DE102014106419B4

DE102014106419B4 - Verfahren und Vorrichtung zum flächigen Verbinden von zwei Substraten

Info

Publication number: DE102014106419B4
Application number: DE102014106419.4A
Authority: DE
Inventors: Georg Kalwar; Markus Kalwar
Original assignee: Kalwar Civ Innoserv & Co KG GmbH
Current assignee: KALWAR CFT FUSIONS-TECHNIK-GMBH, DE
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: DE102014106419A1

Abstract

Verfahren zum flächigen Verbinden von zwei Substraten (1, 2) an ihren einander zugewandten Seiten, wobei zumindest das erste, aus einer Kunststofffolie gebildete Substrat (1) auf seiner dem zweiten Substrat (2) zugewandten Seite einer Koronabehandlung unterzogen wird und die Substrate (1, 2) im kontinuierlichen Durchlauf unter Druck miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Koronaentladung zu unterziehende Seite des ersten Substrats (1) vor oder während der Koronaentladung zumindest partiell mit einem Haftvermittler als Additive durch Aufsprühen von Aerosolen versehen oder auf die ein Haftvermittler vor der Koronaentladung als modifizierte Druckfarbe aufgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächigen Verbinden von zwei Substraten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vorzugsweise betrifft das Verfahren das Verbinden zweier bahnförmiger Substrate, von denen zumindest eines als Kunststofffolie vorliegt, während das andere Substrat, je nach Verwendungszweck, aus Textilien, Schäumen oder Papier bestehen kann.
Das so fertiggestellte Produkt kommt in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, wobei die hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften verschiedenen Substrate beispielsweise Träger- oder Schutzfunktion übernehmen. Aber auch um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, z. B. zur Erhöhung der Zugfestigkeit, werden unterschiedliche Substrate mittels eines gattungsgemäßen Verfahrens flächig miteinander verbunden.
Hierzu wird beispielsweise in der DE 41 27 723 A1 eine Verklebung der beiden Substrate thematisiert, wobei der Kleber vor einer Koronaentladung auf das entsprechende Substrat aufgetragen wird. Unmittelbar nach der Koronaentladung erfolgt ein Zusammenführen der beiden Substrate unter Druck, wodurch die Klebverbindung hergestellt wird.
Allerdings ist das Verkleben der Substrate miteinander mit erheblichen Nachteilen verbunden, die die Verwendung des so entstandenen Verbundmaterials stark einschränkt.
Zunächst einmal ist die Menge des eingesetzten Klebers zu erwähnen, der aktuell bei ca. 2–4 g/m² liegt und insofern einen erheblichen Kostenanteil bei der Herstellung des Verbundmaterials bedeutet. Vor allem, da solche Verbundmaterialien in großen Mengen hergestellt werden, kommt diesem Umstand eine besondere Bedeutung zu.
Unabhängig davon ist auch der Einsatz des so hergestellten Verbundmaterials in vielen Bereichen problematisch, da der Kleber sogenannte Isozyanate enthält, die für eine sauerstofffreie Abbindung des Verbundes sorgen. Diese Isozyanate sind jedoch sehr giftig und vor allem in der Lebensmittelverpackung bedenklich und insofern auch unerwünscht.
Um das Verbundmaterial für diesen Zweck einsatzfähig zu bekommen, muss das Verbundmaterial über einen recht langen Zeitraum gelagert werden, so dass sichergestellt ist, dass alle Restanteile der Isozyanate abgebunden sind bzw. eine ausreichende Aushärtung gewährleistet ist.
Ein anderes Verfahren zum flächigen Verbinden von zwei Substraten ist als ”Heißkaschierung” bekannt. Dabei wird der Verbund direkt in den Herstellungsprozess von Folien integriert, indem zwischen die Folien oder auf einen Folienträger eine flüssige Kunststoffschicht aufgebracht wird. Durch die hohe Temperatur kommt es dann zu dem gewünschten Verbund.
