瓦楞紙用水性油墨的研制

崔久鑫

（曲阜師范大學(xué)工學(xué)院，山東 日照276826）

水性油墨采用水替代有機(jī)溶劑，不但消除了易燃易爆的有機(jī)溶劑帶來(lái)的火災(zāi)隱患，降低了生產(chǎn)成本，而且符合日益苛刻的環(huán)保要求，給勞動(dòng)者的身心健康提供了保障，近年了得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了溶劑型油墨和醇溶型油墨[1]，但水性油墨中的溶劑水由于揮發(fā)時(shí)吸收熱量較多，干燥較慢，因此限制了其在高速印刷生產(chǎn)線上的應(yīng)用，但在印刷面積較小的紙箱承類印材料上，水性油墨仍然具有不可比擬的價(jià)格和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，本文接下來(lái)介紹水性油墨的制備工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 水性油墨的組成

和普通油墨一樣，水性油墨也是由色料、連結(jié)料、助劑等成分組成，不同的是水性油墨中的色料通常由不溶于水的顏料通過(guò)分散劑分散在水性介質(zhì)中制備而成，連結(jié)料通常是水溶性的丙烯酸樹脂或水性丙烯酸共聚乳液，助劑主要包括消泡劑、流平劑、成膜助劑，其中消泡劑的主要作用是防止油墨制備和使用過(guò)程中產(chǎn)生泡沫，流平劑使印刷后的油墨厚度均勻，光澤一致，成膜助劑主要是使連結(jié)料變軟，低溫下能夠形成連續(xù)均一的薄膜，成膜助劑在成膜后會(huì)揮發(fā)，不影響油墨的最終性能。

1.2 儀器及試劑

四口燒瓶，電動(dòng)攪拌器，球形冷凝管，溫度計(jì)，滴液漏斗，精密電子天平，0.6 L立式砂磨機(jī)，刮板細(xì)度計(jì)（0-25μm），甲基丙烯酸甲酯(MMA)，丙烯酸丁酯(BA)，丙烯酸(AA)，十二烷基苯磺酸鈉，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)，壬基酚聚乙烯醚(OP-10)，過(guò)硫酸銨，氨水，中和劑AMP-95（2-氨基-2-甲基-1-丙醇），聚丙烯酸鈉，十二硫醇，炭黑，流平劑，醇酯十二，堿溶脹型丙烯酸乳液增稠劑，有機(jī)硅消泡劑。

1.3 炭黑色漿的制備

用精密電子天平稱量所需質(zhì)量的炭黑，分別加入顏料質(zhì)量5%的聚丙烯酸鈉和顏料質(zhì)量10%的OP—10及一定量去離子水，放入沙磨機(jī)中進(jìn)行沙磨，每隔一段時(shí)間取樣用刮板細(xì)度計(jì)檢測(cè)，直到細(xì)度在5μm左右后放置備用。

1.4 乳液的制備[2-3]

將丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸與一定量的去離子水、乳化劑（由十二烷基苯磺酸鈉、AES、OP-10按一定比例配制而成）放在三口燒瓶中快速攪拌，乳化30分鐘至呈乳白色液體后停止攪拌，放置燒杯中密封備用，再在四口燒瓶中加一定量的水、十二烷基苯磺酸鈉、低速攪拌，并均勻升溫，待溫度升到80℃時(shí)加入部分過(guò)硫酸銨和20%的預(yù)乳化液,進(jìn)行乳液聚合，至乳液出現(xiàn)藍(lán)光后再保溫20分鐘，繼續(xù)滴加剩余引發(fā)劑水溶液，同時(shí)以恒定速率滴加剩余預(yù)乳化液，滴完后繼續(xù)攪拌并保溫30min，再升溫到90℃保溫30min，降溫到40℃左右先用氨水調(diào)至中性，再以中和劑調(diào)pH值至8.5，用100目濾網(wǎng)過(guò)濾得乳液產(chǎn)品。

1.5 水性油墨的制備

依次稱量一定質(zhì)量的自制炭黑色漿、乳液、消泡劑、流平劑、成膜助劑、增稠劑及去離子水，放入砂磨機(jī)中，研磨分散到細(xì)度小于5μm，過(guò)濾，得水性油墨。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體的選擇

在乳液聚合過(guò)程中，常用的單體有三類，也就是軟單體、硬單體和功能單體。軟單體能賦予聚合物較低的玻璃化溫度，使乳液具有初粘性，常用的軟單體有丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和丙烯酸辛酯，本實(shí)驗(yàn)采用丙烯酸丁酯為軟單體，硬單體又稱內(nèi)聚單體，能賦予聚合物較高的玻璃化溫度，硬單體的加入使共聚乳液具有較好的內(nèi)聚強(qiáng)度和較高的使用溫度，硬單體有甲基丙烯酸甲酯，苯乙烯，丙烯腈等，本實(shí)驗(yàn)采用甲基丙烯酸甲酯，功能單體往往具有一定的活性官能團(tuán)，官能團(tuán)的引入，能夠改善乳液的內(nèi)聚強(qiáng)度和粘接性能，本實(shí)驗(yàn)采用丙烯酸作為功能單體。共聚物的玻璃化溫度依據(jù)FOX公式進(jìn)行理論計(jì)算（1/Tg=Ma/Ta+Mb/Tb+…）。考慮到實(shí)際情況，為確保乳液夏季不發(fā)粘，共聚物的玻璃化溫度設(shè)定在15℃，冬天依靠添加成膜助劑來(lái)幫助油墨成膜。

