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纳米技术在油墨涂料上的应用

资料来源:《中华印刷科技会讯》第67期 更新日期:2004-01-11

一、纳米的概念及应用范畴

纳米」一词备受关注,但有一个重点是,我们不应拘泥于纳米的尺寸,只强调纳米科技在100nm以下,而要着重的是,尺寸的细致对我们能带来什么益处,如纳米对颜料特性的提升即是可预期的益处。

纳米产品相当多,并且遍及各产业,以2001年来看,全球纳米产业约有265亿美金,其应用在产品方面大多为粉体结构,在应用上会因聚集而受限制,因此要如何突破此应用技术,将粉体分散到我们所需的细度,将是现阶段的重点。再从纳米特化品的范围来看,油墨涂料在整体产值上所占的比例相当大,且各产品间也互有关联性,因此,纳米油墨涂料将是纳米特化品中一非常重要的领域。而纳米特化品的Unit
Process主要是在处理粉体,其过程如研磨、制造、加工到成品,皆能显示出产品之特性,而其实例有喷墨墨水、涂料塑料及医药产品等。

二、纳米化分散技术

在纳米的分散技术上主要有两个问题,第一是将大颗粒破碎解聚,提升原本特性;第二是将小的纳米粉体再做分散,以达大宗量产、便宜及应用少量添加有效。在颜料的纳米化分散上,粉体的分散是最具困难点的,也有其必须突破之技术瓶颈。如传统球磨的珠磨能到200nm已是相当不容易,若要达到更小的粒子就必须仰赖研磨分散技术。研磨球的粒子要细,能量传递要足够,才能提升碰撞频率,得到较小的颗粒;颗粒愈小,聚集效果就愈强,因此我们必须利用界面观点将其颗粒安定,应用配方效果需搭配分散安定剂,配成产品如墨水、涂料….等。

传统珠磨机是以珠子在高速碰撞,但分离网会将珠子挡在里面,而分离网的技术仍无法克服,因目前最小的珠子约为0.05mm,磨球不够细小,无法将粒子分的很细,故限制了技术的发展,且因其设备价格昂贵,维护不易,并无法满足更微细之需求,所以必须开发新设备。并且分散设备必须注意:

1. 研磨槽内部设计。

2. 研磨槽带动轴之材质。

3. 研磨介质种类。

4. 分散液与研磨介质分离机制和孔洞大小。

5. 操作方式。

纳米微珠磨分散系统采耐磨、高热传效果的材质制造槽体、低成本研磨介质与高能量密度之搅拌轴、叶片及槽体。其原理为采单一搅拌槽放入很细的研磨球,用机械力量>15~30m/s的高叶片速度传送进入搅拌。而微珠磨所创造的分散效果主要有两点:

(一)
碰撞点的增加:碰撞点和直径关系密切,直径小的研磨介质,其碰撞点也会增加,以0.05mm的研磨介质为例,其碰撞点远比0.5mm的研磨介质多出1000倍。

(二) 有效剪切力面的增加:珠子愈小,数目愈多,剪切力也将随之增加。

但必须注意一点,虽说研磨介质小对微珠磨的效果好,但若研磨介质与粉体的体积大小相差不远,也无法将粉体分散。一般而言,粉体的大小以研磨介质的1/3 –
1/10最为适当,且同时需注意研磨介质的硬度、ph值、颜色偏差、成本及是否污染等。另外值得注意的是纳米粉体的界面安定技术,当粒子变小的同时,粒子间的距离也缩小,安定性也就随之减小,因此,在分散剂的用量上也必须要增加。

在分散剂的选用标准上,应从应用的观点出发。如以喷墨墨水的应用为例,在研磨分散的需求上,应考虑HLB值与颜料需求的HLB值相近;且需有良好的湿润与分散特性及研磨低起泡性等。在墨水功能的需求上,应考虑储存与添加剂安定性、墨水于墨匣中输送之安定性且具防阻塞的特性、墨水喷于纸上需有良好的抗水性与耐擦性及具抗溶剂及抗热性等等。

三、颜料涂料油墨纳米化应用

在颜料纳米化的实际验证上,纳米化之颜料外观颜色远比次微米的颜料更为深黑,其主要原因为颜料的粒子大,光线透过会打碎,因而光线散射出光来,少部分的光则穿透过去。而纳米颜料粒径小,光散射弱,光谱吸收面积变小,光的反射率小于1%,因此在颜色的外观上就明显较次微米颜料深。

纳米化颜料的应用范围相当广泛,生活上的实例如喷墨墨水、涂料、油墨、光电显示器等,在产品的制造过程中,加入3%-5%等少许比例的纳米颜料,即能改善油墨遮蔽率、饱和度、耐旋光性、耐水性等问题。

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