DE2145392A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Heißverbinden von porösen Werkstoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Heißverbinden von porösen Werkstoffen

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DE2145392A1
DE2145392A1 DE19712145392 DE2145392A DE2145392A1 DE 2145392 A1 DE2145392 A1 DE 2145392A1 DE 19712145392 DE19712145392 DE 19712145392 DE 2145392 A DE2145392 A DE 2145392A DE 2145392 A1 DE2145392 A1 DE 2145392A1
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DE
Germany
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electrodes
seam
porous
thermoplastic
fibers
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DE19712145392
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English (en)
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Lester Nashua N.H. Gidge (V.StA.)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Monsanto Co
Original Assignee
Monsanto Co
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    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D06M23/16—Processes for the non-uniform application of treating agents, e.g. one-sided treatment; Differential treatment
    • D06M23/18—Processes for the non-uniform application of treating agents, e.g. one-sided treatment; Differential treatment for the chemical treatment of borders of fabrics or knittings; for the thermal or chemical fixation of cuttings, seams or fibre ends
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Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF
PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 45
2H5392
. Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 MOnchen 80, Mouerfcircher»tro6e 45- ·
Ihr Zeichen Ihr Schreiben
Unser Zeich.« 21 547
Anwaltsakte 21 547
Datum
IO. Sep. 1971
MONSANTO COMPANY, St. Louis, Missouri / USA
Verfahren und Vorrichtung zum Heißverbinden von porösen Werkstoffen
Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden, insbesondere stoffschlüssigen Verbinden, von wenigstens teilweise aus thermoplastischem Material gebildeten, gewebeartigen Werkstoffen unter Anwendung von Hochfrequenz sowie insbesondere auf eine Vorrichtung zum Hochfrequenz-Nahtschweißen von thermoplastischen, gewebeartigen Werkstoffen und auf ein damit hergestelltes Erzeugnis.
11-52-0122 VII/My
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Thermoplastische, dielektrische Werkstoffe wurden schon
"bisher miteinander verbunden, indem man die Heizwirkung
eines elektrostatischen Feldes auf das übereinandergelegte Material einwirken" ließ, Ms die einander "berührenden Oberflächen des Materials durch die entstehende Wärme erweichten, worauf zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung ein Druck darauf ausgeübt wurde. Das Nahtverschweißen von thermoplastischem Blattmaterial mittels von einem nicht leitenden Material flankierter Elektroden ist in den USA-Patentschriften 2 517 672, 3 188 259 und
2 621 138 beschrieben. Das Nahtverschweißen von thermoplastisches Material enthaltenden Geweben oder dergl. mittels Hochfrequenzenergie ist jedoch bisher unbekannt. Der Grund dafür, daß Gewebe oder ähnliche poröse Werkstoffe
unter Anwendung solcher Techniken bisher nicht verbindbar waren, liegt darin, daß die in Geweben vorhandenen Lufträume elektrische Entladungen bzw. Lichtbogenbildung durch das Gewebe hindurch entstehen ließen. Die Bildung von
Lichtbogen bewirkt ein Verbrennen des Gewebes. Selbst
beim Verschweißen von geschlossenem, thermoplastischem
Blattmaterial können winzige Öffnungen oder dergl. in dem Material schon eine Lichtbogenbildung verursachen. Ergäbe sich also die Möglichkeit, die Lichtbogenbildung zu verhindern, so ließen sich Gewebe oder poröse Werkstoffe aus thermoplastischem Material ohne Schwierigkeit mittels
Hochfrequenzeinrichtungen stoffschlüssig verbinden. Diese Aufgabe soll durch die Erfindung gelöst werden,
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Wenngleich sich die Erfindung zur Anwendung für jedes thermoplastische Material in Form von Fasern enthaltendem Werkstoff eignet, dessen Moleküle unter Einwirkung von Hochfrequenzenergie erregbar sind, und durch welchen hindurch normalerweise eine Lichtbogenbildung stattfindet, ist sie insbesondere für synthetisches Bahnmaterial aus stoffschlüssig oder durch Gewebebindung verbundenen Spinnfasern anwendbar, wie es in den US-Patentschriften 3 516 900, 3 276 944 und 3 341 394 beschrieben ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist als wesentliche Teile ein Paar beweglicher Elektroden, Einrichtungen zum Zuführen von Hochfrequenzenergie zu den Elektroden und ein Teil aus einem federelastischen