DE19513890A1 - Durch Hochfrequenz verschweißbarer thermoplastischer Film - Google Patents

Durch Hochfrequenz verschweißbarer thermoplastischer Film

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoplastischen Film auf Basis von Ethylen-Copolymeren, die durch einen Hochfrequenzstrom in schnellen Taktzeiten verschweißbar sind.
In der Verpackungsindustrie verlangt man immer mehr nach thermo­ plastischen Filmen, die hervorragende mechanische Eigenschaften, einen geringen Reibungskoeffizienten, ein angenehmes Gefühl beim Anfassen und eine hervorragende Schweißfestigkeit besitzen.
Hinsichtlich des Schweißens von thermoplastischen Filmen ist es bekannt, daß bei Filmen mit einer Dicke über 100 µm die Schweiß­ festigkeit beim Hochfrequenzstromverfahren besser ist als die Schweißfestigkeit beim thermischen Verfahren. Jedoch ist die Schweiß­ zeit beim Hochfrequenzstromverfahren im allgemeinen höher (2 bis 3 Sekunden oder mehr), was allerdings heutzutage in der modernen Verpackungsindustrie ein Hindernis ist, da die Taktzeiten der Ver­ packung immer kürzer werden.
In dem zuvor genannten Bereich spricht man dann von kurzen Schweißzeiten, wenn sie nicht mehr als 1 Sekunde betragen.
Die WO 92-00125 beschreibt ein Schweißverfahren mittels eines Hoch­ frequenzstroms, im folgenden als HF-Schweißen bezeichnet, von min­ destens 2 thermoplastischen Filmen, die ein Copolymer oder eine Copolymer/Polymer-Mischung aus der Gruppe aus einem Ethy­ len/Vinylacetat-Copolymer (EVA), einer Mischung von Polyethylen und EVA, einer Mischung von Polypropylen und EVA, einer Mischung von EVA, Polyethylen und Polypropylen enthält.
In diesen Mischungen, vorzugsweise bei der alleinigen Verwendung von EVA, liegt der Gewichtsanteil an Vinylacetat zwischen 12 und 28%.
Das vorliegende Verfahren besteht aus:
  • - dem Zusammenpressen von mindestens zwei thermoplastischen Schichten,
  • - der Anwendung eines HF-Stroms auf diese zusammengepreßten Schichten, um sie zusammenzuschweißen, und
  • - der Wiederverwertung dieser verschweißten Schichten.
Obwohl diese Verfahrensart hinsichtlich der Qualität des Schweißver­ fahrens und der mechanischen Eigenschaften der verschweißten Filme voll zufriedenstellend ist, ist in dieser Anmeldung kein besonderer Hinweis in bezug auf die Taktzeiten des Schweißvorgangs und die Produkte gegeben, die mit solchen Taktzeiten erhalten werden kön­ nen.
Die Anmelderin hat eine Vielzahl von Versuchen hinsichtlich des HF- Schweißens mit mindestens zwei thermoplastischen Filmen auf Basis eines Ethylen-Copolymers unternommen.
Die Anmelderin hat herausgefunden, daß es notwendig ist, die Energie pro Oberflächeneinheit der HF-Schweißelektrode zu erhöhen, um Schweißzeiten von höchstens 1 Sekunde zu erhalten.
Jedoch hat die Anmelderin herausgefunden, daß bei erhöhten Ener­ gien die HF-Schweißzeiten zwar tatsächlich sehr kurz sind, aber dadurch Blitze entstehen, die zur Beschädigung der Filme (Risse, Löcher, starke Verfärbungen) und somit zur Begrenzung der verwen­ deten Energien führen.
Des weiteren hat die Anmelderin herausgefunden, daß ein erhöhter Comonomeren-Gehalt in dem Ethylen-Copolymer sehr kurze HF- Schweißzeiten erlaubt. Leider sind die Produkte mit erhöhtem Como­ nomeren-Gehalt wegen ihrer klebrigen Eigenschaften schwer zu extrudieren, was für die modernen Verpackungsmaschinen ein Hin­ dernis ist.
Die Erfindung betrifft einen thermoplastischen Film, der mindestens ein Ethylen-Copolymer enthält, das mittels eines Hochfrequenzstromes verschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Film eine ausrei­ chende Menge mindestens eines N,N′-Ethylen-bis-amids der Formel
[CnH2n±1-C(O) - NH - CH₂]₂
enthält, in der n eine ganze Zahl zwischen 17 und 21 ist, um HF- Schweißzeiten von höchstens einer Sekunde, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 Sekunden, zu erhalten.
