ЛесБумМаш
 

Активный Descaler

 

Весовое оборудование

 

Все для металлизации


Ножи и лезвия


Силиконовые изделия

 

Чернила и маркеры для определения поверхностного натяжения материала

 
О компании Продукция Обратная связь
Поиск: 
CasonCompanies и Печатное оборудование | Оборудование и приборы | Вспомогательные средства производства, комплектующие и аксессуары
     Каталог  / Оборудование и приборы / Системы коронной и плазменной обработки / Статьи 
      
 

ОБРАБОТКА КОРОННЫМ РАЗРЯДОМ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Необходимость поверхностной обработки.

Как правило, пластики имеют химически инертные и непористые поверхности с низким поверхностным натяжением, что затрудняет образование связей с подложками, печатными красками, покрытиями и клеями. Среди различных пластиков самую низкую поверхностную энергию имеют полиэтилен и полипропилен, именно эти два материала чаще всего подвергаются обработке для улучшения их адгезионных свойств.

Однако, поверхностная обработка не ограничивается этими двумя материалами и может использоваться для повышения адгезионных свойств практически всех пластиков, а также некоторых других материалов. Два неполимерных материала, которые чаще всего подвергают поверхностной обработке – это фольга и бумага. Адгезионные свойства всех субстратов, пластиков, пленок, бумаги и фольги улучшаются, если обработать их в процессе изготовления.

Цель поверхностной обработки – увеличить смачиваемость поверхности, таким образом улучшая ее способность к образованию связей с растворителями, клеями, покрытиями и материалами для экструзионного покрытия. Чтобы поверхность хорошо смачивалась жидкостью, поверхностная энергия пластика должна быть выше поверхностного натяжения жидкости. Поверхностная энергия измеряется в динах на сантиметр. В идеале поверхностная энергия пластика должна быть на 7-10 дин/см выше, чем поверхностное натяжение растворителя или жидкости. Например, печатная краска с поверхностным натяжением 30 дин/см не может в достаточной мере смочить или соединиться с материалом, поверхностная энергия которого меньше 37 или 40 дин/см (Рис. 1).

Согласно традиционному взгляду, предварительно обработанный материал не требует дополнительной встроенной системы обработки при использовании печатной краски на растворителях. Однако, многие полиграфические компании осознали, что включение поверхностной обработки в технологический процесс имеет несколько преимуществ. Эти компании получают пользу от встроенной в поток обработки поверхности за счет более сильной адгезии и смачивания печатной краской, устранения точечных пробелов в однотонных цветах и переходах цвета и более высокого качества печати в целом. Материалы с более высокой поверхностной энергией могут потребовать повторной обработки коронным разрядом, чтобы получить необходимую адгезию.

 

Изображенный выше рисунок был напечатан на основе, обработанной только с верхней стороны. Рис2

 

Методы увеличения поверхностного натяжения.

Существует четыре метода обработки поверхности:

  1. Коронный разряд
  2. Кислотное или плазменное травление.
  3. Огневая обработка
  4. Грунтование
  5. Грунтование все еще часто используется в отдельности или в сочетании с обработкой коронным разрядом. Другой метод, используемый почти исключительно при нанесении экструзионных покрытий - обработка озоном.

    Огневая обработка и травление часто используются для литых или выдутых деталей. Огневую обработку пленок и бумаги почти полностью вытеснили установки для поверхностной обработки коронным разрядом.

     

    Что такое обработка коронным разрядом?

    Система обработки коронным разрядом предназначена для повышения поверхностной энергии полимерных пленок, фольги и бумаги с целью увеличения смачиваемости и адгезии к печатным краскам, покрытиям и клеям. В результате обработанный материал демонстрирует более высокие печатные и адгезионные свойства, а также более высокую прочность ламинирования. Система состоит из двух основных элементов:

  6. Блок питания
  7. Установка для обработки.
  8. Систему обработки коронным разрядом в самой простой форме можно сравнить с конденсатором (Рис. 3).

