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紫外光固化柔性版印刷油墨
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 舒飞士公司 吴政 点击:
本文先简要的介绍了紫外线固化柔性版印刷油墨(简称UV柔印油墨)的市场情况和它与其它印刷技术相比的优点，然后讲述了UV柔版油墨配方设计的一些基本原理以及油墨的一些特性要求。
重点讲述了树脂的化学特性和单体对油墨黏度，流变性和印刷质量的影响。并且论证了选择良好的颜料、树脂、助剂组合的重要性。最后给出了一些配方设计的指导方法,并对相应配方的流变行为和总体特性进行了检测。
在过去的几年中，UV柔印油墨的产量一直持续稳定的增长，并由窄幅面印刷向宽幅面发展。90%的柔版油墨应用在标签印刷领域，主要是用在一些底材上，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。其原因主要是印刷成本和印刷数量的关系。UV柔印油墨具有快速固化, 油墨在印刷机上稳定(可以方便关机,没有在机器上结皮的危险)的特点，这样一来就可以实现连续快速的生产(同时可以完成对最终产品的剪切,传统的柔印油墨因为需要很长时间来干燥，所以无法同时实现两个步骤)。
在印刷机械方面，海德堡(Heidelberg)公司发展了可以在一条生产线上同时使用多种不同的印刷方式的印刷机，这样就可以在一条生产线上同时使用多种不同的印刷方式，来获得满意的效果，如：丝印可以获得厚的墨层和好的遮盖力，柔版印刷和凸版印刷可以用来印刷图片和画片。烫金印刷也很常用。UV柔印油墨的印刷效果比常规水基柔版油墨的好，这得益于油墨本身很多先进之处，能取得与胶印相同的印刷效果。
UV柔印只是在近3-4年才引入国内, 虽然无论对国内的油墨制造商还是印刷商, 这还是一个新技术, 但在国内已经有了几十条UV柔印线。UV 柔印的增长主要来源于标签和包装业。据估计UV 柔印的使用年增长率在30-40%。
UV柔印油墨主要还依赖于进口, 垄断UV柔印油墨的是几家欧美油墨商, 受高速增长的诱惑, 国内的一些UV油墨厂商显示出对UV柔印油墨配方技术的极大渴望。国内的一些UV油墨厂商已向舒飞士公司要求提供原料和配方技术。
UV柔印比凸印快几倍, 这是一些大的包装印刷用户采用UV 柔印的主要动力。灵活性是另外一个原因。柔印使所有的步骤可在一条印刷线上完成, 这降低了次品和调整的时间。 将不同的印刷方法组合来取得独特的印刷效果愈来愈流行, 这使得一些豪华产品的包装印刷难以被仿冒。
据预测，UV柔印将会在未来2-3年中在一些高端包装和标签上会普及使用。
柔版印刷工艺
柔版印刷是凸版印刷的一个分支，柔版印刷在印刷原理上和凸版印刷相似，只是在印版、油墨的组成和压印过程上不同于传统的凸版印刷，图1对柔性版印刷原理进行了简单的介绍。
印刷过程中图像的传递是通过一个由光化学反应得到的柔性感光树脂版(Printing plate)或是一个刻有图案的橡皮棍来完成的。
油墨在一个储墨槽中，通过网纹传墨辊(anilox)将一定量体积的油墨输送到印刷版上。网纹传墨辊(anilox)是由铬合金组成，表面镀有耐磨层或经离子喷涂的陶瓷耐磨层，传送的油墨量由传墨辊表面的线数决定。粗的网纹传墨辊(anilox)的表面每英寸有大约120线，而用于印刷精细图案的传墨辊每英寸可以达到500-900线。
柔版印刷油墨的技术要求
高质量的油墨有很多重要的参数，最重要的特性是良好的颜料润湿性。像胶印油墨那种粘度很高的体系，颜料的絮凝不会构成问题。但对于柔印油墨，由于粘度非常低，颜料很容易絮凝甚至沉降，这就意味着适合用于胶印油墨的树脂不一定适用于柔印油墨。
