经过天琪刘那Patrick Sargent.那扎哈德伊斯兰教和Koen Burger，卡博特公司，Billerica，MA

由于其在可变数据处理和定制，高吞吐量，经济工作流程和成本结构中，喷墨已成为商业，标牌和包装最有前景的印刷技术之一。包装需求仍然尤为于对食品包装增加，但行业仍然面临挑战，如供应链优化，浪费和降低成本，定制灵活性，以及​​eh＆s的遵守。这些挑战导致高度分散的市场，这效果符合按需数字喷墨技术的实力。

在各种数字喷墨技术中，含水喷墨突出的是其环保功能，并且通常被认为是食品包装的最佳技术。水性喷墨油墨主要由水，保湿剂，表面活性剂，着色剂（颜料或染料）和粘合剂树脂组成。与溶剂或紫外线的喷墨油墨相比，它们设计成更安全。然而，与水性喷墨油墨的一个缺点是墨水被设计用于满足某些粘度，表面张力和流动特性的特定打印头技术。它们不会根据传统办公纸或照片质量纸以外的基板量身定制，或者最终使用诸如食品包装等应用。

188金宝搏bet官网用于食品包装的材料包括广泛的化学物质和形式，主要目的是食物遏制，保存和保护。塑料是食品包装最常见和广泛使用的材料。188金宝搏bet官网它们可以通过自己作为柔性（箔片，包裹，包，袋子和袋），刚性（瓶子，托盘和罐）和半刚性（盖子，盒子和四封装）形成的包装，或用作标签或包装对于其他食品包装材料，如金属，纸，纸板和玻璃。188金宝搏bet官网在塑料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚烯烃（聚乙烯或聚丙烯）是所使用的两种主要类型的材料。188金宝搏bet官网由于表面能，这些塑料的低表面能，疏水性和无多孔性质，它们被认为是用于水性喷墨印刷的不相容的底物。已经尝试使用含水喷墨油墨中的粘合剂在电晕处理后实现对这些塑料的油墨粘附;然而，塑料顶部的墨水干燥仍然是大多数水性印刷系统的关键问题。如上所述，含水喷墨油墨含有水和保湿剂，为液体体积。保湿剂用于达到一定的粘度范围，并保护打印头免受干燥和喷嘴堵塞以确保喷射稠度。 Humectants, having high boiling points and low vapor pressure, once jetted onto these non-porous substrates, will require strong drying capacities downstream from printing stations to evaporate. However, drying at higher temperature or for longer times can cause the plastic substrates to undergo undesired warp or deformation.

为了解决塑料基板和水性喷墨印刷技术之间的不相容问题，可以将喷墨接收涂层施加到塑料上以形成微孔层以接受墨滴。

如图1所示，用于塑料的喷墨接收涂层通常由烟道金属氧化物（FMO）颗粒构成，其赋予提供与塑料基材粘附的孔隙率和粘合剂。FMO颗粒，如合成熏蒸二氧化硅和气相氧化铝特征分形结构，初级颗粒排列成支链。分枝的聚集体结构不容易密封，从而产生内部和粒子间隙和通道。由分形颗粒产生的这些空隙或孔隙率是非常重要的特征，其允许在水性喷墨接收涂层中液体吸附和固定颜料。

用于食品包装的水性喷墨接收涂料配方的关键组分

如果涂料用于食品间接接触包装，则喷墨接收涂层中的组分优选地应授权或批准。此外，可能需要总体和特定的迁移测试以确保不超过允许的限制，并研究任何潜在的不利化学物质从包装到食物中的转移。

例如，在欧洲，塑料支持的喷墨接收涂层的组件在食物接触塑料调节EU 10/2011下，“可以用涂层印刷或覆盖的材料”和“多材料中的塑料层的类别”188金宝搏bet官网和多层材料和文章“不妨碍适用于涂188金宝搏bet官网料的国家规定。这些组成部分也受到与食品联系的材料和文章的范围（SR 817.023.21）附件10，“允许的包装油墨对旨在与食品接触的物品的允许的物质188金宝搏bet官网东西“。