     Напряжение подается на верхнюю обкладку, в роли которой в случае системы обработки коронным разрядом выступает электрод. Диэлектрическая часть конденсатора в системе обработки коронным разрядом состоит из покрытия валика, воздуха и субстрата. Последний компонент, нижняя обкладка, здесь имеет форму заземленного валика. В системе обработки коронным разрядом нарастающее напряжение ионизирует воздух в воздушной прослойке, создавая коронный разряд, который повышает поверхностное натяжение субстрата, проходящего по заземленному валику.

    Блок питания

    Блок питания установки генерирует электрическую энергию высокого напряжения и высокой частоты, которая затем проходит через электродный узел в воздушную прослойку и создает ионизированное поле, или коронный разряд. Когда пленка проходит сквозь корону, ее поверхность окисляется, а поверхностная энергия возрастает. Это повышает способность поверхности к соединению с печатными красками, покрытиями или ламинатами. Блок питания потребляет стандартный бытовой электрический ток (50/60Гц) и преобразует его в однофазный ток более высокой частоты (номинальная частота 10-30 кГц), который через трансформатор высокого напряжения подается на установку для обработки коронным разрядом. В современных сложных блоках питания применяется технология IGBT*, хотя в промышленности еще можно найти установки типа SCR* и даже ламповые. Одна из важных характеристик, о которых сообщают производители установок для обработки коронным разрядом, - это показатель стабильности, т.е. способность блока питания работать при падении напряжения в сети, по-прежнему создавая ровную корону. Это свойство может быть полезно при обработке самых разных материалов. Дополнительная характеристика – “соответствие нагрузке”, т.е. способность данного блока питания автоматически приспосабливаться к нагрузке. Это важно, если вы планируете заменить старый блок питания на вашей установке.

    Обрабатывающая установка

    После этого установка воздействует на материал электрической энергией, генерированной блоком питания, в виде короны через воздушную прослойку. Два самых важных элемента станции – электроды и заземленный валик.

    Конструкция установки для поверхностной обработки позволяет разместить ее практически в любом месте печатного пресса. Современные блоки питания эффективны и компактны. Электроды в виде керамической трубки предоставляют большие возможности, это идеальный выбор для печати красками на растворителях.

    обработка коронным разрядом и печать красками на основе растворителей

    История разработки

    Конструкция электрода принимала различные формы. Одной из самых ранних конструкций была простая проволока, протянутая параллельно заземленному валику, который был покрыт диэлектриком, например, оболочкой из полиэстера. Проволочный электрод отвечал своему предназначению, но создавал такую узкую корону, что время выдержки, т.е. время, в течение которого субстрат фактически находился в зоне действия короны, было чрезвычайно коротким. Кроме того, уровень приложенной мощности чрезвычайно ограничивался диаметром поперечного сечения проволоки и ее способностью рассеивать тепло, выделяющееся во время обработки. Озон, который всегда образуется в воздушной прослойке, заполненной короной, необходимо было удалять из рабочей зоны.

    Другая ранняя форма электрода – стержень с резьбой, который обеспечивал более длительное время выдержки, но из-за неровности поверхности электрода обработка субстрата была неравномерной в поперечном направлении. Корона была более интенсивной в острых точках электрода, поэтому в тех местах, где резьба находилась ближе к субстрату, уровень обработки был выше.

    Электроды в виде прямой металлической пластины тоже использовались и используются по сей день (Рис. 4).

     Пластина обеспечивает равномерную обработку субстрата в поперечном направлении, но каждый раз при замене полотна новую пластину приходилось обрезать по длине, чтобы она соответствовала ширине полотна. Это неудобно для оператора, и требует создания запаса электродов различной длины

    Чтобы устранить необходимость обрезать электрод, пластины разрезались на сегменты и монтировались на стержень, так что при изменении ширины полотна можно было отодвинуть сегменты от заземленного валика, приведя длину электрода в соответствие с шириной полотна. Сегодня используется множество таких электродов. Такая конфигурация имеет несколько достоинств и недостатков.

