichender Menge vorhanden sein. Problematisch allerdings können alle diese Antistatika in sogenannten Hygienebereichen werden. Diese Antistatika können sich von der Oberfläche lösen, abnützen oder aus dem Inneren heraus auf die Oberfläche diffundieren. Hierbei könnten beispielsweise Lebensmittel von ihren Verpackungsfolien mit Spuren dieser Antistatika kontaminiert werden. Von entsprechend ausgerüsteten Spielzeugen aus Kunststoff könnten beispielsweise Kinder diese beim Lecken an der Oberfläche, durch den Kontakt mit den Schleimhäuten diese Antistatika in den Körper bekommen. 




Die Höhe der relativen Luftfeuchtigkeit, die während der Produktion im Wickelbereich herrscht, entscheidet ob Elektrostatik mehr oder weniger störend oder überhaupt nicht auftritt. Über hohe Luftfeuchtigkeit kann sich die Oberfläche des Materials mit einem mikrofeinen Feuchteanteil konditionieren. Auch vermeintlich wasserdicht scheinende Folien oder  Beschichtungen können diesen mikrofeinen Feuchtefilm aufnehmen. Stark hygroskopische Papierfasern saugen sich diese Feuchte regelrecht aus der Luft. Über den ausreichenden Feuchtegehalt des Materials, wie damit auch in Zusammenhang stehend über die Luftfeuchtigkeit, kann die ständig entstehende Ladung langsam aber sicher abfließen.




Je höher die Materialbahn-Geschwindigkeit, desto höher die elektrostatische Aufladung. Ein teurer Rat es, deswegen die Maschinengeschwindigkeit zu drosseln. Natürlich sollte dies unbedingt geschehen, wenn die Aufladung beispielsweise im EX-Bereich zur Gefahr wird. Die Gefahr, dass es zu Entladungsfunken kommt, steigt mit zunehmender Bahngeschwindigkeit überproportional an. Diese gefährdende Tatsache kann man an einer Folie beobachten, die von einer Rolle abgezogen wird. Je kleiner der Durchmesser der Rolle wird, umso höher wird die Drehzahl dieser Rolle. Die Abziehgeschwindigkeit steigt kontinuierlich an. Nähert sich der Rollendurchmesser dem Wickelkern, der metallischen Achse des Abrollers, werden hier sehr schnell sehr starke Entladungsfunken über die Folienoberfläche hinweg in Richtung Wickelkern oder Maschinengestell hin sichtbar. Bei Folien die bedruckt oder beschichtet werden sollen, kann diese über die Oberfläche hinweg  verlaufende Entladung zu einem sogenannten Koronaeffekt führen. Im Fachjargon werden diese flach über die Flächen huschenden Funkenäste  Gleitstielbüschelentladungen genannt.  An den Stellen die quasi vom Blitz getroffen wurden, können sich sichtbare Störungen im Druckbild oder in der Beschichtung zeigen. Betrachtet man manche dieser so betroffenen Oberflächen unter dem sogenannten Schwarzlicht, lassen sich mit etwas feinem Ruß der vorher leicht darüber gestaubt wurde, diese Funken und ihr Weg den sie nahmen sehr gut sichtbar machen.




Von diesen schlagartigen Entladungen gehen aber auch hochfrequente elektromagnetische Signale in den Raum heraus. Es kann durchaus geschehen, dass eine nicht ausreichend oder defekt abgeschirmte Elektronik diese Signale aufnimmt und falsch interpretiert. Die etwas Gesetzteren unter uns erinnern sich sicher noch an die motorisierten, knatternden Zweiräder deren nicht korrekt abgeschirmter Zündfunke während der Vorbeifahrt deutlich in einem Radio zu hören war.




