CH665997A5

CH665997A5 - Heissverschweissverfahren und vorrichtung.

Info

Publication number: CH665997A5
Application number: CH5930/84A
Authority: CH
Inventors: Orin Benjamin Johnston
Original assignee: Orin Benjamin Johnston
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1984-12-12
Publication date: 1988-06-30
Also published as: IT1179872B; JPH0339818B2; GB2151180B; FR2556646A1; US4531997A; AU3667684A; NO845034L; DE3445524A1; NZ210331A; NL8403775A; GB8431499D0; SE8406362L; CA1262230C; JPS60141528A; SE8406362D0; DK600884D0; IT8468248A0; AU575889B2; CA1262230A; FR2556646B1

Description

BESCHREIBUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweissen eines festgelegten Bereiches einer Bahn, die mindestens zwei Schichten aus biaxial orientierten Kunststoffolien enthält, und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Biaxial orientierte Kunststoffolien werden während ihrer Herstellung in beiden Hauptachsen gestreckt, um die Orientierung ihrer molekularen Struktur zu ändern und damit die Zugfestigkeit, Zähigkeit und Biegsamkeit zu verbessern. Wenn die Temperatur einer biaxial orientierten Folie über eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise die Temperatur des Heissverschweissens, erhöht wird, schrumpft die Folie, falls sie nicht festgehalten wird, wieder zurück in ihren vor dem molekulaten Orientieren eingenommenen Zustand.

Um biaxial orientierte Folien, z. B. ®MYLAR-Polyesterfolie, für heissverschweisste Erzeugnisse zu verwenden, sind bekanntlicherweise solche Folien auf eine Schicht eines nichtschrumpfenden, einfach wärmeschweissbaren Polymers, z. B. Polyethylen, auflaminiert worden. Um beispielsweise bei der Herstellung der neuen, populären sogenannten ®MYLAR-Ballone werden die Polyethylenschichten zur Berührung aufeinandergelegt und die laminierten Folien örtlich bis zu einer Temperatur oberhalb der Verschweisstemperatur des Polyethylens, jedoch unterhalb des Temperaturwertes, bei dem die biaxial orientierte Folie schrumpft, erwärmt. Gestützt auf die obige Ausführung ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen und eine Vorrichtung zur Durchführung derselben zu zeigen, mittels denen sich ein heissverschweisstes Erzeugnis herstellen lässt, indem zwei oder mehr Schichten einer biaxial orientierten Folie eines Polymers unmittelbar heissverschweisst werden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.

Es kann somit eine Heissverschweissung durchgeführt und eine Schmelzstelle zwischen den Schichten erzeugt werden, welche ein gleichförmiges, äusserst homogenes Kunststoffstück enthalten kann, das eine vollständige molekulare Verbindung zwischen den Schichten der Folie aufweist.

Die Schweisswulst kann den herkömmlichen Leisten- oder Randwülsten, welche in der mit Kunststoffolien arbeitenden Verpak-kungsindustrie verwendet werden, überlegen sein, weil der Hersteller mit höheren Herstellungsgeschwindigkeiten arbeiten kann und gleichzeitig eine zuverlässige Gütekontrolle, bessere, hermetisch abdichtende Schmelzstellen und weniger Folienabfall erzeugt werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann an entgegengesetzten Seiten der Mitellinie des festgelegten Bereiches, der zu einer oberhalb seiner Verschweisstemperatur gelegenen Temperatur erwärmt werden soll, ein Paar hermetisch dichte Schweisswülste

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gebildet werden; vorteilhaft können mehrere festgelegte, voneinander einen Abstand aufweisende Bereiche der Bahn gleichzeitig bis zu einer höheren als die Verschweisstemperatur gelegenen Temperatur erwärmt werden, um gleichzeitig mehrere, voneinander einen Abstand aufweisende Schweisswülste zu bilden. Vorteilhaft können die mehreren festgelegten Bereiche gleichzeitig zu einer über der Verschweisstemperatur gelegenen Temperatur erwärmt werden, um die Bahn zur Bildung eines Beutels zu verschweissen, der eine Öffnung aufweisen kann, dass eine Ware in den Beutel eingebracht werden kann, dass die Öffnung des Beutels zugeschweisst werden kann, so dass die Ware vom Beutel umschlossen sein kann.

