DE2165620A1

DE2165620A1 - Verfahren und vorrichtung zum versiegeln bzw. verschweissen von folienartigen materialien, wie verpackungsmaterialien

Info

Publication number: DE2165620A1
Application number: DE2165620A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Shukuya; Kanji Tsuchiya
Original assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Current assignee: Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1973-07-12
Also published as: DE2165620B2; DE2165620C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Versiegeln bzw, Verschweissen von folienartigen Materialien, wie Verpackungsmaterialien Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versiegeln bzw. Verschweissen von folienartigen Materialien, wie Verpackungsmaterialien durch Beschallung mit Ultraschallschwingungen.
Zum Versiegeln bzw. Verschweissen ist es bekannt, das Zusammenhaften von Materialien, wie Kunststoffolien oder nicht weiterverarbeiteten, d.h. reinen Aluminiumfolien ohne Kunststoffüberzug durch Anwendung von Ultraschallschwingungen zu erreichen, um dadurch eine Stossenergie zu erzeugen.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die Anwendung dieses Verfahrens zum Versiegelnlbzw. Verschweissen von Verpackungsbehältern nicht geeignet ist, die aus weiterverarbeitetem Papier bestehen, das mit einer thermoplastischen Kunstharzschicht überzogen ist, da das Papier ein schlechter Wärmeleiter ist und, wenn es erhitzt wird, verbrennen kann.
Besondere Schwierigkeiten wurden festgestellt, wenn die Oberfläche eines zu verschweissenden Laminats Unregelmässigkeiten infolge des Aufbaus des Laminats aus zwei oder mehreren Schichten weiterverarbeiteten Papiers aufweist. In einem solchen Falle führt die Anwendung von Ultraschallschwingungen zu einer ungleichmässigen statischen Kraftbelastung verbunden mit einer ungleichmässigen Ausbreitung der Ultraschallschwingungen, so dass eine ungleichmässige Erhitzung, eine zum Teil schlechte Verschweissung oder sogar eine Überhitzung an bestimmten Stellen, die zu Verbrennungen oder zu durchgeschmolzenen Löchern führt, hervorgerufen wird.
Aus diesen Gründen wurde die Anwendung von Ultraschallschwingungen zum Versiegeln bzw. zur Herstellung von Verpackungsbehältern aus weiterverarbeitetem Papier als ungeeignet angesehen und man wandte daher die externe Erhitzung methode mittels Gasbrennern oder elektrischer Heizstrahlung an.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass eine automatische Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sehr teuer ist, da der Betrieb kompliziert ist und eine hohe Erfahrung erfordert, was zu einer nicht gleichbleibenden Genauigkeit der Produkte führt. Ausserdem besteht bei der externen Erhitzungsmethode die Gefahr, dass die äussere Erscheinungsform der Produkte infolge einer extern durchgeführten nicht einwandfreien Verschweissung beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem keine Verbrennungen oder durchgeschmolzene Löcher auftreten und das sich zur Massenproduktion eignet Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die Anwendung dieses Verfahrens auf Verbundstoffe, die aus einem Substrat bestehen, das von einer thermoplastischen Eunstharzfolie überzogen ist.
Eine weitere Lösung zeichnet sich aus durch die Anwendung dieses Verfahrens auf Verbundstoffe aus einem an-Organischen Material, das in einem thermoplastischen Kunstharz gleichmässig dispergiert ist.
Zur Durchführung dieser Verfahren wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bestehend aus einem Ultraschallsclllfingungen abgebenden Werkzeug und einem Gegenwerkzeug, zwischen denen die zu verschweissenden Teile angeordnet werden und von denen wenigstens eines eine Auflagefläche für die zu verschweissenden Teile aufweist, die entsprechend der unterschiedlichen Dicke bzw. der unregelmässigen Oberflache dieser Teile profilicrt ist.
