Способ сварки материалов из возобновляемого сырья - RU2577365C2

Описание

Изобретение относится к способу сварки моноаксиально растянутых материалов из возобновляемого сырья, а также обвязочной ленте, которая изготовляется соответствующим изобретению способом.

В середине 90-х годов были разработаны изделия из возобновляемого сырья в качестве лент для упаковочных целей, которые состояли из биологически полностью разлагаемых материалов. Эти ленты содержали в основном крахмал. Эти ленты в принципе могли и свариваться сами с собой. Вследствие плохой термической устойчивости крахмала эти ленты в качестве обвязочной ленты, однако, были совершенно непригодны, так как место сварки при обычной для обвязочных полос растягивающей нагрузке разрывалось. Из-за того что крахмал относится к полисахаридам, эти ленты предшествующего уровня техники были также неустойчивы в отношении гидролиза и имели низкую формоустойчивость при нагревании. В техническом крахмале, к тому же, обычно содержится очень большая доля других компонентов, таких как полигидроксимасляная кислота, что является причиной других недостатков. Разработанные в прошлом ленты были непригодны в качестве обвязочных лент (см. DE 29520448 U1, DE 29520449 U1 или ЕР 0799335 B1).

DE 19654030 C2 описывает текстильный носитель живых организмов, в котором предусмотрена шнурообразная трехмерная петельная структура из полиэтилена. Этот полиэтилен описывается в строке 35 столбца 2 в качестве типичного материала обвязочных лент для упаковочных автоматов. Кроме этого материала для петлевой структуры являющийся объектом изобретения носитель для организмов имеет также текстильную структуру, которая должна служить поверхностью для обитания микроорганизмов. Эта текстильная структура может состоять из разлагаемого органического вещества (столбец 1, строка 18). Специалисту того времени несмотря на четко поставленную задачу не пришло на ум использовать также и для шнурообразной петлевой структуры разлагаемый органический материал. Это указывает на то, что очевидно было предубеждение против того, чтобы использовать органические разлагаемые материалы для обвязочных полос.

DE 69920702 T2 описывает ультразвуковую сварку изделий из полимолочной кислоты, которые не растянуты, а поэтому и не должны отвечать требованиям в отношении устойчивости к растяжению. Задачей настоящего изобретения поэтому является разработка способа, которым растянутые материалы из возобновляемого сырья могут свариваться так, что соответствующие изделия имеют высокую прочность на разрыв.

Лежащая в основе изобретения задача решается в первом варианте осуществления способом сварки моноаксиально растянутых материалов из возобновляемого сырья, отличающимся тем, что

a) подлежащие сварке поверхности по меньшей мере частично изготавливают из растянутого возобновляемого сырья и

b) поверхности сваривают с использованием сварки нагретым клином, сварки трением, лазерной сварки, высокочастотной сварки или ультразвуковой сварки.

До сих пор из возобновляемого сырья практически не изготавливали никаких моноаксиально растянутых изделий, как, например, обвязочных лент, так как было предубеждение, что эти материалы механически недостаточно устойчивы и/или, например, подвергаются гидролизу. К тому же имелось предубеждение, что при сварке материалов из возобновляемого сырья будет происходить разложение материала и вследствие этого будут ухудшаться механические свойства. Это предубеждение относилось тем более к моноаксиально растянутым изделиям, так как они уже предварительно нагружены, и поэтому предубеждение состояло в том, что точки сварки или сварочные швы растянутых изделий из возобновляемого сырья рассматривались как практически заданные места разрушения и, во всяком случае, как не подлежащие механическим нагрузкам. К удивлению, теперь выявилось, что растянутые изделия из возобновляемого сырья могут свариваться сваркой нагретым клином, сваркой трением, лазерной сваркой, а прежде всего ультразвуковой сваркой без существенного ухудшения механических свойств.

Предпочтительно на стадии а) используют моноаксиально растянутую ленту, особенно предпочтительно моноаксиально растянутую обвязочную ленту, а наиболее предпочтительно моноаксиально растянутую обвязочную ленту для упаковочной промышленности. Независимо от этого подлежащий сварке материал предпочтительно растянут по меньшей мере в пропорции 1:3. Именно от этих материалов и особенно от обвязочных лент в процессе использования требуется, как правило, высокая устойчивость к растяжению. Вследствие вышеназванных предубеждений,прежде всего обвязочные ленты из сваренных материалов, состоящих из возобновляемого сырья, до сих пор считались поэтому невозможными.

