引言 自二十世紀(jì)末以來,納米材料作為新型功能材料引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注和積極探索,在短短幾年內(nèi),納米材料的研究和應(yīng)用遍及各行各業(yè)。經(jīng)過世界各國(guó)科學(xué)家的不懈努力,對(duì)納米材料所特有的小尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特征的認(rèn)識(shí)和表征建立了相應(yīng)的理論學(xué)說,為納米技術(shù)的發(fā)展奠定了科學(xué)的理論基礎(chǔ)。由于納米材料所特有的一系列功能效應(yīng),使這種材料衍生出了許多其他普通材料不具備的特殊性能,如光催化、抗菌殺毒、防霧防露、防污自潔、超強(qiáng)流水、吸光藍(lán)移、屏蔽防老、異位變色等。正因?yàn)榧{米材料具有優(yōu)異的性能,才形成了新材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的納米熱潮,關(guān)于納米材料的基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用在各行業(yè)的發(fā)展是不平衡的,相比較而言,納米技術(shù)在印刷油墨中的應(yīng)用研究比較滯后,有待于有志者作進(jìn)一步的探討和研究。本課題研究的目的在于探索納米SiO2在水性柔版墨中的應(yīng)用方式、應(yīng)用效果及其相關(guān)因素的影響;采用丙烯酸乳液原位共聚的方式對(duì)mm-SiO2粉體進(jìn)行表面改性,形成可與水性柔版基墨良好匹配的mm-SiO2丙烯酸共聚乳液,然后,以mm-SiO2丙烯酸共聚乳液與水性丙烯酸柔版基墨進(jìn)行復(fù)配,最后得到納米水性柔版油墨。研究表明,該納米油墨的印刷作業(yè)適性和印刷質(zhì)量適性均得到了顯著的提高,如水墨的穩(wěn)定性增強(qiáng)、印刷轉(zhuǎn)移性優(yōu)良;印刷網(wǎng)點(diǎn)清晰、色彩飽和豐滿、印跡快干高光;印膜具有優(yōu)異的抗水性、較強(qiáng)的吸附力和良好的耐老化等性能。該納米水性柔版墨既具有水性油墨的綠色環(huán)保性,又具有mm-SiO2所賦予的納米功能性,適合于紙張、塑料等多種對(duì)象的鄧柔性凸版裝潢印刷?! ? 實(shí)驗(yàn)研制 2.1 mm-SiO2丙烯酸乳液的合成 mm-SiO2、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、偶聯(lián)劑、復(fù)合乳化劑、過硫酸銨、蒸餾水、碳酸氫鈉及氨水;電動(dòng)攪拌器、溫控電熱套、溫度計(jì)、四口燒瓶、滴液漏斗、冷凝器?! ?.1.1 mm-SiO2丙烯酸共聚乳液合成 按要求組裝反應(yīng)裝備,檢查加熱、攪拌、溫控及密封系統(tǒng)無誤后,將水、部分乳化劑及mm-SiO2粉體、碳酸氫鈉和偶聯(lián)劑加入四口燒瓶中,開動(dòng)攪拌并升溫,調(diào)整PH=7.5-8.5;同時(shí)各共聚單體與剩余乳化劑于燒杯中用玻璃棒攪拌進(jìn)行預(yù)乳化;引發(fā)劑另配成10%的水溶液(水量計(jì)入乳液體系總組成)待用。