DE69430124T2

DE69430124T2 - Kunststoffband und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69430124T2
Application number: DE69430124T
Authority: DE
Inventors: Sandro Dipede; Russell J. Gould
Original assignee: Samuel Manu Tech Inc
Current assignee: Samuel Manu Tech Inc
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2014-11-09
Also published as: DE69430124D1; EP0711649A1; ATE214326T1; EP0711649B1

Description

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffband und Verfahren zu seiner Herstellung.
Stahl- und Kunststoffbänder werden für eine große Zahl verschiedener Anwendungsfälle verwendet, häufig, um große Bunde aus Stahl, Ballen synthetischer Fasern und schwere Kisten auf Paletten zu sichern. Stahlbänder haben den Vorteil, daß diese eine hohe Festigkeit und Temperaturwiderstand und einen hervorragenden Kriechwiderstand aufweisen. Stahlbänder werden typischerweise bei schweren Lasten verwendet, wo hohe Bandfestigkeiten und niedrige Kriecheigenschaften erforderlich sind. Stahlbänder sind jedoch, obwohl sie zur Aufrechterhaltung der Qualität der Verpackung zweckdienlich sind, schwierig zu entsorgen und das Band kann scharfe Kanten aufweisen. Kunststoffbänder haben eine spezielle Anwendung bei Verpackungen mit niedrigeren Festigkeitsanforderungen gefunden und stellen eine weniger teure Alternative zu Stahlbändern dar.
Kunststoffbänder weisen typischerweise ein elastisches Verhalten innerhalb von Grenzen auf, welche es ermöglichen, daß das Band dicht auf einer Verpackung anliegt, selbst wenn die Verpackung zusammenfällt oder sich etwas setzt. Das Kunststoffband ist leicht zu entsorgen und ist sicherer als das Stahlband zu verwenden, da es nicht die gefährlichen scharfen Kanten des Stahlbandes aufweist. Kunststoffbänder werden anfänglich aus extrudierten Strängen oder Bahnen hergestellt und das der Extrusion unterzogene Kunststoffmaterial wird dann orientiert, ein Verfahren, welches die Festigkeit des Kunststoffmaterials auf etwa das Zehnfache der Festigkeit des Materials im unorientierten Zustand steigert.
Auf dem Markt befindliches Kunststoffband war allgemein auf Anwendungsfälle beschränkt, wo eine Zugfestigkeit nicht größer als 4,48 · 10&sup8; Pa (65.000 psi) erforderlich ist. Einige Hersteller von Kunststoffbändern haben angegeben, daß sie Festigkeiten über 5,17 · 10&sup8; Pa (75.000 psi) erreichen, indem PET nach einer zweistufigen Strecktechnik verwendet wird. Siehe U.S. -Patent Nr. 4,022,863 von Karass et al. Das Arbeiten und die Durchführbarkeit des Karass-Verfahrens ist jedoch fraglich, insbesondere bei den Feuchtigkeitsgehalten, wie sie in dem Karass-Patent diskutiert werden.
Die Kriecheigenschaften von Kunststoffbändern und die Schwierigkeit, Kunststoffbänder zu befestigen, haben die Anwendung von Kunststoffbändern beschränkt. Die Fähigkeit, eine Schweißung mit Kunststoffband herzustellen, stellt ebenfalls eine Beschränkung dar, welche verhindert, daß Kunststoffbänder bei Verwendungen höherer Reißfestigkeit angewandt werden. Es soll bemerkt werden, daß Kunststofffasern hoher Festigkeit bekannt sind, jedoch Bänder, welche diese Fasern mit einem geeigneten Trägersubstrat kombinieren, eine beschränkte Verwendung aufweisen.
Die EP-A-0038559 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen einer abriebwiderständigen Bahn aus einer Bahn orientierbarem thermoplastischem Kunststoff in einem kontinuierlichen Verfahren, welches durch eine einzige kontinuierliche Vorrichtung einer Fertigungsstrecke durchgeführt werden kann. Ein Verfahren und eine Vorrichtung wurde ferner vorgeschlagen, um die Oberfläche einer orientierten Bahn mit beheizten Walzen zu behandeln, um eine verschmolzene Oberflächenschicht auf beiden Seiten der Bahn zu erzeugen. Ferner ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schlitzen einer breiteren Bahn in eine Vielzahl von Streifen bei erhöhter Temperatur beschrieben, wobei das Band unter Spannung steht und eine gestufte Anordnung feststehender Klingen verwendet wird.
Die EP-A-0030648 beschreibt ein aus Polyäthylenterephthalat bestehendes Packband, welches aus einem Polyäthylenterephthalatharz hergestellt wird, das eine inhärente Viskosität von 0,90 bis 1,20 aufweist und in Längsrichtung bis zu einer Gesamtlängung von 3- bis 6-facher Länge gestreckt wurde. Hier ist ferner ein Packband der obigen Konstruktion beschrieben, bei welcher die Längsorientierung der Harzmoleküle durch Prägung randomisiert wurde. Ferner ist ein Verfahren beschrieben, durch welches das oben beschriebene Packband effizient hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Packbändern und umfaßt die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
