光引发剂、颜料对紫外光(UV)固化油墨固化速度的影响.pdf
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1、北京化工大学硕士学位论文摘要*”780(uv油墨由于干燥速度快、无污染、印刷质量高等优点,在印刷行业正在 被越来越广泛的应用。在UV油墨中,固化速度是一个比较重要的问题。UV 油墨的固化,是依靠光引发剂吸收辐射能后形成自由基或阳离子,引发单体和 预聚物发生聚合、交联和接枝反应,形成交联的立体网状结构的高分子聚合物,从而使油墨固化。另外,由于油墨含有颜料,而不同的颜料对紫外光也有不同 程度的吸收、反射和散射,从而影响油墨的固化速度。所以,无论是光引发剂,还是颜料,它们对UV油墨的固化速度都有着很重要的影响;_只上一当文利用了 9种光引发剂、11种颜料,在相同的条件下,改变光引发剂、颜料的急及用量
2、,配制四色丝印UV油墨。测试了所用颜料的光谱吸收曲线,配制油墨的固化速度,以及在改变颜料时的印刷密度,研究了光引发剂、颜自 对于UV油墨的固化速度的影响。究结果表明,光引发剂、颜料对UV油墨的固化速度的影响很大,要提 高UV油墨的固化速度,首先必须选择好光引发剂和颜料的种类,这是非常重 要的。光引发剂吸收光谱要与光源的辐射光谱相匹配;同时应与油国的颜料相 匹配,即光引发剂的吸收峰尽可能在颜料“光谱窗”(弱吸收)范围内。颜料对 UV油墨固化速度的影响,主要由于它对紫外光的吸收。不同种类的颜料对UV 油墨固化速度的影响是不同的,颜色的影响尤为严重,UV油墨固化速度的顺 序依次为品红墨黄墨青墨黑墨。
3、油墨中光引发剂、颜料的含量要适量,颜料 的含量应在保证印刷密度的前提条件下,越低越好_通过本论文的实验可以得到:光引发剂819与BK2碳黑颜料匹配最佳,最 佳颜料的含量约为7%;光引发剂X与C3配菁蓝颜料匹配最佳,最佳颜料的 含量约为6%;光引发剂ITX与Y2联苯胺黄颜料匹配最佳,最佳颜料的含量约 为6%;光引发剂ITX与M四色版宝红颜料匹配最佳,最佳颜料的含量约为6%。运用本论文的研究结果配制UV丝印光盘油墨,由油墨生产厂进行中试,并在光盘印刷厂进行印刷。通过对研制的油墨的性能、印刷质量与同类进口墨 相比较,结果表明,研制的油墨的固化速度,以及印刷性能、印刷质量都很好,北京化工大学硕士学位论
4、文完全可替代进口油墨。关键词:UV油墨 UV固化 光引发剂 颜料 固化速度光谱吸收曲线印刷密度n北京化工大学硕士学位论文ABSTRACTUV ink has been broadly used in printing industry because of its fast curing rate,no pollution,high printing quality.The curing rate mainly affected by photo-initiator and pigment is an important factor of UV ink.The curing process
5、of UV ink depend on photoinitiators absorb radiant energy form radicals or cationic that initiate monomers or pre-polymers to polymerize,cross-link and graft react and form 3-dimensional crosslinked networks.then the curing process is finished.on the other hand,the different pigments in the inks abs
6、orb.reflect and scatter ultraviolet in different degree.The absorbed ultraviolet make the exciting state of the photoinitiators quench,then pigments exert an effect on the curing process of UV ink.Both photoinitiators and pigment are important factors of the curing rate at the same time.The four col