Besteht die Notwendigkeit, die Materialbahn vor dem Aufwickeln einer Coronavorbehandlung zu unterziehen verstärkt sich das Problem der Kondensatorladung eines Wickels dramatisch. Das Material wird durch die Hochspannungskorona mit elektrostatischer Ladung beschossen. Nach der Koronavorbehandlung bleibt nicht nur auf der Oberfläche des vorbehandelten Materials hohe elektrostatische Ladung zurück. Die Ladung scheint auch entlang der Molekülketten in das Material in Richtung Gegenelektrode herein diffundiert zu sein. Folgende Beobachtung an einem Wickel frisch vorbehandelter Folie führt zu dieser Aussage: Eine vorbehandelte Folie wurde vor dem Aufwickeln mit mehreren Ionisationsstäben praktisch fast komplett elektrostatisch entladen. Während der Wickel nach und nach am Durchmesser zunahm, konnte nur unwesentlich ein Anstieg einer Kondensatorladung festgestellt werden. Nach Beendigung des Wickelvorgangs ruhte die fertige Folienrolle mehrere Minuten. Mit einem Feldstärke-Messgerät konnte während dieser Zeit ein kontinuierliches Ansteigen der von der Rolle ausgehenden Ladung bis auf ein extrem hohes Niveau festgestellt werden. Ein vergleichbarer Effekt ist ebenso bei manchen Folienarten in unterschiedlicher Färbung zu erkennen. Nehmen wir mal zwei unterschiedlich durchgefärbte Beispielfolien, eine rote, eine grüne, die bis auf ihre Färbung absolut identisch sind. Während beispielsweise eine rote koronavorbehandelte Folie nach der elektrostatischen Entladung sehr gut entladen werden kann und danach auch entladen bleibt, kann es sich bei einer grünen Folie die sich lediglich in ihrem Farbstoff von der anderen unterscheidet, vollkommen anders verhalten. Es kann geschehen, dass diese grüne Folie Sekunden nach der Entladung erneut elektrostatisch aufgeladen ist. Wie von Geisterhand scheint sich diese Folie ohne jegliche Reibung oder sonstige weitere Trennvorgänge sukzessive erneut aufzuladen. Es scheint so, dass während der Koronavorbehandlung die Ladung nicht nur auf die Oberfläche aufgebracht wurde, sondern auch entlang der Oberflächen der Molekülketten in das Material herein. Diese herein geschossene Ladung diffundiert nun nach und nach auf die äußere Oberfläche der Folie zurück.




Während der Koronavorbehandlung wie auch bei einer starken Beanspruchung der Oberfläche einer Folie kann es auch zu starken Funkenentladungen zu den Walzenoberflächen oder zum Maschinengestell hin kommen. Auf jeden Fall sollten Walzenoberflächen und die Lager dieser Walzen elektrisch leitfähig sein. Erstere um zu vermeiden, dass sie selbst wie ein Kondensator Ladung ansammeln. Letztere um in dieser Brücke zwischen Walzenschaft und Maschinengestell eine Korrosion durch Funkenentladung zu verhindern. 




Selbst die Zugspannung der eine Bahn auf ihrem Weg durch die Maschine unterliegt, entscheidet über geringere oder höhere Ladung. Je höher die Zugspannung ist, umso intensiver ist der Kontakt zwischen dem Material das die Walzenoberflächen umschlingt. Je intensiver der Kontakt ist, der dem nachfolgenden Trennvorgang voraus geht, umso stärker ist die entstehende Ladung.




Selbstverständlich führt eine gummierte oder mit Silikon beschichtete Walzenoberfläche zu wesentlich höherer Ladung als eine elektrisch leitfähige Metalloberfläche. Während über die Metalloberfläche ein Teil der Ladung abfließen kann, Stichwort "passiver Ionisationseffekt", summiert eine isolierende Oberfläche mit jeder Umdrehung, mit jedem Trennvorgang zwischen Walze und Bahn selbst auch noch kontinuierlich Ladung bis auf ein hohes Niveau an. Dieses Ladungsniveau steigt solange an, bis es irgendwo über einen naheliegenden "Blitzableiter", mir einem Entladungsfunken auf ein niederes Niveau herabsinkt um sich erneut zu summieren. Jede isolierende Oberfläche kann nun halt mal nur eine bestimmte Menge Ladung aufnehmen bis es funkt.




Läuft eine Folie bevor sie aufgewickelt wird im direkten Kontakt mit einer gummierten Anpresswalze kann es geschehen, dass jegliche Bemühungen diese Folienbahn im vorhergehenden Verlauf durch die Maschine elektrostatisch zu entladen, zunichte gemacht werden. Durch den nachträglichen Kontakt mit der Anpresswalze lädt sich der Wickel erneut stetig auf.

Ionisationsstäbe, auch genannt Entelektrisatoren oder Antistatikstäbe die bis kurz vor der Anpresswalze zur Beseitigung dieser hohen elektrostatischen Ladung installiert sind, nehmen zwar schon mal das hohe Ladungsniveau das die Materialbahn mit sich bringt weg. Aber eventuell nachfolgende Umlenkrollen wie auch die Anpresswalze selbst erzeugen erneut Ladung die sich dann nach und nach im Wickel summieren wird. Trotz einer funktionierenden elektrostatischen Entladung entsteht also die Kondensatorladung des Wickels und es können Entladungsfunken beobachtet werden. Beachten Sie hierzu bitte auch die Tipps für die Verwendung von Ionisationssystemen.




