Vztah mezi statickou elektřinou a drsností povrchu u fólií: experiment

Povrch fólií používaných při balení potravin, u průmyslových materiálů a ve zdravotnictví je charakterizován různými vlastnostmi, například průhledností, leskem, voděodolností, odolností vůči znečištění a usazeninám a také nepřilnavostí. Za účelem přidání různých funkcí povrchu se provádí úprava a zpracování povrchu.

Pro vyhodnocení kvality úpravy a zpracování povrchu fólií je důležité měření drsnosti povrchu. Touto kontrolou se měří drsnost spočívající v drobných nepravidelnostech na povrchu fólie a číselně se kvantifikuje její hodnota. Jedním z možných způsobů měření drsnosti povrchu je měření pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu.

V provedeném experimentu jsem se snažil ověřit, zda existuje vztah mezi statickou elektřinou a drsností povrchu u fólií. Použil jsem k tomu polyethylenovou fólii (potravinářská fólie) a antistatickou fólii. Drsnost jsem měřil pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu LEXT™ OLS5100. Čtěte dál a dozvíte se výsledky!

Potravinářská fólie a antistatická fólie

Vizuální porovnání povrchu antistatické fólie a polyethylenové fólie

Nejdříve jsem pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu OLS5100 potvrdil stav povrchu těchto dvou fólií.

Mikroskop OLS5100 skenuje povrch vzorku fialovým laserovým svazkem o vlnové délce 405 nm za účelem pořízení 3D dat. Při spárování s určeným objektivem LEXT, který je uzpůsoben pro vlnovou délku 405 nm a potlačuje aberaci, je systém schopen zřetelně zachytit drobné vzory a vady, které jsou jen obtížně zachytitelné klasickými optickými mikroskopy a laserovými mikroskopy obecně. Výhodou také je, že optický systém je nekontaktní, takže si není potřeba dělat starosti ohledně možného poškození povrchu, a to ani u měkkých vzorků, jako jsou fólie.

Červený laser (658 nm: 0,26 μm vlnová délka a průměr stopy laseru)	Fialový laser (405 nm: 0,12 μm vlnová délka a průměr stopy laseru)

Zde zřetelně vidíte, že povrch polyethylenové fólie nemá nijak neobvyklý tvar a jsou na něm přítomny jen jemné nepravidelnosti. Naopak na povrchu antistatické fólie jsou přítomny rozeklané nepravidelnosti o velikosti od méně než µm po několik desetin nm, které se opakují.

Polyethylenová fólie (potravinářská fólie), objektiv se zvětšením 50×	Antistatická fólie, objektiv se zvětšením 50×

Kvantifikace stavu povrchu antistatické fólie a polyethylenové fólie

Jako další krok jsem kvantifikoval rozdíl ve vizuální nerovnosti povrchu těchto dvou fólií. K porovnání jsem použil stejný 3D laserový konfokální mikroskop. V tomto kroku je důležité vybrat objektiv vhodný pro daný pozorovaný vzorek, abychom získali vysoce spolehlivé výsledky měření.

Mikroskop OLS5100 dokáže díky funkci Smart Lens Advisor (Chytrý rádce pro výběr objektivu) snadno určit*, zda je zvolený objektiv pro daný vzorek vhodný. V našem konkrétním příkladu systém určil, že zvolený objektiv LEXT 50× je pro měření drsnosti fólie vhodný.

*Změřené hodnoty nejsou zaručeny.

Při použití objektivu se zvětšením 50× byly pro dvě výše zmíněné fólie mikroskopem naměřeny tyto výsledky:

Důležité parametry drsnosti jsou Sq, Sz, Sa, Sdr a Sal. Zde je stručný popis těchto parametrů:

Sq (kvadratický průměr výšky), Sz (maximální výška) a Sa (aritmetický průměr výšky)

Tyto parametry indikují velikost nerovnosti od průměrného povrchu. V našem konkrétním příkladě větší hodnoty u antistatické fólie značí, že u této fólie je nerovnost větší.

Sdr (poměr rozvinutých stykových ploch)

Sdr ukazuje míru zvýšení v ploše povrchu. V tomto příkladě malá hodnota Sdr u polyethylenové fólie značí malou plochu povrchu. Naproti tomu antistatická fólie má větší povrchovou plochu díky velkým nerovnostem na povrchu.

Sal (délka autokorelace)

Zatímco většina parametrů hodnotí drsnost ve směru výšky, parametr Sal je jedním z několika málo parametrů, který se soustředí na boční směr, například na hustotu proužků a částic. Nižší hodnoty Sal značí strmější tvar a jemnější zrna. Naopak větší hodnoty Sal značí, že povrch má pozvolnější tvar. Na základě výsledků můžeme učinit závěr, že antistatická fólie s nižší hodnotou Sal má na nerovném povrchu jemnozrnnější tvary.

Určení statické elektřiny na fólii pomocí údajů o drsnosti povrchu

Třemi hlavními faktory, kterými je dáno množství statické elektřiny, jsou styčná plocha, třecí síla a vlhkost. V našem případě jsme se zaměřili na styčnou plochu, která úzce souvisí s drsností povrchu. Obecně platí, že při větší styčné ploše s předměty vzniká větší množství statického náboje.

V tomto experimentu vidíme, že u antistatické fólie s malou styčnou plochou s předměty vzniká oproti polyethylenové fólii s velkou styčnou plochou menší množství statické elektřiny. Velká nerovnost antistatické fólie styčnou plochu ve srovnání s hladším povrchem polyethylenové fólie zmenšuje. Níže vidíte vztah mezi množstvím náboje a údaji o drsnosti povrchu:

Antistatická fólie	Polyethylenová fólie (potravinářská fólie)

Chcete-li se o použití 3D laserových konfokálních mikroskopů k měření drsnosti povrchu fólií dozvědět více, obraťte se na naše odborníky.

Související obsah

Brožura: 3D laserový mikroskop LEXT OLS5100

Měření drsnosti povrchu: Praktické rady do začátku

Video: Přehled 3D laserového mikroskopu OLS5100