In bevorzugten Ausführungen ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass an entgegengesetzten Seiten der Mittellinie des festgelegten, zum Erwärmen über die Verschweisstemperatur bestimmten Bereiches ein Paar hermetisch dichte Schweisswülste bildbar sind; die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass mehrere festgelegte, voneinander einen'Abstand aufweisende Bereiche der Bahn gleichzeitig zum Erwärmen über die Verschweisstemperatur aussetzbar sind, derart, dass gleichzeitig mehrere, voneinander einen Abstand aufweisende Schweisswülste bildbar sind. Es kann eine Mehrfachschweisseinrichtung vorhanden sein, die dazu dient, die mehreren festgelegten Bereiche der Bahn gleichzeitig zu einer über der Verschweisstemperatur gelegenen Temperatur zu erwärmen, welche Mehrfachschweisseinrichtung derart ausgebildet sein kann, dass die Bahn zur Bildung von Beuteln verschweisst werden kann, die eine Öffnung aufweisen, durch welche eine jeweilige Ware in die jeweiligen Beutel eingebracht werden kann, und welche Mehrfachschweisseinrichtung einen Schweissabschnitt aufweisen kann, der zum Verschweissen der jeweiligen Öffnung bestimmt ist, so dass die Ware vom jeweiligen Beutel vollständig umschlossen sein kann. Pressflächenabschnitte, die dazu bestimmt sind, auf dem festgelegten Bereich der Bahn, der zu einer höheren als die Verschweisstemperatur zu erwärmen ist, pressenderweise aufzuliegen, können mit einem reibungsarmen Stoff behandelt sein. Dieser reibungsarme Stoff kann vorteilhaft aus der Gruppe Filme aus siliziumhaltigen Schmierstoffen und Fluorkohlenstoffen gewählt sein.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht zweier, einander gegenüberliegender Backen, die zum Heissverschweissen verwendet werden, beispielsweise zum Heissverschweissen einer Bahn, die aus zwei Schichten einer biaxial orientierten Folie besteht,

Figuren 2A, 2B, 2C und 2D Seitenansichten, die die aufeinanderfolgenden Änderungen der Folie während des Heissverschweissens darstellen,

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht einer Kunststoffbahn, die in Intervallen in Querrichtung geschweisst und aufgetrennt ist, so dass einzelne, bei beiden Seiten offene Beutel gebildet sind,

Fig. 4 eine Ansicht gleich derjenigen der Fig. 3, wobei ein einzelner Beutel gezeigt ist, der zu dem entlang einem parallel zu Längsachse der Folienbahn verlaufenden Rand zugeschweisst ist, und

Fig. 5 den Beutel der Fig. 4, der eine Ware umschliesst und bei allen Seiten zugeschweisst ist.

In der Figur 1 sind die einander entgegengesetzt angeordneten Backen 10 jeweils gleicher Ausbildung gezeigt, die dazu dienen, ein Heissverschweissen einer Bahn 11 durchzuführen, welche aus zwei Schichten 12,12' einer Folie aus einem biaxial orientierten Polymer, beispielsweise Polyvinylidenchlorid, zusammengesetzt ist. Wie in den US-PS Nrn. 3 964958, 4251314 und 4273 604 eingehend offenbart ist, weisen die Backen 10 Körper 14 aus einem nachgiebigen Werkstoff auf, beispielsweise aus einem Siliziumgummi, und in diesen Körpern 14 sind Heizelemente 16 und Wärmeübertragungselemente 18,20 eingebettet. Die Aussenflächenschicht 22 der Backen, welche auf der Bahn 11 jeweils aufliegt, besteht ebenfalls aus einem Siliziumgummi. Im Schweissbereich 24 — das ist der Bereich, der den kleinsten Abstand vom Heizelement 16 aufweist — ist die Aussenflächenschicht 22 gleichförmig und weist eine verhältnismässig kleine Oberflächenreibung auf. In den Bereichen 26, 28, die neben

Schweissbereich 24 gelegen und damit weiter entfernt vom Heizelement 16 gelegen sind, ist die Aussenflächenschicht 22 aus Siliziumgummi, in welchem Sandkörner 30 eingebettet sind, aufgebaut, derart, dass eine sandpapierähnliche Oberfläche mit einer verhältnismässig hohen Oberflächenreibung gebildet ist.

Mittels der Pfeile 32 ist dargestellt, dass die Backen unter Ausübung von Druck auf die einander entgegengesetzten Seiten der Bahn 11 aufgelegt werden.

