油墨颜料颗粒尺寸对印刷质量的影响
福州印刷网 2008-5-10 13:02:12 来源：中国印刷网
控制印刷油墨色彩的重要因素是颜料的强度和它的不透明性。在平版印刷和柔性版印刷中产生的墨膜非常的薄，大概2个微米，这对颜料来说就需要有高的色强度，以便得到最大的颜色色阶。同样，对多色印刷来说，由于需要进行青、品、黄油墨层的叠印，故颜料必须具备较高的透明度（低的不透明性），因为光线必须穿过三层油墨然后再反射回人的眼睛，且油墨只是吸收它们补色光。
颜色的强度和不透明度的特性都由颗粒尺寸来决定；不透明度是散射的函数。如果散射很强烈以至于没有光线通过材料通常被称为不透明。很少的颗粒就会散射很少的光线。散射随着颗粒尺寸的增加而增加，直到它们的尺寸增加到和光的波长处于一个数量级，而后，散射又减小了。因此，油墨颜料的最大不透明度是在光波长的一半附近（200–400 nm），随后颗粒尺寸图谱中，该最大不透明度两面都呈下降的趋势（如图1所示）。颜料的色强度随着颗粒尺寸的减小而增加，并在0.1µ m附近呈现出显著上升（渐近式）的趋势。从颗粒尺寸的角度来说，这是个较小的且重要的尺寸。
印刷油墨中颜料晶体的平均宽度和厚度在0.015 和0.04 µm之间。
聚集和晶体尺寸
尽管有很少例外的情况，油墨颜料通常由特殊晶体的混合物、小的部分晶体的聚集体和一些大的聚集体组成。在一个着色的油墨分散体系中，不只是个别晶体的尺寸很重要，而且它们聚集的角度也很重要。单个晶体的尺寸在制造过程中通过一种或者多种选择来进行控制。这包括多种可变参数，例如沉淀过程中尺寸的增加、沉淀后的研磨、温度、浓度，pH值以及后处理（如退火）。
小的晶体尺寸不但对高的透明度和色彩的强度，而且对优良的光泽面和高黏性也有很大的提升作用。较大的晶体比较容易分散并且有较大的不透明度，但制备的油墨的黏度较低。然而，当颗粒尺寸减小的时候，对很多给定的材料来说，整个表面积和相关的表面能量很快的增加。（例如，边长为1cm的颜料的立方实体，它的整个的表面积为6cm2，6个平面每个平面1cm2。就亚微米尺寸范围的颗粒而言，它的整个表面积超过了100m2）表面能的增加是因为在增加弯角、边缘和晶体污点的时候，在分子力之间产生了不平衡性。自然界为了提供一个比较稳定的状态，总是在寻找一个较低能量的系统。例如，水滴和肥皂泡都是球形的，因为这种几何形状提供了最低的表面积和表面能。在油墨颜料的情形中，如果粒子聚集成较大的，较低的表面积/表面能的构型，大的表面积和高的表面能就会减到最小。
在实际中，非常小的晶体不得不聚集成一定的程度使得它们在任何形态下都易于控制。另外，尺寸大小在亚微米范围的烟气将分散于大气中。因而，理想的油墨颜料应该是在无水的状态下是聚集的，但是在适合的油墨连结料中它又会很容易的被分散。
颜料的分散
颜料在油墨连结料中的分散一个很重要的要求是液体媒介应该能够在晶体的表面和贴近晶体的区域之间进行渗透，因而在颜料颗粒和液体之间形成了一个互换的桥梁。为了颜料颗粒能够很好的润湿，颜料表面的表面能必须比分散剂表面的表面能高些（表面强度）。用一个非极性或者低极性溶剂媒介来分散极性颜料是很困难的，反之也是一样。然而，颜料生成的晶体的结构和聚集体的特性对颜料的分散性有着显著的影响。
颜料的聚集结构和分散的容易程度取决于结构内颗粒之间的结合强度。该结合强度又依赖于晶体间的接触面积和每单位接触面积上结合力的大小；相应地，面对面的接触会增大接触面积。聚集体结构的结合强度越大，在连结料中分散得越困难。因此，例如这些包含立方晶体的聚集体结构，有较高的面对面接触的机会，比杆状和片状晶体比较难分散，而杆状和片状的聚集体趋向于形成较开放的聚集体。我们已经知道，立方体态的β态铜酞青蓝晶体有较高的底-面的表面平衡性，因而比杆状的β态具有较高的极性，并且在非极性媒介中分散比较困难。然而，杆状β态开放结构的聚集态在平印油墨内使用的低极性溶剂中比较容易分散。
