автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Обоснование параметров оборудования для обработки полимерных запечатываемых материалов коронным разрядом

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва-2013

005543090

005543090

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии в полиграфическом и упаковочном производстве» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова)

Научный руководитель: Баблюк Евгений Борисович,

доктор технических наук, с.н.с.

Официальные оппоненты:

Кондратов Александр Петрович, доктор технических наук, МГУП имени Ивана Федорова, профессор кафедры «Материаловедение»

Баканов Вадим Александрович, кандидат технических наук, ООО «Трейд копире», продакт-менеджер

Ведущая организация:

НИИ Полиграфии

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при Московском государственном университете печати имени Ивана Федорова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета печати имени Ивана Федорова.

Автореферат разослан У/ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.147.01 доктор технических наук, профессор

К. Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

В последнее время наиболее интенсивно развивается печать в упаковочном производстве, в частности, печать на поверхности полимерных пленок, используемых в качестве современного упаковочного материала. При этом важно оценивать такой показатель, как прочность держания печатной краски на поверхности материала для упаковки.

В отличие от традиционных запечатываемых материалов -бумаги и картона, полимерные пленки, являясь, как правило, по своей природе гидрофобными материалами, не обладают высоким адгезионным взаимодействием по отношению к печатным краскам. Поэтому, правильный выбор оборудования для предварительной активации полимерных пленок коронным разрядом имеет важное значение.

Наиболее широкое распространение как за рубежом, так и в России, в качестве упаковочных материалов получили пленки из синтетических полимеров: полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП) и полиэтилентерефталата (ПЭТФ).

Проблема обеспечения высокой адгезионной прочности, как правило, приводит к созданию многослойных композиций или к использованию различных методов модификации поверхности. Поэтому в исследованиях по созданию многослойных композиций, в том числе и при разработке технологии печати на полимерных пленках, необходимо учитывать величину адгезионной прочности.

Сегодня во флексографии используются печатные краски различной природы - водно-дисперсионные, сольвентные и краски УФ-отверждения. По-видимому, как и тип запечатываемого материала, так и краски будут влиять на режимы активации полимерных пленок коронным разрядом.

Среди наиболее часто встречающихся проблем при флексографской печати - проблемы взаимодействия краски с полимерной подложкой.

В связи с этим изучение особенностей флексографской печати на гидрофобной полимерной подложке, а также выбор оптимального оборудования для активации полимерных запечатываемых материалов являются весьма актуальными.

Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке научно обоснованных требований к оборудованию для обработки запечатываемых полимерных материалов коронным разрядом, а также обоснованию технологических параметров с учетом природы

запечатываемого материала. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• разработка рекомендаций по режимам обработки ПЭ, ПП и ПЭТФ пленки коронным разрядом перед процессом флексографской печати;

• выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество печати по поверхности полимерных пленок;

• разработка технологических рекомендаций для качественной печати по поверхности полимерных пленок красками различного типа (водно-дисперсионные, сольвентные, УФ-отверждаемые);

• разработка требований к коронирующим устройствам и практические рекомендации по выбору технологических параметров предварительной обработки полимерных пленок коронным разрядом, с учетом природы обрабатываемого материала и производительности печатного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлено, что эффективность обработки полимерных пленок коронным разрядом определяется не только достигнутыми значениями адгезионной прочности, но и способностью воспроизводить мелкие детали печатной формы на отпечатке, полученном флексографскйм способом.

2. Среди множества требований к оборудованию для обработки полимерных пленок коронным разрядом, обеспечивающих качественную флексографскую печать, основным является мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала.

3. Показано, что с увеличением дозы коронного разряда до 16 Вт-мин/м2 адгезионная прочность возрастает до значений 15-30 Н/см" но при этом увеличивается толщина штриховых элементов на отпечатке на 10-15 %, что отрицательно сказывается на воспроизведении мелких деталей печатной формы.

Решенная научная задача

Разработаны технологические параметры обработки поверхности полимерных пленок коронным разрядом, позволяющие осуществлять качественную печать флексографскйм способом красками различного типа (водно-дисперсионные, УФ-отверждения, сольвентные).

Практическая ценность состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к основной стадии процесса флексографской печати по поверхности полимерных пленок -обработке коронным разрядом. В частности, экспериментально

обоснованы технологические режимы обработки поверхности пленок из полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата коронным разрядом. А также предложен подход к выбору параметров коронирующих устройств для предварительной обработки полимерных пленок, основанный на определении мощности разряда и ширины обрабатываемого материала и его природы.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались: на расширенном заседании кафедры «Инновационных технологий и управления» в 2011, 2012 и 2013 гг.; на V международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ», Душанбе, октябрь 2011 г.; на международной молодежной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования», Москва, сентябрь 2012 г.; на конференции молодых ученых, Москва, МГУП, апрель 2012 г.; на научно-технической конференции, посвященной 20-летию Государственной независимости Республики Таджикистан, 50-летию образования «Механико-технологического факультета», Душанбе, ТТУ 2011 г., на I Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, Томск, ТПИ октябрь 2012 г.

