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薄膜柔印水墨 未来可期

时间:2018-11-05 14:05:59来源:科印网作者:赵鹏飞等

  柔印水墨凭借绿色环保、无毒无害的优势,在食品包装、卫生包装等以薄膜为基材的包装领域崭露头角。笔者根据多年来在高分子合成与改性以及水墨制备方面积累的经验,从柔印水墨的组成、柔印水墨的性能要求和测试分析以及柔印水墨的发展趋势等方面进行探讨。

  柔印水墨的组成

  1.连接料

  作为柔印水墨“心脏”的连接料决定着水墨的印刷性能。从高分子材料角度讲,柔印水墨中常用的水性树脂连接料是水溶性树脂和水稀释性树脂。

  水溶性树脂和水稀释性树脂性能参数对比如表1所示,可以看出,二者在各项性能中具有一定的互补性。根据笔者制备柔印水墨的经验,水稀释性树脂作为主树脂,水溶性树脂作为助树脂,以制备黑色水墨为例,水溶性树脂添加量从1%增加到5%,水墨的复溶性和流平性均有所改进,如图1所示;同时,初/彻干时间逐渐增加,当水溶性树脂量为5%时,彻干相对值>1。因此,综合考虑水墨的复溶、干燥、耐水、流平等性能,水溶性树脂的添加量最高为5%,如图2所示。

  表1 水溶性树脂和水稀释性树脂性能参数对比

  图1 不同水溶性树脂含量印刷样张网点对比图(a-0%、b-1%、c-3%、d-5%)

  图2 不同水溶性树脂含量黑色水墨初/彻干对比图

  2.颜料

  颜料是油墨的着色物质,青/品/黄一般用有机颜料,白墨多用钛白粉,黑墨多用炭黑。颜料的研磨细度一般控制在10μm以内,低细度的颜料能够保证良好的稳定性和展色性。无论是有机颜料还是无机颜料,一般会经过阴离子或非离子处理。原因是:①水的表面张力和极性都较大,色料的分散较困难,如未经处理,色料分布不均匀,不利于印刷;②由于水墨的连接料大多为碱性,颜料分子中若含有与碱性物质发生反应的磺酸基/羧酸基等基团,就会发生凝结反应,因此颜料一般要经过阴离子或非离子处理。

  3.助剂

  水墨根据性能的不同,还需要添加助剂,如分散剂、润湿剂、消泡剂、附着力促进剂等。通常助剂选择非离子型或阴离子型(水墨为阴离子型)。此外,将助溶剂也归入助剂中,是因为虽然助溶剂用量小,但对水墨性能的提高有很重要的作用。在这里着重探讨助溶剂的作用及筛选原则。

  助溶剂的主要作用:①助溶解水性树脂连接料;②调节水墨黏度;③调节水墨干燥速度。

  助溶剂选择的3条规则:①极性相近原则,即极性相近的物质可以互溶;②溶剂化原则,溶剂化是指溶剂分子对溶质分子产生的相互作用,当作用力大于溶质分子的内聚力时,便使溶质分子彼此分开而溶于溶剂中;③溶解度原则,即如果溶剂的溶解度和聚合物的溶解度相近或相等时,就能使该聚合物溶解。根据上述3条规则对助溶剂进行选择,能够有效改善水墨黏度、干燥性、稳定性、分散性、流动性等性能。

  常用的水性树脂为聚丙烯酸树脂或聚氨酯树脂,根据上述原则,在这里优选出一些有利于提高水墨复溶性、干燥性的助溶剂,如表2所示。

  表2 常用水性树脂及优选助溶剂的溶解度、表面张力及沸点

  柔印水墨的性能要求及测试分析

  1.附着力

  由于薄膜树脂极性不同,既有极性的聚酯PET、尼龙PA、聚氯乙烯PVC,也有非极性的聚丙烯PP和聚乙烯PE,因此柔印水墨在各种薄膜上的附着力成为首要问题。

  附着力的测试方法按照GB/T 13217.7-2009《液体油墨附着牢度检验方法》,获得良好附着力的2个必要条件:足够面积的紧密接触(清洁表面、润湿、扩散)、分子间的吸引力甚至形成化学键。为满足上述2个条件,在保证水墨在基材上具有良好润湿性的条件下,通过机械粘接理论、扩散理论以及吸附理论来提高附着力。

