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薄膜表面張力檢驗

閱讀：1578 發布時間：2010-03-26

對于薄膜彩印來說，關系印刷質量大的是薄膜的表面處理效果，即表面潤濕張力。筆者結合多年生產測試實踐，就了解的潤濕張力產生原因和處理探討如下。

一、潤濕的原理

印刷中的所謂潤濕性，這就是諸如油墨、粘合劑、涂料等對塑料薄膜、紙張或金屬箔附著的基礎。潤濕性決定一種液體在一種固體表面上的展延性。如水滴在親水性表面就展延成一薄水層，而在親油性表面卻形成小水滴。水滴外表層的切線與固體表面間所形成的接觸角（圖一，夾角θ），即表示該表面潤濕性能的強弱，接觸角越大，潤濕性能越差。

物理界關于潤濕的嚴格熱力學定義是：固體與液體接觸后，體系（固體十液體）的自由焓降低時，稱為潤濕。

圖一，固體－液體相面潤濕張力示意圖

如上圖，考查其物理模型，從熱力學觀點看，當液滴落在一個清潔平滑的固體表面上，忽略液體的重力和粘度影響時，則液滴在固體表面上的鋪展是由固-氣（SV）、固-液（SL）和液-氣（LV）三個界面張力所決定的，其平衡關系如下確定。

γ_SV=γ_SL+γ_LV cosθ

F=γ_LV cosθ=γ_SV-γ_SL+γ_LV

式中：θ是潤濕角，F是潤濕張力，γ是界面能。顯然，當θ＞90°則因潤濕張力小而不潤濕；θ＜90°則潤濕；而在θ=0°時，潤濕張力F大，可以潤濕，即液體在固體表面上自由鋪展。（產生界面能γ的主要原因是范德華力、化學鍵力等在界面處不平衡導致的。這些作用力在固體的內部因為對稱，相互抵消，在界面處因為無法對稱，從而顯示了界面作用力，即界面能）。

可以看出，達到我們印刷所說的潤濕先決條件是γ_SV＞γ_SL ，或者γ_SL 十分微小。

二、常用材料的處理和潤濕效果

潤濕性視化學組成、晶體形式及表面結構而異。對塑料進行印刷時，塑料表面的潤濕性必須比油墨的潤濕性高，否則其展延、轉移及附著均會發生困難。幾種聚合物的原始表面張力大致如下：

表一部分塑料表面張力（mN/m，20℃）

塑料	表面張力	塑料	表面張力
PTFE聚四氟乙烯	18.5	PVC	39.0
PVF聚偏二氟乙烯	28.0	PMMA	39.0
PCTFE聚三氟氯乙烯	31.0	PVDC	40.0
PE	31.0	PET	44.0
PS	33.0

通常用作油墨溶劑的表面能為：乙醇22 mN/m、醋酸乙酯24 mN/m，而水為72 mN/m，就難以濕潤塑料，所以水基油墨用來印刷塑料就比較困難。

以聚乙烯薄膜為例，不同類型油墨印聚乙烯時，要求聚乙烯薄膜的表面能不低于如下：
    溶劑型油墨    38-42 mN/m
    UV油墨       42-46 mN/m
    水溶性墨      42-48 mN/m
    水基墨       38-42 mN/m

所以，對于要印刷的塑料薄膜，因為其初始表面張力較小，必須進行電暈處理以增加表面張力。業界*對薄膜進行電暈處理會產生以下作用：

1、移除薄膜表面上被吸收的原子和分子。
2、促進原子的接觸，增進濕潤。
3、增進表面能，調節極性。
4、創造能起化學反應的原子基或功能團。

5、破壞表面部分化學鍵。

上述處理，可以直接導致薄膜表面能降低，極性基團的可移動性加強。

印刷所用的塑料薄膜是一種復合物質，含一種或多種聚合物及多種小分子添加劑。薄膜的主體聚合物的化學結構（基團）決定油墨或底膠的潤濕性和附著力，但處理后的薄膜隨著放置時間的延長，一些極性塑料添加劑會從薄膜內部更容易向表面遷移，從而影響薄膜的表面能。所以，薄膜存放的時間越長，或某些添加劑的含量（如爽滑劑）越高時，其表面能的變化也越大。故薄膜在印刷前還需對其表面能進行薄膜測厚儀測試，并作電暈處理，以免發生油墨轉移或附著力不足的問題。

三、彩印實踐中印刷前表面潤濕張力的測定

測定表面能一般使用張力測試儀、光學接觸角測量儀或通過電鏡測量潤濕角來計算。

在彩印生產應用中，由于上述儀器復雜昂貴，使用不方便。塑料薄膜表面能的測定主要是依據GB/T14216《塑料膜和片潤濕張力試驗方法》來進行的。

將試樣水平放在光滑的試驗臺平面或平板上，用刷子或棉頭棒涂敷按一定配方配制的試驗混合液，順同一方向在試樣上水平移動棉棒涂敷，應使混合液立即擴散到至少20cm²的面積上。根據涂敷混合液2s以上液膜層的狀態，來判斷潤濕張力。

如果液膜持續2s以上不破裂，用下一較高表面張力的混合液重新涂在一新的試樣上，直到液膜在2s破裂；如果連續液膜保持不到2s，用較低表面張力的混合液，直至液膜能持續2s為止。使試樣表面潤濕接近2s的混合液，用這種混合液至少測定3次，該混合液的潤濕張力即為試樣的潤濕張力。

使用上述方法需要注意以下幾點：

1、試驗混合液配制應使用分析純的試劑，并加入極少量的維多利亞純藍（濃度在0.03％以下），保存在潔凈的棕色玻璃點滴瓶中。如果頻繁打開瓶口，超過3個月后應重新配制。

2、對薄膜取樣時應舍去外面幾層，并使被測試薄膜的表面不要接觸任何其他物質。

3、測試時將薄膜試樣水平放在光滑的試驗臺平面或平板上，所涂試驗混合液體量應使之形成一薄膜而無積液存在，每次試驗應使用新的棉頭。

4、如果塑料薄膜內含添加劑或覆有涂膜，用測試液測試時，往往會發生化學反應，影響性。在這種情況下，宜以蒸餾水作接觸角測試。

5、對于常用的38、40、42、50、52達因薄膜測試，可以使用標準達因筆，以便車間操作人員現場質量控制。目前，市場上包括英國舒曼等達因筆測試技術已比較成熟。

附：GB/T14216中表面張力試驗混合液的配方

潤濕張力 mN／m	乙二醇獨乙醚％（V／V）	甲酰胺％（V／V）	甲醇. ％（V／V）	水％（V／V）
22.6			100	0
25.4			90	10
27.3			80	20
30	100.0
31	97.5	2.5
32	89.5	10.5
33	81.5	19.0，1
34	73.5	26.5
35	65.0	35.0
36	57.5	42.5
37	51.5	48.5
38	46.0	54.0
39	41.0	59.0
40	36.5	63.5
41	32.5	67.5
42	28.5	71.5
43	25.3	74.7
44	22.0	78.0
45	19.7	80.3
46	17.0	83.0
48	13.0	87.0
50	9.3	90.7
52	6.3	93.7
54	3.5	96.5
56	1.0	99.0
58		100.0
59		95.0		5.0
60		80.0		20.0
61		70.0		30.0
62		64.0		36.0
63		50.0		50.0
64		46.0		54.0
66		30.0		70.0
67		20.0		80.0
70		10.0		90.0
73				100.0

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