7、or screen UV inks are made by changing the types and quantities of 9 types of photo-initiators and 11 types of pigments under the same conditions.The effects of photo-initiators and pigments on UV ink are studied by the spectrum absorption curves of all the pigments,the curing speeds and the densrti
8、es of different pigments.The results of the studies proved that the curing speed of UV ink is seriously affected by photoinitiators and pigments.In order to promote the curing rate of UV ink,the choosing of photo-initiators and pigments is most important.In order to choose the most favorable photo-i
9、nitiator and pigment,the spectrum absorption characteristics must be matched with each other and matched with the light source at the same time,that is the absorption peak of the pigment must be in the spectrum window.The effect of pigments on the curing rate of UV ink is mainly because of its absor
10、ption to ultraviolet.The curing rate depend on the types of pigments.The color of the pigments is the most important factor,the effect on curing rate according its order is:Red inkYellow inkCyan inkBlack inkThe content of the photo-initiator and the pigment must be proper.The content of the pigments
11、 is best lower under the condition of proving the printing density.ui北京化工大学硕士学位论文There is the conclusion of this studies:the photo-initiator 819 is best matched with the pigment BK2,the optimum content of the pigment is about 7%;the photo-initiator ITX is best matched with C3,the optimum content of
12、the pigment is 6%;the photo-initiator ITX is best matched with M,the optimum content of the pigment is 6%The result proved that the curing rate.printability,printing quality of the UV screen photo CD ink made from the former formula are all well can replace the import ink completely.Keywords:UV ink
13、UV curing photo-initiator pigment curing ratespectrum absorption curve printing density北京化工大学硕士学位论文前言UV油墨,即紫外光固化油墨,是指在波长为20I50nm的紫外光的照射 下,能够从液态转变成固态而干燥的油墨。它具有以下优点:(1)干燥速度快,印刷生产效率高,印刷速度可达100300米/分,最快 超过500米/分.(2)瞬间干燥,网点扩大小,油墨不会渗到纸张中,造成干后变色,故印 品印刷质量优异,色饱和度、色强度和清晰度都叨显好于普通油墨.(3)是膜光泽度高、耐抗性好.(4)能耗低,节省能源.(
