Das Phänomen, dass die Druckertinte an der Oberfläche des Drucksubstrats haftet, ist ein Adsorptionsphänomen. Wir bezeichnen es normalerweise als Grenzflächenphänomen. Es bezieht sich auf das Anhaften von Atomen und Molekülen einer Substanz an der Oberfläche einer anderen. Es gibt ein weiteres ähnliches Phänomen namens „Absorption“, auch dies ist ein Grenzflächenphänomen. Der Prozess umfasst die gleichmäßige Durchdringung von Atomen und Molekülen einer Substanz durch die Grenzfläche, wodurch sie in die Innenräume zwischen den Atomen oder Molekülen einer anderen Substanz eindringen können. Wenn sowohl Adsorption als auch Absorption gleichzeitig auftreten, wird der Begriff „Adhäsion“ verwendet, um dieses Phänomen zu beschreiben. Die Adhäsionsstärke, auch Adhäsion genannt, bezeichnet die Kraft, mit der Tinte an der Druckoberfläche haftet. Um diese Haftung zu verbessern, sollten zwei Hauptaspekte im Vordergrund stehen: die Eignung der Tinte zum Drucken und die Bedruckbarkeit des Substratmaterials.
1. Tintenbedruckbarkeit
1. Die entscheidende Rolle von Harz in Tintenformulierungen wird durch seine Kompatibilität mit dem Substrat unterstrichen, da es ein entscheidender Bestandteil des Tintenträgers ist, der die Haftfestigkeit direkt beeinflusst. In der Standardpraxis erfordert die Tintenauswahl für Metallsubstrate die Verwendung von Epoxidharz als Bindemittel, da seine Epoxidgruppen und seine reaktive Natur eine robuste Haftung beim Vernetzen fördern. Umgekehrt sollte bei Polyethylenkunststoffen das Bindemittelharz das Substratmaterial widerspiegeln und Polyethylen für optimale Druckbarkeit verwenden. Ebenso dient Polypropylen als geeignetes Bindemittel beim Drucken auf Polypropylensubstraten, da sie eine vergleichbare Polarität und Molekulargewichte aufweisen. Bei Polyurethanmaterialien stellt die Verwendung von Polyurethanharz als Bindemittel sicher, dass die Tintenfilmschicht beim Drucken außergewöhnliche Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit und Hafteigenschaften aufweist.
2. Effektives Drucken auf einem Substrat erfordert eine genaue Übereinstimmung der Löslichkeitsparameter zwischen dem Harzlösungsmittel und den Substratkomponenten in der Tinte. Wenn diese Parameter übereinstimmen, übt das Lösungsmittel eine Quellwirkung auf die Substratoberfläche aus, wodurch das Harz die Schnittstelle durchquert und in das Innere des Substrats eindringt. Dieser Prozess führt letztendlich zur Bildung einer starken und dauerhaften Haftung zwischen der Tinte und dem Substrat.
3. Zugabe geeigneter Additive.
Um die Haftung zu verbessern, ist die Einarbeitung geeigneter Haftvermittler von größter Bedeutung. Diese Vermittler fungieren als Kupplungsmittel, optimieren die Bindung zwischen dem Harz in der Tinte und dem Polymersubstratmaterial und erhöhen letztendlich die Haftfähigkeit der Tinte.
Darüber hinaus spielt die Einbeziehung von Vernetzungsmitteln eine entscheidende Rolle bei der Verstärkung der Haftung. Durch die Schaffung von Vernetzungen innerhalb des Klebstoffs senken diese Mittel nicht nur die Filmbildungstemperatur, sondern verbessern auch die Haftung der Tinte erheblich. Darüber hinaus verbessern sie die Härte, Wasserbeständigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit und Trocknungsgeschwindigkeit des Tintenfilms und tragen so zu einer insgesamt besseren Leistung bei.