为了使客户能够在间接食品联系法规下制定，我们已开发和商业化CAB-O-SPERSE^®4012k-F用于食品包装应用的二氧化硅分散体。分散体是胶体稳定的，消除了磨削和灰尘处理的需要。二氧化硅分散体不能免除，以最小化制剂中的不相容性问题。来自二氧化硅生产和分散过程的高纯度提供良好的化学和温度稳定性而不会变黄。配方塑料只需要低剪切混合设备，以掺入二氧化硅分散体，树脂粘合剂，聚结剂和表面活性剂，如图2所示。用于制造CAB-O-SPERSE 4012K-F的基础二氧化硅具有高表面积和小骨料尺寸，与带有下表面区域或沉淀的二氧化硅具有更大的聚集尺寸，可以产生高光泽和半透明涂层。

孔隙度，粘附性和透明性能

需要诸如CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体中的颗粒以形成涂层中的多孔网络，以帮助吸收来自墨水的液体。在涂层中产生的孔的尺寸可以为10至150nm。多孔介质中的动态流体吸收由毛细管压力驱动，毛细管压力与孔径成反比。因此，这些纳米尺寸的孔应允许快速墨水吸收。当将树脂（以可溶性或颗粒状或颗粒状）加入制剂时，用作粘合剂，以帮助涂层粘附到塑料表面上并将颗粒相粘在一起，如胶水一样，以防止滚筒操作产生的干燥或机械擦伤时裂缝。然而，如果使用过多的粘合剂，它将填充颗粒产生的一些孔，导致在恒定的涂层重量下的总孔体积降低。

产生基于二氧化硅分散体（具有不同表面积）和聚氨酯粘合剂的各种载荷的一系列五涂层，以研究扫描电子显微镜（SEM）下涂层的形态（图3）。当二氧化硅负载低（例如，16.7％）时，观察到连续膜。粘合剂用于将表面均化并覆盖在二氧化硅颗粒上，填充空隙，刻痕和颗粒间触点。随着二氧化硅加载的增加，表面开始粗糙并打开，孔隙在表面上表明较少的粘合剂覆盖。

通过氮吸附和解吸等温线测量由这些涂层和基于丙烯酸粘合剂的第二系列涂层产生的孔体积，并使用BJH（Barrett，Joyner和Halenda）模型计算（图4）。无论粘合剂化学如何，都观察到孔体积中的急剧过渡到25％和50％的二氧化硅。在该范围内，粘合剂的量完全足以完全填充二氧化硅颗粒之间的空隙。低于该阈值，可以认为涂层可以被认为是二氧化硅颗粒在粘合剂聚合物的连续基质中的分散体。在该范围之上，由于粘合剂不再足以填充颗粒之间的空隙，因此孔隙率产生。

将基于CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体和聚氨酯粘合剂的配方，其在干基上，与商业上可获得的竞争制剂1和2进行比较，在PET膜上的粘附和薄膜出现方面进行了比较在0.5密耳干膜厚度（表1）。竞争性配方1具有优异的粘附性而没有电晕处理和良好的透射率，但显示出高雾度，表示涂层中的大颗粒的光散射。通过激光衍射进行粒度测量证实，竞争性制剂1在4-5微米范围内具有颗粒。竞争性配方2即使在电晕处理后也具有差的粘附性，但提供良好的透明度，这与观察到的小粒径一致。基于CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的配方表现出最佳的粘合性和透明度的整体性能。

互化，墨水干燥和颜色性能

如前所述，组合物中的颗粒载荷会影响涂层的孔隙率及其墨水接受能力，例如墨水干燥和含量渗出。颗粒的形态和化学和涂层体重也起重要的作用。

图5显示了根据新的CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体和基于氧化铝的分散的0.5密耳的干涂层从EPSON劳动力WF-3730打印机射滤的墨水的显微镜图像。黑色方形对黄色背景的边缘敏锐度表示黑色与黄色互连性能。两种涂层在组合物中具有50％（w / w）颗粒和相同的厚度。显然，基于新的二氧化硅分散体的涂层具有更好的互连渗流，与用氧化铝基涂层观察到的盛开特征相比，如锐利边缘所示。

