多功能水性油墨的研发

牛倩倩+刘昕

为了解决水性油墨存在的生产过程繁琐，成本高，用途单一，以及水性油墨的印刷方式单一的问题。根据高分子化学和印刷适性的基本原理，采用单因素優选法，对水性油墨的原材料类型及用量进行了实验筛选，获得了一种多功能水性油墨。实验结果表明：该水性油墨黏度满足0.02～0.3Pa.s（25℃）时，可用于凹版印刷；油墨黏度满足0.2～1Pa.s（25℃）时，可用于柔版印刷；油墨黏度满足1～100Pa.s（25℃）时，可用于丝网印刷。

溶剂性油墨的溶剂大多是挥发性有机溶剂，例如苯、甲苯、二甲苯之类的芳香族化合物。溶剂挥发后，会对空气造成污染，而且还是致癌物质，因此以溶剂型油墨为主的印刷业面临着新的选择，寻求一种新的环保油墨的任务日益迫切。

水性油墨作为一种新型环保油墨正好克服了上述溶剂型油墨的缺点。目前用于印刷的水性油墨仍然存在着制备过程繁琐，成本高，用途单一，水性油墨和色料、印刷方式专属性强的缺点。制备的水性油墨解决了现有水性油墨制备过程繁琐，用途单一，水性油墨应用范围与色料类型、印刷方式具有专属性的问题。制备的水性油墨具有以下优点：原材料丰富，价格低，属天然原料；制备工艺简单，设备投资少；无毒无味、对环境无污染；成膜性好、具有良好的粘接性能；应用十分广泛，既可以用于柔印、凹印，也可以用于转移印刷；对色料类型适应性强，既可以添加颜料，也可以添加染料；可以在某些领域可以完全替代污染严重及价格昂贵的溶剂型油墨。

理论分析

1.淀粉连结料的粘接机理

在构成淀粉链状大分子的每个葡萄糖单元C2、C3和C6上都各有一个羟基（-OH），因而在一个淀粉分子上有几百个羟基，而每个淀粉颗粒又是由数不清的直链淀粉和支链淀粉分子链以结晶区和不定形区的形式交织组成，因此，在淀粉中羟基的数目是以一个很大的数量级来计数的。普通淀粉胶的粘接力就来源于为数众多的羟基产生的氢键结合力，单个氢键的结合力比其他化学键力弱，但当氢键数量极其庞大时， 所产生的总结合力是很强的。

由于淀粉中的羟基易与水以氢键形式结合，它对被胶接材料的吸附较易被水所解吸，因此淀粉的湿胶合强度就受到严重的破坏。淀粉经氧化后其葡萄糖苷键断裂，并引入羟基，而羟基的引入又使其具有良好的稳定性、分散性、冷流性和粘接性能。糊化过程可以破坏淀粉的团粒结构，导致团粒润涨，使淀粉分子水合和溶解。聚乙烯醇和淀粉分子中均含有羟基，因此在聚乙烯醇和淀粉分子之间可以形成氢键，起到了聚乙烯醇和淀粉分子之间的“接枝”作用，这样制得的淀粉胶黏剂具有更好地粘接性、流动性和抗凝冻性等优点。

2.单因素优选实验法

油墨的影响因素有多种，在安排实验时，只考虑一个对指标影响最大的因素，其他因素尽量保持不变的实验。利用单因素实验优选法，保持油墨配方中其他量不变，改变其中一个量，来测定水性油墨黏度变化趋势。

a.分析PVA：淀粉质量比值和消泡剂用量对油墨黏度的影响。

b.根据不同的印刷方式，选择合适的PVA：淀粉质量比值和消泡剂用量。

3.实验

①实验仪器

配制该水性油墨所用的实验仪器见表1。

②油墨配方

制备的一种水性油墨，按质量百分比原料的有效组分为：淀粉1%～3%，去离子水70%～80%，次氯酸钠0.1%～0.5%，氢氧化钠0.05%～0.1%，聚乙烯醇2%～4%，尿素0.1%～0.3%，硫酸镍0.2%～0.6%，色料5%～18%，助剂1%～2%，以上各组分的质量百分比之和为100%。其中，助剂为消泡剂、催干剂和表面活性剂组成的混合物，其中，各组分占水性油墨总质量的百分比为：消泡剂0.3%～0.8%、催干剂0.1%～0.6%、表面活性剂0.5%～1%；催干剂为轻钙、氯化钙和熟石膏中的其中一种；消泡剂为磷酸三丁酯；表面活性剂为脂肪酸钠。配制水性油墨所用色料为染料和颜料。

③实验

a.PVA：淀粉质量的比值对油墨黏度的影响

首先，称量原料：按上述基本组成中的质量百分比称取原料；其次，改变PVA：淀粉质量的比值，其他组分保持不变，进行一系列实验，配制成一系列水性油墨；最后利用黏度计进行黏度测量（使用62#转子，转速为100%），并记录数据。

b.消泡剂用量对油墨黏度的影响

首先，称量原料：按上述基本组成中的质量百分比称取原料；其次，改变消泡剂的用量，其他组分保持不变，进行一系列实验，配制成一系列水性油墨；最后利用黏度计进行黏度测量（使用62#转子，转速为100%），并记录数据。

④实验数据处理

根据实验记录的数据得到表3和表4。

4.实验结果与讨论

根据表3和表4的数据，分别做出水性油墨黏度随PVA：淀粉质量比、消泡剂用量的变化趋势图1和2。

由图1可知，油墨黏度随着聚乙烯醇和淀粉的比例变化而变化水性油墨黏度最小值为0.02Pa. s（25℃），黏度最大值为0.5Pa. s（25℃），因此能适用于凹版印刷、柔版印刷和转移印刷等印刷方式。

由图2可知，随着消泡剂含量的增加，水性油墨黏度也不断增加；因此，可以根据印刷方式选择合适的消泡剂含量。

结语

配制该水性油墨工艺简单；无毒无味、对环境无污染、成膜性好且具有良好的黏结性能，制成的水性油墨黏度最小值为0.02Pa. s（25℃），黏度最大值为0.5Pa. s（25℃），因此能适用于凹版印刷、柔版印刷和转移印刷等印刷方式，并且本发明的水性油墨配制对色料没有要求，既可以是染料也可以是颜料；而水性油墨的制备方法、工艺简单，容易实现，环保无污染，所用设备价格便宜、体积小。但是黏度还达不到丝网印刷的要求，并且不能用于胶版印刷。

作者单位：西安理工大学