CN103881130B - 大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法及生产线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大气压气体放电等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法及生产线,属于塑料表面处理技术领域。该生产线包括塑料走膜系统、等离子体放电系统和黏合剂涂布系统,等离子体放电系统包括放电表面正向相对且平行放置的第一平板电极和贴有绝缘介质的第二平板电极,第一平板电极的放电表面与绝缘介质之间的间隙组成的等离子体放电区域,待处理的塑料膜通过塑料走膜系统进入等离子体放电系统的等离子体放电区域进行接枝改性处理,经处理后进入黏合剂涂布系统涂布完成处理。本发明缩短了生产线,减少了工序,降低了环境污染、能耗和生产线占地面积,利用该方法对塑料表面处理,降低了成本,保证了黏合剂附着牢固。

Description

大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法及生产线
技术领域
本发明涉及一种大气压气体放电等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法及生产线,属于塑料表面处理技术领域。 
背景技术  
大多数塑料的表面活性都比较低,在很多应用场合下必须先对塑料表面进行活化处理,以提高表面活性。在印刷或包装领域,塑料表面处理就经常遇到这种情况。比如,表面覆膜是常见的一种表面装饰或表面保护方法。它将塑料薄膜作为覆膜材料,通过胶黏剂粘结到纸张表面,以提高印刷制成品的表面美观性、防水性、耐磨性等性能。
所用的塑料覆膜,分为即涂型和预涂型两大类。其中,预涂型由于环保、安全、工艺简单、覆膜产品质量高、生产线适用性好等优点,越来越受到青睐,其市场需求量增长迅速。 
预涂膜由基膜和涂布于基膜表面的黏合剂胶层构成。基膜通常为双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜和聚酯(PET)薄膜,绝大部分基膜采用的是BOPP薄膜。预涂膜的黏合剂层有熔融型和溶剂挥发型两种。其中,EVA热熔胶是最常用的一类熔融型黏合剂。 
现有的预涂膜生产技术,是采用化学涂布的方法,基本工序如下: 
基膜 → 电晕机表面处理 → 涂布液态底胶 → 底胶烘干 → 涂布黏合剂 → 收卷。
现有的预涂膜生产工序中,因为BOPP塑料基膜属于低表面能物质,不能直接与EVA热熔胶复合在一起,需先采用电晕处理、底胶涂覆、底胶烘干作为预处理方式来改善基膜表面活性。这存在着工序长、液态底胶依赖进口价格昂贵、底胶烘烤能耗高、底胶溶剂挥发污染、生产线占用场地大的问题,在经济性、环保性方面亟待改进。为此,人们开发了多种新颖的表面处理技术。其中,等离子体表面处理技术,是比较有效的一类技术。 
等离子体是由大量的自由电子、带电离子和中性粒子组成,并且在整体上表现为近似电中性的电离气体。等离子体可分为热等离子体和低温等离子体,其中的低温等离子体具有非平衡的特性,总体上温度较低、但包含能量很高的高速粒子(主要是高速电子)。 
低温等离子体的这种非平衡特性,很适合用于材料表面处理:其中含有很多的高能电子(运动速度高,动能很高,可达0.3-2eV,折合成温度可达到上万甚至十几万摄氏度),这些高能电子通过碰撞化学反应物的气体分子,会产生很强的活化效应,催化能力强,可产生大量的、种类繁多的活性粒子,还可以引发常规方法无法实现的一些特殊化学反应;总体温度较低(接近室温),不对材料造成热损伤,还能降低工艺温度,减少生产能耗;只改变材料表面几十纳米厚度之内的组成、结构和性能,不影响材料内部和材料基体的性能。所以,活化效率高、接近室温、能耗低、不影响材料基体性能,是低温等离子体用于表面处理或化学反应的巨大优势,在薄膜沉积、材料表面改性、微电子线路刻蚀等领域已经获得很多的应用。 
目前,有公司已使用等离子体技术用于预涂基膜的表面处理,通过等离子体对塑料表面的清洗与活化作用,以增加涂胶附着牢度。但它是以代替或改善电晕放电的处理效果为目标,并未减少现有的生产工序,需涂底胶、溶剂挥发污染、烘烤耗能高、场地占用大的问题依然存在。 
发明内容
本发明的目的在于解决上述已有技术存在的不足,提供一种工序少、减少环境污染、降低能耗、生产线占地面积小的大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法及生产线。 
