کار همچسبی و چسبندگی اصطلاحات کاربردی در زمانی‌که فرآیند ترشوندگی مورد مطالعه قرار می‌گیرد، می‌باشند. کشش سطحی مایع، انعکاسی از انرژی همچسبی آن می‌باشد نیروهای همچسبی از نیروهای درون مولکولی مایع نشات می‌گیرد. کار همچسبی (WC) به صورت کار لازم جهت جداکردن حجمی از سطح مقطع می‌باشد که با فرمول زیر تعریف می‌شود.
Wc=2 gLn
کار چسبندگی ( WA) بین مایع و سطح جامد به‌عنوان کار مورد نیاز برگشت‌پذیر برای جدایی محیطی از تماس است. ایجاد یک محیط واحدی از سطح بخار- جامد و یک واحد از سطح مایع – بخار می‌باشد. تغییر انرژی با معادله دوپر[2] تشریح خواهد شد.
WA= gSn + g Ln – g SL
که با معادله یانک مقایسه شده است.
WA= g Ln( 1+ cosq)
دینامیک پخش مایع[3]
با توجه به شرایط دینامیک، به‌جای شرایط تعادل، در ارتباط با کاربردهای عملی زیادی که دارد و اینکه انتقال زاویه تماس هر سه فاز برای مطالعه بسیار مهم است. زاویه تماس دینامیک از زاویه تماس تعادل متفاوت است. این اختلافات معمولا به علت وابستگی به ویسکوزیته می‌باشد. زاویه تماس دینامیک (q) در یک سرعت معین (V) با افزایش ویسکوزیته و کاهش کشش سطحی افزایش می‌یابد. نیروهای ویسکوز (Fdrag )، به ازای طول نزدیک به مرز هر سه فاز در شکل 11 که به‌عنوان میزان کار مقابل گسترش با نرخ سرعت کم مطرح می‌شود و تعادل برقرار می‌گردد:
طول موثر(L) از منطقه نزدیک به حاشیه قطره می‌باشد. نیروهای ویسکوز مهم هستند. گرادیان ویسکوزیته (dv/dz) و r شعاع گسترش مایع است. نیروی گسترش ( Fspread) که در مرز هر سه فاز در مسیر پخش مایع عمل میکند که طبق معادله زیر محاسبه می‌شود:
که q در اینجاد زاویه تماس در زمان تعادل قطره می‌باشد که با معادله یانک تخمین زده می‌شود.
سوبستراهای چاپ[4]
انتخاب نوع ماده چاپ شونده با توجه به محصول نهایی، بازار هدف و ملزومات فرآیندی مشخص می‌شود. این مواد به کاغذ، مقوا، فلوتینگ، لمینت، فویل، فیلم و انواع پلیمرها تقسیم می‌شوند. مقواها به‌عنوان پرمصرف‌ترین ماده چاپ شونده در صنعت بسته‌بندی می‌باشند که از انواع مختلفی مانند کارتن‌ها و ظروف بزرگ مقوایی تشکیل شده‌اند. ساختار آنها معمولا یک‌لایه، دولایه و یا چندلایه باشد که با توجه به مصرف آن، ضخامت ماده بسته‌بندی تعیین می‌گردد. در مقواهای چندلایه در هر لایه از الیاف مختلف تشکیل شده‌اند که درنهایت به یک صفحه سخت و محکم تبدیل شود. مقواها می‌توانند از پوشش‌های پیگمنتی باشد تا که ظاهر آن بهبود پیدا کند و سطح چاپ ارتقا یابد هرچه سطوح چاپ یکنواخت‌تر باشد، دانسیته چاپ، درخشش و پایداری چاپ بیشتری خواهد شد. پوشش‌ها می‌توانند کیفیت‌های مختلفی را ایجاد کنند. پوشش‌هایی که باعث مانع عبور مواد در داخل بسته‌بندی می‌شوند تا از تاثیرات ناخوشایند عواملی مانند رطوبت، اکسیژن روغن‌ها، نور و حرات جلوگیری کند. صفحات بسته‌بندی که برای مایعات استفاده می‌شوند معمولا کارتن شیر نامیده می‌شوند معمولا توسط پلاستیک‌ها پوشش داده می‌شوند تا ویژگی مانع‌شوندگی بهتری را پیدا کنند.