当然颜料润湿并不是唯一要考虑的因素。要同时达到良好的流变性、反应活性、附着力、抗病菌性同样也是很困难的。
◆ 相对较低的粘度：标准的UV柔印油墨在2500s-1的剪切速率下的粘度为0.15-1.5Pa.s，印刷速度由施工的条件(在露天或密闭的房间内)决定，并且也决定了最终使用的油墨的粘度大小。如果粘度过高，油墨会在网纹传墨辊与刮墨刀之间处堆积，这样一来印刷出的图案就会有一些不连续的油墨堆积的污点。如果油墨的粘度很低，则问题会小一点。然而由于柔性版印刷本身的过墨量很小，油墨的传送会受到影响。
油墨的反应活性的要求也会影响油墨的粘度，因为大部分高官能团的产品粘度都很高。为了提高油墨的反应活性而不影响粘度，光引发剂的量就必须提高，但这同时又会影响气味和油墨的成本。因此配方设计人员必须找到油墨粘度和其它特性最佳的结合点。
UV柔印油墨由于粘度比溶剂型和水性柔印油墨要高，所以与溶剂型和水性柔印油墨相比，使用UV柔印油墨可以取得更接近胶印和凹印的印刷效果。有些时候UV柔印油墨的粘度可以达到2.5Pa.s。
◆ 颜料润湿性和颜色强度：柔印油墨需要相当高的颜料含量，经常是在15%到20%，这就使印刷时最厚的墨膜不超过1微米成为可能。这对于印刷材料和每平米的印刷价格来说都很重要。在网纹传墨辊表面的孔隙密度很低时，非常高的颜料含量会造成有很多细小而不连续的印刷点出现。
粘度的大小和颜料润湿的好坏关系非常密切；颜料润湿不好，就体现不出牛顿流体的特性，油墨也会出现相应的流动困难。此外，由于颜料没有分散好，颜色强度也会变弱。
◆ 流变性：具有良好流动性的油墨，光泽也会很好。牛顿流体具有粘度不随剪速率变化的特点，这不仅决定油墨输送能否良好，而且对于油墨在墨辊上的传递也同样重要。在油墨通过网纹辊时挤出的气泡会进入剩余的油墨。这样一来过多的气泡会使油墨的牛顿流变性产生偏移，并导致印刷故障。
◆ 反应活性：目前常用的印刷速度为350m/min，因此提高了对油墨固化速度的要求。
◆ 在各种底材上的附着力：由于UV柔印油墨主要用于印刷各种很柔软的标签和包装，所以油墨必须在各种软质底材如：PP，PE，PET，PVC，和PA上具有良好的附着力。
◆ 其它要求：油墨要具备抗划伤性，耐化学性和抗细菌性。油墨制造商们在开发新的油墨品种时经常会面对一个很困难的问题就是如何在涂膜被细菌侵蚀后，仍具有很好附着力。另外法规方面的要求也要考虑，尤其在食品包装方面的应用上。所选用物质和其特性
UV柔印油墨通常的制造方法是两步法：将树脂和一定含量的颜料一起在三辊机上研磨，在研磨过程中经常会加一些单体，有时也会加一些分散助剂，做成色浆。接下来用含有单体，引发剂和流平剂的低粘度混合物来稀释色浆。
研磨过程中经常用聚脂树脂或是改性环氧树脂作为研磨基料(见表1)。同时给出了在研磨或稀释阶段使用的一些特别有效的单体(见表1)。
实验结果
▲ 研磨树脂的影响：研墨设备对颜料的分散效果有很大的影响。可以将单体和颜料混合用球磨机来研磨，或者也可以用三辊机来研磨树脂和颜料的混合物。
研磨效果的好坏很大程度上取决于颜料的种类和细度等级。颜料研磨过程中没有化学变化。
品红柔印油墨
单纯通过粘度与剪切率之间的变化关系来判断油墨质量的好坏有时是很困难的。但通过变薄指数(SI)就可以很容易发现哪个油墨的印刷适性最好。
针对红颜料57:1，必须通过用聚酯丙烯酸脂如EbecrylTM 450，EbecrylTM 657或是EbecrylTM 870混合研磨，这样才能得到最好的流变行为。环氧树脂由于极性过高，因此会导致油墨在低剪切速率下粘度过高。
与聚酯丙烯酸酯相比，基于环氧丙烯酸酯的油墨在纸张上的光泽会低一点。但这并不是说环氧丙烯酸酯不能用于这类油墨中，而且环氧丙烯酸酯可以提高油墨的固化速度，并且价格较低不会增加成本。这种情况下可以通过添加其它的组份来保证颜料的润湿。