2. Oberflächenbehandlung von Substraten für Tinten
Behandlung von Kunststoffen und Kunststofffolien. Die unterschiedlichen Molekülstrukturen, Dichten, Kristallinitäten und Zusammensetzungen polarer Gruppen an der Oberfläche von Kunststoffen und Kunststofffolien führen zu erheblichen Abweichungen in ihren Eigenschaften, sogar innerhalb desselben Kunststofftyps, bei dem die Dichten einen weiten Bereich abdecken können. Diese Faktoren, gepaart mit produktionsbedingter Oberflächenglätte und der Einarbeitung von Stabilisatoren, die Säure-Basen-Beständigkeit und Antioxidationseigenschaften verleihen, führen häufig zu einer schlechten Tintenaufnahmefähigkeit. Folglich werden die Haftung und Verschleißfestigkeit der gedruckten Tintenschicht erheblich beeinträchtigt, was eine Oberflächenbehandlung vor dem Drucken erforderlich macht. Der Eckpfeiler dieser Behandlung besteht darin, die Polarität der Kunststoffoberfläche zu ändern und normalerweise unpolare Oberflächen in solche umzuwandeln, die polare Gruppen besitzen, die sich mit den polaren Gruppen im Bindemittel der Tinte verbinden können. Diese Umwandlung fördert eine robuste Haftung der Tinte auf der Kunststoffoberfläche.
3. Gängige Methoden zur Tintenoberflächenbehandlung für Kunststoffe
(1) Koronaentladungsbehandlung
Bei der Koronaentladungsbehandlung kommt ein Gerät zum Einsatz, das aus einem Hochspannungs-Wechselstrommotor, einem Ausgangstransformator und einem Elektrodenpaar besteht. Wenn die Kunststofffolie den schmalen Raum zwischen diesen Elektroden durchquert, löst eine hohe Spannung die Ionisierung des atmosphärischen Sauerstoffs aus, wodurch Ozon entsteht. Dieser Prozess aktiviert die Oberfläche der Folie und löst eine Koronaentladung aus, die die Entstehung polarer Gruppen auslöst. Dadurch wird die molekulare Polarität verstärkt und die Oberflächenspannung erhöht. Gleichzeitig entfernt die Behandlung Staub und erzeugt mikroskopische Vertiefungen, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind, wodurch die Oberfläche effektiv aufgeraut wird. Diese Umwandlung stärkt die Fähigkeit des Substrats, Tinte aufzunehmen, was die Koronaentladungsbehandlung zu einer weit verbreiteten und effektiven Methode in der gegenwärtigen Praxis macht.
(2) Flammbehandlungsverfahren
Das Flammenbehandlungsverfahren basiert auf dem Prinzip, die Kunststofffolie schnell einer oxidierenden Flamme auszusetzen. Dieses schnelle Durchlaufen der Flamme beseitigt mikroskopische Unvollkommenheiten und entfernt unsichtbare Grate, wodurch die Haftung der Tinte auf der Oberfläche deutlich verbessert wird. Das Wesentliche an dieser Technik liegt im Wort „schnell“, da jede Verzögerung die Gefahr birgt, die Oberfläche zu „verbrennen“, was die Tintenhaftung verringern und zur Ablösung sowohl der flammenbehandelten Oxidfolie als auch der Tintenschicht führen kann. Daher muss die Behandlungstemperatur sorgfältig unter der thermischen Verformungsschwelle der Kunststofffolie gehalten werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
(3) Plasmabehandlung
Bei der Plasmabehandlung wird die Kraft intensiver elektrischer Felder, hoher Temperaturen und Laserenergie genutzt, um Elektronen aus neutralen Atomen oder Molekülen zu entfernen und sie in Ionen umzuwandeln – ein Zustand, in dem positive und negative Ladungen im Gleichgewicht sind, daher der Begriff Plasma. Ein HF-Generator treibt diesen Prozess an, indem er Laserenergie bei hoher Spannung aussendet und eine charakteristische Glimmentladung auslöst, die umgebende Gase ionisiert und eine Kaskade energiegeladener Elektronen, Ionen und Atome freisetzt. Diese hochreaktiven Partikel kollidieren mit der Kunststoffoberfläche und führen zu strukturellen Veränderungen der oberflächenaktiven Gruppen, zur Entstehung neuer Gruppen oder freier Radikale und schließlich zu einem Ablagerungsprozess. Diese doppelte chemische und physikalische Veränderung der Polymeroberfläche führt zu Polarität, wodurch die neu erworbenen polaren Gruppen starke Bindungen mit den polaren Komponenten des Tintenbindemittels bilden können, wodurch die Tintenhaftung deutlich verbessert wird.
