用于PE基材的UV固化油墨研究

吴敏达

（广东邦固薄膜涂料创新研究院有限公司，广东韶关 512400）

PE 基材是采用PE 塑料加工得到的板材、管材等材料，属于非极性塑料，由于主链规整，拥有较高结晶程度，表面张力较低，难与油墨形成范德华力等弱键作用，给油墨铺展带来了困难。与此同时，PE 基材结构带有致密性，给油墨的渗透和溶胀带来了阻碍，也难以形成机械锚固等作用。因此研制用于PE 基材的UV 固化油墨，首先需要考虑油墨附着力问题，在此基础上保证油墨耐溶剂性和固化效果良好，且具有良好柔韧性，确保可以取得良好应用效果。

1 UV固化油墨组成分析

从UV 固化油墨组成上来看，包含低聚物、单体、光引发剂、填料、助剂等多种组分。

在各种成分中，低聚物占比最大，为油墨基本骨架，决定了产品附着力、硬度、耐热性等基本性能。根据油墨使用要求，应做好低聚物选择。从油墨附着力角度来看，需要使油墨表面张力比PE 表面张力要小，因此应选择表面张力较低的低聚物。与此同时，低聚物拥有较低的官能度，体积收缩较小，产生的内应力也随之减小，能够产生更好的附着效果。而玻璃化转变温度较低，说明结构主链更加柔软，有助于释放内应力，防止墨层在固化后因产生过大内应力发生翘曲、变形等情况，所以也能提升材料附着力[1]。根据以往研究可知，聚酯丙烯酸酯类的相对分子量较低，如图1所示，表面氧阻聚明显，附着力较好，通过优化该类低聚物组合，能够提高油墨在PE 基材上的附着力。而聚氨酯丙烯酸酯应用程度较高，属于重要光固化低聚物，能够提高光聚合速度，固化后交联密度较高，能够作为辅助性功能树脂增强固化涂层附着力[2]。但为保证用于PE 基材的UV 固化油墨综合性能良好，应分析低聚物组合给油墨其他性能带来的影响，从而研制出最佳的油墨材料。

图1 聚酯丙烯酸酯分子式

低聚物黏度较高，需要添加单体调节黏度，实现油墨性能调节。相较于低聚物，单体内的双键密度更大，固化时将发生大体积收缩，将给油墨附着力带来不良影响。但单体表面张力低，能够增强油墨对PE基材的浸润能力，获得更强层间作用力。此外，单体参加固化反应，减少有机挥发物产生，增强油墨环保性。根据反应基团多少，单体可以划分为单官能度和多官能度两类，前者具有较高转化率，交联密度较低，固化速度慢。而多官能度单体分子量较大，固化速度快，稀释性更佳，常见包含二缩三羟甲基丙烷四丙烯酸酯TMPTA 等，有助于优化油墨耐溶剂性等性能[3]。实际在制作用于PE 基材的UV 固化油墨时，应考虑到PE 基材厚度较薄，对印刷油墨提出较高柔韧性要求，以免墨层出现脱落、开裂等问题。而柔韧性与单体官能度有关，在官能度越低的情况下，可以获得更高的柔韧性。使用单官能度单体，降低交联密度，也能提高柔软度，但将以牺牲硬度为代价，因此需选用多官能度的单体，确保油墨拥有较好柔韧性[4]。

光引发剂用于吸收紫外光，引发低聚物和单体反应。填料用于结构补强，助剂用于改善墨膜性能。相比较而言，对油墨影响较大的为光引发剂，关系到油墨在光照条件下能否迅速由液态变为固态。现阶段，光引发剂多选用酰基磷氧化物，如TPO 等，具有良好综合性能，可以帮助低聚物和单体溶解，取得良好光固化效果。

