汪若冰

(桐城師范高等?？茖W(xué)校，安徽 桐城 231400)

引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到打印油墨對(duì)健康和環(huán)境帶來的影響。在傳統(tǒng)的溶劑型油墨中，有機(jī)溶劑占比約為30%到50%。所以，在使用油墨的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的可揮發(fā)物質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來危害。水性油墨在環(huán)保性和健康性方面有非常突出的優(yōu)勢，油墨無毒無害，不可燃，幾乎沒有任何可揮發(fā)性的物質(zhì)，所以水性油墨的性能研究和改進(jìn)是未來油墨研究的重要方向。水性油墨的組成包括顏料、助劑以及連結(jié)材料，親水性的樹脂材料在油墨合成中發(fā)揮重要作用。樹脂的親水性實(shí)現(xiàn)必須在分子結(jié)構(gòu)中引入親水性基團(tuán)，連結(jié)材料的技術(shù)特征直接決定了油墨技術(shù)的革新成敗[1]。

近幾年以來，UV固化水性聚氨酯技術(shù)逐漸成為油墨等涂料制備研究的熱點(diǎn)，該技術(shù)將水性聚氨酯技術(shù)和UV固化技術(shù)的特征和優(yōu)勢結(jié)合起來，材料環(huán)保性良好，同時(shí)具有良好的固化速度，能夠節(jié)約能源，同時(shí)有良好的涂膜性能。UV固化水性聚氨酯技術(shù)是利用水作為溶劑，油墨黏度更低，通過引入U(xiǎn)V固化結(jié)構(gòu)的方式提升材料的綜合性能。本文提出將包含有C=C雙鍵的季戊四醇三丙烯酸脂引入到聚氨酯預(yù)聚體的末端，合成UV固化水性聚氨酯樹脂，利用這種連接材料制備油墨，分析DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于UV固化水性聚氨酯樹脂性能帶來的各種影響，對(duì)UV固化水性聚氨酯油墨的性能進(jìn)行梳理分析[2-3]。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

原料：甲苯-2,4-二異氰酸脂(TDI)，分析純；二羥甲基丙酸(DMPA)，分析純，使用前在105℃的條件下真空干燥10小時(shí)；聚酯二元醇(POL-756T)，工業(yè)品級(jí)，使用前在105℃的條件下真空干燥10小時(shí)；季戊四醇三丙烯酸脂(PETA)，化學(xué)純；二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，分析純；三乙胺(TEA)，分析純；丙酮，分析純，使用前利用4A分子篩進(jìn)行一周干燥，使用前要進(jìn)行熏蒸處理；去離子水，三級(jí)水；對(duì)羥基丙甲醚(MEHQ)，分析純；酞青藍(lán)色料和聯(lián)苯胺黃G，工業(yè)級(jí)。

儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Nicolet380型號(hào)傅里葉變換紅外光譜儀；ZS90型激光粒徑分析儀；DM2500P偏光顯微鏡；SDF400分散磨砂機(jī)；SGS-65三輥碾磨機(jī)；印刷適性儀；TDM-500UV固化機(jī)。

1.2 UV固化水性聚氨酯樹脂的制備

四口燒杯中設(shè)置冷凝管、溫度計(jì)和攪拌器，向其中加入一定劑量的TDI和POL-756T，通過保護(hù)氣體氮?dú)?，在確定溫度下反應(yīng)，時(shí)長為1.5h；當(dāng)燒杯中的異氰酸酯基含量達(dá)到理論值之后，適量加入固體DMPA和DBTDL，反應(yīng)4h；當(dāng)體系中的異氰酸酯基達(dá)到理論值，加入PETA反應(yīng)，待溫度降到室溫，加入三乙胺中和，同時(shí)將其水性化。反應(yīng)過程中，要適當(dāng)加入丙酮進(jìn)行稀釋，然后利用蒸發(fā)儀除去其中的丙酮，獲取UV固化水性聚氨酯。

圖1 UV固化水性聚氨酯的合成

1.3 UV固化水性聚氨酯油墨的制備

采用機(jī)械共混的方式，選擇上文中的方式制作的樹脂作為連接料，將連接料、去離子水、顏料、光引發(fā)劑和助劑混合起來，共同加入到分散砂磨機(jī)之中，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下磨到合適的細(xì)度，加入顏料配置成額定的色漿。然后，將預(yù)制色漿與水性聚氨酯乳液混合起來，機(jī)械共混，完成油墨制備，得到UV固化水性油墨。

圖2 UV固化水性聚氨酯油墨制備流程

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜經(jīng)過電暈處理之后可以作為印刷的基礎(chǔ)材料，將其裁成固定寬度的條狀，在印刷適性儀上打印，研究印刷的適用性。油墨干燥之后，轉(zhuǎn)移到固化機(jī)中對(duì)其進(jìn)行固化，通過對(duì)樣條的測驗(yàn)判斷印刷適性。

2 分析結(jié)果及討論

性能測試：按照《涂料固體含量測定法》來測定乳液的固體含量。利用離心加速沉降的方式，對(duì)乳液穩(wěn)定性進(jìn)行模擬測試。測試選擇在室溫條件下進(jìn)行，樣品裝載離心管中，轉(zhuǎn)速確定為3000轉(zhuǎn)每分鐘，測試15分鐘，觀察沉降現(xiàn)狀。如果測試后乳液沒有出現(xiàn)分層和沉降，那么可以認(rèn)定其貯存期為6個(gè)月。樣本的顆粒分散程度采用偏光顯微鏡投射技術(shù)測試。乳液的粒徑采用激光粒徑分析儀測試。UV固化水性油墨的性能按照《水性煙包凹印油墨》方法進(jìn)行測試。油墨顏色、耐水性分別按照《膠印油墨顏色檢驗(yàn)方法》和《水浸漬法涂層耐水試驗(yàn)》方法測定[5]。

