賈興新,劉潤(rùn)林,連坤鵬,朱力勇
(東莞市英科水墨有限公司,廣東 東莞 523380)
彈性乳液由于具有優(yōu)異的回彈性、柔韌性、粘接性、耐候性等性能,被廣泛應(yīng)用于彈性乳膠漆、彈性膩?zhàn)雍蛷椥酝苛系?,尤其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用更為常見(jiàn)[1-3],但應(yīng)用于水性油墨中很少見(jiàn)。
流變性是水性油墨最重要的基本性能之一,水性油墨中顏料的團(tuán)聚沉淀、印刷轉(zhuǎn)移性以及流平成膜性都受流變性的直接影響,而水性油墨的流變性受到作為水性油墨連接料的乳液的直接影響[4]。一些文獻(xiàn)中所制備的適用于建筑領(lǐng)域的彈性乳液粘度低、流變性不佳,不滿足印刷要求,因此很難適用于水性油墨。
基于現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷,本文合成一種適合用于水性油墨的彈性乳液,并對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)行討論研究。用該彈性乳液作為連接料配制成的水性油墨具有優(yōu)良的流變性、印刷適應(yīng)性,成膜后彈性好,耐折性能優(yōu)異。
丙烯酸丁酯(BA),苯乙烯(St),甲基丙烯酸甲酯(MMA),甲基丙烯酸(MAA),丙烯酸六氟丁酯(HFBA),碳酸氫鈉(NaHCO3),反應(yīng)型非離子乳化劑(A310),陰離子乳化劑(A316),3-巰基丙酸異辛酯(IOMP),過(guò)硫酸銨(APS),氨水(25%),藍(lán)色色漿,費(fèi)托蠟粉,TG 潤(rùn)濕劑,BYK093 消泡劑,苯丙樹(shù)脂液JONCRYL 61(J-61),自制去離子水。
PHS-3B 型 精 密pH 計(jì),4#-蔡 恩杯,Zetasizer Nano 激光粒度粒徑分析儀,BGD 220/6300lpi 型手動(dòng)展色輪,WGG60-E4 型光澤度計(jì),JB 系列強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī),數(shù)顯恒溫水浴鍋,500mL 四口燒瓶,回流冷凝管,溫度計(jì),恒壓滴液漏斗,聚四氟乙烯攪拌槳,電子天平。
1.2.1 彈性乳液的制備
向反應(yīng)釜中加入去離子水、乳化劑A310 和A316 以及NaHCO3,開(kāi)啟攪拌(300r·min-1),溫度升至60℃;取一個(gè)空燒瓶,加入去離子水、乳化劑A310 和A316,攪拌過(guò)程中逐步加入HFBA、St、BA、MMA、MAA 以及IOMP,充分?jǐn)嚢?min 制成預(yù)乳化液。取一定量的APS 溶于水制成引發(fā)劑水溶液。量取10%的預(yù)乳化液作種子乳液加入反應(yīng)釜,3min后開(kāi)始滴加5% APS 的水溶液,滴加時(shí)間10min,保溫20min;將溫度升至80℃,然后同時(shí)滴加剩余的預(yù)乳化液和APS 水溶液,滴加時(shí)間為3h。在80℃下保溫2h 后降溫至60℃,滴加濃度為6.5%的氨水將體系pH 值中和至8.5 左右,滴加時(shí)間20min;最后添加J-61,繼續(xù)攪拌15min 后過(guò)濾出料。
1.2.2 水性油墨的配制
將所合成的彈性乳液配制水性油墨,按表1 所示的質(zhì)量百分比進(jìn)行配制。
表1 彈性水性油墨的物料組成Table1 Materials of elastic ink
pH 值:使用PHS-3B 精密pH 計(jì)在25℃下進(jìn)行測(cè)試。
粘度:采用4#-蔡恩杯在25℃下進(jìn)行測(cè)試。
乳膠粒子的粒度:取少量乳液樣品,用Zetasizer Nano 激光粒度粒徑分析儀進(jìn)行分析。
流平性:使用展色輪將水性油墨平展在涂布紙上,充分干燥后觀察墨層表面的平整程度和均勻程度,以1~10 等級(jí)表示:1 級(jí)表示墨層不均勻且有明顯刮痕、油墨流平性差,10 級(jí)表示墨層均勻且完全無(wú)刮痕,油墨流平性最佳。等級(jí)越高表明流平性越好。
