Факультет екології та химичесной технологіїЗміст
Актуальність:
Важливу роль у залученні споживачів і в завою ванні ринку товарів відіграє упаковка товару. Не секрет, що красивий товар зможе зацікавити більшу кількість людей, а пакет з фірмовим логотипом або стилістикою організації стане ефективним рекламним ходом. І цю можливість надає використання флексографічного друку. Велика розмаїтість матеріалів вимагає велику кількість різноманітних фарб для друку. Так у флексографії для кожного матеріалу може бути використаний тільки певний вид фарби.
У даний момент все більше уваги приділяється саме якості одержуваних відбитків. Якість же, у свою чергу, безпосередньо залежить від правильності технологічного процесу і якості маткріалів, що використовуються. Розчинник відіграє головну роль у процесі нанесення барвистого покриття на плівку. Важливо знати його показники і поведінку при різних температурних умовах. Таким чином правильний підбір характеристик розчинника забезпечить якість відбитків будь—якої складності.
Мета — покращіти якість флексодруку.
Для досягнення даної мети в роботі необхідно вирішити наступні завдачі :
—розглянути фізико—хімічні основи процесу нанесення лакофарбових покриттів;
—розглянути склад флексографічних фарб і основні властивості застосовуваних розчинників;
—провести дослідження з визначення часу висихання лакофарбового покриття при різному вмісті розчинника в ньому.
Летючість є однією з найважливіших властивостей розчинників. Від цього показника залежить не тільки тривалість висихання лакофарбового матеріалу і здатність його наноситися тим чи іншим методом, але і деякі властивості покриття. Надмірно висока летючість може призвести до дефектів покриття, а низька летючість сприяє утримуванню великої кількості розчинника, що сильно позначається на експлуатаційних властивостях покриття. Тому при розробці та застосуванні лакофарбових матеріалів необхідно враховувати летючість розчинників, вплив на неї різних факторів, а також методи її визначення.
Процес випаровування летючих рідин описується рівнянням Лангмюра—Кнудсена:
где W — швидкість випаровування;
m — маса рідини, що випаровується;
τ — тривалість випаровування;
s — поверхня випаровування;
p1 — тиск пари рідини;
М — молекулярна маса;
Т — температура поверхні випаровування;
k — поправочний коефіцієнт.
За рахунок теплоти випаровування поверхня рідини охолоджується, що вносить похибку у визначення швидкості випаровування. Зниження температури поверхні випаровування залежить від летючості розчинника (рис. 1.1): чим вище летючість розчинника, тим більше зниження температури поверхні.
Рис 1.1 - зниження температури поверхні при випаровуванні розчинників.
1 — бутилацетат; 2 — толуол; 3 — ізопропіловий спирт; 4 — гексан; 5 — ацетон
При експериментальних визначеннях летючості розчинників необхідно враховувати передачу теплоти з повітря і від підкладки. З урахуванням цього зниження температури поверхні, що випаровує можна виразити наступною формулою:
где h — коефіцієнт теплопередачі;
k — теплопровідність;
cη — експериментальний коефіцієнт, що враховує теплопередачу від підкладки(можна розрахувати на підставі експериментальних результатів);
ΔHисп — теплота випаровування;
ρi0 — тиск насиченої пари розчинника;
Розрахункові результати мають хорошу збіжність з експериментальними. Так, при випаровуванні води при 25°С її поверхня охолоджується до 15,6°С. При цьому тиск пари знижується з 3,20 кПа (24 мм.рт.ст.) До 1,73 кПа (13 мм.рт.ст.). Якщо навколишнє повітря має вологість 50%, що відповідає тиску водяної пари 1,60 кПа (12 мм.рт.ст.), То рушійна сила випаровування, що дорівнює різниці тисків пари, у разі відсутності охолодження поверхні при 25°С складала б 3,20 — 1,60 = 1,60 кПа (12 мм рт. ст.); коли ж має місце охолодження поверхні, рушійна сила істотно зменшується: 1,73 — 1,60 = 0,13 кПа (1 мм.рт.ст. ). Отже, і швидкість випаровування знижується в 12 разів.
