水性油墨在現(xiàn)階段遇到的問題

http://www.sxbltgs.net 　　時間:2019年2月26日　　關(guān)注數(shù):1500 次

摘要：水性油墨用到的樹脂從技術(shù)上可以分為三種：膠體乳液(用量較少，集中在低端瓦楞紙箱應(yīng)用)，水溶性樹脂以及水分散體。水溶性樹脂主要用來碾磨顏料，也會少量添加在油墨中來提高印刷適性。

1. 在塑料承印物上的附著牢度

水性油墨用到的樹脂從技術(shù)上可以分為三種：膠體乳液(用量較少，集中在低端瓦楞紙箱應(yīng)用)，水溶性樹脂以及水分散體。水溶性樹脂主要用來碾磨顏料，也會少量添加在油墨中來提高印刷適性。水分散體作為主體連接料提供油墨的主要性能，但是分散體不是連續(xù)相，是具有一定粒徑的乳液顆粒（比如BASF水性乳液的粒徑大部分集中在100nm左右），油墨印刷后，墨層成膜需要一個過程，油墨里面的顏料顆粒和乳液顆粒在中和劑胺和稀釋劑水揮發(fā)的過程中逐步靠近，逐漸沉積在承印物表面，隨著水份的進(jìn)一步揮發(fā)，逐漸成膜，如圖1所示。顆粒和顆粒之間靠分散劑和自身的官能團(tuán)保持在水體系中的平衡，在干燥的過程中當(dāng)水和中和劑胺揮發(fā)后，顆粒之間相互靠近，直至最終融合成一個整體，水性油墨的連接料和承印物的接觸面積是隨著時間增加的；使用膠帶測試油墨附著牢度，特別是即時膠帶牢度，如果僅僅從成膜的角度來說，很難達(dá)到溶劑型油墨的水平。

圖1 水性油墨的成膜示意圖

如果從乳液的化學(xué)結(jié)構(gòu)上來看的話，粒徑大小和分布的均勻度，核殼結(jié)構(gòu)的比例和組成，官能團(tuán)的種類和含量，以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）都會對附著力產(chǎn)生很大的影響。

乳液顆粒大小和分布對附著力的影響，大家比較容易理解，顆粒越小，分布越均勻，附著力越好。這是因?yàn)橐环矫嬖黾恿撕统杏∥锏淖饔妹娣e，另一方面也有利于成膜。

乳液核殼結(jié)構(gòu)的核殼比例和組成，以及官能團(tuán)的種類和含量這些更多的是從化學(xué)結(jié)構(gòu)上解釋什么樣的乳液附著力比較好。當(dāng)乳液里面極性基團(tuán)比較多，特別是殼部分的極性基團(tuán)含量，這會大大增加和承印物的相互作用，也會使乳液本身分子的內(nèi)聚強(qiáng)度比較高，分子之間以及和承印物的相互作用都比較強(qiáng)，這些都會對附著力有幫助。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是乳液的一個重要指標(biāo)，大家知道，一般來說Tg越低對承印物的附著力越好。這是因?yàn)門g越低，分子鏈段越柔軟，干燥后和承印物貼合比較好，接觸面積也就比較大。丙烯酸類乳液的Tg是由單體種類和含量決定的，可以根據(jù)FOX方程式（見公式1）近似計算而得。常見丙烯酸樹脂用單體種類以及相關(guān)的Tg見表1，根據(jù)這個原理就可以調(diào)整丙烯酸樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從而得到不同性能的丙烯酸樹脂。

公式1

表1 常見單體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

這也可以解釋為什么聚氨酯乳液的附著力整體上比丙烯酸乳液要好，聚氨酯的主要原料是異氰酸酯和二元醇，通過縮合反應(yīng)生成聚氨酯，異氰酸酯反應(yīng)后形成硬段部分，而二元醇形成軟段部分，聚氨酯大分子是軟硬段交替出現(xiàn)的，從而形成相對比較均勻的嵌段高分子。硬段部分的Tg比較高（80℃-100℃），同時極性強(qiáng)，內(nèi)聚力大，和承印物的接觸作用比較強(qiáng)。二元醇部分的Tg非常低（-60℃ - -20℃），可以很好地和承印物貼合來增加接觸面積，從而提高附著力。

