|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2006
Grudzień
Folie z tworzyw sztucznych jako podłoża drukowe
|
|
Do zadrukowywania opakowań w coraz większym zakresie stosuje się folie z tworzyw sztucznych. Dlatego rozpoczynamy cykl artykułów, w których zostaną opisane poszczególne grupy folii oraz ich właściwości, szczególnie te, które wpływają na proces ich zadrukowywania i zakres stosowania. Celem tego artykułu jest ogólne przedstawienie właściwości folii z tworzyw sztucznych.
|
Znaczenie folii i laminatów do wykonania opakowań z nadrukiem
Roczne zużycie w Polsce folii do opakowań giętkich obecnie wynosi[1]:
• 190 tys. ton folii polietylenowej
• 40 tys. ton folii polipropylenowej
• 4 tys. ton folii poliestrowej
• 6 tys. ton folii z polichlorku winylowego.
Początkowo opakowania foliowe były zadrukowywane przeważnie za granicą. Obecnie coraz więcej opakowań produkowanych jest w kraju.
Roczne zużycie folii opakowaniowych na jednego mieszkańca w Polsce wynosi ok. 6,5 kg, to jest średnio 3,4-krotnie mniej niż w zachodnich krajach UE[1] – tym samym możliwości rozwoju technologii zadrukowywania opakowań przy użyciu folii z tworzyw sztucznych są jeszcze stosunkowo znaczne. Chcąc jednak rozszerzyć zakres tego typu zadruku, należy poznać właściwości i możliwości zastosowania folii.
Rodzaje folii
Tworzywa sztuczne otrzymywane są metodą:
• homopolimeryzacji – określone jednakowe monomery mające podwójne wiązania łącząc się ze sobą tworzą wielkocząsteczkowy polimer, np. polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek winylu itp.
• kopolimeryzacji – różni się od homopolimeryzacji tym, że stosowane są co najmniej dwa różne monomery, a powstały polimer składa się z różnych elementów
• polikondensacji – łączą się co najmniej dwa różne związki, z których każdy ma co najmniej dwie aktywne grupy np. wodorotlenowe, karboksylowe, aminowe itp., które wielokrotnie łączą się ze sobą (z wydzieleniem prostego związku, np. wody, aminy itp.) tworząc związek wielkocząsteczkowy, np. poliestry i poliamidy
• reakcji określonych związków chemicznych ze związkiem makrocząsteczkowym, np. przez oddziaływanie kwasu azotowego na celulozę otrzymuje się azotan celulozy (nitrocelulozę), przez oddziaływanie bezwodnikiem kwasu octowego otrzymuje się octan celulozy (acetylocelulozę), a przez hydrolizę polioctanu winylu otrzymuje się polialkohol winylowy.
Wytłaczanie folii
Folie najczęściej wytwarza się metodą:
• wytłaczania rękawa z rozdmuchem – stopione tworzywo jest wytłaczane przez kolistą szczelinę, a doprowadzone pod określonym ciśnieniem powietrze nadaje mu postać „rękawa”[2]
• wytłaczania płasko-szczelinowego (zwane również wylewaniem) – stopione tworzywo po przejściu przez dyszę płaską jest wylewane na ochładzany cylinder[2].
Materiałem wsadowym jest zazwyczaj granulat danego tworzywa, który jest transportowany układem ślimakowym do podgrzewanej strefy wytłaczania, gdzie zostaje stopiony i przeciśnięty przez odpowiednie dysze.
Przy wytłaczaniu płasko-szczelinowym następuje szybsze schłodzenie folii, zatem powstaje głównie struktura amorficzna (zamiast struktury krystalicznej), dzięki czemu folia jest bardziej przezroczysta, ma większy połysk i jest bardziej płaska[2].
W ostatnim czasie do wytłaczanego tworzywa dodawane są nieraz specjalne dodatki hamujące wzrost układów krystalicznych, dzięki czemu również metodą wytłaczania z nadmuchem powietrza można uzyskać folie o dużej przezroczystości i wysokim połysku[2].
Wytłaczarki są samodzielnymi urządzeniami albo są połączone z maszyną drukującą i wtedy wykonana folia (po ewentualnym aktywowaniu) może być od razu zadrukowywana.
