CC BY
42
Секция «Материаловедение»
Определение величины градиента термоусадки в интервальных пленках ПВХ
A.С. Тищенко,
студент группы ДТпМ-6
B.В. Гурская,
студентка группы ДТуп-5-1
Интервальные термоусадочные полимерные пленки были изобретены [1] и предложены в качестве материала для изготовления защищенной от подделки этикетки и других элементов упаковки [2]. Качество печати защитных изображений, например, штриховых кодов с дисторсией [3] во многом зависит от точности получения заданной величины усадки всех интервалов пленки в запечатываемой области и протяженности перехода между смежными интервалами с различной усадкой. Различие величин усадки смежных интервалов в термоусадочной пленке ПВХ может достигать 50%, т. е. в образце материала «соседствуют» участки с усадкой 53-55% и 3-5%, которая проявляется после термообработки в специальной ячейке ламинатора [4], предназначенной для проведения усадки интервальных пленок в строго контролируемых условиях. Неточная приводка изображения штрихового кода на интервальной пленке и увеличенная протяженность переходной зоны между интервалами препятствует получению изображения с функцией защиты от подделки.
Задача исследования - количественная оценка протяженности переходных зон в интервальной термоусадочной пленке ПВХ, получаемой методом локальной термообработки под давлением с использованием сварочной машины с плоскими стальными нагревательными элементами и расчет величины градиента усадки между интервалами.
Экспериментальная часть
Получение опытных образцов интервальной термоусадочной пленки путем термообработки отпечатков
На образцы термоусадочной пленки ПВХ, изготовленной по ГОСТ 25951-83 на ООО «Дон-Полимер», с максимальным коэффициентом усадки 40%, толщиной 45 мкм наносили штриховое изображение (20 штрихов/см) и растровые токи линиатурой 65 lpi способом трафаретной печати. Затем формировали интервалы - локальные зоны с пониженной усадкой при помощи плоских нагревательных элементов лабораторной сварочной машины HSE-3, нагретых до температуры 80° С, в течение 5 с, давлением сжатия - 70 psi (483 кПа). Полученные образцы интервальной термоусадочной пленки со штриховым изображением фотографировали через объектив микроскопа с малым (х15) увеличением (рис. 1). Далее производили термоусадку образцов в ламинаторе, в результате которой выявились 2 визуально различимых интервала (зоны) на пленке: интервал с частым расположением узких штрихов и интервал с редким расположением штрихов практически исходного вида (рис. 2). Различный вид штрихового изображения после термической обработки обусловлен тем, что они напечатаны на участках пленки (интервалах) с высокой и низкой усадкой (локально термообработан-ная). Градиентным переходом (рис. 2, 3) является та часть пленки, на которой вид штрихов и интервал между ними изменяется (от широкого к узкому).
1
Рис. 1. Штриховое изображение на интервальной термоусадочной пленке ПВХ (максимальный коэффициент усадки 40%) после модификации: 1 — модифицированный интервал
Рис. 2. Образец интервальной пленки ПВХ, после усадки в горячей воде: 1 — интервал с пониженной усадкой; 2 — интервал с максимальной усадкой; 3 — переходная зона
Рис. 3. Определение длины переходной зоны в образце интервальной пленки ПВХ:
1 — фотография переходной зоны интервальной пленки;
2 — сопоставление цены делений (масштаба) стандартной линейки и разметки объектива
С помощью стандартной линейки и объектива с разметкой была определена длина переходной зоны (I) интервальной пленки, подвергнутой полной термоусадке в ламинаторе [4], которая для данного образца составила 1,25 мм и, как видно (рис. 3), занимает на исходной интервальной пленке (до усадки) участок равный суммарной ширине 3-х штрихов и 2-х пробелов. Эта величина определяется по фотографиям штриховых изображений на пленке до ее усадки и составляет 1,4 мм.
Рис. 4. Схема расположения и обозначения измеряемых величин интервалов на образце термоусадочной пленки после полной усадки в ламинаторе
Так как усадка пленки пропорциональна уменьшению ширины, напечатанных на ней элементов штрихового изображения, а также габаритных размеров, соответствующих интервалов, то градиент усадки может быть определен по размерам частей отпечатка, расположенным на интервалах с различной усадкой, следующим образом:
дгас1 ек =
Де
ьпер
Дбу =62-81,
где
8-1 =
Ь -ь
е2 =
следовательно
Ь1 Ь Ь1 -Ь Де = —---2 = —1—-.
По фотографиям (рис. 2, 3) установлено, что размеры штрихов и пробелов в соседних интервалах после термоусадки уменьшались по-разному и относительное изменение (Де) этих размеров составило 0,286. Следовательно, градиент усадки между интервалами этого образца пленки равен частному от деления этой величины на протяженность переходной зоны:
дгэс1 еу = 0,286/1,4 = 0,2 мм-1.
Недостатками полученного нами первого образца интервальной пленки являются: коробление, локальная разнотолщинность и малый градиент усадки пленки между интервалами.
Для устранения коробления и разнотолщинности пленки предложено осуществить интервальную термообработку пленки в изометрических условиях, т. е. с фиксацией длины в момент ее разогрева под давлением. Для повышения градиента и увеличения разности коэффициентов усадки между интервалами был расширен диапазон температуры интервальной термообработки до 96° С. Использовали пленку ПВХ с максимальным коэффиициентом усадки 40%, Фиксацию габаритных размеров термоусадочной пленки ПВХ при термообработке осуществляли путем размещения внутри рукавного образца пленки жесткой вставки из полиметилметакрилата. При локальной термообработке пленки ПВХ сокращению ее размеров препятствует жесткая пластина и реализуется односторонний нагрев пленки.
Результаты оценки градиента усадки пленки с фиксированными размерами представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры образцов интервальных пленок,
полученных локальной термообработкой
под давлением с фиксацией на платине
№ Сварочная машина, 5 с Ламинатор, 100° С Градиент, мм-1
^верх' °с ^нижн' °с Р а0' мм Ь0' мм а1' мм ь1' мм Р л 8у ' %
1 90 90 70 рБ1 (483кПа) 30 18 32 13 28 0,21
2 92 92 31 18 31 14 22 0,32
3 94 94 29 18 30 15 16 0,43
4 96 96 29 19 30 16 16 0,43
Примечание: переход от максимальной к минимальной усадке происходит на протяжении 1,4 мм.
^верх _ температура верхней губы сварочной машины; 1ниж - температура нижней губы сварочной машины; Р - давление сжатия;
т - время воздействия стальных нагревательных элементов на материал;
а0 - длина локально модифицированного образца пленки; Ь0 - ширина локально модифицированного образца пленки; а1 - длина образца пленки после термообработки в ламинаторе; Ь1 - ширина образца пленки после термоусадки в ламинаторе.
Результаты оценки градиента усадки таких же пленок, но при локальной термообработке в свободном состоянии и при варьировании температуры термообработки в интервале 70-96° С представлены в табл. 2.
Оптимальное значение температуры термообработки в свободном положении - 80° С. Локально модифицированный образец пленки при данном значении температуры и выше приобретает минимальный коэффициент усадки, а точнее равен 0.
Таблица 2
Параметры образцов интервальных пленок, полученных локальной термообработкой под давлением в свободном положении
№ Сварочная машина, 5 с Ламинатор, 100° С Градиент, мм-1
t , верх' °с t , нижн' °с Р а0, мм Ь0' мм а1, мм ь1, мм V- %
1 70 70 70 рБ1 (483кПа) 36 17 36 14 18 0,39
2 75 75 35 14,5 35 12 17 0,41
3 80 80 30 18 30 18 0 0,72
4 85 85 32 18 30 18 0 0,72
5 90 90 34 15 34 15 0 0,72
6 92 92 34 18 33 18 0 0,72
7 94 94 31 18 31 18 0 0,72
8 96 96 33 17 33 17 0 0,72
Из данных табл. 1 видно, что проведение усадки интервальных пленок, полученных путем локальной термообработки с фиксированными размерами не позволяет получить градиент усадки в переходной зоне более 0,5 мм-1, измеренный в ламинаторе. Это обстоятельство
вынуждает искать иные пути преодолевания технологических затруднений и проводить термообработку в свободном состоянии, но при повышенной температуре (табл. 2). При температуре выше 80° С удалось получить пленки с градиентом усадки до 0,72 мм-1. При этом образцы все-таки имеют некоторую разнотолщинность, показанную на схеме их поперечного сечения (рис. 5).
