陳佑蕙、莊文斌 / 工研院材化所
為因應減碳議題，墨水走向水性化，低碳排的低極性基材也成為未來趨勢。水性墨水在基材潤濕、墨乾性及墨膜物性有許多困難點，尤其是低極性基材用的水性墨水在原料的選用上更為重要，其將影響後續的應用物性，因此如何選用原物料和水性墨水配方設計皆是關鍵技術。本文介紹低極性基材用的水性墨水相關資訊，包含表面處理、樹脂、密著促進劑等，提供水性墨水配製上的參考。
【內文精選】
低極性基材表面處理技術
低極性基材因其表面能低、潤濕不易，導致印刷性與附著性不佳，因此通常在進行印刷前，會將低極性的基材進行表面處理，提高材料的表面能，來改善其潤濕性和印刷性。常見的表面處理方法有電暈處理、火焰處理、電漿(Plasma)處理和使用表面處理劑(Primer)打底的方式，而不同的表面處理技術效果也具有差異。
低極性用水性墨水樹脂
墨水對基材的附著性主要來自於樹脂，對於低極性的基材，其樹脂的選用更為重要。水性墨水中最常被使用的為水性丙烯酸乳液和水性聚氨酯樹脂，其使用於低極性基材上時，如CPP(Cast Polypropylene)、BOPP(Biaxially Oriented Polypropylene)等，在樹脂結構上需有特殊的官能基來增加對基材的附著，而市面上已有一些適用於這些基材的樹脂。
1. 水性丙烯酸乳液
丙烯酸乳液為白色乳狀聚合乳液，是將丙烯酸單體、起始劑和乳化劑在水中乳化聚合而成。丙烯酸乳液樹脂具有優異的耐水性、抗汙、良好的附著性，且不易黃變，廣泛用於室內和室外墨水和塗料。國際知名大廠巴斯夫(BASF)提供多種水性丙烯酸乳液樹脂，在低極性基材上，已有適合應用於OPP或PET等基材上的產品，如：JONCRYL® 7306適用於塑料薄膜如PE、BOPP和PET，提高油墨在薄膜上的附著力；FLX自交聯乳液系列，用於軟包裝油墨專用的聚合物，其中FLX 5026、JONCRYL®7256、7266則是專為各種底材設計的水性樹脂，對PP基材的附著力和印刷適性佳。
水性PP密著促進劑
低極性基材如聚丙烯，其結晶性高且表面能低，一般水性墨水中的樹脂對於PP基材往往難達到良好的附著性，此問題可透過添加PP密著促進劑(Adhesive Promoter)來改善。日本東洋紡(Toyobo)有一系列PP密著促進劑的產品，HARDLEN®是以氯化聚烯烴當作主鏈，再以馬來酸酐或丙烯酸改質，利用其極性基團與油墨中的官能基團相互作用而達到附著的效果，其原理示意圖如圖四。
圖四、密著促進劑原理示意圖
水性墨水助劑
水性墨水中除了樹脂、顏料、PP密著劑，亦需要添加各種助劑來提升墨水的印刷適性。尤其是低極性基材，潤濕不易，勢必需添加潤濕劑來降低墨水的表面張力；但添加了潤濕劑，會幫助泡沫的產生與穩定，在印刷時容易因泡沫導致印刷成品出現小孔或無光澤的問題，因此需添加消泡劑來抑制氣泡的產生或快速消泡。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。
2. 消泡劑
在純溶劑或水中的泡沫，密度小於液體，形成後會往液體表面移動，到達表面後破裂消失，因此不會形成穩定的泡沫。但當在水中加入界面活性劑後，分子會排列在氣液界面，親水端在水相中，親油端朝向氣相，且上升至表面的速度變慢，當氣泡上升至表面時，界面活性劑會形成雙層膜穩定氣泡，不容易破裂。在水性墨水中的表面助劑、分散劑或乳化劑都是界面活性劑的分子結構，會使墨水在印刷時產生氣泡，而造成印刷缺陷。消泡可分為抑泡、脫泡和消泡三種作用；抑泡劑是吸附在氣泡膜壁上，排擠穩泡的界面活性劑，使氣泡表面張力降低，氣泡膜壁變薄，在氣泡上升前就破裂；脫泡劑是一種非極性物質，使小氣泡容易聚集成大氣泡，加快氣泡上升的速度，到表面後破裂；消泡則可更有效地降低氣泡膜壁的表面張力，使氣泡容易破裂。消泡劑對水性墨水的相容性與消泡性成反比的關係，相容性佳的消泡劑消泡能力較弱，消泡能力強的消泡劑則相容性差。
3. 流變助劑
墨水的流變行為可以用剪切速率對黏度的關係圖來描述，如圖九，在低剪切力時相當於墨水在儲存時的狀態，中剪切力是在運輸或是攪拌時的狀態，而高剪切力則是在生產或施工(印刷)時的狀態。在儲存時，墨水黏度大則較不易沉澱或分層；在印刷時，需有合適的黏度才能有良好的流平性又不會流掛，且可提供較佳印刷解析度，而黏度也不能太低，要能形成足夠的厚度 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、剪切速率與黏度關係圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》436期，更多資料請見下方附檔。