抗粘性:將水性油墨在光面白卡紙上展色,充分干燥后對(duì)折紙樣,50℃、0.5t 壓力條件下保持30min,取出后展開(kāi)紙樣,以未粘連的面積衡量水性油墨的抗粘性,分0~10 等級(jí)表示:0 級(jí)表示紙面全部粘連,10 級(jí)表示紙面全部未粘連,等級(jí)越高抗粘性越好。
光澤度:參照GB/T 13217.2-2009 標(biāo)準(zhǔn),采用光澤度計(jì)在室溫下進(jìn)行測(cè)定。
耐折性:將水性油墨刮在涂布紙上,充分干燥后,對(duì)折3 次后觀察墨層是否爆裂;如果折痕不明顯,說(shuō)明該油墨成膜后耐折性能較佳。
穩(wěn)定性:以粘度變化ΔT來(lái)表示(ΔT=|T末-T初|)。T初為待測(cè)試樣放入烘箱前的粘度(用4#-蔡恩杯測(cè)定/s);T末為試樣密封在60℃下靜置 24h 后冷卻至室溫的粘度,ΔT越小穩(wěn)定性越佳。
耐水性:采用展色輪將水性油墨鋪展在白卡紙上,充分干燥后滴加1mL 水于墨層上,以墨層被水浸透所需的時(shí)間衡量耐水性,時(shí)間越長(zhǎng)說(shuō)明水性油墨耐水性越好。
一般彈性乳液的Tg值較低,大概在-30~-20℃之間,因此,其成膜后表面較粘,在印刷卷紙過(guò)程中容易發(fā)生粘連問(wèn)題。本文選用Tg值較高的丙烯酸六氟丁酯(HFBA)對(duì)丙烯酸彈性乳液進(jìn)行改性,經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得出HFBA 用量對(duì)水性油墨的性能影響如表2 所示。
從表2 可見(jiàn),隨著HFBA 比例的增加,水性油墨的抗粘連和耐水性均有明顯的改善。這是因?yàn)楦男缘膹椥匀橐撼赡み^(guò)程中表面持續(xù)性的-CF3基團(tuán)的積聚,形成了高度有序的表面,且有機(jī)氟中的極化能很低使其具有非常低的表面張力,使得氟化聚合物不易被水浸濕[5-6]。但是HFBA 過(guò)多容易造成水性油墨穩(wěn)定性的下降,放置過(guò)程出現(xiàn)增稠現(xiàn)象,還會(huì)導(dǎo)致涂膜光澤的下降。綜合考慮,HFBA 用量占單體質(zhì)量的3%時(shí)合成的彈性乳液所配制的水性油墨性能最佳。
表2 HFBA 用量對(duì)水性油墨性能的影響Table2 Influence of HFBA dosage on ink performance
苯丙樹(shù)脂液是一種中低分子量、酸值較高的溶液,廣泛應(yīng)用于水性油墨[7]。在彈性乳液生產(chǎn)過(guò)程中加入苯丙樹(shù)脂液,可以改變?nèi)橐阂后w的流變性能,使其接近牛頓型流體,從而提高配墨的穩(wěn)定性和印刷適應(yīng)性等關(guān)鍵性能[8]。本文選擇水性油墨較常用的苯丙樹(shù)脂液J-61,并考察了J-61 對(duì)水性油墨耐水性和流平性的影響,結(jié)果如圖1 所示。
圖1 J-61 對(duì)水性油墨性能的影響Figure1 Influence of J-61 on ink performance
由圖1 可見(jiàn),隨著J-61 添加量的增加,水性油墨的流平性越來(lái)越好,但超過(guò)乳液總質(zhì)量的20%后變化不大;但是由于J-61 的低分子量、高酸值造成水性油墨耐水性的下降卻越來(lái)越明顯。綜合考慮其流平性及耐水性,J-61 的添加量為乳液總量的20%。
水性油墨印刷生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明,水性油墨粘度與pH 值間呈非線性變化關(guān)系[9]。印刷過(guò)程中,隨著氨水、胺及水的揮發(fā),水性油墨粘度變化明顯,對(duì)印刷產(chǎn)生不利影響。NaHCO3作為pH 緩沖劑,不但在乳液合成過(guò)程中可有效調(diào)節(jié)聚合速度,而且在調(diào)配水性油墨后在一定程度上可以減緩水性油墨pH 值的變化,維持粘度穩(wěn)定及印刷適應(yīng)性。
其他條件不變,設(shè)定pH 緩沖劑NaHCO3占體系總質(zhì)量的0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%,5 種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,所合成彈性乳液配墨后其性能對(duì)比如表3 所示。
