蜡乳液在水性上光油中的应用

蜡乳液在水性上光油中的应用

张建雨,李慧慧,陈盛,郑义红

 1.华东理工大学能源化工系(上海市200237)2.上海焦耳蜡业有限公司(上海市201717

摘要::蜡乳液作为一种功能性助剂广泛应用于水性上光油中。研究了硬度、熔点、酸值、粒径及粒径分布不同的4种蜡乳液对水性上光油涂膜性能的影响。结果表明4种蜡乳液的加人均叮改善涂膜的耐磨性,熔点、硬度较高的JW石302石蜡效果最明显,合理的蜡乳液用量可提高涂膜的防水性,但大粒径的蜡乳液会引起涂膜光泽度的下降。

关键词:蜡乳液苯丙乳液耐磨性吸水率光泽度

上光油是用于印刷纸品上的一种装饰和保护性功能涂料。所谓上光是指在完成图文印刷的复制品表面涂布光油,以获得光亮的薄膜层。随着人们环保意识的增强,环境友好型的水性上光油逐渐受到人们的关注。但水性上光油产品在光泽度、耐水耐磨、抗划伤方面都不如溶剂型产品,在应用上受到较大的限制〔`l。针对这种现状,除了改善成膜物质苯丙乳液的性能外,选择合适的蜡助剂也是提高上光油性能的一个关键手段2〕

蜡助剂以其优异的表面性能被广泛应用于涂料和油墨中[’J,而蜡乳液作为蜡的一种存在形式在水性涂料中应用较多。当蜡乳液加人到水性上光油以后,随着助溶剂的挥发,部分蜡颗粒迁移到膜的表面上来,形成一层蜡保护层,从而对涂膜的表面性能产生影响。因此研究不同性能的蜡乳液在水性上光油中使用后对涂膜最终性能的影响具有重要意义。

1实验 

1.1原料及仪器

JW一6302石聚乙烯蜡乳液,JW一809聚乙烯蜡乳液,石蜡乳液,巴西棕桐蜡乳液,水性苯丙乳液,碱溶性树脂溶液,水性消泡剂HX一041,水性流平剂HX一5600,无水乙醇。

 JM一V型耐磨仪;ETB习68镜向光泽度仪;GH-S反应釜。

1.2合成步骤
高速搅拌下向反应釜中依次加人苯丙乳液,碱溶性树脂溶液,消泡剂,蜡乳液,流平剂,每次加料后均搅拌一定时间;最后加适量水和乙醇混合液(质量比:11),搅拌巧min,即得白色半透明状的水性上光油。

1.3性能测试 

涂膜制备:按GB1727一92,采用浸涂法;耐磨性测定:按GB/T1768一2006测定,磨损用的橡胶砂轮为10009,以磨损200转后涂膜的失重表示,平行进行三次;涂膜吸水率测定,按GB/T1783一93测定;光泽度的测定,测量其60℃光泽度。

2结果与讨论

 2.1蜡乳液的种类及作用

蜡按照其来源可分为天然蜡和合成蜡,其中天然蜡包括动物蜡、植物蜡以及矿物蜡,如蜂蜡、巴西棕搁蜡、石蜡等,合成蜡主要是化学合成的聚烯烃蜡,如聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚四氟乙烯蜡。蜡乳液又称为乳化蜡,是用上述蜡为原料,借助乳化剂的定向吸附作用,在机械外力的作用下使蜡和极性溶剂形成稳定分散状态的乳化液,外观为白色或淡黄色半透明流体(或膏体)`,。

蜡乳液加人上光油中,在成膜过程中由于蜡的“漂浮效应”〔’,“〕,使得涂膜最上层有蜡的保护,

从而对涂膜性能产生影响。蜡的作用机理见图1,分布在涂膜表面的蜡颗粒多呈球形,该球形粒子一部分镶在乳液膜内,一部分突出在乳液膜表面,影响涂膜性能主要是露在膜外表的部分球形蜡粒。

不同种类的蜡乳液对涂膜表面性能的影响不同,而蜡的硬度、熔点、酸值、粒径及粒径分布对表面性能影响最大。因此选取4种不同物性的蜡乳液,来考察其对上光油性能的影响。所选蜡物理性质见表1和图2。

由表1和图2可以看出,JW石302石所用氧化聚乙烯蜡针人度最小、硬度最大、熔点最高,该蜡属于硬性蜡。石蜡乳液所用石蜡针人度最大、硬度最小、熔点最低,该蜡属于软性蜡。而Jw一809所用氧化聚乙烯蜡和巴西棕桐蜡介于二者之间。

为使包装纸品满足机器的高速上光及包装货物周转中的磨损要求,上光油应具有足够的坚韧度和耐磨耗,一般通过向上光油中加人蜡来实现。图3为不同种类蜡乳液及加入量对涂膜耐磨性的影响。

从图3可以看出,随着各种蜡乳液的加入,涂膜的磨耗量显著下降,这是因为涂膜表面形成的蜡保护层可以提高纸品的滑度,降低摩擦系数,使得物体接触涂层表面时,滑动倾向大于划伤倾向,从而提高印刷品的耐磨性。在相同蜡乳液用量的情况下,使用JW一6302石,涂膜磨耗量下降最明显,这与所选蜡的熔点和硬度有关。一般来说,熔点较高的蜡具有较高的硬度,可提高涂膜的耐磨性{6伙由表1知,Jw一6302一6原料蜡熔点、硬度最高(针人度最小),因而对耐磨性影响较大。

