固态助剂对油墨耐磨性的影响

刘军启，魏金栋，闫 璐，徐 海，李红兵，梁小平，刘志锋

(1. 天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384；2. 青海雅丰彩色印刷有限责任公司 技术部，西宁 810001；3. 天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

材料科学与工程

固态助剂对油墨耐磨性的影响

刘军启1，魏金栋1，闫 璐1，徐 海2，李红兵2，梁小平3，刘志锋1

(1. 天津城建大学 材料科学与工程学院，天津 300384；2. 青海雅丰彩色印刷有限责任公司 技术部，西宁 810001；3. 天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

研究了不同含量固态助剂氧化硅与氧化铝对油墨耐磨性的影响，观察了加入氧化硅与氧化铝后油墨表面的形貌变化，并用M2000耐摩擦磨损机对油墨的质量损失率进行表征.结果表明：当油墨用等体积水稀释时，分别加入质量分数为1%的氧化铝和质量分数为2%的氧化硅时，油墨呈现较好的耐磨性，质量损失分别为0.8 mg和0.7 mg，质量损失率分别为2.29%,和2.00%,.

油墨；氧化硅；氧化铝；耐磨性

近几年，随着国内市场对印刷包装业需求的增加，在软包装方面，水性油墨以35%,的用量排在其他印刷油墨之首[1]．目前，全国有100～300条柔印生产线，生产设备也以年增加30台的速度增加．据国家统计局的数据统计[2-4]，2005年油墨产量为30.23万t，2012年为61.5万t，预计2015年会突破80万t．随着水性油墨市场的迅速发展，人们对水性油墨提出了更高的要求，国家也投入相应的研究资金，力求研制出性能良好、使用寿命长的水性油墨[5]．

水性油墨主要是以水为溶剂制成，因此可以明显减少空气中挥发性有机化合物(VOC)的排放量，减小大气污染，不影响人体健康[6]；水性油墨不易燃烧，油墨的特性比较稳定，颜色鲜艳均匀，并且不易腐蚀印刷版等材料；操作使用十分简单，价格便宜，容易迅速干燥：故广泛用于食品、饮料、药品等包装印刷品的行业，是世界公认的环保型印刷材料，也是目前所有印刷油墨中唯一经美国食品药品协会认可的油墨[7]．然而，水性油墨随着长时间的物理撞击、化学腐蚀等，容易造成表面光滑度、色泽度下降等老化现象，甚至墨膜脱落，因此严重影响了其使用性能[8]．

为了延长水性油墨的使用寿命，降低印刷成本，加入不同含量的固体助剂氧化铝及氧化硅，研究其对水性油墨耐磨性的影响；用M2000耐摩擦磨损仪测试磨损前后油墨的质量，并用SEM观察其表面形貌，找到改善其耐磨性的加入量参数[9-12]．

1 实验过程

1.1 原料与试剂

水性油墨(义乌市伟航水性油墨有限公司)，分散剂PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，纳米氧化硅(SiO2，天津市风船化学试剂科技有限公司)，纳米氧化铝(Al2O3，无锡拓博达钛白制品有限公司)，蒸馏水(H2O，南开大学)．

1.2 耐磨性水性油墨样品的制备

称量10,g左右的水性油墨，用蒸馏水按1∶1的比例稀释油墨，将质量分数1%,～3%,的分散剂PVP加入其中，配制成混合溶液；再分别添加质量分数1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,的纳米氧化硅与纳米氧化铝，在自然条件下通过超声波分散处理1～2,h充分搅拌均匀后，将所得样品均匀涂于载玻片上制成样品(30,mm×7,mm×6,mm)，并在自然风下干燥．

1.3 耐磨性能测试与表征

采用日本JOEL公司的 JSM6700,FESEM 型场发射扫描电子显微镜，对样品进行薄膜表面形貌分析，观察试样的自然表面．

采用M2000摩擦磨损仪，对添加不同含量纳米

氧化铝、纳米氧化硅的水性油墨进行耐磨性能的测试，即经过M2000摩擦磨损仪的磨损实验后，称量水性油墨的质量损失．具体的实验过程：调节M2000磨损仪的磨损压力为10,N，将待测样品固定于磨损仪上；然后对被测样品进行表面处理，时间为45,s，并且称量磨损前后的质量分别为M1、M0，玻璃基片的质量为M，计算前后质量损失和质量损失率[13-14]．质量损失的计算公式为

