DE3504349C2 - Biaxial orientierte sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässige Sperrschicht-Folie und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Biaxial orientierte sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässige Sperrschicht-Folie und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer biaxial orientierten sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässigen
Sperrschicht-Folie, die aus einer
Basisschicht sowie einer Sperrschicht aus einem Ethylen-
Vinylalkohol-Copolymeren besteht. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung ein einfaches kontinuierliches
Verfahren, bei dem die beiden Schichten durch Koextrusion
(Mehrschichtenextrusion) kombiniert und gleichzeitig biaxial
orientiert werden.
Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerharze weisen hervorragende
Sperrschicht-Eigenschaften im Hinblick auf Gase wie Sauerstoff,
Kohlendioxid und Stickstoff auf. Außerdem bilden
sie auch wirksame Sperrschichten gegen Gerüche und
Aromaverlust. derartige Harze, die nachfolgend abgekürzt
als EVOH-Harze bezeichnet werden, sind jedoch feuchtigkeitsempfindlich,
und die Sperrschicht-Eigenschaften werden
bei Anwesenheit hoher Feuchtigkeitsgehalte verschlechtert.
Polypropylen weist hervorragende Sperrschicht-Eigenschaften
im Hinblick auf Feuchtigkeit auf und zeigt
darüber hinaus gute Festigkeitseigenschaften und eine hohe
Warmverwendungs-Temperatur. Wenn EVOH-Harze von Polypropylenschichten
umschlossen werden, sind sie gegen Feuchtigkeit
geschützt und behalten deshalb ihre Sperrschicht-
Eigenschaften.
Die biaxiale Orientierung (das biaxiale Recken) von EVOH-
Harzen erhöht deren Sperrschicht-Eigenschaften und vermindert
die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit. Die biaxiale
Orientierung von Polypropylen erhöht seine Steifigkeit
und verbessert seine optischen sowie andere
physikalische Eigenschaften wie beispielsweise die Zugfestigkeit,
die Reißfestigkeit und andere mechanische
Eigenschaften.
Es wurde in der Vergangenheit bereits von anderen versucht,
biaxial orientierte Verbund-Strukturen herzustellen, die
sowohl Polypropylen als auch EVOH-Harze enthalten, indem
man zuerst eine Polypropylen-Folie herstellt und diese
Folie in Längsrichtung orientiert. Anschließend wurde eine
Schicht aus EVOH-Harz entweder auf das Polypropylen kaschiert
oder durch Extrusionsbeschichtung aufgebracht, wonach
das Verbundmaterial in Querrichtung orientiert wurde.
Dieses Herstellungsverfahren ist kostenaufwendig und
führt nur zu einer Orientierung des EVOH-Harzes in einer
Richtung, d. h. es gestattet keine Ausnutzung sämtlicher
Vorteile einer biaxialen Orientierung.
Die Herstellung von Mehrlagenverbundfolien, beispielsweise
durch Koextrusion, ist seit langem bekannt und ist z. B. in
"neue Verpackung" 6/78, Band 31, S. 842 bis 844 und
"Plastverarbeiter", 30. Jahrgang, 1979, Nr. 10, S. 618 bis 621
beschrieben. Das biaxiale Orientieren von Verbundfolien durch
Verstreckung in Längs- und Querrichtung ist beispielsweise aus
US 40 91 150 und DE 30 10 691 A1 bekannt.
US-PS 42 39 826, erteilt am 16. Dezember 1980, offenbart
eine mehrschichtige Sperrschicht-Folie, die eine Sperrschicht
aus einem im wesentlichen reinen Ethylen-Vinylalkohol-
Copolymeren aufweist, die an benachbarten Haftschichten
haftet, die im wesentlichen aus einem teilweise
hydrolysierten Vinylacetat-Polymeren oder -Copolymeren bestehen.
Eine Schicht aus einem anderen Material, wie beispielsweise
Polypropylen, kann über den teilweise hydrolysierten
Vinylacetat-Schichten angeordnet sein. Das
Patent beschreibt die Koextrusion des EVOH sowie des teilweise
hydrolysierten Vinylacetat-Polymeren, unter Bildung
der mehrschichtigen Struktur sowie die anschließende
Koextrusion des Deckmaterials auf diese Struktur. Das Patent
enthält keinerlei Vorschläge oder Hinweise, daß der
erhaltene Schichtaufbau biaxial orientiert werden kann.
Weitere Unterschiede gegenüber der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus einem unterschiedlichen Klebemittel,
daraus, daß die Steuerung der Kristallinität des EVOH
nicht erwähnt ist und daß der prozentuale Anteil an Ethylen
bei den erwähnten Produkten zu einer zu niedrigen
Flexibilität für eine biaxial orientierte Folie führt.
