چکیده:
تخلیه کرونا به عنوان یک روش پیش‌پردازش سطحی مناسب برای مواد پلیمری به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این کار، از طیف‌سنجی مادون قرمز با بازتابی کامل (ATR-FTIR)، طیف‌سنجی الکترونی با انرژی انتشار (XPS)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای بررسی رفتار فیلم پلی‌پروپیلن با کشش دو محوری(BOPP) تحت تأثیر تخلیه کرونا استفاده شده است. واکنش‌های شیمیایی احتمالی در طی فرایند درمان کرونا تحت تأثیر ترکیبات جوی به‌طور سیستماتیک خلاصه شده است. این کار یک پایه نظری برای بهبود عملکرد فیلم‌های BOPP و گسترش زمینه‌های کاربرد آن‌ها فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها:
تخلیه کرونا؛ فیلم BOPP؛ اثر اتیچینگ فیزیکی؛ اثر اکسیداسیون شیمیایی
۱. مقدمه
پلی‌پروپیلن (PP) به عنوان یک رزین ترموپلاستیک، یکی از اعضای مهم پلی‌الفین‌ها (پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌بوتیلن) است و همچنین یکی از پنج رزین مصنوعی عمومی (پلی‌اتیلن، پلی‌استایرن، پلی‌پروپیلن، پلی‌وینیل کلراید و پلاستیک آکریلونیتریل بوتادین استایرن) می‌باشد. این ماده می‌تواند بر اساس تفاوت ترکیب به دو دسته تقسیم شود: پلی‌پروپیلن هموپلیمری و پلی‌پروپیلن کوپلیمری. در عین حال، این ماده شامل سه نوع بر اساس تفاوت ساختاری است: پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک، پلی‌پروپیلن آنیزوتاکتیک و پلی‌پروپیلن آتاکتیک. از آنجا که فیلم پلی‌پروپیلن کشش دو محوری (BOPP) در فرایند قالب‌گیری، تغییر شکل کششی عرضی و طولی را تجربه می‌کند، آرایش زنجیره‌های مولکولی یا بخش‌های زنجیره‌ای آن تغییر می‌کند و به این ترتیب، عملکرد فیلم به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. فیلم BOPP به دلیل خواص مکانیکی عالی، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر سرما و گرما، بارری خوب و قیمت پایین، به‌عنوان رایج‌ترین ماده بسته‌بندی شناخته می‌شود و به «ملکه بسته‌بندی» معروف است.
با وجود اینکه فیلم BOPP دارای بسیاری از خواص برجسته است، ساختار شیمیایی آن فاقد گروه‌های فعال است. همچنین، عوامل متعددی باعث می‌شود که wettability و bonding آن دشوار باشد، مانند کریستالین بالا، انرژی سطحی پایین، غیر فعال بودن شیمیایی، آلودگی سطحی و وجود لایه مرزی ضعیف. به‌ویژه، wettability ضعیف به شدت محدودکننده کاربرد فیلم BOPP در جوهرها، چسب‌ها، مواد کامپوزیت، حرارت‌چسباندن و ناحیه پوشش است. بنابراین، درمان ثانویه فیلم BOPP برای بهبود wettability و چسبندگی آن ضروری است.
دانشمندان فناوری‌های زیادی برای درمان ثانویه توسعه داده‌اند، مانند درمان کرونا، grafting سطحی شیمیایی، اکسیداسیون اسیدی، تابش گاما، پوشش شیمیایی، درمان شعله، کاشت یون و غیره. تخلیه کرونا به خاطر مزایای خود از جمله زمان کوتاه، سرعت بالا، عملیات ساده و کنترل آسان، مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این، درمان کرونا به‌ویژه برای بهبود فعالیت سطحی زیرلایه قبل از چاپ، پلیمریزاسیون، ترکیب و فرآیندهای چسباندن مفید است. با این حال، اثر کرونا بر روی فیلم ناپایدار است و با تغییر زمان ذخیره‌سازی یا محیط کاهش می‌یابد، بنابراین مواد تحت درمان باید بلافاصله استفاده شوند.