Wytłacza się pojedyncze warstwy folii o różnej grubości lub też folie wielowarstwowe z kilku tworzyw, które łączą cechy poszczególnych materiałów składowych.
Można również wytłaczać cienki strumień stopionego polimeru pomiędzy dwie folie, które następnie zostają połączone. W ten sposób wytwarza się folie wielowarstwowe w których jedną warstwą jest papier lub folia aluminiowa.
Stosunkowo prosty sposób wykonania folii wielowarstwowych o ściśle określonych właściwościach spowodował ich szerokie stosowanie do celów opakowaniowych.
W zakładzie poligraficznym zadrukowane podłoża z papieru lub folii z tworzyw sztucznych są laminowane, to znaczy są pokrywane kolejną folią, która chroni zadrukowany rysunek przed złuszczeniem lub zarysowaniem.
Rozciąganie folii
Wyprodukowane folie są często orientowane, to znaczy rozciągane w jednym kierunku (rozciąganie jednoosiowe, oznaczone międzynarodowym skrótem O) lub w obydwóch kierunkach (rozciąganie dwuosiowe, z międzynarodowym skrótem OB). Rozciąganie w kierunku biegu taśmy przeprowadza się najczęściej przepuszczając folię przez układ co najmniej dwóch par wałków, przy czym para wałków dalszych ma większą szybkość obrotów niż poprzednia para wałków. Dzięki temu powstaje siła rozciągająca folię. W praktyce wałków jest więcej, co umożliwia równomierne rozciąganie[2].
Folie mogą być również rozciągane w kierunku poprzecznym przez specjalne uchwyty boczne. Dzięki rozciąganiu folia staje się cieńsza.
Rozciąganie prowadzi się w podwyższonej temperaturze, w celu polepszenia właściwości plastycznych folii (ale poniżej temperatury mięknienia). Jeżeli folia ma być wykorzystana jako folia opakowaniowa, poddaje się ją procesowi stabilizacji termicznej polegającemu na krótkim wygrzewaniu w temperaturze nieco przekraczającej temperaturę orientacji. Dzięki temu w procesach pakowania folia pozostaje termicznie stabilna (nie ma skurczu termicznego). Następnie folię schładza się, aby utrwalić powstałą strukturę.
Jeśli folia orientowana ma być wykorzystana jako folia termokurczliwa, nie przeprowadza się procesu stabilizacji termicznej.
W czasie rozciągania folii wiązania pomiędzy łańcuchami polimerów prostopadle do kierunku rozciągania zostają osłabione, podczas gdy w kierunku rozciągania pozostają bez zmiany. Rozciąganie prowadzi do zmiany właściwości folii, a przede wszystkim do:
• zwiększenia powierzchni i zmniejszenia grubości folii
• zwiększenia odporności na niskie temperatury
• zwiększenia przezroczystości, a w pewnym zakresie również połysku
• zmniejszenia przepuszczalności pary wodnej i tlenu (zwiększenie gęstości)
• wytworzenia zdolności kurczenia się w podwyższonej temperaturze (folie termokurczliwe).
Niestety, w procesie rozciągania folie zazwyczaj tracą zdolność do zgrzewania termicznego. Ponowne zapewnienie zgrzewalności realizuje się przez współwytłaczanie z foliami o niższych temperaturach mięknienia lub przez powlekanie specjalnymi warstwami zgrzewalnymi. Przykładowo: folię polipropylenową pokrywa się obustronnie warstwami zgrzewalnymi z kopolimeru propyleno-etylenowego[2].
Folie termokurczliwe pod wpływem temperatury wracają do swych wymiarów przed rozciągnięciem, przy czym przy orientacji jednoosiowej tylko w jednym kierunku, a przy orientacji dwuosiowej – w obydwóch kierunkach. Dzięki temu mogą szczelnie otulić opakowany materiał i dlatego są stosowane do pakowania wielu produktów, w tym również palet z papierem.
