蠟乳液在水性上光油中的應用

張建雨,李慧慧,陳盛,鄭義紅

 1.華東理工大學能源化工系(上海市200237)2.上海焦耳蠟業(yè)有限公司(上海市201717

摘要::蠟乳液作為一種功能性助劑廣泛應用于水性上光油中。研究了硬度、熔點、酸值、粒徑及粒徑分布不同的4種蠟乳液對水性上光油涂膜性能的影響。結果表明4種蠟乳液的加人均叮改善涂膜的耐磨性,熔點、硬度較高的JW石302石蠟效果最明顯,合理的蠟乳液用量可提高涂膜的防水性,但大粒徑的蠟乳液會引起涂膜光澤度的下降。

關鍵詞:蠟乳液苯丙乳液耐磨性吸水率光澤度

上光油是用于印刷紙品上的一種裝飾和保護性功能涂料。所謂上光是指在完成圖文印刷的復制品表面涂布光油,以獲得光亮的薄膜層。隨著人們環(huán)保意識的增強,環(huán)境友好型的水性上光油逐漸受到人們的關注。但水性上光油產品在光澤度、耐水耐磨、抗劃傷方面都不如溶劑型產品,在應用上受到較大的限制〔`l。針對這種現狀,除了改善成膜物質苯丙乳液的性能外,選擇合適的蠟助劑也是提高上光油性能的一個關鍵手段2〕

蠟助劑以其優(yōu)異的表面性能被廣泛應用于涂料和油墨中[’J,而蠟乳液作為蠟的一種存在形式在水性涂料中應用較多。當蠟乳液加人到水性上光油以后,隨著助溶劑的揮發(fā),部分蠟顆粒遷移到膜的表面上來,形成一層蠟保護層,從而對涂膜的表面性能產生影響。因此研究不同性能的蠟乳液在水性上光油中使用后對涂膜最終性能的影響具有重要意義。

1實驗 

1.1原料及儀器

JW一6302石聚乙烯蠟乳液,JW一809聚乙烯蠟乳液,石蠟乳液,巴西棕桐蠟乳液,水性苯丙乳液,堿溶性樹脂溶液,水性消泡劑HX一041,水性流平劑HX一5600,無水乙醇。

 JM一V型耐磨儀;ETB習68鏡向光澤度儀;GH-S反應釜。

1.2合成步驟
高速攪拌下向反應釜中依次加人苯丙乳液,堿溶性樹脂溶液,消泡劑,蠟乳液,流平劑,每次加料后均攪拌一定時間;最后加適量水和乙醇混合液(質量比:11),攪拌巧min,即得白色半透明狀的水性上光油。

1.3性能測試 

涂膜制備:按GB1727一92,采用浸涂法;耐磨性測定:按GB/T1768一2006測定,磨損用的橡膠砂輪為10009,以磨損200轉后涂膜的失重表示,平行進行三次;涂膜吸水率測定,按GB/T1783一93測定;光澤度的測定,測量其60℃光澤度。

2結果與討論

 2.1蠟乳液的種類及作用

蠟按照其來源可分為天然蠟和合成蠟,其中天然蠟包括動物蠟、植物蠟以及礦物蠟,如蜂蠟、巴西棕擱蠟、石蠟等,合成蠟主要是化學合成的聚烯烴蠟,如聚乙烯蠟、聚丙烯蠟、聚四氟乙烯蠟。蠟乳液又稱為乳化蠟,是用上述蠟為原料,借助乳化劑的定向吸附作用,在機械外力的作用下使蠟和極性溶劑形成穩(wěn)定分散狀態(tài)的乳化液,外觀為白色或淡黃色半透明流體(或膏體)`,。

蠟乳液加人上光油中,在成膜過程中由于蠟的“漂浮效應”〔’,“〕,使得涂膜最上層有蠟的保護,

從而對涂膜性能產生影響。蠟的作用機理見圖1,分布在涂膜表面的蠟顆粒多呈球形,該球形粒子一部分鑲在乳液膜內,一部分突出在乳液膜表面,影響涂膜性能主要是露在膜外表的部分球形蠟粒。

不同種類的蠟乳液對涂膜表面性能的影響不同,而蠟的硬度、熔點、酸值、粒徑及粒徑分布對表面性能影響最大。因此選取4種不同物性的蠟乳液,來考察其對上光油性能的影響。所選蠟物理性質見表1和圖2。

由表1和圖2可以看出,JW石302石所用氧化聚乙烯蠟針人度最小、硬度最大、熔點最高,該蠟屬于硬性蠟。石蠟乳液所用石蠟針人度最大、硬度最小、熔點最低,該蠟屬于軟性蠟。而Jw一809所用氧化聚乙烯蠟和巴西棕桐蠟介于二者之間。

為使包裝紙品滿足機器的高速上光及包裝貨物周轉中的磨損要求,上光油應具有足夠的堅韌度和耐磨耗,一般通過向上光油中加人蠟來實現。圖3為不同種類蠟乳液及加入量對涂膜耐磨性的影響。

從圖3可以看出,隨著各種蠟乳液的加入,涂膜的磨耗量顯著下降,這是因為涂膜表面形成的蠟保護層可以提高紙品的滑度,降低摩擦系數,使得物體接觸涂層表面時,滑動傾向大于劃傷傾向,從而提高印刷品的耐磨性。在相同蠟乳液用量的情況下,使用JW一6302石,涂膜磨耗量下降最明顯,這與所選蠟的熔點和硬度有關。一般來說,熔點較高的蠟具有較高的硬度,可提高涂膜的耐磨性{6伙由表1知,Jw一6302一6原料蠟熔點、硬度最高(針人度最小),因而對耐磨性影響較大。