黑色柔印油墨
对于黑色柔印油墨，为了提高油墨的反应活性，可以在配方中适当使用环氧树脂替代聚酯树脂。使用氧化的碳黑颜料在环氧树脂中分散会有不同效果。经常使用的环氧丙烯酸树脂是基于双酚A型的环氧树脂。EbecrylTM 3702是一种脂肪酸改性的环氧树脂。它是一种颜料润湿性很好的连结料。
EbecrylTM 600在颜料润湿性这方面不好，会使油墨流动性不良，以至不能用泵传送。实际上，油墨的流动性不好，通过DPGDA稀释后，光密度下降和着色力下降这些现象都说明了颜料有絮凝的情况。EbecrylTM 3701提供了较好的流变特性。尽管使用EbecrylTM 3701的油墨的光密度和透明度都很好，但是在各种底材上的光泽却很低。
▲ 单体和分散剂的影响：如果体系中降粘组份选择不好的话，再恰当的颜料含量也不会取得好的效果。降粘组份包括用来调节粘度的单体，当然单体还会起到协调其它方面性能的作用。此外光引发剂和助剂也是必不可少的。
通过研究品红颜料4BY以相同的颜料含量分别通过低粘度的丙烯酸酯EbecrylTM 40和EbecrylTM 160稀释发现，在不加分散剂的情况下，所有的油墨都是具有触变性的，但是基于EbecrylTM 160的油墨印刷适性更好一些，还有光密度，光泽和透明性都会相对好一些。
当在颜料的研磨阶段中加入分散助剂后，油墨的牛顿流体特性变的明显，光密度也变高了。实验表明分散助剂与EbecrylTM 160配合作用的结果要比与EbecrylTM 40配合的好很多。在烷氧基化的新戊二醇衍生物中也同样如此。虽然助剂不能像我们希望的那样能最大程度解决存在的问题，有时还会出现相反的结果。但用EbecrylTM 160的油墨在纸张上的光泽要相对更好一点。
结论：在这篇论文中，我们概述了UV柔印油墨的一些重要特性。以流变性和颜料润湿性为重点介绍了这些特性的评价方法。我们已经可以发现树脂，颜料，稀释性丙烯酸酯和助剂之间的相互关系。可以通过调节各种组份来获得最佳的油墨产品。
重点讲述了树脂的化学特性和单体对油墨黏度，流变性和印刷质量的影响。并且论证了选择良好的颜料、树脂、助剂组合的重要性。最后给出了一些配方设计的指导方法,并对相应配方的流变行为和总体特性进行了检测。
在过去的几年中，UV柔印油墨的产量一直持续稳定的增长，并由窄幅面印刷向宽幅面发展。90%的柔版油墨应用在标签印刷领域，主要是用在一些底材上，如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。其原因主要是印刷成本和印刷数量的关系。UV柔印油墨具有快速固化, 油墨在印刷机上稳定(可以方便关机,没有在机器上结皮的危险)的特点，这样一来就可以实现连续快速的生产(同时可以完成对最终产品的剪切,传统的柔印油墨因为需要很长时间来干燥，所以无法同时实现两个步骤)。
在印刷机械方面，海德堡(Heidelberg)公司发展了可以在一条生产线上同时使用多种不同的印刷方式的印刷机，这样就可以在一条生产线上同时使用多种不同的印刷方式，来获得满意的效果，如：丝印可以获得厚的墨层和好的遮盖力，柔版印刷和凸版印刷可以用来印刷图片和画片。烫金印刷也很常用。UV柔印油墨的印刷效果比常规水基柔版油墨的好，这得益于油墨本身很多先进之处，能取得与胶印相同的印刷效果。
UV柔印只是在近3-4年才引入国内, 虽然无论对国内的油墨制造商还是印刷商, 这还是一个新技术, 但在国内已经有了几十条UV柔印线。UV 柔印的增长主要来源于标签和包装业。据估计UV 柔印的使用年增长率在30-40%。
