《印刷与包装材料》PPT课件.ppt

印刷与包装材料 第六讲 4.2 油墨的制造与油墨的体系状态及稳定性 l准备配料混合研磨调整检验分装 l 油墨的制造过程即把颜料颗粒均匀分散到连结料之中。同时加 入（填料、助剂、溶剂，经搅拌成为均匀稳定的混合物） l 所用制墨设备：填料机、捏合机、三辊轧墨机、球磨机、砂磨机等 设备。 l 印刷是针对不同承印物，要用不同设备、不同的油墨。如胶印平台 凸印机、丝网印刷机所用的油墨是粘度较高的浆状油墨；照相凹版印 刷、柔版印刷、报纸印刷所用的是粘度很小的液状油墨。 油墨 油墨 l4.2.1 高粘度浆状印刷油墨的制造工艺 浆状油墨 油墨 调墨油炼制混合研磨调整装桶 工艺阶段 原料 三 辊 轧墨机 炼油用 不锈钢锅 行星式 搅拌机 行星式 搅拌机 捏合机 装桶机 辅助剂 树 脂 干性油 溶 剂 粉状颜料 颜料滤饼 浆状油 墨成品 挤水法 油墨 1.配料 这环节很重要，配方直接影 响油墨的性质、品质。 2.混合 按配方及顺序依次将连结 料、颜料等材料加入料桶中, 用搅拌机搅拌。搅拌机以一 定转数，使连结料和颜料在 叶片剪切力和挤压力下初步 浸润及分散，形成糊状物。 为了搅拌均匀，搅拌叶可上 升下降，也可调转数。不同 粘度的墨所用叶片数不同。 搅拌机 捏合机类似食品工业中的和面机，多用于分散亲油性的有机颜料, 挤水法生产油墨是一种比较好的方法。 原理：（利用真空除水）将含水量多的颜料湿浆与连结料一起加 入捏合机中，密闭体系，开动真空泵，捏合挤水，用此种方法使水汽 被抽出除去，得到含水量很低的墨料。 油墨 捏合机 3.研磨 油墨的研磨采用轧墨机，常用的是三辊 轧墨机。它是将从搅拌机或捏合机中放出 的墨料进一步分散和研磨，使被初步浸润 的物料进一步变细和浸润，达到15m以 下的细度。 三辊轧墨机结构简单，三个辊的转数 不同，从而产生剪切力。辊的转数是从机 器后部到前部逐步增加，转速比常用的为 1：3：9，辊因不同转速产生剪切力使油 墨和辊子发热。（辊内有冷却水来降温） 后辊、中辊上方有送料斗，将糊状墨料送 入辊子中，经中辊旋转带到前辊。前辊上 有一与前辊成一定角度的刮刀将油墨刮下 ，调中、后辊间距，可改变墨的研轧粒度 ，墨通常要轧35次，才能达小于15m 的细度。 油墨 三辊轧墨机 油墨 三辊轧墨机的辊子排列方式 油墨 4.调整 将从三辊轧墨机放下的墨料加入辅助剂、溶剂、调墨油、催干剂等 物料放入搅拌机中，使之混合均匀，调到适应粘度后检验。 5.检验与分装 将调好的墨检验合格后，用分装机分装。 l4.2.2 低粘度液状印刷油墨的制造工艺 油墨 1.配料 配料与高粘度浆状印刷油墨相同 2.混合 一般用槽式搅拌，粘度小时可以不经过混合步骤而直接将色料、连结 料、调墨油等一同投入到球磨机中研磨。 3.研磨 球磨机分卧式、立式两种 球磨机主要部分是一个钢滚筒，筒内有瓷球或钢球。经电机带动使筒 沿中轴旋转，内部装的球与油墨原料不断撞击使墨料受剪切、挤压等 ，直到墨料得到充分的分散为止。 球磨机可连续生产，砂磨机也是能实现连续生产的高效率机器。 卧式球磨机示意图 卧式砂磨机 油墨 油墨 立式球磨机示意图 立式砂磨机 4.调整 调整可用槽式搅拌机或高速分散机。 5.