水性油墨在新聞紙表面成膜特性的研究

水性油墨在新聞紙表面成膜特性的研究

油性油墨是由水作為溶劑，由顏料、連接材料和各種添加劑組成的環(huán)保油漆。在歐美國(guó)家的報(bào)業(yè)印刷和包裝印刷中,水性柔性版油墨已成為平版印刷油墨的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,尤其在美國(guó)和加拿大,已有90%以上的印刷廠使用對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害的水性柔性版油墨或柔性版UV油墨來(lái)印刷食品包裝、醫(yī)療和生活用品。雖然水性油墨具有很多優(yōu)點(diǎn),但是水性油墨印刷紙品的廢紙回用卻存在問(wèn)題。主要表現(xiàn)為:在堿性碎漿過(guò)程中,水性油墨粒子分散成非常細(xì)小的顆粒,這些細(xì)小的炭黑粒子不僅在浮選過(guò)程中很難被氣泡捕集,且易于重新沉積于纖維表面。為了能夠更多了解水性油墨溶液的特性,本課題對(duì)水性油墨膠體化學(xué)特性和成膜特性進(jìn)行了研究,以期為解決水性油墨印刷紙的廢紙回用問(wèn)題提供一定參考。1實(shí)驗(yàn)1.1原材料水性油墨由廣州市某油墨公司提供,其主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。新聞紙取自廣州某紙廠;水性油墨報(bào)紙采用八色柔性版印刷機(jī)印刷。1.2表面接觸角的測(cè)定表面張力采用DCAT21儀器測(cè)定,測(cè)試溫度20℃。接觸角水性油墨在新聞紙表面的接觸角由JC2000A靜態(tài)接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)定。水性油墨炭黑粒子Zeta電位和平均粒徑采用MalvernNano-zs(MalvernInstrumentsLtd.,England)測(cè)定。1.3電鏡觀察觀察水性油墨紙質(zhì)印刷水性油墨紙質(zhì)印刷水性油墨紙質(zhì)印刷水性油墨紙質(zhì)印刷的電鏡觀察采用XL-30ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡(荷蘭菲利浦電子光學(xué)有限公司)對(duì)柔性版印刷的水性油墨報(bào)紙和膠版印刷的油性油墨報(bào)紙進(jìn)行電鏡觀察。2結(jié)果與討論2.1水性油墨溶液對(duì)承印物的性能要求,主要有以下幾種水性油墨是一種多組分、高固含量的膠體溶液,其自身的基本性質(zhì)決定了印刷適應(yīng)性對(duì)脫墨過(guò)程的影響,表2為水性油墨的基本性質(zhì)。從表2可以看出,水性油墨溶液的初始pH值為8.7。水性油墨的連結(jié)料大多為堿溶性樹(shù)脂,所以水性油墨的pH值要精確控制,一般控制在8.0～9.5之間。當(dāng)pH值高于9.5時(shí),堿性太強(qiáng),油墨黏度降低,干燥速度變慢,耐水性能變差;當(dāng)pH值低于8.0時(shí)則堿性太弱,油墨黏度升高,油墨易干燥,會(huì)造成臟版、糊版等問(wèn)題。水性油墨的表面張力為39.71mN/m,而水的表面張力為72.8mN/m(20℃),由此可知,水性油墨溶液中加入了一定量的表面活性劑來(lái)降低其表面張力。油墨能夠附著在承印物的先決條件是承印物的表面自由能要高于油墨的表面張力,而印刷用紙的表面自由能為72mN/m,所以降低水性油墨的表面張力是使其順利印刷于承印物上的必要條件。從水性油墨的接觸角可以看出水性油墨在新聞紙表面的潤(rùn)濕狀態(tài),如果接觸角<90°,接觸角越小,說(shuō)明潤(rùn)濕效果越好,而水性油墨在新聞紙表面的接觸角為84.9°,這說(shuō)明水性油墨在新聞紙表面有一定潤(rùn)濕性,這保證了水性油墨不會(huì)在瞬間滲透到紙頁(yè)內(nèi)部,同時(shí)避免透印現(xiàn)象的發(fā)生。2.2然后溶解與初始水合膠體化學(xué)特性的比較2.2.1不同碳黑粒子在不同水性油墨體系中的粒徑分布圖1為再溶解與初始水性油墨炭黑粒子平均粒徑比較。由圖1可以看出,再溶解油墨粒子的平均粒徑為184nm,平均粒徑分布寬度為58.8～712nm。PDI=0.198,PDI(PolydispersityIndex)是體系的多分散指數(shù),如果PDI<0.1,說(shuō)明體系中平均粒徑分布非常均一;而初始水性油墨的平均粒徑為154nm,平均粒徑分布寬度為78.8～342nm,PDI=0.091。