基于聚乙烯木塑復(fù)合材的水披覆轉(zhuǎn)印法裝飾1)

韋雙穎 蔡瑩瑩 楊黎 張宇 余華 李松林 王亞寧

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

基于聚乙烯木塑復(fù)合材的水披覆轉(zhuǎn)印法裝飾1)

韋雙穎 蔡瑩瑩 楊黎 張宇 余華 李松林 王亞寧

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

為提高水披覆轉(zhuǎn)印法裝飾的聚乙烯(PE)木塑復(fù)合材表面裝飾效果和附著力，從分析水披覆轉(zhuǎn)印膜正反面的接觸角、潤濕速率入手，結(jié)合等離子體處理手段，探究了處理時(shí)間、表面張力、附著力等因素對(duì)轉(zhuǎn)印效果的影響，得出基于PE木塑復(fù)合材的水披覆轉(zhuǎn)印法裝飾最佳工藝過程及參數(shù)。結(jié)果表明：正面潤濕速率較小而反面潤濕速率較大的轉(zhuǎn)印膜轉(zhuǎn)印效果較佳；等離子體處理時(shí)間為15 min最佳，PE木塑基材表面和底漆面的表面張力分別提高至48、46 mN·m-1，木塑表面的漆膜附著力可達(dá)0級(jí)；經(jīng)轉(zhuǎn)印膜裝飾后的PE木塑表面帶有實(shí)木紋理，色澤飽滿，明顯改善了裝飾性和實(shí)用性。

聚乙烯木塑復(fù)合材；水披覆轉(zhuǎn)??；表面張力；附著力；裝飾效果

聚乙烯(PE)木塑復(fù)合材是由木材/天然纖維和聚乙烯塑料組成，再添加助劑，經(jīng)擠出、注射或壓制等工藝使其成型，制作而成的一種高性能、高附加值的環(huán)保型材料，主要用于室內(nèi)家具、汽車內(nèi)飾、包裝運(yùn)輸及裝飾材料等方面[1-4]。由于PE木塑復(fù)合材料是人工合成的，表面缺乏裝飾性，筆者用水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)裝飾PE木塑表面，即用帶有木紋的轉(zhuǎn)印膜在水壓的作用下披覆在木塑材料表面，不受被承印物形狀及材料的限制，進(jìn)行整體披覆裝飾，使PE木塑表面呈現(xiàn)如實(shí)木的紋理和色澤，達(dá)到美觀和實(shí)用的效果[5-7]。水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)工藝簡單，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)，運(yùn)用其技術(shù)裝飾PE木塑材料表面在節(jié)約木材資源方面具有環(huán)保性。

但目前的水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)面臨一些生產(chǎn)實(shí)際問題，如轉(zhuǎn)印膜與承印物表面貼合不完全、水洗或干燥過程中轉(zhuǎn)印膜出現(xiàn)破損、轉(zhuǎn)印后產(chǎn)品表面附著力低等問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)印產(chǎn)品成品率降低，影響實(shí)際應(yīng)用[8]。分析主要原因在于PE木塑基材表面與底漆、底漆面與轉(zhuǎn)印膜等界面之間的表面活性較低、粘接性較差，難以達(dá)到良好的附著力；另一方面，水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)所用轉(zhuǎn)印膜的性能直接影響轉(zhuǎn)印產(chǎn)品的效果，如親水性、潤濕性及在水中的張力等因素，有效篩選最佳轉(zhuǎn)印膜可以提高木塑表面的裝飾效果、附著力和轉(zhuǎn)印產(chǎn)品的成品率。

本研究提出用等離子體處理PE木塑基材表面及底漆面，以期改善各表面的表面活性，通過引入羥基和羧基，達(dá)到增強(qiáng)表面粘接性、親水性和清潔等目的[9-11]。從等離子體處理后的PE木塑基材表面、底漆面的表面張力值入手，對(duì)比分析處理后表面活性的變化與轉(zhuǎn)印后轉(zhuǎn)印膜與PE木塑表面附著力的關(guān)系。通過掃描電鏡觀察等離子體處理后的PE木塑基材表面狀態(tài)的變化，確定較佳的處理時(shí)間，對(duì)比3種不同來源的轉(zhuǎn)印膜對(duì)PE木塑基材的披覆效果，遴選最佳表面張力、潤濕性、附著力等參數(shù)，使得水披覆轉(zhuǎn)印后的PE木塑基材表面具有最佳的裝飾效果。

