水性油墨的透氣性能和吸膠效率探討

沈坤明（浙江華寶油墨有限公司,浙江 湖州 3130323）

水性油墨的透氣性能和吸膠效率探討

沈坤明（浙江華寶油墨有限公司,浙江 湖州 3130323）

水性油墨墨層的透氣性能對(duì)后續(xù)施膠工序中墨層膠黏劑的吸膠效率影響較大。透氣性能和吸膠效率是影響墨色穩(wěn)定性、光澤度、色彩穩(wěn)定性、飾面圖案清晰度層次感以及復(fù)膜包裝材料層間附著力的主要因素。具有良好透氣性能和吸膠效率的水性油墨，可以提高產(chǎn)品的使用效率、減少?gòu)?fù)膜包裝材料的次品率以及增加生產(chǎn)和印刷企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

水性油墨;透氣性能;吸膠效率

水性油墨屬于揮發(fā)干燥型油墨，具有低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的特點(diǎn)，產(chǎn)品環(huán)保環(huán)污染少，能有效保障生產(chǎn)和印刷人員的健康和安全，是目前油墨印刷行業(yè)的發(fā)展方向。在復(fù)膜包裝材料印刷過(guò)程中水性油墨轉(zhuǎn)移到底層承印物上后溶劑水以及氨（胺）類(lèi)物質(zhì)揮發(fā)，從溶劑中分離的高分子物質(zhì)有數(shù)個(gè)聚集，形成核，其核集結(jié)成分子團(tuán)，繼續(xù)成長(zhǎng)，形成干燥小粒，干燥小粒凝集形成墨膜。墨層干燥后需在其上施涂一層膠黏劑，然后再覆一層薄膜形成一個(gè)具有花色圖案的復(fù)膜包裝材料。水性油墨體系中的樹(shù)脂分子量大小、分布、分子形態(tài)以及分子結(jié)構(gòu)對(duì)墨層的透氣性能影響較大，進(jìn)而影響后續(xù)施膠工序中墨層對(duì)膠黏劑的吸膠效率。透氣性能和吸膠效率是影響墨色穩(wěn)定性、光澤度、色彩穩(wěn)定性、飾面圖案清晰度層次感以及復(fù)膜包裝材料層間附著力的主要因素。降低復(fù)膜包裝材料底材與覆膜層附著能力可以影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用效果，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)品出現(xiàn)返工退貨等。具有良好透氣性能和吸膠效率的水性油墨，可以提高產(chǎn)品的使用效率、減少?gòu)?fù)膜包裝材料的次品率以及擴(kuò)大生產(chǎn)和印刷企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 透氣性能

透氣性能與墨層的空隙率和孔徑有關(guān)，可以用毛細(xì)現(xiàn)象來(lái)表征。假設(shè)有n根平行且相同、半徑為r、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的毛細(xì)管，當(dāng)壓力p通過(guò)墨層產(chǎn)生的壓力降為Δp，空氣透過(guò)的速率(v/t)為：

式中：

p——為通過(guò)墨層的壓力；

Δp——通過(guò)墨層的壓力降；

r——毛細(xì)管半徑；

L——毛細(xì)管長(zhǎng)度；

n——相互平行的毛細(xì)管數(shù)；

η——空氣粘度；

V——通過(guò)空氣的體積；

S——特性系數(shù)。

從公式中可以看出空氣透過(guò)速率與微孔半徑的4次方成正比，與孔的數(shù)量成正比。表明當(dāng)墨層結(jié)構(gòu)松緊度較低即微孔半徑較大空隙率較高時(shí)其透氣速率也較大；如果孔徑不變而孔的數(shù)量增加則透氣速率也增加，說(shuō)明較細(xì)和較松結(jié)構(gòu)的墨層透氣速率相應(yīng)也要好些。當(dāng)然，n值的變化對(duì)透氣速率的影響要比孔徑變化小。所以可以看出透氣速率與墨層的空隙率有關(guān)，而空隙率是一個(gè)體現(xiàn)墨層的微孔數(shù)量和孔徑大小的平均值，故透氣速率也是一個(gè)與微孔大小數(shù)量有關(guān)的指標(biāo)。

2 吸膠效率

根據(jù)GB461.1--2002《紙和紙板毛細(xì)吸液高度的測(cè)定(克列姆法)》，在10分鐘內(nèi)沿紙條上升的高度定義為毛細(xì)上升的速率。表面張力公式：

式中：

γ——液體表面張力；

r——毛細(xì)管半徑；

p——液體密度；

g——重力加速度；

h——液體在毛細(xì)管仲上升高度。

可見(jiàn)，液體在毛細(xì)管中上升高度與毛細(xì)管的半徑呈反比。毛細(xì)管越細(xì)液體上升的高度越高，墨層的吸膠效率也就越高。

3 墨層透氣性能的影響因素

液體的毛細(xì)上升高度（擴(kuò)散）和速度受其粘度η等的影響，見(jiàn)下面公式：

式中A和B是僅與孔徑分布有關(guān)的系數(shù)，因此對(duì)固定的墨層而言是不變的。

γ——液體表面張力；

θ——液體接觸角；

p——液體密度；

g——重力加速度；

h——液體在毛細(xì)管中上升高度；

t——上升時(shí)間。

從上式中可以看出孔徑越大液體在墨層中升高的速度越大。通常墨層中的孔徑呈正態(tài)分布，從上述公式看實(shí)際測(cè)定的單位時(shí)間內(nèi)的吸液高度是一個(gè)平均速度。