Публикации. По тематике работы опубликованы 7 научных статей, включая тезисы докладов на научно-технической конференциях, из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка. Основной текст диссертации содержит 127 страниц, включая 26 таблиц и 44 рисунка.

Положения, выносимые на защиту

1. Режимы обработки полимерных пленок коронным разрядом влияют на способность передачи штриховых изображений печатной формы на отпечатке, полученном флексографским способом.

2. Мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала, оказывает влияние на эффективность обработки коронным разрядом полимерных пленок, предназначенных для печати флексографским способом.

3. Подход к выбору параметров коронирующих устройств и эффективного использования коронного разряда для предварительной обработки полимерных пленок, основан на определении мощности разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала и его природы.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит во включенном участии на всех этапах процесса работы над диссертацией. Все экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы соискателем самостоятельно.

Содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы.

В аналитическом обзоре диссертации проведен анализ публикаций, посвященных используемым и исследуемым в настоящее время методам обработки поверхности полимерных пленок с целью повышения адгезионного взаимодействия на границе полимерная пленка - печатная краска. При этом учитываются особенности технологии получения полимерных пленок.

На основании анализа научной литературы сформулированы направления проведенных в диссертации исследований.

Объекты исследования

При проведении экспериментальных работ использовались промышленные образцы двухосноориентированных полимерных пленок из полиэтилена (ПЭ), полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП). В качестве печатных красок использовались краски различной природы - водно-дисперсионные, сольвентные и УФ-отверждаемые.

Методы исследования

Обработку поверхности полимерных пленок перед нанесением печатной краски проводили на лабораторной установке, создающей высокочастотный коронный разряд напряжением до 20 кВ.

Печать осуществляли на специальном пробопечатном устройстве флексографского типа — Flexi Proof 100. При этом использовали печатную форму, вид которой представлен на рис. 1. Ширина самых узких пробельных и печатных элементов составляла 0,2 мм, самых широких -2 мм.

Исследования по оценке эффективности обработки полимерных пленок коронным разрядом проводили, используя такие методы, как: оценка гидрофильности поверхности по величине краевого угла смачивания; количественное определение адгезионной прочности по нормальному отрыву; изучение микрогеометрии и морфологии поверхности полимерных пленок с использованием атомно-силовой и

оптической микроскопии; оценка плотности электрического поверхностного заряда, с помощью прибора ИПЭП-1.

Химические изменения, происходящие в поверхностном слое полимера, активированного коронным разрядом, исследовали с помощью метода ИК-спектроскопии МНПВО.

Рисунок 1 - Изображение на флексографской печатной форме, использованной в экспериментах на пробопечатном устройстве

Экспериментальные результаты

Исследуя гидрофильность поверхности полимерных пленок, активированных коронным разрядом, в сравнении с исходными образцами, было установлено, что под действием коронного разряда поверхность пленки становится более гидрофильной, причем степень гидрофильное™ зависит от параметров обработки коронным разрядом. На рис. 2 и 3 представлены результаты экспериментов по оценке эффективности обработки полимерных пленок коронным разрядом по величине краевого угла смачивания.

Аналогичные результаты были получены и для образцов полимерных пленок из ПП. Как видно из результатов, представленных на рис. 2 и 3, значительное снижение краевого угла смачивания не остается постоянным, и в процессе хранения активированных образцов краевой угол смачивания возрастает. О причинах такого поведения полимерных пленок, обработанных коронным разрядом, было известно и ранее из работ, проводимых в центре научных исследований МГУП имени Ивана Федорова. Это в первую очередь связано с образованием гомозаряда на

поверхности обрабатываемой пленки, а также с увеличением

Время после обработки, сутки

Рисунок 2 - Изменение краевого угла смачивания в процессе хранения образцов пленки из ПЭ, не обработанного (1) и обработанных коронным разрядом при напряжении 12 кВ (2) и 18 кВ (3)

Время после обработки, сутки

Рисунок 3 - Изменение краевого угла смачивания в процессе хранения образцов пленки из ПЭТФ, не обработанного (1) и обработанных коронным разрядом при напряжении 12 кВ (2) и 18 кВ (3)

Анализируя результаты, представленные на рисунках 2 и 3, не трудно заметить, что наиболее эффективнее, с точки зрения гидрофилизации поверхности, происходит обработка пленок из ПЭТФ.

Таким образом, экспериментально определены ряд важных характеристик поверхности, полимерных пленок (ПП, ПЭ и ПЭТФ),

обработанных коронным разрядом. Установлено, что приобретенные свойства поверхности в результате их обработки коронным разрядом не постоянны во времени. Однако даже после снижения полученного от обработки поверхности эффекта свойства не восстанавливаются до первоначальных значений. Например, краевой угол смачивания для необработанной ПЭТФ пленки составляет 78°, для обработанной пленки значение его может быть снижено до 30°, после хранения в течение 8 суток эта величина составит 65°.