Ein Verfahren zum Herstellen von Kunststoffband nach der vorliegenden Erfindung schließt das anfängliche Formen eines molekularorientierten kristallinen Polyesters oder Polyestercopolymer von gleichmäßigem Querschnitt ein, welcher um Vielfaches breiter als seine Dicke ist. Das Material wird durch Strecken in Längsrichtung mit einem Verhältnis von mindestens 5,0 zu 1,0 orientiert. Die Streckung in Längsrichtung kann bei erhöhten Temperaturen erfolgen, wobei das Material in dem gestreckten Zustand gehalten wird, bis ein ausreichendes Abkühlen erfolgte. Für ein Band mit einer Kombination hoher Festigkeit und geringer Brüchigkeit jedoch sollte die dritte Streckstufe bei Temperaturen bei oder unter etwa 93ºC (200ºF) erfolgen. Es wurde gefunden, daß die Zugfestigkeit des Bandes auf mindestens 4,82 · 10&sup8; Pa (70.000 psi) gesteigert werden kann.
Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung wird eine Außenschicht des amorphen Materials auf mindestens eine und bevorzugt beiden Seiten des Materials geformt. Die Außenschicht kann erzeugt werden, nachdem das Material extrudiert und durch Strecken orientiert wurde. Dies erfolgt durch Erhitzen der Außenfläche des Materials, indem beispielsweise das Material erwärmten Walzen ausgesetzt wird. Das Erwärmen des orientierten Materials bewirkt, daß die Molekularstruktur ihre Orientierung mindestens teilweise bis zu einer Tiefe verliert, welche von dem Maße abhängt, auf welches die Temperatur des Materials erhöht wird. Zur Steuerung der Sprödigkeit des Kerns kann das Material unmittelbar vor der Oberflächenbehandlung abgekühlt werden und kann unmittelbar nach der Oberflächenbehandlung wiederum gekühlt werden. Die Außenschicht ist vorzugsweise durchgehend und einstückig mit der darunterliegenden Schicht hoher Festigkeit und weist bevorzugt eine Dicke von mindestens etwa 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll) auf. Band, welches aus Material hergestellt wurde, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geformt wurde, weist eine darunterliegende Schicht hoher Festigkeit auf, welche in hohem Maße orientiert ist. Das Band weist, wenn es mit sich selber über die Außenschichten verschweißt ist, eine Fuge auf, deren Bruchfestigkeit eine Funktion der Bruchfestigkeit der Schicht hoher Festigkeit ist. Es wurde gefunden, daß die Außenschicht das Band mit einer erheblich verbesserten Eckfestigkeit versieht. Es wurde gefunden, daß die Außenschicht der Rißbildung und Rißfortpflanzung in geschweißten Bandabschnitten widersteht. Ferner wurde bei dem Band nach der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die üblichen Heißklingen oder Schmelztechniken verwendet werden kann, um eine Schweißung zwischen Bandabschnitten herzustellen, was zu einer Verbindung führt, die eine gesamte Bruchfestigkeit aufweist, die nahe der Bruchfestigkeit oder mindestens bei etwa 80% der Bruchfestigkeit der darunterliegenden Schicht hoher Festigkeit liegt.
Die Bildung einer äußeren amorphen Oberfläche durch Schmelzen des extrudierten Materials kann einen erheblichen Vorteil selbst bei Band mittlerer Stärke bieten. Das Schmelzen der äußeren Oberfläche verbessert die Schweißbarkeit des Bandes in einem derartigen Maße, daß es wirtschaftlich möglich sein kann, die Gesichtspunkte der Oberflächenbehandlung nach der vorliegenden Erfindung anzuwenden, ohne daß die speziellen Vorteile irgendwelcher möglichen hohen Festigkeiten des Kernmaterials genutzt werden.
Die Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verstanden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung und des Verfahrens zur Durchführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Bildung der Außenschicht des Bandes nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Kriechbeanspruchung über der Zeit, welche die hohe Zugfestigkeit von Stahl, die hohe Festigkeit von Polyäthylenterephthalat, hergestellt nach der vorliegenden Erfindung und Bandmaterial aus üblichem Polyäthylenterephthalat zeigt;
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des Nachlassens der Spannung verschiedener Bandprodukte;
Fig. 5 ist eine Kurve der Bandfestigkeit über die Effizienz der Fuge, und
Fig. 6 ist eine Grafik, welche die Bandsprödigkeit über den Ziehtemperaturen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Herstellung des Bandes hoher Festigkeit nach der vorliegenden Erfindung umfaßt allgemein die Verwendung einer Kombination von längst bekannten Anlagen für die Herstellung von Kunststoffband.
Fig. 1 zeigt eine schematische Skizze einer Anordnung von Anlagen, welche verwendbar sind, um Band nach der vorliegenden Erfindung herzustellen. Polyestermaterial mit einer inhärenten Viskosität von zwischen etwa 0,6 und etwa 0,8 ist bevorzugt, um das Band nach vorliegender Erfindung herzustellen, obwohl Material anderer inhärenter Viskosität verwendbar sein kann. Das Material wird durch übliche Trocknungssysteme verarbeitet, und das Material wird bei etwa 160ºC (320ºF) etwa 4 Stunden lang getrocknet, um einen Feuchtegehalt von unter 0,005% zu erzeugen. Die getrockneten Pellets werden dann in einen üblichen Kunststoffextruder 2 eingespeist. Die Pellets werden in dem Extruder fließfähig gemacht, indem sie etwa bei 254ºC (490ºF) geschmolzen werden und werden dann durch eine Zahnradpumpe gedrückt, welche einen gleichmäßigen Ausstoß des geschmolzenen Kunststoffmaterials aufrechterhält, welches durch ein Gesenk 4 hindurchgedrückt wird. Das Gesenk erzeugt einen kontinuierlichen rechteckigen Querschnitt extrudierten Materials 1, welche ein einzelner Strang, mehrere Stränge oder eine Bahn sein kann, die anschließend in Einzelbänder aufgeschlitzt wird. Nach Verlassen des Gesenks 4 tritt das extrudierte Material unmittelbar in ein Wasserbad 6 bei etwa 27ºC (80ºF) ein, um das geschmolzene Polyestermaterial in einem durchgehend amorphen Zustand erstarren zu lassen.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 4 wird die Luft in dem Ofen 8 bei einer Temperatur von etwa 79ºC (175ºF) gehalten und die Walzen in dem Heizofen 8 sind derart angeordnet, daß das Material in dem Ofen nicht gestreckt wird, sondern lediglich auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird. Eine erste Gruppe von Zwickelwalzen 9 kontrolliert die Geschwindigkeit des Materials durch den Heizofen 8. Das Material läuft am Ausgang des Eingriffs mit den ersten Zwickelwalzen 9 in einen ersten Orientierungsofen 10. Dieser Ofen wird bei einer Temperatur von etwa 79ºC (175ºF) gehalten. Eine zweite Gruppe von Zwickelwalzen 11 arbeitet mit einer Geschwindigkeit von etwa 370% der Geschwindigkeit der ersten Gruppe von Zwickelwalzen 9. Das Material läuft dann durch einen zweiten Orientierungsofen 12, welcher bei einer Temperatur von etwa 121ºC (250ºF) gehalten ist. Die gleichmäßige Temperatur ist zum Steuern des Dehnungspunktes von Bedeutung. Eine dritte Reihe von Zwickelwalzen 13 weisen eine Geschwindigkeit von etwa 135% der Geschwindigkeit der zweiten Gruppe von Zwickelwalzen 11 auf. Dies führt zu einem Dehnungsverhältnis von etwa 5, 0 zu 1,0 nach den ersten beiden Dehnungsstufen.
Ein weiterer Orientierungsofen 14 ist bei einer Temperatur von etwa 24ºC (75ºF) oder höher gehalten, was von der gewünschten Bruchfestigkeit und Sprödigkeit abhängt, wie dies unten näher erläutert wird. Eine vierte Gruppe von Zwickelwalzen 15 kann mit verschiedenen Geschwindigkeiten arbeiten, wird jedoch bei einem Beispiel mit einer Geschwindigkeit von etwa 120% der dritten Gruppe von Zwickelwalzen betrieben.
Hieran schließt sich ein Anlaßofen 16 an und die Geschwindigkeit des Materials durch den Anlaßofen 16 wird durch eine fünfte Reihe von Zwickelwalzen 17 gesteuert. Die Geschwindigkeit der fünften Gruppe von Zwickelwalzen 70 bezüglich der vierten Gruppe von Zwickelwalzen 13 beträgt 97%, d. h. das Material kann sich geringfügig entspannen.
Wenn das Material aus der fünften Gruppe von Zwickelwalzen 17 austritt, wird es durch ein Kühlbad 18 geleitet, welches das Band auf etwa Raumtemperatur abkühlt, während die Spannung in dem Material 1 aufrechterhalten wird. Das Material 1 wird dann durch Kühlwalzen 19 abgekühlt, um die Temperaturen des Materials gut unterhalb der Raumtemperatur zu bringen. Das gekühlte Medium wird in den Kühlwalzen 19 zirkuliert. Anschließend wird eine erste Seite des Materials 1 einer Heizwalze 20 ausgesetzt. Eine zweite Kühlwalze 22 berührt unmittelbar danach die behandelte amorphe Außenschicht. Grundsätzlich liefern diese Oberflächenbehandlungswalzen 20 und 21 ausreichend Wärme zu beiden Seiten des Materials, daß die Oberfläche schmilzt und amorph wird. Es wird bevorzugt, daß die Außenschicht auf beiden Seiten des Materials und daß die Dicke der Außenschicht auf beiden Seiten des Materials etwa 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll) beträgt. Die Oberflächenbehandlung dient ferner dazu, das Material zu glätten, es gleichmäßig auf den zu verschweißenden Oberflächen zu formen, so daß das Material für die Zwecke der Herstellung einer Schweißfuge überragend verbessert wird.
Fig. 2 zeigt eine Einzelheit des Verfahrens in schematischer Form, durch welche das Material 1 durch eine Heizwalze oberflächenbehandelt wird. Das unbehandelte Oberflächenmaterial 25 des Materials 1 kommt in Berührung mit der Außenfläche 26 der Heizwalze 20 (welche bei etwa 538ºC (1.000ºF) befindlich ist), wenn das Material 1 gerade von der Kühlwalze 19 kommt und eine Temperatur erheblich unter der Raumtemperatur beispielsweise etwa -18ºC (0ºF) aufweist. Während das Material 1 seine Berührung mit der Heizwalze 20 fortsetzt, nimmt die Tiefe der Oberflächenschmelze zu und da der Kern gekühlt wurde, ist der Temperaturgradient über die Dicke des Materials 1 steil. Fall es gewünscht ist, ein Band mit hoher Festigkeit herzustellen, ist es von Bedeutung, zu verhindern, daß soviel wie möglich des Kerns Temperaturen erreicht, welche bewirken würden, daß der Kern seine kristalline, orientierte und hochfeste Struktur verliert und den Kern verspröden würde.
Eine Anzahl von Bändern kann gleichzeitig extrudiert und durch die gleiche Anlage Seite an Seite geschickt werden. Diese Anordnung ist allgemein in Fig. 1 gezeigt und durch die getrennten Wickeleinrichtungen 28 an der Wickelstation 24 dargestellt. Es ist jedoch ebenso möglich, eine Bahn zu extrudieren, und die Bahn in entsprechende Bandbreiten am Ende des Herstellungsverfahrens unmittelbar vor dem Aufwickeln des Materials zu schlitzen oder zu schneiden.
Das Bahnverfahren und das Verfahren individueller Stränge des Extrudierens und Behandelns des Materials weisen jeweils ihre Vorteile und Nachteile auf. Beispielsweise kann das Extrudieren einer Bahn von Band zu Band eine höhere Konsistenz bezüglich des Bandprofils ergeben. Die Extrusion individueller Stränge jedoch kann dem Hersteller eine höhere Flexibilität des Herstellungsverfahrens ermöglichen. Ferner kann eines der Verfahren höhere Einstellzeiten, Arbeit oder Kapitalinvestition, als andere Verfahren, bedingen.
Die Oberflächenbehandlung, welche zur Bildung der Außenschicht des Bandes nach der vorliegenden Erfindung führt, ist in Fig. 1 als mit erhitzten Walzen durchgeführt veranschaulicht, es ist jedoch offensichtlich, daß das Erhitzen gleichermaßen erreicht werden kann, indem das Material Flammen, Heißluft oder anderen Techniken zur Erhöhung der Temperatur der Oberfläche ausgesetzt werden kann. Gleichermaßen kann das Kühlen des Materials, obwohl es in Fig. 1 als mit Kühlrollen durchgeführt veranschaulicht ist, auf andere Weise erfolgen. Beispielsweise könnte das Material durch eine Kammer laufen, welche kühles Gas, wie beispielsweise CO&sub2; bei -18ºC (0ºF) enthält.
Die Außenschicht des Bandes nach der vorliegenden Erfindung kann dem orientierten Kern des Materials ebenfalls durch Koextrusionsverfahren mitgegeben werden, bei welchem zwei oder mehrere Materialien anfänglich extrudiert werden. Der Kern oder die innerste Schicht sollte ein Polyester oder ein Polyestercopolymer, vorzugsweise Polyäthylenterephthalat oder Copolymer derselben sein. Die Außenschicht jedoch sollte ein Material, wie beispielsweise PETG (1,4-cyclohexandiamethanol), PCTG (1,4-cyclohexylen-dimethylen-äthylenterephthalat) oder Mischungen von PET und Additiven, wie sie durch Rohm & Haas unter der Marke PARALOID verkauft werden, sein. Die äußere koextrudierte Schicht muß mit dem Polyester kompatibel sein, so daß sie mit dem Kern verschmilzt. Alternativ kann eine zwischenliegende koextrudierte Schicht verwendet werden, um die Außenschicht mit dem Kern einstückig zu machen. Falls Koextrusionstechniken verwendet werden, kann es überflüssig sein, das Material zu erwärmen, um eine Außenschicht mit zweckdienlichem amorphem Charakter herzustellen, um das Band mit einer Nichtsprödigkeit, Schweißbarkeit und Eckfestigkeit zu versehen. Zusätzlich kann eine Mehrschicht- Extrusionstechnik verwendet werden, falls eine Außenschicht gewünscht wird, die sich selbst nicht mit dem PET-Kern verbindet. Es kann wünschenswert sein, eine Zwischenschicht zwischen dem Kern und der Außenschicht zu extrudieren.
Bei der Verwendung in der vorliegenden Beschreibung soll der Ausdruck "amorph" Materialien einschließen, welche vollständig unorientiert, im wesentlichen unorientiert oder teilweise unorientiert sind.
Es wurde gefunden, daß das Gesamtdehnungsverhältnis von mindestens 5 zu 1 den Grad der Orientierung in dem Band erheblich steigern kann, wodurch die Bruchfestigkeit ebenfalls erheblich gesteigert werden kann. Wenn Polyäthylenterephthalat (PET) verwendet wird, wurde gefunden, daß eine Bruchfestigkeit von mindestens 4,82 · 108 Pa (70.000 psi) erreichbar ist, während das Band verbesserte Eigenschaften bezüglich des Kriechwiderstandes und der Entspannung aufweist. Weitere Verbesserungen dieser Eigenschaften sind erzielbar, wenn ein Dehnungsverhältnis von mindestens 6 zu 1 verwendet wird. Wie in Fig. 6 und Tabelle 1 unten gezeigt, kann jedoch eine derartig gesteigerte Festigkeit zu einer größeren Brüchigkeit gemessen durch die Bruchlänge führen.
Es war ferner möglich, ein Band hoher Bruchfestigkeit und guten Kriech- und Entspannungseigenschaften zu erhalten, indem ein Verfahren angewandt wird, bei welchem das Band einer anfänglichen Streckung von etwa 3,7 zu 1 unterzogen wird, woran sich eine weitere Streckung von etwa 1,35 zu 1 bei einem Streckverhältnis nach zwei Streckstufen von etwa 5,0 zu 1 anschließt. Die erste und zweite Streckung erfolgt bei einer Temperatur vorzugsweise in dem Bereich zwischen etwa 79ºC (175ºF) bis 121ºC (250ºF). Nach dem Strecken zum dritten Mal bei einem Streckverhältnis von 1, 2 werden erhebliche Verbesserungen der Zugfestigkeit erreicht. Siehe die folgende Tabelle 1. TABELLE 1 BEISPIELE VERSCHIEDENER VERFAHRENSBEDINGUNGEN MIT ERHALTENEN EIGENSCHAFTEN
Wenn das Material PET ist, führt dies zu einem im hohen Maße orientierten Band, welches eine hohe Bruchfestigkeit und ferner verbesserte Eigenschaften bezüglich der Sprödigkeit aufweist, wobei ein Anzeichen hierfür die Neigung des Bandes ist, sich längs seiner Länge unter Zug aufzuspalten. Es wurde ferner gefunden, daß der Temperaturbereich der dritten Streckstufe von besonderer Bedeutung bezüglich der Steuerung des Maßes der Sprödigkeit ist. Durch Streckung bei höheren Temperaturen zeigt das Band hoher Festigkeit die Neigung, spröder zu sein und sich mit größerer Wahrscheinlichkeit längs seiner Länge zu trennen, während eine verbesserte Duktilität bei niedrigeren Temperaturen erzielbar ist. Tabelle 1 zeigt ferner in Beispiel 3a einen erheblichen Vorteil in Form der reduzierten Bruchlänge (Sprödigkeit), welche von der Oberflächenbehandlung des Produkts des Beispiels 3 herrührt.

Kriechen

Fig. 3 zeigt die Kriechbeanspruchung über der Zeit für verschiedene Bandmaterialien. Es ist zu sehen, daß der Stahl 100 hoher Zugfestigkeit im wesentlichen keine Erhöhung der Kriechbeanspruchung von seinem Ausgangspunkt über 1.000 Stunden zeigt. Gleichermaßen hat das hochfeste PET-Band 102 die gleiche Charakteristik der flachen Kurve, wie ein übliches Stahlband. Das konventionelle PET-Band, belastet mit einer Kriechbeanspruchung von 3,1 · 10&sup8; Pa (45. 000 psi), weist eine erhebliche Kriechbeanspruchung über die 1.000-stündige Zeitspanne auf, und ein hochfestes Polypropylenband weist eine hohe Kriechbeanspruchung (selbst bei der halben Kriechspannung, wie sie zur Untersuchung des hochfesten PET's verwendet wurde) auf, die mit der Zeit zunimmt.

Entspannung

Fig. 4 zeigt die Entspannungseigenschaften von a) Stahlband hoher Zugfestigkeit; b) eines hochfesten PET-Bands nach vorliegender Erfindung; c) eines konventionellen PET-Bands und d) eines hochfesten Polypropylenbands. Die Ausgangsbeanspruchung, welche an jedes der Bänder angelegt wurde, ist in der Legende der Grafik gemäß Fig. 4 gezeigt. Wie ersichtlich, wies das Stahlband hoher Zugfestigkeit im wesentlichen keine Entspannung auf - verblieb bei 100% seiner Anfangsspannung über die 1.000-stündige Zeitspanne. Das hochfeste PET-Band, welches eine angelegte Spannung von 5,17 · 10&sup8; Pa (75.000 psi) aufwies, fing bei 95% an und fiel auf etwa 88% nach 1.000 Stunden ab. Im Gegensatz hierzu fing das konventionelle PET- Band, was mit 104 bezeichnet ist, anfänglich bei etwa 88% an und fiel auf etwa 60% nach 1.000 Stunden ab, obwohl die Anfangsspannung lediglich 60% der Spannung des hochfesten PET- Bandes betrug. Das hochfeste Polypropylenband, welches mit 106 bezeichnet ist, wies einen viel stärkeren Abfall auf, was von dieser Art Material erwartet werden kann.

Fugenfestigkeit

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wurde gefunden, daß das PET-Band mit einer amorphen Schicht auf beiden Seiten hergestellt werden kann, welches die Leichtigkeit verbessert, mit der das Band effektiv verbunden werden kann. Wenn konventionelle Heißklingen-Schmelztechniken verwendet werden, wurde gefunden, daß die amorphe Schicht nach der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit des Bandes verbessert, einer fortschreitenden Trennung zwischen den verbundenen Schichten des Bandes an der Schweißung zu widerstehen. Wenn eine Verbindung oder Fuge in dem Band nach der vorliegenden Erfindung durch Schweißen einer ausreichend großen Fläche der amorphen Schicht auf einer Seite des Bandes an die amorphe Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Bandes hergestellt wird, bestimmt die hohe Festigkeit der darunterliegenden Schicht des Bandes dann effektiv die maximale Bruchfestigkeit der Kombination aus Band und Fuge. Bevorzugt weist die Außenschicht eine Tiefe von mindestens 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll) auf und ist amorph. Es wurde gefunden, daß eine Fuge mit einer Bruchfestigkeit von mindestens 75% der Bruchfestigkeit der hochfesten Schicht leicht erzielbar ist. Dieser Prozentsatz wird als Fugenwirkungsgrad bezeichnet. Die Außenschicht des Bandes nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Erzielung der erhöhten Bruchfestigkeit, indem die vorgeschlagenen Orientierungsmethoden angewandt werden.
Die unten stehende Tabelle 2 zeigt verschiedene Bänder und ihre Fugenfestigkeiten. Die Fugen bei den Kunststoffbändern basieren auf Heißklingenschweißungen, während die Festigkeiten bei dem Stahlband hoher Zugfestigkeit auf einer dichtungsfreien Fuge basiert. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, weist das beidseitig oberflächenbehandelte PET-Band einen hohen Fugenwirkungsgrad und eine hohe Bruchfestigkeit aufgrund der hohen Endfestigkeit der darunter liegenden Schicht auf. In diesem Falle wurde eine Bruchfestigkeit von 753 kg (1.660 lbs) erzielt. Folglich ergibt die hocheffiziente Schweißung in Kombination mit der hohen Festigkeit des Kunststoffbandes eine sehr hohe Maximallast und Eigenschaften, welche in großem Maße die Anwendbarkeit des Kunststoffbandes vergrößert. TABELLE 2 FUGENFESTIGKEIT
* DICHTUNGSFREIE FUGE
** HEISSKLINGENSCHWEISSUNG
Beide Oberflächen des Bandes werden behandelt, um eine dünne Oberflächenschicht zu erhalten. Die Behandlung des PET-Bandes mit der Oberflächenbehandlung nach der vorliegenden Erfindung führt zu einer Verringerung der Festigkeit des Bandes um etwa 11%, d. h. von anfänglichen (ohne Oberflächenbehandlung) Festigkeiten von 10,13 · 10&sup8;Pa (147 kpsi) auf eine behandelte Festigkeit von etwa 8,96 · 10&sup8;Pa (130 kpsi). Fig. 5 zeigt den Effekt der Oberflächenbehandlung auf den maximalen Fugenwirkungsgrad von hochfestem PET-Band. Die Oberflächenbehandlungstiefe, wie sie durch optische Mirkoskopie festgestellt wurde, betrug 3,81 · 10&supmin;&sup5; m (0,0015 Zoll) pro Seite eines Bandes von 5,34 · 10&supmin;&sup5; m (0, 021 Zoll) Dicke. Das 8,96 · 10&sup8; Pa (130 kpsi) doppelt oberflächenbehandelte PET-Band wurde durch Heißklingenschweißung verschweißt. Mit einer Oberflächenbehandlung nach der vorliegenden Erfindung wies das Band einen Fugenwirkungsgrad von 0,85 auf. Ferner wurde 7,93 · 10&sup8;Pa (115 kpsi) und 6,96 · 10&sup8; Pa (101 kpsi) Festigkeit doppelt oberflächenbehandelte PET-Band-Proben mit einzelnen Oberflächenschmelztiefen von 3,81 · 10&supmin;&sup5; m (0,0015 Zoll) und 4,32 · 10&supmin;&sup5; m (0,0017 Zoll) untersucht. Ihre maximalen Fugenwirkungsgrade betrugen 0,79 bzw. 0,75.
Die Beobachtung von schwachen und starken Schweißungen von doppelt oberflächenbehandelten hochfesten PET-Bändern zeigt an, daß die schwachen Schweißungen diejenigen waren, bei denen der Schweißprozeß die Oberflächenschicht zerstörte, so daß das orientierte Material, welches zur Rißbildung neigt, freigelegt wurde. Die starken Schweißungen waren diejenigen, bei denen die Oberflächenschicht am Ende der Schweißung intakt war und somit den Kern aus orientiertem Material vor der Rißbildung schützte.
Die Oberflächenbruchenergie in der Maschinenrichtung des orientierten Polyesters, bestimmt durch Standard-Reiß- und Spaltversuche, stellt üblicherweise einen kleinen prozentualen Teil der Bruchenergie des unorientierten Materials dar. Die Oberflächenbruchenergie eines Materials ist ein Maß, der Fähigkeit des Materials der Bildung von neuen Bruchflächen zu widerstehen. Ein Material mit einer hohen Oberflächenbruchenergie ist sehr viel widerstandsfähiger gegen Rißbildung und/oder -fortpflanzung.
Es wird angenommen, daß die amorphen Schichten am Ende der Schweißungen der Rißbildung widerstehen, wenn ein Überlappungsstoß belastet wird. Der Widerstand ermöglicht es, daß die Fuge vor dem Bruch mehr Last aufnehmen kann, so daß eine höhere Fugenfestigkeit und Wirkungsgrad erzielt wird.

Sprödigkeit

Obwohl hochfestes PET-Band nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, indem eine Temperatur in der dritten Streckstufe zwischen etwa 24ºC (75ºF) bis zu 166ºC (330%F) verwendet wird, liegt der bevorzugte Bereich zum Erzeugen hochfesten PET-Bandes unter etwa 93ºC (200%F), es sei denn, daß Sprödigkeit keine Rolle spielt. Obwohl angenommen wird, daß 93ºC (200%F) die Maximaltemperatur in der dritten Stufe des Ziehens ist, können für Anwendungsfälle, bei denen Sprödigkeit kein bedeutender Faktor ist, höhere Temperaturen verwendet werden, um Bänder höherer Festigkeit zu erzeugen. Fig. 6 ist eine Grafik, welche den Effekt der Ziehtemperatur auf die Sprödigkeit zeigt. Die Linie der Grafik zeigt Punkte maximal erreichbarer Festigkeit bei verschiedenen Ziehtemperaturen. Die Daten in der Grafik betreffen Band, welches mit drei Ziehstufen behandelt wurde, und die Ziehtemperaturen längs der Horizontalachsen der Grafik stehen für die Temperaturen lediglich der dritten Ziehstufe. Die beiden ersten Ziehschritte wurden bei Temperaturen durchgeführt, welche denen entsprechen, die verwendet wurden, um übliche PET-Bänder herzustellen. Es soll ferner bemerkt werden, daß die Daten in der Grafik von Fig. 6 Band betreffen, welches kein amorphes Material an den Außenflächen aufweist.
Wie unten gezeigt, steht eine bedeutsame Beziehung zwischen der Sprödigkeit des Bandes und der vergrößerten Tiefe der Oberflächenbehandlung. Tabelle 3 zeigt die prozentuale Verbesserung der Bruchlänge zur Oberflächenbehandlungstiefe. TABELLE 3 Wirkung der Oberflächenbehandlungstiefe auf die Sprödigkeit des Bandes
* Einzelne Oberflächenbehandlungstiefe
xx Bruchlänge wurde gemessen, indem ein Spalttest verwendet wurde. Dieser Test umfaßt die Anwendung eines Lochgerätes mit Stahlspitze in eine Bandprobe mit einem kontrollierten Grad und Tiefe des Eindringens. Diese Folge ist auf einem pneumatisch angetriebenen solenoidaktivierten Gerät für schnelle und wiederholte Durchdringungsanwendungen automatisiert. Nach 20-30 erzeugten Brüchen werden diese individuell gemessen und ein Durchschnitt gebildet.
Die Oberfläche des hochfesten PET-Bandes einer Ausführungsform nach vorliegender Erfindung wird behandelt, um eine dünne geschmolzene Haut auf der Bandoberfläche zu erzeugen. Das Schmelzen der Haut auf dem Band führt zu einem Verlust an Festigkeit, wobei dieser Verlust von der Tiefe der Oberflächenbehandlung abhängt. Wenn ein Band mit einer dünnen amorphen Schicht geschweißt wird, wird angenommen, daß die amorphe Schicht die Fuge mit einem Material mit hohem Widerstand gegen Bruchbildung versieht, welcher das Auslösen von Brüchen an den Enden der Überlappungsfuge unter Last unterdrückt.

Wirkung der Oberflächenbehandlung auf die Eckfestigkeit

Der Zweck der Bandverpackung liegt darin, Packungen oder Produkte während des Transports festzuhalten. Die anfängliche Verwendung des Bandes besteht darin, das Band um das Produkt oder die Packung anzuspannen. Gegenstände, welche eine Bandverpackung bedingen, weisen verschiedene Bereiche von Eckradien auf, denen das Band folgen muß. In Fällen, in denen der Radius sehr klein ist (z. B. bei der Bandverpackung von Ziegelsteinen), kann das Band hohe Biege- und Zugbeanspruchungen auf der außen liegenden Seite des Bandes um eine Ecke erfahren. Hochfestes PET-Band weist eine sehr viel niedrigere Bruchrate (10-12%) bei Zugbeanspruchung mit im Vergleich mit üblichem PET-Band (20-30%) auf. Somit bildet die Fähigkeit von hochfestem PET-Band bei Anwendungen leistungsfähig zu sein, in denen die Radien scharf sind, eine wichtige Bedingung dar.
Band, welches eine Ausgangsfestigkeit von (147 kspi) aufwies, wurde oberflächenbehandelt, um eine amorphe Oberflächenschicht von 3, 81 · 10&supmin;&sup5; (0,0015 Zoll) auf beiden Seiten aufzuweisen, wobei das resultierende Band eine Festigkeit von 8,96 · 10&sup8; Pa (130 kpsi) aufwies. Band mit der Oberflächenbehandlung zeigte einen Anstieg der Eckfestigkeit um einen Faktor von etwa 4 im Vergleich mit unbehandeltem hochfestem Band. Bei einem anderen Versuch wurde gefunden, daß hochfestes PET-Band, welches nicht oberflächenbehandelt war, eine Eckfestigkeit von 1,51 · 10&sup8; Pa (22. 000 psi) aufwies, während das gleiche Band nach Oberflächenbehandlung beider Seiten unter Erzeugung einer amorphen Schicht von etwa 3,05 · 1&supmin;&sup5; m (0,0012 Zoll) eine Eckfestigkeit von 4,34 · 108 Pa (63.000 psi) aufwies. Folglich verbessert die Oberflächenbehandlung von hochfestem PET-Band eine vergrößerte Eckfestigkeit gegenüber dem unbehandelten hochfesten PET-Band. Es wird angenommen, daß dies auf der Bildung einer Oberflächenschicht basiert, die einen hohen Grad der Längung ermöglicht, so daß sie sich zu höheren Beanspruchungen ohne Bruch strecken kann.

Wirkung der Oberflächenbehandlung auf das Banddickenprofil

Bei der Herstellung von üblichen Plastikbändern mittels des Einzelstrangverfahrens wird ein Band erhalten, welches an den Kanten des Bandes dicker als in der Mitte ist. Dies ist ein Resultat der Art, in welcher das Band das Extrusionsgesenk verläßt, ehe es gezogen wird und ebenfalls des Ziehprozesses selbst. Gespaltenes Band wird von gerollten Bahnen erzeugt, so daß die Dimensionen sehr viel genauer eingehalten werden können. Ein flaches Profil ermöglicht die Bildung einer wirksamen Reibung an geschweißten Fugen. Es sind keine Schweißtechniken bekannt, die genauso wirksam für Band, welches nach dem Strangverfahren erzeugt wurde, sind, und zwar aufgrund des gewölbten Profils eines derartigen Bandes. Die Anwesenheit von Spitzen kann zu Schweißungen führen, welche Fehlstellen und andere Variationen der Berührungsflächen aufweisen, was zu einer niedrigeren Fugenfestigkeit im Vergleich mit vergleichbarem Band führt, welches durch das Verfahren der Aufteilung von Bahnen erzeugt wurde, bei welchem das Band gleichmäßiger ist.
Die Oberflächenbehandlung eines Bands, welches nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, erzeugt eine verbesserte Gleichmäßigkeit des Dickenprofils über die Bandbreite. Typischerweise weist ein mit einer Dicke von 58,42 · 10&sup5; m (0,023 Zoll) erzeugtes Band ein Profil auf, welches eine maximale Dickenvariation über die Breite des Bandes plus oder minus 0,25 · 10&supmin;&sup5; m (0,0001 Zoll) aufweist, und ein Band, welches mit einem üblichen Verfahren individueller Stränge erzeugt wurde, hat typischerweise eine Dickenvariation über die Breite des Bandes von plus oder minus 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll). Das Schmelzen der Oberfläche nach vorliegender Erfindung glättet die Spitzen in der Banddicke aus und erzeugt tatsächlich ein flaches Band. Dies führt zu verbesserten Schweißungsstärken und ermöglicht die Verwendung des Bandes, welches durch das Verfahren individueller Stränge hergestellt wurde, in Bandverpackungsmaschinen, welche normalerweise ein Band bedingen, das nach dem Verfahren des Bahnschlitzens hergestellt wurde.
Bevorzugt werden die Oberflächenschichten dadurch erzeugt, daß das Band über erwärmte Walzen geleitet wird, jedoch kann dies ebenfalls durch Heißluft, Flammen oder andere Schmelztechniken erfolgen. Dies ermöglicht, daß das als Einzelstrang hergestellte Band wirksam in Konkurrenz mit aus Bahnen geschlitztem Band steht. Dies stellt einen erheblichen kommerziellen Vorteil für Hersteller von Bändern nach der Technik des Individualstranges dar.

