通过Tianqi刘帕特里克·萨金特Zaheed伊斯兰教而且柯恩汉堡,Cabot公司,比利卡,马萨诸塞州

由于其在可变数据处理和定制方面的灵活性、高吞吐量、经济的工作流和成本结构,喷墨已成为商业、标牌和包装领域最有前途的2022世界杯八强水位分析印刷技术之一。包装需求持续增长,特别是食品包装,但该行业仍然面临着挑战,如供应链优化、浪费和成本降低、定制的灵活性和e&s合规。这些挑战导致了一个高度分散的市场,这发挥了按需打印数字喷墨技术的优势。

在各种数字喷墨技术中,水喷墨以其环保的特点而脱颖而出,通常被认为是食品包装的最佳技术。2022世界杯八强水位分析水性喷墨墨水主要由水、保湿剂、表面活性剂、着色剂(颜料或染料)和粘结树脂组成。与溶剂或uv喷墨相比,它们的设计更安全。然而,水性喷墨墨水的一个缺点是,这种墨水是为特定的打印头技术设计的,满足一定的粘度,表面张力和流动特性。除了传统的办公用纸或照片质量的纸张,或最终用途的应用程序,如食品包装外,它们不适合其他基质。

用于食品包装的材料包括广泛的化学物质和形式,其主要目的是食品的密封、保存和保护。塑料是食品包装中最常见和使用最广泛的材料。它们可以自己制成柔性包装(箔,包装,包,袋和袋),刚性(瓶,托盘和锅)和半刚性(帽,盒和利乐包)形式,或用于其他食品包装材料的标签或包装,如金属,纸,纸板和玻璃。在塑料中,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚烯烃(聚乙烯或聚丙烯)是使用的两种主要类型的材料。由于这些塑料的低表面能、疏水性和无孔性,它们被认为是水性喷墨印刷的不兼容基材。尝试在水性喷墨中使用粘合剂,使油墨在电晕处理后粘附到这些塑料上;然而,对于大多数水性印刷系统来说,油墨在塑料表面的干燥仍然是一个关键问题。如上所述,水性喷墨墨水含有水和保湿剂作为液体体。使用保湿剂来达到一定的粘度范围,并保护打印头免受干燥和喷嘴堵塞,以确保喷射的一致性。具有高沸点和低蒸气压的保湿剂,一旦喷到这些无孔基质上,就需要强大的干燥能力才能从印刷站的下游蒸发。 However, drying at higher temperature or for longer times can cause the plastic substrates to undergo undesired warp or deformation.

为了解决塑料基材和水性喷墨打印技术之间的不兼容问题,可以在塑料上应用喷墨接受涂层,以创建一个接受墨滴的微孔层。

如图1所示,用于塑料的喷墨接受涂层通常由气相金属氧化物(FMO)颗粒组成,它提供孔隙度和粘合剂,为塑料基材提供附着力。合成气相氧化硅和气相氧化氧化铝颗粒具有分形结构,初级颗粒排列成支链。枝状集料结构不容易紧密包裹,从而产生颗粒内部和颗粒间的空隙和通道。这些由分形颗粒产生的空隙或孔隙是非常重要的特征,允许液体吸附和固定颜料在水性喷墨接受涂层。

喷墨液滴与非多孔聚合物薄膜基材(左)和聚合物薄膜顶部的fmo基接受涂层(右)相互作用的插图。
图1”喷墨液滴与非多孔聚合物薄膜基材(左)和聚合物薄膜顶部的fmo基接受涂层(右)相互作用的插图。

食品包装用水喷墨接受涂层配方的关键成分

如果涂层是用于食品间接接触包装,则喷墨接受涂层中的成分最好应在国家特定法规中获得授权或批准。此外,可能需要进行全面和具体的迁移测试,以确保不超过允许的限度,并研究任何潜在的有害化学物质从包装转移到食品。

例如,在欧洲,用于塑料支撑的喷墨接受涂层的组件属于食品接触塑料法规EU 10/2011,属于“可被涂层打印或覆盖的材料”和“多层材料和多层材料和物品中的塑料层”的类别,不影响适用于涂层的国家规定。这些部件还受《与食品接触的材料和物品瑞士条例》(SR 817.023.21)附件10的限制,“在与食品接触的材料和物品上生产包装油墨的允许物质”。