检验与分装 将调整好的油墨进行检验，检验合格后即可分装，黏度较小的油墨 分装一般由全自动分装机分装。 油墨 l4.2.3 油墨的体系状态及稳定性 油墨是一个多相分散体系，其中有固固平衡、固液平衡、液 液平衡。其中固固、固液平衡决定了油墨分散体系的稳定，液 液平衡决定了油墨连结料的品质。所以油墨体系为一个多相分散悬 浮平衡的稳定状态。 1.固液状态对油墨稳定性的影响 油墨中颜料粒子是一个分子的聚集体，由于粒度小、比表面积大， 表面又有极性，所以表面自由能较高，热力学上是不稳定体系，易自 凝聚形成固体。由于颜料表面存在晶格缺陷，有很好的吸附力（表面 力），这个力使颜料与连结料之间得到很好浸润（亲合作用）。 油墨 颜料的浸湿过程是气-固界面被固-液界面取代的过程. Wi 为浸湿功，反映液体在固体表面取代气体的能力。 *在已定的分散系统中，要改善分散状态，必须设法降低固-液界面的 界面能。 自由能变化为（变化幅度与固-液亲合性程度有关） -G=GS- SL = Wi 结论：*高能表面（ GS 大）的固体颗粒有利于在介质中的分散。 油墨 亲水颜料表面极性力很强，亲水连结料也是如此，所以两者有很强的 相互作用，它使颜料粒子被包围于连结料之中，使颜料粒子的表面能下 降，界面能也下降。两者很好的亲和，体系处于低能稳定、分散状态。 亲油性颜料与亲油性连结料分子极性差，无强烈作用，但接触后表面 、界面处于较低的能量状态，两者处于亲和状态，体系分散稳定。 油墨 若亲水颜料与亲油连结料相互之间不作用，无法释放能量，两者界 面有较大过剩的极性力，界面能量高，体系不稳，这时可借表面活性 剂来提高两者的亲和力，增加润湿，使体系稳定。 2.表面活性剂的助稳定作用 表面活性剂分子的结构一端为亲油憎水的长链烷基，另一端为亲水憎 油的极性基(羧基、醚基、磺酸酯基）。 表面活性剂有四种：阴离子型、阳离子型、非离子型、两性离子型。 油墨 油墨 表面活性剂的作用机理： 增加固体粒子间的斥力，保持分散体系的稳定。 油墨 在水基墨中加入离子型表面活性剂，表面活性剂分解成正负离子后吸 附在颜粒表面，离子基团位于颜料颗粒外侧，形成对颜粒的包围，颜粒 外围构成双电层，颜料颗粒带同种电荷，颜粒颗粒相互排斥，有效地防 止颜料粒子凝聚沉降。 水基连结料中颜料粒子的分散保护层 表面活性剂的作用机理： 改善连结料的亲和与润湿能力 物质的极性取决于自身的结构和所具有的基团性质，而两物体之间的相互 作用力主要取决于分子之间常见的力（范德华力）取向力、诱导力、色 散力及氢键。 分子间的取向力示意图 分子间的诱导力示意图 分子间的氢键力示意图 油墨表面活性剂的作用机理： 4.3 油墨的理化性能 l4.3.1 油墨的粘附性 LG SL SG G L 油墨的粘附性油墨对承印物的润湿。 润湿是固体表面的气体被液体取代的过程，即液体分子被吸引向固 体表面的现象，表征润湿的参数是接触角。 油墨 液滴接触角示意图 杨氏润湿方程： SG SL COS LG (1)当 SG 0 LG 0 COS 0 900 不能润湿 SL (2)当 SGSL 0 LG 0 COS0 900 油墨可以在承印物上润湿 油墨 油墨 （3）在数值上，SL总是介于SG和LG之间 即或SG SL LG 或SG SL LG 固体表面被液体润湿的条件是：SG LS SG LG 要使液体润湿固体，液体的表面张力必须小于固体的 表面张力。 即： 油墨 l4.3.2 油墨的干燥性 油墨从橡皮滚筒转印到承印物表面形成液态膜层。膜层经过一系 列物理、化学变化而成为固体膜层的过程叫干燥过程。 从原理看，干燥有化学、物理、光化学干燥几种形式。具体又可 分挥发型干燥、渗透型干燥、氧化聚合型干燥、加热硬化型干燥， 、二液反应型干燥、紫外固化型干燥等。 凸版选矿物油与树脂当主体油，干燥方式为：渗透型干燥。 凹版选挥发性溶剂与树脂当主体油，干燥方式为：挥发型干燥 胶印所用连结料以干性植物油为主，干燥方式为：氧化结膜干燥 无溶剂活性预聚树脂，则在能量下产生化学交联固化而干燥，称反应 型干燥 油墨 1.挥发干燥型 特点：树脂溶于有机溶剂中，印后，溶剂（水分）溢出。树脂在承印物表面 经过物理交联后失去流动性而形成固结干燥的墨膜（膜可用制墨的溶剂再度 溶解）。 采用树脂：松香改性的酚醛树脂、丙烯酸、纤维素等。 单一溶剂的挥发速率可按下列公式计算： Er= K P25M d25 Er溶剂挥发速率 P25 25时的饱和蒸汽压 K常数 d25 25时的密度 常用溶剂的挥发速率 同类溶剂，沸点越低，挥发越快。 油墨 油墨 若是纯的单一溶剂，其挥发速率为直线，如 参入了树脂，则在后期挥发速度减慢。 2.渗透干燥型 连结料是不干性矿油和松香、沥青等构成。不同分 子量材料混在一起，印后，小分子部分的连结料渗入纸 内，大分子部分连结料则同颜料一起固着在承印物上。 （即干燥是依靠连结料的渗透和纸张的吸收两种作用完 成的） 印刷墨受压先渗透到纤维的缝隙中，剩余的墨则在 纸表成膜，其后由于纸张毛细管的作用，油墨的连结料 继续进行自由渗透。而均匀分散的颜料粒子间的微细缝 隙起到了阻碍油墨中较大分子连结料的渗透，使连结料 粘结在颜料粒子周围。一定时间后，纸的毛细管渗透与 颜料微缝的阻渗达到平衡时，干燥基本完成（是物理干 燥、墨膜耐磨性差些）。 油墨 (r) r 油墨 纸张 r2r1 墨中颜料粒子平均半径r2小于纸张毛细管的平 均半径r1 ，则颜料粒子吸引连结料的能力大 于纸张吸引连结料的能力。达平衡时，墨中含 有一定量连结料存在。 油墨 (r) r 油墨 纸张 r2r1 颜粒平均半径与纸张毛细管的平均半径相等时， 颜料粒子对连结料的吸引减小。平衡时，含有一 定量的颜料粒子随连结料一起渗入纸内导致纸平 面墨层暗淡。 = 油墨 (r) r 油墨 纸张 r2 r1 颜料粒子平均半径大于纸张毛细管的平均半径 ，大粒子颜料对连结料的吸引力减少，纸张会 大量吸收连结料，使平衡难以实现，由于过量 渗透，使颜料粒子周围失去介质而成干粉，使 助剂粉化。 油墨 3.氧化结膜型 此类墨的连结料主要是由干性植物油组成，由于植物油大分子中具 有不饱和双键或共轭双键，因此分子具有很高的反应适性，易吸氧，形 成氧化聚合反应（近邻的双键氢氢很活泼很容易在空气中与氧作用，生 成氢过氧化物）在较低能量下即可断键，形成自由基，然后再与大分子 双键反应形成网状结构的大分子。 用过氧化物理论解释的氧化结膜过程： （1）诱导阶段 （2）氢过氧化物生成阶段 （3）氢过氧化物分解，自由基生成阶段 （4）聚合阶段 油墨 氧化结膜干燥型油墨流动性好，印刷适性也好，形成的墨膜坚韧 光亮、耐磨。 