Обоснование параметров оборудования для обработки полимерных запечатываемых материалов коронным разрядом

На правах рукописи

РАВШАНОВ ДИЛШОД ЧОРШАНБИЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ

для обработки полимерных

запечатываемых материалов

коронным разрядом

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии в полиграфическом и упаковочном производстве» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова)

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при Московском государственном университете печати имени Ивана Федорова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета печати имени Ивана Федорова.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.147.01

доктор технических наук, профессор Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

В последнее время наиболее интенсивно развивается печать в упаковочном производстве, в частности, печать на поверхности полимерных пленок, используемых в качестве современного упаковочного материала. При этом важно оценивать такой показатель, как прочность держания печатной краски на поверхности материала для упаковки.

В отличие от традиционных запечатываемых материалов – бумаги и картона, полимерные пленки, являясь, как правило, по своей природе гидрофобными материалами, не обладают высоким адгезионным взаимодействием по отношению к печатным краскам. Поэтому, правильный выбор оборудования для предварительной активации полимерных пленок коронным разрядом имеет важное значение.

Наиболее широкое распространение как за рубежом, так и в России, в качестве упаковочных материалов получили пленки из синтетических полимеров: полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП) и полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Проблема обеспечения высокой адгезионной прочности, как правило, приводит к созданию многослойных композиций или к использованию различных методов модификации поверхности. Поэтому в исследованиях по созданию многослойных композиций, в том числе и при разработке технологии печати на полимерных пленках, необходимо учитывать величину адгезионной прочности.

Сегодня во флексографии используются печатные краски различной природы – водно-дисперсионные, сольвентные и краски УФ-отверждения. По-видимому, как и тип запечатываемого материала, так и краски будут влиять на режимы активации полимерных пленок коронным разрядом.

Среди наиболее часто встречающихся проблем при флексографской печати – проблемы взаимодействия краски с полимерной подложкой.

В связи с этим изучение особенностей флексографской печати на гидрофобной полимерной подложке, а также выбор оптимального оборудования для активации полимерных запечатываемых материалов являются весьма актуальными.

Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заклю­чается в разработке научно обоснованных требований к оборудованию для обработки запечатываемых полимерных материалов коронным разрядом, а также обоснованию технологических параметров с учетом природы запечатываемого материала. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• разработка рекомендаций по режимам обработки ПЭ, ПП и ПЭТФ пленки коронным разрядом перед процессом флексографской печати;

• выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество печати по поверхности полимерных пленок;

• разработка технологических рекомендаций для качественной печати по поверхности полимерных пленок красками различного типа (водно-дисперсионные, сольвентные, УФ-отверждаемые);

• разработка требований к коронирующим устройствам и практические рекомендации по выбору технологических параметров предварительной обработки полимерных пленок коронным разрядом, с учетом природы обрабатываемого материала и производительности печатного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлено, что эффективность обработки полимерных пленок коронным разрядом определяется не только достигнутыми значениями адгезионной прочности, но и способностью воспроизводить мелкие детали печатной формы на отпечатке, полученном флексографским способом.

2. Среди множества требований к оборудованию для обработки полимерных пленок коронным разрядом, обеспечивающих качественную флексографскую печать, основным является мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала.

3. Показано, что с увеличением дозы коронного разряда до 16 Вт·мин/м² адгезионная прочность возрастает до значений 15-30 H/см² но при этом увеличивается толщина штриховых элементов на отпечатке на 10-15 %, что отрицательно сказывается на воспроизведении мелких деталей печатной формы.

Решенная научная задача

Разработаны технологические параметры обработки поверхности полимерных пленок коронным разрядом, позволяющие осуществлять качественную печать флексографским способом красками различного типа (водно-дисперсионные, УФ-отверждения, сольвентные).

Практическая ценность состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к основной стадии процесса флексографской печати по поверхности полимерных пленок – обработке коронным разрядом. В частности, экспериментально обоснованы технологические режимы обработки поверхности пленок из полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата коронным разрядом. А также предложен подход к выбору параметров коронирующих устройств для предварительной обработки полимерных пленок, основанный на определении мощности разряда и ширины обрабатываемого материала и его природы.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались: на расширенном заседании кафедры «Инновационных технологий и управления» в 2011, 2012 и 2013 гг.; на V международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ», Душанбе, октябрь 2011 г.; на международной молодежной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования», Москва, сентябрь 2012 г.; на конференции молодых ученых, Москва, МГУП, апрель 2012 г.; на научно-технической конференции, посвященной 20-летию Государственной независимости Республики Таджикистан, 50-летию образования «Механико-технологического факультета», Душанбе, ТТУ 2011 г., на I Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, Томск, ТПИ октябрь 2012 г.