При дифузії розчинника з шару рідини його молекули повинні дифундувати через: а) рідку фазу до поверхні, б) поверхневий шар рідини і в) ламінарний прикордонний шар повітря. Після цього, потрапивши в турбулентний шар повітря, пари розчинника відносяться. З точки зору дифузії, випаровування рідини описується рівнянням Гарднера:
где a — константа;
D — коефіцієнт дифузії молекул рідини в повітря;
P — атмосферний тиск;
x — ефективна товщина ламінарного повітряного шару над поверхнею випаровування.
Якщо рівняння Лангмюра—Кнудсена справедливо тільки для випаровування розчинника у вакуумі, то рівняння Гарднера можна застосовувати у разі випаровування на повітрі, проте воно також містить константу, значення якої визначається умовами проведення експерименту. Крім параметрів, що входять в рівняння Гарднера, на випаровування істотно впливає також швидкість повітря над поверхнею випаровування. Ефективна товщина ламінарного шару над поверхнею х залежить як від швидкості повітря, так і від форми посудини, в якому проводиться визначення. Ці параметри, а також протяжність поверхні випаровування, що контактує з потоком повітря, враховує наступне рівняння:
где n — концентрація пари у поверхні;
H — відстань від поверхні випаровування до стінки;
l — довжина поверхні випаровування;
ν — лінійна швидкість повітря;
D — коефіцієнт дифузії молекул розчинника в повітрі;
ζ — аеродинамічний коефіцієнт зміщення (коефіцієнт захвату).
Формули дозволяють висловлювати абсолютну швидкість випаровування. Для технолого—лакокрасочніков найчастіше досить мати відносні величини для порівняння летючості розчинників. Відносну летючість Wотн визначають за тривалістю випаровування певної кількості розчинника в порівнянні з еталонним розчинником, наприклад діетіловим ефіром, бутилацетатом або ксилолом:
где τВА90% — час випаровування 90 % бутілацетату;
τ90% — час випаровування 90 % даного розчинника.
Для визначення відносної летючості розчинників розроблені різні методи і їх модифікації. В основі цих методів лежить визначення кінетики випаровування розчинників з тонких плівок, оскільки процес випаровування з великих мас розчинників не дає уявлення про характер зникнення розчинника з лакофарбових покриттів. Для дослідження кінетики випаровування невеликі кількості розчинника наносять на різні підкладки як пористі (ватман, фільтрувальний папір), так і гладкі (скло, алюміній). Щоб підкладка під час досліду змочувалася рівномірно, поверхню, наприклад, алюмінієвих дисків, обробляють розчином лугу. Інша трудність полягає у виключенні нерівномірності шару через капілярний ефект. Залежно від форми і розміру диска, на який наносять розчинник, рідина може або підніматися по його бортикам, або збиратися в середині диска.
Розглянемо роль розчинників у процесі пленкоутворення з розчинів. Прийнято вважати, що процес пленкоутворення, визначається випаровуванням розчинника, протікає у дві стадії. На першій стадії швидкість процесу в основному залежить від тиску пари розчинника над розчином пленкоутворення. Оскільки розчинена речовина знижує тиск пари розчинника, швидкість випаровування за рахунок цього може знизитися. На пониження тиску пари впливає ступінь термодинамічної спорідненості розчинника до розчиненого в ньому пленкоутворювача. Для обліку цього було запропоновано ввести в рівняння Лангмюр — Кнудсена надлишок хімічного потенціалу розчинника в розчині Δμ1:
где ρ01 — тиск пари чистого розчинника.
Після підстановки величини ρ1 з цього виразу в рівняння Лангмюра — Кнудсена остання приймає наступний вигляд:
где φ1 — об’ємна доля розчинника.