本发明为解决以上问题提供一种具有如下结构的大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的生产线,它包括塑料走膜系统9、等离子体放电系统8和黏合剂涂布系统7,其特殊之处在于,所述等离子体放电系统8包括分别与电源1两极连接的第一平板电极4、第二平板电极6,第一平板电极4和第二平板电极6皆为导电良好的金属材质,第一平板电极4与第二平板电极6的两个放电表面正向相对且平行放置,第二平板电极6的放电表面紧贴有绝缘介质5,第一平板电极4的放电表面与绝缘介质5之间的间隙为等离子体放电区域,此放电区域的间隙在1至5毫米范围内连续可调;第一平板电极4的上方设有为等离子体放电区域提供放电气体和化学前驱体的气路装置3; 
本发明的一种改进:所述第一平板电极4的放电表面采用绷平的金属丝网,网目为50-400目,金属丝网优先选用不锈钢材质。由于金属细丝存在尖端放电效应,等离子体容易起辉;且由于丝网的密集排布,会产生较均匀的等离子体。
本发明的一种改进是:为了带走放电产生的热量,防止塑料膜受热,所述第一平板电极4和第二平板电极6的内部设有通冷却水的冷却水道。 
本发明的一种改进是:为了带走放电产生的热量,防止塑料膜受热,所述第一平板电极4和第二平板电极6的非放电平面上设有通冷却水的冷却管; 
本发明的又一种改进:所述气路装置3包括设有调节气体流量的转子流量计3-1或微调阀3-5的放电气体进气管3-2和化学前驱体进气管3-3,放电气体进气管3-2和化学前驱体进气管3-3的输出端共同连接到充分混合气体的混气室3-4,混气室3-4的输出端连接有气流分布管3-6,气流分布管3-6与第一平板电极4处于同一水平方向上,水平距离为0~30毫米,气流分布管3-6最低端与绝缘介质5之间的距离大于第一平板电极4最底端与绝缘介质5之间的距离,通过该气流分布管3-6管壁上的小孔或狭缝,将气体均匀地吹向等离子体放电区域;
所述放电气体采用易被电离的惰性气体,一般使用氩气、氦气或它们的混合气体,各种气体的纯度99.9%以上;
所述化学前驱体为含有胺基、羟基、羧基等强极性基团的有机物,一般选用丙烯胺、乙二胺、丙烯酸等,这些有机物为气体,或者具有较高饱和蒸汽压的液体(容易被气化),能随放电气体一起进入等离子体放电区域,上述有机物,既可在塑料表面形成强的极性基团,又可凭借自身的多个活性基团或碳碳双键,与其他化学前驱体分子或黏合剂分子进行化学反应,形成交联网状结构,从而使塑料表面具有很好的粘合性能;
本发明的一种改进是:所述等离子体放电系统8的下游工序安装有黏合剂涂布系统7,经等离子体表面处理之后的塑料膜,紧接着就可以进入黏合剂涂布系统7进行黏合剂的涂布,为连续式的生产方式;
本发明的一种改进是:所述等离子体放电系统8与黏合剂涂布系统7不在一条生产线上,塑料膜经等离子放电系统处理完毕之后收卷,把处理完毕的塑料膜卷48小时之内挪至黏合剂涂布生产线7进行涂布,为间歇式生产;
本发明的另一种改进:所述电源1为交流或脉冲电源,通过导线分别连接至第一平板电极4和第二平板电极6,输出连续可调的电压3-8KV,连续可调的频率10-50KHz,输出功率应保证等离子体放电区域的功率密度在1-3W/cm2的范围内。
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,其特征在于包括以下步骤: 
1)开启等离子体放电系统8的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统9的放卷辊、收卷辊、传输辊、纠偏、展平辊等机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域;
3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压、输出频率、输出电流至等离子体放电能够起辉和放电;
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,一种改进为:所述第2)步中塑料膜走膜时,要让塑料膜尽量靠近但不能接触绝缘介质5,塑料膜与绝缘介质5之间的间隙保持在0.1-0.3毫米为宜。 
本发明在原来生产线的基础上减少了电晕处理系统、底胶涂布系统、底胶烘干系统,缩短了生产线,减少了工序,同时降低了环境污染、能耗和生产线占地面积。利用该方法对塑料表面进行接枝改性处理,保证了黏合剂附着牢固,降低了成本。每吨预涂膜产品减少消耗甲醇60kg,降低用电量为80kw,每条生产线可以减少约12平米的厂房占用面积。 
附图说明
 图1:大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性方法的流程图; 
图2:等离子体放电系统8的示意图;
1、电源,2、待处理的塑料膜,3、气路装置,3-1、转子流量计,3-2、放电气体进气管,3-3、化学前驱体进气管,3-4、混气室,3-5、微调阀,3-6、气流分布管,4、第一平板电极,5、绝缘介质,6、第二平板电极,7、黏合剂涂布系统,8、等离子体放电系统,9、塑料走膜系统。
