專利名稱:適于rf焊接應用的共混組合物的制作方法
本申請要求2003年11月11日遞交的美國專利申請第10/704,934號和2004年5月12日遞交的美國臨時申請第60/570,550號的權(quán)益。
發(fā)明領域本發(fā)明涉及吸收射頻能量的聚合物組合物。本發(fā)明更具體涉及得自聚合物組合物的膜，其可利用射頻能量焊接。
背景技術(shù)：
在包裝應用中，人們往往可能期望在膜包裝材料上不使用單獨的粘合膜層就能密封該膜包裝材料。可通過使用能自粘合的材料、或使用可使材料本身粘合到另一材料上的材料完成這種密封工藝。這類工藝中有一種是在一種合適的材料上施加射頻(RF)能量，在吸收了RF能量之后，該材料隨即可自粘合或與不同的基材粘合而形成密封。這種工藝被稱為RF焊接，而且適合這種工藝的材料已是周知的商品。例如聚氯乙烯(PVC)是一種對RF能量敏感的材料，非常適于RF焊接。然而，世界上某些地區(qū)不允許廣泛使用PVC材料，因此在這些不歡迎PVC的地方，需要能實現(xiàn)PVC功能的代用材料。
為了用于利用RF焊接技術(shù)的包裝應用而選擇合適的代用材料并不是簡單試驗。在選擇或開發(fā)合適的代用材料時，至少要滿足三個標準。首先，該材料必須提供滿足包裝或其組件要求的良好物理和/或機械特性。第二，合適的聚合物膜應對RF能量敏感，即應當吸收RF能量。第三，該聚合物膜應能在恰當?shù)膲毫蜁r間條件下受到RF能量時形成粘合、焊接或密封。
眾所周知有多種聚合物適于在包裝應用中使用。例如聚烯烴，如聚乙烯和聚丙烯是包裝中有用的材料。已知某些聚合物材料對RF能量敏感。但是，其它材料可能由于成本過高或其它問題而不適合在這里所描述的應用中使用。例如，某些材料對RF能量敏感，但不能形成密封或焊接。某些材料需要更苛刻工藝條件，或要求增加某一成分而使其它物理/機械性能損害。例如EVA的敏感性很大程度上依賴于醋酸乙烯酯的含量。乙烯(甲基)丙烯酸性共聚物及其離聚物一般不具有RF敏感性。
離聚物和極性溶劑如甘油的混合物可制造吸收RF能量的組合物。然而，使用在擠出溫度下具有相當高蒸氣壓的溶劑會導致其它問題，如在加工過程中薄膜會結(jié)霧。而且鑒于環(huán)保，不希望使用極性溶劑。
理想的是，能有一種組合物，其吸收RF能量，并能利用RF焊接而密封，同時還具有適于包裝應用的物理和機械性能。
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明涉及可以吸收射頻(RF)能量的一種膜，其中該膜含有(a)一種共混物，其包括(i)至少一種E/X/Y共聚物，其中E為乙烯、X為一種C3到C8的α，β烯屬不飽合羧酸，且Y為一種軟化性共聚單體，該單體選自丙烯酸烷基酯和甲基丙烯酸烷基酯，其中的烷基具有一至八個碳原子，其中X為該E/X/Y共聚物的約2-30重量％，且Y為該E/X/Y共聚物的約0-40重量％，其中該酸成分(X)的存在形式可為完全中和的羧酸鹽或者部分中和的羧酸鹽，和(ii)一種或多種有機酸或其鹽；其中該共混物的組合羧酸鹽官能團至少部分地被鉀中和；和(iii)一種或多種選自多元醇和聚酯的極性化合物；和，(b)非必要的至少一種其它聚合物組分，其中該膜吸收射頻(RF)能量。
發(fā)明詳述在一個實施方案中，本發(fā)明是得自一種共混物的聚合物膜，該共混物包括一種酸性共聚離聚物和一種脂肪酸鹽。本發(fā)明的膜至少約0.001密耳厚。優(yōu)選這種膜至少約1密耳厚至約25密耳厚。
本發(fā)明的膜含有酸共聚離聚物(“離聚物”)，其為聚合物領域眾所周知的一些共聚物。離聚物是通過一種α-烯烴，例如乙烯、丙烯、1-丁烯和其它1-不飽和烴，與一種不飽和羧酸，例如舉例來說，丙烯酸、甲基丙烯酸或馬來酸及非必要的軟化性共聚單體的共聚反應形成的離子共聚物。隨后經(jīng)如本發(fā)明所使用的那樣獲得離聚物，在本申請中用到時，術(shù)語“共聚物”可描述為通過至少兩種不同種類單體的共聚獲得的聚合物。術(shù)語“三元共聚物”可用于專門描述自三種不同單體共聚獲得的共聚物。至少一種堿金屬、過渡金屬或堿土金屬的陽離子，如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣或鋅，或者這些陽離子的組合可作為中和鹽的羧酸根陰離子的平衡離子。特別優(yōu)選至少部分被鉀陽離子中和的離聚物。三元共聚物也可用烯烴如乙烯、不飽合羧酸和軟化性共聚單體如(甲基)丙烯酸烷基酯制造，提供可被中和形成柔軟離聚物的“柔軟”樹脂。