Публикации. По тематике работы опубликованы 7 научных статей, включая тезисы докладов на научно-технической конференциях, из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка. Основной текст диссертации содержит 127 страниц, включая 26 таблиц и 44 рисунка.

Положения, выносимые на защиту

1. Режимы обработки полимерных пленок коронным разрядом влияют на способность передачи штриховых изображений печатной формы на отпечатке, полученном флексографским способом.

2. Мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала, оказывает влияние на эффективность обработки коронным разрядом полимерных пленок, предназначенных для печати флексографским способом.

3. Подход к выбору параметров коронирующих устройств и эффективного использования коронного разряда для предварительной обработки полимерных пленок, основан на определении мощности разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала и его природы.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит во включенном участии на всех этапах процесса работы над диссертацией. Все экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы соискателем самостоятельно.

Содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы.

В аналитическом обзоре диссертации проведен анализ публикаций, посвященных используемым и исследуемым в настоящее время методам обработки поверхности полимерных пленок с целью повышения адгезионного взаимодействия на границе полимерная пленка – печатная краска. При этом учитываются особенности технологии получения полимерных пленок.

На основании анализа научной литературы сформулированы направления проведенных в диссертации исследований.

Объекты исследования

При проведении экспериментальных работ использовались промышленные образцы двухосноориентированных полимерных пленок из полиэтилена (ПЭ), полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП). В качестве печатных красок использовались краски различной природы – водно-дисперсионные, сольвентные и УФ-отверждаемые.

Методы исследования

Обработку поверхности полимерных пленок перед нанесением печатной краски проводили на лабораторной установке, создающей высокочастотный коронный разряд напряжением до 20 кВ.

Печать осуществляли на специальном пробопечатном устройстве флексографского типа – Flexi Proof 100. При этом использовали печатную форму, вид которой представлен на рис. 1. Ширина самых узких пробельных и печатных элементов составляла 0,2 мм, самых широких – 2 мм.

Исследования по оценке эффективности обработки полимерных пленок коронным разрядом проводили, используя такие методы, как: оценка гидрофильности поверхности по величине краевого угла смачивания; количественное определение адгезионной прочности по нормальному отрыву; изучение микрогеометрии и морфологии поверхности полимерных пленок с использованием атомно-силовой и оптической микроскопии; оценка плотности электрического поверхностного заряда, с помощью прибора ИПЭП-1.

Рисунок 1 – Изображение на флексографской печатной форме, использованной в экспериментах на пробопечатном устройстве

Химические изменения, происходящие в поверхностном слое полимера, активированного коронным разрядом, исследовали с помощью метода ИК-спектроскопии МНПВО.

Исследуя гидрофильность поверхности полимерных пленок, активированных коронным разрядом, в сравнении с исходными образцами, было установлено, что под действием коронного разряда поверхность пленки становится более гидрофильной, причем степень гидрофильности зависит от параметров обработки коронным разрядом. На рис. 2 и 3 представлены результаты экспериментов по оценке эффективности обработки полимерных пленок коронным разрядом по величине краевого угла смачивания.

Аналогичные результаты были получены и для образцов полимерных пленок из ПП. Как видно из результатов, представленных на рис. 2 и 3, значительное снижение краевого угла смачивания не остается постоянным, и в процессе хранения активированных образцов краевой угол смачивания возрастает. О причинах такого поведения полимерных пленок, обработанных коронным разрядом, было известно и ранее из работ, проводимых в центре научных исследований МГУП имени Ивана Федорова. Это в первую очередь связано с образованием гомозаряда на поверхности обрабатываемой пленки, а также с увеличением концентрации карбоксильных групп в поверхностном слое полимера.

Рисунок 2 – Изменение краевого угла смачивания в процессе хранения образцов пленки из ПЭ, не обработанного (1) и обработанных коронным разрядом при напряжении 12 кВ (2) и 18 кВ (3)

Рисунок 3 – Изменение краевого угла смачивания в процессе хранения образцов пленки из ПЭТФ, не обработанного (1) и обработанных коронным разрядом при напряжении 12 кВ (2) и 18 кВ (3)

Анализируя результаты, представленные на рисунках 2 и 3, не трудно заметить, что наиболее эффективнее, с точки зрения гидрофилизации поверхности, происходит обработка пленок из ПЭТФ.

Таким образом, экспериментально определены ряд важных характеристик поверхности, полимерных пленок (ПП, ПЭ и ПЭТФ), обработанных коронным разрядом. Установлено, что приобретенные свойства поверхности в результате их обработки коронным разрядом не постоянны во времени. Однако даже после снижения полученного от обработки поверхности эффекта свойства не восстанавливаются до первоначальных значений. Например, краевой угол смачивания для необработанной ПЭТФ пленки составляет 78°, для обработанной пленки значение его может быть снижено до 30°, после хранения в течение 8 суток эта величина составит 65°.