Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-химические закономерности формирования межфазной поверхности «жидкость – полимер» 8
1.1 Теоретические основы смачивания и пропитки волокнисто-пористых полимерных материалов 8
1.2. Варьирование структуры и свойств волокнисто-пористых полимерных материалов 23
1.3. Влияние химической природы и геометрических характеристик волокон на структуру и свойства нетканых материалов 33
1.4 Моделирование процессов смачивания и пропитки волокнисто-пористых материалов 38
1.5 Влияние строения полимерных материалов на их статическую электризацию 44
1.6 Влияние электрического поля на движение диэлектрических жидкостей по поверхности полимеров 48
Глава 2. Объекты и методы исследования 52
2.1 Объекты исследования 52
2.2 Методы исследования 53
Глава 3. Динамика перемещения капель и микропотоков жидкости в волокнисто-пористых полимерных материалах 58
3.1 Анализ теоретических и экспериментальных работ по капиллярному переносу жидкости в волокнисто-пористые полимерные материалы 58
3.2 Экспериментальное исследование падения и движения капель жидкости по поверхностным слоям нетканых полотен 65
Глава 4. Пропитка нетканых полотен из синтетических полимерных волокон 75
4.1 Особенности производства флексографских форм по технологии DuPont Cyrel FAST 75
4.2 Разработка лабораторной методики оценки массопереноса фотополимера в нетканое полотно 76
4.3 Выбор синтетических нетканых материалов для абсорбции жидкой фотополимерной композиции 79
Глава 5. Особенности массопереноса жидкости при маркировке уплотненных полотен и полимерных пленок каплеструйным способом печати 85
5.1 Лабораторный стенд для макросъемки движения капель жидкости по запечатываемой поверхности 85
5.2 Модификация поверхности нетканых материалов 91
Заключение 98
Список литературы 100
- Варьирование структуры и свойств волокнисто-пористых полимерных материалов
- Методы исследования
- Экспериментальное исследование падения и движения капель жидкости по поверхностным слоям нетканых полотен
- Разработка лабораторной методики оценки массопереноса фотополимера в нетканое полотно
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Относительно новой областью применения нетканых волокнистых
материалов в полиграфии является т.н. «термальная» технология
производства полимерных печатных форм, разработанная фирмой DuPont. Отечественные материалы пригодные для этой технологии не разработаны, отсутствуют на рынке, а проявочный материал – специализированное нетканое полотно DuPont имеет высокую стоимость.
Основные требования, предъявляемые к нетканым полотнам для
производства печатных форм по т.н. «термальной» технологии:
термостойкость, достаточная абсорбционная емкость по жидкостям и прочность удержания отдельных волокон в полотне при его отслаивании от липкой заготовки печатной формы.
Степень разработанности темы исследования
Создание полотен с особыми свойствами, предназначенных для полиграфического производства и других областей применения, обусловливает необходимость осуществлять их декорирование и маркировку. Свойства нетканых полотен, как запечатываемых материалов, исследованы недостаточно, механическое перенесение детально разработанных технологий печати по бумаге, тканям и картону на процесс маркировки изделий из синтетических волокон не всегда возможно. Смачивание синтетических полимерных материалов чернилами или типографскими красками, а также процессы точной приводки изображений и впитывания жидких компонентов красок в структуру запечатываемого материала требуют специального изучения и количественного описания.
Цель работы – обоснование возможности и определение условий маркировки и использования иглопробивного нетканого материала из синтетических волокон в качестве абсорбента при производстве флексографских форм.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
- анализ теоретических и экспериментальных работ в области
модификации структуры, смачивания и пропитки жидкостями волокнистых материалов;
масштабное моделирование и количественное изучение процессов падения капель, растекания и впитывания жидкостей в полимерные волокнисто-пористые материалы;
разработка лабораторной установки для ускоренной макросъемки отдельных актов массопереноса (движения жидкости) и измерения краевого угла смачивания различных полимерных материалов;
- исследование влияния физико-химической модификации поверхности
полимерных запечатываемых пленок и волокнисто-пористых материалов на их
взаимодействие с жидкостью;
В настоящей работе решена научная задача разработки способа допечатной обработки волокнисто-пористых полотен из синтетических термопластов для их маркировки и использования в качестве абсорбентов в термальной технологии производства флексографских форм.
