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Schichtfolien und Verfahren su ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft
thermoplastische Schichtfolien und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Hei#schrumpfbare thermoplastische Kunststoffolien werden bereits auf
vielen Gebieten als Verpackungsmasterial verwendet. Im allgemeinen wird babei das
zu verpackende Produkt in die Folie eingehUllt, die Folie versiegelt und dann unter
Wärmeeinwirkung zu einer dicht anliegenden Haut aut das Produkt geschrumpft. Als
besonders geeigneter thermoplastischer Kunststoff für Verpackungsfolien hat sich
Polyäthylen erwiesen. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Rohpolyäthylen
zu geeigneten hei#schrumpfbaren Verpackungsfolien zu verarbeiten. Bei einem dieser
Verfahren wird des Polyäthylen kontinuierlich ZU einem Schlauch extrudiert, gezogen,
sit Elektronen in einer Dosis von 2 x 106 bis 20 x 106 REP bestrahlt, erbitst und
durch Druckeinwirkung vom Innern des Schlauches nochmals gereckt. Die dabei erhaltenen
Folie weisen im allgemeinen eine gute Schrumpffähigkeit, Jedoch nur ein. See ringe
Rei@festigkeit auf. Wenn die Folie erst einmal eingerissen ist, setzt sich der Ri#
beim Hei@schrumpfen schnell fort und zerstört die Verpackung.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird nun einerseits ein Verfahren zur
Herstellung von Kunststoffschichtfolien vorgeschlagen, bei welchem man einen schlauchförmigen
Schichtträger aus Kunststoff aus einer Spritzform mit kreisförmiger Mtse mit einem
geschmolzenen Kunststoff beschichtet, so daß lan einen Schichtstoff mit einer bei
der Orientierungstemperatur des Schichtträgers ziehbaren Beschichtung eftält, den
Schichtstoff abkUhlt und anschließend auf die Orientierungstemperatur des Schichtträgers
erwärmt und den erwärmten Schichtstoff zum Verringern seiner Dicke und Orientieren
des Schichtträgers reckt.
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Andererseits wird mit der Erfindung eine Kunststoffschichtfolie vorgeschlagen,
welche aus einem schlauchförmigen Schichtträger aus thermoplastischem Material und
einer Beschichtung aus einem bei der Orientierungstemperatur des Schichtträgers
ziehbaren Kunststoff auf der Außenseite des schlauchförmigen Schichtträgers besteht.
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Schlie#lich wird mit der Erfindung noch ein Beutel aus heißschrumpfbarem
thermoplastischem Material vorgeschlagen, weloher aur einem Abschnitt einer schlauchförmigen
thermoplastischen Schichtfolie besteht, der an einen Ende durch Reißsiegeln verschlossen
und au anderen Ende offen und mit einem nach innen gerollten Rand versehen ist.
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Die Erfindung wird im rolgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert; es zeigen Figur 1 - eine schematische Darstellung der einzelnen
Stufen bei einer Ausführungsform des erfindungsgemä#en Verfahrens; Figur 2 - einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemä#e Schichtfolie; Pigur 3 - einen Querschnitt
durch einen Beutel aus dem schlauchförmigen Schichtstoff mit umgerollten Rand an
seiner Öffnung; Figur 4 - eine schematische Darstellung des Beutels nach Fig.3 ;
Figur 5 - einen Querschnitt durch eine Spritzform zur Herstellung der Schichtfolie;
Figur 6 - die in Fig. 5 dargestellte Spritzform aus der Sicht bei 6-6; Figur 7 -
eine schematische Darstellung der Verfahrensstufen bei Herstellung einer MGhrachichtenfolie;
Figur 8 - einen Querschnitt durch eine erfindungsgemä# hergestellte Mehrschichtenfolie.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten Verfahren fUhrt man zunächst Polyäthylen
in einen Extruder 1 ein, beispielsweise in einen elektrisch beheizten 8,9 cm-Extruder,
und extrudiert es aus einem Sprl.tzkopf 2 in Form eines Schlauches 4 nach unten.
