YÜZEY GERİLİMİNİN ÖNEMİ Ambalaj sanayinde, ambalaj malzemesi olarak kullanılan malzemelerin üzerine basılan mürekkebin malzemeye yapışması, ambalajın kullanım alanına ve kullanım şartlarına uygunluğunun test edilmesi aşamasında önemli bir faktördür. Mürekkebin, kullanılan polimerik yapıdaki filmlere yapışmasına etki eden faktörler incelendiğinde mürekkebin yapısından, malzemenin özelliklerine, uygulama şartlarına ve/veya ortam şartlarına göre değişen etkiler tespit edilebilir. Yapışma (adezyon) mürekkep ile polimerik film arasında oluşan etkileşimin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin tümüne bağlıdır diyebiliriz. Gelişen teknoloji ve kullanım amaçları zamanla yeni ürünlerin geliştirilmesini ve tüketiciye sunulmasını desteklemekle birlikte farklı seçenekler içerisinden tercih edilebilmek için görselliğin ön plana çıktığı ambalajın da aynı oranda gelişmesini ve yenilenmesinin gerekliliğini de yanında getirmiştir. Genel anlamda ambalaj sanayinde kullanılan başlıca polimerik malzemeler; Poli Etilen (PE) Poli Propilen (PP) Gerdirilmiş Poli Propilen (tek veya çift yönlü) (OPP ve BOPP) İşlenmiş poli propilen (Metalize OPP ve Sedefli OPP) Polyester Naylon (PA) Polistiren Polivinilklorür (PVC) dir. Bu malzemelerin ortak özelliği polimerik yapıda olmalarının yanı sıra yüzeylerinin emici olmamasıdır. Bu yüzeylere uygulanan mürekkep, lak ve laminasyon tutkalı gibi kimyasallar, fiziksel ve kimyasal kuruma sonrası kürlenerek yüzeyde sürekli film oluşturmakta ve baskı malzemesine yapışmayı sağlamaktadır. Yüzey üzerinde sürekli film oluşturan mürekkep, lak ve tutkallar, polimerik yüzey malzemesi ile birlikte hareket etmekte, onunla aynı şartlarda fiziksel ve kimyasal etkilere maruz kalmaktadırlar. Bu sebeple yüzeye iyi adezyon vermeleri bu etkilere karşı koyabilmeleri için büyük önem taşımaktadır. Esnek ambalaj sanayinde kullanılan mürekkeplerin yapısında; Selülozik (NC) Poliamid (PA) Poliüretan (PU) Polivinil Butiral (PVB) Polivinilklorür (PVC) Maleik Keton aldehit Modifiye rosin
Termoplastik akrilik Su bazlı akrilik reçine dispersiyon ve emülsiyonları yanı sıra uygulama ve kullanım şartlarının gereklerine göre bu reçinelerin değişik kombinasyonları da yer almaktadır. Kompozit ambalaj malzemeleri, farklı ışık, nem, oksijen geçirgenliği gibi kimyasal özellikleri yanında, farklı yırtılma direnci, elastikiyet gibi fiziksel özelliklere sahip malzemelerin, ambalaj içerisine konulacak ürünün gerekliliklerini sağlayacak farklı kombinasyonlarda bir araya getirilmesiyle oluşurlar. Farklı özelliklere sahip polimerik malzemelerin bir araya getirilmesi, ambalaj malzemesine farklı özellikler katmasının yanında ekonomik oluşu nedeniyle de tercih görebilmektedir. Mürekkep, ters ve düz baskı uygulamalarının yanı sıra laminasyon işlemine de tabi tutulabilir. Yapılan bu işlemlerin kalitesi, mürekkep, laminasyon tutkalı ve polimerik film malzeme arasında oluşacak adezyon kuvveti ve dolayısıyla malzemelerin yüzey gerilim katsayıları ile doğrudan bağlantılıdır. Şekil 1: Ters baskı, düz baskı ve Laminasyon uygulamaları. Şekil 1 de görüleceği üzere ideal hal ve gerçek hal arasında fark vardır. Genelde göz ardı edilen ara faz katmanları adezyonun iyi veya kötü olmasında en önemli faktörlerdir. İyi adezyonun oluşmasını sağlayan ve yüzey işlemlerinden sonra malzeme yüzeyinde oluşan çeşitli kimyasal gruplar olabildiği gibi, adezyonu kötüleştirecek zayıf sınır katmanları da olabilir.
