DE2925538C2

DE2925538C2 - Schichtstoffmaterial

Info

Publication number: DE2925538C2
Application number: DE2925538A
Authority: DE
Inventors: Gyula Malmö Balla
Original assignee: Tetra Pak International AB
Current assignee: Tetra Pak AB
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1979-06-25
Publication date: 1983-01-27
Also published as: BR7903986A; SE7807200L; NL7904972A; CH640178A5; SE447885B; GB2023495B; DE2925538A1; GB2023495A; US4264668A; JPS63222B2; JPS555898A; MX150900A; IT7923813A0; IT1121899B; CA1141643A

Description

a) spezifische elektrische Leitfähigkeit weniger als

6Ohm -cm

b) durchschnittliche Korngröße kleiner als 20 nm

c) DBP — Absorption zwischen 75 und 300 ml/ 100 g.

2. Schici^stoffmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine spezifische Oberfläche (Stickstoffoberfläche) der Rußteilchen zwischen 100 und 300 m*/g.

3. Schiehtstoffmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußteilchen zu Aggregationen zusammengeballt und diese fein verteilt sind.

4. Schiehtstoffmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußteilchen mit einer wäßrigen Kunststoffverbindung des Acryiat-Typs als Bindemittel aufgebracht sind.

5. Schiehtstoffmaterial nac-.i einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußbeschichtung (2) aus me! reren übereinander aufgedruckten Rußschichten besteht

6. Verwendung eines Schichtstoffmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Verpakkungsmaterial für die Herstellung von Verpackungsbehältern mit der Maßgabe, daß die Rußbeschich- tung (2) in Form von quer zur Längsrichtung des Verpackungsmaterials verlaufenden bandförmigen Zonen ausgebildet ist.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schiehtstoffmaterial der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art sowie auf eine Verwendung desselben. so

Ein Schiehtstoffmaterial der genannten Art mit einer versiegelbaren thermoplastischen Außenschicht und einer mindestens teilweise in Nachbarschaft derselben angeordneten Graphitbeschichtung ist bereits bekannt (FR-PS 11 97 154). Diese Kohlenstoffbeschichtung erwärmt sich unter der Wirkung von Hochfrequenzfeldern, was dazu führt, daß auch benachbarte Bereiche der thermoplastischen Außenschicht erwärmt werden, so daß diese insbesondere mit einer entsprechenden anderen Außenschicht versiegelt bzw. verschmolzen werden kann.

Bevorzugte Anwendung finden solche Schichtstoffmaterialien in der Verpackungsindustrie. Dort wird laminiertes Material verwendet, das thermoplastische Außen- oder Versiegelungsschichten aufweist, die durch Erwärmen und gleichzeitiges Zusammenpressen miteinander verbunden werden können. Solche Versiegelungen sind sowohl fest als auch undurchlässig, da sie durch Verschmelzen miteinander verbunden sind. Ein Problem bei der Herstellung dieser Versiegelungen besteht darin, daß die Versiegelungszeit sehr kurz gehalten werden muß (vorzugsweise unter 200 ms). Das bedeutet, daß die Versiegelungsschichten sehr schnell auf ihre Versiegelungstemperatur erwärmt werden müssen, die bei den üblichen thermoplastischen Materialien, z. B. Polyäthylen, bei etwa 130—150⁰C liegt Die vorbekannte Graphitbeschichtung erlaubt aber keine se schnelle Erwärmung und ist auch nicht ohne weiteres bei sehr dünnen Folien ohne Herstellungs- und Delaminierungsprobleme anwendbar.

Auch Versiegelungsanlagen, bei denen die Wärme von heißen Flächen aus durch Konvektion übertragen wird, arbeiten im allgemeinen nicht ausreichend schnell, insbesondere nicht zum Versiegeln von laminiertem Material, bei dem die Wärme zuerst durch eine Trägerschicht hindurch transportiert werden muß, die aus einer relativ dicken Schicht aus Papier oder Pappe bestehen kann.

Es ist ferner bekannt (DE-AS 14 79 342), daß schnelle Versiegelungen mit Hilfe eines hochfrequenten magnetischen Feldes unter Einsatz von kleineren Teilchen mit einer Korngröße zwischen 0,5 und 20 μΐη aus ferromagnetischen nichtleitenden Metalloxiden erreicht werden können. Das Feld wird in einer Spule erzeugt, die z. B. in einem Druckkissen angeordnet ist Bei diesem Erwärmungsverfahren durch Hystereseverluste können gegenüber dem eingangs genannten »Wirbelstromerhitzungsverfahren« bei Anwendung von Metall oder Graphit auch kleinere Teilchen verwendet werden. Es ist aber auf nichtleitende ferromagnetische Materialien beschränkt