Isoliermaterial, beispielsweise Silikongummi, auf, welches eine der Elektroden in einer Weise umgibt, daß die Elektrode mit ihrer konvex gewölbten Stirnseite um ein gewisses Maß in das federelastische Isolierteil versenkt ist. Die miteinander zu verbindenden Gewebeschichten werden zwischen die Elektroden eingelegt. Die Elektroden sind aufeinander zu bewegbar, wobei sie die Gewebe- oder Gutbahnschichten in innige gegenseitige Anlage zusammenpressen und die in dem Material vorhandenen Lufträume füllen, so daß bei der Speisung der Elektroden mit Hochfrequenzenergie eine stoffschlüssige Verbindung ohne Lichtbogenbildung bewirkbar ist. Das aus Silikongummi gefertigte Isolierteil der einen Elektrode kommt dabei zuerst in Anlage an der zunächst gelegenen Material-
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schicht. Bei der anschließenden Anwendung von Druck wird das !eil komprimiert und dringt dabei in die Lufträume des Materials· ein. Durch das Ausfüllen der Lufträume in dem Material wird die Luft aus dem Gewebe entfernt. Ohne· das Vorhandensein der Luft kann sich dann kein Lichtbogen bilden. Da die Lichtbogenbildung nur entlang der Seiten der Elektroden auftritt, muß lediglich sichergestellt sein, daß die Luft aus den den Seiten der Elektroden benachbarten Bereichen entfernt wird. Gegen Ende des Druckhubes kommt die von dem elastischen Isolierteil umgebene Elektrode mit ihrer Stirnseite im wesentlichen auf eine gleiche Ebene mit diesem und dadurch ebenfalls in Anlage an dem Gewebe. Die andere Elektrode, auf welche sich die von dem Isolierteil umgebene Elektrode zubewegt, bildet einen Gegenhalt für das Zusammendrücken des elastischen Isolierteils. Befinden sich die Elektroden nach dem Zusammendrücken des elastischen Teils in Anlage an dem zu verbindenden Material, so werden sie mit Hoehfrequenzenergie gespeist. Durch Aufnahme dieser Energie entsteht im Material eine örtliche Erwärmung, wodurch es im Bereich zwischen den Elektroden verschmilzt. Aufgrund des ausgeübten Drucks fließt das thermoplastische Material zu einer dicht geschlossenen Schweißnaht ineinander. Durch Abkühlen des Materials bis unterhalb der Verschmelzungstemperatur des thermoplastischen Werkstoffs entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Gewebeschichten, welche durch das
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miteinander verschmolzene thermoplastische Material gebildet ist. Das in dieser Weise hergestellte Erzeugnis besteht wenigstens aus zwei Schichten aus gewebeartigem Material, welches thermoplastische Fasern enthält, und aus einer die Schichten miteinander verbindenden Naht. Die Naht ist durch miteinander verschmolzene thermoplastische Pasern gebildet, wobei der Grad der Verschmelzung von einem Maximum in einem etwa in der Mitte der Naht gelegenen Bereich bis zu einem Minimum entlang der Ränder der Naht abnimmt. Somit weist die Naht eine flach eingesenkte Querschnittsform auf, bei welcher keinerlei steilwandige Einkerbungen vorhanden sind, welche sonst entlang des Übergangs von der Naht zum Gewebe eine Reißlinie bilden würden. Da das Maß der Verschmelzung der Pasern untereinander von den Rändern der Naht zur Mitte hin zunimmt, muß zum Zerreißen des Gewebematerials entlang der Naht eine beträchtliche Kraft aufgewendet werden, um die einzelnen Fasern von einem Punkt, an dem praktisch keine Verschmelzung stattgefunden hat, bis zu dem Punkt, an dem im wesentlichen alle Pasern miteinander verschmolzen sind, zu zerreißen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:
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Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht der Elektrodenanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei dazwischen eingelegten Gewebeschichten.
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung nach Fig. 1 mit in Anlage an dem Gewebe befindlichen Elektroden in der Stellung- zum Verbinden der Gewebeschichten im zwischen den Elektroden befindlichen Bereich.
Fig. 3 eine Schnittansicht von unter Anwendung eines herkömmlichen Hochfrequenzverfahrens verbundenen Geweben mit den dabei zwischen der Naht und dem Gewebe entstehenden Reißlinien.
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht von mittels einer Naht gemäß der Erfindung miteinander verbundenen Geweben.
Fig. 5 eine geänderte Ausführungsform der Elektrodenanordnung nach Fig. 1 für die Bildung einer Faht, welche an einer Seite eine Reißlinie aufweist, während die Ausbildung einer solchen am anderen Rand der Naht vermieden ist.
Fig. 6 einen Ausschnitt aus derAnordnung nach Fig.5 mit in Anlage am Gewebe befindlichen Elektroden.
