分類：投稿 作者：佚名 來源：網(wǎng)絡(luò)整理 發(fā)布時間：2023-04-09
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林日勝
杭華油墨股份有限公司研究5部副部長
高級工程師
1998年進入油墨行業(yè)，專注于液體類油墨研究。完整地見證了國內(nèi)溶劑性油墨從甲苯到無甲苯的環(huán)保進步，以及水性油墨從低檔的紙箱柔印發(fā)展至高速、高精細衛(wèi)星式柔印的技術(shù)進步。2004年開始衛(wèi)星式柔印油墨配方開發(fā)，是國內(nèi)第一代自主開發(fā)衛(wèi)星式柔印油墨的主要負責(zé)人。有多篇與油墨相關(guān)的重要文章發(fā)表，并且是多個油墨類核心專利的第一發(fā)明人。
01.
前言
自2015年各地發(fā)布針對印刷業(yè)的VOCs排放限制法規(guī)以來，有關(guān)水性化印刷的各種議論經(jīng)熱不衰。然而信息眾說紛紜，譬如不斷有油墨廠家聲稱開發(fā)出了完全媲美溶劑型體系的水性油墨產(chǎn)品，或者有印刷廠計劃近期內(nèi)完全用水性化油墨印刷；但各種說法基本上都不能深究，政府部門卻因此不斷提高對油墨水性化的期望值，譬如近期熱議的水性油墨5%VOCs限量的新行業(yè)標準，實際結(jié)果反而令從業(yè)者無所適從。
在要求苛刻的薄膜印刷領(lǐng)域，我們通過各個環(huán)節(jié)的緊密合作，水性油墨的應(yīng)用已經(jīng)有了較多的成功案例（如圖1所示的150LPI的衛(wèi)星式柔印展示印樣，圖2所示的200LPI的凹印壁紙產(chǎn)品），不過這些只說明了原理性和方向性的正確，它并不能改變“水”的性質(zhì)、也離不開基本的印刷原理和各相關(guān)環(huán)節(jié)的磨合，相對于“完美的方案”，我們更期待能夠分享實施過程中碰到的困難和心得。
圖1 衛(wèi)星式柔印印樣(150LPI)
圖2 凹印印樣（200LPI）
本文嘗試從油墨和印刷配合的角度，重新整理用水性化油墨印刷的基本思路，并就一些基本原理，以及相關(guān)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行一些說明或解讀，以期拋磚引玉。
02.
基本情況
水性油墨印刷并不是新事物，在紙張印刷領(lǐng)域，譬如紙箱（柔印）、紙袋（柔?。?、食品包紙（柔?。?、禮品紙（凹?。?、裝飾紙（凹?。约安糠旨埶軓?fù)合領(lǐng)域（譬如利樂包）等等，在國內(nèi)已經(jīng)成熟實施了近二十年。其優(yōu)點顯而易見：
a. 可以符合VOCs排放法規(guī)的要求
b. 可以改善氣味、有害氣體濃度等勞動環(huán)境
c. 降低車間消防等級
d. 降低溶劑殘留
e. 節(jié)約成本
然而，在薄膜印刷領(lǐng)域，油墨水性化的缺點也暴露無疑：
a. 實施準備過程復(fù)雜
b. 干燥效率低下
c. 高精美的印品難以實現(xiàn)，且墨層耐性下降
d. 產(chǎn)生使用溶劑型油墨沒有的污水問題
因為種種原因，到目前為止，國內(nèi)在凹版和柔版為主的薄膜水性化印刷方面，實質(zhì)上還處于初級階段，當然更談不上產(chǎn)業(yè)化統(tǒng)計。對此，業(yè)內(nèi)人士持消極態(tài)度的也為數(shù)不少。
然而，在另外一個重要的印刷領(lǐng)域：噴墨印刷，我們意外地發(fā)現(xiàn)，針對各類非吸收性承印物的水性噴墨印刷已經(jīng)悄然普及開來，且規(guī)模越來越大。這得益于幾個工業(yè)巨頭對噴頭、墨水、承印物、印刷機等關(guān)鍵要素的強大整合能力；與薄膜印刷相比，雖然其水墨的性質(zhì)不同，但基本原理是一致的。其中一些措施令人耳目一新：譬如為了令油墨快速干燥和控制墨點擴散，其對薄膜進行預(yù)熱，并在薄膜上涂布與油墨相互反應(yīng)的涂層（如油墨為陰離子型，則涂層為陽離子型）。可見水性油墨在非吸收性的薄膜基材表面印刷是完全可行的，只是需要系統(tǒng)地梳理與之相關(guān)的其他關(guān)鍵要素。
03.
