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第三节
基材表面处理与涂布缺陷

一、涂布基材表面处理技术

涂布液在基材表面的润湿铺展过程,基材的高表面能和涂布液的低表面张力,都有助于涂布液在薄膜表面的润湿铺展。合成树脂薄膜表面的均匀结构致使表面能偏低,一般要经过处理提高其表面能后,才会具备较好的涂布复合适性。

常用薄膜表面处理,可以通过化学处理或等离子体处理提高薄膜表面粗糙度,进而提高表面能,更多的是在薄膜表面施加预涂层,提高表面能。

(一)化学试剂处理法

采用化学试剂对低能材料进行表面处理,具体方式很多:如铬盐-硫酸法(Cr-H 2 SO 4 )、过硫酸盐法、铬酸法、氯磺化法、氯酸钾盐法、白磷法、高锰酸钾法等。其原理在于处理液的强氧化作用能使塑料表面的分子氧化,从而在材料表面导入羰基、羧基、乙炔基、羟基、磺酸基等极性基团。同时薄弱界面层因溶于处理液中而被破坏,甚至导致分子链断裂,形成密密麻麻的凹坑,增加表面粗糙度,改善了材料的表面能和黏附性。

化学处理法效果好,但应用于涂布生产,需要增加浸洗、中和、水洗、干燥等工序,处理液污染性大,涂布生产中基本无实际应用。

(二)气体热氧化法

聚烯烃材料表面经空气、氧气、臭氧之类气体氧化后,其黏结性、印刷性以及涂布性能均可得到改善,臭氧法与空气或氧气氧化法不同,基本上不受聚烯烃材料中抗氧剂的影响。如含 0.2%抗氧剂的PE在 300℃下挤出时,若用臭氧同时处理,则XPS测得O∶C为 6.2%,远远大于空气氧化时测得的 1.5%的数值,基本上克服了抗氧剂的不良影响。

气体氧化法工艺简单、处理效果明显,特别适用于聚烯烃的表面处理,但要求与材料尺寸相当的鼓风烘箱或类似加热设备,应用受到一定的限制。

(三)火焰处理法

火焰处理就是采用一定配比的混合气体,在特别的灯头上烧,使其火焰与塑料表面直接接触的一种表面处理方法。火焰法也能将羟基、羰基、羧基等含氧极性基团和不饱和双键引入塑料表面,消除弱界面层。影响火焰处理效果的主要因素有灯头形式、燃烧温度、处理表时间、燃烧气体配比等,但由于工艺影响因素较多,操作过程要求严格,稍有不慎就可能导致基材受热变形,甚至烧坏,在涂布领域较少应用。

(四)电晕处理

电晕处理,又称电火花处理,是将 2 ~ 100 千伏、2 ~ 10 千赫的高频高压施加于放电电极上,以产生大量的等离子气体及臭氧,与塑料表面分子直接或间接作用,使其表面分子链上产生羰基和含氮基团等极性基团,表面张力明显提高,加之糙化其表面去油污、水气和尘垢等的协同作用改善表面的黏附性,达到表面预处理的目的。电晕处理具有处理时间短、速度快、操作简单、控制容易等优点,已被广泛应用于聚烯烃薄膜印刷、复合和黏结前的表面预处理。但是电晕处理后的效果不稳定,最好当即复合黏结。

影响电晕处理效果的因素有处理电压、频率、电极间距、处理时间及温度,印刷性和黏结力随时间的增加而提高,随温度升高而提高,实际操作中,通过采取降低牵引速率、趁热处理等方法,以改善效果。

在薄膜刚刚挤出后,对其进行电晕处理是非常有效的。电晕处理完几天以后,薄膜的表面张力会逐渐下降。薄膜的表面张力从最初的 44mN/m和 38mN/m下降到38~40mN/m和34~36mN/m。但6至8个星期以后,薄膜的表面张力不再下降,而是稳定在某一个数值上。

(五)低温等离子体技术

低温等离子体是低气压放电(辉光、电晕、高频、微波)产生的电离气体。在电场作用下,气体中的自由电子从电场获得能量,成为高能量电子,这些高能量电子与气体中的分子、原子发生碰撞,如果电子的能量大于分子或原子的激发能,就会产生激发分子或激发原子、自由基、离子和具有不同能量的辐射线。

