水性光油的研究

梁文波，鄭 軍，張士軍，劉 毅

（保定光普化工研究所，河北 保定 071000）

水性光油的研究

梁文波，鄭 軍，張士軍，劉 毅

（保定光普化工研究所，河北 保定 071000）

主要考察了Tg值、黏度調(diào)節(jié)樹脂H-8905、脫模劑H-862、耐磨蠟漿H-859對(duì)光油性能的影響。提出了滿足高光澤度和高耐磨性的上光光油和磨光光油配方。經(jīng)上機(jī)驗(yàn)證，上光油光澤度75以上，耐磨次數(shù)6000次以上；磨光油光澤度85以上，耐磨次數(shù)8000次以上，使用性能和VOC含量滿足出口要求。

水性光油；乳液聚合；光澤度；耐磨性；脫模劑；耐磨蠟漿

Abstract:The effects of Tg value,H-8905(viscosity adjusting resin),H-862(release agent)and H-859(wear resisting wax)on the performance of glazing oil were investigated.Depending on the result the glazing oil and buffing oil formulations were proposed which could meet the requirement of high glossiness and excellent wear resistance.According to the experimental data,the glossiness was above 75 and the wear resistance times was over 6000 of the glazing oil;and it was above 85 and over 8000 of the buffing oil.The performances and VOC content of products could meet the standard for export.

Key words:Waterborne glazing oil;emulsion polymerization;glossiness;wear resistance;release agent;wear resisting wax

引 言

光油是隨著包裝印刷業(yè)的快速發(fā)展而興起的一種產(chǎn)品。最初的紙質(zhì)印刷包裝品直接暴露于環(huán)境中，易產(chǎn)生的弊端在于：材料易受潮，表面印刷的油墨層易磨損，包裝品基本無(wú)光澤或光澤度較低。針對(duì)這種情況，首先普遍采用的方式是對(duì)紙質(zhì)印刷包裝品采用紙塑復(fù)膜的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，能夠解決上述問(wèn)題。紙塑復(fù)膜又帶來(lái)的一系列其他問(wèn)題：廢包裝材料回收時(shí)，紙塑分離困難，分離成本加大，并直接導(dǎo)致大量廢棄物的產(chǎn)生，且某些出口包裝材料不允許采用復(fù)膜工藝。為降低分離成本，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，通過(guò)采用對(duì)包裝材料進(jìn)行涂層保護(hù)的辦法解決以上問(wèn)題，即對(duì)印刷包裝品進(jìn)行光油涂布，光油干燥成膜后形成防水、防潮、柔韌、耐磨且具有一定光澤的保護(hù)涂層，既滿足了印刷包裝品在美觀、實(shí)用等方面的要求，又避免了環(huán)境污染廢棄物的產(chǎn)生[1～4]。

針對(duì)環(huán)保性的要求，目前的光油以水性化的研究更具發(fā)展前景，溶劑型或醇基光油僅用在特殊的場(chǎng)合和時(shí)間段。水性光油基本能夠滿足包裝印刷行業(yè)對(duì)印刷品的美觀、實(shí)用等各方面的要求。上光光油（或簡(jiǎn)稱水性上光油）一般用于中低檔紙質(zhì)包裝印刷材料，使包裝印刷品具有防水、防潮、耐磨、耐折等性能需求，磨光光油（或簡(jiǎn)稱水性磨光油）與之對(duì)應(yīng)，主要用于高檔印刷包裝品，除滿足上述基本作用外，突出的特點(diǎn)是高光澤和高耐磨性能。

包裝印刷行業(yè)在理化指標(biāo)，上機(jī)適應(yīng)性能和使用性能等方面均對(duì)水性光油提出了具體要求[2]，即光油本身需具有合適的黏度和固含量，上光過(guò)程中，上油量適中且厚度均勻，能夠在進(jìn)出烘道過(guò)程中正常干燥成膜，水性上光光油（或簡(jiǎn)稱水性上光油）成膜后具有良好的光澤度和良好的耐磨，耐折，防水，防潮，防粘污等性能，水性磨光光油（或簡(jiǎn)稱水性磨光油）在磨光過(guò)程中不掉板，不粘板，成膜后除滿足上述基本性能外，在光澤度和耐磨性能等方面更為突出。本文主要針對(duì)以上要求，對(duì)水性上光油和磨光油進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，得到黏度50～150mPa·s（16s到20s）范圍內(nèi)可調(diào)，固含量30%～35%范圍內(nèi)可調(diào)，上光油光澤度70以上，耐磨次數(shù)6000次以上，磨光油光澤度85以上，耐磨次數(shù)8000次以上的光油系列產(chǎn)品，滿足目前的國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)使用性能優(yōu)良。經(jīng)廣東某公司試機(jī)使用，VOC含量達(dá)標(biāo)，光澤度和耐磨性均能夠滿足出口要求，既能用于普通行業(yè)對(duì)包裝印刷品的需求，又能用于特殊行業(yè)對(duì)包裝印刷品高檔次的需求，并有望開拓?zé)煱庥偷葘?duì)光油使用性能要求更高的行業(yè)和領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸均為聚合級(jí)工業(yè)品；乳化劑、交聯(lián)劑，均為進(jìn)口工業(yè)產(chǎn)品；SR-658丙烯酸樹脂為阿根廷琳可公司產(chǎn)品；黏度調(diào)節(jié)樹脂（H-8905）、脫模劑（H-862）、耐磨蠟漿（H-859）為上海光普化工有限公司產(chǎn)品；流平劑，消泡劑，抗刮傷劑等為進(jìn)口工業(yè)產(chǎn)品。

1.2 儀器

電熱恒溫水浴槽，精密增力電動(dòng)攪拌器，5kg實(shí)驗(yàn)反應(yīng)設(shè)備，反應(yīng)釜、高速分散機(jī)（山東萊州盛源化工機(jī)械廠），微波爐，NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司），涂-4杯黏度儀，XGP便攜式鏡向光澤度計(jì)（天津市信通光達(dá)科技有限公司），耐磨擦實(shí)驗(yàn)儀（臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司，有所改裝）。

1.3 制備工藝

水性光油主要由光油乳液、樹脂液、助劑、溶劑進(jìn)行復(fù)配加工制得，其生產(chǎn)可以分為兩個(gè)主要環(huán)節(jié)：光油乳液的制備，光油成品的調(diào)配。

（1）光油乳液的制備。光油乳液的聚合生產(chǎn)采用釜底加入保護(hù)膠，單體直接滴加法進(jìn)行。先將釜底水，保護(hù)膠，乳化劑，交聯(lián)劑，引發(fā)劑投入釜底，升溫到反應(yīng)溫度?；旌蠁误w在規(guī)定時(shí)間內(nèi)勻速滴加完畢，單體滴加完畢后保溫1h，使聚合反應(yīng)完全，得到光油乳液[5～6]。

（2）光油成品的調(diào)配。將光油乳液，樹脂液，溶劑，助劑按規(guī)定順序和程序加入混合并攪拌均勻，并用高速分散機(jī)充分分散均勻，即得到水性光油[3～4]。

1.4 水性光油的表征和性能測(cè)定

（1）黏度：根據(jù) GB/T 11175-2002，采用 NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，選擇合適的轉(zhuǎn)子和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速測(cè)定光油的黏度。

（2）固含量：取2g產(chǎn)品，微波爐中燒烤至恒重，記錄烘干前后產(chǎn)品的質(zhì)量，計(jì)算固含量。

固含量=樣品干重/樣品濕重×100%

（3）光澤度：光澤度反映了光油干燥成膜后包裝印刷材料的美觀程度，使用60度鏡向光澤度儀對(duì)光油涂膜進(jìn)行光澤度的檢測(cè)[3]。

（4）耐磨性：耐磨性反映了光油成膜后包裝材料在裝卸、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，對(duì)外力磨損的耐受程度。實(shí)際檢測(cè)方法可以采用一定質(zhì)量的重物對(duì)光油層進(jìn)行不間斷往復(fù)磨擦，模擬外力的破壞作用，以光油層被磨損而油墨層剛剛出現(xiàn)露底時(shí)的磨擦次數(shù)表征水性上光油的耐磨性[3]。具體方法為：將印刷油墨層的白板紙裁切成3cm×20cm大小，并進(jìn)行光油涂布，烘干，然后將白板紙放在耐磨擦實(shí)驗(yàn)儀上進(jìn)行磨擦破壞實(shí)驗(yàn)。耐磨擦實(shí)驗(yàn)儀對(duì)白板紙的施重為2.72kg壓力，施重滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到破壞光油層的作用。