صفحات متداول بسته‌بندی که با پلی‌اتیلن دانسیته پایین پوشش داده شده است.
چسباندن لایه‌های مختلف با تکنولوژی تزریق برای بسیاری از مواد در صنعت بسته‌بندی کاربردی شده است عمده پوشش‌ها در صنعت بسته‌بندی مربوط به پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن می‌باشد(شکل 12). لمینت تزریقی شامل دو نوع پوشش از رزین‌ها بر روی سوبسترا می‌باشد و رزین‌ها و پلیمرها به منظور ایجاد لایه مانع‌شوندگی بکار می‌روند. بیشترین ماده‌ای که برای این منظور استفاده می‌شود پلی‌اتیلن با دانسیه کم می‌باشد. البته پلیمرهای دیگری هم به مرحله‌ای صنعتی در مقیاس بزرگ رسیده‌اند که در این میان فیلم‌ها و فویل‌های ترموپلاستیک و فیلم سلولزی را می‌توان نام برد.
پوشش‌ها به منظور ایجاد خصوصیات مکانیکی بهتر نسبت به دما و رطوبت اعمال می‌گردند. اصول لمینیت تزریقی در شکل-12 نشان داده شده است. پوش‌ها، در شکل پلیمر ملتن[5]، بین نیپ غلطک سرد و سوبسترا تزریق می‌شود تا زمانی که شکل فیلم به خود نگرفته باشد بین غلطک‌ها و ماده چاپ شونده قرار دارد. فرآیند تزریق شبیه فرآیند پوشش‌های متداول می‌باشد به جز اینکه پلیمر به شکل مذاب بوده و به عنوان لایه چسبنده بین دو ماده یعنی ماده چاپ شونده و فیلم پلاستیک عمل میکند. تزریق فیلم را می‌توان با سیستم‌های فیلم دمشی[6] اعمال کرد. هر دو روش می‌تواند فیلم‌هایی با جهت‌گیری مشخص یا بدون جهت‌گیری تولید نمایند. جهت‌گیری مولکول‌ها به عنوانی الگوریتمی از ساختارهای کریستالی مواد پلیمری می‌باشد. مولکول‌ها در جهت مسیر فرآیند کشیده می‌شوند. از جهت‌گیری مولکول‌ها در حین پوشش‌دهی می‌توان به خاصیت مانع‌شوندگی عالی در برابر گازها، سفتی و مقاومت کششی بالا اشاره کرد. جهت‌گیری مولکول‌ها می‌تواند در یک محور یا دو محور باشد. در جهت‌گیری یک محوره، پلیمرها در یک جهت کشیده می‌شوند و جهت‌گیری در دو جهت بدین منظور است که صفحه تولید شده در دو جهت کشیده شده است که زنجیر مولکولی تمایل به تشکیل خطوط موازی در دو بعد از صفحه را دارند.
