UV油墨印刷過程中苯產生機理研究

曾 強,朱浩波,朱紅艷,丁常青,陳衛兵,朱小利,戴昌雄,鐘書華,張修華,宋功武

(1.武漢紅金龍印務股份有限公司,湖北武漢430056;2.湖北大學化學化工學院,湖北武漢430062)

UV油墨印刷過程中苯產生機理研究

曾 強1,朱浩波1,朱紅艷1,丁常青1,陳衛兵1,朱小利1,戴昌雄1,鐘書華2,張修華2,宋功武2

(1.武漢紅金龍印務股份有限公司,湖北武漢430056;2.湖北大學化學化工學院,湖北武漢430062)

UV油墨中因含有光引發劑在紫外固化過程中可能產生苯,進而在印刷過程中對產品及環境造成污染。為了探究印刷過程中苯的產生機理,在生產線上和實驗室中進行了光引發劑和甲苯的紫外光降解實驗。結果表明,UV油墨光引發劑自身不含苯,UV油墨印刷過程中苯的產生主要來源于光引發劑和甲苯的紫外光隆解,為UV油墨印刷過程中苯產生機理的研究奠定了基礎。

UV油墨;印刷;苯;機理

光引發劑(Photoinitiator)又稱光敏劑(Photosensitizer)或光固化劑(Photocuring agent),是一類能在紫外光區(250～420 nm)或可見光區(400～800 nm)吸收一定波長的能量產生自由基、陽離子等,從而引發單體聚合交聯固化的化合物。在印刷行業中,光引發劑廣泛存在于UV油墨中。UV油墨是一種無需溶劑、干燥速度快、光澤好、色彩鮮艷、耐水、耐溶劑、耐磨的油墨。UV油墨在紫外光的照射下,光引發劑吸收一定波長的光子,激發到激發態,形成自由基或離子。然后通過分子間能量轉移,使聚合的預聚物和光敏感的單體和聚合物成為激發態,產生電荷轉移復合體。這些復雜的粒子不斷交聯聚合,固化成膜[1,2]。

光引發劑大都含有苯環,在紫外光照射下,能裂解產生苯[3];有些單體在合成過程中,可能會使用甲苯作為溶劑[4],而甲苯在紫外光照射下,也能裂解產生苯。苯是室內氣體中污染最嚴重的揮發性有機化合物(VOCs)之一,長期處于苯超標的環境中,會對人體造成極大的傷害,甚至致癌[5]。

印刷行業中普遍存在光化學反應,但對印刷中可能存在的有害副反應研究比較少。因此,研究油墨中苯系物的光化學降解機理,具有一定的現實意義。作者在印刷生產線上和實驗室中進行光引發劑和甲苯的紫外光降解實驗,探討印刷過程中苯系物產生的機理,擬為印刷污染控制技術研究提供依據。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

油墨、光引發劑A、B,某印刷廠提供;所用試劑均為分析純。

Agilent 5975C型GC-MS儀,Agilent公司;AS 600(600 MHz)型核磁共振儀,美國瓦里安公司;Spectrum one型紅外分光光度計,美國PE公司。

1.2 實驗流程

UV印刷過程中苯系物產生機理研究實驗總流程見圖1。

圖1 機理研究實驗總流程Fig.1 Experimental process of mechanism research

1.3 苯產生機理探討實驗

利用核磁共振儀和紅外分光光度計對15種雪花油墨進行了表征,發現其中的光引發劑A、B屬于二苯基二酮類物質[3];并以此為代表物質對苯產生機理進行探討。

在生產線上對純甲苯進行紫外光照(300 m W· cm-2),采用GC-MS檢測光照后苯的含量;并對光引發劑A、B進行紫外光照,采用質譜分析光降解產物。

另外,在實驗室中對純甲苯進行紫外光照(功率15 m W·cm-2),探討甲苯隨時間變化的結果。

2 結果與討論

2.1 光引發劑A、B中揮發性組分分析

稱取0.5 g光引發劑,另裁取大小為24.0 cm× 5.5 cm的空白煙包印刷紙并卷成筒狀,與光引劑一并放入頂空瓶中,加入1 m L三醋酸甘油酯,密封后采用GC-MS對光引發劑中揮發性組分進行分析[6,7],結果見表1。

表1 光引發劑A、B中揮發性組分分析結果/mg·m-2Tab.1 Ingredient analysis results of photoinitiatiors A and B/mg·m-2

由表1可以看出,兩種光引發劑中的揮發性組分本來不含苯,但是含有一定量的甲苯。因此,設計實驗對甲苯的光降解機理進行探討。

2.2 光引發劑A、B的紅外光譜與核磁共振光譜(圖2、圖3)

圖2 光引發劑A(a)、B(b)的紅外光譜Fig.2 IR Spectra of photoinitiator A(a)and photoinitiator B(b)