具体实施方式
以下参照附图,给出本发明的具体实施方式,用来对本发明的结构作进行进一步说明。 
下述各实施例,皆是对12微米厚度的BOPP塑料膜进行等离子体处理,然后涂布EVA热熔胶。放电气体皆为氩气,化学前驱体皆为丙烯胺。因室温下的丙烯胺为液态,故用一定流量的氩气来携带室温下饱和的丙烯胺蒸汽。使用表面张力笔测量BOPP膜在等离子体处理前后的表面张力。使用拉力试验机以T型剥离法来测量EVA热熔胶与BOPP塑料膜的粘合强度。 
实施例1:参考图1,该大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的生产线包括塑料走膜系统9、等离子体放电系统8和黏合剂涂布系统7,所述等离子体放电系统8包括分别与交流电源1两极连接的第一平板电极4、第二平板电极6,第一平板4的放电表面为崩平的不锈钢丝网,网目为50-400目,第二平板电极6为导电良好的金属材质,第一平板电极4与第二平板电极6的两个放电表面正向相对且平行放置,第一平板电极4和第二平板电极6的内部设有通冷却水的冷却水道,第二平板电极6的放电表面紧贴有绝缘介质5,第一平板电极4的放电表面与绝缘介质5之间的间隙为等离子体放电区域,此放电区域的间隙在1至5毫米范围内连续可调;第一平板电极4的上方设有为等离子体放电区域提供放电气体和化学前驱体的气路装置3; 
所述气路装置3包括设有调节气体流量的转子流量计3-1或微调阀3-5的放电气体进气管3-2和化学前驱体进气管3-3,放电气体进气管3-2和化学前驱体进气管3-3的输出端共同连接到充分混合气体的混气室3-4,混气室3-4的输出端连接有气流分布管3-6,气流分布管3-6与第一平板电极4处于同一水平方向上,水平距离为0~30毫米,气流分布管3-6最低端与绝缘介质5之间的距离大于第一平板电极4最底端与绝缘介质5之间的距离,通过该气流分布管3-6管壁上的小孔或狭缝,将气体均匀地吹向等离子体放电区域;
所述放电气体采用易被电离的惰性气体,一般使用氩气、氦气或它们的混合气体,各种气体的纯度99.9%以上。所述化学前驱体为含有胺基、羟基、羧基等强极性基团的有机物,一般选用丙烯胺、乙二胺、丙烯酸等,这些有机物为气体,或者具有较高饱和蒸汽压的液体(容易被气化),能随放电气体一起进入等离子体放电区域,上述有机物,既可在塑料表面形成强的极性基团,又可凭借自身的多个活性基团或碳碳双键,与其他化学前驱体分子或黏合剂分子进行化学反应,形成交联网状结构,从而使塑料表面具有很好的粘合性能;
所述等离子体放电系统8的下游工序安装有黏合剂涂布系统7,经等离子体表面处理之后的塑料膜,紧接着就可以进入黏合剂涂布系统7进行黏合剂的涂布,为连续式的生产方式;
所述电源1为交流电源,通过导线分别连接至第一平板电极4和第二平板电极6,输出连续可调的电压3-8KV,连续可调的频率10-50KHz,输出功率,应保证等离子体放电区域的功率密度在1-3W/cm2的范围内。
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,包括以下步骤: 
1)开启等离子体放电系统8的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统9的放卷辊、收卷辊、传输辊、纠偏、展平辊等机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域的时间为0.09s;
3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气,调节转子流量仪使放电氩气流量为400L/h;携胺氩气流量为1000ml/min;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压为5500V、输出放电功率密度为1.41W/cm2
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
本实施例中等离子体处理前该材料的表面张力处理前为30mN/m;处理后为40mN/m,刚涂布完毕的EVA胶膜剥离强度为0.26N/25mm,涂布6小时后的EVA胶膜剥离强度为0.49N/25mm,涂布72小时后的EVA胶膜剥离强度为0.63N/25mm。 
实施例2,参考图1。本实施例所述的生产线与实施例1中的所述的生产线基本相同。其不同之处仅在于,大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的生产线除了第一平板电极4和第二平板电极6的非放电平面上设有通冷却水的金属冷却管,采用间歇生产,电源1为脉冲电源。 
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,包括以下步骤: 
