專利名稱:適于rf焊接應(yīng)用的共混組合物的制作方法
本申請(qǐng)要求2003年11月11日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/704,934號(hào)和2004年5月12日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第60/570,550號(hào)的權(quán)益。
發(fā)明領(lǐng)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(yīng)用中，人們往往可能期望在膜包裝材料上不使用單獨(dú)的粘合膜層就能密封該膜包裝材料?？赏ㄟ^(guò)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(duì)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(shí)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(yīng)用而選擇合適的代用材料并不是簡(jiǎn)單試驗(yàn)。在選擇或開(kāi)發(fā)合適的代用材料時(shí)，至少要滿足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)械特性。第二，合適的聚合物膜應(yīng)對(duì)RF能量敏感，即應(yīng)當(dāng)吸收RF能量。第三，該聚合物膜應(yīng)能在恰當(dāng)?shù)膲毫蜁r(shí)間條件下受到RF能量時(shí)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(yīng)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(duì)RF能量敏感。但是，其它材料可能由于成本過(guò)高或其它問(wèn)題而不適合在這里所描述的應(yīng)用中使用。例如，某些材料對(duì)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(jī)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(dāng)高蒸氣壓的溶劑會(huì)導(dǎo)致其它問(wèn)題，如在加工過(guò)程中薄膜會(huì)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(shí)還具有適于包裝應(yīng)用的物理和機(jī)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(gè)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(jī)酸或其鹽；其中該共混物的組合羧酸鹽官能團(tuán)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(gè)實(shí)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(lǐng)域眾所周知的一些共聚物。離聚物是通過(guò)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(lái)說(shuō)，丙烯酸、甲基丙烯酸或馬來(lái)酸及非必要的軟化性共聚單體的共聚反應(yīng)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(qǐng)中用到時(shí)，術(shù)語(yǔ)“共聚物”可描述為通過(guò)至少兩種不同種類單體的共聚獲得的聚合物。術(shù)語(yǔ)“三元共聚物”可用于專門(mén)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(guò)渡金屬或堿土金屬的陽(yáng)離子，如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣或鋅，或者這些陽(yáng)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(yáng)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(shù)脂。
在本發(fā)明實(shí)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(gè)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(shí)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(jī)酸或其鹽(有機(jī)鹽)。在本發(fā)明的實(shí)踐中，提到有機(jī)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(shí)踐中有用的共混物包括至少約5wt％的有機(jī)酸。優(yōu)選該共混物中包括約5wt％至50wt％的有機(jī)酸。更優(yōu)選該共混物中包括至少約10wt％的有機(jī)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(jī)酸和/或其鹽。這些有機(jī)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(jī)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(gè)碳原子的酸。有機(jī)酸的非限定的說(shuō)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(jī)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(biāo)題為“可透濕透氣的無(wú)孔(Non-Porous)離聚物膜”的美國(guó)專利申請(qǐng)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(qǐng)。優(yōu)選這些有機(jī)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(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明包括作為有機(jī)酸的C6至C38有機(jī)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(shí)踐中優(yōu)選使用官能化的脂肪酸，例如舉例來(lái)說(shuō)，氨基-和羥基-官能化的脂肪酸。羥基硬脂酸例如舉例來(lái)說(shuō)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(shí)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(shù)脂。這些熱塑性樹(shù)脂可非限定地說(shuō)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(yīng)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(lái)酸酐官能團(tuán)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(dāng)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(shù)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?jī)?yōu)選為整個(gè)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(yīng)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(lái)酸酐、馬來(lái)酸單甲酯、馬來(lái)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(lái)酸二甲酯和馬來(lái)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(shí)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(shí)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(qiáng)劑共混，所述不同水平介于5％和15％之間，然后在棱柱擠出機(jī)(prism extruder)上擠出這些共混物，制備6-12密耳厚度的膜，測(cè)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(cè)量方法測(cè)定RF吸附?；蛘咻^簡(jiǎn)單的相應(yīng)方法是，測(cè)量將材料引入交變信號(hào)的電容區(qū)域的影響，并測(cè)定對(duì)該信號(hào)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(duì)給定電路的，所以Q降低的百分?jǐn)?shù)是一個(gè)有用的值。
可如下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在某一壓力下，使一對(duì)膜樣品接受交變場(chǎng)的一段定時(shí)處理。
表1Q值降低的％PVC(9次測(cè)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(dá)50％)95(75％的濕度)Surlyn*8150+20％GMS 13(濕度達(dá)50％)Surlyn*8140+30％12-羥基硬脂酸鉀 78(濕度達(dá)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(biāo)度(arbitrary scale)對(duì)焊接性能進(jìn)行了評(píng)級(jí)。等級(jí)值4是常規(guī)可焊接組合物的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)值?？捎绊懡Y(jié)果的因素例如是膜厚度、時(shí)間和電壓。
0-膜之間的粘著可忽略1-粘著可察覺(jué)2-剝離時(shí)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(gè)焊接位沒(méi)有剝離而是膜撕裂獲得的結(jié)果等級(jí)(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(shí)施例A1Elvax3170/10％SiSt (25％RH) 15％(50％RH) 59％(75％RH) 43％實(shí)施例A2Elvax3170/20％SiSt (25％RH) 53％(50％RH) 80％(75％RH) 49％實(shí)施例A3Elvax3170/30％SiSt (25％RH) 86％(50％RH) 89％(75％RH) 90％焊接實(shí)驗(yàn)焊接等級(jí)實(shí)施例A1 3(在3.2kV/2.5s)實(shí)施例A2 4(在2.8kV/1s)實(shí)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(gè)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(jī)酸或其鹽；其中該共混物的組合羧酸鹽官能團(tuán)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(shù)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(lái)酸酐官能團(tuán)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(duì)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(gè)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(kāi)了膜，其得自乙烯共聚物與有機(jī)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(hào)B32B9/04GK1997702SQ200580014749
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年5月12日
發(fā)明者J·C·陳, D·J·沃爾什 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan