水基油墨抗水性机理研究

目前各行各业都在掀起一股“绿色革命”浪潮，与人民群众生活紧密相关的包装印刷行业也在不断受到冲击。传统的包装印刷采用的是溶剂型油墨，溶剂挥发后不但造成空气的污染，而且还是一种致癌物质，会对人体造成危害。正是在这种情况下，水基油墨应运而生。用水基油墨取代溶剂型油墨是印刷业及油墨制造业具有深远意义的重大变革，也是社会发展的必然趋势，而且这种趋势也越来越紧迫。然而，目前国内的水基油墨无论是生产还是使用，都停留在较低的水平上，存在着较多的问题，严重影响了水基油墨在国内的推广使用。本文针对水基油墨抗水性较差这一难题，从多方面进行了分析、探索，并最终在实验中取得了一定的实效。在一定意义上说，油墨的抗水性就是油墨中所用的颜料对水的耐抗性能。当然，由于耐水性的测定是用油墨在纸上刮样，并在干燥后测定的，所以，实际上它主要是测定油墨在固化后形成的墨膜对水的耐抗性能。水基油墨的抗水性对水基油墨的使用有着重要意义。因为水基油墨经常应用在包装印刷产品中，如：啤酒、饮料等，这些产品会在水中长期浸泡，或在冰箱中长期冷冻。如果水基油墨的抗水性能差，会导致水基油墨遇水乳化而失去光泽，严重时还会完全掉色，影响产品形象。而在印刷时，水基油墨抗水性差，除产生乳化外，还将导致糊版、不下墨等印刷故障。1.水基油墨所用连结料的抗水机理水基油墨目前所常用的连结料是在高酸值时可以溶解于碱（常用氨水等挥发性碱）的丙烯酸树脂、马来酸改性松香等树脂，水溶液呈碱性。干燥时，在水分经渗透和蒸发离开墨层的同时，氨水也逐渐挥发，彻底干燥后的墨层具有良好的抗水性和成膜强度，这个过程称为交联固化。水性树脂交联的方式可分为自交联和外加交联剂交联，不同的侧链活性基团具有不同的反应方式，要求不同的反应条件，固化后生成不同的化学结构，因此具有不同的反应特点。溶剂型油墨的原材料选择范围很广，可以广泛地选择能很好适合承印物的天然树脂和合成树脂，这是它的特点。但是水基油墨连结料的选择却受到水基油墨自身特点的限制。单纯水溶性高分子化合物，作为水基油墨的连结料用于印刷时，其耐水性极差；做书刊用油墨也因为只靠水附着，其耐摩擦性急剧变差，所以在使用上还存在问题，而且不能用于包装等要求耐水性高的产品。所以，一般来说，要在油墨墨膜形成要素的树脂里引入羟基、醚基、羧基、氨基、磺酸基等亲水基。例如，羟基离解后，使高分子物质具有水溶性，但是在干燥后则要求其变成疏水性而不再溶解于水，否则，这将成为印刷时糊版，印刷后版的洗净性差以及使作业性低下的原因。在水溶性树脂中，丙烯酸树脂的性能较为理想，丙烯酸树脂是把丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、无水马来酸等有羟基的聚合性单体和丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲脂、苯乙烯、乙烯基甲苯等共聚，然后用氨、胺类等挥发性碱中和它的羧基，做成水溶性盐。在成膜过程中，随着氨和水分的挥发，同时产生聚合物粒子的接近、接触、挤压而聚集起来，形成密密状态的防水基油墨层。但墨层内聚合物粒子间还残留水分，借助毛细管压力作用，这些水分进一步挥发，使聚合物粒子发生塑性变形，最后由粒子状态的聚集变成分子状态的聚集，形成连续的、富有弹性的抗水薄膜。2.水基油墨的干燥机理及其对抗水性的影响油墨的干燥过程根据需要有不同的要求。当油墨转移到承印物表面形成墨膜，失去流动性，表明已经变干，即使移动也不会发生蹭脏现象，这时油墨墨膜内部实际并未干透，这个干燥过程称为固着。印刷品放置一段时间以后，油墨才能够完全干燥，这称为油墨的彻干。其干燥的过程有许多方法，如：渗透干燥、挥发干燥、氧化结膜干燥、反应型干燥等。水基油墨的干燥机理是以渗透干燥和挥发干燥为主，同时又兼以反应性凝固干燥。水基油墨干燥要有较高的空气流量，但不必高温。温度过高，对于一些非吸收性的材质会导致墨层的表面干结，而内部水分却无法干燥彻底，在套色时会出现粘连。一般干燥分为两个阶段：高温、低空气流量；通入大量、高速、温度适中的空气。在注重干燥速度的同时，要考虑防止干结，因水基油墨一旦干结就很难再溶于水，而且会引发油墨固化。水基油墨中含有大量的挥发性溶剂——水，印刷到承印物表面之后，水挥发到大气中，油墨中剩余的树脂和颜料粘在一起，形成固体膜层而固着于印刷物的表面。