CC BY
102
УДК 678
А. А. Ефремова, Л. Р. Гарипова, А. Ю. Григорьев, Д. Д. Храмов
ВЛИЯНИЕ КОРОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ТЕРМОУСАДОЧНЫХ ПЛЕНОК
Ключевые слова: коронная обработка, многослойные термоусадочные пленки, поверхностная энергия.
Исследовано влияние технологических параметров, таких как доза коронной обработки, скорость протяжки пленки на поверхностные свойства многослойных термоусадочных пленок. Установлено влияние природы полимера активируемого слоя на эффективность обработки.
Keywords: corona treatment, multilayer shrinkfilm, the surface energy.
The influence of process parameters such as the dose of corona treatment, feeding speed of the film on the surface properties of multilayer shrink films was investigated. The influence of the polymer nature of activated layer on the effectiveness of treatment was found.
Введение
Гибкая полимерная упаковка в настоящее время активно используется для упаковки различных видовпищевых продуктов: сырных, мясных, рыбных, бакалейных изделий, кондитерской продукция, специй, чая, кофе и многого другого. Такая упаковка обеспечивает длительную сохранность упакованной продукции, удобство использования и транспортировки, отличный товарный вид [1].
Условия рынка требуют, чтобы упаковка выполняла не только защитные функции, но и выделяла продукт среди большого количества конкурентов. Качественная полноцветная печать, которая наносится непосредственно на полимерную пленку, дает возможность получить яркую индивидуальную упаковку. Для этого можно использовать флексографскую, глубокую и трафаретную печать [2].
Одной из проблем при нанесении печати на поверхность полимерных пленок является несоответствие поверхностной энергии полимерных пленок с поверхностным натяжением печатных красок. Полимерные пленки представляют собой химически инертные и не впитывающие поверхности с низкой поверхностной энергией [3]. Поэтому они не могут обеспечить требуемый уровень адгезионного взаимодействия с печатными красками, клеями и другими адгезивами. Для обеспечения хорошей адгезии между поверхностью полимерной пленки и печатной краской, поверхностная энергия пленки должна превышать поверхностное натяжение краски примерно в 2-10 Дин/см2 [4].
Существует несколько методов улучшения поверхностного натяжения полимеров: обработка коронным разрядом, травление кислотой или плазмой, обработка газовым пламенем и грунтование [5]. Наиболее распространенным среди всех методов является коронный разряд, так как главным преимуществом данного метода является егосовместимость как с технологией изготовления пленки, так и с технологией печати. Секция
коронной обработки легко интегрируется в основное технологическое оборудование в виде дополнительной секции.
Эффект повышения поверхностной энергии полимеров при коронной обработке объясняется рядом процессов (окисление с образование полярных групп, сшивание, деструкция), ведущих к изменению структуры и поверхностных свойств полимера. Функциональные группы (карбонильные, карбоксильные гидропероксидные и гидро-ксильные), образовавшиеся в результате реакций окисления, вызывают наилучший эффект повышения поверхностной энергии полимерной пленки [6,7].
В связи с этим, важное значение приобретает умение целенаправленно управлять технологическими параметрами коронной обработки в зависимости от природы полимерной пленки. Целью данного исследования являлось изучение влияния технологических параметров процесса коронной обработки на энергетические характеристики многослойных термоусадочных полимерных пленок и определение длительности сохранения эффекта коронной обработки.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследований были выбраны 9-слойные термоусадочные пленки марок ПБ С-47 и ПБ М-50 производства ООО «НПП «Тасма» [8], полученные методом тройного раздува. Толщину пленок измеряли электронным
толщиномером PARAMCHY-C2. Чувствительность прибора- 0.1 мкм. Натяжение при смачивании определяли в соответствии с по ISO 8296 тестовыми фломастерами Accu Dyne Teste нормированным поверхностным натяжением. Стандартные номиналы фломастеров от 32 до 56 Дин/см, с шагом в 2 единицы.
Характеристики исследуемых пленок приведены в таблице 1.
Коронную обработку проводили с помощью коронатора GTS 4TLX 4TUC фирмы FERRARINI & BENELLI (Италия) с максимальной мощностью генератора 3500 Вт. Мощность коронатора
варьировали в интервале от 1000 до 3000 Вт с шагом 200 Вт. Коронную обработку проводили протяжкой пленки через коронатор с различными скоростями. Операционная система коронатора автоматически определяла дозу коронного разряда для всего диапазона мощностей.
