Свойства полимерных пленок, активированных коронным разрядом, и особенности их применения в производстве упаковки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Баканов, Вадим Александрович

• Баканов, Вадим Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баканов, Вадим Александрович

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор.

1.1. Явления, сопровождающие обработку полимерных пленок в электрическом поле.:.

1.2. Устройства для активации полимерных пленок электрическими разрядами.

1.3. Методы оценки адгезионной прочности слоев на полимерной подложке.

1.4. Способы полиграфической печати на полимерных пленках.

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1. Полимерные пленки, используемые в работе.

2.2. Печатные краски.

2.3. Установка для активации полимерных пленок коронным разрядом.

2.4. Методы исследования свойств поверхности полимерных пленок.

2.5. Методика ИК-спектроскопических исследований с использованием приставки МНИВ О.

2.6. Методы оценки физико-механических свойств полимерных пленок.

Глава 3. Результаты научных исследований.

3.1. Исследование свойств поверхности полимерных пленок, активированных коронным разрядом.

3.2. ИК-спектроскопия полимерных пленок.

3.3. Взаимодействие полимерных пленок с растворителями.

3.4. Влияние физико-механических свойств полимерных пленок на ряд параметров процесса печати.

Глава 4. Обсуждение экспериментальных результатов.

4.1. О механизме активации полимерных пленок коронным разрядом.

4.2. Разработка практических рекомендаций для печати на полимерных пленках, активированных коронным разрядом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 предприятий; использующих 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 кВ; зазор - 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, на- ежегодной 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 диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Баканов, Вадим Александрович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баканов, Вадим Александрович, 2008 год

1. Александров А.П., Лазуркин Ю.С. // Журнал теоретической физики. 1939. Т. 9. Вып. 14. С. 1249.

2. Баблюк Е.Б., Губкин А.Н., Перепелкин А.Н., Тезисы доклада, секция Оптическая спектроскопия диэлектриков. Всесоюзная научная конференция: физика диэлектриков и новые области применения. Караганда, 1978. С. 14.

3. Баблюк Е.Б., Перепелкин А.Н., Губкин А.Н. Влияние коронного разряда на свойства поверхности ПЭТФ пленки // Пластические массы. 1978. №6. С. 41-44.

4. Баблюк Е.Б., Фаренбрух К.В., Баканов В.А. Оценка адгезионной прочности при печати на полимерных пленках // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. № 5. 2007. С. 31-39.

5. Багиров М.А., Волченков Е.Я., Кязимов Е.Я. Исследование структурных изменений полиэтиленовой пленки, происходящих под действием электрических разрядов на ее поверхности. // Электронная обработка материалов. 1973. № 5. С. 51-56.

6. Белый В.А., Вертячих И.М., Пинчук Л.С. и др. Электрическая поляризация полимеров в контакте с электретами. Доклады АН СССР. 1988. Т. 302. № 1.С. 119-122.

7. Бережанский В.Б., Быков В.М., Городов В.В., Закревский В.А., Сударь Н.Т. Влияние инжектированного заряда на распределение электрического поля в полимерном диэлектрике // Высокомолекулярные соединения. 1989. Сер. Б. № 4.

8. Борисова М.Э., Койков С.Н., Кирилова Е.В., Парибок В.А., Фомин В. А. Пленочные электреты из политетрафторэтилена, изготовленные электронные бомбардировкой и в коронном разряде // Труды МИЭМ. 1972. Вып. 27. С. 92-101.

9. Вакула В. Л., Притыкин JI.M., Физическая химия адгезии полимеров. М, 1984. С. 141-150.

10. Васенин Р. М. Адгезия полимеров. М.: Наука, 1963. С. 17-22.

11. Веденеев В.И., Гурвич JI.B., Кондратьев В.Н., Медведев В.А., Фран-кевич E.JT. Справочник: потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

12. Виленский А.И., Вирлич Э.Э., Стефанович H.H., Кротова H.A. // Пластические массы. 1973. № 5. С. 60.

13. Виноградова JI.M., Корюкин A.B., Ефремова З.А. Активация поверхности пентапласта. // Пластические массы. 1976. № 5. С. 73—74:

14. Власов М.А., Сумароков В.Н. Активация поверхности полиэтиленовой пленки в плазме газового разряда // Пластические массы. 1975. № 9. С. 40-42.

15. Власов М.А., Сумароков В.Н. Активация поверхности полиэтиленовой пленки в коронном разряде // Электронная обработка материалов АНМССР. 1974. № 6. С. 53-56.

16. Гиллет Дж. Фотофизика и фотохимия полимеров. Введение в изучение фотопроцессов в макромолекулах. М.: Мир, 1988. 389 с.

17. Гильман А.Б., Потапов В.К. // Прикладная физика. 1995. Вып. 3-4. С. 14-22.

18. Горелова М.М., Левин В.Ю., Перцин А.И. и др. Исследование поверхности полидиметилсилсесквиоксанового блок-сополимера, обработанного кислородно-азотной плазмой // Высокомолекулярные соединения. 1989. Сер. Б. № 3. С. 199-203.

19. ГОСТ 15140-78/ISO 2409. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.

20. Губкин А.Н. Электреты. М.: Наука, 1979.

21. Губкин А.Н., Перепелкин А.Н., Баблюк Е.Б. Гидрофильность поверхности полиэтилентерефталатной пленки активированной коронным разрядом // Электронная обработка материалов АН МССР. 1978. № 5. С. 62.

22. Губкин А.Н., Перепелкин А.Н., Баблюк Е.Б., Оглоблин В.А., Попов О.Н., Гидрофильность поверхности ПЭТФ пленки, активированной коронным разрядом // Электронная обработка материалов. М., 1978. № 5. С. 59.

23. Гуль В.Е, Маркин В.Н., Ананьев В.В., Баблюк Е.Б., Изотова JI.T. Особенности формирования электретного состояния полимеров в газоразрядной плазме // Доклады академии наук СССР. 1982. Т. 265. № 4. С. 901.

24. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М., 1966.

25. Гуль В.Е., Маркин В.Н., Ананьев В.В., Баблюк Е.Б. Особенности формирования электретного состояния полимеров в газоразрядной плазме // Доклады АН СССР. 1982. Т. 265. № 4. С. 901-902.

26. Дехант И., Данц Р., Киммер В., Шмольке Р. ИК-спектроскопия полимеров. М.: Химия, 1976.

27. Егоров А.И., Железняков A.A., Саркисов O.A., Структура и свойства поверхности полимерных пленок, модифицированных в плазме барьерного разряда. Белорусский государственный университет транспорта.30