圖3 光引發劑A(a)、B(b)的核磁共振光譜Fig.3 NMR Spectra of photoinitiator A(a)and photoinitiator B(b)

從圖2、圖3可以確定,光引發劑A、B均含有苯環結構。因此,這兩種光引發劑在紫外光的照射下,有可能產生苯系物。

2.3 光引發劑的紫外光降解產物研究

對光引發劑A紫外光降解產物進行質譜分析,結果見圖4。

圖4 光引發劑A光降解產物質譜圖Fig.4 Mass spectrum of photoinitiator A photodegradation product

從圖4可以看出,光引發劑A的光降解產物中含有苯。表明光引發劑A在紫外光的照射下產生了苯。對光引發劑B紫外光降解產物進行質譜分析也得出類似結果。

2.4 純甲苯的紫外光降解實驗

對純甲苯進行了紫外光照,并對其分解產物進行了分析。

純甲苯生產線上紫外光照結果見表2。

表2 純甲苯的紫外光降解產物氣相色譜分析結果Tab.2 The gas chromatography analysis results of pure toluene UV gradation product

由表2可以看出,純甲苯經紫外光照射后,產生了苯。

在實驗室對純甲苯隨紫外光照時間變化進行了探討,結果見圖5。

從圖5可以看出,隨紫外光照時間的延長,甲苯產生苯的含量逐漸增加。因此,印刷過程中如果光引發劑單體中含有甲苯,也是印刷中產生苯的來源之一。

2.5 苯產生機理探討

綜上所述,印刷過程中光引發劑和甲苯光降解產生苯的機理見圖6、圖7。

圖5 純甲苯紫外光照隨時間變化曲線Fig.5 The change of pure toluene lighted by UV with time

圖6 光引發劑光降解機理Fig.6 Photodegradation mechanism of photoinitiator

圖7 甲苯光降解機理Fig.7 Photodegradation mechanism of toluene

這個機理也與相關文獻報道的結果相吻合[8]。

3 結論

探討了UV油墨印刷過程中苯的產生機理。結果表明,UV油墨光引發劑自身不含苯;UV油墨印刷過程中苯的產生主要來源于光引發劑和甲苯的紫外光降解,通過控制光引發劑的苯系物的含量和印刷過程的技術參數可控制苯的產生。本實驗為UV油墨的入庫標準和印刷行業VOCs的控制提供了一定的理論參考。

[1] 魏先福.UV油墨及應用技術[J].中國印刷與包裝研究,2010, (6):1-8.

[2] 庚晉,子蔭.紫外光固化油墨(UV油墨)發展綜述[J].中國包裝工業,2003,(3):44-49.

[3] 周鋼,陳建山,奚海,等.紫外光固化光引發劑研究進展[J].精細化工中間體,2003,33(2):6-8.

[4] 朱俊飛,龔靈,樊彬,等.光引發劑的研究現狀及進展[J].涂料工業,2010,30(5):74-79.

[5] 田地,張彭義,余剛.揮發性有機物光催化降解研究進展[J].上海環境科學,2000,19(4):162-166.

[6] 沈東旭,練鴻振,丁濤,等.光引發劑殘留分析研究進展[J].巖礦測試,2011,30(1):104-109.

[7] 謝焰,陸怡峰,孫文梁,等.卷煙包裝紙中揮發性有機化合物(VOCs)的頂空-氣相色譜分析[J].中國煙草學報,2007,13(6):13-19.

[8] 武江波,曾祥英,李桂英,等.紫外光照射下甲苯光化學降解的初步研究[J].地球化學,2007,36(3):328-334.

Study of Benzene Generation Mechanism in the UV-Ink Printing Process

ZENG Qiang1,ZHU Hao-bo1,ZHU Hong-yan1,DING Chang-qing1,CHEN Wei-bing1, ZHU Xiao-li1,DAI Chang-xiong1,ZHONG Shu-hua2,ZHANG Xiu-hua2,SONG Gong-wu2
(1.Wuhan Hongjinlong Printing Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China; 2.College of Chemistry&Chemical Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)

Because of containing photoinitiator,in the UV-curing process,UV-ink may generate benzene in the UV-curing process.Benzene will pollute the products and environment in printing process.In order to study the mechanism of benzene generation in the printing process,a series of experiment about UV degradation of the photoinitiator and toluene in the production line and laboratory are carried out in this paper.The results show that,the photoinitiator in UV-ink does't contain itself benzene,benzene is generated by UV degradation of the photoinitiator and toluene.The results provide the basis for study of the mechanism of benzene generation in the UV-ink printing process.

UV-ink;print;benzene;mechanism

O 613.61 X 131.3

A

1672-5425(2013)05-0078-04

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.05.022

2013-04-11

曾強(1980-),男,湖北武漢人,工程師,研究方向:環境分析,E-mail:zengqiang@hjlprint.com。