不同种类凝胶剂对胶印油墨连接料流变性能的影响

摘要：文章研究了不同种类凝胶剂对胶印油墨连接料流变性能的影响，通过选取三种常用的凝胶剂：硅胶、丙烯酸和聚氨酯，利用流变仪测试添加不同凝胶剂的油墨连接料的粘度、剪切应力和剪切速率等流变参数，以期为优化胶印油墨配方提供了理论依据和实践指导。

关键词：凝胶剂；胶印油墨连接料；流变性能

一、实验内容

（一）原料与仪器

该实验选用了三种市售的凝胶剂作为油墨连接料的增稠剂，分别为硅胶、丙烯酸和聚氨酯。油墨连接料选用环氧大豆油（ESO）和松香改性酚醛树脂（RPR-100）。其中，ESO采用荷兰阿克苏诺贝尔公司的产品，由大豆油与环氧乙烷反应制得，环氧值为 6.2%，能显著提高油墨的附着力和耐磨性。RPR-100采用浙江长兴化工厂的产品，由松香与酚醛树脂经过酯化和接枝改性制得，酸值为15mgKOH/g，软化点为 125℃，能提高油墨的光泽度和耐溶剂性。颜料选用美国卡博特公司的MA-100 型炭黑，这是一种中色炭黑，平均粒径为20nm，比表面积为 200m2/g，在油墨中有优异的着色力和遮盖力。

流变性能测试在奥地利安东帕公司生产的MCR301旋转流变仪上进行。该仪器采用直驱电机技术，具有宽广的转矩（0.1μN·m～200mN·m）和角速度（10-9～314rad/s）测量范围，适用于各种复杂流体的精确测试。该实验采用同轴圆筒测量系统（CC27），由内筒和外筒组成，间隙为1.13mm，可有效防止壁滑效应的发生。为了排除温度对流变性能的影响，测试在25℃恒温条件下进行，温度控制精度为±0.01℃。

（二）油墨配方与制备

为了系统评价凝胶剂对胶印油墨流变性能的影响，该实验采用因素设计的方法，以环氧大豆油为溶剂，松香改性酚醛树脂为连接料，炭黑为颜料，制备了一种基础胶印油墨。基础油墨的配方为：环氧大豆油50%、松香改性酚醛树脂20%、炭黑颜料25%、助剂5%（质量分数，下同）。在此基础上，考察了凝胶剂的种类和添加量两个因素，选取了硅胶、丙烯酸和聚氨酯三种常用的凝胶剂，添加量分别为0.5%、1.0%、1.5% 和 2.0%，共制备了12个油墨样品。

油墨的制备过程包括预混和研磨两个步骤。首先，将各组分按照配方比例准确称量，加入到高速分散机中，在1500rpm的转速下预混20min，使油墨组分充分混合均匀，颜料初步分散到连接料和溶剂中，形成均相体系。预混后的油墨颗粒度较大，需要进一步研磨细化。研磨在三辊研磨机上进行，采用三次研磨的方案，每次研磨10min，辊距依次为40、20、5μm。研磨过程中，油墨在辊筒之间受到强大的剪切力和挤压力，颜料团聚体被充分破碎，分散均匀，粒径降低到亚微米级别，油墨的细度、着色力和遮盖力得到显著提高。研磨后的油墨需要密封保存，防止溶剂挥发和颜料沉降。

（三）流变性能测试

为了系统评价凝胶剂对油墨流变性能的影响，该实验采用安东帕MCR301旋转流变仪对油墨样品进行了稳态剪切和动态剪切测试。稳态剪切实验采用控制剪切速率（CSR）的模式，在0.01-100s-1的剪切速率范围内进行对数扫描，每个剪切速率下保持30s以达到稳态，获得油墨的粘度-剪切速率曲线和流动曲线（剪切应力-剪切速率）。粘度-剪切速率曲线可以反映油墨的剪切变稀或剪切变稠特性，是评价油墨流动性能的重要依据；流动曲线可以反映油墨的屈服应力和塑性流动特征，对于预测油墨在印刷过程中的流变行为具有重要意义。动态剪切实验采用控制应变（CS）的模式，分为两个步骤进行。首先，在0.01-100Hz的角频率范围内进行应力扫描，通过测试不同应力下油墨的储能模量和损耗模量，确定油墨的线性粘弹区（LVE）。LVE是指材料的粘弹性参数保持恒定不随应力或应变改变的应变范围，是材料结构未被破坏时的稳定区域。只有在 LVE 内测试的动态粘弹性数据才具有可比性和重现性。根据应力扫描的结果，确定该实验油墨样品的临界应变均在1%以上，因此选取1%的应变进行频率扫描。频率扫描是在0.1-100Hz 的频率范围内进行的，通过测试不同频率下油墨的储能模量和损耗模量，获得油墨的动态粘弹谱，评价油墨的粘弹性行为，两者的相对大小决定了油墨的粘弹性特征。为了保证测试结果的可靠性和重现性，每个油墨样品重复测试3次，取平均值作为实验结果。测试过程严格控制在25℃恒温条件下进行，以排除温度对油墨流变性能的影响。此外，为了最大限度地减小样品装载和仪器因素的影响，每次测试前都对流变仪进行校准，并采用同一批次的油墨样品进行测试，确保实验条件的一致性。

