等离子表面处理为什么能提高塑料表面的印刷性能？

印刷是信息传递的重要方式,也是美化商品的有效手段。塑料制品的普及应用促进了塑料印刷的发展,塑料印刷的发展又使得塑料制品的应用更丰富、更充分。然而,并不是所有塑料都具备较好的天然印刷适性,有些塑料或因分子结构非极性,或因表面张力太低,或因表面太光滑、化学性能稳定而影响油墨的附着,这些塑料被统称为难印塑料。将塑料表面引进极性基团,或提高表面张力,或提高表面粗糙度而采用等离子体表面处理,这种工艺为难印塑料的印刷提供了一种新途径。

接触角与附着关系

在考虑油墨的润湿和附着时,接触角是一个重要的参数。接触角即为由液体与固体、气体接触的三相分界点作液滴曲面的切线,该切线与固体表面之间的夹角称接触角(在液体一方的角)。
当液体置于固体表面上时,作用在分界点有3个力,若力系平衡,这些力可由作用在表面方向的表面能表示,表达式为:

σsg=σsl+σlg+cosθ

式中σsg为固-气界面自由能,σsl为固-液界面自由能,σlg为液体的表面自由能。理论上讨论润湿可以从固-液界面形成过程的自由能来考虑。设有截面积为1cm²固体柱的液体柱,接触前体系的总表面能为σsl+σsg,接触后生成固液界面,其界面自由能为σsl,则接触前后体系的自由能降为:

Wsl=σsg+σlg-σsl (1)

Wsl值的大小反映出固-液间的结合力强弱,将Wsl称为粘附功。
将σsg=σsl+σlg+cosθ代入式(1)得
Wsl=σlg(1+cosθ)
把粘附功与接触角联系起来,当接触角增大时,Wsl值变小,固-液间的结合力减弱;反之,当接触角减小时,Wsl值变大,固-液间的结合力增强。为了增强印墨的附着力,Wsl值越大越好。当θ=0゜时,Wsl=2σlg,达到最大值。故θ=0゜为最佳条件,即印墨完全润湿塑料制品表面。

表面张力与附着力的关系

在考虑印墨的润湿和附着时,塑料表面张力也是一个重要参数,塑料的表面张力不能直接测定。评价塑料表面张力有两种方法,一种是齐斯曼的临界表面张力,另一种是北崎的将表面张力分解为非极成分、极成分及氢键,然后求出σs来评价塑料表面张力。如果塑料和印墨有色散力、偶极和氢键存在的话,则各成分值均要相等,才能使σsl=0;反之即使σs和σl值相等,但由于其构成成分不同,未必能使σsl=0。这就从理论上解释了为什么具有相似分子结构的同类物质附着性好。

等离子体是和固体、液体、气体处于同一层次的物质存在形式,又称物质的第四态。它是由大量带电粒子(电子和离子)组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。等离子体可分为高温等离子体和冷等离子体。冷等离子体又称非平衡等离子体,它可由直流辉光在低气压下放电形成,电子温度比较高(1～10ev),离子温度比较低(≤0。1ev)。等离子体是由带电粒子、中性粒子和光子组成,带正电荷的粒子和带负电荷的粒子的总量相等,因而总体上是电中性的。

PTFE等离子表面处理前后达因值对比

聚四氟乙烯（PTFE）等离子表面处理前后达因值对比

冷等离子体的特点为:

1)这种等离子体中存在着电子碰撞激发和解激发、光激发和自发辐射衰变、电子碰撞电离化和多体复合等原子过程,也存在分子离解、分解电荷交换、带电粒子中性化及基团置换等分子过程。由于这些过程的存在可以产生自由基激发态原子和分子、亚稳态原子和分子,因此这种非平衡等离子体是由各种各样的新的“适性集团”构成的,它们很容易发生一系列化学反应。

2)电子可以拥有使分子化学键断裂的足够能量,而气体温度又可以保持与环境温度相近。等离子体与材料表面相互作用过程中,等离子体的基本功能为:1)与中性气体分子碰撞的高能电子能切断化学链、激发和激活工作气体,引起化学反应。2)加速到基体并轰击基体表面的等离子体的粒子,一方面使材料表面的原子或基团通过分解、溅射、刻蚀等脱离材料表面;另一方面通过注入、基团转换、聚合、接枝等可以在材料表面引入新的原子或分子,这样就使材料表面的成分、结构和性能发生改变。