淺談交聯(lián)聚乙烯絕緣線芯的印字

遲先吉

(興樂集團(tuán)有限公司，浙江溫州325604)

0 引言

線纜行業(yè)一般采用樹脂型油墨，其成份主要由溶劑、顏料、膠粘劑、樹脂、填充劑、稀釋劑及各種添加劑等組成。絕緣線芯表面印字是否牢固主要通過以下三個性能指標(biāo)進(jìn)行判定:一是油墨附著力，印字牢固主要在于油墨與交聯(lián)聚乙烯(XLPE)之間的親和性，這就要求油墨表面附著力必須達(dá)到48 dyn/cm以上才能保證印字不脫落;二是耐磨性和抗刮性，這是線芯在受到各種外力影響而保證印字不失真所必須達(dá)到的;三是干燥與抗粘連性，這是由于印字方式采用以溶劑揮發(fā)干燥方式實(shí)現(xiàn)的，只有做到印字的充分干燥才能保證印字不模糊不粘連。

XLPE絕緣線芯表面非常光滑，即使采用進(jìn)口的聚乙烯(PE)專用油墨印字效果也不理想而且成本較高。因此XLPE絕緣線芯的表面印字一直是最令人頭痛的問題，如何采用一種高效簡便的方法解決這一問題是本次討論的重點(diǎn)。

1 印字困難的原因

1.1 非極性的分子結(jié)構(gòu)

XLPE是一種只含有碳和氫兩種元素的高分子聚合物，其通式可用 (—CH2—CH2—)n表示。XLPE分子結(jié)構(gòu)對稱排列緊密，不含有極性基團(tuán)，是一種非極性材料。油墨中的膠粘劑吸附在其表面，只能形成較弱的色散力，而缺少取向力和誘導(dǎo)力，因而黏附性性能較差。

1.2 表面能低

任何材料表面與膠粘劑之間形成粘接狀態(tài)的基本條件是必須形成熱力學(xué)的黏附狀態(tài)。它取決于材料表面與膠粘劑之間的潤濕程度(接觸角θ)、被粘材料表面張力(γs)、膠粘劑表面張力(γL)及被粘材料與膠粘劑間的表張力(γsL)，其關(guān)系可用楊氏公式表示:γs=γsL+γLcosθ。

熱力學(xué)粘附功指不同凝聚相相接觸時，相間分子有相互作用力，將兩相分離就要做功。這種功稱為熱力學(xué)粘附功，熱力學(xué)粘附功(W)與表面張力的關(guān)系為:W=γs+γL－γsL=γL(1+cosθ)。潤濕接觸角是指在固、液、氣三相接觸達(dá)到平衡時，三相接觸周邊的任一點(diǎn)上，液氣界面切線與固體表面間形成的并包含液體的夾角。由此可知潤濕性是粘接的首要條件:當(dāng)θ=0，完全潤濕;當(dāng) θ＜90°，部分潤濕或潤濕;當(dāng)θ=90°，是潤濕與否的分界線;當(dāng) θ＞90°，不潤濕。

難粘塑料的表面能比較低，因而其潤濕能力比較差。XLPE的表面能比較低，其對水的接觸角為88°;臨界表面張力31 dyn/cm;粘著能75 dyn/cm，因此其潤濕能力較差，油墨的附著力小印字困難。聚氯乙烯(PVC)表面張力為39 dyn/cm，因此其潤濕能力較好，油墨的附著力好。

1.3 存在弱的邊界層

XLPE塑料除了結(jié)構(gòu)上的原因外，還在于材料表面存在弱的邊界層。這種弱的邊界層來自聚合物本身的低分子成份，聚合加工過程中所加入的各種助劑，以及加工儲運(yùn)過程中所帶入的雜質(zhì)等。這類小分子物質(zhì)極容易析出，匯集于塑料表面，形成強(qiáng)度很低的薄弱界面層，這種弱邊界層的存在大大降低了塑料的粘接強(qiáng)度。

2 印字問題的解決途徑

提高XLPE的印字效果主要通過對材料表面進(jìn)行處理和研究開發(fā)新型油墨來實(shí)現(xiàn)。開發(fā)出一種新型的油墨不是一朝一夕就能解決的問題，而對材料表面處理還是簡單可行的。其中對XLPE塑料表面進(jìn)行處理主要有以下四種途徑:一是在XLPE塑料表面的分子鏈上導(dǎo)入極性基團(tuán);二是提高XLPE的表面能;三是提高XLPE線芯表面粗糙度;四是降低消除絕緣線芯表面的弱界面層。

目前塑料包裝行業(yè)面臨同樣的問題，PE塑料在包裝行業(yè)大量地應(yīng)用，一般包裝行業(yè)對PE塑料表面處理方法有火焰處理、氣體熱氧化、等離子法等。是否能把包裝行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于線纜行業(yè)呢?基于以上考慮我們對其處理方法進(jìn)行了分析，初步認(rèn)為等離子法比較適用于線纜行業(yè)。等離子技術(shù)是近年來發(fā)展較快的表面處理方法，下面對其工作原理進(jìn)行簡要介紹。

