聚氨酯油墨的详细配方设计步骤？

设计聚氨酯油墨配方是一个系统且复杂的过程，需要综合考虑最终应用要求、基材特性、生产工艺及成本等因素。以下是详细的配方设计步骤：

核心目标：‌ 获得具有优异附着力、耐磨性、柔韧性、耐化学品性、耐候性（特别是脂肪族体系）、良好印刷适性（流平、流变性、干燥速度）和特定光学性能（颜色、光泽度）的油墨。

第一步：明确技术要求与应用场景‌

基材类型：‌ PET、BOPP、NY、PE、PVC、金属、纸张？表面处理情况（电晕、涂层）？表面能？

印刷工艺：‌ 凹版、柔版、丝网、胶印？对油墨粘度、触变性、干燥速度的特殊要求？

性能要求：‌

机械性能：‌ 附着力（关键！）、耐磨擦性、柔韧性/耐折性、耐揉搓性、硬度。

耐性要求：‌ 耐水性、耐油性、耐酸碱性、耐溶剂性（后加工）、耐高温性（蒸煮、热封）、耐冷冻性、耐光耐候性（是否暴晒？）。

光学性能：‌ 颜色、色浓度、遮盖力、光泽度（高光、哑光）。

加工要求：‌ 复合强度（干复、湿复）、热封强度。

环保法规：‌ VOC含量限制、重金属限制、食品接触安全法规（如适用）。

成本目标：‌ 可接受的原材料成本范围。

第二步：选择主要组分‌

主体树脂 (聚氨酯组分)：‌

类型选择：‌

羟基组分：‌ 通常选用‌羟基丙烯酸树脂‌或‌羟基聚酯树脂‌。

羟基丙烯酸树脂： 通用性好，耐候性优，干燥快，成本适中。是主流选择。

羟基聚酯树脂： 柔韧性、附着力和耐热性通常更优，但可能耐水解性稍差，干燥稍慢，成本可能略高。

固化剂 (异氰酸酯组分)：‌ 选择与羟基组分匹配的‌聚异氰酸酯固化剂‌。

芳香族异氰酸酯 (如TDI三聚体、MDI衍生物)： 反应活性高，干燥快，硬度高，成本低。‌但耐黄变性差，不适合户外或要求高耐候性的场合。‌

脂肪族异氰酸酯 (如HDI三聚体/IPDI三聚体)： 耐黄变性、耐候性极佳，反应活性适中。成本较高。是高品质、耐候性油墨的首选。

封闭型异氰酸酯： 需要高温解封固化，用于单组分体系或特殊工艺（如印铁）。

关键参数考量：‌

分子量/粘度：‌ 影响油墨整体粘度、固含量和流变性。

羟基含量 (OH值)：‌ 决定与固化剂的比例（NCO比率）。

玻璃化转变温度 (Tg)：‌ 影响油墨的硬度、柔韧性、耐热性和干燥速度。

溶剂相容性：‌ 确保树脂在选定溶剂体系中溶解良好、稳定。

官能度：‌ 影响交联密度和最终性能（硬度、耐性）。

配伍性：‌ 不同树脂牌号间的相容性需要测试，尤其是在复配使用时（如丙烯酸拼聚酯改善特定性能）。

固化剂 (异氰酸酯组分)：‌

根据主体树脂、性能要求和成本选择（见上文类型选择）。

关键参数考量：‌

NCO含量：‌ 用于计算与羟基树脂的配比。

粘度：‌ 影响添加和混合分散。

官能度/分子结构：‌ 影响反应速度、交联密度和最终膜性能（如柔韧性）。

游离单体含量：‌ 越低越好（安全和气味）。

相容性：‌ 确保与主体树脂溶液相容性好，避免析出或胶化。

颜料/填料：‌

选择依据：‌ 颜色、遮盖力、色浓度、耐性要求（耐光、耐热、耐迁移）、分散性、成本。

类型：‌

有机颜料： 色谱广、鲜艳、着色力高。关注耐光性、耐溶剂性、耐迁移性。常用于彩色油墨。

