DE69403206T2

DE69403206T2 - Heisssiegelbare orientierte folie

Info

Publication number: DE69403206T2
Application number: DE69403206T
Authority: DE
Inventors: Patrick Hyde; Andrew Ouderkirk
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: US5411788A; CA2158259A1; KR100311766B1; US5328653A; DE69403206D1; AU6586194A; AU673430B2; KR960701737A; JPH08508944A; CN1120826A; WO1994023933A1; TW270152B; EP0693990B1; JP3843310B2; EP0693990A1; ZA941339B

Description

Allgemeiner Stand der Technik und Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen, heißsiegelbaren Schicht auf einer orientierten Bahn.
Die Verwendung orientierter Folien und Fase ist besonders bei teilkristallinen thermoplastischen Polymeren weit verbreitet. Diese orientierten Produkte sind durch eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Modul gekennzeichnet. Die Orientierung beeinflußt auch die Kristall- Orientierung und somit den Schmelz- oder Erweichungspunkt des orientierten Polymers, aus dem die Bahn besteht. Ein Problem dieser orientierten Polymere ist die schlechte Heißsiegelbarkeit. Herkömmliche orientierte Polymerfolien werden heißversiegelt, indem die gesamte Folie oberhalb ihrer Schmelztemperatur durch Wärme verschweißt wird. Diese Art der Heißsiegelung durch Schweißen führt zu einem deutlichen Schrumpfen und Verwerfen im Schweißbereich. Das Schweißen zerstört auch die Orientierung im Schweißbereich und dies führt zu einer schwächeren Folie oder Bahn in diesem kritischen Bereich.
Versuche, orientierte, teilkristalline Folien heißsiegelbar zu machen, richteten sich im allgemeinen auf die Bereitstellung einer dünnen Schicht des heißsiegelbaren Polymers auf der Außenoberfläche der Folie durch Coextrudieren, aufeinanderfolgendes Extrudieren oder Beschichten. Bei diesen Verfahren sind jedoch die Verarbeitbarkeit der Folie und die Haflung zwischen den beiden Schichten problematisch. Die heißsiegelbare Schicht, die aus einem Polymer mit geringerem Molekulargewicht, mit geringerem Erweichungspunkt und/oder einem weniger kristallinen Polymer hergestellt wird verringert typischerweise auch einen Großteil der Zugeigenschaften der Folie. US-Patent Nr.4,247,591 schlägt das Coextrudieren einer dünnen Außenschicht aus einer Ausführungsform vor, die ein höheres mittleres Molekulargewicht als die Polymermenge hat so daß beide Schichten anschließend orientiert sind. Die Folie wird anschließend in diesen dünnen äußeren Schichten selektiv erwärmt. Die aufgeführten Ergebnisse geben eine Verbesserung der Festigkeit der Verbindung von etwa 30 % gegenüber einschichtigen orientierten Folien mit einer Schweißverbindung an. Die Probleme bei diesem Verfahren bestehen in der erforderlichen sorgfiiltigen selektiven Erwärmung, damit sichergestellt ist, daß die Heißsiegelung primär in den äußeren Schichten mit hohem Molekulargewicht bleibt. Das Verfahren ist auch nicht für dünne Folien mit weniger als etwa 5 mils (127 µm) geeignet.
Bei orientierten Folien sind auch der starke Glanz und die geringe Verschleißfestigkeit der Folien von Belang. Eine Reihe von Patenten befaßt sich mit der Bereitstellung von Kunststoffbändem für industrielle Verpackungszwecke. Diese Kunststoffbänder werden aus orientierten Polymerfolien hergestellt. Die Patente befassen sich mit Problemen der orientierten Folien mit Bezug auf starken Glanz und Verschleißfestigkeit. US-Patente Nr.3,394,045 und 4,428,720 schlagen vor, die orientierte Folie durch Flammen oder eine erwärmte verchromte Walze bis zur Schmelztemperatur zu erwärmen (z.B. etwa 475ºF (246ºC) für Polypropylen). Die Tiefe der Behandlung beträgt etwa 1 mil (25,4 µm). Die Bänder sollen dann vermutlich wie herkömmliche Stahlbänder für Preßverbindungen verwendet werden können. Dieses Verfahren ist jedoch für die Herstellung heißsiegelbarer Folien nicht gut geeignet. Die hohe Temperatur und die lange Behandlungsdauer führen zu beträchtlich oxidierten Spezies auf der Außenoberfläche des Bandes, dies stellt bei Preßverbindungen kein Problem dar, verunreinigt jedoch die Heißsiegelverbindung. Die hohe Behandlungstemperatur erschwert auch die Verarbeitbarkeit dieser dünnen Folien, da relativ dicke geschmolzene Polymerschichten leicht an den Walzen und der zugehörigen maschinellen Ausrüstung haften. US-Patent Nr.4,090,008 berichtet auch, daß die vorstehenden Patente die Staubbildung oder Faserung der Kanten nur mangelhaft verhindern und schlägt ein Verfahren vor bei dem nur die Kanten durch Wärmebehandlung versiegelt werden. US-Patent Nr.4,451 524 befaßt sich mit dem gleichen Problem der Faserung und schlägt einen anschließenden Orientierungsschritt vor, der dem Schmelzen der Oberflächenschicht folgt (wiederum etwa 1 mil (25,4 µm)).
