水性金、银墨的研发与应用方案

时间:2016-12-07 14:07:13来源:科印网作者:范淳

  从凹印水墨目前在我国印刷行业的推行情况来看,在烟包印刷行业只有金色和银色仍然沿用酯溶性或醇溶性油墨,其余各色均不同程度地实现了水墨印刷;在薄膜行业,水墨的整体使用情况则不尽如人意。但随着VOCs排污收费政策的大力实施,越来越多的行业人士开始关注凹印水墨的推广应用,试图借助凹印水墨来实现企业的绿色生产。然而,如何实现凹印水墨印刷的全面“解放”,是值得每一位行业人士努力的事业。下面,笔者就从水性金、银墨的特性出发,并结合水性金、银墨在烟包和薄膜印刷中的实际应用案例,探索水性金、银墨的研发和推广应用方向。

  现有水性金属颜料存在的弊端

  金、银墨通过金属颜料展现独特的金属感,水性金、银墨亦如此。目前市场上常见的水性金属颜料形态主要有粉末与浆体,但其在实际应用中存在如下弊端。

  (1)水性金属颜料粉末是细颗粒物,能较长时间悬浮于空气中,形成类似PM2.5的空气污染体系。这种空气污染体系会导致各种不良后果,如污染环境、损害人类呼吸系统、造成机械故障和电路故障等。

  (2)水性金属颜料浆体是水性金属颜料粉末与水、乙醇、正丁醇、丙二醇甲醚等溶剂,以及分散剂、偶联剂、防腐剂等助剂混合形成的,具有一定流动能力的浆体。但是水性金属颜料浆体也存在一定弊端,如易泄漏、有机溶剂易致燃、含铝元素的浆体长期储存易胀气,甚至存在爆炸隐患等风险。

  由于水性金属颜料粉末和浆体的形态都存在一定的弊端,经过研究,一种颗粒状固态水性金属颜料(水性金、银条)应运而生,但长期以来国际上仅有德国的爱卡、舒伦克这两大油墨品牌能提供水性金、银条。这种水性金属颜料的特点是:价格过高,单价超过300元/千克;有效颜料含量较低,只有90%左右,其余10%为填充料或溶剂。由于填充料的大量存在,在使用调墨油调墨的过程中,会出现水性金属颜料与调墨油无法匹配的现象。

  直到2016年5月,市场上出现了一款国产水性金、银条,其优势突出,符合现行YC 171-2014《烟用接装纸》标准、印刷适性好、有效颜料含量达94%~98%、对乙醇和水具有良好分散性。至此,水性金属颜料存在的问题才得到较好解决。

  水性金属颜料的特性及其与水性树脂、助剂的匹配

  1.水性金属颜料的特性

  不同于溶剂型金属颜料,水性金、银墨使用的水性金属颜料需要进行特殊的表面处理,从而获得亲水性和耐水性,更好地分散于水环境,适应强极性、高张力体系。同时,水性金属颜料的表面处理层在包含各种助剂和酸碱度不同的水环境中,不会被氧化和水解,而是能持续地将鳞片状水性金属颜料致密包覆,从而隔绝水、氧气、酸碱环境对内部水性金属颜料的侵蚀。因此,在水环境中能较长时间保持不变的色相、亮度、光泽度、金属感和分散性。而相比之下,溶剂型金属颜料在水环境中最多保持24小时就会被水体系氧化,失去原有的色相、亮度、金属感,并产生凝集,进而无法使用。

  经过数年的发展,纸张凹印水性油墨与薄膜凹印水性油墨在生产技术上已呈现出较为成熟的态势。纸张凹印水性油墨一般以水性丙烯酸树脂为主体,添加水性色料,辅以助剂来调整水性油墨的整体性能;薄膜凹印水性油墨一般采用水性聚氨酯树脂为主体,添加特定的水性色料制作而成。由于聚氨酯树脂多属阴离子型,对阳离子的容忍性较差,这就会对整个油墨体系的构建造成限制。因此,市场上薄膜凹印水性油墨的发展略微滞后于纸张凹印水性油墨,而针对易在水环境下解离出铜、锌、铝、钴等金属阳离子的水性金、银墨,在配方设计时必须重视对阳离子的控制以及对聚氨酯树脂的保护。

  在水性金、银墨的研发方面,各水墨生产厂家都进行了不同程度的探索,通常的做法是将现已取得良好印刷适性水墨体系中的水性色料直接替换成水性金属颜料,但大部分都无法获得良好的印刷适性,这主要是因为水性金属颜料与水性色料的物理化学性能(如表1所示)存在一定差异所致。

  2.水性金属颜料与水性树脂、助剂的匹配

  水性金属颜料的性能在很大程度上受水性调墨油中水性树脂和助剂的影响。笔者认为,为获得良好的印刷适性,在水性金、银墨的实际研发生产中需注意如下几个问题。

  (1)选用合适的水性树脂

  水性金属颜料的中粒径一般为4.0~9.0μm,水性丙烯酸树脂或水性聚氨酯树脂的分子量一般为数千至数十万左右。水性树脂分子的粒径远小于水性金属颜料的粒径,配合在一起会形成类似细沙之中掺入石块的非牛顿流体,对水性金、银墨的整体流动性会产生负面影响。因此,需选用分子量和黏度均适当的水性树脂,以使水性金、银油墨获得良好的流动性。