1)开启等离子体放电系统8的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统9的放卷辊、收卷辊、传输辊、纠偏、展平辊等机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域的时间为0.06s;
3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气,调节转子流量仪使放电氩气流量为400L/h;携胺氩气流量为1000ml/min;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压为7000V、输出放电功率密度为2.69W/cm2
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后收卷,把处理完毕的塑料膜卷48小时之内挪至黏合剂涂布生产线7进行涂布,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
本实施例中等离子体处理前该材料的表面张力处理前为30mN/m;处理后为40-42mN/m,刚涂布完毕的EVA胶膜剥离强度为0.09N/25mm,涂布6小时后的EVA胶膜剥离强度为0.12N/25mm,涂布72小时后的EVA胶膜剥离强度为0.19N/25mm。 
实施例3,参考图1。本实施例所述的生产线与实施例1中的所述的生产线相同。 
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,包括以下步骤: 
1)开启等离子体放电系统8的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统9的放卷辊、收卷辊、传输辊、纠偏、展平辊等机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域的时间为0.06s;
3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气,调节转子流量仪使放电氩气流量为400L/h;携胺氩气流量为500ml/min;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压为7000V、输出放电功率密度为2.67W/cm2
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
本实施例中等离子体处理前该材料的表面张力处理前为30mN/m;处理后为40-42mN/m,刚涂布完毕的EVA胶膜剥离强度为0.24N/25mm,涂布6小时后的EVA胶膜剥离强度为0.43N/25mm,涂布72小时后的EVA胶膜剥离强度为0.59N/25mm。 
实施例4,参考图1。本实施例所述的生产线与实施例1中的所述的生产线基本相同。其不同之处仅在于,大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的生产线除了第一平板电极4和第二平板电极6的非放电平面上设有通冷却水的金属冷却管,采用间歇生产,电源1为脉冲电源。 
大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,包括以下步骤: 
1)开启等离子体放电系统8的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统9的放卷辊、收卷辊、传输辊、纠偏、展平辊等机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域的时间为0.06s;
   3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气,调节转子流量仪使放电氩气流量为400L/h;携胺氩气流量为500ml/min;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压为3800V、输出放电功率密度为0.80W/cm2
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后收卷,把处理完毕的塑料膜卷48小时之内挪至黏合剂涂布生产线7进行涂布,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
本实施例中等离子体处理前该材料的表面张力处理前为30mN/m;处理后为40-42mN/m,刚涂布完毕的EVA胶膜剥离强度为0.08N/25mm,涂布6小时后的EVA胶膜剥离强度为0.19N/25mm,涂布72小时后的EVA胶膜剥离强度为0.21N/25mm。 
实施例效果对比表: 