US-Patent Nr.4,822,451 faßt verschiedene herkömmliche Behandlungen für die Folienoberfläche und deren Effekte zusammen, einschließlich Koronabehandlung, Plasmabehandlung, Zerstäubungsätzen, Elektronenstrahlbehandlung, Flammbehandlung, sehr intensive UV-Behandlung und Laserbehandlung. Die in diesem Patent erläuterte Aufgabe des Behandlungsverfahrens besteht in der Behandlung einer sehr dünnen Oberflächenschicht einer Folie, so daß es nur wenige oder keine chemischen Veränderungen (abgesehen von der Kristalistruktur) oder Strukturänderungen im Polymer auf der Außenoberfläche der Folie gibt. Alle zusammengefaßten herkömmlichen Behandlungen führen zu einer Änderung der Struktur und/oder chemischen Natur der behandelten Polymeroberflächen. Die beschriebene Behandlung ist ein sehr intensiver Laser mit hohem Teilchenfluß (z.B. ein Excimerlaser), der bei Verwendung bei einem geeigneten teilkristallinen Polymer eine vorzugsweise 20 bis 250 nm dicke Schicht des behandelten Polymers erzeugt, die sich im quasiamorphen Zustand befindet. Der quasiamorphe Zustand ist durch den Verlust der Nahorientierung der Kristalle gekennzeichnet, behält jedoch einen begrenzten Wert der Fernorientierung bei, dies wird beim Umkristallisieren der behandelten Schicht deutlich. Die Behandlung erfordert eine geeignete Anpassung der Wellenlänge des Laserstrahis an die Absorptionseigenschaften des Polymers und erzeugt keine bei vielen Anwendungszwecken erwünschte Strukturierung der behandelten Polymeroberfläche, wodurch die Anwendbarkeit eingeschränkt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt einen dünnen (z.B. weniger als etwa 5 mils (127 µm)), heißsiegelbaren, orientierten, teilkristallinen und thermoplastischen Gegenstand oder ein derartiges Material, wie eine Bahn, z.B. eine Folie oder Folienschicht, und ein Verfahren zu deren Herstellung bereit. Heißsiegelbarkeit entsteht durch die dünne heißsiegelbare Oberflächenschicht des gleichen Polymers und den ähnlichen Kristallzustand wie die Polymermenge der Bahn, z.B. eine Folie oder Folienschicht. Die behandelte Oberflächenschicht wird durch das Fehlen oxidierter (z.B. abgebauter) Spezies und typischerweise durch eine verstärkte Oberflächenstruktur gekennzeichnet. Die behandelte Folie ist als Träger für Haftklebebänder (PSA-Bänder) besonders gut geeignet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens
Fig. 2 sind Kurven der Weitwinkel-Röntgenbeugung im Glanzwinkel (GWAX) (1,0º) der Folie von Beispiel 2, sowohl bei der behandelten als auch der unbehandelten Fläche.
Fig. 3 sind Kurven der Weitwinkel-Röntgenbeugung im Glanzwinkel (GWAX) (0,5º) der Folie von Beispiel 2, sowohl bei der behandelten als auch der unbehandelten Fläche.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen, heißsiegelbaren, teilkristallinen Oberflächenschicht auf einem Gegenstand oder einer Bahn, z.B. eine orientierte Folie oder Folienschicht, aus teilkristallinem orientiertem Polymer, und den Gegenstand oder die Folienbahn bereit. die nach diesem Verfahren erhalten werden. Das Verfahren beinhaltet das schnelle Erwärmen einer dünnen Schicht des orientierten Polymers auf der Außenoberfläche des Gegenstands oder der Bahn unter Wärme und Druck bis zu einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des orientierten teilkristallinen Polymers, indem die orientierte Bahn einer erwärmten strukturierten Oberfläche, z.B. einer erwärmten Walze. ausgesetzt wird. Der Erwärmungsschritt hat eine ausreichende Dauer, damit nur eine 1 bis 15 µm dicke Schicht der Außenoberfläche des orientierten Polymers behandelt wird.
Die nach der Erfindung behandelten Oberflächenschichten oder Oberflächenschichtbereiche oder -regionen sind durch das Fehlen sauerstoffhaltiger Abbauprodukte gekennzeichnet wie sie bei typischen Wärmebehandlungsverfahren erhalten werden, zum Beispiel bei jenen, die in US-Patenten Nr.3,394.045 oder 4,495,124 oder davon abgetrennten Verfahren beschrieben werden, wie sie in US-Patent Nr.4,417,948 aufgeführt sind. Oxidierte Spezies können in der erfindungsgemäß behandelten Oberflächenschicht nicht festgestellt werden, dies wird durch Elektronenspektroskopieanalyse (die behandelten Oberflächen wurden typischerweise von 99 bis 100 % Kohlenstoff gemessen) (ESCA) (XPS) und Messung des Berührungswinkels mit Wasser bestimmt, der im Vergleich mit herkömmlich behandelten Oberflächenschichten typischerweise hoch ist (mit 88 bis 95º gemessen) (auf der Basis der höheren Oberflächenenergie weist ein geringerer Berührungswinkel auf einen höheren Sauerstoffgehalt hin).