摘要：本文对影响OPS(聚苯乙烯收缩膜)油墨性能的主要因素进行了实验分析,主要从毒性的角度，对OPS水基油墨主要组份的环保性能进行分析；通过对连结料、pH值、粘度及干燥性及其相互关系的研究，分析水基OPS油墨的抗水性；通过对助溶剂、聚合物单体、pH值及颜料分散的研究，分析OPS水基油墨的印刷适性；通过对水基油墨的分散、粘性及助剂的研究, 分析OPS水基油墨的抗摩擦性。以此为OPS水基油墨配方的设计基础,通过对比实验分析，优选出科学的OPS油墨配方；进行相应的性能测试后所得性能数据与预期指标进行对照；结果表明，试生产所得油墨的各项指标均满足使用要求标。　　关键词：水基OPS油墨；环保；抗水性；耐摩擦性；配方研究　　前言：随着全球性环境污染和生态环境破坏程度的加剧，人们越来越关注生命、关注环境与发展，提倡生产、使用绿色产品，特别是对于食品包装的卫生性、环保性提出了更严格的要求，为此出现了OPS收缩膜包装材料。但是OPS收缩膜的材料极性低于PVC收缩膜，造成印刷一系列问题，对油墨提出更高要求。　　本文研究目标是以提高OPS收缩膜水基油墨的环保性能、抗摩擦性、抗水性及色泽度为重点，确定POS水基油墨配方设计的最优解决方案。一、OPS水基油墨配方的设计原则OPS收缩膜水基油墨是一种新型的凹版油墨，还没有形成一套完善的国家标准。参照各类塑料凹版油墨检验方法与质量标准，OPS收缩膜水基油墨配方设计时要遵循以下原则：(1)所选的溶剂不能对OPS膜有影响，油墨干燥后不能有气味，要有良好的储存稳定性。(2)要按印刷品类型和要求来决定油墨原料的选定和油墨墨性的预定。只有对印刷品的类型和使用目的，在设计之前就有所了解，才能依照它的特点，选择原料和预定油墨质量标准[1]。要求OPS水基油墨牢度好，能满足收缩要求，且颜色鲜艳。(3)对颜料和染料的选用要根据承印物的类型来确定：例如油墨中若使用铁蓝会变色，还有常在橱窗内陈列的产品，久经日光照射，油墨中若使用盐基玫瑰红等色淀颜料，则会严重变色。二、影响凹版水基油墨性能的关键因素分析2.1 环保性能分析　　对于油墨的环保问题，主要应考虑的是油墨的毒性、印刷及使用过程中对人健康的危害程度、易燃易爆性能以及能量损耗等几个方面。水基油墨是一种新型的环保型油墨。从成本及耗能角度来说是最优秀的，而且水基油墨的快干特性使得柔性版印刷工艺不仅适于纸张印刷，也非常适于塑料类非吸收性材料的凹版印刷[2]。由于印刷适性的约束，绝对没有毒性的水基油墨是不存在的，只有在不影响印刷适性的前提下，把水基油墨的含毒量进一步降低。从水基油墨组成中，对环保性能影响最大的是溶剂。在选择溶剂、设计水基油墨时，应十分重视溶剂的气味、对人体的毒性、空气污染限制和安全性。对于具有令人不愉快的气味的溶剂、对人体毒性大的溶剂、易燃易爆的溶剂和不符合空气污染法限制的溶剂应尽量不选用。(1) 从颜料方面来讲,大多数有机颜料的毒性非常小，不含有无机颜料中的重金属。而高档的有机颜料品种不仅具有优异的耐晒牢固度、耐气候的牢度、耐热性能和耐溶剂性能，而且在耐酸碱方面也要优于无机颜料[3]，因此可以实验中选用的颜料为高档有机颜料。(2) 从溶剂的角度来讲，首先是胺化树脂液。胺化树脂液主要组成成分中对环保方面有影响是乙醇和氨水，而实际上乙醇由于所含甲醚量极其微小，所以，在VOC黑名单中已被排除[4]。乙醇的加入可提高对树脂的溶解能力和增强颜料的分散性能，并能加速渗透，抑制发泡作用。(3)助溶剂的选择。