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纯水型凹印油墨生产技术
作者：admin日期：2020-07-17阅读
纯水型凹印油墨是以水为溶剂制备而成的液体状油墨，其大特点是不含挥发性溶剂，具有、无刺激性气味等优点，节能减排，环境污染小，近年来逐渐受到人们的青睐，被广泛应用于绿色包装产业中，尤其是在呼声日益高涨的今天，已经成为一种新型的“绿色”印刷耗材，具有广阔的市场前景。将实验室成功研发的纯水型凹印油墨[4—5]进行产业化，需要对油墨生产工艺的关键技术进行研究，以确保生产的油墨质量。油墨的生产质量主要取决于分散性，针对凹印油墨生产使用多的卧式砂磨机，为了得到分散性能良好的油墨，要使砂磨机达到理想的运动形式，这与油
墨生产的预分散工艺、研磨基料颜基比（生产基墨时颜料和连接料的质量比）、进料速度、砂磨机的研磨次数密切相关。干燥性是水性油墨亟待解决的问题，为提高水性油墨的干燥性，需要在油墨中添加干燥剂，但干燥剂的加入不能影响油墨的质量，还需要有合适的干燥剂添加工艺。
1 实验
1.1 材料和仪器
实验使用颜料为联苯胺黄、艳红6BW、酞菁蓝、碳黑、钛白粉，实验使用树脂为丙烯酸树脂AZR，S-2916，S-2919，实验使用的助剂为分散剂、消泡剂、流平剂、蜡乳液，等，实验使用的溶剂为去离子水。主要仪器：JB2 高速搅拌机、SMZ 20-1 型卧式砂磨机、SMB-0.75 篮式研磨机（上海索维机电设备有限公司）、Microtrac S3500 激光粒度分析仪（美国Microtrac 有限公司）、3 号察恩杯、氧化锆珠做为研磨介质。
1.2 测试方法
1.2.1 油墨分散性
油墨的分散性通过其粒径大小及其分布来表征，使用激光粒度分析仪进行测试。文中以95%油墨分布的大粒径来表示油墨粒径，粒径分布图横坐标表示粒子大小(μm)，左边纵坐标表示累积分数(%)，右边纵坐标表示频度分数(%)。
1.2.2 油墨粘度
使用3 号察恩杯测量油墨粘度(s)。
1.2.3 油墨干燥性
采用GB/T 13217.5—2008 测试油墨干燥性，即使用压痕法的方式，使用刮板细度计进行测试，得出油墨的初干性(mm)、彻干性[6](s)。
1）初干性的测量：在温度为25 ℃，相对湿度为(65±5)%的环境中，取适量油墨于刮板细度仪槽的100 mm 处，迅速刮下，立刻按下秒表，经30 s 后用一张与刮板细度仪同宽的铜版纸条，其上端与刮板细度仪的上端对准，平贴凹槽上，用另一块刮板迅速刮一下，揭下纸，测量墨迹消失处到0 mm 处未粘墨迹的长度，即初干性。
2）彻干性的测量：在温度为25 ℃，相对湿度为(65±5)%的环境中，取适量油墨放置于刮板细度仪100 mm 处（墨量以刮满槽为准），迅速刮下，立刻用一张铜版纸盖在其上，用另一块刮板刮下，从揭下纸开始，用手指触摸纸条的100 mm 处，墨迹不粘手后结束，所用时间则为彻干性。
1.2.4 油墨附着力[7]
采用规格为20 mm×20 mm 的3M 胶带粘贴在印刷品上，样品下面放一张规格为10 mm×10 mm 的100个面积为1 mm2 的方格纸，用大小恒定的力将胶带从塑料表面以90°的方向撕下，计算剩余油墨所占方格纸格子数目的比例来评价附着力。纯水型塑料凹印油墨的附着力指的是在BOPP 塑料薄膜上的附着力。
1.2.5 油墨VOCS 含量
纯水型凹印油墨VOCs 含量依据GB26395—2011 进行测试。
1.2.6 油墨重金属含量