Ferner wäre selbst dann, wenn diese bekannte Folie biaxial
orientiert würde, das resultierende Gesamtverfahren
ein Verfahren mit zwei deutlich voneinander abgesetzten
Herstellungsstufen, während das erfindungsgemäße Verfahren
ein kontinuierliches Verfahren ist, bei dem alle
Schritte im wesentlichen gleichzeitig in einem Gesamtarbeitsgang
durchgeführt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches,
kontinuierlich durchführbares Verfahren zur Herstellung
einer biaxial orientierten sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässigen
Sperrschicht-Folie anzugeben, das zu einer
qualitativ hochwertigen einheitlichen Folie führt,
die sehr gute Gebrauchseigenschaften aufweist,
und bei dem gewährleistet ist, daß es bei der Koextrusion
einerseits nicht zu einer das biaxiale Recken vereitelnden
Kristallinität kommt und andererseits bei einer Wärmebehandlung
nach dem Recken im Produkt die für optimale Sperrschichteigenschaften
erforderliche Kristallinität erhalten wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
gemäß Anspruch 1
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen wiedergegeben und
ergeben sich für den Fachmann außerdem aus der vorliegenden
Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur
Herstellung einer biaxial orientierten sauerstoff- und
feuchtigkeitsundurchlässigen Sperrschicht-Folie, bei dem
zuerst eine Koextrusion wenigstens einer Basisschicht
aus einem Polyolefin, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Polyethylen, Polypropylen sowie aus Copolymeren
von Ethylen mit anderen olefinischen Monomeren besteht,
wenigstens einer Schicht aus einem Ethylen-Vinylalkohol-
Copolymeren mit einem Schmelzindex von wenigstens etwa
8 g/10 min und wenigstens einer Klebemittelschicht erfolgt,
wobei diese Schichten so zu einer Verbundfolie kombiniert
werden, daß das Klebemittel zwischen der Basisschicht und
dem EVOH angeordnet ist. Anschließend wird die Verbundfolie
sofort abgekühlt, so daß die Kristallinität des EVOH
nicht mehr als 25% beträgt. Abschließend wird die Verbundfolie
biaxial orientiert, und zwar in Längsrichtung mit
einem Verstreckungsgrad von etwa 2 : 1 bis etwa 4 : 1 und in
Querrichtung mit einem Verstreckungsgrad von etwa 3 : 1 bis
etwa 7 : 1. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beträgt das Verhältnis der Dicke des
Klebemittels zu der Dicke der Basisschicht etwa 1 : 8 bis
etwa 1 : 15. Die Erfindung betifft ferner auch eine biaxial
orientierte sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässige
Sperrschicht-Folie, die nach dem obigen Verfahren erzeugt
wurde.
Die Ethylen-Vinylalkohol (EVOH)-Copolymeren, die gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind die verseiften
bzw. hydrolysierten Produkte von Ethylen-Vinylacetat-
Copolymeren, die im allgemeinen einen Ethylengehalt von
25 bis 75 Mol-% aufweisen. Es ist dabei stark bevorzugt,
daß der prozentuale Anteil an Ethylen in dem EVOH wenigstens
45% beträgt, so daß das EVOH flexibel genug ist, um
während des Orientierungsschrittes gedehnt zu werden. Der
Hydrolysegrad sollte wenigstens 96%, vorzugsweise wenigstens
99% erreichen. Es ist dabei stark bevorzugt, daß
der Hydrolysegrad größer als 96% ist, da unterhalb dieses
Werts die Sperrschichteigenschaften unterhalb des Optimalwerts
liegen. Es ist ferner für das Verhalten der vorliegenden
Erfindung außerordentlich wichtig, daß der Schmelzindex
des EVOH wenigstens 8 g/10 min bei 190°C und einer
Belastung von 2160 g beträgt. Wenn der Schmelzindex weniger
als 8 g/10 min beträgt, dann können die Viskositäten
des EVOH, des Klebemittels und der Basisschicht nicht in
die erforderliche Übereinstimmung gebracht werden. Es ist
wichtig, die Viskositäten dieser Materialien in Übereinstimmung
zu bringen, um eine Grenzflächen-Instabilität zu
vermeiden, die zu einer Welligkeit der Schmelze und zu
einer ungleichmäßigen Verteilung der Schichten führt, die
auch als Schmelzbrüchigkeit (melt fracture) bekannt ist.