Nach dem Abkühlen wird der Schlauch durch Quetschwalzen 5 flachgedrUckt und durch
eine Bestrahlungskammer 24 mit einem Schutzmantel 23
geschickt,
wo er mit Elektronen aus einem Fisentransformatorbeschleuniger 6 bestrahlt wird.
Es können auch andere Beschleuniger wie belspielsweise ein Band- oder Resonanztransformator
verwendet werden. Die Strahlung ist nicht auf Elektronen aus einem Beschleuniger
begrenzt und es können auch beliebige andere radioaktive Strahlungen verwendet werden.
Di e Stra1) ungseinheit von 1 RAD entspricht der 100 erg Energie Je g bestrahltes
Material abgebenden radioaktiven Strahlung. ein KR bcdeutet Meg. aråd oder eine
Million (106) RAD 4 Wie lange der Polyäthylenschlauch/bestrahlt wird, ist nicht
kritisch; die Bestrahlungsdauer uß lediglich ausreichen, die zum Vernetzen erforderliche
Dosis zu ergeben. Bei dieser Ausführungsform wird eine Dosis von 2 biu 16 MR und
vorzugsweise 6 bis 8 MR angewendet. Bei den bekannten Verfahren istes i irn allgemeinen
zweckmä#ig, bis zu einer Dosis von etwa 12 MR zu strahlen. Bei den im vorliegenden
Fall anwendbarch niedrigeren Dosen ist der Wirkungsgrad der Bestrahlung je Sch@@@uchgewicht
wesentlich erhöht. Es kann jedes geeignete Vernetgungsverfahr wie Vernetzung durch
chemische Vernetzungsmittel oder durch Bestrahlung angewendet werden, jedoch wird
die Erfindung der Einfachheit halber vorwiegend unter Anwendung des Vernetzungs
verfahrens durch Bestrahlen beschrieben.
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Der Schlauch 4 wird Uber Rollen 33 durch die Bestrahlungskammer 24
geführt.
Anschließend an die Bestrahlung läuft der Schlauch zwischen Abquetschwalzen 7 hindurch,
htter welchen er durch eine eingeschlossene Blase 20 etwas aufgeblasen wird. jedoch
wird er noch nicht in Längsrichtung gereckt, da die Walzen 7 mit der gleichen Geschwindigkeit
wie die Walzen 5 angetrieben werden. Der Schlauch wird nur so weit aufgeblasen daß
ein im wesentlichen runder Schlauchquerschnitt erhalten wird, jedoch noch keine
wesentliche Querorientierung bewirkt wird. Der schwach aufgeblasene Schlauch 4 läuft
durch eine Vakuumkammer 8 und dann durch eine Spritzbeschichtungsform 9, wo eine
thermoplastische Beschichtung 26 auf den aufgoblasenen Schlauch 4 extrudiert und
somit ein Schichtstoff 11 gebildet wird. Der Spritzform 9 wird ein geschmolzener
thermoplastischer Kunststoff aus einem üblichen Extrader 21 zugeführt. Nach einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Beschichtung ein Äthylen-Vinylacetat-Copolymeres
mit einem Vinylacetatgehalt von 9,5 Gew.% verwendet. Allgemeln werden Äthylen-Vinylacetat-Copolymere
mit einem Vinylacetatgehalt zwischen 3 und 28 Gew.% als thermoplastische Beschichtung
bevorzugt.
