淺談交聯聚乙烯絕緣線芯的印字

遲先吉

(興樂集團有限公司，浙江溫州325604)

0 引言

線纜行業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進行判定:一是油墨附著力，印字牢固主要在于油墨與交聯聚乙烯(XLPE)之間的親和性，這就要求油墨表面附著力必須達到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干燥方式實現的，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。

1 印字困難的原因

1.1 非極性的分子結構

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分子結構對稱排列緊密，不含有極性基團，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的基本條件是必須形成熱力學的黏附狀態。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)，其關系可用楊氏公式表示:γs=γsL+γLcosθ。

熱力學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。這種功稱為熱力學粘附功，熱力學粘附功(W)與表面張力的關系為:W=γs+γL－γsL=γL(1+cosθ)。潤濕接觸角是指在固、液、氣三相接觸達到平衡時，三相接觸周邊的任一點上，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θ=0，完全潤濕;當 θ＜90°，部分潤濕或潤濕;當θ=90°，是潤濕與否的分界線;當 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塑料除了結構上的原因外，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，以及加工儲運過程中所帶入的雜質等。這類小分子物質極容易析出，匯集于塑料表面，形成強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行處理和研究開發新型油墨來實現。開發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入極性基團;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。

目前塑料包裝行業面臨同樣的問題，PE塑料在包裝行業大量地應用，一般包裝行業對PE塑料表面處理方法有火焰處理、氣體熱氧化、等離子法等。是否能把包裝行業的經驗應用于線纜行業呢?基于以上考慮我們對其處理方法進行了分析，初步認為等離子法比較適用于線纜行業。等離子技術是近年來發展較快的表面處理方法，下面對其工作原理進行簡要介紹。

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、液態、氣態外，物質存在的第四態。實際上，在熱力學溫度不為零的任何氣體中，都有一定量的原子會發生電離。但只有當大量的原子發生電離，其帶電粒子密度足夠大時，才會對其性能產生明顯影響。

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能，就會產生激發分子或激發原子自由基、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，產生斷鍵或引入官能團，使表面活性化以達到改性的目的。

(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鍵發生斷裂，形成小分子產物或被氧化成CO或CO2等，這些產物被壓縮空氣帶走，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，材料表面出現部分活性原子、自由基和不飽和鍵，這些活性基團與等離子體中的活性粒子接觸會反應生成新的活性基團。但是，帶有活性基團的材料會受到氧的作用或分子鏈運動的影響，使表面活性基團消失，因此經等離子處理的材料表面活性具有一定的時效性。

(3)材料表面發生接枝反應。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生新的自由基、雙鍵等活性基團，隨之發生表面交聯、接枝等反應。這一結果通過電子顯微鏡掃描觀察到。

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

3 工藝驗證

3.1 設備選型

通過以上的分析，我們決定采用等離子技術對XLPE絕緣線芯進行處理。可以應用于線纜行業的等離子設備主要有兩種，技術參數見表1。直噴頭式具有輕便靈活、不占用空間、價格便宜等優點，但由于絕緣線芯與處理火焰接觸時間較短，要求擠出機的線速不能太快;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構需要生產線上具有足夠的空間。由于公司擠出生產設備不具有足夠的空間，因此決定采用直噴式等離子處理設備。

表1 等離子設備技術參數

3.2 工藝試制

由于XLPE絕緣線芯印字主要應用于6 mm2及以下導體，因此采用 50擠出機組進行試制。試制條件:導體規格2.5 mm2;XLPE絕緣料;普通油墨;擠出機線速度80～120 m/min。等離子處理設備放置于印字輪前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。通過調整等離子處理設備輸出功率，分別在700～900 W之間進行測試，根據印字效果確定最佳輸出功率。經過等離子處理設備處理過的絕緣線芯表面印字清晰、牢固。

3.3 試驗測試

對處理后的絕緣線芯按DIN ISO 8296標準規定的方法進行了表面張力測試，測得材料表面張力為42～48 dyn/cm;按GB/T 6995標準規定的要求對印字進行擦拭試驗，經過20次擦拭后字跡仍然清晰可見。處理前后數據對比情況見圖1、圖2。

圖1 絕緣線芯處理前后的表面張力

4 結束語

圖2 處理前后印字擦拭次數

通過以上分析及試驗，證實了等離子表面處理技術能夠活化XLPE表面，提高印字效果，其具有如下優點:

(1)改性僅發生在材料表面層，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，適用于快速的連續化生產線;

(3)工藝簡單，操作方便。

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

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