塑料薄膜超声波焊接研究

　　在包装领域,塑料薄膜因其质轻、美观、柔韧、无毒无味、化学稳定性好以及低廉的价格而得到了广泛应用。随着科技的发展,塑料食品包装材料步入新的开发阶段,发展速度远远超过传统的纸、金属、玻璃等包装材料[1]。塑料在包装领域应用大都要经过焊接,才能对各种物品进行包装。传统的焊接工艺为热封,现在越来多地被超声波焊接所代替。超声波焊接塑料的历史虽然不长,但是具有焊接时间短、表面无损坏、非焊接区域不发热等优点,已被广泛用于同种材料或不同材料(例如金属/玻璃/塑料/陶瓷等)之间的连接[2]。

　　对于热塑性塑料薄膜,目前主要的焊接技术有:外部加热焊接、内部热焊接、电磁致热焊接3类。其中超声波焊接属于内部热焊接,且具有不需要焊剂、焊接时间短、残余应变应力小、焊接强度高等优点,在包装领域的应用越来越多。

　　对于塑料薄膜超声波焊接研究的报道相对较少,1996年吴德光[3]对包装塑料聚酯膜、低密度聚乙烯膜、PETP/Al/LDPE膜进行了焊合与质量的研究,并对多种封口方法进行了比较,对焊缝强度也进行了研究。Alejandro等对热塑性聚氨酯(TPU)薄膜等进行了超声波焊接的探索性研究。刘国东等对塑料薄膜超声波热封工艺进行了实验研究,表明其焊接质量与焊接振幅、焊接时间、焊接压力等工艺参数有关[4-5]。

　　1 塑料超声波焊接机理

　　在对塑料薄膜焊合的机理研究方面,现在大都沿用塑料超声波焊接机理。早期的理论普遍认为,塑料超声波焊接是靠焊件接触表面间摩擦产生热量实现的,当塑料工件表面产生超声波振动时,塑料质点快速振动,接触表面因摩擦而温度升高实现焊接,非焊接面没有摩擦,温度也不会升高。后来这一理论遭到质疑,Aliosio通过试验指出,焊接过程中材料的温度在极短的时间内上升到熔化温度,与摩擦产热机理产生的温度场不符[6]。Ng通过试验与计算,指出粘弹性热在超声焊接过程中起重要的作用[7]。在整个焊接过程中,焊区一般是封闭的,使得监测非常困难,这也使得他们得出的结论说服力不强。现在,虽然学者们对超声焊接机理做了大量的研究工作,但迄今为止还没有完全清楚其焊接的机理,该技术的应用还带有一定的随意性和盲目性,这便阻碍了它进一步的应用与发展。

　　对不同的塑料膜进行焊合试验,用超声波以一定振动方式施加到塑料薄膜表面,并在一定的压力下作用不同的超声时间,对热合强度与热合处的微观形貌进行研究,以揭示塑料薄膜的超声波焊接机理。

　　2 实验

　　2.1 材料与设备

　　材料:PP薄膜,厚度分别为12,30,100,500μm(乔鑫科技有限责任公司);普通纸板,厚度0.5mm(山西臣功包装有限公司)设备:XLW(L)PC智能电子拉力试验机(济南兰光机电技术发展中心);QDFM2125型超声波软管封尾机(济南迅捷机械设备有限公司);V-0.08/8空压机(天津市金晶气体压缩机制造有限公司);数码显微镜(基恩士国际贸易有限公司);YP0612B超声振幅测量仪(杭州成功超声设备有限公司)。