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聚乙烯用高性能水基喷码油墨的研制

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聚乙烯用高性能水基喷码油墨的研制
聂建华1, *,戴春桃1,王俊1,李平辉1,徐春涛1,杨卓如2
(1.中山职业技术学院,广东 中山 528404;2.华南理工大学化学与化工学院,广东 广州 510640)

1 前言
随着全社会日益关注食品、药品、化妆品等产品的卫生安全问题,大多数国家的相关法规明确规定,食品、药品、化妆品等产品的标签、瓶盖、瓶尾等包装材料上必须适时喷印生产日期、批号、保质期等信息,以严格保障消费者的人身安全。喷码油墨因而获得广泛应用。据不完全统计,截止2010 年,国内用于包装食品、药品、化妆品等产品的薄膜类制品、注塑制品以及中空制品中,聚乙烯(PE)材料用量高达1/4,并且以0.7%的比率逐年增加。但是PE 的表面能极低,非常难于粘接,即使勉强喷印上溶剂型喷码油墨产品,其墨层附着牢度也较差,附着性能不理想,极易被擦掉。
许多研究发现,相比于其他各种比较环保的商业化涂料和油墨用树脂,引入极性基团(目前研究主要以马来酸酐或丙烯酸酯作为接枝单体)接枝改性的低氯化度的氯化聚丙烯对PE 的附着性能较为优异[4-6]。接枝改性后的氯化聚丙烯的溶解性能虽然大为提高,不再需要使用对人体和环境有害的苯类或卤代烃类有机溶剂,但仍然需要使用酯类或酮类溶剂[3, 7],导致以其为主体树脂所制成的喷码油墨并非完全绿色环保,仍旧会对环境带来比较严重的污染,应用范围仍然受到较大的限制。降低喷码油墨的VOC(挥发性有机化合物)的一条有效途径是水性化,即做成水基喷码油墨。但是,目前国内市面上几乎所有的水基喷码油墨产品都只适用于某些极性制品表面的喷印,基本上无法在PE 制品上使用。其主要原因是国内尚无一款水基喷码油墨产品能在PE 材料表面获得满意的附着力。鉴于此,本文以马来酸酐接枝改性氯化聚丙烯树脂(CPP-g-MAH)为主体树脂、以水溶性丙烯酸树脂为复配树脂,制备在PE 表面附着性能比较优良的乳液型水基喷码油墨,并从提高喷码油墨的稳定性和附着力出发,考察和优化了树脂乳化条件、树脂复配比例、水溶性共溶剂以及表面活性剂等因素对喷码油墨性能的影响,为PE 用喷码油墨的水性化做一有益的探索。
 