UV柔印油墨主要还依赖于进口, 垄断UV柔印油墨的是几家欧美油墨商, 受高速增长的诱惑, 国内的一些UV油墨厂商显示出对UV柔印油墨配方技术的极大渴望。国内的一些UV油墨厂商已向舒飞士公司要求提供原料和配方技术。
UV柔印比凸印快几倍, 这是一些大的包装印刷用户采用UV 柔印的主要动力。灵活性是另外一个原因。柔印使所有的步骤可在一条印刷线上完成, 这降低了次品和调整的时间。 将不同的印刷方法组合来取得独特的印刷效果愈来愈流行, 这使得一些豪华产品的包装印刷难以被仿冒。
据预测，UV柔印将会在未来2-3年中在一些高端包装和标签上会普及使用。
柔版印刷工艺
柔版印刷是凸版印刷的一个分支，柔版印刷在印刷原理上和凸版印刷相似，只是在印版、油墨的组成和压印过程上不同于传统的凸版印刷，图1对柔性版印刷原理进行了简单的介绍。
印刷过程中图像的传递是通过一个由光化学反应得到的柔性感光树脂版(Printing plate)或是一个刻有图案的橡皮棍来完成的。
油墨在一个储墨槽中，通过网纹传墨辊(anilox)将一定量体积的油墨输送到印刷版上。网纹传墨辊(anilox)是由铬合金组成，表面镀有耐磨层或经离子喷涂的陶瓷耐磨层，传送的油墨量由传墨辊表面的线数决定。粗的网纹传墨辊(anilox)的表面每英寸有大约120线，而用于印刷精细图案的传墨辊每英寸可以达到500-900线。
柔版印刷油墨的技术要求
高质量的油墨有很多重要的参数，最重要的特性是良好的颜料润湿性。像胶印油墨那种粘度很高的体系，颜料的絮凝不会构成问题。但对于柔印油墨，由于粘度非常低，颜料很容易絮凝甚至沉降，这就意味着适合用于胶印油墨的树脂不一定适用于柔印油墨。
当然颜料润湿并不是唯一要考虑的因素。要同时达到良好的流变性、反应活性、附着力、抗病菌性同样也是很困难的。
◆ 相对较低的粘度：标准的UV柔印油墨在2500s-1的剪切速率下的粘度为0.15-1.5Pa.s，印刷速度由施工的条件(在露天或密闭的房间内)决定，并且也决定了最终使用的油墨的粘度大小。如果粘度过高，油墨会在网纹传墨辊与刮墨刀之间处堆积，这样一来印刷出的图案就会有一些不连续的油墨堆积的污点。如果油墨的粘度很低，则问题会小一点。然而由于柔性版印刷本身的过墨量很小，油墨的传送会受到影响。
油墨的反应活性的要求也会影响油墨的粘度，因为大部分高官能团的产品粘度都很高。为了提高油墨的反应活性而不影响粘度，光引发剂的量就必须提高，但这同时又会影响气味和油墨的成本。因此配方设计人员必须找到油墨粘度和其它特性最佳的结合点。
UV柔印油墨由于粘度比溶剂型和水性柔印油墨要高，所以与溶剂型和水性柔印油墨相比，使用UV柔印油墨可以取得更接近胶印和凹印的印刷效果。有些时候UV柔印油墨的粘度可以达到2.5Pa.s。
◆ 颜料润湿性和颜色强度：柔印油墨需要相当高的颜料含量，经常是在15%到20%，这就使印刷时最厚的墨膜不超过1微米成为可能。这对于印刷材料和每平米的印刷价格来说都很重要。在网纹传墨辊表面的孔隙密度很低时，非常高的颜料含量会造成有很多细小而不连续的印刷点出现。
粘度的大小和颜料润湿的好坏关系非常密切；颜料润湿不好，就体现不出牛顿流体的特性，油墨也会出现相应的流动困难。此外，由于颜料没有分散好，颜色强度也会变弱。
◆ 流变性：具有良好流动性的油墨，光泽也会很好。牛顿流体具有粘度不随剪速率变化的特点，这不仅决定油墨输送能否良好，而且对于油墨在墨辊上的传递也同样重要。在油墨通过网纹辊时挤出的气泡会进入剩余的油墨。这样一来过多的气泡会使油墨的牛顿流变性产生偏移，并导致印刷故障。
◆ 反应活性：目前常用的印刷速度为350m/min，因此提高了对油墨固化速度的要求。
◆ 在各种底材上的附着力：由于UV柔印油墨主要用于印刷各种很柔软的标签和包装，所以油墨必须在各种软质底材如：PP，PE，PET，PVC，和PA上具有良好的附着力。