綜上所述，透氣性能與吸液性能都與墨層的孔的特性有關(guān)。透氣性能與空隙率有密切的關(guān)系，但吸液性能的影響因素更多一些。因?yàn)槟珜訉?duì)膠液的吸收是分子結(jié)構(gòu)間和分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲透。分子結(jié)構(gòu)間的滲透速度如前所述，服從毛細(xì)物理定律，它與孔徑的大小有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的擴(kuò)散速度正比于分子結(jié)構(gòu)間結(jié)合力的大小。分子結(jié)構(gòu)間滲入到墨層中的膠液是隨分子緊密度的升高而減少，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)滲入的膠液與墨層分子結(jié)構(gòu)與膠液的親和性有關(guān)，兩者雖然都和膠液的親和性有關(guān)，但影響程度是有區(qū)別的。

用透氣性能和吸液性能之間的關(guān)聯(lián)性來(lái)表示墨層的吸膠效率，可以體現(xiàn)墨層的空隙程度。一般來(lái)講，良好的墨層空隙率可以保證承印底材經(jīng)覆膠成膠膜后全部不透氣，從而避免形成的薄膜脆硬、延伸性小和彎折時(shí)涂層斷裂崩邊。為確保墨層在一定透氣性能的情況下能有最佳的吸膠效率，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。

4 生產(chǎn)過(guò)程對(duì)墨層透氣和吸液性能的控制

墨層透氣和吸液性能是關(guān)系到包裝材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。把墨層透氣和吸液性能控制在一個(gè)合適的范圍需要一個(gè)合理的產(chǎn)品配方和穩(wěn)定的印刷控制過(guò)程。

4.1 油墨連接料—樹(shù)脂的選擇

目前水性油墨的品種很多，用可再生天然聚合物的大豆蛋白生產(chǎn)的水性油墨在與底材的附著力、顏料的分散性方面都有良好的表現(xiàn)，能同時(shí)保持印刷后墨層的多孔性、提高后序覆膠的吸膠效率，是包裝材料特別是紙質(zhì)包裝材料印刷的首選。用天然高分子酪素或經(jīng)改性的纖維素做連接料制得的水性油墨，所得墨層疏松多孔、耐高溫、吸膠量大，印刷網(wǎng)點(diǎn)細(xì)膩清晰、層次豐富、圖案立體感強(qiáng)，顏色穩(wěn)定性好，高溫高壓下不變色掉色，耐紫外光性好，高速印刷適性好，墨層具有多孔性，后序浸膠吸膠量充足，而且墨層有良好的耐苯乙烯、丙酮等有機(jī)溶劑和耐濕摩擦的功能。

4.2 采用合理的印刷工藝

油墨在成膜干燥過(guò)程中因蒸氣壓的作用溶劑擴(kuò)散到大氣中，在墨膜表面形成液膜，然后通過(guò)液膜揮發(fā)。在這一過(guò)程中，油墨表面因溶劑水的揮發(fā)粘度上升，熱量擴(kuò)散，溫度下降，粘度再上升，結(jié)果是墨膜內(nèi)部的溶劑水揮發(fā)逐漸變得因難，這時(shí)需要熱量和風(fēng)進(jìn)行干燥。熱量提高了溶劑分子的活躍度，使油墨表面的粘度降低，起到加速溶劑揮發(fā)的效果。另外，若油墨表面揮發(fā)層（氣膜）停滯時(shí)，會(huì)防礙溶劑的進(jìn)一步揮發(fā)，加熱送風(fēng)，可以吹去氣膜層以加速干燥。一般，溶劑的揮發(fā)速度是由溶劑的蒸氣壓、溶劑和空氣的溫度差以及墨層表面流動(dòng)的空氣速度和墨層厚度決定的。油墨印刷時(shí)控制合理的濕墨層厚度、干燥溫度和空氣流動(dòng)速率，可以形成最大透氣性能的疏松而又結(jié)構(gòu)牢固的墨層。

4.3 合適的浸膠條件

包裝材料印刷時(shí)，在要求墨層具有多孔性的同時(shí)，要求印刷后覆膠時(shí)的吸膠量要充足。生產(chǎn)時(shí)覆膠量一般控制在油墨的（100～130）%左右，覆膠時(shí)間為數(shù)秒鐘（因覆膠工序設(shè)備的不同，國(guó)外的覆膠機(jī)速度一般為40米/分，國(guó)內(nèi)一般為30米/分左右），膠料對(duì)墨層的滲透按三維向進(jìn)行，同時(shí)膠料和墨層的浸潤(rùn)作用還與工藝過(guò)程的溫度有關(guān)，調(diào)整墨層和膠料的接觸時(shí)間、角度和溫度可以產(chǎn)生不同效果的墨層吸膠效率。

5 結(jié)語(yǔ)

一個(gè)有良好透氣性能的墨層在滿(mǎn)足充分吸膠效率的條件下，經(jīng)合適的印刷和覆膠工序所制得的包裝材料就一定有較好的印品色相，且顏色穩(wěn)定性好、高溫高壓下不易變色掉色、不會(huì)出現(xiàn)崩邊和鼓泡的現(xiàn)象。