Adezyon teorisi oldukça karmaşık olup, birbirinden farklı adezyon olgularını açıklayabilecek evrensel bir formül yoktur. Yüzey alanının büyük olması ve yüzeyin pürüzlü olması mekanik adezyonun iyi olması için gerekli bir durum olmasına rağmen yeterli değildir. Pürüzlü malzemede önemli olan, pürüzlülüğü yaratan mikroskobik boşlukların doğru bir şekilde doldurulmasıdır. Bu boşluklarda kalabilecek hava moleküllerinin adezyonu olumsuz etkileyeceği unutulmamalıdır. YAYILMA VE YÜZEY ENERJİSİ Mürekkep ve polimerik malzemelerin çokça kullanıldığı ambalaj sektöründe geçerli olan adezyon teorisinin temeli, yüzey enerjisi veya adzorpsiyon teorisidir. Bu teorinin temelini yüzey enerjileri ve kendiliğinden yayılma oluşturur. Bu teorinin anlaşılabilmesi için yüzey temas açısı nın anlamının açıklanması gerekir. Şekil 2.a Şekil 2.b Katı bir yüzey üzerinde duran sıvı damlacığının, katı yüzey ile yaptığı sonlu temas açısı Şekil 2.a da görülmektedir. Sıvı-Katı, Sıvı-Gaz ve Katı-Gaz fazları arasındaki yüzey gerilimleri γ ile gösterilmektedir. Katı, sıvı ve gaz ortamları arasındaki bağıntı, Young denklemine göre
γ KG - γ KS = γ SG cos θ olarak verilebilir. Şekil 2.b de farklı sıvı taneciklerinin katı yüzeyiyle yaptığı değişik açılar görülmektedir. Yayılma katsayısı (S), katı, sıvı ve gaz fazların yüzey gerilimleri arasındaki farkla hesaplanır. Buna göre denklem S > 0 ise yayılma oluşur S < 0 ise yayılma oluşmaz. S= γ KG - γ SG - γ KS olarak yazılabilir. Denklemin sonucuna göre; Diğer bir deyişle sıvının katı yüzeyinde yayılabilmesi için, sıvının yüzey geriliminin katının kritik yüzey gerilimi değerine eşit veya küçük olmalıdır. Adezyon için gerekli iş miktarı; W A = γ KG + γ SG - γ KS şeklinde formüle edilebilir. Gerekli iş miktarının maksimize olması adezyonun iyi olmasını sağlayacaktır. Bunun için γ KG ve/veya γ SG değerlerinin yükseltilmesi ya da γ KS değerinin düşürülmesi gerekli iş miktarının maksimize edecektir. Bu amaçla γ KG ve/veya γ SG değerlerinin yükseltilmesi; yüksek yüzey enerjisine sahip katı yüzey veya yüksek yüzey enerjisine sahip sıvı kullanarak sağlanabilir. Ancak, γ SG değerinin yükselmesi, yayılma katsayısı S in negatif değere ulaştırması dolayısıyla kendiliğinden yayılmayı engelleyeceği için tercih edilmeyecektir. Katı ve gaz fazları arasındaki yüzey geriliminin arttırılması, yüzeyde bulunan serbest enerji miktarının arttırılmasıyla mümkün olmaktadır. Yüzey ön-işlemleri olarak tanımlanan bu işlemlerden birisi de korona işlemidir. KORONA İŞLEMİ Polipropilen, polietilen, polyester gibi polimerik malzemelerin düşük olan yüzey enerjilerini arttırmak için yüzey ön işlemleri, diğer adıyla korona işlemi uygulanır. Teflon, naylon, PET malzemelerin yüzey enerjileri düşükken, seramik, cıva, elmas gibi malzemelerin yüzey enerjileri oldukça yüksektir. Tablo 1: Bazı polimerik malzemelerin yüzey gerilim değerleri.
