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影響水基油墨分散因素的研究,文章通過實驗研究考察影響水墨分散的因素
2019年10月17日    閱讀量:1329    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

0 引  言

對于油墨制造商, 為適應環保要求、降低或消除有機排放物, 可能考慮的方法是研制水基體系[ 1 ]。由于水墨高表面張力和易起泡性, 使水墨分散比溶劑性油墨困難。在實際油墨制造中, 分散的終點常以達到細度、遮蓋力及著色力等特性而終止[ 2, 3 ] , 其中, 一般以細度為中控及終控指標涂料在線coatingol.com


文獻[4 ]提出, 為獲得良好的研磨效果, 可采用3 種方法: ① 選用高效分散設備, 如球磨機等。② 選用高價性能好的顏料或通用性色漿。③ 通過延長研磨時間來達到預定的細度指標。


1 實  驗

1. 1 原 料

(1) R1 (丙烯酸樹脂)。tg = 98 ℃,w (KOH) = 205 m g?g,M r= 6 500, 用作分散樹脂。

(2) R2 (丙烯酸樹脂)。tg = 112 ℃,w (KOH) = 215 m g?g ,M r= 10 000, 用作分散樹脂。

(3) R3 (丙烯酸樹脂)。tg = 85 ℃,w (KOH) = 215 m g?g,M r= 8 500, 用作分散樹脂。

(4) R4 (丙烯酸樹脂)。tg = 135 ℃,w (KOH) = 245 m g?g ,M r= 7 800, 用作分散樹脂。

(5) R5 (丙烯酸樹脂)。tg = 93 ℃,w (KOH) = 300 m g?g,M r= 2 300, 用作分散樹脂。

(6) R6 (丙烯酸乳液)。tg = 105 ℃,w (KOH) = 25 m g?g,M r> 200 000, 用作調稀料。

(7) R7 (丙烯酸乳液)。tg = 105 ℃,w (KOH) = 62 m g?g,M r> 200 000, 用作調稀料。

(8) P1 (高色素碳黑)。

(9) A 1 (聚氧乙烯辛基酚醚硫酸脂鈉鹽)。用作分散劑。

(10) A 2 (乙炔乙二醇類)。用作分散劑。

(11) A 3 (EO ? PO 嵌段共聚物)。用作分散劑。

(12) A 4 (聚氧乙烯脂肪醇縮合物)。用作分散劑。

(13) A 5 (聚丙烯酸脂)。用作分散劑。


1. 2 實驗裝置

實驗采用介質磨(砂磨) 分散小試設備, 通過介質珠對顏料施加作用力及盤式葉輪的高速旋轉離心力而實現分散。介質磨中使用玻璃珠為研磨介質, 其體積為分散物料體積的100%。


1. 3 分散性能測試方法

(1) 著色力、光譯、細度及黏度, 均參照文獻[5 ]中規定檢測。

(2) 采用Sen sadyne 6000 表面張力儀, 測試表面張力。


2 結果和討論

2. 1 水墨研磨料組成對分散效果的影響

2. 1. 1 碳黑的選用

顏料的基本性能較大地影響其分散效果, 對于碳黑, 由于其原生粒徑相對較小, 比表面積大, 需要更多的分散介質來“潤濕”[ 6 ]。考慮到每單位質量的碳黑具有更多的聚集體, 這勢必導致聚集體的距離變得更小, 使聚集體間的吸引力也變得更大, 這樣也造成了碳黑的難分散。因此, 在配方設計時應考慮適當調低研磨料黏度以利于分散介質的擴散以及聚集體的分離。由于碳黑的疏水性(未后處理的碳黑的H LB 值為10~ 12) , 所以應考慮選擇已用氧化劑進行后處理的碳黑, 因為化學氧復合物(即羧基、醌基、內脂基等, 工業上統稱為揮發分散) 能起到表面活性劑的作用, 在一定程度上可改善其“潤濕”性能。根據碳黑的特性, 初步選定了較低比表面積及較高揮發分散的碳黑品種, 即P1 為分散對象。