1 材料與方法

PE木塑基材、熱塑丙烯酸清漆、轉(zhuǎn)印膜、活化劑、達(dá)因筆、PP處理劑。實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

基材等離子體處理：將打磨預(yù)處理后的試件放入等離子體清洗機(jī)進(jìn)行氧氣電暈放電處理，真空度為0.3～1.0 MPa，氣體流量為30～60 mL/min，溫度40～50 ℃，時(shí)間10～25 min。

水披覆轉(zhuǎn)印工藝主要包括3個(gè)步驟：①木塑基材的預(yù)處理。用砂紙打磨木塑試件表面，獲得光滑表面后噴涂PP處理劑，以活化基材表面，然后放入等離子清洗機(jī)處理。②水披覆轉(zhuǎn)印。將等離子體預(yù)處理后的木塑復(fù)合材料試件表面噴涂底漆后靜置待轉(zhuǎn)印，恒溫水轉(zhuǎn)印上膜槽內(nèi)注入適量的清水，設(shè)置水溫30～42 ℃；水轉(zhuǎn)印膜平鋪在恒溫上膜槽水面，當(dāng)轉(zhuǎn)印膜逐漸溶解至平展時(shí)在其表面噴涂適量的活化劑，將待轉(zhuǎn)印木塑試件傾斜壓入水中，把所需的木紋圖案轉(zhuǎn)印到木塑試件的表面，然后水洗、干燥。③后處理。對(duì)轉(zhuǎn)印后的產(chǎn)品表面噴涂面漆、干燥，以保護(hù)、美化產(chǎn)品表面。

潤濕性：用接觸角測量儀對(duì)不同來源的3種轉(zhuǎn)印膜正反兩面測量初始接觸角和60 s時(shí)接觸角數(shù)值，轉(zhuǎn)印膜圖文層朝上為正面，接觸水的一面為反面。計(jì)算初始接觸角θ0和60 s時(shí)接觸角θ1的潤濕速率，潤濕速率=(θ1-θ0)/60[12]，測量3次取平均值。

表面張力：用達(dá)因筆分別測量PE木塑基材未處理表面、噴涂PP處理劑與等離子體處理后的表面張力值，研究經(jīng)3種不同處理手段的PE木塑基材表面張力的變化與附著力的關(guān)系。

附著力：依照GB/T 4893.4—2013標(biāo)準(zhǔn)采用劃格測量方法，0級(jí)最好，5級(jí)最差，對(duì)PE木塑基材表面涂覆的漆膜進(jìn)行附著力評(píng)價(jià)。

掃描電鏡(SEM)：截取待測PE木塑基材制成2 cm×2 cm的樣品，并粘貼在載物臺(tái)上，真空濺射鍍金后在掃苗電鏡下觀察，放大倍數(shù)為10 000倍[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)印膜的潤濕性對(duì)PE木塑基材轉(zhuǎn)印效果的影響

影響轉(zhuǎn)印質(zhì)量和樣品表面附著力的關(guān)鍵因素在于轉(zhuǎn)印膜，轉(zhuǎn)印膜的潤濕性影響其在水中的延展程度，并關(guān)系著PE木塑基材表面的轉(zhuǎn)印效果。轉(zhuǎn)印膜的潤濕性過高，在水中的延展程度過大，轉(zhuǎn)印膜舒展程度過大，圖文難以完整地披覆在材料表面，轉(zhuǎn)印后效果如圖1a所示；轉(zhuǎn)印膜的潤濕性較低，導(dǎo)致在水中未能完全舒展，轉(zhuǎn)印后的表面出現(xiàn)破損小洞，轉(zhuǎn)印后效果如圖1b所示；轉(zhuǎn)印膜的潤濕性適宜，圖文保持完整，轉(zhuǎn)印效果良好如圖1c所示。

