CAB-O-SPERSE® 4012K-F 二氧化硅分散剂用于塑料基材上的水性喷墨印刷：适用于间接食品接触应用

Tianqi Liu、Patrick Sargent、Zaheed Islam 和 Koen Burger 卡博特公司，美国马萨诸塞州比尔里卡

简介

由于在可变数据处理和定制方面具有灵活性，并可实现高产量、经济的工作流程以及优越的成本结构，喷墨已成为商业、标牌和包装领域最有前景的印刷技术之一。包装需求持续增长，尤其是食品包装，但该行业仍面临供应链优化、减少废弃物和降低成本、定制灵活性以及 EH&S 合规性等挑战。这些挑战导致市场处于高度零散化的状态，于是数字喷墨技术的优势有了用武之地。

在各种数字喷墨技术中，水性喷墨常被视为适用于食品包装的最佳技术。水性喷墨墨水主要由水、保湿剂、表面活性剂、着色剂（颜料或染料）和粘合剂树脂组成。与溶剂型或紫外线喷墨墨水相比，它们处理起来更加安全。但是，水性喷墨墨水有一个缺点，就是墨水专为特定的印刷头技术设计，粘度、表面张力和流动特性需要满足特定要求。它们没有针对传统办公用纸或照片纸以外的基材，或是食品包装等终端应用进行量身定制。

用于食品包装的材料包括多种多样的化学物质和形式，其主要目的是食品的容纳、保藏和保护。塑料是最常见的食品包装材料，得到了广泛使用。它们可以自己制成柔性（薄膜、包装纸、小包裹、包装袋和小袋）、刚性（瓶子、托盘和罐子）和半刚性（瓶盖、盒子和四角包装）形式的包装，也可用作金属、纸张、纸板和玻璃等其他食品包装材料的标签或包装纸。塑料中采用的材料主要有两种类型：聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和聚烯烃（聚乙烯或聚丙烯）。这些塑料具有表面能低、疏水和无孔的性质，因此被视为水性喷墨印刷的不相容基材。有人尝试过在水性喷墨墨水中使用粘合剂，以便在电晕放电处理后让墨水附着在这些塑料上；但是，对于大多数水性印刷系统，塑料上的墨水干燥仍然是一个关键问题。如上所述，水性喷墨墨水含有作为液体本体的水和保湿剂。保湿剂用于达到一定的粘度范围并避免印刷头出现干燥和喷嘴堵塞，以确保喷射具有一致性。保湿剂具有高沸点和低蒸气压，一旦喷射到这些无孔基材上，就需要印刷站下游具有强大的干燥能力才能蒸发。但是，在较高温度下或较长时间内干燥，会导致塑料基材发生不应有的翘曲或变形。

为了解决塑料基材和水性喷墨打印技术之间的不相容问题，可以为塑料涂上喷墨吸收性涂料，形成一个能够吸收墨滴的微孔层。

如图 1 所示，用于塑料的喷墨吸收性涂料通常由气相金属氧化物 (FMO) 颗粒组成，这些颗粒可以实现孔隙度并与粘合剂结合，从而让墨水附着在塑料基材上。FMO 颗粒（如合成气相二氧化硅和气相氧化铝）具有分形结构，原生颗粒排列成支链。分支的聚集态结构不易紧密堆积，因此会在颗粒内和颗粒间产生空隙和通道。由分形颗粒产生的这些空隙或孔隙度是非常重要的特征，让颜料能够在水性喷墨吸收性涂料中发生液体吸附和固着。

间接食品接触 CAB-O-SPERSE® 4012K-F 二氧化硅分散剂作为食品包装用水性喷墨吸收性涂料配方的关键成分

如果喷墨吸收性涂料用于食品间接接触包装，则涂料中的成分最好获得特定国家/地区法规的授权或批准。此外，可能需要进行整体和具体的迁移测试，以确保不超过允许的限制，并研究任何潜在有害化学物质从包装到食品的转移。

例如在欧洲，在不影响适用于涂料的国家规定的情况下，塑料基材喷墨吸收性涂料的成分列入食品接触塑料法规 EU 10/2011，所属类别为“可以印刷或被涂料覆盖的材料”和“多材料及多层材料和制品中的塑料层”。这些成分还需要遵守瑞士关于与食品接触材料和制品的条例 (SR 817.023.21) 附件 10 的范围，归入“允许用于生产旨在与食品接触的材料和物品上包装墨水的物质”。

为了让客户能够根据间接食品接触法规设计配方，我们开发出了用于食品包装应用的 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂，并成功将其商业化。该分散剂具有胶体稳定性，无需进行研磨和粉尘处理。该二氧化硅分散剂不含其他分散剂，可最大限度减少配方中的不相容性问题。得益于生产和分散工艺中的高纯度，二氧化硅具有良好的化学稳定性和热稳定性，不会变黄。配方设计师只需使用低剪切混合设备即可加入二氧化硅分散剂、树脂粘合剂、聚结添加剂和表面活性剂，如图 2 所示。用于生产 CAB-O-SPERSE 4012K-F 的基础二氧化硅比表面积高且聚集态尺寸小，与比表面积更低的气相二氧化硅或是聚集态尺寸更大的沉淀二氧化硅相比，可以生成高光泽半透明涂层。

基于 CAB-O-SPERSE® 4012K-F 二氧化硅分散剂的喷墨吸收性涂料的孔隙度、附着力和透明度性能

需要使用 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂等颗粒，在涂层中形成多孔网络，以帮助吸收墨水中的液体。涂层中生成的孔隙大小为 10 到 150 nm。多孔介质中的动态流体吸收由毛细压力驱动，而毛细压力与孔隙大小成反比。因此，这些具有纳米级尺寸的孔隙应该可以快速吸收墨水液体。

