凹印油墨与柔印油墨的水性化解决方案(柔印水墨软包装实例)

在轰轰烈烈尝试了各种印刷VOCs治理方案之后,从源头解决印刷环保问题,用凹印油墨与柔印油墨的水性化解决印刷对大气环境的污染,在不增加印刷企业制造成本条件下走出一条绿色印刷之路,这是2017年国内印刷界书写的浓墨重彩的一笔。

按照环保部科技标准司标准处的要求,中国印刷技术协会柔性版印刷分会于2017年11月在上海组织了采用溶剂含量不超过5%的水墨在OPP薄膜上里印,采用OPP与PE无溶剂复合,用一个完整的柔印水墨软包装实例,证明了这一环保工艺的可行性。

水墨允许的溶剂含量应该控制在什么范围?

2017年10月,环保部环境认证中心主持修订的“环境标志产品技术要求  凹印油墨和柔印油墨”,即已经实施10年的HJ/T  371-2007,经两轮专家组投票,终获通过。在2017年6月的北京讨论会上,12个有投票权的专家全票通过该修订讨论稿,经网上公示后,在2017年11月初的上海讨论会上又以7∶1的结果再获通过。在两次审定会期间,环保部相关部门根据网上公示引起的反响,分别在北京和上海召开了讨论会,多次听取不同意见。这同2016年修订HJ/T  370-2007,即胶印油墨的环境标志产品技术要求相比,当时的相对平静,而此次的剧烈争论、不同意见针锋相对,确实令人惊诧。

不同意见争论的焦点,即水墨允许的溶剂含量应该控制在什么范围。拥护修订讨论稿的意见,赞成水墨溶剂含量不超过5%;反对意见则认为这不可能做到,强烈反对。反对意见中,主要针对凹印水墨,有赞成维持10年前30%的,也有赞成10%——15%的,甚至还有虽然不赞成5%,但如果标准最终定在5%,我们也能适应这种表态的。至于柔印水墨,由于10年前定的溶剂含量标准是不超过10%,而10年来的实践表明,目前柔印水墨普遍的溶剂含量数据已是不超过溶剂含量5%。反对意见中有一种观点很有趣:柔印既然能做到5%,不妨控制得再严点,但凹印不能同柔印捆在一起,凹印决不能采用溶剂含量5%。

这场争论引起了中国印刷技术协会领导的关注。在2017年11月底西安召开的凹印年会暨陕西北人50周年庆典上,根据相关媒体的报道,领导的说法是这样的:

“近年来,随着凹印水性油墨的研发及推广应用,纸基材料的水性凹版油墨印刷已经实现,但软包装材料的水性凹版里印复合油墨印刷质量还不能保证,印刷速度和生产效益还不理想,还需要行业研发单位共同努力、继续不断创新。”

“……要依靠技术进步,从源头治理涉及环境的问题,如加大水性油墨研发力度,尽快降低醇类溶剂的含量,同时通过凹印设备的改造升级达到环保要求等。”

“近期环保部科技标准司委托环保部环境认证中心组织修订‘环境标志产品技术要求  凹印油墨和柔印油墨’环保行业标准,2017年11月初刚刚在上海召开了标准审定会,会上就标准高低的掌握上有一些讨论,这个话题的讨论可能还在延续中。我们要看到的是,环保部关于环保刚性约束的要求在加大,我们的弹性工作范围有多大不好讲。绿水青山,生态文明建设的要求已经写到了新修改的党章中,我们要增强这方面的责任感,因而这也是今后一个时期全党的中心工作。”

这是国内印刷界领导对水墨溶剂含量这个问题的公开表态,业界同仁尽可以按自己的意思来理解。但讲话中关于刚性与弹性的表述,意味深长。

反对意见中有一个具体意见很有意思:溶剂含量不超过5%的水墨在薄膜上的应用,在表印上没有太大问题,可以不反对。但在里印上不行,这不是指印刷工艺不行,而是指水墨里印后无溶剂复合工艺不行,剥离强度达不到国标要求。由于采用醇溶性油墨里印与无溶剂复合没有出现过这个问题,因此可以推论出现这个问题主要还在于水墨里印不行,即溶剂含量不超过5%的水墨质量不行。