在此过程中，伴随着少量的交联固化，最终使颜料附着在承印物的表面。由上可知，水基油墨的最大特点是油墨在印刷时可与水混合，一旦油墨干固后，则不能再溶于水，即油墨的抗水性。所以，油墨的干燥环节对于油墨的抗水性能有很大影响。干燥快，抗水性就好，但也不能太快，否则会引起其它的弊端。只有良好的干燥才有利于提高水基油墨的抗水性能。3.颜料的分散及其对抗水性的影响颜料分散的好坏决定着油墨的稳定性和抗水性能。差的分散会导致颜料沉淀，稳定性能降低，印刷后所形成的墨膜就会具有差的均匀性、连续性和致密性，而使膜层具有一定的亲水性，导致其抗水性能下降；均匀的分散，系统稳定性较好，不会引起沉淀，所形成的墨膜的性能达到最佳，抗水性能随之提高。制作油墨最重要的就是将颜料很好地分散在连结料中。通过机械搅拌或研磨将颜料粉碎成细小颗粒分散于连结料中。其次，应保持这个分散体系的稳定性，防止颜料在分散体系中絮凝、结固、返粗或油墨胶化等现象。由于颜料粒子结构不同以及表面性质不同，因而颜料粒子表面对于各种连结料的亲和力差异很大。这种差异会导致已经分散的颜料粒子逐渐重新聚集成团。此时，颜料在墨料中沉降能力增加，分布的均匀性降低，墨料的流动性变差，这种现象叫做絮凝。这种絮凝结构是松散的，很容易被机械外力所打碎而重新分散。当颜料在连结料中的絮凝现象十分严重，颜料颗粒就会相互合并成大颗粒，这种现象叫做结团。此时，颜料的分布极其不均匀，沉降能力大大增加，这种情况是油墨返粗的情况之一。为了防止颜料的聚集，可以在油墨中加入一定量的离子型表面活性剂。这些表面活性剂以正或负离子的形式吸附在颜料表面上，对应的电荷扩散到连结料介质中，就会发生电荷排斥。这些带电离子的扩散包围着颜料颗粒，并排斥其周围带同样电荷的颗粒，形成了颜料颗粒外围的双电子层，防止颗粒的接近，降低了絮凝的倾向。但是应该注意避免过量使用表面活性剂，否则会增加离子浓度而降低颗粒的排斥能力。4.pH值对抗水性能的影响水基油墨的连结料，采用的是碱溶性连结料，以满足连结料在印刷时可以被水溶解，干燥后即变成不溶于水的膜层要求。碱溶性连结料中加入适量的胺类化合物，经化学处理后所形成的可溶性树脂盐溶于水，但却不耐碱。印刷油墨黏度的变化对印版的上墨量有直接的影响，影响印刷质量，因此在印刷过程中要控制油墨的黏度。水基油墨的成分中含有胺，它是增溶性树脂，决定水基油墨的酸碱度。通常水基油墨pH值范围应在8.5～9.5，这时水基油墨的印刷性能最好，印品质量最稳定。由于在印刷过程中胺在不断挥发，操作人员还会不时地向墨里加入新墨和各种添加剂，油墨的pH值随时都可能发生变化。当pH值高于9.5时，碱性太强，水基油墨的黏度会降低，干燥速度变慢，耐水性能变差；当pH值低于8.5时，即碱性太弱，水基油墨的黏度会升高，墨易干燥，堆到印版及网纹辊上，引起版面蹭脏，并产生泡沫，抗水性能也会降低。5.稳定性和抗水性的关系水基油墨以其连结料特有的性质决定它要在稳定性和抗水性之间做一个折中的选择，这是因为水基油墨中连结料所使用的碱，对最后的用途很重要，决定了它在印刷机上的稳定性，以及膜的抗水性。大量使用的还是氨水及各种胺类，或是它们的混合形式。氨水挥发比较快，可较快地得到耐水的膜，但可能导致在印刷机上的不稳定。胺类因挥发慢，故在印刷机上比较稳定，但是因为它会长期留在墨膜内，所以成膜后抗水性差。其原因在于，碱类物质挥发快，树脂连结料各官能团（如羧基与氨基、羟基）之间产生交联反应的时间就短，于是墨膜在很短的时间就交联固化，抗水性就强；而另一方面，氨或胺类挥发快，会导致油墨的pH值快速下降，而伴随着黏度又升高，由上面分析可知，此时油墨的稳定性则会大大下降。同样的道理，当碱类物质挥发慢时，就会产生相反的结果。所以说，水基油墨中稳定性和抗水性是矛盾的对立统一关系。通常我们的做法是，在稳定性和抗水性之间找到一个合理的中间点，即既具备良好的抗水性又具有好的稳定性。方法是拼用不同的氨与胺类，此时主要是考虑胺类的沸点和得到相同黏度时所需的量，通常选用的原则是沸点略低、所需量越少的仲胺为最好。6.小结随着能源危机的出现和世界性环保运动的开展，水基油墨的呼声已越来越高，而我国在这方面却远远落在时代后面了。我国已加入世界贸易组织，若还用溶剂型油墨来印刷出口的包装产品，那么这些商品进入国际市场将会困难重重，其结果必然在竞争中处于劣势。因此，深入开展水基油墨的研究对于国民经济和社会的发展将大有作用，其前景必将是一片广阔。