Fig. 7 eine Schnittansicht von mittels der Vorrichtung nach Fig. 5 miteinander verbundenen Geweben.
Fig. 8 eine schematisierte Schrägansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Wenngleich die Vorrichtung gemäß der Erfindung praktisch mit Geweben jeder Form verwendbar ist, sofern diese einen erheblichen Anteil an thermoplastischen Fasern enthalten, läßt sich die Erfindung am besten anhand der Verwendung mit einem nachstehend kurz als "Gewebe" bezeichneten Bahnmaterial aus z.B. stoffschlüssig verbundenen Spinnfasern entsprechend der Beschreibung der TJS-Patentschrift 3 516 900 erläutern. Die Fasern bzw. Faserbündel solcher Gewebe bestehen ganz aus thermoplastischem Material und sind ohne Verwendung von zusätzlichen Bindern an zahlreichen Kreuzungspunkten der Faserbündel z.B. stoffschlüssig miteinander verbunden. Das in der US-Patentschrift 3 516 900 beschriebene Bahnmaterial ist aus durchgehenden Nylon-Faserbündeln hergestellt, welche an ihren zahlreichen Kreuzungspunkten durch Absorption und anschließenden Entzug einer gasförmigen Wasserstoffhalogenidverbindung miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Das nichtgewebte Bahnmaterial besteht somit vollständig aus Nylon.
Stoffschlüssig miteinander zu verbindende Gewebe 10 und werden zwischen eine obere Elektrode 12 und eine untere Elektrode 13 eingelegt. Die zum stoffschlüssigen Verbinden der Gewebe benötigte Hochfrequenzenergie wird von einem Hochfrequenzgenerator 14 zugeführt, welcher mit den Elektroden 12 und 13 über Zuleitungen 15 bzw. 16 verbunden ist. Die obere Elektrode 12 ist in einer beweglichen Halterung
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angeordnet und weist eine im Querschnitt bogenförmig gerundete Stirnseite 18 auf, welche in einem die Elektrode umgebenden, 'elastischen Isolierteil 20 versenkt ist. Um das Eindringen des elastischen Isolierteils 20 in die " Lufträume des Gewebes zu gewährleisten, ist es zwischen Wandungen 21 der Halterung.17 geführt.
Fig. 1 zeigt die Elektroden der Vorrichtung in der Ruhestellung, in der die Stirnseite 18 der Elektrode 12 in das elastische Isolierteil 20 zurückgezogen und nicht in Anlage am Gewebe ist. Pig. 2 zeigt die Stellung der Elektroden bei der Herstellung der Verbindungsnaht. Bei einem genügend starken Druck, welcher je nach der Nachgiebigkeit des Gewebes 1 bis 5 oder mehr kg/cm Elektrodenlänge betragen kann, füllt das elastische Isoliermaterial des Teils 20 die Lufträume in der oberen Elektrode 12 benachbartem Bereich des Gewebes 10 aus und verhindert damit eine Lichtbogenbildung durch das Gewebe hindurch. Die Lichtbogenbildung zwischen den Elektroden 12 und 13 tritt, wenn überhaupt, nur entlang der äußeren Ränder der Elektrode 12 auf, nicht jedoch direkt unterhalb derselben. Das in das Gewebe eindringende, elastische Material des Isolierteils 20 verdrängt jedoch in diesen Bereichen die notwendige Luft und verhindert somit die Lichtbogenbildung.
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Pig. 3 zeigt eine Anordnung von zwei Gewebeschichten 22 und 23, welche unter Bildung von Reißlinien durch eine Naht 24 miteinander verbunden sind. Man erkennt, daß die Naht 24 über ihre gesamte Breite A, entsprechend dem Höchstmaß der Verschmelzung, scharf gegenüber den Oberflächen der nicht verschmolzenen Gewebeteile 0 eingesenkt ist. In dieser Anordnung sind nur vollständig miteinander verschmolzene, immobilisierte Fasern im Bereich A und völlig freie Fasern im Bereich 0 vorhanden. Die Grenzlinien zwischen den Bereichen A und C bilden Reißlinien, da die Pasern des Bereichs C starr aus dem Bereich A hervortreten, so daß zum Zerreißen der lasern an der Grenzlinie zwischen den Bereichen A und C erforderliche Kraft lediglich zum Abscheren der Fasern ausreichen muß, da die lasern an dieser Grenzlinie unbeweglich festgehalten sind. Man erkennt also, daß zur Vermeidung einer Reißlinie ein Übergangsbereich zwischen den Bereichen A und 0 notwendig ist, in dem die Fasern weder vollständig verschmolzen noch völlig frei sind.