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Fig. 1 als Beispiel erläutert. Die Bezugsziffer 1 bezeichnet die orientierte thermoplastische Folie, die von der Abwickeirolle 2 und einer (mehreren) geeigneten Spannrolle(n) 3 zugeführt wird. Die Folie 1 wird dem Walzenspalt 6 zugeführt, der zwischen der erwärmten strukturierten Walze 5 und der Stützwalze 4 gebildet wird, von denen entweder eine oder beide angetrieben sein können. Die erwärmte Quetschwalze 5 ist strukturiert, z.B. eine mit Chrom plattierte, sandgestrahlte Stahlwalze. Die Walze 5 kann gegebenenfalls mit einer Trennoberfläche versehen sein, damit der Aufbau des sehr klebrigen geschmolzenen Polymers auf der erwärmten Walze 5 verhindert wird. Die Walze 5 kann durch herkömmliche Maßnahmen wie Heißwasser oder Öl, elektrische Widerstandsheizung oder Induktionsheizung, erwarmt werden.
Die Oberflächentemperatur der Walze 5 wird so geregelt, daß ihre Temperatur mindestens 5ºC oberhalb der Schmeiztemperatur des orientierten Polymers der Folie 1 liegt, vorzugsweise mindestens 30ºC bei verchromten Walzen und im allgemeinen mehr bei Walzenoberflächen mit einer Trennschicht. Die Fläche, an der die Folie 1 im Walzenspalt mit der erwärmten Walze 5 in Kontakt kommt.ist im allgemeinen sehr klein, etwa 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 5 mm, es kann jedoch eine gößere Kontaktfläche verwendet werden, wenn die Geschwindigkeit der Folie 1 proportional erhöht wird. Die Geschwindigkeit der Folie 1 durch den Walzenspalt 6 beträgt vorzugsweise mindestens 50 feet (15 m) pro Minute und stärker bevorzugt mindestens 75 feet (23 m) pro Minute. Die bevorzugte Kontaktzeit von Folie und Kontaktfläche im erwärmten Walzenspalt beträgt weniger als etwa 20 Millisekunden (ms) und vorzugsweise weniger als etwa 15 ms, bis zu 5 ms und darunter. Bei Kontaktzeiten von mehr als etwa 20 ms neigt (neigen) die behandelte(n) Filmschicht(en) zur Oxidation und deutlichen Beeinträchtigung der Zugeigenschaften der Folie oder Folienschicht. Dies führt zu einer Folie. die nicht angemessen heißsiegelbar ist und im Walzenspalt brechen kann. Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Bedingungen hängen in gewisser Weise vom Polymer ab das die Folie 1 bildet. Polymere mit unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften, rheologischen Eigenschaften oder Wärmeleitfähigkeitseigenschaften können einen längeren oder kürzeren Einfluß der erwärmten Walze 5 erfordern. Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Bedingungen gelten primär für isotaktisches Polypropylen und ähnliche Polymere, Copolymere und Mischungen.
Die Stützwalze 4 und die erwärmte Walze 5 werden so eingestellt, daß ein ausreichender Anpreßdruck entsteht, damit ein im wesentlichen durchgängiger Kontakt zwischen der behandelten Folienoberfläche und der erwärmten Walze 5 gewährleistet ist (eine begrenzte Menge kleiner oder mikroskopisch kleiner kontaktfreier Stellen zwischen der erwärmten Walze 5 und der Folie 1 ist nicht unerwünscht und kann zu einer sauberen Trennung der Folie. von der erwärmten Walze 5 beitragen). Der dafür erforderliche Druck ist im allgemeinen geringer als der bei einer herkömmlichen Prägebehandlung angewendete Druck. Die hohe Temperatur der Walze 5 verringert die Viskosität der Oberflächenschicht des Polymers auf der Folie 1 ausreichend, damit bei geringem Druck ein begrenzter viskoser Fluß des erwärmten Polymers in den Kontakt mit der erwärmten Quetschwalze 5 möglich wird. Druckwerte von 0,2 bis 10 pounds per linear inch (pli) (0,09 bis 4.56 kg pro laufendem cm) haben sich als aureichend erwiesen. Bei einem Anpreßdruck von mehr als 10 pH neigt die Folie zur Verwerfüng, die Kanten beginnen sich zu kräuseln. Die Stützwalze 4 wird vorzugsweise gekühlt, damit ein Wärmestau im Walzenspalt 6 verhindert wird. Die Stützwalze 4 kann auch mit einer dünnen verformbaren oder elastischen Beschichtung versehen sein (wie Silicongummi mit einer mit einem Härteprüfgerät gemessenen Shore-Härte A von weniger als etwa 80), damit ein besserer Kontakt zwischen der Oberfläche der Folie 1 und der strukturierten erwärmten Walze 5 gewährleistet ist.
Die Antriebswalze 7 stellt den Walzenspalt ein, der zwischen der Walze 7 und der Walze 8 vorgesehen ist, von denen eine vorzugsweise mit Silicongummi beschichtet ist. Die Aufwikkelrolle 9 wird ebenfalls angetrieben, möglicherweise von der Antriebswalze 7.