Es wurde festgestellt, dass durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Versiegeln bzw. Verschweissen geschaffen werden, bei denen keine Verbrennungen infolge der Ultraschallenergie auftreten, wenn der Verbundstoff aus zwei oder mehr Schichten mit gleichmässiger Dicke besteht oder sogar wenn das zu verschweissende Material eine unterschiedliche Dicke aufweist oder wenn eine bestimmte Unregelmässigkeit auf der Oberfläche des zu verschweissenden folienartigen Verbundstoffs infolge eines Aufbaus aus zwei oder vier Schichten von Laminaten vorhanden ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 8 beispielsweise erläutert. Es zeigt: Fig. 1 Verbrennungsstellen im Inneren eines Probematerials, Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 Fig. 3 eine Aufsicht eines Gegenwerkzeugs, Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Verpackungsbehälter im ungefalteten Zustand der aus weiterverarbeitetem Papier besteht, Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des gefalteten Behälters der Fig. 5, Fig. 7 die Verschweissung des Bodenteils des Verpackungsbehälters, und Fig. 8 die Verschweissung des Öffnungsteils des Verpakkungsbehälters0 Im einzelnen werden durch die Erfindung ein Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Verschweissen von Verbundmaterialien geschaffen, wobei eine Vorrichtung zur Anwendung gelangt, die ein Ultraschallschwingungen abgebendes Werkzeug und ein Gegenwerkzeug aufweist, von denen beide oder eines davon profilierte Oberflächen aufweist, die mit der unregelmässigen Oberfläche des zu speisenden Laminats übereinstimmt. Unter profilierten Oberflächen sind unregelmässige bzw. Ausnehmungen aufweisende Oberflächen zu verstehen, die mit den unregelmässigen Oberflächen übereinstimmen bzw. die infolge einer unterschiedlichen Dicke des zu schweissenden Verbundmaterials eine unterschiedliche Höhe haben. Die profilierten Oberflächen der Werkzeuge können Vorsprünge und konkave Teile aufweisen, die zueinander komplementär sind. In bestimmten Fällen kann nur eines der Werkzeuge eine derart profilierte Oberfläche aufweisen, die mit der Oberflächenunregelmässigkeit eines zu verschweissenden Verbundtoffs übereinstimmt. Durch die profilierten Oberflächen der Werkzeuge erreicht man eine gleichmässige Ausbreitung bzw. einen gleichmässigen Druck an den Teilen des zu verschweissenden Laminats.
Das Substrat des verwendeten Verbundstoffes kann je nach den Erfordernissen aus Papier, Zellophan, Aluminium oder einer Kombination hiervon bestehen. Der thermoplastische Kunstharzschicht, mit der das Substrat überzogen ist, kann aus Polyäthylen, Polystyren, Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Methacrylsäureester, Polycarbonat usw, bestehen0 Diese Stoffe können je nach dem beabsichtigten Anwendungsfall und dem erforderlichen Substrat ausgewählt werden. Die Dicke der Schicht kann 10 bis 100 Mikron auf einer Seite betragen. Die anorganischen Materialien, die als Substrat für folienartige Verbundstoffe verwendet werden, können Kalziumsulfat, Talkum, Kohlenstoff, Bentonit, Kieselerde, in Form von Mikropulver oder in kolloidem Zustand sein. Die anorganischen Materialien können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Das Substrat wird dadurch hergestellt, dass 70 bis 95 Gew-% der zuvor erwähnten anorganischen Materialien in 5 bis 30 Gewe-% thermoplastischem Kunstharz gleichmässig dispergiert werden.
Die Art und Menge der thermoplastischen Kunstharze und der anorganischen Materialien, die gemischt werden, hängen von den verwendeten thermoplastischen Kunstharzen und dem Verwendungszweck des Verbundstoffes ab.
Das Laminat bzw0 der zu verschweissende folienartige Verbundstoff kann sich aus unterschiedlichen Materialien zusammensetzen und die Oberfläche des Laminats ist nicht völlig gleichmässig, so dass keine gleichmässige Ausbreitung der Ultraschallschwingungen und damit auch keine gleichmässige Erhitzung und gleichmässige Wärmeverteilung sichergestellt werden, die wiederum den von einem Ultraschallschwingungen abgebenden Werkzeug ausgehenden statischen Druck, die Frequenz der Ultraschallschwingungen, deren Amplitude und die Schweisszeit stark beeinflussen, Im folgenden werden anhand der Figuren 1 bis 8 Versuchsbeispiele erläutert.