2 結(jié)果與討論

水性光油在使用過(guò)程中，一般要求具有合適的黏度（17～25s，或 50～200mPa·s） 和固含量（30%～40%），以及較快的干燥速度（進(jìn)出烘道過(guò)程中即干燥成膜），光油成膜后要求具有較高的耐磨性和較高的光澤（特種光油如啞光類光油除外）。針對(duì)以上的要求，需要對(duì)水性光油的四個(gè)重要組成部分：光油乳液，樹脂液，溶劑，助劑進(jìn)行合理調(diào)配，以達(dá)到所需的要求。

2.1 光油乳液的制備

根據(jù)光油的黏度要求，控制的光油乳液的黏度區(qū)間范圍為300～700mPa·s。在光油乳液制備過(guò)程中，以SR-658樹脂液為保護(hù)膠，對(duì)乳液聚合過(guò)程起保護(hù)作用，防止乳液破乳。該樹脂的Tg值為98℃，以其為保護(hù)膠所得的乳液調(diào)配所得光油成品，具有良好的耐熱性，保證高溫不反粘，防止成膜后粘連。采用加入丙烯酸和特種交聯(lián)劑，可以提高光油乳液內(nèi)聚強(qiáng)度，增加附著力和提高耐磨擦性能，并能夠合理調(diào)節(jié)光油乳液的黏度[5]。

2.2 光油的黏度對(duì)光油的影響及光油黏度的調(diào)節(jié)

光油的黏度直接影響了上油量的多少，黏度過(guò)高，上油量過(guò)大，不易烘干成膜，且上油過(guò)程中易帶紙，卡紙，黏度過(guò)低時(shí)，上油量少，耐磨性差。通常光油黏度 17～20s（涂－4 杯），50～100mPa·s(NDJ-1 型黏度計(jì)），固含量30%～35%較常見(jiàn)，可以直接上機(jī)使用。為了控制黏度，選用一種具有黏度調(diào)節(jié)作用的特殊樹脂H-8905，并溶解成樹脂液，固含量一定時(shí)，光油黏度隨H-8905的變化趨勢(shì)如下圖所示。

圖1 H-8905用量與光油黏度（黏度計(jì)黏度）的關(guān)系Fig.1 The relationship between H-8905 amount and viscosity(viscosity meter)of glazing oil

圖2 H-8905用量與光油黏度（涂-4杯黏度）的關(guān)系Fig.2 The relationship between H-8905 amount and viscosity(Tu-4 cup)of glazing oil

從表中可以看出，光油的黏度與H-8905的用量呈正相關(guān)的關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)H-8905的用量，便可以得到所需的黏度。另外，為了使光油干燥速度適中，在進(jìn)烘道的過(guò)程中即干燥成膜，通過(guò)調(diào)節(jié)乙醇和水的用量和比例，控制固含量30%～35%，以滿足上機(jī)適應(yīng)性的要求。

2.3 光油的Tg值設(shè)定

光油的Tg值與軟硬乳液的配比，樹脂液的用量直接相關(guān)。高Tg值的光油，成膜后光澤度高，耐磨性優(yōu)良，不會(huì)產(chǎn)生熱粘的情況，但是高Tg值的光油，最低成膜溫度較高，成膜過(guò)程能耗大，并且會(huì)產(chǎn)生冷脆的情況。以磨光光油為例，以下是不同比例的軟硬乳液與樹脂液進(jìn)行調(diào)配時(shí)，光油使用性能的變化趨勢(shì)。