Als Beispiel für das erfindungsgemäß zu verwendende N,N′-Ethylen- bis-amid kann man N,N′-Ethylen-bis-stearamid, N,N′-Ethylen-bis-ole­ amid, N,N′-Ethylen-bis-gadoleamid, N,N′-Ethylen-bis-cetoleamid, N,N′- Ethylen-bis-erucamid und eine Mischung aus mindestens zwei der genannten N,N′-Ethylen-bis-amide nennen.
Unter den N,N′-Ethylen-bis-amiden betrifft die Erfindung insbesondere das N,N′-Ethylen-bis-oleamid, im folgenden als EBO bezeichnet.
Als Ethylen-Copolymere, die Bestandteil des erfindungsgemäßen thermoplastischen Films sein können, kann man insbesondere die polaren Ethylen-Copolymere mit einem Comonomeren-Gehalt von mindestens ca. 0,09 Mol pro 100 g Copolymer nennen, wie z. B.:
  • - Copolymere von Ethylen und mindestens einem Vinylester einer gesättigten Carbonsäure mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen wie z. B. Vinylacetat oder Vinylpropionat;
  • - Copolymere von Ethylen und mindestens einem Alkylacrylat oder -methacrylat mit einer Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen wie z. B. Ethylen/Methylacrylat-Copolymere oder Ethylen/Butyl­ acrylat-Copolymere;
  • - die zuvor genannten Copolymere mit Maleinsäureanhydrid oder Glycidyl(meth)acrylat;
  • - Mischungen von mindestens zwei der zuvor genannten Copoly­ mere.
Der erfindungsgemäße Film kann auch Polyethylen oder Copolymere von Ethylen und einem alpha-Olefin enthalten.
In bezug auf die Ethylen-Copolymere betrifft die Erfindung insbeson­ dere thermoplastische Filme, die mindestens ein Ethylen/Vinylacetat- Copolymer mit einem Gewichtsanteil an Vinylacetat von höchstens 40%, vorzugsweise zwischen 12 und 28%, enthalten.
Man kann Schweißzeiten von höchstens 1 Sekunde des thermoplasti­ schen Films auf Basis eines Ethylen-Copolymers erhalten, wenn man N,N′-Ethylen-bis-amid in einem Gewichtsanteil von höchstens 0,6%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,5%, bezogen auf den thermoplasti­ schen Film verwendet.
Gemäß einer weiteren Erfindungsform enthält der thermoplastische Film zusätzlich ein Antihaftmittel, ausgewählt aus der Gruppe aus pri­ mären Amiden von Fettsäuren, Siliciumdioxid, Talk und Mischungen von mindestens zwei der zuvor genannten Verbindungen.
Als Beispiel für ein primäres Amid einer gesättigten Fettsäure kann man Erucamid, Oleamid, Stearamid, Palmitamid und Mischungen von mindestens zwei der zuvor genannten Verbindungen nennen.
Unter den primären Amiden der Fettsäuren bevorzugt man die Ver­ wendung von Erucamid.
Diese Antihaftmittel können in einem Verhältnis eingesetzt werden, das ungefähr 2 Gew.-%, bezogen auf den thermoplastischen Film, nicht übersteigt.
Der thermoplastische Film auf Basis eines Ethylen-Copolymers kann gleichermaßen mindestens ein in bezug auf Ethylen-Copolymere übli­ ches Additiv enthalten, wie z. B.:
  • - ein Additiv, das den Gleitcharakter verbessert, wie beispielsweise ein Metallsalz einer Fettsäure (Zinkstearat),
  • - ein Antioxidationsmittel, wie z. B. ein sterisch gehindertes Phenol, ein Mercaptan oder ein Phosphit,
  • - UV-Absorptionsmittel, wie z. B. substituierte Benzophenone, sub­ stituierte Phenylbenzotriazole und sterisch gehinderte Amine. Flammenhemmende Mittel, wie z. B. Nickelkomplexe, anorgani­ sche oder organische Pigmente, wie z. B. Zinkoxid oder Titanoxid.
Die primären Amide der gesättigten Fettsäuren und die obigen Addi­ tive werden erfindungsgemäß nur in solchen Mengen eingesetzt, wie sie die Schweißgeschwindigkeit der thermoplastischen Filme nicht verändern.
Der erfindungsgemäße thermoplastische Film kann insbesondere durch Extrusion, Blasextrusion oder durch die sogenannte "CAST"- Technologie einer Zusammensetzung erhalten werden, die durch jedes der bekannten Verfahren hergestellt wurde, die eine Verteilung des N,N′-Ethylen-bis-amids und gegebenenfalls des Antihaftmittels und des anderen Additives oder der anderen Additive in dem Ethylen-Copoly­ mer erlaubt.
Um eine gute Reproduzierbarkeit in bezug auf die Schweißvorgänge zu erhalten, ist es notwendig, daß die Additive in dem Ethylen-Copo­ lymer sehr gut verteilt sind. Heterogenitäten der Verteilung dieser Additive führen zu einer schlechten Qualität der Schweißnähte bei schnellen Taktzeiten.
