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表面活性剂对水性油墨用色浆制备和性能的影响,表面活性剂对水性油墨用色浆的制备和性能的提高起着重要作用,中国化工网,okmart.com
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表面活性剂对水性油墨用色浆制备和性能的影响,表面活性剂对水性油墨用色浆的制备和性能的提高起着重要作用
2020年04月26日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

水性油墨用色浆是颜料固体的水性分散体,在水性油墨中起到提供发色体的作用。水性油墨用色浆与通常水性涂料色浆和水性印花色浆的不同点是要在高剪切力下仍能使水性油墨保持良好的印刷适性( printability) ,如转移性、展色性和光泽度,并在印刷载体上,如塑料薄膜和马口铁上,有良好的附着牢度和光泽度。


目前这类色浆大多是通过砂磨机在水性介质中将颜料研磨分散成细小的颗粒悬浮液得到的中国化工网okmart.com。研磨时间的长短,不仅关系到能耗及生产成本,而且长时间处于高机械能外力环境中,色浆的色光和色相会受到影响,生产中应尽量缩短研磨时间。


在水性油墨中,色浆质量的优劣直接决定着油墨的性能,如色浆的分散性不好,则稳定性不好,易沉淀、易返粗,甚至失效; 如色浆的流变性不好,则会影响水性油墨的印刷适性; 如气泡得不到有效抑制,不仅造成研磨效率下降,而且油墨涂层表面粗糙,光泽度下降。

总之,这些问题的存在是由于颜料表面状况与色浆分散体系张力不适应所致,可以通过适当的添加表面活性剂对水性色浆体系进行调节加以解决。


1 实验方法

1. 1 原料

实验用原料

1. 2 仪器设备

实验用仪器设备

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1. 3 操作方法

首先向分散缸中加入规定量的去离子水,在搅拌条件下加入规定量的碳酸钙和高岭土; 在搅拌均匀后再加入规定量的颜料,除钛白粉配制成60%的水分散液外,其余颜料( 包括炭黑) 均配制成40%的水分散液。采用单因素实验法,根据实验条件要求分别加入不同量的润湿剂101A、分散剂102D、偶联剂103B、消泡剂BYK019、在高速分散机中以6 000转/min 分散60 min 后,再加入砂磨机中研磨,研磨时间以研磨至粒度<10 μm 计,放料; 放置30天后检测水性色浆的各项性能。

1. 4 检测方法

检测方法

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2 结果与讨论

2. 1 润湿剂选型和用量对研磨时间和油墨涂层附着牢度的影响

颜料是由许多单个的颜料粒子聚结而成的聚集体。为保证水性油墨的质量,色浆中颜料的粒度通常要求在10μm 以下,这就必须要对颜料粒子进行研磨分散处理,以满足印刷过程的需要。


在空气中,颜料表面和粒子间的毛细孔隙中充满了空气,根据杨氏方程:

γsg-γsl = γlg cosθ

式中,γsg、γsl、γlg分别为固-气、固-液和液-气表面张力,θ 为接触角。

从式中可以看出,当固体界面被充分润湿时,θ≤90°,cosθ≥0,γsl<γsg,说明当固体表面被润湿,由固-气界面转变成固-液界面后,表面张力变小。根据机械粉碎所需能量方程式:

ΔW= γΔA

式中γ 为表面张力,ΔA 为增加的比表面积,表明界面的张力愈小,固体粒子破碎为相同粒度时所需外界机械功愈少,例如在酞菁蓝颜料分散体系中加入2%的润湿剂,测得表面张力从57. 2 mN/m降至27. 6 mN/m,理论上需外界的机械功降低了52%,说明颜料较未加润湿剂前易于被破碎成小颗粒,使得研磨时间缩短。


目前大多数水性油墨为碱性体系,在该体系中,颜料固体表面因内部应力释放所生成的许多细小缝隙带有负电荷,如使用适当比例的阴离子润湿剂与固体表面所带的同种电荷产生排斥作用,并与缝隙间毛细渗水作用产生的渗透压共同作用,使微粒间的结合强度降低,进一步降低了粒子团碎裂所需的机械功,使之易于分散; 


且由于相同电子的排斥作用,使已破碎的颜料分子易于分散在介质中。但值得注意的是,由于阴离子润湿剂的亲水性较强,会导致水性油墨墨膜的耐水性急剧下降,因此阴离子润湿剂与非离子润湿剂的使用量必须控制在适当比例。


从图1 可以看到,随着润湿剂使用量的增加,使颜料颗粒研磨至10 μm 所需的时间缩短。这主要是因为在分散介质中,随着润湿剂用量的增加,其渗入颜料间隙和毛细孔中排除空气的能力逐渐加强,能使由于研磨所产生的颜料新表面得到充分润湿,降低表面张力,使聚结的粒子易于解聚,研磨效率得到提高。


由于控制颜料粒度达到10 μm 即可放料,比表面积保持相对稳定,当进一步提高润湿剂的使用量,固-液表面润湿剂呈饱和状态,表面张力不能进一步下降,研磨时间不会再缩短。

湿润剂用量对色浆研磨时间的影响,湿润剂用量对水性油墨附着牢度的影响

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从图2 可以看到,随着色浆中润湿剂用量的增加,水性油墨的附着牢度在不断增加,这是由于润湿剂可以使油墨在基材上充分铺展,接触面积增加所致。但当进一步增加润湿剂的用量,由于润湿剂从油墨连接料中向与基材接触界面迁移量的增加,使连接料的粘结强度衰减,导致附着牢度大幅度下降。因此说,润湿剂的用量必须控制在适当的范围。


2. 2 分散剂用量对颜料分散体系稳定性的影响

水性色浆的分散包括两个方面,即颜料的良好分散和分散良好的颜料粒子在分散介质中保持稳定。根据颗粒沉降速度公式:

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式中Vs为沉降速度; a 为离子半径; ρs为颜料密度; ρl为分散介质密度; g 为重力加速度; η 为分散介质粘度。

从公式中可以看出,虽然增加分散介质的粘度和密度有助于体系的稳定,但降低颜料的研磨粒度对降低沉降速度起主要作用,理论上当Vs足够低时,布朗热运动会抵消Vs的影响,使体系形成稳定的悬浮体。但是根据比表面能方程式:

Gs =σS


式中Gs为比表面能; σ 为粒子与分散介质间的表面张力; S 为比表面积。

从式中可以看出,单纯降低颜料粒度,将会使比表面积增大,从而增大比表面能,导致体系不稳定; 为了维持体系的稳定性,颜料粒子间有自动重新聚结的倾向。另外,根据DLVO 双电层理论,由于粒度的进一步细化,粒子间距离在范德华力起主要作用的范围内,粒子将相互吸引产生结聚。


因此,可以在分散介质中加入适当的离子型高分子分散剂,对颜料粒子进行“包裹”,这样不但增加了电性排斥作用,而且由于在颜料粒子表面吸附形成的亲液性强、有相当厚度的保护层能有效地屏蔽颜料粒子间的范德华作用,起到空间稳定作用,大大提高分散体系的稳定性。


图3 为将颜料分散液放置30 天后,测量其粒度随分散剂用量的变化值。从图中可以看到,随着分散剂用量的增加,粒度变化值逐渐变小,说明颜料分散液中粒子的结聚现象逐步得到改善,色浆体系趋于稳定。

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分散剂用量对粒度变化值的影响

值得注意的是当离子型高分子分散剂的用量进一步增加,如用量从1%增加到5%,电导率从5. 8×10-3 S /m 增加到3. 6×10-2 S /m,增加6. 2 倍,粒度变化值变小,体系趋于更加稳定; 但粒度变化值未趋于零,这可能是由于分子热运动造成一定几率的颜料粒子结聚与解聚平衡所致。但是进一步提高离子型高分子分散剂的用量,由于亲水基团的增多,会使得水性油墨的耐水性下降。因此分散剂的用量应控制在一个适当的范围内。


2. 3 偶联剂用量对色浆粘度和油墨附着牢度的影响

在水性色浆中加入离子型高分子分散剂后,虽然贮存稳定性得到提高,但由于粒子之间电荷斥力和空间位阻的存在,使得粒子之间的相对位移受到阻力,不能有效降低体系的表观粘度,影响由其制成的水性油墨流动性。


为此,向色浆体系中加入一定量的钛酸酯偶联剂,利用其同色浆中碳酸钙和高岭土偶合后存在大量长碳链所具有的柔韧性和应力转移功能,产生自润滑作用,使体系的粘度随使用量的增加而下降,印刷适性得到改善,但其用量超过与体系中无机物耦合所需量后,粘度基本保持不变,图4 表明了这一点。

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偶联剂用量对色浆粘度的影响

在水性色浆中加入偶联剂的另一个重要作用是提高颜料在基材上的附着牢度。当含有偶联剂的颜料同基材接触时,偶联剂将同基材上的活性基团反应,形成化学键合,使颜料附着牢度较单纯的物理吸附有大幅度提高。


但值得注意的是偶联剂的用量必须适当,如前所述,其有大量长碳链基团的存在,如若使用过量,过剩长碳链基团在基材表面的铺展必将导致附着牢度的下降。从图5 可以看到,开始随着偶联剂用量的增加,附着牢度逐渐增大; 进一步增加时,附着牢度将陡然下降。

偶联剂用量对水性油墨附着牢度的影响

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2. 4 消泡剂用量对研磨时间和油墨涂层光泽度的影响

在色浆体系中加入上述表面活性剂,仅是起到使颜料粒子表面润湿、包覆、稳定的作用,如要使聚结的颜料二级粒子破裂到初级粒子,还必须通过混流、碰撞、剪切、摩擦等机械方式来实现。此时体系表面张力较低,这些机械能量传递过程不可避免的产生大量气泡,并且妨碍颜料的分散。


因为这些气泡的存在,在颜料粒子间形成空气膜,这使得粒子间的相互冲撞、混流、剪切得到缓冲,破碎效率下降,色浆的研磨时间延长; 由于色浆中颜料粒子被气泡所包裹,使粒子间的摩擦几率大为降低,颜料颗粒表面的摩擦抛光效率下降,所制水性油墨的涂层光泽度明显下降。这些问题可以根据润湿剂、分散剂和偶联剂的使用类型和使用量,通过在色浆中加入与之相适应的消泡剂类型和用量予以解决。

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消泡剂用量对色浆研磨时间的影响

消泡剂用量对水性油墨光泽度的影响

从图6 和图7 可以看到,随着消泡剂用量的增加,气泡量减少,研磨时间缩短,光泽度提高。但是用量必须适当,如图7 所示,当消泡剂用量超过一个临界值时,会产生涂层缩孔、表面不平整、光泽度下降、再涂性不好等缺陷,严重时会使涂层失去在基材上的附着力。


3 结论

表面活性剂对水性油墨用色浆的制备及性能提高起着重要作用,润湿剂和消泡剂的加入能缩短色浆的制备时间,润湿剂、分散剂、偶联剂和消泡剂的加入使得色浆具有良好的稳定性、适当的流变性及较高的油墨涂层附着力和光泽度。


但它们的用量必须适当,否则将会由于过量表面活性剂向界面迁移和占位,造成附着牢度下降,耐水性和光泽度变差。在水性油墨用色浆的制备过程中还应注意各单因素间的交互作用。


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