(4) Chemische und Lösungsmittelbehandlungsmethode
Bei der Verwendung von chemischen und Lösungsmittelbehandlungsmethoden wird die Kunststoffoberfläche mit einem Oxidationsmittel oxidiert. Diese Oxidationsreaktion führt zur Bildung hydrophiler Gruppen und anderer funktioneller Einheiten auf der Oberfläche der Kunststofffolie und fördert Wechselwirkungen mit den in der Tinte vorhandenen polaren Gruppen. Durch die Nutzung der Oxidation wird die Aufnahme von Tinte auf der Oberfläche erheblich verstärkt. Für dickere Folienanwendungen ist eine Lösungsmittelbehandlung unter Verwendung von Tensiden oder chlorierten Lösungsmitteln wie Dichlorethan, Pentachlorethan und Trichlorethylen eine Option. Dieser Ansatz verändert die Benetzbarkeit der Oberfläche der Kunststofffolie und kann während der Herstellung eingebrachte Zusatzstoffe wie Weichmacher und Antioxidantien neutralisieren. Parallel dazu umfassen chemische Behandlungsmethoden die Anwendung spezifischer Chemikalien wie Kaliumpermanganat, Chlorsulfonsäure und Cycloalkylchromsäure direkt auf der Oberfläche der Kunststofffolie. Dieser chemische Ätzprozess verbessert durch Korrosion die Benetzbarkeit der Folie mit Tinte und verbessert letztendlich die Haftung der Tinte und die Gesamtdruckqualität.
(5) Behandlung zur Beseitigung statischer Elektrizität
Die Notwendigkeit, statische Elektrizität vor dem Drucken auf Kunststofffolien zu beseitigen, die von Natur aus gute elektrische Isolatoren sind und anfällig für statische Aufladung und Staubanziehung sind, ist für die Optimierung der Tintenhaftung von größter Bedeutung. Der Eckpfeiler dieses Prozesses ist die Anwendung von Antistatikmitteln, hauptsächlich auf Silikon- oder Tensidbasis. Bei Silikon-Antistatikmitteln umfassen die vorbereitenden Schritte das Entfernen von Fett und Feuchtigkeit von der Oberfläche mithilfe von Lösungsmitteln wie Methanol oder Ethanol. Anschließend wird das Mittel sorgfältig aufgetragen, entweder durch Streichen, Rollen oder Eintauchen, um eine gründliche Deckung zu gewährleisten. Dieser Prozess, der optimalerweise bei Temperaturen zwischen 30 °C und 40 °C oder 60 °C und 80 °C für etwa 3 Stunden durchgeführt wird, erfordert eine gründliche Trocknung und eine Ruhezeit von 5 Stunden nach dem Auftragen, um eine maximale Wirksamkeit vor Beginn des Druckvorgangs zu gewährleisten. Alternativ wirken Tensid-Antistatikmittel nach einem anderen Mechanismus: Sie erhöhen die Leitfähigkeit und verringern den Oberflächenwiderstand, um statische Aufladungen abzuleiten. Ihre Anwendungsmethoden ähneln denen von Silikonmitteln und umfassen Walzenbeschichtung oder Eintauchen, wodurch während des Prozesses ein ähnlich sorgfältiges Maß an Sorgfalt gewährleistet wird. Beide Ansätze zielen durch unterschiedliche Mechanismen darauf ab, statische Elektrizität zu beseitigen und die Kunststofffolienoberfläche für eine optimale Tintenhaftung vorzubereiten.
Während die oben genannten Behandlungsmethoden für verschiedene Kunststoffarten weithin anwendbar sind, gibt es bestimmte Kunststoffe, die von Natur aus polare Gruppen auf ihren Oberflächen aufweisen, wie Polystyrol und Polyvinylchlorid (PVC). Diese Materialien, die sich durch ihre raue Textur und relativ geringe Dichte auszeichnen, weisen einzigartige Eigenschaften auf, die eine Vorbehandlung unnötig machen. Daher können sie direkt Druckprozessen unterzogen werden, ohne dass vorherige Oberflächenmodifikationen erforderlich sind.
