水性光油的研究

梁文波，郑 军，张士军，刘 毅

（保定光普化工研究所，河北 保定 071000）

水性光油的研究

梁文波，郑 军，张士军，刘 毅

（保定光普化工研究所，河北 保定 071000）

主要考察了Tg值、黏度调节树脂H-8905、脱模剂H-862、耐磨蜡浆H-859对光油性能的影响。提出了满足高光泽度和高耐磨性的上光光油和磨光光油配方。经上机验证，上光油光泽度75以上，耐磨次数6000次以上；磨光油光泽度85以上，耐磨次数8000次以上，使用性能和VOC含量满足出口要求。

水性光油；乳液聚合；光泽度；耐磨性；脱模剂；耐磨蜡浆

Abstract:The effects of Tg value,H-8905(viscosity adjusting resin),H-862(release agent)and H-859(wear resisting wax)on the performance of glazing oil were investigated.Depending on the result the glazing oil and buffing oil formulations were proposed which could meet the requirement of high glossiness and excellent wear resistance.According to the experimental data,the glossiness was above 75 and the wear resistance times was over 6000 of the glazing oil;and it was above 85 and over 8000 of the buffing oil.The performances and VOC content of products could meet the standard for export.

Key words:Waterborne glazing oil;emulsion polymerization;glossiness;wear resistance;release agent;wear resisting wax

引 言

光油是随着包装印刷业的快速发展而兴起的一种产品。最初的纸质印刷包装品直接暴露于环境中，易产生的弊端在于：材料易受潮，表面印刷的油墨层易磨损，包装品基本无光泽或光泽度较低。针对这种情况，首先普遍采用的方式是对纸质印刷包装品采用纸塑复膜的技术对其进行防护，能够解决上述问题。纸塑复膜又带来的一系列其他问题：废包装材料回收时，纸塑分离困难，分离成本加大，并直接导致大量废弃物的产生，且某些出口包装材料不允许采用复膜工艺。为降低分离成本，减少废弃物的产生，通过采用对包装材料进行涂层保护的办法解决以上问题，即对印刷包装品进行光油涂布，光油干燥成膜后形成防水、防潮、柔韧、耐磨且具有一定光泽的保护涂层，既满足了印刷包装品在美观、实用等方面的要求，又避免了环境污染废弃物的产生[1～4]。

针对环保性的要求，目前的光油以水性化的研究更具发展前景，溶剂型或醇基光油仅用在特殊的场合和时间段。水性光油基本能够满足包装印刷行业对印刷品的美观、实用等各方面的要求。上光光油（或简称水性上光油）一般用于中低档纸质包装印刷材料，使包装印刷品具有防水、防潮、耐磨、耐折等性能需求，磨光光油（或简称水性磨光油）与之对应，主要用于高档印刷包装品，除满足上述基本作用外，突出的特点是高光泽和高耐磨性能。

包装印刷行业在理化指标，上机适应性能和使用性能等方面均对水性光油提出了具体要求[2]，即光油本身需具有合适的黏度和固含量，上光过程中，上油量适中且厚度均匀，能够在进出烘道过程中正常干燥成膜，水性上光光油（或简称水性上光油）成膜后具有良好的光泽度和良好的耐磨，耐折，防水，防潮，防粘污等性能，水性磨光光油（或简称水性磨光油）在磨光过程中不掉板，不粘板，成膜后除满足上述基本性能外，在光泽度和耐磨性能等方面更为突出。本文主要针对以上要求，对水性上光油和磨光油进行配方设计，得到黏度50～150mPa·s（16s到20s）范围内可调，固含量30%～35%范围内可调，上光油光泽度70以上，耐磨次数6000次以上，磨光油光泽度85以上，耐磨次数8000次以上的光油系列产品，满足目前的国家检测标准，市场使用性能优良。经广东某公司试机使用，VOC含量达标，光泽度和耐磨性均能够满足出口要求，既能用于普通行业对包装印刷品的需求，又能用于特殊行业对包装印刷品高档次的需求，并有望开拓烟包光油等对光油使用性能要求更高的行业和领域。

1 实验

1.1 原料

丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸均为聚合级工业品；乳化剂、交联剂，均为进口工业产品；SR-658丙烯酸树脂为阿根廷琳可公司产品；黏度调节树脂（H-8905）、脱模剂（H-862）、耐磨蜡浆（H-859）为上海光普化工有限公司产品；流平剂，消泡剂，抗刮伤剂等为进口工业产品。