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Als Extruder 21 wird ein üblicher 6,35em-Extruder verwendet. Die
Spri zform 9 besteht aus einem Spezial-Querspritztkopf mit einer 8,9 cm weiten Öffnung
fUr den schwach aufgeblasenen Schlanch cE Der genaue Aufbau der Spritzform 9 geht
am besten nut Fig 5 5 und 6 hervor. In den am Formgehäuse 36 befestigten Dorn 37
de@
Spritzform 9 ist eine Öffnung 38 geschnitten, durch welche der
aufgeblasene Schlauch geführt wird. Der Weg des geschmolzenen Beschichtungsmaterials
26 ist durch die Pfeile in 6 i g. 5 und 6 angegeben Durch eine Vakuumkammer 8 wird
ein schwaches Vakuum, z.B. im Bereich von 0 bis etwa 72 mm Wasser auf dLe Spritzform
9 ausgeUbt, um die w9leh geschnitten, extrudierte Beschichtung 26 gegen den aufgeblasenen
Schlauch 4 zu ziehen oder zu saugen und damit den Einschluß von Blasen in den Schichtstoff
11 zu verhUten. Die Vakuumkammer 8 kann einfach aus eIner zylindrischen Gehause
bestehen, dessen Innendurchmesser dem Au#endurchmesser des aufgeblasenen Schlauches
entspricht. Das Valnruarl kann durch eine Öffnung 22 Uber einen Ueblichen Vakuumschlauch
ausgeübt werden.
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Das geschmolzene Äthylen-Vinylacetat-Copolymere 26 wird bet einer
Temperatur der Spritzform 9 von etwa 21500 direkt auf den Polyäthylenschlauch gespritzt
und dann durch Besprühen mit Wasser aus einem Kühlring 10 abgekUhlt. Der so erhaltene
Schichtstoff is wird dann durch Abquetschwalzen 12 zusammengedrückt.
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Bei dem vorliegenden Beispiel fllr die bevorzugte Ausführungsform
hat der Polyäthylenachlauch vor dem Orientieren eine Wandastärke
von
etwe 0,4 mm und die Beschichtung etwa die gleiche Stärke, so daß der Schichtstoff
11 vor dem Orientieren etwa 0,8 mm dick ist. Der durch die Abquetschwalzen 12 und
dann über Führungsrollen 13 laufende Schichtstoff 11 ist also noch ungereckt und
unorientiert.
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Die Erhitzung des Schichtstoffes 11 beginnt in einem Vorwärmbehälter
35, welcher Wasser 4 von etwa 100°C enthält. Die Verweilzeit des Schichtstoffes
11 im Behälter 35 ist jedoch nicht so lang, daß die Temperatur des Schichtstoffes
die Wassertemperatur erreicht.
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Dann wird der Schichtstoff 1 in ein Hei#wasserbad 15 gefüh@t, wo er
kontinuierlich auf die Schmelztemperatur des Schichtträgers oder eine etwas darunter
liegende Temperatur erhitzt und nach dem Blasverfahren reckorientiert wird. Bei
der vorliegend beschriebene@ Ausführungsform hat das Wasserbad 15 eine Temperatur
von 17 die Blase/bewirkt eine Reckung im Verhältnis von 4:1 inQuer-und Längsrichtung,
so da# die Dicke des Schichtstoffes 11 auf etwa 0,05 mm vermindert wird. Die Dickenverninderung
de Sch@ chtträgers und der Beschichtung ist dabei gleich. Die Blase 17 wird schließlich
durch Rollen 18 flachgedrückt und der ertige Schichtstoff auf eine Walze 19 gewickelt.
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Wenn man ein Äthylen-Vinylacetat-Copolymeres mit einem Vinylacetat.
gehalt
von etwa 9,5 ffi auf eine Temperatur von 100°C erwärmt, es befindet/sich etwas oberhalb
seines Kristallschmel zpunktes ; sein Kristallerstarrungspunkt liegt dagegen bei
etwa Es ist bekannt, da# kristalline Substanze Kristallschmelzpunkte und Kristallerstarrungspunkte
haben, welche sich nicht decken.
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Diese Erscheinung wird als "Hysteresis"-Effekt bezeichnet. Beim Blasen
wird die e geschmolzene Äthylen-Vinyl ac etat-Cepolymer-S chi cht zum Flie#en gebracht
und wird hei#geblasen, d.h. sie wird im wesentlichen unorientiert, während die bestrahlte
oder vernetzte Polyäthylenschicht stark orientiert wird. Der fertige Schichtstoff
weist eine hohe Rei#festigkeit auf, was in erster Linie darauf beruht, daß das Copolymere
unter den üblichen Orientierungs. bedingungen für bestrahltes Polyäthylen geschmolzen
wird und dadurch hei#gehlasen und nicht orientiert wird.