По результатам, представленным на рис. 2 и 3, можно констатировать, что печать на активированных коронным разрядом полимерных пленках целесообразнее всего производить непосредственно после активации. При хранении активированных пленок в течение 3-4 суток после обработки коронным разрядом эффект от активации снижается в два раза. Оценивая эффективность обработки полимерных пленок коронным разрядом по величине поверхностной плотности электрического заряда (рис. 4) показано, что достигнутые, в результате обработки коронным разрядом значения а в интервале 210"8 -4-10" Кл/см" в процессе хранения образцов не остаются постоянными а также снижаются.

Рисунок 4 - Изменение плотности поверхностного заряда в процессе хранения образцов пленки из ПП (1, 2) и ПЭТФ (3, 4), обработанных коронным разрядом при напряжении 12 кВ (1, 3) и 18 кВ (2, 4)

Изучая кинетику снижения плотности электрического заряда, индуцированного на поверхности полимерных пленок, подвергнутых обработке коронным разрядом, можно отметить, что наиболее высокая плотность поверхностного заряда, при одинаковых условиях обработки, наблюдается у пленок из ПЭТФ и ПП, однако на пленках из ПП

релаксация поверхностного заряда во времени происходит более интенсивно.

Методами атомно-силовой микроскопии была исследована топология поверхности, как исходных полимерных пленок, так и пленок, подвергнутых модификации поверхности.

Рисунок 5 - ЗО-изображения поверхности пленки из ПЭ, исходной -а, и обработанной коронным разрядом при £> = 8 Вт-мин/м" - б

Характеристика поверхности Режим обработки

Не обработана £=8 Вт-мин/м" £>= 12 Вт-мин/м"

Яа, нм 12,0 29,0 17,0

Яд, нм 9,0 23,0 14,0

Я:, нм 31,0 97,0 40,0

Ятах, нм 58,0 150,0 83,0

Таблица 2 - Параметры шероховатости ПП

Характеристика поверхности Режим обработки

Не обработана £>= 8 Вт-мин/м" 0= 12 Вт-мин/м"

Яа, нм 3,5 7,5 6,0

/?<7, нм 3,0 6,0 4,0

Лг, нм 11,0 28,0 24,0

Лтах.нм 19,0 45,0 29,0

Характерные результаты этих исследований представлены ниже (рис. 5). При этом было замечено изменение микрогеометрии поверхности исследуемых пленок в результате модификации под действием коронного разряда. В результате обработки сканированных изображений, были оценены некоторые показатели микрошероховатости обработанных коронным разрядом полимерных пленок (табл. 1-3).

Таблица 3 - Параметры шероховатости ПЭТФ

Характеристика поверхности Режим обработки

Не обработана £> = 8 Вт-мин/м2 £>=12 Вт-мин/м2

Яа, нм 3,0 3,0 11,0

Яд, нм 2,5 2,0 9,0

Яі, нм - 4,0 28,0

/?тах,нм 16,0 11,0 56,0

Анализ результатов, представленных, в табл. 1-3 позволяет констатировать, что поверхность после обработки становится более разветвленной, но вместе с тем с увеличением мощности обработки такие показатели, как Яа, Яд, Я: и Лтах несколько снижаются по сравнению с обработанным при более низких значениях коронирующего напряжения. Аномально в этом плане ведут себя образцы пленок из ПЭТФ. По-видимому, с увеличением мощности разряда обработкой затрагиваются участки аморфной фазы полимера, находящиеся в глубине поверхностного слоя. То есть для обработки ПЭТФ, с целью увеличения шероховатости поверхности требуется менее интенсивная обработка.

При исследовании влияния коронного разряда на свойства поверхности полимерных пленок методами ИК-спектроскопии МНПВО необходимо было выбрать внутренний стандарт. В качестве внутреннего стандарта для ПЭТФ была выбрана полоса при 1410 см"1, для ПП -1160 см"1, для ПЭ- 1460 см"1.

Исследования показали некоторое увеличение интенсивности полос поглощения, характерных для колебаний кислородсодержащих групп для всех типов обрабатываемых пленок. Результаты обработки ПК-спектров МНПВО, с учетом интенсивности полос, выбранных в качестве внутреннего стандарта, в зависимости от интенсивности обработки коронным разрядом, представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Соотношение интенсивности полос, характеризующих поверхность полимерных пленок, обработанных коронным разрядом

Полимерная пленка Соотн. интенс. полос Доза ко обработки поверхности пленки ронным разрядом, Вт мин/м"

необр. 8 10 12 15

ПЭ 1370/1460 0,14 0,17 0,22 0.27 0,35

ПП 1300/1160 0,27 0,31 0,37 0,41 0,43

ПЭТФ 1725/1410 1,91 2,14 2,33 2,44 2,61

Для ПЭТФ пленок в ИК-спектре это полосы при 1130, 1260 (С-О) и 1725 см"' (С=0). Кроме того, в результате анализа ИК-спектров МНПВО полимерных пленок, активированных и не активированных коронным разрядом было, установлено, что интенсивность полос 1370 и 1300 см"1 для ПЭ и ПП соответственно, характеризующих упорядоченное состояние полимера (транс-конформация), возрастает по мере увеличения интенсивности обработки.

