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填料对UV胶印油墨性能的影响,设计了UV胶印油墨的配方,选用了4种填料分别配制油墨样品,测试了油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性等主要特性
2019年10月16日    阅读量:1276     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

油墨行业是被公认为污染最大的行业之一,环保节能的新型油墨无疑是油墨行业未来的发展方向。水性油墨和UV油墨的出现,给油墨生产商和印刷包装厂家们带来了极大的希望。由于水性油墨干燥速度慢,耐水性较差,应用不如UV油墨广泛中国机械网okmao.com


UV油墨是由光引发剂、预聚物、活性稀释单体、颜料、填料及助剂等组成,利用光引发剂吸收光能裂解成活性碎片,引发单体和预聚物发生交联固化反应,从而成膜干燥。具有生产效率高、溶剂排放少、能源损耗低等优点,因而被誉为21世纪的绿色新技术。尽管UV油墨有着众多的优点,但是作为一项新生的技术,存在一些尚未解决的问题。现在市场上的UV油墨一般成本较高,印刷后附着力低,耐摩擦性能差等,这些问题严重制约了UV油墨的应用。


同时,目前采用的预聚物和单体都有一定的气味,对油墨操作人员的身体有害。尤其是UV胶印油墨,因其黏度较大,预聚物和单体所占的比例也很大,这不仅加大了油墨的成本,同时也加重了对人体的损害程度。填料一般为无机物,不挥发,对人体无害。


填料的价格也较预聚物、单体和颜料低,通过添加填料不仅可以降低成本,而且还可以改善墨层的性能。目前,国内外对UV 胶印油墨进行了大量的研究,取得了一定的成果,但是主要偏重于对预聚物、单体及光引发剂的研究,对于填料的研究则基本没有。笔者针对这一现状,选用了4种油墨行业常用的填料,采用加填的方式,研究了填料的种类及用量对油墨性能的影响。

 

1 实验

1.1 材料和设备

材料:双官能度的聚氨酯丙烯酸酯6120F-80,四官能度的聚酯丙烯酸酯6311-100(均由长兴化学材料有限公司提供),NPGDA(新戊二醇二丙烯酸酯),TMPTA(二缩三羟甲基丙烷四丙烯酸酯)(均由江门市天恒力紫外光材料有限公司提供),TPO(荆门市昱奎化工有限责任公司),炭黑(广州市飞螺化工颜料有限公司),二氧化钛(AR,天津科密欧化学试剂有限公司),碳酸钙(AR,天津科密欧化学试剂有限公司),硫酸钡(AR,天津科密欧化学试剂有限公司),滑石粉(300目,ZZ),消泡剂,分散剂(广州欧帝化工有限公司),100g铜版纸(东莞海源纸业)。

设备:高速分散器,QGM-65型三辊研磨机,IGT印刷适性仪,电热恒温鼓风干燥箱,UV固化机,刮板细度计,LVDV-11+粘度计,MJ-LD1816型摩擦牢度测试仪,秒表。

1.2 方法

1.2.1 油墨的制备

依据UV胶印油墨的特性,设计配方为:预聚物∶单体∶光引发剂∶颜料∶助剂=52.85∶21.15∶6∶16∶4(按质量分数比),其中预聚物为双官能度的6120F-80和四官能度的6311-100按照1∶1的比例复配,单体为NPGDA和TMPTA按照1∶1的比例复配。按照配方用分析天平称取好各组分物质于250mL烧杯中,然后添加不同种类及用量的填料,搅拌均匀,用高速分散器在3 000r/min条件下分散20min,倒入三辊研磨机中研磨约1h,装罐备用。

1.2.2 油墨性能的测试

旨在探讨填料的种类及用量对油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性的影响,对油墨的颜色没有特殊要求。由于炭黑比较便宜,易于购买,所以采用黑色油墨来研究。

油墨性能测试:用刮板细度计测试油墨的细度;用LVDV-11+黏度计测试了油墨的黏度;将印刷过油墨的铜板纸片置于紫外光固化机内固化,扭开2kW 强光按钮进行曝光,同时按下秒表开始计时,测量固化时间;将印品至于MJ-LD1816型摩擦牢度测试仪下检测其耐摩擦性能。

 

2 结果与讨论

2.1 填料对油墨细度的影响

按照配方研制油墨,并对油墨的细度进行测试,其结果见图1。由图1可以看出,填料对油墨细度的影响情况基本一致:随着填料的逐步增加,油墨的细度呈现上升趋势。未加填料时,油墨的细度仅有10μm;当填料添加到9%时,油墨的细度已经接近25μm。


这是因为油墨的细度是由油墨中固体粒子的粒径所决定的,未加填料时,油墨的细度主要取决于颜料颗粒的大小,一般用于油墨生产的颜料颗粒都较小,大多为纳米级或微米级。当向油墨样品中添加填料时,填料粒子会进入颜料粒子间的孔隙中,从而在树脂的作用下,粒径会变大。所选的4种填料中,由于二氧化钛本身粒径最小,所以对细度的影响最小;硫酸钡由于粒径较大,密度也高于其他填料,加填时会引起细度的变大;滑石粉对树脂具有吸附作用,所以加填后粒径较碳酸钙略大。油墨是混合物,研磨的均匀程度对油墨的性能有着重要的影响。细度是衡量油墨研磨情况的重要指标,油墨细度小,印刷后网点清晰,色彩还原真实,所以对优质油墨的生产,一般要求控制细度较小。