由于颜料的自身特性，单独使用乙醇的油墨还不能完全满足水基油墨的印刷适性要求，因此，需要加入其他的助溶剂来补偿。由于丙二醇醚毒性小，且溶解力强及挥发慢,因此作为溶剂可以提高涂膜的流平性、光泽和丰满度，降低乳液的最低成膜温度，是丙烯酸树脂的良好溶剂[5]。2.2 抗水性的分析　　OPS水基油墨的抗水性除了指油墨中所用的颜料对水的耐抗性能之外，还受诸如连结料、助剂等辅助材料的影响。抗水性的测定是油墨涂在OPS收缩膜上，并在干燥后测定的，实际上它主要是测定油墨在固化后的牢度以及形成的墨膜对水的耐抗性能。因为OPS水基油墨经常应用在如：乳品、饮料等包装印刷中，经常会在水中长期浸泡，或在冰箱中长期冷冻，如抗水性能差，会导致水基油墨遇水乳化而失去光泽，严重时还会完全掉色，影响产品形象。(1) 连结料的抗水性分析　　OPS油墨目前所使用的连结料主要是高酸值的可以溶解于碱(常用氨水等挥发性碱)的丙烯酸树脂、马来酸改性松香树脂等，如表2.1所示，不同种类的树脂的抗水性是不同的[6]。从表中可以看出，在常用的树脂当中，碱溶性丙烯酸树脂的抗水性能最优。表2.1  不同种类的树脂的抗水性比较项目 马来酸树脂 氨基甲酸乙酯树脂 水性氨基树脂 羟甲基纤维素 碱溶性丙烯酸树脂 颜料分散性 中 中 良 良 优 耐水性 差 差 中 差 优 　　碱溶性树脂液作为水基油墨分散研磨颜料的基料，有助于改善颜料的性能，特别是颜料分散性能从而改善油墨的稳定性和抗水性能，而颜料分散性能的好坏与研磨时间、树脂的种类、助剂的加入与否等都有很大关系。表2.2 是在对水基油墨抗水性研究中，通过实验所得到的一组色浆不同的研磨时间与所得水基油墨抗水性(抗水时间)比较数据。表2.2  色浆不同的研磨时间与所得水基油墨抗水性比较         研磨时间性能 0.5h 1.0h 1.5h 2.0h 2.5h 3.0h 细度 40μm 37μm 33μm 30μm 28μm 20μm 抗水性 5h 10h 13h 15h 18h 15h 　　从表2.2可以看出，随着研磨时间的增长，水基油墨的细度在增加，抗水性在增强。但研磨时间超过2.5 h以后，抗水性反而下降。这是由于随着研磨时间的增长，胺类物质挥发加快，碱性变弱，酸性增强，粘度增加，树脂颜料分散性变差，才导致抗水性变差。可见在色浆研磨实验中将研磨时间控制在2.5h，可以获得最佳的抗水性能。(2)干燥性、pH值及粘度对抗水性的影响　　OPS水基油墨在印刷时可与水混合，一旦油墨干固后，则不能再溶于水，即油墨的抗水性。干燥快，抗水性就好，但也不能太快，只有良好的干燥才有利于提高水基油墨的抗水性能。而干燥性能又明显受到pH值和粘度的影响，通常水基油墨pH值范围应在8.0～9.5之间，这时水基油墨的印刷性能最好，印品质量最稳定[7]。在水基油墨的研究中，通过氨水来调解胺化树脂液的pH值，获得了水基油墨不同pH值所对应的粘度、初干性及抗水性的实验数据，如表2.3所示。表2.3  不同pH值对应的粘度、初干性及抗水性pH值 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 粘度 42 34 28 25 20 16 初干性mm/25℃15s 11 9 8 7 6 4 抗水性 11h 14h 17h 18h 14h 12h 2.3抗摩擦性分析　　颜料分散稳定化是固化后油墨牢度好、墨膜耐摩擦的根本保证。颜料分散性能的好坏与研磨时间、树脂的种类、助剂的加入与否等都有很大关系。