红外荧光油墨的制备及发光性能的研究

杨玲+魏先福+黄蓓青

红外荧光油墨是通过在透明油墨体系中加入红外上转换材料（一种在红外光激发下能发出可见光的发光材料）而制成的，其在红外光（波长峰值为980nm）激发下，借助监测仪器可观察到鲜艳的荧光效果。该油墨具有防伪程度高、保密性强、检测简单和印刷简便等优点，广泛应用于钞票、有价证券、烟包等高档印品的印刷。

尽管红外荧光油墨作为功能性油墨在防伪领域得到了广泛应用，且国内外对其也做了大量的基础理论研究，却鲜有人从油墨组分和制备工艺方面研究影响红外荧光油墨发光性能的因素。发光性能是红外荧光油墨最重要的性能指标之一，决定了其防伪性能的优劣。由于红外上转换材料的光-光转换效率较低，在制成油墨后，转换效率还会进一步减小，因此，探讨如何改变油墨分散程度、调整荧光粉含量、选用合适的成膜树脂及含量对研发综合性能优异的高发光性能红外荧光油墨具有重要意义。在此，笔者通过实验，探讨上述几个因素对红外荧光油墨发光性能的影响。

实验准备和实施

1.实验材料

实验所用溶剂为正丙醇，成膜树脂为U-335、AZ5391，颜料为绿色红外荧光粉（工业产品）。

2.实验仪器

实验仪器为HJ-6A型数显恒温多头磁力搅拌器（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）、D2004W型电动搅拌机（上海司乐仪器有限公司）、IGT-2S型高速搅拌分散器（上海司乐仪器有限公司）、Microtrac S3500型激光粒度分析仪（美国Microtrac公司）、机动涂布机（RK Print Coat Instruments Ltd.，）、MDL-H-980nm-4W红外激发器（长春新产业电子科技公司）、TES1336A型照度仪（台湾泰仕工业股份有限公司）和1号丝棒。

3.红外荧光油墨样品制备

（1）色浆制备。首先将成膜树脂U-335或AZ5391预先分散在溶剂正丙醇中，采用HJ-6A型数显恒温多头磁力搅拌器搅拌至完全溶解，静置一定时间，形成分散均匀的稳定载体，然后将绿色红外荧光粉加入该载体中，在D2004W型电动搅拌机上预分散30分钟后，置于IGT-2S型高速搅拌分散器上研磨，即可制得所需的色浆。

（ 2 ）成墨制备。将成膜树脂（U-335或AZ5391）和溶剂正丙醇加入色浆中，用D2004W型电动搅拌机搅拌均匀，制得红外荧光油墨。

（3）涂布样品制备。选择1号丝棒，将红外荧光油墨均匀地涂布在承印物上，并裁切成4.5cm×13cm的长方形样品块。

4.红外荧光油墨性能测试

（1）分散性测试。用正丙醇作为稀释剂，采用Microtrac S3500型激光粒度分析仪测试红外荧光油墨的粒径及其分布，以95%的油墨颜料颗粒的最大粒径进行表征。

（2）发光性能测试。在暗室中，使用MDL-H-980nm-4W红外激发器和TES1336A型照度仪测定红外荧光油墨的相对荧光强度。

实验数据及分析

1.分散性对红外荧光油墨发光性能的影响

分散性是评价红外荧光油墨性能的关键指标，直接影响到油墨的印刷适性及防伪效果。为了研究分散性对红外荧光油墨发光性能的影响，控制研磨工艺参数不变，每隔30分钟从研磨机中取出少量油墨样品，放置一定时间后测试其粒径大小及相对荧光强度，结果如图1所示。