水性油墨印刷的關(guān)鍵點
目前水性化印刷的實施主要針對現(xiàn)有溶劑型油墨生產(chǎn)體系的轉(zhuǎn)化，因此寄希望于某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)革命性、完美的技術(shù)是不現(xiàn)實的。它必定需要幾個工業(yè)環(huán)節(jié)的密切配合：
承印物、油墨、制版與設(shè)計、印刷與加工，它們是相互關(guān)聯(lián)和影響的。同時，一些基本的理念，譬如薄墨層印刷方式的采用，則已經(jīng)是普遍論述的。
本文敘述過程中，沒有特別地區(qū)分凹版和柔版印刷方式，為了防止部分讀者的困擾，在此略作說明：
凹印方式和柔印方式最重要的區(qū)別在于墨路傳遞的長短和轉(zhuǎn)移方式（直接還是間接轉(zhuǎn)移），柔印要比凹印多一個中間傳遞油墨的網(wǎng)紋輥，由此帶來了墨量的二次分配（柔印網(wǎng)紋輥上的油墨轉(zhuǎn)移到印版表面的方式與凹印的油墨轉(zhuǎn)移基本相當，都大約有50%的油墨轉(zhuǎn)移率；柔印印版表面的油墨通過再次轉(zhuǎn)移才能到達承印物表面，此時大約也有40%-50%的油墨轉(zhuǎn)移率），也就是說，柔印的墨層相比凹印而言會比較薄。
凹印和柔印兩者的工作方式如圖3、圖4所示。
圖3 凹印示意圖
圖4 柔印示意圖
薄墨層的概念在本文中會多次提到，除了柔印方式本身具備的薄墨層以外，凹印方式也可以通過淺版化來降低墨層厚度。
墨層的減薄對于水性化印刷來說是至關(guān)重要的一點，它能夠大大緩解水性油墨帶來的干燥問題困擾。
我們以油墨實際上機印刷狀態(tài)計，水性油墨中會含有至少70%以上的可揮發(fā)成分（其余為樹脂、顏料和助劑），通常由水、醇/醚類溶劑和少量的胺等VOCs組成，簡單框定5%的VOCs成分、65%的水，那么，可以按照表1數(shù)據(jù)估算油墨的蒸發(fā)潛熱或者蒸發(fā)速率。
從表1可以很直觀地看出水的蒸發(fā)潛熱之大和蒸發(fā)速率之小，因此水性化印刷的第一要素就是提高油墨的干燥性能。作為工程手段，基本圍繞著水分蒸發(fā)四要素（溫度、干燥面積，氣流速度和濕度）進行的，譬如提高（承印物、油墨、烘箱）溫度，增加干燥面積（烘箱長度），加快氣流速度（風(fēng)速和風(fēng)量），降低濕度（環(huán)境抽濕或烘箱抽濕）。
表1 各種溶劑的理化指標
（點擊可放大表格）
不過最為重要，是進行薄墨層的印刷，這是源頭性的控制，簡單地說，假定水是油墨里干燥最慢的物質(zhì)，那么我們只需要把水的總量減少下來就可以了，其他慢干揮發(fā)份也是如此，只要墨量下來，干燥過程就會相對加快。
因此特別推薦柔性版的印刷方式，并建議提高網(wǎng)紋輥線數(shù)；對于凹版印刷，則推薦淺版化制版，對應(yīng)的油墨則需要高濃度化，以保持原有的色彩，如圖5所示。
圖5 薄墨層印刷方案
04.