當(dāng)反應(yīng)器溫度升到85℃時(shí)保溫1小時(shí),繼續(xù)升溫至95℃時(shí)保溫0.5小時(shí),待冷凝器中無回流,降溫至40℃時(shí),用氨水中和至PH=7.5~8.5出料待用?! ?.1.3納米共聚乳液的技術(shù)指標(biāo)(詳見表1) 2.2水性丙烯酸基墨的制備 2.2.1主要原料和設(shè)備 水溶性丙烯酸樹脂、低級(jí)醇復(fù)合溶劑、蒸餾水、一乙醇胺、水墨顏填料、消泡劑;電動(dòng)攪拌器、溫控電熱套、溫度計(jì)、四口燒瓶、滴液漏斗、冷凝器、預(yù)分散容器、砂磨機(jī)、涂-4杯、細(xì)度刮板儀?! ?.2.2水性基墨的制備 將電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、滴液漏斗、冷凝器與四口順序組裝成套并置于溫控電熱套中,以此為化料裝置。將低級(jí)醇復(fù)合溶劑、水溶性丙烯酸樹脂加入化料裝置,開冷凝、開攪拌并升溫,待料溫升至60℃,于60℃-65℃下保溫三小時(shí),體系均勻透明,降溫至40℃~45℃,滴加一乙醇胺,嚴(yán)格控制加料速度,體系溫度不得高于70℃,高速物料PH=8.5 ,于60℃左右繼續(xù)保溫1小時(shí),用水調(diào)整物產(chǎn)黏度,以涂-4杯測(cè)黏度30S即為合格水溶性丙烯酸樹脂液,出料備用?! “磁浞搅糠Q取水溶性丙烯酸樹脂液、水墨顏填料、低級(jí)醇復(fù)合溶劑、蒸餾水和消泡預(yù)分散容器中,攪拌使顏填料固體粉料潤(rùn)濕進(jìn)行預(yù)分散,攪拌至體系無固體粉團(tuán)時(shí),送入砂磨機(jī)進(jìn)行研磨分散,研磨料溫不得高于35℃,測(cè)細(xì)度20μm以下、黏度60S時(shí),得合格水性丙烯酸基墨,出料備用?! ”? mm-SiO2丙烯酸共聚乳液技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格技術(shù)指標(biāo)外觀自測(cè)半透明湖藍(lán)乳液固含量,%GB/T2793-9545-46PHGB/T9265-959干燥速度,SGB/T13217.5-915黏度,SGB/T13217.4-9150機(jī)械穩(wěn)定性2000r.p.m/20min無破乳,無凝膠稀釋穩(wěn)定性稀釋至固含量3%靜置24h無破乳鈣離子穩(wěn)定性乳液:5%CaCl=1:1靜置24h無破乳 凍融穩(wěn)定性-20℃冷藏靜置24h無破乳 2.3納米水墨的復(fù)配 將水性丙烯酸基墨加入帶高速攪拌的容器中,開動(dòng)攪拌,緩慢滴加mm-SiO2丙烯酸共聚乳液(占總量的10~20%),加料速度以體系中無明顯凝析膠團(tuán)為宜,加料結(jié)束繼續(xù)攪拌1小時(shí),待體系均勻后,測(cè)黏度35S、細(xì)度20μm、PH=7.5-8.5,當(dāng)各參數(shù)合格后,出料包裝,即得納米水性柔版油墨?! ?.4納米水墨性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) (1)顏色按GB/T13217.1-91進(jìn)行檢測(cè)。 ?。?)著色力按GB/T13217.6-91進(jìn)行檢測(cè)?! 。?)初干性按GB/T13217.5-91進(jìn)行檢測(cè)。 ?。?)細(xì)度按GB/T13217.3-91進(jìn)行檢測(cè)?! 。?)黏度按GB/T13217.4-91進(jìn)行檢測(cè)?! 。?)附著牢度按GB/T17497.3-98進(jìn)行檢測(cè)?! 。?)實(shí)地反射密度值按GB/T17497.2-98進(jìn)行檢測(cè)?! 。?)印膜耐磨性按GB/17497.3-98進(jìn)行檢測(cè)?! ? 