Nachfolgend wird nun der Betrieb der Fig. 1 beschrieben. Zwei Folienschichten 12,12', die die Bahn 11 bilden und die miteinander zu verschweissen sind, werden zusammengenommen und zwischen die einander gegenübergelegenen Backen 10 eingebracht, wobei der zu verschweissende Bereich mit dem Schweissbereich 24 der Aussenflächenschicht 22 ausgerichtet wird. Auf die Backen wird mittels eines Fluides ein Druck 32 ausgeübt, so dass sie mit Druck auf der Bahn 11 zur Auflage bewegt werden. Das Heizelement 16 wird in Betrieb gesetzt, indem durch das Heizelement ein elektrischer Strom geleitet wird. Die Temperatur des Heizelementes 16 wird bei einem Wert gehalten, der ein wenig unterhalb der Verschweisstemperatur liegt, und wird während des Verschweissens erhöht, indem ein stärkerer pulsierender Strom an das Heizelement 16 angelegt wird. Es wird nun weiter auf die Figuren 2A bis 2D hingewiesen. Die steigende Temperatur im Schweissbereich 24 bewirkt, dass die Temperatur der Bahn 11 bis zu einem Wert oberhalb der Verschweisstemperatur ansteigt, so dass das Verschweissen der Folienschichten 12,12' eingeleitet wird, wie dies in der Fig. 2A dargelegt ist. Die Temperatur bei der Aussenflächenschicht 22, die ausserhalb des Schweissberei-ches, also in den anliegenden Bereichen 26, 28 gelegen ist, die vom Heizelement 16 weiter entfernt sind, wird auf einem Wert gehalten, der kleiner als die Verschweisstemperatur gelegen ist, indem Wärmeübertragungselemente 18,20 einen Teil der Wärmemenge, die durch das Heizelement 16 erzeugt ist, abführen. Dieses ist in den Figuren 2A bis 2D gezeigt; die Bahn 11 verschweisst sich in den Bereichen, die vom Schweissbereich 24, der unmittelbar beim Heizelement 16 gelegen ist, weiter entfernt sind.

Der Schweissbereich 24 weist auch einen verhältnismässig kleinen Reibungskoeffizienten auf, so dass die Bahn bei diesem Bereich schrumpfen kann und denjenigen Zustand annehmen kann, der vor der molekularen Orientierung vorhanden war, währenddem bei den Bereichen 26, 28 höhere Oberflächenreibungskoeffizienten vorhanden sind, welche die Bahn zwingen, im molekular orientierten Zustand zu verbleiben, sogar dann, wenn die Temperaturen etwas höher sind.

Es wird nun auf die Figur 2B hingewiesen. Die nun unter Einwirkung der hohen Temperatur im Bereich 24 verschweisste Bahn 11 hat sich von der Mittellinie A zurückgezogen, so dass die Bildung von Schweisswülsten 34, 36 beim Ende der unverschweissten Bereiche der Bahn 11 eingeleitet ist, wobei im Bereich der Mittellinie zwischen diesen Wülsten ein merkbar verdünnter Abschnitt 38 beim Bereich der Mittellinie zwischen den Wülsten vorhanden ist.

Im Zustand nach der Fig. 2C haben sich die Schweisswülste 34, 36 beim Bereich der Mittellinie getrennt und ziehen sich weiter zurück, wobei die Wülste 34, 36 voneinander getrennte, homogene Abschnitte bei den jeweiligen Enden der Bahn 11 bilden, wobei zwischen den Schichten jetzt eine vollständige molekulare Bindung vorhanden ist. .

Im in der Fig. 2D gezeigten Zustand sind die Schmelzstellen vollständig zu gleichförmigen Schweisswülsten umgeformt, wobei der Teil der Folie, der ursprünglich beim Schweissbereich vorhanden war, nun in seinen ursprünglichen Zustand vor dem molekularen Orientieren zurückgekehrt ist, wobei der Stoff der Folien beider Schichten nun eine einzelne, homogene Masse bildet. Die tatsächliche, endgültige Form dieser Schweisswülste ist durch die Molekularkräfte der jeweiligen Folie, die geschweisst wird, durch den Anpressdruck, durch die Schweisstemperatur, durch die Schweissdauer und durch die Zeitdauer, während welcher die Folie sich bis zu einer Temperatur unterhalb der Fliesstemperatur abgekühlt hat, bestimmt. Um beispielsweisse eine ungefähr zylindrische Schweisswulst