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In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften einer üblichen bestrahlten
und orientierten Folie mit. den Eigenschaften von zwei erfindungsgemä#en Schichtfolien
verglichen.
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Tabelle Schichtfolien mit Schichtträger übliche bestrahlte aus bestrahltem
orientierten orientierte Poly-Polyäthylen und Beschichtung aus äthylenfolie Äthylen-Vinylacetat-Copolymerem
Vinylacetatgehalt des Äthylen-Vinylacetat-Copolymeren 9,5% 17% Durchschnittliche
Gesamtdicke der Folie, mm 0,05-0,074 0,03-0,053 0,05-0,064 Zugfestigkeit, kg/cm2
542,5 616 492-703 Dehnung, % 93,8 72,7 50-100 Modul bei 22,8°c, kg/cm2 1202 1446,5
1757,5-2109 Rei@fentigkeit, g/mil (0,0254mm) 8 103 3-4 Schlagzähigkeit, g 664 720
400-500 Freie Schrumpfung, % bei 99°C 58 52 50 bei 87,5°C 24 30 29 Schrumpfspannung,
kg/cm2 bei 99°C 17,5 18,9 22,15 bei 87,5°C 14,75 14,75 20,05
Aus
den obigen Werten geht hervor, daß die Zugfestigkeit und die Schrumpfspannung der
erfindungsgemäßen Schichtfolien im gleichen Bereich wie die der bekannten Folie
liegen. die Reißfestigkeit Jedoch wesentlich besser ist. Die Rei#festigkeit der
üblichen Polyäthylenfolien liegt im allgemeinen nicht Uber 6 ggmil, während die
der erfindungsgemä#en Schichtfolien wesentlich höher liegt. Die Reißfestigkeit ist
insbesondere bei der Schichtfolie mit 17% Vinylacetat im Beschichtungscopolymeren
wesentlich erhöht, und es kann angenommen werden, daß die Reißfestigkeit mit dem
Vinylacetatgehalt des Äthylen-Vinylacetat-Copolymeren zunimmt Die angegebenen Rei#festigkeiten
wurden nach den ASTM-Methoden fUr Papiar bestimmt.
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In Fig. 2 ist ein Querschnitt dadurch die Schichtfolie 11 mit dem
Schichtträger 4 und der Beschichtung 26 gezeigt. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt
durch einen Beutel 32, welcher aus der schlauchförmigen Schichtfolie 11 hergestellt
werden kann. Mierzu wird der Schlauoh in Querrichtung geschnitten und der Schlauchabschnitt
an einem Ende durch Hei#versiegeln mit einem Verschluß 29 versehen. Das andere Ende
wird zur Aufnahme eines Produktes, z. B. eines Puters, einer Rindakeule und dergleichen,
offen gelassen. Die Minder 30 und 91 an dieser offenen Seite des Beutels liegen
nicht fWch wie bei einem Beutel aus unbeschichteter thermoplastischer Folie sondern
sind nach innen gerollt, da
der Schichtträger bzw. dfc innere Schicht
der; Beutels stärker gespannt ist als die Beschichtung bzw. die äu#ere Schicht.
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Durch diesen nach innen gerollten Rand lassen sich die Ber 3 eichter
öffnen. @ei Verpaekungsver@ahren, bei welchen di ( Beut e@ zum Einsetzen des Produktes
von Hand geöffnet werden, wirht sich selbst eine kurze Verzögerung beim Öffnen der
Bcuiel auf die Kosten des Produktes aus. Bei Beutel@ aus unbeschichieten lolie@
liegen die Ränder flach aufeinander und haften leickt ancin@@@@@.
