UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

FACOLTA' DI INGEGNERIA

Tesi di laureain

Scienze e ingegneria dei materiali

Effetti del trattamento al plasma sulle proprietà di film polimerici per imballaggio flessibile

Relatore Candidato Prof.GIUSEPPE MENSITIERI MARIO CIFELLI

Anno accademico 2006/2007

Introduzione

L’imballaggio flessibile un tempo considerato solo utile a proteggere il prodotto

si è trasformato in un importante strumento di marketing comunicazione e vendita.

Ciò ha determinato l’esigenza di renderlo sempre più attraente, originale e accattivante per conquistare l’attenzione dei consumatori preservando

e migliorando allo stesso tempo la missione originaria.

OGGI

Perché utilizzare la tecnologia del plasma

• Maggiore bagnabilità del film

polimerico per inchiostri, adesivi e

lacche speciali, rispetto ad un

trattamento corona.

• Sostituzione di adesivi a solvente

con adesivi base acqua.

• Deposizione di stati barriera

inorganici con la tecnica del:

Plasma enhanced chemical vapor deposition ( PECVD).

Riduzione di almeno il 25% di solventi nella fase di stampa, assemblaggio e laccatura del prodotto.

Eliminazione totale dei solventi alifatici.

Riduzione di almeno uno strato nel laminato e/o sostituzione con uno di minore impatto ambientale ( a parità di destinazione d'uso ).

Aumento delle proprietà barriera

Materiali analizzati

Impianti pilota utilizzati

Trattatore al plasma a pressione atmosferica

Trattatore al plasma sottovuoto

Analisi effettuate

• Bagnabilità

• Angolo di contatto

• AFM

• COF

• Prove di ancoraggio inchiostro

• Delaminazione

• Spettroscopia IR

• Spettroscopia XPS

• DSC

• Densità ottica

• Permeabilità

32

34

36

38

40

42

44

46

48

no treated He O2 N2 corona Ar

bag

nab

ilità

(m

N/m

) Bagnabilità

Non sono state eseguite prove

BOPP

Atm

osph

eric

pla

sma

Pla

sma

sott

ovu

oto

COF

Non sono state eseguite prove

Atm

osph

eric

pla

sma

Pla

sma

sott

ovu

oto

Relazione bagnabilità - COF

Confrontando i valori della bagnabilità con quelli del COF é

possibile subito dedurre che:

ad un aumento della bagnabilità corrisponde un

aumento del COF, eccezion fatta per il

metallizzato dove il COF non subisce una

variazione eccessiva.

Adesione inchiostro

Nel corso delle nostre prove di adesione sono stati utilizzati due diverse tipologie di inchiostri forniti dalla SunChemical:

• L’inchiostro bianco della linea RTH

• L’inchiostro magenta della linea Sunprop 4A.

Tali prove sono state effettuate seguendo il metodo Giflex n°8, facendo uso di un nastro Comet®. Gli inchiostri sono stati applicati sia tal quali che con gli additivi NT e 2C.

Dalle nostre prove è emerso che:

l'uso di questa tipologia di trattatore al plasma non si presta al miglioramento della reticolazione dell'inchiostro.

Delaminazione Le prove di accoppiamento sono state condotte accoppiando:

• Il film di BOPP metallizzato con la superficie trattata al plasma e non del BOPP;

• Il film di BOPP metallizzato trattato con la superficie trattata al plasma e non del BOPP;

utilizzando due tipologie di adesivi:

• L’adesivo Robond L050 fornito dalla Rohm&Haas; questo è un adesivo base acrilico, solubile in

acqua.

• L'adesivo bi-componente solubile in acetato di etile, fornito dalla Sa.Pi.Ci, costituito da dieci parti di

un poliestere -OH terminato ( Polurene FP 28 ) e una parte di un poliisocianato aromatico ( Polurene

FP 75 ).

Dalle prove di delaminazione si evidenzia che:

i campioni trattati con argon ed azoto consentono di ottenere con l’adesivo solubile in acqua le

stesse prestazioni raggiungibili con l’adesivo a solvente,

mentre il campione trattato con ossigeno mostra una resistenza alla delaminazione inferiore.

Effetti del trattamento al plasma sulla chimica dei

campioni trattati

BOPPBOPP

Campione trattato con il trattatore al plasma a pressione atmosferica

Campione trattato con il trattatore al plasma

sottovuoto

Il campione non trattato presenta un debole segnale di ossigeno, dovuto probabilmente ad una

blanda ossidazione superficiale (comunemente osservata in analisi XPS di campioni analoghi)

e/o alla presenza di additivi di processo (indicata dal segnale di Mg e da quello di N).

