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凹版水性油墨的制备及印刷适性分析,自制了一种红色凹版水性油墨,探讨了水性油墨的制备工艺
2019年10月16日    阅读量:1591     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿


0 引言

水性油墨是由颜料、水溶性树脂、表面活性剂以及相关添加剂经复合研磨、分散加工而成的混合体系,具有安全、无毒、环保等优点。溶剂型油墨在印刷生产和产品使用过程中会挥发苯类等有机溶剂,不仅危害人体健康同时严重污染环境[1-3]。随着环境的日趋恶化和人们对生存环境的日益关注,水性油墨已经成为当今研究的热点,水性油墨的开发和推广势在必行[4-5]中国机械网okmao.com

 

1 水性油墨的制备

1.1 试验原料

无水乙醇、乙二醇,分析纯,杭州高晶精细化工有限公司;分散剂、多功能助剂(Camine 328),上海神诺贸易有限公司;增稠、流平剂,汽巴精化有限公司;润湿剂,上海摩田化学有限公司;消泡剂,广东省石油化工研究院;永固红3128,上海文华化工颜料有限公司;丙烯酸树脂乳液,科莱恩化工有限公司。

1.2 试验设备

砂磨、分散、搅拌多用机,三辊研磨机(S65),常州市武进八方机械厂;旋转流变仪(AR-G2),美国TA 公司;刮板细度计(QXD 0 ~ 25 μm),天津利腾达仪器有限公司;4# 福特黏度杯;pH 计。

1.3 试验方法及步骤

试验方法及步骤见图1。

水性油墨制备流程

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1)色浆预分散

将乙醇、乙二醇和水按比例混合约100 g,然后在混合溶剂中分别加入分散剂、少量消泡剂、润湿剂等助剂,搅拌均匀后待用。称取永固红颜料30 g,缓缓加入混合溶剂中,边加边搅拌,直至浆料混合均匀。室温下浸润约1 h,使颜料得到充分润湿。

2)研磨色浆

将充分润湿的浆料在三辊研磨机中研磨3 ~ 5 次,用刮板细度计测定颜料的细度(应不大于20 μm)。

3)油墨制备

将研磨好的色浆与自制树脂乳液按1 ∶ 2 的比例混合,倒入分散搅拌机中。先以800 r/min 低速搅拌约30 min,使浆料和乳液混合均匀,接着以1 500 r/min高速搅拌,期间加入消泡剂、增稠剂、润湿剂等助剂。搅拌约2 h 后,缓慢降至低速,加入pH 调节剂,使体系的pH 稳定在8 ~ 9 的碱性环境下。30 min 后停止搅拌,用200 目的滤网将原墨过滤2 ~ 3 次,以除去墨皮、玻璃珠等杂质。

4)调配稀释剂

将乙醇和水按4 ∶ 6 的比例调配成稀释剂,分别调配原墨/稀释剂比例为90/10、80/20、70/30、60/40 的4种样品并混合均匀,用4# 福特杯测定稀释后水性油墨的黏度,根据测试结果,比例为70 ∶ 30 时效果最佳。


2 水性油墨印刷适性分析

油墨的印刷适性指印刷油墨与印刷条件相匹配,适合于印刷作业的性能,是衡量油墨质量最重要的指标。通过测试水性油墨的黏度、分散稳定性、细度、pH、干燥性等性能,可以很好地评价水性油墨的印刷适性。

2.1 黏度

黏度是流体阻碍分子间相对运动的内部阻力的量度,是水性油墨应用中最主要的控制指标。在凹版印刷过程中,水墨黏度过高会出现脏版、糊版、拉毛等现象,导致油墨转移较差。黏度过低又无法达到印刷要求的色浓度,出现网点发虚发白等问题。影响水性油墨黏度的因素主要有:稀释剂用量、pH、温度、浓度等。分别采用4# 福特黏度杯和AR-G2 旋转流变仪测试水性油墨的黏度。表1 所列为室温25 ℃下,不同比例的水墨样品,用4# 福特杯测试的黏度,每组水墨样品测试3 次后取平均值。

4# 福特杯测试的水性油墨黏度(25 ℃)

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从表中的数据可以得到,加入稀释剂后能明显降低原墨的黏度,尤其是当加入10%的稀释剂后,体系黏度降低最明显。这可能是因为,未加稀释剂的原墨是一个稳定的胶状体系,颜料粒子均匀地分布在树脂乳液中,并在各种助剂的作用下稳定共存。当有稀释剂加入后,乳液被稀释,造成体系膨胀,黏度迅速下降。继续增加稀释剂,虽然乳液仍被稀释,但高分子链之间的相互缠结使得黏度不可能无限制地降低,因此黏度减小缓慢。试验结果显示:当原墨/稀释剂的比例为70/30时,油墨黏度为18.3 s,比较符合水性油墨使用标准。

图2 所示为25 ℃室温下,原墨/稀释剂分别为100/0 和70/30 的样品,其剪切黏度随剪切速率的变化曲线。从图中可以看到,随着剪切速率的增加,黏度逐渐降低。以100/0 的样品为例,剪切速率由0.1 s-1 增加到100 s-1,黏度由2.55 Pa·s 降低到0.5 Pa·s,并且在低剪切速率下黏度降低迅速,而在高剪切速率下,黏度变化很小,基本稳定在一个固定值。尤其是当剪切速率> 50 s-1 后,黏度基本维持在0.5 ~ 0.6 Pa·s,表现出牛顿流体的特征。