مونومرهای تشکل‌دهنده پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن (سمت چپ) و فرآیند پوشش‌دهی تزریقی (سمت راست)
پلی اولفین‌ها[7]
خصوصیات پلیمرها را باید در طبیعت شیمیایی مونومرها، شیمی فضایی مونوها[8] و وزن مولولی مونومرهای آنها بررسی کرد. رزین‌های پلی اولفین از مخلوطی از نواحی کریستالی و آمورف تشکیل شده‌اند. به‌طور کلی قسمت آمورف پلی اولفین‌ها خاصیت لاستیکی از خود نشان می‌دهد که خصوصیات فیزیکی ضعیفی دارند. اگرچه قسمت کریستالی آن بسیار سخت و شکننده می‌باشد. برای هموپلیمر پلی‌اتیلن، هرچه دانسیته رزین بیشتر باشد، درجه کریستالیته بیشتر می‌شود. دو دسته اصلی از پلی‌اتیلن‌ها وجود دارد که به نام‌های پلی‌اتیلن دانسیته پایین و پلی‌اتیلن دانسیته بالا نام دارند. اختلاف اساسی این دو پلیمر شاخه‌های جانبی زنجیره پلیمر می‌باشد. برای پلی‌اتیلن با دانسیته پایین، زنجیره اصلی اتیلن شاخه‌های زیادی دارد و درجه کریستالیسیته کمتری؛ در حالی که در پلی‌اتیلن دانسیته بالا مونورها به صورت متراکم در هم وجود دارند و زنجیره پلیمر شاخه‌های کمتری دارند که این سبب می‌شود ساختار متراکم‌تر شود و در نتیجه کریستالیته افزایش یابد. البته پلی‌اتیلن تجاری از دانسیته متوسط برخوردار است. پلی‌پروپیلن نسبت به پلی‌اتیلن نقطه ذوب بالاتری دارد وسخت‌تر از آن می‌باشد. افزودنی‌ها تاثیر زیادی بر خصوصیات فیزیکی و سطحی فیلم دارند. افزودنی‌های متداول امروزی مانند عوامل آنتی‌استاتیک[9]، عوامل ضدانسداد[10]، مواد لغزنده، پایدارکننده حرارتی و آنتی‌اکسیدان‌ها می‌باشند. افزودنی‌های مورد استفاده در صنعت پوشش تمایل به حرکت به سطح پوشش دارند که این موضوع سبب التزام پوشاندن تیمار سطحی می‌شود و بر روی پارامتر چاپ اثرگذار است یعنی در برابر چسبندگی مرکب به پلیمر جلوگیری میکند.
پیش‌تیمار سطح ماده چاپ‌شونده
توجه به انتخاب سوبسترای چاپ، مهمترین مسئله در فرمولاسیون مرکب است. به‌عنوان مثال مواد چاپ‌شونده‌ایی که خاصیت جذب ندارند. مانند پلی اولفین‌ها، می‌تواند برای چسبندگی مرکب مشکلات درد سرسازی را ایجاد کنند. در زمانی که فرآیند چاپ بر روی یک ماده جاذب مرکب مانند کاغذ و مقوا هست، مرکب در درون الیاف و پیگمنت‌های پوشش جذب و درنهایت خشک و بر روی سطح ماده پایدار می‌شود در مقابل، بر روی یک سطح غیر جاذب، اتصالات فیزیکی محدود و مکانیسم چسبندگی بیشتر بر واکنش‌های شیمیایی استوار است. بنابراین باید به تقابل فرمولاسیون مرکب و سطح ماده چاپ‌شونده توجه بیشتر داشت. ازجمله فاکتورهایی که سبب چسبندگی نامناسب بر روی پلی اولفین‌های تیمار نشده می‌شود می‌توان به انرژی سطحی، قطبیت کم و پتانسیل ضعیف لایه‌های مرزی اشاره کرد. تر شوندگی خوب مرکب و چسبندگی آن بر روی چنین سطوحی نیازمند آن است که انرژی سطحی را کم کنیم ( حدودا 28-35 میلی جیوه بر مترمربع) که این مهم با تغییر سطح حاصل می‌شود. تیمار تخلیه الکتریکی کرونا در هوا یکی از مهمترین روش‌های آنلاین برای این هدف می‌باشد. در کرونا، سوبسترا از میان یک منطقه تخلیه الکتریکی با انرژی الکتریکی زیاد که سطح در معرض مواد واکنش‌زا قرار می‌گیرد، عبور داده می‌شود. رادیکال‌های آزاد بر روی سطح پلیمر تشکیل می‌شود. سطح با جذب هیدروژن باعث تشکیل اتصالات شیمیایی کوولانسی با ترکیبی از مواد واکنشگر موجود در اتمسفر می‌گردد. در کرونای هوا[11] این مواد شامل اکسیژن آزاد در شکل اولیه، ازون، و اکسیژن فعال می‌باشد.