常見問題及考察點
建議計劃轉(zhuǎn)向水性化印刷的廠家進行一次完整的關(guān)聯(lián)環(huán)節(jié)調(diào)查，以便確定自身是否具備相應(yīng)的條件，具體如下：
1. 承印物
需要檢查如下性能與水性油墨是否適配
1) 附著力和潤濕性問題。
2) 部分承印物較易發(fā)生皺縮，如薄紙和尼龍等。
3) 親和性問題。
使用水性油墨的承印物通常需要比常規(guī)承印物（溶劑型印刷用）更高的表面處理度，必要時需要改變成分或者附加涂層，個別附加了功能性涂層的承印物需要重新考察其與水墨成分發(fā)生反應(yīng)的可能性。該性能一般委托油墨廠或材料商做匹配測試。
4) 熱收縮/熱變形檢查。
同樣條件下，用水性油墨印刷所需的干燥溫度比溶劑型油墨印刷高10~20℃不等，因此部分對溫度敏感的承印物需要非常小心。如收縮性薄膜（PVC/PET收縮標簽），以及一些軟質(zhì)或伸縮性較大的薄膜，如軟質(zhì)PE、透氣膜等，這些承印物均容易受熱變形。
薄墨層的印刷方式，可以最大程度地減少對干燥熱量的需求，因此特別推薦衛(wèi)星式柔版印刷，這方面國內(nèi)已經(jīng)有一些應(yīng)用的實例。這些承印物據(jù)說也有進行水性凹版印刷的實例印刷膜包裝廠家，但不管怎樣，這些承印物必須在較低的溫度下進行干燥。由此需要其他干燥手段的補償，代價必定是較高的。
2. 油墨
1) 選用高色濃度的水墨，以便更好地適應(yīng)薄墨層印刷
2) 干燥性
我們既需要油墨能夠快速干燥，以提高生產(chǎn)效率，但同時需要油墨在印版或網(wǎng)紋輥上能夠保持在可瞬時被重新溶解為原始油墨的狀態(tài)，即油墨專業(yè)中常說的“再溶解性”，以防止堵版之類的印刷故障。對于印刷而言，初干和徹干兩個性質(zhì)更加容易評判。
- 初干：通常取決于油墨中的水量。初干性的測試可以參照國標GB/T 13217.5-2008 的方法，一個比較直觀的理解為油墨中99%以上的揮發(fā)份去除后的狀態(tài)，此時呈現(xiàn)出干性的墨膜，但很容易被再次溶解。
- 徹干：取決于油墨設(shè)計，譬如成膜性控制和其它慢干成分的加入。徹干通常對應(yīng)油墨中慢干成分和胺類物質(zhì)的最終去除，此時墨膜性質(zhì)呈現(xiàn)出不可逆的固化。
說明：正式使用油墨印刷前，務(wù)必向油墨廠索取準確的數(shù)據(jù)：固含量、VOCs含量和水含量等。
3) 印刷操作性
- 透明部分（窗口）易出現(xiàn)霧狀（凹版印刷中常見）
- 金、銀墨的遮蓋力下降
- 文字線條較粗，陰字不清楚：通常需要制版修正
- 透明顏色的透明性不佳：通常由油墨中的添加劑引起，這種添加劑一般用于防止黏連
- 白色墨的干燥性不足：白墨滿版的情況較多，且為最后一色，因此表現(xiàn)比較明顯
- 白色墨的高粘度對應(yīng)的刮刀適性不良
4) 保存穩(wěn)定性
- 凍融穩(wěn)定性：反復(fù)的凍-融循環(huán)可能會破壞油墨的穩(wěn)定性，建議在零度以上儲存
- 殘墨穩(wěn)定性：殘墨容易因為胺揮發(fā)導(dǎo)致變質(zhì)，也容易霉變。管理上需要對應(yīng)的措施，一些最基本的措施包括：PH值檢測，密閉保存，保質(zhì)期管理（通常不超過3個月，按油墨廠指導(dǎo)）以及最重要的再次使用前過濾。