无机颜料： 遮盖力强、耐候耐热性好、成本低。色谱不如有机颜料鲜艳。如钛白粉（白色）、炭黑（黑色）、氧化铁系列（黄红棕）。

特殊颜料： 荧光颜料、珠光颜料、金属颜料（铝粉、铜金粉）等，需要特殊分散和考虑其稳定性。

填料： 如碳酸钙、硫酸钡、滑石粉等，用于降低成本、调节流变性、增加遮盖力或改变表面摩擦系数。选择需考虑吸油量、细度、白度和对耐性的影响。

分散稳定性：‌ 需要使用合适的分散剂确保在树脂体系中良好稳定分散，防止絮凝、沉降。

溶剂体系：‌

作用：‌ 溶解树脂，调节粘度、干燥速度、流平性，影响基材润湿性。

选择原则：‌

溶解力：‌ 对树脂（主树脂、固化剂）有良好溶解能力（真溶剂），避免树脂析出。

挥发梯度：‌ 通常采用‌混合溶剂‌（真溶剂+助溶剂+稀释剂）以获得理想的挥发速度曲线（初始快干保证网点清晰度，后期慢干保证流平性）。

沸点范围：‌ 根据印刷速度、干燥设备能力选择。

表面张力：‌ 影响对基材的润湿铺展性。

安全性/环保性：‌ 毒性、闪点、VOC含量符合法规要求。

成本。‌

常用溶剂举例：‌

真溶剂： 酯类（乙酸乙酯、乙酸正丙酯）、酮类（丙酮、丁酮、甲基异丁基酮MIBK）、部分醇醚类（PMA丙二醇甲醚醋酸酯）。

助溶剂： 醇类（乙醇、异丙醇、正丁醇）——对聚氨酯溶解力有限，常与酯酮复配。

稀释剂： 甲苯、二甲苯（芳香烃，溶解力强，VOC/毒性问题限制使用）；溶剂油（脂肪烃，常用于降低成本，溶解力差，需控制比例）。

溶剂平衡：‌ 精确调整各溶剂比例是保证印刷适性和储存稳定性的关键。

助剂体系：‌ “少量但关键”，用于解决特定问题或微调性能。

分散剂：‌ 促进颜料润湿分散，提高分散稳定性、着色力和光泽度。‌至关重要！‌

流平剂：‌ 降低表面张力，消除橘皮、针孔，改善流平性和基材润湿。

消泡剂/脱泡剂：‌ 抑制生产和使用过程中气泡的产生和稳定，消除针孔、火山口等缺陷。

附着力促进剂：‌ 针对难附着的基材（如PE、PP），提高树脂与基材的化学键合或物理锚定作用。

增滑/抗刮剂：‌ 蜡类（PE蜡、PTFE蜡）或有机硅助剂，提高表面滑爽度，改善耐磨擦性和抗粘连性。

消光剂：‌ 二氧化硅等，用于制造哑光效果。

催化剂：‌ 二月桂酸二丁基锡（DBTDL）等，用于低温或需要加快固化速度的情况（慎用，可能缩短适用期）。

稳定剂：‌

抗氧剂： 防止树脂氧化降解（特别是聚酯）。

紫外线吸收剂/光稳定剂： 提高耐候性（特别是脂肪族体系也推荐添加）。

触变剂：‌ 气相二氧化硅等，防止沉降，赋予油墨触变性（如丝网油墨需要）。

第三步：配方设计与计算‌

确定固体份 (NV%)：‌ 根据印刷工艺要求（粘度范围）和干燥条件设定目标固含量。

计算主树脂用量：‌ 基于目标固含量和树脂溶液的固含量来计算所需树脂溶液质量。

计算颜料/填料用量 (P/B Ratio - 颜基比)：‌

颜料质量 / (主树脂固体份 + 固化剂固体份) 的质量比。

根据目标遮盖力、色浓度设定初始值（如白色1.0-1.5:1，黑色0.2-0.5:1，彩色0.5-1.0:1），通过实验优化。

计算固化剂用量：‌

关键公式：‌ 固化剂用量 = (主树脂固体份 × 主树脂羟值 × 42) / (固化剂NCO含量 × 100 × NCO比例)

