Atmosferik plazma uygulamasının kâğıt ve plastik filmlerin yüzey, geçirgenlik ve basılabilirlik özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of atmospheric plasma application on surface, permeability and printability properties of paper and plastic films
Yazar: SAMED AYHAN ÖZSOY
Danışman: PROF. DR. CEM AYDEMİR ; DOÇ. DR. SAFİYE MERİÇ AÇIKEL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Basım Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Basım Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Matbaacılık = Typography ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Atmosferik soğuk plazma = Atmospheric cold plasma ; Flekso baskı = Flexo printing ; Kuşe kağıt = Glossy paper ; Matbaa mürekkepleri = Printing inks ; Plazma polimerleşmesi = Plasma polymerization ; Sayısal baskı = Digital printing ; Soğuk plazma = Cold plasma

Özet:
Endüstride malzemelerin özelliklerini geliştiren yüzey işlemlerine olan talep her geçen gün artmaktadır. Basım endüstrisinde plastik film vb. baskı altı malzeme yüzeylerini değiştirmek ve geliştirmek için korona ve alev işlemi gibi çeşitli yüzey işleme teknikleri kullanılmaktadır. Kaplama, baskı ve vernikleme endüstrileri gibi birçok alanda kullanılan bu yüzey işlemleri mürekkebe, yapıştırıcıya ve baskı malzemelerinin yüzey özelliklerine bağlı olarak adezyon, yapışma ve basılabilirlik gibi özellikler için yetersiz kalabilmektedir ve daha güçlü yüzey işlemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Plazma yüzey işlemi ise tekstil ve deri gibi farklı endüstrilerde yüzey modifikasyonu için kullanılmakla birlikte basım endüstrisinde henüz baskı malzemelerine olan etkisi iyi bilinmediği için yaygınlaşmamıştır. Bu çalışmada geleneksel yüzey uygulamalarından farklı olan plazma yüzey işleme tekniğinin kâğıt ve plastik film gibi baskı malzemelerin ıslanabilirliğine, sıvı adezyonuna, basılabilirliğine ve yapıştırılabilirliğine olan etkisi araştırılmıştır. Bu doğrultuda farklı plazma yüzey işleme teknikleri incelenerek kâğıt ve plastikler için uygun olan atmosferik basınçlı plazma yüzey işleme tekniği ile argon gazı kullanımı tercih edilmiştir. Atmosferik plazma işlemi, vakum ortamı gerektirmeden normal basınç altında gerçekleşir. Bu yüzey işlemini yüksek hızlı üretim hatları için verimli hale getirir.
Argon gazlı atmosferik basınç plazma yüzey işlemi kâğıt yüzeylerine, ham plastik film yüzeylerine ve koronalı plastik film yüzeylerine uygulanmıştır. Ayrıca atmosferik basınç plazma yüzey işlem süresi değişken olarak seçilmiş, işlem süresi değişiklerine bağlı olarak kâğıtların ve plastik filmlerin yüzey, basılabilirlik ve geçirgenlik özelliklerindeki değişiklikler araştırılmıştır.
Temas açısı, yüzey işleminin etkinliğini yansıtan önemli bir parametredir. Plazma işlemi yapılan yüzeylerin ıslanabilirlik ve adezyona etkisini tespit etmek amacıyla kâğıt ve plastik film yüzeylerinde sıvı temas açısı ölçümleri yapılarak yüzey enerjileri hesaplanmıştır. Plazma yüzey işlemi kâğıt/karton ve plastik film yüzeylerinin sıvı temas açısını azaltıp yüzey enerjilerini artırmıştır. Bu sonuçlar plazma işleminin malzemelerin ıslanabilirliğini ve mürekkep adezyonunu arttırdığı anlamı taşımaktadır. Bununla birlikte plazma gücü ve plazma süresinin de kâğıt ve plastik filmlerin yüzey enerjisinin artışında etkili olduğu tespit edilmiştir.
Plazma yüzey işlemi kâğıt, karton ve plastik yüzeylerin temas açısını azaltıp yüzey enerjisini artırarak tutkalın yüzeylere yapışmasını arttırmıştır. Karton ambalaj (kutu) yapıştırma makinesinde karton yüzeyinin tutkal ile temasından önce yapıştırma yapılacak kısma (yapıştırma kulağına) plazma uygulaması yapılmasıyla kartonun kuşe malzemesi ile kaplı yüzeyinin enerjisi artmış, daha az tutkal ile daha güçlü bir yapıştırma olanağı sağlanmıştır. Aynı zamanda kullanımı günden güne artmakta olan plastik ve metalize film lamineli karton yüzeylerin yüzey enerjisini artırmıştır. Tüm bu sonuçlar; plazma yüzey işleminin, düşük yüzey enerjisine sahip kimyasal olarak inert ve gözeneksiz yüzeylerdeki yapışma sorunlarının üstesinden gelmenin etkili bir yolu olduğunu göstermektedir.
Çalışmada; plazma yüzey işleminin kâğıtların sıvı emiciliğine etkisini tespit etmek amacıyla temas açısı ölçümüne ilave olarak sıvı hacim değişimi ölçümleri yapılmıştır. Plazma yüzey işleminin kâğıtların hidrofilik özelliğini arttırdığı sonucuna varılmıştır. 
