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塑料薄膜标签如何通过表面处理提高稳定性?

时间:2017-06-19 点击次数:1120

    在标签市场,虽然纸张类标签的占有率高达75%,但近年来塑料薄膜类标签也呈现出较高的增长态势。常用的薄膜类材料主要是聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE),前者的使用量比后者多一倍。而其他薄膜类材料,包括备受关注的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)在内,全部加在一起只占10%的市场份额。

  良好的印刷适性对于薄膜类标签材料来说是必要的,但常用的PE和PP薄膜本身并不能满足要求,为了保证这类标签材料在印刷过程中少出问题或者不出问题,印后具有良好的油墨固着性,需要对其表面进行预处理,zui常用的方法是电晕预处理和涂层预处理。

  薄膜标签印刷的前提条件

  塑料薄膜标签材料作为印刷信息的载体,不仅需要确保油墨在其表面能够良好地润湿,还要使墨层固化后在其表面牢固附着。

  油墨润湿的重要性

  油墨在薄膜材料上的润湿性能在很大程度上受油墨表面张力和薄膜表面自由能的影响。如果油墨表面张力和薄膜表面自由能是相同的,那就意味着可以润湿;如果油墨表面张力大于薄膜表面自由能,则油墨会在薄膜表面收缩,不能润湿;如果薄膜表面自由能高于油墨的表面张力,则油墨可以在薄膜表面铺展,实现润湿。

  由此得出一个对薄膜印刷非常重要的准则:油墨的表面张力至少与薄膜的表面自由能一样大,否则油墨不能润湿或不能充分润湿薄膜表面,就不能实现油墨向薄膜的转移,或导致印刷图像缺失。

  油墨固着的重要性

  油墨在承印物上的固着效果对标签质量的性起着重要作用,这不仅要考虑印后短时间内的附着效果,而且也要考虑经过足够长的时间后油墨的附着情况。

  油墨在承印材料表面的基本附着机理包括机械附着、化学附着和物理附着。如果说承印物表面适当的粗糙度和多孔性有助于油墨的机械性固着,那么在塑料表面形成极性官能团对油墨的物理附着和化学附着则是必要的。由于官能团大多是极性的,有助于提高材料的表面能,因此官能团本身充分与聚合物网络相结合是非常重要的。降解产物或其他处于塑料薄膜表面但未与聚合物网络相结合的物质,虽然同样具有一定的极性,但并不能使油墨良好地附着。

预处理方法

  用做标签材料的PP和PE薄膜属于聚烯烃材料,薄膜表面缺乏极性基团,因此表面能比较低,印刷适性较差。PP薄膜的表面能为29~30mN/m;PE薄膜略微高一点,为31~33mN/m,具体数值取决于是低密度PE,还是高密度PE。而表面具有极性基团的PET薄膜则具有zui高的表面能,为41mN/m。

  印刷过程中使用的油墨种类不同,对塑料薄膜表面自由能的要求也不同,使用溶剂型油墨,薄膜表面自由能zui低值要达到38~40mN/m;使用UV油墨,要达到42mN/m;使用水基油墨,则要达到44~46mN/m。

  可用于薄膜表面改性处理的方法有很多,但值得注意的是,通过预处理达到较高的表面能,不一定等同于充分和可持续的油墨附着。印刷业常用的表面处理方法有电晕预处理、等离子预处理、火焰预处理、化学预处理/氟化和涂层预处理。

  前三种表面处理方法基于等离子的形成。在等离子体中有活性物质,如电子、离子和自由基,这些物质与薄膜表面起反应,官能团可以直接连接在塑料薄膜聚合物的基体上。

  氟化处理法是基于氟的化学反应性,不需要再借助其他能量,当氟与塑料薄膜表面接触时,氟与聚合物发生反应,并形成极性基团。

  涂层预处理法不同于上述几种方法,是在薄膜上涂布特定的涂料,改变薄膜的表面吸附性能,使油墨可以充分在塑料薄膜表面润湿和固着。

  所有的塑料薄膜表面预处理方法,其适用范围及处理效率,以及处理效果的长期稳定性都不同。由于电晕预处理和涂层预处理通常会在印刷厂应用,因此下面的讨论只限于这两种方法。

