Свойства полимерных пленок, активированных коронным разрядом, и особенности их применения в производстве упаковки, страница 2

В зависимостиот объекта исследования использовались методики изучения изображений,полученных в проходящем и отраженном свете. Для детализацииизображений, особенно полимерных пленок обработанных короннымразрядом использовали методику фазового контраста.Плотность поверхностного заряда на полимерных пленках,активированных коронным разрядом, определяли с помощью ИПЭП-1,позволяющего измерить величины заряда на поверхности, плотностиповерхностного заряда и напряженности электростатического поля.Оценку адгезионных свойств поверхностей полимерных пленокосуществляли путем испытания специально приготовленных адгезионныхсоединений методом нормального отрыва.Исследования структуры поверхностных слоев полимерных пленок,обработанных коронным разрядом, а также после разрушения адгезионногосоединения, проводили с использованием ИК Фурье спектрофотометраФСМ-1201, оборудованным приставкой многократного нарушенногополного внутреннего отражения (МНПВО).Способность полимерных пленок, активированных коронным разрядом,поглощать растворители оценивалась весовым методом с использованиемвесов ВЛ-300 (точность измерения 0,001 г в интервале 0-300 г).Исследование коэффициентов трения проводилось по методикестандартных испытаний статического и динамического коэффициента тренияполимерных пленок и листов, приведенной в ASTM D1894-E.В третьей главе представлены результаты исследований явлений, сопровождающих активацию полимерных пленок коронным разрядом и их роли в повышении адгезионной прочности на границе полимерная пленка – печатная краска.

Среди явлений, сопровождающих активацию полимерныхпленок коронным разрядом, особое место занимает возрастаниегидрофильности обработанной поверхности.Изменяя параметры коронного разряда (напряжение, зазор междуэлектродами, частота тока разряда, продолжительность обработки) можнополучить поверхность пленки с различной степенью гидрофильности.Причем полученные в процессе обработки коронным разрядом значениякраевых углов смачивания поверхности водой не являются постоянными и впроцессе хранения образцов увеличиваются.8Математическиобработав зависимости, Ө = f(t) были полученыуравнения для каждой из полимерных пленок вида (1):tt−−⎛Θ t = Θ ∞ ⎜1 − b1e τ 1 − b2 e τ 2⎜⎝⎞⎟⎟ , (1)⎠где, Θt – краевой угол смачивания, ˚;Θ∞ – предельный краевой угол смачивания, ˚;t – время, с;b1, b2 – безразмерные коэффициенты;τ1, τ2 – времена релаксаций, с.Для полимерных пленок (ПЭТФ, ПЭ, ПП) зависимость (1) будет иметьследующий вид (2), (3), (4) соответственно:tt−−⎛52 ,8⋅103,1⋅106⎜Θ t = 70 1 − 0,43 ⋅ e− 0,10 ⋅ e⎜⎝⎞⎟⎟⎠tt−−⎛52 , 3⋅104 , 3⋅106⎜Θ t = 86 1 − 0,47 ⋅ e− 0,12 ⋅ e⎜⎝⎞⎟⎟⎠tt−−⎛56Θ t = 82⎜1 − 0,54 ⋅ e 2,0⋅10 − 0,15 ⋅ e 2,9⋅10⎜⎝⎞⎟⎟⎠(2)(3)(4)Анализ зависимостей (2) – (4) позволяет констатировать, что процессизменения краевого угла смачивания поверхности полимерных пленок водойописывается экпоненциальными уравнениями - медленно спадающейрелаксацией с τ2 ≈ 106 с и быстро спадающей релаксацией с τ1 ≈ 105 с.

