一种耐高温水性聚氨酯油墨及其制备方法
文献发布时间：2024-04-18 19:44:28
技术领域
本发明涉及油墨技术领域，尤其是涉及一种耐高温水性聚氨酯油墨及其制备方法。
背景技术
溶剂型油墨是由有色染料、连接料树脂(高分子树脂或天然树脂)、有机溶剂和相关助剂等四大成分构成，往往连接料树脂分散在有机溶剂中，所以连接料成分中一般含有占其总重量约一半的有机溶剂，若是长期接触，对操作人员及使用人员的皮肤造成一定程度的腐蚀，而且其中含有的有机挥发物(VOCs)成分，能够在生产过程混杂在空气中而被动吸入人体内，极大威胁了人体的健康。溶剂型油墨中有机溶剂成分占一半分量左右，而且极其容易挥发，在其生产及使用过程中经过挥发，散发在空气中，散发到空气中的部分溶剂混入氧气中，甚至与氧气发生化学反应生成新的有害物质，从而极大破坏人类居住及活动的空气环境，更严重的情况下会扰乱生态平衡，在上述严峻的情势下，水性油墨应运而生。水性油墨简称水墨，由颜料、相关助剂、水分散性或水溶性高分子树脂连接料和溶剂组成。因此，采用水作为溶剂就是水性油墨最大的特点，这也是它不同于溶剂型油墨的最明显的特征，水性油墨中含有的有机溶剂成分极低，或者完全无有机溶剂，因此水溶性油墨含有VOCs含量极低、无毒性或者毒性很小、不会燃烧而且不会产生腐蚀等优点，并且水资源在地球上含量极为丰富，所以水性油墨在当今绿色环保的主题下备受欢迎，作为一种核心的绿色环保印刷材料，在印刷行业及其相关的产业得到迅猛发展。水性聚氨酯油墨的连接料采用水性聚氨酯，但是水性聚氨酯的在高温条件下力学性能欠佳，导致油墨从承印物上脱落，导致字迹或图案模糊。
中国专利公开号CN106833116公开了一种水性聚氨酯印刷油墨及其制备工艺，油墨由以下组分组成水性聚氨酯乳液、去离子水、有机颜料或者无机颜料、水性蜡乳液、甲基醇胺类中和剂、增稠剂、消泡剂、润湿剂和分散助剂，通过分散、研磨，制得油墨。又如中国专利公开号CN104497698公开了一种高性能水性聚氨酯油墨的制备方法，该制备方法包括如下步骤：a)选材备料，b)制备聚氨酯乳胶，c)制备色浆，d)配制油墨。该本发明公共了一种高性能水性聚氨酯油墨的制备方法，制得的水性聚氨酯油墨安全无毒，对软包装膜具有优良的附着力、较好的稳定性、较快的干燥速率和较强的成膜性能。虽然以上专利文献中油墨在常温下具有良好的附着牢度，但是不耐高温，在高温条件下油墨容易承印物上脱落。
发明内容
本发明是为了克服以上现有技术问题，提供一种耐高温水性聚氨酯油墨及其制备方法。本发明水性聚氨酯油墨能够耐高温蒸煮，在高温条件下能够保持优良的附着牢度，避免油墨在高温条件下从承印物上脱落。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述组分：
水性聚氨酯树脂60-70份
填料20-35份
云母石粉10-15份
水50-70份。
本发明以水性聚氨酯树脂作为油墨的连接料，水作为油墨溶剂，不同于溶剂型油墨，水性油墨中无有机溶剂，VOCs含量极低，无毒，绿色环保。通过在水性油墨中掺入云母石粉提高油墨的耐高温性能，使油墨在高温蒸煮的条件下仍能保持优良的粘附性能和附着力，避免油墨从承印物上脱落导致字迹不清或图案迷糊问题。
作为优选，所述云母石粉表面经过疏水改性处理。
本发明团队实验过程中发现在水性聚氨酯油墨中掺入云母石粉后，水性聚氨酯油墨的固化时间延长，降低油墨的承印效率。进一步研究发现，固化时间延长与云母石的层状结构和表面负载羟基的亲水性有关，水分子被云母石的层状结构吸收，导致油墨水溶剂不容易快速蒸发，从而延长油墨的固化时间。本发明团队针对此问题，对云母石粉表面进行一定程度的疏水改性处理，避免云母石的层状结构对水分的吸收，经过实验发现云母石粉表面经过疏水改性后，油墨的固化时间得到缩短，从而提高油墨的承印效率。
作为优选，所述云母石粉表面疏水改性处理方法为表面接枝疏水性的官能团。
作为优选，所述疏水性的官能团为乙烯基、烷基、芳基中的一种或多种。
作为优选，所述云母石粉表面疏水改性处理方法包括以下步骤：
（1）将乙烯基三甲氧基硅烷溶解在溶剂中，调节pH呈酸性，得到水解液；
（2）将云母石与水解液接触至完全反应；
（3）干燥处理，得到疏水改性的云母石粉。
本发明以乙烯基三甲氧基硅烷作为云母石的疏水改性剂，通过硅烷偶联剂的水解羟基与云母石表面的羟基发生缩合反应，从而将乙烯基接枝到云母石表面，使其表面呈现一定的疏水性能。
作为优选，所述云母石与乙烯基三甲氧基硅烷的质量比为1:（0.06-0.09）。
