CC BY
31
УДК 678
А. А. Ефремова, Л. Р. Гарипова, А. Ю. Григорьев,
О. П. Кузнецова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ТЕРМОУСАДОЧНЫХ ПЛЕНОК
ПОСЛЕ КОРОННОЙ ОБРАБОТКИ
Ключевые слова: коронная обработка, многослойные термоусадочные пленки, поверхностная энергия, шероховатость,
коэффициент трения.
Методом атомно-силовой микроскопии исследована поверхность многослойных термоусадочных пленок до и после коронной обработки. Установлено влияние природы полимера внешнего слоя на топологию активируемой поверхности. Показано, что под действием коронного разряда происходит повышение шероховатости поверхности пленки, что приводит к увеличению коэффициента трения.
Keywords: corona treatment, multilayer shrink film, the surface energy, asperity, friction ratio.
Having used the atomic force microscopy method, we studied the surface of the multilayer shrink films before and after the corona treatment. The research has shown the influence of the polymer nature of activated layer on the effectiveness of treatment. It has proved that the asperity of the film surface increases under the corona effect, which leads to the increase of the friction ratio.
Введение
Для повышения адгезионных свойств при печати на полимерных пленочных
материалахперспективным,с технологической точки зрения, является метод коронной обработки поверхности пленки [1]. При этом происходит изменение поверхностной энергии пленки, которое фиксируется как повышение полярности поверхности, что увеличивает смачивающую способность поверхности печатными красками и способствуют образованию прочного сцепления связующего красок с поверхностью пленок [2]. Однако известно [3], что при нанесении жидких красок повышению адгезии способствует шероховатость поверхности подложки. Поэтому изучениеизменения шероховатости поверхности при коронной обработке пленок, имеющих высокую степень двуосной ориентации и обладающих высокой степенью термоусадки достаточно актуальная задача.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследований были выбраны 9-слойные термоусадочные пленки марок ПБ С-47 и ПБ М-50 производства ООО «НПП «Тасма» [4], полученные методом тройного раздува. Характеристики исследуемых пленок приведены в таблице 1.
Толщину пленок измеряли электронным толщиномеромРАЯАМСНУ-С2 с точностью 0.1 мкм. Значение статистического коэффициента тренияопределяли между внешними слоями пленки в соответствии с ISO 8295 на испытательной машине FP-2250 (Coesfeld, Германия). Коронную обработку проводили с помощью коронатораGTS 4TLX 4TUC фирмы FERRARINI & BENELLI (Италия), максимальная мощность генератора составляет 3500 Вт. Мощность коронатора варьировали в интервале от 1000 до 3000 Вт с шагом 200 Вт.
Таблица 1 - Характеристика многослойных пленок ПБ С-47 и ПБ М- 50
Наименование показателя Единица измерения ПБ С-47 ПВБ М-50
Толщина пленки мкм 45-50 45-55
Статистический коэффициент трения 0,225 0,197
АСМ-исследования поверхности 9-слойныхтермоусадочных пленок проводили на сканирующем атомно-силовом микроскопе MultiMode V в прерывисто контактном режиме.Оценка поверхностной энергии проводилась в соответствии с ISO 8296 тестовыми фломастерами AccuDyneTest с нормированным поверхностным натяжением. Стандартные номиналы фломастеров от 32 до 56 Дин/см, с шагом в 2 единицы.
Результаты и их обсуждение
Важнейшим фактом, обеспечивающим увеличение адгезионной способности полимерных пленок после коронной обработки, является образование развитого микрорельефа на поверхности. Для определения топографии поверхности 9-слойные термоусадочные пленки марок ПБ С-47 и ПБ М-50с внешней стороны активироваликоронной обработкой при дозе120 Вт*мин/м2[5].Внешними сторонами двух пленок являются линейный полиэтилен и полиамид, соответственно.
АСМ-исследования активированной
поверхности пленок на сканирующем атомно-силовом микроскопе MultiMode V показали, что образование структур в виде выступов происходит по всей поверхности пленок, независимо от типа полимера. Но форма выступов, высота, диаметр и количество пиков на площади в 1 мкм2 зависят от типа полимера обрабатываемого слоя. На рисунке 1
представлено АСМ изображение поверхности пленки ПБ С-47 до и после коронной обработки при 400 кратном увеличении.Видно значительное изменение топографии поверхности пленки после активации с образованием достаточно крупных фрагментов. Шероховатость поверхности и в случае полярного поверхностного слоя и в случае не полярного слоя увеличивается примерно в 1,5 раза. Однако характер изменения топологии сильно отличается.
. * ЛлГЛ
а б
Рис. 1 - Двух- и трехмерные АСМ изображения поверхности пленки ПБ С-47 до (а) и после (б) коронной обработки при 400 кратном увеличении
90008000150«: 6000-swo:
4000-ЗОИ-20001000 ■
.»1(11
s ю
Height [nmj
а
;000-60001 5000>
4000-I 3000£ 20001000-
О 5 10 15 10 25 SO 15 » -15
Height Jr.tn] б
Рис. 2 - Гистограммы распределения структурных образований по высоте на поверхности пленки ПБ С-47 до (а) и после (б) коронной обработки
На пленке ПБ С -47 с полиолефиновым слоем, которая до активации имела равномерное распределение пиков и впадин небольшого размера по всей поверхности, после обработки коронным разрядом наблюдается их укрупнение до достаточно крупных фрагментов, распределение которых по размеру показано на гистограмме (рис. 2).
