蜡乳液在水性上光油中的应用20080718

1蜡乳液在水性上光油中的应用张建雨李慧慧陈盛段翠翠（华东理工大学能源化工系，上海200237）郑义红上海焦耳蜡业有限公司摘要：蜡乳液作为一种功能性助剂广泛应用于水性上光油中。研究了硬度、粒径及粒径分布不同的4种蜡乳液对水性上光油涂膜性能的影响。结果表明4种蜡乳液的加入均可改善涂膜的耐磨性，硬度较高的蜡效果最明显，合理的蜡乳用量可提高涂膜的防水性，但大粒径的蜡乳液会引起涂膜光泽度的下降。关键词：蜡乳液；苯丙乳液；耐磨性；吸水率；光泽度；Applicationofwaxemulsioninwater-boreglazingoilZhangJianyuLiHuihuiChenShengDuanCuicui(DepartmentofEnergyChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)Abstract:waxemulsioniswidelyusedinthewater-boreglazingoilasafunctionaladditive.Theeffectoffourkindsofwaxemulsionshavingdifferenthardnessandparticlesizeanddistributiononperformanceofwater-boreglazingoilfilmwasdiscussedinthispaper.Theresultsindicatedthateachwaxemulsioncouldimprovethefilm’swearresistance，andtheeffectofusingJW-6havinghigherhardnesswasobvious.Thewaterproofofthefilmcouldbeimprovedwhenusingproperdoesofwaxemulsion,butlargesizeofwaxemulsioncouldcausedeclineoftheglossofthefilm.Keywords:waxemulsion;Styrene-acrylateemulsion;wearresistance;waterabsorptionrate;gloss;1前言上光油是用于印刷纸品上的一种装饰和保护性功能涂料。所谓上光是指在完成图文印刷的复制品表面涂布光油，以获得光亮的薄膜层。随着人们环保意识的2增强，环境友好型的水性上光油逐渐受到人们的关注和青睐。但水性上光油产品在光泽度、耐水耐磨抗划伤方面都不如溶剂型产品，在应用上受到较大的限制[1]。针对这种现状，除了改善成膜物质苯丙乳液的性能外，选择合适的蜡助剂也是提高上光油性能的一个关键手段[2]。蜡助剂以其优异的表面性能被广泛应用于涂料和油墨中【3】，而蜡乳液作为蜡的一种存在形式在水性涂料中应用较多。当蜡乳液加入到水性上光油以后，随着助溶剂的挥发，部分蜡颗粒迁移到膜的表面上来，形成一层蜡保护层，从而对涂膜的表面性能产生影响。因此研究不同性能的蜡乳液在水性上光油中使用后对涂膜最终性能的影响具有重要意义。2实验2.1原料及仪器JW-6聚乙烯蜡乳液、JW-8聚乙烯蜡乳液、石蜡乳液、巴西棕榈蜡乳液，上海焦耳蜡业有限公司；水性苯丙乳液、碱溶性树脂溶液，佛山市水性印涂材料有限公司；水性消泡剂HX-5041、水性流平剂HX-5600，广州市华夏奔腾实业有限公司；无水乙醇，上海凌峰化学试剂有限公司。JM-V型耐磨仪，上海现代环境工程技术有限公司；ETB-068镜向光泽度仪，上海纵跃电子科技有限公司；GH-S反应釜，山东威海锅炉制造厂。2.2合成步骤高速搅拌下向反应釜中依次加入苯丙乳液，碱溶性树脂溶液，消泡剂，蜡乳液，流平剂，每次加料后均搅拌一定时间；最后加适量水和乙醇混合液（质量比1：1），搅拌15分钟，即得白色半透明状的水性上光油。