Das in Fig. 4 gezeigte Erzeugnis gemäß der Erfindung ist mit einer Naht 32 aus Gewebeschichten 30 und 31 zusammengefügt. Im Bereich C des Gewebes sind die Fasern völlig frei und nicht miteinander verschmolzen. Der Bereich A ist der Bereich der stärksten Verschmelzung, in dem die Fasern der Gewebe vollständig miteinander verschmolzen
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sind. In dem Zwischen- oder Übergangsbereich B sind die Pasern weder vollständig miteinander verschmolzen, noch völlig frei von Verschmelzung. Die Grenzlinie zwischen den Bereichen B und C stellt somit den Anfang des Verschmelzungsbereichs dar, von dem aus die Verschmelzung stetig "bis zur Grenzlinie zwischen B und A zunimmt. Von dort an sind die !Fasern vollständig miteinander verschmolzen und nicht mehr einzeln erkennbar. Da die Verschmelzung der Fasern untereinander im Bereich B unvollständig ist, vermögen sich die Fasern bei Ausübung einer Zugkraft zu bewegen und damit die ausgeübte Kraft zu verteilen, so daß die Ausbildung einer Scherebene oder Reißlinie wie in fig. 3 zwischen den Bereichen A und G vermieden ist. Daher ist die bei der Anordnung nach Pig. 4 zum Abreißen des Gewebes 30 vom Gewebe 31 aufzuwendende Kraft nahezu gleich der zum Zerreißen eines der Gewebe selbst aufzuwendenden und damit beträchtlich größer als die zum Zerreißen der im Bereich A zu einer im wesentlichen geschlossenen Masse verschmolzenen Fasern erforderliche.
In Fig. 5 und 6 ist eine geänderte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen einer zwei Gewebe verbindenden Naht gezeigt. Bei dieser Vorrichtung wird entlang einer Seite der Naht eine Reißlinie gebildet, das Entstehen einer solchen entlang des anderen Randes der Naht jedoch vermieden. Der Unterschied der in Fig. 5 und
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gezeigten gegenüber der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung besteht darin, daß die obere Elektrode 12 eine einseitig abgerundete Stirnseite 35 hat, so daß der eine Rand weiter hervorsteht und der Bereich der stärksten Verschmelzung bei der damit hergestellten Naht an einem ihrer Ränder liegt. Fig. 7 stellt somit eine Kombination aus Fig. 3 und 4 dar, bei der der Bereich C an der linken Seite der Naht direkt in den Bereich A übergeht, während an der rechten Seite der Naht der Bereich A in den teilweise verschmolzene Fasern enthaltenden Übergangsbereich B und erst dieser in den Bereich C übergeht. Die stärkste Verschmelzung der Fasern im Bereich B ist dementsprechend zunächst dem Bereich A zu finden. Von dort an nimmt die Verschmelzung der Fasern zum Bereich 0 hin ab und verschwindet im letzteren Bereich ganz.
In der in Fig. 8 gezeigten Anordnung werden Gutbahnen und 111 aus nichtverwebtem Material von (nicht dargestellten) Vorratsrollen abgezogen und kommen beim Passieren einer Führungsrolle 113 in gegenseitige Anlage. Eine nicht unbedingt erforderliche Leitrolle 112 dient der Ausrichtung der Gutbahn 111 auf dem Weg zur Rolle 113. Falls eine festere gegenseitige Anlage der Gutbahnen 110 und 111 wünschenswert erscheint, kann oberhalb der Rolle 113 und parallel zu dieser eine weitere (nicht dargestellte) Rolle vorgesehen sein, die mit dieser einen
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Spalt bildet. Nachdem die Gutbahnen 110 und 111 in gegenseitige Anlage gebracht sind, können sie nach dem Verfahren gemäß der Erfindung miteinander stoffschlüssig verbunden werden.