4. Tintenbehandlung von metallischen Trägermaterialien
Während des Transports und der Lagerung werden Metalle durch eine Schutzschicht aus rostfreiem Öl und Prozessschmiermittel geschützt. Diese Metalle sind jedoch von Natur aus reaktiv und neigen bei längerer Einwirkung dazu, atmosphärische Feuchtigkeit und Sauerstoff zu absorbieren, was zur Bildung eines Oxidfilms führt. Dieser Oxidfilm stellt in Verbindung mit der rostfreien Ölschicht eine beeindruckende Barriere gegen das Anhaften von Tinte dar und verursacht Abstoßungs- und Antibenetzungseffekte. Daher ist es zwingend erforderlich, die Metalloberfläche vor dem Druckvorgang durch eine entsprechende Behandlung vorzubereiten.
5. Tintenbehandlung für Glasoberflächen
Glas besteht überwiegend aus SiO2 und weist eine einzigartige Struktureigenschaft auf, bei der Siliziumatome in die Matrix eingebettet sind, während Sauerstoffatome die Oberfläche dominieren. Diese Konfiguration führt zu einer hohen Oberflächenenergie und begünstigt dadurch Wechselwirkungen mit externen Substanzen. Beispielsweise reagiert die Glasoberfläche bei Kontakt mit Luft mit Wasserstoff und bildet hydrophile Gruppen, insbesondere OH-Gruppen (Hydroxylgruppen), die sich auf der Oberfläche ansammeln und die Tintenhaftung behindern. Darüber hinaus stellt das Vorhandensein von Alkaliionen, insbesondere solchen, die Na-O-Bindungen bilden, auf der Glasoberfläche eine zusätzliche Herausforderung dar. Diese Bindungen können in Gegenwart von Luft und Wasser gestört werden, was das Problem der Tintenhaftung verschärft. Daher sind vorbereitende Oberflächenbehandlungen vor dem Bedrucken von Glas zwingend erforderlich. Der folgende Abschnitt beschreibt mehrere gängige Behandlungsmethoden, die zu diesem Zweck eingesetzt werden.
(1) Lipophile Behandlung
Die lipophile Behandlung ist ein strategischer Ansatz, bei dem Silan-Haftvermittler auf die Glasoberfläche aufgetragen werden. Dieser Prozess fördert die Bildung lipophiler Gruppen und verbessert die Affinität des Glases zur Tinte erheblich. Eine Implementierung beinhaltet das Beschichten der Oberfläche mit einer 0.5- bis 1-prozentigen Lösung des in Ethanol gelösten Haftvermittlers, die bei Hydrolyse eine robuste Affinität aufbaut. Alternativ kann der Haftvermittler in einer Konzentration von 1 bis 5 % vorab in die Tinte eingemischt werden, sodass er nach dem Drucken spontan auf die Glasoberfläche diffundieren kann.
(2) Entfettungsbehandlung
In diesem Schritt geht es darum, die Benetzbarkeit zu verbessern, indem Öle und Fette von der Glasoberfläche entfernt werden. Dies kann entweder durch Waschen mit Lösungsmitteln wie Aceton oder Methylethylketon (MEK) oder alternativ durch den Einsatz von Dichlorethylendampf für einen effektiven Entfettungsprozess erreicht werden.
(3) Starke Säurebehandlung
Eine Behandlung mit starker Säure wird durchgeführt, um Alkaliionen von der Glasoberfläche zu entfernen. Diese Methode soll die Haftung der Tinte weiter verbessern und so optimale Druckqualität und Haltbarkeit gewährleisten.
(4) Physikalische Behandlung
Anschließend kommen physikalische Behandlungsmethoden zum Einsatz, bei denen entweder feines Schleifpulver zum leichten Sandstrahlen oder Wasserschleifpapier zum Wasserschleifen verwendet wird. Diese Techniken zielen darauf ab, die Glasoberfläche durch Entfernen von Verunreinigungen zu verfeinern und so ihre Fähigkeit zu verbessern, Tinte aufzunehmen und zu haften.
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