1.2 仪器

电热恒温水浴槽，精密增力电动搅拌器，5kg实验反应设备，反应釜、高速分散机（山东莱州盛源化工机械厂），微波炉，NDJ-1型旋转式粘度计（上海精密科学仪器有限公司），涂-4杯黏度仪，XGP便携式镜向光泽度计（天津市信通光达科技有限公司），耐磨擦实验仪（台湾高铁检测仪器有限公司，有所改装）。

1.3 制备工艺

水性光油主要由光油乳液、树脂液、助剂、溶剂进行复配加工制得，其生产可以分为两个主要环节：光油乳液的制备，光油成品的调配。

（1）光油乳液的制备。光油乳液的聚合生产采用釜底加入保护胶，单体直接滴加法进行。先将釜底水，保护胶，乳化剂，交联剂，引发剂投入釜底，升温到反应温度。混合单体在规定时间内匀速滴加完毕，单体滴加完毕后保温1h，使聚合反应完全，得到光油乳液[5～6]。

（2）光油成品的调配。将光油乳液，树脂液，溶剂，助剂按规定顺序和程序加入混合并搅拌均匀，并用高速分散机充分分散均匀，即得到水性光油[3～4]。

1.4 水性光油的表征和性能测定

（1）黏度：根据 GB/T 11175-2002，采用 NDJ-1旋转黏度计，选择合适的转子和适当的转速测定光油的黏度。

（2）固含量：取2g产品，微波炉中烧烤至恒重，记录烘干前后产品的质量，计算固含量。

固含量=样品干重/样品湿重×100%

（3）光泽度：光泽度反映了光油干燥成膜后包装印刷材料的美观程度，使用60度镜向光泽度仪对光油涂膜进行光泽度的检测[3]。

（4）耐磨性：耐磨性反映了光油成膜后包装材料在装卸、储运过程中，对外力磨损的耐受程度。实际检测方法可以采用一定质量的重物对光油层进行不间断往复磨擦，模拟外力的破坏作用，以光油层被磨损而油墨层刚刚出现露底时的磨擦次数表征水性上光油的耐磨性[3]。具体方法为：将印刷油墨层的白板纸裁切成3cm×20cm大小，并进行光油涂布，烘干，然后将白板纸放在耐磨擦实验仪上进行磨擦破坏实验。耐磨擦实验仪对白板纸的施重为2.72kg压力，施重滑块往复运动，起到破坏光油层的作用。

2 结果与讨论

水性光油在使用过程中，一般要求具有合适的黏度（17～25s，或 50～200mPa·s） 和固含量（30%～40%），以及较快的干燥速度（进出烘道过程中即干燥成膜），光油成膜后要求具有较高的耐磨性和较高的光泽（特种光油如哑光类光油除外）。针对以上的要求，需要对水性光油的四个重要组成部分：光油乳液，树脂液，溶剂，助剂进行合理调配，以达到所需的要求。

2.1 光油乳液的制备

根据光油的黏度要求，控制的光油乳液的黏度区间范围为300～700mPa·s。在光油乳液制备过程中，以SR-658树脂液为保护胶，对乳液聚合过程起保护作用，防止乳液破乳。该树脂的Tg值为98℃，以其为保护胶所得的乳液调配所得光油成品，具有良好的耐热性，保证高温不反粘，防止成膜后粘连。采用加入丙烯酸和特种交联剂，可以提高光油乳液内聚强度，增加附着力和提高耐磨擦性能，并能够合理调节光油乳液的黏度[5]。

2.2 光油的黏度对光油的影响及光油黏度的调节

光油的黏度直接影响了上油量的多少，黏度过高，上油量过大，不易烘干成膜，且上油过程中易带纸，卡纸，黏度过低时，上油量少，耐磨性差。通常光油黏度 17～20s（涂－4 杯），50～100mPa·s(NDJ-1 型黏度计），固含量30%～35%较常见，可以直接上机使用。为了控制黏度，选用一种具有黏度调节作用的特殊树脂H-8905，并溶解成树脂液，固含量一定时，光油黏度随H-8905的变化趋势如下图所示。