Beispiel 1 Fig. 1 zeigt Verbrennungsstellen im Inneren eines als Probematerial verwendeten Verbundstoffes, der mit Ultraschallschwingungen verschweisst wurde, Der gezeigte Verbundstoff besteht aus einem Laminat aus zwei rechteckigen, mit Polyäthylen überzogenen Papierschichten (im folgenden als PE-Laminatpapier bezeichnet), auf das zwei Schichten eines trapezförmigen PE-Laminatpapiers aufgelegt sind, so dass ein vertiefter Teil gebildet wird, der ein gleichseitiges Dreieck in der Mitte des rechteckigen PE-Laminatpapiers begrenzt. Bei diesem Versuch wurde als Ultraschallgeber ein stabförmiges Werkzeug mit einer Breite von 6 mm verwendet Die Frequenz betrug 28 kHz, der statische Druck 36 kg/cm2 die Druckdauer eine Sekunde und die Haltezeit nach der Druckbeaufschlagung 0,8 Sekunden.
Fig 2 zeigt den Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. In den Figuren 1 und 2 bezeichnet 1 einen 4-Schichten-Teil eines PE-Laminatpapiers, 2 einen 2-Sc1lichten-Teil des PE-Laminatpapiers (der eine Vertiefung i3z FOflfi eines gleichseitigen Dreiecks bildet), 3 eine Verbrennungsstelle im Inneren des 4-Schichten-Teils und in rille Verbrennungsstelle im Inneren des 2-Schichten-Teils des Laminats0 Die Bezugszeichen a bis h geben acht Teile des Laminatpapiers an, die dem Ultraschallschweissverfahren ausgesetzt wurden Zwischen den Bereichen an der Oberseite des 4-Schichten-Teils besteht die Beziehung a > ii, während zwischen den Bereichen an der Oberseite des 2-Schichten-Teils die Beziehung a C h besteht, Betrachtet man die Verteilung der Verbrennungsstellen nach der Druckbeaufschlagung, so zeigt sich, dass bei den 2- und 4-Schichten-Teilen die Grösse der Verbrennungsstelle mit zunehmender Oberflächengrösse abnimmt, und dass auf der Mittellinie des gleichseitigen Dreiecks auf dem 2-Schichten-Teil 2 Verbrennungsstellen auftreten0 Dies erklärt, aass die an der Grenzlinie (die das gleichseitige Dreieck begrenzt und dessen Rand eine Stelle unterschiedlicher Dicke des Papiers darstellt) die erzeugte hitze sich in Richtung der Mittellinie ausgebreitet und dort konzentriert hat. Dies bedeutet, dass, je länger die Ausbreitungsstrecke ist, desto grösserist auch die Wärmeableitung während der Ausbreitung, was zu einer kleineren Verbrennungsstelle führt. Dies gilt auch für den 4-Schichten-Teil. Der Grund, weshalb die Grösse der Verbrennungsstellen in dem 4-Schichten-Teil grösser ist als in dem 2-Schichten-Teil, ist darin zu sehen, dass der Auflagedruck in ersterem grösser als in letzterem ist; dies führt zu einer geringeren Wärmeableitung als in dem 2-Scljieliten-TeiI. Es wurde aucti festgestellt, dass die spezifische Wärme von Polyäthylen 0,55 cal/z Grad beträgt, während die von Papierfasern grösser als 0,33 cal/ g Grad ist, so dass ersteres eine grössere Elastizität als letzteres aufweist und dadurch eine grössere Ultraschallabsorption Dies wiederum führt zu einem schnelleren Temperaturanstieg4 Wenn die Temperatur 108 bis 1200C erreicht, schmilzt die Polyäthylenschicht und wenn die Temperatur den Brennpunkt bei etwa 375°C erreicht, werden die Papierfasern verbrannt, Dieser Versuch zeigte, dass Verbrennungen vor allem in dem mittleren Verschweissungsteil bzwt dem mittleren Teil des Laminats auftreten, während an der Oberfläche der Verschweissungsteile, die mit dem Ultraschallgeber und dem Gegenwerkzeug in Berührung stehen, keine Verbrennungen auftreten (Innenerhitzung). AnshIiessend wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem ein Gegenwerkzeug verwendet wurde, das ein kreisförmiges Loch mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Tiefe von 0,5 mm aufwies. Es wurde festgestellt, dass Verbrennungen an einer der Lochmitte entsprechenden Stelle auftreten.
Ein weiterer Versuch mit einem Ultraschallgeber mit einer Nut von o,6 mm Breite und 0,3 mm Tiefe in der Oberfläche, die mit den zu verschweissenden Teilen des Laminats in Berührung stehen, zeigte, dass Verbrennungen an den Stellen auftreten, die der rechteckige Hochdruckbereich umgibt und die dem Mittelteil entsprechen.