  2.表面张力

  柔印水墨的表面张力控制是否得当将直接影响印刷效果,首先影响最大的是水墨在基材上的流平性,低表面张力的物质易在高表面张力的物质表面铺展,而高表面张力的物质则不会在低表面张力物质的表面铺展;其次影响水墨在基材上的附着性,水墨的表面张力越高,对基材的润湿程度越差,树脂与基材之间的粘接点减少,进而影响附着力。此外,当薄膜表面张力较低或水墨表面张力较高时,会导致一定印刷样张出现缩孔等现象。

  一般来说,水墨中的水性树脂连接料的表面张力都大于印刷基材的表面张力(水的表面张力为72mN/m)。通常选用表面张力较小的溶剂来降低水墨体系的表面张力,如异丙醇(表面张力为21.7mN/m)、醋酸异丙酯(表面张力为21.2mN/m)等(如表2所示)。此外还可以通过选择合适的助剂来降低表面张力,如流平剂、润湿剂、消泡剂等,都可降低水墨的表面张力。

  3.黏度

  水墨的黏度主要由水性树脂连接料决定。为了保证高速印刷的进行,必须使用高固低黏的水性树脂连接料。对水性树脂连接料来说,很多人认为高固含、低黏度很难同时获得。笔者经过多年研究,现已研发出一款高固(50%)低黏(<250mPa・s)树脂,适合薄膜柔印水墨印刷,证实了高固低黏柔印水墨的可行性。

  4.干燥速度

  按照印刷需求,水墨在一定范围内满足“初干慢、彻干快”才是最佳状态。为解决水墨干燥问题,除了常用的提高温度、降低湿度、提高风速等方案外,主要还是从水墨角度来改进。一方面是提高水墨的固含量,即上文提到的使用高固低黏水性树脂连接料,将水墨的黏度控制在柔印所需范围内,尽可能提高水墨的固含量,减少蒸发水分的总量;另一方面尽可能选择沸点较低的真溶剂,加快彻干时间。

  5.复溶性

  对于复溶性目前没有一个明确的量化指标,大多时候是根据经验来判断水墨的复溶性。复溶性过强,在印刷以及涂胶过程中容易发生“咬色”现象(即后面的颜色把前面的颜色溶解一部分),进而影响印刷质量、复合强度等。复溶性较弱,其网穴底部残留的水墨较难被墨槽中的水墨再次溶解,故容易堵版,并且造成浅网部分的再现较差。因此水墨的复溶性是影响印刷复合产品质量的一个重要印刷。在实际应用中,可通过两种方法改善水墨的复溶性:①添加助溶剂,这里所说的助溶剂是指水性树脂连接料的真溶剂;②选择合适的水溶性树脂并调整其比例。上文对这两方面内容均有解释,在这里不再赘述。

  6.耐水性

  通常选用氨水或有机胺作为pH值调节剂。氨水的挥发较快,可以较快地得到耐水的墨膜,但是在印刷过程中水墨可能不稳定,而且气味比较大;有机胺挥发较慢,印刷过程中不需要频繁地调节pH值,但是有机胺的沸点较高,它们会长期留在墨膜内,成膜后抗水性较差。因此氨水与有机胺混合使用,可提高水墨的综合性能。

  柔印水墨的发展趋势

  1.高固低黏

  高固低黏水墨不仅可以缩短水墨的干燥时间,对水墨的附着力、流平性、光泽度等方面均有改善。高固含、低黏度虽然是一对矛盾体,但是在一定范围内可以找到二者的平衡点。随着水性树脂合成技术的发展,固含量≥50%已可以实现。

  2.高色密度

  将柔印水墨用于薄膜包装产品,一个重要的方面是要表现精细图像的印刷质量,这就需要采用高线数印版来表现图案丰富的层次,同时匹配高线数的网纹辊,网纹辊线数越高,着墨量越低,必然导致印刷出来的墨层较薄、色密度低。因此要提高柔印水墨的色浓度,即提高颜料含量。笔者通过实验测试,柔印水墨的颜料可以提高到20%以上,使色密度达到C1.7~2.0,M1.7~2.0,Y1.2~1.5,K1.8~2.1(湿膜厚度9μm)。关键点在于未来采用柔印水墨印刷样张的密度值能达到要求,层次表现力不低于凹印。

  薄膜柔印水墨的市场前景是可以期待的,而技术的脚步将沿着低VOCs(<5%)、高性能、低成本的方向继续前进。

  (本文作者供职于中国印刷科学技术研究院)


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