图1 H-8905用量与光油黏度（黏度计黏度）的关系Fig.1 The relationship between H-8905 amount and viscosity(viscosity meter)of glazing oil

图2 H-8905用量与光油黏度（涂-4杯黏度）的关系Fig.2 The relationship between H-8905 amount and viscosity(Tu-4 cup)of glazing oil

从表中可以看出，光油的黏度与H-8905的用量呈正相关的关系，通过调节H-8905的用量，便可以得到所需的黏度。另外，为了使光油干燥速度适中，在进烘道的过程中即干燥成膜，通过调节乙醇和水的用量和比例，控制固含量30%～35%，以满足上机适应性的要求。

2.3 光油的Tg值设定

光油的Tg值与软硬乳液的配比，树脂液的用量直接相关。高Tg值的光油，成膜后光泽度高，耐磨性优良，不会产生热粘的情况，但是高Tg值的光油，最低成膜温度较高，成膜过程能耗大，并且会产生冷脆的情况。以磨光光油为例，以下是不同比例的软硬乳液与树脂液进行调配时，光油使用性能的变化趋势。

从表中可以看出，当软乳液的量低于30%时，光油Tg值较高，成膜后虽然耐磨性能较高，但是成膜后发脆，尤其是低温使用时，纸制品在模切，凹凸处理过程中，冷脆问题突出，易出废品。当软乳液的比例超过50%时，光油Tg值较低，成膜后耐磨性能较低，且存在热粘问题，长时间海洋运输过程中，尤其是远洋运输至温热地区时，可能导致粘连。当树脂液的比例较高时，光油成膜后光泽度较高，但同时，光油的成本会相对较高。为使光油具有较高的光泽度，较高的耐磨性能，以及适应较宽的温度使用范围，通常在磨光油冬季配方体系中设定软乳液比例为35%～45%，硬乳液比例为10%～20%，树脂液比例为40%～50%。这种设定，即满足了光油使用时对性能的要求，且在通用的烘道温度80℃下，能够正常成膜，避免过多的能耗损失。

表1 光油性能与各主要成分的关系Table 1 The relationship between the performance and the mean compositions

光油的成膜不仅要考虑到光油自身的Tg值影响，还与外界温度，湿度密切相关，因此，光油Tg值的设定不仅是FOX公式的简单应用，还要与上机使用条件和各地的气候条件紧密相关，综合各因素周到考虑，才不失偏颇。普通的光油配方体系一般能满足防水，防潮，防粘污，柔韧，较高光泽和较高耐磨性能，而涉及到光油光泽度，耐磨性大幅度提高，则需要使用特种助剂对其进行深入的优化改良。

2.4 特种助剂对光油性能影响

光油在包装印刷行业使用过程中的核心要求是：光泽度，耐磨性。光油的主体原料光油乳液，丙烯酸树脂，溶剂相决定了光油的基本性能并影响了上机适应性能，助剂的选择直接影响了光油性能的提高。光泽度和耐磨性的提高依赖于光油体系的流平性，混溶性和干燥成膜过程中分子分布的均匀互补性。针对这些内在本质因素的考察，便能够理解脱模剂和耐磨蜡浆在其中所起的作用。

脱模剂对光油性能的影响：脱模剂为一种脂类物质，与树脂，乳液等具有极好的相容性，并且能使其他助剂均匀地分散于光油中，起到润滑，流平的作用，从而能够提高光油的光泽度和耐磨性能。下图是脱模剂对上光光油光泽度和耐磨性的影响。

H-862的用量对光油使用性能的影响。

图3 H-862用量与耐磨性的关系Fig.3 The relationship between H-862 amount and wear resistance

图4 H-862用量与光泽度的关系Fig.4 The relationship between H-862 amount and glossiness

从图中可以看出，随H-862用量从5g/kg到30g/kg逐渐增加，印刷包装品的光泽度和耐磨性均明显提高，表明在此过程中，上光油中光油乳液与树脂液及其他助剂混溶性更均匀，流平性能提高，成膜后涂层光滑，平整，使得光泽度和耐磨性能均明显提高，而当H-862超量时，整体性能不再有显著的提高。

蜡浆的影响：耐磨蜡浆H-859的主体成分为一种高熔点的聚乙烯蜡，在磨光光油的磨光过程中，钢辊高温将蜡熔化，在冷却过程中分子重新排布，形成光亮致密的涂层，从而提高光泽度和耐磨性能。下图是耐磨蜡浆对磨光光油使用性能的影响：

