Rheological Behavior of Carbon Black Inks

Abstract

The printing ink industry is increasingly facing challenges in terms of high manufacturing costs and quality requirements. Rheological properties of the inks must be better understood for the development of production and application processes. Effects of pigment and dispersant content, varnish/solvent ratio, grinding medium, grinding time and storage period on rheological and printed optical properties were investigated for carbon black inks in this thesis work. The viscosity of the dispersant free ink was higher than inks with dispersant. The viscosity of the dispersant-free ink increased after three months storage whereas the viscosity of the dispersant-containing ink remained almost constant. Pigment content or V/S ratio increase resulted in higher viscosities. Grinding with 0.5 mm beads provided a finer size distribution and lower viscosities than ink ground with 0.8 mm beads. Longer grinding time increased the ink viscosities at pigment contents over 20 wt%. Thixotropy of dispersant free ink was determined to be about 12 times higher than 0.5 wt% dispersant containing ink. The thixotropy area of the 30 wt% pigment containing ink was determined to be five times higher than that of 25 wt% pigment containing ink. The thixotropy of the 25 wt% pigmented ink increased when the grinding time was changed from 30 to 60 minutes. Inks with coarser particle size distribution had higher thixotropy. Loss tangent (G''/G') at 10 Hz was used to create a correlation with color strength. Color strength of 14 out of 16 inks was determined higher with lower loss tangent values. Inks containing dispersant, higher pigment contents, varnish/solvent ratios close to one, increasing grinding time at higher pigment content increased the color strengths in printings.

Mürekkep endüstrisi yüksek üretim maliyetleri ve kalite gereksinimleri sebebiyle giderek artan zorluklarla karşılaşmaktadır. Mürekkeplerin reolojik özellikleri, mürekkep üretim ve uygulama proseslerinin geliştirilmesi için, daha iyi anlaşılmalıdır. Bu tez çalışmasında, pigment oranı, dağıtıcı oranı, vernik/çözücü oranı, öğütme ortamı, ezme süresi ve saklama periyodunun hem reolojik hem de basılmış optik özellikler üzerindeki etkileri karbon karası mürekkepler için araştırıldı. Dağıtıcı içeriğinin arttırılmasıyla, mürekkeplerin viskozitesi düştü ve kayma hızı arttıkça viskozitesi azaldı. Dağıtıcı içermeyen mürekkebin viskozitesi üç aylık depolamadan sonra arttı halbuki dağıtıcı içeren dispersiyonun viskozitesi yaklaşık sabit kaldı. Pigment içeriği veya V/S oranı artışı, daha yüksek viskozitelerle sonuçlandı. 0.5 mm'lik bilyeler ile ezme, 0.8 mm'lik bilyelerle ezmeye göre daha ince boyut dağılımı ve daha düşük viskozite sağladı. Daha fazla ezme süresi kütlece % 20'den yüksek pigment oranlarında viskoziteyi arttırdı. Dağıtıcı içermeyen mürekkebin tiksotropisinin, ağırlıkça % 0.5 dağıtıcı içerene göre 10 kat daha yüksek olduğu belirlendi. Ağırlıkça % 30 pigment içeren mürekkebin tiksotropik alanının, ağırlıkça %25 pigment içeren mürekkebe göre beş kat daha yüksek olduğu belirlendi. Ağırlıkça %25 pigment içeren mürekkebin tiksotropisi, öğütme süresi 30 dakikadan 60 dakikaya çıkarıldığında arttı. Daha büyük partikül boyutu dağılımına sahip mürekkepler daha yüksek tiksotropiye sahipti. Renk şiddeti ile bir korelasyon oluşturmak için 10 Hz'deki kayıp tanjantı (G''/G') kullanıldı. 16 mürekkepten 14'ünün renk şiddeti, daha düşük kayıp tanjant değerleriyle daha yüksek olarak belirlendi. Dispersant içeren mürekkepler, daha yüksek pigment içeriği, bire yakın vernik/solvent oranları, daha yüksek pigment içeriğinde öğütme süresinin artması baskılarda renk kuvvetlerini artırdı.