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涂料助剂
水性触感油在烟用接装纸上的应用研究
2021-06-22 14:07  浏览:238
随着生活水平的快速提高，对烟用接装纸的安全标准越来越严格。高档次、高质量的卷烟需求日渐增大。不但要求外观色泽艳丽，还要有极好的触感。目前水性触感油多用于皮革、墙体装饰和高档纸张的表面涂布处理，赋予产品一定的手感，提高产品档次。然而，上述触感油基本上为纯聚氨酯乳液体系，应用时常常存在印刷适性差、手感舒适度不足、纸张粘连严重及摩擦掉粉等质量问题。为解决上述问题，实际应用过程中常常添加一定量的固化剂，固化剂的加入虽可一定程度提高触感涂层的性能，但同时也会造成油墨体系持续的不稳定性，导致印品性能有所差异，且数小时后触感油将会完全固化，无法进行后道印刷，这就造成油墨成本大幅增加和产品批次稳定性差等问题。本文首先通过合理筛选触感油的主树脂和辅助树脂，然后配以相关助剂，制得了具有消光效果好、耐磨性好、抗返黏优良、手感爽滑厚实等优点，且在凹版印刷方式下印刷适性好的接装纸用单组分水性触感油。后，通过调控凹印版辊制版参数和印刷工艺参数，成功将该单组分水性触感油应用于烟用接装纸，制备出性能优异、可规模化生产的触感型烟用接装纸。

1 实验
1. 1 原料和仪器
水性聚氨酯乳液（JYPU01、JYPU02、JYPU03）：广州锯东贸易有限公司；滑爽助剂（YJG08）：广州锯东贸易有限公司；水性苯丙乳液（QZ01B、QZ02A）：具有高弹性高硬度且耐温性优异，上海保立佳化工有限公司；消泡剂（BYK-094）：德国毕克化学；pH 稳定剂、95%食用酒精：阿拉丁试剂有限公司；纯净水：自制。
凹版打样机：KPP，英国翁开尔公司；七色卷筒纸无轴转动（电子轴）凹版印刷机：PYAW-600型，海德堡印刷机械股份公司；摩擦系数测试仪：COF-2002型，济南思克测试技术有限公司；热封试验仪：HSR-01型，济南众测机电技术有限公司；DAT动态吸收测试仪：PGX 68-96型，上海TMI贸易有限公司；油墨印刷脱色试验机：PN-PID型，杭州品享科技有限公司。
1. 2 触感油的制备
称取一定量的纯净水和酒精，置于合适的容器中，300 r/min缓慢分散，混合均匀，继续依次添加一定量的水性聚氨酯乳液、水性苯丙乳液、滑爽助剂、消泡剂、pH调节剂，缓慢分散10 min至乳液分散均匀，即得水性触感油，密封保存。
1. 3 触感接装纸的制备
实验室制备：采用KPP凹版打样机将上述触感油转印在接装纸半成品（已印刷好一道水性黑墨）上，立即转移至烘箱中，105 ℃烘5~10 s，确保烘干后取出，自然冷却至室温，即得触感接装纸。
生产打样制备：采用七色卷筒纸无轴转动（电子轴）凹版印刷机，通过满版凹印版辊和胶辊，设置不同工艺参数，将触感油印刷在半成品烟用接装纸表面，烘道长度2 m。
1. 4 测试方法
1. 4. 1 动/静摩擦系数
将试样置于恒温恒湿环境中平衡30 min，裁切成规格为63 mm×120 mm的测试样，置于摩擦系数测试仪上，按照GB/T 10006—1988进行测试，每组样品至少测试3次，取平均值。
1. 4. 2 抗返黏性测试
将试样置于恒温恒湿环境中平衡30 min，裁切成规格为20 mm×100 mm的测试样，将测试样对折，使触感涂层与触感涂层贴合，置于热封试验仪上，设置温度为150 ℃，压力101 kPa，压合时间30 s，测试结束后取出，待自然冷却至室温，打开后观察触感层粘连现象，每组样品至少测试3次。
1. 4. 3 接触角测试
将试样置于恒温恒湿环境中平衡30 min，裁切成规格为15 mm×120 mm的测试样，将试样平整贴合于测试版上，置于DAT动态吸收测试仪，设置液滴大小为4. 0 μL，测量触感层表面接触角大小并计算其变化率（记录0. 2 s和1. 0 s的数据），每组样品至少测试8个数据，取平均值。
1. 4. 4 耐磨性测试
将试样置于恒温恒湿环境中平衡30 min，裁切成规格为60 mm×200 mm的测试样，置于油墨印刷脱色试验机上，按照GB/T 7706—2008 进行测试，测试结束后观察每组样品掉粉情况，每组样品至少测试3次。
1. 4. 5 涂层附着力测试及判定
将试样置于恒温恒湿环境中平衡30 min，裁切成规格为60 mm×200 mm的测试样，置于平整实验台上，将3M胶带按照纸张长度方向贴合于试样涂层表面，贴合规格不小于20 mm×50 mm，轻压胶带保证贴合完整，静置5 s后，从胶带的一端缓慢剥离，直至胶带完全剥离，选择合适区域20 mm×50 mm，观察胶带上涂层脱落情况。无涂层脱落或涂层脱落面积不超过20 mm2时，判定涂层附着力好，为1级，满足使用要求；涂层脱落面积为20~50 mm2时，判定涂层附着力一般，为2级，不能满足使用要求；涂层脱落面积大于50 mm2时，判定涂层附着力差，为3级，不能满足使用要求。
2 结果与讨论
2. 1 树脂选择
触感油中主体树脂和辅助树脂的性质对触感层干膜的力学性能、印刷适性和触感均有很大影响。水性聚氨酯乳液的力学性能及抗返黏性能优异，与基材的附着牢度好，触感也非常优异，但印刷适性非常差，这是由于聚氨酯含有大量的氢键，内聚能密度高，且乳液粒径较大，致使水性聚氨酯乳液与基材/油墨层的润湿能力较弱，在干燥成膜时乳液粒子流动性不足，印品质量下降。而丙烯酸酯共聚物乳液尤其是以丙烯酸树脂为乳化剂制得的丙烯酸系水墨乳液复溶性好，与印刷油墨的附着力好、亲和能力高，因此，通过将丙烯酸酯共聚物乳液与聚氨酯乳液进行混拼，可以改善聚氨酯乳液的印刷适应性，提高印品质量。
为获得良好手感，主体树脂选择水性聚氨酯乳液，主要是因为具有较大粒径的水性聚氨酯乳液在干燥成膜时会形成不规整的表面。本文优选的JYPU01、JYPU02和JYPU03的玻璃化转变温度为70~95 ℃，粒径约为800~3 500 nm，较大的粒径及粒径分布使得单一水性聚氨酯乳液成膜致密度高、流动性弱，具有优异亚光触感效果，但印刷流平效果偏差。辅助树脂选择QZ01B型和QZ02A型苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液，其粒径约为1 200~2 000 nm，玻璃化转变温度为115 ℃，具有良好流平性能。
实际应用过程中，为提高水性触感油的润湿性和干燥速度乃至流平性，本研究仍采用混合溶剂[m（纯净水）∶m（酒精质量）=1∶1]对树脂原液进行稀释，质量稀释比例为4∶1，黏度约为18 s（20 ℃，英式2#杯），将稀释后的树脂液转印到烟用接装纸半成品上，105 ℃下烘干，平衡后进行测试评价，其结果如表1 和图1所示。

从表1 和图1 可以看出，水性聚氨酯JYPU01、JYPU02和JYPU03均具有厚实、较涩的手感，且消光效果优异，但三者的抗返黏性和印刷流平性能存在较大的区别，其中，JYPU01抗返黏性为优异。辅助树脂QZ01B和QZ02A具有印刷流平好的优势，但后者返黏性较差，与JYPU01共混后会影响涂层的抗返黏性。因此，将具有良好流平特性和抗返黏性的触感树脂QZ01B作为辅助树脂材料，与消光效果好的触感树脂JYPU01进行物理共混改性，以期得到兼具有消光效果好、舒适手感、抗返黏性能和后期印刷效果优异的触感油。
通过调整主体树脂和辅助树脂的质量比，制备出一系列不同亚光程度和手感效果的接装纸产品，结果如表2所示。