Wymagania techniczne co do foliowych podłoży drukowych
Wymagania techniczne zależą przede wszystkim od przewidywanego pakowanego materiału. Do najważniejszych wymagań technicznych należą[2]:
• grubość, badana wg normy DIN 53370
• gęstość, wg normy DIN 53479
• zdolność zgrzewania
– temperatura zgrzewania
– wytrzymałość zgrzewu na rozerwanie w temperaturze pokojowej
– wytrzymałość zgrzewu na rozerwanie w temperaturze zgrzewania (hot tack)
• napięcie powierzchniowe (badane wg DIN 53364), które zależy od aktywacji powierzchni
• właściwości mechaniczne
– odporność na rozerwanie, wg normy DIN 53455
– wydłużenie (rozciągliwość), wg normy DIN 53455
– skurcz
– stabilność wymiarowa
– sztywność
– odporność na uderzenie (udarność), przy czym im większa odporność, tym mniejsza kruchość danego tworzywa
– zdolność głębokiego tłoczenia
– współczynnik tarcia, wg normy DIN 53375
• właściwości optyczne
– przezroczystość lub nieprzezroczystość, wg normy DIN 53146 lub ASTM D 1044
– połysk
– płaskość
• właściwości sensoryczne
– zapach – większość folii do opakowań jest zapachowo obojętna
– smak – większość folii do opakowań jest smakowo obojętna
• właściwości ekologiczne
– toksyczność w czasie palenia – wiele tworzyw sztucznych, np. polietylen i polipropylen spalane np. w ognisku wydzielają toksyczne dla ludzi dioksyny, natomiast spalane w wysokiej temperaturze (w urządzeniach spalających) rozkładają się do nietoksycznego dwutlenku węgla; tworzywa chlorowe w czasie palenia rozkładają się z wydzieleniem toksycznego chlorowodoru lub chloru
– biorozkładalność, czyli zdolność rozkładu pod wpływem bakterii i pleśni – niestety, tylko stosunkowo mała grupa tworzyw ulega rozkładowi biologicznemu
• właściwości barierowe, które tym są lepsze, im mniejsza jest przenikalność: tlenu, azotu, dwutlenku węgla, pary wodnej, zapachów
• inne właściwości
– odporność na gotowanie
– odporność na niskie temperatury, która umożliwia przechowywanie opakowanych materiałów w chłodniach
– możliwość sterylizacji, istotna przy opakowaniach narzędzi medycznych
– zdolność poślizgowa, ważna przy pakowaniu maszynowym, w czasie którego opakowania powinny się łatwo przesuwać
– zdolność ładowania elektrostatycznego, która często przeszkadza przy pakowaniu maszynowym i dlatego niektóre folie zawierają dodatki antystatyczne
– zdolność dyfuzji składników folii (najczęściej plastyfikatorów) do farby, która staje się wtedy kleista, lub do opakowanego materiału, co może zmienić jego smak lub zapach.
Zgrzewanie folii
W celu zamknięcia opakowań łączy się dwie folie termoplastyczne poprzez wywieranie nacisku na materiał wcześniej uplastyczniony pod wpływem ciepła. Za sprawą nacisku następuje przeplatanie się łańcuchów polimerów, dzięki czemu po ochłodzeniu powstaje trwałe połączenie. Bezwzględna wytrzymałość połączeń zgrzewanych określana jest jako siła potrzebna do rozwarstwienia lub rozerwania zgrzewu na jednostkę jego długości, na ogół na odcinku = 15 mm. Zależy ona od rodzaju polimeru i temperatury procesu zgrzewania oraz od wielkości i czasu trwania nacisku. Dla folii jednorodnych powinna wynosić ok. 80% wytrzymałości samej folii. Dla folii powlekanych wynosi 2–3 N/15 mm, a dla folii wielowarstwowych często przekracza 10 N/15 mm[2].
Dolna granica zgrzewalności jest to minimalna temperatura, w której następuje stopienie tworzywa i trwałe związanie dwóch folii.
Wytrzymałość zgrzewu na rozerwanie w temperaturze zgrzewania (hot tack) określa moc spoiny bezpośrednio po procesie zgrzewania. Przy niedostatecznej wytrzymałości pakowany produkt swoim naciskiem może otworzyć świeżo uformowany zgrzew. Wytrzymałość ta zależy od rodzaju polimeru, temperatury procesu zgrzewania i siły docisku.