Darüber hinaus ist es bekannt (Kunststoffberater 1977, S. 262—265), Ruß als Antistatikum in Kunststoff-Preßplatten während der Verarbeitung einzuarbeiten; hierdurch soll der Gefahr elektrostatischer Aufladung begegnet werden. Dabei werden verschiedene Rußsorten mit einer DBP-Adsorption von *. B. 399 ml/100 g bei einem spez. el. Widerstand von 10 Ω ■ cm und von z. B. 151 ml/100 g bei 0,13 M Ω · cm angewendet. Ruß dient auch seit langem (Handbuch für die Kautschukindustrie von Lehmann & Voss, 2. Auflage, S. 185 ff) als Füllstoff in der Kautschuk-, insbesondere Reifenindustrie, in der eine Fülle von Rußsorten, darunter auch SCF-Ruß (leitfähiger Ofenruß) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 21 nm und einer Teilchenoberfläche von 125 m²/g, zur Anwendung gelangt.

Ruß wird z. B. durch Verbrennung verschiedener Kohlenwasserstoffe erhalten und je nach dem Herstellungsverfahren, sind z. B. Größe und Zusammensetzung der Rußpartikel beeinflußbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schichtstoffmaterialien der eingangs genannten Gattung mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß eine schnellere Erhitzung ohne großen Energieverbrauch möglich ist, ohne daß teuere Materialien verwendet bzw. nur relativ dicke Schichten angewendet werden müssen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Anwendung von Rußteilchen für die Kohlenstoffbeschichtung, bei der die Rußteilchen folgende Eigenschaften aufweisen:

a) die spezifische elektrische Leitfähigkeit beträgt weniger als 6 Ohm · cm,

b) die durchschnittliche Korngröße ist kleiner als 20 nmund

c) die DBP-Absorption beträgt zwischen 75 und 30 ml/100 g.

Die DBP-Absorption ist eine für Ruß charakteristische Größe und gibt die Absorption von Dibutylphtalat an.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die spezifische Oberfläche, die sogenannt« »Stickstoffoberfläche« der Rußteilchen, zwischen 100 und 300m²/g liegt Die spezifische Oberfläche ist eine charakteristische Größe, die im Unterschied zur Korngröße der Struktur bzw. äußere und innere Oberfläche angibt Nähere Ausfüh- "· rangen hierzu sind u.a. aus der Literaturstelle ■, »Kunststoffberater 5/1977«, Seiten 262 bis 265 und der ^f> dort mit »22« zitierten Zitatstelle ersichtlich.

^! Die Fortschrittlichkeit der Erfindung ergibt sich im

Zusammenwirken der Teileigenschaften der Rußteilchen. Obwohl sogar noch insbesondere um den Faktor S 1000 kleinere Teilchen verwendet werden können als H die bereits zur Anwendung im »Hysterese-Erwär- §r mungsverfahren« verwendeten elektrisch nicht leitfähigen ferromagnetischen Metaiioxidieiichen, werden in außerordentlich kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 0,15 Sekunden die thermoplastischen Außenschichten auf Raumtemperaturen zwischen etwa 130 und 150⁰C aufgeheizt Ein wichtiger Vorteil ist auch die Verminderung des Energiebedarfs, so daß produktivere Verpackungsverfahren durchführbar sind.

Mit der Erfindung ist es möglich, dauerhafte Versiegelungsnähte in sehr kurzer Zeit zu erzeugen (weniger als 150 ms zum Aufwärmen der Kunststoffschicht von Raumtemperatur auf 130—150⁰C). Dies ist sehr energiesparend, weil die Wärme unmittelbar dort, wo sie benötigt wird, erzeugt wird und die Verteilungsverluste klein sind.

In Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung beansprucht. So empfiehlt es sich, insbesondere Rußteilchen mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit zwischen 0,1 und 1 Ohm · cm zu verwenden.

Die Rußbeschichtung, in der die für die Versiegelung erforderliche Wärme erzeugt werden soll, wird insbesondere selektiv auf das Verpackungsmaterial mit Hilfe eines Druckprozesses aufgebracht, so daß diese Beschichtung mit großer Genauigkeit in dem Bereich oder den Bereichen längs des Verpackungsmaterials angeordnet bzw. aufgebracht werden kann, in denen Versiegelungsverbindung erforderlich ist Es ist jedoch z. B. in Verbindung mit Wärmeerzeugungsvorgängen, Laminierungsverfahren oder Schrumpfverfahren auch möglich, die gesamte Fläche des Laminats mit einer Kohlenrußschicht in solchen Fällen zu überziehen, in denen es erwünscht ist, das gesamte Laminat zu erwärmen.

