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水溶性丙烯酸树脂及柔性版水性油墨的研究

来源: 作者: 时间:2012-07-22 点击:
导读:以偶氮二异丁腈为引发剂,用N、N一二甲基乙醇胺为中和剂,将甲基丙烯酸甲酯(或苯乙烯)、丙烯酸丁酯、丙烯酸和N一羟甲基丙烯酰胺四元单体共聚反应,合成了适用于柔性版四色套印水性油墨的分散树脂和成膜树脂;用上述树脂为连接料,开发了一组三原色与黑色的四色套印的水

水溶性丙烯酸树脂及柔性版水性油墨的研究

彭学军1,汤奠华2,林琳1
(1.株洲工学院, 株洲412008;2.株洲电力机车厂, 株洲412000)

随着现代包装印刷工业的不断发展,人类赖以生存的环境也遭到了严重的污染和破坏。因此,目前发达国家和地区都在努力开发和使用水性油墨以逐步取代溶剂性油墨。从国际包装印刷的发展趋势来看,水性油墨已从单一的纸箱墨向各种基材、多色套印方面发展。美国从上世纪8O年代开始实行“空气清洁法案 和“职业安全与健康法案 ,其根本目的就是要保持空气清新,限制有机溶剂和有毒物质的排放。至上世纪末,美国95%窄幅柔性版印刷、80%凹版印刷、20%塑料印刷使用了水性油墨。有的发达国家和地方政府甚至提出:凡是人的手直接接触的印刷物品都必须使用无公害的印刷油墨。

      据报道:上世纪末水性油墨耗量占油墨总耗量的37%。目前发达国家水性油墨生产年增长率已达7.6% ,是当今精细化工产品中发展速度较快的产品之一。我国包装印刷领域也不例外,据专家预测:随着数字印刷技术在我国的推广和应用,本世纪今后几年内水性油墨消耗量将占油墨总耗量的30% ,水性油墨将在纸张、铝箔、真空镀铝膜、金银卡纸、复合塑料、金属等基材印刷中全面发展,特别在烟、酒、饮料和其它食品包装上得到广泛应用。因此,研究和开发新的环保型水性油墨具有非常重要的理论和现实意义。本文在研制了两种自交联水溶性丙烯酸聚合树脂和乳液的同时还开发了一组性能优异的柔性版四色套印水性油墨,树脂和水性油墨的各项性能符合国家标准,重金属含量经香港SGS检测符合美国州际立法标准。

1 实验
1.1 仪器与试剂
实验中树脂及乳液的合成采用常规有机合成磨口玻璃仪器,砂磨机、高速搅拌机为上海申湘试验机厂生产,美国NICO—LET一410型红外光谱仪。
甲基丙烯酸甲酯(MMA)工业级,苯乙烯(St)工业级,丙烯酸丁酯(BA)工业级,N一羟甲基丙烯酰胺(NMA)化学纯,丙烯酸(AA)工业级,偶氮二异丁腈(IBAN)工业级,N、N一二甲基乙醇胺(DMEA)工业级;乙二醇乙醚、异丙醇、乙醇工业级;以上原料与试剂均为市售;助剂(德国汉高公司);颜料(上海染化一厂);复合乳化剂、自制;氮气(体积分数为99.9% 工业级)。

1.2 树脂及乳液的研制
在装有搅拌、温度计、回流冷凝管、惰性气体保护装置的四口烧瓶中,加入一部分乙二醇乙醚溶剂和引发剂,搅拌升温至80℃左右,将剩余的溶剂和引发剂同甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和N一羟甲基丙烯酰胺的混合单体一起充分混合后通过滴液漏斗滴加到反应瓶中,约2h内滴定完毕,然后保温反应3~4h,最后缓慢升温至100~C使单体充分聚合,待反应完毕,降温至40℃ ,然后分3次加入N、N一二甲基乙醇胺中和反应1h,再加入适量杀菌后的去离子水稀释,制得透明浅黄色的水溶性聚合树脂;成膜乳液聚合采用种子聚合工艺 j,先将苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和N一羟甲基丙烯酰胺单体、乳化剂、去离子水按一定比例预先乳化,再按上述步骤合成。