این فرآیند باعث ترکیب ترکیبات اکسید شده جدید مانند کتون‌ها، آلدهیدها، کربوکسیلی اسیدها، استرها، اترها و پری اکسیدها بر روی سطح ماده می‌گردد. که در نهایت منجر به افزایش انرژی سطحی و گروهای قطبی بر روی سطح می‌گردند. که این موضوع باعث ایجاد محیط‌های برای چسبندگی اجزای مرکب‌های آب پایه می‌گردد. علاوه بر اکسیداسیون، رادیکال‌های آزاد باعث ایجاد اتصالات عرضی مولکول‌های پلیمر در سطح و بالتبع افزایش وزن مولکولی آنها می‌گردد. اکسیداسیون در ابتدا در لایه‌های بیرونی پلیمر صورت می‌گیرد و سپس به عمق پلیمر نفوذ میکند (به اندازه چند نانومتر). که این مسئله با افزایش انرژی تیمار بیشتر می‌گردد. دو نتیجه اساسی و مهم از انجام تیمار کرونا بر روی پلیمرها، تولید مواد اکسید شده با وزن مولکولی کم و باز تولید گروهای ضدآب می‌باشد. ایجاد پیوند بین اکسیژن‌ها در سطح پلیمر منجر به لایه‌لایه شدن پیوندهای کربن – کربن می‌شود. برش زنجیر با سطح انرژی کرونا افزایش پیدا میکند، که در مواد قابل حل در آب تاثیرات مهمی بر روی چسبندگی خواهد داشت. مواد اکسید شده با وزن مولکولی کم به راحتی توسط مالش و شستشو با آب از بین می‌رود. و موادی که به‌تازگی اکسید شده‌اند حذف نمی‌شوند. برای آنالیز ترکیبات سطح ماده و اجزا شستشو یافته فیلم پلی‌اتیلن با کلروفورم و موادی با وزن مولکولی کم از اسپکتروسکوپی FTIR باید استفاده کرد. رطوبت در حین تیمار کرونا به‌عنوان یکی از مهمترین ملزومات آن می‌باشد که حضور آن مهم است. تحقیقات نشان می‌دهد که وجود میزان کمی رطوبت[12] باعث تشکیل لایه اکسیده شده با وزن مولکولی کم می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که زبری ناچیز سطح به دلیل تاثیرات رطوبت می‌باشد که با متراکم شدن لایه‌های اکسید شده با وزن مولکولی کم در رطوبت بالا، این تپه‌ها شکل می‌گیرد که تشکیل این تپه‌ها در سطح پلیمر را به تماس آب و لایه‌های اکسید شده با وزن مولکولی کم نسبت داده شده است. مواد اکسید شده ممکن است باعث تشکیل شدن لایه مرزی ضعیف بین پلیمر و مرکب شوند. تاثیر چنین لایه‌هایی بر چسبندگی به نوع سیستم وابسته است. خاصیت آبگریزی سطوح پلیمرهای تیمار شده دائما بازیابی می‌شوند که به فاکتورهایی مثل ساختار شیمیایی پلیمر تغییر نیافته، تیمار، شدت محیط و از همه مهمتر اینکه سطح تیمار شده به‌صورت کامل چاپ نشده باشد، بستگی دارد. انرژی سطحی تحریک شده باعث افزایش تاخیر زمان می‌شود(اکثرا باعث برگشت به سطح اولیه پلیمر تیمار نشده می‌شود) که باعث کاهش ضریب(راندمان) تیمار می‌گردد. که این مسئله در مجموع برای چاپ و دیگر کاربردها به دلیل کاهش میزان ترشوندگی و چسبندگی مناسب نیست.
