水性油墨在新闻纸表面成膜特性的研究

水性油墨在新闻纸表面成膜特性的研究

油性油墨是由水作为溶剂，由颜料、连接材料和各种添加剂组成的环保油漆。在欧美国家的报业印刷和包装印刷中,水性柔性版油墨已成为平版印刷油墨的主要竞争对手,尤其在美国和加拿大,已有90%以上的印刷厂使用对人体及环境无害的水性柔性版油墨或柔性版UV油墨来印刷食品包装、医疗和生活用品。虽然水性油墨具有很多优点,但是水性油墨印刷纸品的废纸回用却存在问题。主要表现为:在碱性碎浆过程中,水性油墨粒子分散成非常细小的颗粒,这些细小的炭黑粒子不仅在浮选过程中很难被气泡捕集,且易于重新沉积于纤维表面。为了能够更多了解水性油墨溶液的特性,本课题对水性油墨胶体化学特性和成膜特性进行了研究,以期为解决水性油墨印刷纸的废纸回用问题提供一定参考。1实验1.1原材料水性油墨由广州市某油墨公司提供,其主要化学组成见表1。新闻纸取自广州某纸厂;水性油墨报纸采用八色柔性版印刷机印刷。1.2表面接触角的测定表面张力采用DCAT21仪器测定,测试温度20℃。接触角水性油墨在新闻纸表面的接触角由JC2000A静态接触角/界面张力测量仪测定。水性油墨炭黑粒子Zeta电位和平均粒径采用MalvernNano-zs(MalvernInstrumentsLtd.,England)测定。1.3电镜观察观察水性油墨纸质印刷水性油墨纸质印刷水性油墨纸质印刷水性油墨纸质印刷的电镜观察采用XL-30ESEM环境扫描电子显微镜(荷兰菲利浦电子光学有限公司)对柔性版印刷的水性油墨报纸和胶版印刷的油性油墨报纸进行电镜观察。2结果与讨论2.1水性油墨溶液对承印物的性能要求,主要有以下几种水性油墨是一种多组分、高固含量的胶体溶液,其自身的基本性质决定了印刷适应性对脱墨过程的影响,表2为水性油墨的基本性质。从表2可以看出,水性油墨溶液的初始pH值为8.7。水性油墨的连结料大多为碱溶性树脂,所以水性油墨的pH值要精确控制,一般控制在8.0～9.5之间。当pH值高于9.5时,碱性太强,油墨黏度降低,干燥速度变慢,耐水性能变差;当pH值低于8.0时则碱性太弱,油墨黏度升高,油墨易干燥,会造成脏版、糊版等问题。水性油墨的表面张力为39.71mN/m,而水的表面张力为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剂来降低其表面张力。油墨能够附着在承印物的先决条件是承印物的表面自由能要高于油墨的表面张力,而印刷用纸的表面自由能为72mN/m,所以降低水性油墨的表面张力是使其顺利印刷于承印物上的必要条件。从水性油墨的接触角可以看出水性油墨在新闻纸表面的润湿状态,如果接触角<90°,接触角越小,说明润湿效果越好,而水性油墨在新闻纸表面的接触角为84.9°,这说明水性油墨在新闻纸表面有一定润湿性,这保证了水性油墨不会在瞬间渗透到纸页内部,同时避免透印现象的发生。2.2然后溶解与初始水合胶体化学特性的比较2.2.1不同碳黑粒子在不同水性油墨体系中的粒径分布图1为再溶解与初始水性油墨炭黑粒子平均粒径比较。由图1可以看出,再溶解油墨粒子的平均粒径为184nm,平均粒径分布宽度为58.8～712nm。PDI=0.198,PDI(PolydispersityIndex)是体系的多分散指数,如果PDI<0.1,说明体系中平均粒径分布非常均一;而初始水性油墨的平均粒径为154nm,平均粒径分布宽度为78.8～342nm,PDI=0.091。从平均粒径来看,虽然再溶解的炭黑粒子粒径增加了30nm,且体系的多分散指数也有所增加,但是这些处于胶体粒径范畴的炭黑粒子与能被气泡捕集的平均粒径(油性油墨10～100μm)还有很大差距。Dorris等研究了纯水性油墨浮选,结果表明脂肪酸钙皂的加入可以使炭黑去除率达到90%以上,而在水性油墨溶液中加入质量分数超过0.5%的纤维后,炭黑去除率下降至20%左右,所以寻找在纤维存在时能够有效捕集水性油墨的捕集剂是解决水性油墨废纸脱墨困难的关键。2.2.2水性油墨zeta电位的影响图2为再溶解与初始水性油墨炭黑粒子Zeta电位比较。从图2可以看出,再溶解水性油墨的Zeta电位为-18.7mV,比初始水性油墨的Zeta电位(-37.9mV)下降了19.2mV,这可能是因为水性油墨表面的部分—COOH、—OH在干燥过程发生了交联反应,从而使再溶解炭黑粒子表面所带电荷量减少。2.3干装线的成型在碎浆过程中水性油墨易于沉积在纤维表面,导致脱墨浆白度大幅度下降。为了解水性油墨在新闻纸表面的成膜状态,本实验对水性油墨印刷报纸的平面及切面进行了扫描电镜观察,并与油性油墨印刷的新闻纸进行了对比,结果见图3～图6。图3为水性油墨报纸平面的扫描电镜图。从图3可以看出,水性油墨印刷新闻纸的成膜性很好,油墨不仅完全覆盖住纤维而且成膜的厚度也很均一。这主要与水性油墨采用的印刷方式及干燥机理有关。本实验采用柔性版印刷方式,印版是具有较强弹性的橡胶或树脂,所以印版对纸张的压力作用比胶版印刷方式小得多,从而不会使水性油墨在瞬间渗进纸张多孔隙的网状结构中,较多部分油墨保留在纸张的表面。水性油墨的成膜机理是挥发干燥和吸收干燥兼有,对吸收性较好的新闻纸来说,水性油墨主要以吸收干燥为主。当连接料转移到纸张后,连接料向纸张内部渗透,直到油墨中的颜料粒子之间变得足够紧密。当粒子间隙不断缩小,颗粒间的毛细管张力与纸张内吸收力相等时,完成吸收渗透过程。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纸吸收,所以水性油墨一般采用自然干燥或热风干燥即可。图4为油性油墨报纸平面的扫描电镜图。由图4可以看出,油性油墨报纸的成膜性较差且成膜较薄,这主要是因为在胶版印刷时,强大的印版压力在压印瞬间使油墨迅速渗进纸张纤维的间隙内,随后颜料不再渗透,但在毛细管作用下,油墨中的连接料会继续缓慢地向纤维间隙内渗透,而颜料颗粒之间的微细缝隙则阻止油墨中大分子连接料的渗透,使连接料黏结在颜料颗粒周围。经过一段时间,纸张毛细管的渗透与颜料缝隙的阻渗达到平衡,干燥基本完成。图5是水性油墨报纸切面的扫描电镜图。由图5可见,绝大部分油墨只吸附在纸张的表层纤维上,所以对于水性油墨印刷的废纸在脱墨过程中要以较轻微的机械作用使水性油墨与纤维剥离,而避免使其过度分散。图6为油性油墨报纸切面的扫描电镜图。由图6可以看出,部分油墨已经渗透到纸页内部。3碱液对油墨炭黑粒子的溶解3.1水性油墨胶体化学特性为:pH值8.7,表面张力39.71mN/m,接触角84.9°。初始水性油墨炭黑粒子的平均粒径154nm,Zeta电位-37.9mV;碱液再溶解水性油墨炭黑粒子的