◆ 其它要求：油墨要具备抗划伤性，耐化学性和抗细菌性。油墨制造商们在开发新的油墨品种时经常会面对一个很困难的问题就是如何在涂膜被细菌侵蚀后，仍具有很好附着力。另外法规方面的要求也要考虑，尤其在食品包装方面的应用上。所选用物质和其特性
UV柔印油墨通常的制造方法是两步法：将树脂和一定含量的颜料一起在三辊机上研磨，在研磨过程中经常会加一些单体，有时也会加一些分散助剂，做成色浆。接下来用含有单体，引发剂和流平剂的低粘度混合物来稀释色浆。
研磨过程中经常用聚脂树脂或是改性环氧树脂作为研磨基料(见表1)。同时给出了在研磨或稀释阶段使用的一些特别有效的单体(见表1)。
实验结果
▲ 研磨树脂的影响：研墨设备对颜料的分散效果有很大的影响。可以将单体和颜料混合用球磨机来研磨，或者也可以用三辊机来研磨树脂和颜料的混合物。
研磨效果的好坏很大程度上取决于颜料的种类和细度等级。颜料研磨过程中没有化学变化。
品红柔印油墨
单纯通过粘度与剪切率之间的变化关系来判断油墨质量的好坏有时是很困难的。但通过变薄指数(SI)就可以很容易发现哪个油墨的印刷适性最好。
针对红颜料57:1，必须通过用聚酯丙烯酸脂如EbecrylTM 450，EbecrylTM 657或是EbecrylTM 870混合研磨，这样才能得到最好的流变行为。环氧树脂由于极性过高，因此会导致油墨在低剪切速率下粘度过高。
与聚酯丙烯酸酯相比，基于环氧丙烯酸酯的油墨在纸张上的光泽会低一点。但这并不是说环氧丙烯酸酯不能用于这类油墨中，而且环氧丙烯酸酯可以提高油墨的固化速度，并且价格较低不会增加成本。这种情况下可以通过添加其它的组份来保证颜料的润湿。
黑色柔印油墨
对于黑色柔印油墨，为了提高油墨的反应活性，可以在配方中适当使用环氧树脂替代聚酯树脂。使用氧化的碳黑颜料在环氧树脂中分散会有不同效果。经常使用的环氧丙烯酸树脂是基于双酚A型的环氧树脂。EbecrylTM 3702是一种脂肪酸改性的环氧树脂。它是一种颜料润湿性很好的连结料。
EbecrylTM 600在颜料润湿性这方面不好，会使油墨流动性不良，以至不能用泵传送。实际上，油墨的流动性不好，通过DPGDA稀释后，光密度下降和着色力下降这些现象都说明了颜料有絮凝的情况。EbecrylTM 3701提供了较好的流变特性。尽管使用EbecrylTM 3701的油墨的光密度和透明度都很好，但是在各种底材上的光泽却很低。
▲ 单体和分散剂的影响：如果体系中降粘组份选择不好的话，再恰当的颜料含量也不会取得好的效果。降粘组份包括用来调节粘度的单体，当然单体还会起到协调其它方面性能的作用。此外光引发剂和助剂也是必不可少的。
通过研究品红颜料4BY以相同的颜料含量分别通过低粘度的丙烯酸酯EbecrylTM 40和EbecrylTM 160稀释发现，在不加分散剂的情况下，所有的油墨都是具有触变性的，但是基于EbecrylTM 160的油墨印刷适性更好一些，还有光密度，光泽和透明性都会相对好一些。
当在颜料的研磨阶段中加入分散助剂后，油墨的牛顿流体特性变的明显，光密度也变高了。实验表明分散助剂与EbecrylTM 160配合作用的结果要比与EbecrylTM 40配合的好很多。在烷氧基化的新戊二醇衍生物中也同样如此。虽然助剂不能像我们希望的那样能最大程度解决存在的问题，有时还会出现相反的结果。但用EbecrylTM 160的油墨在纸张上的光泽要相对更好一点。
结论：在这篇论文中，我们概述了UV柔印油墨的一些重要特性。以流变性和颜料润湿性为重点介绍了这些特性的评价方法。我们已经可以发现树脂，颜料，稀释性丙烯酸酯和助剂之间的相互关系。可以通过调节各种组份来获得最佳的油墨产品。