水性油墨剪切黏度随剪切速率的变化曲线

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2.2 分散稳定性

水性油墨是由颜料、连结料和各种助剂制成的稳定分散体系,颜料粒子在体系中的分散稳定性直接影响水墨的性能。稳定的水墨体系,印刷涂布均匀,转移性好且能较长时间贮存。

图3 所示为颜料粒子在水性油墨体系中的分散机理图———双电层理论。分散助剂附在颜料粒子上使其表面带电,并在粒子周围形成双电层,产生相互排斥力。这种相互排斥力的产生使得颜料粒子能够均匀地分散在树脂乳液中,避免发生沉降、分层等现象。

颜料粒子分散机理

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造成油墨分层的原因有很多,一般在水性油墨中,主要的原因有4 点:一是生产前,各助剂选择不当,造成助剂间的化学反应,从而导致水性油墨体系不稳定,尤其是分散剂的选择至关重要;二是因为水性油墨所使用的树脂乳液和乙醇等溶剂不容,造成破乳,导致分层;三是因为水性油墨生产过程中,颜料研磨没有达到一定的细度,导致颜料在体系中密度过大,造成沉淀、分层;四是因为生产出的水性油墨体系黏度低,尤其是当稀释后,放置一段时间容易发生分层现象,可以通过补加适当的增稠剂来改善。

评价体系分散稳定性的方法有多种,如:目视观察法、电子显微镜观测法、粒度分布测试法、吸收光谱测试法等[6]。其中目视观察法是将制备好的分散系放入透明容器中静置,定时观察分散粒子有无沉淀现象发生,或者分散介质与分散粒子间有无分层现象出现,该方法最为直观便捷。结果表明:自制水性油墨,颜料粒子分散均匀,放置3 周后没有出现沉降、分层、絮凝等现象,是一个分散性较好的稳定体系。

2.3 pH

pH 是水性油墨体系中又一个重要的控制指标。体系要求pH 一般呈碱性,这是因为树脂乳液多采用阴离子型乳化剂,只有在弱碱性环境下才稳定;此外,在碱性环境下会避免一些颜填料因遇酸而分解,造成水性油墨变质;并且水性体系在碱性环境下具有良好的机械稳定性和贮存性能。经验表明,在实际生产中油墨的pH 应控制在8.0 ~ 9.5。采用pH 计,在25 ℃条件下,分别测定原墨/稀释剂为100/0 和70/30 样品的pH。结果显示,未加入稀释剂的样品,其pH 为9.2,比较有利于原墨的长期保存;当加入30%的稀释剂后,体系的pH 为8.3,具有较好的稳定性和印刷效果。

2.4 细度

细度是指油墨中颜料、填充料等团体粉状物质颗粒的大小与颜料、填充料分布于连结料中的均匀程度,水性油墨中主要指颜料颗粒的大小。颜料的细度取决于色浆的研磨程度,直接影响到体系的分散稳定性。研磨不充分,造成粒子密度大,在油墨体系中易发生沉降;粒子过小,颜料粒子比表面积增大,极性大,造成颜料难以润湿,不易分散。在水性油墨中,颜料细度要求低于20 μm。

利用刮板细度计,在25 ℃条件下,对原墨/稀释剂为70/30 的样品进行测试,测试3 次取平均值。结果测得颜料细度为15 μm,符合水性油墨对于细度的要求。

2.5 干燥性

干燥性是影响水性油墨印刷质量的又一重要指标,干燥速度需适应印刷条件。干燥过快,油墨转移不良,易造成堵版、干版等故障,印迹边缘会出现锯齿状;干燥过慢,又易造成印刷品背面蹭脏并影响叠印效果,同时制约印刷作业效率[7]。水性油墨以水代替了大量的有机溶剂,因水的挥发比溶剂慢,长期以来干燥速度慢一直是制约水墨使用的难题[8]。水性油墨的干燥包括挥发、渗透、结膜3 种方式,其中树脂乳液的成膜是影响水墨干燥速度的最主要因素。试验采用的水性丙烯酸树脂乳液通过自交联反应,具有干燥快,成膜光泽度高的特点,有效克服了水性油墨干燥慢的弊端。此外,稀释剂中乙醇的比例和体系的pH 等都会影响体系的干燥性。

水性油墨对初干性的要求为20 ~ 40 μm,对彻干性要求不超过100 s。在25 ℃室温条件下,对原墨/稀释剂为70/30 的样品进行测试,结果显示水性油墨的初干性为22 μm,彻干时间为58 s,比较符合凹版印刷的条件要求。

 

3 结语

探讨了水性油墨的制备工艺,主要有色浆预分散、研磨色浆、油墨制备和调配稀释剂4 部分。并对自制水性油墨的黏度、分散稳定性、细度、pH 和干燥性等性能测试分析,结果表明:自制红色水墨是一个均匀稳定的分散体系,放置3 周后,性能稳定;原墨/稀释剂比例为70/30 的样品,黏度为18.3 s,pH 为8.3,颜料细度为15μm,初干性为22 μm,彻干时间为58 s,符合凹版印刷对于水墨的印刷适性要求。


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