Die Viskosität dieser Materialien wird am einfachsten und
wirksamsten dadurch abgestimmt, daß man den Schmelzindex
der Materialien überwacht. Bei EVOH-Schmelzindices unterhalb
von 8 g/10 min kommt es zur Schmelzbrüchigkeit. Diese
tritt nicht auf, wenn der Schmelzindex höher ist.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Basisschicht
kann aus einem Polyolefin bestehen, das aus der
Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, einschließlich
Hochdruckpolyethylen (Polyethylen niedriger Dichte),
Niederdruckpolyethylen (Polyethylen hoher Dichte), einem
linearen Polyethylen niedriger Dichte, aus Polypropylen
sowie aus Copolymeren von Ethylen mit anderen Olefinen
besteht. Die für die Basisschicht bevorzugten Polymeren
sind Polypropylen sowie Ethylen-Propylen-Copolymere, die
überwiegend Propylen enthalten. Der Schmelzindex der Basisschicht
darf nicht so niedrig sein, daß diese zu steif
und damit nicht mehr orientierbar wird. Für Propylen-Ethylen-
Copolymere ist bevorzugt, daß der Schmelzindex im Bereich
von etwa 2,5 bis etwa 6,0 g/10 min bei 230°C und
einer Belastung von 2160 g liegt. Für Polypropylen ist
es dabei bevorzugt, daß der Schmelzindex im Bereich von
etwa 2,5 bis etwa 4,5 liegt. In diesem Bereich sind die
Viskositäten des Copolymeren und des Polypropylens am
besten mit dem EVOH und dem Klebemittel verträglich. Ferner
führt in diesem Bereich die Orientierung des Copolymeren
oder des Polypropylens zu den besten Eigenschaften.
Das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Klebemittel
sollte aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus mit
Maleinsäureanhydrid modifizierten Polymeren und dazu ähnlichen
Polymeren besteht. Derartige Polymere sind wirksame
Klebemittel für das Verkleben der Basisschicht mit der
EVOH-Schicht und weisen außerdem eine Viskosität auf, die
der Viskosität der oben beschriebenen EVOH- und Basisschichten
ähnlich ist. Die für die vorliegende Erfindung
bevorzugten Klebemittel sind mit Maleinsäureanhydrid modifizierte
Polyolefine. Beispiele für derartige Polymere sind
Handelsprodukte, die im Handel sind unter den Bezeichnungen:
Admer®QF-500-Reihe, hergestellt von Mitsui Petrochemical
Company, Modic®P-300-Reihe, hergestellt von Mitsubishi
Petrochemical Company sowie Plexar®-Klebstoffe, hergestellt
von Chemplex.
Das Verfahren zur Herstellung einer biaxial orientierten
Schichtstoff-Sperrschicht-Folie mit drei oder mehr Schichten
umfaßt vier voneinander unterscheidbare Stufen, die
zusammen einen einzigen relativ einfachen kontinuierlichen
Arbeitsgang bilden. Zuerst wird die Verbundfolie, die beispielsweise
aus Polypropylen, einer Klebemittelschicht
und einer EVOH-Sperrschicht besteht, durch Koextrusion oder
Mehrschichtenextrusion der obigen Bestandteile erzeugt.
Eine Möglichkeit dafür besteht darin, drei Extruder zu verwenden
und die Materialien in einen Kombinations-Ausgabeblock
einzuspeisen. Innerhalb des Ausgabeblocks werden die
Materialien schichtweise übereinander geordnet, so daß
sich ein mehrschichtiger Schmelzstrom bildet, wobei das
Klebemittel zwischen dem Polypropylen und dem EVOH angeordnet
ist. Der Schmelzstrom wird in eine Gießfolien-
Breitschlitzdüse oder in einen anderen Düsentyp eingespeist,
um die mehrschichtige Folie auszubilden. Wenn die Folie
die Breitschlitzdüse verläßt, wird sie sofort unter Verwendung
einer Kühltrommel oder eines Wasserbades auf eine
Temperatur abgekühlt, die ausreicht, in dem EVOH-Material
einen Kristallisationsgrad von 25% aufrechtzuerhalten.
Der 25%ige Kristallisationsgrad kann dadurch erhalten werden,
daß man die Temperatur des Kühlmediums auf 30-40°C
hält. Wenn die Kristallinität des EVOH an diesem Punkt
des Verfahrens über 25% liegt, wird das EVOH zu steif,
um sich im Orientierungsschritt ordnungsgemäß zu dehnen,
und es reißt nur. Es ist bevorzugt, daß die Kristallinität
des EVOH wenigstens etwa 20% beträgt, um im Endprodukt
eine ausreichende Kristallinität zu erhalten.
Unmittelbar nach dem Abkühlen wird die Verbund-Folie in
eine Vorrichtung eingeführt, die für das biaxiale Orientieren
oder Recken eines Kunststoffmaterials geeignet
ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann irgendeine
derartige Vorrichtung verwendet werden. Beispielsweise
kann die Verbundfolie in einen Satz von erwärmten Walzen
mit unterschiedlicher Geschwindigkeit eingeführt werden, um
die Folie in Längsrichtung mit einem Verstreckungsgrad von
etwa 2 : 1 bis etwa 4 : 1 zu verstrecken. Anschließend kann
die Folie in einen Spannrahmen eingeführt werden, in dem
sie in Querrichtung bis zu einem Verstreckungsgrad von etwa
3 : 1 bis etwa 7 : 1 gedehnt wird.
