水性油墨属于挥发干燥型油墨, 具有低挥发性有机化合物 (VOC) 的特点, 产品环保环污染少, 能有效保障生产和印刷人员的健康和安全, 是目前油墨印刷行业的发展方向。在复膜包装材料印刷过程中水性油墨转移到底层承印物上后溶剂水以及氨 (胺) 类物质挥发, 从溶剂中分离的高分子物质有数个聚集, 形成核, 其核集结成分子团, 继续成长, 形成干燥小粒, 干燥小粒凝集形成墨膜。墨层干燥后需在其上施涂一层胶黏剂, 然后再覆一层薄膜形成一个具有花色图案的复膜包装材料。水性油墨体系中的树脂分子量大小、分布、分子形态以及分子结构对墨层的透气性能影响较大, 进而影响后续施胶工序中墨层对胶黏剂的吸胶效率。透气性能和吸胶效率是影响墨色稳定性、光泽度、色彩稳定性、饰面图案清晰度层次感以及复膜包装材料层间附着力的主要因素。降低复膜包装材料底材与覆膜层附着能力可以影响产品质量和使用效果, 严重时产品出现返工退货等。具有良好透气性能和吸胶效率的水性油墨, 可以提高产品的使用效率、减少复膜包装材料的次品率以及扩大生产和印刷企业的经济效益。
透气性能与墨层的空隙率和孔径有关, 可以用毛细现象来表征。假设有n根平行且相同、半径为r、长度为L的毛细管, 当压力p通过墨层产生的压力降为Δp, 空气透过的速率 (v/t) 为:
式中:
p——为通过墨层的压力;
Δp——通过墨层的压力降;
r——毛细管半径;
L——毛细管长度;
n——相互平行的毛细管数;
η——空气粘度;
V——通过空气的体积;
S——特性系数。
从公式中可以看出空气透过速率与微孔半径的4次方成正比, 与孔的数量成正比。表明当墨层结构松紧度较低即微孔半径较大空隙率较高时其透气速率也较大;如果孔径不变而孔的数量增加则透气速率也增加, 说明较细和较松结构的墨层透气速率相应也要好些。当然, n值的变化对透气速率的影响要比孔径变化小。所以可以看出透气速率与墨层的空隙率有关, 而空隙率是一个体现墨层的微孔数量和孔径大小的平均值, 故透气速率也是一个与微孔大小数量有关的指标。
根据GB461.1--2002《纸和纸板毛细吸液高度的测定 (克列姆法) 》, 在10分钟内沿纸条上升的高度定义为毛细上升的速率。表面张力公式:
式中:
γ——液体表面张力;
r——毛细管半径;
p——液体密度;
g——重力加速度;
h——液体在毛细管仲上升高度。
可见, 液体在毛细管中上升高度与毛细管的半径呈反比。毛细管越细液体上升的高度越高, 墨层的吸胶效率也就越高。
液体的毛细上升高度 (扩散) 和速度受其粘度η等的影响, 见下面公式:
式中A和B是仅与孔径分布有关的系数, 因此对固定的墨层而言是不变的。
γ——液体表面张力;
θ——液体接触角;
p——液体密度;
g——重力加速度;
h——液体在毛细管中上升高度;
t——上升时间。
从上式中可以看出孔径越大液体在墨层中升高的速度越大。通常墨层中的孔径呈正态分布, 从上述公式看实际测定的单位时间内的吸液高度是一个平均速度。
综上所述, 透气性能与吸液性能都与墨层的孔的特性有关。透气性能与空隙率有密切的关系, 但吸液性能的影响因素更多一些。因为墨层对胶液的吸收是分子结构间和分子结构内的渗透。分子结构间的渗透速度如前所述, 服从毛细物理定律, 它与孔径的大小有关, 分子结构内的扩散速度正比于分子结构间结合力的大小。分子结构间渗入到墨层中的胶液是随分子紧密度的升高而减少, 分子结构内渗入的胶液与墨层分子结构与胶液的亲和性有关, 两者虽然都和胶液的亲和性有关, 但影响程度是有区别的。