    Если сегментированный электрод (Рис. 5) был закреплен прямо над валиком, сегменты сдвигались, когда по валику проходила складка или место склейки, толщина которого была больше, чем воздушная прослойка, и возвращались на место после прохождения складки или места склейки. Другое преимущество сегментированного электрода – способность центральных сегментов подниматься, что позволяет обрабатывать узкие полосы пленки. В более ранних конфигурациях электродов толстое место склейки могло повредить электрод при соприкосновении с ним. Соответственный недостаток заключается в том, что озон, образующийся в зоне короны, быстро образует отложения оксида алюминия между сегментами, приводя к тому, что они остаются в внерабочем положении. Эту проблему можно в какой-то мере решить путем нанесения на электрод твердого покрытия или анодирования сегментов. Другое усовершенствование – использование нержавеющей стали в качестве материала электрода. Это практически исключает застревание сегментов или деформацию электрода.

    Последний недостаток этой конфигурации – вероятность неравномерной обработки в поперечном направлении. Неравномерная обработка субстрата в поперечном направлении может вызвать проблемы с адгезией или термосвариванием при печати, нанесении покрытий экструзионным или иными методами и ламинировании. Проблема неравномерной обработки была в значительной степени решена разрезанием сегментов под углом, предотвращающим неравномерную обработку между сегментами.

    В настоящее время широкое распространение получили электроды в виде керамической трубки (Рис. 6, 7).

     Керамические электроды обладают большей гибкостью, чем системы из металлических электродов, поскольку они могут обрабатывать любой материал, в том числе металлизированную пленку и фольгу. Они используются главным образом для печати, нанесения покрытий и ламинирования. С керамическими электродами может использоваться один или два заземленных валика; либо голый валик, либо универсальный валик.

    Мощность: основной элемент эффективной обработки коронным разрядом

    Основные параметры системы

    Большинство покупателей, выбирающих электродвигатель, понимают, что данных о мощности в лошадиных силах для конкретного применения недостаточно. Такие данные, как пусковой момент, частота вращения, максимальный вращающий момент и работа в прерывистом режиме также влияют на выбор двигателя. Аналогичная ситуация с системами обработки коронным разрядом. Исторически, точкой отсчета для определения размеров установки была мощность тока в киловаттах и ширина установки, которая в свою очередь определяет максимальную ширину обрабатываемого полотна. Однако, как и в случае с мощностью электромотора, для конкретного применения этих данных недостаточно. Конечная цель любой системы поверхностной обработки - увеличить поверхностное натяжение продукта, измеряемое в динах на сантиметр, что в свою очередь увеличивает смачиваемость и адгезионные свойства поверхности. Системы обработки коронным разрядом достигают этого, воздействуя на поверхность энергией определенного уровня в течение определенного периода времени. Этот параметр мощности-времени характеризуется плотностью потока мощности, которая определяется как мощность в ваттах на квадратный фут в минуту.

    Параметры системы обработки коронным разрядом

    Wd

    =

    (PSw)/(WWft x LSfpm x NST)

    где:

    Wd

    =

    плотность потока мощности (Вт/фут2/мин)

    PSw

    =

    мощность (Вт)

    WWft

    =

    ширина полотна (футы)

    LSfpm

    =

    скорость поточной линии (фут/мин)

    NST

    =

    количество обрабатываемых сторон

    Хотя плотность потока мощности прямо пропорциональна увеличению уровня поверхностного натяжения, эта зависимость не линейная и будет различна для каждого обрабатываемого материала. Тонкости этого отношения будут обсуждаться ниже. Сейчас достаточно знать, что, в общем случае, чем больше плотность потока приложенной мощности, тем больше увеличение поверхностного натяжения.