本发明优选控制云母石与乙烯基三甲氧基硅烷的质量比小于1:0.06，质量比小于1:0.06时，云母石粉表面接枝足量的乙烯基官能团，其表面呈现较为明显的疏水性，能够大幅缩短油墨的固化时间。实验过程中发现，当继续提高云母石表面的乙烯基接枝量，两者质量比小于1:0.09时，油墨的耐温高性能出现下降，研究发现这与云母石表面接枝过量的乙烯基团有关，云母石表面接枝过量的乙烯基导致云母石表面呈现极强的疏水性，其界面与水的相容性极低，导致其悬浮在油墨表面和出现团聚现象，从而影响云母石对油墨耐高温性能的改性，因此，本发明同时优选控制云母石与乙烯基三甲氧基硅烷的质量比大于1:0.09。
作为优选，所述油墨组分中还包括分散剂。
作为优选，所述油墨组分中还包括消泡剂。
作为优选，所述油墨组分中还包括抗静电剂。
一种耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
将水性聚氨酯树脂、填料、云母石、水和其它组分助剂在搅拌条件下混合均匀，即得。
本发明具有如下有益效果：
（1）以水性聚氨酯树脂作为油墨的连接料，水作为油墨溶剂，不同于溶剂型油墨，水性油墨中无有机溶剂，VOCs含量极低，无毒，绿色环保；
（2）通过在水性油墨中掺入云母石粉提高油墨的耐高温性能，使油墨在高温蒸煮的条件下仍能保持优良的粘附性能和附着力，避免油墨从承印物上脱落导致字迹不清或图案迷糊问题；
（3）通过对云母石粉表面疏水改性，缩短油墨的固化时间。
具体实施方式
本发明具体实施例中若非特指所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法如无特别说明均为本领域的常规方法。
实施例
耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述组分：
水性聚氨酯树脂65份
填料纳米二氧化钛30份
云母石粉12份
水60份。
其中，云母石粉表面经过疏水改性处理，包括以下步骤：
步骤1：将乙烯基三甲氧基硅氧烷按照体积比1:30加入质量浓度为70%的乙醇溶剂中，搅拌3h，然后加入盐酸调节溶液pH至3.5，得到乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液；
步骤2：将云母石粉加入乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液中，云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.08,搅拌10h至充分反应；
步骤3：将反应液经过过滤分离，然后送入烘箱中在60℃下干燥10h，即得。:
耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水性聚氨酯树脂、纳米二氧化钛加入水中以1000r/min搅拌30min；
步骤2：添加云母石粉以600r/min搅拌20min，即得。
对比例1
对比例与实施例1的区别在于油墨组分中没有添加云母石粉。
实施例
耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述组分：
水性聚氨酯树脂68份
填料纳米二氧化钛33份
云母石粉13份
聚丙烯酰胺分散剂3份
聚氧丙烯甘油醚消泡剂1份
烷基磺酸钠抗静电剂2份
水65份。
其中，云母石粉表面经过疏水改性处理，包括以下步骤：
步骤1：将乙烯基三甲氧基硅氧烷按照体积比1:30加入质量浓度为70%的乙醇溶剂中，搅拌3h，然后加入盐酸调节溶液pH至3.5，得到乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液；
步骤2：将云母石粉加入乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液中，云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.08,搅拌10h至充分反应；
步骤3：将反应液经过过滤分离，然后送入烘箱中在60℃下干燥10h，即得。
耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水性聚氨酯树脂、纳米二氧化钛加入水中以1000r/min搅拌30min；
步骤2：添加云母石粉、聚丙烯酰胺、聚氧丙烯甘油醚和烷基磺酸钠，以600r/min搅拌25min，即得。
对比例2
对比例2 与实施例2的区别在于云母石表面没有经过疏水改性处理。
实施例
耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述组分：
水性聚氨酯树脂63份
填料纳米二氧化钛25份
云母石粉12份
聚丙烯酰胺分散剂3份
聚氧丙烯甘油醚消泡剂1份
烷基磺酸钠抗静电剂2份
水55份。