کم شدن اثر تیمار به دلیل مهاجرت افزودنی‌ها از حجم پلیمر، سطوح جدید در لایه‌های تغییر یافته، جهت‌گیری مجدد و حرکت ماکرومولکول‌ها، اکسیداسیون اضافی، واجذبی محصولات فرار و تخریبی که به علت در معرض هوا بودن ایجاد می‌شود. به‌عنوان یک نتیجه دیگر از تیمار کرونا، می‌توان به افزایش سرعت چاپ بعد از تیمار کرونا اشاره کرد. در زمانی که شدت کرونا در فیلم زیاد است نرخ جریان هم افزایش پیدا میکند. به‌دلیل اینکه به تشکیل فیلم نازکتری از مرکب اجازه تشکیل داده می‌شود که طبیعتا سریعتر هم خشک می‌شود. ازجمله تاثیرات دیگر کرونا می‌توان به آلایندهای سطح مثل نرم‌کننده‌ها که در سطح ایجاد شده‌اند اشاره کرد. ریخت‌شناسی پلیمر می‌تواند بر روی کرونا تاثیر زیادی بگذارد به‌عنوان مثال با افزایش میزان دانسیته پلی اولفین‌ها (کریستالیته) کرونا کاهش پیدا میکند پلی‌پروپیلن نسبت به پلی‌اتیلن سخت‌تر تیمار می‌شود که باعث تشکیل میزان انرژی سطحی کمتری می‌شود اگرچه پلی‌اتیلن تمایل به تشکیل اتصالات عرضی دارد. پلی‌پروپیلن در شرایط برابر مستعد بریده شدن لایه‌ها می‌باشد نسبت به بقیه پلیمرها یعنی مرز دانسیته انرژی کرونا برای تولید مواد اکسید شده برای پلیمر پلی‌اتیلن کمتر است.
نتایج:
امروزه مرکب‌های تجاری چاپ فلکسوگراف ترکیبی از ماتریس پیگمنت‌ها، امولسیون پلیمر و پایدار‌کننده‌ها هستند. همچنین از محلول پلیمرها[13]، سورفکتانت‌ها، روغن‌های شبه حلال[14] و دیگر افزودنی‌ها ساخته شده‌اند. یکی از اصلی‌ترین دلایل این تحقیق بررسی دو خصوصیت درونی ترشوندگی مرکب‌ها[15]، ویسکوزیته و کشش سطحی می‌باشد. چاپ شوندگی[16] و کیفیت چاپ با ویسکوزیته و کشش سطحی بسیار در ارتباط هستند. ویسکوزیته‌های مختلف [17]به میزان پیگمنت‌ها، امولسیون و محلول پلیمرها و ارتباط بین این اجزا وابسته است. کشش سطحی همچنین یک اختلاف سیستماتیک را نشان می‌دهد. اگرچه کشش سطحی از اجزا فعال سطحی[18] نشات می‌گیرد. اختلافات اساسی در چاپ و کیفیت چاپ با فرمولاسیون مختلف مرکب‌ها بدست می‌آید. به‌عنوان مثال، مرکبی که به میزان بیشتری از محلول پلیمرها در مقایسه با امولسیون پلیمرها برخوردار است، یکنواختی بیشتری در چاپ ایجاد میکند. اگرچه با نسبت 50/50 درصد میزان انتقال مرکب به ماده چاپ‌شونده به حداکثر خود می‌رسد. چنین اختلافی به کشش سطحی و ویسکوزیته وابسته است. مخصولا، حداکثر انتقال مرکب در میزان متوسط ویسکوزیته پلاستیک و کشش سطحی ایجاد می‌شود و نتایج حاصله با دو پارامتر فوق به صورت معادله درجه دوم در ارتباط است. لکه‌های چاپی به‌دلیل عدم عملکرد یکنواخت رول آنیلوکس در چاپ فلکسوگراف ایجاد می‌شوند و با افزایش میزان پیگمنت‌ها افزایش می‌یابند. همپنین