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塑料復合薄膜超聲波焊接工藝研究

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發表時間:2016-07-05 21:28作者:李工 13510929282來源:深圳市恒波超聲波設備有限公司技術部網址:http://www.thisweekendsmovies.com/h-nd-199.html

塑料復合薄膜超聲波焊接工藝研究

文摘

   塑料超聲波焊接技術是經濟、環保、高效的連接技術。本文對12μmPET/30μmPE12μmPET/30μmCPP兩種復合薄膜進行超聲波焊接工藝研究,發現焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等都影響焊接接頭的熱合強度。聚乙烯基復合薄膜焊接接頭的熱合強度明顯高于聚丙烯基復合薄膜。

關鍵詞:復合薄膜,超聲波焊接,工藝,PET/CPP,PET/PE

1.前言

塑料超聲波焊接技術是借助超聲波使塑料件接觸面的分子快速融合在一起的一種加熱連接方法。它有時間短、表面無損壞、非焊接區域不發熱、無需前處理、操作簡單等優點,已經廣泛地應用于航空航天、儀器儀表、食品包裝、電子工業等領域。

塑料超聲波焊接機工藝參數與焊接設備的頻率和焊接材料的形狀有關,且對焊接質量有顯著的影響。絕大多數文獻[1~3]報道的研究工作都是基于20KHz的超聲波焊接設備和塑料及其復合材料的片材、板材而完成的,發現焊接質量與焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等工藝參數有關。但針對塑料薄膜的超聲波焊接研究的報道很少,吳德光[4]對包裝塑料聚酯(12μmPETP)/低密度聚乙烯(100μmLDPE)膜、PETP(12μm)/AL(12μm)/LDPE(75μm)膜,Alejandro等[5]對厚度為0.254~1.016mm熱塑性聚氨酯(TPU)薄膜等進行了超聲波焊接的探索性研究,薄膜厚度在100μm以上,焊接設備頻率為20KHz,但他們都沒有系統地研究塑料薄膜的焊接質量與工藝參數的關系。

本文利用40KHz超聲波設備對總厚度小于50μm的聚酯(12μmPET)/聚丙烯(30μmCPP)和聚酯(12μmPET)/聚乙烯(30μmPE)復合薄膜進行焊接工藝研究,得到了焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等工藝參數對焊接接頭熱合強度的影響規律。

2.實驗

2.1試樣準備

首先通過干式復合法制備12μmPET/30μmPE、12μmPET/30μmCPP雙層復合薄膜,沿復合薄膜的縱向取樣,如圖1。上下兩片試樣應采取簡單的平面搭接形式,使用膠帶將它們固定在一起,避免試樣在焊接過程中產生滑動,焊接線保證上、下兩片焊接試樣與焊縫完全平行。


圖1 塑料薄膜超聲波焊接試樣圖

2.2設備

本文選用美國必能信公司生產的2000f型塑料超聲波塑焊機。超聲波工作頻率為40KHz,焊接時間為0.001s~10s,焊接壓力為63N~600N,焊接振幅為0μm~10μm。在本文的焊接實驗中,保壓時間均為0.5s,保壓壓力均為70N。

2.3性能測試

焊接接頭熱合強度測試參考塑料薄膜包裝袋熱合強度試驗方法(QB/T2358-98)。在中國科學院長春科新實驗儀器研究所生產的WD-40025型電子萬能試驗機上進行。

3結果與討論

3.1焊接振幅對焊接接頭熱合強度的影響

振幅是塑料超聲波焊接中首要選擇的工藝參數。本文針對12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE復合薄膜進行超聲波焊接,焊接振幅對焊接接頭熱合強度的影響規律如圖2。

從圖2中可以看出:1)聚酯/聚丙烯復合薄膜焊接接頭的熱合強度開始隨著焊接振幅增加而增加,當焊接振幅達到5μm后,接頭的熱合強度基本保持不變,直到焊接振幅超過7μm后,接頭的熱合強度迅速下降。2)聚酯/聚乙烯復合薄膜焊接接頭的熱合強度在2μm~10μm振幅范圍內基本不變,振幅變化對接頭熱合強度的影響不明顯。

超聲波焊接過程中,由摩擦振動機理和應力應變的儲能及轉換機理可知:部分機械能要轉化成使塑料熔融的熱能,如公式(1)[2]

                                                            (1)

Q—單位時間內平均消耗能量;ω—頻率;ε0—應變振幅;E′′—塑料損耗模量。

從公式(1)可知,單位時間內平均消耗的能量與振幅的平方成正比,轉化能量的多少直接影響塑料焊接界面溫度的高低,因此振幅增加有利于能量擴散,當振幅達到一定值后提供的熱能才能使高分子熔融,振幅就存在一個下限值;當振幅超過某一上限值,轉化的熱能就增多,過多的熱能可能使高分子分解氧化,產生飛邊氣泡等,降低了焊接接頭質量。因此對于聚丙烯基復合薄膜而言,焊接振幅存在下限值和上限值。