При записи спектров поверхности пленок из ПЭ, ПЭТФ, ПП, активированных коронным разрядом, было обнаружено снижение интенсивности всего спектра по сравнению со спектром исходной поверхности. Этот факт может быть объяснен уменьшением площади контакта образца с кристаллом МНПВО из-за появления микрошероховатостей.

Доза коронного разряда, Вт минім2

Рисунок 6 - Адгезионная прочность на границе полимерная пленка -краска, достигнутые при О = 10 Вт-мин/м": для ПЭТФ — 1, для ПЭ - 2, для

ПП-3

Таблица 5 - Адгезионная прочность на границе полимерная пленка - краска __

Тип пленки Тип краски Тип разрушения Адгезионная прочность, Н/см2

1 2 4

ПЭТФ спиртовая Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 27,6

ПЭТФ водно- дисперсионная Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 24,2

ПЭТФ УФ- отверждения Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 26,0

ПП спиртовая Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 18,5

ПП водно- дисперсионная Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 16,3

ПП УФ- отверждения Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 18,4

ПЭ спиртовая Адгезионный на границе краска полимерная пленка 22.4

ПЭ водно- дисперсионная Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 24,6

ПЭТФ без обр. УФ- отверждения Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 2,1

ПЭ без обр. УФ- отверждения Адгезионный на границе краска — полимерная пленка 1,2

ПП без обр. УФ- отверждения Адгезионный на границе краска -полимерная пленка 1.0

а б

Рисунок 7 - Микрофотографии отпечатков, сделанных водно-дисперсионной краской на пленках из ПП, обработанных коронным разрядом при О = 12 Вт-мин/м2 (вертикальные штрихи - а, наклонные штрихи - б). Масштаб - 1 дел. - 100 мкм

Оценивая качество печати по микрофотографиям, полученным с оттисков (рис. 7 и 8), можно отметить, что наилучшее качество печати на всех образцах исследуемых пленок было получено при использовании УФ-отверждаемых красок. Качество печати и передача деталей штрихового изображения удовлетворительно для ПП, ПЭ и ПЭТФ пленок. Причем с увеличением дозы коронного разряда до 20 Вт-мин/м2 приводит к некоторому увеличению растаскивания (рис. 9).

Рисунок 8 - Микрофотографии отпечатков, сделанных краской УФ-отверждения на пленках из ПЭ, обработанных коронным разрядом при О - 12 Вт-мин/м" (вертикальные штрихи - а, наклонные штрихи - б). Масштаб - 1 дел. - 100 мкм

Рисунок 9 - Микрофотографии отпечатков, сделанных краской УФ-отверждения на пленках из ПЭТФ, обработанных коронным разрядом при Б = 12 Вт мин/м2 - а), при й = 20 Вт-мин/м" - б).

Масштаб 1 дел. - 100 мкм Результаты по оценке размер штрихов в зависимости от режимов обработки поверхности полимерных пленок коронным разрядом представлены в табл. 6-8.

Анализ результатов по исследованию способности передавать мелкие детали свидетельствует, что, с точки зрения точности воспроизведения штриховых элементов, при печати флексографским способом наилучшее качество может быть достигнуто на пленках из ПЭТФ, предварительно обработанных коронным разрядом, при величине дозы не более 12 Вт мин/м".

Таблица 6 - Результаты по оценке размера штрихов при флексографской печати на полимерных пленках УФ-отверждаемыми красками__

Направление штрихового элемента Изменение ширины штриха на отпечатке в сравнении с печатной формой в зависимости от дозы коронного разряда, %

ПЭ исходная 7 Вт-мин/м2 12 Вт мин/м

продольное 40 45 52

поперечное 45 48 55

под углом 45° 45 48 60

ПП исходная 10 Вт-мин/м~ 20 Вт-мин/м2

продольное 40 47 52

поперечное 45 47 56

под углом 45° 46 48 62

ПЭТФ исходная 4 Вт-мин/м2 8 Вт мин/м"

продольное 35 38 50

поперечное 40 45 55

под углом 45° 38 45 60

Таблица 7 - Результаты по оценке размера штрихов при флексографской печати на полимерных пленках сольвентными красками__

Направление штрихового элемента Изменение ширины штриха на отпечатке в сравнении с печатной формой в зависимости от дозы коронного разряда, %

ПЭ исходная 7 Вт-мин/м2 12 Вт-мин/м"

продольное 40 50 60

поперечное 45 56 62

под углом 45° 45 57 62

ПП исходная 10 Вт-мин/м" 20 Вт-мин/м2

продольное 42 54 60

поперечное 47 60 62

под углом 45° 46 58 62

ПЭТФ исходная 4 Вт-мин/м2 8 Вт-мин/м2

продольное 32 38 52

поперечное 35 40 55

под углом 45° 36 42 60

Таблица 8 - Результаты по оценке размера штрихов при флексографской печати на полимерных пленках водно-дисперсионными красками

Направление штрихового элемента Изменение ширины штриха на отпечатке в сравнении с печатной формой в зависимости от дозы коронного разряда, %