Надлишок хімічного потенціалу орієнтовно без урахування ентропійного фактора можна обчислити, використовуючи параметри розчинності полімеру δ1 і розчинника δ2:
где φ2 — об’ємна доля полімеру;
V1 — молярний об'єм розчинника.
Необхідно враховувати, що зниження тиску пари розчинника над полімерними розчинами позначається тільки при порівняно високих концентраціях. Тому на початку пленкоутворення швидкість випаровування розчинника можна обчислювати без урахування взаємодії розчинника і полімеру.
До тих пір поки концентрація плівкоутворювача зростає незначно, тобто на першій стадії плівкоутворення на швидкість випаровування крім летючості і швидкості навколишнього газу істотний вплив роблять деякі інші фактори. Концентрація парів розчинника в навколишньому просторі дозволяє регулювати тривалість першої стадії плівкоутворення, а отже, розлив та стікання лакофарбового матеріалу з поверхні, що використовується в технології нанесення покриттів.
Велике значення мають також теплові явища, що супроводжують перебіг першої стадії плівкоутворення. Крім температури навколишнього середовища і підкладки, а також кількості теплоти і швидкості її подачі на швидкості випаровування розчинника позначається ефект зниження температури поверхні формованої плівки, пов'язаний з теплотою випаровування розчинника. Теплопередача в залежності від температурного градієнта при формуванні плівок може бути спрямована як до поверхні, так і від підкладки через сформовану плівку в навколишній простір. Умови і напрям теплопередачі залежать і від теплофізичних властивостей системи. Можливі два крайніх випадки:
— підкладка добре проводить теплоту і має більшу масу, а плівка дуже тонка або теплопровідна;
— і підкладка, і плівка мають малу теплопровідність.
У першому випадку температура поверхні дорівнює температурі навколишнього середовища, і випаровування відбувається в ізотермічних умовах. У другому випадку тепловий потік спрямований від навколишнього середовища до формованої плівці, а температура поверхні нижче температури навколишнього середовища.
Запропоновано описувати процес сушіння покриттів рівняннями масо-і теплопереносу. Також можна описувати процеси масо— і теплопередачі за допомогою критеріїв подібності, причому завдяки аналогії між передачею теплоти і маси можуть бути використані одні й ті ж експериментальні дані.
При збільшенні концентрації плівкоутворювача у поверхні і, отже, щільності поверхневого шару починає проявлятися конвективне перемішування розчину, спрямоване на вирівнювання щільності розчину по товщині формованої плівки. В'язкість системи поступово збільшується, а швидкість конвективного перемішування падає. Система втрачає текучість спочатку у поверхні, а потім глибше; виникає градієнт концентрації. Цей момент можна вважати початком другої стадії плівкоутворення, яка називається періодом падаючої швидкості. На рис. 1.2 можна бачити, що перехід від першої стадії до другої відбувається порівняно плавно. Зниженню швидкості випаровування розчинника сприяє збільшення концентрації пленкообразователя біля поверхні аж до переходу полімеру в склоподібний стан. Утворюється так звана поверхнева кірка.
Рис 1.2 — Рис. 1.2 - Кінетика випару гептана з циклокаучука(1) і бутилкаучуку(2).
Тривалість першої стадії при однакових умовах плівкоутворення залежить від природи полімеру. Чим нижче температура склування полімеру, тим менше концентрація, при якій полімер переходить при видаленні розчинника в склоподібний стан. Це добре ілюструється даними рис. 1.2, на якому порівнюється швидкість випаровування розчинника з жорстколанцюгового полімеру (циклокаучука) і еластомеру бутилкаучуку).
Флексографія - це самий гнучкий спосіб, що використовується сьогодні в промисловій сфері - переважно у сфері упаковки. Ця технологія може бути використана для всіх видів матеріалів, що запечатуються.[3]
У спрощеному вигляді флексографська друкарська машина включає чотири головні елементи: дукторний вал, дозуючий, або анілоксовий вал, формовий циліндр, друкарський циліндр. Дукторний вал обертається в кориті з фарбою і захоплює фарбу. [2] Далі він перекочує фарбу на анілоксовий вал, його також називають іноді накатним, дозуючим, рифленим, гравірованим, апплікаторним.
