沈坤明（浙江華寶油墨有限公司,浙江 湖州 3130323）

水性油墨的透氣性能和吸膠效率探討

沈坤明（浙江華寶油墨有限公司,浙江 湖州 3130323）

水性油墨墨層的透氣性能對后續(xù)施膠工序中墨層膠黏劑的吸膠效率影響較大。透氣性能和吸膠效率是影響墨色穩(wěn)定性、光澤度、色彩穩(wěn)定性、飾面圖案清晰度層次感以及復(fù)膜包裝材料層間附著力的主要因素。具有良好透氣性能和吸膠效率的水性油墨，可以提高產(chǎn)品的使用效率、減少復(fù)膜包裝材料的次品率以及增加生產(chǎn)和印刷企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

水性油墨;透氣性能;吸膠效率

水性油墨屬于揮發(fā)干燥型油墨，具有低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的特點(diǎn)，產(chǎn)品環(huán)保環(huán)污染少，能有效保障生產(chǎn)和印刷人員的健康和安全，是目前油墨印刷行業(yè)的發(fā)展方向。在復(fù)膜包裝材料印刷過程中水性油墨轉(zhuǎn)移到底層承印物上后溶劑水以及氨（胺）類物質(zhì)揮發(fā)，從溶劑中分離的高分子物質(zhì)有數(shù)個聚集，形成核，其核集結(jié)成分子團(tuán)，繼續(xù)成長，形成干燥小粒，干燥小粒凝集形成墨膜。墨層干燥后需在其上施涂一層膠黏劑，然后再覆一層薄膜形成一個具有花色圖案的復(fù)膜包裝材料。水性油墨體系中的樹脂分子量大小、分布、分子形態(tài)以及分子結(jié)構(gòu)對墨層的透氣性能影響較大，進(jìn)而影響后續(xù)施膠工序中墨層對膠黏劑的吸膠效率。透氣性能和吸膠效率是影響墨色穩(wěn)定性、光澤度、色彩穩(wěn)定性、飾面圖案清晰度層次感以及復(fù)膜包裝材料層間附著力的主要因素。降低復(fù)膜包裝材料底材與覆膜層附著能力可以影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用效果，嚴(yán)重時產(chǎn)品出現(xiàn)返工退貨等。具有良好透氣性能和吸膠效率的水性油墨，可以提高產(chǎn)品的使用效率、減少復(fù)膜包裝材料的次品率以及擴(kuò)大生產(chǎn)和印刷企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 透氣性能

透氣性能與墨層的空隙率和孔徑有關(guān)，可以用毛細(xì)現(xiàn)象來表征。假設(shè)有n根平行且相同、半徑為r、長度為L的毛細(xì)管，當(dāng)壓力p通過墨層產(chǎn)生的壓力降為Δp，空氣透過的速率(v/t)為：

式中：

p——為通過墨層的壓力；

Δp——通過墨層的壓力降；

r——毛細(xì)管半徑；

L——毛細(xì)管長度；

n——相互平行的毛細(xì)管數(shù)；

η——空氣粘度；

V——通過空氣的體積；

S——特性系數(shù)。

從公式中可以看出空氣透過速率與微孔半徑的4次方成正比，與孔的數(shù)量成正比。表明當(dāng)墨層結(jié)構(gòu)松緊度較低即微孔半徑較大空隙率較高時其透氣速率也較大；如果孔徑不變而孔的數(shù)量增加則透氣速率也增加，說明較細(xì)和較松結(jié)構(gòu)的墨層透氣速率相應(yīng)也要好些。當(dāng)然，n值的變化對透氣速率的影響要比孔徑變化小。所以可以看出透氣速率與墨層的空隙率有關(guān)，而空隙率是一個體現(xiàn)墨層的微孔數(shù)量和孔徑大小的平均值，故透氣速率也是一個與微孔大小數(shù)量有關(guān)的指標(biāo)。

2 吸膠效率

根據(jù)GB461.1--2002《紙和紙板毛細(xì)吸液高度的測定(克列姆法)》，在10分鐘內(nèi)沿紙條上升的高度定義為毛細(xì)上升的速率。表面張力公式：