    Условные параметры плотности потока мощности


    Плотность потока мощности как контрольная функция упрощает расчет мощности системы, пока мы не рассматриваем все параметры, которые влияют на плотность потока мощности. Эти параметры можно разделить на две категории: параметры системы и параметры процесса и материала. Параметры системы определяются конструкцией установки для обработки коронным разрядом и машины. Параметры материала и процесса определяются условиями материала и процесса.

    Параметры системы

    Наиболее очевидные параметры системы – мощность блока питания (кВт) и размер установки (ширина полотна). Плотность потока приложенной мощности прямо пропорциональна мощности блока питания в ваттах и обратно пропорциональна размеру установки (ширине полотна) в футах. Это означает, что при увеличении ширины полотна в два раза для сохранения требуемой плотности потока мощности необходимо вдвое увеличить мощность блока питания. Такая простая зависимость усложняется двумя факторами: скоростью поточной линии и способностью электрода выдерживать определенный уровень приложенной мощности.

    Каждый тип электродов, будь то проволочный, стержневой, пластинчатый электрод или керамический, имеет верхний предел мощности, которую он может выдерживать в расчете на единицу длины. Если при достижении определенной плотности потока мощности, мощность блока питания начинает превышать максимальную мощность электрода, необходимо добавить дополнительные электроды. Кроме того, увеличение количества необходимых электродов может привести к увеличению диаметра валика установки. Оба эти фактора могут увеличить физические размеры и стоимость установки, необходимой для данного применения. Скорость поточной линии – второй параметр системы, который усложняет расчет мощности. В любой системе чем выше скорость линии, тем ниже максимальное значение плотности потока мощности, которого можно достичь. Будучи обратно пропорциональной плотности потока мощности, скорость линии оказывает существенное влияние на мощность и стоимость системы.

    Параметры материала и процесса

    Наиболее очевидные параметры материала и процесса – состав материала-основы и тип процесса (экструзия, экструзионное покрытие, печать и т.д.) Если подробно анализировать эти факторы, их влияние на мощность установки становится чрезвычайно сложным.

    Начнем с состава материала-основы и предположим, что все материалы без добавок. Для большинства материалов характерен некоторый диапазон типичных значений поверхностного натяжения. Различные значения поверхностного натяжения конкретного материала можно объяснить несколькими факторами, как, например, метод изготовления (выдувная пленка или литая пленка), колебания температуры экструдера во время экструзии и тип и количество примесей, которые всегда присутствуют в пленке даже самого высокого качества. Если данный материал обрабатывается при определенной плотности потока мощности, его поверхностное натяжение увеличивается. Однако, и конечное полученное поверхностное натяжение, и величина приращения зависит от начального поверхностного натяжения материала. Например, воздействие на ПЭТ, имеющий поверхностную энергию 41 дин, мощностью с плотностью потока 1,2 может увеличить энергию материала до 46 дин, но воздействие таким же потоком на ПЭТ с поверхностной энергией 44 дин может повысить ее только до 48 дин. Хотя конечный уровень энергии выше, чем во втором случае, величина приращения меньше из-за более высокого начального уровня. Кроме того, введение добавок изменяет реакцию материала на обработку коронным разрядом. Мы обсудим влияние добавок ниже.

    Как было упомянуто выше, различные материалы или субстраты по-разному реагируют на обработку коронным разрядом. Некоторые материалы, например, некоторые полиэстеры, легко поддаются обработке и демонстрируют быстрый рост поверхностного натяжения при сравнительно низкой плотности потока мощности, скажем, от 0,9 до 1,2. Другие материалы, например, полиэтилен, обрабатываются сложнее, но демонстрируют значительное увеличение поверхностного натяжения при средних уровнях плотности потока мощности, скажем, 2,0-2,5. Наконец, третьи материалы, например, полипропилен, с трудом поддаются обработке и могут продемонстрировать лишь незначительное увеличение поверхностного натяжения при сравнительно высокой плотности потока мощности, скажем, от 2,5 до 3,0. Кроме того, изменение реакции материала на обработку коронным разрядом связано с различиями в параметрах процесса. Понятно, что экструзия, нанесение покрытий экструзионным методом и экструзионное ламинирование требуют различных уровней обработки для достижения приемлемого качества продукта и уровня производительности. Однако, менее очевидно то, что нанесение покрытия экструзионным методом на какой-нибудь полимер, скажем, ПЭТ, вызовет совершенно иную реакцию субстрата на последующую обработку, нежели в том случае, если тот же полимер будет подвергнут экструзионному литью. Еще один фактор, который значительно увеличивает необходимую плотность потока мощности, - сочетания экструзионного литья с растягиванием на раме.

