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涂易乐®表面活性剂--在打印机墨水中的应用

   在水基打印机墨水中,表面活性剂是必须使用的添加剂,虽然加入的量极微,但对改善墨水的性能有重要作用。

【降低墨水体系的表面张力】

   水的表面张力是72mN·m-1,基材(纸张)的表面张力一般是35~40 mN·m-1,只有墨水的表面张力小于基材的表面张力时,才能展现良好的打印效果。由于用电化学的方法来提高基材的表面张力并不理想,所以引入表面活性剂来降低墨水的表面张力是最佳选择。

   随着水溶剂型墨水的发展,表面活性剂被认为在墨水化学中有着特殊的地位。有机溶剂型墨水具有打印质量精细、印面平滑、打印强度适中和颜色整体感强等优点,水溶剂型墨水则不具有这些特性。对于低表面能的基材,水溶剂型墨水会产生润湿问题。

   在喷墨印刷技术中,表面张力对墨滴的形成和打印质量的影响极为明显。喷嘴周围有无溢出物、液滴断裂长度、液滴稳定性、液滴形成速度、是否呈直线运行等有关液滴形成优劣的因素均受到表面张力影响。若表面张力太大,油墨不易形成小的微滴,并可能出现较长的断裂长度,或断裂成拖尾状微滴,直接影响到图案的质量。

【有助于颜料研磨、分散】

   要将疏水性的颜料粒子分散到水性介质中,或是将亲水性的颜料粒子分散到油性介质中,并且设法防止在储存及应用过程中产生分层、浮色、凝聚或沉淀,添加表面活性剂既有助于色料粒子的润湿和聚集体的粉碎,使分散体更趋于稳定,保证颜料粒子在分散介质中发挥其着色作用。表面活性剂作为分散剂时,所选用的表面活性剂与被处理的粒子应具有相似特性的疏水基,并且被处理的颜料粒子与分散剂之间的亲和性越高,二者越易结合,添加少量的分散剂即可获得良好的润湿分散效果。

   理想的分散体系是具有“一次”粒颜料分散工艺中通常要添加具表面处理功能的分散剂,分散剂可以使用表面活性剂或聚合物:

   当表面活性剂作为分散剂吸附在颜料表面时,另一端非极性的碳氢键便会附着在颜料四周,降低了颜子的颜料分散状态。但在存放过程中非常容易发生粒子的聚集或絮凝,同时在实际生产中也很难制得这些产品。所以用表面活性剂处理过的颜料极易润湿,提高了分散效率。

   色浆与各类乳液混合时,色浆的分散稳定性表现不一样,当颜料粒子表面的表面活性剂与乳液粒子表面吸附的表面活性剂即乳化剂或者水之间的亲和力大时,颜料粒子所吸附的表面活性剂被剥离,使得颜料粒子表面的保护层变薄,造成颜料的絮凝,从而引起浮色。当然当乳液颗粒外的乳化剂与色浆中颜料粒子外的表面活性剂相容性好时,则乳液对这些颜料粒子的润湿就好,整个色浆的展色性就好,色彩鲜艳,且不浮色。

   在制备纳米级水性颜料墨的过程中,解决纳米粒子的分散问题一直备受关注。超细粒子具有的表面效应和体积效应,表现出不同于大颗粒物料的特异性能。 纳米粒子间存在着有别于常规粒子间的作用能(有人称为纳米作用能),这种作用能是因为纳米粒子的表面因缺少邻近配位的原子,而具有很高的表面活性,这是纳米粒子彼此易发生团聚的内在属性,其物理意义是单位比表面积的纳米粒子具有的吸附力。要稳定纳米粒子在液体中的分散体系,主要由减少吸引力、增加排斥力来控制粒子间的团聚。表面活性剂可以创造一个斥力来与吸附力相抗衡,即建立一个能垒来抵抗聚结的发生。

   如使用阴离子表面活性剂吸附在颗粒表面形成一个扩散的双电层,达到阻止颗粒靠得太近而发生聚结的目的。另一种方法是使用空间壁垒,这可以通过使用非离子表面活性剂或者高分子表面活性剂来实现。非离子表面活性剂的吸附不产生静电排斥力,但当质点相互靠近时,吸附膜的交叠将产生位阻排斥效应。这一效应起到了类似于静电排斥力的作用,防止了液珠的不可絮凝。因此说吸附膜是防止絮凝的主要屏障。在水性体系中,常用的非离子表面活性剂有炔二醇类、多支链醇类、聚乙烯醇类、烷基苯聚乙烯醇类和聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物高分子表面活性剂、束状共聚高分子表面活性剂等。

【有效控制泡沫】

   泡沫是墨水打印过程所不可避免的,其直接后果一方面是最后过滤时产生大量气泡,不利于操作;另一方面是打印画面出现严重的表面缺陷。因此阻止或控制引起泡沫的因素也是墨水研制中的一个重要问题,这也有赖于控泡型表面活性剂的加入。

   由于在墨水化学中不希望产生发泡作用,因此阻止或控制引起发泡的因素是墨水研制中的一个重要问题。首先要了解泡沫产生的机理。如果把墨水制作过程拍成电影,我们可以看到气泡在不同的阶段的产生和消去,有时候只调节pH就能消去泡沫,而在另一些时候,聚合物-表面活性剂相互作用能稳定泡沫。

