data-full-width-responsive="true"> 影响水基油墨分散因素的研究方红霞1, 杜小滨2(1 黄山学院化学系, 安徽黄山 245021; 2 合肥工业大学北校区管委会, 安徽合肥 230069)0 引 言对于油墨制造商, 为适应环保要求、降低或消除有机排放物, 可能考虑的方法是研制水基体系[ 1 ]。由于水墨高表面张力和易起泡性, 使水墨分散比溶剂性油墨困难。在实际油墨制造中, 分散的终点常以达到细度、遮盖力及着色力等特性而终止[ 2, 3 ] , 其中, 一般以细度为中控及终控指标。文献[4 ]提出, 为获得良好的研磨效果, 可采用3 种方法: ① 选用高效分散设备, 如球磨机等。② 选用高价性能好的颜料或通用性色浆。③ 通过延长研磨时间来达到预定的细度指标。1 实 验1 1 原 料(1) R1 (丙烯酸树脂)。tg = 98 ℃,w (KOH) = 205 m gg,M r= 6 500, 用作分散树脂。(2) R2 (丙烯酸树脂)。tg = 112 ℃,w (KOH) = 215 m gg ,M r= 10 000, 用作分散树脂。(3) R3 (丙烯酸树脂)。tg = 85 ℃,w (KOH) = 215 m gg,M r= 8 500, 用作分散树脂。(4) R4 (丙烯酸树脂)。tg = 135 ℃,w (KOH) = 245 m gg ,M r= 7 800, 用作分散树脂。(5) R5 (丙烯酸树脂)。tg = 93 ℃,w (KOH) = 300 m gg,M r= 2 300, 用作分散树脂。(6) R6 (丙烯酸乳液)。tg = 105 ℃,w (KOH) = 25 m gg,M r 200 000, 用作调稀料。(7) R7 (丙烯酸乳液)。tg = 105 ℃,w (KOH) = 62 m gg,M r 200 000, 用作调稀料。(8) P1 (高色素碳黑)。(9) A 1 (聚氧乙烯辛基酚醚硫酸脂钠盐)。用作分散剂。(10) A 2 (乙炔乙二醇类)。用作分散剂。(11) A 3 (EO PO 嵌段共聚物)。用作分散剂。(12) A 4 (聚氧乙烯脂肪醇缩合物)。用作分散剂。(13) A 5 (聚丙烯酸脂)。用作分散剂。1 2 实验装置实验采用介质磨(砂磨) 分散小试设备, 通过介质珠对颜料施加作用力及盘式叶轮的高速旋转离心力而实现分散。介质磨中使用玻璃珠为研磨介质, 其体积为分散物料体积的100%。1 3 分散性能测试方法(1) 着色力、光译、细度及黏度, 均参照文献[5 ]中规定检测。(2) 采用Sen sadyne 6000 表面张力仪, 测试表面张力。2 结果和讨论2 1 水墨研磨料组成对分散效果的影响2 1 1 碳黑的选用颜料的基本性能较大地影响其分散效果, 对于碳黑, 由于其原生粒径相对较小, 比表面积大, 需要更多的分散介质来润湿[ 6 ]。考虑到每单位质量的碳黑具有更多的聚集体, 这势必导致聚集体的距离变得更小, 使聚集体间的吸引力也变得更大, 这样也造成了碳黑的难分散。因此, 在配方设计时应考虑适当调低研磨料黏度以利于分散介质的扩散以及聚集体的分离。由于碳黑的疏水性(未后处理的碳黑的H LB 值为10～ 12) , 所以应考虑选择已用氧化剂进行后处理的碳黑, 因为化学氧复合物(即羧基、醌基、内脂基等, 工业上统称为挥发分散) 能起到表面活性剂的作用, 在一定程度上可改善其润湿性能。根据碳黑的特性, 初步选定了较低比表面积及较高挥发分散的碳黑品种, 即P1 为分散对象。2 1 2 分散基料树脂的优选利用流动点技术考察树脂(R1、R2、R3、R4、R5) 分散碳黑P1 的流动情况, 如图1 所示。结果发现2 种形状不同的流动点曲线R1 和R3 有明显的流动点, 均适合用于分散碳黑P1, R2、R4 及R5 可能性能良好,但不适合分散碳黑P1, 从图1 中可见流动点在基料质量分数的20% 左右。
2 1 3 研磨料组成对分散效果的影响在确定流动点的基础上, 选定R1 为分散树脂, P1 为分散对象。为减少分散试验的干扰因素, 尤其是表面活性剂对研磨效果产生的正、负面的影响[ 7 ] , 实验中选用了聚合物型消泡剂A 5, 因为聚合物型消泡剂与体系混溶性好, 不会产生稳定泡沫和引起缩孔等缺陷。另外, 采用以上流动点方法, 得到适合分散碳黑P1 的颜基比为3 1～ 21 [ 8 ]。在实验基础上, 设计对比实验配方, 考察研磨料组成对分散效果(分散速度、遮盖力、着色力及60 ℃光泽) 的影响。对比实验配方, 见表1 所列。
图2 反映了高颜料和低颜料质量分数配方对油墨分散细度、遮盖力、着色力及60 ℃光泽的影响, 显然, 水墨的分散性能与其研磨料的组成密切相关。
