水性金、銀墨的研發(fā)與應用方案

范淳

從凹印水墨目前在我國印刷行業(yè)的推行情況來看，在煙包印刷行業(yè)只有金色和銀色仍然沿用酯溶性或醇溶性油墨，其余各色均不同程度地實現(xiàn)了水墨印刷；在薄膜行業(yè)，水墨的整體使用情況則不盡如人意。但隨著VOCs排污收費政策的大力實施，越來越多的行業(yè)人士開始關注凹印水墨的推廣應用，試圖借助凹印水墨來實現(xiàn)企業(yè)的綠色生產。然而，如何實現(xiàn)凹印水墨印刷的全面“解放”，是值得每一位行業(yè)人士努力的事業(yè)。下面，筆者就從水性金、銀墨的特性出發(fā)，并結合水性金、銀墨在煙包和薄膜印刷中的實際應用案例，探索水性金、銀墨的研發(fā)和推廣應用方向。

現(xiàn)有水性金屬顏料存在的弊端

金、銀墨通過金屬顏料展現(xiàn)獨特的金屬感，水性金、銀墨亦如此。目前市場上常見的水性金屬顏料形態(tài)主要有粉末與漿體，但其在實際應用中存在如下弊端。

（1）水性金屬顏料粉末是細顆粒物，能較長時間懸浮于空氣中，形成類似PM2.5的空氣污染體系。這種空氣污染體系會導致各種不良后果，如污染環(huán)境、損害人類呼吸系統(tǒng)、造成機械故障和電路故障等。

（2）水性金屬顏料漿體是水性金屬顏料粉末與水、乙醇、正丁醇、丙二醇甲醚等溶劑，以及分散劑、偶聯(lián)劑、防腐劑等助劑混合形成的，具有一定流動能力的漿體。但是水性金屬顏料漿體也存在一定弊端，如易泄漏、有機溶劑易致燃、含鋁元素的漿體長期儲存易脹氣，甚至存在爆炸隱患等風險。

由于水性金屬顏料粉末和漿體的形態(tài)都存在一定的弊端，經過研究，一種顆粒狀固態(tài)水性金屬顏料（水性金、銀條）應運而生，但長期以來國際上僅有德國的愛卡、舒?zhèn)惪诉@兩大油墨品牌能提供水性金、銀條。這種水性金屬顏料的特點是：價格過高，單價超過300元/千克；有效顏料含量較低，只有90%左右，其余10%為填充料或溶劑。由于填充料的大量存在，在使用調墨油調墨的過程中，會出現(xiàn)水性金屬顏料與調墨油無法匹配的現(xiàn)象。

直到2016年5月，市場上出現(xiàn)了一款國產水性金、銀條，其優(yōu)勢突出，符合現(xiàn)行YC 171-2014《煙用接裝紙》標準、印刷適性好、有效顏料含量達94%～98%、對乙醇和水具有良好分散性。至此，水性金屬顏料存在的問題才得到較好解決。

水性金屬顏料的特性及其與水性樹脂、助劑的匹配

1.水性金屬顏料的特性

不同于溶劑型金屬顏料，水性金、銀墨使用的水性金屬顏料需要進行特殊的表面處理，從而獲得親水性和耐水性，更好地分散于水環(huán)境，適應強極性、高張力體系。同時，水性金屬顏料的表面處理層在包含各種助劑和酸堿度不同的水環(huán)境中，不會被氧化和水解，而是能持續(xù)地將鱗片狀水性金屬顏料致密包覆，從而隔絕水、氧氣、酸堿環(huán)境對內部水性金屬顏料的侵蝕。因此，在水環(huán)境中能較長時間保持不變的色相、亮度、光澤度、金屬感和分散性。而相比之下，溶劑型金屬顏料在水環(huán)境中最多保持24小時就會被水體系氧化，失去原有的色相、亮度、金屬感，并產生凝集，進而無法使用。

經過數年的發(fā)展，紙張凹印水性油墨與薄膜凹印水性油墨在生產技術上已呈現(xiàn)出較為成熟的態(tài)勢。紙張凹印水性油墨一般以水性丙烯酸樹脂為主體，添加水性色料，輔以助劑來調整水性油墨的整體性能；薄膜凹印水性油墨一般采用水性聚氨酯樹脂為主體，添加特定的水性色料制作而成。由于聚氨酯樹脂多屬陰離子型，對陽離子的容忍性較差，這就會對整個油墨體系的構建造成限制。因此，市場上薄膜凹印水性油墨的發(fā)展略微滯后于紙張凹印水性油墨，而針對易在水環(huán)境下解離出銅、鋅、鋁、鈷等金屬陽離子的水性金、銀墨，在配方設計時必須重視對陽離子的控制以及對聚氨酯樹脂的保護。

在水性金、銀墨的研發(fā)方面，各水墨生產廠家都進行了不同程度的探索，通常的做法是將現(xiàn)已取得良好印刷適性水墨體系中的水性色料直接替換成水性金屬顏料，但大部分都無法獲得良好的印刷適性，這主要是因為水性金屬顏料與水性色料的物理化學性能（如表1所示）存在一定差異所致。

2.水性金屬顏料與水性樹脂、助劑的匹配

水性金屬顏料的性能在很大程度上受水性調墨油中水性樹脂和助劑的影響。筆者認為，為獲得良好的印刷適性，在水性金、銀墨的實際研發(fā)生產中需注意如下幾個問題。

（1）選用合適的水性樹脂

水性金屬顏料的中粒徑一般為4.0～9.0μm，水性丙烯酸樹脂或水性聚氨酯樹脂的分子量一般為數千至數十萬左右。水性樹脂分子的粒徑遠小于水性金屬顏料的粒徑，配合在一起會形成類似細沙之中摻入石塊的非牛頓流體，對水性金、銀墨的整體流動性會產生負面影響。因此，需選用分子量和黏度均適當的水性樹脂，以使水性金、銀油墨獲得良好的流動性。

（2）選擇合理的表面處理工藝及助劑體系

水性金屬顏料的表面包覆處理一般有兩種工藝，一是采用脂肪酸鹽包覆銅金粉，采用二氧化硅包覆鋁銀粉；二是采用表面鈍化劑處理銅金粉，使銅金粉表面形成鈍化層，采用有機磷酸鹽包覆鋁銀粉。通過對這兩種工藝進行對比可以發(fā)現(xiàn) ，有機磷酸鹽相對二氧化硅的化學穩(wěn)定性較差，實際應用中存在易脹氣風險；鈍化處理的成本相對較高。因此，第二種表面處理工藝目前未得到大規(guī)模推廣應用，第一種則是常用方式。

值得一提的是，在第一種表面處理工藝中，脂肪酸鹽和二氧化硅的包覆能力均無法做到將水與金屬100%隔離，這是因為脂肪酸鹽遇到大部分表面活性劑極易發(fā)生化學反應，會使水性金、銀油墨表面包覆層遭到破壞。因此，必須選擇合適的助劑體系，以阻隔水性金、銀油墨表面包覆空缺處的水性金屬顏料在水環(huán)境中發(fā)生化學反應。

（3）保證合適的pH值

由于酸性或堿性環(huán)境下水體系與水性金、銀墨裸露的金屬區(qū)域更易發(fā)生化學反應，故而應將水性金、銀墨的整體酸堿度調至中性附近，即pH值為6.5～8.0。對此，選擇樹脂時可參考以下標準：使用胺溶樹脂時，需通過非傳統(tǒng)方法調整樹脂的酸堿度與溶解性；選用在該pH值條件下具備較好溶解性的樹脂；選用自身pH值較高的樹脂。