Najczęściej stosowane są następujące metody zgrzewania folii:
• gorącego klina metalowego, który przesuwany jest wzdłuż złącza – stosowana do łączenia folii (i cieńszych płyt) polichlorku winylowego, polietylenu i polimetakrylanu metylu
• nagrzewanej płyty, którą wprowadza się między łączone powierzchnie, po czym usuwa się płytę i dociska do siebie zgrzewane elementy – stosowana do zgrzewania folii, płyt, rur i prętów z twardego polichlorku winylowego, poliolefin i innych tworzyw
• kontaktowa, polegająca na ściśnięciu łączonych elementów jedną (dla folii o grubości do 0,2 mm) lub dwiema (dla folii o grubości do 0,5 mm) listwami nagrzanymi impulsami elektrycznymi (w czasie 0,1–1 s), przy czym schłodzenie zgrzewu następuje pomiędzy listwami, co zapobiega jego uszkodzeniu, np. w czasie dalszej obróbki opakowania
• prądem o wysokiej częstotliwości, który w dielektrycznym tworzywie wytwarza szybkozmienne drgania cząsteczek, dzięki którym wydziela się ciepło uplastyczniające dane tworzywo – może być stosowana do zgrzewania dielektrycznych tworzyw, jak np. folii z polichlorku winylu, folii poli-amidowych z dużą zawartością wilgoci, oraz folii celulozowej
• ultradźwiękami, które w tworzywach odznaczających się wysoką sprężystością wytwarzają szybkozmienne drgania cząsteczek, dzięki którym wydziela się ciepło uplastyczniające dane tworzywo – może być stosowana do zgrzewania folii poliwęglanowych, polimetakrylanowych i polistyrenowych.
Do folii zgrzewalnych zalicza się[7]:
• folie z kopolimeru etylenu i kwasu metakrylowego (jonomerowe), odznaczające się doskonalą wytrzymałością miejsc zgrzewanych niezależnie od ewentualnych zanieczyszczeń w miejscu zgrzewania
• folie z kopolimeru etylenu z octanem winylowym (EVAC), odznaczające się bardzo dobrą wytrzymałością miejsc zgrzewanych i dobrą zgrzewalnością nawet w obecności ewentualnych zanieczyszczeń
• folie z LLDPE, odznaczające się dobrą wytrzymałością miejsc zgrzewanych i dobrą zgrzewalnością nawet w obecności ewentualnych zanieczyszczeń
• folie LDPE, odznaczające się względnie dobrą wytrzymałością miejsc zgrzewanych i względnie dobrą zgrzewalnością nawet w obecności ewentualnych zanieczyszczeń.
Dla uniknięcia przywierania uplastycznionego tworzywa do powierzchni elementów grzejnych są one pokryte materiałem antyadhezyjnym, np. teflonem lub żywicami silikonowymi, albo płytkami z poli-estru tereftalowego.
Klejenie miejscowe folii
Folie można sklejać miejscowo, wprowadzając warstwę kleju na obszary przewidziane do sklejenia. Po ściśnięciu i utwardzeniu otrzymuje się trwałe połączenie. Aby kontakt z powierzchnią łączonych folii był dobry, kleje powinny mieć niskie napięcie powierzchniowe. Czasem klejenie nazywa się, niesłusznie, zgrzewaniem na zimno.
Aktywacja powierzchni folii
Powierzchnia wielu folii z tworzyw sztucznych jest obojętna, niepolarna, o niskim napięciu powierzchniowym, i dlatego nie przyjmuje farby drukowej albo zadrukowuje się słabo lub też naniesiona warstwa farby po krótkim czasie odpryskuje od podłoża. Napięcie powierzchniowe jest wyrażone w mN/m (miliniutonach/metr), ale często są stosowane stare jednostki, dyny/cm, o tej samej wartości liczbowej.
Napięcie powierzchniowe zależy od składu chemicznego danego tworzywa oraz od struktury jego powierzchni. W celu zapewnienia dobrej przyczepności napięcie powierzchniowe farby drukowej powinno być przynajmniej o 10 mN/m wyższe od napięcia powierzchniowego podłoża. Wtedy farba dobrze rozprowadza się na podłożu i ma dobrą przyczepność. Gdy napięcie powierzchniowe folii jest niższe, farba nie rozprowadza się równomiernie, pozostawiając niepokryte miejsca i pojedyncze krople. Dlatego powierzchnie folii poliestrowych, polipropylenowych, polietylenowych i poliamidowych należy przed zadrukowaniem, powlekaniem i metalizacją próżniową aktywować przez wytworzenie grup polarnych, które zwiększają adhezję farby lub naparowanego metalu czy naniesionego kleju do ich powierzchni. Im większy stopień aktywacji powierzchni folii, tym wyższe napięcie powierzchniowe. Proces aktywacji dokładnie opisano we wcześniejszym artykule[3].
