水性UV油墨的干燥固化機(jī)理及影響因素

1、水性油墨的干燥固化機(jī)理及影響因素馮培勇水性油墨采用了水和乙醇等作為稀釋劑，它的研究是目前油墨領(lǐng)域一個新的研究方向。同其它類型的油墨一樣，干燥成膜的好壞是油墨能否應(yīng)用的關(guān)鍵，所以對水性油墨的干燥固化的研究極為重要。水性油墨的干燥固化結(jié)合了光固化和水性油墨二者的干燥形式，更有它的復(fù)雜性。本文將專門對其干燥固化機(jī)理及其干燥固化的主要影響因素作一探討。添加一種堿或者酸使其變成羧酸鹽才能溶于水，該過程也即樹脂的中和成鹽過程。其中通過加氨水使其成鹽的反應(yīng)可表示為：（水可溶）反過來，在預(yù)干燥過程中發(fā)生的反應(yīng)是：（水不溶）另外，中和成鹽的聚合物能溶于水，但是水溶性并不強(qiáng)，常常形成乳濁液或是黏度很高的溶液，因此

2、為了提高聚合物的水溶性，還必須加入一定比例的助溶劑，例如低級醇或醇醚類等。在水性油墨的預(yù)干燥過程中，體系中的水分和胺類物質(zhì)以及這些助溶劑將會在一定的溫度下?lián)]發(fā)。預(yù)干燥是光固化之前必須的一道工序，不進(jìn)行預(yù)干燥將導(dǎo)致光固化的最終結(jié)果不理想。光固化成膜機(jī)理水性材料的固化是指在紫外光的照射下，光引發(fā)劑吸收紫外光的輻射能后分裂成自由基，引發(fā)預(yù)聚物發(fā)生聚合、交聯(lián)反應(yīng)，在很短的時間內(nèi)固化成三維的網(wǎng)狀高分子聚合物，得到硬化膜。其實質(zhì)是通過形成化學(xué)鍵來實現(xiàn)化學(xué)干燥，其固化過程一般可分為四個階段：光與光引發(fā)劑之間相互作用，包括對光的吸收和光敏劑與光引發(fā)劑之間的相互作用；光引發(fā)劑分子發(fā)生重排，形成自由基中間體；自由

3、基與齊聚物中的不飽和基團(tuán)作用，引發(fā)鏈或聚合反應(yīng)；聚合反應(yīng)繼續(xù)，液態(tài)一、水性油墨的干燥固化機(jī)理水性油墨主要是由預(yù)聚物（水基光固化樹脂）、光引發(fā)劑、顏料、胺類物質(zhì)、水、助溶劑和其它添加劑等配制而成。與油墨不同的是，水性固化體系不再使用單體作稀釋劑，取而代之的是水。而水基光固化樹脂之所以能夠溶于水，是由于在聚合物分子鏈上含有一定數(shù)量的強(qiáng)親水性基團(tuán)，如含有羧基、羥基、氨基、醚基、酰胺基等。但是這些極性基團(tuán)與水混合時多數(shù)只能形成乳濁液，它們的羧酸鹽則可部分溶于水中，因而水溶性樹脂絕大多數(shù)以中和成鹽的形式獲得水溶性。因此這決定了水性光固化油墨干燥型式的多樣化。干燥主要有兩種方式：水性體系的預(yù)揮發(fā)干燥和紫外

4、光固化干燥。預(yù)揮發(fā)干燥機(jī)理在水性油墨的制造過程中，水基光固化樹脂通過【設(shè)備材料】序為：黑色紫色藍(lán)色青色綠色黃色紅色。相同顏料的不同配比因其圖水性材料固化過程濃度不同，對墨膜固化速度的影響是不同的。隨著顏料用量的增加，墨膜的固化速率均有不同程度的下降。其中黃色顏料的用量對墨膜的固化速率影響最大，其次為紅色顏料、綠色顏料。由于黑色對紫外光的吸收率最大，使得黑墨的透光率最低，所以其用量的變化對墨膜的固化速率反而沒有明顯的影響。當(dāng)顏料的用量過大時，墨膜表層的固化速率雖快，但是表層的顏料吸收了大量紫外線，降低了紫外光的透光率，影響深層墨膜的固化，導(dǎo)致了墨膜表層固化而底層不固化，從而產(chǎn)生“皺皮”現(xiàn)象。光引

5、發(fā)劑對水性油墨固化干燥的影響光引發(fā)劑的作用是在其吸收紫外光能后，經(jīng)分解產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)體系中不飽和鍵聚合，交聯(lián)固化成一整體。光引發(fā)劑是固化體系中重要的組成部分。就光固化體系本身來說，沒有加光引發(fā)劑的樹脂，光聚合的速度很慢，加入引發(fā)劑后，可使光敏感度大幅度增加，從而使體系的固化速度大大加快。由此可見，盡管）合固化的關(guān)鍵。用水溶性的自由基光引發(fā)劑能夠獲得與水性光固化體系很好的相容性，光引發(fā)劑得以發(fā)散，有利于得到滿意的固化效果。除了與溶劑體系所用的光引發(fā)劑在吸收性質(zhì)、不變黃等方面的要求相同以外，用于性以及低的水蒸汽揮發(fā)度。否則，在干燥的過程中，光的組分轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w聚合物?？梢詧D示之。二、影響水性油