(1) 如图2a 所示, 分散细度随分散时间的延长而减小, 较低的颜料填充量并不能有效分散研磨料中最后的粗粒。(2) 如图2b 所示, 随着分散的进行, 2 种配方分散后的遮盖力均有显著提高, 但高颜料含量配方分散后的遮盖力明显高于低颜料含量配方。(3) 高颜料含量配方分散后的着色力在分散过程中明显高于低颜料含量配方, 但在研磨, 一定细度后, 着色力比较接近。这说明颜料分散至一定细度后其着色力主要与分散树脂有关, 如图2c 所示。(4) 由图2d 可见, 两者对光泽影响区别较小, 已接近实验误差的界限和颜料分散的微小变化带来的差别。2 2 表面活性剂的影响为降低水基体系研磨基料的表面张力, 提高分散效果, 通常有效的途径是使用分散助剂[ 9 ]。初选了几种润湿分散剂进行实验, 首先利用水分散方法[ 4 ]测定其H LB 值, 将少量表面活性剂与水相混, 观察最终分散体的性质而粗略评价某一表面活性剂的H LB 值, 其中, 不溶或无分散为1～ 4, 不稳定或分散不良为5～ 6, 经强烈摇荡后呈乳状分散体为7～ 8 , 稳定的乳状分散体为9～ 10, 半透明或灰色分散体为11～ 13, 清澈溶液为 13。以YM 23 为基础配方, 考察不同的润湿剂对分散和光泽、耐水性的影响, 配方见表2 所列。
由表3 结果可看出,A 1、A 2、A 3、A 4 都能较显著地降低水墨的动态表面张力, 其中以A 1、A 2 所在的配方(分别是聚氧乙烯辛基酚醚硫酸脂钠盐和乙炔乙二醇) 最为显著, 而且较低的表面张力对黏度的降低也较明显。实际上, 在设计油墨配方时, 分散剂引起黏度大幅度下降是分散剂分散力很实际的指标,A 3、A 4 有明显的稳定泡沫作用, 这势必会增大消泡剂的用量, 而消泡剂用量的增大可能导致鱼眼、缩孔等缺陷的增加。另外, 可能由于A 1、A 4 的亲水性强而使其耐水性降低, 这也将影响其干燥性能。高的动态表面张力和稳泡倾向都明显影响了其分散效果, 加入的润湿分散剂在提高分散性能同时, 还应考虑对油墨的成膜性能的影响。
实验结果表明, 当w (A 2) = 0 5% 时, 只有在显著降低表面张力的同时, 才能获得理想的分散效果和较好的成膜性能。当然, 调整助剂的用量可能会改进助剂的使用性能。2 3 助溶剂的影响降低体系的黏度和表面张力均可提高分散的效果, 实验发现加入某些助溶剂时, 在提高了初干性的同时, 体系的黏度也降低, 从而进一步考察和比较了水和水相溶性较好溶剂的性质[ 8 ]。结果证明, 助溶剂对R1 及醇类溶剂对R1 都具有很好的溶解性。因此, 仍以YM 23 为基础配方, 选用工业上常用的异丙醇为助溶剂, 以表面活性剂A 2 及A 2 和异丙醇的混合使用为对比样进行实验。测试结果看出, 单独使用醇类或者A 8 的混合使用都能使表面张力降低, 并获得近似性能, 在w (异丙醇) =5% 时, 其降低表面张力、提高润湿性能和印膜效果均可与w (A 8) = 0 5% 时相同, 且没有发现麻点等缺陷, 为降低成本提供了依据。对VOCs 要求不高的印品中, 水墨体系可部分使用润湿剂。2 4 研磨温度的影响从研磨分散的工艺过程中发现, 对于给定体系, 在不同冷却水的情况下, 在研磨中很小的温升就会明显地降低体系的黏度, 在研磨操作10～ 15 m in 后, 色浆黏度会降至使体系由层流状态变为湍流, 此时分散作用被混合作用所取代, 可观察到此时研磨槽中沙粒呈滑动状态, 放料后可看到沙粒已经被过度地磨损。另一种是在加大冷却水的情况下, 由于试验设备的分散功率偏低, 由流动点技术确定的研磨料配方在研磨过程中黏度偏高, 阻碍沙粒的有效运动, 甚至造成沙磨堵塞。2 种情况均明显降低了分散效果, 从碳黑分散看到, 温度过高的研磨(约在60 ℃以上) 还造成油墨严重失光。经过一系列对比试验, 通过调整冷却水量控制研磨机的温度在30～ 50 ℃, 温升至这个范围, 由于黏度降低, 允许较高的颜基比色浆的分散, 另外, 从扩散的角度, 较高温度的研磨更有助于颜料的润湿和允许色浆具有较高的基料分数。3 结束语由于高的表面张力和易起泡性, 使水墨的分散比溶剂性油墨困难, 实验运用成熟的流动点技术在水墨的研磨分散获得较好的效果, 结果表明较高的颜基比可提高分散效果和分散效率。同时, 高效的水性润湿分散剂和助溶剂可大大降低水性体系的表面张力和黏度, 改进基料体系对颜料的润湿性能可提高分散效率。另外, 水墨分散时的温度控制也是影响分散的重要因素。通过实验得到最佳配方, 即m P1= 33 g, 兼顾分散后颜料的稳定性, 基料质量分数为20% , 颜基比为2 5∶1,m R1= 44 g,m 水= 20 5 g,m 异丙醇= 2 g,m A 2= 0 3 g,m A 5= 0 5 g。
