UV固化水性聚氨酯油墨的制备及性能研究

汪若冰

(桐城师范高等专科学校，安徽 桐城 231400)

引言

随着社会的快速发展和环保意识的增强，人们逐渐认识到打印油墨对健康和环境带来的影响。在传统的溶剂型油墨中，有机溶剂占比约为30%到50%。所以，在使用油墨的过程中会产生大量的可挥发物质，对生态环境和人类健康带来危害。水性油墨在环保性和健康性方面有非常突出的优势，油墨无毒无害，不可燃，几乎没有任何可挥发性的物质，所以水性油墨的性能研究和改进是未来油墨研究的重要方向。水性油墨的组成包括颜料、助剂以及连结材料，亲水性的树脂材料在油墨合成中发挥重要作用。树脂的亲水性实现必须在分子结构中引入亲水性基团，连结材料的技术特征直接决定了油墨技术的革新成败[1]。

近几年以来，UV固化水性聚氨酯技术逐渐成为油墨等涂料制备研究的热点，该技术将水性聚氨酯技术和UV固化技术的特征和优势结合起来，材料环保性良好，同时具有良好的固化速度，能够节约能源，同时有良好的涂膜性能。UV固化水性聚氨酯技术是利用水作为溶剂，油墨黏度更低，通过引入UV固化结构的方式提升材料的综合性能。本文提出将包含有C=C双键的季戊四醇三丙烯酸脂引入到聚氨酯预聚体的末端，合成UV固化水性聚氨酯树脂，利用这种连接材料制备油墨，分析DMPA质量分数对于UV固化水性聚氨酯树脂性能带来的各种影响，对UV固化水性聚氨酯油墨的性能进行梳理分析[2-3]。

1 实验方案

1.1 主要实验材料及设备

原料：甲苯-2,4-二异氰酸脂(TDI)，分析纯；二羟甲基丙酸(DMPA)，分析纯，使用前在105℃的条件下真空干燥10小时；聚酯二元醇(POL-756T)，工业品级，使用前在105℃的条件下真空干燥10小时；季戊四醇三丙烯酸脂(PETA)，化学纯；二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，分析纯；三乙胺(TEA)，分析纯；丙酮，分析纯，使用前利用4A分子筛进行一周干燥，使用前要进行熏蒸处理；去离子水，三级水；对羟基丙甲醚(MEHQ)，分析纯；酞青蓝色料和联苯胺黄G，工业级。

仪器和实验设备：Nicolet380型号傅里叶变换红外光谱仪；ZS90型激光粒径分析仪；DM2500P偏光显微镜；SDF400分散磨砂机；SGS-65三辊碾磨机；印刷适性仪；TDM-500UV固化机。

1.2 UV固化水性聚氨酯树脂的制备

四口烧杯中设置冷凝管、温度计和搅拌器，向其中加入一定剂量的TDI和POL-756T，通过保护气体氮气，在确定温度下反应，时长为1.5h；当烧杯中的异氰酸酯基含量达到理论值之后，适量加入固体DMPA和DBTDL，反应4h；当体系中的异氰酸酯基达到理论值，加入PETA反应，待温度降到室温，加入三乙胺中和，同时将其水性化。反应过程中，要适当加入丙酮进行稀释，然后利用蒸发仪除去其中的丙酮，获取UV固化水性聚氨酯。

图1 UV固化水性聚氨酯的合成

1.3 UV固化水性聚氨酯油墨的制备

采用机械共混的方式，选择上文中的方式制作的树脂作为连接料，将连接料、去离子水、颜料、光引发剂和助剂混合起来，共同加入到分散砂磨机之中，在高速运转的状态下磨到合适的细度，加入颜料配置成额定的色浆。然后，将预制色浆与水性聚氨酯乳液混合起来，机械共混，完成油墨制备，得到UV固化水性油墨。

图2 UV固化水性聚氨酯油墨制备流程

聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜经过电晕处理之后可以作为印刷的基础材料，将其裁成固定宽度的条状，在印刷适性仪上打印，研究印刷的适用性。油墨干燥之后，转移到固化机中对其进行固化，通过对样条的测验判断印刷适性。

2 分析结果及讨论

性能测试：按照《涂料固体含量测定法》来测定乳液的固体含量。利用离心加速沉降的方式，对乳液稳定性进行模拟测试。测试选择在室温条件下进行，样品装载离心管中，转速确定为3000转每分钟，测试15分钟，观察沉降现状。如果测试后乳液没有出现分层和沉降，那么可以认定其贮存期为6个月。样本的颗粒分散程度采用偏光显微镜投射技术测试。乳液的粒径采用激光粒径分析仪测试。UV固化水性油墨的性能按照《水性烟包凹印油墨》方法进行测试。油墨颜色、耐水性分别按照《胶印油墨颜色检验方法》和《水浸渍法涂层耐水试验》方法测定[5]。