当JW一6302一质量分数达5%时性能较佳,再增加用量效果不明显,这是因为起耐磨作用的主要是露在膜外表的球形粒,随着蜡乳液用量的增加,在膜表面的球形蜡粒子间空隙减少,膜表面被蜡粒子占据的表面积增大,膜的表面摩擦阻力下降。继续增大蜡乳用量,蜡粒子在膜表面的半球呈紧密排列后,新的蜡粒子无法再插人,蜡乳液发挥了最大的作用,此时蜡粒子只能排布在涂层内部,对膜表面的摩擦系数影响较小,磨耗量变化也不大。考虑成本问题,添加量为5%左右为宜。

2.3蜡乳液对涂膜吸水率的影响 

当上光油用于包装纸上光时,由于在运输和使用过程中,有经受雨淋及浸水的可能性,这就要求上光油产品的防水性比较好。蜡乳液由于其成膜后的低表面能和良好的疏水性,被广泛用在防水体系中。图4为不同种类蜡乳液及加人量对涂膜吸水率的影响。

从图4可以看出,石蜡乳液可显著改善涂膜的吸水率,质量分数为5%左右时吸水率从未添加石蜡乳液时的34.1%下降到添加后的22.8%;JW石302一6蜡乳液防水效果稍次于石蜡乳液;随着JW一809蜡乳液和巴西棕搁蜡乳液用量的增加,涂膜吸水率先减小后增大,质量分数为3%时达最小值。

涂膜的防水性与蜡的分子结构和蜡乳化时乳化剂的用量有关,因在乳化过程中乳化剂只是物理吸附在蜡颗粒表面,并未参与反应,用量较多时乳化剂的亲水性基团将与水结合,影响涂膜的防水性。石蜡因其软化点低、相对分子质量小,易于乳化,仅添加少量合适乳化剂便可达到较好的乳化效果,同时由于石蜡的正构烷烃结构(其酸值为0,不含有极性基团),使其具有良好的疏水性,当水滴滴到纸张表面时,便会形成球状水珠,即所谓的“荷叶效应”,该水珠不能稳定地吸附在涂层表面,只要倾斜很小的角度,便可滑落,从而达到防水效果。而对于相对分子质量较大,硬度较高的其他三种蜡而言,酸值越大,越容易乳化,JW-6302石酸值为30mgKOH/g,相对容易乳化,乳化时乳化剂用量较小,又由于其长碳链结构,可使涂膜具有较好防水性;因JW一809和巴西棕搁蜡酸值较低,要得到稳定的蜡乳液所需的乳化剂用量较高,随着蜡乳液在上光油中用量的增加,乳化剂含量亦增加,过多的乳化剂将导致涂膜防水性下降。可见选择合适的乳化蜡体系,对上光油防水性至关重要。

2.4蜡乳液对涂膜光泽度的影响 

加入蜡乳液将会影响涂膜的光泽度。不同种类的蜡乳液由于粒径及粒径分布不同,当受到光

从图5可以看出,JW一809对涂膜光泽度的影响最大,这主要是与其大粒径有关,当粒径大于1林m时,对光泽会产生影响,将有一定的消光作用[6]

由表l可知,JW一809平均粒径为2.3林m,成膜时在涂膜表面形成一种非均相且微观上不平整的表面,对光波产生强烈的散射作用,质量分数为4%时,便可使涂膜光泽度从65.8下降到37.8,下降高达42.5%;该蜡乳液用于配制哑光油时,既可减少消光粉的用量,降低成本,又可使涂层产生良好的手感。加人巴西棕搁蜡乳液,涂膜光泽度有所增加,由图2可知该蜡乳粒径为0.04-0.26林m,成膜后小粒径的蜡颗粒均匀分散在涂膜表面,可以弥补涂膜表面的微小缺陷,起到增光作用。石蜡和JW一6302一6对涂膜光泽度影响不大,但由于这两种蜡乳液均呈现一定的粒径分布(分别为0.17一2.09林m和o·17一2.3林m),加人量超过3%时,含量较低的大粒径蜡颗粒(>1林m)亦会影响涂膜光泽度。

3结论 

作为改善涂膜性能的一种功能性助剂,蜡乳液添加到上光油中,主要是改善涂膜的耐磨性,另外还可影响涂膜的光泽度和吸水率。实验中所用4种蜡乳液均可提高涂膜的耐磨性,以硬度较高的蜡效果最明显,合理的蜡乳液用量可提高涂膜的防水性,但大粒径蜡乳液影响涂膜的光泽度。

根据上光纸品所要求的效果,可根据蜡的种类、硬度、熔点、粒径及其分布来选择合适的蜡乳液及合理的添加量,或以不同品种不同数量的蜡乳液复配,以期达到综合性能比较好的上光油产品。

参考文献

[1]刘杰凤,黄敏,金烈.水性印刷纸张上光油用乳液的合成及性能〔J」.涂料工业,2006,36(6):4144.

〔2〕朱仁发,刘少民.蜡助剂在纸品上光油中的应用研究!J〕.安徽师范大学学报:自然科学版,1998,21(l):75一77.〔3]JansenMessrsHM,aLngerGM,etal.hTeorleofwaxesineoatingsandinks[J].paintindia,1989,39(5):69刀3.

「4」朱仁发.蜡助剂对凹印纸品罩光油性能影响[J】.涂料工业,1997,(5):38一39.

[5]伶研.聚乙烯微粉蜡在精细化工行业中的应用〔J].天津化工,2006,20(l):40并2,

[6」曾晋.溶剂型木器涂料中蜡助剂的选择[J].现代涂料与涂装,2X()l,(5):29一31