2.3性能测试涂膜制备：按GB1727-92，采用浸涂法；耐磨性测定：按GB/T1768-2006测定，磨损用的橡胶砂轮为1000g，以磨损200转后涂膜的失重表示，平行进行三次；涂膜吸水率测定：按GB/T1783-93测定，将干燥（50℃）成膜的试样称重（G1）,浸泡于盛满水的烧杯中，经规定时间后取出，小心用滤纸快速拭干膜面水迹，立即称重（G2）,则涂膜吸水率（A）由下式得到：211G-G*100%GA；3光泽度的测定，测量其60度光泽。3.结果与讨论3.1蜡乳液的种类及作用蜡按照其来源可分为天然蜡和合成蜡，其中天然蜡包括动物蜡、植物蜡以及矿物蜡，如蜂蜡、巴西棕榈蜡、石蜡等，合成蜡主要是化学合成的聚烯烃蜡，如聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚四氟乙烯蜡。蜡乳液又称为乳化蜡，是用上述所述蜡为原料，借助乳化剂的定向吸附作用，在机械外力的作用下使蜡和极性溶剂形成稳定分散状态的乳化液，外观为白色或淡黄色流体（或膏体）【4】。蜡乳液加入上光油中，在成膜过程中由于蜡的“漂浮效应”【5-6】，使得涂膜最上层有蜡的保护，从而对涂膜性能产生影响。蜡的作用机理见图1，分布在涂膜表面的蜡颗粒多呈球形，该球形粒子一部分镶在乳液膜内，一部分突出在乳液膜表面，影响涂膜性能主要是露在膜外表的部分球形蜡粒。图1蜡的作用机理Fig.1mechanismsofwax不同种类的蜡乳液对涂膜表面性能的影响不同，而蜡的硬度、粒径及粒径分布对表面性能影响最大。因此本文选取4种不同物性的蜡乳液，来考察其对上光油性能的影响。所选蜡物理性质见表1和图2。表1.蜡的物理性质Table1physicalcharacteristicofwax种类性能石蜡JW-6氧化聚乙烯蜡JW-8氧化聚乙烯蜡巴西棕榈蜡针入度10-1mm181.514.333-4平均粒径/µm0.750.822.30.058蜡涂层纸张4（注：硬度以针入度表征，针入度越大，硬度越低。）0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.505101520频率分布蜡乳液粒径/um石蜡乳液JW-6JW-8巴西棕榈蜡乳液图2蜡乳液的粒径分布Fig.2Particledistributionofwaxemulsions需要对所选用的蜡性能进行必要的比较论述3.2蜡乳液对涂膜耐磨性的影响为使包装纸品满足机器的高速上光及包装货物周转中的磨损要求，上光油应具有足够的坚韧度和耐磨耗，一般是通过向上光油中加入蜡来实现的。图2为不同种类蜡乳液及加入量对涂膜耐磨性的影响。501234569.610.411.212.012.813.614.415.216.016.817.6磨耗量/mg蜡乳液加入量/%石蜡乳液JW-6JW-8巴西棕榈蜡图3蜡乳液加入量对涂膜耐磨性的影响Fig.3theeffectoftheamountofwaxemulsiononthefilm’swearresistance从图3可以看出，加入蜡乳液后，涂膜的磨耗量显著下降，这是因为涂膜表面形成的蜡保护层，可以提高纸品的滑度，降低摩擦系数，使得物体接触涂层表面时，滑动倾向大于划伤倾向，从而提高印刷品的耐磨性。由于JW-6硬度最高（针入度最小），相同蜡乳液用量的情况下，涂膜磨耗量下降最明显。但随着JW-6蜡乳的增加，磨耗量下降趋于平缓，再增加用量效果不是很明显，这是因为起耐磨作用的主要是露在膜外表的球形粒，随着蜡乳用量增加，在膜表面的球形蜡粒子间空隙减少，膜表面被蜡粒子占据的表面积增大，膜的表面摩擦因素下降。当继续增大蜡乳用量，蜡粒子在膜表面的半球呈紧密排列后，新的蜡粒子无法再插入，蜡乳液发挥了最大的作用，此时蜡粒子只能排布在涂层内部，对膜表面的摩擦系数影响较小，磨耗量变化也就不大。考虑成本问题，建议添加量为5%左右。说明每一种蜡乳液之间抗摩擦性能的不同及原因,用数据说话。3.3蜡乳液对涂膜吸水率的影响当上光油用于包装纸上光时，由于在运输和使用过程中，有经受雨淋及浸水的可能性，这就要求光油产品的防水性要比较好。