在本發(fā)明實施中有用的共混物包括至少一種E/X/Y酸性共聚物成分，其中E為乙烯、X為一種C3到C8的α，β烯屬不飽合羧酸，且Y為一種軟化性共聚單體，該單體選自其中的烷基具有一至八個碳原子的丙烯酸烷基酯和甲基丙烯酸烷基酯，其中X為該E/X/Y共聚物的約2-30重量％，且Y為該E/X/Y共聚物的約0至約40重量％。這種酸性共聚物可完全和部分用已知且常規(guī)的手段中和，以便提供酸性共聚離聚物(離聚物)。本發(fā)明實施中適用的離聚物是公知的，而且可以從E.I.DuPont de Nemours and Company獲得商品名Surlyn的商品。
另外，本發(fā)明的膜包括有機酸或其鹽(有機鹽)。在本發(fā)明的實踐中，提到有機酸也可指該酸的鹽或者該酸和該鹽的混合物。在本發(fā)明實踐中有用的共混物包括至少約5wt％的有機酸。優(yōu)選該共混物中包括約5wt％至50wt％的有機酸。更優(yōu)選該共混物中包括至少約10wt％的有機酸，甚至更優(yōu)選包括至少約20wt％的，并最優(yōu)選至少約30wt％的有機酸和/或其鹽。這些有機鹽的平衡離子優(yōu)選至少部分是鉀離子。優(yōu)選共混物中大于70％的所有酸成分被中和，更優(yōu)選大于90％被中和，最優(yōu)選共混物中100％的所有酸成分被中和。
本發(fā)明的有機酸具體為那些非揮發(fā)和非遷移性的，例如含有約6-約38個碳原子的酸。有機酸的非限定的說明性例子是硬脂酸及其異構(gòu)體，油酸及其異構(gòu)體，芥酸及其異構(gòu)體，和山萮酸及其異構(gòu)體。優(yōu)選硬脂酸和油酸及其異構(gòu)體。甚至更優(yōu)選合適有機酸的支化異構(gòu)體，例如硬脂酸和油酸的支化異構(gòu)體，例如異硬脂酸和異油酸。在2003年11月11日遞交的標題為“可透濕透氣的無孔(Non-Porous)離聚物膜”的美國專利申請中，可以找到用于本發(fā)明的合適酸和共混物的更完整描述，經(jīng)引用將其全部并入本申請。優(yōu)選這些有機酸被中和，并且?guī)в羞x自鉀(K)、鈉(Na)、鋰(Li)、銣(Rb)和鎂(Mg)的離子的平衡離子。更優(yōu)選平衡離子為鉀(K)。
在一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明包括作為有機酸的C6至C38有機酸的異構(gòu)體。特別優(yōu)選的是油酸的異構(gòu)體，如2-甲基油酸(異油酸)，和硬脂酸的異構(gòu)體，如2-甲基硬脂酸(異硬脂酸)。還在本發(fā)明的實踐中優(yōu)選使用官能化的脂肪酸，例如舉例來說，氨基-和羥基-官能化的脂肪酸。羥基硬脂酸例如舉例來說12-羥基硬脂酸，可作為一種優(yōu)選的官能化脂肪酸。
用于本發(fā)明實踐中的合適共混物可包括非必要的聚合物成分。這樣的非必要成分可包括一種第二離聚共聚物，包括二元共聚物離聚物和三元共聚物離聚物；和/或熱塑性樹脂。這些熱塑性樹脂可非限定地說明示例性地包括熱塑性彈性體，例如聚氨酯、聚-醚-酯、聚-酰胺-醚、聚醚-脲、PEBAX(基于聚醚-嵌段-酰胺的嵌段共聚物一族，可由Atochem供應商品)；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物；苯乙烯(乙烯-丁烯)-苯乙烯嵌段共聚物；(低聚和聚合的)聚酰胺；聚酯；聚乙烯醇；聚烯烴，包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物；具有各種共聚單體的乙烯共聚物，例如乙烯/醋酸乙烯酯、乙烯/(甲基)丙烯酸酯、乙烯/(甲基)丙烯酸、乙烯/環(huán)氧官能化單體、乙烯/CO、乙烯/乙烯醇(多元醇)；具有接枝的馬來酸酐官能團的官能化聚合物類和環(huán)氧化聚合物；彈性體，例如EPDM、茂金屬催化的聚乙烯和共聚物、熱固性彈性體的磨碎的粉末。非必要的第二種聚合物成分可為一種共混物，該共混物含任何這些材料中至少一種，包括對RF輻射不敏感的那些材料。
