胺化试剂对改善水性油墨粘度和pH稳定性的影响

胺化试剂对改善水性油墨粘度和pH稳定性的影响

钱俊1, 2 , 刘恒1
( 1. 武汉大学, 武汉430079; 2. 东莞英科水墨有限公司, 东莞523000)

随着人类环保意识的增强, 水性油墨由于其环保、安全、适用于快速印刷等优点, 正被广泛使用于包装印刷和商业印刷行业[ 1- 3] 。目前, 国产水性油墨的印刷性能已基本满足了市场的要求, 但由于其部分性能的不稳定, 在一定程度上对印刷质量造成了影响。在影响水性油墨印刷质量的诸多因素中, 最主要的控制指标是粘度和pH 值, 因此水墨粘度和pH 值的稳定性对于水墨性能的影响显得格外重要。粘度是流体粘滞性的一种量度, 它将直接影响油墨的转移性和印刷质量[ 4- 7] ; 同时, pH 值的大小及其稳定性是影响水墨稳定性另一重要因素[ 5] 。pH 值的大小也将会直接影响到水墨的粘度。如果pH 值偏高, 水墨体系的碱性太强, 体系中的碱溶性树脂则会过度溶解,导致水墨粘度变低, 印刷时容易产生气泡, 干燥速度降低, 同时耐水性也会变差; 如果pH 值偏低, 碱性太弱, 则体系中的碱溶性树脂得不到很好地溶解, 导致水墨粘度增大, 干燥速度变快, 容易造成印版和网纹辊堵塞, 引起版面上脏。在实际生产中, 由于受到各种因素的影响, 生产出来的水性油墨在常温常湿下保存一段时间后, pH 值和粘度均会发生较大的改变, 致使水性油墨整体稳定性变差, 直接使用时将会出现诸多问题。笔者针对以上问题, 根据方红霞等[ 8] 提出的经胺化试剂胺化的水墨体系稳定性提高的理论, 用胺化试剂对水性油墨进行改性, 从而改善水性油墨的粘度和pH 值的稳定性, 改善水性油墨的印刷质量。

1 试验
1. 1 原料
试验原料: 色浆, 工业级, 东莞英科水墨有限公司; 氨水, 工业级, 东莞莫仕化工有限公司; 三乙醇胺,工业级, 东莞莫仕化工有限公司; 单乙醇胺, 工业级,东莞莫仕化工有限公司; 二氨基二甲基一丙醇, 工业级, 东莞莫仕化工有限公司。
1. 2 仪器
试验仪器: 电子秤, 上海精密科学材料仪器有限公司; pH 测量仪, 深圳市同奥科技有限公司; 粘度杯( 国产蔡恩4 号) , 东莞东辉电子仪器有限公司; 恒温恒湿箱, 东莞高天恒温恒湿机有限公司。
1. 3 样品制备
1) 备料阶段。实验选用中红浆与黑浆, 这是由于这2 种色浆在实际应用中易出现增稠的现象, 稳定性差。实验树脂液选用东莞英科水墨有限公司生产的V306( 松香改性树脂) 、YK806-B ( 丙烯酸树脂) 、YK818( 硬质丙烯酸树脂) 、AT 039( 调墨油) , 这4 种树脂液代表了4 种不同类型的树脂液, 由于水墨体系的关系, 不同的色浆与不同的树脂液调配出的水墨效果是不同的, 因此要选用不同体系的树脂液进行实验, 从而找到最佳的调配方案, 利于对比实验效果。胺化试剂选用了4 种在实际生产中经常被用到的试剂, 以便从中寻求到最佳方案后重新利用于实践。
2) 未加入胺化试剂前。将2 种色浆按40%的比例等量与4 种树脂液在烧杯中分别进行调配, 测量初始粘度与pH 值。
3) 将调配好的同种油墨分别等量置入纯净的5个密封瓶中, 将其中一瓶在恒温恒湿箱中放置12 h,取出后再次测量粘度与pH 值。
4) 加入胺化试剂后。将同种油墨的剩余4 个密封瓶中分别按比例加入1% 的氨水、三乙醇胺、单乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇, 搅拌均匀后测初始粘度与pH 值, 然后密封, 同样在恒温恒湿箱中放置12 h,取出后再次测量粘度与pH 值。
1. 4 测试
粘度按AST MD 4212- 93 方法测量; pH 按照GB /T 11165- 2005 方法测量。

