Обробка коронним розрядом
При друку на полімерних матеріалах проблема поганої адгезії фарби — явище часте. Причина — неполярні речовини на їх поверхні, не дозволяють молекулам фарби вступати в сполуки з молекулами полімеру. До того ж до складу технічних плівок часто входять домішки (низькомолекулярні фракції полімеру, мономери, ковзні добавки, згодом мігруючі з маси до поверхні матеріалу), породжені виробничим процесом або наявністю спеціальних, які накопичуються на поверхні добавок.
Для хорошої адгезії фарби потрібні дві умови: належне змочування нею поверхні полімеру, що є передумовою створення хімічної сполуки молекул фарби і друкованого матеріалу. Для цього складу фарби повинен відповідати хімічними властивостями полімеру.
Рівень поверхневого натягу полімерних матеріалів. Для порівняння вказані значення для води і деяких металів
Щоб досягти необхідних якості друку і рівня змочуваності (гідрофільності) задрукованого полотна, його поверхня повинна бути попередньо оброблена коронним розрядом, полум'ям, плазмою атмосферного тиску або хімічно насичена фтором. Переваги методик — легкість застосування, невеликі виробничі витрати, зниження браку. Додатковий плюс розглянутих у статті перших двох — можливість включення до складу друкарської машини компактних обробних модулів.
Як це працює
Фізична обробка поверхні полотна передбачає зміна її властивостей (підвищення рівня поверхневої енергії) під впливом плазми, що генерується електричним розрядом або полум'ям. Суть — впровадження в поверхневі молекули атомів кисню, а в разі обробки полум'ям — груп OH. Підсумок — утворення полярних молекул, що збільшують поверхневу енергію матеріалу (див. врізку «Неполярні полімери»).
Довгі молекулярні ланцюжки полімеру руйнуються, покращуючи з'єднання з молекулами фарби. Властивості полімерного матеріалу не змінюються, бо модифікація зачіпає невеликий поверхневий шар. Не менш важливий результат — поверхня на мікрорівні стає шорсткою, її корисна площа зчеплення з фарбою збільшується. Коли верхній шар жирових, масляних і інших домішок не занадто товстий, запечатываемое полотно додатково очищається.
У таблиці наведено величини поверхневого натягу необроблених полімерів. Дані корисні, бо часто занижені реальні характеристики — ознака чужорідних речовин на поверхні полотна, надають негативний вплив на подальшу обробку.
Одна з улюблених тем професіоналів — обговорення необхідної для якісного друку величини поверхневого натягу, рекомендовані значення якої різняться. Практика ж підтверджує чільну роль конкретної прикладної задачі. При використанні фарб, лаків і клеїв на водній основі укупі з дешевими полімерами вимоги до рівня поверхневого натягу різко зростають. А при високих вимогах до якості друку і адгезії фарби попередній обробці піддаються навіть не вимагали її матеріали.
Висока поверхнева енергія полімерного матеріалу не гарантує хорошої адгезії фарб/лаку/клею і належного його зволоження, але сприяє їх рівномірному розподілу, створюючи умови до вступу в реакцію з молекулами полімеру. Передумови такої реакції створюють процедури попередньої обробки полімерної поверхні. Виходячи з досвіду, можна сказати: чим краще попередня обробка полімеру, тим краще зчеплення з ним фарб.
Про попередні результати можна судити за результатами контролю поверхневого натягу — вимірювання крайового кута змочування за допомогою так званих «тестових чорнила» з відомим рівнем поверхневого натягу. Остаточні висновки робляться після перевірки адгезії барвистого відбитка за допомогою «скотч-тесту», спектрометричного аналізу, перевірки стійкості на стирання.
Високочастотний коронний розряд
Давно відомо, що його цілеспрямоване використання покращує адгезію фарби до полімерних матеріалів. Спрощений принцип дії розряду показаний на рис. 1.
Рис. 1. Схема обробки полімерного матеріалу коронним розрядом
Високовольтний електрод встановлюється на невеликій відстані від поверхні матеріалу, позаду якого розміщується заземлений контрэлектрод. Розряд формується в повітряному прошарку, де концентрується велика кількість активованих атомів і молекул. Інтенсивне бомбардування полімерного матеріалу електронами руйнує його молекулярні ланцюжки, в місцях розриву яких накопичуються радикальні молекули кисню. Раніше неполярном субстраті утворюються полярні молекули, з якими можуть з'єднатися молекули фарби. В цілях створення рівномірної високовольтної плазми використовується висока напруга з частотою 25-50 кГц.
