完整版表面处理对塑料薄膜印刷适性影响研究毕业论文.docx
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完整版表面处理对塑料薄膜印刷适性影响研究毕业论文
本科毕业设计论文
题目名称表面处理对塑料薄膜印刷适性影响研究学院部包装与材料工程学院专业印刷工程学生姓名陈镇班职称副教授最终评定成绩
2012年05月
摘要
近些年来人们对商品包装的要求越来越高塑料是一种高分子合成材料以其无可比拟的优势在包装领域中得到了广泛的应用但是由于塑料薄膜的表面能低在一定程度上阻碍了其在包装印刷中的应用主要表现为难印刷难复合等因此塑料薄膜在其上机印刷复合之前必须进行处理来改善塑料薄膜的印刷适性
电晕表面处理技术与应用对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响电晕表面处理是目前最常用也是技术相对最成熟的一种处理方式采用高频高压或中频高压对塑料薄膜表面进行处理使电极间产生电子流在薄膜表面形成氧化极化基使薄膜表面产生极性便于印刷油墨吸附
本次研究主要通过理论结合实验分析了电晕表面处理对塑料薄膜印刷适性的影响理论部分通过查阅大量文献从油墨与薄膜之间的附着机理进行分析实验部分则是通过对比三种不同极性的材料电晕处理前与电晕处理后的表面张力摩擦系数油墨密度以及油墨附着率从而得出电晕处理对薄膜印刷适性的影响最后通过实验结果的综合分析和评价得出一定的结论希望能为今后对塑料薄膜表面处理的进一步研究打下一定的理论和实验基础
关键词塑料薄膜表面处理电晕印刷适性
ABSTRACT
InrecentyearspeopleofcommoditypackagingtodemandmoreandmorePlasticisapolymersyntheticmaterialsitwidelyusedinprintingandpackagingfiledbecausetheyprintingprocesssuchasSobeforeusingplasticfilmtoprintandcompoundmustdosomeprocessestoimprovetheprintadaptabilityofplastics
CoronaphysicsandapplicationthedevelopmentofoftraditionalindustryPresentlycoronaisusuallyusedtotreatplasticfilmssurfaceThebetweenelectrodeotherwordsinthefilmsurfaceformationoxidationpolarizationbasemakethefilmsurfaceproducespolarityfacilitateprintinginkabsorption
ThisresearchmainlythroughthetheoryexperimentalanalysisthecoronasurfacetreatmentofplasticfilmprintingeligibilityinfluenceTheoreticalpartisconsultingalargenumberofliteraturefrominkandthinfilmsofattachmentmechanismbetweenanalysisTheexperimentpartisbycomparingthethreedifferentpolaritymaterialscoronatreatmentbeforeandafterprocessingthesurfacetensionofthecoronafrictioncoefficientprintinginkdensityandtheinkadhesionandconcludedthatcoronatreatmentonfilmprintingeligibilityinfluenceFinallysomeconclusionsareeducedaccordingtothewholestudywhichareexpectedtobethetheoryandexperimentalbasicsoffurtherstudyinplasticfilmssurfacetreatment
Keywordsplasticfilmsurfacetreatmentcoronaprintadaptability
目录
第一章概论1
11课题背景1
12薄膜表面处理研究现状1
13研究目的与方案3
maxbook118com研究目标3
maxbook118com研究内容3
maxbook118com研究方法3
第二章理论分析4
21电晕处理4
maxbook118com电晕原理4
maxbook118com影响电晕效果的因素5
22所选薄膜的性能5
maxbook118com聚乙烯薄膜PE6
maxbook118com聚氯乙烯薄膜PVC6
maxbook118com聚酯薄膜PET7
23印刷适性与影响因素7
maxbook118com表面能与附着力的关系8
maxbook118com接触角与附着力的关系8
maxbook118com表面粗糙度与附着力的关系9
第三章实验研究与结论分析10
31薄膜表面张力及评价实验研究10
maxbook118com实验材料及制备10
maxbook118com实验方法11
maxbook118com实验结果与分析11
32薄膜表面摩擦系数的测试研究12
maxbook118com实验材料与设备12
maxbook118com实验方法13
maxbook118com实验结果与分析14
33油墨密度与附着力的测试实验研究14
maxbook118com实验材料与设备14
maxbook118com实验方法15
maxbook118com实验结果与分析16
结论20
参考文献21
致谢23
附录24
概论
11课题背景
进入21世纪以来人们的生活水平有了很大的提高人们的消费行为更为理智和挑剔所以对商品包装的要求也越来越高塑料是一种高分子合成材料用于包装印刷的塑料薄膜因具有透明度高强度好韧性强密度低耐化学性优良等特性越来越得到广泛的应用
塑料薄膜经过印刷后不仅要求具有色彩鲜艳层次丰富立体感强的印刷效果而且要求印刷油墨必须牢固墨层不脱落不掉色但是印刷用的塑料薄膜的品种很多因其表面特性因子结构基材的极性基团结晶程度和塑料稳定性等不同因素而有很大的差异这些差异对于印刷油墨的结合牢度影响很大且在成形过程中加入的增塑剂引发剂及残留单体和降解物等低分子物质这些低分子物质很容易析出而汇集于材料表面形成无定形层使塑料薄膜表面的润湿性能变差因此在印刷之前应根据不同塑料的表面特性而确定其是否需要进行表面处理例如聚氯乙烯PVC尼龙PA聚苯乙烯PS等薄膜属于极性结构印刷前不必进行表面处理而聚酯薄膜PET聚乙烯PE聚丙烯PP等薄膜属于非极性的高分子聚合物它们的化学稳定性较高表面张力较小不易被大多数油墨和溶剂所浸润为了提高薄膜的表面张力提高薄膜与油墨的粘结强度在印刷之前必须对这些薄膜进行表面处理
塑料薄膜进行印前表面处理的方法很多主要分为化学处理法和物理处理法化学处理法主要是在薄膜表面导入极性基团或用化学试剂去除薄膜表面的助剂以提高薄膜的表面能各类化学处理法均会造成不同程度的化学试剂残留且化学处理法速度慢成本高设备要求高所以目前工业生产中基本不采用化学处理法物理处理法主要有火焰处理法和电晕放电处理法由于火焰处理法难于控制目前已经被电晕放电处理法完全替代所以本次毕业设计主要是研究电晕表面处理对塑料薄膜印刷适性影响