Таблица 1 - Характеристика пленок ПБ С-47и ПБ М- 50
многослойных
Наименование показателя ПБ С -47 ПБ М-50
Толщина пленки, мкм 47±2 50±5
Поверхностная энергия пленок до коронации, Дин/см 30 40
Результаты и их обсуждение
Известно, что доза, которая воздействует на полимерную пленку, зависит от скорости ее движения через коронатор [5-7]. Поэтому представляло интерес изучение зависимости дозы воздействия от мощности генератора и скорости протяжки пленки. Полученная зависимость представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Зависимость дозы коронного разряда от приложенной мощности при скорости протяжки коронируемой пленки15 (♦); 20 (■); 30(А); 35 (х) и 53 (*) м/мин
Из рисунка видно, что доза воздействия существенно зависит от скорости протяжки пленки. Причем при высоких скоростяхпротяжки доза будет существенно ниже, что затруднит процесс активации трудно коронируемых полимеров. Т.к. на экструзионных линиях скорость протяжки определяется скоростью экструзии, управлять процессом коронной обработки при известной скорости основного технологического процесса можно с помощью изменения мощности генератора.
На рисунке 2 представлена зависимость дозы коронирования от скорости протяжки пленки при различных мощностях, которая позволит выбирать необходимую мощность генератора для обеспечения одинаковой дозы воздействия при различных скоростях протяжки пленки. Выбор
мощности генератора обусловлен возможностью обеспечения необходимого уровня активации полимерной пленки при минимальных значениях мощности.
140
120
100
Е 80
rf 60
Н
«
G 40
20
0
Рис. 2 - Зависимость дозы коронного разряда от скорости протяжки пленки при различной мощности коронатора GTS 4TLX 4TUC: 1000 (♦); 1200 (■); 1400 (▲); 1500 (х); 1600 (.); 1800 (•); 2000 (♦); 2100 (•); 2200 (+); 2400 (♦); 2500 (■); 2800 (▲) и 3000 (х)
Из рисунка видно, что на всех режимах работы генератора резкий спад дозы воздействия наблюдается при изменении скорости в диапазоне от 15 до 30 м/мин. Дальнейшее увеличение скорости не оказывает существенного влияния на дозу воздействия, значение которой, начиная со скорости 35 м/мин, в основном зависит от мощности генератора.
Для изучения влияния технологических параметров коронной обработки исследовали эффективность обработки при различных дозах. На рисунке 3 представлены зависимости влияния дозы коронной обработки на поверхностное натяжение пленок ПБ М - 50 и ПБ С - 47.
60
-10
ю
50
70
90
110 130
D.IH мни м-
Рис. 3 - Изменение поверхностной энергии пленок ПБ М-50 (♦) и ПБ С-47 (■) от дозы коронной обработки при скорости протяжки 20 м/мин
Видно, что увеличение дозы коронной обработки оказывает различное влияние на поверхностную энергию пленок. Пленка ПБ С-47 с поверхностным слоем из неполярного полимера (полиолефин), имеющая начальное низкое
поверхностное натяжение, слабо реагирует на повышение дозы коронной обработки. На графической зависимости можно условно выделить три участка. На I участке увеличение дозы (до 10 Вт*мин/м2) не вызывает изменений значений поверхностной энергии. При значениях дозы в интервале 15-32 Вт*мин/м2 наблюдается незначительное увеличение поверхностной энергии полимерной пленки. Прирост составил 16,6 % от первоначального значения. На III участке достигнутое значение поверхностной энергии стабилизируется и не изменяется при увеличении дозы обработки.
Для пленки ПБ М-50 с поверхностным слоем из полярного полимера (полиамид) прирост поверхностной энергии существенно выше. Эту зависимость можно условно разделить на два участка. На участке I наблюдается быстрый прирост (около 47%) -значений поверхностной энергии с 38 дин/см до 56 дин/см. Участок II характеризуется постоянным значением поверхностной энергии, увеличение дозы не меняет значений поверхностной энергии пленки.
Повышение поверхностной энергии пленок можно объяснить следующим механизмом: полимеры состоят из длинных линейных макромолекул. Согласно [9], во время воздействия коронного разряда на поверхность полимерной пленки происходитразрушение основной цепи макромолекулы с образованием радикалов способных реагировать с озоном, который образуется в поле коронного разряда в воздушной среде.
В работах [7, 10] были получены ИК спектры полипропиленовой пленки с использованием приставки МНПВО до и после коронной обработки. В изученных спектрах обнаружен пик поглощения в области 1720-1760 см-1, характерный для полос поглощения валентных и деформационных колебаний карбоксильной группы (С=О). Это свидетельствует об образовании кислородо-содержащих функциональных групп в процессе коронирования пленок. ИК-спектроскопия необработанной пленки показала отсутствие характерных пиков, что говорит об отсутствии кислородосодержащих групп на поверхности пленки.
Важным фактором в производстве упаковочных пленок с коронным разрядом является способность сохранять эффект обработки в течение определенного периода. Поэтому в работе исследовали стабильность эффекта коронной обработки. Результаты представлены на рисунке 4.