Dieses Verfahren ist jedoch nur relativ unwirtschaftlich zu betreiben, so dass es für eine Massenproduktion eher nicht geeignet ist. Darüber hinaus lassen sich solche Verbunde nur in einer sehr begrenzten Materialauswahl realisieren.
In der DE 10 2010 011 914 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, bestehend aus einem ersten Substrat, einer Bauteilstruktur, einem Festkörper, und einer aufgespritzten Polyamid-Kunststoffkomponente offenbart, die jedoch spritzfähig sein muss und insofern, abweichend vom Gattungsbegriff, kein flächiges Substrat bildet.
In der DE 10 2004 033 728 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten und Verkleben von Werkstücken thematisiert, wobei die Klebefläche eine Aluminiumoxidschicht aufweist, die mit einem Haftvermittler beschichtet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien zu einem Verbund eingesetzt werden können, das Verfahren sehr kostengünstig ist und die Verwendungsfähigkeit des Verbundmaterials verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst.
Wie sich überraschend gezeigt hat, wird durch den Einsatz eines Haftvermittlers, mit dem erfindungsgemäß die einer Koronaentladung zu unterziehende Seite des Substrats vor der Koronaentladung versehen wird, eine derart große Haftfähigkeit erreicht, dass das zweite Substrat anschließend, also nach dem Zusammenführen mit dem ersten Substrat und einem Verpressen damit praktisch unlösbar verbunden ist.
Dabei wird nach Anspruch 2 der Haftvermittler, in Form eines Additivs bei der Extrusion einer Kunststofffolie als Beschichtung mit aufgebracht, wobei sich gezeigt hat, dass ein Anteil Haftvermittler von 1–40%, vorzugsweise ≤ 20%, besonders bevorzugt etwa 12%, an der Gesamtmasse der Folie besonders wirksam ist und in einem günstigen Kosten/Wirkungsverhältnis steht.
Nach Anspruch 1 wird der Haftvermittler als Schicht zumindest partiell als Additive durch Aufsprühen auf das Substrat aufgetragen. Alternativ kann der Haftvermittler auch aus einer entsprechend modifizierten Druckfarbe bestehen, mit der das Substrat vor der Koronaentladung bedruckt wird.
Durch die Koronaentladung wird der Haftvermittler so aktiviert, dass die beiden Substrate nach dem Verpressen fest miteinander verbunden sind.
Der entscheidende Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sich das Verfahren äußerst einfach und kostengünstig realisieren lässt und insbesondere auf den Einsatz von Klebern verzichtet werden kann.
Die hierzu eingangs beschriebenen Nachteile, vor allem hinsichtlich der eingeschränkten Verwendbarkeit eines so hergestellten Verbundsubstrats, werden vermieden. Auch die mit der Verwendung von Klebstoffen einhergehenden Umweltbelastungen sind durch das neue Verfahren ausgeschlossen, das im Übrigen im einfachsten Fall mit vorhandenen Vorrichtungen durchgeführt werden kann.
Da, wie erwähnt, durch die Erfindung ein Kleber nicht mehr verwandt wird, ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung, zumal, wenn als Substrate bzw. als Verbundsubstrat Folien behandelt bzw. fertiggestellt werden, die in großen Mengen, beispielsweise als Lebensmittelverpackung Verwendung finden.
Wie erwähnt wird der Haftvermittler, der bevorzugt aus EVA (Ethylenvinylacetat) besteht, als Aerosole aufgebracht, die, wie aus der WO 2011/064 268 A1 bekannt, im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung auf das Substrat aufgesprüht werden können, bei gleichzeitiger Koronabehandlung.
Auf diese Art können auch Additive auf das zweite Substrat gesprüht werden, die nach der Verbindung mit dem ersten Substrat eine Barriere bilden, beispielsweise gegen einen Gasdurchlass. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist in der Lebensmittelverpackung zu sehen, wobei dann ein dauerhaft luftdichter Verschluss des Lebensmittels gewährleistet ist.