5) 作為包裝材料的油墨物性
- 水性油墨的印刷品目前耐磨性、光澤度、耐水性等物性相對溶劑型油墨略差
- 在有內(nèi)容物滲透，或者需要高溫、低溫處理時，需要加強測試
- 部分性能的實現(xiàn)是極其困難的，譬如啤酒標簽的堿洗場合中的耐化學(xué)性能
6) 油墨溶解和成膜原理：
a. 水墨的溶解
眾所周知，水墨的成分可以簡單地分為：顏料、樹脂、水、胺以及其他溶劑或助劑。
雖然水墨是以水為主要載體，但油墨的各個成分并不是直接溶于水的（為了保證印刷品的耐水性），而是借助于堿性物質(zhì)（胺），令不溶于水的樹脂（如羧基聚合物）離子化，進而溶于水。當油墨干燥時，胺和水揮發(fā)，樹脂逐步去離子化，最終形成干膜，此時干膜的水溶性通常低于5%，并顯示出較好的耐水性。
上述設(shè)計在原理上是非常精巧的，正因為如此，水墨的印刷平衡有時很難掌握，其原因在于胺與水分的揮發(fā)很難同步進行（常用的氨水沸點為36℃，乙醇胺為170℃，氫氧化鈉則達到1388℃），很容易因為胺揮發(fā)造成不可逆的干結(jié)或者因為胺殘留造成耐水性的不良。油墨中的離子平衡當然是油墨工程師的工作，但印刷現(xiàn)場有時也會要求進行調(diào)整，大多數(shù)問題會發(fā)生在這個階段。
b. 墨膜的形成
在要求高附著力或者高耐抗性的場合，水性油墨設(shè)計上必定會涉及成膜性的控制。簡單而言，按上述a的原理，樹脂的分子量通常小于15000，酸值高于150mgKOH/g，因此在薄膜上會表現(xiàn)出很低的附著力和耐抗性。一種普遍采用的技術(shù)手段是對樹脂進行高分子量化（大于5萬甚至大于20萬），以及低酸值化（譬如低于50mgKOH/g），但由此帶來的弊端是樹脂無法完全溶解，或者說只能以乳液形式存在（表現(xiàn)為大粒徑和粒子間分離）。油墨工程師需要不斷地調(diào)節(jié)，令乳液在徹底干燥階段，可以順利地融化進而成為平整、相互連接的膜，如圖6所示。這里最關(guān)鍵的因素就是溫度以及對應(yīng)進行的時間。
圖6 墨膜形成機理及過程
上述原理實際上非常復(fù)雜，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的針孔、附著力波動、印版清洗困難等疑難雜癥，都是來源于此。
得益于眾多企業(yè)的努力，在乳液新技術(shù)開發(fā)方面，近期有很多令人欣慰的成果，其進展正在改變水性油墨“難以使用”的現(xiàn)狀。
3. 制版與設(shè)計
1) 凹版
a) 為了快速干燥需要進行淺版化，激光制版是推薦的方式。一個推薦的標準條件：滿版200LPI，層次版250LPI。
b) 確定適合水性油墨的制版條件（線數(shù)、孔狀、版深），制版廠一般會有現(xiàn)成的參考數(shù)據(jù)。
c) 在承印物上的再現(xiàn)性，必須重新制作色彩管理數(shù)據(jù)。
d) 色調(diào)、細線等的再現(xiàn)性：通常需要對電雕曲線和印前調(diào)圖參數(shù)進行修正。