二、结果与讨论

（一）稳态剪切性能

通过对不同凝胶剂添加量下油墨的粘度-剪切速率曲线进行分析，可以看出所有样品均呈现典型的剪切变稀行为，即随剪切速率的增大，粘度逐渐下降。添加凝胶剂后，油墨的粘度明显升高，且随添加量的增加而增大。在相同添加量下，硅胶和聚氨酯凝胶剂的增稠效果优于丙烯酸。这是由于硅胶和聚氨酯分子链上含有大量的极性基团，能与油墨体系形成氢键等作用力，从而构建三维网络结构，提高体系粘度。而丙烯酸分子链相对刚性，与油墨的相容性较差，增稠效果有限。通过对不同凝胶剂添加量下油墨的流动曲线进行分析，测试结果与粘度曲线变化趋势一致，添加凝胶剂后，油墨的剪切应力显著提高，呈现明显的屈服应力和塑性流动特征。其中，2.0% 硅胶凝胶剂样品的屈服应力高达153.6Pa，而未添加凝胶剂的基础油墨仅为23.7Pa。高屈服应力有利于油墨在印刷过程中保持图文的清晰度和层次感，防止油墨胀点和拖尾等印刷缺陷。

（二）动态剪切性能

通过对不同凝胶剂添加量下油墨的储能模量（G'）、损耗模量（G''）随应变的变化曲线进行分析，可以看出添加凝胶剂后，油墨的G'明显高于G''，呈现以弹性为主的凝胶特征。随着应变的增大，G'逐渐下降，而G''先升高后下降，在10%左右的应变下达到最大值。这表明油墨体系在高应变下会发生结构破坏，粘弹性逐渐丧失。比较不同凝胶剂的影响可知，硅胶和聚氨酯更有利于提高油墨的弹性，在1%应变下的G'值分别为基础油墨的4.7 倍和3.9 倍，而丙烯酸仅为2.4倍。

（三）机理分析

凝胶剂对油墨连接料流变性能的影响主要通过两种机制：一是凝胶剂分子链与连接料和颜料颗粒间的物理作用，如氢键、范德华力等，形成三维网络结构，提高体系的粘度和强度；二是凝胶剂在油墨体系中的溶胀作用，吸收部分溶剂形成凝胶微区，增大连接料的有效体积分数，产生空间位阻效应。两种机制的贡献大小取决于凝胶剂的分子结构和与油墨组分的相容性。硅胶和聚氨酯分子链上含有大量的极性基团，如Si-O、N-H等，易与连接料和颜料间形成氢键，同时硅胶和聚氨酯也具有优异的溶胀性，在油墨体系中的相容性好。因此，这两种凝胶剂能显著改善油墨的流变性能。而丙烯酸分子链刚性较大，极性基团数量有限，与油墨体系的作用力弱，溶胀性也较差，因此增稠效果不如硅胶和聚氨酯。

三、结束语

结果表明，硅胶和聚氨酯凝胶剂能显著提高油墨连接料的粘度、屈服应力和弹性模量，改善油墨的剪切变稀和触变性能，而丙烯酸的增稠效果相对较弱。凝胶剂与油墨体系的相容性和相互作用力是影响流变性能的关键因素。综合考虑流变性能和成本，硅胶凝胶剂是胶印油墨连接料的优选增稠剂。该研究揭示了不同凝胶剂的作用机制，为设计高性能油墨体系提供了新思路，具有重要的学术价值和实际指导意义。

参考文献：

[1]张涛，袁华，陈矩钧.凝胶剂用量对胶印油墨性能的影响[J]. 上海涂料，2010，48（11）：8-12.

[2]杨淑杰，孙冠章，余伟.不同种类凝胶剂对胶印油墨连接料流变性能的影响[J].杭州化工，2019，49（1）：28-31.