Selbstverständlich ist neben der Beaufschlagung des zweiten Substrats mit den Barrierebildnern das erste Substrat, entsprechend der Erfindung, mit einem Haftvermittler versehen, wobei beide Substrate einer Koronabehandlung unterzogen werden.
Um die aus dem Aerosolauftrag auf dem zweiten Substrat vorhandene Restfeuchte zu entfernen und so einen störungsfreien Verbund beider Substrate zu gewährleisten, ist nach der Koronabehandlung des zweiten Substrats eine Heizzone vorgesehen, in der die Restfeuchte verdunstet wird. Die Heizung kann durch Infrarot- oder UV-Strahlung erfolgen oder durch Heißluft.
Als erstes und/oder zweites Substrat können Folien aus PE, PP, OPP, BOPP eingesetzt und mit dem anderen Substrat, beispielsweise aus PET oder Aluminium verbunden werden. In der letztgenannten Kombination bildet das zweite Substrat aus Aluminium eine Barriere, so dass sich als Verbundsubstrat eine metallisierte Folie ergibt, wie sie beispielsweise als Verpackungstüten für Knabbergebäck oder dergleichen zum Einsatz kommen. Die genannte Auswahl an Substraten ist lediglich beispielhaft zu sehen und kann beliebig um alle weiteren geeigneten Materialien erweitert werden.
Die Auswahl an Haftvermittlern wird ebenfalls bestimmt durch die gewünschte hohe Affinität zu dem nach der Koronabehandlung aufzubringenden zweiten Substrat, wobei hierzu auch, wie erwähnt, eine Druckfarbe dienen kann, wenn sie die entsprechenden Eigenschaften aufweist.
Dabei wird die Druckfarbe auf das erste Substrat, beispielsweise die besagte Folie, aufgedruckt und anschließend die gesamte Seite der Koronabehandlung unterzogen. Üblicherweise wird die Druckfarbe für ein Druckbild lediglich partiell aufgetragen, was jedoch nach der Koronabehandlung ausreicht, um einen festen Verbund zwischen beiden Substraten herzustellen.
Dieser Verbund wird ausschließlich durch Adhäsionskräfte erreicht, die durch die Koronabehandlung erzeugt sind. Da hierzu kein Kleber erforderlich ist, ist eine stoffliche Trennung der beiden Substrate sehr einfach zu bewerkstelligen, so dass die Substrate quasi sortenrein wiederverwertet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung nochmals erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Ansicht eine verbindungsgemäße Vorrichtung.
In der Figur ist eine Vorrichtung zum flächigen Verbinden von zwei Substraten 1, 2 dargestellt, die im Beispiel bahnförmig ausgebildet sind und aus zwei Folien bestehen können.
Jedes der beiden Substrate 1, 2 ist auf einer abzuwickelnden Rolle 4, 5 gelagert und durch eine Koronaanlage 6, 7 geführt.
In der Koronaanlage 7 werden Additive in Form von Aerosolen auf das zweite Substrat 2 aufgebracht, indem diese Aerosole im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung aufgesprüht werden entsprechend der Anweisung in der WO 2011/064 268 A1 .
Der Koronaanlage 7 in Förderrichtung, die durch einen Pfeil kenntlich gemacht ist, nachgeordnet ist eine Trocknungseinrichtung zur Entfeuchtung des aufgetragenen Aerosols bzw. zum Aktivieren von durch die Aerosole aufgebrachten Additiven.
In einer Kaschierstation 9, die Presswalzen mit harten Oberflächen enthält, werden die beiden Substrate 1, 2 zusammengeführt und miteinander verpresst, bis sie schließlich als Verbundsubstrat 3 auf eine Rolle 10 aufgewickelt werden.
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Substrat 1, 2, im Beispiel das erste Substrat 1 vor der Koronaentladung in der Koronaanlage 6 mit einem Haftvermittler versehen, der durch die Koronaentladung aktiviert wird.
Im Beispiel ist der Haftvermittler, beispielsweise EVA, auf das erste Substrat 1, beispielsweise eine Folie mit einer Dicke von etwa 20 μm, aufgetragen und zwar auf die dem zweiten Substrat 2 zugewandten Seite.
