NL1003313C2

NL1003313C2 - Werkwijze voor het verbinden van polymere, verstrekte strips en een grid en een verpakking verkregen met deze werkwijze.

Info

Publication number: NL1003313C2
Application number: NL1003313A
Authority: NL
Inventors: Arie Hendrik Frans Van Vliet; Sebastiaan Martinus Peters
Original assignee: Akzo Nobel Nv
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 1997-12-17
Also published as: JP2001511851A; EP0904441B1; PT904441E; DE69701981T2; DE69701981D1; ATE192790T1; GR3033716T3; ES2145611T3; WO1997047796A1; EP0904441A1

Description

WERKWIJZE VOOR HET VERBINDEN VAN POLYMERE, VERSTREKTE STRIPS EN EEN GRID EN EEN VERPAKKING VERKREGEN MET DEZE WERKWIJZE.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbinden van verstrekte, polymere strips, waarbij ten minste twee strips 5 achtereenvolgens over elkaar gelegd, aangedrukt en verwarmd worden.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit DE-0S-2246051. Hierin wordt beschreven hoe een film die uit twee lagen bestaat na verstrekken in strippen wordt gesneden. De aldus verkregen bicomponent strips omvatten een polymeer met een verhoudingsgewijs laag smeltpunt en een polymeer met een hoger smeltpunt. Door de strips te weven of op elkaar te leggen en onder druk te verwarmen ontstaan bindpunten op de plaatsen waar de lagen met het laagsmeltende polymeer elkaar raken.

15

Bij een dergelijke bindtechniek wordt de sterkte van de bindpunten in hoge mate bepaald door het laagsmeltende polymeer dat tijdens de behandeling verweekt of zelfs geheel smelt. Bovendien wordt ook het verstrekte, hoogsmeltende polymeer, dat verantwoordelijk is voor de 20 sterkte van de uiteindelijke structuur, blootgesteld aan hoge temperaturen. Daardoor zal de oriëntatie van de molecuul ketens in (en daarmee de sterkte van) dit polymeer afnemen. De beschreven techniek leidt tot betrekkelijk zwakke bindpunten en een zekere mate van verzwakking van het overige polymeer en is dan ook ongeschikt 25 voor het vervaardigen van structuren die zwaar belast worden.

Een goed voorbeeld van een zwaar belaste structuur waarin verstrekte, polymere strips gebruikt worden is de zogenaamde 'geogrid'. Dit is een geotextiel dat uit een rooster of grid van 3Q langs- en dwarsstrips bestaat en dat gebruikt wordt als grondversteviging in dijklichamen, taluds, aarde wallen en dergelijke. Door verschuivingen in de grond (bijvoorbeeld tijdens het 'zetten') kan de belasting van de strips hoog oplopen.

1003313 2

Een ander voorbeeld is het gebruik van de strips als trekelement in verpakkingsmaterialen. Zo worden kartonnen kratten of dozen vaak bijeen gehouden door middel van een strip die om het krat of de doos 5 is gewikkeld en vervolgens aan de uiteinden is verbonden.

In de bovenstaande voorbeelden worden de strips en de verbinding tussen de strips zwaar belast en moeten de verbindingen, om economische redenen, snel tot stand gebracht kunnen worden.

10

De uitvinding beoogt daarom te voorzien in een werkwijze voor het snel tot stand brengen van zeer sterke verbindingen in verstrekte, polymere strips. Dit wordt bereikt doordat in de werkwijze beschreven in de eerste alinea het verwarmen wordt uitgevoerd door middel van een stralingsbron die electro magnetische straling 15 uitzendt en doordat de strip die naar de stralingsbron toegekeerd is transparant is voor de straling terwijl het materiaal op de plaats waar de strips verbonden worden deze straling absorbeert.

