2.6.1. Metoda aktywacji folii PE i PP
Jak już wczeniej wspomniano, powierzchnie folii PE i PP charakteryzujš się brakiem polarnoci i stosunkowo niskim napięciem powierzchniowym. Dla folii PE ma ono wartoć 31 mN/m, za dla folii PP (niepowlekanych) 29 mN/m. W zwišzku z tym, aby zapewnić zwilżalnoć folii PE i PP przez farby drukarskie, kleje i mieszanki powlekajšce oraz w celu zapewnienia dobrej ich adhezji do powierzchni folii, należy folie te poddać procesowi aktywacji. Proces aktywacji ma na celu zwiększenie ich napięcia powierzchniowego. Obowišzuje ogólna zasada, że dobre zwilżanie i dobra adhezja farby (również kleju i powłoki) sš wtedy, gdy napięcie powierzchniowe folii przewyższa co najmniej o 10 mN/m napięcie powierzchniowe farby (kleju, powłoki) drukarskiej [9,10].
Farby zwykle stosowane do zadrukowywania folii PE i PP majš napięcie powierzchniowe o wartoci zawierajšcej się na ogół w przedziale 20Ö25 mN/m. Z technologicznego punktu widzenia praktycznie jest niemożliwe znaczšce obniżenie napięcia powierzchniowego farb. Pozostaje więc podwyższenie napięcia powierzchniowego folii. Napięcie powierzchniowe folii jest obecnie praktycznie podwyższane dwiema grupami metod aktywacji: fizycznymi i chemicznymi.
Istnieje oczywicie możliwoć stosowania tzw. metod kombinowanych będšcych połšczeniem metod fizycznych i chemicznych. Metody kombinowane stosowane sš głównie do uszlachetniania folii OPP.
Sporód metod fizycznych najczęciej do aktywacji powierzchni PE i PP stosowane sš dwie: termiczna, tzw. opłomienianie oraz elektryczna, czyli wyładowania koronowe.
Metoda termiczna polega na obróbce płomieniem gazowym. Obecnie stosowana jest prawie wyłšcznie do aktywowania kształtek (np. butelek, pojemników) z PP i PE. Im wyższa temperatura płomienia, tym szybciej i efektywniej przebiega aktywacja. W rezultacie na powierzchni PE i PP tworzš się grupy polarne (wskutek utleniajšcego działania płomienia), zwiększajšce napięcie powierzchniowe i zdolnoć adhezyjnš farby. Stosowanie metody termicznej do aktywacji folii PE i PP zostało zarzucone przed laty na rzecz metody elektrycznej, a cilej mówišc Đ wyładowań koronowych, które sš skuteczniejsze i bezpieczniejsze.
Sporód metod elektrycznych największe znaczenie i zastosowanie ma metoda wyładowań koronowych [3-4, 11-12], zwanych również wymiennie w literaturze polskiej wyładowaniami ulotowymi lub niezupełnymi. Metoda wyładowań koronowych jest jednš z metod obróbki folii pršdem wielkiej częstotliwoci. Zastosowanie metody wyładowań koronowych do aktywacji powierzchni folii PE i PP jako podłoża drukowego umożliwiło zadrukowywanie tych folii, zastosowanie ich do produkcji laminatów (folii kompleksowych) oraz przetwarzanie przez powlekanie. Najogólniej mówišc obróbka powierzchni folii metodš wyładowań koronowych polega na prowadzeniu folii przez szczelinę (o szerokoci 0,1Ö0,2 mm) pomiędzy uziemionym walcem a elektrodš pod napięciem 10Ö40 kV i przy wielkiej częstotliwoci 15Ö40 kHz. Stosowane sš również warianty urzšdzeń pracujšcych przy niższym napięciu i niższej częstotliwoci. W wyniku wyładowań koronowych na powierzchni folii powstajš grupy polarne, które podnoszš jej napięcie powierzchniowe. Zmiany zachodzšce wskutek wyładowań koronowych sš zmianami powierzchniowymi Đ zachodzš w cienkich warstwach powierzchniowych folii. Wewnętrzna częć folii zachowuje swoje pierwotne właciwoci. Poglšdy na temat zmian zachodzšcych w zewnętrznych warstwach aktywowanych folii PE i PP sš kontrowersyjne i niejednoznaczne, sš opinie na temat wpływu różnych czynników na te zmiany. Przeważa poglšd, że zagadnienia te nie sš jeszcze do końca jednoznacznie wyjanione [11]. Niemniej sš podejmowane próby jakociowego opisu zmian zachodzšcych na powierzchni folii PE pod wpływem wyładowań koronowych. Z reguły przyjmuje się, że zmiany zachodzšce na powierzchni folii PP (niepowlekanej) sš podobne. W przypadku aktywowania metodš wyładowań koronowych folii PE na ogół przyjmuje się, że podczas tego procesu zachodzš trzy podstawowe zmiany [13]:
Ľ oczyszczenie folii z zanieczyszczeń występujšcych na jej powierzchni,
Ľ zmiany kształtu powierzchni folii,
Ľ zmiany chemiczne zachodzšce w wierzchnich warstwach folii aktywowanej.