優(yōu)選該第二成分是乙烯的共聚物，例如舉例來說，各種共聚單體的乙烯共聚物，例如乙烯/醋酸乙烯酯，乙烯/(甲基)丙烯酸酯，乙烯/(甲基)丙烯酸及其離聚物，乙烯/環(huán)氧官能化單體，乙烯/CO，乙烯/乙烯醇，或者含這些當中至少一種的共混物。更優(yōu)選第二聚合物成分選自乙烯醋酸乙烯酯樹脂(EVA)；乙烯/丙烯酸烷基酯；乙烯/(甲基)丙烯酸和它們的離聚物；或含這些材料中至少一種的共混物。
如果包含這種非必要的聚合物成分，其包含量優(yōu)選為整個鉀離聚物成分量的99wt％至約1wt％。優(yōu)選這種非必要的聚合物成分的含量為約95wt％至約50wt％，更優(yōu)選含量為約93wt％至約70wt％。
本發(fā)明的膜可用于單層或多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的膜可非限定地用于，例如膜包裝材料，容器和罩蓋的包裝應用中。
不飽和羧酸的例子包括丙烯酸、甲基丙烯酸、富馬酸、馬來酸酐、馬來酸單甲酯、馬來酸單乙酯。特別優(yōu)選丙烯酸和/或甲基丙烯酸。可以起到共聚成分作用的極性單體的例子包括乙烯酯類，如醋酸乙烯酯和丙酸乙烯酯；不飽和羧酸酯類，如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸異丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸異丁酯、丙烯酸正己基酯、丙烯酸異辛基酯、甲基丙烯酸甲酯、馬來酸二甲酯和馬來酸二乙酯；一氧化碳。具體地，不飽和羧酸酯類是適合的共聚成分。
實施例所用材料Elvaloy AC1224是乙烯醋酸乙烯酯與乙烯甲基丙烯酸共聚物的一種共聚物共混物，皆可從E.I.DuPont de Nemours and Company(DuPont)獲得商品。
單硬脂酸甘油酯(GMS)(或聚甘油的潛酯)或單硬脂酸山梨(糖)醇酯可用于本發(fā)明的實踐中。
通用程序制備共混物膜將ElvaloyAC1224(從DuPont獲得的商品)共聚物與不同水平的RF增強劑共混，所述不同水平介于5％和15％之間，然后在棱柱擠出機(prism extruder)上擠出這些共混物，制備6-12密耳厚度的膜，測試這些膜的可焊接性。將兩層膜襯在Kapton片材上，放在RF源的電極中間，在輕微的正壓下，通常暴露2秒。
可采用介電測量方法測定RF吸附?；蛘咻^簡單的相應方法是，測量將材料引入交變信號的電容區(qū)域的影響，并測定對該信號寬度或“Q值”(頻率除以寬度)的影響。Q值變低表示吸附，而且由于這是相對給定電路的，所以Q降低的百分數(shù)是一個有用的值。
可如下進行焊接試驗，在某一壓力下，使一對膜樣品接受交變場的一段定時處理。
表1Q值降低的％PVC(9次測定的平均值)9密耳 12.4±3填充的PVC，重增塑的(3次的平均值)9密耳 18.8±2Elvaloy*AC1224(5次的平均值)6密耳 19.7±3Elvax*3170 18密耳 18.8Surlyn*8140 8Surlyn*8150+20％甘油6密耳 60(濕度達50％)95(75％的濕度)Surlyn*8150+20％GMS 13(濕度達50％)Surlyn*8140+30％12-羥基硬脂酸鉀 78(濕度達50％)96(75％的濕度)Surlyn*8140+20％異-硬脂酸鉀 89(25％的濕度)95(75％的濕度)按照主觀標度(arbitrary scale)對焊接性能進行了評級。等級值4是常規(guī)可焊接組合物的標準等級值?？捎绊懡Y(jié)果的因素例如是膜厚度、時間和電壓。
0-膜之間的粘著可忽略1-粘著可察覺2-剝離時粘著足以使膜變形3-沿著焊接位的一些部分不是剝離而是膜撕裂4-沿著整個焊接位沒有剝離而是膜撕裂獲得的結(jié)果等級(selection)為PVC 4高增塑，填充的PVC 4Elvaloy*AC1224 0AC1224+10％(Surlyn+甘油) 25％濕度 475％濕度 4AC1224+10％(Surlyn+GMS)25％濕度 1
