水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨產品開發及應用

● 廣州大學化學化工學院 劉曉國

水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨產品開發及應用

● 廣州大學化學化工學院 劉曉國

一、前言

彩晶裝飾玻璃是近幾年才興起的新興玻璃裝飾材料，在冰箱、空調、微波爐等家電、家具玻璃、室內裝飾玻璃等行業得到廣泛應用。選用玻璃進行深加工，經切裁、車磨、鋼化、熱彎等多道工藝加工處理后，再進行網印、噴涂、滾涂，在玻璃背面形成多彩涂層的高強度彩色晶閃玻璃。具有質地堅硬，耐用、色澤鮮亮，裝飾效果好等優點。

目前，在玻璃表面涂裝的涂料或油墨主要使用的是溶劑型油墨產品和少量的UV油墨產品，隨著經濟的發展，人們的環保和健康意識不斷增強，使用安全、環保、低毒油墨產品的要求越來越迫切。特別是歐盟提出REACH標準后，溶劑型油墨產品使用受到越來越大范圍的限制。開發水性玻璃油墨替代溶劑型玻璃油墨產品已成為今后玻璃油墨產品發展的必然趨勢。

2008年初，佛山博瑞泰電子有限公司首先提出開發水性彩晶玻璃油墨新產品的課題，廣州大學與深圳市漢龍科技開發有限公司進行合作，經過近3年的技術攻關，在佛山博瑞泰電子有限公司的積極配合下，水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨產品經過試用、測試，已經達到溶劑型彩晶玻璃絲網油墨產品的各項質量指標。其中水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨（光油）產品已在佛山博瑞泰電子有限公司和順德晶科電子有限公司上線使用近2年，產品性能穩定，且其附著力明顯好于溶劑型頭類油墨產品。

水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨作為溶劑型油墨的替代產品，用水作稀釋劑，具有不易燃、不易爆、低毒、成本低、環保的特點。

二、水溶性油墨和溶劑型有產品的配方組成

水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨的配方組成和溶劑型彩晶玻璃絲網印刷油墨的配方組成一樣，產品配方中包括主要成膜物、次要成膜物、助劑、稀釋劑。但是，其組成物質的性質不同，特別是原料的毒性有很大差距。

1．主要成膜物

主要成膜物是配制油墨產品的主要原料，油墨成膜性能主要取決于主要成膜物的選擇，而且，主要成膜物的選擇還決定了溶劑和稀釋劑的選擇，水溶性油墨和溶劑型油墨主要成膜物具體比較見表1。

由于水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨選用水溶性樹脂作主要成膜物，因水溶性樹脂羧基含量高，其結構特征決定了其樹脂極性大，油墨成膜后，其涂膜與玻璃基材的附著力比溶劑型好，同時，由于水溶性樹脂可以用水作稀釋劑，所以其毒性小、不易燃、不易爆，且對環境污染小。

2．次要成膜物

油墨次要成膜物是指配方中使用的著色顏料和填料，水溶性油墨和溶劑型油墨使用的著色顏料和填料并沒有本質上的區別。對于實色著色顏料和填料水溶性油墨通常用水溶性樹脂作為研磨料，而溶劑型油墨用溶劑型樹脂作為研磨料。對于水溶性油墨使用的透明著色顏料用醇醚或醇類溶劑溶解，而溶劑型油墨使用的透明著色顏料可用苯類、酮類、酯類及醇醚或醇類溶劑溶解。

3．輔助成膜物

油墨輔助成膜物主要指油墨配方中使用的助劑。由于水溶性油墨用水溶性樹脂作主要成膜物，其樹脂結構中既有親水性能，又有親油性能，因此，其助劑選擇既可 以是油性助劑，也可以是水性助劑，盡管其助劑選擇范圍較寬，但是，由于水溶性油墨用水作稀釋劑，其表面張力較大，而且，油墨表面活性較強，因此，在助劑選擇中比油性油墨選擇難度大。特別是潤濕劑、分散劑、流平劑等表面活性助劑以及消泡劑等的選擇需經過充分的配方配伍性試驗才能確定。

表1 主要成膜物比較

4．稀釋劑

油墨稀釋劑主要是用來調節油墨的固含量和粘度。溶劑型油墨只能用有機溶劑作稀釋劑，而水溶性除加一定量醇醚和醇作助溶劑外，主要用水作稀釋劑。油墨對環境的污染、對人體的毒害和產生易燃易爆完全是由于有機溶劑在配方中的存在。所以，水溶性油墨用水作稀釋劑，不僅可以降低油墨的毒性，減少油墨生產、施工過程對環境的污染，同時也降低了油墨的成本。

三、水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨的固化機理和固化工藝

目前，水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨選用的主要成膜物為水溶性改性丙烯酸樹脂，其樹脂結構中活性劑基團均為羥基和羧基，其固化劑主要選用氨基固化劑和異睛酸酯預聚物固化劑。