14、5)在低温下工作,可用于热敏性承印物的印刷(如塑料)。(6)油墨为100%的固含量,无溶剂挥发,既安全又有利于环保.)(7)印刷品是干燥的,叠放时不会因油墨未干而相互沾污,故无须喷粉,印刷机和车间环境清洁,无粉尘污染。(8)占地面积小,可降低投资,并可在线加工作业。叫因此,UV油墨在印刷工业中得到越来越广泛的应用。UV油果的粘度比较 大,固体含量较高,而且其在干燥之前颜料与连结料的比率5普通油膜相仿,因此最先在胶印中得到应用。UV油墨是无溶剂的,不会因溶剂挥发而产生网 眼堵塞的印刷故障,丝网印版印出的2530Hm厚的鬓膜在紫外线的照射下也 能迅速干燥,所以在丝网印刷中很快得到了应用.现在,CD
15、印刷油墨、软管 印刷油墨在国外基本上都是UV油墨。在柔性版印刷、凹版印刷中也有很多是 采用UV油墨,其印品比用水性果印刷的质量高,又不会有溶剂油墨的挥发污 染,常用于高档印刷中,尤其是水基UV油墨出现后,解决了早期无溶剂UV 油墨无法在凹印和柔性版印刷中应用的一些技术问题.可以说,UV油墨己淳 入各种印刷中,特别是塑料印刷,它取代了传统的溶剂油期,并能得到高质量 的印品。由此可看出,UV油墨将是油墨发展一个方向。为顺应油墨的发展,目前世界上先进的印刷机上,都配有紫外光干燥装置。我国UV油果的使用量 也在逐年增长,现用于印刷和电子领域的UV油墨已达到3000吨/年,且年增 北京化工大学硕士学位论
16、文长超过30%,而我国UV油墨还处于研究开发阶段。UV油墨的固化速度快,是它的最显著的一个特点,因此,固化速度是UV 油矍的一个非常重要的性能.影响UV油墨固化速度的因素有很多,光引发剂 和颜料就是其中比较重要的二个因素.UV油墨的固化,是依靠光引发剂吸收辐射能后形成自HI基或阳离子,引发 单体和预聚物发生聚合、交联和接枝反应,形成交联的立体网状结构的高分子 聚合物,从而使油墨固化.因此,光引发剂对油墨的固化速度起着直接的、关 键性的作用。但是,由于油墨含有颜料,而不同的颜料对紫外光也有不同程度 的吸收、反射和散射,可使光引发剂的激发态淬灭,并可是自由基的捕捉剂,从而影响油墨的固化速度。所以,
17、无论是光引发剂,还是颜料,它们对UV 油墨的固化速度都有着很重要的影响,并且是共同作用的“只有选择合适的光 引发剂和颜料,并且使二者能很好的匹配时,才能有效地提高UV油鬓的固化 速度。本论文主要研究在UV油墨中,光引发剂、颜料的种类,以及它们的用 量对固化速度的影响.北京化工大学硕士学位论文1文献综述1.1 UV油墨的组成uv油墨主要由颜料、齐聚物、活性稀释剂、光引发剂及其它助剂组成。其 中,齐聚物、活性稀释剂构成了油墨的连结料,决定了油累的印刷性能及其干 燥性能.UV油墨与一般的油性油星组成有所不同,及1比较了二类油墨的组 成.表1 UV油墨与普通油性油墨成分的比较成分UV油墨普通油性油墨着
18、色剂颜料溅料成膜物质1齐聚物树脂成膜物质2单体干性油挥发物质无溶剂催化剂光引发剂催干剂助剂1稳定剂(阻聚剂)干想抑制剂助剂2蜡等造等1.1.1颜料颜料在油墨中主要起呈色作用,决定了油墨印刷色彩饱和度、密度,同时 也影响油墨的流变性能叫 另外,对于UV油墨来说,颜料对固化速度还有很大 的影响.油墨中的颜料主要可分为着色颜料和体质颜料二大类。着色颜料主要是赋 予油墨所要求的颜色和遮盖力,有无机颜料和有机颜料二大类.网无机颜料历史悠久,品种多,一般都有很好的耐候、耐化学等性能.其遮 盖力比有机颜料强得多。但相当一部分有色无机颜料有金属铅、格的化合物,毒害性强。目前在油墨行业中,绝大部分彩色品种被有机
19、颜料代替。但钛白和 碳黑具有优良的性质及独有的白与黑色调,是任何有机颜料所无法取代的,仍 广泛用于油墨工业中网有机颜料具有色泽鲜艳,透明性好,着色力强,密度小,无毒性,但是经 3北京化工大学硕士学位论文典品种的耐光、耐热、耐溶剂和耐迁移性能往往不及无机颜料。有机颜料中的 高级品种能满足长期室外曝晒,高温加工,耐溶剂,耐迁移等多方面性能要求,可与无机颜料相媲美网。在彩色印刷中所用的四色油果中,除黑墨采用碳黑配 制外,其余三原色油墨都采用有机颜料配制,常用的有联苯胺黄、献菁蓝、耐 晒桃红色原和四色版宝红等。体质颜料是指起填充作用的颜料,故又称为填充料或填料。主要有碳酸钙、硫酸铁、氢氧化铝、二氧化硅