    В этих случаях различия в реакции на обработку коронным разрядом обусловлены следующими факторами:

  9. Отклонениями в молекулярной структуре в результате процесса экструзии.
  10. Температура материала в момент подачи на установку для обработки коронным разрядом.
  11. Расположение установки для обработки коронным разрядом по отношению к месту проведения экструзии.

Литые пленки очень слабо реагируют на обработку коронным разрядом, причина этого – молекулярная структура, температура субстрата и расположение установки для обработки. В этой ситуации пленка проходит экструдер/отливается на охлаждающий цилиндр, а затем до намотки может быть подвергнута растягиванию в двух направления/по двум осям при нагревании.

Обработку коронным разрядом можно применить сразу после охлаждающего цилиндра либо на теплую, либо на холодную сторону пленки (Рис. 8).

В случае ориентированной или двусторонне ориентированной пленки, установка для обработки коронным разрядом можно разместить после установки для ориентирования. Для каждого случая указаны значения плотности потока мощности (Wd). Однако, абсолютное значение плотности потока мощности не такой информативный показатель, как относительные различия между значениями, указанными для каждого местоположения.

При обработке выдувных пленок существуют аналогичные различия в необходимом уровне обработки в зависимости от расположения установки и температуры пленки в момент подачи на установку.

Другие факторы, влияющие на плотность потока мощности


До сих пор обсуждение требований к плотности потока энергии касалось основных факторов конструкции системы обработки, требований применения и состава основного материала (полотна). Существует ряд других факторов, которые влияют на восприимчивость к обработке и способность бумажного полотна, пленки или другого материала-основы сохранять уровень обработки. Эти другие факторы включают повторную обработку, время и наличие добавок (Рис. 9)

Повторная обработка

Повторная обработка – ситуация, когда ранее обработанное полотно еще раз обрабатывается в процессе переработки незадолго до завершения процесса. Например, пленка, которая обрабатывалась во время экструзии, может быть обработана еще раз незадолго до нанесения покрытия на водной основе. Такая повторная обработка часто применяется для пленок, содержащих добавки, если между экструзией и нанесением покрытия прошло некоторое время.

Повторная обработка более распространена в тех случаях, когда используются покрытия на водной основе или закрепленные излчением в противоположность покрытиям на основе растворителей, которые быстрее впитываются и вступают в связь. Например, пленка с поверхностным натяжением 31 дин может быть обработана до уровня 40 дин на экструдере. После доставки и хранения воздействие времени и добавок может снизить поверхностное натяжение пленки до 36 дин или менее. При таком уровне покрытия на основе растворителей вполне могут обеспечить высокое качество продукта без дополнительной обработки. Однако покрытие на водной основе или закрепленное излучением может потребовать повторной обработки пленки и повышения ее поверхностного натяжения до 40 дин или более. Опыт показывает, что для повышения поверхностного натяжения на данную величину повторная обработка предварительно обработанной пленки требует меньшей плотности потока энергии, чем обработка пленки, которая не подвергалась предварительной обработке.

Содержание добавок

Содержание добавок, т.е. количество добавок в частицах на миллион, которое содержится в пленке, оказывает значительное влияние на чувствительность пленки к обработке и способность сохранять эффект обработки. Во-первых, высокое содержание добавок требует увеличения плотности потока энергии, чтобы повысить поверхностное натяжение пленки на необходимую величину. Кроме того, высокое содержание добавок снижает способность пленки сохранять эффекты обработки коронным разрядом. Это обусловлено тенденцией добавок «выпотевать»/создавать пленку или мигрировать на поверхность и маскировать эффект обработки. Считается, что добавки скорее мигрируют на поверхность пленки, которая подвергалась обработке.