超聲波焊接中能量的擴散不僅與振幅有關,還與材料的損耗模量有很大關系。不同材料的損耗模量也不相同。由于聚乙烯的損耗模量遠遠大于聚丙烯的損耗模量,在40KHz超聲波工作頻率下聚乙烯的損耗模量比聚丙烯損耗模量大0.2GPa[1],焊接中聚乙烯基復合薄膜機械能的轉化能力遠遠大于聚丙烯,由于設備振幅的變化范圍較小,為0μm~10μm,因此振幅變化對聚乙烯基復合薄膜的影響作用相對較弱。

3.2焊接時間對焊接接頭熱合強度的影響

焊接時間是一個對焊接質量有重要影響的工藝參數。本文針對12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE復合薄膜進行超聲波焊接,焊接時間對焊接接頭熱合強度的影響規律如圖3。

從圖3中可以看出,1)兩種復合薄膜焊接接頭熱合強度隨時間的變化規律是相同的,隨著焊接時間的增加,焊接接頭的熱合強度呈現先增大后減小的變化趨勢;2)聚酯/聚乙烯復合薄膜先于聚酯/聚丙烯復合薄膜達到最大焊接接頭熱合強度值。因為在超聲波焊接過程中,焊接界面產生的溫度與焊接時間成正比,焊接時間增加,在復合薄膜內層兩接觸界面產生的溫度就升高,溫度越高,界面熔化的塑料就越多,上下表面在壓力作用下相互結合的就越充分,熔融區域的分子鏈之間纏結就更加充分,宏觀表現為焊接接頭的熱合強度升高;但是太長的焊接時間會降低焊接接頭的熱合強度。一方面,過度的熱量使得焊接熱影響區的面積變大和邊緣熱應力集中更加明顯,焊接邊緣容易斷裂;另一方面,由于薄膜的厚度僅為幾十微米,過度的熱量在縱向傳遞過程中,容易影響復合薄膜本身的性質,使原本取向的外層薄膜材料變的無序。復合薄膜中聚乙烯比聚丙烯的熔點低,損耗模量大,在較短時間內能夠在焊接界面產生使其熔化所需能量,所需焊接時間就短。


圖2 接頭熱合強度與振幅的關系              圖3 接頭熱合強度與焊接時間的關系

3.3焊接壓力對焊接接頭熱合強度的影響

在焊接工藝參數中,焊接壓力也是影響焊接質量的關鍵因素之一。本文針對12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE復合薄膜進行超聲波焊接,焊接壓力對焊接接頭熱合強度的影響規律如圖4。


圖4 接頭熱合強度與焊接壓力的關系

從圖4中可以看出:對于兩種復合薄膜而言,都存在一個最佳的焊接壓力值。焊接接頭的熱合強度開始隨著焊接壓力的增大而迅速增加,當超過150N后,接頭的熱合強度隨著焊接壓力的增大而迅速降低。因為較低的焊接壓力不能使接觸面緊密結合,存在大面積的空氣區域,在一定時間的超聲波作用下,大部分超聲波振動損失在空氣中,界面摩擦升溫很不充分,形成的熔合區域很不均勻,接頭的熱合強度不高。當焊接壓力達到一定值后,可以認為界面結合的很緊密,界面溫度迅速升高。壓力有利于高分子鏈的擴散,焊接接頭區域形成致密結構,在一定范圍內熱合強度也升高。但是焊接壓力過高,熔融高分子擠出流動加快,高分子鏈沿焊接表面橫向排列,邊緣熱應力集中加劇,引起焊接邊緣脆性斷裂。此外,焊接壓力增加,金屬焊頭邊緣容易對薄膜造成損傷,導致熱合強度突然降低。

4.結論

1)在適宜的焊接振幅范圍內(5μm~7μm)聚酯/聚丙烯復合薄膜的焊接接頭熱合強度高,當復合薄膜選用損耗模量較大的聚乙烯作為內層材料時,焊接振幅對焊接接頭熱合強度的影響作用減小。

2)隨著焊接時間的延長,兩種復合薄膜焊接接頭的熱合強度呈現先增加后減小的變化趨勢,當復合薄膜達到最大的焊接接頭熱合強度時,低熔點的聚乙烯基復合薄膜所需時間比聚丙烯基復合薄膜短。

3)當焊接壓力約為150N時,兩種復合薄膜的焊接接頭熱合強度均達到最大值。

4)聚酯/聚乙烯復合薄膜焊接接頭熱合強度高于聚酯/聚丙烯復合薄膜的熱合強度。

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