Um einen Wickel wirklich von der ständig ansteigenden Ladung frei zu halten, beziehungsweise dafür zu sorgen, dass kein kritisches Ladungspotential erreicht wird sollten sich all Ihre elektrostatischen Entladungsbemühungen zum Einen auf den Bereich nach dem letzten Kontakt zwischen Bahn und Walzen, zum Anderen direkt auf den Wickel konzentrieren. Die letzte Position für die Ionisationsstäbe sollte sich nach der letzten Berührungsstelle durch eine Umlenkwalze oder Presswalze befinden. Die aufzuwickelnde Materialbahn wird dann praktisch komplett entladen aufgewickelt. Das Entstehen eines stärkeren Wickelkondensators wird weitestgehend vermieden. Bei Materialbahnen empfiehlt sich ein Ionisationssystem das positive wie negative Gasionen generiert. Die Polarität der Ladungsfelder auf der Folienbahn spielt somit keine weitere Rolle.




Ein alter Trick das ansteigende Ladungsniveau eines Wickels im erträglichen Bereich zu halten ist, ihn wie einen Weihnachtsbaum zu schmücken. Elektrisch leitfähiger Weihnachtsbaumschmuck, Lamettagirlanden aus metallisierter Folie werden über den sich drehenden Wickel gehängt, schleifen quasi über die Oberfläche des Materials und leiten die Ladung kontinuierlich in Richtung eines anzuschließenden Erdpotentials ab. Ein eleganterer Weg wäre die Verwendung sogenannter Antistatikbürsten. Bei dem Lametta wie auch bei den Bürsten handelt es sich um sogenannte passive Ionisatoren. Elektronen können einfach über den elektrischen Leiter, die die Girlande oder die Bürste darstellen zur Oberfläche hin- oder von ihr abfließen. Eben je nach Polarität der entstehenden Ladung.

Beim Einsatz dieser passiven Ionisatoren gilt es natürlich zu beachten, dass die Girlande wie auch die Bürste einer mechanischen Abnutzung unterliegen, während diese über das Material oder an der Bahnkante entlang schleifen. Es können auch Bürstenfasern oder Lamettastreifen abbrechen und mit herein gewickelt werden. Inwiefern dies zu Beeinträchtigungen Ihrer Produktion oder Ihres Produktes führen kann, unterliegt Ihrer Beurteilung.




Für den industriellen Einsatz insbesondere in entsprechend sensiblen Bereichen in denen das Material absolut sauber bleiben muss oder nicht kontaktiert oder verkratzt werden darf, eignen sich eher sogenannte Ionisationsstäbe, Entelektrisatoren oder Antistatikstäbe. Diese werden als aktive Ionisatoren bezeichnet. Sie erzeugen und streuen an den Ionisationsnadelspitzen in einer Hochspannungskorona Ionen, die Gasionen, also elektrisch wertige Atome der Luft. Diese in den Raum heraus streuenden Gasionen sehen auf der Oberfläche elektrostatisch geladener Materialien jeweils ihr Gegenpotential, also Ionen der anderen Polarität. Positive wie negative Ionen ziehen sich gegenseitig an und können nun Elektronen austauschen um dann wieder elektrisch neutral zu werden.

Mit zunehmender Entfernung des aktiven Ionisators zum geladenen Material hin aber verringert sich die Menge der vom Ionisationsgerät generierten, verfügbaren Gasionen. Es kommt zu einer natürlichen Entladung der Ionen untereinander. Die vom Ionisator generierten Ionen beider Polaritäten tauschen untereinander bereits in ihrem Streufeld Elektronen aus und werden somit wieder elektrisch neutral. Sie stehen nichtmehr zur eigentlichen Beseitigung der elektrostatischen Ladung zur Verfügung. Beachten Sie hierzu bitte auch die Seite Tipps für die Verwendung von Ionisationssystemen.




Da sich der Wickel im Durchmesser von klein nach groß, oder auch umgekehrt ständig verändert, müsste ein aktiver Ionisator stets relativ nahe zur Wickeloberfläche mechanisch nachgeführt werden. Je nach Art und Bauweise des aktiven Ionisators bedeutet dies eine Distanz zwischen Ionisator und Wickeloberfläche von zirka 20 mm bis 200 mm einzuhalten. Bei Drehwicklern könnte dies eine anspruchsvolle mechanische Aufgabe sein. Während eines Rollenwechsels müsste die gesamte Mechanik, also Halter, Ionisationsstab und Hochspannungskabel aufwendig hinweg geschwenkt oder irgendwie mitgeführt werden um einen Crash zu vermeiden.