L’effetto del trattamento plasma è evidente dal contenuto di ossigeno. In particolare:

i campioni trattati corona ( aria nel caso del trattatore sottovuoto ) e con argon presentano la

maggiore quantità di ossigeno e di azoto in superficie rispetto al campione trattato solo

ossigeno. Le specie prodotte impiegando azoto o argon risultano più stabili,

dando luogo a plasma più ricchi di specie a più alto contenuto energetico, responsabili di un

maggior “etching” della superficie (osservato all’AFM) e al contempo di una produzione di un

maggior numero di specie ioniche impiantabili sul substrato.

Le funzionalità ossigenate introdotte sono molteplici, con presenza di legami carbonio-

ossigeno semplici e multipli ( ossidrili, carbonili, carbossili ). Questo dato conferma

l’aumentata polarità della superficie, con conseguenti effetti su interazioni superficiali

come bagnabilità, adesione, stampabilità.

BOPP BOPP METALLIZZATOMETALLIZZATO

Dall’analisi spettroscopica condotta si è osservato che:

• A basse potenze e portate sembrerebbe non arrecare danni significativi.

• A potenze e portate di gas elevate, il trattamento può erodere completamente il rivestimento metallico del film,

manifestando cosi’ un forte fenomeno di etching.

Danni sul rivestimento metallico di un BOPP metallizzato

trattato plasma con una portata di argon di 10 l/min a

50Wmin/m2

Permeabilità

Sui campioni di BOPP metallizzato si sono eseguite prove di permeabilità

all’ossigeno e al vapor d’acqua per capire se il trattamento al plasma

modifica le proprietà barriera del metallizzato.

Risultati ottenuti dalle prove di permeabilità all'ossigeno

Risultati permeabilità al vapor d'acqua

Conclusioni

Dall'analisi dei campioni sottoposti alle due tipologie di trattatori al plasma è emerso che:

Il trattamento al plasma va ad influire su tutte le proprietà superficiali del materiale ma non

riesce ad influire sul meccanismo di adesione chimica dell'inchiostro:

– Incremento del valore di bagnabilità su tutti e tre i campioni sottoposti alla sperimentazione.

I risultati migliori di bagnabilità si sono avuti utilizzando come gas di lavoro Ar per il trattatore a pressione

atmosferica, mentre per il trattatore sottovuoto i migliori risultati sono stati ottenuti con gas di lavoro Air.

– I campioni trattati con argon ed azoto consentono di ottenere con l’adesivo base acqua le

stesse prestazioni raggiungibili con l’adesivo a solvente,

mentre il campione trattato con ossigeno mostra una resistenza alla delaminazione inferiore.

– utilizzando come gas di lavoro Ar si provoca un sensibile peggioramento delle proprietà

barriera del metallizzato alle alte potenze,

mentre alle basse potenze i valori riscontrati sono confrontabili con quelli di un corona e risultano essere dello

stesso ordine di grandezza del metallizzato non trattato.

– Per il PET si è notata una forte elettrostaticità dopo il trattamento.

– Migliori prestazioni rispetto ad un trattamento corona.

– Il sistema scelto inoltre può essere utilizzato, previa una specifica attività di ricerca

industriale per la scelta dell’atmosfera reattiva e delle condizioni di processo, per la

deposizione di SiOx con la tecnologia del plasma enhanced chemcal vapor deposition

( PECVD ) migliorando la proprietà barriera del film anche di un fattore 10.

– E' da sottolineare che questo processo presenta sensibili margini di miglioramento ed

adattamento alle apparecchiature industriali di cui si vuole dotare in termini di

semplificazione della produzione, affidabilità e riduzione dei costi in quanto è basato

sull’utilizzo di tecnologie dei plasmi reattivi che negli ultimi anni si stanno evolvendo nella

direzione di processi più facilmente attuabili che prevedono l’uso di vuoti meno spinti e

possono essere adatti a processi continui per i prodotti di largo consumo.

– Da un punto di vista ambientale l’adozione di tali sistemi di trattamento superficiale in linea

permette la riduzione dell’uso di materiale ( proprietà barriera più alte ), la riduzione degli

scarti, riduce il consumo di energia ( tali sistemi sono più efficienti di quelli a scarica di tipo

effetto corona) e permette di integrare più funzioni in un unico trattamento ( per esempio la

pulitura la modifica superficiale e/o la deposizione di coatings ).

NON EQUIVALENZA DEI DUE TRATTAMENTI

GRAZIE DELLA VOSTRA

ATTENZIONE