用于PE基材的UV固化油墨研究

吳敏達

（廣東邦固薄膜涂料創新研究院有限公司，廣東韶關 512400）

PE 基材是采用PE 塑料加工得到的板材、管材等材料，屬于非極性塑料，由于主鏈規整，擁有較高結晶程度，表面張力較低，難與油墨形成范德華力等弱鍵作用，給油墨鋪展帶來了困難。與此同時，PE 基材結構帶有致密性，給油墨的滲透和溶脹帶來了阻礙，也難以形成機械錨固等作用。因此研制用于PE 基材的UV 固化油墨，首先需要考慮油墨附著力問題，在此基礎上保證油墨耐溶劑性和固化效果良好，且具有良好柔韌性，確?？梢匀〉昧己脩眯Ч?/p>

1 UV固化油墨組成分析

從UV 固化油墨組成上來看，包含低聚物、單體、光引發劑、填料、助劑等多種組分。

在各種成分中，低聚物占比最大，為油墨基本骨架，決定了產品附著力、硬度、耐熱性等基本性能。根據油墨使用要求，應做好低聚物選擇。從油墨附著力角度來看，需要使油墨表面張力比PE 表面張力要小，因此應選擇表面張力較低的低聚物。與此同時，低聚物擁有較低的官能度，體積收縮較小，產生的內應力也隨之減小，能夠產生更好的附著效果。而玻璃化轉變溫度較低，說明結構主鏈更加柔軟，有助于釋放內應力，防止墨層在固化后因產生過大內應力發生翹曲、變形等情況，所以也能提升材料附著力[1]。根據以往研究可知，聚酯丙烯酸酯類的相對分子量較低，如圖1所示，表面氧阻聚明顯，附著力較好，通過優化該類低聚物組合，能夠提高油墨在PE 基材上的附著力。而聚氨酯丙烯酸酯應用程度較高，屬于重要光固化低聚物，能夠提高光聚合速度，固化后交聯密度較高，能夠作為輔助性功能樹脂增強固化涂層附著力[2]。但為保證用于PE 基材的UV 固化油墨綜合性能良好，應分析低聚物組合給油墨其他性能帶來的影響，從而研制出最佳的油墨材料。

圖1 聚酯丙烯酸酯分子式

低聚物黏度較高，需要添加單體調節黏度，實現油墨性能調節。相較于低聚物，單體內的雙鍵密度更大，固化時將發生大體積收縮，將給油墨附著力帶來不良影響。但單體表面張力低，能夠增強油墨對PE基材的浸潤能力，獲得更強層間作用力。此外，單體參加固化反應，減少有機揮發物產生，增強油墨環保性。根據反應基團多少，單體可以劃分為單官能度和多官能度兩類，前者具有較高轉化率，交聯密度較低，固化速度慢。而多官能度單體分子量較大，固化速度快，稀釋性更佳，常見包含二縮三羥甲基丙烷四丙烯酸酯TMPTA 等，有助于優化油墨耐溶劑性等性能[3]。實際在制作用于PE 基材的UV 固化油墨時，應考慮到PE 基材厚度較薄，對印刷油墨提出較高柔韌性要求，以免墨層出現脫落、開裂等問題。而柔韌性與單體官能度有關，在官能度越低的情況下，可以獲得更高的柔韌性。使用單官能度單體，降低交聯密度，也能提高柔軟度，但將以犧牲硬度為代價，因此需選用多官能度的單體，確保油墨擁有較好柔韌性[4]。

光引發劑用于吸收紫外光，引發低聚物和單體反應。填料用于結構補強，助劑用于改善墨膜性能。相比較而言，對油墨影響較大的為光引發劑，關系到油墨在光照條件下能否迅速由液態變為固態?，F階段，光引發劑多選用酰基磷氧化物，如TPO 等，具有良好綜合性能，可以幫助低聚物和單體溶解，取得良好光固化效果。