Обробці можуть піддаватися як провідні, так і ізолюючі матеріали. У першому випадку знаходиться під високою напругою електрод повинен бути ізольований діелектриком (кераміка або силікон), щоб уникнути пробою матеріалу при короткому замиканні. У складі станції обробки коронним розрядом — генератор, високовольтний трансформатор, головний електрод і
контрэлектрод.
Високовольтні генератори, як правило, виготовляються на напівпровідникових схемах, в порівнянні з ламповими версіями їх потужність і надійність вище, а перешкоди значно менше (особливо при розміщенні високовольтного трансформатора близько до електроду).
Оскільки зазор між електродом і контрэлектродом, як правило, 1-2 мм, коронаторы застосовуються для обробки плоских матеріалів — фольги, пакувальних і етикеточних плівок. Використання їх для обробки виробів спеціальної форми (стаканчики, тюбики та ін ) економічно вигідно лише при великих обсягах виконуваних робіт.
На рис. 2 представлений варіант станції коронування для обробки фольги. Проводка матеріалу — з допомогою заземленого транспортного валика, над яким розташовані один або кілька електродів.
Рис. 2. Блок-схема пристрою для коронної обробки фольги
Якщо ширина полотна менше робочої ширини станції, а основний електрод не ізольований (при роботі з непровідним матеріалом), контрэлектрод (несучий валик) обов'язково повинен бути покритий ізолюючим матеріалом, який запобігає коротке замикання по краях.
Обробка полум'ям
Принцип простий. У процесі згоряння при 1800 °C залишається невитрачений кисень (слабке полум'я), частково знаходяться в активній формі продукти згоряння (CO2, H2O) і активні радикали (O, OH), здатні поляризувати поверхню полімеру, розриваючи довгі молекулярні ланцюжки полімеру і прикріплюючись до них у місцях розриву. Підсумок — підвищення поверхневої енергії і гідрофільності матеріалу.
Результати обробки полум'ям залежать від типу пальника і її налаштувань — співвідношення обсягів пального газу і повітря; витрати проходить через пальник речовини (потужність); швидкості обробки (проходження полум'я над поверхнею); відстані між полум'ям і оброблюваною поверхнею.
Рис. 3. Оптимальний режим налаштування газової пальники дасть максимум поверхневої енергії матеріалу
Як видно з рис. 3, оптимальні налаштування допомагають сформувати ефективний режим обробки, що забезпечує максимальне значення поверхневої енергії, яка залежить від типу полі мірного матеріалу та його складу (різноманітні добавки здатні кардинально змінити результат). Правильний підбір витрати газу дозволяє заощадити до 50% енергії.
Хоча чим більше потужність пальника і краще обробка, надлишок підведеної енергії призводить до зниження рівня активації через оплавлення поверхні або дифузії матеріалу.
Такий важливий параметр, як концентрація кисню в полум'я, регулюється співвідношенням суміші. Невеликий надлишок повітря (слабка суміш, температура полум'я незначно знижується) призводить до неповноти згоряння кисню, що залишається в продуктах горіння в активній формі, що, як правило, призводить до дуже гарних результатів.
Перевірені співвідношення суміші такі:
метан (природний газ) /повітря — 1/10 (і більше);
пропан/повітря — 1/25 (і більше);
бутан/повітря — 1/33 (і більше).
Час дії полум'я на поверхню визначають потужність пальника і швидкість обробки. Для підвищення останньої слід збільшити потужність пальника. При роботі з термочутливими матеріалами швидкість повинна бути мінімальною — малопотужні пальники повинні працювати на невеликій відстані від поверхні 1.
Плазмова обробка
Рис. 4. Схожа на полум'я електрична плазма низької частоти формує довгий факел і створює для поверхні полімеру більш низьку теплову навантаження
Одна з розроблених Arcotec рішень не дозволяє ізолювати електрод, що працює в режимі короткого замикання, — серія іскрових розрядів, що випускається в що проходить між електродами потік повітря, генерує безперервну електричну плазму (рис. 4).
Завдяки зниженню частоти розрядів довжина плазмового факела збільшується, простіше змінити його напрямок. Ширина обробки однієї електродної головки (їх може бути кілька), в залежності від потужності, досягає 60 мм. Рівень теплового навантаження на поверхню полімеру, на відміну від газового полум'я, пренебрежимо малий. Досягає 10 м/хв швидкість обробки невелика для друкарських машин, але достатня для обробки об'ємних деталей.