Время

Обработанные поверхности с течением времени утрачивают свои свойства. Это относится ко всем методам поверхностной обработки и ко всем пленкам, даже пленкам, не содержащим добавок. Масштаб утраты зависит от типа пленки, уровня обработки, типа обработки и продолжительности временного периода. Одно исследование покрытий нанесенных экструзионным методов показало, что в первые девять дней после обработки утрачивается между 1 и 7% результатов обработки. После 37 дней теряется 32-38%.

Расчет мощности

Чтобы выбрать установку для обработки коронным разрядом адекватной мощности для данного применения, необходимо тщательно изучить несколько параметров машины и материала. Так как некоторые установки обрабатывают целый ряд материалов, целесообразно определить самый трудный для обработки материал и мощность оборудования для этого материала. Некоторые параметры могут потребовать изучения минимального и максимального значения для правильного подбора компонентов. Поставщики установок разработали спецификации, которые представляют всю информацию, которая может оказать влияние на размер установки. В ней представлена информация об обсуждаемых параметрах, а также некоторых параметрах, которые не рассматриваются в этой главе. Каждый параметр влияет на физическую или электрическую конструкцию системы и, в конечном итоге, способность системы выполнять требования в отношении качества и долгосрочной надежности.

Факторы, влияющие на процесс обработки коронным разрядом

Различные основы имеют различное начальное поверхностное натяжение. Оно может варьироваться от 29-31 для полипропилена до 41-44 для ПЭТ. Большая часть пленок обрабатывается коронным разрядом во время экструзии, но такая обработка имеет тенденцию разрушаться со временем. К разрушению могут также привести другие факторы, в том числе добавки, температура окружающей среды во время хранения и последствия перемотки. Поэтому достаточно распространена вторичная обработка непосредственно перед печатью с целью вернуть материалу его первоначальную поверхностную энергию. Однако, если материал еще не подвергался обработке, его практически невозможно изменить последующей обработкой. На выбор мощности блока питания и типа установки для обработки коронным разрядом также влияют такие факторы, как скорость поточной линии, содержание добавок и т.д. Чем быстрее скорость линии, тем мощнее должен быть блок питания, так как время пребывания материала в зоне действия короны уменьшается. И наоборот, многие производители обнаружили, что сложные материалы можно обрабатывать, замедляя скорость потока, когда это необходимо. В процессе обработки коронным разрядом в качестве побочного продукта выделяется озон. Озон вреден для здоровья, кроме того, он корродирует оборудование, если не удалить его из рабочей зоны. В некоторых районах приняты жесткие экологические правила, которые требуют использовать нейтрализатор озона, который можно приобрести у большинства производителей оборудования для обработки коронным разрядом.

Заключение

Современное состояние дел в поверхностной обработке помогает найти практические решения потребности увеличить поверхностное натяжение материалов производственной среде. Однако, чтобы удовлетворить требования постоянно меняющихся материалов (как материалов-основ, так и покрытий) и производственных параметров, технология поверхностной обработки должна наступать на двух фронтах. Во-первых, наука о поверхностной обработке должна определить механизм, посредством которого поверхностная обработка изменяет характеристики поверхности на молекулярном уровне. Во-вторых, технология поверхностной обработки должна обеспечивать адекватный уровень обработки с учетом постоянного роста ширины полотна и скорости поточной линии, диктуемого экономикой производства.

 

 

 

 

     Обработка коронным разрядом повепхности материалов

 Опросный лист
 Производитель:  ENERCON INDUSTRIES CORPORATION
 
   тел.:+7 (812) 973-5237    info@polymernw.ru Rambler's Top100
Rambler's Top100