2 用于PE基材的UV固化油墨研究

2.1 實驗條件

2.1.1 材料與設備

根據UV 固化油墨研制需求，可選擇聚氨酯丙烯酸酯PUA 和聚酯丙烯酸酯PEA 材料作為低聚物。在單體材料選擇上，選擇TMPTA 和新戊二醇二丙烯酸酯NPGDA 兩類。此外，光引發劑選用TPO，選用炭黑顏料，另外準備消泡劑、分散劑、丙酮、PE 塑料等。

使用設備包含UV 固化機、三輥研磨機、印刷適性儀、高速分散器、恒溫鼓風干燥箱、細度計、紫外分光光度計、柔韌性測試儀，使用工具包含直尺、秒表、酒精燈等。

2.1.2 方法與測試

在油墨制備上，設計的配方如表1所示，低聚物和單體含量在60%～90%調整，光引發劑也隨之調整，而分散劑等材料含量相對固定。其中，低聚物質量分數在30%～60%調整，單體質量分數在20%～50%調整。按照配方將各種材料放入燒杯后充分攪拌，在干燥箱中軟化30 min，在3 000 r/min 條件下分散30 min。使用研磨機研磨1 h 后，測量確定細度小于40 μm 即可使用。

表1 UV固化油墨配方設計

在PE 基材上印刷油墨，采用凸版膠印方式。將PE 塑料剪成小片后，使用酒精清理表面，在酒精燈上燒2～5 s，冷卻后完成表面張力測試。確認張力不低于38達因后，使用適性儀將油墨印刷至塑料表面，每次用量為0.1 mL。將印刷油墨的塑料片放入固化機，將功率設定為2 kW，在強光條件下對油墨進行固化，直至扣壓無法使墨層脫落確認完全固化，并記錄固化時間。

在附著力測試過程中，使用劃格器將墨層沿著縱、橫方向各劃一次，形成5 mm×5 mm 的小方格，然后黏附3 M 膠帶。從180°方向剝離膠帶，利用方格剩余比率反映油墨附著力。具體來講，就是在方格剩余比率在66%～100%時為0級，在36%～65%時為1級，在16%～35%時為2級，在5%～15%時為3級，0%～1%時為4級，未發生任何脫落為5級[5]。在耐溶劑性能測試中，使用浸潤丙酮溶液的棉簽反復擦拭PE 基材上的油墨，直至基材暴露記錄擦拭次數。在柔韌性測試中，使用測試儀按照相關技術規范操作，可以將油墨柔韌性劃分為1～7共計7個等級，等級越高說明柔韌性越好。

2.2 實驗結果

2.2.1 低聚物給油墨性能帶來的影響

在選擇低聚物種類不同時，各自按照50%比例單獨使用，同時均按照25%復配使用，對制備的油墨的各項性能進行測試，能夠為合理選擇低聚物種類提供依據。根據實驗結果可知，如表2 所示，采用PUA 制備的油墨附著力、耐溶劑性、柔韌性良好，但存在固化時間過長的問題。而使用PEA 附著力和耐溶劑性稍差，固化時間稍短，柔韌性相較于PUA制備油墨稍差，但依然能夠達到6級，滿足PE 基材使用需求。而實現兩種低聚物復配，附著力等級達到3級，同時耐溶劑性能良好，固化時間縮短至8 s，柔韌性可以達到7 級。分析原因可知，PUA 擁有較大分子量，造成固化速度減慢，通過復配能夠獲得較小的分子量。而PEA 利用光活性基團合成，黏度較低，收縮較大，造成附著力等性能不佳[6]。使用兩種低聚物制備固化油墨，能夠實現優勢互補，達到改良油墨各項性能的目標。

