多功能水性油墨的研發(fā)

牛倩倩+劉昕

為了解決水性油墨存在的生產(chǎn)過程繁瑣，成本高，用途單一，以及水性油墨的印刷方式單一的問題。根據(jù)高分子化學(xué)和印刷適性的基本原理，采用單因素優(yōu)選法，對(duì)水性油墨的原材料類型及用量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)篩選，獲得了一種多功能水性油墨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該水性油墨黏度滿足0.02～0.3Pa.s（25℃）時(shí)，可用于凹版印刷；油墨黏度滿足0.2～1Pa.s（25℃）時(shí)，可用于柔版印刷；油墨黏度滿足1～100Pa.s（25℃）時(shí)，可用于絲網(wǎng)印刷。

溶劑性油墨的溶劑大多是揮發(fā)性有機(jī)溶劑，例如苯、甲苯、二甲苯之類的芳香族化合物。溶劑揮發(fā)后，會(huì)對(duì)空氣造成污染，而且還是致癌物質(zhì)，因此以溶劑型油墨為主的印刷業(yè)面臨著新的選擇，尋求一種新的環(huán)保油墨的任務(wù)日益迫切。

水性油墨作為一種新型環(huán)保油墨正好克服了上述溶劑型油墨的缺點(diǎn)。目前用于印刷的水性油墨仍然存在著制備過程繁瑣，成本高，用途單一，水性油墨和色料、印刷方式專屬性強(qiáng)的缺點(diǎn)。制備的水性油墨解決了現(xiàn)有水性油墨制備過程繁瑣，用途單一，水性油墨應(yīng)用范圍與色料類型、印刷方式具有專屬性的問題。制備的水性油墨具有以下優(yōu)點(diǎn)：原材料豐富，價(jià)格低，屬天然原料；制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少；無毒無味、對(duì)環(huán)境無污染；成膜性好、具有良好的粘接性能；應(yīng)用十分廣泛，既可以用于柔印、凹印，也可以用于轉(zhuǎn)移印刷；對(duì)色料類型適應(yīng)性強(qiáng)，既可以添加顏料，也可以添加染料；可以在某些領(lǐng)域可以完全替代污染嚴(yán)重及價(jià)格昂貴的溶劑型油墨。

理論分析

1.淀粉連結(jié)料的粘接機(jī)理

在構(gòu)成淀粉鏈狀大分子的每個(gè)葡萄糖單元C2、C3和C6上都各有一個(gè)羥基（-OH），因而在一個(gè)淀粉分子上有幾百個(gè)羥基，而每個(gè)淀粉顆粒又是由數(shù)不清的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子鏈以結(jié)晶區(qū)和不定形區(qū)的形式交織組成，因此，在淀粉中羥基的數(shù)目是以一個(gè)很大的數(shù)量級(jí)來計(jì)數(shù)的。普通淀粉膠的粘接力就來源于為數(shù)眾多的羥基產(chǎn)生的氫鍵結(jié)合力，單個(gè)氫鍵的結(jié)合力比其他化學(xué)鍵力弱，但當(dāng)氫鍵數(shù)量極其龐大時(shí)， 所產(chǎn)生的總結(jié)合力是很強(qiáng)的。

由于淀粉中的羥基易與水以氫鍵形式結(jié)合，它對(duì)被膠接材料的吸附較易被水所解吸，因此淀粉的濕膠合強(qiáng)度就受到嚴(yán)重的破壞。淀粉經(jīng)氧化后其葡萄糖苷鍵斷裂，并引入羥基，而羥基的引入又使其具有良好的穩(wěn)定性、分散性、冷流性和粘接性能。糊化過程可以破壞淀粉的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致團(tuán)粒潤漲，使淀粉分子水合和溶解。聚乙烯醇和淀粉分子中均含有羥基，因此在聚乙烯醇和淀粉分子之間可以形成氫鍵，起到了聚乙烯醇和淀粉分子之間的“接枝”作用，這樣制得的淀粉膠黏劑具有更好地粘接性、流動(dòng)性和抗凝凍性等優(yōu)點(diǎn)。