Научная новизна. Путем моделирования отдельных стадий полиграфического производства обоснована возможность регулирования смачиваемости и впитывания жидких полимеров и капель чернил иглопробивными неткаными материалами, обеспечивающая их использование в качестве абсорбционного материала в «термальной» технологии производства флексографских форм DuPont FAST и оптимальный расход чернил при маркировке волокнисто-пористых полотен способом каплеструйной печати.
Практическая значимость заключается в том, что разработанные в диссертации технологические приемы управления структурой и лиофильностью нетканых материалов из отечественных термопластов низкой себестоимости позволяют использовать их в качестве абсорбентов при производстве флексографских форм по «термальной» технологии DuPont Cyrel FAST и осуществлять маркировку нетканых материалов способом
5 каплеструйной печати.
Методическая новизна
Экспериментальные исследования проводились с использованием аттестованных методик и приборов физико-химического анализа полимеров, в том числе:
– ИК-спектрофотомерия;
дифференциальная сканирующая калориметрия;
сканирующая электронная микроскопия;
прецизионная гравиметрия; Разработаны:
специализированная методика и экспериментальная установка для ускоренной макросъемки движения капель жидкости и измерения краевого угла смачивания жидкостями волокнисто-пористых полимерных материалов;
методика физико-химической модификации поверхности нетканых материалов из синтетических волокон термообработкой в контакте с органическим растворителями.
При решении поставленных задач были использованы численные и статистические методы обработки результатов измерений.
Положения, выносимые на защиту:
Экспериментальные методики количественной оценки массопереноса жидкостей на отдельных стадиях полиграфического производства (проявление флексоформ по «термальной» технологии DuPont Cyrel FAST, капиллярное впитывание и движение капель жидкости при струйной печати);
Инверсия смачиваемости иглопробивных нетканых материалов водой при их уплотнении и способ регулирования времени впитывания обработкой волокнистых материалов, содержащих полипропилен, органическими растворителями;
Особенности динамики дистанционного и контактного взаимодействия капель воды, моделирующей водные чернила, с запечатываемой поверхностью полипропилена;
6 - Способы оценки пригодности и адаптации нетканых материалов для их
применения в качестве абсорбентов жидких полимеров в технологии
производства полимерных флексографских форм DuPont Cyrel FAST.
Степень достоверности полученных результатов определяется
всесторонним анализом теоретических и экспериментальных работ в области
технологии производства и пропитки нетканых материалов, применением
современных методов экспериментальных исследований и аттестованного
аналитического оборудования, математических методов обработки
экспериментальных данных и многократным обсуждением результатов
диссертационной работы на научных конференциях и при подготовке статей к
публикациям в рецензируемых журналах.
Апробация результатов
Основные положения диссертации докладывались на международных научных конференциях: International Conference on Oil and Gas Engineering, OGE (Омск, 2016), научно-технических конференциях молодых ученых МГУП 2013-2015, и научных коллоквиумах кафедры инновационных материалов принтмедиа-индустрии.
Личный вклад состоит в непосредственном участии автора на всех этапах работы над диссертацией. Основные экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы автором лично.
Публикации
По материалам настоящей диссертации опубликовано 5 печатных работ, включая тезисы докладов на конференциях. В том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации
Варьирование структуры и свойств волокнисто-пористых полимерных материалов
В соответствии со своим назначением смешиваемые волокна входят в состав в нетканые материалы, что представляет собой важность исследования в области изготовления и применения нетканого полотна.
По своей природе волокно представляет собой прочное, длинное, пластичное тело, имеющее небольшое поперечное сечение. Они различных видов, с различным строением, составом, свойствами [33].
Все разновидности волокон по происхождению классифицируются на природные и химические. Природные волокна в литературе принято называть натуральными. Они имеют свойство делиться на растительные волокна и волокна животного происхождения. К растительным волокнам относятся лубяные, хлопковые, целлюлоза, в то время как животного происхождения считаются волокна шелковые, шерстяные, кожевенные [34,35]. Химические волокна делятся на искусственные и синтетические. К первым относят волокна, изготовленные путем химической переработки природных – это ацетатные, белковые, альгинантные, вискозные [34-36]. Ко вторым относятся волокна, изготавливаемые из синтетических полимеров, например, полиэфирные, полиолефиновые, полиакрилонитрильные, полиамидные, поливинилхлоридные, поливинилспиртовые, волокна хлорированного ПВХ и др. [34, 35, 37-41].
Наиболее доступными по цене считаются химические волокна, потому как они являются доступным сырьем в отличие от других натуральных природных волокон. Их использование при смешивании с природными волокнами, а также в чистом виде обусловлено не только экономией, но и в связи с этим наиболее эффективно происходит технологический процесс. Для химических волокон предназначена высокая прочность, а их применение при смешивании с природными компонентами увеличивает устойчивость и прочность материалов. Их применение необходимо, поскольку они привносят в технологический процесс некоторые изменения. Эти изменения заключаются в уменьшении количества технологических исследований. Наряду с этим, у природных волокон отсутствует возможность соблюдать современные требования, предъявляемые к данным материалам, применяемым в разных областях. Химические волокна способны выдержать высокую температуру, повышенное давление и повышенный показатель концентрации, в связи с чем они являются незаменимой частью производства текстильной продукции [34].
Для определения свойств нетканых материалов используются тепловые, оптические, являющиеся физическими свойствами нетканых материалов, обладающие способностью поглощать воду, устойчивы к свету.
В качестве примера может выступать поглощение волокном воды, после чего происходит ее отдача в зависимости от изменения внешних факторов, условий. Данным фактором характеризуются сорбционные свойства материала, а для того, чтобы уплотнить волокно применяют тепловые изменения для свойств волокна.
Волокна бывают элементарные, комплексные, элементарные нити, штапельные волокна, моноволокно.
Элементарные представляют собой одиночные волокна, которые не расщепляются на мелкие части.
Комплексные - это совмещенные элементарные волокна. Элементарные нити иначе называют филаменты, т. е. длинные волокна. Штапельные волокна представляют собой разделенные части элементарных нитей. Моноволокно – это объемные элементарные нити, необходимые для изготовления изделия [35]. Данные виды волокна не схожи по строению и составу. К ним относятся пряжа разного типа, различные нити, нити наименьшего размера, бикомпоненты, текстурированные, модифицированные. В настоящее время необходимо изготовление волокон и нити, необходимых для производства нетканых материалов [42].
Бикомпонентные волокна незаменимы в производстве нетканых материалов. Это обусловливается следующим: бикомпонентные волокна содержат в себе свойства разных видов полимеров, что определяет изготовление больших нитей, схожих по некоторым свойствам с природными волокнами строго в соответствии с областью их применения.
Бикомпонентное волокно – это вид химического волокна, созданное при помощи фильеры (Рисунок 1.7 а, б). На рисунке показано, как к каждой части фильеры присоединяются несколько полимерных частиц, различных по составу и обладающих разным уровнем вязкости. В дальнейшем частицы, присоединенные к фильере, подвергаются соединению между собой, а после образуют несколько нитей. Извитость приемлема для бикомпонентного волокна, обладает различной по размеру усадкой волокна [44,45,9].
Методы исследования
На стадии «а» при первом контакте жидкий, разогретый до 170С полимер вдавливается в пористую структуру полотна усилием прижимного вала (раздел 4.1). Массоперенос на стадии «а» не зависит от химического состава волокон, их поверхностных свойств и размеровпористой структуры полотна. На стадии «б» граница раздела фаз «жидкий полимер – волокно» представлена поверхностью волокон «стенками» сквозных пор и микроскопических пустот в местах соприкосновения волокон. Давление прижимного вала устройства промокания форм на жидкий полимер, находящийся внутри пробельных элементов отсутствует, т.к. деформации сжатия печатающих элементов недостаточны для выдавливания жидкости из пробельных элементов.
Массоперенос приобретает характер капиллярного движения и зависит от смачиваемости волокнообразующего полимера и диаметра волокон, размера микрокапилляров между полимерными волокнами.
