1、水性 UV 油墨刘老师 *，张老师，王老师(南京大学科技园飞秒检测中心，南京，210032，)摘要：本文综述了水性 UV 油墨的组成和分类，分析了水性 UV 油墨的固化干燥及其影响因素，并对水性 UV 油墨的应用和注意事项进行了阐述。关键词：水性 UV 油墨；固化干燥；应用；分类 引言随着人类环境保护意识的不断增强，绿色环保已成为 21 世纪的发展主题。近年来，很多国家已在包装印刷方面增加了许多卫生、环保方面的要求和制约条件，尤其是对食品包装印刷，由于使用有机溶剂油墨和上光油会排放碳氢化合物污染空气并有损健康所以目前发达国家的食品包装印刷已基本上不再使用溶剂型的印刷材料，而是研究开发和应用公害
2、小，污染少的绿色包装印刷材料可见有利于环境的绿色包装印刷材料必将更加受到重视和发展。水性油墨主要是由预聚物（水基光固化树脂） 、光引发剂、颜料、胺类物质、水、助溶剂和其它添加剂等配制而成的一种新型环保油墨。主要应用于食品、药品、饮料、烟酒及与人体接触的日用品包装印刷等方面。水性 UV 油墨和普通 UV 油墨的最大区别在于用水作为溶剂，而不再使用单体稀释剂，这从根本上解决了使用单体稀释剂时，与人体接触产生的刺激作用，甚至引起皮肤过敏等对人体造成一定的伤害，在环保上有了更大的优势。水性 UV 油墨以水和乙醇等作为稀释剂，结合了水性油墨与 UV 油墨的特点。不添加有机溶剂，保证极微少的 VOC 排放
3、，无臭味，无易燃易爆的危险，油墨生产和印刷生产现场环境和卫生条件得到根本改善。能够符合环境保护管理部门对本行业的最严厉要求。一、 水性 UV 油墨的组成水性 UV 油墨主要是由预聚物（水基光固化树脂） 、光引发剂、颜料、胺类物质、水、助溶剂和其它添加剂等配制而成。1、预聚物 预聚物既水基光固化树脂，是 UV 上光油中最基本的组份。它是成膜物质，其性能对固化过程和固化膜的性质起着重要作用。从结构上看，齐聚物都为含有 C=C 不饱和双键的低分子树脂，大都为丙烯酸树脂。目前，常用于 UV 上光油中的齐聚物有环氧丙烯酸树脂、聚氨酶丙烯酸树脂和聚酯丙烯酸树脂等。环氧丙烯酸树脂具有固化速度快、价格便宜等特
4、点，制成的上光油涂布于纸或纸板上，能使其具有良好的耐化学药品性和较高的机械强度。聚氨酯丙烯酸树脂具有柔韧性好、弹性强、光泽度高等特点，但价格较贵，常与环氧丙烯酸树脂混合使用。聚酯丙烯酸树脂黏度低，柔韧性好，价格较便宜。由于它对非吸收性承印物如塑料、金属等的附着力好，因此常用作这类材料的上光油，一般与其他树脂混合使用，有时可作上光油的稀释剂，用来调节环氧丙烯酸树脂和氨酯丙烯酸树脂的黏度。2、光引发剂 光引发剂是能吸收辐射能，经过化学变化产生具有引发聚合能力的活性中间体的物质，是任何 UV 固化体系都需要的主要成分。光引发剂可分为夺氢型和裂解型。夺氢型光引发剂需要和一含活泼氢的化合物（一般称助引发
5、剂，通常为胺类化合物）相配合，通过夺氢反应形成自由基。它是双分子光引发剂，在上光油中常用的有二苯甲酮（BP）等。裂解型光引发剂受光激发后，分子内分解出自由基，是单分子光引发剂。3、颜料颜料在油墨中起着显色作用，它又对油墨的一些特性有直接的影响。颜料是不溶于水和有机溶剂的彩色、黑色或白色的高分散度的粉末，根据其来源与化学组成，分为有机颜料和无机颜料两大类。无机颜料是有色金属的氧化物，或一些金属不溶性的金属盐，无机颜料又分为天然无机颜料和人造无机颜料，天然无机颜料是矿物颜料；有机颜料是有色的有机化合物，也分为天然和合成的两大类。现在常用的是合成有机颜料，有机颜料的品种多，色彩比较齐全，性能优于无机
6、颜料。对印刷油墨中使用的颜料要求颇高，特别是颜色、分散度、耐光性、透明度等，要求彩色颜料的色调接近光谱颜色，饱和度应尽可能大，三原色油墨所用的品红、青、黄色颜料透明度一定要高，所有颜料不仅要耐水性，而且要迅速而均匀地和连接料结合，颜料的吸油能力不应太大，颜料最好具有耐碱、耐酸、耐醇和耐势等性能。颜料颗粒的颜色、大小和浓度都会影响到水性 UV 油墨的固化速度和附着力。4、添加剂 添加剂主要用来改善油墨的性能。水性 UV 光油中常用的助剂有增稠剂、流平剂、附着力促进剂等。增稠剂 增稠剂又称胶凝剂，它可以提高物系粘度，使物系保持均匀的稳定的悬浮状态或乳浊状态，或形成凝胶。流平剂 流平剂用来改善上光膜
7、面的流平性，防止缩孔的产生，同时也增加了上光涂层的光泽度。附着力促进剂 附着力促进剂用于促进油墨的 PET 塑料表面的附着力。二、 水性 UV 油墨的固化干燥机理水性 UV 油墨干燥固化结合了 UV 光固化和水性油墨渗透蒸发二种干燥形式，具体说主要有两种干燥方式：水性体系的预挥发干燥和紫外光固化。1、预挥发干燥机理 预干燥是光固化之前必须有的一道工序，不进行预干燥将导致光固化的最终结果不理想。在水性 UV 油墨的制造过程中，水基光固化树脂通过添加一种碱或者酸使其变成羧酸盐才能溶于水，其中通过加氨水使其成盐的反应可示为：R-COOH+NHR-COO+NH（水溶性）反过来，在预干燥过程中发生的反应
8、是： R-COO+NHR-COOH（水不溶）+NH2、光固化成膜机理UV 固化水性材料的固化是指在紫外光的照射下，光引发剂吸收紫外光的辐射能后分裂成自由基，引发预聚物发生聚合、交联接枝反应，在很短的时间内固化成三维的网状高分子聚合物，得到硬化膜，实质是通过形成化学键实现化学干燥。其固化过程一般可分为四个阶段：光与光引发剂之间相互作用，它可能包括对光的吸收和光引发剂之间的相互作用；光引发剂分子发生重排，形成自由基中间体；自由基与齐聚物中的不饱和基团作用引发链或聚合反应；聚合反应继续，液态的组分转变为固体聚合物。影响水性 UV 油墨固化干燥的因素很多，本文只对其主要的影响因素进行讨论，这些因素有以
9、下几方面：水性体系的预干燥对光固化的影响固化前的干燥条件对固化速度的影响很大，不干燥或干燥不完全时，固化速度较慢，且随曝光时间的延长，胶凝率无明显提高。这是因为，尽管水对抑制氧的阻聚作用有一定的效果，但是这只能使墨膜表面迅速固化，只达到表干，而不能达到实干。由于体系内含有大量的水，体系在一定温度下固化时，随着墨膜表面水分的迅速挥发，墨膜表面迅速固化，膜层里面的水则难以逸出，大量的水残留在墨膜中，阻止了墨膜的进一步固化，固化速度降低。另外，UV 照射时的周围温度对 UV 油墨的固化有很大的影响。温度越高，固化性越好。因此施行预热的话，油墨的固化性会增强，附着性更好。水性 UV 固化树脂对光固化的
10、影响 水性 UV 固化树脂要进行自由基光固化，这就要求树脂分子必须带有不饱和基团，在紫外光的照射下，分子中的不饱和基团互相交联，由液态涂层变成固态涂层。通常采用引入丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基醚或烯丙基的方法，使合成的树脂具有不饱和基团，从而可以在合适的条件下进行固化，丙烯酸酯由于其反应活性高而经常被使用。对于自由基型紫外光固化体系，随分子中双键含量的增加，涂膜的交联速度会增大，固化速度将加快。而且不同结构的树脂对固化速度影响不同，各种官能团的反应活性一般按以下顺序升高：乙烯基醚烯丙基甲基丙烯酰基丙烯酰基。因此一般以引入丙烯酰基和甲基丙烯酰基为主，使树脂具有较快的固化速度。三、 水性 UV
11、油墨的分类按照组成和水在油墨中分散情况的不同，水性油墨一般分为以下几种：1、水性油墨乳化型通过外加表面活性剂（乳化剂） ，并运用一定的外力，有可能把预聚物乳化，成为水分散体系（水包油型） 。这种油墨生产工艺比较简单，其乳化剂的性能直接影响预聚物的状态及油墨的稳定性，流动性等。乳化剂应由亲水基团和亲油基团组成，亲水基团和水相溶；亲油基团一般为长的烷烃链，与树脂液滴相溶。乳化剂的分子间排斥和吸引作用，使树脂的液滴保持一定的距离，保持稳定后，可以形成稳定的乳状液。在这个稳定的体系中，离子基团的稳定性会受到溶液酸碱性的影响，所以值的变化对这种油墨的性质会产生很大的影响。但乳化剂在固化时仍然留在涂膜中，
12、使墨膜的耐油和耐水性下降，会影响墨膜的状态和油墨的质量。2、水性油墨离子基自乳化型把离子基引入到树脂的大分子结构中去，然后再利用相反性的离子去中和分子链上的离子，这样得到的树脂具有很好的自乳化性能。就是一个生成亲水基的过程，利用其能溶于水的性质，形成乳化液。预聚物可以在水中形成很小的颗粒，具有很好的润湿性和稳定性，可以保存相当长的时间。3、水性油墨水分散树脂液混合水性油墨中的预聚物与水分散树脂（一般为丙烯酸酯类树脂）混合，并分散在水中，但这种油墨所得固化膜的交联密度不高，化学耐抗性也差。实际中研究得比较多的是聚氨脂丙烯酸酯类树脂，丙烯酸酯化聚丙酯等树脂。与一般树脂的区别在于如何引入亲水性基团，
13、一般在实际操作中可以利用二元醇得到亲水链段或成为离子型自乳化树脂。四、水性油墨的主要应用领域及使用注意事项目前印刷中许多特种效果都需用到油墨，广泛应用于各种印刷方式，总的来说，在丝网印刷，柔印和胶印上，水性油墨可以得到很好的应用。水性油墨有着快速连线干燥的特性，而此种特性使它可以印在非纸类承印物上，如塑胶类的、合成纸等等，且因为它可以快速连线干燥使得再加工或翻面再印皆可不需等待，因此干燥时可不需喷粉，即使印在纸上也有更高的光泽度及耐摩擦力。水性油墨的环保性和高品质印刷使其在食品、药品、饮料、烟酒及与人体接触的日用品包装印刷等方面应用非常广泛。水性油墨的使用必须注意以下一些方面：1、油墨使用前必
14、须充分彻底搅拌，以获得较好的油墨性能。必须使预聚物和溶剂充分溶合，油墨才会表现出好的性能；若搅拌不均匀，在预聚物分子间的作用力下，溶剂挥发后的油墨黏度突然变大，不利于印刷过程中的质量控制。2、印刷过程中若墨层不够薄而造成网点扩大时，可在第一色中加入减薄剂，也可以在第一色和第二色中都加入减薄剂。在相同印刷条件下，由于油墨比溶剂型油墨的墨层厚一些，所以在网版制作前应对底片的网点进行工艺调整。丝网印刷中，在网版制作时，选择较高目数的单丝薄型丝网或选择专用于油墨的单面压平丝网，还可以控制网版感光层的厚度等来达到要求。3、使用水性油墨印刷时，必要时要对印刷塑料基材的表面进行处理。承印材料如果是表面能力较
15、小的塑料薄膜时，由于吸附力较小会影响油墨的附着，影响印品的质量和实际使用中的耐磨能力，必须要进行表面处理。一般有磨砂，电晕，表面氧化等。4、温度和湿度的控制 用温度的控制来影响水性油墨的干燥速度，得到具有良好印刷质量的印品和较好性能的墨层。在使用塑料进行印刷时，湿度的控制可以避免塑料薄膜等承印材料之间的吸附、带电等一系列问题。去除静电，除了用温度和湿度进行控制外，也可以添加静电去除剂。五、结束语就目前我国的水性油墨的生产和使用来说，形势不容乐观，国内生产厂家不但寥寥可数，而且产品只能在低水平上徘徊。经仔细观察不难发现，从油墨生产商，如天津东洋油墨有限公司、杭华油墨化学有限公司等国内知名厂商，其产品都添加了“合资”成分，到橡皮布生产商如上海明治橡胶制品有限公司等知名橡皮布生产厂商，主要技术含量及生产工艺均被合资公司占据。而在水性油墨方面打出自己旗号的企业，几乎没有。但是，水性油墨必将是未来环保油墨的一个发展方向。