2.1 等離子的特征

等離子體是由電子、正離子和中子(包括不帶電的粒子，如原子、分子、原子團(tuán)等)所組成。對外界呈電中性的電離氣體。等離子體被稱為除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。實(shí)際上，在熱力學(xué)溫度不為零的任何氣體中，都有一定量的原子會發(fā)生電離。但只有當(dāng)大量的原子發(fā)生電離，其帶電粒子密度足夠大時，才會對其性能產(chǎn)生明顯影響。

2.2 等離子表面處理的原理

常壓等離子體是常壓放電(輝光、電暈、高頻和微波等)產(chǎn)生的電離氣體。在電場作用下，氣體中的自由電子從電場獲得能量成為高能量電子。這些高能量電子與氣體中的分子、原子碰撞。如果電子的能量大于分子或原子的激發(fā)能，就會產(chǎn)生激發(fā)分子或激發(fā)原子自由基、離子和具有不同能量的輻射線。常壓等離子體中的活性粒子具有的能量一般都接近或超過C—C鍵或其它含有C鍵的鍵能，通過離子轟擊或注入聚合物的表面，產(chǎn)生斷鍵或引入官能團(tuán)，使表面活性化以達(dá)到改性的目的。

(1)增加表面粗糙度。在等離子體的作用下材料表面的一些化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，形成小分子產(chǎn)物或被氧化成CO或CO2等，這些產(chǎn)物被壓縮空氣帶走，使材料表面變得凹凸不平，粗糙度增加。

(2)使材料表面活化。在等離子體作用下，材料表面出現(xiàn)部分活性原子、自由基和不飽和鍵，這些活性基團(tuán)與等離子體中的活性粒子接觸會反應(yīng)生成新的活性基團(tuán)。但是，帶有活性基團(tuán)的材料會受到氧的作用或分子鏈運(yùn)動的影響，使表面活性基團(tuán)消失，因此經(jīng)等離子處理的材料表面活性具有一定的時效性。

(3)材料表面發(fā)生接枝反應(yīng)。在等離子體對材料表面改性中，由于等離子體中活性粒子對表面分子的作用，使表面分子鏈斷裂產(chǎn)生新的自由基、雙鍵等活性基團(tuán)，隨之發(fā)生表面交聯(lián)、接枝等反應(yīng)。這一結(jié)果通過電子顯微鏡掃描觀察到。

(4)不改變材料性能。經(jīng)等離子處理的材料改性僅發(fā)生在材料表層(10－10～10－6m之間)，不影響基材固有性能，且處理均勻。

3 工藝驗(yàn)證

3.1 設(shè)備選型

通過以上的分析，我們決定采用等離子技術(shù)對XLPE絕緣線芯進(jìn)行處理?？梢詰?yīng)用于線纜行業(yè)的等離子設(shè)備主要有兩種，技術(shù)參數(shù)見表1。直噴頭式具有輕便靈活、不占用空間、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但由于絕緣線芯與處理火焰接觸時間較短，要求擠出機(jī)的線速不能太快;陶瓷桿式增加了絕緣線芯處理時間，提高了處理效果，但陶瓷桿式采用箱體結(jié)構(gòu)需要生產(chǎn)線上具有足夠的空間。由于公司擠出生產(chǎn)設(shè)備不具有足夠的空間，因此決定采用直噴式等離子處理設(shè)備。

表1 等離子設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.2 工藝試制

由于XLPE絕緣線芯印字主要應(yīng)用于6 mm2及以下導(dǎo)體，因此采用 50擠出機(jī)組進(jìn)行試制。試制條件:導(dǎo)體規(guī)格2.5 mm2;XLPE絕緣料;普通油墨;擠出機(jī)線速度80～120 m/min。等離子處理設(shè)備放置于印字輪前200～500 mm處，噴嘴距離絕緣線芯5～10 mm，使絕緣線芯位于黃色火焰正上方。通過調(diào)整等離子處理設(shè)備輸出功率，分別在700～900 W之間進(jìn)行測試，根據(jù)印字效果確定最佳輸出功率。經(jīng)過等離子處理設(shè)備處理過的絕緣線芯表面印字清晰、牢固。

3.3 試驗(yàn)測試

對處理后的絕緣線芯按DIN ISO 8296標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行了表面張力測試，測得材料表面張力為42～48 dyn/cm;按GB/T 6995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求對印字進(jìn)行擦拭試驗(yàn)，經(jīng)過20次擦拭后字跡仍然清晰可見。處理前后數(shù)據(jù)對比情況見圖1、圖2。

圖1 絕緣線芯處理前后的表面張力

4 結(jié)束語

圖2 處理前后印字擦拭次數(shù)

通過以上分析及試驗(yàn)，證實(shí)了等離子表面處理技術(shù)能夠活化XLPE表面，提高印字效果，其具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)改性僅發(fā)生在材料表面層，不影響材料固有性能，且處理均勻性好;

(2)處理時間短，溫度低，適用于快速的連續(xù)化生產(chǎn)線;

(3)工藝簡單，操作方便。

［1］董高峰.難粘塑料的表面處理［J］.有機(jī)氟工業(yè)，2005(3):26-28.

［2］馬立群.難粘高分子材料表面處理技術(shù)［J］.化學(xué)與黏合，1999(1):23-36.

［3］李德元，趙文珍，董曉強(qiáng)，等.等離子技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:1-2.