质量损失率的计算公式为

2 结果与讨论

2.1 耐磨性表面形貌分析

图1为单独添加纳米氧化硅质量分数8%,的水性油墨磨损前后样品的表面情况．

图1 添加纳米氧化硅质量分数8%,的水性油墨磨损前后对照

由图1可以看出：磨损前后颜色都较为均匀，经磨损之后的水性油墨色泽度下降，甚至出现脱墨现象．经分析，水性油墨玻璃板在应力作用下，表面经过磨轮摩擦，发生颗粒脱落，油墨层变薄，颜色变浅．此外，从图1b中可以看到，磨损之后玻璃板左右两侧有明显损伤，这主要是由于在给水性油墨玻璃板加压摩擦的过程中，玻璃板受力不均，发生应力集中现象，甚至导致局部的断裂．图2为添加纳米氧化硅磨损前后样品的表面情况，其中纳米氧化硅的质量分数分别为1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

从图2a可以发现，随着添加纳米氧化硅的质量分数的增大，水性油墨颜色变深，覆膜的厚度增大；从图2b可以看出，随着添加纳米氧化硅的质量分数的增大，样品覆膜的表面有不同程度的磨损；添加纳米氧化硅质量分数6%,、8%,、10%,的样品表面磨损较为明显，质量分数为1%,、2%,、4%,时的样品表面磨损较轻．因此，从表面现象可以得出，当添加的纳米氧化硅质量分数较小时，样品覆膜磨损较轻；随着添加的纳米氧化硅质量分数的增大，样品覆膜磨损情况变得严重．

图2 添加不同质量分数的纳米氧化硅水性油墨磨损前后对照

2.2 纳米氧化硅对水性油墨耐磨性能的影响

图3为单独添加纳米氧化硅时水性油墨样品的质量损失变化图，纳米氧化硅质量分数分别为1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

由图3可知：随着纳米氧化硅加入量的变化，其质量损耗也发生了一定的变化；当纳米氧化硅质量分数为1%,时，其质量损失较大，为1.2,mg，损失率为3.43%,；当纳米氧化硅添加量为2%,～4%,时，样品覆膜的质量损失逐渐增大；当纳米氧化硅添加量为4%,～6%,时，样品覆膜的质量损失无变化；当其添加量超过6%,时，样品的质量损失明显增大，纳米氧化硅添加量为10%,时，其质量损失为1.0,mg，损失率为2.86%,．说明当纳米氧化硅含量小于2%,时，添加一定量的纳米氧化硅，能够增大水性油墨的耐磨性；当纳米氧化硅含量大于2%,时，添加一定量的纳米氧化硅，增大水性油墨耐磨性的效果则明显降低．

由于纳米氧化硅是不溶于水性油墨的耐磨物料，水性油墨在干燥过程中，氧化硅颗粒与油墨颗粒不能完全相溶黏结，而是在油墨与纳米氧化硅的交界处产生很多微小裂纹．当摩擦磨损机的磨轮在水性油墨玻璃板表面进行作用时，纳米氧化硅在水性油墨表面的脱落消耗了一定的能量，同时界面处的裂纹也消耗了

部分能量，阻止了裂纹的继续扩展，阻碍了样品覆膜的脱落．但当纳米氧化硅的含量大于2%,时，纳米氧化硅添加量的相对增多，加大了表面的摩擦作用，此外在磨轮作用下，交界处的微小裂纹容易联通，形成较大尺寸裂纹，最终导致氧化硅与墨膜大规模的脱落．