Предпочтительно на стадии а) используют экструдированные подлежащие сварке поверхности. В отличие от сварки, например, тканых поверхностей таким путем может реализоваться особенно бездефектная сварка, например без образования или сохранения в месте сварки воздушных включений между подлежащими сварке поверхностями.

Доля возобновляемых видов сырья в подлежащих сварке поверхностях составляет независимо друг от друга предпочтительно минимум 30 вес.%, особенно предпочтительно минимум 50 вес.%, наиболее предпочтительно минимум 90%. Наиболее предпочтительно подлежащие сварке поверхности состоят из растянутого материала, состоящего из возобновляемого сырья.

Предпочтительно на стадии а) возобновляемое сырье выбирают из группы, включающей в себя алифатический сложный полиэфир, полиамид, алифатический полиэфирамид, полигидроксиалканоат, поливиниловый спирт, полиалкиленгликоль, лигнин; возобновляемое сырье представляет собой или из сополимер, содержащий, по меньшей мере, одно из указанных соединений, или смесь, или производное указанных соединений. Особенно предпочтительным возобновляемым сырьем является полимолочная кислота и/или полиянтарная кислота (PBS) или смесь или производное таковых. Так, впервые могут свариваться ультразвуковой сваркой растянутые изделия из разного возобновляемого сырья, которое в отличие от известных до сих пор материалов на основе крахмала имеет особенно высокую устойчивость к гидролизу и высокую формоустойчивость при нагревании.

Крахмал как полисахарид имел наряду с подверженностью гидролизу и другой недостаток, заключающийся в том, что, например, пакетные ленты из крахмала при сварке термически разлагались и вследствие этого точки сварки становились в некотором роде заданными местами разрушения. Эти недостатки удалось устранить этим предпочтительным вариантом осуществления. Поэтому доля крахмала в подлежащей сварке поверхности также предпочтительно составляет не более 10 вес.%, особенно предпочтительно не более 5 вес.%. Другим недостатком основанных на крахмале и известных из уровня техники упаковочных лент было также то, что технический крахмал обычно более чем на 50 вес.% состоит, например, из полигидроксимасляной кислоты.

Полимолочная кислота предпочтительно получена по меньшей мере на 40%, особенно предпочтительно по меньшей мере на 70 вес.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере на 90 вес.% из L - молочной кислоты. К удивлению, так оказалось, что таким путем удалось добиться особенно высокой степени кристаллизации, поэтому эти ленты могли особенно хорошо растягиваться. Ленты с высоким содержанием D-кислоты скорее проявляли себя как аморфный полимер, который был непригоден для растяжения.

Ширина подлежащих сварке поверхностей находится, например, в диапазоне от 3 мм до 50 мм, особенно предпочтительно в диапазоне от 4 мм 32 мм. Толщина подлежащих сварке поверхностей находится, например, в диапазоне от 0,2 мм до 2 мм, особенно предпочтительно в диапазоне от 0,4 мм до 1,5 мм.

Предпочтительно средневзвешенная молекулярная масса M_w возобновляемого сырья находится в диапазоне от 20000 г/моль до 300000 г/моль, особенно предпочтительно в диапазоне от 100000 г/моль до 220000 г/моль. Такие виды возобновляемого сырья приводят удивительным образом к обвязочным лентам с особенно сбалансированным соотношением между малой ломкостью и высокой устойчивостью к растяжению.

Доли обычных дополнительных веществ, добавок и прочих модификаторов могут составлять, например, до 0-10 вес.%, особенно предпочтительно до 0,5-2 вес.%.

Предпочтительно содержание волокна в материале поверхностей составляет не более 10 вес.%, особенно предпочтительно не более 1 вес.%. Наиболее предпочтительно, если обвязочная лента вообще не содержит волокон. Благодаря этому можно избежать неравномерности проявления свойств, особенно при переработке волокон вместе с термопластичными материалами, например, из-за воздушных включений.

Предпочтительно на стадии b) устанавливают продолжительность сварки от 5 миллисекунд до 1 секунды, предпочтительно от 100 до 400 миллисекунд. Независимо от этого для этой стадии b) предпочтительно предусматривают продолжительность охлаждения от 0 секунд до 3 секунд, особенно предпочтительно от 0,2 до 0,5 секунд. Наиболее предпочтительной оказалось комбинация предпочтительной продолжительности сварки и предпочтительной продолжительности охлаждения. В остальном способ сварки осуществляется с прочими обычными параметрами.