1.3 四色水性油墨的配制
在带有高速搅拌的容器中准确计量加入水溶性分散树脂、助剂(分散剂、消泡剂、流平剂)高速剪切,再加入颜料搅拌均匀,经砂磨机研磨分散到标准规定的细度(5~10um),再加入成膜乳液、水性蜡及水,高速搅拌均匀、过滤即可。三原色与黑色水性油墨各组分重量配比如表1所示。
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2 结果与讨论
2.1 分散树脂、成膜乳液及水性油墨的性能指标
单体的组成、引发剂的选用、以及合成条件决定了共聚物的分子量及墨膜的理化性能.水性油墨使用的水性树脂平均分子量控制在2000—5000范围之内较佳。组分中MMA、St均聚物属于硬单体,因太脆而不能单独成膜;BA均聚物则属于软单体,由于太软太粘也不适宜于单独成膜,只有将二者有机地结合起来方能达到满意的成膜效果;AA均聚物作为反应性单体提供羧基、胺中和后赋予树脂水溶性,羧基含量高,固然给聚合物带来良好的水溶性,但含量过高也影响水性油墨的成膜性能,此外,还在体系中引入一s H增加其亲水性j。共聚物中MMA、St链段为油墨成膜提供了高硬度、较好的干燥性能和抗水性;BA链段为墨膜提供了优异柔韧性和拉伸率;N一羟甲基丙烯酰胺作为自交联单体赋予墨膜自然干燥和优异成膜特性。根据单体的组成可设计树脂所需求的玻璃化温度,共聚物的玻璃化温度可按下述公式计算j:
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式中: Wn为共聚物中各单体的质量,Tgn 表示各单体的玻璃化温度(绝对温度)。
分散树脂及成膜乳液的特性指标见表2。
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水性油墨主要技术指标见表3。
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2.2 四色叠印油墨环保性能指标
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水性油墨的环保性能指标主要指有机挥发份和重金属含量。前者主要来自于偶联溶剂的用量,而后者则取决于所使用
的颜料性质,要 氏上述两个指标,聚合物的水溶性(亲水基、胺中和剂)、颜料的选择,以及合成工艺条件是关键。表4为本文研制的四色套印水性油墨送SGS香港公司检测结果。从上表可知:重金属指标符合美国水性油墨州际标准,有机挥发物含量远低于国内同类产品。

2.3 油墨的粘度及套色排序
油墨的粘度和套印顺序对印刷效果有着明显的影响。纸箱的套色彩印,大部分为三色印刷,一般为红、黄、蓝三色,通常先印印蓝色、红次之、黄殿后 j。如再加上黑墨一色,则可排在第三或第四位。因为在一般情况下,蓝色分色版上墨部分较少,纸板将遭受较低的压强和变形,不至于与后来印上的水墨产生太大的影响。黄色殿后的好处在于其覆盖率较佳。先印的墨应该粘度低(粘性小),这样纸板上墨就会薄一些,墨的干化速度就会加快,以便后印的墨容易叠上。而后印的墨应该有较大的粘度,以便增加覆盖率以及叠印能力。经过反复研究,对于本研究开发的水性油墨体系,在如表5所示的粘度范围内,并按照下述顺序进行套印,可获得最佳的印刷效果。
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水性油墨的pH值与墨的稳定性已经不是绝对的变数,pH值也不与千化速度成正比,因此,pH值已渐渐失去了其曾经强调的重要性,一般来说,水墨的pH值在8.5—9.0之间最为理想。

3 结语
本研究开发的水性油墨,是性能优良和顺应环保要求的油墨体系,而且制备简单、成本低廉,完全可以与目前进口产品媲美,具有良好的应用前景。

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