通过表2可以看出，主体树脂JYPU01的比例越高，其消光效果越好，辅助树脂QZ01B的比例越高，流平性越好。综合考虑涂层表面外观效果和手感舒适程度，选择主体树脂和辅助树脂的质量比为3∶1。
2. 2 滑爽助剂用量
触感树脂液在接装纸表面干燥成膜后，具有较为厚实的手感，使得接装纸表面层（触感层）的静摩擦系数和动摩擦系数均较大，致使触感层耐磨性变差，同时也会影响到后期产品在卷烟机组上的搓接性能，造成褶皱等质量问题。滑爽助剂YJG08为特殊有机硅复合改性乳液，在触感油干燥成膜过程中，能够迁移到涂层表面，赋予产品肉厚皮肤爽滑手感，提高产品抗返黏性能，还能够有效降低产品表面层的摩擦系数。因此，在主体树脂JYPU01和辅助树脂QZ01B质量比为3∶1且投入量不变的前提下，添加一定量的滑爽助剂YJG08（同时减少混合溶剂的用量），以降低涂层表面摩擦系数，不同添加量对触感层的静/动摩擦系数的影响如表3所示。

由表3 可知，增加滑爽助剂的用量，所制备出触感涂层的静/动摩擦系数不断降低。考虑到后期实际应用，过于滑爽的触感型接装纸会在卷烟机上打滑，造成卷接缺陷，正常生产产品静摩擦系数为0. 40~0. 45，动摩擦系数为0. 31~0. 37。因此，综合考虑，选择滑爽助剂YJG08 的添加量为4. 0%为宜。
2. 3 触感油配方
因实验室设备条件有限，无法进行高速印刷作业，为保证触感油在使用时的稳定性，进一步筛选出了合适的消泡剂和pH稳定剂，结合上述实验结果，配制公斤级触感油，其配方如表4所示。按照表4的触感油配方进行配制，触感油黏度为17. 5 s（20 ℃，英式2#杯），固含量为15. 8%。

2. 4 印刷工艺探索
经过前期测试可知，水性触感油的表面张力为45 mN/m，黏度低，流动性好，能够在短时间内填满凹版版纹，刮刀刮过之后有效转移和铺展在接装纸表面上，干燥成膜后附着在黑色油墨层上，能够完整再现触感涂层效果。因此，为考察版辊和印刷工艺对触感油印刷效果的影响，结合现有版辊制备工艺，设计线数60~70，版深30~45 μm，不同开口形状（激光雕刻），从版辊的角度和印刷工艺来控制水性触感油在接装纸上的上墨量，以获得所需要的触感型接装纸产品。图2 为不同工艺参数制备的版辊网穴的局部放大图，从图中可以看出，满版的凹版版辊是由一定大小并按照特定方向排列的网穴所组成，版辊线数越大，其网穴截面越小。电子雕刻的网穴截面均为菱形，而激光雕刻可设置为正方形和六边形等。

将上述所配制的触感油在PYAW-600型七色卷筒纸无轴转动（电子轴）凹版印刷机上进行印刷，设置不同版辊和印刷工艺，考察版辊和印刷工艺对触感油印刷效果的影响，其结果如表5和图3所示，其中，印刷速度均为100 m /min，图中标尺尺寸为10 mm。为方便观察印刷效果，在印刷触感油前先印刷一道水性黑色油墨。


