固態(tài)助劑對(duì)油墨耐磨性的影響

劉軍啟，魏金棟，閆 璐，徐 海，李紅兵，梁小平，劉志鋒

(1. 天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2. 青海雅豐彩色印刷有限責(zé)任公司 技術(shù)部，西寧 810001；3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

材料科學(xué)與工程

固態(tài)助劑對(duì)油墨耐磨性的影響

劉軍啟1，魏金棟1，閆 璐1，徐 海2，李紅兵2，梁小平3，劉志鋒1

(1. 天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2. 青海雅豐彩色印刷有限責(zé)任公司 技術(shù)部，西寧 810001；3. 天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

研究了不同含量固態(tài)助劑氧化硅與氧化鋁對(duì)油墨耐磨性的影響，觀察了加入氧化硅與氧化鋁后油墨表面的形貌變化，并用M2000耐摩擦磨損機(jī)對(duì)油墨的質(zhì)量損失率進(jìn)行表征.結(jié)果表明：當(dāng)油墨用等體積水稀釋時(shí)，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氧化鋁和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氧化硅時(shí)，油墨呈現(xiàn)較好的耐磨性，質(zhì)量損失分別為0.8 mg和0.7 mg，質(zhì)量損失率分別為2.29%,和2.00%,.

油墨；氧化硅；氧化鋁；耐磨性

近幾年，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)印刷包裝業(yè)需求的增加，在軟包裝方面，水性油墨以35%,的用量排在其他印刷油墨之首[1]．目前，全國(guó)有100～300條柔印生產(chǎn)線，生產(chǎn)設(shè)備也以年增加30臺(tái)的速度增加．據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[2-4]，2005年油墨產(chǎn)量為30.23萬t，2012年為61.5萬t，預(yù)計(jì)2015年會(huì)突破80萬t．隨著水性油墨市場(chǎng)的迅速發(fā)展，人們對(duì)水性油墨提出了更高的要求，國(guó)家也投入相應(yīng)的研究資金，力求研制出性能良好、使用壽命長(zhǎng)的水性油墨[5]．

水性油墨主要是以水為溶劑制成，因此可以明顯減少空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的排放量，減小大氣污染，不影響人體健康[6]；水性油墨不易燃燒，油墨的特性比較穩(wěn)定，顏色鮮艷均勻，并且不易腐蝕印刷版等材料；操作使用十分簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易迅速干燥：故廣泛用于食品、飲料、藥品等包裝印刷品的行業(yè)，是世界公認(rèn)的環(huán)保型印刷材料，也是目前所有印刷油墨中唯一經(jīng)美國(guó)食品藥品協(xié)會(huì)認(rèn)可的油墨[7]．然而，水性油墨隨著長(zhǎng)時(shí)間的物理撞擊、化學(xué)腐蝕等，容易造成表面光滑度、色澤度下降等老化現(xiàn)象，甚至墨膜脫落，因此嚴(yán)重影響了其使用性能[8]．

為了延長(zhǎng)水性油墨的使用壽命，降低印刷成本，加入不同含量的固體助劑氧化鋁及氧化硅，研究其對(duì)水性油墨耐磨性的影響；用M2000耐摩擦磨損儀測(cè)試磨損前后油墨的質(zhì)量，并用SEM觀察其表面形貌，找到改善其耐磨性的加入量參數(shù)[9-12]．

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 原料與試劑

水性油墨(義烏市偉航水性油墨有限公司)，分散劑PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，納米氧化硅(SiO2，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)，納米氧化鋁(Al2O3，無錫拓博達(dá)鈦白制品有限公司)，蒸餾水(H2O，南開大學(xué))．

1.2 耐磨性水性油墨樣品的制備

稱量10,g左右的水性油墨，用蒸餾水按1∶1的比例稀釋油墨，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%,～3%,的分散劑PVP加入其中，配制成混合溶液；再分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,的納米氧化硅與納米氧化鋁，在自然條件下通過超聲波分散處理1～2,h充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，將所得樣品均勻涂于載玻片上制成樣品(30,mm×7,mm×6,mm)，并在自然風(fēng)下干燥．

1.3 耐磨性能測(cè)試與表征

采用日本JOEL公司的 JSM6700,FESEM 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，對(duì)樣品進(jìn)行薄膜表面形貌分析，觀察試樣的自然表面．