作为颜料，在红和品红印刷油墨中使用的钙4B色粉同样具有极性的表面。然而，晶体是规则的像平板式的结构，它用接触的边缘和点包装着，使其成为了一个开放的聚集结构.即便如此，表面层的极性力是如此的强烈，以至于钙4B色粉在低极性溶剂中也是很难分散的，除非它们经过特别的处理减小它们的表面极性。这可以在制备的时候通过在晶体表面吸附一层松香酸来完成。高达20%的松香树脂附着于颜料上不但能够增加松香树脂的分散性，而且能够防止晶体的增长；这就使得颜料的色强度有机会得到增长。
松香酸的结构在图3中展示了出来。极性羧基群被吸引到颜料晶体的极性表面并且吸附在上面。然后非极性的萜类烃的链端就能和低极性的介质进行缔合，例如在平版油墨中使用的石油馏分烃；颜料的润湿剂和分散剂。
这样，含有极性表面的颜料晶体能在大部分油墨内使用的低极性介质中分散。对凹印和柔印来说，油墨使用了例如酒精和基于水的连结料等较高极性介质，这样子乍一看好像是极性颜料的分散比较容易完成一些。然而，并不总是这样的情况，因为高极性的颜料在和极性介质也很难分散的干燥相中将很容易聚集。解决的方案也只有去打碎颜料了。通过把颜料和松香树脂放在一个具有很高剪切速率的两辊式研磨机上处理，颜料粒子就会在熔化的油墨粘合剂松香树脂中预分散。大的剪切作用力对分离颜料的聚集体和熔化松香树脂都有作用，还能让松香树脂去覆盖分离的颜料粒子。然后所有冷却的、固化的、熔融的聚集体都会被粉碎成包含很多分离颜料的碎片。松香树脂溶解在极性溶剂中，在分散剂中留下包覆着的颜料颗粒。水基油墨可能用和水溶性分散剂相溶的树脂来制备。树脂的存在同样能加大印刷油墨墨膜的光泽度，这对在表面缺乏光泽度的水基系统来说是一个很特别的优势。
填充不同晶体形状的能力：（a）立方晶体形状的紧密填充；（b）在一开放结构的聚集体中类似于杆状的晶体的填充；（c）在一开放结构的聚集体中类似于平板结构晶体的填充
（a）松香酸的结构。（b）松香酸分子吸附在颜料的表面
切碎的树脂通常大部分是硝化纤维、乙基纤维素、聚酰胺、丙烯腈系纤维、醋酸纤维素丙酸盐和聚乙烯基丁缩醛。不得不说明的是，尽管它给予了额外的光泽度和不透明度，但现在切碎技术通常是为高光泽度的工作和困难的系统专门预定的。原因在于通过磨碎（很可能有点火的危险）这样的方法，使得熔化树脂所需要的高能量成本能够对油墨的制造商们产生影响，让他们认识到运用这种方法所具有的合理利润界限。
分散颜料的絮凝
絮凝是指在液体介质中分散的颗粒再次聚集的过程。对油墨而言，絮凝作用导致丧失了对油墨流变特性的控制，并因此无法控制油墨向印刷机的转移过程。
絮凝物是开放的、颜料晶体的三维结构聚集的结果，它能捕获并固定连结料的液体相位。颜料浓缩的程度越大，可能发生絮凝作用的程度也越大，从另一个极端来说，油墨的分散剂可能变成一个触变胶体。
通过介质的机械剪切作用，晶体的结构可能会被破坏，但是减小絮凝作用作为最初的手段是通过用添加剂来处理颜料的表面完成的，这些添加剂在颜料连结料的表面上能够促进分子长链结构的形成。颜料表面适当功能物质的吸附就构建了一个排斥力，这种斥力会减小颗粒之间的相互吸引作用（吸引作用首先易导致絮凝）。因此，絮凝结构被弱化，且在尺寸和数量上减少了。
絮凝作用对油墨流变性的影响在图4中显示了出来。絮凝的分散剂是剪切变稀的，并且油墨的粘度随着剪切应力的增加而减小的。（粘度系数η是由剪切应力除以剪切应变得到的）
例如凹版油墨的低粘度系统，它们近似于牛顿流体，在应力和应变关系曲线中它是一条通过原点的直线。在这样的油墨中制备的絮凝结构强度的测量是通过从它们正常的牛顿行为偏离的量值来给定的。因而，在图4（a）中，絮凝结构的强度是通过扭转值To来给定的。剪切变稀特性通过图像上曲线的部分来描述。使用合适的胶体稳定剂可以接近牛顿效应。
增加的胶体稳定剂在油墨流变上的作用：（a）没有胶体稳定剂
（b）使用胶体稳定剂。
絮凝作用同样会发生在粘性的平版印刷油墨中，但在这儿简单添加剂的加入是无效的。然而，在低极性的溶剂中，在颜料的表面掺入松香树脂来增加分散性也被认为能降低絮凝物结构的强度。因而，低极性的平版印刷油墨使用的颜料中通常含有松香树脂的含量高达颜料浓度的45%。
本文标题：油墨颜料颗粒尺寸对印刷质量的影响
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