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

На правах рукописиБАКАНОВ ВАДИМ АЛЕКСАНДРОВИЧСВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК, АКТИВИРОВАННЫХКОРОННЫМ РАЗРЯДОМ, И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ВПРОИЗВОДСТВЕ УПАКОВКИСпециальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы(печатные средства информации)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре «Управление качеством» в ГОУВПО«Московский государственный университет печати».Научный руководитель:доктор технических наук,ст.

научный сотрудникБаблюк Евгений БорисовичОфициальные оппоненты:доктор технических наук,профессорНазаров Виктор Геннадьевич(заведующий проблемной лабораторией«Нанотехнологии в полиграфии»,ГОУВПО «Московский государственныйуниверситет печати»)кандидат технических наук,Марикуца Константин Семенович(региональный представитель СНГ попродажам, ООО «Ветцель», г. Москва)Ведущая организацияГОУВПО «Московский государственныйуниверситет прикладной биотехнологии»Защита состоится 22 апреля 2008 г. в 15:30 часов на заседанииДиссертационного совета Д 212.147.01 при ГОУВПО «Московскийгосударственный университет печати» по адресу: 127550, г.

Москва,ул. Прянишникова, 2а.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.Автореферат разослан 21 марта 2008 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.147.012Климова Е.Д.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В последнее время интенсивное развитие получаетпечать с использованием в качестве запечатываемого материала полимерныхпленок. Это в первую очередь, связано с бурным развитием индустрии повыпуску товаров в красочной упаковке из полимерных материалов. Крометого, интерес к печати на полимерных пленках значительно возрастет в связис внедрением новых технологических процессов изготовления электронныхмикросхем полиграфическими методами. При разработке новых процессов,связанных с печатью на полимерных пленках требуется определить граничные условия применения их в различных полиграфических процессах.Наиболее интенсивно, особенно в России, развивается производствоупаковки для пищевых продуктов.

Все чаще в качестве упаковочного материала, как для пищевых, так и других продуктов используются полимерныепленки из полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата(ПЭТФ). Находят применение для этих целей и многослойные пленочныесистемы.Как правило, большинство полимерных материалов, в том числе и перечисленных выше, являются гидрофобными, вследствие чего краски плохосмачивают поверхность полимерной пленки, при этом не обеспечивается необходимый уровень адгезионной прочности на границе «полимерная пленка– печатная краска».

Анализ научной литературы показывает, что это можетбыть достигнуто при активации полимерной пленки в пламени газовой горелки, в поле электрических разрядов или путем нанесения дополнительныхслоев, так называемых «праймеров». В связи с этим, исследование особенностей и разработка методов управления качеством печати на гидрофобной полимерной подложке являются весьма актуальными.Цель и направления исследования. Цель данных исследований заключается в разработке научно обоснованных технологических рекомендацийдля полиграфических предприятий, использующих различные методы печатина полимерных пленках.

В соответствии с проведенным анализом научнотехнической и патентной литературы основными задачами диссертационнойработы являются:• изучение явлений сопровождающих обработку полимерных пленок коронным разрядом и установление закономерностей изменения структуры поверхностных слоев под действием электрического поля коронного разряда;3• разработка рекомендаций в части технологии обработки коронным разрядом полимерных пленок, предназначенных для использования в качествеупаковочного материала;• разработка рекомендаций для конструирования и изготовления экспериментальной установки для активации полимерных пленок высокочастотным коронным разрядом.В результате теоретических и экспериментальных исследований решеназадача 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.Научная новизнаВ результате теоретических и экспериментальных исследований решенаважная для отрасли задача повышения адгезионной прочности на границеполимерная пленка (ПЭ, ПП, ПЭТФ) – печатная краска:- экспериментально установлено, что увеличение адгезионной способности полимерных пленок (ПЭ, ПП, ПЭТФ), обработанных высокочастотнымкоронным разрядом, к печатным краскам, обусловлено повышением в поверхностном слое пленки концентрации карбоксильных и гидроксильныхгрупп, а также структурными изменениями в поверхностном слое полимера,связанными с увеличением доли кристаллической фазы полимера;- определено, что гидрофильность поверхности полимерных пленок (ПЭ,ПП, ПЭТФ), в основном определяется плотностью поверхностного заряда,образовавшегося под воздействием электрического поля коронного разряда;- доказано, что активация полимерных пленок (ПЭ, ПП, ПЭТФ) короннымразрядом в режимах, рекомендованных для применения в технологическомпроцессе, не ухудшает физико-механические характеристики этих пленок.Практическая ценность работы состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к технологическому процессуактивации 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.