12薄膜表面处理研究现状
目前表面处理有电晕处理等离子处理火焰法处理氧化法溶剂法等几种处理方式而电晕表面处理是最常用也是技术相对最成熟的一种处理方式在处理设备上施加高频高压电使其产生高频高压放电产生细小密集的紫蓝色火花空气电离后产生的各种等离子在强电场的作用下加速而冲击处理装置内的塑料薄膜这些等离子离子能量一般在几到几十电子伏特与塑料分子的化学键能相近因而能诱发塑料表面分子的化学键断裂而降解增加表面粗糙度提高比表面积放电时还会产生大量的臭氧臭氧是一种强氧化剂能使塑料分子氧化在活性点生成极性基团使分子极性增大表面张力提高对油墨产生很强的亲和力吸引力增加油墨的印刷牢度
目前国内外塑料表面处理的常用方法
火焰处理将塑料薄膜放置空气中通过气体火焰处火焰中含有处于激发状态的0NOOH和NH等自由基它们能从塑料表面把氢抽取出来随后按自由基机理进行表面氧化并引入了一些极性的含氧基团发生断链反应聚烯烃经火焰处理后形成了极性基团润湿性得以改善而粘接性的改善则由于极性基团改善了润湿性以及产生断链而相对改善火焰处理效果较好无污染成本低廉但操作要求严格如不小心会导致产品变形使成品报废
化学氧化处理印刷前利用氧化剂对PPPE塑料薄膜的表面进行处理使其表面生成轻基拨基等极性集团同时得到一定程度的粗化以提高油墨与塑料薄膜的表面结合牢度常采用重铬酸钾一硫酸溶液处理聚烯烃表面处理液的配方处理过程的时间和温度都对处理效果有一定的影响一般来说处理时间长处理温度高效果较好但时间过长或温度过高虽然增加了表面极性同时还将引起表面氧化老化粘接强度反而降低化学处理法是应用较早的一种表面处理法对于印刷复合前薄膜的表面处理效果好使用简便经济但需较长的处理时间影响了生产效率并且处理液一般都具有化学侵蚀性造成环境污染及对人体的危害目前较少采用这种工艺一般只在不便使用其他处理方法的情况下才采用这种表面处理工艺
光化学处理一般是利用紫外线照射高聚物表面使其引起化学变化达到改善表面张力提高润湿性和粘合性的目的紫外线照射使高聚物表面发生裂解交联和氧化但要想得到较好的光化学处理效果必须选择适当波长的紫外线光化学处理法的处理效率太低
涂层处理法是在薄膜上涂以特定的涂料以改变其表面吸附性能将异丙醇甲苯季戊四醇双丙烯酸戊酷四氢糠醇丙烯酸安息香乙醚以提高薄膜表面的张力显然涂层处理的效率也太低
电晕处理薄膜的表面处理目前通常采用电晕处理CORONA工艺利用高频高压电源在放电刀架和刀片的间隙产生电晕放电而形成低温等离子体区这种方法即叫电晕处理也称电子冲击或电火花处理
13研究目的与方案
maxbook118com研究目标
为了得到表面能高油墨转移性能好附着性能好的薄膜从而提高在印刷过程中油墨在薄膜表面的附着力以及减少在复合与成型过程中因油墨和薄膜粘接不牢而产生的油墨与膜材分离等质量问题电晕处理处理的目标
1提高表面能由于表面能极性的增加改善油墨与薄膜表面的润湿性更好的使界面上分子键紧密接近从而获得更大的分子间作用力和化学作用力
2提高表面粗糙度增加薄膜油墨界面上的机械咬合作用同时为界面上分子间的物理和化学作用提供更大的接触面积
maxbook118com研究内容
1从接触角表面张力与粗糙度等因素对附着强度的影响来进行薄膜的印刷适性理论分析
2对电晕表面处理原理以及该处理对薄膜印刷适性的影响进行理论分析
3分别对PEPVC与PET三种薄膜进行电晕处理实验来改善薄膜表面的性能提高其印刷适性
4对处理前后的PEPVCPET薄膜进行表面能及表面摩擦系数这些因素进行测量与探测实验来评价改性效果
5对处理后的PEPVC与PET薄膜进行丝网印刷对油墨在处理前后的薄膜上的的密度以及油墨在处理前后的薄膜上的附着力进行测试通过实验数据的对比来比较PEPVC与PET薄膜的印刷适性以及总结出电晕处理对薄膜印刷适性的改善程度