a.潤濕性過高 b.潤濕性較低 c.潤濕性適宜

圖1 轉(zhuǎn)印效果圖

轉(zhuǎn)印膜的圖文層面朝上為正面，接觸水的一面為反面。對(duì)3種不同來源的轉(zhuǎn)印膜標(biāo)號(hào)為1、2和3號(hào)，試驗(yàn)測量轉(zhuǎn)印膜正反兩面的接觸角。由表2可以看出轉(zhuǎn)印膜的接觸角隨時(shí)間延長呈遞減的趨勢，1號(hào)轉(zhuǎn)印膜相比于其他兩種轉(zhuǎn)印膜正反兩面的接觸角較高，正面0～60 s接觸角遞減幅度小，而反面1號(hào)轉(zhuǎn)印膜和3號(hào)的接觸角遞減幅度較大。測量轉(zhuǎn)印膜在單位時(shí)間內(nèi)接觸角的變化平均值作為潤濕速率，對(duì)3種轉(zhuǎn)印膜的潤濕效果進(jìn)行了比較。正面的潤濕速率遠(yuǎn)低于反面，1號(hào)數(shù)值最??；反面潤濕速率從大到小依次為3號(hào)、1號(hào)、2號(hào)。轉(zhuǎn)印膜潤濕速率見表3。

轉(zhuǎn)印膜的潤濕性影響PE木塑基材的轉(zhuǎn)印效果，由于轉(zhuǎn)印膜的主要成分是聚乙烯醇，是一種良好的親水性材料，轉(zhuǎn)印膜具有良好的親水性和潤濕性利于其在水中延展，同時(shí)保持自身圖文的完整性。對(duì)比3種轉(zhuǎn)印膜在水中溶解狀態(tài)和披覆在PE木塑基材表面效果，得出由于2號(hào)轉(zhuǎn)印膜正、反兩面的接觸角較低，尤其是反面潤濕速率值偏小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)印膜在溶解階段與水相接觸后未能完全舒展。而1號(hào)轉(zhuǎn)印膜披覆在PE木塑基材時(shí)圖文完整，轉(zhuǎn)印效果良好，因?yàn)?號(hào)轉(zhuǎn)印膜反面潤濕性較高，利于轉(zhuǎn)印膜的徹底延展；而正面潤濕性低，保護(hù)圖文在延展過程中不被破壞，轉(zhuǎn)印到PE木塑基材表面時(shí)具有完整性，且樣品表面漆膜的附著力較佳。

表2 轉(zhuǎn)印膜正面和反面接觸角隨時(shí)間變化規(guī)律

表3 轉(zhuǎn)印膜正面和反面的潤濕速率

2.2 等離子體處理對(duì)PE木塑基材表面張力的影響

為提高水披覆轉(zhuǎn)印膜在PE木塑基材表面的附著力，除考慮轉(zhuǎn)印膜本身的影響外，還要提高各粘接界面的表面張力，增強(qiáng)兩相界面之間的粘接性，如PE木塑基材表面與底漆界面、底漆面與轉(zhuǎn)印膜界面。PE木塑基材表面張力增加，利于底漆附著；而底漆面表面張力增加，利于轉(zhuǎn)印膜的附著，最終提高PE木塑樣品裝飾性。

未經(jīng)任何處理的PE木塑基材表面張力值為32 mN·m-1，噴涂PP處理劑后張力值提高至34 mN·m-1；將PE木塑基材直接放入等離子體腔室中處理15 min，表面張力為48 mN·m-1。由表4可知PP處理劑和等離子體可提高PE木塑基材的表面張力，但等離子體比PP處理劑表面張力值的提高幅度大。試驗(yàn)用等離子體處理PE木塑基材，腔室中通入高純度氧氣。PE木塑基材表面活性的增加源于基材表面形成的氧化物，M. Katohet al提出將待測試件放入等離子體清洗機(jī)后，腔室內(nèi)氧離子和電子密度大大降低，是源于PE木塑基材表面被氧化[14]。而基材表面所形成的氧化物則是由PE木塑表面的C—H鍵損耗，與腔體內(nèi)的氧離子結(jié)合生成C—O和CO，從而生成氧化物，提高基材的表面活性。對(duì)比等離子體處理，PP處理劑噴涂在PE木塑基材表面后所形成的氧化物要少得多，提高表面活性的效果遠(yuǎn)不如等離子體。