Die effektivste Wärmeerzeugung in der die pulverförmige Kohle in Form von Ruß, z. B. »Druckerschwärze«, enthaltenden Schicht und damit die optimalen Versiegelungsergebnisse werden dann erreicht, wenn der Widerstand eines Versuchsstreifens des Laminats mit 33 cm Länge und 1 cm Breite zwischen 1 und 15 VSl (vorzugsweise 6000 0hm) betragt, wobei der Widerstand zwischen zwei Elektrodenplatlcn an den Enden des Versuchsstreifens gemessen wird.

Kerner empfiehlt es sich, wenn einzelne Rußteilchen zu relativ großen Aggregationen zusammengeballt sind, so daß die einzelnen Körner in ihrer Struktur porös sind. Damit der Ruß. insbesondere Kohlenruß. aufgedruckt werden kann, sollte er iii.'i einem Bindemittel gemischt werden, so daß das Gemisch aus Ruß und Bindemittel auf einen Träger aus Papier oder Kunststoff aufgebracht werden kann. Es wurde festgestellt, daß ein geeignetes Bindemittel eine wäßrige Kunststoffverbindung des Acrylat-Typs z, B, ist Es können aber auch Lösungsmittel auf Sprit-Basis oder andere Lösungsmittel verwendet werden, die jedoch keinen übermäßigen Geruch haben sollten, da das Verpackungsmaterial häufig in Verbindung mit Nahrungsmitteln verwendet wird

Zur Erläuterung der Erfindung dient die folgende Beschreibung, sowie die Zeichnung. Darin zeigen

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Schichtstoffmaterial in Form eines Verpackungslaminats;

F i g. 2 im Querschnitt eine Versiegelungsvorrichtung für zwei Schichten eines Verpackungsmaterials, die übereinander angeordnet werden, um sie zu verbinden.

F i g. 1 zeigt stark vergrößert eine Schicht aus einem Verpackungslaminat mit eier relativ dicken Trägerschicht 1 aus Papier oder Pappe. Auf der Trägerschicht 1 ist eine Rußbeschichtung 2 angeoi<-.>et die mit Hilfe eines Druckverfahrens aufgebracht würden ist und ein Bindemittel enthält, das die Partikel des Rußes zusammenbindet Oben auf der Rußbeschichtung 2 und der Trägerschicht 1 ist eine dünne äußere Versiegeiungsschicht 3 aus einem thermoplastischen Material angeordnet z. B. Polyäthylen oder Polypropylen.

In dem so aufgebauten Laminat ist die Rußschicht 2 selektiv längs des Bereiches des Verpackungsmaterials angeordnet die zu einer Versiegelungsnaht bei der Herstellung von Verpackungsbehältern gehört, d. h. das Verpackungsmaterial, wenn es aus einer Bahn gebildet wird,, wird mit Zonen aus Kohlenruß-Oberzügen versehen, die quer zur Bahn verlaufen und in Abständen voneinander angeordnet sind.

Die Versiegelung des Verpackungsmaterials kann im Prinzip wie in Fig.2 schematisch dargestellt erfolgen, wobei zwei kombinierte Schichten 4 aus Verpackungsmaterial zwischen einer vorzugsweise isolier snden Basis 5 und einer Versiegelungseinrichtung 6 zusammengepreßt werden, die aus einem Hohlraumresonator besteht Dabei ist das Verpackungsmaterial so angeordnet, daß eine Beschichtung 2 aus Kohlenruß in wenigstens einer der Schichten 4 direkt unter der Versiiegelungseinrichtung 6 angeordnet ist

Wenn ein hochfrequenter elektrischer Strom von einem Generator 8 an die Versiegelungseinrichtung 6 über ein Koaxialkabel 7 gelegt wird, wird ein hochfrequentes elektrisches Feld zwischen den äußeren Wänden 9 der Versiegelungseinrichtung 6 und ihrer Mittclelektrode 10 erzeugt Dieses elektrische Feld wird über die Rußbeschichtung 2 geschlossen, welche augenblicklich erwärmt wird, während gleichzeitig die erzeugte Wärmeenergie durch Konvektion auf die angrenzende, aus Kunststoff bestehende äußere Versie· gelungsschicht 3 übertragen wird. Diese wird dadurch zum Schmelzen gebracht. Da die einander gegenüberliegenden äußeren Versiegelungsschichten 3 zum Schmelzen gebracht werden, werden sie miteinander zu einer undurchlässigen und festen zuverlässigen Siegelnaht verbunden. Der Versiegelungsbereich wird mit Hilfe der Versiegelungseinrichlung zusammengepreßt gehalten, bis das Kunststoffmaterial wieder stabilisiert ist, nachdem sich die Wärme durch das Material zu dem Versiegelungselement 6 und dem Haltewerkzeng 5 wieder veneilt hat. Die Siegelnaht wird damit iiings zweier schmaler paralleler Bänder 11 gebildet, die im wesentlichen zwischen den äußeren Wanden 9 der

Verriegelungseinrichtung 6 und ihrer Mittelelektrode 10 liegen.

