lní úpravy povrchu textilních materiálů Fyzikáln Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, Přednášky z : Textilní fyzika

Transkript

1 Fyzikáln lní úpravy povrchu textilních materiálů Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec,

2 Smáčen ení adheze pro dosažení dobrého smáčení pevné látky kapalinou je třeba aby povrchové napětí kapaliny bylo nejméně o 10 mn/m nižší než je povrchové napětí pevné látky i při splnění požadavku smáčení není zaručena dobrá adheze nanesené vrstvy; o adhezi rozhoduje polární složka povrchového napětí př. PET (43 mn/m) + látka A: γ = 29 mn/m, γp= 18 mn/m látka B: γ = 29 mn/m, γp= 8 mn/m A i B dobře smáčí PET, vrstva B na povrchu nedrží

3 Stanovení povrchového napětí substrátu tu a adheze barvy na substrátu tu testování povrchového napětí: metody založené na měření kontaktního úhlu dyne test metody: smáčení povrchu měrnými kapalinami se známou hodnotou povrchového napětí test pro stanovení, která ze stran substrátu byla předem upravena koronou nebo jinou metodou: water-break test testování adheze na substrátu: tu: tape test odtrhová zkouška, lepicí páska, měření odtrhové síly, testování co na pásce ulpí ( peel test ) cross hatch speciálním nožem nařezány čtverce (100) na potištěné ploše a pokryty v celé ploše lepicí páskou; po odtrhu hodnoceno kolik % čtverců páska odtrhne od substrátu

4 Povrchové úpravy polymerních materiálů metody úpravy koronový výboj plasma úprava plamenem mechanická abraze čistění povrchu rozpouštědly (toluen, xylen) chemická úprava, botnání a leptání povrchu priming rtg. a gama záření elektronový paprsek stabilita úpravy závisz visí na způsobu úpravy uskladnění (kontaminace povrchu) teplotě čase typu materiálu vyšší povrchové napětí se zachová po úpravě jen několik měsíců důsledek migrace aditiv, nečistoty a dalších reakcí)

5 Úprava povrchu ke zvýšen ení polarity a reaktivity Nepolárn rní syntetické materiály: chemicky čistý polymer + aditiva (plniva, antioxidanty, kluzné prostředky, antistatika, pigmenty, barviva)-např. PE, PP povrchové napětí mn/m vysoká koncentrace reaktivních látek, volných radikálů a iontů, energetických fotonů plazma (vzduch. plazma, plamen. plazma, chemic. plazma, studená plazma) koronový výboj Priming (UV iniciace)

6 Výběr r metody úpravy závisz visí na tom, jak velké změny povrchové energie chceme dosáhnout na typu materiálu (chemické složení) zda je možné zapojení do výrobní linky a jaká je požadována rychlost opracování jak dlouho má úprava povrchu být zachována na tom zda je požadována změna chemie povrchu nebo změna morfologie???

7 Úprava povrchu koronovým výbojem I Koronový výboj vzniká na povrchu elektrody, kam je přivedeno vysoké napětí elektrony a ionty urychlené polem dopadají na povrch a způsobí rozpad řady kovalentních vazeb v řetězci. vzniká nestabilní izotop kyslíku (ozon O 3 ), ten reaguje s povrchovou vrstvou polární oxidovaná vrstva na povrchu polymeru podstatně vyšší povrchové napětí krátká expozice < 0,1 s upravena jen velmi tenká vrstva, vhodné pro okamžitý tisk nebo lepení (kašírování) dlouhá expozice silnější vrstva, problém soudržnosti s bulk materiálem vhodné pro zvýšení povrch. napětí na 40 mn/m trvanlivost úpravy několik měsíců Koronový výboj - blown arc plazma

8 Úprava povrchu koronovým výbojem II konstrukce přístroje: p elektrodový systém (elektrody odstíněny, střídavý proud) protielektroda masivní kovový válec, na němž je veden substrát dielektrická vrstva na elektrodě a protielektrodě generátor VN a VF, frekvence od 9 do 50 khz, napětí až 30 kv vzduchová štěrbina 1-2 mm, spád napětí až V/mm odsávání nebo likvidace ozónu (ozónový filtr) vysokofrekvenční generátor vysokonapěťový transformátor koronový výboj substrát

9 Úprava povrchu koronovým výbojem III korona zlepšuje vlastnosti substrátu tu pro tisk a nánosn nos vyčištění povrchu od adsorbovaných atomů a molekul, zlepšení kontaktu na atomární úrovni zvýšení povrchového napětí a přizpůsobení polarity vytvoření reakčních center, radikálů a funkčních skupin dvě varianty vzduchové plazmy: blown arc (dvě elektrody) substrát částečně zasahuje do výboje, jasně svítící plazma, vzhled připomínající plamen blown ion air (jedna elektroda) vháněn proud iontů, možnost varianty zařízení s jednou elektrodou