На стадии «в» граница раздела фаз «жидкий полимер – волокно» предельно мала и представлена лишь точками соприкосновении отдельных концов и петель волокон с оставшейся в порах жидкостью. Массоперенос на стадии «в» минимален и зависит от энергии межмолекулярного взаимодействия на ограниченной площадью торцов и петель поверхности раздела фаз «жидкий полимер – волокно» (адгезии), соотношения энергии адгезии и когезии жидкого полимера и формы, а также возможного электростатического заряда волокон.
Из приведенного анализа стадий процесса «проявки» фотополимерных форм нетканым материалом по технологии FAST DuPont можно сделать промежуточный вывод о необходимости проведения экспериментального исследования взаимодействия микроколичеств (капель) жидкости с волокнисто -пористыми неткаными материалами с учетом влияния на динамику массопереноса электростатического заряда волокон и свободной энергии их поверхности.
В ходе покадрового анализа записи видеоизображения траектории свободного падения капель воды на горизонтальную поверхность, их деформации, растекания и впитывания по поверхности материала, обнаружен эффект отклонения траектории движения капель от вертикали и качественное различие во взаимодействии капель воды и жидких н-алканов с поверхностью пористых материалов различного химического состава.
При соприкосновении капли модельной жидкости, имитирующей каплю водных чернил струйной печати, с ворсистой поверхностью нетканого материала, состоящего из смеси полипропиленовых и бикомпонентных волокон, наблюдали (до и после соприкосновения) отталкивание капли концами и петлями торчащих из полотна волокон, вызывающее значительное отклонение траектории ее падения от вертикали. Даже крупные капли воды (по сравнению с каплями, выбрасываемыми печатающими головками струйных принтеров) длительное время удерживаются на отдельных волокнах, хаотично расположенных в поверхностном слое полотна (рис.3.4). Вода практически не впитывается в пористую структуру полотна, а сферическая форма капель в равновесном состоянии, сохраняющаяся вплоть до испарения, свидетельствует о гидрофобности и полной несмачиваемости поверхности нетканых полотен. Для печати рисунка или текста, а также для цифровой маркировки таких полотен водоразбавляемыми красками необходима их допечатная обработка, повышающая гидрофильность или каким-либо образом устраняющая отталкивающее действие волокон [107].
Для допечатной подготовки нетканого полотна применяли способ физической модификации – прессование при повышенной температуре [108]. Термообработку образцов нетканых материалов проводили кратковременным прессованием под давлением 100-500 кПа при температуре обработки последовательно увеличиваемой от серии к серии образцов от 120 до 230 С с шагом 10С. После обработки термопрессованияем проводили ускоренную видеосъемку процессов падения калиброванных капли исследуемых жидкостей на поверхность материала и фиксировали ее траекторию перемещения. Экспериментально установлено, что в результате термопрессования образцов в течение нескольких десятков секунд при температуре менее 120 С смачиваемость поверхности полотен не изменяется. Капли воды удерживаются на поверхности. При температуре более 120 С поверхность материала, содержащего полипропилен и бикомпонентное волокно, сглаживается, волокна в наружном слое укладываются вдоль плоскости полотна и частично агрегируются. Нетканый материал становится более тонким и плотным. В результате уплотнения структуры характер взаимодействия жидкости и волокнистого материала качественно изменяется. Капля воды, упавшая на поверхность, не отклоняется от вертикальной траектории падения, не удерживается торчащими волокнами на расстоянии от полотна, как это наблюдается в исходном эксперименте (Рисунок 3.4), а при более плотном контакте с уплотненной пористой структурой ускоренно внедряется в его объем. Скорость движения капель превышает возможности видеофиксации и скорость свободного падения капель, что позволяет предположить наличие электростатических сил, действующих на жидкость в направлении движения. Для количественной характеристики взаимодействия полотна термопрессованного при температуре выше 120С с каплей воды измеряли время впитывания, за которое принимали средний интервал времени от момента соприкосновения поверхностей капли и материала до полной абсорбции содержимого капли объемом материала (tср), контролируемого видеосъемкой по времени исчезновения криволинейной границы жидкой фазы над плоской поверхностью полотна. Кроме этого, исследовали и сравнивали процесс впитывания капель воды и гидрофобных жидкостей (н-декан, н-гептан) в исследуемые нетканые полотна и волокнисто-пористые материалы известной структуры, но различного химического состава, определяющего их смачиваемость (Таблица 2). Вязкость н-декана и воды одинакова, но поверхностная энергия отличается в 3 раза, поэтому существенные различия в скорости их впитывания в волокнисто-пористые материалы обусловлены особенностями состава и структуры молекул, определяющими силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей с поверхностью волокнообразующих полимеров [110].
