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油墨用合成树脂(四)
集萃印花网  2009-11-14

    【集萃网观察】二、醇酸树脂

    醇酸树脂(Alkyd Resin)是三十年代进入工业生产的,主要用于涂料工业。它的亲水性使之在油墨中的应用受到很大限制,比起酚醛树脂来,它不是个受宠的产品,近来则由于引入了异(间)苯二甲酸等材料,故使之在油墨工业中地位又有所提高。

    醇酸树脂应用在浆状油墨中时,可以考虑为一种树脂增塑剂,由于它的粘附性和柔韧性,故也可调节油墨的干性及固着时间。

    在油型油墨中使用醇酸树脂时一般应考虑到它与颜料的反应性,与硬树脂的反应性以及它的成膜性能。高羟值、低粘度的醇酸树脂,对颜料具有非常好的润湿性能。异苯二甲酸醇酸树脂的润湿性则更为显著。以醇酸树脂与硬树脂制造的连结料配制油墨时,对选用的颜料应加注意,如果颜料能过度的吸收低分子量的连结料时,就要注意到连结料中硬树脂与醇酸树脂的平衡情况。

    一般浆状油墨中大多采用长油(65%)醇酸树脂。油长长者一般溶解性也比较好,因此,它在丝网(网孔)版油墨中也广有应用。

    这类树脂用在印铁油墨中时具有良好的颜色保留性,亮光好,粘附性优良。

    短、中油度的醇酸树脂(用干性油或半干性油改性)则可用于空气干燥和烘烤干燥的体系中。

    在相同的油长时,多元醇的官能度增加,则其干性也增加,油长长则成膜的柔韧性好。高酸值(如大于12)高粘度的醇酸树脂则与碱性颜料有反应性,但润湿性好,溶剂释放性快,固着优良。

    一般地说,邻位,间位、对位的苯二甲酸酐醇酸树脂,它们的干性是越来越快,而成膜的柔韧性则越来越差(即后者比前者差)。   

    醇酸树脂就是醇和酸的酯化反应产物,从官能度概念出发,只有当两种化合物都各有两个(或更多)官能度时,才能形成高分子化合物,如其中有一个是单官能的,则也不可能形成高分子化合物,所以,醇酸树脂是由多元酸和多元醇缩聚反应而成的。

    理论上讲,用二元酸和二元醇是最理想的材料。但由于来源及价格等问题,涂料及油墨工业一般还是采用苯二甲酸酐及甘油或季戊四醇作原料。典型的反应是苯二甲酸酐和甘油。开始时,酸值降得很快,这是酸酐结构造成的,苯二甲酸酐与甘油反应时,首先生成酸性单脂和双脂。随着反应的继续进行,克分子比由三个苯二甲酸酑比两个甘油时,就生成无油醇酸树脂,当混合物的酸值小于136时,甘油的羟基全部和苯二甲酸酐所反应,成品就胶结。

    醇和酸酯化反应生成的高分子化合物,一般都叫聚酯(树脂),故醇酸树脂也是聚酯树脂的一种,差别在子它的组成中含有很大一部分一元(脂肪)酸。

    醇酸树脂的反应,是形成树脂的反应中最多能的反应,几乎没有一个树脂能像它那样千变万化,和以其它聚合物进行化学、物理改性的本领。

    纯醇酸树脂由于亲水,溶解性差,与植物油不溶,拼混性不好,易于胶凝等,故甚少使用。为了改善其应用性能,一般要用植物油,松香,以及其它合成树脂等进行改性。油墨工业主要使用的是植物油改性的。根据树脂中油含量的百分比一般分成短油,中油,长油三种,但有的还细分成中短油,中长油等规格。

    所以完全根据油含量的分法也不是那么严格的。因为说法不一,而邻苯二甲酸酐的含量,说法却比较统一。如:

    短油醇酸    含邻苯二甲酸酐    40—50%

    中油醇酸    含邻苯二甲酸酐    30一40%

    长油醇酸    含邻苯二甲酸酐    20—30%

    为此,改性醇酸树脂的油长,以及油或脂肪酸的碘值等与树脂的特性之间的关系等,有关油长的说法,有个基本概念就可以了。

    (一)改性醇酸树脂的生产方法。

    以植物油改性的醇酸树脂的生产方法有两种:即脂肪酸法和单甘油酯(醇解)法。这两种方法的加工,可以用直接加热熔融(熔融法)或在溶剂(如二甲苯)存在下进行(溶剂法)。

    脂肪酸法:此法之优点是多元醇的使用比较自由。脂肪酸的使用也较自由(即可任意拼混,无严格限制)。缺点是设备耐酸要求高,冬天脂肪酸容易凝固,储存中容易变色等。

    使一克分子甘油和一克分子脂肪酸进行反应。这样使甘油失去一个活性,等于一个二元醇,它再与邻苯二甲酸酑化合时,就不会形成网状胶结了。

    生产工艺有几种不同的方式:

    (1)将脂肪酸与甘油在200—210℃的温度下反应2—3小时,制成不完全的甘油酯。然后再加入邻苯二甲酸酐,在210℃左右反应至所需之酸值(低于20)与粘度止。

    (2)将甘油加热至110℃,渐渐加入邻苯二甲酸酐,升温至150—160℃,再加入脂肪酸,保持约二小时,再升温至210—250℃反应至所需之酸值与粘度。

    (3)将全部原料加在一起,升温至210—250℃,反应至所需之粘度与酸值。

    单甘油酯(醇解)法:在这个方法中,如果将油和其它原料一起加热反应,则甘油和邻苯二甲酸酐会先行反应而形成甘油苯二甲酸酯,它能溶于脂肪酸而不溶于油,结果造成酯,油分层。所以生产时一般先将油转变成单甘油酯,这样就可得到均匀的反应。这就是醇解,即将油和甘油在接触剂存在下加热进行酯交换的反应。

     醇解终点,以一分反应物加三分甲醇混合后透明为度,工业生产上都以此法控制醇解终点。实际上它不能说明醇解是否已达到平衡,不能说明醇解混合物中,甘油一酸酯与二酸酯的数量。比较科学的方法是测定醇解混合物的介电常数。工业上尚未广泛使用。   

    使用醇解催化剂生产醇酸树脂是比较新的方法,这可以保证醇解的顺利进行。

    单甘油酯制好后,再加入邻苯二甲酸酐进行醇酸树脂的缩聚反应。

    目前,醇酸树脂的生产,大都采用单甘油酯法。现举一例:

    将700分亚麻油和100分甘油装入锅中搅拌,表面通二氧化碳气,升温至230℃,加入0.2分氧化铅,升温至255℃,保温醇解,至醇解完了,降温至210℃,然后渐渐加入200分邻苯二甲酸酐,再升温至230℃(如以溶剂法生产,则此时可加入二甲苯或其它溶剂),保温6—10小时,至酸值接近20时,应经常取样测定,至酸值小于15时出锅。

    醇酸树脂对油墨的墨性,流动性能,对颜料的润滑性能,显色性等都是比较理想的,但因抗水性比较差,故限制了它在平印油墨中的应用。克服的办法一般有:①提高分子量(增加粘度);②降低羟基值;③与固体(硬)树脂在制造连结料时一起反应;④以异氰酸酯化(使一部分羟基反应掉)。

    蓖麻油因组分中含有羟基,故制造用蓖麻油改性的不干性醇酸树脂时,可将几种原材料加在一起反应即可。

    (二)醇酸树脂的计算概念。

    有关醇酸树脂的数字概念,的确是大多数油墨工作者比较模糊的一个问题;前面已经提到过的关于油长的说法,国际上就众说纷纭。有的制造厂虽然提供一些数字,但仍使人迷感不解,这是因为这些树脂制造厂提供的数字,往往是“近似”或“最低”数字之故。它不仅包含了技术上的不确切性,也带有一种故弄玄虚的神秘性。

    为了得到一些基本的数字概念,使我们对醇酸树脂的组成有个概括的了解,下面通过几个实例的运算来说明:

    (1)在三克分子邻苯二甲酸酐和二克分子甘油的反应生成物中,

    邻苯二甲酸酐的百分含量为:

    邻苯二甲酸酐         3*148=444

    甘    油              2*92=184

    减三克分子水          3*18=54

    得固体树脂成品    574

    邻苯二甲酸酐含量=444/574=77.5%

    残余甘油酯=100-77.5=22.5%

    (2)如邻苯二甲酸酐,甘油,脂肪酸(或油)的克分子比为5: 4: 2,则组分含量为:

    邻苯二甲酸酐  5*148=740

    甘    油              4*92=368

    脂  肪  酸           2*280=560

    减七克分子水          7*18=126

    得(固体)树脂成品  1542

    邻苯二甲酸酐含量=740/1542=48%

    残余甘油酯含量=100—(48+36.3)=15.7%

    注:脂肪酸与油的换算关系:

    脂肪酸                3*280=840

    甘  油                  1*9292=92

    减三克分子水    3*18=54

    得一克分子油          878

    油=840/878=96%(脂肪酸);残余甘油酯4%。

    根据以上计算,这个树脂的组成,可作如下表示:

    (1)邻苯二甲酸酐               48%

    脂  肪  酸                    36.3%

    残余甘油酯                    15.7%

                                   100%

    (2)邻苯二甲酸酐                48%

    油                             37.8%

    残余甘油酯                     14.2%

                                    100%

    (3)甘油苯二甲酸酯                62%

    油                             37.8%

                                   99.8%

    通过计算可以看出,这个醇酸树脂含48%的邻苯二甲酸酐,含37.89%的油,显然,是个短油度的醇酸树脂。

    以上的计算方法,可以说是纯理论的计算方法。因为醇酸树脂的反应是可逆反应,为了使反应向一面进行,工业生产上,甘油总是过量的。甘油过量,意味着羟基过量,这样,碳链就不会无休止地增长,使产品避免胶结。当然,甘油如过量太多,则树脂的极性增加,不仅增加了亲水性,且亦降低了溶解性。一般超羟量在10—15%之间。短油醇酸可超量至20%。超羟量主要视产品的需要而定。

    (三)间苯二甲酸醇酸树脂。

    生产醇酸树脂时,分子的线性及均匀性是两个比较重要的概念,任何交联均有损于这两个因素。因为只有均匀的线性分子,醇酸树脂才具有优良的性能。

    邻苯二甲酸酐由于分子构型的原因,易于内酯化,造成醇酸树脂的粘度小,抗水性差等弊病。

    间苯二甲酸(异苯二甲酸,异酞酸Isophthalie Acid)是五十年代进入工业生产的。以它生产的醇酸树脂,线性较好,稳定,比较抗水,粘度大,干性好,干后不发粘。对苯二甲酸由于对称的晶格结构,故线性更好,但因溶解度较低,分子间内聚力较大(对物体的附着力就小了),看来做印铁油墨不是太理想的。

    间苯二甲酸的醇酸树脂,可用酸解法来生产(即油和二元酸先在270—275℃反应半小时,再加入多元醇酯化的方法),此法周期短,多元醇损失较少。由于间苯二甲酸不溶于一般溶剂,故溶剂法工艺是不太适宜的:如想采用溶剂法工艺,则亦应先以熔融法进行,待反应物澄清后,再以溶剂法进行即可。

    间苯二甲酸的中,短油度醇酸树脂,超羟量可达25—40%左右。

    生产举例:将66.4%的大豆油装入锅中,在搅拌下升温至200℃,渐渐加入11.1%的季戊四醇和0.02%的氧化铅,升温至245℃,保温一小时,降温至220℃,加入间苯二甲酸,再升温至245℃保持此温度至酸值小于10止。全部过程约需要11—13个小时。   

    这种树脂的耐热性能比用苯二甲酸酐生产的要高40—50倍,故适于做印铁油墨。因而,根据情况,上述树脂在生产时,可在最后加入适当的溶剂。   

    以干性油改性的间苯二甲酸醇酸树脂,近来广被推荐用于胶印油墨中,这主要是从耐水性比邻苯二甲酸酐醇酸树脂好这一点出发的。邻苯二甲酸酐中二个酸组是在邻位,相距很近,当两个油分子附着在上边时,形成相对面,它们极易进行内分子交联,也就是说油的性质较多。而对于间苯二甲酸来说,情况就不同了,它们的距离较远,位置的排列方向也不同,故内分子交联的可能诬比较小,油分子与醇酸分子能形成比较一致的立体结构。

    生产间苯二甲酸醇酸树脂时,由于酸的用量少,相应醇的用量也少,超羟量比较低,故减少了对水的敏感性。以邻苯二甲酸酐生产长油度醇酸树脂时,比较困难,主要是粘度增长太慢。而间苯二甲酸则没有此弊,一个含10%左右的间苯二甲酸,70%左右的干性油的长油醇酸树脂,是不难制得的。由于油长相对地说是长了,故对颜料的润湿性也比较好,也就是说,即使多用颜料,油墨的流动性仍然是很满意的。

    醇酸树脂可以用许多材料改性,这在前边已经述及,但是用在胶印油墨中,还是为数有限的。从相对比例而言,醇酸树脂用在印不吸收的材料(如铁皮、玻璃等);上是比较多的,这是由于它结膜坚韧之故。

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