图3 不同质量分数纳米氧化硅对油墨耐磨性的影响

2.3 纳米氧化铝对水性油墨耐磨性能的影响

图4为单独添加纳米氧化铝时水性油墨样品的质量损失变化图，纳米氧化铝质量分数分别为1%,、2%,、4%,、6%,、8%,、10%,．

由图4可知：随着纳米氧化铝加入量的变化，覆膜质量损耗也发生了一定的变化；当纳米氧化铝质量分数为1%,时，覆膜的质量损失较小，为0.8,mg，损失率为2.29%,，故其耐磨损性能较高；当纳米氧化铝添加量超过8%,时，覆膜的质量损失变化明显，为1.7,mg，损失率为4.86%,，增大了112.5%,；当纳米氧化铝添加量为2%,～8%,时，样品覆膜的质量损失变化不明显．

经分析，当添加的纳米氧化铝质量分数小于1%,时，由于纳米氧化铝的含量较少，纳米氧化铝与油墨的连接力相对纳米氧化硅更小，摩擦磨损机的磨轮磨损的物质主要为水性油墨与纳米氧化铝颗粒，因此随着纳米氧化铝的增多，样品覆膜损失的质量增大；当添加的纳米氧化铝质量分数为2%,～8%,时，纳米氧化铝的加入增加了裂纹数量，减少了墨膜的脱落，但同时纳米氧化铝的摩擦增大，磨损较多，达到了相对平衡；当氧化铝含量继续增加，超过了平衡点，磨轮磨损的物质主要为纳米氧化铝，磨损油墨的量相对较小，所以总的磨损质量会大幅增加．

图4 不同质量分数纳米氧化铝对油墨耐磨性的影响

图5是添加纳米氧化铝质量分数为1%,时经摩擦磨损机磨损后的SEM图像．由图5可知，其表面涂层较为均匀，表面有颗粒状物质，颗粒附近有大量放射状的微小裂纹．经分析，颗粒附近的微小裂纹是阻碍油墨覆膜脱落、增大水性油墨耐磨性能的重要因素．

图5 纳米氧化铝为1%,时磨损后的SEM图

3 结 论

(1)加入一定量的纳米氧化铝能够提高油墨的耐

磨性．当添加的纳米氧化铝质量分数为1%,时，覆膜的质量损失较小，为0.8,mg，损失率为2.29%,，其耐磨损性能较高；当其加入量超过8%,时，覆膜的质量损失变化明显，为1.7,mg，损失率为4.86%,，增大了112.5%,，说明耐磨性能降低．

(2)加入一定量的纳米氧化硅能够提高油墨的耐磨性．当添加的纳米氧化硅质量分数为2%,时，覆膜的质量损失为0.7,mg，损失率为2.00%,；当纳米氧化硅加入量大于2%,时，覆膜的质量损失增大；当纳米氧化硅质量分数增大到10%,时，覆膜的质量损失增大到1,mg，损失率为2.86%,，增大了42.9%,．故当加入的纳米氧化硅质量分数为2%,时，油墨的耐摩擦效果最好．

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Influence of Solid Additives on the Friction Resistant Performance of the Ink

LIU Jun-qi1，WEI Jin-dong1，YAN Lu1，XU Hai2，LI Hong-bing2，LIANG Xiao-ping3，LIU Zhi-feng1
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Technology Department，Qinghai Yafeng Color Printing Limited Liability Company，Xining 810001，China；3. School of Materials Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

This study examined the influence of the friction resistant performance of the ink by changing the different content of solid additives silica and alumina,and observed the morphology change of ink surface after adding appropriate anti-friction performance additives of silica and alumina,and then evaluated the mass-loss ratio by using the M2000 friction and wear machine. The results showed that the ink was diluted with an equal volume of water with adding the mass fraction of 1% of alumina oxide and the mass fraction of 2% of silicon oxide,which exhibited better performance of fraction resistance. And the mass loss was 0.8 mg and 0.7 mg,the loss rate was 2.29% and 2.00% ,respectively.

ink；SiO2；Al2O3；friction resistance

TS802.3

A

2095-719X(2015)04-0289-04

2014-11-10；

2015-04-21

国家科技型中小企业技术创新基金(13C26216306098)

刘军启（1989—），男，山东济宁人，天津城建大学硕士生．

刘志锋（1977—），男，教授，博士，从事新能源材料、环境材料与功能材料的研究．E-mail：tjulzf@163.com