maxbook118com研究方法
本研究首先采用电晕技术分别对PEPVC和PET三种薄膜进行表面处理以提高其表面极性增加薄膜在印刷过程中与油墨的粘合作用然后通过三种测试方法来对比改性前后的表面性能1通过自制的表面测试液达因液对未经处理的薄膜以及电晕处理后的薄膜进行测试确定各表面大致的表面张力2使用摩擦测试仪测出处理前后薄膜的表面粗糙度3最后采用丝网印刷对不同表面进行色块的印刷然后对油墨的主密度进行测量分析并使用胶粘-数格法检测油墨的附着牢度
第二章理论分析
21电晕处理
塑料薄膜表面处理最常见的是电晕处理电晕放电处理又称电子冲击电火花处理采用高频高压或中频高压对塑料薄膜表面进行处理使电极间产生电子流在薄膜表面形成氧化极化基使薄膜表面产生极性便于印刷油墨吸附
1塑料薄膜2电弧放电
3高频高压电发生器4电极
5绝缘辊6导辊7收卷装置
图2-1电晕处理示意图
maxbook118com电晕原理
电晕处理的是将薄膜经过有高压存在的两电极间高压使电极间的空气发生电离电晕处理对薄膜表面有三大作用1表面氧化氧在电晕处理的作用下产生电离形成臭氧它可以立即氧化塑料分子可在其分子链上生成羟基羧基不饱和键等表面氧化的结果是使聚乙烯薄膜转化为极性表面由低表面能转化为高表面能使其对印刷油墨的润湿性黏附性增加从而提高了印迹的牢度2表面微观毛糙电晕处理后的薄膜表面糙化改变了原来膜面光滑的状态增大了塑料膜面的表面积提高了对油墨的结合力3使表面的低分子物质发生交联反应除去表面的弱界面层增强油墨的附着力
maxbook118com影响电晕效果的因素
功率的选择以及电极的间隙
电晕处理时输出功率的大小对处理的效果影响很大当输出功率过低时电晕处理效果差当输出功率达到某临界值后电晕处理的效果反而增加缓慢即对某种塑料薄膜进行电晕处理时有一最佳输出电流
电极间隙越大电晕效果越差
温湿度的影响
当处理温度高时化学反应的速度加快反应的程度也大处理效果好但温度不宜太高否则会形成新的薄弱界面层反而使强度下降不同材料处理温度不同
湿度大时处理效果变差是由于空气中的水分子吸收了部分由电晕而产生的离子
机器速度的影响
薄膜表面的电晕处理时间越长处理强度增加效果愈好要处理时间长机器的速度就要慢一些但若机器的速度太慢处理时间太长会使材料老化产生异味发生粘边光泽变差
薄膜本身的影响
①薄膜厚度影响处理强度较厚的膜需增加处理能量但在处理较薄的膜时由于牵引速度快摩擦也比较剧烈膜温下降得少些相对处理电流也可小些
②薄膜密度的影响密度过高电晕处理效果变差
③薄膜种类的影响在相同的处理条件下不同薄膜的处理效果也不相同如聚丙烯薄膜比聚乙烯薄膜就需要更高的能量才能达到相同的处理效果
薄膜处理后表面张力的时效性问题
表面处理后的表面张力有一个时效问题当刚刚处理好时能达到4042mNm但过几天以后再去检测时会下降到39mNm左右再过两个星期又会下降一些因此加工好的薄膜最好在7天内用完保存期超过一个月时表面张力会下降到38mNm以下在粘接印刷方面就不太理想
22所选薄膜的性能
针对不同塑料薄膜我选了三种具有代表意义材料PEPVCPET三者分别是非极性极性和强极性物质表面自由能也不一样表21有具体数值三种共同点就是表面平滑度都比较高光滑的表面不利于油墨在上面进行附着这是因为其表面积较小且不能形成机械咬合力
表21塑料表面极性与表面张力mNm
代表性塑料PEPVCPETμ偶极矩00507极性强弱非极性极性强极性未经处理的表面能313944