Kâğıt ve plastik filmlerin plazma uygulaması sonrası yüzey topografyası ve morfolojisindeki değişimleri belirlemek amacıyla ATR-FTIR analizleri, AFM ve SEM görüntülemeleri yapılmıştır. Plazma uygulamasının malzemelerin basılabilirliğine etkisini belirlemek için plazma uygulanmış yüzeylere dijital baskı makinasında kontrol skalaları ile baskılar yapılarak renk CIE L*a*b* ve renk farklılığı (ΔE) değerleri kolorimetrik olarak ölçümlenmiştir. Plazma uygulanmış film yüzeyleri, ham plastik film ve korona uygulanmış yüzeyler ile kıyaslandığında plazma işleminin renk üretimi elde etme konusunda herhangi bir kısıtlamaya sebebiyet vermediği tespit edilmiştir.
Yüzey işlemlerinin iyileştirme etkisinin yanında malzemelerin deformasyonuna etkisini araştırmak amacıyla korona uygulanmış, plazma uygulanmış ve korona+plazma uygulanmış plastik film yüzeylerinin oksijen ve su buharı geçirgenliği de analiz edilmiştir. Plazma yüzey işleminin korona yüzey işlemine göre plastik filmlerin geçirgenliğini daha az etkilediği tespit edilmiştir. Bu durum geçirimsizlik aranan ambalaj uygulamalarında göz önünde bulundurulmalıdır.

Abstract:
The demand for surface treatments that improve the properties of materials in the industry is increasing day by day. Various surface treatment techniques such as corona and flame treatment are used in the printing industry to change and improve the surfaces of substrates such as plastic films etc. These surface treatments used in many areas such as coating, printing and varnishing industries may be insufficient for properties such as adhesion, sticking and printability depending on the surface properties of the ink, adhesive and printing materials, and stronger surface treatments are needed. Plasma surface treatment is used for surface modification in different industries such as textile and leather, but it has not become widespread in the printing industry because its effect on printing materials is not well known yet. In this study, the effect of plasma surface treatment technique, which is different from traditional surface applications, on wettability, liquid adhesion, printability and gluability of printing materials such as paper and plastic films was investigated. In this direction, different plasma surface treatment techniques were examined and the use of argon gas with atmospheric pressure plasma surface treatment technique, which is suitable for paper and plastics, was preferred. Atmospheric plasma treatment is carried out under normal pressure without requiring a vacuum ambience. This makes the surface treatment efficient for high-speed production lines.
Argon gas atmospheric pressure plasma surface treatment was applied to paper surfaces, raw plastic film surfaces and corona plastic film surfaces. In addition, atmospheric pressure plasma surface treatment time was selected as a variable, and changes in the surface, printability and permeability properties of papers and plastic films were investigated depending on the treatment time changes.
Contact angle is an important parameter reflecting the effectiveness of the surface treatment. In order to determine the effect of plasma treated surfaces on wettability and adhesion, liquid contact angle measurements were made on paper and plastic film surfaces and surface energies were calculated. Plasma surface treatment reduced the liquid contact angle of paper/cardboard and plastic film surfaces and increased their surface energies. These results mean that plasma treatment increases the wettability of materials and ink adhesion. In addition, it was determined that plasma power and plasma duration were also effective in increasing the surface energy of paper and plastic films.
Plasma surface treatment has increased the adhesion of glue to surfaces by reducing the contact angle of paper, cardboard and plastic surfaces and increasing the surface energy. By applying plasma to the part (glue tap) to be glued before the contact of the cardboard surface with the glue in the cardboard packaging (box) gluing machine, the energy of the coated surface of the cardboard has increased, providing a stronger bonding opportunity with less glue. At the same time, it has increased the surface energy of plastic and metallized film laminated cardboard surfaces, the use of which is increasing day by day. All these results show that plasma surface treatment is an effective way to overcome adhesion problems on chemically inert and non-porous surfaces with low surface energy.
In the study; in order to determine the effect of plasma surface treatment on the liquid absorbency of papers, liquid volume change measurements were made in addition to the contact angle measurement. It was concluded that plasma surface treatment increased the hydrophilic properties of papers.
ATR-FTIR analyses, AFM and SEM imaging were performed to determine the changes in surface topography and morphology of paper and plastic films after plasma application. In order to determine the effect of plasma application on the printability of the materials, prints were made on plasma-applied surfaces with control scales on a digital printing machine and color CIE L*a*b* and color difference (ΔE) values were measured colorimetrically. When plasma-applied film surfaces were compared with raw plastic film and corona-applied surfaces, it was determined that plasma treatment did not cause any restrictions in obtaining color reproduction. In addition to the improvement effect of surface treatments, oxygen and water vapor permeability of corona-applied, plasma applied and corona+plasma applied plastic film surfaces were also analyzed in order to investigate the effect on deformation of materials. It was determined that plasma surface treatment affected the permeability of plastic films less than corona surface treatment. This situation should be taken into consideration in packaging applications where impermeability is sought.