   通常纯液体中产生的气泡都是短时的,瞬间上升到表面然后迸裂。上升时的速度V相关于气泡的半径r,以及介质的浑浊度η,用斯托克方程表示为:Vr2/η。因此,大气泡上升快于小气泡,而浑浊度高(粘度大)会减小上升速率。

   要破坏气泡的稳定性,可以通过机械(物理)或化学的方法。机械(物理)方法有改变温度、过滤、搅拌等方法;化学方法有添加消泡剂,有的文献都称为禁泡剂、破泡剂、空气释放剂等等。在水基墨水系统中,由于操作的简便性,化学的方法更普及和实用。

   消泡也称为破泡,即将已产生的气泡消除掉。容易产生泡沫的墨水通常是以芳香烃、醇、水为溶剂。特别是水基墨水,其中的碱性物质的作用有点像皂类,极易起泡。常用的消泡剂是易于在溶液表面铺展的液体,其表面张力较低,一般起以下作用:首先是降低液膜局部表面的表面张力,使这个局部位置的液膜迅速变薄至破裂点;其次,是降低表面粘度,促进液膜排气,从而缩短泡膜的寿命,如磷酸三丁酯,当它插入界面膜时,使界面膜中的表面活性剂分子间的内聚力降低。

   这些物质有助于控制与系统的兼容性,而这是在包围涂层瑕点的首要考虑。这样,消泡剂就包含有处于分散状态的如碳水化合物、硅氧烷、疏水颗粒等成分加上低发泡能力的表面活性剂。不同种类消泡剂带来的一些问题可以通过使用单组分添加剂来解决。

   添加进去防止发泡的消泡剂也能引起不曾预料的效果。要想对墨水的性质不发生影响,消泡剂的选择是十分重要的。大家都知道消泡剂会对基材产生润湿问题。有时候它们会产生颜色损失,这是由于固体表面的表面活性剂引起的颜料颗粒的絮结。消泡剂和高浓度的碳氢化合物油一起使用时经常可以看到光泽的损失。要除去基于硅树脂油的消泡剂引起的表面缺陷,一般使用经过疏水聚醚改性的聚硅氧烷进行消除而不会有光泽的损失。硅树脂的存在可能会导致粘连问题,因为它们可以作为隔离剂。因此,为了获得最佳的结果,明智的选择消泡剂是十分重要的。

   由于消泡剂容易产生各式各样的问题,如果使用控泡型润湿剂来降低表面张力,那对消泡剂的需求将会大大降低,同时选择消泡剂的范围也会更广。

【墨水中表面活性剂的选择】

   表面活性剂可选用离子型、非离子型、或两者的混合物。脂肪酸盐如硬脂酸钠盐,烷基硫酸盐,磺酸盐如烷基苯三聚乙烯磺酸钠、烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯丙二醇硬脂酸酯、聚氧乙烯缩水山梨醇月桂酸酯等。其含量为0.01%3.0%。为使墨水有一定的渗透能力,写在纸上干的快,也需要加入适量的表面活性剂,一般选择非离子性表面活性剂,如OS-15OP-10JFC等,用量不应超过墨水总量的0.5%     

   尽管磺基琥珀酸盐和磷酸脂仍在部分使用,但因离子表面活性剂常常产生稳定发泡,故已开始避免在墨水制造中使用。尽管有费用的考虑,炔二醇类及其乙基氧化物、多支链醇类、氟类和硅氧烷类等非离子表面活性剂仍是自然的选择。

   值得注意的是化学家的另一个关心表面活性剂的部分是它们的有毒性带来的问题,例如,一度曾广泛使用的烷基酸乙氧基化物表面活性剂在欧洲被禁,墨水化学家转向其它这类非离子表面活性剂的结构改变物质来满足这些市场。

【涂易乐的产品应用推荐】

   涂易乐表面活性剂能显著降低动静态表面张力,且具有控泡功能,同时也是环保型的助剂。目前广泛应用于各类水基墨水中:

   涂易乐D-502系列无泡润湿剂      适用于高速喷绘墨水配方;泡沫抑制能力强,可提高体系对各种基材的动态润湿能力;

   涂易乐DS-960润湿分散剂         能防止墨水飞溅;产品不起泡,兼具抑泡功效;同时可以提高打印流畅性,减少堵头弊病;

   涂易乐FS-360系列超级润湿剂      用于颜料基填充墨水具有快速润湿的功能,动态张力低,不起泡,兼具抑泡、分散功效; 

   涂易乐D-504/500无泡润湿剂       能长效抑泡,能降低墨水动态表面张力,提高展色效果;

   涂易乐DS-121E分散剂          可提高颜料色浆的稳定性,并提高颜料分散效率;

涂易乐DS-192系列分散剂         可提高颜料研磨效率,存储稳定性;适合无机粉体;

涂易乐DS-195系列分散剂     可提高颜料研磨效率,存储稳定性;适应性广泛(高色素碳黑,分散染料等)

衙盾GXL防腐杀菌剂        杀灭水性体系里的细菌,防止墨水变质;


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