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zu bilden, wenn zwei Schichten einer biaxial orientierten Polyvinyli-denchlorid-Folie SSARAN, welche von der Dow Chemical Company vertrieben wird, miteinander verbunden werden, wobei jede Folie 0,00254 cm (0,001 in.) dick ist, wird ein Druck von 213,4 kPa (60 psi) bei einer Schweisstemperatur von 143° C (290° F) während 0,3 Sekunden ausgeübt und eine Abkühldauer von 0,3 Sekunden zum Absenken der Temperatur unterhalb der Fliessgrenze beachtet. Es wurde eine weitgehend homogene Schweisswulst mit einer molekularen Verbindung zwischen den Folienschichten erzeugt, welche Wulst in der X-Richtung eine Abmessung von 0,01524 cm (0,006 in.) und in der Y-Richtung eine Abmessung von 0,01270 cm (0,005 in.) hatte. Für einige, biaxial orientierte Kunststoffolien mit einer Dicke bis zu 0,00508 cm (0,002 in.) ist eine insge-samte Zeitdauer umfassend das Verschweissen und Kühlen von weniger als eine Sekunde notwendig.

Weil die Schmelzstellen unter Druck gebildet werden, fliesst der jeweilige schmelzflüssige Kunststoff der zwei Schichten ineinander, um eine vollständig integrierte Masse zu bilden, welche eine hermetische Dichtung, eine hermetische Schweisswulst erzeugen, welche derart fluidundurchlässig, d. h. gasundurchlässig oder flüssigkeitsdicht ist, wie dies bei der ursprünglichen Folie der Fall ist.

Es wird nun Bezug auf die Fig. 3 genommen. In dieser ist eine doppelte Bahn aus biaxial orientierten Folien nach dem Heissverschweissen zur Herstellung von Kunststoffverpackungen gezeigt. Es ist dargestellt, dass in der Bahn 6 Schweisswülste 40, 42, 44, 46, 48 und 50 gebildet sind, so dass bei beiden Enden offene Beutel 39, 43, 47 und 51 gebildet sind, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Figur 4

illustriert das Ergebnis eines zweiten Herstellungsschrittes, während welchem eine Schweisswulst 52 erzeugt worden ist, so dass der untere Rand des Beutels eine Schweisswulst 52 aufweist, so dass der Beutel 43 beim Boden ebenfalls zugeschweisst ist. Der Figur 5 5 gemäss ist nun eine Ware 54, ein Gegenstand in den Beutel eingelegt und eine letzte Schweisswulst 56 gebildet worden, so dass der Beutel hermetisch dicht verschlossen ist. Offensichtlich können die ersten drei Schmelzvorgänge gleichzeitig durchgeführt, darauf die jeweilige Ware in den Beutel eingebracht und schlussendlich die letzten io Schweissungen durchgeführt werden; tatsächlich können alle genannten vier Verfahrensschritte beim Ausüben dieser Erfindung gleichzeitig durchgeführt werden.

Der Geltungsbereich der Ansprüche erstreckt sich über weitere Ausführungen. Beispielsweise kann eine Anzahl Blätter einer Folie ls aus einem biaxial orientierten Polymer, beispielsweise drei Blätter oder mehr, zusammengelegt und entlang dem Rand miteinander verschweisst werden, so dass eine einzige, homogene Schweisswulst vorhanden ist. Um weiter die Reibung zwischen der Folie und der Aus-senfläche der Backen im Schweissbereich zu vermindern, kann dieser 20 Aussenflächenabschnitt örtlich von einem dünnen Überzug aus Fluorkohlenstoff, z. B. ®Téflon, beschichtet werden, welches Téflon von E.I. Du Pont de Nemours Company, Inc. in Wilmington, Delaware vertrieben wird, oder es ist auch möglich, den Schweissbereich örtlich mittels eines Silizium enthaltenden Stoffes zu schmieren. Bei 25 einer solchen Ausführung kann das Erhöhen der Reibung der Aus-senflächenabschnitte der Backen, die ausserhalb des Schweissberei-ches gelegen sind, nicht mehr notwendig sein.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Verschweissen eines festgelegten Bereiches einer Bahn, die mindestens zwei Schichten aus biaxial orientierten Kunststoffolien enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der Bahn zusammengepresst werden,

der festgelegte Bereich der Bahn zu einer höheren als die Ver-schweisstemperatur des Kunststoffes erwärmt wird,

während des Zusammenpressens der Schichten im festgelegten, erwärmten Bereich zugelassen wird, dass die Schichten in ihren Zustand vor dem molekularen Orientieren zurückschrumpfen können, währenddem die Schichten in einem daneben gelegenen Bereich durch das Zusammenpressen gegen eine Bewegung festgehalten bleiben und deren Temperaturen unterhalb der Verschweiss-temperatur gehalten wird,