笔者作为柔印分会代表,有幸参加了标准讨论稿的两次审定,在讨论反对意见提出的该问题时,笔者提出了一个分析与解决办法。很幸运,由于笔者以前在油墨行业与印刷行业的经历,反对意见没法反驳。因此,当环保部科技标准司标准处领导提出要求——柔印分会能否作一个印刷实证来证明这个方法的可行性时,笔者当时表态要向协会领导汇报,若协会接受环保部委托,我们将责无旁贷。

柔印分会对环保部的委托作了慎重研究,领导表态:柔印分会可以作柔印实证,但不作凹印实证。我们将用产品实例证明:不超过溶剂含量5%的柔印水墨可以在薄膜上印出精美产品,也可以在而后的无溶剂复合中作出合格产品,以论证标准修订稿的可行性。

除了柔印分会自身,参加该实证项目的有承担印刷任务的上海紫泉标签有限公司,承担制版的信华精密制版(上海)有限公司,承担版材的富林特集团柔印产品事业部,承担无溶剂复合的上海康达化工新材料股份有限公司。项目所需要的所有设备、耗材与人工,均由参与单位自己承担。此外,项目还得到了上海新三花薄膜有限公司的支持,产品分切由他们承担。

此次试验所采用的水墨,分别由富林特(广州)油墨有限公司与上海墨传新材料科技有限公司提供。原先考虑还拟请2家油墨企业参加,一家知名外企在接到邀请经慎重考虑后放弃,另一家是上海紫泉原有的供应商,我们事前了解他们也有相关产品,但上海紫泉拒绝了。听闻柔印分会组织此次实证,还有好几家油墨企业表示愿意提供产品。但由于目前的水墨试验规则是由印刷企业承担薄膜等大宗耗材成本,为了不增加印刷企业的试验成本负担,我们并没有采纳。

此次实证课题的技术后盾是北京工商大学辛秀兰老师的团队。辛老师是《水性油墨》一书的作者,此书在国内水墨制造界享有很高声誉,2012年就已出版第二版。不少水墨制造企业的技术人员都读过此书,此书在水墨配方、水墨制造方面有很重要的参考价值。

由于环保部科技标准司标准处提出实证的初衷是要作凹印水墨薄膜里印与无溶剂复合,而柔印分会考虑到兄弟协会之间的关系,不方便越俎代庖,因此只能作柔印水墨薄膜里印与无溶剂复合。在宽幅薄膜印刷上用柔印代替凹印,总不能用卫星式柔印通用的133线/英寸印版代替凹印主流的175线/英寸印版,因此实证方案对分色制版的第一个要求就是采用175线/英寸印版,印刷质量的目标是从消费者角度来看,分辨不出是凹印还是柔印。

上海紫泉此次承担印刷任务的一台意大利进口的卫星式柔印机,已运行多年。该机型的桥式烘干装置原是适应溶剂型柔印油墨的,烘道较短,约为3.5——4.0米,而一般的卫星式柔印机烘道为6.0——7.0米。新型号的该类设备已在我国山东生产。为配合印版需求,网纹辊采用800线/英寸。印版图片由信华制版提供,为静物,能充分兼顾高光、中调与暗调,从图案本身来看,看不出是适应凹印或柔印。

由于实证讲究印刷速度,即产能,因此为保证水墨干燥不影响后续的无溶剂复合,工艺规定此次实证的印刷速度控制在200m/min,两种水墨在为复合工艺作里印时印刷速度均不超过此限。此次实证的印刷速度不等于该水墨可以达到的最高印刷产能。

由于该实证的另一重要内容是无溶剂复合,而且必须达到国标对薄膜复合后剥离强度的要求。因此实证设计的方案是CMYK四色水墨在OPP薄膜上里印,然后同乳白PE膜复合。根据这种产品结构,国家规定的剥离强度是0.7N/15mm。因此产品复合强度必须大于国标,这是底线。