表2.4 是在对水基油墨研究中，通过实验所得到的一组色浆不同的研磨时间与所得水基油墨抗摩擦性的比较数据。表2.4  色浆不同的研磨时间与所得水基油墨抗摩擦性比较      时间油墨性能 0.5h 1.0h 1.5h 2.0h 2.5h 3.0h 细度 40μm 37μm 33μm 30μm 28μm 20μm 抗摩擦性 干磨 2次 干磨 5次 干磨 7次 干磨 9次 干磨11次 干磨 8次 湿磨 1次 湿磨 4次 湿磨7次 湿磨 8次 湿磨9次 湿磨 7次 　　从表2.4可以看出，随着研磨时间的增长，水基油墨的抗摩擦性能逐渐增强，但研磨时间超过2.5小时后，印膜的抗摩擦性明显下降。其原因在于随着颗粒的逐渐变小，比表面积增大，溶解性增强，溶剂释放性变差，干燥性变差，导致抗摩擦性变差。$分页符$三、OPS水基油墨配方设计及实验3.1 OPS水基油墨配方设计1、降低毒性，符合环保。在油墨配方当中，以符合环保性能的丙二醇甲醚替代对人体有害的乙二醇丁醚[5]。同时降低其组份含量，由此而引起的流平性能的损失可用加入流平剂的办法加以补偿。2、改善墨膜外观，满足收缩要求。平整光洁的印膜是获得高质量印刷品的基本前提，为了解决起泡、缩孔、发花且流平性能不佳问题，进行了消泡剂对比实验，主要是：①分析不同种类的消泡剂的消泡能力，通过实验找到合适的消泡剂型号。②确定消泡剂的最佳用量，实验结果为硅酮类消泡剂选择的型号为：DC－65AD，0.5%的消泡剂用量是最优的选择。进行了增滑剂对比实验，主要目的是研究不同种类的蜡对水基油墨印膜的影响，通过实验找到适合水基油墨的蜡的最佳型号。通过实验证明，杜邦公司的PTFE是一种坚韧耐久的良好材料，耐热达315.60C.然而，但价格太昂贵，密度太高(2.2)，这样的密度，使之在低粘度的涂料体系中单独使用时势必沉积到桶底，而不能发挥其应有的作用[5]，测试结果也验证了这一点。PE/PTFE复合物蜡乳实际上是PTFE借助聚乙烯(PE)的作用，使之保持悬浮，在油膜干燥的时候，即会发生表面迁移。所以，PTFE与PE的合用往往比用100%PTFE作助剂更合算，性能更好。通过实验分析确定使用PE/PTFE复合物蜡乳增强水基油墨的抗摩擦性和滑爽性，并确定其比例为1.0%。3、进一步提OPS水基油墨的色度、抗水性和抗摩擦性。这几个方面在很大程度上取决于颜料及丙烯酸树脂的分散性能。实验使用碳黑颜料，确定选择碳黑润湿分散剂(上海DEUCHEN化学有限公司产品)来加强颜料体系的润湿和分散性能，其用量为重量百分比1.0%。通过比较不同乳液聚合物对水基油墨光泽、抗水性、抗摩擦性能的影响程度，分子的聚合物对于涂料的抗水性、光泽度及抗摩擦性方面有着显著的影响[5]，而丙烯酸乳液的分子量一般都在20MW以上，属于大分子的聚合物。据此确定对丙烯酸乳液的性能进行对比实验分析，研究其在凹版水基油墨中应用性能。得到实验分析结果为：选用不同的乳液聚合物可获得不同的成膜性能，都会使水基油墨的各方面性能得到不同程度的提高。从实验结果比较来看，加入YF-201乳液产品的水基油墨，虽然在光泽度方面稍劣于劳特公司的乳液产品OMNICRYL 1830，但在其他诸如粘度，干燥性能、抗摩擦性、抗水性方面均优于其它几种产品，同时鉴于成本的原因，国产乳液比进口乳液在价格上要低20%～25%。它的价格优势对增强国产水基油墨的市场竞争力很有帮助。所以通过本实验选定国产的YF-201乳液作为OPS油墨的组份。进一步实验发现硅烷的加入可以在不同程度上改善涂层的耐划伤性、附着力及抗水性，还可以改善结合牢固度。