نقشه پردازش تخلیه کرونا معمولاً به‌صورت یک دیاگرام ساده نشان داده می‌شود. پس از درمان تخلیه کرونا، گروه‌های قطبی عملکردی حاوی کربنل یا نیتروژن می‌توانند بر روی زنجیره مولکولی ماده پلیمری ایجاد شوند تا نیازهای پیش‌پردازش برای چاپ، پلیمریزاسیون، پوشش و فرآیندهای طلا کوبی را برآورده کنند. بنابراین، درک واکنش‌های شیمیایی در طول درمان کرونا برای فیلم BOPP برای کاربردهای مختلف پایین‌دستی ضروری است. برخی پژوهشگران مکانیزم شیمیایی درمان کرونا را اکسیداسیون معرفی کردند. واکنش اکسیداسیون می‌تواند گروه‌های عملکردی قطبی را روی فیلم تولید کند که می‌تواند انرژی سطح، wettability و خواص چسبندگی آن را بهبود بخشد. برخی دیگر اشاره کردند که درمان پلاسما با اکسیژن می‌تواند گروه‌های عملکردی حاوی اکسیژن را بر روی فیلم پلی‌پروپیلن ایجاد کند و تغییرات ترکیبی شیمیایی مواد را القا کند. برخی از پژوهشگران رفتار درمان کرونا را برای فیلم‌های پلی‌پروپیلن بررسی کرده‌اند و به‌طور کلی معتقدند که خواص سطحی فیلم به خاطر واکنش‌های پیچیده‌ای که از کرونا ناشی می‌شود، بهبود می‌یابد، از جمله تمیز کردن سطح، فعال‌سازی، متقاطع‌سازی و اتیچینگ. اما واکنش‌های نظری مربوط به درمان تخلیه کرونا برای فیلم BOPP تا کنون به‌طور جزئی اثبات نشده و فرآیندهای واکنش شیمیایی مربوطه همچنان نامشخص است. برای مثال، مطالعه‌ای خاص در مورد چگونگی وقوع واکنش اکسیداسیون، کدام گروه‌ها اکسید می‌شوند و فرمول ساختاری بعد از اکسیداسیون وجود ندارد.
📷
در این کار، تغییرات ساختاری شیمیایی، مورفولوژی‌ها و توپولوژی‌های فیلم BOPP تحت شرایط مختلف کرونا بررسی شده است تا واکنش‌های کرونا به‌طور سیستماتیک درک شوند. به‌طور مهم، واکنش‌های تعامل بین درمان کرونا و سطح فیلم BOPP ثابت شده و واکنش‌های شیمیایی در طول درمان کرونا نیز به‌تفصیل پیشنهاد شده است که یک پایه نظری برای بهبود چسبندگی فیلم BOPP در کاربردهای جوهرهای چاپ، رنگ‌ها، چسب‌ها و سایر پوشش‌ها فراهم می‌کند.
2. آزمایشگاهی
2.1. درمان تخلیه کرونا برای فیلم BOPP
همان‌طور که در طرح 1 نشان داده شده است، از پردازشگرهای کرونا برای یونیزه کردن هوا بین دو الکترود تحت ولتاژ بالا و تحریک سطح فیلمBOPP به منظور تولید گروه‌های عملکردی قطبی استفاده می‌شود. فیلم BOPP (ضخامت 20 میکرومتر) توسط شرکت Wuxi Zhongyi Film Co., LTD (Wuxi، جیانگ سو، چین) تأمین شده است. پردازشگر کرونا از شرکت Zhejiang Zhengtai Electric Appliance Co., LTD (Leqing، ژجیانگ، چین) خریداری شده است. پردازشگر کرونا شامل دو الکترود سرامیکی به ابعاد 15 mm × 15 mm × 600 mm است. عرض ماشین‌کاری 500 mm، سرعت پردازش 5–20 متر در دقیقه، ولتاژ ورودی 220 ولت، فرکانس خروجی 15–20 کیلوهرتز، ولتاژ خروجی 6–10 کیلوولت و حداکثر توان خروجی 4 کیلووات است. سرعت پردازش کرونا بر روی 15 متر در دقیقه ثابت است و قدرت خروجی و چرخه‌های کرونا در جدول 1 نشان داده شده است. تعداد بیشتر چرخه‌های کرونا به معنای زمان طولانی‌تر کرونا است.