Bei einem Verbundstoff, bei dem anorganische Materialien in grossen Mengen in thermoplastischem Kunstharz gleichmässig dispergiert sind, wurden keine Verbrennungen festgestellt, da derartige Materialien thermisch nicht leiten, wogegen ein Loch festgestellt wurde, dessen Stelle der Verbrennungsstelle entspricht, die im vorhergehenden Falle auftrat.
s ist somit notwendig, dass, wie zuvor beschrieben wurde, profilierte Oberflächen an dem Ultraschallgeber und seinem Gegenwerkzeug vorgesehen werden, die mit der unregelmässi gen Oberfläche der zu verschweissenden Teile in Berührung stehen, wodurch Verbrennungsstellen oder Schmelzlöcher verhindert und eine hohe Zuverlässigkeit an den verschweissten Teilen sichergestellt wird.
Ausserdem wurde festgestellt, dass die Tiefe der Ausnehmungen bzw, profilierten Teile in der Oberfläche der Werkzeuge grossen Einfluss auf das Schweissergebnis hat, der Es ist wesentlich, dass die Kanten Ausnehmungen bzwp Profilteile einen bestimmten Radius aufweisen0 Wenn eine solche Kante einen spitzen Winkel bildet, werden die Ultraschallschwingungen reflektiert, wodurch eine Verbrennungoder ein Schmelzloch an ihrer Brennpunktstelle verursacht wird, Das Gegenwerkzeug sollte vorzugsweise aus Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Die Frequenz der Ultraschallsetlwingungen sollte wenigstens über 25 kIIz liegen.
Beispiel 2 Es wurde PE-Laminatpapier verwendet, das an der Vorderseite mit einer Polyäthylenschicht mit einer Dicke von 30 /um und einer Dicke von 20 /um an der Rückseite über-2 zogen war, was einem Gewicht von 230 g/m entspricht. Es wurde ein Gegenwerkzeug mit einer profilierten Oberfläctle verwendet, die mit der unregelmässigen Oberfläche eines zu schweissenden Laminattells übereinstimmte. Die Frequenz der Ultraschalls chwingungen betrug 15, 19 und 28 kIIz. Es wurde festgestellt, dass bei höherer Frequenz die Verbrennungen und die Verformung geringer und die Schälfestiglseit grösser sind.
Beispiel 3 Bs wurde ein Laminat hergestellt, das aus zwei Schichten eines Verbundmaterials aus 90 Gew. - % Gips in Mikropulverform und 10 Gew.-* Polyäthylen besteht. Das Verbundmaterial wurde mittels eines Ultraschallgebers und eines flachen Gegenwerkzeugs geschweisst, deren Berührungsfläche entsprecil end der unregelmässigen Oberfläche der zii schweissenden Teile profiliert war. Bei diesem Vorgang betrug die Frequenz der Ultraschallschwingungen jeweils 15, 19 und 28 kHz. Das Ergebnis zeigt, dass bei höherer Frequenz die Schmelzlöcher und die Verformung abnehmen und die Schälfestigkeit zunimmt.
Beispiel 4 lig. 3 zeigt ein Gegenwerkzeug mit einer profilierten Oberfläche und Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie TV-lV in Fig. 3. Fig. 5 zeigt einen Bellälter aus einem folienartigen Verbundstoff in ungefaltetem Zustand; die Falzlinien sind gestrichelt gezeigte Fig. 6 ist eine Darstellung, aus der die verschiedenen Herstellungsschritte des Beliälters hervorgehen, Fig0 7 zeigt den lellilter,dessen Boden geschweißt wird, und Fig. 8 zeigt den Behälter, dessen Öffnungsteil geschweisst wird.
Wenn das in Fig. 5 gezeigte Verbundmaterial entsprechend Fig. 6 gefaltet wird, kann der Schweissvorgang leicht durchgeführt werden, da die zu verschweissenden Teile nur aus zwei Schichten bestehen, wobei die Kante 5 an der Kante 6 befestigt wirdo Danach werden die Teile 7 und 8 nach innen und dann die Zungen 9 und 10 darüber gefaltet und danach werden die 4-Schichten-Teile und die 2-Schichten-Teile, bestehend aus den Zungen 9 und 10, gefaltet, um den Boden des Behälters zu bilden. Auf diese Weise bildet der Boden eine unregelmässige Fläche unterschiedlicher Dicke der gefalteten Teile. Die Ultraschallschweissung wurde entsprechend Fig. 7 durchgeführt, wobei ein Gegenwerkzeug wie in Fig. 3 verwendet wurde, das bei 13 eine Auflagefläche für zwei Papierschichten und bei 14 eine Auflagefläche für vier Papierschichten aufweist.
