Автореферат (Разработка способа нанесения термохромных композиций на полимерные упаковочные материалы)

22

На правах рукописи

НАГОРНОВА ИРИНА ВИКТОРОВНА

Разработка способа нанесения термохромных композиций на полимерные

упаковочные материалы

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии и управление» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

Научный руководитель: Баблюк Евгений Борисович

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Официальные оппоненты: Кондратов Александр Петрович

доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»,

Ананьев Владимир Владимирович

кандидат технических наук, профессор

заведующий кафедрой «Технология упаковки и переработки высокомолекулярных соединений» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»,

Ведущая организация: ООО НПО «Оптроника», г. Долгопрудный

Защита диссертации состоится «24» апреля 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова».

Автореферат разослан «22» марта 2012 г.

У ченый секретарь

диссертационного совета Д 212.147.01

доктор технических наук, профессор Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Практический интерес к термохромным системам обусловлен многогранностью их использования в различных областях производства. Приоритетными направлениями в настоящее время являются защита от фальсификации полиграфической продукции (в том числе, ценных бумаг) посредством изготовления меток, наносимых или введенных в состав материала-основы и/или формирование скрытых изображений, а также защита от подделки продукции фармацевтической и пищевой промышленности. При этом, наиболее важное значение имеет контроль качества упакованной продукции для отслеживания корректности температурного режима на всем протяжении логистической цепочки (т.е. в процессе упаковки, транспортирования и хранения продукта).

Указанные выше функции являются составными элементами построения так называемых интеллектуальных (smart)- упаковок, конечной целью разработки и использования которых является обеспечение безопасности и защиты населения от фальсифицированной продукции.

Основой промышленно выпускаемых за рубежом температурно-временных индикаторов интеллектуальных упаковок являются многокомпонентные микрокапсулированные композиции. В связи с технологической сложностью изготовления микрокапсулированных индикаторов офсетным или флексографским способами, ввиду того что размер капсул (5-6 мкм) превышает толщину красочного слоя (до 2 мкм), а также отсутствия отечественных аналогов, актуальны поиск и исследование новых типов термочувствительных соединений. Постановка такой работы позволяет разработать способ нанесения и организовать технологически и экономически выгодное производство упаковки.

В настоящее время продолжаются исследования по созданию термохромных композиций (ТК). Среди термочувствительных соединений отдельно можно выделить полиметиновые (цианиновые) красители. Полиметиновые красители широко использовались в качестве спектральных сенсибилизаторов фотографических эмульсий. В настоящее время они находят применение как нелинейные оптические материалы, флуоресцентные материалы в биологических системах, органические оптические полупроводники и т.д.

Использование термохромного эффекта полиметиновых красителей позволит создать менее сложные по составу композиции, применение которых не будет связано с микрокапсулированием. Решение этой проблемы будет способствовать расширению применения полиграфических технологий в производстве smart-упаковки.

Исходными данными для разработки такой технологии должны стать исследования термохромизма полиметиновых красителей. К сожалению, термохромизм этого типа красителей изучен в настоящее время недостаточно. Особое внимание в процессе исследований должно быть уделено процессу подготовки гидрофобной поверхности полимерных материалов перед нанесением растворов красителей. Наличие результатов о взаимодействии поверхности упаковочных материалов с ТК позволит разработать управляемый технологический процесс изготовления smart-упаковки с термохромным эффектом.

Цель диссертационной работы.

Основная цель работы состоит в разработке рецептуры термохромных композиций на основе полиметиновых красителей и способа их нанесения на полимерные упаковочные материалы.

Основной задачей работы является разработка научно обоснованных исходных данных для проектирования и организации производства упаковочных материалов с термохромными элементами.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. разработать рецептуры термохромных композиций на основе полиметиновых красителей, обеспечивающих контрастный цветовой переход при изменении температуры;

2. исследовать особенности формирования термохромных композиций на поверхности полимерных упаковочных материалов, изменение оптических и термохромных свойств и морфологии поверхности термохромных слоев в зависимости от рецептуры композиций;

3. разработать способы нанесения термохромной композиции на полимерные упаковочные материалы;

4. исследовать оптические и термохромные свойства, морфологию и химическую структуру поверхности термохромных слоев в зависимости от технологии предварительной обработки поверхности полимерных упаковочных материалов;

5. исследовать фотохимическую стабильность, а также сохраняемость термохромных свойств во времени;

6. разработать принципиальную схему технологического процесса нанесения терминдикатора на полимерные пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обнаружены необратимые термохромные свойства слоев пиридиниевой соли 3,3’-ди-(γ-сульфопропил)- 4,5,4’,5’-дибензо-9-этил-тиатриметинцианинбетаина и 1,1’-диэтил-2,2’-цианид иодида и двойной обратимый квазитермохромный эффект трибутиламмони-евой соли 3,3’-ди--сульфопропил-9-этил-5-метил-5’-фенилтиакарбо-цианин-бетаина на полимерных пленках из ПЭТФ и ПП.