從平均粒徑來(lái)看,雖然再溶解的炭黑粒子粒徑增加了30nm,且體系的多分散指數(shù)也有所增加,但是這些處于膠體粒徑范疇的炭黑粒子與能被氣泡捕集的平均粒徑(油性油墨10～100μm)還有很大差距。Dorris等研究了純水性油墨浮選,結(jié)果表明脂肪酸鈣皂的加入可以使炭黑去除率達(dá)到90%以上,而在水性油墨溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.5%的纖維后,炭黑去除率下降至20%左右,所以尋找在纖維存在時(shí)能夠有效捕集水性油墨的捕集劑是解決水性油墨廢紙脫墨困難的關(guān)鍵。2.2.2水性油墨zeta電位的影響圖2為再溶解與初始水性油墨炭黑粒子Zeta電位比較。從圖2可以看出,再溶解水性油墨的Zeta電位為-18.7mV,比初始水性油墨的Zeta電位(-37.9mV)下降了19.2mV,這可能是因?yàn)樗杂湍砻娴牟糠帧狢OOH、—OH在干燥過(guò)程發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng),從而使再溶解炭黑粒子表面所帶電荷量減少。2.3干裝線的成型在碎漿過(guò)程中水性油墨易于沉積在纖維表面,導(dǎo)致脫墨漿白度大幅度下降。為了解水性油墨在新聞紙表面的成膜狀態(tài),本實(shí)驗(yàn)對(duì)水性油墨印刷報(bào)紙的平面及切面進(jìn)行了掃描電鏡觀察,并與油性油墨印刷的新聞紙進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。圖3為水性油墨報(bào)紙平面的掃描電鏡圖。從圖3可以看出,水性油墨印刷新聞紙的成膜性很好,油墨不僅完全覆蓋住纖維而且成膜的厚度也很均一。這主要與水性油墨采用的印刷方式及干燥機(jī)理有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)采用柔性版印刷方式,印版是具有較強(qiáng)彈性的橡膠或樹(shù)脂,所以印版對(duì)紙張的壓力作用比膠版印刷方式小得多,從而不會(huì)使水性油墨在瞬間滲進(jìn)紙張多孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,較多部分油墨保留在紙張的表面。水性油墨的成膜機(jī)理是揮發(fā)干燥和吸收干燥兼有,對(duì)吸收性較好的新聞紙來(lái)說(shuō),水性油墨主要以吸收干燥為主。當(dāng)連接料轉(zhuǎn)移到紙張后,連接料向紙張內(nèi)部滲透,直到油墨中的顏料粒子之間變得足夠緊密。當(dāng)粒子間隙不斷縮小,顆粒間的毛細(xì)管張力與紙張內(nèi)吸收力相等時(shí),完成吸收滲透過(guò)程。水性油墨的干燥速度比油性油墨快很多,由于水性油墨中的水很快被紙吸收,所以水性油墨一般采用自然干燥或熱風(fēng)干燥即可。圖4為油性油墨報(bào)紙平面的掃描電鏡圖。由圖4可以看出,油性油墨報(bào)紙的成膜性較差且成膜較薄,這主要是因?yàn)樵谀z版印刷時(shí),強(qiáng)大的印版壓力在壓印瞬間使油墨迅速滲進(jìn)紙張纖維的間隙內(nèi),隨后顏料不再滲透,但在毛細(xì)管作用下,油墨中的連接料會(huì)繼續(xù)緩慢地向纖維間隙內(nèi)滲透,而顏料顆粒之間的微細(xì)縫隙則阻止油墨中大分子連接料的滲透,使連接料黏結(jié)在顏料顆粒周圍。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,紙張毛細(xì)管的滲透與顏料縫隙的阻滲達(dá)到平衡,干燥基本完成。圖5是水性油墨報(bào)紙切面的掃描電鏡圖。由圖5可見(jiàn),絕大部分油墨只吸附在紙張的表層纖維上,所以對(duì)于水性油墨印刷的廢紙?jiān)诿撃^(guò)程中要以較輕微的機(jī)械作用使水性油墨與纖維剝離,而避免使其過(guò)度分散。圖6為油性油墨報(bào)紙切面的掃描電鏡圖。由圖6可以看出,部分油墨已經(jīng)滲透到紙頁(yè)內(nèi)部。3堿液對(duì)油墨炭黑粒子的溶解3.1水性油墨膠體化學(xué)特性為:pH值8.7,表面張力39.71mN/m,接觸角84.9°。初始水性油墨炭黑粒子的平均粒徑154nm,Zeta電位-37.9mV;堿液再溶解水性油墨炭黑粒子的