42:‌ 是NCO当量（42g/mol）。

NCO比例：‌ 通常在1.0:1 到 1.2:1（摩尔比）之间。

1.0:1（理论值）：交联可能不足，柔韧性好但耐性可能略低。

1.05:1 - 1.1:1（常用范围）：平衡性能和适用期。

>1.2:1：交联密度高，硬度耐性好，但柔韧性下降，脆性增加，适用期缩短。

务必使用树脂和固化剂供应商提供的准确羟值和NCO含量数据。

计算溶剂用量：‌

总溶剂质量 = 配方总质量 × (100% - 目标固含量%)

根据设定的混合溶剂比例（快干：中干：慢干）分配具体溶剂用量。

确定助剂用量：‌ 参考供应商推荐添加量（通常为总配方量的0.1%-3%），通过小试确定最佳效果。

第四步：实验室小试与性能测试‌

配料与分散：‌

按计算量称取主树脂溶液、部分溶剂、分散剂、颜料/填料。

使用高速分散机或砂磨机/珠磨机将颜料充分分散研磨至细度合格（通常≤10μm，高档油墨≤5μm）。

调漆：‌

将研磨好的色浆与剩余的主树脂溶液、溶剂及其他助剂（流平剂、消泡剂、增滑剂等）混合均匀。

注意：‌ 催化剂应在最后阶段谨慎加入。

添加固化剂（临用前）：‌

使用前按计算量准确称取固化剂。

将固化剂加入到调好的油墨基料中，‌低速充分搅拌均匀‌。避免高速搅拌引入气泡。

记录混合时间，开始计算‌适用期‌。

性能测试：‌

印刷适性：‌

粘度（旋转粘度计，不同剪切速率）：初始粘度、触变性、粘度稳定性（随时间/温度变化）。

粘性（Tack值）。

干燥速度（指触干、实干）。

流平性（刮板观察）。

成膜性能（制膜后测试）：‌

物理性能： 光泽度、颜色（色差仪）、遮盖力、细度。

机械性能： 附着力（百格法、划圈法、拉拔法）、柔韧性（T弯试验）、耐磨性（Taber或RCA磨耗仪）、硬度（铅笔硬度）。

耐性测试： 耐水性、耐酒精/溶剂擦拭、耐酸碱性、耐高温性（烘烤、蒸煮）、耐油脂、耐粘连性。

耐候性（如适用）： QUV加速老化、氙灯老化。

特定应用测试： 复合强度（剥离强度）、热封强度。

第五步：配方评估与优化‌

分析测试结果：‌ 将测试数据与第一步制定的目标要求进行严格对比。

识别问题点：‌ 哪个/哪些性能未能达标？是附着力不足？干燥太慢？流平差？耐酒精差？成本过高？

针对性调整：‌

调整树脂类型或牌号（如更换韧性更好的树脂改善T弯）。

优化颜基比（P/B）。

微调NCO比例（如耐性不足可略提高）。

改变溶剂组成和比例（如调整挥发梯度改善流平或干燥速度）。

更换或增减助剂种类/用量（如增加附着力促进剂，调整消泡剂用量）。

尝试不同分散剂或分散工艺（改善着色力/流动性）。

迭代小试：‌ 根据调整方案重复小试和测试过程，直至所有关键性能指标满足要求。

成本核算与优化：‌ 在满足性能的前提下，考虑使用性价比更高的原料或调整配方结构降低成本。

储存稳定性测试：‌ 对优化后的配方进行加速储存（如40℃/50℃下放置数周）或常温长期储存测试，观察粘度变化、沉降、絮凝、胶化等情况，确保商品化后的保质期。

第六步：中试放大与生产调试‌

制定生产工艺：‌ 确定生产设备（分散缸、砂磨机、过滤设备）、加料顺序、分散