纯水型凹印油墨重金属含量依据 EN 71-3：2013进行测试。
1.2.7 油墨大印刷速度
在普通凹版印刷机上，烘箱温度为80 ℃时，印刷品完全干燥不粘连的快开机速度即为大印刷速度。
2 实验结果与分析
文中的研究方法与过程以纯水型凹印塑料青油墨为例进行说明，其他颜色油墨的研究方法相同。
2.1 预分散条件对油墨性能的影响
纯水型凹印油墨生产过程的1 步就是将原料按一定比例配制的混合物进行预分散，目的是将各种油墨的组分初步的混合，为后续的研磨工序做准备。预分散的时间和速度对油墨的分散性和粘度等性能有一定的影响。
2.1.1 预分散速率
油墨生产时预分散多使用高速叶轮分散机[8—9]，采用不同转速分别对同一质量分数的油墨原料进行预分散，预分散时间为30 min，经过相同研磨条件生产基墨，再添加相同的成膜树脂后配制成墨，分别取样进行油墨分散性和粘度的检测，结果见图1。由图1 可以看出，基墨预分散时随着所采用的高速叶轮分散机转速的增加，生产出油墨的粒径有逐渐变小的趋势，且粒径分布也逐渐变均匀，当转速为500 r/min时，95%的油墨粒径分布在1.53 μm 以内，粒径分布范围较宽，粒径分布不均匀，当转速为2000 r/min 时，95%的油墨粒径分布在0.51 μm 以内，且粒径分布狭窄且均匀。转速从1500 r/min 开始，油墨粒径减小和粒径分布变窄的趋势减缓，趋于稳定。预分散可帮助连结料对颜料的润湿，为了使油墨具有良好的分散性，要求研磨前连结料应充分润湿颜料[10]。颜料和连结料在叶轮高速的剪切之下，随着转速的增加，颜料被连接料润湿得越来越充分，在后续的研磨过程中，连结料对颜料形成更加均匀的分散体系，分散性越好，因而产出的油墨分散性能更佳，粒径分布也更为合理。
不同预分散速度下的油墨粒径和粘度见图2，随着预分散时所采用的高速叶轮分散机转速增加，生产出油墨的粘度逐步下降，但从1500 r/min 开始，油墨的粘度趋于稳定。当转速为500 r/min 时，油墨粘度为25 s，转速在1500～2000 r/min 时，粘度接近20 s。生产油墨的粘度与分散性相关，分散性好的体系的粘度于分散性差的体系。由图2 可知，当转速达到1500 r/min 时，所生产的油墨的粒径可达到0.51 μm，分散性良好，满足纯水型凹印油墨印刷工艺的要求，因此，可将1500 r/min 确定为油墨生产预分散时高速叶轮分散机的转速。
2.1.2 预分散时间
预分散时间对生产油墨的分散性也有较大影响，控制高速叶轮分散机的转速为1500 r/min，改变预分散时间对同一质量分数的油墨原料进行预分散，经过研磨生产基墨，添加调稀树脂之后配制成墨，分别取样进行油墨粒径分布和粘度的测量，见图3。
从图3 可以看出，基墨随着预分散时间的增加，油墨的粒径和粘度逐渐减小，但从30 min 开始，尤其在45 min 以后，生产的油墨粒径趋于稳定，粘度变化较小，说明油墨分散性达到良好状态。预分散时间决定了连结料对颜料的润湿程度，为了使连结料充分润湿颜料，保证生产油墨的分散性，需要有足够的预分散时间。预分散时间为30 min 时，可以使生产的纯水型凹印油墨具有良好的分散性。
2.2 研磨条件对油墨分散性的影响
将搅拌均匀和充分预分散的料浆放置在砂磨机中进行研磨。研磨是油墨生产的重要过程，其主要目的就是将颜料聚集体分散于连结料中，使之形成细颗粒的分散体，这也是油墨生产的主要目的[11]。为了生产分散性良好的油墨，必须使原材料处于佳研磨状态，并被充分研磨，这与研磨原料的颜基比、研磨时间有关。
2.2.1 颜基比
颜基比是指生产基墨时颜料和连接料的质量比，不同的颜基比生产的油墨性能差异较大。控制高速叶轮分散机的转速为1500 r/min，分散时间为30 min，对不同颜基比的基墨进行预分散，然后用相同研磨条件生产基墨，再添加相同的成膜树脂后配制成墨，分别取样进行油墨分散性和粘度的检测，见表1。
从表1 可以看出，采用不同颜基比研磨生产的油墨的粒径和粘度有较大差别，这是由于基墨生产实质是将颜料通过研磨的方式分散在连结料中，分散的过程实际上也是流动过程，达到佳流动点，油墨研磨时才能获得有效的剪切作用，分散才能达到佳状态。颜基比的改变意味着研磨树脂含
量发生变化，即研磨体系的粘度发生变化，使得剪切作用也不同[11]。为了使生产的油墨有良好的分散性，应采用佳颜基比来研磨生产基墨。在该生产条件和使用材料的情况下，采用1∶1.25 的颜基比来研磨生产纯水型凹印油墨，所得到的油墨粒径和粘度小，分别为0.53 μm 和15 s，说明分散效果达到佳。
2.2.2 进料速度
在纯水型凹印油墨研磨过程中，预分散好的混合物通过一个气动隔膜泵被压入研磨腔内，与研磨介质充分混合，进而被剪切和打碎，完成研磨过程。气动隔膜泵的工作气压决定了研磨机进料的速度，工作气压越大，进料速度越快。固定油墨生产的其他条件，改变气动隔膜泵的工作气压，即改变研磨
机进料速度来研磨生产基墨，并添加相同的成膜树脂配制成墨，测试油墨的粒径分布和粘度，见图4。
从图4 可以看出，随着隔膜泵工作气压的逐渐，即进料速度越来越大，油墨的分散性越来越差，进料速度小时，95%的油墨粒径分布在0.72 μm 以下，而大进料速度研磨出的油墨，95%的油墨粒径分布在1.68 μm 以下，分散性较差。进料速度越大时，油墨在砂磨机中被研磨的有效时间就越短，导致油墨的分散性欠佳，为了生产分散性良好的油墨，进料速度不能过高，即隔膜泵工作气压不能太大。
从图4 可以看出，随着隔膜泵工作气压的逐渐，即进料速度越来越大，油墨的分散性越来越差，进料速度小时，95%的油墨粒径分布在0.72 μm 以下，而大进料速度研磨出的油墨，95%的油墨粒径分布在1.68 μm 以下，分散性较差。进料速度越大时，油墨在砂磨机中被研磨的有效时间就越短，导致油墨的分散性欠佳，为了生产分散性良好的油墨，进料速度不能过高，即隔膜泵工作气压不能太大。
2.2.3 研磨次数
油墨原材料经过研磨机一次研磨往往不能得到良好的分散效果，需要多次研磨。将预分散好的浆料通过气动隔膜泵压入研磨腔内进行研磨，共研磨4次，测试每一遍研磨后的油墨的粒径分布，见图5。
由图5 可以看出，随着研磨次数的增加，油墨的粒径逐渐减小，粒径分布的范围逐渐变窄。研磨次数越多，油墨原材料被研磨的时间越长，颜料被连结料分散得越充分，分散性越好。经过4 遍研磨后，95%的油墨粒径分布在0.99 μm 以下，分散性良好。
2.3 干燥剂添加工艺对油墨性能的影响
纯水型凹印油墨的溶剂是纯水，水的比热容较大，挥发速度不及醇类、酯类等溶剂，油墨被转移到承印材料表面时不易干燥，使得油墨在印刷时印刷机速度较慢，大地限制了印刷厂的生产效率，这也在很大程度上限制了纯水型凹印油墨的研发和推广[12—14]。为解决纯水型凹印油墨的干燥性问题，研制出能提高油墨干燥速度的干燥剂，该干燥剂为固体粉末[15]。在初期的实验中，直接将干燥剂加入纯水型凹印
