一、前言
在塑料印刷行业,大量采用溶剂型油墨,使用苯类、酮类和酯类等许多易燃性的有机溶剂,在制造、贮藏、运输及印刷作业时有引发火灾和爆炸的危险。苯类等有机溶剂的挥发,不但严重污染空气,造成工作车间环境恶劣;而且由于苯类溶剂是一种致癌物质,长期接触将严重影响操作工人的身体健康。大量使用有机溶剂,还将造成石油资源的缺乏中国建材网cnprofit.com。由于残留有机溶剂的影响,印刷品用于食品包装,将造成食品卫生问题。
随着环保要求的提高和节省石油资源的需要,努力开发公害小,不含有机挥发物(voc),污染少以至无公害无污染的“绿色”油墨已迫在眉睫。目前在欧美和日本等发达国家,水性墨作为不含有机溶剂的“绿色”环保产品已经逐步取代溶剂墨。
以美国为例,已有90%的印刷厂家均使用对环境无污染的水性墨或无溶剂油墨(UV墨)来印刷食品包装、医疗和生活用品。目前用于塑料印刷的水性油墨主要有:
1.水性柔性版油墨’采用水溶性丙烯酸树脂为连接料,用于印刷塑料提袋。
2.水性凹印塑料油墨分表印和里印。
表印以水溶性丙烯酸树脂为连接料,可用于印刷塑料提袋和合成纸袋;在欧美等国用量已经超过溶剂型油墨,印刷速度可以达到50~150米/分,附着牢度好。里印即食品包装用的复合印刷油墨,目前发展很快。国外如美国和日本都有大量产品问世报道,国内该油墨尚属空白,除杭州市化工研究所1990年代对此产品有研究外,尚无产品开发报道。该油墨以水溶性丙烯酸树脂和丙烯酸乳液为连接料,以水和醇为溶剂,彻底解决环保问题;随着干燥、制版和薄膜处理等问题的解决,将逐步取代溶剂型油墨。
二、水性油墨和溶剂型油墨的各种物性比较
水性油墨的各种物性与溶剂型差不多,它们的性能比较见表1。
*要求特别的耐性可以利用特殊的树脂体系涂膜,耐碱,耐洗性可达4---5级。
1.耐水耐碱性
对于表印,水性连结料亲水性强,保留了极性基因,所以耐水、耐水摩擦性及耐碱性等较溶剂型差;若墨膜的耐(酸和碱等)性强,则油墨的再溶解性差,将会出现印刷适性问题,两者取平衡值是必要的。对于里印,由于油墨夹在两层塑料薄膜之间,不直接与介质接触,因此不存在上述的不足之处。.
2.残留溶剂
水性油墨的最大优点是臭味低和残留溶剂极少(表2)。在包装工业中,因残留溶剂引起内装物品的风味降低,导致安全卫生问题。因此。水性油墨显示出极有利的性能。
3.水性油墨的表面复合适性
水性油墨进行里印后的复合性能如表3。由表中可以看出;水性油墨适合于挤出复合、干式复合和无溶剂复合,并且复合牢度不亚于溶剂油墨。由水性AC剂及水性、无溶剂型的粘接剂制成的复合包装材料,可谓完全无毒的包装材料。
三、水性油墨的制备
水性油墨同一般溶剂型油墨一样,也由连接料濒料(染料)、溶剂及助剂等组成。
1.水性油墨用莲接料
水性油墨用连接料起粘结颜料(染料)和提供印刷适性等作用,主要采用以下三种:①水溶性树脂;② 水溶胶树脂;③ 水分散树脂(乳液型乳胶)。三种树脂的性能比较见表4。从表4可以看出,以水溶性树脂性能最好,下面分别述之。
① 水溶性树脂
水溶性树脂的品种很多,但可用于塑料油墨的只有虫胶、马来酸树脂和丙烯酸树脂从表4可以看出,以水溶性树脂性能最 等,它们的性能和价格等比较见表5。
从表中可知,水溶性丙烯酸树脂性能最好。
对于丙烯酸树脂,要使其水溶,一般在其分子结构中引入羧基、羟基、酰胺基和磺酸基等亲水基,再经氨(或胺)中和,生成水溶性铵盐(或胺盐),则完全溶于水。而在印刷干燥后。铵盐或胺盐分解,恢复为原来的非水溶性树脂,形成不溶于水的干燥墨层。反应式表达如下:
对于丙烯酸聚合物体系,也有由于丙烯酰胺或羟甲基化合物的亲水性,而把聚合物变成水溶性的。为了使水溶性油墨得到颜料稳定分散性、油墨的印刷适性及印刷效果、干燥性和耐水性等,有比例地选定适当的聚合物原料的疏水性单体和亲水性单体,是生成水性聚合物的必要条件。
② 水分散性树脂
即醋酸乳液、丙烯酸乳液和合成橡胶乳液。如使用水分散性树脂,虽然流动性、机械稳定性、再溶解性等性能变差,但大大提高了水性墨的光泽、干燥性和耐水性等。因此在高亮光水性苯胺墨等方面应用较多。它和水溶性树脂配合使用,可得多种性能良好的凹印水性墨。
③ 水溶胶树脂
该类树脂性能处于水溶性树脂和水分散性树脂之间,用它制得的水性油墨,流动性、光泽、耐水性等性能优良,再溶解性也有所改善,因此这几年也渐渐为人们所使用。
2.水性油墨用颜料(染料)
染料只可用于水溶性纸张油墨,水溶性塑料油墨大多采用有机及无机颜料作着色剂。
由于水溶性油墨的树脂大多为碱溶性的,故选用颜料时须使用能耐碱性的颜料。经试验证明,盐基性色淀和可溶性偶氮等,由于分子中含有可与碱反应的磺酸基和羟基等基团,发生反应性凝结,故不适用于水溶性油墨。
有机颜料一般采用偶氮系或双偶氮系、酞菁系及其他高级颜料。
无机颜料有钛白粉、炭黑及各种体质颜料。
3.水性油墨用溶剂
油墨用溶剂需具有:① 溶解树脂,给与墨性;② 调节粘度,给与印刷适性;③ 调节干燥速度。水性油墨用溶剂也不例外,除具备上述三个功能外,还应无毒。因此水性油墨用溶剂选择面很狭,可为:① 水;② 醇类,如乙醇、正(异)丙醇和丁醇等,它可辅助水增强溶解树脂的能力,提高颜料的分散性能,并能加速渗透、抑止发泡等;③ 醚类,如乙基溶纤剂、丁基溶纤剂,可以调制干性。
4.水性油墨用助剂
为了提高油墨的各项性能需加各种助剂,如加入少量消泡剂(硅油oII~10、磷酸三丁酯),可消除水性墨中的泡沫。加入表面活性剂(非离子型、阴离子型),可提高水对颜料的润湿性能。为了防止贮藏、运输中聚结和发霉,可加入少量稳定剂、分散剂(轻体硅胶和六偏磷酸钠)、防腐剂(如苯酰和苯酰基钠钾等)和增滑剂(如聚乙烯蜡和蜂蜡等)。
四、水性油墨的应用
塑料用水性油墨在印刷过程中,与溶剂型油墨有许多不同之处,现分别叙述。
1.水性油墨的干燥
对水性油墨而言,干燥问题是最辣手的问题,它不但与干燥装置的种类和能力有关,还与印刷用材料有关。例如,对于纸张,由于油墨的渗透干燥在完全无风的状态下进行,抑制了蒸发,其干燥速度比溶剂型油墨快。但在有冷风或热风时,溶剂型油墨则以加倍的速度干燥(图1)。而对于塑料薄膜,没有纸张的渗透干燥,故干燥较成问题。从表6可知水性油墨比轮转凹印溶剂型油墨理论上
需要多3~4倍的蒸发能,为提高水性油墨的干燥速度,可以从以下几个方面来考虑。
① 与醇混合使用
醇(乙醇、丙醇)是可与水混合的溶剂,因此,加入醇是改进干燥比较方便的办法。乙醇、丙醇无毒,在印刷物上残留气味少,有提高塑料薄膜的润湿性,改善印刷效果的作用。但是加入醇类,提高产品成本,需加强消防以防火灾,因此其用量也不能太多。
② 干燥温度、风量
水性油墨的干燥实质上是水的蒸发。为了促进水的蒸发,提高温度,降低湿度;油墨、印刷件的加热,风量和风速的提高等都是可以采取的有效对策。
干燥温度和风量的提高能使印刷速度提高,如图2。一般干燥温度控制较溶剂型油墨高20~30℃ ,风量控制在30m3/min。把塑料薄膜温度从20℃ 加热到40℃ ,干燥速度可提高四倍(图3)。因此中心轨道式的柔性印刷(进口机)、卫星式凹印机(国产),由于充分利用薄膜加热这一点,对于水性油墨的印刷也是较为有利的。加热油墨也可提高干燥速度,如油墨温度从17"C加热到45"C时,印刷速度可提高约0.5倍(表7)。周围环境空气的湿度大,蒸发速度慢。所以,必须除湿来降低空气湿度,如图4。