2Q Het is gebleken dat door middel van deze techniek snel (milliseconden) een zeer sterke las gemaakt kan worden. De sterkte van deze las kan oplopen tot de sterkte van de gebruikte strips. Met andere woorden, twee strips die in eikaars verlengde liggen en ter plaatse van een overlap door middel van de werkwijze volgens de 25 uitvinding aan elkaar gelast zijn, hebben (nagenoeg) dezelfde sterkte als één ononderbroken, onbehandelde strip.

De aan het te verbinden oppervlak toegevoerde energie ligt bij voorkeur tussen 20 en 150 kJ/mz. Meer voorkeur wordt gegeven aan 30 hoeveelheden tussen 40 en 110 kJ/m2 of zelfs 60 en 90 kJ/m2. Het te verbinden oppervlak wordt bij voorkeur niet langer dan 200 milliseconden en niet korter dan 25 milliseconden aan de straling blootgesteld. Bij het gebruik van deze energiehoeveelheden en belichtingstijden in de werkwijze volgens de uitvinding wordt de 1003313 3 oriëntatie van de molecuul ketens minimaal verstoord en wordt een zeer goede sterkte van de verbinding bereikt.

Overigens wordt in het kader van de uitvinding onder 'het verbinden 5 van strips' vanzelfsprekend ook verstaan dat een gedeelte van een strip wordt verbonden met een ander gedeelte van diezelfde strip, zoals bij het sluiten van verpakkingen vaak gedaan wordt. De term 'strip' heeft betrekking op lichamen waarvan één van de dimensies de beide andere dimensies duidelijk overheerst. Zo vallen ook mono- en ^ multi filament garens en geweven banden onder dit begrip.

Geschikte polymeren zijn bijvoorbeeld thermoplatische polymeren zoals polyesters, polyamiden en polyolefines.

Verder kan het bovengenoemde absorberen van de straling zowel gebeuren door het polymeer zelf als door een pigment dat aan het polymeer is toegevoegd.

In een zeer eenvoudige uitvoering bestaat de strip die naar de stralingsbron is toegekeerd geheel uit transparant materiaal. Er zijn dan verschillende mogelijkheden. Zo kan de strip die van de 2Q stralingbron is afgekeerd bijvoorbeeld van een absorberend materiaal vervaardigd zijn. Ook is het mogelijk dat de te verbinden strips beiden transparant zijn en een (dunne) laag, zoals een film of folie, van een absorberend materiaal tussen de strips wordt geklemd.

Het zal duidelijk zijn dat in beginsel elke configuratie mogelijk is

CD

zolang zich op de plaats waar de verbinding tot stand gebracht moet worden een materiaal bevindt dat de straling absorbeert en zolang de straling dit materiaal kan bereiken.

Een andere geschikte uitvoeringsvorm is die waarbij de strip die naar de stralingsbron wordt toegekeerd uit meer dan één component bestaat. Er kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van een bicomponent strip (breedte 12 mm; dikte 0.55 mm) van transparant 1003313 4 polyester (0.50 mm dik) en polyester waaraan een pigment is toegevoegd (0.05 mm). Deze strip kan op verschillende manieren met zichzelf of met een andere strip verbonden worden zolang de straling via een transparant gedeelte bij een absorberend gedeelte kan komen.

5

Een voordeel van het gebruik van de meercomponenten strip is dat deze strip zowel kan dienen als belichte en onbelichte strip. Er hoeft dan tijdens de productie niet voorzien te worden in twee of meer aanvoerlijnen voor twee of meer verschillende materialen.

10

Zowel van de twee- of meer componenten omvattende strip als van de tussenlaag (folie of film) kan de dikte zeer gering zijn. Bij voorkeur ligt deze dikte tussen 5 en 100 μΐη. Bij het kiezen van deze dikte zal echter, onder meer, rekening gehouden moeten worden met de mate waarin het materiaal de straling absorbeert. Er bestaat 15 derhalve geen absolute onder- of bovengrens.