Die Folie 1 ist ein teukristallines Polymer das in zumindest einer Richtung orientiert wurde. damit die Folie ein nichtisotropes Verhalten zeigt. Diese Orientierung ist herkömmlich und wird hier nicht beschrieben.
Die Orientierung und Kristallisierung des Polymers in der Folie 1 bleiben in der behandelten Oberflächenschicht erhalten. haben jedoch geringere Werte, wie die GWAX-Kurven in den Fig. 2 und 3 zeigen. Der Grad der in der behandelten Schicht erhalten gebliebenen Orientierung ist im allgemeinen gering, die Orientierung ist jedoch noch vorhanden. Bei den GWAX- Kurven der Fig. 2 und 3 wird diese erhalten gebliebene Orientierung durch die Unterschiede der -relativen Intensitäten der zwei Hauptpeaks deutlich. die im allgemeinen gleich groß sind, wenn es in der geprüften Polymerschicht keine Orientierung gibt. Die Kristallstruktur bleibt deutlich erhalten (bis zu 60 bis 96 %), dies wird durch die GWAX-Intensität und -Diagramme bestimmt (0,5º und 1,0º). Typischerweise entstehen keine neuen Kristall-Peaks, die auf die fehlende Änderung der Kristallstruktur oder die Entstehung eines rein amorphen Polymers in der Oberflächenschicht hinweisen, siehe US-Patente Nr. 4,822,451 oder 3,394,045. Das Weitwinkel-Röntgenbeugungsdiagramm im Glanzwinkel (GWAX) bei 0,5º zeigt im allgemeinen einen Erhalt der Kristallinität der unbehandelten Fläche von mindestens 5 bis 10 %, vorzugsweise mindestens 50 % und bis zu 70 bis 95 %.
Die Kristallgröße des Polymers der behandelten Oberflächenschicht nimmt deutlich ab, dies ist mit einer Verringerung des gesamten Kristallinitäts- und Orientierungsgrads verbunden. Dies wird durch die Abnahme der Erweichungstemperatur der behandelten Oberflächenschicht des Polymers im Vergleich mit der unbehandelten Polymermenge der Folie 1 deutlich. Die Verringerung des Erweichungspunkts der behandelten Oberflächenschicht des Polymers wird durch eine deutliche Haftfestigkeit bei der Selbsthaftung der behandelten Folie an den behandelten Oberflächenschichten der Folie bei Heißsiegeltemperaturen von 5ºC oder mehr unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunkts des unbehandelten orientierten Polymers der Folie 1 nachgewiesen. Folien mit einer (mehreren) behandelten Oberflächenschicht(en) können bei diesen geringeren Heißsiegeltemperaturen Werte für die Haftfestigkeit bei der Selbsthaftung zeigen, die gleich oder größer als die Haftfestigkeit sind, die bei einer unbehandelten Folie erhalten wird, die beim oder in der Nähe ihres Erweichungspunkts verschweißt wird. Die behandelte Folie kann deshalb ohne Einfluß auf die Orietierung und Kristallinität der unbehandelten Polymermenge und ohne den zugehörigen Verlust der Festigkeit der Folie an der Verbindung heißversiegelt werden, der durch das Schweißen verursacht wird. Die Haftung der behandelten Oberflächenschicht der erfindungsgemäß behandelten Folie an anderen Oberflächen, wie Polyolefinen und Copolymeren. nimmt bei diesen geringen Heißsiegeltemperaturen ebenfalls zu.
Obwohl die Kristallstruktur der behandelten Oberflächenschicht geändert wird, indem die Folie örtlich schnell auf Temperaturen erwärmt wird, die ausreichend über dem Schmelzpunkt des orientierten Polymers liegen, gehen die Kristallstruktur und die zugehörigen Eigenschaften nicht wie bei einer herkömmlichen Wärmebehandlung verloren. Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren schränkt auch die Tiefenwirkung der Behandlung auf eine Oberflächenschicht mit einer Dicke von weniger als 15 µm ein, so daß die behandelte Schicht weniger als etwa 50 % der Gesamtdicke der Folie und vorzugsweise weniger als 20 % beträgt. Dies begrenzt den Verlust der Eigenschaften der orientierten Polymermenge in der fertigen behandelten Folie. Es wurde auch festgestellt. daß die erfindungsgemäße Behandlung den Abbau des Polymers und die zugehörige Erzeugung oxidierter Spezies minimiert, die entweder direkt auf der behandelten Folie oder dadurch entstehen, daß das geschmolzene Polymer auf die strukturierte Wärmebehandlungswalze und dann erneut wieder auf die Folie übertragen wird.
Es hat sich gezeigt, daß die strukturierte Oberfläche der erwärmten Walze 5, die mit der Oberfläche der Folie 1 in Kontakt steht, die Übertragung von geschmolzenem Polymer auf die Walze unterdrückt, dies gilt insbesondere bei herkömmlichen verchromten Oberflächen. Die Tiefe der Struktur (Ra) beträgt im allgemeinen mindestens etwa 10 micro-inch (0,3 µm) und vorzugsweise etwa 20 micro-inch (0,5 µm) jedoch weniger als 400 micro-inch (10,2 µm). Die Anwendung eines höheren Ra-Wertes oder die Verwendung tiefer strukturierter Walzen kann zu einer ungleichmäßigen Behandlung der Folie führen, wohingegen Walzen mit niedrigerem Ra- Wert dazu führen können, daß die Folie oder das Polymer an der Walze klebt. Die Verwendung von Trennmittelbeschichtungen, die die hohen Temperaturen der Walze überstehen, ist ebenfalls von Vorteil, µm bei bestimmten, sehr klebrigen Polymeren eine Haftung des Polymers zu verhindern. Geeignete Trennbehandlungen sind das Beschichten mit Teflon und anderen Fluorchemikalien.