75％濕度 2AC1224+10％(Surlyn+羥基硬脂酸鉀)25％濕度 375％濕度 3Elvax*3170 20％濕度 1(在3-4kV/3s)3(在4.5kV/3s)Elvax*3170+10％(Surlyn+異硬脂酸鉀*)50％濕度 3(在3.2kV/2.5s)Elvax*3170+20％(Surlyn+異硬脂酸鉀*) 50％濕度 4(在2.8kV1s)Elvax*3170+30％(Surlyn+異硬脂酸鉀*) 50％濕度 4(在2kV/1s)Q值下降的％SiSt1(25％RH) 89％(50％RH) 95％(75％RH) 96％實施例A1Elvax3170/10％SiSt (25％RH) 15％(50％RH) 59％(75％RH) 43％實施例A2Elvax3170/20％SiSt (25％RH) 53％(50％RH) 80％(75％RH) 49％實施例A3Elvax3170/30％SiSt (25％RH) 86％(50％RH) 89％(75％RH) 90％焊接實驗焊接等級實施例A1 3(在3.2kV/2.5s)實施例A2 4(在2.8kV/1s)實施例A3 4(在2.0kV/1s)Elvax3170 1-2(在～3.5kV/3s)*異硬脂酸鉀1Surlyn8140/20％異硬脂酸鉀
權(quán)利要求
1.一種膜，該膜含有(a)一種共混物，其包括(i)至少一種E/X/Y共聚物，其中E為乙烯、X為一種C3到C8的α，β烯屬不飽合羧酸，且Y為一種軟化性共聚單體，該單體選自丙烯酸烷基酯和甲基丙烯酸烷基酯，其中的烷基具有一至八個碳原子，其中X為該E/X/Y共聚物的約2-30重量％，且Y為該E/X/Y共聚物的約0-40重量％，其中該酸成分(X)的存在形式可為完全中和的羧酸鹽或者部分中和的羧酸鹽，和(ii)一種或多種有機酸或其鹽；其中該共混物的組合羧酸鹽官能團至少部分地被鉀中和；和(b)非必要的至少一種其它聚合物組分，其中該膜吸收射頻(RF)能量。
2.權(quán)利要求
1的膜，其中組分(b)的含量為約1重量％-約99重量％。
3.權(quán)利要求
2的膜，其中組分(b)的含量為約50重量％-約95重量％。
4.權(quán)利要求
3的膜，其中組分(b)的含量為約70重量％-約93重量％。
5.權(quán)利要求
4的膜，其中組分(b)是選自以下物質(zhì)的至少一種離聚共聚物，包括二元共聚物離聚物和三元共聚物離聚物；熱塑性樹脂，包括熱塑性彈性體例如聚氨酯、聚-醚-酯、聚-酰胺-醚、聚醚-脲、基于聚醚-嵌段-酰胺的嵌段共聚物；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物；苯乙烯(乙烯-丁烯)-苯乙烯嵌段共聚物；(低聚和聚合的)聚酰胺；聚酯；聚乙烯醇；聚烯烴，包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物；乙烯共聚物，包括乙烯/醋酸乙烯酯、乙烯/(甲基)丙烯酸酯、乙烯/(甲基)丙烯酸、乙烯/環(huán)氧官能化單體、乙烯/CO、乙烯/乙烯醇(多元醇)；具有接枝的馬來酸酐官能團的官能化聚合物和環(huán)氧化聚合物；彈性體，例如EPDM、茂金屬催化的聚乙烯和共聚物、熱固性彈性體的磨碎的粉末；含任何這些材料中至少一種的共混物；以及對RF輻射不敏感的材料。2.一種膜，該膜含有(a)一種共混物，其包括(i)至少一種E/X/Y共聚物，其中E為乙烯、X為一種C3到C8的α，β烯屬不飽合羧酸，且Y為一種軟化性共聚單體，該單體選自丙烯酸烷基酯和甲基丙烯酸烷基酯，其中的烷基具有一至八個碳原子，其中X為該E/X/Y共聚物的約2-30重量％，且Y為該E/X/Y共聚物的約0-40重量％，其中該酸成分(X)的存在形式可為完全中和的羧酸鹽或者部分中和的羧酸鹽，和(b)非必要的至少一種其它聚合物組分，其中該膜吸收射頻(RF)能量。
專利摘要
本發(fā)明公開了膜，其得自乙烯共聚物與有機酸鹽改性的鉀離聚共聚物的共混物。本發(fā)明的膜可用射頻能量焊接。
文檔編號B32B9/04GK1997702SQ200580014749
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月12日
發(fā)明者J·C·陳, D·J·沃爾什 申請人:納幕爾杜邦公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan