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薄膜表面張力檢驗(yàn)

閱讀：1591      發(fā)布時(shí)間：2010-03-26
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對(duì)于薄膜彩印來(lái)說(shuō)，關(guān)系印刷質(zhì)量大的是薄膜的表面處理效果，即表面潤(rùn)濕張力。筆者結(jié)合多年生產(chǎn)測(cè)試實(shí)踐，就了解的潤(rùn)濕張力產(chǎn)生原因和處理探討如下。
一、潤(rùn)濕的原理
印刷中的所謂潤(rùn)濕性，這就是諸如油墨、粘合劑、涂料等對(duì)塑料薄膜、紙張或金屬箔附著的基礎(chǔ)。潤(rùn)濕性決定一種液體在一種固體表面上的展延性。如水滴在親水性表面就展延成一薄水層，而在親油性表面卻形成小水滴。水滴外表層的切線與固體表面間所形成的接觸角（圖一，夾角θ），即表示該表面潤(rùn)濕性能的強(qiáng)弱，接觸角越大，潤(rùn)濕性能越差。
物理界關(guān)于潤(rùn)濕的嚴(yán)格熱力學(xué)定義是：固體與液體接觸后，體系（固體十液體）的自由焓降低時(shí)，稱為潤(rùn)濕。
圖一，固體－液體相面潤(rùn)濕張力示意圖
如上圖，考查其物理模型，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，當(dāng)液滴落在一個(gè)清潔平滑的固體表面上，忽略液體的重力和粘度影響時(shí)，則液滴在固體表面上的鋪展是由固-氣（SV）、固-液（SL）和液-氣（LV）三個(gè)界面張力所決定的，其平衡關(guān)系如下確定。
                γ_SV=γ_SL+γ_LV cosθ
                 F=γ_LV cosθ=γ_SV-γ_SL+γ_LV
式中：θ是潤(rùn)濕角，F(xiàn)是潤(rùn)濕張力，γ是界面能。顯然，當(dāng)θ＞90°則因潤(rùn)濕張力小而不潤(rùn)濕；θ＜90°則潤(rùn)濕；而在θ=0°時(shí)，潤(rùn)濕張力F大，可以潤(rùn)濕，即液體在固體表面上自由鋪展。（產(chǎn)生界面能γ的主要原因是范德華力、化學(xué)鍵力等在界面處不平衡導(dǎo)致的。這些作用力在固體的內(nèi)部因?yàn)閷?duì)稱，相互抵消，在界面處因?yàn)闊o(wú)法對(duì)稱，從而顯示了界面作用力，即界面能）。
可以看出，達(dá)到我們印刷所說(shuō)的潤(rùn)濕先決條件是γ_SV＞γ_SL ，或者γ_SL 十分微小。
二、常用材料的處理和潤(rùn)濕效果
潤(rùn)濕性視化學(xué)組成、晶體形式及表面結(jié)構(gòu)而異。對(duì)塑料進(jìn)行印刷時(shí)，塑料表面的潤(rùn)濕性必須比油墨的潤(rùn)濕性高，否則其展延、轉(zhuǎn)移及附著均會(huì)發(fā)生困難。幾種聚合物的原始表面張力大致如下：
表一部分塑料表面張力（mN/m，20℃）

塑   料

表面張力

塑   料

表面張力

PTFE聚四氟乙烯

18.5

PVC

39.0

PVF聚偏二氟乙烯

28.0

PMMA

39.0

PCTFE聚三氟氯乙烯

31.0

PVDC

40.0

PE

31.0

PET

44.0

PS

33.0

通常用作油墨溶劑的表面能為：乙醇22 mN/m、醋酸乙酯24 mN/m，而水為72 mN/m，就難以濕潤(rùn)塑料，所以水基油墨用來(lái)印刷塑料就比較困難。
以聚乙烯薄膜為例，不同類型油墨印聚乙烯時(shí)，要求聚乙烯薄膜的表面能不低于如下：
    溶劑型油墨    38-42 mN/m
    UV油墨       42-46 mN/m
    水溶性墨      42-48 mN/m
    水基墨       38-42 mN/m
所以，對(duì)于要印刷的塑料薄膜，因?yàn)槠涑跏急砻鎻埩^小，必須進(jìn)行電暈處理以增加表面張力。業(yè)界*對(duì)薄膜進(jìn)行電暈處理會(huì)產(chǎn)生以下作用：
1、移除薄膜表面上被吸收的原子和分子。
2、促進(jìn)原子的接觸，增進(jìn)濕潤(rùn)。
3、增進(jìn)表面能，調(diào)節(jié)極性。
4、創(chuàng)造能起化學(xué)反應(yīng)的原子基或功能團(tuán)。
5、破壞表面部分化學(xué)鍵。
上述處理，可以直接導(dǎo)致薄膜表面能降低，極性基團(tuán)的可移動(dòng)性加強(qiáng)。
印刷所用的塑料薄膜是一種復(fù)合物質(zhì)，含一種或多種聚合物及多種小分子添加劑。薄膜的主體聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)（基團(tuán)）決定油墨或底膠的潤(rùn)濕性和附著力，但處理后的薄膜隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，一些極性塑料添加劑會(huì)從薄膜內(nèi)部更容易向表面遷移，從而影響薄膜的表面能。所以，薄膜存放的時(shí)間越長(zhǎng)，或某些添加劑的含量（如爽滑劑）越高時(shí)，其表面能的變化也越大。故薄膜在印刷前還需對(duì)其表面能進(jìn)行薄膜測(cè)厚儀測(cè)試，并作電暈處理，以免發(fā)生油墨轉(zhuǎn)移或附著力不足的問(wèn)題。
三、彩印實(shí)踐中印刷前表面潤(rùn)濕張力的測(cè)定
測(cè)定表面能一般使用張力測(cè)試儀、光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x或通過(guò)電鏡測(cè)量潤(rùn)濕角來(lái)計(jì)算。
在彩印生產(chǎn)應(yīng)用中，由于上述儀器復(fù)雜昂貴，使用不方便。塑料薄膜表面能的測(cè)定主要是依據(jù)GB/T14216《塑料膜和片潤(rùn)濕張力試驗(yàn)方法》來(lái)進(jìn)行的。
將試樣水平放在光滑的試驗(yàn)臺(tái)平面或平板上，用刷子或棉頭棒涂敷按一定配方配制的試驗(yàn)混合液，順同一方向在試樣上水平移動(dòng)棉棒涂敷，應(yīng)使混合液立即擴(kuò)散到至少20cm²的面積上。根據(jù)涂敷混合液2s以上液膜層的狀態(tài)，來(lái)判斷潤(rùn)濕張力。
  如果液膜持續(xù)2s以上不破裂，用下一較高表面張力的混合液重新涂在一新的試樣上，直到液膜在2s破裂；如果連續(xù)液膜保持不到2s，用較低表面張力的混合液，直至液膜能持續(xù)2s為止。使試樣表面潤(rùn)濕接近2s的混合液，用這種混合液至少測(cè)定3次，該混合液的潤(rùn)濕張力即為試樣的潤(rùn)濕張力。
使用上述方法需要注意以下幾點(diǎn)：
1、                試驗(yàn)混合液配制應(yīng)使用分析純的試劑，并加入極少量的維多利亞純藍(lán)（濃度在0.03％以下），保存在潔凈的棕色玻璃點(diǎn)滴瓶中。如果頻繁打開瓶口，超過(guò)3個(gè)月后應(yīng)重新配制。
2、                對(duì)薄膜取樣時(shí)應(yīng)舍去外面幾層，并使被測(cè)試薄膜的表面不要接觸任何其他物質(zhì)。
3、                測(cè)試時(shí)將薄膜試樣水平放在光滑的試驗(yàn)臺(tái)平面或平板上，所涂試驗(yàn)混合液體量應(yīng)使之形成一薄膜而無(wú)積液存在，每次試驗(yàn)應(yīng)使用新的棉頭。
4、                如果塑料薄膜內(nèi)含添加劑或覆有涂膜，用測(cè)試液測(cè)試時(shí)，往往會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響性。在這種情況下，宜以蒸餾水作接觸角測(cè)試。
5、                對(duì)于常用的38、40、42、50、52達(dá)因薄膜測(cè)試，可以使用標(biāo)準(zhǔn)達(dá)因筆，以便車間操作人員現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。目前，市場(chǎng)上包括英國(guó)舒曼等達(dá)因筆測(cè)試技術(shù)已比較成熟。
附：GB/T14216中表面張力試驗(yàn)混合液的配方

潤(rùn)濕張力

mN／m

乙二醇獨(dú)乙醚

％（V／V）

甲酰胺

％（V／V）

甲醇.

％（V／V）

水

％（V／V）

22.6

100

0

25.4

90

10

27.3

80

20

30

100.0

31

97.5

2.5

32

89.5

10.5

33

81.5

19.0，1

34

73.5

26.5

35

65.0

35.0

36

57.5

42.5

37

51.5

48.5

38

46.0

54.0

39

41.0

59.0

40

36.5

63.5

41

32.5

67.5

42

28.5

71.5

43

25.3

74.7

44

22.0

78.0

45

19.7

80.3

46

17.0

83.0

48

13.0

87.0

50

9.3

90.7

52

6.3

93.7

54

3.5

96.5

56

1.0

99.0

58

100.0

59

95.0

5.0

60

80.0

20.0

61

70.0

30.0

62

64.0

36.0

63

50.0

50.0

64

46.0

54.0

66

30.0

70.0

67

20.0

80.0

70

10.0

90.0

73

100.0

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塑料	表面張力	塑料	表面張力
PTFE聚四氟乙烯	18.5	PVC	39.0
PVF聚偏二氟乙烯	28.0	PMMA	39.0
PCTFE聚三氟氯乙烯	31.0	PVDC	40.0
PE	31.0	PET	44.0
PS	33.0

潤(rùn)濕張力 mN／m	乙二醇獨(dú)乙醚％（V／V）	甲酰胺％（V／V）	甲醇. ％（V／V）	水％（V／V）
22.6			100	0
25.4			90	10
27.3			80	20
30	100.0
31	97.5	2.5
32	89.5	10.5
33	81.5	19.0，1
34	73.5	26.5
35	65.0	35.0
36	57.5	42.5
37	51.5	48.5
38	46.0	54.0
39	41.0	59.0
40	36.5	63.5
41	32.5	67.5
42	28.5	71.5
43	25.3	74.7
44	22.0	78.0
45	19.7	80.3
46	17.0	83.0
48	13.0	87.0
50	9.3	90.7
52	6.3	93.7
54	3.5	96.5
56	1.0	99.0
58		100.0
59		95.0		5.0
60		80.0		20.0
61		70.0		30.0
62		64.0		36.0
63		50.0		50.0
64		46.0		54.0
66		30.0		70.0
67		20.0		80.0
70		10.0		90.0
73				100.0

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