Het gebruik van folies of bicomponent strips met een betrekkelijk dunne absorberende laag heeft bij de vervaardiging van 'grids' een 2Q additioneel voordeel. Bij het optreden van productie storingen die een te lange belichtingstijd van het te lassen oppervlak tot gevolg hebben zal alleen het dunne absorberende materiaal verloren gaan, terwijl het overige materiaal nauwelijks aangetast wordt. Er ontstaat dan weliswaar een slechte verbinding maar de strips zelf oc blijven in staat als trekelement in de grid te fungeren.

άΟ

Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van straling met een golflengte tussen 600 en 1600 nm. Voor dit bereik is een groot aantal, vaak goedkope en betrouwbare, stralingsbronnen beschikbaar. Ook zijn veel pigmenten op de markt met een hoge absorptie in dit bereik, zoals bijvoorbeeld roet ('carbon black').

1003313 5

Lasers zijn zeer geschikt voor gebruik in de werkwijze volgens de uitvinding. In tegenstelling tot quartz lampen kan de straling die door lasers wordt uitgezonden met eenvoudige middelen gefocusseerd worden. Bovendien hebben lasers een smalle bandbreedte ('golflengte 5 venster') zodat absorptie door het transparante polymeer geheel of bijna geheel vermeden kan worden. Lampen daarentegen hebben een verhoudingsgewijs breed spectrum zodat de uitgezonden straling altijd golflengten omvat die geabsorbeerd worden door het transparante polymeer. In veel gevallen zal deze minder gewenste 10 absorptie oplopen tot ca. 35% van de totale stralingsenergie. Voor de uitvinding geldt dat deze absorptie bij voorkeur niet hoger is dan 15%.

Wanneer gebruik wordt gemaakt van straling in de vorm van een bundel ^ die smaller is dan (de smalste) van de gebruikte strips ontstaat een zekere vrijheid in het vormen van de las. In plaats van het lassen van het gehele contactoppervlak tussen de strips kan heel selectief een aantal punt- of lijnvormige lassen worden aangebracht.

20 Als daarnaast de intensiteit van de vermogensdichtheid gevarieerd kan worden, wordt deze vrijheid nog verder vergroot. Zo kan bijvoorbeeld de sterkte van de las aan de rand van het contactoppervlak lager gekozen worden dan in en nabij het midden van het contactoppervlak. Aldus kunnen ongewenste randverschijnselen, 25 waarvan bekend is dat zij de sterkte van de gehele las nadelig kan beïnvloeden, worden onderdrukt of geëlimineerd.

Bij voorkeur worden de strips tijdens het verbinden of lassen met een betrekkelijk grote kracht, bij voorkeur resulterend in een druk 2Q groter dan 1 MPa, samengedrukt. De druk wordt daartoe bij voorkeur aangelegd conform de vorm van de aan te brengen las (punt- of lijnvormige 1 as).

1003313 6

In de praktijk is gebleken dat in toepassingen waar de strips op de plaats van de verbinding een hoek met elkaar maken, zoals bij de genoemde geogrid, de belaste strips ter plaatse van de bindpunten eerder breken dan op basis van de sterkte van de strips verwacht zou ^ mogen worden.

Gebleken is dat dit vroegtijdig bezwijken vermeden kan worden door, in plaats van één las met een groot oppervlak, twee of meer gescheiden lassen aan te brengen (die elkaar dus niet overlappen). Eén en ander zal hieronder aan de hand van een concreet voorbeeld toegelicht worden.

Er wordt uitgegaan van een geogrid waarin verstrekte, polymere strips (12 mm breedte, steeds 30 mm van elkaar gescheiden) onder een hoek van ongeveer 90 graden over hun gehele contactoppervlak aan 15 elkaar gelast zijn. Omdat de strips verstrekt zijn liggen de molecuul ketens hoofdzakelijk in de langsrichting. Door deze oriëntatie hebben de strips een hoge treksterkte in de langsrichting en een lage treksterkte in de dwarsrichting.

