基于丙烯酸系水性油墨的制備方法研究

胡霄鵬，孫景鋒

（長葛市大陽紙業有限公司，河南 長葛 461500）

隨著工業產業規模的進一步擴大，污染排放量不斷增加，導致大氣、水源、土壤等自然環境受到嚴重污染，生態結構失衡，引發各類自然災害，最終危害人類。印刷業是對環境污染較大的產業之一，尤其是以我國為代表的發展中國家和一些工業經濟較為落后的國家，由于技術水平較低、人才資源欠缺、配套設施不健全等，在生產過程中會產生大量揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）、甲苯、重金屬等有害物質，既危害了人體健康，又加劇了環境問題。加強工藝技術創新、加快產業轉型升級是印刷產業實現綠色可持續發展的關鍵路徑[1]。目前，世界主要發達國家在環保印刷方面已經取得了長足進步，生產技術也越來越先進。與此同時，我國依然面臨產量大、產值低、污染嚴重的現實問題，“綠色印刷”概念還未深入人心。

國內印刷業最大的污染源是印刷中使用的油墨，由于大多數印刷廠家使用的油墨是傳統的醇溶性和脂溶性油墨，在生產過程中會產生大量VOCs，與國家的環保政策相悖[2]。我國現有的環保油墨已經解決了回收再利用階段的環境污染問題，但用于產品印刷的質量還達不到預期效果，急需找到一種適合凹印印刷轉移的水溶性樹脂和助劑，以期在耐磨性、耐候性、耐水性、耐化學品性和光澤度等方面有所突破，印刷效果達到行業技術標準要求。

本項目通過開發水性油墨制備新技術，制備水性油墨來代替醇溶性或者脂溶性油墨，希望能解決印刷過程中的一系列環保問題、行業對印刷品溶劑殘留等安全性指標的監管和限制問題，降低VOCs排放量，同時減少化石資源的浪費。該項目的成功會使水性油墨及相關綠色印刷產業成為國內油墨印刷行業的領導者，對國內印刷行業將產生重大影響，形成促進地方產業發展的“羊群效應”，帶動地方相關綠色印刷產業群的發展。

1 實驗準備

1.1 實驗用品

本次實驗藥品包括甲甲酯（MMA）、2-甲基丙烯酸、乙酸乙烯酯、丙烯酸正丁酯、阿摩尼亞水（氨水）、丙烯酸、過二硫酸銨、N,N-二乙基乙胺、亞硫酸氫鈉、十二烷基硫酸鈉、分散顏料、消泡劑，主要實驗器材包括四頸瓶、溫度計、機械攪拌器、滴液漏斗、pH試紙、SFJ容器、過濾器皿、反射光澤儀（PG-1/PG-1M）等。

1.2 檢測標準

根據技術指標要求，刮樣并與樣卡對比，水性油墨的面色、底色為4～5級，墨色4級，與樣本顏色高度接近；細度不超過20 μm；黏度在（50±30）s/25 ℃（蔡恩4#杯）；初干性在30～50 cm；著色力介于90%～110%；具有較好的耐水及耐堿性能；在5～30 ℃的貯存穩定性良好；光澤度大于40%[3]。在得到的樹脂中加入顏料、消泡劑、分散劑等制成水性油墨，經測定，其成膜性、耐水性、耐摩擦性以及干燥時間等都滿足水性油墨的印刷質量要求。

1.3 檢測方法

（1）遵照GB/T 14624.1—2009膠印油墨顏色檢驗法，在（23±2）℃條件下，將試樣與標樣并列刮樣，在入射角為45°±5°的D65標準光源下，對比評定變色用灰色樣卡，目測檢視試樣與標樣在面色及墨色上的差異程度[4]。（2）按照GB/T 14624.2—2008膠印油墨著色力檢驗法，在（23±2）℃下，以定量白墨將試樣和標樣分別沖淡，在D65標準光源下觀察沖淡刮樣，對比沖淡后油墨的質量分數，結果以“%”表示。（3）以QB 559—1983顆粒檢測法檢驗油墨細度，在標準溫度下以細度刮板計測定油墨顆粒，據此判斷油墨的研磨程度及分散狀況，以“μm”表示。（4）以GB/T 14624.5檢驗油墨的黏性，在溫度為（25±1）℃、相對濕度為65%±5%的條件下，延長油墨黏性的測定時間，觀察油墨黏性的變化情況，結果以數字表示[5]。（5）按GB/T 13217.5相關規定檢驗油墨的初干性，在溫度為（23±2）℃、相對濕度為65%±5%的條件下，避開風口，測定不同厚度的油墨膜由液態變為固態的速度，以“mm/30 s”表示。（6）以QB 568規定的方法來檢驗油墨的耐堿性和耐水性，以1%氫氧化鈉和水分別浸泡印樣24 h，隨后取出與樣卡進行比對，觀察其變化；貯存穩定性按QB 567規定的方法檢驗，對油墨進行一定時間的冷凍盒加熱實驗，觀察油墨膠化情況或反粗現象。在規定壓力下，經過一定時間，擴展成圓柱體直徑大小，以“mm”表示。若經過一段時間加熱或降溫實驗，流動度不變，則穩定；流動度變大，膠化的可能性不大，但不夠穩定；流動度變小，則有膠化傾向[6]。光澤度按QB/T 573規定的方法檢驗，在標準溫濕度條件下，在定光源的照射下，使用光電光澤計測量試樣與標準面反射光亮度的比值，反映試樣油墨的光澤（以標準面的反射光亮度為100%）。

