Свойства полимерных пленок, активированных коронным разрядом, и особенности их применения в производстве упаковки

Актуальность темы

исследования. В последнее время интенсивное развитие получает печать с использованием в качестве запечатываемого материала полимерных пленок. Это в первую очередь, связано с бурным развитием индустрии по выпуску товаров в красочной упаковке из полимерных материалов. Кроме того, интерес к печати на полимерных пленках значительно возрастет в связи с внедрением новых технологических процессов изготовления электронных микросхем полиграфическими методами. При разработке новых процессов, связанных с печатью на полимерных пленках требуется определить граничные условия применения их в различных полиграфических процессах.

В отличие от традиционного запечатываемого материала — бумаги, полимерные пленки обладают особенностями физико-механических и поверхностных свойств, которые будут оказывать значительное влияние, как на качество печати, так и на сам процесс, особенно на прохождение пленки по лентопротяжному тракту полиграфического оборудования.

Наиболее интенсивно, особенно в России, развивается производство упаковки для пищевых продуктов. Все чаще в качестве упаковочного материала, как для пищевых, так и других продуктов используются полимерные пленки из полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Находят применение для этих целей и многослойные пленочные системы. При этом предъявляются высокие требования к художественному оформлению упаковки из полимерных пленок. Эта проблема не может быть решена без обеспечения высокого качества печати.

Как правило, большинство полимерных материалов, в том числе и перечисленных выше, являются гидрофобными, вследствие чего краски плохо смачивают поверхность полимерной пленки, при этом не обеспечивается необходимый уровень адгезионной прочности на границе «полимерная пленка — печатная краска». Это может быть достигнуто при активации полимерной пленки в электрическом разряде. В связи с этим, исследование особенностей и разработка методов управления качеством печати на гидрофобной полимерной подложке являются весьма актуальными.

Работа выполнена ГОУВПО «Московский государственный университет печати».

Цели и направления исследования. Цель данных исследований заключается в разработке научно обоснованных технологических рекомендаций для полиграфических предприятийиспользующих различные методы печати на полимерных пленках. В соответствии с проведенным анализом научно-технической и патентной литературы основными задачами диссертационной работы являются:

• изучение явлений сопровождающих обработку полимерных пленок коронным разрядом и установление закономерностей изменения структуры поверхностных слоев под действием электрического поля коронного разряда;

• разработка рекомендаций в части технологии обработки коронным разрядом полимерных пленок, предназначенных для использования в качестве упаковочного материала;

• разработка рекомендаций для конструирования и изготовления экспериментальной установки для активации полимерных пленок высокочастотным коронным разрядом.

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена задача повышения адгезионной прочности на границе полимерная пленка (ПП, ПЭ, ПЭТФ) — печатная краска. Разработаны практические рекомендации к осуществлению процесса печати на полимерных пленках, используемых в качестве упаковочного материала.

Методы> исследований. Для решения поставленных задач в работе применялись современные методы исследований свойств поверхности и структуры полимерных пленок, такие как:

— оценка физико-механических свойств;

— оптическая микроскопия;

— оценка электрофизических свойств поверхности;

— изучение гидрофильности поверхности полимерных пленок;

— ИК-спектроскопия многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО).

Научная новизна работы.

• экспериментально установлено, что увеличение адгезионной способности-полимерных пленок (ПЭ, 1111, ПЭТФ), обработанных высокочастотным коронным разрядом, к печатным краскам, обусловлено повы шением в поверхностном слое пленки концентрации карбоксильных и гидроксильных групп, а также структурными изменениями в поверхностном слое полимера, связанными с увеличением доли кристаллической фазы полимера;

• гидрофильность поверхности полимерных пленок (ПЭ, ПП, ПЭТФ), в основном определяется плотностью поверхностного заряда, образовавшегося под воздействием электрического поля коронного разряда;

• активация полимерных пленок (ПЭ, 1111, ПЭТФ) коронным разрядом в, режимах, рекомендованных для применения в технологическом процессе, не ухудшает физико-механические характеристики этих пленок.