噴涂底漆后的PE木塑基材表面張力值為32 mN·m-1，經(jīng)等離子體處理后張力值為46 mN·m-1，處理時(shí)間在12～15 min，底漆面的表面張力未發(fā)生變化，底漆面的適宜等離子體處理時(shí)間在12 min左右(見表5)。底漆面表面張力的增加與等離子體處理后的PE木塑基材表面變化原理相同，涂有底漆的PE木塑基材表面被氧化，生成活性物質(zhì)，提高了底漆面的表面活化性能。底漆面活性的增強(qiáng)，利于轉(zhuǎn)印膜的披覆，使底漆與轉(zhuǎn)印膜之間具有良好的粘接性。

表4 PE木塑基材的表面張力值

表5 底漆面等離子體處理的表面張力值

2.3 等離子體處理對(duì)PE木塑基材表面附著力的影響

經(jīng)不同手段處理的PE木塑基材，水披覆轉(zhuǎn)印裝飾后，表面噴涂面漆，放入干燥箱干燥后，測試驗(yàn)樣品表面的附著力。未處理的PE木塑基材表面附著力為4級(jí)，PP處理劑處理后樣品附著力提高至3級(jí)，而等離子體處理后，PE木塑樣品表面附著力達(dá)到0級(jí)，且隨處理時(shí)間的延長附著力等級(jí)有所提高(見表6)。

表6 PE木塑樣品表面附著力

等離子體處理PE木塑基材后表面附著力發(fā)生明顯變化，源于等離子體能有效改善粘接面的表面活性，P.H.G.d. Cademartori et al用等離子處理中密度纖維板發(fā)現(xiàn)，膠黏劑噴涂在等離子體處理后的板材表面，會(huì)出現(xiàn)輕微滲透板表面現(xiàn)象[15]，以此提高膠黏劑與板材的粘接性。

試驗(yàn)參照P.H.G.d. Cademartori的方法，用等離子體處理PE木塑基材表面，以提高PE木塑基材涂覆漆膜的附著力。通過SEM對(duì)PE木塑基材表面進(jìn)行了觀察，放大倍數(shù)為10 000倍，SEM圖如圖2所示。結(jié)果表明：等離子體處理后的PE木塑基材表面形成大量的凹凸不平的溝壑，相比于未處理基材表面，等離子體處理后的PE木塑基材表面粗糙程度增加，以此改善基材表面與底漆、底漆面與轉(zhuǎn)印膜界面的粘接性，提高表面活性，轉(zhuǎn)印后的PE木塑樣品表面附著力確實(shí)達(dá)到最佳效果。隨著等離子體處理時(shí)間的延長，基材表面粗糙程度逐漸增加。但處理時(shí)間過長基材表面輕微開裂，這是由于等離子體在處理樣品表面時(shí)腔體內(nèi)溫度逐漸升高，PE木塑基材表面不斷被氧化，處理時(shí)間過長導(dǎo)致樣品表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋，所以等離子體處理時(shí)間在15 min最佳。

