Do napisania tego artykułu skłoniły mnie ostatnie Poligraficzne Konfrontacje (14.02.2013) poświęcone dodatkom do farb i lakierów, na których po raz kolejny – tym razem w wystąpieniu Mariusza Matuszewskiego – zostały przytoczone napięcia powierzchniowe (folii) wymagane do druku (notabene powinno być drukowania). Nie dość, że przytoczone wartości wyrażono w dynach/cm i dodatkowo w nawiasie w mN/m, to podane wartości nieco się różnią od zazwyczaj podawanych w literaturze, ale o tym po kolei; zaczynamy od jednostek.
Układ jednostek SI obowiązuje w Europie od 1960 roku, w Polsce od 1966 roku. Układ ten obecnie obowiązuje na całym świecie z wyjątkiem USA, Liberii i Birmy. Dyna jest jednostką siły w starym układzie jednostek noszącym nazwę CGS. Mnie osobiście na studiach pod koniec lat 60. XX w. uczono tego układu i układu MKS oraz nowego na owe czasy układu SI. W układzie SI miarą napięcia powierzchniowego jest mN/m, zaś w układzie CGS dyna/cm. Problem w tym, że liczbowo wielkość napięcia powierzchniowego (tak naprawdę napięcia powierzchniowego zwilżania) jest jednakowa niezależnie od tego, czy będą to mN/m, czy też nielegalne obecnie dyny/cm. Przykładowo wymagane od folii polipropylenowej orientowanej napięcie minimum 38 mN/m będzie tożsame z napięciem minimum 38 nielegalnych dyn/cm. Tyle w sprawie jednostek, tych legalnych i nielegalnych. Niemniej powszechnie są używane jednostki nielegalne i chyba przyjdzie je polubić.
Aktywacja tworzyw sztucznych, w tym głównie produktów niepolarnych wykonanych przede wszystkim z polietylenu (PE) i polipropylenu (PP), zapewnia dobre zwilżanie farbami drukarskimi, klejami i mieszankami powlekającymi. Trzeba zwrócić także uwagę, że wyroby z PE i PP to nie tylko folie, ale także kształtki. Jedne i drugie najczęściej są stosowane w charakterze materiałów opakowaniowych lub gotowych opakowań.
Tak naprawdę o dobrej adhezji farb, klejów i powłok decyduje (swobodna) energia powierzchniowa, wyrażana w mJ/m2. Wartość liczbowa energii powierzchniowej jest tożsama z wartością napięcia powierzchniowego wyrażonego w mN/m (zresztą z mJ/m2 po uproszczeniu, czyli podzieleniu przez m – uzyskuje się mN/m). Prawdę mówiąc łatwiej jest określić napięcie powierzchniowe zadrukowywanego, sklejanego czy też powlekanego tworzywa niż jego energię powierzchniową. Można zatem przyjąć, że napięcie powierzchniowe zwilżania determinuje swobodną energię powierzchniową, czyli inaczej mówiąc miarą energii powierzchniowej jest jej napięcie powierzchniowe. Dotyczy to tylko materiałów niechłonnych. W porównaniu z produktami papierowymi folie i kształtki z tworzyw sztucznych są oceniane jako podłoża trudniejsze do zadrukowania ze względu na niewsiąkliwość, małą zwilżalność, niską energię powierzchniową, niestabilność wymiarów przy naciąganiu i przy zmianie temperatury.
Niska energia powierzchniowa powoduje słabe zwilżanie cieczami (wodą, farbami, lakierami lub substancjami adhezyjnymi), co jest szczególnie widoczne w przypadku niepolarnych folii i kształtek z PE i PP – w celu ich zadrukowania, sklejania lub laminowania należy odpowiednio przystosować ich powierzchnię. Energię powierzchniową można zwiększyć przez oddziaływanie chemikaliami, ale najczęściej w przypadku folii PE i PP stosuje się wyładowania koronowe, zaś w przypadku kształtek tzw. opłomienienie. Zabiegi te powodują wytworzenie na powierzchni grup aktywnych1 (karbonylowych, karboksylowych) lub/i rodników na powierzchni polimerowej PE lub PP, które służą jako centra adhezyjne i aktywne dla nanoszenia farby, kleju itp.