Wie oben erwähnt, besteht iiiu Versiegelungseinrichtung 6 aus einem sogenannten Hohlraumresonator, der im Prinzip aus einem Behälter besteht, der durch Seitenwände 9 und eine Stirnwand 12 begrenzt ist und der eine zentrale Elektrode 10 hat. Zwischen den Außenwänden 9 und der Mittelelektrode 10 befindet sich ein Hohlraum 13 und der im Querschnitt in F i g. 3 dargestellte Hohlraumresonator hat in Längsrichtung sine Abmessung, die der Länge der erforderlichen Dichtung entspricht. Die Abmessungen des Hohlraumresonators und insbesondere die Höhe der Mittelelektrode 10 und die Breite des Hohlraumes 13 bestimmen die sogenannte Resonanzfrequenz des Resonators, der durch einen hochfrequenten elektrischen Strom gespeist wird, dessen Frequenz der Resonanzfrequenz des Resonators entspricht. Im Prinzip kann der Resonator in unterschiedlicher Weise gespeist werden, und im dargestellten Faii erfoigt dies über ein Koaxialkabel 7, dessen zentrale Leitung an die Mittelelektrode 10 gelegt ist. während der Mantel des Koaxialkabels 7 mit den Außenwäden 9 verbunden ist. Wenn dem Resonator ein hochfrequenter elektrischer Strom zugeführt wird, wird ein elektrisches Feld zwischen dem Bodenteil der Außenwände 9 und der Mittelelektrode 10 aufgebaut. Das Feld wird, wenn ein elektrisch leitfähiges Material vor bzw. an der Stirnseite des Resonators angeordnet ist, über die elektrisch leitende Schicht dieses Materials geschlossen.

Wenn die elektrisch leitende Beschichtung 2 aus Kohlenruß mit den oben genannten Eigenschaften besteht, wird in ihr sehr rasch Wärme erzeugt, und zwar vermutlich als Kombination zwischen Ohm'schen

Verlusten und dielektrischen Verlusten, die in der Schicht auftreten.

Die Breite der Kußbcschichtung 2 sollte im wesentlichen mit der Hreite des Resonators oder des Versiegeliingselementes 6 übereinstimmen. Die Breite ist jedoch nicht kritisch. In der Praxis sollte /weckmäßigerweise eine etwas breilere RuUbeschichtung 2 gewählt werden, um Anpassungsprnbleme /u vermeiden, wenn sie unter dem Versiegeliingsclement 6 angeordnet wird. Um für den Resonator geeignete Abmessungen zu erhalten, wird dieser /weckmäßiger weise mit einer Frequenz von zwischen 100 und 500 MIIz gespeist. Man erhält aber auch eine Versiegelung, wenn die Speisefrequenz beträchtlich niedriger liegt. Aus praktischen Gründen sollte die Frequenz jedoch etwa 100 kHz übersteigen.

Es kann erforderlich sein, mehrere Rußschichten übereinander zu drucken, um den spezifischen Widerstand in der zu aktivierenden Rußbcschichtung 2 zu erreichen. Die Anzahl eier gedruckten Schichten kann mit der Qualität des Kohlenrußes und der Zusammensetzung des Bindemittels variieren.

Die physikalische Basis der Aufhei/ung der aktivierbaren Rußbeschichtung 2 wird nicht vollständig erläutert; die Wärme wird vermutlich infolge Widerstandsverlusten erzeugt. Untersuchungen haben gezeigt, daß es nicht erforderlich ist, daß der Strom über die Aggregationen der Ketten von Kohlenruß-Partikeln zugeführt wird, die in der Rußbeschichtung 2 vorhanden sind. Die Leitung kann auch infolge des sogenannten Tunnel-Effektes bewirkt werden, der zu einer inneren Feldemission führt, wobei die Elctronen normalerweise undurchdringliche Sperren überwinden, so daß ein Strom durch die Beschichtung 2 fließen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t, Schiehtstoffmaterial mit einer versiegelbaren thermoplastischen Außenschicht und einer mindestens teilweise in Nachbarschaft derselben angeordneten, durch elektrische Hochfrequenzfelder erwärmbaren Kohlenstoffbeschichtung, in der Kohlenstoffteilchen verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kohlenstoffbcchichtung Rußteilchen mit folgenden Eigenschaften verwendet sind: