塑料復(fù)合薄膜超聲波焊接工藝研究

塑料復(fù)合薄膜超聲波焊接工藝研究

文摘：

　　　塑料超聲波焊接技術(shù)是經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的連接技術(shù)。本文對12μmPET/30μmPE和12μmPET/30μmCPP兩種復(fù)合薄膜進(jìn)行超聲波焊接工藝研究，發(fā)現(xiàn)焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等都影響焊接接頭的熱合強(qiáng)度。聚乙烯基復(fù)合薄膜焊接接頭的熱合強(qiáng)度明顯高于聚丙烯基復(fù)合薄膜。

關(guān)鍵詞：復(fù)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(shù)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(qū)域不發(fā)熱、無需前處理、操作簡單等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、食品包裝、電子工業(yè)等領(lǐng)域。

塑料超聲波焊接機(jī)工藝參數(shù)與焊接設(shè)備的頻率和焊接材料的形狀有關(guān)，且對焊接質(zhì)量有顯著的影響。絕大多數(shù)文獻(xiàn)^[1～3]報道的研究工作都是基于20KHz的超聲波焊接設(shè)備和塑料及其復(fù)合材料的片材、板材而完成的，發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量與焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等工藝參數(shù)有關(guān)。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(jìn)行了超聲波焊接的探索性研究，薄膜厚度在100μm以上，焊接設(shè)備頻率為20KHz，但他們都沒有系統(tǒng)地研究塑料薄膜的焊接質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系。

本文利用40KHz超聲波設(shè)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(fù)合薄膜進(jìn)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(shù)對焊接接頭熱合強(qiáng)度的影響規(guī)律。

2.實驗

2.1試樣準(zhǔn)備

首先通過干式復(fù)合法制備12μmPET/30μmPE、12μmPET/30μmCPP雙層復(fù)合薄膜，沿復(fù)合薄膜的縱向取樣，如圖1。上下兩片試樣應(yīng)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(chǎn)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(shè)備

本文選用美國必能信公司生產(chǎn)的2000f型塑料超聲波塑焊機(jī)。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(qiáng)度測試參考塑料薄膜包裝袋熱合強(qiáng)度試驗方法（QB/T2358－98）。在中國科學(xué)院長春科新實驗儀器研究所生產(chǎn)的WD-40025型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。

3結(jié)果與討論

3.1焊接振幅對焊接接頭熱合強(qiáng)度的影響

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

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

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

                                                            （1）

Q—單位時間內(nèi)平均消耗能量；ω—頻率；ε₀—應(yīng)變振幅；E′′—塑料損耗模量。

從公式（1）可知，單位時間內(nèi)平均消耗的能量與振幅的平方成正比，轉(zhuǎn)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(kuò)散，當(dāng)振幅達(dá)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(dāng)振幅超過某一上限值，轉(zhuǎn)化的熱能就增多，過多的熱能可能使高分子分解氧化，產(chǎn)生飛邊氣泡等，降低了焊接接頭質(zhì)量。因此對于聚丙烯基復(fù)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(kuò)散不僅與振幅有關(guān)，還與材料的損耗模量有很大關(guān)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)合薄膜機(jī)械能的轉(zhuǎn)化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚丙烯，由于設(shè)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(fù)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(qiáng)度的影響

焊接時間是一個對焊接質(zhì)量有重要影響的工藝參數(shù)。本文針對12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE復(fù)合薄膜進(jìn)行超聲波焊接，焊接時間對焊接接頭熱合強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖3。

從圖3中可以看出，1）兩種復(fù)合薄膜焊接接頭熱合強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律是相同的，隨著焊接時間的增加，焊接接頭的熱合強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；2）聚酯/聚乙烯復(fù)合薄膜先于聚酯/聚丙烯復(fù)合薄膜達(dá)到最大焊接接頭熱合強(qiáng)度值。因為在超聲波焊接過程中，焊接界面產(chǎn)生的溫度與焊接時間成正比，焊接時間增加，在復(fù)合薄膜內(nèi)層兩接觸界面產(chǎn)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(jié)合的就越充分，熔融區(qū)域的分子鏈之間纏結(jié)就更加充分，宏觀表現(xiàn)為焊接接頭的熱合強(qiáng)度升高；但是太長的焊接時間會降低焊接接頭的熱合強(qiáng)度。一方面，過度的熱量使得焊接熱影響區(qū)的面積變大和邊緣熱應(yīng)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(fù)合薄膜本身的性質(zhì)，使原本取向的外層薄膜材料變的無序。復(fù)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(nèi)能夠在焊接界面產(chǎn)生使其熔化所需能量，所需焊接時間就短。

圖2 接頭熱合強(qiáng)度與振幅的關(guān)系              圖3 接頭熱合強(qiáng)度與焊接時間的關(guān)系

3.3焊接壓力對焊接接頭熱合強(qiáng)度的影響

在焊接工藝參數(shù)中，焊接壓力也是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文針對12μmPET/30μmCPP、12μmPET/30μmPE復(fù)合薄膜進(jìn)行超聲波焊接，焊接壓力對焊接接頭熱合強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖4。

圖4 接頭熱合強(qiáng)度與焊接壓力的關(guān)系

從圖4中可以看出：對于兩種復(fù)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(qiáng)度開始隨著焊接壓力的增大而迅速增加，當(dāng)超過150N后，接頭的熱合強(qiáng)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(jié)合，存在大面積的空氣區(qū)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(qū)域很不均勻，接頭的熱合強(qiáng)度不高。當(dāng)焊接壓力達(dá)到一定值后，可以認(rèn)為界面結(jié)合的很緊密，界面溫度迅速升高。壓力有利于高分子鏈的擴(kuò)散，焊接接頭區(qū)域形成致密結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)熱合強(qiáng)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(yīng)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(dǎo)致熱合強(qiáng)度突然降低。

4.結(jié)論

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

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

3）當(dāng)焊接壓力約為150N時，兩種復(fù)合薄膜的焊接接頭熱合強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

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