其实,设计里印加无溶剂复合这个实证环节,针对性很强。笔者曾在2017年3月《印刷技术》杂志上撰文,专门提到过这个问题:“水墨印刷后,在使用异氰酸根与氢氧根配比要求比较严格的无溶剂复合胶黏剂时,如何考虑印刷膜中残留的氢氧根以多少比例参与后续的复合交联反应?”这是2003年以前我们在无溶剂复合时,已经发现的问题并积累的经验,10多年后,只是将彩膜上醇类油墨的氢氧根残留改作水性油墨的氢氧根残留,本质上是一致的,没有创新。可惜这篇公开发表的文章读懂的人估计并不多,所以反对意见竟会据此来作为一种责难。

油墨业估计也曾遇到过这个坎,前述那个回绝了我们邀请的知名外企,在了解此次实证意图时要求我们先回答一系列问题,其最后一个问题就是:印刷残留的测试方法和具体指标。在看到这一要求时,笔者相信他们已经有过在醇溶性油墨彩膜无溶剂复合方面的教训与经验,对水墨彩膜无溶剂复合剥离强度已有警觉。虽然此次没有合作,但高手过招,一点就透,已经说明我们这个实证环节在业内确实具有难度。作好了这个实证,也一定能体现该工艺的先进性。

由于实证有时间限制,因此在印刷单位确认了采用上述两家油墨企业的水墨以后,留给我们对这两种水墨作实验室测试的时间非常有限。同一般印刷企业作水墨上机中试不同,此次实证对实验室测试环节非常重视,即使实验条件比较困难。实践表明,该工序的实施为现场顺利印刷奠定了坚实基础。

笔者以前就公开过水墨的实验室测试方法(点击即可查看测试方法),在2017年10月《印刷技术》杂志上很容易查到。需要说明的是:在没有条件对每一个测试项目作逐一测定时,同水墨研发人员的直接沟通也很有作用。尤其是生产基地不在上海的油墨企业,在没法提供试验样墨,只能在对方提供的实验室展色样上测定,并通过寻找问题而找到该水墨的特点,或通过沟通了解该水墨在干燥上必须要保证的条件。

柔印水墨实证首先要保证水墨在薄膜上可靠附着。水墨树脂对薄膜的溶解性匹配,既可以通过对水墨设计者的面对面沟通交流而获得,也可以通过用3M600/610测试胶带在我们设定的墨层上测定而验证。不论是水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂,抑或是具有核壳结构的树脂,甚至水分散体树脂,这个了解并测定的过程非常重要,不可缺少。

正如笔者在以往的文章中介绍过的,用3M测试胶带对墨膜附着力的测试,除了溶解性匹配以外,墨膜是否彻底干燥,达到了原有的强度,也是一个不可忽略的因素。因此,了解并判定水墨树脂的玻璃化温度,评估乳液复配后的Tg,并据此确定印刷机的干燥条件,非常重要。此次实证对两种不同水墨成膜温度与成膜时间的测定,对顺利印刷功不可没。样墨的实际测定由辛老师团队完成。实践表明:高校对印刷产业的支持必不可少。

同笔者当年在标签印刷企业主持凹印水墨测试时一样,此次实证同样增加了水墨印刷后的熟化工艺。熟化室的温度和时间设定,分别按树脂的成膜温度和成膜时间而定。因为时间上的限制,由北京工商大学实验室测定的样墨数据没来得及在上机印刷前到达,但预估的判定数值已涵盖精确数值,熟化工艺可靠。

由于柔印印版采用了高线数,因此网纹辊也必须采用相匹配的高线数。高线数网纹辊意味着墨量比较小,因此对水墨色浓度的要求比较高,水墨中颜料比例要有明显的提升。实验室测定发现的问题在上机测试前得到了迅速纠正,所以实证的颜色密度令人满意。颜基比的限制并不能阻碍水墨提升颜料比例,水墨的色浓度可以达到相同墨层厚度下UV油墨的色浓度,这已为实际所证明,但前提条件是水性树脂同薄膜树脂在溶解性匹配方面是正确的。