Wenn der Verstreckungsgrad in Längsrichtung weniger als
etwa 2 : 1 beträgt, dann kommt es zu einer ungleichmäßigen
Orientierung, und wenn er mehr als 4 : 1 beträgt, dann kommt
es zum Reißen der Folie. Wenn der Verstreckungsgrad beim
Orientieren in Querrichtung weniger als etwa 3 : 1 beträgt,
dann kommt es zu einer ungleichmäßigen Orientierung, und
bei mehr als 7 : 1 kommt es zum Reißen der Folie. Wenn Polypropylen
als Basisschicht verwendet wird, dann ist es bevorzugt,
daß die Walzen zur Verstreckung in der Förderrichtung
sich auf einer Temperatur von etwa 130 bis etwa
140°C befinden und daß der Spannrahmen für die Orientierung
in Querrichtung eine Temperatur von etwa 150 bis etwa
160°C aufweist. Wenn in der Basisschicht Propylen-Ethylen-
Copolymere verwendet werden, dann sollte die Temperatur
der Walzen in Maschinenförderrichtung etwa 125 bis
etwa 130°C betragen, und die Temperatur des Spannrahmens
sollte etwa 130 bis etwa 135°C betragen.
Nachdem die Folie biaxial orientiert wurde, wird sie einer
Wärmehärtungs-Behandlung unterzogen, die es dem EVOH
ermöglicht, zu kristallisieren. Die Kristallisation des
EVOH verleiht der EVOH-Schicht und damit der Verbund-Folie
gute Sperrschichteigenschaften. Es kann irgendein bekanntes
Verfahren zur Wärmehärtung verwendet werden, wobei
jedoch ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist,
die biaxial gedehnte Folie durch eine Reihe von erwärmten
Walzen hindurchzuführen.
Es ist stark bevorzugt, daß das Verhältnis der Dicke der
Klebemittelschicht zur Dicke der Basisschicht etwa 1 : 8
bis etwa 1 : 15 beträgt. Wenn das Verhältnis geringer ist als
etwa 1 : 8, kommt es zu einer schlechten Haftung zwischen dem
EVOH und dem Klebemittel, was eine befriedigende Orientierung
verhindert. Wenn das Verhältnis über etwa 1 : 15 liegt,
dann kommt es zu einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung
des Klebemittels, und die Haftung ist schlecht.
Nachfolgend wie die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen
und Vergleichsbeispielen näher erläutert.
Die in allen folgenden Beispielen verwendeten Materialien
sind:
Polypropylen:
Homopolymeres: Solvay Eltex HP405, Schmelzindex 3,8
Copolymeres: Solvay KS400, Schmelzindex 5,7 (4% Ethylen, 96% Propylen)
Homopolymeres: Solvay Eltex HP405, Schmelzindex 3,8
Copolymeres: Solvay KS400, Schmelzindex 5,7 (4% Ethylen, 96% Propylen)
Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere:
EVAL®-Harz "F"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 1,5
EVAL®-Harz "E"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 5,6
EVAL®-Harz "G"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 15.1
EVAL®-Harz "F"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 1,5
EVAL®-Harz "E"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 5,6
EVAL®-Harz "G"-Qualität, hergestellt von Kuraray Co., Ltd. - Schmelzindex 15.1
Klebemittel:
Admer®QF500B - Schmelzindex 4,2 (ein mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polypropylen)
Admer®QF500B - Schmelzindex 4,2 (ein mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polypropylen)
In all den nachfolgenden Beispielen wurde versucht, eine
biaxial orientierte fünfschichtige Sperrschicht-Verbund-
Folie des Aufbaus ABCBA unter Anwendung des gleichen Grundverfahrens
herzustellen, das sich aus den folgenden vier
Einzelschritten zusammensetzt:
- 1. Unter Verwendung von drei Extrudern wurde eine fünfschichtige Verbund-Folie extrudiert. Die Folie bestand aus einem Polyolefin (Schicht A), einer Klebeschicht (Schicht B), einer EVOH-Schicht (Schicht C), einer weiteren Klebeschicht (Schicht B) sowie einer weiteren Polyolefinschicht (Schicht A). Diese Materialien wurden in einen Kombinations- Ausgabeblock eingespeist, in dem sie übereinandergeschichtet wurden, so daß sich der fünfschichtige Schmelzenstrom mit ABCBA-Aufbau bildete. Dieser Schmelzestrom wurde dann in eine Gießfolien-Breitschlitzdüse eingeführt, um die fünfschichtige Folie zu erzeugen. Wenn die Folie die Düse verließ, wurde sie sofort unter Verwendung einer Kühltrommel abgekühlt bzw. in einigen Fällen eines Wasserbades abgekühlt, und zwar auf eine Temperatur, bei der in dem EVOH-Material ein 25%iger Kristallinitätsgrad aufrechterhalten wurde.