Экспериментальное исследование падения и движения капель жидкости по поверхностным слоям нетканых полотен
Изготовление образца фотополимерной пластины, содержащей пробельные и печатающие элементы, производили следующим образом: с пластины DuPont Cyrel DFR 045 удалялся черный масочный слой, изображение в негативе на полиэфирной пленке размещалось поверх фотополимерного слоя, на первом этапе производилось экспонирование УФ светом оборотной стороны пластины в течение 2 мин на экспонирующем устройстве Argon Tris, на втором этапе производилось основное экспонирование с лицевой стороны в течение 2 мин.
Из испытуемого нетканого полотна вырезают квадратный лоскут размерам 40х40 мм. На электронных весах взвешивают образцы фотопластин с точностью до ±0,001 г. Прогрев нескольких серий образцов фотополимерной пластины, размещенной на термостойкой подложке, осуществляют в сушильном шкафу Binder при температуре 180, 190, 200 С в течение 5 мин, соответственно по сериям. После прогрева образца на него сверху немедленно укладывают лоскут нетканого материала. На лоскут нетканого материала через антиадгезионную прокладку из термостойкой пленки политетрафторэтилена (Рисунок 4.3) устанавливают плоский груз массой 1 кг. Выдерживают образец под давлением в течение 1 мин. За это время, разогретый до вязко-текучего состояния полимер, впитывается в нетканый материал. Так как по мере остывания полимер переходит в высоко-эластическое состояние, многократно увеличивает свою когезионную прочность и утрачивает способность течения по капиллярам, перед разделением слоев образец, покрытый нетканым материалом, помещают в сушильный шкаф на 3 мин. Повторный нагрев необходим для перевода полимера в вязко-текучее состояние и приведения температуры процесса расслоения в соответствие с условиями технологии FAST. По истечению времени повторного нагрева расплавленные образцы вручную отделяют от нетканого материала по методике расслоения описанной в работе [96] (Рисунок 4.4). Массоперенос фотополимера в пористой структуре волокнистых материалов оценивают гравиметрически. Массу образца и впитавшего в себя полимер лоскута нетканого материала определяют с точностью до ±0,005г. Прирост массы нетканого материала за счет абсорбции полимера из образцов фотополимерных пластин выражают в процентах (таблица 3).
Определяя прирост массы лоскутов нетканого материала или убыль массы образцов фотополимерных пластин, можно провести сравнительную оценку их абсорбционной емкости и выбор материала наиболее пригодного для использования в технологии DuPont Cyrel Fast.
Основные требования, предъявляемые к нетканым полотнам для производства печатных форм по так называемой «сухой» «термальной» технологии – кратковременная термостойкость до 180200 С, быстрое впитывание горячего низковязкой фотополимерной композиции в волокнисто-пористую структуру и прочность удержания поверхностных отдельных волокон в полотне при его отслаивании от достаточно липкой заготовки печатной формы.
Фазовый (капиллярный) массоперенос жидкости в свободном пространстве между волокнами составляет основу производства современных армированных композиционных материалов [119], и процессов функционирования медицинских и санитарно-гигиенических изделий. Количественные параметры массопереноса в нетканых полотнах и бумажных материалах получают путем измерения высоты поднятия жидкости в образце материала, расположено вертикально в контакте с избытком модельной жидкости (о-ксилолом, водой и т. д.) [120].
Определены величины абсорбционной емкости исследуемых образцов в условиях, приближенных к «термальной» технологии FAST фирмы DuPont [121]. Из испытуемого нетканого волокнисто-пористого полотна вырезали квадратный 20х20 мм образец, который взвешивали с точностью до ±0.01 г. Нагревали образец фотополимерной пластины, размещенной на термостойкой подложке, в сушильном шкафу до температуры 180 С в течение 5 мин, затем на него сверху моментально укладывали нетканый материал. Через антиадгезионную прокладку устанавливали груз массой 1 кг и выдерживали под давлением в течении 1 мин. Разогретый до вязко-текучего состояния термочувствительный олигомер впитывался в поры материала (снизу-вверх). После повторного нагревания расплавленные образцы печатной пластины отделяли от нетканого материала и взвешивали.
