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油墨顏料顆粒尺寸對印刷質(zhì)量的影響

福州印刷網(wǎng)    2008-5-10 13:02:12   來源：中國印刷網(wǎng)

        控制印刷油墨色彩的重要因素是顏料的強度和它的不透明性。在平版印刷和柔性版印刷中產(chǎn)生的墨膜非常的薄，大概2個微米，這對顏料來說就需要有高的色強度，以便得到最大的顏色色階。同樣，對多色印刷來說，由于需要進行青、品、黃油墨層的疊印，故顏料必須具備較高的透明度（低的不透明性），因為光線必須穿過三層油墨然后再反射回人的眼睛，且油墨只是吸收它們補色光。
        顏色的強度和不透明度的特性都由顆粒尺寸來決定；不透明度是散射的函數(shù)。如果散射很強烈以至于沒有光線通過材料通常被稱為不透明。很少的顆粒就會散射很少的光線。散射隨著顆粒尺寸的增加而增加，直到它們的尺寸增加到和光的波長處于一個數(shù)量級，而后，散射又減小了。因此，油墨顏料的最大不透明度是在光波長的一半附近（200–400 nm），隨后顆粒尺寸圖譜中，該最大不透明度兩面都呈下降的趨勢（如圖1所示）。顏料的色強度隨著顆粒尺寸的減小而增加，并在0.1µ m附近呈現(xiàn)出顯著上升（漸近式）的趨勢。從顆粒尺寸的角度來說，這是個較小的且重要的尺寸。

        印刷油墨中顏料晶體的平均寬度和厚度在0.015 和0.04 µm之間。
        聚集和晶體尺寸
        盡管有很少例外的情況，油墨顏料通常由特殊晶體的混合物、小的部分晶體的聚集體和一些大的聚集體組成。在一個著色的油墨分散體系中，不只是個別晶體的尺寸很重要，而且它們聚集的角度也很重要。單個晶體的尺寸在制造過程中通過一種或者多種選擇來進行控制。這包括多種可變參數(shù)，例如沉淀過程中尺寸的增加、沉淀后的研磨、溫度、濃度，pH值以及后處理（如退火）。
        小的晶體尺寸不但對高的透明度和色彩的強度，而且對優(yōu)良的光澤面和高黏性也有很大的提升作用。較大的晶體比較容易分散并且有較大的不透明度，但制備的油墨的黏度較低。然而，當顆粒尺寸減小的時候，對很多給定的材料來說，整個表面積和相關的表面能量很快的增加。（例如，邊長為1cm的顏料的立方實體，它的整個的表面積為6cm2，6個平面每個平面1cm2。就亞微米尺寸范圍的顆粒而言，它的整個表面積超過了100m2）表面能的增加是因為在增加彎角、邊緣和晶體污點的時候，在分子力之間產(chǎn)生了不平衡性。自然界為了提供一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，總是在尋找一個較低能量的系統(tǒng)。例如，水滴和肥皂泡都是球形的，因為這種幾何形狀提供了最低的表面積和表面能。在油墨顏料的情形中，如果粒子聚集成較大的，較低的表面積/表面能的構型，大的表面積和高的表面能就會減到最小。
        在實際中，非常小的晶體不得不聚集成一定的程度使得它們在任何形態(tài)下都易于控制。另外，尺寸大小在亞微米范圍的煙氣將分散于大氣中。因而，理想的油墨顏料應該是在無水的狀態(tài)下是聚集的，但是在適合的油墨連結料中它又會很容易的被分散。