10 Úprava povrchu koronovým výbojem IV Korona 25kV, 27 khz před úpravou po úpravě

11 Úprava povrchu koronovým výbojem V Firma Coatema vyrábí pomocí korónového výboje flexibilní sluneční články 237 kw

12 Co je to plazma? Definice nám o plazmatu říká: "Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování". Nízkoteplotní plazma Plazma je stav látky charakterizovaný určitým stupněm ionizace, tj. plazma je směs neutrálních částic a kladných a záporných iontů, přičemž součet nábojů těchto iontů je ve větších objemech nulový (plazma je tedy elektricky neutrální). K udržení stavu, kdy se v ionizovaném stavu nalézá řádově 1% částic, jsou třeba energie odpovídající teplotám řádově 10 3 K a takové plazma označujeme jako nízkoteplotní.

13 Úprava povrchu studenou plazmou ionizovaný plyn nebo směs plynů, obsahující urychlené částice (ionty, elektrony, volné radikály, energet. fotony); změna povrchu ne morfologie různé plyny- kyslík, argon, plynný fluor ( chemická plazma ); jemný postup leptání povrchu uspořádání velmi podobné antistatickému tyčovému zařízení pro odstraňování statického náboje z povrchu aktivovaná vrstva asi 10 nm závisle na experimentálních podmínkách

14 Hydrofilizace povrchu PET PET před zpracováním PET po zpracování Area [s] Kinetika sorpce inkoustu Feather time [s] 121 mm 79 mm 60 mm 40 mm 20 mm 10 mm 2 mm

15 Plazmatické pokovování Nános amorfního kovu technologií PVD PVD iontové nanášení metodou magnetronového naprašování nanášená látka je je terčem magnetronového výboje výboj hoří hořív zředěném inertním plynu Ar Ar ve vevákuové komoře, která je je i i anodou (Ar (Arplazma) kationty jsou jsouurychlované elektrickým polem na na terč terč (katodu) magnetické pole pole se sedociluje rozšířením plazmy až ažk upravovanému předmětu ionizuje se sejen inertní plyn plyn

16 Tvorba vrstvy povlaku Při nanášení vrstev uvedenými metodami je vrstva vytvářená z jednotlivých dopadajících atomů. Atom se na povrchu zachytí procesem sorpce (fyzikální a nebo chemické), pohybuje se po povrchu a potom se buď zachytí na povrchu trvalou vazbou a nebo se zpětně uvolní. Další dopadající atom se může pohybovat po povrchu a spojit se vazbou s atomem, který byl už dříve zachycený. Tímto způsobem se vytváří izolované zárodky a ostrůvky rostoucí vrstvy. Ty se postupněčasem začnou spojovat až vytvoří souvislou vrstvu, která dál roste a zvyšuje svojí tloušťku.

17 Ukázka vzhledu pokovených vláken SM - Ba nepokovovená doprovodná tkanina SM - Ba tkanina s nánosem 1000 nm Ag SM -PET nepokovovená doprovodná tkanina SM - PET tkanina s nánosem 1000 nm Ag SM - Ba tkanina s nánosem 1000 nm Cu SEM vl tkanina s nánosem 1000 nm Ag SMĚROVOST NÁNOSU

18 Druhy poruch povrchu s plazmatickým nánosemnosem kovu ukázka prasklin na PP tkanině s nánosem 600 nm Cr ukázka odlupu na PET tkanině s nánosem 1800 nm Cu ukázka stěru na PP tkanině s nánosem 200 nm Ag

19 Vliv předzpracování textilního substrátu tu PET úplet bez enzymatické úpravy s nánosem 1800 nm Cu PET úplet s enzymatickou úpravou s nánosem 1800 nm Cu Vyšší přilnutí k povrchu snímek bavlněné textílie se zátěrem Alutex na snímku je vidět, že zátěr vytváří film na tkanině a z časti ucpává póry tkaniny

20 Účinek vrstvy kovu - měření ohřevu IR zdrojem V reflexním uspořádání : - měření difúzního odrazu Pyrometr V transmisním uspořádání: - měření radiačního prostupu tepla Zdroj IR záření Zdroj IR záření Tepelná clona Textilie Tepelná clona Textilie Nosič Pyrometr Nosič