20

Krachten die op de geogrid worden uitgeoefend resulteren in een trekbelasting van de strips in beide richtingen. Bij het beschouwen van één van de strips blijkt het volgende. Onder invloed van de genoemde trekkracht treedt in de strip een zekere rek op. Deze rek 25 resulteert, op de plaats waar de strip en een strip in de dwarsrichting van de geogrid (hierna 'dwarsstrip') over hun gehele contactoppervlak aan elkaar gelast zijn, in een kracht dwars op de dwarsstrip. Zoals genoemd zijn verstrekte strips juist in deze richting minder sterk. Bij zwaardere belastingen zal de dwarsstrip 30 dan ook splijten.

Voor de geogrid is dit splijten op zichzelf geen groot probleem. Echter, doordat de dwarsstrip en de belaste strip over het gehele 1003313 7 contactoppervlak aan elkaar gehecht zijn zal het splijten van de dwarstrip een kerf in de belaste strip initiëren. Deze kerf vormt op zijn beurt weer aanleiding tot het vroegtijdig bezwijken van de belaste strip.

. 5

Door de lassen in de lengterichting van de belaste strip van elkaar te scheiden zal, in de hierboven beschreven situatie, de dwarsstrip splijten tussen de lassen in. Als de dwarsstrip eenmaal gespleten is kan zij, dankzij de scheiding tussen de lassen, ter plaaste van deze jg splijting geen kracht op de belaste strip uitoefenen en zal er dus ook geen kerf ontstaan.

Als de las in beide richtingen van de geogrid een scheiding bevat, bijvoorbeeld door alleen nabij de hoekpunten van het 1C contactoppervlak een puntlas aan te brengen, geldt het bovenbeschreven voordeel in beide richtingen van de geogrid. Dit kan met name van belang zijn voor situaties waar de belasting van de geogrid in beide richtingen ongeveer gelijk zal zijn of waar (de richting van) de belasting niet goed voorspeld kan worden.

20

De afzonderlijk lassen zijn bij voorkeur smal (smaller dan 5 mm, of zelfs smaller dan 3 mm). Bij gebruik van te brede lassen zal het bovenbeschreven verschijnsel optreden in een las.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een grid, in het bijzonder een geogrid, die verstrekte, polymere strips in ten minste twee richtingen omvat waarbij de strips met elkaar zijn verbonden met de hiervoor beschreven werkwijze.

2Q Verder heeft de uitvinding betrekking op een varpakking die is afgesloten door middel van één of meer versterkte, polymere strips waarbij waartussen verbindingen zijn aangebracht met de hiervoor beschreven werkwijze.

1003313 8

Opgemerkt wordt dat uit R.A. Grimm "Trough-Transmission Infrared Welding of Polymers", EWI Materials Joining Technology, ANTEC '96, biz. 1238-1244, een techniek bekend is voor het verbinden van blokjes van een transparant polymeer (PMMA) en een zwart gemaakt 5 polymeer (PC). Door middel van een quartz halogeen lamp (Research Ine. model 4141) wordt een lichtbundel (met een breed spectrum) gegenereerd met een vermogensdichtheid van 1.4 MW/m2. De lichtbundel wordt op het te lassen oppervlak (i.e., de overgang van het PMMA en het PC) gefocusseerd en bewogen met een snelheid van 19, 35 of 50 jq cm/min (3.2, 5.8 of 8.5 mm/s respectievelijk). Lassen met een acceptabele sterkte worden alleen verkregen bij 19 cm/min of, als alternatief, bij 35 cm/min waarbij de lichtbundel tweemaal het te lassen oppervlak passeert.

Het lasmechanisme zoals beschreven door Grimm is een langzaam proces 1 b dat leidt tot het smelten van de polymeren tot diep in de te lassen onderdelen. Als belangrijkste reden voor het ontstaan van een las met acceptabele sterkte wordt het substantieel mengen van de verschillende polymeren genoemd. Door de lange belichtingstijden en 2Q de hoge vermogensdichtheid ontstaat een dikke 1 aszone waarin de polymeren door elkaar heen vloeien.