ПЭ исходная 7 Вт мин/м2 12 Вт-мин/м2

продольное 42 45 52

поперечное 45 48 55

под углом 45° 45 48 60

ПП исходная 10 Вт-мин/м2 20 Вт-мин/м2

продольное 40 47 52

поперечное 45 47 56

под углом 45° 46 48 62

ПЭТФ исходная 4 Вт-мин/м" 8 Вт-мин/м2

продольное 30 35 50

поперечное 35 40 55

под углом 45° 40 45 60

Анализируя результаты проведенных исследований, не трудно заметить, что режимы обработки существенно влияют на адгезионную прочность на границе печатная краска - полимерная пленка. Причем, меняя продолжительность обработки коронным разрядом (скорость транспортирования пленки), напряжение разряда, ток коронного разряда, изменяется и эффект от обработки, выраженный изменением гидрофильности, микрогеометрии поверхности и ее адгезионной способности. При этом, изменяя ширину обрабатываемого материала, будет изменяться и достигаемый эффект. Поэтому характеризовать процесс обработки коронным разрядом через указанные выше параметры не совсем удобно и правильно. Здесь необходимо отметить, что эффект от обработки коронным разрядом будет зависеть от дозы облучения, полученной поверхностью полимерной пленки:

В данном случае а - это поверхностное натяжение полимерной пленки после обработки коронным разрядом, а О - доза облучения плазмой, выраженная в Втмин/м2.

Доза I) определяется следующим образом:

где о - поверхностная натяжения (мН/м); й - (Вт-мин/м2); Р - мощность генератора (Вт); £ - ширина обработки; Г - скорость ленты (м/мин).

Оперируя этими параметрами, можно рассчитать мощность коронатора, требуемую для определенной ширины и типа полимерного материала с учетом скорости процесса флексографской печати:

Р = О х ь х V.

Как видно из представленной выше формулы, необходимо знать величину дозы воздействия коронного разряда, необходимой для повышения поверхностной энергии полимерного материала. Для осуществления флексографской печати на полимерных пленках необходимо повысить значение 0 до 45 мН/м. В табл. 9 представлены экспериментальные результаты по оценке дозы воздействия коронным разрядом на ряд полимерных пленок.

Таблица 9 - Эффективные дозы обработки полимерных пленок

коронным разрядом

Полимерная пленка Исходное значение о, мН/м Эффективная доза Вт-мин/м2

ПЭ 38 12,0

ПП 36 20,0

ПЭТФ 41 7,0

На основании проведенных исследований были рассчитаны значения и составлена таблица для подбора мощности коронирующего устройства с учетом ширины установки и типа обрабатываемого материала (табл. 9).

Таким образом, при организации работ по печати на полимерных пленках, наиболее часто используемых в упаковочной индустрии, для выбора мощности коронирующего устройства необходимо иметь информацию о типе обрабатываемого материала и ширине печатающего устройства. Если предполагается использовать различные полимерные материалы, то выбор делается на самую высокую мощность. Данные, представленные в табл. 10, позволяют не тратить лишних средств! устанавливая более мощные и дорогостоящие коронирующие устройства.

Таблица 10 - Расчетные значения мощности коронирующего устройства в зависимости от типа и ширины обрабатываемого

Полимерная Ширина Мощность

пленка обрабатываемого коронирующего

материала, м устройства, кВт

ПЭ 0,2 1,8

0,4 3,0

0,6 4,0

1,5 8,0

ПП 0,2 2,5

0,4 4,0

0,6 4,2

1,5 12,0

ПЭТФ 0,2 1,0

0,4 2,0

0,6 2,4

1,5 4,0

* При расчетах выбрана скорость 300 м/мин, при снижении скорости мощность коронирующего устройства уменьшается.

Выводы

1. В результате проведенных исследований решена важная научно-техническая задача - разработаны оптимальные режимы для стадии активации полимерных пленок коронным разрядом в технологическом процессе флексографской печати.

2. Экспериментально установлено, что эффективность обработки полимерных пленок коронным разрядом, предназначенных для печати флексографским способом, определяется мощностью коронного разряда, приходящегося на площадь поверхности обрабатываемого материала.

3. Показано, что такие параметры процесса обработки поверхности полимерных пленок коронным разрядом, как ток разряда и напряжение, не могут служить характеристикой коронного разряда без учета конструкции установки для обработки (ширина обрабатываемого материала, скорости транспортирования полимерной пленки).

4. Предложен подход к выбору параметров коронирующих устройств и эффективного использования коронного разряда для предварительной обработки полимерных пленок, основанный на определении мощности разряда и площади обрабатываемой поверхности материала и его природы.

5. Экспериментально установлено, что с увеличением дозы коронного разряда до 16 Вт'мин/м2 адгезионная прочность возрастает до значений 15-30 Н/см2 но при этом увеличивается толщина штриховых элементов на отпечатке на 10-15 %, что отрицательно сказывается на воспроизведении мелких деталей печатной формы.

Публикации по теме диссертационной работы

Статьи в ведущих научных изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Равшанов Д.Ч. О качестве флексографской печати на полимерных пленках / Д.Ч. Равшанов, А.Н. Солодовник, Е.Б. Баблюк //Вестник Таджикского технического Университета. 2012. - С. 19-22.