采用M2000摩擦磨損儀，對(duì)添加不同含量納米

氧化鋁、納米氧化硅的水性油墨進(jìn)行耐磨性能的測(cè)試，即經(jīng)過M2000摩擦磨損儀的磨損實(shí)驗(yàn)后，稱量水性油墨的質(zhì)量損失．具體的實(shí)驗(yàn)過程：調(diào)節(jié)M2000磨損儀的磨損壓力為10,N，將待測(cè)樣品固定于磨損儀上；然后對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行表面處理，時(shí)間為45,s，并且稱量磨損前后的質(zhì)量分別為M1、M0，玻璃基片的質(zhì)量為M，計(jì)算前后質(zhì)量損失和質(zhì)量損失率[13-14]．質(zhì)量損失的計(jì)算公式為

質(zhì)量損失率的計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 耐磨性表面形貌分析

圖1為單獨(dú)添加納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%,的水性油墨磨損前后樣品的表面情況．

圖1 添加納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%,的水性油墨磨損前后對(duì)照

由圖1可以看出：磨損前后顏色都較為均勻，經(jīng)磨損之后的水性油墨色澤度下降，甚至出現(xiàn)脫墨現(xiàn)象．經(jīng)分析，水性油墨玻璃板在應(yīng)力作用下，表面經(jīng)過磨輪摩擦，發(fā)生顆粒脫落，油墨層變薄，顏色變淺．此外，從圖1b中可以看到，磨損之后玻璃板左右兩側(cè)有明顯損傷，這主要是由于在給水性油墨玻璃板加壓摩擦的過程中，玻璃板受力不均，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致局部的斷裂．圖2為添加納米氧化硅磨損前后樣品的表面情況，其中納米氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

從圖2a可以發(fā)現(xiàn)，隨著添加納米氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水性油墨顏色變深，覆膜的厚度增大；從圖2b可以看出，隨著添加納米氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，樣品覆膜的表面有不同程度的磨損；添加納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%,、8%,、10%,的樣品表面磨損較為明顯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,、2%,、4%,時(shí)的樣品表面磨損較輕．因此，從表面現(xiàn)象可以得出，當(dāng)添加的納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，樣品覆膜磨損較輕；隨著添加的納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，樣品覆膜磨損情況變得嚴(yán)重．

圖2 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化硅水性油墨磨損前后對(duì)照

2.2 納米氧化硅對(duì)水性油墨耐磨性能的影響

圖3為單獨(dú)添加納米氧化硅時(shí)水性油墨樣品的質(zhì)量損失變化圖，納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

由圖3可知：隨著納米氧化硅加入量的變化，其質(zhì)量損耗也發(fā)生了一定的變化；當(dāng)納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,時(shí)，其質(zhì)量損失較大，為1.2,mg，損失率為3.43%,；當(dāng)納米氧化硅添加量為2%,～4%,時(shí)，樣品覆膜的質(zhì)量損失逐漸增大；當(dāng)納米氧化硅添加量為4%,～6%,時(shí)，樣品覆膜的質(zhì)量損失無變化；當(dāng)其添加量超過6%,時(shí)，樣品的質(zhì)量損失明顯增大，納米氧化硅添加量為10%,時(shí)，其質(zhì)量損失為1.0,mg，損失率為2.86%,．說明當(dāng)納米氧化硅含量小于2%,時(shí)，添加一定量的納米氧化硅，能夠增大水性油墨的耐磨性；當(dāng)納米氧化硅含量大于2%,時(shí)，添加一定量的納米氧化硅，增大水性油墨耐磨性的效果則明顯降低．

由于納米氧化硅是不溶于水性油墨的耐磨物料，水性油墨在干燥過程中，氧化硅顆粒與油墨顆粒不能完全相溶黏結(jié)，而是在油墨與納米氧化硅的交界處產(chǎn)生很多微小裂紋．當(dāng)摩擦磨損機(jī)的磨輪在水性油墨玻璃板表面進(jìn)行作用時(shí)，納米氧化硅在水性油墨表面的脫落消耗了一定的能量，同時(shí)界面處的裂紋也消耗了

部分能量，阻止了裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，阻礙了樣品覆膜的脫落．但當(dāng)納米氧化硅的含量大于2%,時(shí)，納米氧化硅添加量的相對(duì)增多，加大了表面的摩擦作用，此外在磨輪作用下，交界處的微小裂紋容易聯(lián)通，形成較大尺寸裂紋，最終導(dǎo)致氧化硅與墨膜大規(guī)模的脫落．