針對比較難附著的承印物，比如BOPP以及HDPE，現(xiàn)在的純丙烯酸體系還具有一定的難度，各油墨企業(yè)針對這點(diǎn)也推出了水性分散的聚氨酯體系，通過水性丙烯酸和水性聚氨酯的搭配，能夠基本達(dá)到印刷廠對附著力的要求。水性聚氨酯在油墨中應(yīng)用整體上來說，技術(shù)還不成熟，主要的原因是聚氨酯相對丙烯酸來說比較粘，在印刷過程中有反粘的風(fēng)險，同時聚氨酯本身的復(fù)溶性也需要進(jìn)一步提高，來達(dá)到印刷適性的要求。綜合丙烯酸和聚氨酯本身的性能要求，各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在油墨行業(yè)研發(fā)的一個大方向是水性聚氨酯和水性丙烯酸的雜化技術(shù)，希望可以通過平衡各自的優(yōu)缺點(diǎn)，達(dá)到最終性能的要求。

水性油墨使用水作為稀釋劑，但水的表面張力比溶劑的表面張力高，數(shù)據(jù)見表2。

表2 常見溶劑的表面張力

降低表面張力，現(xiàn)在的方法還僅限于添加表面活性劑，并沒有找到其它好的方式，這也是為什么在使用水性油墨印刷塑料承印物的時候要特別注意承印物的表面張力，最好是有在線電暈處理，這樣能保證承印物表面張力的一致性，從而達(dá)到印刷品膠帶牢度測試結(jié)果的一致性。

水性油墨由于使用水作為稀釋劑，為了提高分散、潤濕和穩(wěn)定等性能，需要在體系中加入各種各樣的助劑。這些助劑的加入，導(dǎo)致了水性油墨在生產(chǎn)和印刷的過程中特別容易起泡，泡沫雖然不是致命的問題，但是在印刷過程中也是需要特別注意。選擇消泡劑也很有講究，一方面需要高效的消泡，另一方面又不能影響到油墨的其它性能，比如縮孔問題，甚至牢度問題。

水分散體系，可以理解為乳液顆粒表面有極性基團(tuán)，比如最常見的-COOH官能團(tuán)，但是由于分散體大分子上的-COOH官能團(tuán)水溶性不夠，需要添加胺（氨水）形成鹽，來提供在水里面的穩(wěn)定性。常見的胺的種類和相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 常見中和劑的種類和參數(shù)

胺（氨水）最主要的作用就是提供分散體在水中的穩(wěn)定性，同時不同種類的胺的揮發(fā)速度不同，也可以調(diào)節(jié)油墨的干燥速度和墨層的成膜性。從表3中可以看出，氨水沸點(diǎn)最低，蒸汽壓最高，揮發(fā)也最快，其它的有機(jī)胺沸點(diǎn)相對比較高，揮發(fā)相對會比較慢，在油墨中可以通過調(diào)整胺的種類來調(diào)整油墨的干燥速度和成膜性能。根據(jù)樹脂的用量、酸值以及胺的種類，油墨中胺的含量不同，大概用量在2%-3%的重量比。

在轉(zhuǎn)為使用水性油墨的過程中，由于水性油墨需要中和劑胺（氨水）來穩(wěn)定油墨，會導(dǎo)致一些印刷過程中的不同。首先一點(diǎn)就是油墨的氣味不同，很多印刷師傅不習(xí)慣水性油墨的氨水氣味，認(rèn)為氣味比溶劑型重，其實(shí)這個只是習(xí)慣的問題，整體上使用水性油墨的印刷廠氣味比溶劑型印刷廠的氣味輕很多，生產(chǎn)的環(huán)境也會比較好。另外一點(diǎn)就是在印刷的過程中是需要定時確認(rèn)油墨的粘度，這個和溶劑墨一樣。不同的是溶劑型油墨是因?yàn)槿軇┑膿]發(fā)導(dǎo)致油墨的粘度增加，只需要補(bǔ)加溶劑就可以調(diào)整粘度了。而水性油墨主要是中和劑的揮發(fā)導(dǎo)致的粘度變化，所以對水性油墨來說，不僅僅要確認(rèn)粘度變化，還要確認(rèn)pH值的變化，如果pH值變化超出一定范圍，就要及時補(bǔ)加中和劑進(jìn)行調(diào)整。

針對水性體系來說，另外一個挑戰(zhàn)就是機(jī)械和化學(xué)耐性，主要的原因是在干燥的過程中，雖然乳液顆粒和顆粒相互靠近能夠成膜，但是相互之間的作用力還是比較弱的，難以達(dá)到理想的化學(xué)和機(jī)械耐性。現(xiàn)在的主流技術(shù)是通過自交聯(lián)（如圖2所示）,也就是在一定溫度下，分子鏈段之間通過化學(xué)反應(yīng)連接起來，就能達(dá)到比較好的耐性。同時，由于這些反應(yīng)要在一定溫度之上才能發(fā)生，也不會影響乳液本身和油墨的儲存穩(wěn)定性。