Prinzipiell kann auf die Koronabehandlung des zweiten Substrats 2 verzichtet werden, da die Aktivierung des Haftvermittlers des Substrats 1 ausreichend ist, um einen festen und unlösbaren Verbund beider Substrate 1, 2 einzugehen.
In der Ausführungsvariante hingegen ist, wie beschrieben, durch Aerosole ein Additiv aufgebracht, das Bestandteile enthält, die nach der Koronabehandlung durch die Koronaanlage 7 eine Barriere bilden.
Statt der Koronabehandlung des ersten Substrats 1 besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, den Haftvermittler auf die dem ersten Substrat 1 zugewandte Fläche des bahnförmigen Substrats 2 aufzubringen in Form der Aerosole bei gleichzeitiger Koronabehandlung.
Auch in diesem Fall könnte auf die Koronabehandlung des anderen, ersten Substrats 1 verzichtet werden.
In der Trockungsanlage 8 kann das zweite Substrat 2 mittels Infrarot- oder UV-Strahlung oder mittels Heißluft so weit abgetrocknet werden, dass eine einwandfreie Verbindung in der Verbindungsstation 9 gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zum flächigen Verbinden von zwei Substraten (1, 2) an ihren einander zugewandten Seiten, wobei zumindest das erste, aus einer Kunststofffolie gebildete Substrat (1) auf seiner dem zweiten Substrat (2) zugewandten Seite einer Koronabehandlung unterzogen wird und die Substrate (1, 2) im kontinuierlichen Durchlauf unter Druck miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Koronaentladung zu unterziehende Seite des ersten Substrats (1) vor oder während der Koronaentladung zumindest partiell mit einem Haftvermittler als Additive durch Aufsprühen von Aerosolen versehen oder auf die ein Haftvermittler vor der Koronaentladung als modifizierte Druckfarbe aufgetragen wird.
Verfahren zum flächigen Verbinden von zwei Substraten (1, 2) an ihren einander zugewandten Seiten, wobei zumindest das erste, aus einer Kunststofffolie gebildete Substrat (1) auf seiner dem zweiten Substrat (2) zugewandten Seite einer Koronabehandlung unterzogen wird und die Substrate (1, 2) im kontinuierlichen Durchlauf unter Druck miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Extrusion des einer Koronaentladung zu unterziehenden ersten Substrats (1) ein Haftvermittler in Form eines Additivs als Beschichtung aufgebracht oder der Haftvermittler bei der Herstellung des ersten Substrats (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen der Aerosole im Wesentlichen entgegen der Schwerkraft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entfeuchtung des Substrats (2) nach dem Aufsprühen der Aerosole und nach der Koronabehandlung das Substrat (2) getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung durch Infrarot- oder UV-Strahlung oder durch Heißluft erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (1) mit einem Haftvermittler versehen wird und auf das zweite Substrat (2) ein Additiv zur Bildung einer Barriere aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrate (1, 2) bahnförmige Substrate eingesetzt werden, insbesondere Folien.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler in einer Menge von 1–40 Masse%, vorzugsweise ≤ 20%, besonders bevorzugt etwa 12%, zugesetzt oder aufgetragen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der mindestens eine Koronaanlage vorgesehen ist, durch die das bahnförmige erste Substrat (1) führbar ist und dass eine zweite Koronaanlage (7) vorgesehen ist, durch die das bahnförmige zweite Substrat (2) führbar ist und mit einer Verbindungseinrichtung, in der die beiden Substrate (1, 2) unter Druck flächig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Koronaanlage (7) einen Zerstäuber aufweist, mit dem Aerosole in den Entladungsbereich von Koronaelektroden sprühbar sind, wobei der Zerstäuber so angeordnet ist, dass eine Versprühung der Aerosole von unten gegen die dem ersten Substrat (1) zugewandte Fläche des zweiten Substrats (2) erfolgt.