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米氧化硅對(duì)油墨耐磨性的影響

2.3 納米氧化鋁對(duì)水性油墨耐磨性能的影響

圖4為單獨(dú)添加納米氧化鋁時(shí)水性油墨樣品的質(zhì)量損失變化圖，納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

由圖4可知：隨著納米氧化鋁加入量的變化，覆膜質(zhì)量損耗也發(fā)生了一定的變化；當(dāng)納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失較小，為0.8,mg，損失率為2.29%,，故其耐磨損性能較高；當(dāng)納米氧化鋁添加量超過8%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失變化明顯，為1.7,mg，損失率為4.86%,，增大了112.5%,；當(dāng)納米氧化鋁添加量為2%,～8%,時(shí)，樣品覆膜的質(zhì)量損失變化不明顯．

經(jīng)分析，當(dāng)添加的納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%,時(shí)，由于納米氧化鋁的含量較少，納米氧化鋁與油墨的連接力相對(duì)納米氧化硅更小，摩擦磨損機(jī)的磨輪磨損的物質(zhì)主要為水性油墨與納米氧化鋁顆粒，因此隨著納米氧化鋁的增多，樣品覆膜損失的質(zhì)量增大；當(dāng)添加的納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,～8%,時(shí)，納米氧化鋁的加入增加了裂紋數(shù)量，減少了墨膜的脫落，但同時(shí)納米氧化鋁的摩擦增大，磨損較多，達(dá)到了相對(duì)平衡；當(dāng)氧化鋁含量繼續(xù)增加，超過了平衡點(diǎn)，磨輪磨損的物質(zhì)主要為納米氧化鋁，磨損油墨的量相對(duì)較小，所以總的磨損質(zhì)量會(huì)大幅增加．

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米氧化鋁對(duì)油墨耐磨性的影響

圖5是添加納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,時(shí)經(jīng)摩擦磨損機(jī)磨損后的SEM圖像．由圖5可知，其表面涂層較為均勻，表面有顆粒狀物質(zhì)，顆粒附近有大量放射狀的微小裂紋．經(jīng)分析，顆粒附近的微小裂紋是阻礙油墨覆膜脫落、增大水性油墨耐磨性能的重要因素．

圖5 納米氧化鋁為1%,時(shí)磨損后的SEM圖

3 結(jié) 論

(1)加入一定量的納米氧化鋁能夠提高油墨的耐

磨性．當(dāng)添加的納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失較小，為0.8,mg，損失率為2.29%,，其耐磨損性能較高；當(dāng)其加入量超過8%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失變化明顯，為1.7,mg，損失率為4.86%,，增大了112.5%,，說明耐磨性能降低．

(2)加入一定量的納米氧化硅能夠提高油墨的耐磨性．當(dāng)添加的納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失為0.7,mg，損失率為2.00%,；當(dāng)納米氧化硅加入量大于2%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失增大；當(dāng)納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到10%,時(shí)，覆膜的質(zhì)量損失增大到1,mg，損失率為2.86%,，增大了42.9%,．故當(dāng)加入的納米氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,時(shí)，油墨的耐摩擦效果最好．

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Influence of Solid Additives on the Friction Resistant Performance of the Ink

LIU Jun-qi1，WEI Jin-dong1，YAN Lu1，XU Hai2，LI Hong-bing2，LIANG Xiao-ping3，LIU Zhi-feng1
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Technology Department，Qinghai Yafeng Color Printing Limited Liability Company，Xining 810001，China；3. School of Materials Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

This study examined the influence of the friction resistant performance of the ink by changing the different content of solid additives silica and alumina,and observed the morphology change of ink surface after adding appropriate anti-friction performance additives of silica and alumina,and then evaluated the mass-loss ratio by using the M2000 friction and wear machine. The results showed that the ink was diluted with an equal volume of water with adding the mass fraction of 1% of alumina oxide and the mass fraction of 2% of silicon oxide,which exhibited better performance of fraction resistance. And the mass loss was 0.8 mg and 0.7 mg,the loss rate was 2.29% and 2.00% ,respectively.

ink；SiO2；Al2O3；friction resistance

TS802.3

A

2095-719X(2015)04-0289-04

2014-11-10；

2015-04-21

國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(13C26216306098)

劉軍啟（1989—），男，山東濟(jì)寧人，天津城建大學(xué)碩士生．

劉志鋒（1977—），男，教授，博士，從事新能源材料、環(huán)境材料與功能材料的研究．E-mail：tjulzf@163.com