2. 1. 2 分散基料樹脂的優選

利用流動點技術考察樹脂(R1、R2、R3、R4、R5) 分散碳黑P1 的流動情況, 如圖1 所示。結果發現2 種形狀不同的流動點曲線R1 和R3 有明顯的流動點, 均適合用于分散碳黑P1, R2、R4 及R5 可能性能良好,但不適合分散碳黑P1, 從圖1 中可見流動點在基料質量分數的20% 左右。

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2. 1. 3 研磨料組成對分散效果的影響

在確定流動點的基礎上, 選定R1 為分散樹脂, P1 為分散對象。為減少分散試驗的干擾因素, 尤其是表面活性劑對研磨效果產生的正、負面的影響[ 7 ] , 實驗中選用了聚合物型消泡劑A 5, 因為聚合物型消泡劑與體系混溶性好, 不會產生穩定泡沫和引起縮孔等缺陷。


另外, 采用以上流動點方法, 得到適合分散碳黑P1 的顏基比為3? 1~ 2?1 [ 8 ]。在實驗基礎上, 設計對比實驗配方, 考察研磨料組成對分散效果(分散速度、遮蓋力、著色力及60 ℃光澤) 的影響。對比實驗配方, 見表1 所列。

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圖2 反映了高顏料和低顏料質量分數配方對油墨分散細度、遮蓋力、著色力及60 ℃光澤的影響, 顯然, 水墨的分散性能與其研磨料的組成密切相關。

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(1) 如圖2a 所示, 分散細度隨分散時間的延長而減小, 較低的顏料填充量并不能有效分散研磨料中最后的“粗粒”。

(2) 如圖2b 所示, 隨著分散的進行, 2 種配方分散后的遮蓋力均有顯著提高, 但高顏料含量配方分散后的遮蓋力明顯高于低顏料含量配方。

(3) 高顏料含量配方分散后的著色力在分散過程中明顯高于低顏料含量配方, 但在研磨, 一定細度后, 著色力比較接近。這說明顏料分散至一定細度后其著色力主要與分散樹脂有關, 如圖2c 所示。

(4) 由圖2d 可見, 兩者對光澤影響區別較小, 已接近實驗誤差的界限和顏料分散的微小變化帶來的差別。


2. 2 表面活性劑的影響

為降低水基體系研磨基料的表面張力, 提高分散效果, 通常有效的途徑是使用分散助劑[ 9 ]。初選了幾種潤濕分散劑進行實驗, 首先利用水分散方法[ 4 ]測定其H LB 值, 將少量表面活性劑與水相混, 觀察最終分散體的性質而粗略評價某一表面活性劑的H LB 值, 其中, 不溶或無分散為1~ 4, 不穩定或分散不良為5~ 6, 經強烈搖蕩后呈乳狀分散體為7~ 8 , 穩定的乳狀分散體為9~ 10, 半透明或灰色分散體為11~ 13, 清澈溶液為> 13。

以YM 23 為基礎配方, 考察不同的潤濕劑對分散和光澤、耐水性的影響, 配方見表2 所列。

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由表3 結果可看出,A 1、A 2、A 3、A 4 都能較顯著地降低水墨的動態表面張力, 其中以A 1、A 2 所在的配方(分別是聚氧乙烯辛基酚醚硫酸脂鈉鹽和乙炔乙二醇) 最為顯著, 而且較低的表面張力對黏度的降低也較明顯。實際上, 在設計油墨配方時, 分散劑引起黏度大幅度下降是分散劑分散力很實際的指標,A 3、A 4 有明顯的穩定泡沫作用, 這勢必會增大消泡劑的用量, 而消泡劑用量的增大可能導致魚眼、縮孔等缺陷的增加。