Die Struktur der erwärmten Walze 5 wird zumindest indirekt auf die Oberflächenschicht der Folie 1 übertragen dies führt zu einer verstärkten Strukturierung und ist zumindest teilweise mit der Verringerung der Glanzzahl bei 60º auf 30 % und weniger, vorzugsweise 15 % und weniger verbunden. Der Glanz kann im allgemeinen 3 bis 50 % betragen, liegt jedoch vorzugsweise bei 5 bis 30 % Die Ra-Werte der strukturierten behandelten Oberflächen liegen im Bereich von 20 bis 500 micro-inch (µinch) (0,5 bis 12,7 µm), vorzugsweise von 50 bis 400 µinch (1,3 bis 10,2 µm). Niedrigere Ra-Werte sind nicht signifikant und höhere Ra-Werte sind schwer erreichbar wenn noch eine wirksame kontinuierliche Behandlung der Oberflächenschicht mit der gewünschten Dicke erzielt werden soll. Es ist eine Anzahl der Spitzen von mindestens 50 Spitzen/inch (20 Spitzen/cm) erwünscht, wobei bei einer strukturierten Oberfläche 100 bis 400 Spitzen/inch (39 bis 157 Spitzen/cm) bevorzugt sind (dies wird wie nachstehend definiert gemessen). Die stärkste Strukturierung und die stärkste Verringerung des Glanzes werden bei nicht mit Trennmittel beschichteten (z.B. verchromten) Oberflächen einer erwärmten Walze erhalten, bei einigen Polymeren können jedoch geeignete Trennmittelbeschichtungen verwendet werden, damit das Ankleben des geschmolzenen Polymers an der erwärmten Walze verhindert und die bevorzugte Strukturierung trotzdem noch erreicht wird. Eine Strukturierung der Oberfläche der behandelten Schicht wird oft bei Anwendungszwecken gefordert, bei denen kein starker Glanz notwendig ist, z.B. bei bestimmten Trägern für Klebebänder, oder bei denen zum Beispiel die Folienoberfläche beschichtet ist. Die erfindungsgemäße Strukturierung der Oberfläche ist ausreichend, damit die bei diesen typischen Anwendungszwecken geforderte Strukturierung erreicht wird, ohne daß die typische unerwünschte chemische Modifizierung der äußeren Oberflächenschicht auftriti, die man bei den Wärmebehandlungen nach US-Patenten Nr.3,394,045 oder 4,428,720 oder den Oberflächenbehandlungen erhält die in Tabelle 1 von US-Patent Nr. 4,822,451 zusammengefaßt sind.
Für die erfindungsgemäße Behandlung geeignete Polymere sind orientierbare thermoplastische Polymere, im allgemeinen teilkristalline thermoplastische Polymere, wie Polyolefine (z.B. Polypropylen oder Polyethylen), Polyester, Polyamide und dergleichen. Das Polymer muß nur auf eine geeignete Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt werden können, ohne daß es bei den hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens an der erwärmten Walze klebt oder auf die Walze übertragen wird. Polyolefine, insbesondere Polypropylen und Copolymere. sind für das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet, sie haften nicht an der erwärmten Walze. Bestimmte Polyester sind jedoch beim Schmelzen klebriger und kleben schnell an der erwärmten Walze. Außerdem können aufgrund der relativ hohen Schmelztemperaturen dieser Polyester im allgemeinen keine herkömmlichen Trennmittel auf der Walze aufgebracht werden ohne daß ein Abbau erfolgt.
Aufgrund der Dicke der behandelten Oberflächenschicht (in einigen Fällen weniger als 10 µm) kann das Verfahren gegebenenfalls für die Behandlung einer sehr dünnen Folie oder sehr dünner Faserbahnen verwendet werden (z.B. weniger als 5 mils (125 µm) bis zu 1 bis 3 mils (25 bis 75 µm)) ohne daß der größte Teil der Eigenschaften des orientierten Polymers der Folie 1 deutlich beeinflußt wird. Der Strukturwert der erwärmten Behandlungsoberfläche, zum Beispiel auf der Walze 5, sollte der Dicke der behandelten Schicht angepaßt werden, dies wird durch die Behandlungstemperatur und -dauer festgelegt so daß während der Behandlung ein im wesentlichen durchgängiger Kontakt zwischen der Schmelzphase der Oberflächenschicht und der erwärmten strukturierten Oberfläche gewährleistet ist.
Die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Erfindung kann auch bei anderen Bahnen oder Gegenständen angewendet oder auf andere Weise in die Praxis umgesetzt werden. Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele erläutert, die die gegenwärtig in Betracht gezogenen bevorzugten Ausführungsformen aufführen.