表3 pH 緩沖劑用量對(duì)水性油墨性能的影響Table3 Influence of pH buffer dosage on ink performance
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著NaHCO3用量的增加水性油墨的穩(wěn)定性與流平性變好,0.2%時(shí)達(dá)到最佳;增至0.3%、0.4%后穩(wěn)定性與流平性并無(wú)進(jìn)一步改善,但粘度急劇增高,耐水性能下降。所以NaHCO3用量以0.2%為最佳。
單用反應(yīng)型非離子乳化劑A310 不能形成雙電層結(jié)構(gòu),乳膠粒之間容易吸附團(tuán)聚,乳液配墨容易增稠;單用陰離子乳化劑A316,彈性乳液合成時(shí)MAA單體導(dǎo)致體系中大量存在的COO-和H+等帶電離子與乳化劑作用,導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性不佳,進(jìn)而導(dǎo)致配墨穩(wěn)定性下降。
表4 乳液中乳化劑對(duì)水性油墨性能的影響Table4 Influence of emulsifiers in emulsion on ink performance
單用A310 或A316 時(shí)乳液的乳膠粒子粒度分布分別如圖2 中(a)、(b)所示,分布較寬;A310與A316 復(fù)配使用時(shí)如圖2 中(c)所示,粒度分布較窄,乳液更加均勻。所以A310 與A316 復(fù)配所合成乳液調(diào)墨流平性能更佳。本文中質(zhì)量比A310∶A316=1∶2,且乳化劑總量占乳液體系總質(zhì)量1.8%時(shí)所配制的水性油墨各項(xiàng)性能最佳。
圖2 不同乳化劑對(duì)乳膠粒子粒度分布的影響Figure2 Influence of different emulsifiers on particle size distribution of latex
將進(jìn)口的彈性乳液PRIMAL 2438M(美國(guó)羅門哈斯)(標(biāo)樣)及本文所合成的彈性乳液(對(duì)比樣)按表1 物料配比分別配制水性油墨并進(jìn)行各項(xiàng)性能對(duì)比,結(jié)果如表5 所示。
由測(cè)試結(jié)果可知,水性油墨A(標(biāo)樣)粘度過(guò)低,涂布之后流平較差,穩(wěn)定性較差,水性油墨B(對(duì)比樣)的粘度合適,綜合性能較佳。這說(shuō)明本文所合成的彈性乳液完全可以滿足代替同類進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于水性油墨的性能要求,用本文所合成的彈性乳液作為連接料配制的水性油墨,可用作水性涂布墨具有良好的穩(wěn)定性與光澤度,并可提高涂布紙的耐折性、耐水性、柔韌性和抗粘性等性能,達(dá)到禮品盒等包裝要求,可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
表5 2 種水性油墨性能對(duì)比Table5 The performances comparison of two kinds of ink
采用種子法聚合,以功能單體HFBA 占單體總質(zhì)量3%,J-61 添加量為乳液總質(zhì)量20%,pH 緩沖劑占乳液總質(zhì)量0.2%,反應(yīng)型非離子乳化劑與陰離子乳化劑以1:2 比例復(fù)配、用量占單體質(zhì)量1.8%時(shí)所合成的彈性乳液配制的水性油墨性能最佳。與同類進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,所合成彈性乳液配制水性油墨流平性、耐折性、抗粘連、耐水性、光澤與穩(wěn)定性等性能均可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求,可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品的應(yīng)用。
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