5. Phương pháp nghiên cứu
1.1.4.1. Hiện tượng thấm ướt và sức căng bề mặt
nên cần phải xử lý bề mặt vật liệu trước khi in để mực in có thể bám tốt hơn.
1.1.4.1. Hiện tượng thấm ướt và sức căng bề mặt Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt
Trong vật lý học, sức căng bề mặt còn được gọi là năng lượng bề mặt hay ứng suất bề mặt (viết tắt là σ) là mật độ dài lực xuất hiện ở bề mặt giữa chất lỏng và chất khí, chất lỏng với chất rắn khác, có bản chất là chênh lệch lực hút phân tử khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màng chất dẻo đang chịu lực kéo
căng.
19
Để có thểtăng được năng lượng bề mặt mà không làm thay đổi thể tích vật liệu thì ta sẽđưa thêm các phân tử bên trong bề mặt lên trên bề mặt bằng một công chống lại nội áp. Công này còn dùng để thắng lực tương tác giữa các phân tử nên nó tỷ lệ với độ tăng diện tích tiếp xúc.
Hình 1.5: Nộp áp của chất lỏng Các yếu tốảnh hưởng đến năng lượng bề mặt:
- Ảnh hưởng của cấu tạo pha ngưng tụ. - Ảnh hưởng của cấu tạo pha tiếp xúc. - Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Khi bề mặt tăng dS thì năng lượng bề mặt (hay công) tăng dGs, sử dụng một hệ số
quan hệσ ta có:
dGs = σ. dS
Khi dS = 1 -> dGs= σ nên có thểnói σ là năng lượng tạo ra một đơn vị bề mặt và
người ta gọi là sức căng bề mặt. Sức căng bề mặt là năng lượng tự do bề mặt (hay
CÔNG) tính cho 1 đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha.
Đơn vị:
- Trong hệ CGS, thứnguyên σ: erg/cm2 = dyn/cm. - Trong hệSI, đơn vịσ: J/m2; N/m.
20
Hiện tượng thấm ướt bề mặt
Hiện tượng thấm ướt rất gần với hiện tượng hấp phụvì cũng là hiện tượng do tương
tác giữa phân tử của các loại chất khác nhau. Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác
mạnh với các phân tử bề mặt rắn hơn là giữa các phân tử chất lỏng với nhau, thì chất lỏng sẽ chảy lan ra trên bề mặt rắn, đó là sự thấm ướt, ví dụnước thấm ướt thủy tinh.
Nếu các phân tử chất lỏng có tương tác hút với nhau mạnh hơn so với tương tác hút
giữa chất lỏng với các phân tử bề mặt chất rắn mà chúng tiếp xúc, thì sự thấm ướt không xảy ra, và chất lỏng có xu hướng tụ lại thành giọt, ví dụ thủy ngân trên bề mặt thủy tinh. Nếu tương tác giữa hai loại phân tử lỏng và rắn không trội hơn nhau nhiều, ta sẽ có sự thấm ướt không hoàn hảo và ta sẽxác định được một góc thấm ướt nào đó.
- Chu vi giọt chất lỏng là giới hạn tương tác của 3 môi trường: R, L, K, chúng tạo thành từng cặp phân cách: rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - khí.
- Độ thấm ướt được đo bằng góc thấm ướt, là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề mặt của pha rắn. Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0o; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180o Bề mặt của PET có độ phân cực thấp nên mực in khó bám. Nhằm làm cho màng có khảnăng thấm ướt tốt các chất lỏng thì phải đảm bảo sao cho năng lượng bề mặt của màng phải lớn hơn sức căng bề mặt của bản thân chất lỏng đó. Đơn vị của năng lượng bề mặt của màng phải lớn hơn sức căng bề mặt của chất lỏng từ 7 – 10 đơn vị.
Polymer Sức căng bề mặt (mN/m)
PP, OPP, BOPP 29 – 31
PE 30 – 31
21
PVA/PE co-polymer 33 – 34
PET 41 – 44
Bảng 1.2: Sức căng bề mặt của một số vật liệu polymer
Đối với mực in Offset UV có sức căng bề mặt 36 – 38 mN/m.
Điều kiện để thấm ướt là có sự cân bằng bề mặt giữa các cặp pha rắn, lỏng, khí. Ta
có phương trình Yuong thể hiện sự thấm ướt giữa các cặp pha
σR-K = σR-L + σK-L . cos θ (với 0o< θ < 180o nên -1 < cos θ <1) Trong đó: σR-K : sức căng bề mặt pha rắn khí. σR-L : sức căng bề mặt pha rắn lỏng. σK-L : sức căng bề mặt pha khí lỏng. - Khi cos θ = 1: thấm ướt hoàn toàn bề mặt. - Khi cos θ = -1: không thấm ướt bề mặt. - Khi -1 < cos θ < 1.
Kiểm tra sức căng bề mặt
Để mực in có thểbám được trên bề mặt polymer thì cần phải xử lý bề mặt vật liệu
trước khi in. Một giải pháp dùng để kiểm tra sức căng bề mặt vật liệu là sử dụng công nghệ bút Dyne. Sử dụng bút thử Dyne cho kết quả nhanh chóng và dễ dàng cho thấy khảnăng chống thấm bề mặt. Đểđạt được độ bám dính mực tối ưu thì cần tăng năng lượng bề mặt của vật liệu in. Các phương pháp được ứng dụng dùng để tăng năng lượng bề mặt vật liệu là phương pháp xử lý bề mặt bằng Corona và Plasma là phổ biến hiện nay. Xác định năng lượng bề mặt có thểđạt được bằng cách đo góc tiếp xúc hoặc bằng cách sử dụng bút thửnăng lượng bề mặt (kiểm tra mức Dyne). Chất lỏng chứa
22
Hình 1.6: Bảng sức căng bề mặt của từng loại vật liệu polyme tương ứng với các loại mực in của từng phương pháp in (theo khuyến nghị của dyne)
Cách sử dụng:
- Vẽ1 đường thẳng khoảng 1 inch trên vùng kiểm tra bằng bút Dyne.
- Kiểm tra thời gian mực thay đổi giọt nhỏ hoặc co lại. Nếu sau 2 giây mà không
có gì thay đổi thì thử lại với bút Dyne cao hơn.
- Thử nghiệm nhiều hơn 10 loại bút đối với sức căng bề mặt của mực in, keo, lớp phủ.
- Khi chất lỏng trên bề mặt vật liệu, nếu sức căng bề mặt vật liệu thấp hơn năng lượng bề mặt của bút Dyne thì hình dạng của mực là những giọt nhỏ. Ngược lại, nếu năng lượng bề mặt vật liệu lớn hơn nănglượng của bút Dyne thì mặt sẽ căng đều trên bề mặt.
23 - Sức căng bề mặt của một số loại polyme tương ứng với từng loại mực in của
từng phương pháp in theo khuyến nghị của Dyne được thể hiện ở hình 1.6.