Die Dicke des erfindungsgemäßen thermoplastischen Films kann in einem weiten Bereich liegen. Im allgemeinen beträgt sie höchstens 500 µm und vorzugsweise liegt sie zwischen 50 und 300 µm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verschweißt man mindestens zwei thermoplastische Filme auf Basis eines Ethylen-Copolymers, vorzugs­ weise zwei Filme aus EVA. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verpackungen, die einen erfindungsgemäßen Film enthalten, der durch HF verschweißt wurde.
Jedoch ist zur Verpackung von Lebensmitteln oft eine verbesserte Gas- und/oder Wasserdampfdurchlässigkeit gewünscht.
Diese kann man im allgemeinen durch die sogenannte Coextrusions­ technik erhalten.
Diese Technik besteht insbesondere darin, mindestens zwei Polymer­ schichten zu coextrudieren, die jeweils die gewünschten Eigenschaften haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Verpackungen, die aus mehr­ schichtigen Filmen bestehen, die mindestens eine Schicht des erfin­ dungsgemäßen Films auf einer der Seiten enthalten (i) und die durch HF verschweißt sind, nachdem er auf diese Seite (i) aufgebracht wurde.
Als Beispiel für solche Komplexe kann man EVA/PE/EVA- und EVA/PP/EVA-Dreischichtfilme und Vielschichtfilme nennen, wie z. B.:
  • - EVA/Bindemittel/EVOH/Bindemittel/EVA
  • - EVA/-Bindemittel/PA/Bindemittel/EVA,
wobei EVA ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer, PE und PP jeweils Polyethylen und Polypropylen bezeichnen und EVOH die Ethy­ len/Vinylalkohol-Copolymere bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können diese Komplexe, die mindestens eine Schicht auf Basis eines erfindungsge­ mäßen Ethylen-Copolymers enthalten, insbesondere auf Basis von EVA, durch einen HF-Strom untereinander mit schnellen Taktzeiten verschweißt werden, d. h. mit Schweißzeiten von höchstens 1 Sekun­ de.
Das Schweißen der erfindungsgemäß erhaltenen thermoplastischen Filme kann durch jedes bekannte Verfahren durchgeführt werden, das darin besteht, zwischen die Platten einer gegebenenfalls aufgeheizten HF-Schweißpresse mindestens zwei thermoplastische Filme (oder Komplexe auf Basis eines erfindungsgemäßen Ethylen-Copolymers) zu geben, einen Druck als Funktion der Dicke des zu verschweißenden Films anzulegen, dann einen Strom mit der Frequenz von 27,12 MHz auf die unter Druck befindlichen Schichten aufzubringen, nachdem der Oszillator-Schaltkreis abgeglichen wurde, um das Maximum der Energie zu erlangen.
Diesen Strom behält man für einige Zeit bei (die sogenannte Schweiß­ zeit), die jedoch 1 Sekunde nicht übersteigt; dann kühlt man gegebe­ nenfalls ab, bevor die verschweißten Filme wieder verwendet werden.
Die Bruchfestigkeit der erhaltenen Filme wird gemäß der Norm NFT 54120 bestimmt.
Die erfindungsgemäßen Filme haben den Vorteil, daß sie eine erhöhte Bruchfestigkeit sogar bei sehr verkürzten Schweißzeiten (ungefähr 0,2 Sekunden) aufweisen.
Diese Filme sind insbesondere zur Verpackung von Unterhaltungspro­ dukten verwendbar.
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.
Herstellung der EVA-Filme
Die Filme werden aus Zusammensetzungen hergestellt, die folgende Bestandteile enthalten:
  • - EVA: Ethylen/Vinylacetat-Copolymer, das 24 Gew.-% Vinylacetat enthält und einen Fließindex von 3 g/10 min hat, das gemäß der Norm ASTM-D 1238 bei 190°C unter einer Last von 2,16 kg bestimmt wurde.
  • - N,N′-Ethylen-bis-oleamid (EBO), hinzugegeben in Form eines Master-Batch (Vormischung) mit 6% EBO in dem obigen EVA,
  • - TiO₂, hinzugegeben in Form eines Master-Batch mit 70% TiO₂- Gehalt in das Polyethylen,
  • - SiO₂, hinzugegeben in Form eines Master-Batch mit 50% SiO₂- Gehalt in ein Polyethylen,
  • - Erucamid (Eru.), hinzugegeben in Form eines Master-Batch mit 5% Erucamid in ein Polyethylen,
  • - Stearamid (Ste.), hinzugegeben in Form eines Master-Batch mit 5% Stearamid in ein Polyethylen.