用透气性能和吸液性能之间的关联性来表示墨层的吸胶效率, 可以体现墨层的空隙程度。一般来讲, 良好的墨层空隙率可以保证承印底材经覆胶成胶膜后全部不透气, 从而避免形成的薄膜脆硬、延伸性小和弯折时涂层断裂崩边。为确保墨层在一定透气性能的情况下能有最佳的吸胶效率, 必须对生产过程进行控制。
墨层透气和吸液性能是关系到包装材料性能的关键指标。把墨层透气和吸液性能控制在一个合适的范围需要一个合理的产品配方和稳定的印刷控制过程。
目前水性油墨的品种很多, 用可再生天然聚合物的大豆蛋白生产的水性油墨在与底材的附着力、颜料的分散性方面都有良好的表现, 能同时保持印刷后墨层的多孔性、提高后序覆胶的吸胶效率, 是包装材料特别是纸质包装材料印刷的首选。用天然高分子酪素或经改性的纤维素做连接料制得的水性油墨, 所得墨层疏松多孔、耐高温、吸胶量大, 印刷网点细腻清晰、层次丰富、图案立体感强, 颜色稳定性好, 高温高压下不变色掉色, 耐紫外光性好, 高速印刷适性好, 墨层具有多孔性, 后序浸胶吸胶量充足, 而且墨层有良好的耐苯乙烯、丙酮等有机溶剂和耐湿摩擦的功能。
油墨在成膜干燥过程中因蒸气压的作用溶剂扩散到大气中, 在墨膜表面形成液膜, 然后通过液膜挥发。在这一过程中, 油墨表面因溶剂水的挥发粘度上升, 热量扩散, 温度下降, 粘度再上升, 结果是墨膜内部的溶剂水挥发逐渐变得因难, 这时需要热量和风进行干燥。热量提高了溶剂分子的活跃度, 使油墨表面的粘度降低, 起到加速溶剂挥发的效果。另外, 若油墨表面挥发层 (气膜) 停滞时, 会防碍溶剂的进一步挥发, 加热送风, 可以吹去气膜层以加速干燥。一般, 溶剂的挥发速度是由溶剂的蒸气压、溶剂和空气的温度差以及墨层表面流动的空气速度和墨层厚度决定的。油墨印刷时控制合理的湿墨层厚度、干燥温度和空气流动速率, 可以形成最大透气性能的疏松而又结构牢固的墨层。
包装材料印刷时, 在要求墨层具有多孔性的同时, 要求印刷后覆胶时的吸胶量要充足。生产时覆胶量一般控制在油墨的 (100~130) %左右, 覆胶时间为数秒钟 (因覆胶工序设备的不同, 国外的覆胶机速度一般为40米/分, 国内一般为30米/分左右) , 胶料对墨层的渗透按三维向进行, 同时胶料和墨层的浸润作用还与工艺过程的温度有关, 调整墨层和胶料的接触时间、角度和温度可以产生不同效果的墨层吸胶效率。
一个有良好透气性能的墨层在满足充分吸胶效率的条件下, 经合适的印刷和覆胶工序所制得的包装材料就一定有较好的印品色相, 且颜色稳定性好、高温高压下不易变色掉色、不会出现崩边和鼓泡的现象。
摘要：水性油墨墨层的透气性能对后续施胶工序中墨层胶黏剂的吸胶效率影响较大。透气性能和吸胶效率是影响墨色稳定性、光泽度、色彩稳定性、饰面图案清晰度层次感以及复膜包装材料层间附着力的主要因素。具有良好透气性能和吸胶效率的水性油墨, 可以提高产品的使用效率、减少复膜包装材料的次品率以及增加生产和印刷企业的经济效益。
关键词：水性油墨,透气性能,吸胶效率