2.1 红外光谱分析

UV固化水性聚氨酯利用红外光谱进行分析，光谱曲线如图3所示。

图3 UV固化水性聚氨酯树脂红外光谱图

根据图3可以看出，在UV固化水性聚氨酯树脂光谱带中，C=C双键在1601 中出现了明显的伸缩振动吸收峰值。1405 出现了=CH2和=CH结构的C-H键面内摇摆振动带。曲线a为UV固化膜的红外曲线，曲线b为UV固化水性聚氨酯树脂的红外曲线，对比可知在经过UV光辐射之后，树脂的振动吸收峰会在一定程度上降低，这说明在紫外线光照的条件下，C=C会发生交联固化。

2.2 DMPA含量对乳液性能的影响性分析

乳液是否具有良好的稳定性直接影响着产品物流、储藏以及后期应用。DMPA中含有一定量的亲水羧基，含量的不同决定了乳液整体的外观呈现、性能是否稳定、耐水性能以及粒径的大小等参数。常见的不同质量分数的DMPA对于UV固化水性聚氨酯乳液性能会产生不同的影响，具体参数如表1所示。

表1 DMPA不同质量分数的性能测试结果

不同的DMPA质量分数会导致不同的乳液性能，通过表1可以看出，质量分数的逐渐增加会导致乳液的颜色由乳白色逐渐向着半透明的状态过渡。质量分数升高，则意味着亲水基团的比例在不断增加，粒经的分布越来越小，透光性越来越强。当质量分数为2.5%时，可以看出乳液离心处理之后会产生分层的现象，在DMPA的质量分数大于5%之后，分层现象消失，此时能够稳定储存的时间超过6个月，已经能够满足应用需要。此后质量分数继续增加，乳液中的固体物质含量越来越高，水溶性更强，所以乳化的过程中对水分的需求降低，导致乳液的固体含量增加。如果质量分数比5%更低，那么树脂将无法顺利乳化，无法获取粒径的具体测试数据。总和成本性和实用性要求，DMPA质量分数的最佳选择确定为6.25%。

UV水性聚氨酯乳液粒子的分散情况，利用偏光显微镜投射技术进行观测。结果表明，随着DMPA质量分数的不断增加，乳液中的粒子分布会逐渐变得均匀。DMPA的质量分数为2.5%时，不能实现乳化。当质量分数大于6.25%时，乳液的分散性非常明显的提高，分布变得更加均匀，乳液的颗粒逐渐变小，没有出现聚集情况。所以，随着DMPA质量分数的增加，水性聚氨酯分子之中的亲水基团数量也会越来越高，溶解性会逐渐的增强，分散越来越均匀，增强水溶性，颗粒具有更好的分散性。所以颗粒的粒径减小到一定的程度之后，会有向一团聚集的倾向，可能会造成粒径增大的问题。

2.3 水性油墨性能分析

按照第一节中的方式制备UV固化水性聚氨酯，以此为连接料制备UV固化水性油墨，成功获得油墨之后，采用适性仪打印的方式制备UV固化水性油墨的样张，并将其裁制成固定宽度和长度的样张。在实践的过程中，打印没有出现油墨堵塞和飞墨的问题。油墨能够良好的转移，打印之后的样张清晰。

按照《水性烟包凹印油墨》中的相关规定进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2 UV固化水性聚氨酯油墨性能分析

通过比较分析之后，发现UV固化水性聚氨酯油墨的颜色、颗粒细度、油墨黏度、附着力、稳定性、耐水性等各项性能均能够符合国家标准中的相关要求，且在应用中具有良好的效果。

3 结论

通过在聚氨酯预聚体的末端引入季戊四醇三丙烯酸脂，进而完成UV固化水性聚氨酯树脂，将该树脂作为中间材料，制备水性聚氨酯油墨。按照国家标准对制成的油墨性能进行分析，结果表明以UV固化水性聚氨酯乳液为连接料制备的油墨各项性能均符合规定，满足适用要求的同时具有更加突出的环保性能和安全性能。

[参考文献]

[1]杨虎. 水性油墨与溶剂型油墨的对比分析[J]. 丝网印刷,2010(7)：24-26.

[2]辛秀兰.水性油墨[M].北京：化学工业出版社,2011：281-282.

[3]方振华, 陈宏伟.双酚 A 改性 UV 固化水性聚氨酯涂料的制备及性能研究[J].功能材料，2010(10):72-74.

[4]王正祥,李运华. UV固化水性聚氨酯基油墨的制备[J].包装学报,2016,8(1):20-24.

[5]李运华. UV固化水性聚氨酯基油墨连接料及其印刷油墨的制备研究[D]. 长沙：湖南工业大学,2016.