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学术论文--溶剂型油墨用钛白粉的有机表面处理

发布日期:2012年11月6日

溶剂型油墨用钛白粉的有机表面处理

道奇威(成都)科技有限公司  杜志武 610017

1. 前言

    随着生活水品的不断提高,人们对日常生活用品和生产用品的外观或外包装的精美度要求越来越高,精美印刷是主要的包装手段之一。作为印刷的主要原材料之一,油墨的质量在很大程度上决定了印刷的质量。制造出满足精美印刷要求的质优价廉的油墨是众多油墨生产厂家追求的永恒目标。

    油墨按使用的溶剂分类有:溶剂型油墨、水性油墨、无溶剂油墨(如UV光固化油墨)。尽管溶剂型油墨具有环境污染(溶剂挥发)的缺点,但是由于溶剂型油墨具有印刷质量高、固化方便、生产工艺相对简单、综合成本低等优点,短期内仍将是油墨市场的主力军,特别是一些高端油墨(比如玻璃油墨、耐水油墨、抗刮油墨、高清晰油墨、超薄油墨、喷绘油墨等),仍将是溶剂型油墨的天下。

        溶剂型油墨分为表印型油墨和复合油墨。表印油墨具有结膜硬、耐磨擦、印刷面光泽好、爽滑等特点,广泛应用于表层印刷。常见于PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PET(聚脂)、PA(尼龙)、硬质的 PVC(聚氯)等塑料薄膜上的印刷和标签、镀铝箔、铝箔、珠光膜等的印刷。复合油墨具有色泽艳丽、无光泽、结膜较软、不耐磨擦、片剥离强度大、利于复合等特点,主要用于OPP(聚丙烯)薄膜的印制。

2不同工艺或用途的油墨对溶剂型油墨用钛白粉的要求

    锐钛型钛白粉和金红石型钛白粉都可以用于油墨生产中,但是金红石型钛白粉具有更好地耐候性,颜色的保鲜率更好。因此高档油墨应该选用金红石型钛白粉。

2.1. 胶印油墨

    胶印印刷依据的是油水相斥的原理。因此,油墨所用树脂要具有良好的抗乳化性能和优良的憎水性,所用钛白粉必须具有很好的疏水性,否则,胶印白墨易乳化,导致印刷图像模糊。另外,对于需要长期放置于户外的印刷品所使用的胶印白墨,钛白粉还必须有良好的耐光性和耐候性,否则白墨就会变黄或粉化,影响持久性。

2.2. 凹印复合薄膜油墨

     为了使印品色彩鲜艳、美观,都必须先用白墨打底,然后再进行彩色印刷。为此,要求钛白粉必须具有优良的着色力和遮盖力。

2.3. 烘烤型印铁白墨

     烘烤印铁油墨的固化温度一般在180℃左右,且固化时间长达120 分钟左右。 因此,印铁白墨中的钛白粉必须具有优良的耐热性,否则,白墨在高温烘烤中就会变黄,失去光泽,严重时还会造成印品的报废。

3.  溶剂型油墨的生产工艺

3.1. 油墨的主要成分

 (1)色料

包括颜料和染料。颜料在油墨中除了显色作用外,还使油墨具有遮盖力。另外对于油墨的耐光性、耐热性、耐溶剂性、耐药品性也有影响。钛白粉是最主要的颜料。

(2) 树脂

    树脂是油墨中流体的主要组成部分。它起联结作用,使色料、填料等固体物质分散在其中,使油墨能在承印物表面上干燥、固着并成膜。

(3)助剂

    助剂是为了提高油墨的各种印刷适性而添加的各种辅助剂,主要有消泡剂、稀释剂、增塑剂、紫外线吸收剂、干燥调整剂等。

3.2. 白色油墨的参考配方

合成树脂: 30

钛白粉:   40

氧化锌:   10

助剂:     5

溶剂:     15

   除了白色油墨外,其它彩色油墨,特别是使用透明染料着色的彩色油墨,也必须加入钛白粉,因为透明染料不具备遮底能力或遮底性不够。

3.3. 油墨的色浆制作工艺

    油墨生产中最重要的工序就是色浆的制作。也就是不同颜色的色料分别制作成单色的色浆。钛白粉是最常用的白色色浆。制作的过程大致如下:

    在高搅机内加入适量稀释剂、树脂和分散剂,在加入适量钛白粉(钛白粉的含量大约在25﹪左右),经高搅机分散润湿达到要求后再进入砂磨机,磨至规定的细度(如5微米)后,过滤到贮存罐中,则制得白色的钛白粉色浆。

    生产油墨时,把事先磨好的不同颜色的色浆加入到调料缸调制出所需的颜色,再补加部分树脂和加入消泡剂等助剂,搅拌均匀后则制得油墨成品。

    色浆制作工序是整过油墨制造过程的关键工序,磨浆时间的长短直接决定了油墨生产商的生产效率。因此,在保证白度、耐候性、遮盖力等基本颜料指标的前提下,油墨制造商最关注的就是钛白粉的磨浆时间,也就是钛白粉的分散难易程度,即油分散性。

3.4. 钛白粉油分散性的定义

    钛白粉分散性是指钛白粉在应用的树脂体系中能够分散开来并稳定存在的能力。它包括:润湿分散性和分散稳定性

    润湿分散性表征钛白粉在机械外力存在的情况下,能够在树脂体系中分散开来的难易程度。

    分散稳定性表征钛白粉在无机械外力存在时,钛白粉在树脂体系中保持分散状态的难易程度。   

3.5. 钛白粉油分散性的影响因素

3.5.1润湿分散性

    钛白粉的润湿分散性主要受分子间作用力、极性吸附、颗粒细度、颗粒形状、吸油量等因素影响。

分子间作用力:范德华力

极性吸附:极性基团(如羟基)所致

颗粒细度:粒径越小,分散性越好

颗粒形状:颗粒呈球形,有助于分散

吸油量:  吸油量低,有助于分散(体系粘度低,易润湿分散)。

3.5.2 分散稳定性

    钛白粉的分散稳定性主要受钛白粉表面有机包膜剂与应用树脂之间的相容性所影响。要提高分散稳定性,良好的润湿分散性是前提

相容性:相似相容或通过化学键链接,将钛白粉与树脂连接在一起。

3.6. 油墨与油漆的区别

    从前述的油墨配方组成和生产工艺可以看出:油墨其实类同油漆,只是要求更高一些,是精细化的油漆而已。因为油漆涂层为面,厚度较厚;而油墨涂层为线或点,厚度较薄,因而对清晰度要求要高得多,涂层的附着力和耐磨性的要求也相对较高;这就要求钛白粉的分散性要更好一些,颗粒要更细一些,吸油量更低一些,耐磨性更好一些。

4溶剂型油墨钛白粉的应用要求及解决办法

    综合来讲,油墨用钛白粉除了要求白度、颗粒粒径、光泽度、遮盖力等基本颜料指标外,主要要求润湿分散性、耐候耐热性、抗水性等应用指标。本文将着重讨论主要与有机处理相关的应用性能指标。

4.1. 分散稳定性

用于高档油墨的钛白粉, 其粒径一般为0.2微米左右。这种细小颗粒具有极大的比表面积和吉布斯自由能,处于热力学不稳定的状态。

当把钛白粉加入到油墨体系时,由于相邻粒子间的极性吸附和范德华力的作用,粒子有相互靠近,降低总比表面积和表面自由能的趋势,从而使钛白粉颗粒从高度分散体向团聚体转化。对于未进行表面有机改性处理的钛白粉,在与树脂一起磨浆时,钛白粉很难分散,即使在高速搅拌时能分散开,一旦搅拌终止,它又会慢慢变成多聚体,油墨行业称之为“颜料返粗”。

为了提高钛白粉的分散稳定性,必须消除或削弱其表面极性和降低其表面自由能,提高钛白粉与树脂的相容性。因此,建议采用具有较低自由能和易于扩展润湿的非离子性的硅醇类有机处理剂进行表面改性处理。这类有机处理剂一般含有长链脂肪链,可提高钛白粉与树脂的相容性(最好选择分子结构与应用树脂相同或相似的有机处理剂),降低钛白粉的表面张力以缩短磨浆时间;同时它还可以屏蔽钛白粉表面的极性基团(如羟基),在钛白粉表面生成位阻官能团,阻止钛白粉颗粒相互靠近,增加团聚的难度,从而达到稳定分散的目的,防止“颜料返粗”。