通过表5和图3可知，当采用电子雕刻方式所制备的版辊进行凹版印刷，版辊线数为70线，网穴深度41 μm时，能够得到印刷均匀，外观厚实的触感型纸张。当降低网穴深度至32 μm时，会因水性触感油的上墨量减少，使得印刷层表面外观有一定程度的漏底情况和拉丝现象，印刷速度提高到120 m/min时，拉丝现象有轻微改善。当版辊线数为60线时，因网穴开口较大，使得水性触感油上墨量较高，当设置烘干温度为105 ℃时，触感油不能干燥完全，手擦容易掉粉，外观效果影响较小。当烘干温度升高到125 ℃时，作为基材的纸张变形量较大，实际测量得到横向变形量约为0. 4%，纵向变形量约为0. 35%，这会给后续烫金、分切工序带来困难，同时这种变形量不能够满足我司内部的产品判定标准（≤0. 25%），属于不合格品。
相同版深情况下，激光雕刻的版辊比电子雕刻版辊对水性触感油的上墨量要大得多。当采用激光雕刻方式所制备的版辊进行凹版印刷，设置印刷速度为100 m/min，温度为105 ℃，因触感油转移到纸张上的量过大，使得触感油不能完全干燥，进一步在导纸辊上进行摩擦，致使触感层膜层被破坏（如图3D、E、F所示），不能得到很好的印刷效果。
综合考虑，选择印刷速度为100~120 m/min，烘干温度为105 ℃的印刷工艺参数，搭配电子雕刻方式，线数为70线，网穴深度为41 μm的版辊制备工艺（即表5中序号2的工艺参数），对触感油进行凹版印刷，以得到印刷均匀，外观厚实的产品。
2. 5 接装纸性能评价
将采用表5中序号2的工艺制备得到的触感型接装纸置于恒温恒湿环境中平衡30 min，然后对其性能进行评价。
2. 5. 1 基础性能
表6为触感型接装纸基础性能测试结果。

如表6 所示，触感型接装纸具有优异的基础性能，能够满足企业关于接装纸产品的内部判定标准。
2. 5. 2 烫印适应性
水性触感油在接装纸表面干燥成膜后，其中的改性硅类材料会迁移到涂层表面，这可能会影响到电化铝在其上的附着力和烫印效果。而现有接装纸产品多为烫金型产品，为进一步验证上述触感型接装纸的烫印适应性，以银色电化铝和素面金色电化铝为例，选用具有精细图案和宽线条的烫印图案进行烫印，通过调整烫印温度、机速和压力等，其烫印效果如图4所示。

由图4可以看出，银色电化铝和素面金色电化铝的烫印效果均较好，精细线条和宽线条均可以较好地展现出来，无明显白点、漏烫现象，同时，电化铝在触感层上的附着力好，无严重飞金现象。因此，可以判定，针对正常使用的电化铝材料，该触感型接装纸具有良好的烫印适应性。
2. 5. 3 扫描电子显微镜（SEM）照片
对触感型烟用接装纸拍摄扫描电子显微镜（SEM）照片，如图5所示。

从图5可知，触感型烟用接装纸表面主要是由大量微球构成，这些微球粒径大小近似，在表面构建出凹凸不平的形貌，从而提高人手在触摸时的舒适性，感觉到浑厚、滑爽、有弹性的舒适触感。
2. 5. 4 卷接适应性
实验还测试了触感型接装纸的正面和反面的接触角数值，并计算了一定时间内的接触角变化率，结果如表7所示。

通过表7可知，该触感型烟用接装纸正面接触角为115. 7°，其变化率仅为0. 25 °/s，数值偏大，在卷烟时需要提高卷烟胶粘性。反面接触角为87. 5°，变化率为7. 125（°）/s，这是因为纸张反面主要为网状纸纤维，其间有很多的空隙，具有一定程度的吸水性。将上述所制备的触感型接装纸送至某中烟公司，在普陀牌卷烟机组上进行卷烟，由中烟反馈得知，其卷接适应性良好，机速可达5 000 支/min，且其安全性指标满足要求，属于合格产品。

3 结语
（1）将大粒径水性聚氨酯乳液作为水性触感油的主体树脂，大粒径的丙烯酸酯共聚物乳液作为辅助树脂制得的单组分触感油可保留单独使用水性聚氨酯乳液的力学性能和触感，解决了单独使用水性聚氨酯乳液的印刷适性差的问题。即通过将主体树脂JYPU01 和辅助树脂QZ01B 复配，配以滑爽助剂YJG08，消泡剂和pH 调节剂，以水和酒精为混合溶剂，能够得到乳液性能稳定、手感舒适、消光效果好、抗返黏性优异的单组分水性触感油。
（2）按上述理论或工艺配方制得的水性单组分触感油具有良好的印刷适性，结合特定凹版版辊制备工艺和凹版印刷工艺参数，能够直接得到品质优良的触感型烟用接装纸。
（3）用上述水性单组分触感油制得的接装纸在后道加工过程中，具有优异烫印适应性，合适的摩擦系数，良好耐磨性和抗返黏性，在卷接机组上卷接适应性良好，能够满足客户需求。
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