Исследования показали, что пленки достаточно стабильно сохраняют эффект коронной обработки. Снижение эффекта коронирования наблюдается только через 30 дней после обработки. Для пленки ПБС-47 снижение более значительно и составляет 5 %. Причем, пленки обработанные при высоких дозах, сохраняют эффект обработки в течении большего времени хранения. Значение поверхностной энергии таких пленок остается на 12% выше первоначального уровня. Это говорить о
том, что в поверхностных слоях пленки при коронной обработке происходят процессы двух типов: обратимые, связанные с физическими явлениями воздействия поля коронного разряда на поверхность полимера и необратимые химические, приводящие к образованию новых функциональных групп на поверхности полимерной пленки.
Рис. 4 - Изменение поверхностной энергии коронированных пленок ПБ С-47 (♦) и ПБ М-50 (■) в процессе хранения. Доза коронной обработки 49 Вт*мин/м2
Заключение
Установлено, что повышение дозы коронной обработки ведет к увеличению значения поверхностной энергии пленок. Пленка ПБ С-47, имеющая полиолефиновый поверхностный слой, поддается активированию труднее, чем пленка ПБ М-50 с полиамидным поверхностным слоем. Для активированияпленки ПБ М-50 до необходимого технологического уровня необходимо приложение дозы 15-20 Вт*мин/м2. Для активирования пленки ПБ С - 47 необходимо более существенная доза 40 (Вт*мин/м2). Поверхностная энергия пленок повышается при увеличении дозы до определенного предела, зависящего от полимера. Поэтому проведение коронной обработки необходимо вести на минимальных дозах, обеспечивающих требуемый уровень активации. Повышение скорости протяжки пленки, приводит к снижению эффективности обработки поверхности полимерных пленок.
Проведена оценка стабильности эффекта коронной обработки в процессе складского хранения. Установлено, что технологически требуемая величина поверхностной энергии полимерных пленок стабильно сохраняется на протяжении 30 суток после коронной обработки. Затем наблюдается снижение этих значений. Скорость и уровень падения значений поверхностной энергии зависят от начального уровня обработки. Пленки обработанные на высоких дозах дольше сохраняют эффект активации.
Для проведения процесса коронной обработки на оптимальных технологических параметрах получены зависимости дозы воздействия от мощности генератора GTS 4TLX 4TUC при различных скоростях протяжки пленки. Полученные зависимости позволяют проводить
процесс коронной обработки полимерных пленок с минимальной энергоемкостью процесса и с учетом требуемого уровня обработки.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России), 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. Снежко, А.Г. Многослойные гибкие полимерные упаковочные материалы/Снежко А.Г., Губанова М.И., Донцова Э.П., Жарненкова О.А.//Молочная промышленность. 2012. № 1 С.14-17
2. 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.
3. Лукин, Ю. Обработка поверхности материалов коронным разрядом/Ю. Лукин //ФлексоПлюс. - 2002. -№4 (28)
4. Лукин, Ю. Обработка поверхности материалов коронным разрядом/Ю. Лукин //ФлексоПлюс. - 2002. -№3 (27)
5. Аткинсон Д. Поверхностная обработка пленочных материалов./Дейв Аткинсон //FlexoTech.- 2006.- № 1.
6. Brzezinski S. Deposition of Polymer Complex Nano-Layers onto Polyester Fabrics Activated with Corona Discharges / Stefan Brzezinski S., Kowalczyk D., Polowinski S.//FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe, January/March 2009, Vol. 17, No. 1 (72) pp. 87-90.
7. Практика активации полимерных полипропиленовых пленок коронным разрядом. [Электронный ресурс], //http://www.afscorona.ru/
8. Заикин А.Е. Методы получения двухосно-ориентированных термоусаживающихся полимерных пленок с высокими барьерными свойствами. (Обзор)/ А.Е.Заикин, Р.М Гарипов // Вестник Казанского технологического университета 2013.Т.16.№ 20.с. 87-93
9. Eisby, Jan. Frank Eisby. "Corona Treatment, Why is it necessary?" Vetaphone A/S2011 http://plasticsnetwork.files.wordpress.com/2007/12/corona-treatment.pd
10. Ананьев, В.В. Модификация адгезионных свойств полимерных пленок обработкой коронным разрядом//В.В. Ананьев, Т. Н. Перетокин, Г.Е. Заиков, С.Ю. Софьина // Вестник Казанского технологического университета 2014.Т.17.№ 5.с. 116-119.
© А. А. Ефремова - к.т.н., доц. каф. ТППК КНИТУ, [email protected], Л. Р. Гарипова - к.х.н., с.н.с. каф. ТППК КНИТУ, [email protected], А. Ю. Григорьев - студент той же кафедры, [email protected], Д. Д. Храмов - директор ООО «Антикор-Казань», [email protected].
© A. Efremova - c.t.s., associate professor of the department TPPK, KNRTU, [email protected], L. Garipova - c.c.s.,s.r. of the department TPPK, KNRTU [email protected], A. Grigoryev- student of the department TPPK, KNRTU [email protected], D. Khramov - head of SPE «Antikor-Kazan», [email protected].
