Свойства полимерных плёнок и особенности печати на них

Объёмы печати на полимерных плёнках непрерывно растут, в первую очередь благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах.

В отличие от бумаги — традиционного запечатываемого материала, физико-механические и поверхностные свойства полимерных плёнок оказывают на процесс и качество печати гораздо большее влияние. Особенно это касается прохождения плёнки по лентопротяжному тракту полиграфического оборудования. Рассмотрим наиболее часто используемые в качестве упаковочных материалов полиэтиленовые (РЕ) и двухосно-ориентированные плёнки из полипропилена (ВОРР) и попытаемся ответить на два вопроса — какими свойствами они должны обладать для осуществления качественной печати и каким требованиям должно отвечать работающее с ними полиграфическое оборудование.

Рис. 1. Деформационные кривые плёнок из ВОРР и РЕ. На примере ВОРР показаны параметры, фиксируемые при испытаниях на растяжение

Традиционно, физико-механические свойства полимерных плёнок оценивают тремя параметрами, формирующими их деформационные кривые (рис. 1):

• пределом прочности материала при растяжении (σ_р);
• относительным удлинением при разрыве (ε_р);
• начальным модулем упругости (Е₀).

Лишь последний несёт информацию о поведении упаковочной плёнки при небольших деформациях, характеризующих её поведение под воздействием небольших растягивающих усилий как при изготовлении упаковки (включая печать), так и эксплуатации. Потому важно экспериментально определить минимальный уровень деформационной нагрузки на полимерную плёнку, не усложняющий печать.

Обратимость деформаций

Знания этих показателей не всегда достаточно для прогнозирования поведения полимерной плёнки в печати. Очень важна обратимость деформаций — реакция плёнки после снятия деформирующей нагрузки, определяемой растяжением образца полимерного материала в разрывной машине с заданным усилием. После снятия нагрузки фиксируется уровень минимальных нагрузок, при которых деформация будет максимально обратима (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы растяжения/сокращения плёнок из BOPP (а) и РЕ (б)

Видим (рис. 2), что деформация до 2% для ВОРР-плёнок полностью обратима, в то время как при превышении этого порога плёночная упаковка потеряет форму, печатное изображение на ней примет нетоварный вид. Сравнительный анализ деформационных свойств ВОРР и РЕ показывает, что уровень напряжений необратимых деформаций первых в 4 раза выше, вследствие чего полипропиленовые плёнки — традиционно более предпочтительный вид упаковочного материала.

Величина растягивающего напряжения для ВОРР, как видно из рис. 2, в полиграфическом и упаковочном оборудовании не должна превышать 60 МПа. Для плёнок РЕ этот уровень значительно ниже — 15 МПа.

Смачиваемость

Второе условие качественной печати на полимерной подложке — краска, хорошо смачивающая её поверхность. Достигается нужный уровень смачивания двумя способами — подбором растворителя краски с поверхностным натяжением, близким к критическому поверхностному натяжению плёнки или повышением её поверхностной энергии за счёт модификации плёночной поверхности химическими и физическими методами. Широко распространены краски на основе водных латексов полимеров и сополимеров. Поверхностное натяжение воды составляет 72 дин/см, следовательно, поверхностная энергия полимерной плёнки должна быть близка к этому значению.

Как экспериментально оценить уровень поверхностной энергии полимерных плёнок? Можно воспользоваться набором специальных фломастеров, заправленных окрашенной жидкостью с различным значением поверхностного натяжения. Нужный фломастер со смачивающей поверхность плёнки жидкостью подбирается опытным путём. Как правило, комплектом фломастеров снабжаются установки для активации поверхности запечатываемых материалов коронным разрядом.

Если такого комплекта нет, можно самостоятельно составить набор тестовых растворов с разными величинами поверхностного натяжения. Рекомендации представлены в таблице.