Нетканый материал, применяемый для удаления незаполимерозовавшегося светочувствительного слоя с формной пластины в термальном процессе, должен обладать минимальной пылимостью, иметь прочный поверхностный слой для предотвращения попадания пылевидных частиц и волокон нетканого материала на форму. Отделение частиц волокон от полотна и их прилипание к печатным элементам формы может крайне негативно отразиться на качестве флексографской печати. В ходе проведенного эксперимента по определению пылимости нетканых полотен по методике, описанной в [122] было установлено, что наименьшей пылимостью обладает нетканый абсорбционный материал DuPont Cyrel DR37F, применяемый для термального процесса FAST. Из отечественных аналогов волокнисто-пористых материалов (полотен), как видно из Таблица 4, наибольшей пылимостью обладает нетканое полотно из смеси бикомпонентных (БКВ) полиэтилентерефталатных (ПЭТФ) волокон в равном соотношении. После обработки термопрессованием происходит, как и следовало предположить, снижение пылимости материаов и увеличение поверхностной прочности полотен, по-видимому, из-за агрегирования и скрепления волокон между собой легкоплавкой оболочкой БКВ [106].
С поверхности всех испытываемых материалов отделяются частицы в виде тонких и мелких волокон. Как видно из Таблица 4 наименьшей пылимостью как по количеству пылинок, так и по среднему их размеру (Рисунок 4.5) обладает термообработанное нетканое полотно из смеси полипропиленовых (ПП) волокон и БКВ в соотношении 1:1. После обработки термопрессованием полотна из смеси ПП волокон с БКВ (1:1) происходит, как и следовало предположить, снижение пылимости и уменьшение среднего размера частичек пыли. Кроме того, увеличивается поверхностная прочности материала, определяемая по методу Деннисона, что происходит из-за агрегированияи сплавления термопластичных волокон между собой в процессе термопрессования. Таблица 4. Пылимость нетканых синтетических материалов [122]
Разработка лабораторной методики оценки массопереноса фотополимера в нетканое полотно
Чрезмерное впитывание жидкости в запечатываемый материал приводит к увеличению расхода краски, материалоемкости и повышению стоимости процесса маркировки. Для дополнительного сокращения потерь краски за счет впитывания и повышения печатных свойств полотен производили модификацию поверхности.
Для допечатной подготовки нетканого полотна применяли его термообработку прессованием как наиболее экологичный и экономичный способ физической модификации [108]. Термообработка образцов нетканых материалов производилась под давлением нагретым инструментом с целью изменения структуры и поверхностных свойств полотна и возможного улучшения печатных свойств материала. Термообработку проводили с использованием плоских электрообогреваемых электродов термосварочного лабораторного устройства RDM HSE-3, в интервале температур от 120-230С. Устройство позволяет с точностью ±1С термостатировать электроды из стали, кратковременно прессовать ими нетканое полотно давлением 100-500 кПа с точностью ±7кПа и контролировать время термообработки с точностью до ±0,01 с. После термообработки образцы полотен помещали на предметный стол лабораторного стенда [113] и производили ускоренную видеосъемку процессов падения капли на поверхность материала и ее перемещение с помощью увеличивающего в 20 раз объектива. Было установлено, что после термообработки полотна в течение нескольких секунд при температуре более 120С его поверхность сглаживается, волокна в наружном слое укладываются в плоскость полотна и частично агрегируются. Нетканый материал становится более тонким и плотным. В результате уплотняющей термообработки картина взаимодействия жидкости и волокнистого материала качественно изменяется. Капля воды, попавшая на поверхность, не отклоняется от траектории падения, не удерживается волокнами на расстоянии от полотна, как это наблюдается в эксперименте, описанном в разделе 3.2 (Рисунок 3.4), а ускоренно впитывается в его объемпод действием сил адгезии по законам капиллярного течения [109]. Для количественной характеристики взаимодействия термообработанного полотна с каплей воды измеряли время впитывания, за которое принимали средний интервал времени от момента соприкосновения поверхностей капли и материала до полного внедрения жидкости в объем материала, контролируемого по исчезновению границы жидкой фазы над полотном.