虽然理论上分析薄膜表面张力大于38mNm就可以满足印刷要求PVCPET表面呈极性完全符合要求可以不进行表面处理但在实际生产中为得到高质量的包装产品PVCPET同样要进行表面处理原因有三点1为了增加印刷和非印刷表面能的差别防止油墨的卷取时反粘到非印刷面上还是对印刷面进行了电晕处理2PVCPET的内聚力要大于PE同样表面能的三种薄膜用于印刷PVCPET的印刷效果要比PE差在印刷过程中为了有效附着油墨保证印刷质量被印薄膜表面能必须高于油墨表面能10个达因3材料后加工的要求如转移膜就不需要进行表面处理但一般印刷薄膜后工序需要进行复合而复合对薄膜表面能的要求比印刷高一般表面能要求达到48mNm综上所述三种不同极性的薄膜都需要进行表面处理4表面张力会随时间的推移有衰减的趋势一般塑料薄膜的保质期在一到两年所以刚出厂的塑料薄膜的表面张力应处于一个比较高的值
maxbook118com聚乙烯薄膜PE
聚乙烯简称PE是乙烯进行加聚而成的高分子有机化合物由碳氢两种元素组成和石蜡的分子结构相似只是分子量比石蜡大得多分子结构呈线型或支链型是世界上产量最大的一种热塑性塑料无毒无味无臭符合食品包装卫生标准聚乙烯薄膜轻盈透明具有防潮抗氧耐酸耐碱气密性一般热封性优异等功能聚乙烯的表面能极低属于非极性材料印刷复合之前必须要进行表面处理
maxbook118com聚氯乙烯薄膜PVC
聚氯乙烯是由乙炔与氯化氢进行加成反应所生成的氯乙烯经聚合而成的一种热塑性塑料在光热作用下易释放出Hcl气体而分解此外在空气中也会发生分解经添加助剂处理后可提高薄膜的使用功能聚氯乙烯的耐化学性能比较好耐油脂性好它与聚丙烯膜相同也可以进行单向拉伸或双向拉伸也可以进行热定型化处理或者不进行热定型化而成收缩薄膜聚氯乙烯透明性好耐水性耐药品性优良但含有增塑剂和有害稳定剂的聚氯乙烯不适合食品包装延伸处理过的PVC薄膜可以用于收缩包装
maxbook118com聚酯薄膜PET
聚酯原名为据聚对苯二甲酸乙二酯简称PET它是以乙二醇和对二苯酸酯化而成的对苯二甲酸二甲酯缩聚所得的聚对苯二甲酸乙二酯为原料采用挤出法制成厚片再与双向拉伸工艺相配合制成薄膜PET薄膜是一种透明度和光泽度都非常好的薄膜特别适合用于里印PET薄膜适用的温度范围比较广它耐热性好故常用作蒸煮袋的印刷层聚酯薄膜的机械强度大其拉伸强度大约是聚乙烯的510倍聚酯薄膜还具有挺度高耐冲力强耐油性好有良好的气体阻隔性和良好的异味阻隔性
23印刷适性与影响因素
薄膜的印刷适性可以没有标准的定义在参考各种资料后我认为可将其理解为
薄膜能适应油墨印版及工艺条件的要求保证印刷工序顺利进行并获得优秀印刷品所必需的条件根据此定义一般没有经过任何处理的薄膜其印刷适性要达到优秀印刷品的要求是较困难的也就是印刷适性较差薄膜的印刷适性较差主要表现在油墨转移不良印迹的附着性不好油墨的干燥速度和印材本身变形等方面原因而出现墨层脱落粘连套印不准的问题
造成塑料薄膜表面油墨附着力差的原因主要有
1分子结构的非极性特征塑料薄膜印刷的基材中聚乙烯和聚丙烯分子结构基本上不带有极性属非极性高分子结构惰性强不容易接受油墨
2表面张力小高分子聚合物的表面能越低其表面张力越低越不容易被液体所浸润要达到油墨与承印物材料表面有良好的接触印刷物的表面必须得到充分的浸润那么承印物材料的表面张力必须等于或大于油墨的表面张力
3化学稳定性强PE和PP能耐大多数酸碱的腐蚀在常温下不溶于一般溶剂这样就使薄膜表面对油墨涂料等的吸附力很差
4助剂的影响在制造过程中为了使薄膜容易开口抗静电耐老化防紫外线照射等就要加入一定量的助剂如白油十八烯酞胺抗静电剂稳定剂等这些助剂在高温吹塑后就会缓慢的向表面迁移形成油污使薄膜不易与其它物质粘合
因此要改善这些难印塑料的印刷适性需要在塑料表面引进极性基团或提高表面能或提高表面粗糙度而采用电晕表面处理可以达到改善塑料薄膜印刷适性的目的从而为难印塑料的印刷提供了一种新途径油墨在塑料薄膜表面的附着是塑料印刷适性的一个重要方面油墨的附着可以通过表面能接触角以及表面粗糙度等几个参数来衡量
maxbook118com表面能与附着力的关系