Grimm suggereert niet dat deze techniek ook toelaat dat met zeer korte beichtingstijden met hetzelfde vermogen (1.0 - 1.5 MW/m2) een 2^ zeer sterke verbinding tussen dunne verstrekte strips verkregen kan worden zonder dat de oriëntatie wezenlijk verstoord wordt. In tegendeel, het lassen door middel van een dikke smeltzone waarin de polymeren door elkaar heen vloeien zou funest zijn voor deregelijke stri ps.

30

Voorts wordt nog opgemerkt dat uit WO 94/26503 een werkwijze voor het verbinden van verstrekte, polymere strips bekend is waarbij ten minste één van de strip in en onder het oppervlak deeltjes zijn 1003313 9 aangebracht die heet worden in een electro magnetisch veld met een frequentie tussen 10 en 50000 MHz.

De installatie die nodig is voor het uitvoeren van deze werkwijze is 5 gecompliceerd en kostbaar. Om de veiligheid van het personeel dat de apparatuur bedient te waarborgen moeten tijdens het verbinden van de strips maatregelen getroffen worden om te vermijden dat het electro magnetische veld weglekt. Daarnaast is de vrijheid in het ontwerp van de las beperkt.

10

De uitvinding zal hieronder worden toegelicht aan de hand van een aantal voorbeelden. De uitvinding is vanzelfsprekend niet tot deze voorbeelden beperkt.

VOORBEELDEN 15

Voor het lassen wordt een ‘solid state'-laser (ex Spectra Physics) gebruikt die licht uitzendt met een golflengte van 800 nm en een totaal vermogen van 15 W. De straling wordt met een optische glas 2Q vezel naar een lens geleid, waarna de straling wordt gefocusseerd tot een cirkelvormige punt met een diameter van 4 mm (oppervlak 12,6 mm2). De vermogensdichtheid bedraagt derhalve ongeveer 1.19 MW/m2.

Een transparante strip (met een sterkte van 560 MPa en een doorsnede 25 van 12 x 0.55 mm2) van polyetheentereftalaat (PET) en een zwarte strip van hetzelfde type waarbij roet is toegevoegd aan het PET worden over elkaar gelegd op een stalen kogel met een diameter van 36 mm (met de transparante strip aan de zijde van de laser) en aangedrukt met een totaal gewicht van 8 kg. Door vervorming van de onderste zwarte strip komt het aangedrukte oppervlak ongeveer overeen met de cirkelvormige punt waarin het laserlicht is gefocusseerd. De druk op het te lassen punt bedraagt derhalve ongeveer 6.5 MPa.

f003313 10

Met de hierboven beschreven opstelling worden 5 experimenten uitgevoerd. In experimenten 1-4 wordt na het aanbrengen van de las (5 puntvormige lassen die samen een lijn vormen met een lengte van circa 10 mm en een breedte van circa 2.5 mm) alleen de treksterkte 5 van de transparante strip gemeten. Deze experimenten geven een indruk van de mate waarin de sterkte van de strip beïnvloed wordt door de toegevoegde warmte. In experiment 4 zijn de beide strips onder een hoek van 90° op elkaar gelast (dergelijke verbindingen komen voor in 'geogrids'). In experiment 5 zijn de uiteinden van ^ twee strips in de lengterichting over elkaar gelegd en met puntlassen over een oppervlak van 9 mm bij 40 mm aan elkaar gelast. Met een breedte van 9 mm strekt deze laaste las zich dus niet uit over de gehele breedte van de strips.