Beispiele

Beispiel 1

Dieses Beispiel beschreibt eine 1 bis 2 mil (25 - 50 µm) dicke Folie aus biaxial orientiertem Polypropylen (Schmelzpunkt 170ºC), die schnell über eine erwärmte, mit dem Polymer TEFLON beschichtete Walze geleitet wurde. Die Walze wurde auf eine Oberflächentemperatur von 250ºC erwärmt. Die Folienoberfläche wies ein sichtbar strukturiertes Aussehen auf.

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt eine 1 mil (25 µm) dicke Folie aus biaxial orientiertem Polypropylenpolymer (BOPP-Polymer) (Schmelzpunkt 170ºC), die mit einer Geschwindigkeit von 75 feet per minute (fpm) (23 m/min) über eine erwärmte, mit dem Polymer TEFLON (DuPont 958 - 203) beschichtete (1.5 mil, 38 µm, dick, poliert bis zu einem Ra-Wert von 30 bis 50 micro-inch, 0,8 bis 1.3 µm) Walze geleitet wurde. Die Walze wurde auf eine Oberflächentemperatur von 260ºC erwärmt. Die Bahn berührte in einer Gesamtkontaktzeit von etwa 3 bis 5 Millisekunden etwa 2 bis 4 mm der Walzenoberfläche Die Oberflächenbeschaffenheit der Folie wurde mit einem Ra-Wert von 57 micro-inch (1,4 µm) bei 105 Spitzen/inch (41 Spitzen/cm) gemessen.
Die Messung erfolgte mit dem Profiltastschnittgerät "Surtronic 3" (von Taylor-Hosson, Leicester, England), der Abtastnadel #1502, bei starkem Ausschlag und der Bandbreite 50.
Die Selbsthaftung der Folie wurde mit einer Heißsiegelpresse mit 40 pounds/inch² (3 kg/cm²) und 1 Sekunde gemessen. Die erste feststellbare Haftfestigkeit (t-Abzug ASTM D1876-72) lag bei 300ºF (149ºC) und betrug etwa 3,4 pounds/inch² (0,6 kg/cm²). Die erste feststellbare Selbsthaftung der unbehandelten Folie lag bei 340ºF (171ºC) und betrug etwa 0,3 pounds/inch² (0.05 kg/cm²). dabei wurde der nachstehend beschriebene Abzugsversuch bei 180º angewendet.

Gegenbeispiel 3

Es wurde eine 1 mil dicke Folie aus biaxial orientiertem Polypropylen (Schmelzpunkt 170ºC) behandelt. indem die Folie bei einer Bahngeschwindiokeit von 30 fpm (9 m/min) als letztes über eine plasmabeschichtete Walze geleitet wurde (Plasma Coatings Inc., #3 15), mittlerer quadratischer Fehler (RMS) 80 bis 100 uinch (2 bis 2,5 µm), die am Ende auf eine Temperatur auf etwa 280ºC bis 290ºC erwärmt wurde wobei die Temperatur der Außenoberflächen der Walze etwa 250 bis 260ºC betrug. Die Bahn berührte etwa 2 bis 4 mm der Walzenoberfiäche dies ergibt eine Gesamtzeit für den Kontakt mit der Walze von etwa 2 ms. Die Oberflächenbeschaffenheit wurde mit einem Ra-Wert von 435 micro-inch (11 µm) bei 75 Spitzen/inch (30 Spitzen/cm) gemessen. Die Tiefe der Oberflächenbehandlung wurde aus der Kantenperspektive (edge-on perspective) eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) gemessen und betrug fast die Dicke der Folie oder etwa 25 µm. Bei dieser Folie blieb wenig der gesamten Orientierung der ursprünglichen Folie erhalten.