der festgelegte, erwärmte Bereich genügend schnell abgekühlt wird, dass kein Zersetzen des Kunststoffes stattfindet,

derart, dass sich im festgelegten Bereich zwischen den Schichten der Bahn eine hermetisch dichte Schweisswulst bilden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an entgegengesetzten Seiten der Mittellinie des festgelegten, erwärmten Bereiches ein Paar hermetisch dichte Schweisswülste gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere festgelegte, voneinander einen Abstand aufweisende Bereiche der Bahn gleichzeitig bis zu einer höheren als die Verschweiss-temperatur gelegenen Temperatur erwärmt werden, um gleichzeitig mehrere, voneinander einen Abstand aufweisende Schweisswülste zu bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren festgelegten Bereiche gleichzeitig zu einer über der Ver-schweisstemperatur gelegenen Temperatur erwärmt werden, um die Bahn zur Bildung eines Beutels zu verschweissen, der eine Öffnung aufweist, dass eine Ware in den Beutel eingebracht wird, dass die Öffnung des Beutels zugeschweisst wird, so dass die Ware vom Beutel umschlossen wird.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, welche Vorrichtung eine Presseinrichtung aufweist, die dazu dient, die Schichten der Bahn zusammenzupressen, eine Heizeinrichtung aufweist, die dazu dient, gleichzeitig den festgelegten, zusammenge-pressten Bereich bis zu einer höheren als die Verschweisstemperatur zu erwärmen, eine Wärmesteuereinrichtung aufweist, die dazu dient, die Temperatur in einem neben dem festgelegten gelegenen, ebenfalls zusammengepressten Bereich der Bahn unterhalb der Verschweisstemperatur zu halten, und eine Kühleinrichtung aufweist, die dazu dient, den festgelegten Bereich derart genügend schnell abzukühlen, dass kein Zersetzen des Kunststoffes stattfindet, wobei die Presseinrichtung Pressflächen aufweist, die dazu dienen, pressenderweise auf der Bahn aufzuliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenreibung derjenigen Pressflächenabschnitte, die dazu bestimmt sind, auf dem festgelegten Bereich der Bahn, der zu einer höheren als die Verschweisstemperatur zu erwärmen ist, pressenderweise aufzuliegen, kleiner ist als die Oberflächenreibung derjenigen Pressflächenabschnitte, die dazu bestimmt sind, auf dem neben dem festgelegten gelegenen, ebenfalls zusammengepressten Bereich pressenderweise aufzuliegen, derart, dass die dem zu erwärmenden Bereich der Bahn zugeordneten Pressflächenabschnitte einem Schrumpfen dieses Bereiches nicht physikalisch entgegenwirken und ihn zu seinem Zustand vor dem molekularen Orientieren zurückschrumpfen lassen, währenddem die Bahn beim daneben gelegenen Bereich gegen ein Bewegen festgehalten bleibt, so dass im festgelegten Bereich zwischen den Schichten der Folie eine hermetisch dichte Schweisswulst bildbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere festgelegte, voneinander einen Abstand aufweisende Bereiche der Bahn gleichzeitig zum Erwärmen über die Verschweisstemperatur aussetzbar sind, derart, dass gleichzeitig mehrere, zueinander einen Abstand aufweisende Schweisswülste bildbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrfachschweisseinrichtung aufweist, die dazu dient, die mehreren festgelegten Bereiche der Bahn gleichzeitig zu einer über der Verschweisstemperatur gelegenen Temperatur zu erwärmen, welche Mehrfachschweisseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Bahn zur Bildung von Beuteln verschweisst wird, die eine Öffnung aufweisen, durch welche eine jeweilige Ware in die jeweiligen Beutel einzubringen ist, und welche Mehrfachschweisseinrichtung einen Schweissabschnitt aufweist, der zum Verschweissen der jeweiligen Öffnung bestimmt ist, so dass die Ware vom jeweiligen Beutel vollständig umschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressflächenabschnitte, die dazu bestimmt sind, auf dem festgelegten Bereich der Bahn, der zu einer höheren als die Verschweisstemperatur zu erwärmen ist, pressenderweise aufzuliegen, mit einem reibungsarmen Stoff behandelt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der reibungsarme Stoff aus der Gruppe Filme aus siliziumhaltigen Schmierstoffen und Fluorkohlenstoffen gewählt ist.