Tablo 2: Bazı sıvıların yüzey gerilim değerleri Ambalaj sektöründe sık kullanılan bazı polimerik yüzeyler ile bazı sıvıların yüzey gerilim enerjileri Tablo 1 ve 2 de görülmektedir. Korona işlemi sırasında polimerik filmlere uygulanan elektrik arkı, havadaki molekülleri aktif gruplara dönüştürerek, yüzeyde karbonil, hidroksil, nitrat ve nitrat esteri gibi iyonların oluşmasını sağlar. Oluşan bu gruplar yüzeyde ara faz katmanı oluşturarak adezyon kuvvetini arttırır. Ancak polimerik yüzeylerde antioksidan ve kayganlaştırıcılar gibi performans arttırıcılar kullanılmışsa ve korona işlemi bu maddeleri oksitleyecek ve zayıf sınır katmanlarının oluşmasına neden olacaktır ki bu da adezyonun olumsuz etkilenmesine yol açacaktır. Korona dozlamasının yüksek olması da aynı etkiyi yaratacağı için adezyon yine olumsuz etkilenecektir. Yüzeye aşırı enerji yüklemesi yapılması polimer zincirini parçalayarak düşük molekül ağırlıklı zayıf sınır katmanlarının oluşmasına sebep olacaktır. Teoride adezyonun iyi olmasına rağmen, polimer bağ kuvvetleri zayıflaması nedeniyle uygulamada zayıf adezyon veya arka verme sorunlarının yaşanmasına yol açar. Aşırı korona yüklemesi oluşacak polar moleküller nedeniyle nem direncinin ve ısıl yapışma kabiliyetinin de düşmesine yol açacaktır. Yüzeye uygulanan korona işlemi sırasında az enerji verilmesi kadar fazla enerji verilmesi de adezyon üzerinde olumsuz etkilere yol açmaktadır. Baskı öncesi veya baskı sırasında korona işlemi uygulamadan, polimerik malzemenin korona değerinin yüzey enerji kontrol sıvıları ile kontrol edilmesi gereksiz yere yüzeye enerji yüklenmesini önleyerek, adezyonun olumsuz etkilenmesinin önüne geçilmesine yardımcı olacaktır. Korona kalamleri ile yapılacak kontrollerin yanıltabileceği, korona kontrol sıvıları kullanılmasının daha doğru sonuçlar verdiği unutulmamalıdır. Polimerik malzemeye uygulanan mürekkep veya tutkalın kuruma ve kürlenme sürecinde iç gerilimin oluşması mürekkep veya tutkalın yapısında yer değiştirmeler sonucu mikro çatlaklar oluşmasına ve adezyon kaybına neden olur. Yüzeyin fiziksel ve kimyasal yapısı, temizliği, yüzeye uygulanmış enerjinin türü ve miktarı, yüzeye uygulanan mürekkep ve tutkalların kimyasal yapıları, formülasyonları, kuruma ve kürlenme mekanizmaları ve bu esnada oluşan iç gerilimleri mürekkep ve film arasında oluşan adezyonu etkileyen faktörler olarak öne çıkmaktadır. Sonuç olarak polimerik yüzeylerde adezyonun iyileştirilmesi için, yüzeyin fiziksel ve kimyasal yapısına uygun yüzey işlemi (fiziksel veya kimyasal korona işlemi) doğru yayılmayı ve ıslanmayı sağlayacak mürekkep veya tutkal yapısı, yüzeyde oluşabilecek zayıf sınır katmanlarının yok edilmesi ve gereken durumlarda mürekkep veya tutkal üreticilerinin önerisi doğrultusunda adezyon arttırıcı katkı maddelerinin kullanılması gerekmektedir.
Kaynaklar: (Alfabetik sıralanmıştır) 1. www.adhesives.org 2. www.allbusiness.com 3. www.colloidaldispersions.com 4. www.specialchem4adhesives.com