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1. 前言
塑膠產品常會有印刷、噴漆、貼標籤、真空濺鍍等表面製程(圖1)。基本上,所有塑膠制品都可以進行這樣的加工,但其中有些材料需要進行表面處理才能做這些加工,而另外一些則可以直接進行表面製程加工。

塑膠根據其極性可分為極性材料和非極性材料。油漆噴塗在極性塑膠上後就具有良好的附著力(結合力)。因此,極性塑膠可以直接進行噴漆。
然而,對於非極性材料,油漆不能直接噴塗到塑膠表面或是塑膠印刷附著不良,它們與油漆(油墨)之間缺乏親和力。因此,在噴漆之前,需要對非極性塑膠表面進行活化處理。經過表面活化後,非極性塑膠才能進行噴漆。常表面活化的方法包括打磨、火焰處理、電暈處理以及使用活化劑等。
2. 塑膠的極性與非極性
聚合物可分為極性聚合物和非極性聚合物(圖2),但這種聚合物的分類方法比較籠統而且並不容易界定。主要是稱聚烯烴類(聚乙烯,聚苯乙烯等)為非極性聚合物,而稱側鏈含有極性基團的聚合物為極性聚合物。一般情況下,可根據聚合物上帶的官能團的性質來判別,如帶有醯胺基團、腈基、酯基、鹵素等的聚合物都具有極性,而聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等分子鏈上沒有極性基團,因此聚合物也沒有極性。

由於電負度的影響,高分子材料會產生極性和非極性的特性。然而,塑膠材料表面若為非極性和不相溶的介面,會產生溶劑型油墨難以附著造成塑膠噴漆或是塑膠印刷不良。此外,塑膠材料中添加的成分經常會浮出表面,因此也會出現無法實際連接的情況。以下是有關於電負度和極性分子的影片說明。
● 108新課綱 高中選修化學 11-3【觀念】電負度
● 極性分子與非極性分子
● 選化上 2-3 鍵極性及極性分子
● 2-3.1鍵與分子的極性29_化學鍵的極性
3. 表面張力
非極性的高分子有機化合物,由於其臨界表面張力小,惰性強,因此與油墨的親和性很差。此外,塑膠產品的表面能越低,其表面張力也越小,越不易被液體所浸潤。因此,在進行膠接、塗裝、電鍍、表面濺鍍等第二次加工前,需要進行表面處理,以改善表面狀態和性能,增大界面結合力。
●【Fun科學】表面張力分析
● 高中物理-表面張力
4. 塑膠材質表面處理
除了使用專屬的油墨或是底塗處理劑使油墨塗層與底材(塑膠產品/薄膜)表面形成良好的結合力外,另外一個方式就是進行材料的表面處理。
在非極性的塑膠底材(塑膠產品/薄膜)表面引入極性基團,改變塑膠底材表面的化學結構,提高塑膠底材表面的極性以及表面能,降低其表面的結晶度,提高表面層的內聚強度,既有利於改進油墨和膠黏劑在其表面的潤濕性能,又增加了兩者分子間的作用力,從而提高油墨和膠黏劑在其表面的附著性,以保證生產的順利進行。同時,塑料的表面處理工序是非極性塑料噴塗工藝中重要的環節,表面處理的好壞直接影響了其表面油漆塗層在底材上的附著的效果。
目前提高非極性底材(塑膠產品/薄膜)附著力的方法有:燃燒火焰法、等離子體(電漿)、表面打磨法或電暈處理等,其中目前最為常用的就是電暈處理法。電暈處理是利用尖端放電的原理,採用高頻高壓或中頻高壓對塑膠底材表面進行處理,使其表面活化,呈多孔性,增加了表面積並提高了對油墨和膠黏劑的粘結力,同時使塑膠底材表面發生氧化,提高了塑膠底材的表面能,從而改善塑膠底材的印刷適性和複合性能。
● 曲面塑膠表面火焰處理機
● 氣電漿技術
● 電暈機 【電暈處理機】
5. 檢測材料表面達因值
用於測定薄膜或塑件受表面處理後的效果(等離子表面處理/火焰表面處理/電暈表面處理),使用達因筆能準確地測試出塑膠薄膜之張力是否達到試筆的數值(圖3),令使用者清楚瞭解此薄膜(或塑膠材質)是否適合於印刷、噴塗、或真空濺鍍,有效地控制質量及減少因材質不合格所造成的損失。

達因值測量的是表面上水滴的側面角度(圖4)。如果水滴在表面形成小水珠,則表面的達因值低。如果水珠變平了,則該表面的達因值較高。
達因值可以表明材料表面有多少能量值。達因值越高,表面能量越多,因此表面也就越容易接受油墨。如果表面達因值過低,油墨就無法乾透並會剝落。不過,如果達因值過高,則會在印刷過程中造成靜電現象。

● 水滴角值量測
● 如何使用達因筆-測定表面張力(DYNE)
● 觀念04力的單位-牛頓、達因、公斤重、公克重
6. 案例討論
以下是有關於達因筆以及表面處理的應用討論。


☆ 其他參考資料及文章
● 塑膠材質大補帖-基本概念篇
https://www.lcpf.com.tw/tw/knowledge/plastic-material/003?page=1&rtnKind=plastic-material
● Polar and Nonpolar Molecules
https://sciencenotes.org/polar-and-nonpolar-molecules/