填料对油墨细度的影响

填料对UV胶印油墨性能的影响,设计了UV胶印油墨的配方,选用了4种填料分别配制油墨样品,测试了油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性等主要特性 中国机械网,okmao.com

2.2 填料对油墨黏度的影响

用LVDV-11+黏度计对油墨的黏度进行测试,结果见图2。由图2可知,随着填料的加入,油墨的黏度都有上升的趋势。未加填料时,油墨的黏度仅有13.784Pa·s,随着填料的逐步增加,油墨的黏度接近17Pa·s。图2显示,滑石粉对油墨黏度的影响最大,这是因为它可以吸附油墨中的单体,降低了单体对预聚物的稀释作用,从而使黏度急剧增大。硫酸钡由于颗粒比较细软,密度较大,极易与树脂粘在一起,也会导致油墨黏度的上升。碳酸钙和二氧化钛,由于自身粒径小,分散均匀,黏度增长幅度较小。通过实验,可以看出当填料用量在5%以下时,黏度增幅略低,随着用量超过5%后,再增加填料的用量,黏度会急剧上升。对于印刷而言,油墨的黏度应与印刷工艺相适应,黏度太高容易引起传墨不均,堵塞墨路系统,对印刷操作造成不必要的障碍。由此考虑到印刷实际需求,填料添加量定为5%较为合适。

填料对UV胶印油墨性能的影响,设计了UV胶印油墨的配方,选用了4种填料分别配制油墨样品,测试了油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性等主要特性 中国机械网,okmao.com

填料对油墨黏度的影响

2.3 填料对油墨固化时间的影响

将印刷过油墨的铜版纸条置于紫外光固化机内,扭开2kW 强紫外光(200~400nm)按钮进行固化,同时按下秒表开始计时。用手指擦拭墨层不掉墨为固化完全的标志,记此时的时间为固化时间,填料对油墨固化时间的影响见图3。

填料对油墨固化时间的影响

填料对UV胶印油墨性能的影响,设计了UV胶印油墨的配方,选用了4种填料分别配制油墨样品,测试了油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性等主要特性 中国机械网,okmao.com

由图3可以看出,当不添加填料时,油墨固化需要6s,随着填料用量的增加,油墨固化所需的时间呈先减小后增大的趋势。实验中UV 胶印油墨选用的光引发剂为自由基型引发剂,当收到紫外光照射时,光引发剂光解为自由基参与体系反应,由于墨层很薄,空气中的氧气极易渗入墨层与自由基发生反应,从而减少了参与光固化反应的活性基团,反应时间明显较长。


当向油墨中添加填料后,由于填料具有较高的遮盖作用,会阻挡空气中的氧气参与自由基的争夺,从而使参与光固化的自由数量增大,固化时间变短。当然填料的增加量也不是越多越好,因为所选的填料是无机物,当用量过多后,会阻挡紫外光对光引发剂的辐射,从而减少了能够光解的引发剂数目,降低了反应的活性,延长固化时间。由于二氧化钛遮盖力最强,当用量为5%时,光固化时间可达最短。


2.4 填料对油墨层耐摩擦性的影响

经UV固化机固化后的铜版纸至于MJ-LD1816型摩擦牢度测试仪下测试其耐摩擦性能,结果见图4。

填料对油墨层耐磨性的影响

填料对UV胶印油墨性能的影响,设计了UV胶印油墨的配方,选用了4种填料分别配制油墨样品,测试了油墨样品的黏度、固化时间、细度及耐摩擦性等主要特性 中国机械网,okmao.com

由图4可以看出,随着填料用量的增加,油墨层的耐摩擦性呈上升趋势。尤其对油墨样品添加硫酸钡后,耐摩擦性几乎呈直线上升。硫酸钡的密度达为4.5g/cm3,比其它所有填料的密度都高,所以成膜后致密性好,受到摩擦时不易被磨损。二氧化钛密度为4.2~4.3g/cm3,较其余2种填料密度高,同时晶体结构稳定,具有较好的抗摩擦性。


滑石粉对树脂具有吸附作用,可与树脂一起固化成膜,而且滑石粉结构为片状,刚性较高,尺寸稳定性好,耐磨性好。碳酸钙为粉状物质,耐磨性略低于其它填料,但是因其白度较高,价格廉价,在油墨行业也有广泛的应用。

 

3 结论

填料对UV胶印油墨的性能有着重要影响。填料的添加会加大油墨的细度、黏度,增强油墨层的耐摩擦性,适量的加填有利于减少UV 油墨的固化时间。实验表明,添加二氧化钛为填料时,用量在5%时,油墨的细度最小,黏度适中,固化时间最短,耐摩擦性能良好。


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