Состав тестовых жидкостей для оценки поверхностного натяжения полимерных плёнок

С помощью тестовых жидкостей с различным значением поверхностного натяжения оценим краевой угол смачивания полимерных плёнок BOPP и PE (рис. 3). Экстраполируя зависимости до пересечения с осью Х, с достаточной долей вероятности определяем уровень критического поверхностного натяжения плёнок.

Рис. 3. Зависимости краевого угла смачивания растворами с различным значением поверхностного натяжения

Оценив его как 38 (BOPP) и 36 дин/см (PE), соответственно, можно рекомендовать применение красок на базе растворителей с близкими значениями поверхностного натяжения. Тогда будет обеспечено полное смачивание поверхности плёнки печатными красками. Другой путь — повысить поверхностную энергию плёнок за счёт нанесения на поверхность ВОРР или РЕ полимерных слоёв с более высокой поверхностной энергией, т. е. более гидрофильных.

Уровень гидрофилизации поверхности и адгезионной способности полимерных плёнок не постоянен во времени, в процессе хранения активированной плёнки любого типа эффект от обработки снижается. Эксперименты показывают, что через 5-10 суток поверхностная энергия уменьшается на 30-50%. Поэтому наибольший эффект от активации плёнки коронным разрядом достигается непосредственно перед печатью.

Адгезия

Увеличить уровень поверхностной энергии полимерных плёнок можно их обработкой в плазме коронного разряда, приводящей к гидрофилизации поверхности за счёт структурных и химических изменений в поверхностном слое полимера. Но высокая гидрофильность ещё не гарантирует удержания краски на запечатываемом полимере, который, помимо смачиваемости и устойчивости к деформационным нагрузкам, должен обладать определённой адгезионной способностью. Её также добиваются c помощью коронного разряда, увеличивающего концентрацию карбоксильных и гидроксильных групп в поверхностном слое полимера.

Проблема адгезионного закрепления печатных красок на полимерных плёнках весьма актуальна в ходе создания и эксплуатации полимерной упаковки. Работающему с полимерными материалами технологу требуется объективная информация об адгезионной прочности на границе полимер/краска. К сожалению, методики количественной её оценки малоизвестны и практически не применяются. Специалисты МГУП провели комплекс исследований по разработке такой методики. За основу был принят метод нормального отрыва (рис. 4), который может быть использован для оценки адгезионной прочности как на модельных, так и реальных изделиях, например образцах упаковочных материалов.

Рис. 4. Устройство оценки адгезионной прочности методом нормального отрыва

Метод позволяет сравнить несколько красочных систем; оценить эффективность способов активации поверхности полимерных плёнок; установить влияние на адгезионную прочность технологических параметров, связанных с сушкой и закреплением красок.

Эксперименты позволили найти оптимальную геометрию тестового устройства (ячейки), в т. ч. диаметры адгезионно закрепляемого на поверхности красочного слоя «грибка» и отверстия в накладной фиксирующей металлической пластине. Значительная часть работы была посвящена выбору адгезива, фиксирующего «грибок» на поверхности красочного слоя. Выбор был остановлен на цианакрилатном клее.

Для идентификации характера разрушения соединения материал/краска, которое может быть адгезионным, когезионным и смешанным, оценивали гидрофильность поверхности плёнок, экспериментально определяя краевой угол смачивания водой. Факт механического разрыва границы полимер/краска подтверждался показаниями инфракрасного спектрометра (рис. 5). Чистоту эксперимента гарантировали результаты измерения шероховатости испытуемых плёнок на электронно-лучевом профилографе.

Рис. 5. Инфракрасные спектры поверхности ВОРР-плёнки

Отсутствие амплитудных составляющих печатной краски в представленном на рис. 5 спектре поверхности плёнки после отрыва «грибка» подтверждает факт адгезионного разрушения соединения краска/полимерная плёнка. Что доказывает возможность успешного использования методики и устройства в целях количественной оценки прочности удержания печатных красок на поверхности полимерных плёнок.

Об авторе: Евгений Баблюк, д. т. н., заведующий кафедрой «Управление качеством» МГУП.