Длякрасок на водной основе предпочтительным будет следующий режим активация коронным разрядом: Uк = 16 кВ; зазор – 0,5 мм, частота 20–30 кГц,продолжительность – 0,5 с.4Разработанная конструкция установки для активации полимерных пленок коронным разрядом может быть использована в качестве прототипа дляполиграфических предприятий, специализирующихся на печати упаковочнойпродукции.Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в работе, докладывались на 11-й международной конференции студентов и аспирантов в 2006 году в Казани; на 34-ой международной конференцииIARIGAI-2007 в Гренобле, Франция; на ежегодной конференции молодыхученых МГУП 2005 г, а также в 2005, 2006, 2007 г.г. на научных семинарахкафедры «Управление качеством» МГУП.Публикации.

По результатам диссертации опубликованы 5 печатныхработ.Структура и объем работы. Представляемая диссертационная работасостоит из введения, 4 глав, заключения, перечня сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов, библиографического списка использованной литературы из 87 наименований. Диссертационная работа изложенана 93 страницах, содержит 35 рисунков и 14 таблиц.Положения, выносимые на защиту1. Релаксационные зависимости поверхностной плотности электрического заряда и гидрофильности поверхности полимерных пленок впроцессе их хранения после активации коронным разрядом;2.

Зависимости адгезионной прочности пленок из ПЭ, ПП, ПЭТФ, активированных коронным разрядом, от концентрации карбоксильныхи 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 пленокпоглощать растворители по сравнению с исходными образцами., отповерхностной плотности инжектированного электрического заряда.5СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и направления исследования, изложены основные результаты.Первая глава диссертации представляет собой аналитический обзор литературных данных, в которых рассмотрены вопросы истории развития и современные представления о механизме активации полимерных материаловэлектрическими разрядами.

Рассмотрены явления сопровождающие активацию полимерных материалов коронным разрядом. Описаны методы и конструктивные особенности устройств для активации, использование которыхприводит к возрастанию адгезионной способности обрабатываемых поверхностей.На основании анализа научной и патентной литературы выбраны перспективные направления исследований в области модификации поверхностиполимерных пленок, используемых в качестве упаковочных материалов.Вторая глава посвящена характеристике объектов и методов исследования. В работе использованы три типа полимерных пленок – из полиэтилена(ПЭ), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТФ), толщиной от 20до 100 мкм.Пленки из ПП и ПЭТФ, примененные в работе были получены методомплоскощелевой экструзии с последующей ориентацией в 2-х взаимноперпендикулярных направлениях, с коэффициентом вытяжки вдоль 8,2 ипоперек 8,2 для ПП и 4 вдоль, 4 поперек для ПЭТФ.Пленки из ПЭ толщиной 20 мкм, получены методом экструзии черезкольцевую головку с последующей ориентацией методом раздува.

При этомкоэффициенты вытяжки колеблются в долевом направлении от 2–3 и впоперечном направлении 2–3.В работе использовались печатные краски как на водной основе, так и наоснове органических растворителей (этанол, этилацетат). В частности, быливыбраны водно-дисперсионная краска FlintGroup AquaFlex 007, в смеси спигментной пастой Orange и краска на основе органических растворителейFlintGroup Flexoplastol APF, в смеси с пигментной пастой Violet.В представленных красках не использовались усиливающие адгезиюприсадки.6Рис. 2.1 – Принципиальная схема экспериментальной установки для обработкиполимерных пленок ВЧ коронным разрядом, где 1 – коронирующий электрод;2 – полимерная пленка; 3 – диэлектрическое покрытие заземленного электрода;4 – заземленный электрод; 5 – высоковольтный трансформатор; 6 – ВЧ-генераторАктивацию полимерных пленок коронным разрядом проводили наустановке, принципиальная схема которой представлена на рис.

1.Конструкция установки позволяла осуществлять обработку полимерныхпленок коронным разрядом при следующих параметрах: зазор междуэлектродами регулируется в пределах 0,1–3,0 мм; напряжение в разрядномпромежутке регулируется в пределах 7–20 кВ; частота тока разряда 20–40 кГц; продолжительность обработки от 0,05 с.Исследования стандартных показателей физико-механических свойств, атакже релаксационных процессов и оценка параметров при циклическихнагрузках в полимерных пленках проводили на универсальной разрывноймашине РМ-50.Оценку гидрофильности поверхности полимерных пленок, какобработанных, так и не обработанных коронным разрядом осуществляли повеличине краевого угла смачивания дистиллированной водой. Для расчетакритического поверхностного натяжения поверхности полимерных пленокиспользовали значения краевых углов смачивания жидкостями с различнымизначениями поверхностного натяжения.Морфологию поверхностей полимерных пленок, активированныхкоронным разрядом, а также поверхностей после разрушения адгезионногосоединения (поверхность пленки, поверхность краски) изучали путеманализа микрофотографий, выполненных с использованием поляризации7онного микроскопа «Полам Р-312» по различным методикам.