将大约1%的硅烷加入到乳液中，可以获得最佳的抗水性及抗摩擦性。3.2 OPS油墨配方及实验1、通过一系列试验分析，良好的OPS油墨实验配方如下：颜料                      14.0%丙烯酸树脂液              27.0%乙醇                       9.0%树脂乳液                  27.5%丙二醇甲醚                 8.0%水性分散剂                 0.5%水性乳化腊                 1.0%消泡剂                     0.5%流平剂                     0.5%水                        10.0%二氨基官能硅烷             1.0%2、实验方法：按照上述实验配方，在加入树脂乳液的同时加入1%的二氨基官能硅烷，调匀之后，检测OPS水基油墨的细度、粘度。放置24小时之后，用丝棒展于OPS收缩膜上。待完全干燥后，将印好的墨样剪下一块浸于盛有清水的烧杯中，放置观察刮样的变色程度以及溶液的染色程度。再用摩擦性测定仪(块重量为0.5Kg)对干燥印样的抗摩擦性能进行检测。3、实验现象：印好的墨样在水中浸泡第七天时，发现刮样开始变色；溶液开始被染色，抗水性属于第五级。对印样进行抗摩擦性检验，在干磨达到97次时开始漏出基材，在湿磨达到78次时开始漏出基材。4、实验检测的主要数据：对所得油墨的各项指标进行检测，得到如表3.8所示结果。表3.8  OPS水基油墨的检测结果项目 指标 细度 8μm 干燥性 初干性 30mm/25℃15s 彻干性 125s/100μm 抗水性 5级(>144h) 光泽 62 抗摩擦性 干磨 97次 湿磨 78次 粘度(涂4＃杯)25℃，s) 40 四、结论　　综合以上实验及分析结果，我们最终优选确定OPS油墨在环保、耐摩擦、抗水性及光泽度诸方面的配方。其性能指标及使用注意事项如下：1、OPS水基油墨的性能：①载色能力强，墨质细腻,色泽鲜艳，光泽度好,特别适用于食品、饮料、药品等卫生条件要求严格的包装领域使用。②附着牢度强，印品不易掉色、脱落,抗水性好，耐摩擦。③具有较好的干燥性能；适合印刷速度为60-90m/min的凹版印刷。④具有较好的印刷适性，不伤害OPS薄膜，能满足收缩要求。⑤储存稳定性好，不易沉淀、分层。在贮存过程中不结皮、不干结，使用中消泡效果很强，一般不会产生大量气泡导致印刷故障。⑥油墨干后即变成水不溶性物质，具有满足包装物特殊使用要求的性能。2、OPS水基油墨的使用注意事项：①宜室内存放，并在5～35℃温度范围内密闭保存。开启后贮存应随即加盖密封好，以防挥发和尘埃掉落。②使用前应将水基油墨整桶摇匀或开盖搅匀, 保持内在成分均一。③不同印刷机械对水基油墨上机时的使用粘度要求不同，用户可以用纯净水或软化水进行适当调整。④pH值是OPS水基油墨的主要技术指标之一，在使用中定时测定和调整水基油墨的pH值，以保持其稳定在8.0～8.5。　　大力开发研制新的OPS水基油墨，一方面，这符合国家提出的可持续发展战略，环保的加强解决了包装印刷工业发展的后顾之忧，也为其开辟了新的经济增长点；另一方面，向环保产业进军可为包装印刷业开发新的原料来源，具有经济与生态双重效益。惟其如此，才能保持包装印刷工业的长盛不衰，才能走在国际包装印刷行业的先进水平。 转载自：中外企业网