本发明的保护范围并不限于以上实施例,凡是与本发明技术方案结构相同或等同的生产线,与本发明实施方法基本相同或等同的方法,均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,它包括塑料走膜系统(9)、等离子体放电系统(8)和黏合剂涂布系统(7),其特征在于,所述等离子体放电系统(8)包括分别与电源(1)两极连接的第一平板电极(4)、第二平板电极(6),第一平板电极(4)和第二平板电极(6)皆为导电良好的金属材质,第一平板电极(4)与第二平板电极(6)的两个放电表面正向相对且平行放置,第二平板电极(6)的放电表面紧贴有绝缘介质(5),第一平板电极(4)的放电表面与绝缘介质(5)之间的间隙为等离子体放电区域,此放电区域的间隙在1至5毫米范围内连续可调,第一平板电极(4)的上方设有为等离子体放电区域提供放电气体和化学前驱体的气路装置(3)。
2.根据权利要求1所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述第一平板电极(4)的放电表面采用绷平的金属丝网,网目为50-400目。
3.根据权利要求1或2所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述第一平板电极(4)和第二平板电极(6)的内部设有通冷却水的冷却水道。
4.根据权利要求1或2所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述第一平板电极(4)和第二平板电极(6)的非放电平面上设有通冷却水的冷却管。
5.根据权利要求1或2所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述气路装置(3)包括设有调节气体流量的转子流量计(3-1)的放电气体进气管(3-2)和设有微调阀(3-5)的化学前驱体进气管(3-3),放电气体进气管(3-2)和化学前驱体进气管(3-3)的输出端共同连接到充分混合气体的混气室(3-4),混气室(3-4)的输出端连接有气流分布管(3-6),气流分布管(3-6)与第一平板电极(4)处于同一水平方向上,水平距离为0~30毫米,气流分布管(3-6)最低端与绝缘介质(5)之间的距离大于第一平板电极(4)最底端与绝缘介质(5)之间的距离,通过该气流分布管(3-6)管壁上的小孔或狭缝,将气体均匀地吹向等离子体放电区域。
6.根据权利要求1或2所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述黏合剂涂布系统(7)位于等离子体放电系统(8)的下一工序处。
7.根据权利要求1或2所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述等离子体放电系统(8)处理完塑料膜后,将塑料膜收卷,48小时之内挪至黏合剂涂布系统(7)进行涂布。
8.根据权利要求5所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,其特征在于所述电源(1)为交流或脉冲电源,通过导线分别连接至第一平板电极(4)和第二平板电极(6),输出连续可调的电压3-8KV,连续可调的频率10-50KHz,输出功率应保证等离子体放电区域的功率密度在1-3W/cm2的范围内。
9.大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,其特征在于采用了如权利要求1所述的大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的设备,并包括以下步骤:
1)开启等离子体放电系统(8)的电极冷却水,调节水流温度为5-40℃; 
2)安装塑料膜膜卷,调节塑料走膜系统(9)的放卷辊机构、收卷辊机构、传输辊机构、纠偏机构和展平辊机构,使塑料膜能够匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域;
3)待塑料膜可以连续的、匀速、无皱褶的经过等离子体放电区域时,开启放电气体进气管和化学前驱体进气管为等离子体放电区域供气;
4)开启气路装置后紧接着开启等离子体电源,调节输出电压、输出频率、输出电流至等离子体放电能够起辉和放电;
5)经过等离子体放电区域的塑料膜,被活化、接枝处理后,进入黏合剂涂布工序,经加热后易流动的黏合剂,由涂布头涂在塑料膜表面,涂布之后即可收卷获得产品。
10.根据权利要求9所述大气压等离子体对塑料表面进行接枝改性的方法,其特征在于所述第2)步中塑料膜走膜时,塑料膜与绝缘介质(5)之间的间隙为在0.1-0.3毫米。
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