Mówi się potocznie, że aktywacja nadaje i zwiększa polarność powierzchni. Jest to prawdą w przypadku tworzyw PE, PP i PVC, ale aktywuje się także inne polarne powierzchnie tworzywowe (np. PET). Proces aktywowania ma w tym przypadku najczęściej za zadanie oczyszczenie i rozwinięcie powierzchni zadrukowywanego tworzywa, co nie przeszkadza w podwyższeniu jego energii powierzchniowej.
W literaturze technicznej przedmiotu podawane są różne wymagane wartości napięcia powierzchniowego dla tych samych tworzyw. Jest to zapewne spowodowane brakiem zwracania uwagi na odmiany danego tworzywa oraz faktem, że te wymagania są stare i obecnie nikt ich na nowo nie określa. Obecnie sprawę komplikują jeszcze dodatki, które noszą nazwę promotorów adhezji – dodawane najczęściej do farb, ale również do zadrukowywanych podłoży. Oddziałują one na adhezję farb do
tworzyw, którą oczywiście zwiększają.
Aktywacja powierzchni
Folie lub/i kształtki z polietylenu, polipropylenu oraz poliestru muszą być poddawane aktywacji powierzchni przed procesami drukowania, laminowania, klejenia, metalizowania, nanoszenia powłok uszlachetniających, warstw światłoczułych, kreślarskich itp. We wszystkich wymienionych przypadkach potrzebna jest duża adhezja farb, klejów, metali itp. do powierzchni tworzyw sztucznych.
Adhezję w tych przypadkach determinuje stan energetyczny warstwy wierzchniej tworzywa charakteryzowany przez napięcie powierzchniowe i energię powierzchniową. Napięcie powierzchniowe jest zwykle małe i należy je zwiększyć, szczególnie w przypadku tworzyw niepolarnych. Procesy prowadzące do zwiększenia adhezji noszą wspólną nazwę aktywacji (lub aktywowania) warstwy wierzchniej (powierzchni).
Podczas aktywacji warstwy wierzchniej zachodzą w niej następujące zmiany:
n usuwanie zanieczyszczeń typu kurz, brud itp. lub zewnętrznych powłok strefy powierzchniowej mających charakter zanieczyszczeń pochodzących z procesu przetwórstwa;
n deformacje geometryczne struktury powierzchni powodu-jące także wzrost chropowatości;
n reakcje chemiczne prowadzące do powstawania na powierzchni folii lub/i kształtek związków polarnych prowadzących do wzrostu napięcia powierzchniowego folii lub/i kształtek.
Aktywacja powierzchni może zostać wykonana różnymi metodami i różnymi czynnikami. Metody te można podzielić na:
n metody fizyczne,
n metody chemiczne,
n metody kombinowane.
Do najczęściej stosowanych metod fizycznych należy zaliczyć działanie wyładowaniami elektrycznymi niezupełnymi, zwanymi popularnie wyładowaniami koronowymi i płomieniem, tzw. opłomienianie. Wyładowania koronowe są stosowane głównie do aktywacji powierzchni folii, zaś opłomienianie jest obecnie stosowane głównie do aktywacji kształtek. Do innych rzadziej stosowanych metod fizycznych należy aktywacja wyładowaniami jarzeniowymi, promieniami ultrafioletowymi i laserem.
Do metod chemicznych najczęściej stosowanych współcześnie zalicza się obróbkę różnymi substancjami utleniającymi, np.: bezwodnym dwutlenkiem siarki, skondensowaną siarką, kwasem azotowym, tlenkiem krzemu, nadtlenkiem wodoru, ozonem oraz gazowym fluorem lub fluorowodorem w mieszaninie z powietrzem. Do aktywacji folii znajduje zastosowanie metoda z gazowym fluorem lub fluorowodorem, pozostałe metody są stosowane do kształtek. Niestety kształtek tych nie można wykorzystywać jako opakowań do środków spożywczych.
Do najczęściej obecnie stosowanych metod kombinowanych należy zaliczyć: działanie węglowodorami chlorowanymi w połączeniu z napromieniowaniem ultrafioletem oraz wyładowania koronowe w atmosferze tlenku krzemu. cdn.