2 实验结果与讨论
2. 1 实验结果
根据胺化试剂的碱中和性能, 通过加入胺化试剂, 调节水墨的pH 值稳定性, 从而也调节了水墨的粘度稳定性。2 种色浆与4 种不同树脂所调配的水墨, 在加入4 种胺化试剂前后的粘度与pH 值变化率
见图1- 4。




从图中可以看出, 加入胺化试剂后的水墨, 大体上pH 值与粘度稳定性均有所提高。通过比较2 种色浆与4 种树脂以及4 种胺化试剂分别调配后的效果, 可以看出, 加入三乙醇胺的油墨, 在放置一段时间后粘度和pH 值相对来说最稳定。
2. 2 分析与讨论
由于涉及水墨体系的问题, 不同的树脂液适用于不同的色浆, 因此实验中所用的4 种树脂液所配出的水墨稳定性差异较大。胺化试剂具有碱中和能力, 能够调节水墨的pH 值, 从而也能改变水墨的粘度。由图1 知, 在不加入胺化试剂时, V306 与中红色浆所调配的水墨放置7 d 后粘度变化率高达59. 78% ;而与黑色浆调配的水墨变化率只有11. 73%, 这说明V306 更适用于黑色浆。加入胺化试剂后的水墨, 粘度与pH 变化率均有所下降, 这就说明其稳定性得到了改善。通过对比发现, 加入三乙醇胺后的2 种色浆对应的水墨粘度变化率仅为18. 27% 与3. 14% , 是加入4 种胺化试剂后稳定性提高效果最明显的一种胺化试剂。
由图1- 4 对比可以发现, AT039 与2 种色浆调配后的油墨粘度与pH 变化率最小, 说明这2 种色浆适合与AT 39 进行调配。当分别加入胺化试剂后, 通过观察图1 4, 又发现, 加入三乙醇胺的油墨稳定性提高最为明显, 其次为2-氨基-2-甲基-1-丙醇、单乙醇胺, 而加入氨水的油墨稳定性提高最少, 但较之未加入氨水之前的油墨, 仍有所提高。这是由于加入等量的胺化试剂时, 三乙醇胺所中和的酸相对较多, 并且挥发得相对也较慢。
使用氨水进行胺化: RCOOH + NH3 •H2O –RCOO NH4+ + H2O。
该反应为可逆的, 由于氨水的相对弱的碱性且更易挥发, 因此, 用氨水作为胺化试剂时, 油墨的pH 稳定性差, 由此进一步影响水墨体系粘度的稳定性。加入2 氨基-2 甲基-1 丙醇、单乙醇胺、三乙醇胺的水性树脂的胺( 酯) 化反应式分别见图5- 7。



其中加入2-氨基-2-甲基-1-丙醇和单乙醇胺时, 在水性树脂液中发生了酰胺化反应, 见图5 及6; 而加入三乙醇胺时, 发生的为酯化反应, 见图7。由于2-氨基-2-甲基-1-丙醇与单乙醇胺均带有一个氨基, 与水性树脂液中显酸性的羧基发生酰胺化反应, 从而提高了水墨的pH 值, 继而改善水墨的粘度; 而三乙醇胺带有3 个羟基, 在与羧基发生酯化反应时, 根据参与反应的量, 3个羟基会不同程度地参与反应。由分子结构与参与反应的方式分析, 三乙醇胺的碱中和性能最强, 因此对于改善水墨的pH 值以及粘度等性能的效果最为显著。在对于多孔基材的印刷中, 由于纸张多孔表面的吸水性能, 三乙醇胺或2-氨基-2-甲基-1-丙醇、单乙醇胺的使用, 对干燥时间及耐水性不会造成负面影响,因此可选用三乙醇胺或2-氨基-2-甲基-1-丙醇、单乙醇胺作为中和碱溶性树脂的胺化试剂。为了使油墨具有最佳的综合性能, 还可以在色浆的制备中使用三乙醇胺或2- 氨基-2-甲基-1-丙醇、单乙醇胺, 调稀时使用氨水[ 8] 。

3 结论
以上实验表明, 在加入适当的胺化试剂后, 通过对树脂液的中和, 能够改善水墨的粘度和pH 值的稳定性。常用的胺化试剂中, 三乙醇胺的效果最为明显。

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