它的干燥速率受多种因素影响，几种主要的影响有： 纸张酸碱度的影响 纸的PH值越小，干燥越慢。（纸张的pH值过低，其中的酸性物质 会和油墨中的催干剂反应，减缓油墨的干燥） 温、湿度的影响 氧化结膜为化学反应，因此温度越高，反应速度越快。 湿度对干燥的影响与颜料有关，彩色颜料影响不大。炭黑的影响大 ，吸附性大，湿度大，要多加干燥剂。 干燥剂的影响 干燥剂多以铅、钴、锰为主的有机酸盐，通常以离子形态存在，在 氧化干燥中起到氧的载体作用。降低了与氧反应的活化能，促进了 氧化物的形成。 油墨 4.紫外固化型 在紫外线照射下，油墨在光敏剂的作用下产生自由基，引发单体（连 接料）聚合反应而形成干燥墨膜的油墨，也称UV油墨。 此种油墨最大特征是不使用溶剂，主要成分是低粘度的预聚物和活性 单体、光敏剂等。 此类墨所用树脂（预聚）环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等改性的丙烯 酸酯类，具有多官能团，反应后生成网状高分子，从液相固态速度极 快。 5.加热固化型 即在加热条件下产生化学反应而硬化结膜。（用于金属类、塑料类印 刷）树脂多为氨基醇酸树脂，凝油性醇酸树脂和丁酰树脂的混合物。加热 时，一般在醇酸树脂的羧基和氨基树脂的羟甲基之间发生反应形成交联结 构的大分子。 油墨 1.热固油墨不含溶剂，常温下挥发量极小，加热到一定温度时，才发生交 2.联反应而固化， l4.3.3 油墨的流变性能 1.粘度的概念 粘度流体在流动中所表现出来的内摩擦力的表现，即流体分子间相 互作用吸引而导致的运动阻力，流体的这种性质称为粘滞性，度量它的 物理量称为粘度。 油墨 A(cmA(cm 2 2 ) ) X(cm)X(cm) F(dyne)F(dyne) dxdx dydy 上平行板上平行板 ( (移动移动) ) 下平行板下平行板 ( (静止静止) ) 流体层流体层 F(dyne)F(dyne) 油墨 2.液体的流动性质与流动曲线 牛顿流体 符合牛顿流动定律的流体都称为“牛顿流体”，小分子液 体与高分子的稀溶液属于此类。 其特点：流动曲线是一条通过原点的直线，粘度即是该直线的斜率，粘 度不随剪切力和剪切速率的大小而改变，是一个常数。 非牛顿流体 凡不符合牛顿流体的称为非牛顿流体，高分子的熔体 与浓溶液均属此类。 特点是：粘度随剪切力，剪切速率而变，不是常数。 流动曲线上与某一切变速率相对应的点与原点相连直线的斜率。 流变曲线上任一点斜率称为该切变速率下的粘度c。 油墨 0 A C B D E d/dt 0 各种类型的流变曲线（各种类型的流变曲线（-D-D关系曲线关系曲线 ） A：牛顿型流动（流体） B：假塑性流动（流体） C：胀流型流动（流体） E：宾哈姆流动（流体） 除A之外，B、C、E均为非牛顿流体。 通常，胶印油墨为宾哈姆流体，雕刻凹版油墨为胀流型流体。 2 1 2 3 D 0 p (n1)(n1) 假塑性流体的流变曲线 假塑性流体的流变方程： 初始 粘度 表观 粘度 微分 粘度 此为幂率流动，k、n为特性参数。 油墨 d/dt m B e 宾哈姆流体的流变曲线 实际宾哈姆流体的流变曲线 理想的宾哈姆流体的流变曲线应是线性的。 