将树脂（以可溶或颗粒形式）添加到配方中后，它可以充当粘合剂，帮助涂料附着在塑料表面，并像胶水一样让颗粒结合在一起，以避免在干燥后开裂或是因辊操作而造成机械磨损。但是，如果粘合剂用量过多，就会填充由颗粒生成的部分孔隙，导致恒定涂层重量下孔隙总体积减少。

使用一种二氧化硅分散剂（具有不同的比表面积）和一种聚氨酯粘合剂，采用不同的加入量生成了一系列五种涂层，然后研究扫描电子显微镜 (SEM) 下的涂层形态（图 3）。当二氧化硅加入量较低（例如 16.7%）时，观察到连续薄膜。粘合剂用于使表面变得均匀并覆盖二氧化硅颗粒，填充空隙、刻痕和颗粒间的通道。随着二氧化硅加入量的增加，表面开始变得粗糙并张开，孔隙表明表面上覆盖的粘合剂较少。

将一种基于 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂和聚氨酯粘合剂的配方（按干重计算含 30% 二氧化硅）与市售竞品配方 1 和 2 进行比较，在干膜厚度为 0.5 密尔的情况下观察三者在 PET 薄膜上的附着力和涂层膜外观（表 1）。竞品配方 1 在未经电晕放电处理的情况下具有出色的附着力和良好的透射率，但呈现出较高的雾度，表明涂层中的较大颗粒会产生光散射。通过激光衍射进行粒度测量，证实了竞品配方 1 的粒度范围为 4 到 5 微米。竞品配方 2 即使在电晕放电处理后也存在附着力差的问题，但能够提供良好的透明度，这与观察到的较小粒度一致。基于 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂的配方在附着力和透明度方面表现出最佳整体性能。

基于 CAB-O-SPERSE® 4012K-F 二氧化硅分散剂的喷墨吸收性涂料的颜色互渗、墨水干燥和色彩表现 

如前所述，成分中的颗粒加入量会影响涂层的孔隙度和吸墨能力，例如墨水干燥和颜色互渗。颗粒的形态和化学性质以及涂层重量也发挥着重要作用。

图 5 显示了 Epson Workforce WF-3730 打印机喷射出的墨水分别在基于 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂和基于氧化铝分散剂的 0.5 密尔干涂层上的显微镜图像。黄色背景下黑色正方形的边缘锐度表明存在黑色到黄色的颜色互渗。两种涂层均含有 50% (w/w) 的颗粒成分，且厚度相同。显然，基于 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂的涂层的颜色互渗表现要好得多，其更加锐利的边缘说明了这一点；相比之下，在基于氧化铝的涂层中可以观察到起霜特征。

还使用 Epson Workforce WF-3730 打印机喷射出的墨水，对墨水附着力和色域进行了评估。根据 ASTM D3359 测量墨水附着力。打印出七种颜色（黑色、红色、绿色、蓝色、黄色、品红色和青色）的柱状图。每种颜色的附着力等级为 0-5，墨水总体附着力范围为 0 到 35。对于色域，打印出所有七种颜色的正方形，然后使用 Hunter XE 实验室扫描色度计进行测量。通过将每种颜色的色度相加来确定总体色域；数字越高，实现的色域就越好。

将基于不同多元醇的三种不同聚氨酯分散剂与 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂组合，形成二氧化硅与粘合剂重量比为 3:7 的配方 A、B 和 C。评估了所有三种配方以及预先配制好的竞品（市售）配方 1 和 2 的色域和墨水附着力（表 2）。尽管大多数配方都提供了良好的色域，但只有含 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂的配方 A 和 B 表现出了良好的墨水附着力，这表明树脂化学性质在墨水颜料固着中发挥着重要作用。竞品配方 2 表现出了色域不足以及墨水无法固着，因此不是该应用的理想之选。

CAB-O-SPERSE® 4012K-F 二氧化硅分散剂用于可喷射的喷墨吸收性配方

CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂不仅可以用于调配针对塑料薄膜上模拟应用的喷墨吸收性涂料，还可应用于数字印刷可喷射配方，以及用于数字印刷工艺中的底漆喷涂站。

为了避免喷嘴干燥和堵塞问题，目前的喷墨打印头技术对打印头中使用的颗粒有着严格要求。例如，粒度通常应该低于 0.3 微米，且分布范围较窄。图 7 显示了通过激光衍射对三批 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂进行粒度测量的结果。D50 约为 125 纳米，D90 低于 200 纳米，粒度和粒度分布具有一致性，能够满足许多喷墨打印头的粒度要求。

结论

通过 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂的开发和商业化，我们能够为迅猛增长的包装和标签数字印刷细分市场提供符合间接食品接触标准的产品。经证明，该成分有助于在难以印刷的塑料基材上形成水性喷墨吸收性涂层。The CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂搭配适当的树脂粘合剂，可以形成多孔吸收性涂层，提供良好的附着力和透明度，以及出色的墨水表现（颜色互渗、附着力和色域）。

此外，初步结果还表明 CAB-O-SPERSE 4012K-F 二氧化硅分散剂因其粒度小且分布范围窄，可用于数字印刷可喷射底漆配方或数字印刷墨水。

致谢 

 这篇技术文章最初载于 2022 年 3 月 17 日出版的 PCI 杂志上。