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薄膜表面張力檢驗(yàn)
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美國(guó)科諾工業(yè)有限公司 （戰(zhàn)略投資公司：上海梭倫信息科技有限公司）
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對(duì)于薄膜彩印來(lái)說(shuō)，關(guān)系印刷質(zhì)量大的是薄膜的表面處理效果，即表面潤(rùn)濕張力。筆者結(jié)合多年生產(chǎn)測(cè)試實(shí)踐，就了解的潤(rùn)濕張力產(chǎn)生原因和處理探討如下。
一、潤(rùn)濕的原理
印刷中的所謂潤(rùn)濕性，這就是諸如油墨、粘合劑、涂料等對(duì)塑料薄膜、紙張或金屬箔附著的基礎(chǔ)。潤(rùn)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(rùn)濕性能的強(qiáng)弱，接觸角越大，潤(rùn)濕性能越差。
物理界關(guān)于潤(rùn)濕的嚴(yán)格熱力學(xué)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(shí)，稱為潤(rùn)濕。
圖一，固體－液體相面潤(rùn)濕張力示意圖
如上圖，考查其物理模型，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，當(dāng)液滴落在一個(gè)清潔平滑的固體表面上，忽略液體的重力和粘度影響時(shí)，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(gè)界面張力所決定的，其平衡關(guān)系如下確定。
γSV=γSL+γLV cosθ
F=γLV cosθ=γSV-γSL+γLV
式中：θ是潤(rùn)濕角，F(xiàn)是潤(rùn)濕張力，γ是界面能。顯然，當(dāng)θ＞90°則因潤(rùn)濕張力小而不潤(rùn)濕；θ＜90°則潤(rùn)濕；而在θ=0°時(shí)，潤(rùn)濕張力F大，可以潤(rùn)濕，即液體在固體表面上自由鋪展。（產(chǎn)生界面能γ的主要原因是范德華力、化學(xué)鍵力等在界面處不平衡導(dǎo)致的。這些作用力在固體的內(nèi)部因?yàn)閷?duì)稱，相互抵消，在界面處因?yàn)闊o(wú)法對(duì)稱，從而顯示了界面作用力，即界面能）。
可以看出，達(dá)到我們印刷所說(shuō)的潤(rùn)濕先決條件是γSV＞γSL ，或者γSL 十分微小。
二、常用材料的處理和潤(rùn)濕效果
潤(rùn)濕性視化學(xué)組成、晶體形式及表面結(jié)構(gòu)而異。對(duì)塑料進(jìn)行印刷時(shí)，塑料表面的潤(rùn)濕性必須比油墨的潤(rùn)濕性高，否則其展延、轉(zhuǎn)移及附著均會(huì)發(fā)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(rùn)塑料，所以水基油墨用來(lái)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(shí)，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
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(duì)于要印刷的塑料薄膜，因?yàn)槠涑跏急砻鎻埩^小，必須進(jìn)行電暈處理以增加表面張力。業(yè)界*對(duì)薄膜進(jìn)行電暈處理會(huì)產(chǎn)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(jìn)原子的接觸，增進(jìn)濕潤(rùn)。
3、增進(jìn)表面能，調(diào)節(jié)極性。
4、創(chuàng)造能起化學(xué)反應(yīng)的原子基或功能團(tuán)。
2、促進(jìn)原子的接觸，增進(jìn)濕潤(rùn)。
3、增進(jìn)表面能，調(diào)節(jié)極性。
4、創(chuàng)造能起化學(xué)反應(yīng)的原子基或功能團(tuán)。
5、破壞表面部分化學(xué)鍵。
上述處理，可以直接導(dǎo)致薄膜表面能降低，極性基團(tuán)的可移動(dòng)性加強(qiáng)。
印刷所用的塑料薄膜是一種復(fù)合物質(zhì)，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(xué)結(jié)構(gòu)（基團(tuán)）決定油墨或底膠的潤(rùn)濕性和附著力，但處理后的薄膜隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，一些極性塑料添加劑會(huì)從薄膜內(nèi)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(shí)間越長(zhǎng)，或某些添加劑的含量（如爽滑劑）越高時(shí)，其表面能的變化也越大。故薄膜在印刷前還需對(duì)其表面能進(jìn)行薄膜測(cè)厚儀測(cè)試，并作電暈處理，以免發(fā)生油墨轉(zhuǎn)移或附著力不足的問(wèn)題。
三、彩印實(shí)踐中印刷前表面潤(rùn)濕張力的測(cè)定
測(cè)定表面能一般使用張力測(cè)試儀、光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x或通過(guò)電鏡測(cè)量潤(rùn)濕角來(lái)計(jì)算。
在彩印生產(chǎn)應(yīng)用中，由于上述儀器復(fù)雜昂貴，使用不方便。塑料薄膜表面能的測(cè)定主要是依據(jù)GB/T14216《塑料 膜和片潤(rùn)濕張力試驗(yàn)方法》來(lái)進(jìn)行的。
將試樣水平放在光滑的試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)混合液，順同一方向在試樣上水平移動(dòng)棉棒涂敷，應(yīng)使混合液立即擴(kuò)散到至少20cm2的面積上。根據(jù)涂敷混合液2s以上液膜層的狀態(tài)，來(lái)判斷潤(rùn)濕張力。
如果液膜持續(xù)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(xù)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(xù)2s為止。使試樣表面潤(rùn)濕接近2s的混合液，用這種混合液至少測(cè)定3次，該混合液的潤(rùn)濕張力即為試樣的潤(rùn)濕張力。
使用上述方法需要注意以下幾點(diǎn)：
1、 試驗(yàn)混合液配制應(yīng)使用分析純的試劑，并加入極少量的維多利亞純藍(lán)（濃度在0.03％以下），保存在潔凈的棕色玻璃點(diǎn)滴瓶中。如果頻繁打開(kāi)瓶口，超過(guò)3個(gè)月后應(yīng)重新配制。
2、 對(duì)薄膜取樣時(shí)應(yīng)舍去外面幾層，并使被測(cè)試薄膜的表面不要接觸任何其他物質(zhì)。
3、 測(cè)試時(shí)將薄膜試樣水平放在光滑的試驗(yàn)臺(tái)平面或平板上，所涂試驗(yàn)混合液體量應(yīng)使之形成一薄膜而無(wú)積液存在，每次試驗(yàn)應(yīng)使用新的棉頭。
4、 如果塑料薄膜內(nèi)含添加劑或覆有涂膜，用測(cè)試液測(cè)試時(shí)，往往會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響性。在這種情況下，宜以蒸餾水作接觸角測(cè)試。
5、 對(duì)于常用的38、40、42、50、52達(dá)因薄膜測(cè)試，可以使用標(biāo)準(zhǔn)達(dá)因筆，以便車間操作人員現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。目前，市場(chǎng)上包括英國(guó)舒曼等達(dá)因筆測(cè)試技術(shù)已比較成熟。
附：GB/T14216中表面張力試驗(yàn)混合液的配方
| 潤(rùn)濕張力 mN／m | 乙二醇獨(dú)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 |