Beispiel 4

Die Folie von Beispiel 2 wurde bei einer Geschwindigkeit der Bahn von 150 fpm (46 m/min) und Oberflächentemperaturen von etwa 190 bis etwa 200ºC mit einer sandgestrahlten, verchromten Stahlwalze (Ultra Plating, Inc., Ra-Wert 70 micro-inch (1,8 µm)), 200 bis 300 Spitzen/inch (79 bis 118 Spitzen/cm) behandelt. Etwa 2 bis 4 mm der Walze standen mit der Bahn in Kontakt, dies ergibt eine Gesamtzeit des Kontaktes mit der Walze von etwa 12 ms. Die behandelte Folie wies eine Oberflächenbeschaffenheit mit einem Ra-Wert von 70 micro-inch (1,8 µm) bei 230 Spitzen/inch (91 Spitzen/cm) auf. Die Tiefe der Oberflächenbehandlung des Folienquerschnitts wurde durch SEM mit etwa 4 bis 5 µm gemessen. Die Glanzzahl wurde mit einem Gardner-Glanzmeßgerät bei einem Winkel von 60º mit 15 gemessen, dies wird als Folie mit mattem Oberflächenglanz angesehen.
Die Kristallinität der behandelten und unbehandelten Folienoberfläche wurde durch GWAX gemessen, wie es in Physical Review Letters, 66(9), (1991), S.1181 - 1184 beschrieben ist, wobei beide Flächen entlang der gleichen Achse bezüglich der Orientierungsrichtung geprüft wurden. Bei 1º hatte die behandelte Schicht eine um 22 % geringere Kristallinität als die unbehandelte Folienfläche, bei 0,5º GWAX eine um 58 % geringere Kristallinität Die GWAX-Peaks 110 [13,5º (2Θ)] und 040 und 130 [17 und 18,5(2Θ)] waren auf beiden Flächen ebenfalls asymmetrisch, dies weist auf die Kristallorientierung des Polymers in beiden Flächen hin. Die Folie von Beispiel 2 wurde auf ähnliche Weise gepruft und zeigte bei 1,0º bzw. 0,5º eine um 12 % und 50 % genngere Kristallinität der behandelten Fläche. (Siehe Fig. 2 und 3, die Abtastkurven von Beispiel 2 zeigen. bei denen 21 und 31 die unbehandelten Flächen und 22 und 32 die behandelten Flächen bei 1.00 bzw. 0,5º sind. Die Kurven zeigen die Intensität gegenüber 2 Theta).
Die strukturierte Fläche dieser Fläche wurde auch 1,5 Sekunden in einer Heißsiegelpresse, die auf 30 pounds per inch² (2 kg/cm²) und 300ºF (149ºC) eingestellt worden war, auf eine heißgeblasene Folie aus Niederdruckpolyethylen (2 mil (51 µm), Consolidated Thermoplastics) laminiert. Die Proben wurden mit einem doppelt beschichteten Band befestigt und mit 4,5 lbs (2,1 kg) kaltgewalzt und dem Abzugstest bei 180º und einer Abzugsgeschwindigkeit von 12 inch/min (30 cm/min) unterzogen, sie zeigten eine Abzugskraft von 250 g/inch (0,98 kg/cm). Die in ähnlicher Weise auf die gleiche heißgeblasene Folie laminierte unbehandelte Folie ergab einen Wert für die Abzugskraft von 10 g/inch (0,04 kg/cm).

Beispiel 5

Die Folie von Beispiel 2 wurde behandelt, indem die Folie bei einer Geschwindigkeit der Bahn von 150 fpm (46 m/min) und Oberflächentemperaturen von etwa 190 bis 200ºC über eine sandgestrahlte. verchromte Stahiwalze (Ultra Plating, Inc., Ra-Wert 50 micro-inch (1,3 µm) 200 bis 300 Spitzen/inch (79 bis 118 Spitzen/cm)) geleitet wurde. Etwa 2 bis 4 mm der Walze standen mit der Bahn in Kontakt. Die behandelte Dicke wurde durch SEM gemessen und betrug etwa 3 bis etwa 7 µm. Die Oberflächenrauheit wurde mit einem Ra-Wert von 61 micro-inch (1,6 µm), 260 Spitzen/inch (102 Spitzen/cm) gemessen. Die bei 60º gemessene Glanzzahl betrug 14. Die Folie hatte somit einen matten Oberflächenglanz.

Beispiel 6

Die Folie von Beispiel 2 wurde behandelt, indem sie bei einer Bahngeschwindigkeit von 200 fpm (61 m/min) und Oberflächentemperaturen von etwa 190 bis 200ºC über eine sandgestrahlte, verchromte Stahlwalze (Ultra Plating, Inc., Ra-Wert 35 micro-inch (0,9 µm) 200 bis 300 Spitzen/inch (79 bis 118 Spitzen/cm)) geleitet wurde. Etwa 2 bis 4 mm der Walze standen mit der Bahn in Kontakt. Die behandelte Dicke wurde durch SEM gemessen und betrug etwa 3 bis etwa 6 µm. Die Oberfiächenrauheit wurde mit einem Ra-Wert von 54 micro-inch (1,4 µm), 260 Spitzen/inch (102 Spitzen/cm) gemessen. Die bei 60º gemessene Glanzzahl betrug 14. Somit hatte die Folie einen matten Oberflächenglanz. Die Folie war nicht gleichmäßig, da die Folie aufgrund des geringen Ra-Wertes der erwärmten Walze an der Walzenoberfläche klebte.

Vergleichsbeispiel 7

Die Folie von Beispiel 2 wurde nach der in US-Patent 4,495.124 beschriebenen Weise behandelt. Die 1 mil dicke biaxial orientierte Folie aus Polypropylenpolymer wurde bei einer Geschwindigkeit der Bahn von 30 fpm (9 m/min) und einer Oberflächentemperatur der Walze von etwa 180ºC über eine stark polierte verchromte Stahlwalze (Ultra Plating, Inc., Oberflächenglanz 8 bis 10 micro-inch (0,2 bis 0,26 µm)) geleitet. Das Material konnte nicht behandelt werden da die Folie im Walzenspalt an der Oberfläche der erwärmten Walze kleben blieb. Diese Verweilzeit ist den geringsten Verweilzeiten ähnlich, die im vorstehenden Patent beschrieben sind. Das in diesem Patent beschriebene Verfahren kann für dicke, uniaxial orientierte Bahnen gut geeignet sein. hat sich jedoch für die Behandlung dünner, biaxial oder uniaxial onentierter Bahnen als nicht geeignet erwiesen, um ein heißsiegelbares orientiertes Material herzustellen.