從表中可以看出，當(dāng)軟乳液的量低于30%時(shí)，光油Tg值較高，成膜后雖然耐磨性能較高，但是成膜后發(fā)脆，尤其是低溫使用時(shí)，紙制品在模切，凹凸處理過(guò)程中，冷脆問(wèn)題突出，易出廢品。當(dāng)軟乳液的比例超過(guò)50%時(shí)，光油Tg值較低，成膜后耐磨性能較低，且存在熱粘問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間海洋運(yùn)輸過(guò)程中，尤其是遠(yuǎn)洋運(yùn)輸至溫?zé)岬貐^(qū)時(shí)，可能導(dǎo)致粘連。當(dāng)樹脂液的比例較高時(shí)，光油成膜后光澤度較高，但同時(shí)，光油的成本會(huì)相對(duì)較高。為使光油具有較高的光澤度，較高的耐磨性能，以及適應(yīng)較寬的溫度使用范圍，通常在磨光油冬季配方體系中設(shè)定軟乳液比例為35%～45%，硬乳液比例為10%～20%，樹脂液比例為40%～50%。這種設(shè)定，即滿足了光油使用時(shí)對(duì)性能的要求，且在通用的烘道溫度80℃下，能夠正常成膜，避免過(guò)多的能耗損失。

表1 光油性能與各主要成分的關(guān)系Table 1 The relationship between the performance and the mean compositions

光油的成膜不僅要考慮到光油自身的Tg值影響，還與外界溫度，濕度密切相關(guān)，因此，光油Tg值的設(shè)定不僅是FOX公式的簡(jiǎn)單應(yīng)用，還要與上機(jī)使用條件和各地的氣候條件緊密相關(guān)，綜合各因素周到考慮，才不失偏頗。普通的光油配方體系一般能滿足防水，防潮，防粘污，柔韌，較高光澤和較高耐磨性能，而涉及到光油光澤度，耐磨性大幅度提高，則需要使用特種助劑對(duì)其進(jìn)行深入的優(yōu)化改良。

2.4 特種助劑對(duì)光油性能影響

光油在包裝印刷行業(yè)使用過(guò)程中的核心要求是：光澤度，耐磨性。光油的主體原料光油乳液，丙烯酸樹脂，溶劑相決定了光油的基本性能并影響了上機(jī)適應(yīng)性能，助劑的選擇直接影響了光油性能的提高。光澤度和耐磨性的提高依賴于光油體系的流平性，混溶性和干燥成膜過(guò)程中分子分布的均勻互補(bǔ)性。針對(duì)這些內(nèi)在本質(zhì)因素的考察，便能夠理解脫模劑和耐磨蠟漿在其中所起的作用。

脫模劑對(duì)光油性能的影響：脫模劑為一種脂類物質(zhì)，與樹脂，乳液等具有極好的相容性，并且能使其他助劑均勻地分散于光油中，起到潤(rùn)滑，流平的作用，從而能夠提高光油的光澤度和耐磨性能。下圖是脫模劑對(duì)上光光油光澤度和耐磨性的影響。

H-862的用量對(duì)光油使用性能的影響。

圖3 H-862用量與耐磨性的關(guān)系Fig.3 The relationship between H-862 amount and wear resistance

圖4 H-862用量與光澤度的關(guān)系Fig.4 The relationship between H-862 amount and glossiness

從圖中可以看出，隨H-862用量從5g/kg到30g/kg逐漸增加，印刷包裝品的光澤度和耐磨性均明顯提高，表明在此過(guò)程中，上光油中光油乳液與樹脂液及其他助劑混溶性更均勻，流平性能提高，成膜后涂層光滑，平整，使得光澤度和耐磨性能均明顯提高，而當(dāng)H-862超量時(shí)，整體性能不再有顯著的提高。

蠟漿的影響：耐磨蠟漿H-859的主體成分為一種高熔點(diǎn)的聚乙烯蠟，在磨光光油的磨光過(guò)程中，鋼輥高溫將蠟熔化，在冷卻過(guò)程中分子重新排布，形成光亮致密的涂層，從而提高光澤度和耐磨性能。下圖是耐磨蠟漿對(duì)磨光光油使用性能的影響：

圖5 H-859用量與光澤度的關(guān)系Fig.5 The relationship between H-859 amount and glossiness

圖6 H-859用量與耐磨性的關(guān)系Fig.6 The relationship between H-859 amount and wear resistance

從圖中可以看出，H-859用量從5g增加到40g，光澤度從76提高至86；耐磨次數(shù)從6500次升高到8100次。而其用量在5～30g時(shí)，兩項(xiàng)指標(biāo)增加明顯，其用量大于30g以后，兩項(xiàng)指標(biāo)增加不顯著，因此，確定H-859的用量為30g。

2.5 光油配方體系的設(shè)定

綜合以上分析，得到上光光油和磨光光油配方體系，及夏、春秋、冬季不同的配方系列。

以上光光油夏季配方為例，主體成分的配比為：

軟乳液∶硬乳液∶SR-658樹脂液∶H-8905樹脂液∶溶劑相=390∶220∶270∶50∶60，特種助劑H-862加量3.6%，滿足光澤度75以上，耐磨次數(shù)6000次以上，。

以磨光光油冬季配方為例，主體成分的配比為：

軟乳液∶硬乳液∶SR-658樹脂液∶H-8905樹脂液∶溶劑相=320∶290∶270∶50∶60，特種助劑H-862加量3.6%，H-859加量為3.0%，滿足光澤度85以上，耐磨次數(shù)8000次以上。

該配方體系中的光油乳液與樹脂液滿足一般通用的光油開發(fā)與應(yīng)用，通用性強(qiáng)，適應(yīng)性廣。脫模劑H-862，耐磨蠟漿H-859作為高性能的助劑，可用于其他不同類型的光油配方體系中，調(diào)整加入量及比例，可明顯提高原配方的光澤度和耐磨性能。

磨光油在廣東某公司出口包裝材料試機(jī)效果良好，滿足了出口的要求。進(jìn)行合理配方優(yōu)化后，有望用于煙包等對(duì)光油性能要求更高的行業(yè)和領(lǐng)域。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水性光油作為一種環(huán)保的產(chǎn)品，使用于包裝印刷行業(yè)，能夠提高印刷品的光澤度、耐磨性，使印刷包裝品更美觀、實(shí)用、高檔。

（2）為了使光油適應(yīng)南北地理差異和季節(jié)氣候差異，通過(guò)調(diào)整軟硬乳液，樹脂液的比例和用量，能夠滿足上機(jī)的基本要求，根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)調(diào)整H-8905的用量，控制溶劑相水和乙醇的比例和用量，能夠得到固含量35%，黏度80mPa·s的上光油和磨光油。上機(jī)驗(yàn)證表明滿足一般性基本要求：防水，防潮，柔韌，耐磨，耐刮擦，光亮等。

（3）通過(guò)使用特種助劑，在原有上光油配方體系和框架內(nèi)加入適量的脫模劑H-862，可以使水性上光油產(chǎn)品光澤度達(dá)到75以上，耐磨次數(shù)6000次以上；在原有磨光油配方體系和框架內(nèi)，加入適量的脫模劑H-862及耐磨蠟漿H-859，可以使水性磨光油的光澤度達(dá)到85以上，耐磨次數(shù)8000次以上。兩種助劑不僅能在此光油配方體系內(nèi)起到明顯的作用，用在其他光油配方體系也會(huì)起到類似的效果，并且搭配合理，能夠明顯改善原體系的不足，明顯提高光澤度和耐磨性。

（4）該配方體系的上光油與磨光油經(jīng)上機(jī)驗(yàn)證，主要指標(biāo)均滿足出口要求，使用新的助劑優(yōu)化后有望在煙包光油等物種高端印刷包裝行業(yè)廣泛應(yīng)用。

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Study on the Waterborne Glazing Oil

LIANG Wen-bo,ZHENG Jun,ZHANG Shi-jun and LIU Yi

(Baoding Guangpu Chemical Industry Research Institute,Baoding 071000,China)

TQ 437.2

A

1001-0017（2011）01-0043-05

2010-08-24

梁文波（1979-），男，河北省徐水縣人，碩士研究生，技術(shù)工程師，主要從事水性丙烯酸（酯）類乳液聚合、特種膠黏劑、特種涂料的研究開發(fā)工作。