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Die nach innen gerollten Ränder der Beutel aus den erfindun@@gemä#en
Schichtfolien erleichtern das Augeinanderzichen der @änder zum Öffnen der Beutel,
so da# der Verpackungsvorg@ng hesch@@@-nigt wird. In Fig.4 ist ein Beutel aus der
erfindungsgemä@en schlauchförmi gcn Schi chtfol i e e perspekti vi sch dargestel
3 t.
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Wenn die Schichtfolie 11 bedruckt oder gefärbt werden soll, 1, ist
es vorteilhaft, den Schichträger/in Fig.1 entweder bevor oder nachdem er die Bestrahlungskammer
und den Beschleuniger 6 passiert hat, jedoch bevor der mit der Beschichtung 26 versehen
wird, zu bedrucken oder mit Farbpigmenten zu versehen. Wenn man den Schichtträger
vor dem Beschichten bedruckt oder färbt und erst dann die Beschichtung aufbringt,
wird ein Sehutzüberzug erhalten, welcher ein Abnutzen oder Abkratzen der Farbe verhUtet.
Ein noch größerer Vorteil besteht darin, daß man die beiden Folienschichten zum
Erzeugen eines Spiegel effektes benutzen kann, indem man eine
klare
und eine undurchsichtige Schicht verwendet, wodurch eine glänzende attraktive Verpackung
erhalten wird. Dieser Effekt wird bei der bevorzUgten Ausführungsform erzielt, da
daß Polyäthylen relativ undurchsichtig und das Xtbylen-Vinylaoetat-Copolymere klar
ist.
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Wenn man eine nicht schlauchförmige Folienbahn wünscht, kann man die
Schlauohfolie natürlich auch zu einer kontinuierlichen Folienbahn aufschlitzen oder
aufschneiden.
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Autgrund der geringeren Bestrahlungsdosis für den Schichtträger, welcher
normalerweise bei Verwendung der erfindungsgemä#en Schichtfolien fllr Verpackungszwecke
als Siegelfläche dient, können bessere Versiegelungen wie beispielsweise der Siegelverschlu#
29 in Fig. 3 erzielt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schichtfolie
besteht darin, daß sie bei einer niedrigeren Temperatur als orientierte bestrahlte
Polyäthylenfolien geschrumpfl werden kann.
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Die erhöhte Reißfestigkeit der erfindungsgemä#en Schiohtrolien kann
mit dem Nadellochtest zur Bestimmung der Reißfestigkeit bei Schrumpftemperatur naohgewiesen
werden. Hierbei wird die zu prüfende Folie glatt und faltenfrei Uber ein Ende des
Rohres aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 2,54 cm gespannt,
dabei
Jedoch nicht gereckt. Die aufgespannte Folie wird dann mit einer Nadel durchatochen
und bis zu einer Tiefe von 2,54 cm in ein auf etwa 850C erwärmtes Wasserbad oder
Carbowaxbad getaucht.
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Die Zeit, welche das Nadelloch braucht, um sich zu einem Riß zu erweitern,
ist ein Maß für die Reißfestigkeit der Folie gegen die bei der erhöhten Temperatur
bestehenden Schrumpfkräfte.
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Das Verfahren wird mit ansteigender Temperatur wiederholt. Die Ergebnisse
von Vergleichsversuchen mit einer Polyäthylenfolie und einer erfindungsgemäßen Schichtfolie
waren wie folgt Temperatur Einreißzeit in Sekunden °C bestrahltes orien- Schichtfolie
aus Polytiertes Polyäthylen äthylen und ÄVA+ 85 14,1 65,3 90 3,9 30,0 95 1,5 7,7
100 0,3 2,4 +) Xthylen-Vinylacetat-Copolymeres mit 9, 5 Vinylacetat.
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Diese Verbesserung der Reißfestigkeit scheint darauf zu beruhen, daß
sich die unorientierte Beschichtung beim Einreißen der Schichtfolie dehnt und vom
Schichtträger löst, jedoch nicht reißt, Der Schichtträger wird also an der Reißstelle
getrennt, während die Beschichtung sich Uber dem Riß dehnt und einen Verbindungasteg
bildet.
