高性能消泡剂在水性油墨中的应用

近年来,随着构建环境友好型社会发展的需要和人民生活水平的提高,各种包装材料用量大幅增加而且日益精美,水性涂料的需求大幅度增长,特别是水性油墨的应用逐年增长。例如,食品包装、礼品包装、液体牛奶内外包装等等,都使用了松香树脂、丙烯酸树脂以及水性聚氨酯[1-5]等环保型水性印刷油墨。我国是水性油墨生产和消费大国[6]。据统计,至2009 年底,全国共有各类水墨生产企业1000 多家,规模以上企业200 多家,产量超过30 万t。广东省现有大、中、小型水性油墨生产企业共计300 多家,2010 年共计年产水性油墨超过10 万t,产量和消费量均居全国之首。现在水性油墨已广泛应用于金/银卡纸、铜版纸、白板纸、塑料薄膜、瓦楞纸、不干胶纸、纸箱、纸品包装、书刊杂志等印刷的柔印和凹印领域,而这两种印刷方式的产品大多数是包装产品,其中食品包装、烟酒包装、儿童玩具包装等占用相当大的比例。随着绿色包装和环保包装的逐渐流行,很多烟厂、酒厂、药厂、化妆品、儿童玩具类企业,都准备或已经采用柔性版印刷[7]产品包装,柔版印刷在印刷领域的比重将逐步增大,特别是包装印刷领域。
水性涂料、油墨的快速发展带动了水性涂料助剂[8-10]、水墨助剂的发展壮大。消泡剂[11]是水性油墨不可或缺的重要助剂,起着在水性油墨[12]的研磨、配墨以及使用过程中消除泡沫并抑制泡沫产生的作用。水性油墨的发展带动了消泡剂用量的增长,同时对消泡剂的性能提出更高的要求,主要有:(1)快速消泡能力;(2)持久的抑泡能力;(3)抗剪切,抗研磨;(4)与油墨体系良好的相容性,不引起涂膜缩孔、桔皮、发花等表面缺陷。通常,评价水性油墨用消泡剂的消泡能力主要方法[13]有鼓泡发、摇泡法、比重法、辊涂法。文章对消泡剂在不同树脂中的应用进行阐述。

1 水性油墨用消泡剂的分类
水性油墨中使用的消泡剂主要有:
(1)传统型消泡剂:矿物油蜡、金属皂类等。此类消泡剂由于和乳液的相容性较差,流平性能不佳,并且消泡效果欠佳,市场上现已较少使用。
(2)聚醚嵌段型消泡剂:该类消泡剂具有优异的相容性,较少的漆膜表面缺陷,不影响光泽和雾影,适用于高表面要求的水墨中。如金柏DF-1190,DF-1192。
(3)有机硅类消泡剂:主要包括乳液型聚硅氧烷和聚醚改性有机硅消泡剂两种。这类消泡剂具有极佳的抑泡能力与热稳定性能,在水性油墨中普遍使用。如金柏CD-111,CD-3,CD-65,CD-75。
(4)复合型消泡剂:矿物油/蜡/有机硅,矿物油/疏水粒子/有机硅,有机硅/疏水粒子等等。这类消泡剂具有优异的通用性和相容性,较少的漆膜表面缺陷。如金柏DF-123A,DF-126,DF-131,DF-132。

2 消泡剂在水性油墨中的应用
2.1 在松香水墨中的应用
松香水墨属于低档水墨,是松香与富马酸、马来酸、马来酸酐或丙烯酸进行加成反应生成多羧基化合物,然后再与醇、胺或烷醇胺进行反应,得到水溶性树脂。水溶性树脂在油墨中主要起连接料的作用,使颜料颗料均匀分散,使油墨具有一定的流动性,并提供与承印物材料的粘附力,使油墨能在印刷后形成均匀的膜层。在国内,常采用松香改性马来酸树脂作基材来制作油墨,但此种油墨仅能用于印刷一般纸箱,满足不了中、高档包装印刷所要求的光泽和耐水性的要求。在松香水墨的配方体系中,表面活性剂的加量相对较多,起泡性高,而松香水墨对流平的要求不高。因此,应用于此体系的消泡剂,必须具有优异的消泡及长久抑泡能力,而对与体系的相容性、光泽等的要求相对较低。
松香水墨配方如下:
水性松香树脂油:64.7 %;色浆:15 %;填料:15 %;乳化油:5 %;消泡剂:0.3 %。将50 g 松香水墨与50 g 水装入500 mL 带刻度量筒中,使用鼓泡仪向量筒内连续鼓入空气30 min,气体流量为8 L/min,记录气泡到达的高度。结果见表1。

注:*—5=最佳,0=最差
将松香水墨∶水=80∶20 比例搅拌均匀,使用展色仪在瓦楞纸中展色,观察消泡剂和体系的相容性,结果见图1。

图1 松香水墨相容性测试结果
上述结果表明:在松香水墨体系中,金柏DF-126、DF-132以及进口样品消泡剂既达到较好的体系相容性,也能提供理想的消泡效果,CD-111 的消泡效果很好,相容性次之,而国内市场样品的体系相容性虽然也能满足使用要求,可消泡效果不理想。
2.2 在丙烯酸水墨中的应用
丙烯酸水墨属于中高端水墨,广泛用于金/银卡纸、白卡纸、食品包装纸等的印刷,提供好的光泽及耐水性。因此,适用于丙烯酸水墨的消泡剂要求与体系有较高的相容性,并要求有理想的长久抑泡性能。
丙烯酸水墨配方如下:
聚丙烯酸树脂乳液:68.9 %;色浆:20 %;填料:10 %;润湿剂:0.5 %;消泡剂:0.3 %;金柏BOW-333:0.3 %(流平剂)。
将50 g 丙烯酸水墨与50 g 水装入500 mL 带刻度量筒中,使用鼓泡仪向量筒内连续鼓入空气30 min,气体流量为8 L/min,记录气泡高度。丙烯酸水墨体系消泡测试结果见表2。

将丙烯酸水墨∶水=80∶20 比例搅拌均匀,使用展色仪在银卡纸中展色,观察消泡剂和体系的相容性,结果见图2。

上述结果表明:在丙烯酸水墨体系中,金柏CD-65、CD-3、DF-131 以及进口样品既达到较好的体系相容性,也能提供理想的消泡效果。而国内市场样品虽然也有较好的消泡能力,但是与体系相容性较弱,容易引起印刷品的表面缺陷。此外,水性油墨系统还包括光油(清漆)与水性聚氨酯水墨等,其中光油属于聚丙烯酸乳液体系,它们主要应用于烟、酒及其它高档礼品的包装印刷,文章就不一一展开讨论。

3 结语
文章主要讨论了高性能消泡剂在水性油墨中的应用,介绍了水性油墨用消泡剂的分类并侧重介绍了消泡剂在松香水墨及丙烯酸水墨的使用情况。结果表明,测试所选用的消泡剂具有良好的消泡性能及体系相容性,性能优于国内同类产品,完全可以替代进口同类产品使用。水性油墨用消泡剂的选择,除了考虑消泡性能外,还得考虑长久抑泡能力、与体系的相容性、对漆膜的表面流平性能及光泽的影响。此外,还得考虑使用成本,做到根据具体应用体系量身选用。而消泡剂在被用于规模生产之前,应根据实际的应用要求先进行初始测试,以筛选出满足应用要求的产品及最佳用量。

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