2 制備水性樹脂

2.1 制備方案

本研究制定了制備水性樹脂的3個基本方案，引發劑、還原劑、乳化劑的配比為1.1∶0.7∶1.1，具體物料信息見表1。

表1 水性樹脂的3種主要制備方案

2.2 制備過程

首先，從混合均勻的基本單體中量取1/3加到2 000 mL四頸瓶中，隨后注入異丙醇和適量水并加熱到80 ℃左右，攪拌至回流，此時加入還原劑和引發劑，同時采用滴加的方式，陸續添加余下的基本單體和乙酸乙烯酯，時間控制在1 h內。滴加完所有單體后，在85 ℃下保溫2 h，同時加入阻聚劑，經2 h自然冷卻降至60 ℃左右[7]。其次，添加氨水予以中和，加水進行稀釋，添加時同步攪拌均勻并用pH試紙進行酸堿度測試；將pH保持在8～9，再攪拌30 min左右。最后，待聚合步驟結束，取下單體滴加管換裝上抽溶劑冷凝裝置，同時連接上真空泵。溫度未達到140 ℃之前，不可打開真空泵，當聚合物溶液隨溶劑的蒸出而不斷上升時，再打開真空泵將溶劑完全抽取出去，當聚合溫度繼續升高到160 ℃時，趁熱將聚合物從四頸瓶中倒出，自然冷卻，實驗如圖1所示。

圖1 水性樹脂的制備

3 結果及討論

3.1 水性樹脂性能

從表2的實驗數據可知，在3種方案下，所有測試項目中除了含固量、涂膜外觀及黏度有一定差異外，其余項目都具有一致性，表明水性樹脂的整體性能較好。

表2 3種方案下水性樹脂的性能測試結果

3.2 水性油墨性能

在塑料薄膜上對本次實驗所得水性油墨進行印刷實驗。印刷薄膜的溶解性檢測標準：分別在水中浸泡60 h、在4%醋酸中浸泡45 h，印刷薄膜的顏色不出現脫落現象則視為合格。從表3中可知，在3種方案下，濕墨的溶解性均為溶，膜的溶解性為不溶，附著牢度和抗劃傷性均在95%以上，可見性能較好。

表3 3種方案下水性油墨的性能測試結果

3.3 配制水性油墨的相關要求

3.3.1 合理控制丙烯酸質量分數

由于丙烯酸系樹脂中的銨鹽上帶有親水基團，親水性較活躍，可以通過調節丙烯酸的質量分數來增強產品的親水性。丙烯酸質量分數應控制在15%～25%，如果低于15%，會導致樹脂的水溶性較差；如果高于25%，那么樹脂固化后形成的膜會出現粘黏現象且光澤度不好，涂層性能也比較差。

3.3.2 把控好聚合溫度及時間

要求聚合溫度不超過90 ℃，過高的溫度會使引發劑過快消耗，致使低聚合轉化不充分；樹脂轉化率隨著聚合時間的延長而提高，但聚合時間過長會使反應體系在高溫下產生副作用，降低樹脂質量，通常聚合時間以4 h為宜[8]。

3.3.3 注意觀察pH

作為配制水性油墨的一項重要指標，pH應保持在8～9，此時水性油墨的流動性和光澤度都處于最佳狀態。pH過高會阻礙油墨的干燥，pH過低會使油墨的黏度增大，極易導致印版網點堵塞，影響正常使用。在實際的印刷過程中，油墨會因水分的快速揮發而增大黏度、降低pH，所以，必須時刻注意油墨的流動性。一般可以使用稀釋劑和pH穩定劑來調節油墨黏度，保證pH在正常范圍內，本實驗中使用氨水+三乙基胺來維持和調節pH。

3.3.4 注意油墨黏度問題

油墨黏度對油墨的性能和使用價值有著巨大影響，黏度過低的油墨會導致印刷時墨色淺淡、傳墨不勻，影響印品質量，所以在制備水性油墨時必須重視其黏度的控制。水性樹脂的含固量是決定油墨黏度的關鍵因素，一般產品的含固量在40%左右，水性油墨黏度通常在30～50 s。本次實驗中制備的丙烯酸水性樹脂，含固量突破了41%，可以使水性油墨的黏度達到51～53 s，優勢更明顯，以此樹脂配制的水性油墨性能更好、適用性更強。

4 結語

根據以上實驗和性能測試結果可以發現：通過在水性油墨中分批滴加混合單體，能夠有效提高聚合反應的速率和反應效果；通過精準調控丙烯酸的質量分數能夠增強油墨產品的親水性能；將聚合溫度控制在90 ℃以內、聚合時間不長于4 h、pH維持在8～9，選用氨水+三乙基胺作為中和液，可以制備性能更好的水性油墨；相比于同類產品，以丙烯酸系水性樹脂配制的水性油墨在實際應用中達到的印刷質量更好。