另外, 可能由于A 1、A 4 的親水性強而使其耐水性降低, 這也將影響其干燥性能。高的動態表面張力和穩泡傾向都明顯影響了其分散效果, 加入的潤濕分散劑在提高分散性能同時, 還應考慮對油墨的成膜性能的影響。

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實驗結果表明, 當w (A 2) = 0. 5% 時, 只有在顯著降低表面張力的同時, 才能獲得理想的分散效果和較好的成膜性能。當然, 調整助劑的用量可能會改進助劑的使用性能。


2. 3 助溶劑的影響

降低體系的黏度和表面張力均可提高分散的效果, 實驗發現加入某些助溶劑時, 在提高了初干性的同時, 體系的黏度也降低, 從而進一步考察和比較了水和水相溶性較好溶劑的性質[ 8 ]。結果證明, 助溶劑對R1 及醇類溶劑對R1 都具有很好的溶解性。因此, 仍以YM 23 為基礎配方, 選用工業上常用的異丙醇為助溶劑, 以表面活性劑A 2 及A 2 和異丙醇的混合使用為對比樣進行實驗。測試結果看出, 單獨使用醇類或者A 8 的混合使用都能使表面張力降低, 并獲得近似性能, 在w (異丙醇) =5% 時, 其降低表面張力、提高潤濕性能和印膜效果均可與w (A 8) = 0. 5% 時相同, 且沒有發現麻點等缺陷, 為降低成本提供了依據。對VOCs 要求不高的印品中, 水墨體系可部分使用潤濕劑。


2. 4 研磨溫度的影響

從研磨分散的工藝過程中發現, 對于給定體系, 在不同冷卻水的情況下, 在研磨中很小的溫升就會明顯地降低體系的黏度, 在研磨操作10~ 15 m in 后, 色漿黏度會降至使體系由層流狀態變為湍流, 此時分散作用被混合作用所取代, 可觀察到此時研磨槽中沙粒呈滑動狀態, 放料后可看到沙粒已經被過度地磨損。


另一種是在加大冷卻水的情況下, 由于試驗設備的分散功率偏低, 由流動點技術確定的研磨料配方在研磨過程中黏度偏高, 阻礙沙粒的有效運動, 甚至造成沙磨堵塞。2 種情況均明顯降低了分散效果, 從碳黑分散看到, 溫度過高的研磨(約在60 ℃以上) 還造成油墨嚴重失光。


經過一系列對比試驗, 通過調整冷卻水量控制研磨機的溫度在30~ 50 ℃, 溫升至這個范圍, 由于黏度降低, 允許較高的顏基比色漿的分散, 另外, 從擴散的角度, 較高溫度的研磨更有助于顏料的潤濕和允許色漿具有較高的基料分數。


3 結束語

由于高的表面張力和易起泡性, 使水墨的分散比溶劑性油墨困難, 實驗運用成熟的流動點技術在水墨的研磨分散獲得較好的效果, 結果表明較高的顏基比可提高分散效果和分散效率。同時, 高效的水性潤濕分散劑和助溶劑可大大降低水性體系的表面張力和黏度, 改進基料體系對顏料的潤濕性能可提高分散效率。另外, 水墨分散時的溫度控制也是影響分散的重要因素。

通過實驗得到最佳配方, 即m P1= 33 g, 兼顧分散后顏料的穩定性, 基料質量分數為20% , 顏基比為2. 5∶1,m R1= 44 g,m 水= 20. 5 g,m 異丙醇= 2 g,m A 2= 0. 3 g,m A 5= 0. 5 g。


影響水基油墨分散因素的研究


方紅霞1,  杜小濱2

(1. 黃山學院化學系, 安徽黃山 245021; 2. 合肥工業大學北校區管委會, 安徽合肥 230069)


標簽:行業資訊原料動態化工百科產品資訊化工應用市場評論技術中心精細化學品化工原料化學試劑染料及顏料涂料與油漆膠粘劑催化劑及助劑
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