宾哈姆流体流变方程： 塑性粘度p=(- B)/D 0 油墨 d/dt D 油墨 3.油墨的粘度与屈服值 粘度在印刷中至关重要，受自身结构、环境温度、作用力时间、剪 切力及速度的影响。它直接影响印刷质量，如每小时2万印的轮转胶印油 墨，其粘度应在1030Pas范围，若粘度太小，在高速运转下会产生墨 丝断裂形成“飞墨”现象。 相同印数下，纸张结构松软的油墨粘度应低一点，纸张结构紧的要 求油墨粘度高一点。否则松软纸用高粘度油墨，将把纸粘坏，产生拉毛 现象。 粘度对流动性有影响，粘度高，流动性会差些，这主要取决于颜料粒 子的形状与分散度。 油墨 屈服值屈服值 0 0 ：指使油墨产生变形所需要的最小剪切应力。 当剪切应力 0 0 时，D=0,油墨不产生变形； 当剪切应力 0 0 时，油墨才发生变形而流动。 屈服值屈服值 0 0 的单位：N/m2，通常油墨应具有一定的屈服值（较小）。 屈服值形成的原因：油墨在静止时，内中的粒子会相互吸引聚集成一 个整体，此时是稳定的。当受到外力作用，粒子间的这种聚集作用力被 破坏，外力越大，破坏得越严重，当达到一定的临界作用力时，油墨便 开始变形流动。导致油墨流动的力即是屈服值（剪切应力）。 屈服值的大小与油墨的结构有关，它影响油墨的流动性。 油墨 4.油墨的触变性 v 触变性的定义：在温度不变的情况下，若剪切速率保 持恒定，切应力和表观粘度随时间延长而减小的行为， 称为触变性。这是宾哈姆流体和塑性流体的基本特性。 p流体的剪切应力和表观粘度随着时间的延长而不断降 低并逐渐稳定在比原来低的水平； p当剪切为零时，流体的剪切应力和表观粘度又随着时 间的延长而逐渐恢复至原来的水平。 油墨 触变性的表现形式：当油墨受到外力搅拌时，油墨由稠 变稀，表观粘度随时间的持续而下降，甚至能产生流动 。当搅拌作用力停止后，油墨又由稀变稠，表观粘度随 静置时间的持续而上升，并恢复到原来较高的恒定值， 油墨流动减弱最后停止流动。 注意：触变性是在恒温条件下进行的，表观粘度的下 降不是因搅拌时油墨升温而导致的，而主要是油墨内部 结构发生了变化而引起的。 影响触变性的因素：颜料的性质、形状及体积 一般地，针状颜料较球状颜料制成的油墨触变性大 颜料在油墨中所占的体积（含量）大，则油墨的触变性大 颜料与连结料之间的润湿好时，油墨的触变性要小。 油墨 v 触变性对于印刷过程的重要意义： p静止时，油墨的黏度比较高，可以有效地阻止颜料粒 子由于分子热运动而导致的聚集，有利于油墨的储存 和运输。 p油墨在受到恒定剪切应力 作用时，粘度不断降低并 逐渐稳定，有利于油墨的传递和转移。 p油墨转移到承印物上，D=0，随着时间延长，粘度逐 渐增大，有利于减少油墨网点铺展，提高图象的清晰度 。 油墨 触变性产生的原因及触 变现象形成的机理： n扩散双电层 n架子结构 静止时：引力=斥力 呈现凝胶状态，粘度较高； 外部机械作用下，双电层 被破坏，引力斥力，粒子 运动范围加大，呈现溶胶 状态，表现为粘度降低， 作用时间越长，粒子双电 层破坏越彻底； D=0，粒子双电层重新恢复，经 过一定时间，体系再次回到起 初的凝胶状态。 油墨流变曲线的滞后现象 A D D 0 对应于同一个剪切速率，上行 线的表观粘度要大于下行线的表观 粘度，该现象为滞后现象。 