6、墨固化干燥的因素影響水性油墨固化干燥的因素很多，本文將只對其主要的影響因素進(jìn)行討論，這些因素有以下幾方面：樹脂對水性油墨固化干燥的影響業(yè)界稱樹脂是油墨的“心臟”，由此可見，樹脂的選擇應(yīng)用在水性油墨的研制過程中占有重要地位。水性固化樹脂要進(jìn)行自由基光固化，這就要求樹脂分子必須帶有不飽和基團(tuán)，在紫外光的照射下，分子中的不飽和基團(tuán)互相交聯(lián)，由液態(tài)涂層變成固態(tài)涂層。通常采用引入丙烯?；⒓谆；?、乙烯基醚或烯丙基的方法，使合成的樹脂具有不飽和基團(tuán)，從而可以在合適的條件下進(jìn)行固化。對于自由基型紫外光固化體系，隨分子中雙鍵含量的增加，涂膜的交聯(lián)速度會增大，固化速度將加快。不同結(jié)構(gòu)的樹脂對固化速度影響不

7、同，各種官能團(tuán)的反應(yīng)活性一般按以下順序升高：乙烯基醚烯丙基甲基丙烯酰基丙烯?；?。因此一般以引入丙烯?；图谆；鶠橹鳎箻渲哂休^快的固化速度。顏料對水性油墨固化干燥的影響的固化特點。由于顏料能夠吸收一部分輻射能量，這將影響光引發(fā)劑對于光的吸收，進(jìn)而影響到能夠生成自由基的濃度，結(jié)果會降低具有顏色體系的固化速度。各色顏料對不同波長的光線有不同的吸收率炭黑的紫外線吸收能力較高，固化得最慢，白色顏料反光性強(qiáng)，也妨礙了固化。一般而言，對紫外光的吸收順【設(shè)備材料】復(fù)合光引發(fā)劑用量越多越好，體系中復(fù)合光引發(fā)劑的含量要適量。既不能過低，過低不利于同顏料的吸收競爭，也不能過高，過高光不能順利地進(jìn)入涂層。油

8、墨的固化速度開始時隨著復(fù)合光引發(fā)劑的增加而增加，但當(dāng)復(fù)合光引發(fā)劑量增加到一定值時，再增加其含量，固化速度反而會下降。引發(fā)劑的引發(fā)效率既取決于紫外燈的光譜分布，又取決于涂層中其它組分對光的吸收。水性油墨中顏料的加入會嚴(yán)重地限制光引發(fā)劑的有效光譜吸收區(qū)域，從而影響光引發(fā)劑的固化效果。根據(jù)不同引發(fā)劑具有最大吸收波長的原理，在選擇光固化引發(fā)劑的時候，應(yīng)該使得光引發(fā)劑吸收紫外線的波長區(qū)正好在顏料非吸收區(qū)或是微吸收區(qū)（顏料有一個適于引發(fā)劑吸收的波長窗口），即顏料最大透過的波長區(qū)應(yīng)與自由基引發(fā)劑的吸收波長區(qū)重合。另外光引發(fā)劑的吸收波峰應(yīng)盡可能與光源發(fā)射的主波長相近。水性體系的預(yù)干燥對水性油墨固化干燥的影響固

9、化前的干燥條件對固化速度的影響很大。不干燥或干燥不完全時，固化速度較慢，且隨曝光時間的延長，膠凝率無明顯提高。這是因為，盡管水對抑制氧的阻聚作用有一定的效果，但是這只能使墨膜表面迅速固化，只達(dá)到表干，而不能達(dá)到實干。由于體系內(nèi)含有大量的水分，體系在一定溫度下固化時，隨著墨膜表面水分的迅速揮發(fā)，墨膜表面迅速固化，使膜層里面的水分難以逸出殘留在墨膜中，阻止了墨膜的進(jìn)一步固化，固化速度降低。另外，照射時的周圍溫度對油墨的固化有很大的影響，溫度越高，固化性越好。因此施行預(yù)熱，油墨的固化性會增強(qiáng)，附著性更好。綜合以上分析可以看出預(yù)先干燥對于提高固化速度的重要性。光源、輻照距離和光固化時間對水性油墨固化干

10、燥的影響對于光固化的油墨來說，光源的選擇是一個非常重要的問題。雖然有很多研究者在嘗試通過優(yōu)化體系的配方來達(dá)到最佳的固化效果，并且實踐證明這是一個很有效的方法，但往往是稍微改變一下燈具就能達(dá)到事半功倍的效果，尤其是對于油墨這樣的有色體系更是如此。光源并不是單一波長的光，而是一個波段內(nèi)的光，不同的光源發(fā)射光的波段范圍不一樣，波段內(nèi)光譜能量分布也是不同的。其中波長為 ， 的光能量分布較好。光源的波長范圍很廣，波長位于區(qū)域約 時效果最佳。光照強(qiáng)度膜的固化速度會明顯減慢。這是因為輻照距離越近，則三、結(jié)語以上分析了影響水性油墨固化干燥性的主要因素，在這些因素之中，應(yīng)該說如何把握好光引發(fā)劑的選用原則是最為至關(guān)重要的。通過以上的分析，得出了如下的光引發(fā)劑選用原則：光引發(fā)劑用量應(yīng)適當(dāng)，最佳的引發(fā)劑用量應(yīng)通過試驗確定；增加光引發(fā)劑用量同增大光照強(qiáng)度一樣，皆能提高固化速率，但是相同條件下，增加光照強(qiáng)度往往能獲得更好的綜合效果；合理的引發(fā)劑配合使用會使固化速