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纳米技术改善油墨性能

《广东印刷》2011年第3期 作者:刘迅廷 更新日期:2011-08-02

油墨是印刷的关键因素,油墨各方面的性能都会影响印刷品的质量,改善油墨性能对提高印刷复制效果有十分重要的作用。纳米技术是新兴的高科技术,通过直接操作和安排原子、分子运动规律特性,从而改造物质相关性能的技术方法。通过纳米技术改善油墨各方面的性能,尤其是利用纳米石墨改善油墨的导电性,从而提高印刷复制效果具有深远的意义。
一、油墨的发展及其性能
中国是最先使用墨的国家,2000年前作为印刷的物质基础之一的墨便已出现了,国际间公认中国是古代文明中最先使用墨的国家,早在西汉时期(公元前200年)就开始使用墨了,这种墨可以在简帛上写字传递信息,其某些功能与当代油墨可以类比。
15世纪德国的谷登堡发明了铅合金活字印刷,油墨有了改进,用灯黑作为颜料,亚麻油为连结料,用手工将其均匀混合制成了当时的油墨。但是直到19世纪中叶,科学尤其是化学的进步,使得煤焦油染料以及色彩科学的发展,油墨制造商才能根据用户需要为用户制出具有不同色相、明度、饱和度的各种颜色来。油墨生产进入了新的发展阶段。
油墨的种类很多,物理性质各不相同,有的很稠、很黏,有的却相当稀。它的成分可以分为三大部分:其中液体成分称为连结料;固体成分为色料(颜料或染料)以及各种助剂。印刷油墨是由色料、连结料、填料等材料均匀分散混合而成的浆状胶体。色料赋予印品丰富多彩的色调;连结料作为色料的载体,也作为粘合剂使色料固着在承印物表面上;填料赋予油墨适当的性质,使得油墨满足各种印刷过程的印刷适性。
对油墨来说,颜色、身骨(通常将稀稠度、流动性等油墨的流变性质称为油墨的身骨)和干燥性能是油墨三个最重要的性质,也是研制油墨配方及工艺和生产油墨时应该注意的;在印品上的印膜应该有一定的耐抗性,才使印品具有实际用处。
二、纳米的概念及其应用
“纳米”是英文namometer的译名,是一种度量单位,l纳米为十亿分之一米,大约只有45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术,这意味着人们可以生产出极纯的材料和丰富多采的新产品。纳米技术可分为分子纳米技术、微加工技术和生物纳米技术。纳米技术的内涵广泛,包括纳米材料的制造技术,纳米材料向各个领域应用的技术,在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。目前,纳米技术的研究应用还主要在纳米级结构材料(即纳米材料)方面,纳米材料是指其晶粒大小在1~100纳米范围的物质。研究表明,当材料粒子进入纳米级粒子时,其本身就具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性。纳米粒子具有较大的比表面积、表面原子数、表面能等,其表面张力随粒径的下降而急剧增加,从而导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于正常的粒子。由于纳米粒子的尺寸已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等与该物质在整体状态时所表现的特性不同。
三、纳米技术运用于油墨中
纳米材料运用到油墨体系将会给油墨产业带来巨大的推动。1994年,美国的马萨诸塞州XMX公司已成功地获得了一项用于制造油墨用的纳米级均匀微粒原料的专利。而后,XMX公司并准备设计一套商业性的生产系统,利用这项专利,选择适当体积的纳米粉体原料来得到油墨的各种颜料,而不再依靠老传统生产油墨所需要的化学颜料。另据报道,我国近来被科技部评为国家重点新产品的纳米级透明氧化铁系列颜料也已开发成功。该材料典型的针状微粒的尺寸,长轴为45纳米,短轴为6~7纳米,具有很好的分散性、结晶性和耐候性、高明度和着色力强的特点。它的开发成功,对我国传统颜料的更新换代具有重大的意义,尤其可用于制作纳米油墨,更是使油墨质量大为提高。目前,将纳米石墨用于油墨中,改善油墨的导电性,制成导电油墨,制成大容量集成电路,现代接触式面板开关等,将有巨大的发展潜力。
1.纳米石墨用于油墨中
①纳米石墨的性质。
碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一,它具有多样的电子轨道特性(sp、sp2、sp3杂化),再加上sp2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性,因此以碳元素为唯一构成元素的碳材料就具有各式各样的性质,并且,新碳素相和新型碳材料还不断被发现和人工制得。由于纳米石墨所具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应,从而使纳米石墨材料与常规块状石墨材料相比具有更优异的物理化学及表面和界面性质。人们将石墨制成超细纳米颗粒并对其应用研究产生了浓厚的兴趣。
有报道称,碳元素将会被列入铁磁性元素,但关于碳元素磁性的根源仍然有待探索研究。纳米单层石墨由于其特殊的电子结构而显示出多样而独特的磁学性能,它是一种有趣的分子基微观磁性系统。有理论研究表明,纳米石墨层的特殊磁学性能是由于其边界悬挂7c键的存在,而悬挂π键的状态很大程度上取决于纳米单层石墨的尺寸和边界的形状。在许多不同的纳米尺度的块状石墨结构中,观察到意想不到的异常磁学特性。这些证据表明,如果能够制出适当的尺寸和结构,石墨结构有可能是一种潜在磁性结构。纳米石墨的结构和边界强烈地影响着其物理性能。ⅪeiIl研究了zigzag边界,观察到了一种非键合表面的特殊现象,其严重的边界退化可能导致了石墨结构产生的磁性的不稳定。
纳米石墨不仅具有石墨的传统优良性能,还具有纳米粒子的独特效应,在高新技术领域有广泛的应用,在印刷领域,将纳米石墨加入油墨中,可制成导电油墨。
②纳米石墨的制备。
纳米石墨是指纳米尺度大小的石墨或石墨片,其结构为多面体,各面有3~6层、7~8nm大小的石墨片堆叠而成的,目前已制备出的纳米石墨结构主要有纳米石墨薄片,纳米石墨晶体,纳米石墨粉,纳米石墨锥,纳米石墨溶胶等。比较成熟的制备方法有爆炸、超声波、高能球磨、脉冲激光液相沉积、电化学法等。
③纳米石墨改性油墨性能。
纳米级碳墨具有导电性,对静电具有很好的屏蔽作用,防止电信号受到外部静电的干扰,若把它加入油墨就可以制成导电油墨,如大容量集成电路,现代接触式面板开关等。研究表明,纳米半导体粒子表面经化学修饰后,粒子周围的介质可以强烈地影响其光学性质,表现为吸收光谱发生红移或蓝移。实验证明,三氧化二铬纳米粉体的光吸收光波有明显的蓝移,二氧化钛纳米粉体吸收光波出现较大幅度的红移。据此,如果把它们分别加入到黄色油墨和青色油墨中制成纳米油墨,就可以在很大程度上增加黄油墨和青油墨的纯度。用添加了特定的纳米粉体的纳米油墨来复制印刷彩色印刷品,能使印刷品层次更加丰富,阶调更加鲜明,极大地增强表现图像细节的能力,从而可得到高质量的印刷品。基于纳米材料的多种特性,将它运用到油墨体系中会给油墨产业带来一个巨大的推动。
2.纳米碳酸钙用于油墨填充料
纳米级碳酸钙的颗粒直径在2~10纳米,用于油墨中的胶质碳酸钙最早是氢氧化钙与碳酸钙沉淀,并经表面改性制取具有良好透明性、光泽性的碳酸钙。用于制造油墨具有良好的印刷适性,将其与一定比例的调墨油研磨后,以具有合适流动性、光泽性、透明度、不带灰色等性状,用于油墨制造。根据油墨生产程序(准备→配料→搅拌→轧研→检验→装罐),在油墨生产中,颜料分散性越好,平均粒径越小,越容易在连接料中分散均匀,油墨质量越好,作为油墨中体质颜料的碳酸钙,若达到纳米级,并进行表面改性,使其与连接料有很好的相容性,将对油墨的生产及提高油墨的质量起到很大的作用。故在油墨制造中要用纳米级碳酸钙作为填充剂。不同类型的油墨纳米级碳酸钙的添加量不同,一般胶印油墨用296#17%,凹印塑料油墨6%,凹印纸张油墨12%,网印硬塑板6.5%~7%。高档油墨填料206#是一种超微细碳酸钙。
3.纳米二氧化钛用于油墨中
纳米二氧化钛除了具有常规二氧化钛的理化特性外,还具有以下特性:①由于其粒远小于可见光波长的一半,故几乎没有遮盖力,是透明的。并且吸收和屏蔽紫外线的能力非常高。②化学稳定性和热稳定性好,完全无毒,无迁移性。③以纳米二氧化钛为填充剂与树脂所制成的油墨,其墨膜、塑膜,能显示赏心悦目的珠光和逼真的陶瓷质感,具有云母钛珠光颜料所有的光学特性,如珠光效应、视角闪色效应、色彩转移效应和附加色彩效应等。并且纳米二氧化钛的颜色随粒径的大小而改变,粒径越小,颜色越深。在颜料纳米化的实际验证上,纳米颜料外观颜色远比次微米的颜料更为深黑,其主要原因为料的粒子大,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。