使用不同的涂层重量根据ASTM 2498测量油墨干燥，同时保持二氧化硅加载常数（30％）。观察到墨水干燥的线性增加，直到达到临界厚度约为14微米，之后的性能平稳（图6）。平台可能表明，液体吸附速度受到多孔网络内的墨水扩散速率的限制。虽然散装涂层重量仍然仍然增加，但墨水液体不一定会使向内漫射。该结果强调在涂层顶部表面保持开口结构的重要性，并说明了在不牺牲基底粘附的情况下通过较高的二氧化硅颗粒的载荷使能高孔隙率的益处。

墨水粘附和色域也用来自EPSON劳动力WF-3730打印机的墨水评估。在ASTM D3359后测量墨水粘附。七种颜色（黑色，红色，绿色，蓝色，黄色，洋红色和青色）被印在列中。每种颜色接收到0-5的粘附额定值，墨水粘附总量从0到35的任何地方测距。对于色域，使用猎人XE实验室扫描比色表打印和测量所有七种颜色的平方。通过为每种颜色添加色度来确定总色域;数量越高，达到了更好的色域。

基于不同多元醇的三种不同的聚氨酯分散体与CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体组合以产生制剂A，B和C，其中二氧化硅与粘合剂重量比为3：7。对所有三种制剂和预先形成的竞争性（商业）制剂1和2评价颜色色域和墨水粘附（表2）。虽然大多数配方提供了良好的色域，但仅含有新的二氧化硅分散体的制剂A和B显示出良好的油墨粘附，表明树脂化学在墨水颜料固定中起重要作用。竞争制剂2显示了色域和无墨水固定不足，因此不是这种应用的良好候选者。

用于喷射喷墨的新型二氧化硅分散体。

不仅可以将4012k-F二氧化硅分散体配制成靶向塑料薄膜上的模拟应用的喷墨接收涂层，也可以应用于数字喷射配方中，并作为数字印刷过程的一部分用于底漆喷射站。。

目前的喷墨打印头技术对打印头中使用的颗粒具有严格的要求，以避免喷嘴干燥和堵塞问题。例如，颗粒的典型尺寸应理想地低于0.3微米，颗粒分布窄。图7显示了通过三种CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散体的激光衍射粒度测量。D50大约125nm和D90低于200nm，粒径和粒度分布的一致性满足了许多喷墨打印头的粒度要求。

当以约2.85cP（25℃）的粘度和31.5达污染液/厘米的表面张力，可以使用富士丝DIMATIX MEMS压电喷墨打印机喷射总固体含量为10％的实验制剂。在下降期间，可以看到直线液滴一致地从喷嘴出来（图8）。图9中的图像喷射到玻璃载玻片上，以在1220dpi下使用10 pl盒以不同的厚度观察覆盖范围。在下面放置银涂布纸以便更好地可视化。喷射图像显示清晰的图形和固体区域，没有证据表明喷嘴干燥。

结论

CAB-O-SPERSE 4012K-F二氧化硅分散的开发和商业化使我们能够提供快速生长的数字印刷段的包装和标签，具有间接食品接触符合产品。它表明是在难以印刷的塑料基材上显影水性喷墨接收涂层的有益成分。The new silica dispersion enables the formation of porous receptive coatings with good adhesion and transparency, and excellent ink performance (inter-color bleed, adhesion and color gamut) in the presence of an appropriate selection of resin binders.另外，由于其小粒径和窄的粒度分布，所示的初步结果示出了二氧化硅分散体可用于数字喷射底漆制剂或数字油墨。

确认

作者要感谢前同事Melissa Monello，为她在项目和周到的贡献中致力于这篇文章。