當JW一6302一質量分數達5%時性能較佳,再增加用量效果不明顯,這是因為起耐磨作用的主要是露在膜外表的球形粒,隨著蠟乳液用量的增加,在膜表面的球形蠟粒子間空隙減少,膜表面被蠟粒子占據的表面積增大,膜的表面摩擦阻力下降。繼續(xù)增大蠟乳用量,蠟粒子在膜表面的半球呈緊密排列后,新的蠟粒子無法再插人,蠟乳液發(fā)揮了最大的作用,此時蠟粒子只能排布在涂層內部,對膜表面的摩擦系數影響較小,磨耗量變化也不大?？紤]成本問題,添加量為5%左右為宜。

2.3蠟乳液對涂膜吸水率的影響 

當上光油用于包裝紙上光時,由于在運輸和使用過程中,有經受雨淋及浸水的可能性,這就要求上光油產品的防水性比較好。蠟乳液由于其成膜后的低表面能和良好的疏水性,被廣泛用在防水體系中。圖4為不同種類蠟乳液及加人量對涂膜吸水率的影響。

從圖4可以看出,石蠟乳液可顯著改善涂膜的吸水率,質量分數為5%左右時吸水率從未添加石蠟乳液時的34.1%下降到添加后的22.8%;JW石302一6蠟乳液防水效果稍次于石蠟乳液;隨著JW一809蠟乳液和巴西棕擱蠟乳液用量的增加,涂膜吸水率先減小后增大,質量分數為3%時達最小值。

涂膜的防水性與蠟的分子結構和蠟乳化時乳化劑的用量有關,因在乳化過程中乳化劑只是物理吸附在蠟顆粒表面,并未參與反應,用量較多時乳化劑的親水性基團將與水結合,影響涂膜的防水性。石蠟因其軟化點低、相對分子質量小,易于乳化,僅添加少量合適乳化劑便可達到較好的乳化效果,同時由于石蠟的正構烷烴結構(其酸值為0,不含有極性基團),使其具有良好的疏水性,當水滴滴到紙張表面時,便會形成球狀水珠,即所謂的“荷葉效應”,該水珠不能穩(wěn)定地吸附在涂層表面,只要傾斜很小的角度,便可滑落,從而達到防水效果。而對于相對分子質量較大,硬度較高的其他三種蠟而言,酸值越大,越容易乳化,JW-6302石酸值為30mgKOH/g,相對容易乳化,乳化時乳化劑用量較小,又由于其長碳鏈結構,可使涂膜具有較好防水性;因JW一809和巴西棕擱蠟酸值較低,要得到穩(wěn)定的蠟乳液所需的乳化劑用量較高,隨著蠟乳液在上光油中用量的增加,乳化劑含量亦增加,過多的乳化劑將導致涂膜防水性下降?？梢娺x擇合適的乳化蠟體系,對上光油防水性至關重要。

2.4蠟乳液對涂膜光澤度的影響 

加入蠟乳液將會影響涂膜的光澤度。不同種類的蠟乳液由于粒徑及粒徑分布不同,當受到光

從圖5可以看出,JW一809對涂膜光澤度的影響最大,這主要是與其大粒徑有關,當粒徑大于1林m時,對光澤會產生影響,將有一定的消光作用[6]

由表l可知,JW一809平均粒徑為2.3林m,成膜時在涂膜表面形成一種非均相且微觀上不平整的表面,對光波產生強烈的散射作用,質量分數為4%時,便可使涂膜光澤度從65.8下降到37.8,下降高達42.5%;該蠟乳液用于配制啞光油時,既可減少消光粉的用量,降低成本,又可使涂層產生良好的手感。加人巴西棕擱蠟乳液,涂膜光澤度有所增加,由圖2可知該蠟乳粒徑為0.04-0.26林m,成膜后小粒徑的蠟顆粒均勻分散在涂膜表面,可以彌補涂膜表面的微小缺陷,起到增光作用。石蠟和JW一6302一6對涂膜光澤度影響不大,但由于這兩種蠟乳液均呈現一定的粒徑分布(分別為0.17一2.09林m和o·17一2.3林m),加人量超過3%時,含量較低的大粒徑蠟顆粒(>1林m)亦會影響涂膜光澤度。

3結論 

作為改善涂膜性能的一種功能性助劑,蠟乳液添加到上光油中,主要是改善涂膜的耐磨性,另外還可影響涂膜的光澤度和吸水率。實驗中所用4種蠟乳液均可提高涂膜的耐磨性,以硬度較高的蠟效果最明顯,合理的蠟乳液用量可提高涂膜的防水性,但大粒徑蠟乳液影響涂膜的光澤度。

根據上光紙品所要求的效果,可根據蠟的種類、硬度、熔點、粒徑及其分布來選擇合適的蠟乳液及合理的添加量,或以不同品種不同數量的蠟乳液復配,以期達到綜合性能比較好的上光油產品。

參考文獻

[1]劉杰鳳,黃敏,金烈.水性印刷紙張上光油用乳液的合成及性能〔J」.涂料工業(yè),2006,36(6):4144.

〔2〕朱仁發(fā),劉少民.蠟助劑在紙品上光油中的應用研究!J〕.安徽師范大學學報:自然科學版,1998,21(l):75一77.〔3]JansenMessrsHM,aLngerGM,etal.hTeorleofwaxesineoatingsandinks[J].paintindia,1989,39(5):69刀3.

「4」朱仁發(fā).蠟助劑對凹印紙品罩光油性能影響[J】.涂料工業(yè),1997,(5):38一39.

[5]伶研.聚乙烯微粉蠟在精細化工行業(yè)中的應用〔J].天津化工,2006,20(l):40并2,

[6」曾晉.溶劑型木器涂料中蠟助劑的選擇[J].現代涂料與涂裝,2X()l,(5):29一31