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Nach dem erfindungsgemä#en Verfahren können auch Schichtfolien mit
mehr als zwei Schichten hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist in Fig, 7
dargestellt. Hierbei wird ein Schichtträger 40 von einer Vorratsrolle 41 abgewickelt,
zwischen Abquets¢hwalzen 42 hindurchgefUhrt, aufgeblasen und einem ersten Spritzwerkseug
44 zugeführt, Aus einem Extruder 43 wird ein geschmolzenes Beschichtungsmaterial
46 durch die Spritzform 44 auf den Schichtträger 40 extrudiert, so daß ein Zweischichtenstoff
50 erhalten wird. Dieser Schichtstoff 50 wird durch einen Kuhlring 47 gekühlt und
durch Abquetschwalzen 48 zus-nengedrUckt.
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Man kann den Schichtstoff 50 zwar auch aufgeblasen lassen, jedoch
ist es einfacher, ihn zusammenzudrücken und über Rollen 49 weiterzutransportieren.
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Das Verrahren wird wiederholt, d.h. der Zweischichtenstoff 50 wird
aufgeblasen und durch ein Spritzwerkzeug 54 geführt, wo er durch Aufbringen einer
Beschichtung 55 zu einem Dreischichtenstoff 60 wird. Dieser wird durch einen Ktlhiring
56 gekühlt und in einem Heizbad 62 auf die gleiche Weise wie in Figur 1 zum Orientieren
und Verringern der Dicke zu einer Blase 63 aufgeblasen und dann durch Rollen 64
flachgedrückt und auf eine Walze 65 aufgewickelt.
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Es ist einleuchtend, daß dieses Verfahren beliebig oft wiederholt
werden
kann und man auf diese Weise Schichtstoffe mit beliebig vielen Schichten herstellen
kann.
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Für einen Dreischichtenstoff wird als Schichtträger 40 ein unorientiertes
bestrahltes Polyäthylen und als erste Beschichtung 46 ein Äthylen-Vinylacetat-Copolymeres
litt einem Vinylacetatgehalt von 9,5% bevorzugt. Als harte nicht verschrammende
äu#ere Beschichtung 55 kannein Polyamid verwendet werden. Vor dem Recken des Schichtstoffes
kann die Polyäthylenschicht etwa 0,38 mm, die Äthylen-Vinylacetat-Copolymerschicht
etwa 0,33 mm und die Polyamidschicht etwa 0,0127 mm dick sein. Nach dem Recken beträgt
hierbei die Dicke der Polyäthylenschicht etwa 0,0254 mm, der Äthylen-Vinylacetat-Copolymerschicht
etwa 0,0221 mm und der Polyamidschicht etwa 0,0008 mm. Fig. 8 zeigt einen Querschnitt
durch die Dreischichtenfolie 60.
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Wie bereits gesagt wurde, können mit Polyamiden harte kratzfeste Beschichtungen
erhalten werden. Polyamide sind zwar relativ teuer, jedoch können sie in sehr dünnen
Schichten rrerwendet werden, so daß sie wirtschaftlich tragbar sind. Da da:; Polyamid
einen Schmelzpunkt von etwa 204 bis 2880C hat,q muß die Beschichtung 55 (Fig.7)
sehr schnell durch Kühlwasser aus dem Ring 56 gekühlt werden um eine Kistallisation
zu verhindern.
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St; wird die Polyamidschicht mit dem Äthylen- Vinylacetat-Copolymtren
zusammen hei#geblasen, während das Polyäthylen @eckcrientiert wird.
puls
Schichtträger können auch andere Monoolefinool@ irere, z.B.
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Polypropylen, oder Polyvinylchlorid verwendet werden, Als Beschichtungen
können beispielsweise Polymere von Vi@ylchlorid, Urethans Amiden, Vinylidenchlorid
und dergleichen verwendet werden. Unter Polymeren werden dabei Copolymere, H@ H@@opolymere,
Terpolymere und Propf- oder Blockpolymere verstand@n.