蜡乳液由于其成膜后的低表面6能，良好的疏水性被广泛用在防水体系中。图4为不同种类蜡乳液及加入量对涂膜吸水率的影响。01234562224262830323436吸水率/%蜡乳液用量/%石蜡乳液JW-6JW-8巴西棕榈蜡乳液图4蜡乳液加入量对涂膜吸水率的影响Fig.4theeffectoftheamountofwaxemulsiononthewaterabsorptionrateofthefilm从图4可以看出，石蜡乳液可显著改善涂膜的吸水率，由于石蜡的正构烷烃结构，使其具有良好的疏水性，当水滴滴到纸张表面时，便会形成球状水珠，即所谓的“荷叶效应”，该水珠不能稳定的吸附在涂层表面，只要倾斜很小的角度，便可滑落，从而达到防水效果。其余三种蜡的作用机理同石蜡，但防水效果没有石蜡明显。除与分子结构有关外，蜡乳化过程中乳化剂用量对涂膜防水性也有较大影响，在乳化过程中乳化剂只是物理吸附在蜡颗粒表面，并未参与反应，用量较多时其亲水性基团将与水结合，从而导致涂膜防水性下降，因此随着JW-8蜡乳液和巴西棕榈蜡乳液用量的增加，涂膜吸水率也增加。因此选择合适的乳化蜡体系，对光油防水性至关重要。说明每一种蜡乳液之间抗摩擦性能的不同及原因,用数据说话。73.4蜡乳液对涂膜光泽度的影响加入蜡乳液将会影响涂膜的光泽度，这是众所周知的。不同种类的蜡乳液由于粒径及粒径分布不同，当受到光线照射后会产生不同程度的全反射或漫反射，从而对涂膜光泽也会产生不同的影响。图5为蜡乳液对涂膜光泽度的影响。0123456354045505560657075光泽度/GS蜡乳液添加量/%石蜡乳液JW-6JW-8巴西棕榈蜡乳液图5蜡乳液加入量对涂膜光泽度的影响Fig.5theeffectoftheamountofwaxemulsionontheglossofthefilm结合图2进行说明光泽的影响原因。图5可以看出，JW-8对涂膜光泽度的影响最大，这主要是与其大粒径有关，当粒径大于1µm时，对光泽会产生影响，将有一定的消光作用【6】，JW-8平均粒径2.3µm，成膜时在涂膜表面形成一种非均相且微观上不平整的表面，对光波产生强烈的散射作用，从而引起涂膜光泽度的下降；该蜡乳液用于配制哑光油时，既可减少消光粉的用量，降低成本，又可使涂层产生良好的手感。加入巴西棕榈蜡乳液，涂膜光泽度有所增加，该蜡乳粒径为0.04～0.26µm，成膜后小粒径的蜡颗粒均匀分散在涂膜表面，可以弥补涂膜表面的微小缺陷，起到增光作用。石蜡和JW-6对涂膜光泽度影响不大，但由于这两种蜡乳液均呈现一定的粒径分布，加入量过多时，含量较低的大粒径蜡颗粒(＞1µm)亦会影响涂膜光泽度。4结束语作为改善涂膜性能的一种功能性助剂，蜡乳液添加到上光油中，主要是改善涂膜的耐磨性，另外还可影响涂膜的光泽度和吸水率。实验中所用4种蜡乳液均8可提高涂膜的耐磨性，以硬度较高的蜡效果最明显，合理的蜡乳用量可提高涂膜的防水性，但大粒径蜡乳液影响涂膜的光泽度。根据上光纸品所要求的效果，可根据蜡的种类、硬度、粒径及其分布来选择合适的蜡乳液及合理的添加量，或以不同品种不同数量的蜡乳液复配，以期达到综合性能比较好的上光油产品。参考文献：[1]刘杰凤，黄敏，金烈．水性印刷纸张上光油用乳液的合成及性能[J]涂料工业，2006，36（6）：41-44。[2]朱仁发，刘少民．蜡助剂在纸品上光油中的应用研究[J]安徽师大学报，1998，21（1）：75-77。[3]Jansen,KarelH.M.Messrs.G.M.LangerundCo.Ritterhude/Bremen,Fed.Rep.Ger.Theroleofwaxesincoatingsandinks[J]Paintindia,1989,39(5),69-73。[4]仁发．蜡助剂对凹印纸品罩光油性能影响[J]涂料工业，1997（5）：38-39。[5]佟研．聚乙烯微粉蜡在精细化工行业中的应用[J]天津化工，2006，20（1）：40-42。[6]普晋．溶剂型木器涂料中蜡助剂的选择[J]现代涂料与涂装