触变性流体的流变曲线 油墨 l4.3.4 油墨的光学性能 1.光学性能的主要指标 油墨的光学性能指墨膜干燥后的光泽性、透明及色彩状态。决定光学 性能的本质在于膜层对照射在表面光线的反射、透射和吸收能力，三 种能力的综合作用就体现墨膜的光泽、透明性和色彩状态。 l光泽度是印刷品质量的重要指标。对印刷品进行覆膜、上光、涂 塑等处理，目的都是为了提高印刷品的光泽。 l透明度是指当光线照射于膜层表面时，将有一部光线通过折射进入膜 层，这些折射光一部分被膜层吸收，一部分穿透膜层。吸收越多，膜 层的遮盖力越强；透射越多，膜层的透明度越高。 l颜色是由于油墨中使用的黄、品红、青颜料与自然界光谱的颜色差别 很大，使每一种油墨都会产生色相误差和灰度，导致印刷品的颜色达 不到预期的色调和密度。必须在图象处理时进行调节和补偿，而补偿 的前提是了解三原色油墨的颜色特点。 油墨 2.影响因素 影响光泽的因素： 墨的流平性 纸张疏松 不能使连结料太稀了，渗透量大了，墨层有粉化趋势，墨膜 无光。 纸张自身的平滑度不佳，对于光的反射就会出现偏差，影响墨层光泽 。 影响透明度的因素： 颜料结晶形态，大小，与连结料的折射率 颜料粒子大小，量多少，决定分散度的大小，决定对光的反射，吸收量 ，吸光能力上升，透明度下降。 颜料粒子的形态、组成、纯度。 不纯物会造成有害吸收，使颜色不纯正 。 油墨 影响颜色的因素： 颜料粒子的形态和组成的纯度。 三原色油墨的颜色特征 色相误差： 100%100% ( (M-L)/(H-L)M-L)/(H-L) 色效率： 100% 100% 1- (1- (L+M)/2HL+M)/2H 灰度及饱和度：灰度= 100% L/H 色强度 油墨 三原色油墨的颜色特征 色相误差： 100%100% ( (M-L)/(H-L)M-L)/(H-L) 色效率： 100% 100% 1- (1- (L+M)/2HL+M)/2H 灰度及饱和度：灰度= 100% L/H 饱和度 100% （1- L/H ） 色强度:每种墨中的最高密度值 油墨 三原色油墨红绿蓝 黄墨0.020.080.85 品红0.090.890.33 青1.250.400.57 l4.3.5 油墨的耐抗性 油墨 l耐抗性指油墨形成固态膜层后，膜层受到外界因素影响时， 保持膜层色彩和其他品质不变的性能。 耐光性（耐晒性） 耐热性 耐酸碱、耐有机溶剂、耐水性 评价膜层的耐抗性（稳定性）包括两个方面的内容： 1.膜层中的材料受到侵蚀，化学结构是否发生变化，从而导致颜色改变。 2.膜层材料受到侵蚀而被破坏，颜料是否游离出膜层。 油墨 l4.3.6 油墨的细度 油墨的细度指油墨中颜料、填料 等固体颗粒的大小及分散程度。油墨 颗粒粗大会引起印刷故障：平版印刷 中可能产生堆版、糊版甚至毁版；溶 剂型油墨会引起毁版、油墨沉降等。 特别是印刷加网线数比较高的印刷品 ，对油墨细度的要求更高。 油墨细度的测量方法 显微照相法使用电子显微 镜，根据颗粒尺寸判定油墨 的细度。 刮版细度计法 油墨 l4.3.6 油墨的细度 油墨细度的测量方法 显微照相法使用电子显微 镜，根据颗粒尺寸判定油墨 的细度。 油墨 l4.3.7 油墨的粘弹性 粘弹性是高分子特有的性质,既有粘性,又有弹性.油墨是一种混合粘 稠体系,尤其是其中溶