結(jié)果與討論 3.1mm-SiO2與原位乳液聚合 mm-SiO2由于納米尺寸效應(yīng),使得粉體粒子具有巨大的比表面積,表面具有嚴(yán)重的配位缺陷,從而決定了mm-SiO2具有極高的化學(xué)活性,當(dāng)mm-SiO2加入丙烯酸及其酯的單體體系中時(shí),mm-SiO2極易通過配位鍵合的方式與單體分子結(jié)構(gòu)中的羰基結(jié)合,形成表面被丙烯酸單體包覆的mm-SiO2微囊,使得mm-SiO2粉體均勻分散于單體體系中,然后通過選擇適當(dāng)?shù)娜榛酆系臈l件使被吸附在mm-SiO2表面的丙烯酸單體于乳液氛圍中發(fā)生原位聚合,最后得到mm-SiO2丙烯酸共聚乳液。mm-SiO2丙烯酸共聚乳液最終能否使mm-SiO2以納米尺寸存在于乳液體系中,主要取決于mm-SiO2與單體的吸附狀況,在mm-SiO2丙烯酸共聚乳液的合成中分別采取mm-SiO2粉體于聚合前期加入,由此制備的乳液具有很好的穩(wěn)定性,用于水黑配制時(shí),能賦予油墨有別于普通水墨的成異適性。而在聚合中、后期加入mm-SiO2粉體時(shí),制備的乳液穩(wěn)定性差,體系有明顯凝膠,配墨性能不佳,即使勉強(qiáng)配墨,所得水墨的墨性非但不及普通水墨,反而使普通水墨的墨性大幅降低。結(jié)論是mm-SiO2粉體于聚合前期加入可得到適合水墨配制的mm-SiO2丙烯酸共聚乳液?! ≡趍m-SiO2丙烯酸共聚乳液的合成時(shí)不僅要控制mm-SiO2粉體加料方式,同時(shí)也要對(duì)丙烯酸共聚乳液體系進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。在共聚名單體的種類及用量的確定中要充分考慮共居物的官能性、成膜性以及與水性丙烯酸基墨的拼混性。乳液體系除了共聚單體以外,引發(fā)劑、乳化劑、PH調(diào)節(jié)劑及促進(jìn)mm-SiO2粉體對(duì)共聚單體吸附作用的偶聯(lián)劑等組分的正確使用,也是保證mm-SiO2丙烯酸共聚乳液合成順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素,在研究過程中均進(jìn)行了精心的篩選,最終得到了可與水性丙烯酸基墨良好適配的mm-SiO2丙烯酸共聚乳液?! ?.2基墨用水性丙烯酸樹脂液 3.2.1水性丙烯酸樹脂液的制備原理 水溶性丙烯酸樹脂因其分子鏈側(cè)含有活性羧基(-COOH),此官能團(tuán)能夠和胺成鹽而賦予樹脂水溶性能。其反應(yīng)可示為: R-COOH+NH3→R…COO-NH+4 水可溶(水性連續(xù)料形成過程) R- COO-NH+4→R- COOH+NH3 水不溶(油墨的干燥過程) 胺的用量和種類對(duì)樹脂的水化及水化后印膜的性能有較大的影響??蛇x擇氨水、一乙醇胺、三乙醇胺、N,N-二甲基乙醇胺等,氨水中和水墨干性快氣味大,三乙醇胺對(duì)柔性版具有強(qiáng)腐蝕現(xiàn)象,一乙醇胺是水墨樹脂常用的按化劑。中和程度愈高,油墨的黏度愈大,一般控制PH=7.5~8.5為佳?! ?.2.2水溶性丙烯酸樹脂的官能性 丙烯酸樹脂的官能性取決于共聚物分子結(jié)構(gòu)中的羧基官能團(tuán),此官能團(tuán)可供后期中和成鹽并賦予樹脂具有水溶性,共聚物分子結(jié)構(gòu)中的羧基是由丙烯酸單體引入的。共聚物設(shè)計(jì)中丙烯酸單體的用量過低,丙烯酸樹脂的成鹽度減弱、水溶性變差、與mm-SiO2丙烯酸共聚乳液的拼混不佳、對(duì)顏填料的潤(rùn)濕性不良,出現(xiàn)相分離,使水墨的穩(wěn)定性變差;丙烯酸單體的用量過高,會(huì)導(dǎo)致水墨的干性變慢,印膜的耐磨性下降,抗水性變差。