2. Равшанов Д.Ч. Особенности обработки коронным разрядом полимерных запечатываемых материалов / Д.Ч. Равшанов, Е.Б. Баблюк, Н.В. Уварова // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. -№ 4. - С. 42-51.

Статьи в других научных изданиях:

3. Равшанов Д.Ч. Особенности флексографской печати на полимерных пленках / Д.Ч. Равшанов, C.B. Максимов, Е.Б. Баблюк // Материалы V-международная конференция, 55-летию ТТУ им. акад. М.С. Осими. Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технологического образования в высших учебных заведениях стран СНГ, г. Душанбе: 2011. - С. 78-81.

4. Равшанов Д.Ч. Адгезия тонких слоев, наносимых на полимерные пленки / Д.Ч. Равшанов, Т.А. Гребень // Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования. Международная молодежная конференция, г. Москва: МГУП, 2012 г.-С. 100-106.

5. Равшанов Д.Ч. Обработка коронным разрядом полимерных материалов / Д.Ч. Равшанов, Е.Б. Баблюк // Материалы республиканской научно-технической конференции, посвященной 20-летию Государственной независимости РТ, 50-летию образования механико-технологического факультета и 20-летию кафедры «Безопасность и жизнедеятельность и экология» г. Душанбе: 2011 г. - С. 102-105.

6. Равшанов Д.Ч. Особенности печатания на полимерных пленках / Д.Ч. Равшанов, Е.Б. Баблюк // Вестник МГУП. Материалы научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов МГУП имени Ивана Федоров, г. Москва: МГУП 2012 г. - С. 51-56.

7. Равшанов Д.Ч. Особенности печати на полимерных пленках / Д.Ч. Равшанов, Т.А. Гребень // Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее. Сборник научных трудов I Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, Томск: 2012 г. - С. 161-164.

Подписано в печать 21.11.2013.Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. п. л. 1.16 . Тираж 100 экз. Заказ № 346. Отпечатано в УПИПК МГУП имени Ивана Федорова 127550, Москва, ул. Прянишникова, 2а

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова

04201450391 ^а пРавахрукописи

Равшанов Дилшод Чоршанбиевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ ЗАПЕЧАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ

05.02.13. Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Баблюк Евгений Борисович

Москва-2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................................................................................3

Глава 1. Аналитический обзор................................................................................................8

1.1. Полимерные материалы, используемые при изготовлении печатной продукции......................................................................9

1.2. Методы подготовки поверхности полимерных материалов к печатанию................................................ 30

1.3. Методы оценки адгезионных свойств..............................................48

1.4. Способы печати на полимерных пленках......................................56

Глава 2. Объекты и методы исследований..................................................................59

2.1. Полимерные пленки, используемые в работе..................................59

2.2. Печатные краски........................................................................................................62

2.3. Установка для активации полимерных пленок коронным разрядом........................................................................................................................................64

2.4. Пробопечатное устройство..............................................................................65

2.5 Методы исследование............................................................................................67

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение........................76

3.1. Свойства полимерных пленок, активированных коронным разрядом............................................................................................................76

3.2. Исследование адгезионных свойств на границе полимерная пленка — печатная краска............................................................93

3.3. Печатные свойства полимерных пленок, активированных коронным разрядом..........................................................................................................100

Выводы..........................................................................................................................................................119

Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и

терминов....................................................................................................................................................120

Библиографический список..........................................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

В последнее время наиболее интенсивно развивается печать в упаковочном производстве, в частности, печать на поверхности полимерных пленок, используемых в качестве современного упаковочного материала. При этом важно оценивать такой показатель, как прочность держания печатной краски на поверхности материала для упаковки.

В отличие от традиционных запечатываемых материалов - бумаги и картона, полимерные пленки, являясь, как правило, по своей природе гидрофобными материалами, не обладают высоким адгезионным взаимодействием по отношению к печатным краскам. Поэтому, правильный выбор оборудования для предварительной активации полимерных пленок коронным разрядом имеет важное значение.

Наиболее широкое распространение как за рубежом, так и в России, в качестве упаковочных материалов получили пленки из синтетических полимеров: полиэтилена (ПЭ), полипропилена (1111) и полиэтилен-терефталата (ПЭТФ).

Проблема обеспечения высокой адгезионной прочности, как правило, приводит к созданию многослойных композиций или к использованию различных методов модификации поверхности. Поэтому в исследованиях по созданию многослойных композиций, в том числе и при разработке технологии печати на полимерных пленках, необходимо учитывать величину адгезионной прочности.

Сегодня во флексографии используются печатные краски различной природы - водно-дисперсионные, сольвентные и краски УФ-отверждения. По-видимому, как и тип запечатываемого материала, так и краски будут влиять на режимы активации полимерных пленок коронным разрядом.

Среди наиболее часто встречающихся проблем при флексографской печати - проблемы взаимодействия краски с полимерной подложкой.

В связи с этим изучение особенностей флексографской печати на гидрофобной полимерной подложке, а также выбор оптимального оборудования для активации полимерных запечатываемых материалов являются весьма актуальными.

Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке научно обоснованных требований к оборудованию для обработки запечатываемых полимерных материалов коронным разрядом, а также обоснованию технологических параметров с учетом природы запечатываемого материала. Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• разработка рекомендаций по режимам обработки ПЭ, 1111 и ПЭТФ пленки коронным разрядом перед процессом флексографской печати;

• выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на качество печати по поверхности полимерных пленок;

• разработка технологических рекомендаций для качественной печати по поверхности полимерных пленок красками различного типа (водно-дисперсионные, сольвентные, УФ-отверждаемые);

• разработка требований к коронирующим устройствам и практические рекомендации по выбору технологических параметров предварительной обработки полимерных пленок коронным разрядом, с учетом природы обрабатываемого материала и производительности печатного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально установлено, что эффективность обработки полимерных пленок коронным разрядом определяется не только достигнутыми значениями адгезионной прочности, но и способностью воспроизводить мелкие детали печатной формы на отпечатке, полученном флексографским способом.

2. Среди множества требований к оборудованию для обработки полимерных пленок коронным разрядом, обеспечивающих качественную флексографскую печать, основным является мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала.

3. Показано, что с увеличением дозы коронного разряда до 16 Вт-мин/м адгезионная прочность возрастает до значений 15-30 Н/см но при этом увеличивается толщина штриховых элементов на отпечатке на 10-15 %, что отрицательно сказывается на воспроизведении мелких деталей печатной формы.

Решенная научная задача

Разработаны технологические параметры обработки поверхности полимерных пленок коронным разрядом, позволяющие осуществлять качественную печать флексографским способом красками различного типа (водно-дисперсионные, УФ-отверждения, сольвентные).

Практическая ценность состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к основной стадии процесса флексографской печати по поверхности полимерных пленок - обработке коронным разрядом. В частности, экспериментально обоснованы технологические режимы обработки поверхности пленок из полиэтилена, полипропилена и полиэтилентерефталата коронным разрядом. А также предложен подход к выбору параметров коронирующих устройств для предварительной обработки полимерных пленок, основанный на определении мощности разряда и ширины обрабатываемого материала и его природы.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались: на расширенном заседании кафедры «Инновационных

технологий и управления» в 2011, 2012 и 2013 гг.; на V международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ», Душанбе, октябрь 2011 г.; на международной молодежной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования», Москва, сентябрь 2012 г.; на конференции молодых ученых, Москва, МГУП, апрель 2012 г.; на научно-технической конференции, посвященной 20-летию Государственной независимости Республики Таджикистан, 50-летию образования «Механико-технологического факультета», Душанбе, ТТУ 2011 г., на I Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, Томск, ТПИ октябрь 2012 г.

Публикации. По тематике работы опубликованы 7 научных статей, включая тезисы докладов на научно-технической конференциях, из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка. Основной текст диссертации содержит 127 страниц, включая 26 таблиц и 44 рисунка.

Положения, выносимые на защиту

1. Режимы обработки полимерных пленок коронным разрядом влияют на способность передачи штриховых изображений печатной формы на отпечатке, полученном флексографским способом.

2. Мощность коронного разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала, оказывает влияние на эффективность обработки коронным разрядом полимерных пленок, предназначенных для печати флексографским способом.

3. Подход к выбору параметров коронирующих устройств и эффективного использования коронного разряда для предварительной обработки полимерных пленок, основан на определении мощности разряда, приходящегося на единицу поверхности обрабатываемого материала и его природы.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит во включенном участии на всех этапах процесса работы над диссертацией. Все экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы соискателем самостоятельно.

Содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы.

В аналитическом обзоре диссертации проведен анализ публикаций, посвященных используемым и исследуемым в настоящее время методам обработки поверхности полимерных пленок с целью повышения адгезионного взаимодействия на границе полимерная пленка - печатная краска. При этом учитываются особенности технологии получения полимерных пленок.

На основании анализа научной литературы сформулированы направления проведенных в диссертации исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Печать на полимерных пленках в последнее время становится все более популярна. Объясняется этот факт достаточно энергичным развитием упаковочной промышленности - области, которая обеспечивает производство красочных полимерных упаковок для самых разных товаров.

При печати на полимерных пленках определяющим фактором, который обеспечивает качественную печать, являются физико-механические свойства полимерных пленок. Кроме этого, полиграфическое оборудование для печати должно отвечать некоторым требованиям, что станет залогом получения действительно качественно отпечатанных образцов.

В качестве упаковочного материала чаще всего используются двухосноориентированные полипропиленовые и полиэтиленовые пленки. Именно на таких пленках чаще всего осуществляется печать.

Полимерные пленки характеризуются в основном с помощью таких важных показателей, как упругость, прочность при растяжении и удлинение при разрыве. Эти свойства полимерных пленок учитываются при подготовке к печати в первую очередь. Учитывая данные показатели, можно предсказать поведение полимерной пленки при ее деформации, что нередко происходит в процессе печати или уже в период эксплуатации. А знание максимально допустимого уровня деформации пленки поможет, в свою очередь, предотвратить осложнение печати.