- 2. Unmittelbar nach dem Abkühlen wurde die Verbund-Folie einem Satz von erwärmten Förderrollen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (MDO) übergeben, durch den die Folie in Längsrichtung gedehnt wurde.
- 3. Nach dem Verlassen der erwärmten Walzen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (MDO) wurde die Folie in einen Spannrahmen eingeführt. In dem Spannrahmen wurde die Folie in Querrichtung gedehnt.
- 4. Nachdem die Folie biaxial gedehnt worden war, wurde sie durch eine Gruppe von erhitzten Walzen geführt, durch die eine Wärmehärtung der Verbund-Folie und eine Kristallisation der EVOH-Schicht bewirkt wurde. Die Kristallisation des EVOH verlieh der Verbund-Folie hohe Sperrschicht- Eigenschaften.
Nachfolgend werden die in den Beispielen verwendeten Materialien,
auf die dort Bezug genommen wird, näher erläutert.
Die Anordnung der Extruder war in allen Fällen wie
folgt:
Extruder Nr. 1: Stets Polypropylen
Extruder Nr. 2: Stets EVOH
Extruder Nr. 3: Stets Klebstoff
Extruder Nr. 2: Stets EVOH
Extruder Nr. 3: Stets Klebstoff
In allen Fällen wurde in den folgenden Beispielen die
Kristallinität des EVOH-Materials, das die Düse verläßt,
unterhalb 25% gehalten. Die Kristallinität lag in den Beispielen
im Bereich von 18 bis 22%. Das Verfahren zur Bestimmung
der prozentualen Kristallinität beruht auf der
linearen Beziehung zwischen der prozentualen Kristallinität
und der Dichte der Folie. Die prozentuale Kristallinität
wird empirisch dadurch bestimmt, daß man die Dichte
des gesamten amorphen Anteils und des gessamten kristallinen
Anteils einer EVOH-Folie einer bestimmten Qualität
mißt und diese Information in der nachfolgend angeführten
Formel verwendet.
Die Dichte wird zuerst nach irgendeinem bewährten Verfahren,
beispielsweise ASTM D1505-68 gemessen. Anschließend
werden die Gesamtmengen der amorphen und kristallinen
Anteile des EVOH voneinander getrennt, und ihre Dichten
werden nach demselben Verfahren gemessen. Für die drei
Qualitäten von EVOH, die in den nachfolgenden Beispielen
verwendet werden, sind die Dichten der amorphen und kristallinen
Anteile wie folgt:
Es wird angenommen, daß die obigen Dichten Konstante darstellen,
da sie sich nicht verändern. Die Dichte der Folie
ändert sich in Abhängigkeit vom Grad der Abschreckbehandlung.
In der folgenden Formel ist FD die Foliendichte,
AD die Konstante für die amorphe Dichte und CD die Konstante
für die kristalline Dichte. Die prozentuale Kristallinität
einer Folie wird dann wie folgt erhalten:
Es ist somit klar, daß die prozentuale Kristallinität linear
zunimmt, wenn die Dichte der Folie zunimmt. Die
Kristallinität der Folie kann dadurch gesteuert werden,
indem man die Dichte der Folie steuert. Dieser Vorgang erfolgt
in der Abschreckstufe.
Materialien:
Homopolypropylen
EVOH "E"-Qualität
Klebstoff
Homopolypropylen
EVOH "E"-Qualität
Klebstoff
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 260°C,
117,5 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 25 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 185°C, 29,5 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 25 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 185°C, 29,5 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|200°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 120°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 165°C |
MDO-Orientierung: | 2,0 : 1 |
Querorientierung: | 3,0 : 1 |
Die gedehnte Folie zeigte infolge eines Fibrillierens der
EVOH-Schicht einen Fischnetz-Effekt.
Unter Anwendung der gleichen Bedingungen und Materialien
wie in Beispiel I, wobei jedoch der Extruder Nr. 2 (EVOH)
mit 15 U/min betrieben wurde und die Orientierung in Maschinenförderrichtung
(MDO) auf 3,0 : 1 erhöht wurde, wurde das gleiche Fischnetz-Aussehen erhalten.
Beginnend mit den Bedingungen und Materialien gemäß Beispiel
II wurde der Verstreckungsgrad in Maschinenförderrichtung
(MDO-Orientierung) variiert, während der Verstreckungsgrad
in Querrichtung konstant gehalten wurde.