e) 提高印版的精確度、表面狀態(tài)如硬度等：可順利用于溶劑型油墨的普通印版，在用水性油墨印刷時，很容易出現(xiàn)版霧印刷膜包裝廠家，這是因為水對印版親和性強且干燥緩慢，輕微的版上殘留就很容易表現(xiàn)出來。提高真圓度等精度指標是必要的。
另外，用水性油墨印刷時凹版的耐印率會大幅降低，需要特地增加對抗措施，譬如增加鍍鉻的厚度、潤滑性優(yōu)良的刮刀匹配等，即便如此，印版壽命均普遍性地下降。這也是目前用水性油墨進行凹版印刷的一個難點。相對地，柔版印刷中與刮刀進行摩擦的網(wǎng)紋輥通常是陶瓷制成的，壽命要長得多。
2) 柔版
柔印的制版可以是通用的，但需要關(guān)注一些新技術(shù)的應(yīng)用，譬如高清制版，平頂網(wǎng)點，微穴加網(wǎng)等，這些技術(shù)目前更新很快。
一般的配置：印版使用150LPI或175LPI，網(wǎng)紋輥800LPI~1200LPI，對于滿版的白色，出于遮蓋力的考慮，網(wǎng)紋輥線數(shù)會調(diào)整到300LPI~500LPI。
4.印刷及加工過程
1) 提高干燥能力、效率（干燥方式、干燥時間、風(fēng)速、風(fēng)量等）
相對于溶劑型油墨，水墨需要額外考慮環(huán)境濕度和烘箱濕度的管理。
2) 刮刀情況確定（材質(zhì)、角度、距離、壓力等）
另外，由于水的特性，水墨的潤滑性特別差，而這方面的研究目前非常欠缺。需要根據(jù)印版（凹?。┗蚓W(wǎng)紋輥（柔?。┑谋砻鏍顟B(tài)，選配一把潤滑性優(yōu)良的刮刀。
3) 油墨循環(huán)系統(tǒng)情況的確定（循環(huán)方式、循環(huán)速度等）
水性油墨非常容易出現(xiàn)氣泡，油墨循環(huán)條件（泵、過濾、進出墨管的調(diào)節(jié)）優(yōu)化是優(yōu)先推薦的解決辦法，它沒有常規(guī)采取添加油墨消泡劑的方法所引起的縮孔和經(jīng)時降效的問題。
4) 印刷現(xiàn)場管理措施的確定（稀釋方法、粘度調(diào)整方法、刮刀更換周期、清洗方法等）
及時的清洗有助于緩解印版（或網(wǎng)紋輥）的堵塞問題，前面已經(jīng)說明過，當油墨徹底干燥之后，將會發(fā)生不可逆的墨膜干結(jié)，因此所有的快速清洗均需要在油墨尚處于“濕”或“初干”狀態(tài)時進行。這也是為何大家都強調(diào)及時清洗以及“停機不停輥”等操作要求。徹底干結(jié)的版輥通常需要帶有強堿性的專用清洗劑清洗，費時費力，盡量避免。
5) 印刷后的復(fù)合問題
目前常見的復(fù)合方式：擠出、水膠和無溶劑復(fù)合都是環(huán)保性較高的復(fù)合工藝，然而油墨的通用化還有待努力。
諸如白點、膠水皺縮、強度波動等復(fù)合問題發(fā)生率較高，這些通常與油墨中添加劑變化以及干燥不徹底有關(guān)。
耐蒸煮的應(yīng)用目前非常有限，應(yīng)注意目前一些成功的案例都是有嚴格的限定條件。
結(jié)合自身情況，按照上面的順序進行檢查，列出問題點，并和各個環(huán)節(jié)進行一次解決方案的討論后，相信大家會對水性化印刷的可行性有一個直觀的感受。當然，最好的辦法是進行一次全過程測試。
未完待續(xù)
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