Polipropylen ma nieco niższą energię powierzchniową niż polietylen i dlatego wymaga nieco silniejszej aktywacji powierzchni. Napięcie powierzchniowe folii po aktywacji powinno wynosić:
• folie LDPE do drukowania farbami rozpuszczalnikowymi: 38–42 mN/m
• folie LDPE do drukowania farbami fotoutwardzalnymi: 42–46 mN/m
• folie LDPE do drukowania farbami wodorozcieńczalnymi: 42–48 mN/m
• folie LDPE do laminowania foliami: 50–52 mN/m
• folie LDPE do laminowania z papierem: 42–44 mN/m
• folie HDPE do drukowania farbami rozpuszczalnikowymi: min. 48 mN/m
• folie HDPE do drukowania farbami fotoutwardzalnymi: 52–56 mN/m
• folie HDPE do drukowania farbami wodorozcieńczalnymi: 52–58 mN/m
• folie PP do drukowania farbami rozpuszczalnikowymi: min. 40 mN/m
• folie PP do drukowania farbami fotoutwardzalnymi: 44–48 mN/m
• folie PP do drukowania farbami wodorozcieńczalnymi: 44–50 mN/m
• folie PP do laminowania: 38–40 mN/m.
Stopień aktywacji z czasem zmniejsza się, co zależy od ilości dodatków antystatycznych i poślizgowych w folii oraz od sposobu jej przechowywania. Im wyższa temperatura i wilgotność względna powietrza, tym szybciej zmniejsza się stopień aktywacji. Przykładowo: spadek poziomu aktywacji folii polietylenowych przechowywanych w temperaturze 23oC i wilgotności względnej powietrza = 50% jest następujący:
Przy dłuższym przechowywaniu (po ośmiu tygodniach) stopień aktywacji utrzymuje się na praktycznie stałym poziomie w czasie sześciu miesięcy. Folie polipropylenowe nieorientowane utrzymują swą aktywność powierzchniową dłużej niż folie orientowane[1].
Jeśli folie nie wykazują wymaganego stopnia aktywacji, należy je przed drukowaniem ponownie aktywować.
Chociaż z upływem czasu przechowywania folii zmniejsza się stopień ich aktywacji, to nie zmienia się przyczepność farby na foliach zadrukowanych.
Firma Ciba oferuje nową metodę, według której folie najpierw aktywuje się koronowo, a następnie pokrywa cieniutką warstwą fotoinicjatorów, które zwiększają napięcie powierzchniowe wszystkich folii, a tym samym przyczepność farb. Folia z fotoinicjatorami nie traci aktywacji powierzchniowej pod warunkiem, że nie zostanie naświetlona promieniowaniem nadfioletowym.[5]
prof. dr Herbert Czichon
dr Maria Czichon
Instytut Poligrafii Politechniki Warszawskiej
Literatura
1. M. Bohdan: Folie opakowaniowe w Polsce – ocena aktualnej sytuacji, „Opakowanie” nr 3 (2005), s. 52–54.
2. K.H. Meyer (DFTA): Technik des Flexodrucks, Coating Verlag 1999.
3. H. Czichon: Aktywacja polietylenu i polipropylenu przed zadrukowaniem techniką sitową lub fleksodrukową, „Świat DRUKU”, cz. I – nr 1 (2006) s. 35–37, cz. II – nr 5 (2006).
4. U. Quirmbach: 40.DFTA-Fachtagung: Neue Techniken und Ergebnisse über Be-druckstoff-Eigenschaften, “Flexo+Tief-Druck” 1 (2000), s. 33–40.
5. K. Winters (Ciba): Prime IT Verfahren – optimale Haftung von UBV-härtbaren Druckfarben auf Kunstofffolien, FOGRA-Anwendungsforum IV-Druck 2004.
6. S. Feil (IST Metz): FOGRA-Anwendungsforum UV-Druck 2004.
7. B. Czerniawski, J. Michniewicz: Opakowania żywności, Agro Food Technology (1998).
|
|
|
|