In de Tabel zijn naast de bovengenoemde omstandigheden de lastijd en 15 de reststerkte (de waarden zijn het gemiddelde van 5 metingen) weergegeven. Ter vergelijking zijn ook de gegevens van een onbehandelde transparante strip in de Tabel genoemd (aangeduid met 'control') 20

TABEL

Tijd per puntlas Sterkte (in msec) (in N) 25

Control - 3688

Exp. 1 35 3702

Exp. 2 50 3657

Exp. 3 75 3213

Exp. 4 50 3456

Exp. 5 50 3087 ' ' ' ? 31 3 11

Vergelijking van experiment 5 met 'control' leert dat de sterkte van de verkregen las 84% bedraagt van de sterkte van de 'control' terwijl de las zich slechts over 75% van de breedte van de strips uitstrekt.

. 5 10 15 20 25 30 1003313

Claims

1. Werkwijze voor het verbinden van verstrekte, polymere strips, waarbij ten minste twee strips achtereenvolgens over elkaar 5 gelegd, aangedrukt en verwarmd worden, met het kenmerk dat het verwarmen wordt uitgevoerd door middel van een stralingsbron die electro magnetische straling uitzendt en dat de strip die naar de stralingsbron toegekeerd is transparant is voor de straling terwijl het materiaal op de plaats waar de strips verbonden worden deze straling absorbeert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de strip die naar de stralingsbron toegekeerd is geheel van transparant materiaal vervaardigd is. 15

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de strip die naar de stralingsbron toegekeerd is ten minste twee verschillende materialen omvat.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat voor de stralingsbron gebruik wordt gemaakt van een laser.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de straling een bundel vormt die smaller is dan de smalste 25 strip.

6. Werkwijze volgens conclusies 4 of 5, met het kenmerk dat ten minste twee lassen worden aangebracht in het te verbinden oppervlak, welke lassen elkaar niet overlappen. 30

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat dat de strips onder een hoek op elkaar worden gelast. 1003313

8. Grid omvattende verstrekte, polymere strips in ten minste twee richtingen waarbij de strips met elkaar verbonden zijn met een werkwijze volgens één der voorgaande conclusies.

9. Verpakking afgesloten door middel van één of meer verstrekte, polymere strips waarbij de strips op één of meer plaatsen met elkaar verbonden zijn.

10 15 20 25 30 1003313 bAMbN WLHKlNUbV bHDHAL» IHU I) RAPPORT BETREFFENDE NIEUWHE1DS0NDERZ0EK VAN INTERNATIONAAL TYPE IIDENTIFIKATIE VAN DE NATIONALE AANVRAGE Kenmerk van de Aanvrager of van o· gemacnogoe AFP 2529 PDNL Neoeitandse aanvrage nr mownngvsakjm 1003313 .

11 juni 1996 Ingeroepen voorrangsoaun Aanvrager (Naam) AKZO NOBEL N.V. Datim van net verzoek voor een onoerzoek van numaionaai type Door oe m*an*e voor inamaaonaat Onoerzook (ISA) aai net verzoek voor een onderzoek van numaaonaai type begekar» re. 13 juni 1996 SN 27763 NL . CLASSIFICATIE VAN HET ONDERWERP (bij bepassmg van verscntlleno· dauilcaaas, alle damficaoetymboien op geven) /oigens oe mamaoonaie cassifieaae (IPC) Int. Cl.6: B 29 C 65/14, E 04 H 3/14, B 65 B 13/32,// B 29 K 105:02 . ONDERZOCHTE GEBIEDEN VAN DE TECHNIEK _i_Onoenocfite minimum documentatie Classificatiesysteem Classificaticsymooien _ Int. Cl.6 B 29 C noerzocme anoere oocumenaoe oan oe minimum ooeumenaoe voor zover oergekjke doeumanan n oe onaerzocna gebieaen zin genomen ,! i GEEN ONDERZOEK MOGEUJK VOOR BEPAALDE CONCLUSIES (opmerKingen op aanvullingsDlad) j IV.1_' GEBREK AAN EENHEID VAN UITVINDING (oomerKtngen oo aanvullingsDlad) I / =orm PCT/iSA,r3Kai C£ 16