Этосвидетельствует о различной природе снижения гидрофильности в процессе9хранения обработанных коронным разрядом полимерных пленок вначальные и последующие промежутки времени.В зависимости от режимов обработки полимерных пленок короннымразрядом можно достичь различных значений гидрофильности поверхности.Если для не активированных коронным разрядом полимерных пленок(ПЭТФ, ПП и ПЭ), значения критических поверхностных натяжений равны42, 38 и 36 мН/м соответственно, то для этих же пленок можно достичьзначений 53, 55 и 57 мН/м.Исследования показали, что поверхностная плотность заряда дляисследуемых образцов полимерных пленок, обработанных короннымразрядом, в процессе их хранения также снижается, как и их гидрофильность.Расчет и обработка зависимостей изменения плотности поверхностногозаряда во времени, показали что процесс релаксации заряда описываетсяуравнением (5) следующего вида.t−⎛ −τtσ t = σ 0 ⎜ b1e 1 + b2 e τ 2⎜⎝⎞⎟⎟,⎠(5)где, σt – заряд на поверхности, нКл/см2;σ0 – начальный заряд на поверхности, нКл/см2;t – время, с;b1, b2 – безразмерные коэффициенты;τ1, τ2 – времена релаксаций, с.Для исследуемых полимерных пленок (ПЭТФ, ПЭ, ПП) зависимость (5)будет иметь следующий вид (6), (7), (8) соответственно:tt−−⎛51, 2⋅105, 2⋅10 5⎜σ t = −0,43 0,72 ⋅ e+ 0,28 ⋅ e⎜⎝⎞⎟⎟⎠tt−−⎛55σ t = −0,23⎜ 0,64 ⋅ e 1, 4⋅10 + 0,36 ⋅ e 7 , 2⋅10⎜⎝⎞⎟⎟⎠10(6)(7)tt−−⎛⎞51, 6⋅107 , 4⋅10 5 ⎟⎜σ t = −0,36 0,44 ⋅ e+ 0,56 ⋅ e⎜⎟⎝⎠(8)Сопоставлениезависимостей,описанныхуравнениями,представленными выше, позволило предположить, что изменениегидрофильности поверхности пленок в начальный период времени хорошосовпадает с быстро спадающей релаксацией заряда на поверхности этихпленок.Исследуя влияние коронного разряда, при различных режимахобработки, на коэффициент трения поверхности полимерных пленок,определено, что сколько-нибудь заметные изменения наблюдаются призначительной продолжительности активации (рис.

2).kтр0,5320,40,310,2406080100120tкор, сРис. 2 – Зависимость статического коэффициента трения (kтр) поверхности полимерныхпленок от продолжительности (tкор) обработки коронным разрядом*:1 – ПЭ; 2 – ПП; 3 – ПЭТФ* режимы обработки: Uк = 16 кВ; зазор 0,5 мм11Поэтому влиянием коронного разряда на коэффициенты тренияповерхности исследуемых пленок можно пренебречь, так как реальныепродолжительности воздействия коронного разряда на поверхность непревышают долей секунд.Исследуяморфологиюповерхностиполимерныхпленок,активированных коронным разрядом, было замечено, что при значительныхвременах обработки (более 2-х минут) изменение структуры поверхностногослоя выявлены в виде «протравливания» поверхности (рис. 3).

Причемнаправление этого травления поверхности всегда было направлено пододнимугломкпродольномунаправлениюориентациидвуосноориентированных полимерных пленок. Для ПЭТФ и ПП пленок этотугол составлял 10–12º для пленок из ПЭ это значение колебалось в пределах22–30º.При исследовании влияния коронного разряда на свойства поверхностиполимерных пленок методами ИК-спектроскопии МНПВО необходимо быловыбрать внутренний стандарт. В качестве внутреннего стандарта для ПЭТФбыла выбрана полоса при 1410 см-1, для ПП – 1160 см-1, для ПЭ – 1460 см-1,интенсивность которых не менялась при всех режимах активации короннымразрядом.Методом ИК-спектроскопии МНПВО было обнаружено некотороеувеличение интенсивности полос поглощения, характерных для колебанийкислород-содержащих групп для ПЭТФ пленок.