在研究印墨的润湿和附着时塑料薄膜表面能也是一个重要参数塑料的表面能不能直接测定实际中评价塑料表面张力常用临界表面张力来表示临界表面张力是指塑料薄膜表面恰好被液体完全润湿时此液体的表面张力就是该塑料薄膜的的临界表面张力塑料薄膜的临界表面张力较好地反映了油墨的润湿性和附着性临界表面张力高润湿和附着性好反之则差在业内常用达因厘米作为承印物表面附着能量的单位在印刷过程中为了有效附着油墨保证印刷质量被印薄膜表面能必须高于油墨表面能10个达因
maxbook118com接触角与附着力的关系
图2-2接触角与各界面张力的关系
在考虑油墨的润湿和附着时接触角是一个重要的参数接触角即为由液体l与固体s气体g接触的三相分界点作液滴曲面的切线该切线与固体表面之间的夹角α称为接触角在液体一方的角如图23所示液体对固体的润湿程度可用接触角α来衡量α越小表示液体愈易润湿固体表面一般以90°为界限α90°为能润湿α0为完全润湿α180°为完全不润湿接触角α象征着三个界面张力相互作用的平衡状态它们之间达到平衡后水平方向的力平衡关系如下
2-1
式中的为接触角此式就是表面张力与接触角关系的杨氏方程
如果从分子的内聚功与粘附功来分析当液体与固体表面接触时附着层中的液体分子所受的内聚功和粘附功跟液-液间的内聚功是相似的液体一方面受到液体内部分子内聚力的作用另一方面也要受到固体分子对它的粘附力的作用其分离时都要作功极为
2-2
2-3
将式2-12-2代入式2-3中得
2-4
由式2-4可知液体能否润湿固体可根据液体的内聚功和液-固间的粘附功大小而定只有当液体完全被润湿时润湿不完全而则完全不润湿它把粘附功与接触角联系起来当接触角增大时值变小液-固间的结合力减弱当接触角减小时值变大液-固间的结合力增强要增大油墨在塑料表面的附着力希望值越大越好当时达到最大值它是最佳的附着条件
maxbook118com表面粗糙度与附着力的关系
印墨的附着力还与塑料薄膜表面粗糙度有关只有在合适的表面粗糙度下才能获得最大的附着力粗糙度大的印墨与塑料薄膜的有效粘接界面面积增大而且印墨能直接进入微孔当溶剂挥发后印墨树脂就被机械地镶嵌在孔隙中形成许多微小的结协联结点将印墨牢牢地铆在塑料薄膜表面但是表面太粗糙对印墨的附着也不利因为表面过于粗糙会使印墨的润湿性变差不能填满微孔造成粘附缺陷附着力反而下降
液体在粗糙表面的接触角与在光滑平面的接触角有如下关系
2-5
式中为新的接触角R为粗糙度系数当时塑料薄膜的粗糙度越大表面越容易被润湿印墨的附着力也越大反之当时塑料薄膜的表面粗糙度越大越难以被润湿印墨的附着力也越小
实验研究与结论分析
通过第二章对电晕表面处理三种薄膜的特性以及印刷适性影响因素的系统分析可以清楚发现表面张力以及表面粗糙度的提高能够很明显地提高薄膜表面的印刷适性本次实验研究通过检测薄膜表面电晕前后表面张力以及表面粗糙度来研究电晕表面处理对印刷适性的影响由于实验室电晕仪器的局限性电晕处理无法进行本次实验选用的部分材料为出厂前进过电晕处理过的表面粗糙度越大摩擦系数越大所以本实验用摩擦系数代替表面粗糙度此外为了能更直观地发现薄膜表面电晕前后的印刷适性的改变对薄膜进行色块的印刷使用分光光度仪对油墨的主密度进行测试然后通过胶粘-数格法检测油墨在薄膜表面的附着力来对比薄膜表面电晕前后的印刷适性
31薄膜表面张力及评价实验研究
塑料的表面能是不能直接测定而是通过临界表面张力的测定来评价塑料薄膜的表面能测定塑料薄膜临界表面张力最简单直接的方法就是通过达因笔测试由于达因笔相对来说比较昂贵很多工厂都会使用自己配置的表面张力测定液俗称达因水其配比见附录表1来进行测试此种方法简单方便价格实惠在本实验中也是使用自行配置的
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