  (2)选择合理的表面处理工艺及助剂体系

  水性金属颜料的表面包覆处理一般有两种工艺,一是采用脂肪酸盐包覆铜金粉,采用二氧化硅包覆铝银粉;二是采用表面钝化剂处理铜金粉,使铜金粉表面形成钝化层,采用有机磷酸盐包覆铝银粉。通过对这两种工艺进行对比可以发现 ,有机磷酸盐相对二氧化硅的化学稳定性较差,实际应用中存在易胀气风险;钝化处理的成本相对较高。因此,第二种表面处理工艺目前未得到大规模推广应用,第一种则是常用方式。

  值得一提的是,在第一种表面处理工艺中,脂肪酸盐和二氧化硅的包覆能力均无法做到将水与金属100%隔离,这是因为脂肪酸盐遇到大部分表面活性剂极易发生化学反应,会使水性金、银油墨表面包覆层遭到破坏。因此,必须选择合适的助剂体系,以阻隔水性金、银油墨表面包覆空缺处的水性金属颜料在水环境中发生化学反应。

  (3)保证合适的pH值

  由于酸性或碱性环境下水体系与水性金、银墨裸露的金属区域更易发生化学反应,故而应将水性金、银墨的整体酸碱度调至中性附近,即pH值为6.5~8.0。对此,选择树脂时可参考以下标准:使用胺溶树脂时,需通过非传统方法调整树脂的酸碱度与溶解性;选用在该pH值条件下具备较好溶解性的树脂;选用自身pH值较高的树脂。

  (4)做好防沉淀措施

  由于水性金属颜料的密度、粒径远大于水性树脂,其在水性金、银油墨中易发生沉淀,一般在20℃下静置存放,24小时可见明显分层,7天可形成软沉淀,1个月就会发生硬沉淀(主要是因为水性金属颜料表面包覆层与树脂分子发生了化学反应,互相粘连所致),发生沉淀的水性金、银墨只能报废。所以,防止水性金、银墨发生沉淀、分散、氧化也是一个亟待解决的重点问题。

  基于以上种种因素,想要使水性金、银墨获得更好的印刷适性,在水性调墨油配方设计时,可以采用非离子型分散剂、阴离子型表面处理补充剂、钝化剂、金属颜料鳞片定向排布助剂、硅烷类消泡剂、低分子量硅烷类流平润湿剂,以解决水性金属颜料与水性调墨油的匹配问题,同时提升水性金、银墨的整体性能。

  水性金、银墨的特性

  水性金、银墨以水、乙醇为主体稀释剂,刺激性和毒性极低,安全性更高,能大大减少VOCs排放。具体特性如下。

  1.环保性

  水性金、银墨的主体稀释剂是水和乙醇,比例一般为1∶3,不添加任何含有苯、酯、酮等物质的溶剂。因此,在使用水性金、银墨的过程中,基本不会产生VOCs排放,有效降低了环境污染及对操作人员的伤害。印品中除了有少量乙醇残留外,VOCs残留量基本为零。

  2.干燥性

  水性金、银墨通过高温挥发干燥,在烘道中,液态稀释剂和离子态的胺转换成气态发生脱离,树脂交联成膜,将鳞片状水性金属颜料紧紧附着在印品表面。

  3.流平性与润湿性

  水的表面张力较大,容易限制粒径较大的鳞片状金、银颜料的流平,这就对树脂的流平性、润湿性提出了更高要求。在水性金、银墨体系中,采用流平性和润湿性都较为出色的水性树脂及助剂,可以提升水性金、银墨整体的流平性和润湿性,使其能较好地润湿水性底墨与溶剂型底墨,展现良好的叠色性能,使印刷图案获得更加饱满的效果。

  4.pH值

  一般而言,水性树脂在pH值为8~9的弱碱环境下,能够呈现出较好的溶解性,但该酸碱度容易使铜金粉、铝银粉发生化学反应,进而破坏水性金属颜料的结构。因此,应采取特殊的方法适当降低水性金、银墨的pH值,以保护水性金属颜料的结构不被破坏。同时,还要保证pH值的稳定,在印刷环节中基本不再添加其他pH调节剂。

  5.复溶性

  复溶性是指油墨干燥后,遇到溶剂时的再溶解能力,复溶性较弱的油墨容易造成干版、堵版故障。要提高油墨的复溶性,主要应从选择合适的树脂入手。用于水性金、银墨的树脂,应选择在乙醇中具备较佳复溶能力的水性丙烯酸树脂与在乙酯中具备较佳复溶能力的水性聚氨酯树脂,以此搭配,基本能解决干版、堵版故障,而且水性金、银墨干燥成膜后,墨膜还能体现出良好的耐水、耐乙醇特性。洗版时,采用乙酯即可擦洗干净。


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