21 Měření ohřevu v reflexním uspořádání na textíli liích s Ag a Cr kinetika ohřevu rostla na všech materiálech nejvýraznější nárust byl při nánosech 1000 nm Ag ukázal se vliv nárustu tloušťky nánosu nárust na CO, WO, PP tkanině je obdobný a PET tkanině je nárust nižší teplota povrchu [ C] Porovnání teploty povrchu textílií s nánosem 1000 nm Ag čas [min] WO CO PET PP Porovnaní teploty povrchu textílií s nánosom 1200 nm Cr nárust nejvýraznejší, textilie s nánosem Cr se nejvíc zahřívaly nejnižší nárust na PET textiliích vliv tloušťky nánosu na nárust kinetiky ohřevu minimálně teplota [ C] čas [min] WO CO PET PP

22 Měření ohřevu v reflexním uspořádání na úpletu Porovnání teploty povrchu polyesterových textílii s enzymatickou úpravou a bez s nánosem Cr 1800 nm Porovnání teploty povrchu polyesterových textílii s enzymatickou úpravou a bez s nánosem Cu 1800 nm teplota [ C] 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20, teplota [ C] 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20, čas [min] čas [min] bez s bez s nárust kinetiky ohřevu na PET úpletu s enzymatickou úpravou s nánosem kovu 1800 nm je nižší než na PET úpletu bez enzymatické úpravy s nánosem kovu 1800 nm vliv úpravy na nárust kinetiky ohřevu

23 Tepelná propustnost I gradient teploty tepelný tok Celkové množství prošlého tepla Měřící systém TP2 SHIRLEY TOGMETER M 259 Měřící systém ALAMBETA

24 DVD přímé napařování Viková, M. : Fyzikální úpravy povrchu textilních materiálů DVD - direct evaporation deposition I Kombinovaný nános

25 DVD - direct evaporation deposition II Přímé nánosování napařování. Je založeno na šíření elektronového paprsku v nízkém vakuu. Využívá se při tom tzv. Betheho intervalů např. v prostředí hélia a argonu jak ukazuje graf napravo, kde je toto pásmo vyznačeno modře.je tak možno dosáhnout regulovaného nánosu a jeho rovnoměrnosti oproti nánosu plazmou.

26 Úprava povrchu plamenem plazma se tvoří, když se smísí hořlavý plyn a vzduch a hoři ve formě intenzivního modrého plamene využívá modrou oxidující část plynového plamene (propan, butan) ke vzniku volných atomů kyslíku, které reagují s povrchem polyolefinů velmi efektivní metoda, krátká expozice, touto metodou se dají nanášet i jiné funkční skupiny a látky pokles povrch. napětí je rychlejší než u materiálů zpracovaných koronou další přednost: vypálí mnoho nečistot z povrchu materiálu Neplést si s opalováním-požehováním!

27 Úprava povrchu plamenem vhodné pro sítotisk a tamponový tisk (objemné předměty) problémy: seřídit poměr plyn/vzduch definovat optimální dobu setrvání předmětu v plameni stanovit účinnou vzdálenost generuje více tepla, ale vede k podstatně výraznějšímu zvýšení povrchové energie Zařízení pro úpravu povrchu plamenem

28 Smart Priming - Fotonizace úprava povrchu materiálu s využitím UV zářením iniciovaných reakcí vývojky na povrchu upravovaného substrátu zakotvený fotoiniciátor na povrchu polymeru se aktivuje UV zářením fotoiniciátor zakotvení místo štěpení na radikály po absorpci UV záření

29 UV záření Maska Povrch se zakotveným fotoiniciátorem Plocha s různým povrchovým napětím

30 Využit ití excimérn rních světelných zdrojů I Vliv roztoku 37 % NaOH, 60 C, 90 min 172 nm (Xe2*), 222 nm (KrCl*), 308 nm (XeCl*) PET bez úpravy ztráta hmotnosti 86% zdroj : Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.v., Krefeld PET po úpravě diallylftalátem ztráta hmotnosti 25%

31 Využit ití excimérn rních světelných zdrojů II Díky rozvoji speciálních UV výbojek na bázi kryptonchloridu je možné nasazení UV iniciovaných technologií i na šířkové produkty, jako jsou speciální fólie, papíry a textilie. Tyto světelné zdroje využívají experimentální znalosti z oblasti excimer. laserů.

32 Polarizační mechanizmy a frekvenční rozsah mikrovln

33 Polarizace elektronů Principy polarizace u dialectrických materiálů jsou za běžných podmínek elektrony rovnoměrně rozmístěny okolo atomových jader. V elektromagnetickém poli naopak dochází k polarizaci. Polarizace iontů nebo atomů v případě iontů nebo atomů dochází k přiblížení opačně nabitých částic. Polarizace molekul v případě molekul dochází k přechodu z isotropické orientace dipólů na anisotropickou. Polarizace mezi plochami v případě ploch dochází k povrchové polarizaci, která je opět dipólově orientovaná.

34 Mikrovlnný ohřev sušen ení - mikrovlnná sušá šárna z VÚTS V Liberec VCT I