Это полосы при 1120, 1260(C–O) и 1725 см-1 (C=O). Кроме того, в результате анализа ИК-спектровМНПВО полимерных пленок, активированных и неактивированныхкоронным разрядом было показано, что интенсивность полосхарактеризующих упорядоченное состояние полимера (кристаллическаяфаза) возрастает по мере увеличения интенсивности обработки.12абвгРис. 3 – Микрофотографии поверхности полимерных пленок (б – ПЭ, в – ПП, г – ПЭТФ),обработанных и необработанных (а) коронным разрядом, полученные методом фазовогоконтрастаЭто может быть объяснено тем, что деструкция в поверхностном слоезатрагивает как правило аморфные участки, что приводит к болеерельефному подчеркиванию кристаллической структуры.Обработка активированной поверхности ПЭТФ пленки щелочнымирастворами приводит к появлению в спектре МНПВО новых полоспоглощения при 1560, 1400 см-1.

Согласно литературным данным, эти полосымогут быть отнесены к колебаниям карбоксилат иона. Причем это хорошовидно при записи компенсационных спектров. При записи спектровповерхности пленок из ПЭ, ПЭТФ, ПП, активированых коронным разрядомбыло обнаружено снижение интенсивности всего спектра по сравнению соспектром исходной поверхности.

Этот факт может быть объяснен13уменьшением площади контакта образца с кристаллом МНПВО из-запоявления микрошероховатостей. Последнее объясняется неоднородной поплощади деструкции слоя полимера.Учитывая, что при обработке полимерных пленок их поверхностьстановится более развитой а также поверхность приобретает электрическийзаряд определенной плотности, были обнаружены изменения способностиактивированных полимерных пленок поглощать растворители по сравнениюс исходными образцами.m, % масс.8463422124681012t, сутРис. 4 – Кинетика относительного приращения массы (m) четыреххлористого углерода(1,2) и метанола (3,4) поверхностями ПП пленки, активированной (2,4) и неактивированной (1,3) коронным разрядомНа рис.

4, в качестве примера представлены зависимости поглощенияполярного растворителя (метанола) и не полярного (четыреххлористогоуглерода) полимерной пленокой из ПП, обработанной коронным разрядом.Аналогичные зависимости были получены и для пленок из ПЭ и ПЭТФ.Сравнивая способность к поглощению растворителей активированныхполимерных пленок по отношению к полярным и не полярным жидкостям,можно констатировать, что воздействие коронного разряда приводит к14возрастанию этой способности.

Причем значительную долю растворителяполимер поглощает уже в первые сутки проведения эксперимента. Именнопо истечении этого времени поверхностный заряд еще остается достаточновысоким. А далее количество поглощаемой жидкости изменяетсянезначительно. Основным результатом экспериментов по изучениюпоглощения активированными коронным разрядом полимерными пленками –это значительное увеличение поглощения полярного растворителя всравнении с неполярным.Физико-механические свойства полимерных пленок, а именно ихстандартные характеристики σр, εр и E0, хорошо изучены и описаны влитературе. В связи с тем, что в реальных условиях, как в процессе печати,так и в процессе упаковывания полимерные пленки подвергаютсянезначительным нагрузкам и малым удлинениям научный и практическийинтерес представляет именно эта область.

Причем важно провестииспытания в режиме «растяжение-сокращение» а также зафиксироватьрелаксацию напряжений при незначительных деформациях.Для полимерных пленок, используемых в качестве упаковочныхматериалов, большое значение имеет уровень обратимых деформацийнагруженного образца после снятия нагрузки.Анализируя формы деформационных кривых различных полимерныхпленок, можно увидеть, что для образца ПЭ пленки деформации в 4%достигаются при более низких нагрузках, чем, для ПП и ПЭТФ пленок.Следовательно, модуль упругости для этой пленки значительно меньше чему остальных исследованных образцов. Исследования показали, чтодеформации в 2,5 % для пленок из ПЭТФ и ПП являются обратимыми, а дляпленки из ПЭ этот уровень несколько выше и составляет порядка 4 %.Обработка деформационных кривых для пленок из ПП, ПЭ и ПЭТФпозволяет обозначить предельные уровни растягивающих напряжений, придостижении которых деформации являются еще обратимыми.