  电晕预处理

  电晕预处理是通过电极高频高压放电实现的。PP薄膜表面通过电晕预处理,其表面能可提高到将近50mN/m,但这种功效是短时间的,因为下列过程抵消了电晕预处理的效果:极性官能团在塑料薄膜聚合体中向内转动;官能团发生反应,失去极性;薄膜中的添加剂迁移到表面,覆盖了极性官能团。薄膜材料贮存时间越长,这种情况越严重,因此,必须在印刷前重新进行电晕预处理。

  薄膜材质不同,电晕预处理的效果也会有所差异。此外,薄膜中的添加成分及其材料老化也都会对电晕处理效果产生一定的影响。也就是说,在电晕处理含有较多添加剂(如润滑剂)的老化薄膜时,由于迁移到薄膜表面的添加剂的阻隔,将很难获得足够高的表面能。

  由此显而易见,印刷适性不仅与塑料薄膜本身的材质有关,而且也取决于薄膜的配方(添加剂成分)以及薄膜的老化程度。

  在薄膜制造过程中进行电晕预处理,印刷前再补充进行电晕处理,对印刷质量的保障是非常有效的。如果在薄膜制造过程中未进行电晕预处理,仅在印刷前进行电晕处理,则效果不好,因为添加剂已经在电晕处理前迁移到薄膜表面,减弱了电晕处理效果。如果只在薄膜制造过程中进行电晕预处理,而印刷前不再补充进行电晕处理,效果也不会好,因为电晕处理效果已经减退。

涂层预处理

  涂层预处理可以在各个节点进行,包括:在薄膜制造过程中进行在线或离线涂布;在薄膜表面整饰加工厂进行离线涂布;在不干胶材料制造厂进行在线或离线涂布;在标签印刷厂进行在线或离线涂布。通常情况下,离线涂布相比在线涂布,zui终产品的成本要更高一些。

  涂层预处理形成的新涂层可以承担以下功能:使薄膜表面具有良好的印刷适性,并有利于油墨牢固附着;利用涂层改变薄膜表面的光泽度,如通过涂布消光物质使薄膜失去高光泽外观,这zui终也会反映在印刷图像的整体形象上。

  涂层预处理的优势

  相对于其他表面处理方法,涂层预处理zui显著的优点是处理效果可保持长期稳定(见图1),可以达到两年甚至更长时间。

  与电晕预处理相比,涂层预处理之所以能保持处理效果长期稳定,是因为电晕预处理只能产生很薄的功能层,而涂层预处理生成的涂层厚度为0.5微米至几个微米,导致电晕预处理后表面能下降的诸多因素均不存在。究其原因,一方面,涂层就像一种阻隔层,可阻挡添加剂向薄膜表面迁移;另一方面,涂层中的官能团在薄膜表面能保持很长时间的活性。

  涂层预处理的必要性

  现在的问题是,涂层预处理是否真的有必要?因为现今大多数印刷机都可配置电晕处理装置,理论上是可以印刷无预处理涂层薄膜材料的。

  印刷厂常会遇到一种现象:如果一些影响油墨附着的物质和杂质沉积在塑料薄膜表面,或者当油墨和预处理涂层互不相容时,就会发生油墨剥离现象。我们的经验表明,如果在印刷过程中出现油墨附着不良,那么经过涂层预处理的薄膜材料也可以在印刷前通过电晕处理予以解决。

  不同的是,通过涂层预处理的薄膜再进行电晕处理,可以达到更的印刷效果,印刷墨色均匀性明显优于未经涂层预处理的薄膜材料。此外,经过涂层预处理的薄膜,只需采用简单的电晕处理,就能使油墨附着力达到更高水平,因为这时进行的电晕处理可使预处理涂层在化学性质上与油墨具有很大的相似性。