2 实验
2. 1 试剂和仪器
试剂:NaCl,AR,广东台山粤侨试剂塑料有限公司;乙二醇、乙酸丁酯,AR,天津市科密欧化学有限公司;直接黑SP,CP,上海新球染料科技有限公司;乳化剂Tween-20(HLB = 16.7)和Span-80(HLB = 4.3),CP,广州博峰贸易有限公司;杀菌剂Dowicil 200(陶氏化学出品),CP,广州恒滔贸易有限公司;非离子表面活性剂Surfynol 465(美国气体化工出品),CP,上海桑井化工有限公司;水溶性丙烯酸复配树脂RX,CP,深圳思泰达油墨公司;高密度聚乙烯塑料板(使用前用水洗净再晾干,清洗时不破坏表面),中山市板芙镇锦红塑料公司;蒸馏水、马来酸酐接枝改性氯化聚丙烯树脂(CPP-g-MAH),自制。
仪器:JJ-1A 精密增力电动搅拌器,金坛富华仪器有限公司;微孔滤膜(孔径为0.45 μm),北京佳源兴业科技有限公司;滤袋(过滤细度1 μm),广州市华滤精密设备有限公司;85-2 恒温磁力搅拌器,常州澳华仪器有限公司;SMA-0.75 篮式研磨机,上海索维机电设备有限公司;752 型紫外可见分光光度计,上海精密科学仪器厂;Anke TDL80-213 台式离心机,上海安亭科学仪器厂;GL-S002 附着力测定仪,英国Elcometer 公司;DV-II+转子黏度计,美国Brookfield 公司;XJZ-200全自动界面张力仪,上海永亨光学仪器制造有限公司。
2. 2 喷码油墨的制备方法
2. 2. 1 CPP-g-MAH 乳液制备工艺
参照文献[7]的方法,在最优接枝工艺条件下制备CPP-g-MAH,接枝率高达9.91%,能在乙酸丁酯中完全溶解。采用后乳化法[8],参照文献[9]的方法,先在带有电动搅拌的三口烧瓶中于室温下,将CPP-g-MAH以30%的固含量溶于乙酸丁酯中;再将两种乳化剂同时分散于30%离子水中,然后在不断搅拌(转速为3 000 r/min)下缓慢滴入烧瓶中进行乳化,连续搅拌10 h 后静置,直至乳液中的泡沫全部消失。
2. 2. 2 喷码油墨制备工艺
分别将杀菌剂Dowicil 200、乙二醇以及直接黑SP溶于70%去离子水中,于50 °C 下磁力搅拌(转速为600 r/min)2 h,冷却至室温,用孔径为0.45 μm 的膜过滤,并将滤液缓慢加到CPP-g-MAH 乳液中,然后加入NaCl(预先用少量去离子水溶解)和非离子表面活性剂Surfynol 465,继续搅拌2 ~ 4 h 后,将浆液用篮式研磨机以1 000 r/min 的转速研磨16 ~ 24 h,静置后用滤袋过滤,去除可能存在的大颗粒,即得水性乳液型染料喷码油墨。
喷码油墨的基本配方如下(以质量分数表示):
CPP-g-MAH 乳液 30%
水溶性丙烯酸复配树脂RX 4%
直接黑SP 8%
乙二醇 15%
杀菌剂Dowicil 200 0.1%
NaCl 0.5%
Surfynol 465 1%
去离子水 余量
2. 3 分析表征和性能测试
室温下利用旋转黏度计,选用61#转子于100 r/min转速下旋转10 min,检测喷码油墨的黏度。
用台式离心机在1 500 r/min 转速下对CPP-g-MAH乳液或喷码油墨旋转60 min,再用分光光度计测试分离前后的油墨吸光度A0 和A1。以a = A0/A1 来表示油墨的稳定性。a 值越大,稳定性越小。根据GB/T 1727–1992《漆膜一般制备法》,在PE塑料板上用刮涂法制备厚度为(10 ± 3) μm 的墨层,再根据GB/T 5210–1985《涂层附着力的测定法 拉开法》用附着力测定仪测定CPP-g-MAH 乳液或喷码油墨在PE 表面上的附着力。
 
3 结果与讨论
3. 1 CPP-g-MAH 乳化条件的确定
3. 1. 1 乳化剂复配比例对乳液性能的影响
固定m(Tween-20)+ m(Span-80)为CPP-g-MAH质量的10%,改变m(Tween-20)/m(Span-80)的比值,将所制备的乳液分别涂覆到PE 底材上。室温干燥后,所得涂层附着力和稳定性的测试结果见表1。由表1 可知,单独使用Tween-20 或Span-80 时,乳化效果较差,并且乳液的附着力较小;但是将Tween-20 和Span-80复配使用时,乳化效果明显变好。这可能是因为Tween-20 和Span-80 复配后,彼此的亲水和亲油基团产生协同效应。当m(Tween-20)/ m(Span-80)为3∶2时,乳液不仅比较稳定,而且在PE 表面的附着力较好。CPP-g-MAH 应该是以树脂溶液的微小液滴的形式稳定分散于水中,粒径可能在0.1 ~ 10 μm 之间。
乳化剂Tween-20 和Span-80 的质量比对乳液性能的影响
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