图5 H-859用量与光泽度的关系Fig.5 The relationship between H-859 amount and glossiness

图6 H-859用量与耐磨性的关系Fig.6 The relationship between H-859 amount and wear resistance

从图中可以看出，H-859用量从5g增加到40g，光泽度从76提高至86；耐磨次数从6500次升高到8100次。而其用量在5～30g时，两项指标增加明显，其用量大于30g以后，两项指标增加不显著，因此，确定H-859的用量为30g。

2.5 光油配方体系的设定

综合以上分析，得到上光光油和磨光光油配方体系，及夏、春秋、冬季不同的配方系列。

以上光光油夏季配方为例，主体成分的配比为：

软乳液∶硬乳液∶SR-658树脂液∶H-8905树脂液∶溶剂相=390∶220∶270∶50∶60，特种助剂H-862加量3.6%，满足光泽度75以上，耐磨次数6000次以上，。

以磨光光油冬季配方为例，主体成分的配比为：

软乳液∶硬乳液∶SR-658树脂液∶H-8905树脂液∶溶剂相=320∶290∶270∶50∶60，特种助剂H-862加量3.6%，H-859加量为3.0%，满足光泽度85以上，耐磨次数8000次以上。

该配方体系中的光油乳液与树脂液满足一般通用的光油开发与应用，通用性强，适应性广。脱模剂H-862，耐磨蜡浆H-859作为高性能的助剂，可用于其他不同类型的光油配方体系中，调整加入量及比例，可明显提高原配方的光泽度和耐磨性能。

磨光油在广东某公司出口包装材料试机效果良好，满足了出口的要求。进行合理配方优化后，有望用于烟包等对光油性能要求更高的行业和领域。

3 结语

（1）水性光油作为一种环保的产品，使用于包装印刷行业，能够提高印刷品的光泽度、耐磨性，使印刷包装品更美观、实用、高档。

（2）为了使光油适应南北地理差异和季节气候差异，通过调整软硬乳液，树脂液的比例和用量，能够满足上机的基本要求，根据实际需要，通过调整H-8905的用量，控制溶剂相水和乙醇的比例和用量，能够得到固含量35%，黏度80mPa·s的上光油和磨光油。上机验证表明满足一般性基本要求：防水，防潮，柔韧，耐磨，耐刮擦，光亮等。

（3）通过使用特种助剂，在原有上光油配方体系和框架内加入适量的脱模剂H-862，可以使水性上光油产品光泽度达到75以上，耐磨次数6000次以上；在原有磨光油配方体系和框架内，加入适量的脱模剂H-862及耐磨蜡浆H-859，可以使水性磨光油的光泽度达到85以上，耐磨次数8000次以上。两种助剂不仅能在此光油配方体系内起到明显的作用，用在其他光油配方体系也会起到类似的效果，并且搭配合理，能够明显改善原体系的不足，明显提高光泽度和耐磨性。

（4）该配方体系的上光油与磨光油经上机验证，主要指标均满足出口要求，使用新的助剂优化后有望在烟包光油等物种高端印刷包装行业广泛应用。

［1］王玉玲，邓宝祥.苯丙水性上光油的制备[J].天津工业大学学报，2007，26（3）:58～60.

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［3］杨光，韩国防，罗坪，等.水性上光油的研制[J].印染助剂，2005，22（1）:28～30

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［5］张士军，郑军，李晓飞.苯丙型水性光油乳液的研制[J].现代涂料与涂装 2008，11(88)：24～26

［6］曹同玉，刘庆普，胡金生.聚合物乳液合成原理性能及应用［M］.北京：化学工业出版社，2000.

Study on the Waterborne Glazing Oil

LIANG Wen-bo,ZHENG Jun,ZHANG Shi-jun and LIU Yi

(Baoding Guangpu Chemical Industry Research Institute,Baoding 071000,China)

TQ 437.2

A

1001-0017（2011）01-0043-05

2010-08-24

梁文波（1979-），男，河北省徐水县人，硕士研究生，技术工程师，主要从事水性丙烯酸（酯）类乳液聚合、特种胶黏剂、特种涂料的研究开发工作。