Не менш цікаві також базуються на технології розрядів короткого замикання системи обробки атмосферної плазмою. Суть — формування розряду між стінками заземленої металевої труби і розташованим в її центрі електродним наконечником. Паралельно з генерацією електричних розрядів через трубу видувається повітряний потік, виносить з неї активовану газову плазму. Ефективність пристрою не настільки висока, як у раніше описаної системи, оскільки мова йде не про високочастотної іскровий плазмі, а лише про активованому газовому потоці. Тим не менш, його температура вище іскровий середовища низькочастотного коронатора (але нижче, ніж у газового полум'я), і він може успішно обробляти струмопровідні поверхні.
Макс. ширину обробки (10-15 мм) можна збільшити переміщенням електродної головки або використанням декількох. Апарат такого типу оптимальний для вузьких стрічок. У зв'язку з високою концентрацією енергії швидкість обробки може досягати 200 м/хв
Про авторів: Вернер Екерт, технічний фахівець компанії Arcotec, Андрій Семич, генеральний директор, Андрій Зориков, технічний фахівець компанії UV-Service.
Тестові чорнило
Наносяться на субстрат маленькій пензликом або фломастером. Якщо збираються в краплю — поверхнева енергія полімеру нижче, ніж у чорнил. Залишаються на місці не менше 2 с або розпливаються — дорівнює або більше. Збільшення поверхневої енергії полімеру в першу чергу слід розглядати як результат успішної попередньої обробки і лише потім як індикатор поліпшення адгезійних властивостей покриття.
Коли в ході перевірки властивостей покриття з'ясовується, що при певному рівні поверхневої енергії (наприклад, вище 38 мН/м) досягається хороша адгезія фарби, його отримання після коронної обробки і перед друком може стати критерієм якості.
Перевага способу — простота і досить висока точність (похибка поверхневого натягу чорнила ±1 мН/м, робочий діапазон 18-100 мН/м). Як правило, адекватну вибіркову перевірку дозволяють виконати чорнило з поверхневим натягом 30-56 мН/м.
Визначення крайового кута
Виконується на оптичній лаві», що складається з джерела світла, лінзи і системи проектування розміщеній на субстрат краплі на екран. Вимірювана величина — крайовий кут між змочується поверхнею і проходить над краплею дотичній.
Спосіб, як і метод перевірки тестовими чорнилом, заснований на оцінці гідрофільності поверхні, але із-за використання лабораторного обладнання менш підходить для оперативного контролю. Застосовуючи тестові розчини, можна визначити загальний поверхневий натяг і важливі полярні або дисперсійні складові поверхневої енергії.
Скотч-тест
Метод тестування адгезії фарби друкованого зображення з допомогою липкої стрічки набагато оперативніше. Завдання — визначити, які частини друкованого зображення переходять на липку стрічку після її приклеювання і різкого відриву. Бажано використовувати липку стрічку з нормованим рівнем адгезії, так як дуже часто скотч з різних рулонів дає різний результат.
Довговічність попередньої обробки
Повышение поверхностной энергии (мН/м или дин/см) пленки непостоянно и со временем исчезает. Причины — увеличение возраста материала, наличие примесей и внешние факторы (температура и влажность воздуха). В общем случае, чем сильнее обработан материал, тем быстрее падает его активация. Установлено, что пленки с большой концентрацией скользящей добавки (1200 частиц на 1 млн) уже после 24 часов хранения непригодны к печати. Результат — обязательность вторичной обработки в печатной машине. «Вылеживание» таких пленочных материалов может обернуться тем, что в случае их изготовления без предварительной обработки через некоторое время требуемый уровень поверхностной энергии будет в принципе недостижим.
Как видно из графика, уровень активации очень быстро падает в начальный период хранения материала, причем скорость спада для пленок с более высоким уровнем обработки выше, чем со стандартным. По прошествии периода первоначального спада падение уровня активации происходит значительно медленнее.
Неполярные полимеры
Полімери — синтетичні матеріали, частково складаються з довгих гомогенних молекулярних ланцюжків, що формують міцний і однорідний продукт. Стикаючись і з'єднуючись по краях, молекулярні ланцюжки поліолефінів подовжуються ще більше, кількість відкритих кінців і контактів з поверховістю зменшується. Підсумок — освіта неполярних полімерних матеріалів.
Під час коронарної обробки прискорювані електрони проникають в поверхню полімерів, руйнуючи довгі молекулярні ланцюжки і створюючи велику кількість відкритих молекулярних решт (вільних валентностей), що утворюють карбониловые групи з атомами кисню, отщепляемыми від молекул озону О3. Описаний процес окислення підвищує адгезійні властивості матеріалу.