Практическая ценность работы состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к технологическому процессу активации полимерных пленок высокочастотным коронным разрядом на установке, размещенной непосредственно в линии печатного оборудования. Разработаны практические рекомендации по режимам активации полимерных пленок коронным разрядом с учетом природы печатных красок. Для красок на основе водных латексов предпочтительным будет следующий режим активация коронным разрядом: ик = 16 кВзазор — 0,5 мм, частота 20−30 кГц, продолжительность — 0,5 с.

Разработанная" конструкция установки для активации полимерных пленок коронным разрядом может быть использована1 в качестве прототипа для полиграфических предприятий, специализирующихсягна печати упаковочной продукции.

Положения, выносимые на защиту.

1. Релаксационные зависимости поверхностной плотности электрического заряда-и гидрофильности поверхности! полимерных пленок в процессе их хранения после активации коронным разрядом;

2. Зависимости адгезионной прочности пленок из ПЭ, 1Ш, ПЭТФ, активированных коронным разрядом, от концентрации карбоксильных и гидроксильных групп, а также от изменения соотношения аморфной и кристаллической фаз в поверхностном, слое полимера;

3: Способ определения требуемого уровня натяжений в лентопротяжных трактах печатного и упаковочного оборудования" по результатам оценки деформационных и релаксационных свойств полимерных пленок, испытанных при малых деформациях.

4. Зависимость способности активированных полимерных пленок поглощать растворители по сравнению с исходными образцами, от поверхностной плотности инжектированного электрического заряда.

Апробация работы: Научные результаты, полученные в работе, докладывались на 11-й международной конференции студентов и аспирантов в 2006 году в Казани, на 34-ой международной конференции 1АШСА1−2007 в Гренобле, Франция, наежегодной конференции молодых ученых МГУП.

2005 г, а также неоднократно на семинарах кафедры «Управление качеством» МГУП.

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 5 печатных работ.

Структура и объем работы.

Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, перечня сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов, библиографического списка использованной литературы из 87 наименований. Диссертационная работа изложена на 93 страницах машинописного текста и содержит 35 рисунков и 14 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований решена задача повышения адгезионной прочности на границе полимерная пленка (1111, ПЭ, ПЭТФ) — печатная краска. Разработаны практические рекомендации к осуществлению процесса печати на полимерных пленках, используемых в качестве упаковочного материала.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Активация полимерных пленок высокочастотным коронным разрядом сопровождается возрастанием гидрофильности обрабатываемой поверхности и появлением поверхностного электрического заряда.

2. Процессы релаксации краевого угла смачивания и поверхностной плотности заряда описываются экспоненциальными зависимостями с двумя временами релаксации.

3. Методами ИК-спектроскопии МНПВО и оптической микроскопии показано, что адгезионная прочность на границе активированная полимерная пленка — печатная краска определяется концентрацией активных групп, а также структурными изменениями, связанными со снижением доли аморфной фазы в поверхностном слое полимеров. При этом инжектированный на поверхности полимера заряд и «травление» поверхности способствуют увеличению площади контакта поверхности полимера с раствором печатной краски.

4. Экспериментально установлено, что исследования физико-механических и релаксационных свойств при малых деформациях полимерных материалов, используемых в качестве упаковочных, являются более информативными, чем стандартные испытания на прочность.

5. По результатам исследования физико-механических и релаксационных свойств при малых деформациях полимерных пленок определены граничные нагрузки, допустимые в технологическом оборудовании для печати и упаковывания.

6. Разработаны технические требования (напряжение, частота тока разряда, зазор между электродами, конструктивные особенности и материалы коронирующего и заземленных электродов) к установкам для активации полимерных пленок коронным разрядом, используемых в производстве упаковки.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И.

ТЕРМИНОВ.

1111 — полипропилен.

ПЭ — полиэтилен.

ПЭТФ — полиэтилентерефталат.

ПММА — полиметилметакрилат.

ПТФЭ — политетрафторэтилен.

МНПВО — многократное нарушенное полное внутреннее отражение ик — напряжение коронного разряда стр — разрушающее напряжение ер — относительное удлинение при разрыве.

Е0 — начальный модуль упругости.

0 — краевой угол смачивания.

Wa — работа адгезии.

— поверхностная плотность электрического заряда (То — начальное значение поверхностной плотности заряда.