2. Обнаружена взаимосвязь процесса J-агрегирования термохромных композиций на основе полиметиновых красителей на поверхности модифицированных высокочастотным коронным разрядом полимерных пленок с интенсивностью активации;

Практическая ценность.

Результаты представленной работы могут быть использованы при разработке полиграфических технологических процессов изготовления временно-температурных индикаторов и защитных элементов smart-упаковок из полимерных пленок.

Преимуществами разработанных термохромных композиций являются доступность компонентов, технологичность приготовления и стабильность свойств растворов в течение длительного периода времени.

Разработанные процессы отличаются технологичностью и не требуют изготовления многокомпонентных микрокапсулированных систем, как это предусмотрено в существующих до настоящего времени технологиях производства подобных индикаторов.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались: на 9 международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности » (Санкт-Петербург, 2010); ежегодно в период с 2008 по 2011 г на заседаниях и семинарах кафедры Инновационных технологий и управления МГУП имени Ивана Федорова.

Личный вклад автора в исследования, вошедшие в диссертацию, заключался в постановке задач, планировании и проведении кспериментов, разработке и освоении методик исследований, частично в обсуждении экспериментальных результатов и разработке технологических рекомендаций.

Публикации. По тематике работы опубликованы 5 научных статьей и тезисов докладов на международных научно-технических конференциях, из них 1 публикация в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка. Основной текст диссертации содержит 148 страниц, включая 8 таблиц и 71 рисунок.

Положения, выносимые на защиту

1. Влияние структуры и модификации поверхности полимерных пленок из ПЭТФ и ПП на условия агрегирования полиметиновых красителей;

2. Условия получения термохромных эффектов слоев полиметиновых красителей на поверхности полимерных пленок из ПЭТФ и ПП. Результаты исследований оптических свойств, морфологии и химической структуры поверхности слоев полиметиновых красителей при изменении температурных условий и способа их нанесения на полимерные пленки методами спектрофотометрии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Результаты исследований фотохимической стабильности термохромных слоев.

3. Технологические схемы и рекомендации по созданию производственной технологии изготовления термохромных индикаторов и упаковки с термохромными элементами для их реализации в полиграфической технологии.

Содержание работы

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

В Главе 1 дан аналитический обзор работ, посвященных существующим, используемым и исследуемым в настоящее время термохромным системам. Показано, что перспективными, но мало изученными в качестве термохромных систем термочувствительными соединениями являются полиметиновые красители. Описаны оптические и термохромные свойства полиметиновых красителей, механизм образования J-агрегатов, рассмотрены особенности протекания процесса J-агрегирования в зависимости от состава растворов, типа и модификации поверхности. Изложены способы нанесения растворов полиметиновых красителей на поверхности различного типа. Приведены способы модификации полимерных пленок, в том числе описана модификация поверхности полимерных пленок в коронном разряде.

Объекты исследования

При проведении экспериментальных работ использовались промышленные образцы двуосноориентированных полимерных пленок из ПЭТФ толщиной 25 мкм и ПП толщиной 35 мкм, а также порошки пиридиниевой соли 3,3’-ди-(γ-сульфопропил)- 4,5,4’,5’-дибензо-9-этил-тиатриметинцианинбетаина, 1,1’-диэтил-2,2’-цианид иодида и трибутиламмониевой соли 3,3’-ди--сульфопропил-9-этил-5-метил-5’-фенилтиакарбоцианинбетаина в качестве основы термохромных композиций.

Методы исследования

Оптические свойства термохромных слоев исследовались методом спектрофотометрии с использованием прибора X-Rite SpectroEye. Изучение морфологии поверхности термохромных слоев осуществляли с помощью высокоразрешающего автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа JSM 7500F (JEOL, Япония). Химическая структура поверхности слоев анализировалась с помощью РФЭС на двухкамерном рентгеновском фотоэлектронном спектрометре JPS-9200 (JEOL, Япония) с использованием монохроматизированного излучения AlK_. Термохромные эффекты оценивались с помощью специальной установки в интервале температур от -20 ºС до 80 ºС с точностью измерения ± 3 ºС.

В работе исследовались условия формирования и термохромные свойства слоев полиметиновых красителей на поверхности полимерных пленок из ПЭТФ и ПП методами испарения растворителя на воздухе и в ультразвуковом (УЗ) поле, методом spin coating и способом флексографской печати.

Результаты исследования

В процессе нанесения печатного изображения полиграфическими способами упаковочные полимерные пленки в связи с гидрофобностью их поверхности подвергаются предварительной модификации, чаще всего посредством обработки коронным разрядом.

В работе подробно исследованы процессы модификации поверхности ПЭТФ и ПП коронным разрядом.

Цель этих исследований - выявление факторов, которые могут повлиять на термохромные свойства полиметиновых красителей и, как следствие, на технологический процесс печати термочувствительных слоев.