Die EVA-Granulate und die verschiedenen weiteren Bestandteile (in Form von Master-Batches) werden trocken in einem Flobin-Mischer für 15 Minuten gemäß den in Tabelle 1 angegebenen Gewichtsver­ hältnissen gemischt.
Diese Mischung gibt man dann in einen einschneckigen BUSS-Ko- Kneter mit einem Schneckendurchmesser von 88 mm und einem L/D- Verhältnis von 21 und einem Cavity Transfer-Mixer Knet-Ausguß mit 8 Lochreihen. Die Schneckengeschwindigkeit beträgt 100 Umdrehun­ gen/min und die Extrusionstemperatur liegt zwischen 170 und 205°C.
Das Produkt wird anschließend zu einem Film mit Hilfe der sogenann­ ten "Cast"-Technologie extrudiert, gemäß den Bedingungen, die für ein EVA-Harz üblicherweise verwendet werden.
Die EVA-Filme haben eine Dicke von 220 µm.
Hochfrequenzschweißen
Man verwendet eine HF-Schweißpresse THIMONIER, Typ M31-BS 22 mit einem HF-Generator mit einer elektronisch regelbaren Leistung von 2 kW, die eine Vorrichtung zur manuellen Regelung der HF in 5 Positionen, die der jeweiligen Leistung von 0,4, 0,8, 1,2, 1,6 und 2 kW entsprechen, und eine Druckluftzuführung für einen Preßdruck von mindestens 2·10⁵ Pa enthält.
Die Elektrodenoberfläche beträgt 10,25 cm².
Man legt die zu verschweißenden Filme zwischen die Platte und die Elektrode der Presse, dann übt man einen Druck aus, und legt einen Strom mit einer Frequenz von 27,12 MHz an, den man für die soge­ nannte Schweißzeit von 0,2 bis 1 Sekunde beibehält, nachdem man die vorgegebene Leistung zuvor manuell eingestellt hat.
Die verschweißten Filme läßt man abkühlen und bestimmt danach die Bruchfestigkeit gemäß der Norm NFT 54120 (die Zuggeschwindigkeit beträgt 100 mm/min).
In der Tabelle 1 sind die erhaltenen Ergebnisse von dem Verschwei­ ßen zweier EVA-Filme mit einer Dicke von 220 µm angegeben.
Die Tabelle 2 betrifft die Ergebnisse des Verschweißens eines drei­ schichtigen EVA/PE/EVA-Komplexes mit einer Dicke von jeweils 80/40/80 µm.
Die Zusammensetzung der EVA-Schicht ist mit der des Beispiels 3 aus der Tabelle 1 identisch.
Das PE ist ein lineares Polyethylen mit niedriger Dichte.
Tabelle 2

Claims (8)

1. Thermoplastischer Film, enthaltend mindestens ein Ethylen-Copolymer, das durch einen Hochfrequenzstrom verschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Film eine ausreichende Menge mindestens eines N,N′-Ethylen-bis-amids der Formel [CnH2n±1-C(O) - NH - CH₂]₂enthält, in der n eine ganze Zahl zwischen 17 bis 21 ist, um Hochfre­ quenzschweißzeiten von höchstens 1 Sekunde zu erhalten.
2. Film nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das N,N′-Ethylen- bis-amid N,N′-Ethylen-bis-oleamid (EBO) ist.
3. Film nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätz­ lich ein Antihaftmittel aus der Gruppe der primären Fettsäureamide, Siliciumdioxid und Talk enthält.
4. Film nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ethylen-Copolymer (i) ein Copolymer von Ethylen und mindestens einem Vinylester einer gesättigten Carbonsäure mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, (ii) ein Copolymer von Ethylen und minde­ stens einem Alkylacrylat oder -methacrylat mit einer Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, (iii) die vorhergehenden Copolymere mit Maleinsäureanhydrid oder Glycidyl(meth)acrylat oder (iv) Mischungen von mindestens zwei dieser zuvor genannten Copolymere, ist.
5. Film nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ethylen-Copo­ lymer ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer ist.
6. Verpackungen, enthaltend einen Film nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der selbst HF-verschweißt ist.
7. Verpackungen, gebildet aus mehrschichtigen Filmen, die mindestens eine Schicht aus einem Film gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auf einer Fläche (i) enthalten, die nach dem in Kontakt bringen mit dieser Fläche (i) HF-verschweißt wurden.
8. Verfahren zum Hochfrequenzverschweißen mindestens zwei thermo­ plastischer Filme nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus:
  • - dem Aufbringen der Filme zwischen die Platte und die Elektrode einer Schweißpresse,
  • - dem Ausüben eines Druckes,
  • - dem Anlegen eines Stroms mit einer Frequenz von 27,12 MHz für eine Schweißzeit von höchstens 1 Sekunde, gefolgt von dem Abküh­ lenlassen der verschweißten Filme.
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