Bei der Verminderung der MDO-Orientierung von 3,0 : 1 auf
2,0 : 1 verminderte sich das Fischnetz-Aussehen. Bei einer
MDO-Orientierung von 1,0 : 1 und einer Querorientierung von
3,0 : 1 verschwand das Fischnetz-Aussehen. Diese Bedingungen
führten jedoch nur zu einer uniaxial (in Querrichtung)
orientierten Folie, die eine ungleichmäßige Dicke sowie
schlechte optische Eigenschaften zeigte.
Bei der Untersuchung der Proben aus den Beispielen I bis
III wurde festgestellt, daß der Grund für das Fibrillieren
der EVOH-Schicht eine mangelnde Haftung zwischen den Polypropylen
(PP)- und EVOH-Schichten gewesen sein könnte. Um
diese Einflußgröße zu untersuchen, wurden die Bedingungen
und Materialien aus Beispiel I als Ausgangspunkt gewählt.
Die Schmelzentemperatur der Klebemittelschicht wurde in
Schritten von 5°C erhöht, bis die Schmelzentemperatur die
gleiche war wie die des Polypropylens. Es wurde festgestellt,
daß die Haftung besser wurde, wenn die Temperatur
erhöht wurde. Das Fibrillieren der EVOH-Schicht trat jedoch
trotzdem auf.
Materialien:
Polypropylen-Copolymeres
EVOH "E"-Qualität
Klebemittel
Polypropylen-Copolymeres
EVOH "E"-Qualität
Klebemittel
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 240°C, 95 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 15 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelztemperatur 260°C, 50 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 15 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelztemperatur 260°C, 50 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|180°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 120°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 165°C |
MDO-Orientierung: | 2,4 : 1 |
Querorientierung: | 4,0 : 1 |
Die ersten Versuche ergaben ein geringfügiges Fibrillieren
der EVOH-Schicht und eine ungleichmäßige Orientierung
der Polypropylen-Schicht. Um die Dicke der EVOH-Schicht
zu steigern, wurde der Extruder Nr. 2 mit 30 U/min betrieben.
Es kam weiterhin zum Fibrillieren. Die Dicken der
verschiedenen Schichten wurden in Schritten, die der Hälfte
der Originaldicken entsprachen, bis zur doppelten Dicke
des Originals vergrößert. Es wurde keine feststellbare Auswirkung
auf das Fibrillieren beobachtet. Die Orientierungs-
Temperaturen wurden variiert, bis ein Grenzwert am unteren
Ende erreicht wurde, bei dem es zu keinem Dehnen in
Querrichtung mehr kam, sowie bis zu einem oberen Ende,
bei dem das Polypropylen an den Klammern des Spannrahmens
festklebte. Im ganzen Bereich war ein Fibrillieren zu erkennen.
Aufgrund der Ergebnisse der bisherigen fünf Beispiele
wurde der Schluß gezogen, daß es nicht möglich ist,
EVOH der "E"-Qualität befriedigend biaxial zu orientieren.
Materialien:
Polypropylen-Copolymeres
EVOH "G"-Qualität
Klebemittel
Polypropylen-Copolymeres
EVOH "G"-Qualität
Klebemittel
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 240°C, 95 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 185=C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelztemperatur, 250°C, 75 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 185=C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelztemperatur, 250°C, 75 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|185°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 120°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 140°C |
MDO-Orientierung: | 2,8 : 1 |
Querorientierung: | 3,0 : 1 |
Die angegebenen Bedingungen waren die Ausgangsbedingungen.
Die Verbund-Folie zeigte beim Verlassen der Gießdüse
eine extreme Schmelzbrüchigkeit. Diese Schmelzbrüchigkeit
trat in der EVOH-Schicht auf und beruhte auf Viskositätsunterschieden
der einzelnen Bestandteile. Diese
Viskositätsunterschiede beeinträchtigten die Fließeigenschaften
durch den Ausgabeblock und die Düse. Es wurden
verschiedene Kombinationen aus Wärme und Geschwindigkeit
untersucht, bis die folgenden Parameter erreicht wurden,
die zu einer befriedigend biaxial orientierten Verbund-
Folie führten.
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 240°C, 95 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 200°C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 50 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 200°C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 50 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|200°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 129°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 130°C |
MDO-Orientierung: | 2,0 : 1 |
Querorientierung: | 3,0 : 1 |
Materialien:
Homopolypropylen
EVOH "G"-Qualität
Klebemittel
Homopolypropylen
EVOH "G"-Qualität
Klebemittel
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 260°C, 115 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 80 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 190°C, 20 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 80 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|200°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 140°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 150°C |
MDO-Orientierung: | 4,4 : 1 |
Querorientierung: | 3,0 : 1 |
Wiederum waren die angegebenen Bedingungen die Ausgangsbedingungen.