Dazu weist die in Pig. 8 gezeigte Vorrichtung eine erste und eine zweite Elektrode 120 bzw. 121, ein elastisches Isolierteil 122, in welches die Elektrode 120 eingebettet ist, und eine Halterung 123 mit Haltewandungen 119 auf. Die Haltewandungen 119 sichern die Elektrode 120 und das elastische Isolierteil 122 in ihren Stellungen und bilden zusammen mit der Elektrode 120 Führungen zum Begrenzen des seitlichen Ausweichens des elastischen Teils 122 beim Zusammenpressen. Zum Bewegen der Elektroden 120 und 121 aufeinander zu ist die Halterung 123 über eine Stange 128 mit Einrichtungen zum Erzeugen einer hin- und hergehenden Bewegung und des für das Zusammenpressen des elastischen Teils 122 erforderlichen Drucks verbunden. Ein Hochfrequenzgenerator 124 ist über Zuleitungen 126 bzw. 125 mit den Elektroden 120 und 121 verbunden. Der Hochfrequenzgenerator 124 liefert die zum Verschmelzen der Gutbahnen im Bereich unterhalb der Elektrode 120 erforderliche Energie. Bei einem genügend starken Druck, welcher je nach der Nachgiebigkeit des Gutbahnmaterials und der Kompressibilität des elastischen Teils 1 bis 5 und mehr kg/cm Elektrodenlänge betragen kann, füllt das Material des elasti-
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sehen Teils 122 die Lufträume in dem Gutbahnmaterial aus und verhindert so die Lichtbogenbildung. Zwischen den Elektroden 120 und 121 tritt, wenn überhaupt, eine Lichtbogenbildung nur entlang der äußeren Seitenflächen der Elektrode 120 auf, nicht jedoch direkt unterhalb derselben. Da jedoch das elastische Teil 122 die Seitenflächen der Elektrode 120 bedeckt und außerdem in das Gutbahnmaterial eindringt und die für eine elektrische Entladung notwendigen Hohlräume ausfüllt, ist eine Lichtbogenbildung zwischen den Elektroden verhindert. Die stoffschlüssig miteinander verbundenen Gutbahnen werden dann auf einer in Abhängigkeit von der Herstellung der Verbindungen schrittweise angetriebenen Aufwickelrolle 129 aufgerollt.
Dadurch, daß man die Elektroden und entsprechende elastische Isolierteile auf drehbaren Trommeln anordnet, läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Schwierigkeit für das kontinuierliche Verbinden von thermoplastischem Gutbahnmaterial entlang fortlaufender Nähte verwenden. Die Verwendung solcher Trommeln gestattet ferner das Erzeugen verschiedener Muster beim Verbinden von Gutbahnen. Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, beide Elektroden in elastische Isolierteile einzubetten. Eine solche Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn eine Gutbahn in sich zusammenge-
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-H-
schlagen und durch die drehbaren Elektroden geführt wird, um ein schlauchartiges Erzeugnis für die Herstellung von Säcken oder dergl. zu bilden·
Die Erfindung ist somit nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf verschiedene weitere Ausführungsformen. Das Wesentliche dabei ist, daß poröse Werkstoffe wie gewebtes und nichtgewebtes Gutbahnmaterial aus thermoplastischen Polymeren mittels Hochfrequenzeinrichtungen stoffschlüssig miteinander verbindbar sind, ohne daß das Material durch elektrische Entladungen oder Lichtbogenbildung zwischen den Arbeitselektroden verbrennt.
- Patentansprüche -
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Claims (4)

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden von porösem, thermoplastischem Gutbahnmaterial mittels von Hochfrequenzenergie erzeugter dielektrischer Verlustwärme, gekennzeichnet durch ein Paar einander gegenüber angeordneter Teile (13»17) zum Zusammenpressen von dazwischengebrachtem, porösem, thermoplastischem Material (10,11),durch an den einander gegenüberstehenden Teilen angeordnete Elektroden (12,13)» von denen wenigstens eine seitlich von einem elastischen, isolierenden Gebilde (20) umgeben und in dieses versenkt ist, und durch Einrichtungen (14) für die Speisung der Elektroden mit Hochfrequenzenergie .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material aus nichtverwebten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Nylonfasern gebildet ist und daß das elastische, isolierende Gebilde (20) aus Silikongummi ist.
3. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Schichten eines porösen, thermoplastisches Material enthaltenden Werkstoff dadurch gekennzeichnet, daß man den porösen, thermoplastisches Material enthaltenden Werkstoff derart zwischen einem Paar einander gegenüber angeordneter Elek-
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troden "bzw. Elektroden tragender Halterungen zusammenpreßt, daß im wesentlichen sämtliche dazwischen vorhandenen Hohlräume verschwinden, und daß man die Elektroden mit Hochfrequenzenergie speist, solange der Werkstoff unter Druck- gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man einen thermoplastisches Material enthaltenden Werkstoff in Form von niehtverwebten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Nylonfasern mittels einer aus miteinander verschmolzenen Fasern gebildeten Naht derart verbindet, daß das Maß der Verschmelzung von einem Maximum in der Mitte der Naht zu einem Minimum entlang der Ränder der Naht abnimmt.
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