Методика проведення роботи:
Для проведення експерименту необхідно мати наступні складові:
— поліпропіленову плівку;
— пігмент;
— технолак для поліпропіленової плівки;
— солюфлекс(у якості розчинника) або інший спирт;
— полий циліндр.
Попередньо оброблена коронним розрядом плівка розрізається на невеликі частини, приблизно 5х5 см. Активною стороною до гори плівка кладеться на рівну поверхню столу, або підставки. Також необхідно підготовити ємності для фарби. Проводити експеримент при нормальних умовах.
Проведення експерименту
Приступаємо до підготовки фарби. Потрібно змішати технолак з пігментом у пропорції 60% технолаку 40%пігменту. Беремо наважки пігменту 35 грамів та технолаку 55 грамів. Наваження проводити на технічних вагах. Відібрані порції пігменту та технолаку змішуються у склянці об’ємом більшим за 100 мл впродовж 2 хвилин. Далі потрібно увімкнути термошафу на нагрів до температури 55—С. Попередньо підготовлені шматки плівки викладаються на рівну поверхня столу або підставки. На плівки наноситься шар фарби приблизно 1 мл на активну сторону плівки, шляхом нанесення однієї краплі, за допомогою палички, та подальшого розтирання краплі фарби зворотною стороною полого циліндру. Це забезпечує рівномірність шару фарби на плівці. Після цього заміряється час до повного висихання шару фарби. Дослід проводиться декілька раз зі збільшенням частини розчинника у фарбі. Розчинник додається до фарби послідовно по 0,5 мл. Додавати розчинник за допомогою піпетки, або іншого вимірного пристрою. Дослід проводиться для нормальних умов, 55—С та 65—С. Потім будуються графіки залежності часу висихання від кількості розчинника. Графіки обробляються методом найменших квадратів. Робимо висновок стосовно зміни температури та її вплив на швидкість висихання.
Таблица 1 — Залежність часу висихання шару фарби від вмісту розчинника при температурі 20°С
| Вміст розчинника, мл | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| Час висихання, с | 35 | 36 | 38 | 44 | 50 | 54 | 61 |
Таблица 2 — Залежність часу висихання шару фарби від вмісту розчинника при температурі 55°С
| Вміст розчинника, мл | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| Час висихання, с | 25 | 27,5 | 32,6 | 34 | 35,5 | 39 | 47 |
Таблица 3 — Залежність часу висихання шару фарби від вмісту розчинника при температурі 65°С
| Вміст розчинника, мл | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| Час висихання, с | 21 | 25 | 27 | 27,8 | 29 | 32 | 40 |
За даними таблиць були побудовані графіки залежності, які представлені на рис 1.3, а також загальний графік залежностей на рис 1.4
Рис 1.3 — 3 кадра, 20,3 кб, 1,5с
Рис 1.3 — Залежність часу висихання шару фарби від вмісту розчинника при температурі 20°С, 55°С, 65°С
Рис 1.4 — Залежності часу висихання шару фарби від вмісту розчинника при температурах 20°С, 55°С, 65°С
Проведення експерименту виявило наступні результати. Додаток розчинника до фарби збільшує час висихання її. Це відбувається за рахунок того, що більша кількість розчинника повинна випаровуватися. Таким чином додаючи до вихідної фарби різні розчинники можна регулювати швидкість сушіння.
При збільшені температури висихання збільшується швидкість висихання шару фарби. При нормальних умовах час висихання складає 38с, при 55°С 32с та при 65°С 27с.
Залежність висихання не є лінійною, та має 2 перегини при високій температурі і один при нормальних умовах. Це відбувається за рахунок переходу на наступну стадію пленкоутворення. Цей перехід відбувається досить повільно та плавно.