2.單因素優(yōu)選實(shí)驗(yàn)法

油墨的影響因素有多種，在安排實(shí)驗(yàn)時(shí)，只考慮一個(gè)對(duì)指標(biāo)影響最大的因素，其他因素盡量保持不變的實(shí)驗(yàn)。利用單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)選法，保持油墨配方中其他量不變，改變其中一個(gè)量，來測(cè)定水性油墨黏度變化趨勢(shì)。

a.分析PVA：淀粉質(zhì)量比值和消泡劑用量對(duì)油墨黏度的影響。

b.根據(jù)不同的印刷方式，選擇合適的PVA：淀粉質(zhì)量比值和消泡劑用量。

3.實(shí)驗(yàn)

①實(shí)驗(yàn)儀器

配制該水性油墨所用的實(shí)驗(yàn)儀器見表1。

②油墨配方

制備的一種水性油墨，按質(zhì)量百分比原料的有效組分為：淀粉1%～3%，去離子水70%～80%，次氯酸鈉0.1%～0.5%，氫氧化鈉0.05%～0.1%，聚乙烯醇2%～4%，尿素0.1%～0.3%，硫酸鎳0.2%～0.6%，色料5%～18%，助劑1%～2%，以上各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。其中，助劑為消泡劑、催干劑和表面活性劑組成的混合物，其中，各組分占水性油墨總質(zhì)量的百分比為：消泡劑0.3%～0.8%、催干劑0.1%～0.6%、表面活性劑0.5%～1%；催干劑為輕鈣、氯化鈣和熟石膏中的其中一種；消泡劑為磷酸三丁酯；表面活性劑為脂肪酸鈉。配制水性油墨所用色料為染料和顏料。

③實(shí)驗(yàn)

a.PVA：淀粉質(zhì)量的比值對(duì)油墨黏度的影響

首先，稱量原料：按上述基本組成中的質(zhì)量百分比稱取原料；其次，改變PVA：淀粉質(zhì)量的比值，其他組分保持不變，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，配制成一系列水性油墨；最后利用黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)量（使用62#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為100%），并記錄數(shù)據(jù)。

b.消泡劑用量對(duì)油墨黏度的影響

首先，稱量原料：按上述基本組成中的質(zhì)量百分比稱取原料；其次，改變消泡劑的用量，其他組分保持不變，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，配制成一系列水性油墨；最后利用黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)量（使用62#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為100%），并記錄數(shù)據(jù)。

④實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)得到表3和表4。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)，分別做出水性油墨黏度隨PVA：淀粉質(zhì)量比、消泡劑用量的變化趨勢(shì)圖1和2。

由圖1可知，油墨黏度隨著聚乙烯醇和淀粉的比例變化而變化水性油墨黏度最小值為0.02Pa. s（25℃），黏度最大值為0.5Pa. s（25℃），因此能適用于凹版印刷、柔版印刷和轉(zhuǎn)移印刷等印刷方式。

由圖2可知，隨著消泡劑含量的增加，水性油墨黏度也不斷增加；因此，可以根據(jù)印刷方式選擇合適的消泡劑含量。

結(jié)語

配制該水性油墨工藝簡(jiǎn)單；無毒無味、對(duì)環(huán)境無污染、成膜性好且具有良好的黏結(jié)性能，制成的水性油墨黏度最小值為0.02Pa. s（25℃），黏度最大值為0.5Pa. s（25℃），因此能適用于凹版印刷、柔版印刷和轉(zhuǎn)移印刷等印刷方式，并且本發(fā)明的水性油墨配制對(duì)色料沒有要求，既可以是染料也可以是顏料；而水性油墨的制備方法、工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，環(huán)保無污染，所用設(shè)備價(jià)格便宜、體積小。但是黏度還達(dá)不到絲網(wǎng)印刷的要求，并且不能用于膠版印刷。

作者單位：西安理工大學(xué)