Obwohl die in den Spannrahmen eingeführte Folie
gut aussah, wurden bei der Querorientierung in die
Folie Löcher gerissen. Das zeigte, daß entweder die Folie
zu kalt war oder die Qrientierung zu hoch war. Es wurden
verschiedene Qrientierungsverhältnisse im Bereich der MDO-
Orientierung von 2,0 : 1 bis 4,0 : 1 und der Querorientierung
von 3,0 : 1 bis 5,4 : 1 untersucht. Es wurde festgestellt, daß
dann, wenn das MDO-Verhältnis von 2,1 : 1 aus erhöht wurde,
das EVOH zu fibrillieren begann. Bei einem MDO-Verhältnis
von 4,0 : 1 war das EVOH vollständig fibrilliert. Eine Steigerung
des Querverstreckungs-Verhältnisses unter Halten
des MDO-Verhältnisses bei 2,0 : 1 hatte nicht diesen gleichen
Effekt.
Bei einem Versuch, die Viskositäten und Strömungsgeschwindigkeiten
der verschiedenen Materialien aufeinander
abzustimmen, wurden gegenüber den Bedingungen von Beispiel VII die folgenden Veränderungen vorgenommen:
Extruder Nr. 1: 85 U/min
Extruder Nr. 2: 25 U/min
Extruder Nr. 3: 25/min
Extruder Nr. 2: 25 U/min
Extruder Nr. 3: 25/min
Temperatur des Spannrahmens:|160°C | |
MDO-Orientierung: | 3,0 : 1 |
Querorientierung: | 4,2 : 1 |
Unter Anwendung dieser Bedingungen wurde eine hervorragende
biaxial orientierte Folie hergestellt. Die Eigenschaften
dieser Folie sind in der Tabelle gezeigt. Orientierungsbereiche
für die MDO-Orientierung von 2,0 : 1 bis
4,0 : 1 und für die Querorientierung von 3,0 : 1 bis 7,0 : 1
wurden untersucht, und es wurden zufriedenstellende Folien
herrgestellt. Die Eigenschaften von zwei unterschiedlichen
Folien, die dabei hergestellt wurden, sind in der
Tabelle wiedergegeben.
Zur weiteren Untersuchung der Wirkungen von Parametern auf
die Orientierbarkeit der Folie wurden die folgenden Untersuchungen
angestellt:
Die Fördergeschwindigkeit
für PP wurde konstant gehalten. Die
Fördergeschwindigkeit für das Klebemittel wurde in Schritten
von 5 U/min auf 25 U/min vermindert. Bei 25 U/min kam
es zum Fibrillieren.
Die Fördergeschwindigkeit
des Klebemittels wurde konstant gehalten. Die Fördergeschwindigkeit
des PP wurde auf 70 U/min vermindert.
Es kam zu einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung. Die
Fördergeschwindigkeit für das Klebemittel wurde 25 U/min
eingestellt. Dür PP betrug dieser Wert 70 U/min. Es
kam zu einer ungleichmäßigen Stömungsverteilung.
Materialien:
Homopolypropylen
EVOH "F"-Qualität
Klebemittel
Homopolypropylen
EVOH "F"-Qualität
Klebemittel
Extruder Nr. 1: Schmelzentemperatur 260°C, 85 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 210°C, 25 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 50 U/min
Extruder Nr. 2: Schmelzentemperatur 210°C, 25 U/min
Extruder Nr. 3: Schmelzentemperatur 250°C, 50 U/min
Temperatur des Ausgabeblocks:|210°C | |
Temperatur der MDO-Walzen: | 140°C |
Temperatur des Spannrahmens: | 160°C |
Es wurden eine MDO-Orientierung von 2,0 : 1 bis 3,0 : 1 sowie
eine Querorientierung von 3,0 : 1 untersucht, und es wurde
eine fibrillierte Folie erhalten. Veränderungen der Fördergeschwindigkeiten
des Extruders Nr. 1 auf 80 U/min
und des Extruders Nr. 2 auf 40 U/min hatten keinerlei Effekt.
Verschiedene Temperaturbedingungen hatten ebenfalls
keinen Effekt. Daraus wurde der Schluß gezogen, daß EVOH
der "F"-Qualität nicht befriedigend biaxial orientiert
werden kann.
In der Tabelle II sind die Eigenschaften verschiedener erfindungsgemäß
hergestellter Folien gezeigt. Diese Eigenschaften
wurden wie folgt bestimmt:
Hierbei wird die Dicke jeder Schicht der fünfschichtigen
Verbund-Folie bestimmt. Die Folie wurde sowohl durch
Lichtmikroskopie als auch durch Rasterelektronenmikroskopie
(SEM-Technik) untersucht. Für die Rasterelektronenmikroskopie
wurden die Proben eingeschnitten und gerissen.