表2 不同低聚物給UV固化油墨性能帶來的影響

在采用復配方式制備油墨的情況下，需要分析低聚物添加量給油墨性能帶來的影響，做到合理確定低聚物配比。根據實驗結果可知，隨著低聚物質量分數從30%增加至60%，固化時間呈現出先減小后增加的趨勢，從16 s 變為11 s，在質量分數達到50%時固化時間最小，為8 s。從附著力等級變化情況來看，呈現出逐漸增加的趨勢，從1級變為3級，油墨附著力逐漸增強。從油墨耐溶劑性變化來看，也呈現出性能逐步增強的趨勢，在低聚物質量分數達到50%時耐溶劑性超過100次。在低聚物用量增加過程中，油墨的柔韌性變化并不顯著，僅從6級提升至7級，與使用的低聚物樹脂均為柔韌性較好物質有關。分析其他性能變化原因可知，低聚物含量較少時，發生交聯固化的基團數量也較少，導致固化時間較長，各項性能較差[7]。而低聚物含量增加至一定值后，油墨黏度隨之增加，容易出現膜層不均問題，給油墨固化性能帶來影響。因此通過綜合分析，可知低聚物最佳質量分數為50%。

2.2.2 單體給油墨性能帶來的影響

在單體種類和含量發生變化時，油墨性能也將受到影響。選用NPGDA 擁有雙官能度，而TMPTA擁有三官能度，在單獨使用時將各自質量分數設定為30%，在復配時兩種單體各占15%。對不同占比條件下制備的油墨性能展開測試，可知單獨使用NPGDA，油墨固化時間為10 s，附著力等級為3級，耐溶劑性在100次以上，柔韌性達到6級。而單獨使用TMPTA，油墨固化時間為6 s，附著力等級為2級，耐溶劑性不超50次，柔韌性達到7級。比較發現，使用NPGDA 制備的油墨固化較慢，但附著力等性能良好，而使用TMPTA 將取得相反效果。同時使用兩種單體材料，制備油墨固化時間為8 s，附著力等級為3級，耐溶劑性在100次以上，柔韌性達到7級。分析原因可知，參加固化反應的官能團越多，固化反應越快，體積收縮也將隨之增大，油墨柔韌性也將隨之增加。因此適量減少參與官能團，能夠改善油墨附著力等性能，同時確保油墨快速固化，并且不會給油墨柔韌性帶來明顯影響。

在選用兩種單體制備油墨時，對單體含量進行調整，油墨性能變化明顯。隨著單體含量從20%增加至50%，固化時間經歷先減小后增加過程，在質量分數達到40%的固化時間最短。從油墨附著力等級來看，變化相對復雜，隨著單體用量增加發生較大波動，在質量分數達到50%時等級最低達到1級。從耐溶劑性來看，單體用量增加將導致該性能反復波動，無明顯規律。附著力變化與固化時間長短有關，因此在固化時間發生波動時，附著力也將隨之變化。從柔韌性變化來看，隨著單體用量增加，柔韌從6級提升至7級，均能達到使用要求。而耐溶劑性與成膜低聚物有關，在低聚物含量高的情況下能夠獲得稍好耐溶劑性，但稀釋到印刷黏度時才能獲得最佳性能，最終可知單體最佳含量為40%。

2.2.3 光引發劑給油墨性能帶來的影響

光引發劑含量多少將影響油墨固化速度，在確定低聚物和單體種類、含量后，使光引發劑含量從2%增加至12%。根據實驗結果可知，油墨固化速度經歷先增加后減小的趨勢，固化時間從12 s 提升至14 s，在光引發劑含量達到6%～8%時固化時間能夠達到6 s左右。分析原因可知，光引發劑含量較小時只能提供少數自由基參與固化反應，造成低聚物和單體交聯反應相對較慢。而用量過大，將給交聯反應帶來干擾，同樣會減慢固化速度。在綜合分析的基礎上，確定最佳光引發劑含量為6%。

3 結論

在制備PE 基材使用的UV 固化油墨過程中，完成低聚物、單體、光引發劑幾種主要組分的分析，能夠確定各種組分給油墨性能帶來的影響，并結合以往研究經驗優選性能良好的材料，通過設計科學配比保證油墨獲得良好固化性能、附著力、耐溶劑性和柔韌性，滿足PE 基材油墨印刷需求。通過開展實驗可知，選擇性能相似的低聚物和單體完成復配，能夠實現優勢互補，達到提高油墨綜合性能的目標。在此基礎上合理控制光引發劑含量，加快油墨固化速度，能夠生產出理想的PE 基材用UV 固化油墨，為產品帶來良好發展前景。