水性墨水材料：材料世界網

陳佑蕙、張信貞／工研院材料與化工研究所

為因應環保法規的日益嚴苛，墨水走向水性化。水性墨水的主要組成包含顏料、樹脂、助劑和水。原料的選用對墨水的物性有著重要的作用，並影響後續的應用物性。水性墨水對於基材潤濕、墨乾性及墨膜物性上需改善，如何選用原物料和水性墨水配方設計是關鍵技術。本文介紹水性墨水常用的材料包含樹脂、助劑等，提供水性墨水配製上的參考。

【內文精選】

前言

隨著環保意識抬頭，各個國家對於VOC的使用規範日益嚴苛。這些規範增加了傳統溶劑型墨水及印刷製程的成本與限制，故多數廠商積極往無VOC、低毒性之水性墨水(Water-based Ink)發展。美國塑膠印刷中已有超過50%採用水性印墨，而其他經濟發達國家（日本、德國、法國）在塑膠薄膜印刷中使用水性墨水的用量也越來越多，水性墨水勢必為日後發展的趨勢。

水性墨水用顏料

水性墨水顏料種類包括白色、黑色、彩色、螢光、夜光、金屬等粉體，顏料選用將視其用途而定，而各顏料皆有其不同的表面特性，可透過粉體表面分析技術來篩選符合需求之粉體。

2. 黑色顏料

黑色顏料最常被使用的是碳黑，其是在空氣不足的情況下燃燒碳氫化合物得到極細微粉體，再與廢氣分離後所得之純黑粉末。碳黑的粒徑非常小，最小粒徑可達9 nm，其表面積大(10~3,000 m²/g)、吸油量高(30~100 g/100 g)，顆粒間存在較大的吸引力，極易團聚。且碳黑的表面含氧量較低造成其親水性不強，在水中的分散穩定性很差，同樣地，分散的好壞會直接影響到黑度、色相和遮蓋能力，及其可導入墨水的使用性。如圖三所示，粒徑小、表面氧化和結構低的碳黑會具有高黑度、高光澤和高著色力。因此為使碳黑分散至較小粒徑，分散劑需提供粉體的解聚（潤濕、分散）和分散安定性穩定（靜電排斥力和立體障礙）。

圖三、碳黑特性對墨膜性能的影響

水性墨水用樹脂

樹脂能賦予墨水對基材的附著性，使墨膜具光澤性、柔韌性，並且影響墨水的乾燥性與印刷適性，因此樹脂的選擇為配製水性墨水的關鍵之一。水性墨水是一親水性的高分子材料，依照水性樹脂(Waterborne Resin)的官能基和合成原料來分類，可分為環氧樹脂、醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂等。最常被使用在水性墨水的為水性丙烯酸乳液和水性聚氨酯樹脂，以下針對此兩樹脂作介紹。

水性墨水助劑

選擇水性樹脂後，雖決定了墨水的性能與部分的印刷特性，但仍需要添加各樣的助劑使墨水的印刷適性變得更好。水的表面張力高達72.5 mN/m，對基材的潤濕性極差，需藉由降低表面張力的潤濕劑來改善；由於添加了潤濕劑或分散顏料的分散劑，有助於泡沫的產生與穩定，但印刷時產生的泡沫會導致印刷成品出現小孔或顏色無光澤和乾燥問題，因此需添加消泡劑來抑制氣泡的產生或快速消泡。除了印刷適性外，墨膜的成膜乾燥性與物性也相當重要，水性墨水通常會添加成膜助劑來幫助成膜，以達到墨膜的均勻性。另外，墨水的流變特性也會影響印刷性，可透過流變助劑調整。

5. 成膜助劑

水性墨水的成膜過程從水的揮發、乳液粒子聚集、壓縮、融合，最後形成連續的膜。而成膜的過程與環境溫度和樹脂的成膜溫度有關，若環境溫度高於成膜溫度則無法成膜，需添加成膜助劑降低成膜溫度，成膜助劑可使乳液粒子溶解，粒子之間的界面消失，而形成連續均勻的膜。成膜助劑是高沸點的溶劑，大多為醇、醇酯、醚醇類等，表六列出常見的成膜助劑以及其沸點和蒸氣壓，不同的成膜助劑對不同的樹脂降低成膜溫度的效果不同，因此篩選合適的成膜助劑相當重要。

工研院材化所界面化學研究室已開發柔印/凹印用水性墨水，VOC含量低(<150 g/L)，並兼具快乾、印刷速度快(120 m/min)，且印刷時不易起泡，印刷均勻性佳。可應用於PET包裝膜、室內裝潢用PVC膜材，如壁板、隔間板、櫥櫃、門板、傢俱和地板等建材裝潢（圖十二）…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。