Die Proben für die Lichtmikroskopie wurden in Hochdruckpolyethylen
eingebettet und es wurden Mikrotom-Schnitte
hergestellt. Unter Berücksichtigung der Dicke der individuellen
Schichten können Vergleiche zwischen den Eigenschaften
von orientierten und nichtorientierten Folien
der gleichen Dicke angestellt werden.
Es ist bekannt, daß die Anwesenheit von Sauerstoff zu
einem Abbau von Nahrungsmitteln führt. Die O₂-Durchlässigkeit
einer Struktur ist ein Maß für ihre Sperreigenschaften
gegenüber dem Vordringen von Sauerstoff zu den Materialien,
die in der Folie verpackt sind. Diese Bestimmung
wurde gemäß ASTM Standard D3985-81 durchgeführt.
Diese Größe stellt eine Angabe der Menge an H₂O dar, die
zu den verpackten Waren eindringt bzw. umgekehrt für die
Feuchtigkeitsmenge, die aus einem verpackten flüssigen
Produkt entweicht. Ferner werden auch die Sperrschicht-
Eigenschaften eines Sperrschicht-Materials durch die Anwesenheit
von Feuchtigkeit verschlechtert. Es ist daher
erwünscht, so weitgehend wie möglich zu verhindern, daß
Feuchtigkeit die Sperrschicht erreicht. Die Größe wurde
in einem Versuch bestimmt, der gemäß ASTM Test Methods
E398-70 durchgeführt wurde.
Diese Größe ist ein Maß für die Festigkeit des Materials.
Sie gibt die Kraft pro square inch (6,45 cm²) eines Materials wieder,
die erforderlich ist, das Material zu zerreissen. Der entsprechende
Versuch wurde gemäß ASTM D-882-73, Method A
durchgeführt.
Der Sekantenmodul ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials.
Ein steifes Material ist erforderlich, um eine
gute Maschinenverarbeitbarkeit und Handhabung bei
anschließenden Verpackungs-Operationen zu erhalten sowie
zu erreichen, daß sich die verpackten Produkte knisternd
anfühlen. Das Bestimmungsverfahren wurde gemäß ASTM D-618
durchgeführt.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung einer biaxial orientierten
sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässigen Sperrschicht-
Folie, das die Schritte umfaßt:
- (a) Koextrusion von
- (1) wenigstens einer Schicht eines Basismaterials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polypropylen sowie Copolymeren von Ethylen mit anderen Olefinen besteht, und von
- (2) wenigstens einer Schicht aus einem Ethylen- Vinylalkohol-Copolymeren mit einem Schmelzindex von wenigstens etwa 8 g/10 min, sowie von
- (3) wenigstens einer Klebmittelschicht und Kombination dieser Schichten zu einer Verbundfolie, bei der das Klebemittel zwischen der Basisschicht und der Schicht aus dem Ethylen- Vinylalkohol-Copolymeren angeordnet ist;
- (b) sofortiges Abkühlen der Verbundfolie, so daß die Kristallinität des Ethylen-Vinylalkohol- Copolymeren nicht mehr als etwa 25% beträgt und
- (c) biaxiales Orientieren der Verbundfolie in Längsrichtung mit einem Verstreckungsgrad von etwa 2 : 1 bis etwa 4 : 1 sowie in Querrichtung mit einem Verstreckungsgrad von etwa 3 : 1 bis etwa 7 : 1.
2. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Dicke des Klebemittels zur Dicke
der Basisschicht etwa 1 : 8 bis etwa 1 : 15 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbundfolie in Stufe (b) in einem Kühlmedium
auf eine Temperatur von 30-40°C abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längsorientierung bei einer
Temperatur von etwa 130 bis 140°C und die Querorientierung
bei einer Temperatur von etwa 150 bis 160°C durchgeführt
werden, wenn die Basisschicht aus Polypropylen
besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längsorientierung bei einer
Temperatur von etwa 125 bis etwa 130°C und die Querorientierung
bei einer Temperatur von etwa 130 bis
etwa 135°C durchgeführt werden, wenn die Basisschicht
aus einem Copolymeren aus Propylen und Ethylen besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Basisschicht aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus Polypropylen sowie aus Copolymeren
von Propylen und Ethylen besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine fünfschichtige Folie hergestellt
wird, die zwei äußere Basisschichten, eine
innere Ethylen-Vinylalkohol-copolymerschicht sowie
zwei Klebemittelschichten, die zwischen den Basisschichten
und der Ethylen-Vinylalkohol-Copolymerschicht
angeordnet sind, umfaßt.
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