其中，云母石粉表面经过疏水改性处理，包括以下步骤：
步骤1：将乙烯基三甲氧基硅氧烷按照体积比1:30加入质量浓度为70%的乙醇溶剂中，搅拌3h，然后加入盐酸调节溶液pH至3.5，得到乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液；
步骤2：将云母石粉加入乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液中，云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.07,搅拌10h至充分反应；
步骤3：将反应液经过过滤分离，然后送入烘箱中在60℃下干燥10h，即得。
耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水性聚氨酯树脂、纳米二氧化钛加入水中以1000r/min搅拌30min；
步骤2：添加云母石粉、聚丙烯酰胺、聚氧丙烯甘油醚和烷基磺酸钠，以600r/min搅拌25min，即得。
实施例
耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述组分：
水性聚氨酯树脂70份
填料纳米二氧化钛35份
云母石粉15份
聚丙烯酰胺分散剂3份
聚氧丙烯甘油醚消泡剂1份
烷基磺酸钠抗静电剂2份
水70份。
其中，云母石粉表面经过疏水改性处理，包括以下步骤：
步骤1：将乙烯基三甲氧基硅氧烷按照体积比1:30加入质量浓度为70%的乙醇溶剂中，搅拌3h，然后加入盐酸调节溶液pH至3.5，得到乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液；
步骤2：将云母石粉加入乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液中，云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.09,搅拌10h至充分反应；
步骤3：将反应液经过过滤分离，然后送入烘箱中在60℃下干燥10h，即得。
耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水性聚氨酯树脂、纳米二氧化钛加入水中以1000r/min搅拌30min；
步骤2：添加云母石粉、聚丙烯酰胺、聚氧丙烯甘油醚和烷基磺酸钠，以600r/min搅拌25min，即得。
对比例3
对比例3与实施例4的区别在于云母石粉表面经过疏水改性处理过程中云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.15。
实施例
耐高温水性聚氨酯油墨，包括按重量份计的下述
组分：
水性聚氨酯树脂60份
填料纳米二氧化钛20份
云母石粉10份
聚丙烯酰胺分散剂3份
聚氧丙烯甘油醚消泡剂1份
烷基磺酸钠抗静电剂2份
水50份。
其中，云母石粉表面经过疏水改性处理，包括以下步骤：
步骤1：将乙烯基三甲氧基硅氧烷按照体积比1:30加入质量浓度为70%的乙醇溶剂中，搅拌3h，然后加入盐酸调节溶液pH至3.5，得到乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液；
步骤2：将云母石粉加入乙烯基三甲氧基硅氧烷水解液中，云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.06,搅拌10h至充分反应；
步骤3：将反应液经过过滤分离，然后送入烘箱中在60℃下干燥10h，即得。
耐高温水性聚氨酯油墨的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将水性聚氨酯树脂、纳米二氧化钛加入水中以1000r/min搅拌30min；
步骤2：添加云母石粉、聚丙烯酰胺、聚氧丙烯甘油醚和烷基磺酸钠，以600r/min搅拌25min，即得。
对比例4
对比例4与实施例5的区别在于云母石粉表面经过疏水改性处理过程中云母石粉与乙烯基三甲氧基硅氧烷的质量比为1:0.03。
性能测试：
1.1将油墨印刷在PET薄膜上，置于100℃的水中蒸煮60min，冷却后观察薄膜表面是否起皱、掉墨、字迹是否清洗可见。
1.2将油墨印刷在PET薄膜上，置于100℃的水中蒸煮60min，然后进行干燥，按照GB/T13217.2-2009测试油墨的光泽度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述公开的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。