2 用于PE基材的UV固化油墨研究

2.1 实验条件

2.1.1 材料与设备

根据UV 固化油墨研制需求，可选择聚氨酯丙烯酸酯PUA 和聚酯丙烯酸酯PEA 材料作为低聚物。在单体材料选择上，选择TMPTA 和新戊二醇二丙烯酸酯NPGDA 两类。此外，光引发剂选用TPO，选用炭黑颜料，另外准备消泡剂、分散剂、丙酮、PE 塑料等。

使用设备包含UV 固化机、三辊研磨机、印刷适性仪、高速分散器、恒温鼓风干燥箱、细度计、紫外分光光度计、柔韧性测试仪，使用工具包含直尺、秒表、酒精灯等。

2.1.2 方法与测试

在油墨制备上，设计的配方如表1所示，低聚物和单体含量在60%～90%调整，光引发剂也随之调整，而分散剂等材料含量相对固定。其中，低聚物质量分数在30%～60%调整，单体质量分数在20%～50%调整。按照配方将各种材料放入烧杯后充分搅拌，在干燥箱中软化30 min，在3 000 r/min 条件下分散30 min。使用研磨机研磨1 h 后，测量确定细度小于40 μm 即可使用。

表1 UV固化油墨配方设计

在PE 基材上印刷油墨，采用凸版胶印方式。将PE 塑料剪成小片后，使用酒精清理表面，在酒精灯上烧2～5 s，冷却后完成表面张力测试。确认张力不低于38达因后，使用适性仪将油墨印刷至塑料表面，每次用量为0.1 mL。将印刷油墨的塑料片放入固化机，将功率设定为2 kW，在强光条件下对油墨进行固化，直至扣压无法使墨层脱落确认完全固化，并记录固化时间。

在附着力测试过程中，使用划格器将墨层沿着纵、横方向各划一次，形成5 mm×5 mm 的小方格，然后黏附3 M 胶带。从180°方向剥离胶带，利用方格剩余比率反映油墨附着力。具体来讲，就是在方格剩余比率在66%～100%时为0级，在36%～65%时为1级，在16%～35%时为2级，在5%～15%时为3级，0%～1%时为4级，未发生任何脱落为5级[5]。在耐溶剂性能测试中，使用浸润丙酮溶液的棉签反复擦拭PE 基材上的油墨，直至基材暴露记录擦拭次数。在柔韧性测试中，使用测试仪按照相关技术规范操作，可以将油墨柔韧性划分为1～7共计7个等级，等级越高说明柔韧性越好。

2.2 实验结果

2.2.1 低聚物给油墨性能带来的影响

在选择低聚物种类不同时，各自按照50%比例单独使用，同时均按照25%复配使用，对制备的油墨的各项性能进行测试，能够为合理选择低聚物种类提供依据。根据实验结果可知，如表2 所示，采用PUA 制备的油墨附着力、耐溶剂性、柔韧性良好，但存在固化时间过长的问题。而使用PEA 附着力和耐溶剂性稍差，固化时间稍短，柔韧性相较于PUA制备油墨稍差，但依然能够达到6级，满足PE 基材使用需求。而实现两种低聚物复配，附着力等级达到3级，同时耐溶剂性能良好，固化时间缩短至8 s，柔韧性可以达到7 级。分析原因可知，PUA 拥有较大分子量，造成固化速度减慢，通过复配能够获得较小的分子量。而PEA 利用光活性基团合成，黏度较低，收缩较大，造成附着力等性能不佳[6]。使用两种低聚物制备固化油墨，能够实现优势互补，达到改良油墨各项性能的目标。