0,7 им
Рис. 5. Схема поперечного сечения исходной (1) и интервальной (2) термоусадочной пленки ПВХ вдоль направления ориентации до усадки в ламинаторе (1, 2) и после усадки (3)
Видно, что интервалы, подвергнутые термообработке, и интервалы исходной пленки имеют одинаковую толщину, но в переходной зоне происходит локальное утолщение. Это локальное увеличение толщины обусловлено воздействием нагревательных элементов на участки пленки, не подверженные давлению сжатия в сварочной машине. По-видимому, такое негативное проявление преждевременной усадки может быть ликвидировано путем изменения конструкции нагревательных элементов (например, созданием теплоизоляции боковой поверхности) или фиксацией габаритных размеров пленки в момент термообработки и в процессе охлаждения.
Для устранения разнотолщинности и получения стабильных минимальных значений усадки в интервальных пленках было предложено проводить локальную термообработку с использованием полимерных прокладок между стальными нагревателями и термоусадочной пленкой. В качестве материала прокладки использовали пленку
ПЭТФ толщиной 100 мкм, которая при температуре термообработки превращалась в эластомер, плотно прилегающий к модифицируемому участку и сдерживающий его сокращение за счет силы трения. Утолщения переходной зоны в пленке ПВХ не происходит вследствие передачи давления от сварочной машины и нагревания слоистого пакета с термоусадочной пленкой внутри. С учетом запаздывания и тепловых потерь на разогрев прокладок из ПЭТФ до оптимальной температуры модификации интервалов, в термоусадочной ПВХ пленке температуру нагревательных элементов сварочной машины увеличили до 110° С.
После прекращения термомеханического воздействия и извлечения трехслойного пакета из зоны нагрева (рис. 6) внешние прокладки из пленки ПЭТФ охлаждаются первыми, становятся стеклообразными и жесткими, что позволяет предотвратить коробление и практически устранить утолщение пленки ПВХ в процессе ее охлаждения.
Рис. 6. Процесс получения интервалов на термоусадочной пленке с помощью листов ПЭТФ локальной термообработкой нагревательными элементами под давлением: 1 — нагревательные элементы; 2 — термоусадочная пленка; 3 — модифицированный участок (интервал); 4 — листы ПЭТФ
Для более точного определения характера изменения коэффициента усадки в переходной зоне и построения графика краевой функции исследовали растровые изображения, нанесенные на интервальные пленки. По размерам растровых точек в переходной зоне (рис. 7) и ее протяженности, которая составляет 0,7 мм, установлено, что величи-[ а абааеа оа опааее П1 поааёуа6 0,52 I I -1. Таким образом, с помощью использования листов ПЭТФ был достигнут необходимый градиент изменения усадочных свойств при одновременном уменьшении зоны перехода и разнотолщинности пленки.
Полученная зависимость коэффициента усадки от координаты месторасположения на интервальной пленке в переходной зоне, т. е. краевая функция, представлена на рис. 8. Видно, что краевая функция описывается кубическим уравнением с вероятностью 99%:
у = -150,66х3 + 151,21х2 + 36,981х + 0,1684,
Рис. 7. Вид растровых точек в переходной зоне образца интервальной термоусадочной пленки ПВХ после термообработки в ячейке ламинатора
или линейным уравнением с вероятностью 98%: у = 72,414х - 0,4285.
Эта зависимость может быть использована при допечатной подготовке изображения штриховых кодов с дисторсией ширины штрихов и пробелов.
Библиографический список
1. Патент РФ № 2444543 Российская Федерация МПК C08J5/ 18. Термочувствительный полимерный материал для полиграфии/ Автор: Кондратов А.П. Ш11 - заявка № 2010123588/059033575); заявл. 09.06.2010, опублик. 03.04.2010, Бюл. № 7 от 10/03/12. - 10 с.
2. Патент РФ № 97843 Российская Федерация МПК G09F3/00. Информационно-защитная этикетка / Авторы: Кондратов А.П. ШЮ, Бенда А.Ф. ШЮ, Ерофеева А.В. ШЮ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО МГУП - заявка № 136307; заявл. 13.03.2009, опублик. 03.04.2010, Бюл. № 26 от 20.09.10. - 10 с.
3. Кондратов А.П. Новые полимерные пленки для печати защищенной от подделки этикетки и упаковки // Известия ВУЗов, сер. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2011, № 2. - 83-94 с.
4. Заявка на патент РФ № 2012106885 Российская Федерация МПК G09F. Устройство для дилатометрических испытаний интервальных пленок с градиентом термоусадки. Кондратов А.П. Ш11), Ти-щенко А.С., ШЮ , Гурская В.М. Ш11); заявитель и патентообладатель ФБГОУ ВПО МГУП имени Ивана Федорова - заявка № 2012106885; от 27.02.2012 г.
