使用大气等离子体放电技术进行新的印刷粘合改进

柔性包装正在经历一场技术革命,旨在提高消费者的便利性,加强消费者保护,并为整个制造和分销链的一系列挑战提供新的解决方案。高性能薄膜结构、包装配置和应用以及印刷技术继续推动柔性包装进入现有市场和全新市场。软包装协会已经确定,在一个包装行业内,软包装销售额为120亿美元,估计总销售额约为205亿美元。虽然传统上的电晕和火焰表面预处理已经制备出成品柔性包装结构用于图形和涂层增强,但本文提供了使用大气等离子体处理APT)技术为新的柔性包装印刷粘合性能带来益处的证据。

 大气等离子处理工艺背景

大气等离子处理工艺是为处理/功能化各种材料而开发的,与目前用于软包装应用的电晕、火焰和底漆处理技术相比具有独特的优势。 大气等离子处理系统允许在大气压和低温下利用广泛的惰性和活性气体产生均匀的高密度等离子体。 大气等离子处理工艺用类似于真空等离子处理工艺的方式处理/功能化材料表面。APT生产设备测试目前已成功用于各种材料的处理,包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯、Tyvek®、聚酰胺和聚四氟乙烯。经过处理的材料的表面能大幅增加(无需任何背面处理或针孔),从而提高其润湿性、印刷性和粘合性能。

大气等离子处理工艺包括将聚合物暴露在低温、高密度辉光放电(即等离子体)中。产生的等离子体是一种部分电离气体,由大浓度的激发原子、分子、离子和自由基组成。气体分子的激发是通过使气体(在开放式设计中输送)进入电场(通常是高频)来完成的。自由电子从外加的高频电场中获得能量,与中性气体分子碰撞并转移能量,使分子离解,形成许多活性物质。正是这些激发物质与等离子体相对的固体表面的相互作用,导致了材料表面的化学和物理修饰。等离子体对给定材料的影响取决于表面与等离子体中存在的反应物质之间的化学反应。在通常用于表面处理的低暴露能量下,等离子体-表面相互作用只改变材料的表面;影响仅限于几个分子层深的区域,并且不会改变基底的体积特性。由此产生的表面变化取决于表面成分和所用气体。用于等离子体处理聚合物的气体或气体混合物可包括氮、氩、氧、一氧化二氮、氦、水蒸气、二氧化碳、甲烷、氨和其他物质。每种气体产生一种独特的等离子体成分,并产生不同的表面特性。例如,通过等离子体诱导的氧化、硝化、水解或胺化,可以快速有效地提高表面能。根据聚合物的化学性质和源气体,将分子部分替换到表面可以使聚合物变得可润湿。特定类型的被取代原子或基团决定了特定的表面电位。对于任何气体成分,三种表面工艺同时改变柔性包装基板,其程度取决于化学和工艺变量:烧蚀、交联和活化。在烧蚀过程中,高能粒子(即自由基、电子和离子)对聚合物表面的轰击和辐射破坏了聚合物主链的共价键,导致分子量较低的聚合物链,随着长分子组分变短,挥发性低聚物和单体副产物蒸发(烧蚀)并被排出。用惰性工艺气体(氩或氦)进行交联。键断裂发生在聚合物表面。但是,由于没有自由基清除剂,它可以在不同的链(交联)上与附近的自由基形成键。活化是用等离子体中不同的原子或化学基团取代表面聚合物官能团的过程。与烧蚀一样,暴露在高能物质表面会吸收氢或破坏聚合物的主干,产生自由基。此外,等离子体还含有非常高的紫外线辐射。这种紫外线能在聚合物表面产生额外的自由基。自由基在热力学上是不稳定的,它能与聚合物主链本身或表面存在的其他自由基迅速反应,形成稳定的共价键合原子或更复杂的基团。

大气等离子表面处理后

未被处理表面                                                          APT——处理表面                               

已从理论上和实践上论证大气等离子体在成品膜上的应用,以向基底膜提供特定的功能,以改善与电晕处理工艺相关的粘附性。由于大气等离子体在大气压下的高密度等离子体中含有高度反应性物质,它被证明能显著增加表面面积,并在聚合物表面形成极性基团,从而使基底与其界面(即油墨、涂料、粘合剂)之间发生强共价键合。

分析表明,利用聚酯基结构上的水性油墨的柔性包装转换器可通过采用基于大气等离子的表面处理系统来改善油墨的粘附性。

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