预处理涂层的阻隔功能

  预处理涂层所具有的阻挡添加剂向薄膜表面迁移的功能,带来的另一个优点是:印好的标签图案也具有长期稳定性。

  添加剂由聚烯烃薄膜内部向表面迁移也会发生在完成印刷之后,这样,即使刚印完时墨层具有良好的附着性,随着时间的推移也会变差,特别是采用UV油墨印刷的标签很容易发生这样的变化。

  如果薄膜事先做了涂层预处理,可以通过预处理涂层的阻隔功能阻止添加剂向薄膜表面迁移,这样印刷后的标签就可以长期保持墨层稳定固着。

  此外,预处理涂层还有可能使印刷工艺与薄膜材质本身无关,因为只有预处理涂层直接与印刷油墨接触,使用哪种材料作为承印物无关紧要,只要作为中间介质的预处理涂层能够与油墨、承印物良好匹配就行了。其优点是,印刷厂只需要按照预处理涂层的性质进行印刷工艺设计就可以了,而无需考虑标签材质的变化。因此,除了提升标签材料和标签产品的稳定性之外,只要预处理涂层是相同的,就可以随意更换标签材质。例如,有些终端应用需要柔软的标签,为此使用PE薄膜;而另外一些应用注重高透明度,使用PP薄膜。如果这两种薄膜材料具有同样的预处理涂层,印刷厂就可以很方便地在两种薄膜之间随意转换,而无需考虑印刷工艺的调整。

  涂层预处理法不仅适用于传统印刷的薄膜表面改性,也在数字印刷的承印材料表面处理中得到了应用,例如HP Indigo静电转移型数字印刷和UV喷墨印刷所采用的承印材料,都采用了涂层处理法。

  由此可见,预处理涂层可以扩大承印材料适用的印刷技术范畴。如:图2所示的这种预处理涂层,使A、B、C、D四种不同材料所适应的印刷范围都得到了扩大。材料A原本只适合少数印刷方法使用,但其过程窗口还是比较宽的;而材料B可在更多的印刷方法中使用,但是过程窗口较窄,这就是说,其条件必须为每一种印刷方法进行优化。如果四种材料都进行了涂层预处理,那么不仅扩大了它们所适用的印刷技术范围,而且在印刷过程中不易出现性能波动。

  当然,无论预处理涂层是由薄膜表面整饰机、涂布机涂布的,还是由印刷机本身来涂布的,只有当预处理涂层为同一种涂料时,上述优点才能发挥作用。

  很多薄膜制造厂只生产一种材质的塑料薄膜,因此,PP薄膜制造厂使用的预处理涂料会不同于PE薄膜制造厂使用的预处理涂料,大多数不干胶材料制造厂的情形也是这样。如果薄膜都通过薄膜表面整饰加工厂来进行涂布预处理,则会提高zui终产品的价格,因为这一方面涉及离线涂布过程增加的成本,另一方面还必须把整饰加工厂的利润计算在内。据了解,目前印刷厂进行的涂层预处理只限于一些特殊应用,例如,采用HP Indigo数字印刷系统进行印刷时。因此,笔者认为,在不同材质的不干胶材料上涂布同样的预处理涂料,必须在不干胶材料制造厂进行,因为只有这样才能在具有竞争力的价格水平上,制造出高质量的不干胶材料。

  与简单的电晕预处理相比,涂层预处理的缺点是:附加的涂布过程和涂料费用,造成薄膜标签的价格较高;另外,预处理涂层需经过食品监管部门审批后才能使用,但后者只是部分预处理涂层的问题。

  总之,塑料薄膜由于结构特性,需要进行表面预处理,才能实现很好的印刷过程和印刷质量。预处理涂层不仅能提高标签印刷品的长期稳定性,对印刷厂来说还可以产生增值效应,因为薄膜材料本身的性能波动不会影响印刷结果,还可以任意变换不同材质的薄膜材料,而无需让印刷工艺来适应薄膜材料。

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