式中：

γ——液體表面張力；

r——毛細(xì)管半徑；

p——液體密度；

g——重力加速度；

h——液體在毛細(xì)管仲上升高度。

可見，液體在毛細(xì)管中上升高度與毛細(xì)管的半徑呈反比。毛細(xì)管越細(xì)液體上升的高度越高，墨層的吸膠效率也就越高。

3 墨層透氣性能的影響因素

液體的毛細(xì)上升高度（擴(kuò)散）和速度受其粘度η等的影響，見下面公式：

式中A和B是僅與孔徑分布有關(guān)的系數(shù)，因此對固定的墨層而言是不變的。

γ——液體表面張力；

θ——液體接觸角；

p——液體密度；

g——重力加速度；

h——液體在毛細(xì)管中上升高度；

t——上升時間。

從上式中可以看出孔徑越大液體在墨層中升高的速度越大。通常墨層中的孔徑呈正態(tài)分布，從上述公式看實際測定的單位時間內(nèi)的吸液高度是一個平均速度。

綜上所述，透氣性能與吸液性能都與墨層的孔的特性有關(guān)。透氣性能與空隙率有密切的關(guān)系，但吸液性能的影響因素更多一些。因為墨層對膠液的吸收是分子結(jié)構(gòu)間和分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲透。分子結(jié)構(gòu)間的滲透速度如前所述，服從毛細(xì)物理定律，它與孔徑的大小有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的擴(kuò)散速度正比于分子結(jié)構(gòu)間結(jié)合力的大小。分子結(jié)構(gòu)間滲入到墨層中的膠液是隨分子緊密度的升高而減少，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)滲入的膠液與墨層分子結(jié)構(gòu)與膠液的親和性有關(guān)，兩者雖然都和膠液的親和性有關(guān)，但影響程度是有區(qū)別的。

用透氣性能和吸液性能之間的關(guān)聯(lián)性來表示墨層的吸膠效率，可以體現(xiàn)墨層的空隙程度。一般來講，良好的墨層空隙率可以保證承印底材經(jīng)覆膠成膠膜后全部不透氣，從而避免形成的薄膜脆硬、延伸性小和彎折時涂層斷裂崩邊。為確保墨層在一定透氣性能的情況下能有最佳的吸膠效率，必須對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

4 生產(chǎn)過程對墨層透氣和吸液性能的控制

墨層透氣和吸液性能是關(guān)系到包裝材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。把墨層透氣和吸液性能控制在一個合適的范圍需要一個合理的產(chǎn)品配方和穩(wěn)定的印刷控制過程。

4.1 油墨連接料—樹脂的選擇

目前水性油墨的品種很多，用可再生天然聚合物的大豆蛋白生產(chǎn)的水性油墨在與底材的附著力、顏料的分散性方面都有良好的表現(xiàn)，能同時保持印刷后墨層的多孔性、提高后序覆膠的吸膠效率，是包裝材料特別是紙質(zhì)包裝材料印刷的首選。用天然高分子酪素或經(jīng)改性的纖維素做連接料制得的水性油墨，所得墨層疏松多孔、耐高溫、吸膠量大，印刷網(wǎng)點(diǎn)細(xì)膩清晰、層次豐富、圖案立體感強(qiáng)，顏色穩(wěn)定性好，高溫高壓下不變色掉色，耐紫外光性好，高速印刷適性好，墨層具有多孔性，后序浸膠吸膠量充足，而且墨層有良好的耐苯乙烯、丙酮等有機(jī)溶劑和耐濕摩擦的功能。

4.2 采用合理的印刷工藝

油墨在成膜干燥過程中因蒸氣壓的作用溶劑擴(kuò)散到大氣中，在墨膜表面形成液膜，然后通過液膜揮發(fā)。在這一過程中，油墨表面因溶劑水的揮發(fā)粘度上升，熱量擴(kuò)散，溫度下降，粘度再上升，結(jié)果是墨膜內(nèi)部的溶劑水揮發(fā)逐漸變得因難，這時需要熱量和風(fēng)進(jìn)行干燥。熱量提高了溶劑分子的活躍度，使油墨表面的粘度降低，起到加速溶劑揮發(fā)的效果。另外，若油墨表面揮發(fā)層（氣膜）停滯時，會防礙溶劑的進(jìn)一步揮發(fā)，加熱送風(fēng)，可以吹去氣膜層以加速干燥。一般，溶劑的揮發(fā)速度是由溶劑的蒸氣壓、溶劑和空氣的溫度差以及墨層表面流動的空氣速度和墨層厚度決定的。油墨印刷時控制合理的濕墨層厚度、干燥溫度和空氣流動速率，可以形成最大透氣性能的疏松而又結(jié)構(gòu)牢固的墨層。

4.3 合適的浸膠條件

包裝材料印刷時，在要求墨層具有多孔性的同時，要求印刷后覆膠時的吸膠量要充足。生產(chǎn)時覆膠量一般控制在油墨的（100～130）%左右，覆膠時間為數(shù)秒鐘（因覆膠工序設(shè)備的不同，國外的覆膠機(jī)速度一般為40米/分，國內(nèi)一般為30米/分左右），膠料對墨層的滲透按三維向進(jìn)行，同時膠料和墨層的浸潤作用還與工藝過程的溫度有關(guān)，調(diào)整墨層和膠料的接觸時間、角度和溫度可以產(chǎn)生不同效果的墨層吸膠效率。

5 結(jié)語

一個有良好透氣性能的墨層在滿足充分吸膠效率的條件下，經(jīng)合適的印刷和覆膠工序所制得的包裝材料就一定有較好的印品色相，且顏色穩(wěn)定性好、高溫高壓下不易變色掉色、不會出現(xiàn)崩邊和鼓泡的現(xiàn)象。