低温等离子体中的活性粒子具有的能量,一般接近或超过碳碳或其他含碳键的键能,能与导入系统的气体或固体表面发生相互作用。如采用反应型的氧等离子体,可能与高分子表面发生化学反应,引入大量的含氧基团,改变其表面活性,即使是采用非反应型Ar等离子体,也可能通过表面交联和蚀刻作用,明显地改善聚合物表面的接触角和表面能。

二、涂布过程静电生成与处理

(一)静电危害

静电会在涂布行业引起许多问题,除了由易燃气体中的静电放电引起的爆炸危险外,卷筒纸中的静电荷,还可能导致涂层不均匀、塑料薄膜基材吸收灰尘和污垢、裁切纸堆叠问题、薄膜跟踪问题、排纸装置的卡纸、感光材料的雾化、离型膜的针孔、静电伤人等。导致这些问题所对应的静电荷大小如表 2-4 所示。

表 2-4 静电电压与关联问题

来源:Kistler (1996) and Keers(1984)。

高速涂布线的许多位置,都容易产生静电荷。当两个不同的表面分开时会形成电荷,而通常由不导电的塑料制成的基材,会从其通过的每一个辊子上分开,如果表面未接地,则电荷会积聚到很高的水平。加湿是控制静电的方法之一。

静电产生的火花,有足够的能量点燃溶剂蒸气。只要基材上的电荷高到足以克服周围空气的击穿阻力就会放电,需要控制放电。

当带涂层的卷材带电,假设在涂布线的末端被切成薄片,所有带相同电荷的薄片将相互排斥,使堆叠薄片很困难,且纸张容易从纸叠顶部滑落。在推动而不是拉动纸张的弹出设备中,带电的纸张将倾向于黏附在设备上引起卡纸。类似的,涂布线中的带电基材,会被吸引并趋于黏附在辊和导板上,使正确传输困难。由于基材张力趋于克服由于静电引起的吸引力,在通常的基材张力下不是问题,但在薄厚度低张力基材的涂布生产线上,就成为问题了。同时,在复合站处,带有相同电荷的两张纸,会因彼此排斥而不易贴合。

荷电基材吸引带相反电荷污染物的距离,达 15 ~ 25 厘米(6 ~ 10 英寸),由于巨大的吸引力,污物很难清除。在高品质产品(如照相胶片和磁带)中,不能容忍幅面小至 1 毫米的污垢颗粒。清洁纸幅之前,应先清除织物上的灰尘,基材表面电荷会使灰尘难以清理。

静电消除器可以消除飞尘对存放基材的影响。所有对灰尘敏感的涂布操作,都应该优先选择无尘室(或至少半净室)条件(清洁度等级在 1 000 到 10 000 级)。

在照相工业中,静电放电的蓝弧,会雾化或曝光感光胶片和纸,这发生在涂布线上以及后续操作过程中,它甚至可能发生在相机中,因此操作人员也要穿戴防静电服。

带电的卷材放电,会导致基材表面的防黏涂层出现针孔。如果这些针孔达到一定数量,就会促使产品黏附到下面的卷材上,失去防粘连作用。

冬季湿度低,表面电阻率高,静电荷易积聚发生静电放电,需要加湿空气。

(二)静电辅助涂布

同性电荷相斥,异性电荷相吸。带电体会在附近的中性物体中感应出相反电荷。因此,涂布基材上的电荷将吸引涂布液。不均匀的电荷将不均匀地吸引涂布液,从而导致覆盖率不均匀。基材上均匀的电荷,或在支撑辊和接地的涂布模具之间,均匀的静电场将均匀地吸引涂布液。这是静电辅助涂布的理论基础。