| جدول 1. شرایط تجربی درمان تخلیه کرونا برای فیلم پلی‌پروپیلن بی‌محور
(BOPP) | |--------------------------|---------------------| | نمونه | قدرت درمان کرونا (کیلووات) | چرخه‌های کرونا | | A | – | – | | B | 2.0 | 3 | | C | 3.0 | 3 | | D | 3.0 | 7 |
2.2. مشخصه‌سازی
از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) Nicolet-Nexus 670 (Waltham، MA، ایالات متحده) برای تعیین ساختار شیمیایی فیلم BOPP و فیلمBOPP تحت درمان کرونا در حالت انعکاس کل کاهش‌یافته (ATR) استفاده شد. ماده کریستالATR الماس است، دقت 4 cm⁻¹ و تعداد اسکن‌ها 32 است. ترکیب شیمیایی فیلمBOPP و فیلم BOPP تحت درمان کرونا با استفاده از طیف‌سنجی XPS PHI5700 (شرکت فیزیکی الکترونیک، چنهاسن، MN، ایالات متحده) شناسایی شد. منبع اشعه ایکس Al Ka (1253.6 eV) است، ولتاژ 12.5 کیلوولت، جریان 20 میلی‌آمپر و خلاء زمینه 10⁻⁷ پاسکال است. نرم‌افزار XPSPEAK نسخه 4.1 برای جمع‌آوری و پردازش داده‌ها استفاده شد. برای تحلیل دقیق XPS از C 1s و N 1s، زمان کلی جمع‌آوری 3 دقیقه، تعداد اسکن‌ها 10، نوع تفنگ منبع Al Kα، حالت لنز استاندارد، انرژی عبوری 30.0 eV، اندازه گام انرژی 0.050 eV و تعداد گام‌های انرژی 401 است. مورفولوژی سطح فیلمBOPP و فیلم BOPP تحت درمان کرونا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) (FEI Quanta 200، هیلزبرو، OR، ایالات متحده) مشاهده شد. ولتاژ 10 کیلوولت است و سطح نمونه‌ها باید به مدت 10 دقیقه با طلا پوشش داده شود. توپولوژی سطح و زبری سطح فیلم BOPP و فیلم BOPP تحت درمان کرونا با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) (Dimension Icon-PT، ایتلینگن، آلمان) مورد بررسی قرار گرفت. نرخ اسکن 1.0 هرتز بود، مساحت آزمایش نمونه 5 میکرومتر × 5 میکرومتر، دقت محور X-Y کمتر از 0.1 نانومتر و دقت محور Z کمتر از 0.03 نانومتر بود. زبری هر نمونه با محاسبه زبری متوسط دو نمونه مبتنی بر تصاویرAFM به دست آمد. تمام داده‌ها با نرم‌افزار NanoScope (نسخه: 1.5) پردازش شد.