4.2耐候耐热性

    在烘烤型印铁油墨的印刷过程中,油墨的烘烤温度大都在180℃左右(时间约2小时),若某些组份在此温度下分解,会造成颜料迁移和产生气孔,钛白粉变黄,失去光泽,严重时会造成印品报废。

    有些油墨被印刷在户外产品上,用于文字说明标识或装饰图案,比如户外使用的电器配件、汽车配件、塑料制品、玻璃制品等。这些长期在户外高温或强光环境下的油墨涂层最容易受到高温和强紫外线的破坏。如果油墨中的钛白粉没有很好的耐温性和抗紫外线性,制品表面用油墨形成的文字或图案就很容易老化变色,进而粉化,导致标识不清或装饰图案缺失。

选用某些具有耐温性能的有机硅材料(如含长链烷烃的聚硅氧烷)来处理钛白粉,其表面可以形成一层耐温性能和耐候性能非常优异的有机硅膜层,该膜层能耐的温度超过350℃。另外,该膜层可以部分阻止自由基攻击油墨树脂的主链,减缓涂层粉化。经实验检测,用含长链烷烃的聚硅氧烷的有机硅处理后的钛白粉可提高耐候性能15%以上。

4.3抗水性  

在胶印油墨的印刷过程中,要求树脂连结料具有良好抗乳化性能,要求钛白粉具有优良的憎水性,才能保证胶印白墨不会因乳化而造成印刷失败。因为胶版印刷是依据“油,水相斥的原理”来完成印刷过程的。若钛白粉吸水,将导致印刷模糊不清。

另外,有些油墨印刷后的制品会用于潮湿环境,甚至水下环境,如果钛白粉抗水性不好,会导致印刷的文字和图案随着时间的推移逐渐模糊,甚至脱落和缺失。

在有机处理剂的配方中一般需加入含有活性官能团的长链烷烃硅烷。硅烷的烷氧基可以与钛白粉表面的羟基反应,在钛白粉表面可以形成憎水性非常良好的有机硅膜层,烷烃链可以与树脂主链通过物理或化学的作用紧密的结合在一起。有机硅膜层使钛白粉具有很好的憎水性,可以达到“水上漂”的效果,这样就可以防止胶印印刷时钛白粉因吸水导致印刷质量下降,也可以在长期使用过程中防止因水汽进入油墨涂层而破坏油墨涂层的长效性。

4.4有机包膜剂的推荐

根据前述的油墨要求,我们推荐使用D-7018钛白粉有机包膜剂作为溶剂型油墨的有机包膜材料,它是纯有机硅材料生产,主要成分是硅烷预聚物和烷烃改性聚硅氧烷和少量硅醇聚合物,不含有任何传统有机物成分,具有耐温性好、润湿快、分散快等优点。它是专门针对溶剂型油墨的特殊要求而开发的最新钛白粉有机包膜剂。

5.  溶剂型油墨用钛白粉的有机硅表面处理剂的使用方法

从耐候性和耐温性来讲,金红石型钛白粉更适合于溶剂型油墨的生产。但是由于锐钛型具有价格便宜的优势,仍然有很多油墨厂使用,特别是用于室内的用途上。

5.1. 实验室使用方法

1)      在带有高速搅拌装置的烧杯中加入适量纯净水,开动搅拌,然后加入有机处理剂,搅拌2分钟;

2)      加入钛白粉打浆3分钟;

3)      过砂磨机3-5遍;

4)      把钛白粉浆料120度烘干;

5)       万能粉碎机预粉碎;

6)      气粉解聚;

7)      包装,制得成品。

 

5.2.大生产使用方法:

5.2.1. 锐钛型

D-7018钛白粉有机包膜剂在冷却窑的出料口或雷蒙磨的进料口计量滴加。  

5.2.2金红石型的使用方法

D-7018不溶于水,大生产时直接使用,不做稀释。添加比例为0.5%左右。D-7018钛白粉有机包膜剂一般在气流粉碎工序加入,有时为了提高闪蒸工序的钛白粉流动性,也会在闪蒸工位少量添加。可选择添加位置大致如下:

1)  在气流粉碎工序按比例随螺旋进料时直接添加;

2)  在气体粉碎室入口喷雾加入;

3)  在气体粉碎室出口喷雾加入;

4)  闪蒸工位部分添加;

5)  还可以采取分步添加的方式,进行二次包膜,比如在闪蒸和气粉机的入口

     分别添加,或者在螺旋进料口和气粉机出口同时添加。

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