等離子表面處理為什么能提高塑料表面的印刷性能?

印刷是信息傳遞的重要方式,也是美化商品的有效手段。塑料制品的普及應用促進了塑料印刷的發展,塑料印刷的發展又使得塑料制品的應用更豐富、更充分。然而,并不是所有塑料都具備較好的天然印刷適性,有些塑料或因分子結構非極性,或因表面張力太低,或因表面太光滑、化學性能穩定而影響油墨的附著,這些塑料被統稱為難印塑料。將塑料表面引進極性基團,或提高表面張力,或提高表面粗糙度而采用等離子體表面處理,這種工藝為難印塑料的印刷提供了一種新途徑。

接觸角與附著關系

在考慮油墨的潤濕和附著時,接觸角是一個重要的參數。接觸角即為由液體與固體、氣體接觸的三相分界點作液滴曲面的切線,該切線與固體表面之間的夾角稱接觸角(在液體一方的角)。
當液體置于固體表面上時,作用在分界點有3個力,若力系平衡,這些力可由作用在表面方向的表面能表示,表達式為:

σsg=σsl+σlg+cosθ

式中σsg為固-氣界面自由能,σsl為固-液界面自由能,σlg為液體的表面自由能。理論上討論潤濕可以從固-液界面形成過程的自由能來考慮。設有截面積為1cm2固體柱的液體柱,接觸前體系的總表面能為σsl+σsg,接觸后生成固液界面,其界面自由能為σsl,則接觸前后體系的自由能降為:

Wsl=σsg+σlg-σsl (1)

Wsl值的大小反映出固-液間的結合力強弱,將Wsl稱為粘附功。
將σsg=σsl+σlg+cosθ代入式(1)得
Wsl=σlg(1+cosθ)
把粘附功與接觸角聯系起來,當接觸角增大時,Wsl值變小,固-液間的結合力減弱;反之,當接觸角減小時,Wsl值變大,固-液間的結合力增強。為了增強印墨的附著力,Wsl值越大越好。當θ=0゜時,Wsl=2σlg,達到最大值。故θ=0゜為最佳條件,即印墨完全潤濕塑料制品表面。

表面張力與附著力的關系

在考慮印墨的潤濕和附著時,塑料表面張力也是一個重要參數,塑料的表面張力不能直接測定。評價塑料表面張力有兩種方法,一種是齊斯曼的臨界表面張力,另一種是北崎的將表面張力分解為非極成分、極成分及氫鍵,然后求出σs來評價塑料表面張力。如果塑料和印墨有色散力、偶極和氫鍵存在的話,則各成分值均要相等,才能使σsl=0;反之即使σs和σl值相等,但由于其構成成分不同,未必能使σsl=0。這就從理論上解釋了為什么具有相似分子結構的同類物質附著性好。

等離子體是和固體、液體、氣體處于同一層次的物質存在形式,又稱物質的第四態。它是由大量帶電粒子(電子和離子)組成的有宏觀空間尺度和時間尺度的體系。等離子體可分為高溫等離子體和冷等離子體。冷等離子體又稱非平衡等離子體,它可由直流輝光在低氣壓下放電形成,電子溫度比較高(1~10ev),離子溫度比較低(≤0。1ev)。等離子體是由帶電粒子、中性粒子和光子組成,帶正電荷的粒子和帶負電荷的粒子的總量相等,因而總體上是電中性的。

PTFE等離子表面處理前后達因值對比

聚四氟乙烯(PTFE)等離子表面處理前后達因值對比

冷等離子體的特點為:

1)這種等離子體中存在著電子碰撞激發和解激發、光激發和自發輻射衰變、電子碰撞電離化和多體復合等原子過程,也存在分子離解、分解電荷交換、帶電粒子中性化及基團置換等分子過程。由于這些過程的存在可以產生自由基激發態原子和分子、亞穩態原子和分子,因此這種非平衡等離子體是由各種各樣的新的“適性集團”構成的,它們很容易發生一系列化學反應。

2)電子可以擁有使分子化學鍵斷裂的足夠能量,而氣體溫度又可以保持與環境溫度相近。等離子體與材料表面相互作用過程中,等離子體的基本功能為:1)與中性氣體分子碰撞的高能電子能切斷化學鏈、激發和激活工作氣體,引起化學反應。2)加速到基體并轟擊基體表面的等離子體的粒子,一方面使材料表面的原子或基團通過分解、濺射、刻蝕等脫離材料表面;另一方面通過注入、基團轉換、聚合、接枝等可以在材料表面引入新的原子或分子,這樣就使材料表面的成分、結構和性能發生改變。

等離子表面處理為什么能提高塑料表面的印刷性能

塑料制品經過等離子體表面處理后,其表層分子結構、表面粗糙度、表面潤濕性和附著性均發生明顯的變化。
1)表層分子結構的變化:等離子體處理時產生大量的等離子粒子臭氧,它們直接或間接與塑料表層分子作用,使表層分子鏈上產生羰基和含氮基團等極性基團,同時還能使表面分子鏈產生交聯和永久極化電荷。

2)表面粗糙度的變化:塑料經過等離子體處理后,表面粗糙度發生變化,且隨溫度的升高和處理時間的增長而變大。這可以解釋為高聚物表面的氧化降解及表面介電體共同作用的結果,分子的氧化降解產物在表面電荷中心的物理堆積,形成表面突起。延長處理時間和提高處理溫度,使表面介電體電荷中心減小,但強度增加,從而在表面形成體積大而數量小的突起物,表面粗糙度變化大。

3)表面張力發生變化:表面張力增加主要是極性成分貢獻的結果,這是由于塑料表面氧化反應使得表面極性分子增多。

等離子表面處理使得塑料臨界表面張力、粗糙度、印墨附著力得到提高,從而改善其印刷適性。該法既突破了傳統化學方法的生產效率低、排放廢液多、污染環境的缺點,又為印刷不規則形狀的塑料制品及擴大其應用范圍提供了可能。

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