Claims

1. Dünne heißsiegelbare orientierte thermoplastische Bahn, umfassend eine Folie oder Folienschicht wobei die Folie oder Folienschicht aus einem Polymer mit kristalliner oder teilkristalliner Struktur besteht und eine heißsiegelbar behandelte Oberflächenschicht oder einen heißsiegelbar behandelten Schichtbereich des gleichen Polymers aufweist und die behandelte Oberflächenschicht oder der behandelte Schichtbereich etwa 1 bis 15 µm dick ist und eine ähnliche Kristallstruktur und einen Erweichungspunkt aufweist, der mindestens 3ºC unter dem der unbehandelten Polymermasse der Folie oder Folienschicht liegt.

2. Thermoplastische Bahn nach Anspruch 1, umfassend eine Folie oder Folienschicht, wobei das Polymer der behandelten Oberflächenschicht oder des behandelten Schichtbereichs einen Erweichungspunkt von mindestens 5ºC unterhalb dem des Polymers der unbehandelten Bahn aufweist und das Polymer der Bahn ein Polyolefinpolymer oder -copolymer oder Gemisch umfaßt.

3. Thermoplastische Bahn nach Anspruch 1, wobei das Polymer der behandelten Oberflächenschicht oder des behandelten Schichtbereichs einen Erweichungspunkt von mindestens 5ºC unter dem des Polymers der unbehandelten Bahn und eine durch Weitwinkel-Röntgenbeugung im Glanzwinkel gemessene Kristallinität aufweist, die mindestens 5 % geringer als die des unbehandelten Polymers ist.

4. Thermoplastische Bahn nach Anspruch 2, wobei das Polymer der behandelten Oberflächenschicht oder des behandelten Schichtbereichs eine 30 bis 95 % geringere Kristallinität als das unbehandelte Polymer aufweist und das Polyolefin ein Polypropylenpolymer oder -copolymer umfaßt.

5. Thermoplastische Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberflächenschicht oder der Schichtbereich 5 bis 100 % von mindestens einer Außenoberfläche der Folie oder Folienschicht umfaßt.

6. Thermoplastische Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberflächenschicht oder der Schichtbereich an der Außenoberfläche weniger als 1 % Sauerstoff aufweist.

7. Thermoplastische Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberflächenschicht oder der Schichtbereich einen Ra-Wert von etwa 0,5 bis 12,7 µm (20 bis 500 µinch),

eine Anzahl der Spitzen von mindestens 20 Spitzen/cm (50 Spitzen/inch) bei einer Bandbreite von 50 (mit dem Profiltastschnittgerät Surtronic 3, Abtastnadel #1502, bei großem Ausschlag, Bandbreite 50 gemessen) und einen Glanz von 3 bis 50 % aufweist.

8. Thermoplastische Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem umfassend eine Haftklebstoffschicht auf zumindest einer Außenoberfläche

9. Thermoplastische Bahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Folie oder Folienschicht eine Dicke von weniger als 125 µm (5 mils) aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung einer heißsiegelbaren Oberflächenschicht oder eines heißsiegelbaren Schichtbereichs auf einer orientierten Folie oder Folienschicht aus kristallinem oder teilkristallinem Polymer, umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen einer orientierten Folie oder Folienschicht aus kristallinem oder teilkristallinem Polymer

(b) ausreichender Kontakt von zumindest einem Bereich der Außenoberfläche der orientierten Folie oder Folienschicht mit einer erwärmten strukturierten Oberfläche bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des orientierten Polymers ausreichend lange, damit die Folienschicht durch Erwärmen der Schicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Polymers bis zu einer Dicke von nicht mehr als 15 um behandelt wird, wobei die Folie bei einem ausreichenden Druck mit einer erwärmten strukturierten Walze und einer Stützwalze in Kontakt gebracht wird, damit zwischen der Folie und der erwärmten strukturierten Walze ein durchgängiger Kontakt gesichert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erwärmte strukturierte Walze einen Ra-Wert von mindestens 0,5 µm (20 µinch) aufweist und mit einer Trennmittelschicht überzogen ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Stützwalze eine mit einem Härteprüfgerät gemessene Shorehärte A von weniger als etwa 80 hat.

13. Verfahren nach Anspruch 11 wobei die Folie etwa 1 bis 10 mm mit der erwärmten Walze in Kontakt kommt wenn sich die Folie mit mindestens 15 m/min (50 feet per minute) bewegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 wobei die Folie 20 ms oder weniger mit der erwärmten Walze in Kontakt kommt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Folie 5 ms oder weniger mit der erwärmten Walze in Kontakt kommt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Folie bis zu einer Dicke von mindestens 1 µm behandelt wird und die behandelte Schicht die gleiche, jedoch eine geringere Kristallinität als das unbehandelte Polymer hat.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Temperatur der erwärmten Walze mindestens 5ºC oberhalb des Schmelzpunkts des orientierten Polymers der im Schritt (a) bereitgestellten unbehandelten Folie oder Folienschicht liegt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Temperatur der erwärmten Walze mindestens 30ºC oberhalb des Schmelzpunkts des Polymers der Folie liegt.