20、、滑石粉、高岭土等等。由于体质颜料的价格便 宜,所以它的加入可以降低油麋的成木,另一方而,它在油墨中还起到骨架作 用,它的填充可以增加矍膜的耐抗性。体质颜料对紫外光几乎没有吸收,因此 它对UV油鼻的固化速度没有太大的影响叫齐聚物齐聚物又称预聚物,是UV油墨中最基本组份。它是成膜物质,其性能对,固化过程和固化后墨膜的性质起着重要作用。从结构上看,齐聚物都为含有“OC”不饱和双键的低分子树脂,如含有丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基、烯丙基等。在同样的条件下,光固化速度丙烯酰基最快,故齐聚物大都为丙烯酸 树脂.目前,常用于UV油墨中的齐聚物的典型结构及性能如表2僧L1.1.3 活性稀释剂活性稀释剂也叫
21、交联单体,是一种功能性单体,它在油墨中的作用是调节 油墨的粘度、固化速度和固化膜性能。活性稀群剂结构上也是含有“c=c”不 饱和双键,可以是丙烯酰基、甲基丙烯酰基、乙烯基和烯丙基,鉴于丙烯酰基 光固化速度最快,因此目前使用的活性稀释剂大多是丙烯酸酯类单体。由于含 有丙烯酰基的数量不同,可分为单官能度、双官能度和多官能度三类,官能度 不同的活性稀释剂,稀释效果和固化速度都不同,一般来说,官能度愈多,固 化速度愈快,但稀释效果愈差。活性稀释剂官能度对固化膜性能的影响规律 如表3叫北京化工大学硕士学位论文表2 UV油墨中常用的齐聚物的结构与性能的关系种类组成与结构国速1抗张强度柔性硬度5 篇学耐候
22、性环寂丙烯 酸树脂VCHCOO环氧树脂一 00CCH=CH2高不好苞很好中聚氨酯丙烯酸树脂CHlCHCOO聚氨函一 OOCCfrCHj可调可调好可调好可调聚酯丙烯 酸树脂CH2=CHCOO-聚酯OOCCHXHz可调中可调中好不好聚艇丙烯 酸树脂CH2=CHCOO-(聚酷 JTOCCHYHz可调低好低不好一丙烯酸酯 树脂(CH-X COOR慢低好低好很好不饱和聚 酯(0CHaCH20C0CH=CH-C0)nr慢高不好高不好不好丙烯酸酯 化油慢低好低一一表3活性稀释剂官能度对固化膜性能的影响规律性能伸长率硬度抗冲击 性热稳定 性耐化学 性抗张强 度柔性耐磨性官能度增 加一+一十+十一+注:表示增加
23、,“一”表示减少.传统的活性稀释剂,如苯乙烯、第一代丙烯酸酯单体等,它们的毒性很强,有些丙烯酸酯类单体对皮肤有强烈的刺激作用。为了减少活性稀群剂对皮肤的 刺激性,通常有两种方法:一是采用环氧乙烷,环氧丙烷和己内酯开环聚合增 加单体分子量;二是改变单体酯基结构。还有一种改变以前使用醇酯化方法,而是采用醇加成到丙烯酰基上,使多官能度单体皮肤刺激性大大降低,如新戊 二醇二丙烯酸酯采用酯化合成时,P.LI值(皮肤刺激性指数)为4.96,而采用 加成法合成时,P.I.I值降为0.3U叫最近,还开发了一些性能很好的单体,如:烷氧基化丙烯酸酯、碳酸酯单 丙烯酸酯、咪喋基单丙烯酸酯、环碳酸酯单丙烯酸丽、环氧一
24、硅酮单体、硅第 5北京化工大学硕士学位论文类丙烯酸酯、以及乙烯基酸类单体等阿。其中有些已经商品化,如:美国Sartomer 公司、比利时UCB公司、德国Henkel公司的烷氧基化丙烯酸酯,美国ISP公 司的许多乙烯基酶类单体。1.1.4 光引发剂光引发剂是能吸收辐射能,经过化学变化产生具有引发聚合能力的活性中 间体的物质,它是任何UV固化体系都需要的主要成分回。光引发剂可分为夺 氢型和裂解型:夺氢型是需要和一含活泼氢的化合物(一般称助引发剂)相配 合,通过夺氢反应,形成自由基,是双分子光引发剂;裂解型是光引发剂受光 激发后,分子内分解为自由基,是单分子光引发剂地.(1)夺氢型以二苯甲酮(BP)
25、为例;单独使用二苯甲酮时,不能使烯类单体进行光聚合,要它成为光引发剂需/要和醉,型或胺合用。其中醇和醛与二苯甲酮的反应机构与胺和二苯甲酮的配 合是不同的。它们的反应机理如下g:式中,R可以是不同的烷基或芳基,从醇或酸中提取氢原子时,氧气很容 易猝灭激发态的二苯甲酮。而从胺提取氢原子时,由于酮形成激发态后马上与 股形成激发态的络合物,避免了向氧分子的能量转移,所以肢体系不易为氧气 猝灭,与醇酸体系相比,也减少了向单体发生能量转移的可能性。因此,在实 际应用中,一般采用胶体系必。除二苯甲酮外,这类光引发剂还有慈醍类和疏 杂蕙酮类,如常用于UV油墨中的有2一异丙基硫杂蕙酮(ITX)。北京化工大学硕士
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