有必要指出的是,由于柔印工艺的固有质量缺陷是堵版,即油墨堵塞了印版各网点间的凹陷区。当堵塞的油墨越积越多,印版上相邻网点搭接,形成搭桥,或者一些仅从表观上来辨识的称呼:脏版、脏点,甚至是糊版等。实证要避免该类故障的有效方法是事前控制印版表面张力与水墨表面张力的匹配,其基本理论是高分子物理的界面分析与界面配合,这是国内柔印界研究了10多年的重要课题。水墨供应商按实证组织方的要求提供各色水墨表面张力数据,经评估后调换或改进不合适数据的产品。如某色水墨的表面张力达38.2mN/m,被预先发现并替换。事前的了解与确认可有效避免印刷过程中出现相应故障,这十分重要。界面分析与界面配合并不是单纯的学术研究,没有必要去争论究竟静态或动态表面张力哪个更重要,用什么方法测试更合理。只要掌控所使用版材的表面张力,了解印版凹陷区表面张力的数值,同所使用水墨匹配,很容易正确评估。

水墨本质上属于挥发性液体油墨,因此柔印水墨印刷时很有可能出现鬼影。印前要避免鬼影,图案设计与印版重复长度设定都必须仔细计算。柔印鬼影的实质是网纹辊转速与印版辊转速的速度差引起挥发性油墨的色泽先后不一致,因此工艺设定时必须预先提防。正确的工艺设定不是等出现问题了再去解决,而是防患于未然,不让故障出现。因此水墨的表干特性与网纹辊、印版辊之间的速度差匹配十分重要。

由于此次是用卫星式柔印机印刷,8色卫星式柔印机最高2个色组离地约2米多,墨桶置于地面,回墨高度接近2米。墨泵将水墨打入封闭式刮墨刀架,回墨顺管道回流至墨桶,循环往复。墨泵对水墨产生的动能及回流水墨产生的势能,是水墨容易起泡的外在因素。因此选用合理的墨泵,尽可能不起泡或少起泡,避免因消泡剂的不合理添加而产生水墨缩孔(印刷上称之为针孔或小白点)的隐患。此次实证选用空气消耗量90L/分钟的气动泵,循环量为9.1——3.5L/分钟,空气压力为0.3Mpa(3.0kg/cm2)。实际印刷时,两种水墨都没有出现明显起泡,没有额外添加消泡剂,印刷品上也没有产生针孔或小白点。

水墨中由于存在乳液结构,这种非均相体系同溶剂型油墨树脂液的均相体系差别很大,容易出现实地流平的不足。柔印采用非溶剂的解决办法是采用柔版的实地挂网技术来改善,这两年被称之为微网穴技术。柔版的实地挂网能有效改善水墨的实地流平,但众多点形的该技术需要事前测定。由于实证有时间限制,无法一一对应选定合适的挂网结构,因此在图案设计时有意规避该故障的产生非常必要。

卫星式柔印采用175线/英寸印版,对柔印还原曲线的要求很高。印刷企业派出有经验的技术人员,协同制版公司,根据该机的印刷网点增大特点,共同选定合理的印刷还原曲线。

为确保实证成功,印刷企业要求协会组织方出具水墨切换溶剂墨的相关工艺指导文件,以避免实际印刷时因准备工作不充分而造成不必要的故障。该要求切实合理,实际印刷时也证明确实需要该项准备。

柔印实证时环保部科技标准司标准处与环境认证中心派员到现场督察,从印刷清洗准备到两款水墨的印刷分别完成(水墨黏度调节只用水,没有添加任何溶剂),看完了整个过程。可以披露当时的工艺参数:卫星式柔印机色组间干燥装置温度设定为70℃,实际达到70℃;桥式烘干装置温度设定为80℃,实际达到75℃;进风风机功率为5.5kW,风压为1200Pa;出风风机功率为7.5kW,风压为1900Pa;色组间干燥装置进风量为6000m3/h,出风量为7000m3/h;桥式干燥装置进风量为8000m3/h,出风量为10000m3/h;印刷彩膜收卷张力为2.8kg,衰减率为15%;两款水墨的印刷速度为200m/min,没有出现因水墨干燥不透而造成的背黏。

柔印水墨薄膜印刷实证完成,环保部相关部门领导取样后离开现场(印刷样张如下图所示)。印刷现场将速度调节到该机最高印刷速度350m/min,顺利完成水墨柔印,同样没有发现因干燥不透而造成的背黏。



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