根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果,丙烯酸樹脂的理想酸值應(yīng)控制在Ar=135~155mgKOH/g范圍內(nèi)?! ?.2.3水溶性丙烯酸樹脂的成膜性 丙烯酸樹脂的成膜性主要由共聚物的玻璃化溫度(Tg)綜合表征,根據(jù)共聚各單體對(duì)共聚物玻璃化溫度的貢獻(xiàn),可將單位體分為硬單體和軟單體,各單體對(duì)共聚物玻璃化溫度的影響可由經(jīng)驗(yàn)公式:1/Tg=W1/Tg1+W2/Tg2+^+W1/Tg1根據(jù)預(yù)期的Tg和各單體均聚物的Tg1確定各單叢的量W1O共聚物的Tg過高,印膜發(fā)脆,易掉粉;共聚物的Tg過低,印膜發(fā)粘,光澤低。共聚物的Tg在65-85℃時(shí),與mm-SiO2丙烯酸共聚乳液復(fù)合后,制備的納米水性柔版墨具有比較滿意的印刷適性。 3.3水性油墨用顏填料及助劑 水性墨的顏色是依靠顏料來表達(dá)的,適應(yīng)水墨制備的顏料必須耐堿并具有良好的分散性。最適宜的是采用高固體含量的顏料濾餅,其著色力可提高5%-15%,色澤鮮艷,黏度低,體系穩(wěn)定易分散,但成本高。為了降低成本,本試驗(yàn)選擇色澤鮮艷的有機(jī)顏料,如:立索爾大紅、金光紅、酞箐藍(lán)酞箐綠、聯(lián)苯胺黃、永固黃等,白色選用鈦白粉,黑色選用高色素碳黑,填料選用膠質(zhì)碳酸鈣。同時(shí),為了提高顏填料的分散和穩(wěn)定,通常要加入表面活性劑。水墨的性能大多通過適當(dāng)?shù)闹鷦┻M(jìn)行調(diào)整,如潤(rùn)濕分散劑、消泡劑等。 3.4水墨產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果(見表2) 表2 納米水性柔版油墨性能指標(biāo)檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)格紅墨黃墨藍(lán)墨黑墨顏色GB/T13217.1鮮艷鮮艷鮮艷鮮艷細(xì)度,μmGB/T13217.320202025黏度,SGB/T13217.435353035實(shí)地反射密度值GB/T13217.21.25-1.51.10-1.201.30-1.651.40-1.80附著牢度,%GB/T13217.390909090初干性,mmGB/T13217.515151515耐磨性(干磨)GB/T13217.3通過通過通過通過耐磨性(濕磨)GB/7706.8通過通過通過通過耐水性自來水浸泡1小時(shí)無溶色無溶色無溶色無溶色耐水性自來水浸泡5小時(shí)微溶色微溶色微溶色微溶色 4 結(jié)語 將nm-SiO2粉體在偶合劑存在下,于聚合前期加入丙烯酸乳液聚合體系中,借助于nm-SiO2粉體高活性表面配位效應(yīng),丙烯酸共聚單體被鍵合吸附于nm-SiO2表面,形成丙烯酸共聚單體包覆的nm-SiO2微囊,在乳化氛圍中,通過水溶性引發(fā)劑的引發(fā),發(fā)生原位聚合,得到nm-SiO2丙烯酸共聚乳液。經(jīng)過精心篩選水溶性丙烯酸樹脂、低級(jí)醇水復(fù)合溶劑、水墨顏填料及助劑,結(jié)合完善的制備工藝得到水性丙烯酸柔版基墨。最后,將nm-SiO2丙烯酸共聚乳液與水性丙烯酸基墨按一定的比例(1-2:9~8)復(fù)合,經(jīng)機(jī)械攪拌均勻后,得到納米水性柔版油墨。按照國(guó)標(biāo)檢測(cè),納米水性柔版油墨的各項(xiàng)性能均達(dá)到或優(yōu)于普通水性丙烯酸柔版裝潢油墨。該納米水性柔版墨既具有水性油墨的綠色環(huán)保性,又具有nm-SiO2所賦予的納米功能性,適合于紙張、塑料等多種對(duì)象的柔版凸版裝潢印刷。
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