油墨中，所制备的干燥剂密度非常小，同时颗粒度很小，使其表面能较高，干燥剂非常容易漂浮在油墨表面，不能与油墨体系互溶，因此，将干燥剂粉末加至含有表面活性剂的水性丙烯酸乳液中。由于干燥剂是固体粉末，加入后易使油墨粒径变大，油墨转移性能变差，从而影响油墨的印刷质量。为了使干燥剂能很好地分散在油墨体系中，需要探讨其添加方式及工
艺。
2.3.1 干燥剂添加方式
采用2 种方式将干燥剂加至丙烯酸乳液：采用搅拌机将干燥剂分散在丙烯酸乳液中，分散时间为30 min；对预分散的干燥剂乳液采用篮式研磨机研磨30 min，转速为1000 r/min。将2 种方式制备的干燥剂乳液加入油墨中，测试油墨粒径分布，见图6。
由图6a 可以看出，在油墨中添加采用搅拌方式制备的干燥剂乳液，会造成油墨颗粒大，95%的粒径分布在88 μm 以下，严重影响印刷质量，油墨转移性能差。由图6b 可以看出，在油墨中添加采用研磨方式制备的干燥剂乳液，95%的粒径分布在8.4 μm以下，颗粒明显减小，满足凹版印刷油墨转移的要求，可保证印刷质量。这是因为研制的干燥剂是固体粉末，用搅拌机将其与乳液混合，只能使乳液润湿干燥剂，干燥剂聚集体并没有得到很好的分散，必须在有效的剪切力作用下，即通过研磨，才能使干燥剂在油墨中有良好的分散性。
2.3.2 研磨时间
采用研磨方式分散干燥剂，与颜料分散类似，其分散性也与研磨时间有关。对预分散的干燥剂乳液采用篮式研磨机研磨，转速为1000 r/min，测试不同研磨时间所制备的干燥剂乳液的粒径分布，见图7。
从图7 可以看出，随着研磨时间的增加，干燥剂乳液的分散性越好，研磨时间为15 min 时，分散性很差，95%的粒径分布在40 μm 以下，且粒径分布范围较宽；经过60 min 的研磨后，95%的粒径分布达到3.67 μm 以下，已经接近生产油墨的粒径分布。研磨时间越长，分散剂被分散得越充分，分散性越好。将经60 min 研磨的干燥剂乳液加入油墨体系中时，与油墨有良好的互溶性。
2.4 生产油墨的主要性能
根据上述研究结果，采用佳生产工艺生产出纯水型凹印油墨，测试其性能。黄、品、青、黑、白的纯水型塑料凹印油墨的初始粒径分别为1.5，2，0.8，2.5，2 μm，粘度为20～25 s，初干性分别为10，11，10，11，10 mm，彻干性为70 s，附着力为90%～，大印刷速度为120 m/min，VOC 和重金属排放均符合标准；黄、品、青、黑、白的纯水型水松纸凹印油墨的初始粒径分别为1.5，2，0.8，2.5，2 μm，粘度为12～15 s，初干性分别为12，11，11，11，10 mm，彻干性为70 s，附着力为，大印刷速度为150 m/min，VOC 和重金属排放均符合标准。可以看出，采用文中的生产工艺生产出的纯水型凹印油墨性能良好，印刷速度较快，能满足凹版印刷要求，且油墨无VOC、重金属，属于油墨，可在我国包装
印刷行业全面推广，改变我国目前凹版印刷产生大量VOC 的现状。
3 结语
根据上述研究，针对实验室研制成功的纯水型凹印油墨的，利用现有的油墨生产设备，得到以下结论：为了生产出性能良好的纯水型凹印油墨，先应控制高速叶轮分散机转速为1500 r/min，对基墨浆料进行预分散，时间为30 min，基墨的颜基比为1∶1.25；然后对基墨采用卧式砂磨机进行研磨，控制进料速度的隔膜泵工作气压为0.2 MPa，经过4 遍研磨即可；干燥剂可用来提高纯水型凹印油墨的干燥性，先用搅拌机将其预分散至丙烯酸乳液中，然后用篮式研磨机在转速为1000 r/min 下研磨60 min 制备成干燥剂乳液，后添至油墨中；所生产的纯水型凹印油墨性能良好，可满足凹版印刷的要求。