Przebieg zmian zachodzšcych w wierzchnich warstwach folii aktywowanej można w uproszczeniu scharakteryzować w następujšcy sposób [13]: pod wpływem różnicy potencjałów występujšcych pomiędzy elektrodami aktywatora koronowego w przestrzeni międzyelektrodowej następuje jonizacja powietrza. Powstaje plazma niskotemperaturowa. Strumień plazmy porusza się między elektrodami powodujšc częciowe usuwanie warstwy zanieczyszczeń zewnętrznych oraz zmiany w strukturze geometrycznej powierzchniowych warstw wierzchnich. Elektrony znajdujšce się w strumieniu plazmy majš największš energię kinetycznš. Uderzajšc w powierzchnię folii PE powodujš one rozrywanie wišzań chemicznych w łańcuchach polimeru. Skutkiem pękania łańcuchów jest przejciowe powstawanie rodników, które reagujš głównie z tlenem, ozonem, czšsteczkami H2O (pary wodnej), grupami -OH i ze sobš, tworzšc zwišzki polarne zawierajšce m.in. grupy: ketonowe, aldehydowe, hydroksylowe oraz karboksylowe.
Jak wspomniano, różni badacze podajš różne opisy zmian jakociowych zachodzšcych na powierzchniach zewnętrznych aktywowanych folii (np. teoria Owena o obecnoci enolowego wodoru na powierzchni folii PE), ale chyba najprawdopodobniejszy jest mechanizm podany przez M. Żenkiewicza [13]. Według tego mechanizmu zmiany jakociowe zachodzšce w zewnętrznych warstwach aktywowanej folii PE sš następujšce:
Ľ powstawanie rodników alkilowych w łańcuchach polimeru pod wpływem energii uderzajšcych elektronów i występujšcego promieniowania nadfioletowego: (...)
W czasie reakcji 1Ö5 zachodzi również tlenowy rozpad PE, w zwišzku z czym w wierzchnich warstwach aktywowanej folii PE powstajš makroczšsteczki zawierajšce dodatkowe grupy polarne. Wszystkie opisane tu reakcje powodujš wzrost energii powierzchniowej, a co za tym idzie Đ napięcia powierzchniowego.
Powstajšce w czasie wyładowań koronowych tlen atomowy i ozon biorš udział w procesach tworzenia ugrupowań polarnych i degradacji PE. Jednym z produktów rozpadu ozonków tworzšcych się podczas wyładowań koronowych sš kwasy organiczne: (...)
Podczas wyładowań koronowych zachodzi sieciowanie słabych polarnych warstw zewnętrznych z łańcuchami leżšcymi w głębi folii. Mechanizm tego zjawiska polega na rekombinacji makrorodników: (...)
Ľ Ľ
Przybliżona gruboć wierzchniej warstwy folii poddawanych aktywacji przez wywołanie zmian fizycznych i chemicznych zawiera się w przedziale 5Ö15 nm (0,005Ö0,015 ľm).
Tak w dużym skrócie przedstawia się teoria dotyczšca zmian powierzchni folii aktywowanej wyładowaniami koronowymi, podana przez M. Żenkiewicza [13].
Wród metod chemicznych praktyczne zastosowanie do aktywacji powierzchni folii PE i PP znalazła ostatnio metoda aktywacji gazowym fluorem lub fluorowodorem. Zawartoć gazowego fluoru lub fluorowodoru wynosi od 5 do 10%. Tš metodš uzyskuje się bardzo wysokie napięcie powierzchniowe folii PE i PP, wynoszšce aż ponad 72 mN/m [14]. Folia po takiej aktywacji jest zwilżalna wodš. Metoda z gazowym fluorem lub fluorowodorem wymaga budowy specjalnych komór reakcyjnych.
W ostatnim czasie opracowano metodę kombinowanš, łšczšcš w sobie wyładowania koronowe i działanie krzemu ze rodkami utleniajšcymi, czyli wyładowania koronowe w atmosferze krzemu i rodków utleniajšcych. W wyniku jej działania powstajš tlenki krzemu, które wzmagajš działanie wyładowań koronowych. Oczywicie iloci krzemu i rodków utleniajšcych muszš być cile okrelone. Tego typu mieszaniny noszš nazwę Aldyne [16].
Ta metoda jest stosowana głównie do aktywacji orientowanych folii polipropylenowych OPP i papieru. Dzięki niej można uzyskać napięcie powierzchniowe folii OPP dochodzšce do 72 mN/m z bardzo małym spadkiem aktywacji (od 4 do 8 mN/m) w cišgu 100 dni składowania [14].
Folie PE i PP muszš być aktywowane w momencie ich wytwarzania. Aktywacja powierzchni maleje z upływem czasu. Jest to zależne od rodzaju folii (PE czy PP) oraz od stosowanych podczas wytwarzania dodatków. Z tego też powodu na maszynach drukujšcych, laminujšcych czy powlekajšcych zainstalowane sš urzšdzenia, najczęciej koronowe, które w razie potrzeby dokonujš drugiej uzupełniajšcej aktywacji powierzchni folii bezporednio przed drukowaniem. Jest z tym wiele kłopotów, gdyż folie aktywowane w miejscach przeznaczonych na zgrzewy zgrzewajš się bardzo le lub nie zgrzewajš się wcale, ponadto jeżeli folia nie została aktywowana w trakcie jej produkcji, to nie ma możliwoci technicznych dokonania dobrej aktywacji w urzšdzeniu zainstalowanym na maszynie czy to drukujšcej, czy też innej przetwarzajšcej. cdn.