Wie Fig. 4 zeigt, besteht eine Höhendifferenz G zwischen den Auflageflächen 13, 14 und den Vorsprüngen 15 (Höhenumfangsdifferenz) an gegenüberliegenden Enden der Auflageflächen 14. Die Höhendifferenz E ist kleiner als die Höhendifferenz G. Die Vorsprünge 15 dienen dazu, den Druck an diesem Teil zu erhöhen, um dadurch eine grössere Haftkraft zu erhalten.
Danach wurde der Öffnungsteil des Behälters entsprechend Fig. 8 geschweisst. 16 ist ein Ultraschallgeber und 17 sein Gegenwerkzeug. Da der zu schweiss ende Teil an der Öffnung des Behälters die Verbindung von 4-Schichten-Teilen mit 2-Schichten-Teilen erfordert, die aus den Zungen 11 und 12 bestehen, treten somit eine unterschiedliche Dicke bzw. unregelmässige Oberfläche auf. Es wurden daher Werkzeuge 16 und 17 verwendet, von denen jedes an der Stirnfläche mit der unterschiedlichen Dicke bzw. der Oberflächenunregelmässigkeit überstimmt.
Die auf das verarbeitete Papier mittels der Werkzeuge 16 und 17 aufzubringende statische Kraft lässt sich durch die folgende Formel ausdrücken: In dieser bedeutet W die statische-graft, H-die Breite des Ultraschallgebers, G die unterschiedliche Dicke zwischen 2-Schichten- und 4-Schichten-Teilen des Gegenwerkzeugs, E die Höhe des Vorsprungs (der eine Umfangshöhendifferenz aufweist) an dem 4-Schichten-Teil des Gegenwerkzeugs, d die Dicke des verarbeiteten Papiers, und B (kg/mm2) und 4 die Kompressionseigenschaften des verarbeiteten Papiers, L die Länge des zu schweissenden Teils und K die Breite des Vorsprungs 15 in Fig. 3.
Durch die Erfindung wird ein Schweissverfahren geschaffen, bei dem sich eine kürzere Druckzeit bei grösserer Zuverlässigkeit des Schweissvorgangs ergibt, ohne dass Verbrennungen oder Schmelzlöcher an den geschweissten Teilen auftreten. Als zu schweissende Materialien kommen Verbundstoffe aus einem mit einem thermoplastischen Kunstharz überzogenen Substrat oder papierartige Materialien, bei denen ein anorganisches Material in grossen Mengen gleichmässig in thermoplastischem Kunstharz dispergiert ist, und die unregelmässige Oberflächen aufweisen, infrage.

Claims

P a t e n t an s p r ü c h e

1 . Verfahren zum Versiegeln bzw. Verschweissen von folienartigen Materialien, wie Verpackungsmaterialien durch Beschallung mit Ultraschallschwingungen, gekennzeichnet durch die Anwendung dieses Verfahrens auf Verbundstoffe, die aus einem Substrat bestehen, das von einer thermoplastischen Kunstharzfolie überzogen ist.
2. Verfahren zum Versiegeln bzw. Verschweissen von folienartigen Materialien, wie Verpackungsmaterialien durch Beschallung mit Ultraschalls chwingungen, gekennzeichnet durch die Anwendung dieses Verfahrens auf Verbundstoffe aus einem anorganischen Material, das in einem thermoplastischen Kunstharz gleichmässig dispergiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Itunstharzschich- 10 bis 100 Mikron an gegenüberliegenden Seiten des Substrats beträgt.
4 Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Papier, Zellophan, Aluminium oder einer Kombination hiervon besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbundstoffe aus 70 bis 95 Gew.-6/O anorganischem Material und 5 bis 30 Gew.C/o Kunstharz zusammensetzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Ultraschallschwingungen grösser als 90 KHz ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Ultraschallschwingungen abgebendes Werkzeug (A) und ein Gegenwerkzeug (B), zwischen denen die zu verschweissenden Teile angeordnet werden und von denen wenigstens eines eine Auflagefläche für die zu verschweissenden Teile aufweist, die entsprechend der unterschiedlichen Dicke bzw. der unregelmässigen Oberfläche dieser Teile profiliert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Profilteile der Auflagefläche verrundet sind.

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