圖2 等離子體處理PE木塑基材表面

2.4 水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)裝飾PE木塑基材工藝

水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)工藝流程：PE木塑基材預(yù)處理→等離子體處理→底漆→等離子體處理→轉(zhuǎn)印→水洗→干燥→面漆。實(shí)驗(yàn)選用PE木塑基材作為承印材料，選用印有木紋的轉(zhuǎn)印膜對(duì)其進(jìn)行表面披覆[16-17]。先對(duì)PE木塑基材進(jìn)行預(yù)處理，把木塑表面打磨光滑，清理灰塵；然后將基材放入等離子清洗機(jī)，處理15 min后噴涂透明丙烯酸樹脂做底漆，放入干燥箱；干燥溫度在50～70 ℃范圍，干燥時(shí)間3～5 min；待底漆表面實(shí)干后，將PE木塑放入等離子清洗機(jī)處理12 min。將轉(zhuǎn)印膜平鋪于恒溫水轉(zhuǎn)印上膜槽水面，圖文層朝上，水溫在30～42 ℃范圍內(nèi)；待轉(zhuǎn)印膜舒展、溶解后噴涂活化劑，油墨層呈游離狀態(tài)。將PE木塑基材傾斜插入水中進(jìn)行轉(zhuǎn)印，圖文完全披覆在木塑表面后進(jìn)行水洗，放入干燥箱；干燥溫度在50～70 ℃范圍，干燥時(shí)間5～10 min；干燥后噴涂透明丙烯酸樹脂面漆。PE木塑基材水披覆轉(zhuǎn)印前后如圖3、圖4所示，可以看出水披覆轉(zhuǎn)印前后PE木塑表面具有明顯差別，轉(zhuǎn)印前表面粗糙，亮度較低，裝飾性較差；經(jīng)轉(zhuǎn)印膜裝飾后的PE木塑表面帶有實(shí)木紋理，色澤飽滿，裝飾效果明顯提高，可達(dá)到仿實(shí)木效果，同時(shí)提高了產(chǎn)品的附加值。

圖3 未經(jīng)裝飾的PE木塑基材樣品

圖4 轉(zhuǎn)印膜裝飾后的PE木塑樣品

3 結(jié)論

應(yīng)用水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)裝飾PE木塑基材表面，從而提高木塑產(chǎn)品的裝飾效果和漆膜的附著力，主要從于以下兩方面著手：一方面選擇合適的轉(zhuǎn)印膜，轉(zhuǎn)印膜的潤濕性、親水性等影響其在水中溶解、延展的狀態(tài)，潤濕性過高或過低導(dǎo)致轉(zhuǎn)印膜上的圖文破損、難以披覆在樣品表面、附著力差等現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)水披覆轉(zhuǎn)印技術(shù)裝飾PE木塑基材的關(guān)鍵在于有效篩選轉(zhuǎn)印膜，使木紋完整地披覆在PE樣品表面，不僅提高水披覆轉(zhuǎn)印產(chǎn)品的成品率，還會(huì)達(dá)到良好的裝飾效果。另一方面應(yīng)用等離子體處理PE木塑基材表面，以此改善其粘接界面的表面活性，提高各層漆膜的粘接性。通過SEM觀察處理后的PE木塑基材表面發(fā)現(xiàn)，隨時(shí)間延長基材表面粗糙度增加，時(shí)間過長導(dǎo)致基材表面破損，處理時(shí)間在15 min最佳。應(yīng)用水披覆轉(zhuǎn)印法裝飾PE木塑表面，裝飾后的木塑產(chǎn)品表面有精美的實(shí)木紋理，附著力和裝飾效果良好，在實(shí)用性、裝飾性上可代替實(shí)木材料應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，具有重要的環(huán)保性意義。

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Decoration Technology with the Water Transfer Printing for Polyethylene Wood Plastic Composite Material//

Wei Shuangying, Cai Yingying, Yang Li, Zhang Yu, Yu Hua, Li Songlin, Wang Yaning

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：82-86.

To improve the surface decoration and adhesion of PE wood plastic composite material, the water transfer printing technology was used to decorate the surface of PE. Contact angle and wetting rate of the printing film were applied to study the effect of plasma treated time, surface tension and adhesion on the transfer printing effect. The optimum technological process and parameters based on PE wood plastic composite material of the water transfer printing technology were figured out. The transfer printing effect was better when the wetting rate was lower on the obverse side and bigger on the reverse side. The best plasma treated time was 15 min. The surface tension of PE wood plastic composite based material and primer were increased to 48 and 46 mN·m-1, respectively, and the adhesion reached a level 0. The surface of PE wood plastic transferred by printing film was with wood grain, bright color and luster, and the decoration and practicality were significantly improved.

PE wood plastic composite material; Water transfer printing; Surface tension; Adhesion; Decorative effect

1)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572017CB19)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生院級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(CL201602)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2013C034)。

韋雙穎，女，1978年2月生，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，副教授。E-mail:dephnewsy@163.com。

2017年2月8日。

TS805

責(zé)任編輯：戴芳天。