为了使客户能够在食品间接接触法规下制定,我们开发了CAB-O-SPERSE并将其商业化®食品包装用4012K-F二氧化硅分散体。分散胶体稳定,无需研磨和除尘处理。二氧化硅分散剂是无分散剂,以减少配方中的不相容问题。来自二氧化硅生产和分散过程的高纯度提供了良好的化学和温度稳定性,不会变黄。配方剂只需要低剪切混合设备就可以将二氧化硅分散体、树脂粘合剂、聚结添加剂和表面活性剂加入其中,如图2所示。用于制造CAB-O-SPERSE 4012K-F的基础二氧化硅具有高表面积和小骨料尺寸,与具有较低表面积的气相二氧化硅或骨料尺寸大得多的沉淀二氧化硅相比,可以生成高光泽和半透明的涂层。

由CAB-O-SPERSE 4012K-F分散体和聚合物粘合剂组成的喷墨接受涂层的示意图。
图2”由CAB-O-SPERSE 4012K-F分散体和聚合物粘合剂组成的喷墨接受涂层的示意图。

孔隙度,附着力和透明度性能

像CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体中的粒子需要在涂层中形成多孔网络,以帮助从油墨中吸收液体。在涂层中产生的气孔尺寸从10到150纳米不等。孔隙介质中流体的动态吸收是由毛细压力驱动的,毛细压力与孔隙大小成反比。因此,这些纳米大小的孔隙应该能够快速吸收油墨液体。当树脂(可溶性或颗粒形式)添加到配方中,它作为粘合剂,帮助涂层粘附在塑料表面,并将颗粒像胶水一样保持在一起,以防止干燥开裂或由于滚筒操作造成的机械磨损。然而,如果使用过多的粘结剂,它将填充颗粒产生的一些孔隙,导致在涂层重量恒定的情况下总孔隙体积减小。

基于不同负载的二氧化硅分散体(具有不同的表面积)和聚氨酯粘合剂生成了一系列五种涂层,在扫描电子显微镜(SEM)下研究了涂层的形貌(图3)。当二氧化硅负载较低时(例如,16.7%),可以观察到连续的薄膜。粘合剂的作用是使表面均匀化,并覆盖二氧化硅颗粒,填补空隙,缺口和颗粒间接触。随着二氧化硅负载的增加,表面开始粗糙和开放,孔隙表明表面粘结剂覆盖较少。

扫描电镜下硅分散体和不同硅含量的聚氨酯粘结剂的涂层形貌比例尺为200nm。
图3»扫描电镜下硅分散体和不同硅含量的聚氨酯粘结剂的涂层形貌比例尺为200nm。


通过氮吸附和解吸等温线测量了这些涂料和基于丙烯酸粘合剂的第二系列涂料产生的孔隙体积,并使用BJH (Barrett, Joyner和Halenda)模型进行了计算(图4)。无论粘结剂的化学成分如何,孔隙体积在25%到50%负载的二氧化硅之间发生了急剧转变。很可能在这个范围内,粘结剂的用量刚好足以完全填充二氧化硅颗粒之间的空隙。在此阈值以下,涂层可以被认为是粘结聚合物连续基体中的二氧化硅颗粒的分散体。在此范围以上,由于粘结剂不再足以填充颗粒之间的空隙,孔隙率就会上升。

涂料的孔隙体积基于不同的硅负载与丙烯酸和聚氨酯粘合剂。
图4»涂料的孔隙体积基于不同的硅负载与丙烯酸和聚氨酯粘合剂。


以CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体和聚氨酯粘合剂为基础,在干燥基础上添加30%的二氧化硅,在干膜厚度为0.5 mil的PET薄膜上,就附着力和薄膜外观而言,与市上竞争性配方1和2进行了比较(表1)。竞争性配方1具有良好的附着力,没有电晕处理,透光性好,但显示出很高的雾霾,这表明涂层中大颗粒的光散射。通过激光衍射测量粒径证实竞争配方1的颗粒在4-5微米范围内。竞品配方2即使经过电晕处理,附着力也很差,但透明度很好,这与观察到的小粒径一致。以CAB-O-SPERSE 4012K-F硅分散体为基础的配方在附着力和透明度方面表现出最佳的综合性能。

CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体与竞争配方的性能比较。
表1”CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体与竞争配方的性能比较。

色间渗漏、油墨干燥与色彩性能

如前所述,组分中的颗粒负载会影响涂层的孔隙度和油墨吸收能力,如油墨干燥和色间渗漏。颗粒的形态和化学性质以及涂层重量也起着重要作用。

图5显示了分别从爱普生Workforce WF-3730打印机在基于新型CAB-O-SPERSE 4012K-F硅分散体和铝基分散体的0.5 mil干涂层上喷射墨水的显微镜图像。黑色方块在黄色背景上的边缘锐度表明黑色到黄色的间色出血性能。两种涂层的颗粒成分均为50% (w/w),厚度相同。很明显,基于新型二氧化硅分散体的涂层具有更好的色间流血,与铝基涂层观察到的开花特征相比,涂层的边缘更尖锐。

