評估膠印中使用的油墨和不同潤版液之間的界面張力

背景:

平版印刷（Offset printing）是一種廣泛應用於書籍、報紙與包裝品等印刷品製作的技術，此工藝是透過將圖像從已上墨的表面轉移至承印物上，當平版印刷與石版印刷（lithographic process）兩個技術結合使用時，會涉及潤版液與油性印刷油墨的搭配，印版表面會被劃分為親水區域（接受潤版液、排斥油墨）與疏水區域（排斥潤版液、接受油墨），若印刷過程運作良好，可確認印版上的非印刷區域不會沾附油墨。

為了避免潤版液與印刷油墨互相混合，必須精確掌握兩者在介面上的界面張力，高穩定性的 DataPhysics OCA系統可用於測量光學接觸角及進行輪廓分析，同時利用懸滴法（pendant drop method）來精確測定液體／液體介面的界面張力。 以下文章將以印刷油墨與三種常見於平版印刷中的潤版液為例，介紹懸滴技術的應用。

技術與方法：

 本次實驗使用DataPhysics OCA系列的光學接觸角測量與輪廓分析系統（如下圖1），透過分析懸掛或漂浮在針頭上的懸滴形狀，可以輕鬆地測定液體的表面張力以及兩種液體之間的界面張力。根據兩相的密度不同，液滴可以透過針頭向下滴定，或使用彎曲針頭向上滴定（見圖2b）。

圖1: Dataphysics的光學輪廓分析系統OCA

 


圖2: (a) 使用懸滴法分析油性油墨與n-perfluorohexane的界面張力 (b)彎曲針頭可以用於當滴定液體密度小於外界相時的情境

液體表面張力中的極性部分與分散部分，可以透過以下步驟來求得：分別測量液體在空氣中的總表面張力，以及液體與一種非極性液體之間的界面張力，並套用下列公式
 
 上述公式中，σ1/2為兩種液體之間的界面張力，σ1和σ2分別為測試液體表面張力及其外相液體的表面張力，σ1d和σ1p分別為測試液體的分散部分和極性部分，σ2d和σ2p分別為周圍介質的分散部分和極性部分。
 兩種不透明液體之間的界面張力，就可以利用先前取得的各自液體表面張力中的極性部分與分散部分來計算，這是一種在許多技術應用中非常重要的方法，包括塗料與油墨的製造與加工。

實驗：

  在本研究中，使用OCA系統搭配懸滴法（pendent drop method），測量了三種不同潤版液與一種油墨的表面張力，以及其極性部分與分散部分，懸滴的影像或影片序列是透過內建的USB 3.0相機進行拍攝，便於後續進行液滴輪廓分析，為確保結果的準確性與可重複性，每個樣品均進行了三次測量。
為了以最高精度使用懸滴法，實驗中的液滴形狀必須明顯偏離球形，通常為液滴即將脫離針頭時的形狀，在此時會形成一個典型的「梨形」結構，要達到這樣的液滴效果，選用針頭的直徑也是影響測量結果的重要因素，根據DataPhysics Instruments建議，在進行懸滴分析時，應使用直徑大於1mm的針頭執行懸滴法實驗。
 因此，我們選用了非極性溶劑 n-dodecane與n-perfluorohexane作為外相液體，為了確保後續實驗精確度，我們先測試這兩種液體的表面張力作為預實驗，除了驗證液體純淨度同時也驗證了滴定針管的潔淨度。這兩種液體的表面張力先透過一般的懸滴法（pendant drop method）進行三次測量（結果見表1）。潤版液與油墨的總表面張力也同樣以懸滴法進行測定。
表1: 作為後續界面張力分析實驗使用的外相液體n-dodecane和n-perfluorohexane以懸滴法測試之表面張力
 
 
測量潤版液與n-dodecane之間的界面張力以求得樣品的分散力與極性部分，而由於油性墨水會溶於烷類，因此油墨部分改以n-perfluorohexane作為外相液體，同時因為油性墨水的密度低於n-perfluorohexane，故墨滴須以「向上」方式懸掛（見圖2a）。在固定液滴或氣泡測量中，使用了特殊的注射針頭（見圖2b）。透過潤版液與油墨表面張力中極性與分散部分，OCA 軟體可自動計算不同潤版液與油墨間的介面張力。

結果與討論:

  本研究測定了潤版液與油墨的總表面張力及其分散力與極性成分，如圖3所示，潤版液1展現出最高的表面張力，數值為 52.07 mN/m；相較之下，潤版液2與3的表面張力較低，分別為 46.28 mN/m 及 39.10 mN/m。
圖3: 潤版液1-3與油墨的總表面張力與拆分為分散和極性的分力
 
此外，從圖中我們可以發現，潤版液1與3的極性與分散力比率大致相當，約為 50:50，而潤版液2的比率約為 40:60，顯示其所含的分散力比例較其他兩種潤版液更高。與潤版液相比，油墨的表面張力更低，且其表面張力中的分散力比例更懸殊，約為 90:10。

從總表面張力及其極性與分散成分，我們便可以評估油墨與各潤版液之間的界面張力，如圖4所示，油墨與潤版液2之間的界面張力最低，為 6.51 mN/m，這項結果與先前的分析一致，即潤版液2在所有樣品中具有最高的分散力比例，其與油墨的分散力比例較為接近，導致了界面張力較低的結果。
圖4: 不同潤版液與油墨的界面張力
 
​相對而言，潤版液1與油墨之間的介面張力最高，為 10.23 mN/m，而一般在印刷應用中，應提高潤版液與油墨之間的界面張力，以促進界面的清晰分離，因此，本次結果顯示潤版液1具有最佳的潛力作為後續配方開發對象的可能性。

透過本研究可知僅測量液體的總表面張力不足以達到最佳的配方評估，可能導致不當的液體組合選擇，因此對於配方設計者而言，極性與分散力各自成分的量化能預測兩種液體接觸時的交互作用狀態，以了解評估最佳的配方。
 
結論：
  DataPhysics OCA 系列光學接觸角測量與輪廓分析系統，是一種可靠且操作簡便的解決方案，可用於測定潤版液與油墨的表面張力及其極性與分散力成分，透過這些測量數據，可以進一步計算不同液體之間的界面張力。本研究明確指出，僅測量液體的總表面張力，無法獲得完整的結果，對於從事潤版液與油墨配方開發的人員而言，深入了解表面張力中極性與分散力成分是非常關鍵的，唯有如此，才能為後續應用選擇最合適的液體組合。
 


​本研究使用設備
​

Dataphysics-OCA 15EC

專為接觸角與液滴形狀量測設計，操作靈活、影像清晰，支援單/雙電子注射系統與無管供液，大幅提升效率、減少清潔時間。結構輕巧易拆，可快速收納與攜帶，是專業實驗室與行動量測的理想入門選擇。【了解更多】
 

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​參考資料:

1.       https://www.dataphysics-instruments.com/products/oca/
2.       Kaelble, H., J. Dispersion-Polar Surface Tension Properties of Organic Solids. Adhesion, 1970, 2, 66-81.
3.       Owens, D., Wendt, R.Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. J. Appl. Polym. Sci., 1969, 13, 1741-1747.
4.       Rabel, W. Einige Aspekte der Benetzungstheorie und ihre Anwendung auf die Untersuchung und Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Polymeren. Farbe und Lack, 1971, 77, 10.


 

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