UV固化纸张水性上光油的研究
张 恒,杨卓如
(华南理工大学化工与能源学院化工研究所,广东广州, 510640)
摘要:合成了UV固化水性上光油的预聚物,并进行了光油的配方优化实验,研究了涂料粘度、固含量与涂膜光泽度之间的相互关系,所研制的UV固化纸张水性上光油完全达到溶剂型纸张上光油的指标。
关键词:环氧丙烯酸酯,紫外光固化,水性涂料
中图分类号:TQ630
纸品的紫外固化上光加工是在印刷品表面通过辊涂(或喷涂、印刷)上一层无色透明的涂料,经过流平、紫外光固化、压光后在纸或纸板表面形成薄而均匀的透明光亮层,纸品通过上光处理后,增加了表面光泽度、平滑度、耐磨性能和耐水性能,能够起到保护印刷图文的作用,因此被广泛用于包装装潢、画册、大幅装饰和广告等印刷品的表面加工中。
紫外固化纸张上光油是一种对纸或纸板进行表面处理以获得很高的光泽度、耐磨性和耐水性能的印刷化学品,具有固化时间短、成膜速度快、光泽度高和成本低等特点,得到广泛应用[1, 2]。但由于目前国内大多使用的上光油为溶剂型,配方中少不了使用丙烯酸酯类的活性稀释单体,其中某些单体对环境及人体健康可能有害。纸张是一种多孔吸附介质,在涂布、固化过程中活性单体难以完全反应,易于吸附残留于纸张纤维层中,会对印刷品长期性能和环境的安全指标有不利的影响[3]。因此,纸张上光油发展趋势是以水代替活性稀释剂,避免了纸品使用环境中VOC(可挥发有机物)的产生,而且如果上光油为水性组分,易于纸品的回收再生加工,实现完全的绿色环保效应,应该是UV涂料研究与开发的方向[4, 5]。
本实验由环氧丙烯酸酯通过马来酸酐改性后引入亲水性基团,最后用弱碱中和,制得水性环氧丙烯酸酯体系的预聚物,再加上引发剂和各种功能助剂,用水稀释到一定粘度后配制成紫外光固化纸张水性上光油。通过实验研究了环氧丙烯酸酯预聚体的合成条件,分析光油粘度、固含量与涂膜光泽度之间的相互关系,并测试研究涂层性能。
1 实验
1·1 原料和仪器
双酚A环氧树脂(E-44),工业级;丙烯酸,化学纯;马来酸酐,分析纯; N, N-二甲基苄胺,分析纯;对羟基苯甲醚,分析纯;光引发剂Irga-cure 2959, Ciba公司;流平剂;消泡剂。紫外光
固化机;旋转式粘度计。
1·2 水性环氧丙烯酸酯预聚体和上光油的制备
在装有温度计、搅拌器、冷凝管、滴液漏斗的四口烧瓶中,加入环氧树脂和阻聚剂,升温至70℃,通过漏斗滴加一定量的丙烯酸,升温后每隔一小时取样测酸值,直至酸值小于8mg/KOH时停止反应,降温至70℃后加入一定量的马来酸酐、N, N-二甲基苄胺和对羟基苯甲醚,升温至90~100℃反应2小时后降温至40℃,得到水性环氧丙烯酸酯预聚体。将预聚体加入氨水,中和pH值至中性,再按一定比例加入光引发剂和助剂,加入适量水调节粘度,搅拌均匀,得到水性纸品上光油,用辊式涂布器将上光油涂布在纸板上,然后在紫外光固化机上固化,得到上光纸制品,再进行各项测试。
1·3 上光油配方试验
根据上光油光泽度高的要求,结合底材纸张的特点进行配方研究,找出较佳的配方,并进行光泽
度、附着力、固化速度等的测定。
1·4 测试
酸值:氢氧化钾-乙醇溶液滴定法,单位:mgKOH/g;环氧值:盐酸丙酮法,环氧基物质的量/100g树脂;粘度: Brookfield粘度计(25℃, 3#转子, 50r/min);固化时间:指干法;固化膜硬度:GB6739-86(铅笔法);固化膜附着力: 600#胶带法(90度);光泽度: 60°光泽度。
2 结果与讨论
2·1 水性上光油固含量和粘度与光泽度的相互关系
随着水性上光油固含量的增加,粘度随之提高,而涂膜的光泽度也相应增加,但增加到一定程
度后又有略微下降,这是因为当光油固含量较低时,涂膜中含水量较多,纸对光油中的水量有较大的吸收,这导致底材由于吸水影响了平整度,另外由于固化时水的挥发,导致光油流平不好,使光泽度降低。而当水性上光油固含量增加时,粘度随之提高,表面张力太大,流平困难,也导致了光泽度降低,从实验可以看出,固含量在75%至80%之间能够获得较好的涂膜光泽度。
2·2 水性上光油pH值、粘度和光泽的相互关系
水性上光油的pH值主要是由氨水来调节的,从图2可以看出,水性上光油pH值应控制在8~9
之间。若pH值太高则碱性太强,光油的粘度就会降低,影响光泽度; pH值太低时,碱性太弱,粘
度升高,在流平过程中氨水过快地挥发,使流平过程不能充分完全,这也影响了涂层的光泽度。
2·3 光油固含量对UV固化过程的影响
由表1可见,随着UV上光油固含量的提高,固化时间随之减少,但这不说明预聚物交联速度随
着固含量的提高而增加,当固含量为55%时,由于体系中有大量的水存在,少部分通过底材的吸收向下脱除,大部分还是通过空气挥发去除,因此UV固化箱里的温度提高有助于涂层内水的去除。与溶剂型UV上光油相比,水性体系中的光油固化前要脱除水份,总固化周期较长,这也是水性UV涂料的缺点。
2·4 上光油性能研究
经过大量配方试验,根据主要性能测试的筛选,获得较佳的两个配方。其中配方1#适于涂布较薄的纸张,配方2#适于涂布较厚的纸板。
表2为上光油的优化配方,表3为其固化性能测试结果。由测试结果看,所研制的UV固化纸张上光油能够满足要求,其性能指标不低于溶剂型UV上光油。
3 结论
制备出了用于UV固化的改性EA预聚物,经过配方的优化改进,已达到UV上光油的要求。通
过考察固含量对光油粘度和光泽度、流平性能的影响,发现光油粘度随固含量的增加而提高,光泽度增加后略有降低,因此对固含量的要求比较重要。本实验合成的水性上光油在性能上已基本达到溶剂型上光油的技术指标,同时具有无污染,涂布后的纸品易于回用等特点,显示出了良好的应用前景,后续工作将进一步对水性引发体系进行实验研究,开发出具有商业意义的UV固化水性上光油。
参考文献
1 白新德,查萍,尹应武.紫外光固化涂料的研究现状[J].清华大学学报(自然科学版), 2001, 41(10): 30~32
2 王德海,江棂.紫外光固化材料—理论与应用[M].北京:科学出版社, 2001
3 张强宇,肖新颜.国内紫外光固化涂料的发展及应用[J].合成材料老化与应用, 2004, 33(2): 26~29
4 唐薰,李喜见,陈洪,等.UV固化纸印品水性上光油的研制[J].涂料工业, 2003, 33(6):7~8
5 文应军,阳贱华,王青,等.紫外光固化纸张罩光涂料的研究[J].涂料工业, 2000, (1): 16~17
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