لکه‌های چاپی با افزایش میزان محلول پلیمرها افزایش می‌یابد که به‌دلیل افزایش ویسکوزیته[19] و ارتباط غیر مستقیم کشش سطحی می‌باشد. که هر دوی اینها درنهایت به کاهش خاصیت ترشوندگی می‌انجامند. هدف دیگر این تحقیق ارتباط دادن انرژی سطحی و شیمی سطح ماده چاپ شونده بر خواص نهایی چاپ است. به خصوص بر روی خواص سایشی آن. ارزیابی مقاومت چاپ بر روی صفحات پوشش داده شده با پلی‌پروپیلن که با کرونا تیمار شده است میزان پایین تری از مقاومت به سایش ترشوندگی[20] را نشان می‌دهند. اگرچه مقاومت به خراش و چسبندگی برای تمام تیمارها خیلی خوب بوده است. مقاومت به سایش ترشوندگی به دلیل افزایش میزان مواد اکسایش یافته و حل شده برای پلی‌پروپیلن و پلی‌پروپیلن باز[21] کاهش یافته است. که البته تیمار کرونا برای پلی‌پروپیلن و پلی‌پروپیلن باز نسبت به پلی‌اتیلن سخت‌تر انجام می‌شود. میزان انرژی سطحی برای پلی‌اتیلن بیشتر از دو پلیمر دیگر بوده است. لکه‌های چاپی و میزان چسبندگی برای پلی‌پروپیلن شرایط بدتری را نشان می‌دهد. مقاومت به تر شوندگی و مقاومت به سایش برای پلی‌پروپیلن باز و پلی‌اتیلن بدتر بوده است. به ترتیب، اهمیت نوع امولسیون پلیمر در مرکب‌ها به اندازه استفاده از سیلیکون‌ها تاثیر بسیار زیادی بر روی ظاهر چاپ و مقاومتهل چاپ دارد. اگرچه تمایل صاحبان صنایع به ظاهر چاپ است همبستگی بین این خصوصیت چاپ و مرکب بسیار مشهود است. سطح ماده چاپ شونده و یا توزیع زبری سطح سوبسترا یکی دیگر از پارامترهای مهم چاپ می‌باشد. که تاثیر معنی‌داری بر روی صاف بودن لکه‌های چاپی و کیفیت نهایی چاپ دارد. تاثیر توپوگرافی سطح پلی‌اتیلن بر روی سطوح غیر چاپ شده و یا نقاط از دست رفته[22] مهم است و سطح پلی‌اتیلنی که با کرونا تیمار شده است انرژی سطحی در حدود 43 میلی جیوه بر روی مترمربع دارد که با تکنیک IGT چاپ شده است. شرایط چاپ بدین صورت بوده است که در تمام تیمارها مرکب‌ها در شرایط یکسان اعمال شده‌اند.
نقشه توپوگرافی(سمت چپ) و تصویر واقعی(سمت راست). هر دو عکس از یک منطقه می‌باشد که با مرکب سایان پایه آبی چاپ شده است.
[1] Cohesion and adhesion
[2] Dupré equation
[3] Spreading dynamics
[4] Printing substrates
[5] Molten polymer
[6] blown-film
[7] Polyolphins
[8] stereochemistry
[9] anti-static
[10] anti-block
[11] air corona
[12] humidity favours
[13] Solution polymer
[14] cosolvent
[15] two central wet ink properties
[16] press performance
[17] intermediate-high shear viscosities
[18] surface-active minority components
[19] in low-shear viscosity
[20] wet rub resistance
[21] Open Polypropylene
[22] Missing Spot