Анализ гистограмм показывает, что распределение по высотам для пленок с разными поверхностными слоями имеет различный вид, как до, так и после обработки. Поверхность пленки ПБ С-47 после коронной обработки характеризуется более широким распределением неровностей по размерам, т.е. пик гистограммы уширяется. Если до обработки наблюдались образования размером в диапазоне 5-25 нм, то после обработки это
интервал стал значительно шире от 5 до 40 нм. Максимальное количество пиков остается на 15 нм, при этом количество образований данного размера уменьшается.
Пленка ПВБ М-50 с полиамидным поверхностным слоем до коронной обработки имеет единичные включения (пики), но они более крупные (рис. 3). После коронной обработки происходит равномерное структурирование по всей поверхности пленки с образованием равномерной упорядоченной структуры.
а б
Рис. 3 - Двух- и трехмерныеАСМ изображения поверхности пленки ПВБ М-50 до (а) и после (б) коронной обработки при 400 кратном увеличении
Распределение структурных образований по высоте представлены на гистограмме (рис.5).
¡500 1000 2500 2000 1500 10Ш
7000 6000 5000 4000 3000 2000
0 10 30 30 -к Height fni
Цц..,
а б
Рис. 4 - Гистограммы распределения структурных образований по высоте на поверхности пленки ПВБ М-50 до (а) и после (б) коронной обработки
На пленке ПВБ М-50 происходит изменение другого характера. До обработки на поверхности полиамидного слоя наблюдались образования с размерами в интервале 1-45 нм. Причем, обнаружилось несколько максимальных пиков для образований размером 10, 17, 20 нм. После активации пленки пик расширился. Размеры образований находятся в диапазоне 10-70 нм, но максимальный пик только один, смещенный в сторону больших значений (40 нм).
Таким образом, АСМ исследования показали увеличение шероховатости пленки, что не могло не сказаться на очень важном для упаковочных пленок показателе - коэффициенте трения. На рис. 5 показано изменение статического коэффициента трения между внешними
поверхностями активированнои пленки и ее энергии от дозы коронного разряда для пленки ПБ С-47.
40 60
Е^ВЛлпрм1
Рис. 5 - Зависимость статического коэффициента трения (♦) и поверхностной энергии (■) от дозы коронного разряда для пленки ПБ С-47
Видно, что увеличение дозы обработки до 45 Вт*мин/м2 практически не меняет статический коэффициент трения. Дальнейшее увеличение дозы приводит к росту коэффициента трения до значений 0,28. Интересно наблюдать корреляцию данных по характеру изменения поверхностной энергии от дозы и статического коэффициента трения. Кривые одинаковые по характеру и практически параллельны друг другу. Это дает основание предполагать, что шероховатость один из важнейших факторов, влияющих на изменение поверхностной энергии полимерных пленок после коронной обработки.
Рис. 6 - Зависимость статического коэффициента трения (♦) и поверхностной энергии (■) от дозы коронного разряда для пленки ПВБ М-50
Такие же зависимости наблюдается и по пленке ПВБ М-50. На рис. 6 видно, что пленка ПВБ М-50отличается от ПБ С-47 только характером
от дозы
поддержке Российской
кривой - более резкий подъем значений, как поверхностной энергии, так и коэффициента трения с выходом на постоянное значение.
Заключение
Таким образом, установлено влияние природы полимера активируемого слоя на изменение топологии обрабатываемой поверхности. Методом АСМ обнаружено формирование конусообразных структур, частота и порядок расположения которых зависит от типа полимера. Показано, что под действием коронного разряда происходит повышение шероховатости поверхности пленки, что приводит к увеличению коэффициента трения.Найдена корреляция между изменением поверхностной энергии пленок и изменением статического коэффициента трения коронной обработки. Работа проведена при финансовой Министерства образования и науки Федерации в рамках выполнения комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по договору № 02.G25.31.0037 согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Литература
1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для ВУЗов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев, А.В. Марков, И.Д. Симонов-Емельянов, П.В. Суриков, О.Б. Ушакова - М: Химия, 2004. - 600 с.
2.Аткинсон, Д. Поверхностная обработка пленочных материалов./Дейв Аткинсон //FlexoTech.- 2006.- № 1.
3.Митрофанов, В.П. Техника флексографской печати: учебное пособие. Часть 1/Пер. снем. под ред. В.П. Митрофанова/М.: Московский государственный университет печати, 2000. - 202 с.
4. Заикин А.Е. Методы получения двухосно-ориентированных термоусаживающихсяполимерных пленок с высокими барьерными свойствами. (Обзор)/ А.Е.Заикин, Р.М Гарипов//Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16.№ 20. - С. 87-93.
5. Ефремова А.А. Влияние коронной обработки на поверхностные свойства многослойных термоусадочных пленок/А.А.Ефремова, Л.Р. Гарипова, А.Ю. Григорьев, Д. Д. Храмов// Вестник технологического университета.-2015. - Т.18, №7.- С. 162-165.
© А. А. Ефремова - к.т.н., доц. каф. ТППК КНИТУ, annet_e@mail.ru, Л. Р. Гарипова - к.х.н., с.н.с. каф. ТППК КНИТУ, gar-leisan@yandex.ru, А. Ю. Григорьев - студент той же кафедры, О. П. Кузнецова - к.т.н., с.н.с. ООО «Антикор-Казань», oksi.kuznecova@mail.ru
© A. Efremova - c.t.s., associate professor of the department TPPK, KNRTU, annet_e@mail.ru, L. Garipova - c.c.s., s.r. of the department TPPK, KNRTU, gar-leisan@yandex.ru, A. Grigoryev - student of the department TPPK, KNRTU, O. Kuznetsova - c.t.s., s.r. of SPE «Antikor-Kazan», oksi.kuznecova@mail.ru.