显微镜下黑色至黄色间色出血图像。比例尺为500 μm。
图5»显微镜下黑色至黄色间色出血图像。比例尺为500 μm。


根据ASTM 2498,在保持二氧化硅负载恒定(30%)的情况下,使用不同的涂层重量测量油墨干燥。在达到14微米左右的临界厚度之前,可以观察到油墨干燥的线性增加,在此之后达到性能平台(图6)。平台可能表明液体吸附的速度受限于油墨在多孔网络中的扩散速率。虽然散装涂料的重量仍然增加,墨液不一定向内扩散得更快。这一结果强调了在涂层顶部表面保持开放孔隙结构的重要性,并说明了高孔隙率的好处,即在不牺牲基板附着力的情况下增加二氧化硅颗粒的负载。

油墨干燥时间与干涂层厚度的关系。
图6»油墨干燥时间与干涂层厚度的关系。


油墨附着力和色域也评估了从爱普生劳动力WF-3730打印机喷墨。根据ASTM D3359测量油墨附着力。七种颜色(黑、红、绿、蓝、黄、品红、青色)分别印在柱子上。每种颜色的附着力评分从0-5,油墨附着力总分从0到35不等。对于色域,使用Hunter XE实验室扫描色度计打印并测量所有七种颜色的正方形。总色域由每一种颜色的色度相加确定;数字越高,获得的色域越好。

基于不同多元醇的三种不同的聚氨酯分散体与CAB-O-SPERSE 4012K-F硅分散体相结合,得到配方A、B和C,其中硅与粘结剂的重量比为3:7。评估了所有三种配方以及预配制的竞争性(商业)配方1和2的色域和油墨附着力(表2)。尽管大多数配方提供了良好的色域,但只有含有新型二氧化硅分散体的配方A和B显示出良好的油墨附着力,这表明树脂化学在油墨颜料固定中起着重要作用。竞争配方2显示色域不足,没有油墨固定,因此不适合这个应用程序。

喷墨接受涂料配方的色彩性能和油墨附着力。
表2”喷墨接受涂料配方的色彩性能和油墨附着力。

新型二氧化硅分散体用于可喷射喷墨接受配方

CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体不仅可以配制成针对塑料薄膜上模拟应用的喷墨接受涂料,还可以应用于数字可喷射配方,并作为数字打印过程的一部分用于引物喷射站。

目前喷墨喷头技术对喷墨喷头中使用的颗粒有严格的要求,以避免喷嘴干燥和堵塞问题。例如,理想情况下,颗粒的典型尺寸应该低于0.3微米,颗粒分布较窄。图7显示了三批CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的激光衍射粒度测量结果。D50在125nm左右,D90在200nm以下,粒径和粒径分布的一致性满足许多喷墨打印头的粒径要求。

CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的粒径和分布。
图7»CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的粒径和分布。


当配方的粘度约为2.85 cp(25°C),表面张力为31.5 dynes/cm时,可以使用富士dijifilm Dimatix MEMS压电喷墨打印机喷射总固体含量为10%的实验配方。在水滴观察过程中,可以看到笔直的液滴不断地从喷嘴中流出(图8)。图9中的图像被喷射到玻璃载玻片上,以1220 dpi的速度使用10 pL墨盒观察不同厚度的覆盖率。为了更好的视觉效果,下面放了一张镀银的纸。喷射图像显示清晰的图形和坚实的区域,没有证据表明喷嘴干燥。

高速相机下观察喷墨液滴轨迹。
图8»高速相机下观察喷墨液滴轨迹。
基于CAB-O-SPERSE 4012K-F硅分散体在不同厚度玻璃上的喷射喷墨接受层
图9»基于CAB-O-SPERSE 4012K-F硅分散体在不同厚度玻璃上的喷射喷墨接受层

结论

CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的开发和商业化使我们能够提供快速增长的包装和标签的数字打印部分与间接食品接触兼容的产品。它已被证明是在难以打印的塑料基材上开发水性喷墨接受涂料的有益成分。在适当选择的树脂粘合剂的存在下,新的二氧化硅分散体能够形成多孔的接受涂层,具有良好的附着力和透明度,以及优异的油墨性能(色间渗漏、附着力和色域)。此外,初步结果表明,由于二氧化硅分散体粒径小,粒径分布窄,可用于数字可喷射底漆配方或数字油墨。

鸣谢

本文的作者要感谢以前的同事Melissa Monello,感谢她对项目的大力支持和对本文的深思熟虑的贡献。