Предпочтительно на стадии b) при сварке выбирают сонотрод такой же ширины, как и свариваемое изделие. На стадии b) можно также при сварке использовать сонотрод длиной 1-100 мм, в особенности предпочтительно 5-30 мм.

Предпочтительно на стадии b) при сварке прижимают подлежащие сварке поверхности к противопластине, причем противолежащие внешние поверхности сонотрода и противопластины имеют соответственно частичный участок с выступами и частичный гладкий участок. Так, например, внешняя поверхность сонотрода может быть рифленой, в то время как внешняя поверхность противопластины - гладкой. Неожиданно выяснилось, что благодаря этому в области сварки меньше деформируются подлежащие сварке поверхности. Вследствие меньшей деформации подлежащих сварке поверхностей в области сварки, к которой в последующем, например, прилагается растягивающее усилие, сварное соединение приобретает повышенную прочность. Кроме того, было установлено, что для величин прочности сварного соединения к тому же характерно меньшее рассеяние, поэтому соответствующим изобретению предпочтительным способом можно создавать большое количество сварных соединений с относительно высокой и равномерной прочностью.

В еще одном варианте осуществления лежащая в основе изобретения задача решается за счет изготовленной в соответствии с изобретением обвязочной ленты, отличающейся тем, что измеренная в соответствии с DIN 53504 прочность на разрыв составляет по меньшей мере 5 Н/мм², в частности по меньшей мере 100 Н/мм².

Предпочтительно удлинение при разрыве согласно DIN 53504 составляет не более 100%, особенно предпочтительно не более 50%, наиболее предпочтительно не более 20%.

Пример осуществления

Гранулят полимолочной кислоты (PLA полимер 4032D фирмы Nature Works), который был L-полимолочной кислотой, был расплавлен и при 220°C, экструдирован через щелевую фильеру одношнековым экструдером. Экструдат был направлен в водяную ванну с температурой 50°C и затем растянут на воздухе в пропорции 1:4. В последующем образовавшаяся лента была фиксирована на воздухе и охлаждена, а затем намотана. Этой образовавшейся обвязочной лентой была в последующем обвязана в опытном порядке обычная коробка для переездов таким образом, что лента размещалась вокруг коробки, чтобы оба конца обвязочной ленты налегали друг на друга на расстояние 2 см. Налегающие друг на друга концы обвязочной ленты сваривали друг с другом ультразвуковой сваркой. Продолжительность сваривания была установлена на 256 миллисекунд. Продолжительность охлаждения была установлена на 1 секунду. В остальном параметры были выбраны такими, как принято всегда. Сонотрод имел ширину 4 мм и длину 15 мм. Внешняя поверхность была рифленой, причем ширина рифлений составляла 1 мм и глубина рифлений также 1 мм. Выступы рифлений были закруглены. Противопластина была гладкой. В целом параметры изготовления и, в частности, толщина и ширина щелевой фильеры при экструдировании выбирались такими, что после растяжения образовывалась обвязочная лента толщиной 0,7 мм и шириной 12 мм.

Изготовленная в соответствии с изобретением обвязочная лента имела прочность на разрыв больше чем 145 Н/мм² (измерено по DIN 53504). Разрывное удлинение составило меньше 20% (по DIN 53504). Разложения вследствие гидролиза не выявлено. Полученная обвязочная лента была устойчивой к гидролизу. Кроме того, полученная обвязочная лента была формоустойчивой при нагревании по меньшей мере до температуры 70°C.

Устойчивость сварного соединения двух полос на разрыв была больше чем 110 Н/мм² (по DIN 53504). Удлинение при разрыве было больше чем 1% (по DIN 53504) и меньше чем 20% (по DIN 53504).

Реферат

Группа изобретений относится к способу для сварки моноаксиально растянутых материалов из возобновляемого сырья, а также к обвязочной ленте, которая изготовлена способом по изобретению. Способ включает сваривание подлежащих сварке поверхностей, изготовленных по меньшей мере частично из растянутой полимолочной кислоты. Полимолочная кислота изготовлена по меньшей мере на 70 вес.% из L-полимолочной кислоты. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению, заключается в том, чтобы свариваемые материалы имели высокую устойчивость к растяжению. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

Формула