为此,可选择体积适当且粒径均匀的纳米二氧化钛制各种颜色的油墨或涂料,以代替常规的化学颜料配色工艺。纳米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能改善油墨遮蔽率、饱和度、耐光性、耐水性等问题。纳米粉体的应用在颜料上给油墨制造业带来一个巨大的变革,它不再依赖于化学颜料而是选择适当体积的纳米粉体来呈现不同颜色。因为有些物质它在纳米级时,粒度不同颜色也不同,或不同物质不同颜色,如二氧化钛、二氧化硅在纳米粒子是白色,三氧化二铬是绿色,三氧化二铁是褐色。还有如纳米三氧化二铝这类无机纳米材料具有很好的流动性,若加入油墨中可以大大提高墨膜的耐磨性。
4.纳米金属微粒用于油墨中
由于纳米金属微粒对光波的吸收不同于普通的材料,纳米金属微粒可以对光波全部吸收而使自身呈现黑色,同时,除对光线的全部吸收作用外,纳米金属微粒对光尚有散射作用。因此,利用纳米金属微粒的这些特性,可以把纳米金属微粒添加到黑色油墨中,制造出纳米黑色油墨,从而可以极大地提高黑色油墨的纯度和密度。此外,半导体纳米粒子由于存在显著的量子尺寸效应和表面效应,从而使它的光吸收表现出一定的特性。我们知道,印刷品,尤其是高档彩色印刷品的质量和油墨的细度、纯度有很大的关系。只有细度小、纯度高的油墨才能印刷出高质量的印刷品。所以,提高油墨纯度和细度也是研究新型油墨的一个重要内容。油墨的细度就是指油墨中颜料(包括填充料)颗粒的大小与颜料、填充料分布于连结料中的均匀度。它不仅关系到印品的质量,同时又影响到印版的耐印率。工艺实践情况表明,彩印产品用网纹版印刷或实版面中含有细小阴字、阴线,印刷过程中易出现糊版起脏质量故障,表面上看来,可能认为是油墨稠度不适、粘度太大、墨量太大或压力太大等原因。其实真正的原因是油墨的颗粒太粗引起的,油墨的细度与颜料、填充料的性质和颗粒的大小有直接的关系。一般来说,用无机颜料(不包括炭黑)所制成的油墨细度不好,颗粒比较粗些,这与油墨的轧制工艺有很大的关系。油墨在轧制工艺过程中研磨的次数越多,它就越显得均匀,颜料颗粒与连结料接触面也就越大,油墨的颗粒就越细,其印刷性能也就显得越好、越稳定。很显然,油墨的细度与印刷品质量有着密切的关系,如以印刷网纹版为例,版面上高调和中间调的1~4成网点不乏有之,要是油墨颗粒与点子面积的比例较接近的话,则容易使网点空虚或铺展起毛,甚至出现点子不光洁的印刷弊病,所以,油墨的细度越好,印刷品上的网点也越显得清晰和饱满有力。
四、纳米技术在改善油墨性能的应用及趋势
如今,借助高新技术可以将油墨中的各种成分(如树脂、颜料、填料等)制成纳米级的原材料,这样,由于它们的高度微细而具有很好的流动与润滑性,可以达到更好的分散悬浮和稳定,颜料用量少反而遮盖力高,光泽好,树脂粒度细腻,成膜连续,均匀光滑,膜层薄,使印刷的图像清晰,若用在UV油墨中,可能导致更快的固化速度,同时由于填料的细微均匀分散而消除墨膜的收缩起皱现象。在玻璃陶瓷的印墨中,若无机原料构成为纳米级的细度,那将会节省大量的原料并印出更精更美更高质量的图像。此外,在导电油墨中如将Ag制成纳米级而代替微米级Ag,可以节省50%的Ag粉,这种导电油墨可以直接印在陶瓷和金属上,墨膜层薄且均匀光滑,性能很好。若将Cu、Ni材料制成0.1~1 um的超微颗粒,它可以代替钯与银等贵重金属导电。因此,将纳米技术与防伪技术结合,将会开辟出防伪油墨的另一个广阔的天地。有些纳米粉体自身具有发光基团,可能自己发光,这些新型纳米发光材料,它经几分钟的光照就能在黑暗中自行发光12~24小时以上,其发光强度和维持时间是传统萤光材料的30倍以上,且材料本身无毒、无害、不含任何放射性元素,其稳定性和耐候性优良,并可无限次循环使用。用添加有这种纳米粉体的油墨印出的印品不需要外来光源的照射,靠自身发光就能被人眼识别,用于防伪印刷也可以达到很好的一线防伪效果;用于户外大型广告喷绘或夜间阅读的图文印刷品,就不再需要外来光源,不但可以节省能源,而且大大方便了使用者。
另外,由于纳米粉体具有很好的表面湿润性,它们吸附于油墨中的颜料颗粒表面,能大大改善油墨的亲油和可润湿性,并能保证整个油墨分散系的稳定,所以添加有纳米粉体的纳米油墨的印刷适性能得到较大的改善。相信随着纳米材料技术的进一步发展,会有更多的具有不同特性的纳米材料会被人们所认识和利用,把这些纳米材料应用到油墨制造中,可以获得具有不同用途的特种油墨,用于机密文件印刷、多种防伪印刷及各种工艺品的印刷,都能获得非同一般的良好效果。