(三)静电消除

自由电荷通过接地的导电路径消除,束缚电荷难以消除。而且,由于电荷会在移动的基材上累积,电荷清除应尽可能在靠近静电会诱发问题的区域进行,通常选择涂布台旁。

既要设法消除所有电荷,又要减少系统中新电荷累积。腹板和对齐不好的卷筒之间的摩擦,会在腹板和卷筒上产生电荷,所有卷筒都应尽可能对齐。金属辊应接地,以防止电荷堆积,轴承润滑剂应具有导电性,可以使用包含特殊碳或银颗粒的导电油脂,以确保良好的接地。选择合适的包装材料,使摩擦生电最小。

(四)自由电荷消除

为了排除表面电荷,可将表面接地,或使空气导电形成接地的导电路径。

接地的滚筒,会从其接触的表面排出表面电荷,但无法排出背面电荷,所以,第二个表面也必须越过接地辊。

尖电极在产生强静电场方面比平面电极更有效。因此,接地的金属丝一直用于排出表面电荷,只要金属丝靠近表面而不必非要接触表面即可。接地金属丝的尖锐端会导致卷材感应电荷产生的静电场过高,增加了空气电离的可能性,并使电荷在较小的间隙中流失。当放置在聚酯卷材的两侧时,可将结合电荷降低至1 000 伏以下。然而,在金属丝的尖端之间存在许多间隙,并且表面不导电,会有许多区域没有放电。后来,金属丝被精细的金属刷取代。金属刷细毛柔软,不会刮擦表面。刷子可以与表面接触,也可以相隔很短距离。多排硬毛可确保完全覆盖表面,当金属硬毛不接触表面时,直径不超过 10 毫米,以产生较高的场强。除非由于摩擦或可能的表面污染造成实际电荷堆积,否则电刷最好与表面接触。接触表面的导电布也有应用,但效果较差。

增加涂布空气湿度,提高基材表面导电性。空调成本较高,除非出于静态控制需要,否则不会使用空调。也可以通过特殊的抗静电处理(如季铵盐或氯化亚铜涂层)降低基材表面电阻。具体处理方式,依涂布产品性能要求而定。

电离辐射使空气电离具有导电性并允许其释放表面电荷。电离辐射可以来自镅或钋棒,少见于X射线、β射线、γ射线或紫外线。由于辐射危害,大多数放射性棒被禁用,也不足以进行高速涂布操作。

电晕放电将使空气电离,也能使基材表面带电。电晕放电在独立设备中发生,然后将形成的等离子空气吹向表面使其放电。电晕设备使用交流电,3 500 伏才开始产生电晕,大多数电源在 4 000 ~ 8 000 伏特下工作。当电压处于±3 500 伏时,交流电仅在循环的该部分中产生电晕。直流电晕发生器始终有效。两个直流电晕单元,一个提供正电晕,一个提供负电晕,比提供正负电荷的交流电器件高效。

静电消除器的位置非常重要,因为当带电的基材接近或接触卷材时,静电场强度会大大降低,并且基材将不吸引中和表面电荷的离子化空气分子。为了有效地中和电荷,建议除水棒外,与任何滚筒或导板至少相距 15 厘米,并且应在基材上方或下方 2.5 厘米处放置棒材。

为了消除人员的静电积聚,建议使用导电地垫或离子风机。如果操作员穿着沉重的绝缘鞋底,则应提供一条从鞋内到鞋外的导电鞋带,以保证导电垫有效。

(五)束缚电荷/绑定电荷消除

通过使偶极子失去方向来释放卷材的绑定电荷,要困难得多,并且目前没有可商购的设备。首先,必须在静电场中将卷材充电至均匀电荷,也就是说,将基材充电到高于所有现有表面电荷,然后,基材由相反的场放电。场强设置为使最终电荷近似为零,如静电电压表所示。建议使用非常细的不锈钢刷,将其保持在接地金属辊上的基材表面上方约 3 毫米处,进行充电和放电。可以调整电源在基材上均匀充电。在许多情况下,电源电压在±1 000 ~ 2 000 伏特范围内,将具有相反极性的放电电压,发送到位于第一组下游的一组类似电刷。该设置类似图 2-25所示(Kisler,1985)。在这里,两组电刷分别靠着不同的接地辊,一组带正电,一组带负电。操作中要避免与任何高压物体接触,包括静电电压表探头的表面。

图 2-25 基材先充电再放电,释放自由电荷和绑定电荷

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