由图1可知，通过改变研磨时间可获得不同的油墨粒径大小，油墨相对荧光强度随着油墨粒径的减小而增强。这是因为在高速剪切作用下，随着研磨时间的延长，剪切力或冲击力会将润湿后的颜料粒子聚集体破碎成更为细小的颜料粒子聚集体，降低颜料粒子聚集体间相互碰撞和团聚的几率，从而提高红外荧光油墨的发光效率，使得相对荧光强度随之增加；当研磨时间超过1.5小时后，颜料粒子结构遭到破坏，细小的颜料粒子通过碰撞重新聚集或絮凝，粒径增大，相对荧光强度显著降低。

2.荧光粉含量对红外荧光油墨发光性能的影响

荧光粉是红外荧光油墨中最重要的成分之一，是显现防伪标记的关键因素，直接影响红外荧光油墨的发光性能及防伪效果。为了探讨荧光粉对红外荧光油墨发光性能的影响，基于体系黏度的限制，我们分别测试了不同荧光粉含量制得的红外荧光油墨的相对荧光强度，结果如图2所示。

由图2可知，在一定范围内，随着荧光粉含量的增加，介质中颜料粒子百分比增加，红外荧光油墨的相对荧光强度也逐渐增大。当荧光粉含量增加到25%时，相对荧光强度达到最大，为11.8。当荧光粉含量超过25%时，荧光粉在油墨体系中的分散性欠佳，导致荧光分子在浓度高时发生淬灭现象，致使相对荧光强度下降、荧光寿命降低。可见，基于体系黏度、成本最低以及材料的分散性限制，荧光粉的含量为25%时，红外荧光油墨的发光性能最佳。

3.成膜树脂对红外荧光油墨发光性能的影响

作为颜料的载体，成膜树脂的作用是把粉末状的固体颜料粒子连结起来，并使之最终附着在承印物上。为了考察成膜树脂对红外荧光油墨发光性能的影响，基于体系黏度的限制，我们分别测试了不同U-335和AZ5391成膜树脂含量对红外荧光油墨相对荧光强度的影响，结果如图3所示。

由图3可知，成膜树脂种类不同，红外荧光油墨的相对荧光强度差异显著。这是因为聚氨酯树脂U-335的分子结构中含胺酯键，分子间存在很强的氢键作用力，在受到红外光激发前易与基态下的荧光体形成氢键，使得摩尔吸光系数增大，即吸收增强，因此制得的红外荧光油墨的相对荧光强度较高；丙烯酸树脂AZ5391的分子结构中含有-COOH荧光消色团，能够抵消或抑制荧光的产生，因此制得的红外荧光油墨的相对荧光强度较低。

此外，从图3可以看出，不同成膜树脂含量对红外荧光油墨的相对荧光强度也有很大的影响。这是因为随着成膜树脂含量的增加，油墨体系黏度会增加，减小了激发态分子振动和转动的速率，从而降低了其与其他颜料粒子的碰撞率，提高了红外荧光油墨的相对荧光强度。当成膜树脂含量增加到12%时，相对荧光强度达到最大。此时，随着成膜树脂含量的增加，相对荧光强度呈现逐渐下降的趋势，这是因为成膜树脂阻碍了荧光物质对光的吸收，从而削弱了相对荧光强度。

结 论

（1）油墨的分散性对红外荧光油墨的相对荧光强度的影响很大，颜料分散程度越好，相对荧光强度越高。当研磨时间为1.5小时时，油墨样品的粒径最小，分散性最好，红外荧光油墨的相对荧光强度最高。

（2）在一定范围内，随着红外荧光粉含量的增加，红外荧光油墨的相对荧光强度逐渐增大，当含量增加到一定比例时，相对荧光强度反而下降，当含量为25%时最佳。

（3）成膜树脂种类不同，红外荧光油墨的相对荧光强度有显著差异，其中聚氨酯树脂U-335的效果优于丙烯酸树脂AZ5391。随着成膜树脂含量的增加，相对荧光强度逐渐上升，当含量超过一定的比例时，相对荧光强度反而下降，当成膜树脂含量为12%时效果最佳。endprint