Mechanische Eigenschaften

Die Schaffung einer amorphen Haut auf der Oberfläche des hochfesten PET-Bandes verringert dessen Last tragende Kapazität, da die amorphe Schicht niedriger Festigkeit einen Teil der Querschnittsfläche des Bandes aufweist. Wenn die Tiefe der oberflächenbehandelten Schicht zunimmt, nimmt die Festigkeit des gesamten Bandes ab (sh. Tabelle 4 unten). Die Obergrenze des Bereichs der Schmelztiefe wird durch die für das fertige Band erforderliche Festigkeit bestimmt. Für praktische Zwecke sollte der Gesamtabfall der Festigkeit nicht 25% der Ausgangsfestigkeit des Bandes übersteigen, da sonst der Vorteil der Festigkeitserhöhung aus der Orientierung erheblich verringert wird. Die Untergrenze für die Oberflächenbehandlung liegt bei etwa 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0, 0005 Zoll), was die unterste praktische Grenze darstellt, die auf konventionellen Maschinen reproduzierbar ist. Konventionelles PET-Band wird in dem Bereich zwischen 5,1 · 10&supmin;³ m - 1,0 · 10&supmin;³ m (0,20 Zoll - 0,040 Zoll) hergestellt. Somit liegt der praktische Bereich der Schmelztiefe bei etwa 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll) bis etwa 12, 7 · 1 W m (0, 0005 Zoll). Der bevorzugte Bereich liegt bei etwa 1,27 · 10&supmin;&sup5; m (0,0005 Zoll) bis etwa 7,62 · m (0,003 Zoll), was von der Banddicke abhängt. In Prozent ausgedrückt, beträgt der Bereich zwischen etwa 0,6% bis etwa 12,5%, wobei der bevorzugte Bereich bei etwa 1% bis etwa 7,5% liegt. TABELLE 4 Wirkung der Oberflächenbehandlung auf mechanische Eigen- Schaften
Zusätzlich zu den Verbesserungen der Zugfestigkeit, die durch das Band der vorliegenden Erfindung erzielt werden, werden der Elastizitätsmodul oder Steifigkeit des Bandes ebenfalls verbessert. Der Ausdruck Steifigkeit wird auf dem Gebiet derartiger Bänder üblicherweise verwendet. Eine erhöhte Steifigkeit ist bei der Bandverpackung von Bedeutung, da das Band steif genug sein muß, um durch die Führungstrichter in den Bandverpackungsmaschinen geschickt werden zu können. Dies ist bei großen Bandverpackungsmaschinen von besonderer Bedeutung, da die Führungstrichter länger sind. Längere Trichter bedeuten, daß die Wahrscheinlichkeit des Ausbuckelns und Verstopfens in der Maschine größer ist. Eine geringe Steifigkeit begrenzt die Verwendung bestimmter Größen von Polypropylen (PP)-Bändern.
Die unten stehende Tabelle 5 zeigt typische Zugmodulwerte üblicher PP- und PET-Bänder zusammen mit verschiedenen festen und hochfesten PET-Bändern. Für die meisten Bandverpackungsanwendungen in großen Verpackungsmaschinen ist ein Band mit erheblicher Steifigkeit erforderlich, was durch eine Kombination hoher Zugmodule und vergrößerter Banddicke erreichbar ist. TABELLE 5 Typische Module von Kunststoffbändern
* Band hergestellt bei 160ºC (320ºF)
** Band hergestellt bei 260ºC (500ºF)
*** untersucht mit 0,2% versetzt
Tabelle 5 zeigt, daß hochfestes PET-Band, hergestellt nach der vorliegenden Erfindung, eine vorstechende Verbesserung im Zugmodul im Vergleich mit üblichem PET-Band zeigt und Polypropylenband im Hinblick auf den Zugmodul weit überlegen ist.
Obwohl verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung obenstehend im einzelnen beschrieben wurden, ist dem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, daß Abwandlungen hierzu vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der beiliegenden Patentansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Kunststoffband, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

- Hindurchleiten eines Polyester- oder Polyestercopolymer- Materials durch eine Reihe von Zwickelrollen zu einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitspannen derart, daß das gesamte Dehnungsverhältnis, welchem das Material ausgesetzt wird, mindestens bei 5,0 bis 1,0 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyester- oder Polyestercopolymer-Material durch eine Reihe von Zwickelrollen in drei unterschiedlichen Zeitabschnitten hindurchgeleitet wird, der erste Zeitabschnitt bei etwa 79ºC (175ºF) und der zweite Zeitabschnitt bei etwa 121ºC (250ºF) liegt, wobei das Verfahren weiter den Schritt umfaßt, daß das Material in einem Maße orientiert wird, welche ausreicht, ein Band zu erzeugen, welches eine Bruchfestigkeit von mindestens 4, 82 · 10&sup8; Pa (70.000 psi) aufweist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Verfahrensschritt des Formens einer Außenschicht aus amorphem Polymer auf mindestens einer Seite des Materials umfaßt.

3. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Verfahrensschritt des Formens einer Außenschicht aus amorphem Polymer auf beiden Seiten des Materials umfaßt.

4. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt des Extrudieren eines Kernmaterials und Formens der Außenschicht auf beiden Seiten des Kernmaterials durch Koextrusion der Außenschicht mit dem Kernmaterial umfaßt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Formens der Außenschicht die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

- Kühlen des Materials auf eine Temperatur unterhalb etwa Raumtemperatur,

- während das Band unterhalb Raumtemperatur befindlich ist, Aussetzen von Oberflächenbereichen des Bandes hohen Temperaturen für kurze Zeitspannen und Bewirken, daß das Material des Bandes an diesen Oberflächenbereichen seine Orientierung verliert und dadurch Erzeugen einer amorphen Schicht auf dem Band;

- Abkühlen des Materials nach Formen der amorphen Schicht, um zu verhindern, daß der Kern auf eine Temperatur erwärmt wird, welche bewirken könnte, daß der Kern eine wesentliche Menge seiner Orientierung verliert und in seiner Sprödigkeit zunimmt.

6. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungsverhältnis des Bandes mindestens 6,0 zu 1 beträgt.

7. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens etwa 60% der Orientierung des Bandes in der ersten Dehnungsstufe auftritt.

8. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des Materials zum dritten Mal bei einer Temperatur in dem Bereich zwischen 24ºC (75ºF) bis etwa 166ºC (330ºF) erfolgt.

9. Verfahren zum Herstellen eines Bandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, während es durch die Zwickelrollen zum dritten Mal gedehnt wird, etwa bei Raumtemperatur befindlich ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbandes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unter Verwendung von Polyäthylenterephthalat oder einem Copolymer davon als Material durchgeführt wird.