Обработка поверхности пленок пламенем, а также химическое травление часто используются для полимерных пленок, полученных методом плоскощелевой экструзии или методом экструзии через кольцевую головку с последующим раздувом [4, 5]. Обработку полимерных пленок и бумаги пламенем почти полностью вытеснила активация с помощью коронного разряда.

1.1. Полимерные материалы, используемые при изготовлении

печатной продукции

Как правило, большинство печатной продукции, с использованием в качестве запечатываемого материала полимерных пленок, изготавливается с применением технологии флексографской печати.

Флексографская печать - это самый гибкий способ, использующийся сегодня в промышленной сфере - преимущественно в сфере упаковки. Эта технология может быть применена для всех запечатываемых материалов.

Флексографская печать как гибкий способ высокой печати - гибкая, эластичная печатная форма из фотополимера или эластичного материала -обладает оптимальной способностью запечатывать с хорошим качеством даже относительно шероховатую поверхность материала. При этом важную роль играют краски с низкой вязкостью для флексографской печати [2,3,6,7].

При флексографском способе печати используется широкий спектр запечатываемых материалов: целлофан, полиэтилен, полипропилен, а также различные сорта бумаги, картона, стекла и металла.

Конструкция флексографских печатных машин обладает гибкостью, благодаря которой они могут печатать на любых поверхностях.

В отличие от технологии офсетной печати, для которой материалы подбирают по их печатным свойствам (белизне, матовости, присутствию волокон льна, типу мелования), во флексографской печати материал выбирается по признаку функциональности [8].

В качестве запечатываемых используются значительное количество материалов, которые могут быть применены во флексографском процессе:

- бумага, картон, пергамент;

- гибкая упаковка (все виды полимерных пленок);

- гофрированный картон;

- самоклеящаяся бумага;

- металл;

- стекло;

- пластик.

Полимерные материалы применяются в сфере упаковки в качестве упаковочного и защитного материала с диапазоном толщины от 5 до 300 мкм. Как правило, эта пленка в виде рулона устанавливается на отделочных и печатных машинах, машинах для резки рулонного материала, фасовочных машинах [2].

Наиболее часто в упаковочной индустрии в качестве упаковочного материала используются пленки из полиэтилена, полипропилена полиэтилентерефталата и полиамида. В табл. 1.1 представлен перечень полимерных материалов и пленок из них, а также их сокращенные наименования [9, 10].

Таблица 1.1— Типы полимерных материалов и пленок из них, используемых в упаковочном производстве _

Сокращенное наименование Название полимера

Полимерные материалы

ПЭВД Полиэтилен высокого давления

ЛПЭВД Линейный полиэтилен высокого давления

ПЭНД Полиэтилен низкого давления

ПП Полипропилен

ПЭТФ Полиэтилентерефталат

ПА Полиамид

Полимерные пленки

БОПП Двухосноориентированная пленка из полипропилена

БОПЭТФ Двухосноориентированная пленка из ПЭТФ

ОПА Ориентированная пленка из полиамида

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ

УПАКОВКИ

Применение полимерных материалов:

Полиэтилен:

- упаковка для пищевых продуктов;

- пакеты;

- упаковка для промышленных товаров;

- упаковка для корма для животных;

- защитная пленка;

- сельское хозяйство;

- упаковка для средств гигиены.

Полипропилен:

- упаковка для пищевых продуктов;

- техническая пленка;

- канцелярские товары;

- упаковка медицинских товаров и средств гигиены;

- упаковка продуктов глубокого замораживания.

Полиэтилентерфталат:

- упаковка пищевых продуктов;

- бутылки и стаканы для различных областей применения;

- отделка пленкой - каширование, припрессовка.

Полиамид:

- пленка из полиамида, как правило, применяется вместе с другой пленкой для многослойных материалов.

Полиэтилен (ПЭ)

В зависимости от условии синтеза ПЭ может обладать различным комплексом свойств и поэтому существуют различные типы полиэтиленов [11].

Молекулы полиэтилена имеют структурную формулу

[_сн2—СН2—]

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП)

Полиэтилен низкой плотности - ПЭ с сравнительно сильно разветвленной макромолекулой и низкой плотностью (0,916-0,935 г/см2). Процесс его изготовления протекает при очень высоком давлении от 100 до 300 мПа и температуре 100-300°С, поэтому обозначается так же, как полиэтилен высокого давления (ПЭВД).

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) получают радикальной полимеризацией в присутствии кислорода и инициаторов (пероксидных соединений) при температуре 200-300°С и высоком давлении 100-350 МПа, поэтому его часто называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД).

Комплекс свойств ПЭНП определяется разветвленной структурой его макромолекул: от 15 до 25 ответвлений на 1000 атомов углерода основной

л

цепи. Молекулярная масса 30-50 тыс. Плотность - от 0,91 до 0,935 г/см . Степень кристалличности менее 60%. Температура плавления 108-110° С. Температура деструкции - 320° С. ПТР - от 0,3 до 20 г/10 мин.

Мономер и полимер нетоксичны. При санитарно-химических исследованиях выявлена миграция из материала небольших количеств окисляющихся и бромирующихся соединений.