表2 不同低聚物给UV固化油墨性能带来的影响

在采用复配方式制备油墨的情况下，需要分析低聚物添加量给油墨性能带来的影响，做到合理确定低聚物配比。根据实验结果可知，随着低聚物质量分数从30%增加至60%，固化时间呈现出先减小后增加的趋势，从16 s 变为11 s，在质量分数达到50%时固化时间最小，为8 s。从附着力等级变化情况来看，呈现出逐渐增加的趋势，从1级变为3级，油墨附着力逐渐增强。从油墨耐溶剂性变化来看，也呈现出性能逐步增强的趋势，在低聚物质量分数达到50%时耐溶剂性超过100次。在低聚物用量增加过程中，油墨的柔韧性变化并不显著，仅从6级提升至7级，与使用的低聚物树脂均为柔韧性较好物质有关。分析其他性能变化原因可知，低聚物含量较少时，发生交联固化的基团数量也较少，导致固化时间较长，各项性能较差[7]。而低聚物含量增加至一定值后，油墨黏度随之增加，容易出现膜层不均问题，给油墨固化性能带来影响。因此通过综合分析，可知低聚物最佳质量分数为50%。

2.2.2 单体给油墨性能带来的影响

在单体种类和含量发生变化时，油墨性能也将受到影响。选用NPGDA 拥有双官能度，而TMPTA拥有三官能度，在单独使用时将各自质量分数设定为30%，在复配时两种单体各占15%。对不同占比条件下制备的油墨性能展开测试，可知单独使用NPGDA，油墨固化时间为10 s，附着力等级为3级，耐溶剂性在100次以上，柔韧性达到6级。而单独使用TMPTA，油墨固化时间为6 s，附着力等级为2级，耐溶剂性不超50次，柔韧性达到7级。比较发现，使用NPGDA 制备的油墨固化较慢，但附着力等性能良好，而使用TMPTA 将取得相反效果。同时使用两种单体材料，制备油墨固化时间为8 s，附着力等级为3级，耐溶剂性在100次以上，柔韧性达到7级。分析原因可知，参加固化反应的官能团越多，固化反应越快，体积收缩也将随之增大，油墨柔韧性也将随之增加。因此适量减少参与官能团，能够改善油墨附着力等性能，同时确保油墨快速固化，并且不会给油墨柔韧性带来明显影响。

在选用两种单体制备油墨时，对单体含量进行调整，油墨性能变化明显。随着单体含量从20%增加至50%，固化时间经历先减小后增加过程，在质量分数达到40%的固化时间最短。从油墨附着力等级来看，变化相对复杂，随着单体用量增加发生较大波动，在质量分数达到50%时等级最低达到1级。从耐溶剂性来看，单体用量增加将导致该性能反复波动，无明显规律。附着力变化与固化时间长短有关，因此在固化时间发生波动时，附着力也将随之变化。从柔韧性变化来看，随着单体用量增加，柔韧从6级提升至7级，均能达到使用要求。而耐溶剂性与成膜低聚物有关，在低聚物含量高的情况下能够获得稍好耐溶剂性，但稀释到印刷黏度时才能获得最佳性能，最终可知单体最佳含量为40%。

2.2.3 光引发剂给油墨性能带来的影响

光引发剂含量多少将影响油墨固化速度，在确定低聚物和单体种类、含量后，使光引发剂含量从2%增加至12%。根据实验结果可知，油墨固化速度经历先增加后减小的趋势，固化时间从12 s 提升至14 s，在光引发剂含量达到6%～8%时固化时间能够达到6 s左右。分析原因可知，光引发剂含量较小时只能提供少数自由基参与固化反应，造成低聚物和单体交联反应相对较慢。而用量过大，将给交联反应带来干扰，同样会减慢固化速度。在综合分析的基础上，确定最佳光引发剂含量为6%。

3 结论

在制备PE 基材使用的UV 固化油墨过程中，完成低聚物、单体、光引发剂几种主要组分的分析，能够确定各种组分给油墨性能带来的影响，并结合以往研究经验优选性能良好的材料，通过设计科学配比保证油墨获得良好固化性能、附着力、耐溶剂性和柔韧性，满足PE 基材油墨印刷需求。通过开展实验可知，选择性能相似的低聚物和单体完成复配，能够实现优势互补，达到提高油墨综合性能的目标。在此基础上合理控制光引发剂含量，加快油墨固化速度，能够生产出理想的PE 基材用UV 固化油墨，为产品带来良好发展前景。