Eine Lösungsmöglichkeit wäre ein luftunterstütztes Ionisationssystem. Die vom aktiven Ionisator erzeugten positiven und negativen Gasionen werden aus ihrem Streufeld heraus von der strömenden Luft in Richtung der zu entladenden Oberfläche, der Wickeloberfläche getragen. Natürlich spielt auch hierbei die Rekombination, der Elektronenaustausch der Ionen untereinander eine große Rolle und muss berücksichtigt werden. Andernfalls wird die Wickeloberfläche von zu wenigen Gasion erreicht. Es fände nur eine unzureichende elektrostatische Entladung statt. Es müssen also ausreichend viele Gasionen über teilweise größere Distanz hinweg geblasen werden. Bei der Auswahl des aktiven Ionisators sollte daher auf  leistungsstarke Systeme mit einem großen Streufeld zurückgegriffen werden. Auf der Abbildung rechts unten sehen Sie ein Ionisationsgebläse (rot) das über der Anpresswalze installiert wurde. Über die Anpresswalze und dem Schlagmesser hinweg bläst dieses Ionisationsgebläse ionisierte Luft (hellblau dargestellt) in Richtung des Wickelkerns auf die Materialoberfläche. Druckluft aus Düsen oder Schlitzen oder auch nur strömende Luft aus Ventilatoren kann die Gasionen zur Wickeloberfläche hin transportieren. Die Beschaffenheit von der verwendeten Druckluft sollte bezüglich der Reinheit klar definiert werden. Zumindest sollte dem Produkt zuliebe Druckluft frei von Partikeln, gefiltert, öl- und Wasserfrei sein. Bei Ventilatoren sollte ein Zuluftfilter Verwendung finden, der wie jeder Filter auch einer regelmäßigen Wartung oder eines Austausches bedarf. In hygienisch anspruchsvollen Bereichen sind trotz allem Ionisationssysteme die mittels Ventilatoren mit Gasionen angereicherte Luft zum Strömen bringen aus Hygienegründen weniger geeignet. Innerhalb der Ventilatoren können sich angesaugte Partikel ansammeln, die sich unkontrolliert lösen und das Material kontaminieren können. Druckluft lässt sich da schon eher gezielt und definiert rein halten.

Um diese Anforderungen zu erfüllen können leistungsfähige Ionisationsgebläse (rot) zum Einsatz kommen. Irgendwo außerhalb des Maximaldurchmessers des Wickels, sowie außerhalb eines möglichen Schwenkbereiches des Drehwicklers könnte dieses Ionisationsgebläse installiert werden. Bei druckluftunterstützten Ionisatoren kann der Druckluftverbrauch relativ niedrig gehalten werden. Zum Transport der Gasionen vom Ionisator zur Wickeloberfläche wird lediglich ein leichter Hauch strömender Luft benötigt. Wird die strömende, ionisierte Luft durch einen Ventilator in Bewegung versetzt, entfällt der teurere Druckluftverbrauch. Egal wie die Luft zum Strömen gebracht wird, sie sollte es zumindest bis zum minimalsten Wickeldurchmesser schaffen. Dort sollte noch ein leichter Hauch Luftströmung spürbar sein. Aber bitte fassen Sie bei der Prüfung ob ausreichend ionisierte Luft auf die Wickeloberfläche strömt auf keinen Fall in die laufende Maschine. Um einen Rollenwickel noch effizienter elektrostatisch zu entladen kann mittels zweier Ionisationsstäbe (blau) zwischen denen die Bahn bereits kurz vor den letzten Umlenkungen hindurch läuft, das aus der Maschine herbei geführte hohe Ladungsniveau eliminiert werden. Das Ionisationsgebläse muss danach nur noch die restliche, erneut entstehende Ladung die die letzten Umlenkungen und die Anpresswalze generieren beseitigen.

Beachten Sie auch den Artikel Elektrostatik beim Etikettieren in dem Sie noch weitere Informationen zum Thema Abrollung und die dort störende Elektrostatik finden.


Stand 18.07.19

Metallisierte Christbaumgirlande als Beispiel für passiven Ionisator

Aktive Ionisatoren

Entladung bei unterschiedlichen Durchmessern

Ionisatoren mit strömender Luft

Ionisierte Druckluft bläst aus einem druckluftunterstützten Ionisationsstab auf einen Rollenwickel

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