        顏料的分散
        顏料在油墨連結料中的分散一個很重要的要求是液體媒介應該能夠在晶體的表面和貼近晶體的區(qū)域之間進行滲透，因而在顏料顆粒和液體之間形成了一個互換的橋梁。為了顏料顆粒能夠很好的潤濕，顏料表面的表面能必須比分散劑表面的表面能高些（表面強度）。用一個非極性或者低極性溶劑媒介來分散極性顏料是很困難的，反之也是一樣。然而，顏料生成的晶體的結構和聚集體的特性對顏料的分散性有著顯著的影響。
        顏料的聚集結構和分散的容易程度取決于結構內(nèi)顆粒之間的結合強度。該結合強度又依賴于晶體間的接觸面積和每單位接觸面積上結合力的大小；相應地，面對面的接觸會增大接觸面積。聚集體結構的結合強度越大，在連結料中分散得越困難。因此，例如這些包含立方晶體的聚集體結構，有較高的面對面接觸的機會，比桿狀和片狀晶體比較難分散，而桿狀和片狀的聚集體趨向于形成較開放的聚集體。我們已經(jīng)知道，立方體態(tài)的β態(tài)銅酞青藍晶體有較高的底-面的表面平衡性，因而比桿狀的β態(tài)具有較高的極性，并且在非極性媒介中分散比較困難。然而，桿狀β態(tài)開放結構的聚集態(tài)在平印油墨內(nèi)使用的低極性溶劑中比較容易分散。
        作為顏料，在紅和品紅印刷油墨中使用的鈣4B色粉同樣具有極性的表面。然而，晶體是規(guī)則的像平板式的結構，它用接觸的邊緣和點包裝著，使其成為了一個開放的聚集結構.即便如此，表面層的極性力是如此的強烈，以至于鈣4B色粉在低極性溶劑中也是很難分散的，除非它們經(jīng)過特別的處理減小它們的表面極性。這可以在制備的時候通過在晶體表面吸附一層松香酸來完成。高達20%的松香樹脂附著于顏料上不但能夠增加松香樹脂的分散性，而且能夠防止晶體的增長；這就使得顏料的色強度有機會得到增長。
        松香酸的結構在圖3中展示了出來。極性羧基群被吸引到顏料晶體的極性表面并且吸附在上面。然后非極性的萜類烴的鏈端就能和低極性的介質(zhì)進行締合，例如在平版油墨中使用的石油餾分烴；顏料的潤濕劑和分散劑。
這樣，含有極性表面的顏料晶體能在大部分油墨內(nèi)使用的低極性介質(zhì)中分散。對凹印和柔印來說，油墨使用了例如酒精和基于水的連結料等較高極性介質(zhì)，這樣子乍一看好像是極性顏料的分散比較容易完成一些。然而，并不總是這樣的情況，因為高極性的顏料在和極性介質(zhì)也很難分散的干燥相中將很容易聚集。解決的方案也只有去打碎顏料了。通過把顏料和松香樹脂放在一個具有很高剪切速率的兩輥式研磨機上處理，顏料粒子就會在熔化的油墨粘合劑松香樹脂中預分散。大的剪切作用力對分離顏料的聚集體和熔化松香樹脂都有作用，還能讓松香樹脂去覆蓋分離的顏料粒子。然后所有冷卻的、固化的、熔融的聚集體都會被粉碎成包含很多分離顏料的碎片。松香樹脂溶解在極性溶劑中，在分散劑中留下包覆著的顏料顆粒。水基油墨可能用和水溶性分散劑相溶的樹脂來制備。樹脂的存在同樣能加大印刷油墨墨膜的光澤度，這對在表面缺乏光澤度的水基系統(tǒng)來說是一個很特別的優(yōu)勢。

         填充不同晶體形狀的能力：（a）立方晶體形狀的緊密填充；（b）在一開放結構的聚集體中類似于桿狀的晶體的填充；（c）在一開放結構的聚集體中類似于平板結構晶體的填充

      （a）松香酸的結構。（b）松香酸分子吸附在顏料的表面

        切碎的樹脂通常大部分是硝化纖維、乙基纖維素、聚酰胺、丙烯腈系纖維、醋酸纖維素丙酸鹽和聚乙烯基丁縮醛。不得不說明的是，盡管它給予了額外的光澤度和不透明度，但現(xiàn)在切碎技術通常是為高光澤度的工作和困難的系統(tǒng)專門預定的。原因在于通過磨碎（很可能有點火的危險）這樣的方法，使得熔化樹脂所需要的高能量成本能夠?qū)τ湍闹圃焐虃儺a(chǎn)生影響，讓他們認識到運用這種方法所具有的合理利潤界限。
        分散顏料的絮凝
         絮凝是指在液體介質(zhì)中分散的顆粒再次聚集的過程。對油墨而言，絮凝作用導致喪失了對油墨流變特性的控制，并因此無法控制油墨向印刷機的轉移過程。
        絮凝物是開放的、顏料晶體的三維結構聚集的結果，它能捕獲并固定連結料的液體相位。顏料濃縮的程度越大，可能發(fā)生絮凝作用的程度也越大，從另一個極端來說，油墨的分散劑可能變成一個觸變膠體。
        通過介質(zhì)的機械剪切作用，晶體的結構可能會被破壞，但是減小絮凝作用作為最初的手段是通過用添加劑來處理顏料的表面完成的，這些添加劑在顏料連結料的表面上能夠促進分子長鏈結構的形成。顏料表面適當功能物質(zhì)的吸附就構建了一個排斥力，這種斥力會減小顆粒之間的相互吸引作用（吸引作用首先易導致絮凝）。因此，絮凝結構被弱化，且在尺寸和數(shù)量上減少了。
絮凝作用對油墨流變性的影響在圖4中顯示了出來。絮凝的分散劑是剪切變稀的，并且油墨的粘度隨著剪切應力的增加而減小的。（粘度系數(shù)η是由剪切應力除以剪切應變得到的）
        例如凹版油墨的低粘度系統(tǒng)，它們近似于牛頓流體，在應力和應變關系曲線中它是一條通過原點的直線。在這樣的油墨中制備的絮凝結構強度的測量是通過從它們正常的牛頓行為偏離的量值來給定的。因而，在圖4（a）中，絮凝結構的強度是通過扭轉值To來給定的。剪切變稀特性通過圖像上曲線的部分來描述。使用合適的膠體穩(wěn)定劑可以接近牛頓效應。
增加的膠體穩(wěn)定劑在油墨流變上的作用：（a）沒有膠體穩(wěn)定劑
（b）使用膠體穩(wěn)定劑。

        絮凝作用同樣會發(fā)生在粘性的平版印刷油墨中，但在這兒簡單添加劑的加入是無效的。然而，在低極性的溶劑中，在顏料的表面摻入松香樹脂來增加分散性也被認為能降低絮凝物結構的強度。因而，低極性的平版印刷油墨使用的顏料中通常含有松香樹脂的含量高達顏料濃度的45%。

本文標題：油墨顏料顆粒尺寸對印刷質(zhì)量的影響
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