3. نتایج و بحث
3.1. تحلیل ساختار شیمیایی سطح فیلم BOPP تحت درمان کرونا
همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است، نمونه A نشان‌دهنده فیلم BOPP دست‌نخورده و اوج‌های جذب در 2950 و 2872 cm⁻¹ مربوط به اوج‌های جذب ارتعاشات کششی متقارن و نامتقارن متیل است. برای نمونه A، اوج‌های جذب در 2920 و 2840 cm⁻¹ مربوط به اوج‌های ارتعاش کششی متقارن و نامتقارن متیلن است. اوج‌های جذب در 1457 و 1379 cm⁻¹ مربوط به اوج‌های جذب ارتعاش قیچی متیل و متیلن است. اوج جذب نسبتاً ضعیف 800–1200 cm⁻¹ مربوط به اوج جذب متیلن است. نمونه B، نمونهC و نمونه D نشان‌دهنده فیلم BOPP تحت درمان کرونا با شرایط درمان کرونا متفاوت هستند. پارامترهای کرونا در جدول 1 نشان داده شده‌اند. در مقایسه با فیلم BOPP دست‌نخورده، یک ساختار شیمیایی جدید در سطح فیلمBOPP تحت درمان کرونا پیدا شده است. این گروه‌های شیمیایی جدید با افزایش ولتاژ خروجی کرونا (نمونه B و نمونه C) و زمان کرونا (نمونه C و نمونهD) بیشتر قابل مشاهده می‌شوند. با این حال، اوج‌های جذب متیل و متیلن با افزایش ولتاژ خروجی کرونا و زمان کرونا کاهش می‌یابد. اوج‌های جذب در 907–1341 cm⁻¹، 1537–1858 cm⁻¹ و 3100–3600 cm⁻¹ گسترش می‌یابند. علاوه بر این، اوج جذب در 900–1000 cm⁻¹ مربوط به اوج جذب گروه‌های عملکردی جدید است. اوج جذب 1110–1300 cm⁻¹ متعلق به گروه استر (C–O) است. اوج جذب در 1537–1858 cm⁻¹ مربوط به اوج جذب کربونیل است، اوج جذب در 1350 cm⁻¹ مربوط به اوج جذب نیترات است و اوج جذب گسترش یافته در 3100–3600 cm⁻¹ مربوط به اوج جذب گروه آمین و گروه هیدروکسیل است. این اوج‌های جذب جدید می‌تواند به شکست پیوندهای شیمیایی (به‌عنوان مثال، متیل و متیلن) در سطح فیلم BOPP نسبت داده شود که ناشی از درمان تخلیه کرونا و تشکیل رادیکال‌های آزاد است. محتوای متیل و متیلن در نمونهD به‌طور قابل‌توجهی کمتر از آن در نمونهA است که می‌تواند تأییدی بر این باشد که متیل و متیلن شکسته یا تجزیه شده‌اند. در حضور نیتروژن، اکسیژن و اوزون در هوا، رادیکال‌های آزاد در یک سری از واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند و گروه‌های عملکردی قطبی حاوی اکسیژن تشکیل می‌شوند، مانند آلدهیدها، کتون‌ها، اسیدهای کربوکسیلیک، گروه‌های کربونیل، گروه‌های هیدروکسیل، استرها و غیره. داده‌های دقیقATR-FTIR در جدول 2 نشان داده شده است.
3.2. تحلیل مورفولوژی و توپولوژی سطح فیلم BOPP تحت درمان کرونا
مورفولوژی سطح و توپولوژی فیلم BOPP دست‌نخورده و فیلم BOPP تحت درمان کرونا با استفاده از SEM و AFM اندازه‌گیری شد. همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است، سطح فیلم BOPP دست‌نخورده درmagnificationهای مختلف کاملاً صاف است، در حالی که سطح فیلم BOPP تحت درمان کرونا شامل تعداد زیادی برآمدگی یکنواخت و نامنظم است. افزایش زبری سطح فیلم BOPP تحت درمان کرونا به شکست زنجیره‌های پلیمری در طول درمان کرونا نسبت داده می‌شود. اثر اچ روی فیلم BOPP دست‌نخورده با افزایش زمان و قدرت کرونا بیشتر نمایان می‌شود. نقاط تاثیر به وضوح در تصاویر SEM با magnification یکسان به ویژه در تصاویر SEM از نمونهD قابل مشاهده است که به دلیل برآمدگی‌ها روی فیلم ناشی از جریان الکترون در طول تخلیه ولتاژ بالا است.
4. نتیجه‌گیری
در این کار، رفتار فیلم BOPP تحت درمان کرونا به‌طور سیستماتیک با استفاده از FT-IR، XPS، SEM و AFM بررسی شد. واکنش‌های اکسیداسیون ممکن، واکنش‌های شکستن زنجیره، واکنش‌های دوباره‌سازی و واکنش‌های نیتریدینگ در طول درمان تخلیه کرونا به تفصیل خلاصه شدند. درمان تخلیه کرونا تغییرات شیمیایی و فیزیکی قابل توجهی در سطح فیلم BOPP ایجاد می‌کند. به‌طور خاص، با افزایش قدرت درمان و زمان درمان، تعداد گروه‌های عملکردی قطبی و زبری سطح فیلم BOPP به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