Зависимости времени впитывания капель воды в поверхностный слой нетканого полотна от температуры термообработки в прессе материала из смеси ПП и БКВ волокон (1) и смеси ПЭТФ и БКВ (2) волокон. При увеличении температуры и времени термообработки нетканого полотна среднее время впитывания увеличивается, а затем по мере уплотнения структуры материала происходит второе качественное изменение процесса (рисунок 5.5). Впитывание прекращается и наблюдается растекание капли по поверхности уплотненного материала. Таким образом, чисто физическое воздействие позволяет существенно улучшить печатные свойства волокнистого полотна. Это изменение процесса взаимодействия капель жидкости с неткаными материалами имеет важное практическое значение для маркировки изделий из волокон с помощью полиграфической техники.
Быстрое впитывание жидкости в запечатываемый материал приводит к чрезмерному увеличению расхода краски, материалоемкости и повышению стоимости процесса маркировки. Для дополнительного сокращения потерь краски за счет впитывания и повышения печатных свойств полотен производили модификацию поверхности с использованием органического растворителя – толуола, усиливающее действие которого на адгезию типографских красок к полипропилену обнаружено ранее в работе [111]. Для дозированного введения толуола в поверхностный слой нетканого полотна, прижим нагревающегося элемента термосварочного аппарата к поверхности материала осуществляли через стеклоткань, пропитанную толуолом [112]. Стеклоткань в качестве средства подачи толуола была выбрана вследствие ее физической и химической инертности к толуолу и высокой механической прочности. Этот прием позволяет оперативно изменять микрорельеф поверхности и адгезионные свойства нетканого материала.
Для количественной характеристики изменения свойств модифицированной поверхности были измерены краевые углы смачивания по методике [113]. Капля на поверхности нетканого полотна подвергнутого кратковременному термопрессованию с одновременной обработкой парамитолуола в течение 30 и 60 с, принимает статичное положение и не впитывается, что позволяет измерить краевой угол смачивания (Рисунок 5.6). Рисунок 5.6 – Зависимости краевого угла смачивания водой (1) нетканого полотна и нетканого материала, обработанного в парах толуола (2) от температуры термообработки образцов. Время обработки парами толуола 30 с, давление 0,35МПа Краевой угол смачивания пленок полипропилена водой измеренный по методике [113] составляет 93±2 град. Угол смачивания водой пленок ПЭТФ 72±2 град. [114]. Поверхность нетканого полотна, уплотненного термомодификацией под давлением, состоит из фрагментов ПЭТФ и ПП, гидрофобность которых существенно больше и после термообработке при 130-150 С соответствует углу смачивания 120±4 град. Увеличение температуры термообработки в комбинации с обработкой толуолом увеличивает краевой угол смачивания на 40 градусов.
Для исследования соотношения и распределения выявления волокон двух типов в составе полотна и выявления преимущественного содержания одного из волокон в составе поверхностного слоя нетканого полотна проводили препарирование и послойное тепло-физическое испытание проб методом ДСК. Исследовались образцы компонентов исследуемого материала – волокон ПП и ПЭТФ отдельно друг от друга, полученный из них нетканый материал и образец волокон, препарированных с поверхности материала «стрижкой ворса». С помощью программного обеспечения NETZSCH Proteus Analysis были зафиксированы температуры плавления и рассчитаны энтальпии для всех исследуемых материалов. Данные, полученные при анализе, подтверждают, что образец нетканого волокна имеет заявленный производителем состав (50% БКВ+50% ПП). Видно, что заявленное соотношение компонентов в смеси волокон по массе соответствует действительности (Рисунок 5.7, кривые 1 и 3). Сравнили параметры диаграмм плавления образцов, вырезанных из поперечного сечения (интегральная проба) материала и волокон, снятых с поверхности. Видно, что пик плавления полипропилена в пробах, извлеченных из поверхностного слоя полотна несколько меньше, чем пик плавления полипропилена в пробах извлеченных среднего слоя полотна (Рисунок 5.7 кривые 4 и 3 соответственно). Следовательно в поверхностном слое волокон полипропилена меньше, чем в среднем по объему полотна.