2.1 紅外光譜分析

UV固化水性聚氨酯利用紅外光譜進(jìn)行分析，光譜曲線如圖3所示。

圖3 UV固化水性聚氨酯樹脂紅外光譜圖

根據(jù)圖3可以看出，在UV固化水性聚氨酯樹脂光譜帶中，C=C雙鍵在1601 中出現(xiàn)了明顯的伸縮振動(dòng)吸收峰值。1405 出現(xiàn)了=CH2和=CH結(jié)構(gòu)的C-H鍵面內(nèi)搖擺振動(dòng)帶。曲線a為UV固化膜的紅外曲線，曲線b為UV固化水性聚氨酯樹脂的紅外曲線，對(duì)比可知在經(jīng)過UV光輻射之后，樹脂的振動(dòng)吸收峰會(huì)在一定程度上降低，這說明在紫外線光照的條件下，C=C會(huì)發(fā)生交聯(lián)固化。

2.2 DMPA含量對(duì)乳液性能的影響性分析

乳液是否具有良好的穩(wěn)定性直接影響著產(chǎn)品物流、儲(chǔ)藏以及后期應(yīng)用。DMPA中含有一定量的親水羧基，含量的不同決定了乳液整體的外觀呈現(xiàn)、性能是否穩(wěn)定、耐水性能以及粒徑的大小等參數(shù)。常見的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DMPA對(duì)于UV固化水性聚氨酯乳液性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響，具體參數(shù)如表1所示。

表1 DMPA不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的性能測試結(jié)果

不同的DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致不同的乳液性能，通過表1可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加會(huì)導(dǎo)致乳液的顏色由乳白色逐漸向著半透明的狀態(tài)過渡。質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，則意味著親水基團(tuán)的比例在不斷增加，粒經(jīng)的分布越來越小，透光性越來越強(qiáng)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，可以看出乳液離心處理之后會(huì)產(chǎn)生分層的現(xiàn)象，在DMPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%之后，分層現(xiàn)象消失，此時(shí)能夠穩(wěn)定儲(chǔ)存的時(shí)間超過6個(gè)月，已經(jīng)能夠滿足應(yīng)用需要。此后質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，乳液中的固體物質(zhì)含量越來越高，水溶性更強(qiáng)，所以乳化的過程中對(duì)水分的需求降低，導(dǎo)致乳液的固體含量增加。如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)比5%更低，那么樹脂將無法順利乳化，無法獲取粒徑的具體測試數(shù)據(jù)。總和成本性和實(shí)用性要求，DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳選擇確定為6.25%。

UV水性聚氨酯乳液粒子的分散情況，利用偏光顯微鏡投射技術(shù)進(jìn)行觀測。結(jié)果表明，隨著DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，乳液中的粒子分布會(huì)逐漸變得均勻。DMPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)乳化。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.25%時(shí)，乳液的分散性非常明顯的提高，分布變得更加均勻，乳液的顆粒逐漸變小，沒有出現(xiàn)聚集情況。所以，隨著DMPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水性聚氨酯分子之中的親水基團(tuán)數(shù)量也會(huì)越來越高，溶解性會(huì)逐漸的增強(qiáng)，分散越來越均勻，增強(qiáng)水溶性，顆粒具有更好的分散性。所以顆粒的粒徑減小到一定的程度之后，會(huì)有向一團(tuán)聚集的傾向，可能會(huì)造成粒徑增大的問題。

2.3 水性油墨性能分析

按照第一節(jié)中的方式制備UV固化水性聚氨酯，以此為連接料制備UV固化水性油墨，成功獲得油墨之后，采用適性儀打印的方式制備UV固化水性油墨的樣張，并將其裁制成固定寬度和長度的樣張。在實(shí)踐的過程中，打印沒有出現(xiàn)油墨堵塞和飛墨的問題。油墨能夠良好的轉(zhuǎn)移，打印之后的樣張清晰。

按照《水性煙包凹印油墨》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 UV固化水性聚氨酯油墨性能分析

通過比較分析之后，發(fā)現(xiàn)UV固化水性聚氨酯油墨的顏色、顆粒細(xì)度、油墨黏度、附著力、穩(wěn)定性、耐水性等各項(xiàng)性能均能夠符合國家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，且在應(yīng)用中具有良好的效果。

3 結(jié)論

通過在聚氨酯預(yù)聚體的末端引入季戊四醇三丙烯酸脂，進(jìn)而完成UV固化水性聚氨酯樹脂，將該樹脂作為中間材料，制備水性聚氨酯油墨。按照國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制成的油墨性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明以UV固化水性聚氨酯乳液為連接料制備的油墨各項(xiàng)性能均符合規(guī)定，滿足適用要求的同時(shí)具有更加突出的環(huán)保性能和安全性能。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]方振華, 陳宏偉.雙酚 A 改性 UV 固化水性聚氨酯涂料的制備及性能研究[J].功能材料，2010(10):72-74.

[4]王正祥,李運(yùn)華. UV固化水性聚氨酯基油墨的制備[J].包裝學(xué)報(bào),2016,8(1):20-24.

[5]李運(yùn)華. UV固化水性聚氨酯基油墨連接料及其印刷油墨的制備研究[D]. 長沙：湖南工業(yè)大學(xué),2016.