2.2 功能單體的選擇

在乳液的配方設(shè)計(jì)中，選用丙烯酸為功能單體，丙烯酸的用量一般不超過(guò)百分之五，丙烯酸用量太少，乳液的透明性和穩(wěn)定性差，丙烯酸用量多，乳液的耐水性差，而且聚合過(guò)程不平穩(wěn)，容易出現(xiàn)凝膠，綜合考慮以上因素，本實(shí)驗(yàn)丙烯酸用量為乳液總量的百分之二。

2.3 乳液用量的選擇

乳液是水性油墨的連結(jié)料，是水性油墨的主要成分，對(duì)油墨的光澤、耐水性、附著力等指標(biāo)起重要作用，在消泡劑用量千分之五，流平劑用量百分之一，色漿用量百分之三的情況下，乳液用量對(duì)水性油墨性能的影響見表1。

表1 乳液用量對(duì)水性油墨性能的影響

由上表可以看出，隨著乳液用量的增加，水性油墨的耐水級(jí)別逐漸提高，光澤度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)乳液用量達(dá)60%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)已接近最佳，因此本實(shí)驗(yàn)中乳液用量為60%。

2.4 pH值對(duì)油墨性能的影響

乳液中丙烯酸中的羧基在堿性條件下變成羧酸負(fù)離子，相互排斥使乳膠離子不易靠近，因此水性油墨性能受酸堿度的影響較大，但堿性過(guò)大會(huì)使油墨氣味太大，同時(shí)對(duì)承印材料紙張有一定的腐蝕性，因此本實(shí)驗(yàn)油墨pH值為8.5。

2.5 成膜助劑對(duì)油墨性能的影響

共聚乳液的玻璃化溫度為15℃，大部分地區(qū)的春夏秋溫度都能在15℃左右，因此能夠保證乳液順利成膜，但冬季由于氣溫較低，乳液不易成膜，因此采用添加成膜助劑來(lái)解決，成膜助劑在油墨干燥后最終會(huì)逸出油墨，因此不會(huì)對(duì)油墨的耐溶劑性能產(chǎn)生影響，不同成膜助劑用量對(duì)成膜性能的影向見表2。

表2 成膜助劑用量對(duì)成膜溫度的影響

由上表可以看出，隨著成膜助劑用量的加大，成膜性能逐漸好轉(zhuǎn)，但用量超過(guò)百分之五后，成膜光滑性無(wú)明顯變化，過(guò)量的成膜助劑不但會(huì)造成成本升高，而且使油墨的干燥速度變慢，影響生產(chǎn)。綜合考慮以上因素，成膜助劑用量為5%。

2.6 增稠劑用量對(duì)油墨粘度的影響

丙烯酸乳液自身的粘度為20秒，為使油墨滿足不同客戶要求，加入堿溶脹型丙烯酸乳液增稠劑調(diào)節(jié)粘度，在消泡劑用量千分之五，流平劑用量百分之一，色漿用量百分之三，乳液用量為60%情況下，增稠劑的用量對(duì)油墨粘度的影響見表3。

表3 增稠劑的用量對(duì)油墨粘度的影響

由上表可以看出，隨增稠劑用量的加大，油墨粘度變大，用量太大導(dǎo)致油墨流動(dòng)性變差，不利于印刷，本實(shí)驗(yàn)中增稠劑用量為0.2%。

2.7 色漿用量對(duì)油墨性能的影響

炭黑色漿的用量直接影響油墨的顏色,在消泡劑用量千分之五，流平劑用量百分之一，增稠劑用量用量0.2%，成膜助劑用量為5%，乳液用量為60%情況下，考察炭黑色漿用量對(duì)油墨顏色的影響，具體見表4。

表4 炭黑色漿用量對(duì)油墨顏色的影響

由以上表格可以看出，隨炭黑色漿用量的加大，水性油墨的顏色越來(lái)越接近標(biāo)樣，用量達(dá)8%時(shí)顏色近似標(biāo)樣。

3 結(jié)論

3.1 以自制丙烯酸乳液為連結(jié)料，添加碳黑色漿、消泡劑、流平劑、增稠劑、成膜助劑制備的水性油墨的各項(xiàng)指標(biāo)均符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

3.2 水性油墨的最佳配方為：消泡劑千分之五，流平劑1%，增稠劑0.2%，乳液60%，炭黑色漿用量為8%，成膜助劑5%，余量為去離子水。

［1］彭學(xué)軍,湯奠華,林琳.水溶性丙烯酸樹脂及柔性版水性油墨的研究[J].包裝工程，2005，26（3）：20-21.

［2］趙景菊，曲麗雯，張曉東.環(huán)保型水性上光油的制備及性能[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（2）：9-12.

［3］王繼英,等.水性丙烯酸黏合劑的合成及性能研究[J].中國(guó)膠黏劑，2005，14（3）：8-10.