1．固化機理

（1）樹脂中羥基和羧基與部分甲醚化氨基固化劑（氰特325）反應。

氰特325屬部分甲醚化氨基固化劑，固化反應包括固化劑中甲氧基、羥甲基與水溶性樹脂中羥基和羧基交聯反應，反應簡式為：

◎ 甲氧基與羥基反應

│─ NCH2OCH3+ HO─│

│─NCH2O─│ + CH3OH

◎ 羥甲基與羥基反應

| ─ NCH2OH + HO─ | | ─NCH2O─ | + H2O

◎ 甲氧基與羧基反應

│─ NCH2OCH3+ HOOC─│ →

│─NCH2OOC─│ + CH3OH

羥甲基與羧基反應

│─ NCH2OH + HOOC─│ →

│─ NCH2OOC ─│ + H2O

（2）樹脂中羥基和羧基與異睛酸酯預聚物固化劑（拜耳G10）反應。

拜耳G10異睛酸酯預聚體屬120℃解封的固化劑，其活性集團異睛酸酯基可以和水溶性樹脂中的羥基和羧基進行交聯反應，其反應簡式為：

封閉型異睛酸酯固化劑解封

│─ NH─C─B → │─ N=C=O + B─ H (解封)

‖

O

異睛酸酯基與羥基反應

│─N=C=O + HO─│ │─NHCOO─│

異睛酸酯基與羧基反應

│─N=C=O + HOOC─│ → │─NHCOOOC─│

2．固化反應交聯度達到80%的溫度與時間關系

按照水溶性樹脂中羥基和羧基量配制相應量活性基團的固化劑量，漆膜經表干后測試固化反應交聯度，并將固化反應溫度與達到交聯度80%的時間作直角坐標圖，見圖1和圖2所示。

由圖1可知，在同一溫度下，羥基與固化劑甲氧基和羥甲基反應達到交聯度80%的時間要比羧基與固化劑甲氧基和羥甲基反應達到交聯度80%的時間短，說明羥基比羧基反應的活性高。在170～180℃下，如果漆膜中助溶劑和水分基本揮發，則羥基和羧基與固化劑中甲氧基和羥甲基反應程度達到80%，即交聯度為80%，反應時間只需要6min，而且，隨著烘烤溫度的提高，羥基和羧基與固化劑反應的活性差距越來越小。

由圖2可知，在同一溫度下，羥基與固化劑異菁酸酯基反應達到交聯度80%的時間要比羧基與固化劑異菁酸酯基反應達到交聯度80%的時間略短，說明羥基比羧基反應的活性略高。在170～180℃下，如果漆膜中助溶劑和水分基本揮發，則羥基和羧基與固化劑中異菁酸酯基反應程度達到80%，即交聯度為80%，反應時間只需要4.5min，而且，隨著烘烤溫度的提高，羥基和羧基與固化劑中的異菁酸酯基反應的活性差距越來越小。

3．固化工藝

目前，彩晶玻璃油墨固化主要采用熱固化方式，使用溶劑型油墨，因有機溶劑揮發度高、揮發推動力大、滲透力強，因此，在一定溫度條件下，其固化時間較短。而水溶性油墨中含有一定量的水分，由于空氣中也有水存在，導致水分比有機溶劑揮發度小、揮發阻力大，加之水分滲透差，容易積聚在烘烤箱內，導致在同樣的溫度下，水溶性油墨比溶劑型油墨更難固化。為此，使用水溶性油墨固化烘烤最佳工藝是先紅外烘烤，再熱固化。

采用二套同樣長度和走帶速度的隧道爐（A和B），設置同樣的溫度梯度，溫度分別具體見圖3。

（1）隧道爐溫度分布

（2）隧道爐A和B段間作用和參數

隧道爐A和B在1-3段位置A采用電加熱管加熱，而B采用紅外燈管加熱，其他段結構裝置完全相同。具體參數間表2。

表2 隧道爐A和B段間作用和參數

（3）隧道爐A和B固化效率

用水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨（光油）經120目絲網印刷3mm厚度鋼化玻璃片，分別經隧道爐A和B烘烤，測試涂膜交聯度和涂膜性能，具體見表3。

表3 涂膜交聯度和涂膜性能

4．結果討論

（1）本文研究結果表明水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨替代溶劑型彩晶玻璃絲網印刷油墨不僅涂膜性能可以達到要求，同時，因為水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨用水作稀釋劑，具有不易燃、不易爆、低毒、低成本的特點，屬于環保和資源節約型換代產品。

（2）水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨用水溶性樹脂作主要成膜物，因樹脂極性結構特點，其對玻璃基材附著力比溶劑型同類油墨更強。

（3）在烘烤過程的涂層表干段采用與水分子固有振動頻率相近的紅外加熱管加熱，可以加快水分和助溶劑的揮發速度，加快涂層表干，在相同的烘烤溫度和時間條件下，提高涂膜交聯度和固化效果，取得節能效果。而且，在涂層表干段采用紅外加熱，由于水分從涂層內部向外部蒸發，不會使涂膜出現爆泡現象，與熱烘烤表干相比，涂膜具有更好的外觀。

（4）水溶性彩晶玻璃絲網印刷油墨用水作稀釋劑，由于水的表面張力較大、揮發推動力小，因此，在油墨配方設計中須選擇好配伍性好的助劑和助溶劑。