凹版塑料水性复合油墨发展瓶颈及其性能初步研究

凹版塑料水性复合油墨发展瓶颈及其性能初步研究
摘要：本文详细分析了塑料凹印水墨的组成和性能，并指出要达到企业生产的要求，水墨的树脂应该怎样选择，包括连结料、颜料、助剂等物质的选择。

在塑料软包装产业高速发展的带动下，塑料薄膜油墨得到了快速的发展。

尤其是在2008年以来，在国家《食品安全法》和相关国家标准（GB9685-2008食品容器、包装材料用添加剂使用卫生国家标准，GB/T10004-2008包装用塑料复合膜、袋干法复合、挤出复合国家标准）的推动下，无苯型油墨逐渐替代了苯溶型油墨。

到目前为止，国内大中型包装企业也顺利完成了从苯溶型油墨到无苯型油墨的过渡。

但是这样的发展速度仍然跟不上人们对环境要求的期望，塑料复合膜油墨的绿色化之路依旧任重而道远。

随着包装行业VOCs治理进程的加快，塑料油墨水性化势在必行。

一、凹版塑料油墨在无苯化之后存在的问题
1、溶剂大量挥发依旧是对大气环境破坏和人类健康的巨大威胁，油墨中溶剂含量占总量的50%~80%，到目前为止我国每年估计有10~20万吨溶剂被排放到大气中。

无苯油墨中虽然不含有苯类物质，但是酯类及醇类溶剂对环境还是有一定的影响。

2、印刷残留对食品安全的副作用，目前用于食品包装的油墨依旧以溶剂型为主，酯类和醇类溶剂无法做到零残留。

3、生产过程对操作工人健康威胁虽然较小，但还是有一定影响。

由此可见，按照目前塑料复合膜油墨的现状，寻求水性油墨的技术突破，无论从食品安全、自然生态环境可持续性发展角度还是从经济角度都势在必行。

二、目前凹版塑料水性油墨应用现状和遇到的困难
从我国目前的使用情况来看，水墨主要使用在瓦楞纸、纸张凹版印刷以及部分柔版印刷，在塑料薄膜的凹印中很少使用。

但是，在塑料薄膜印刷中使用水性油墨却是凹印自身发展的内在要求。

一方面，在塑料软包装印刷中，凹印的优点非常显著：印刷图案鲜艳、表现力强；有很好的耐印率，可达到１００万印次以上；实现无接缝图像印刷。

另一方面，凹印带来的不利影响也很明显。

由于塑料薄膜印刷中使用了大量的有机溶剂，破坏环境，伤害人身健康。

但是水性油墨自身存在的诸多问题限制了其在塑料领域的发展：
1、油墨本身的两大技术性问题
第一个大问题就是色彩。

水性油墨本身对颜料的润湿性和展色性等性能，相对溶剂体系有较大的差距；同时塑料基材属于非吸收材料，由于水性油墨与基材表面张力的差距，导致了油墨在塑料基材表面的流平性与现有溶剂体系会有很大的差距。

第二个大问题就是干燥挥发性。

塑料水性油墨中水含量很高，同时塑料属于非吸收性基材，通过挥发方式干燥。

由于水的比热容较高，在挥发过程需要消耗大量的能量，因此在目前不改变印刷条件的基础上，塑料水性油墨的干燥就出现了大问题。

纯水性油墨在塑料等非吸收性基材上很难突破每分钟100m的机速。

除非通过加入部分溶剂来提高印刷效率。

2、印刷设备局限性
在印刷过程中，大多都是通过印后加热通风的手段促进溶剂挥发，使油墨得到迅速干燥。

然而在实际生产中由于印刷设备参差不齐，很多烘干设备通道较短或热量、通气量不足等问题使得塑料水性油墨无法正常替代目前溶剂体系油墨。

⑴设备改进：一方面改进目前印刷设备的烘道和排风系统，另一方面，也可以改变干燥方式，比如用红外干燥及电加热方式或者改用微波加热等方式。

⑵印刷工厂现有设备的淘汰或是改造等，会给工厂带来很大的压力。

3、印版等其它问题
（1）以往的印版深度大都在35~45um，改用水性油墨后为适应干燥速度的要求，必须将印版深度降到25um以下，这是为了让墨层更薄，然后干燥更快。

（2）凹印塑料水墨在应用的过程中比较复杂，因为以水做稀释剂，水的表面张力比较大，需要一些表面活性剂来调节张力，这样就牵涉到助剂之间、油墨性能之间平衡的问题，要求的技术难度就比较高。

比如要调节pH值，pH值不是用眼睛看就可以看出来的，要用仪器测定，这就给一线操作人员提出了相对高的技术要求及责任心。

因此现有的印刷操作人才的再培训也是个大问题。

三、凹版塑料水性油墨制作的初步研究
1、水性油墨的主要成分
水性油墨是由连结料、颜料、助剂等物质组成的均匀浆状物质。

连结料提供油墨必要的转移性能，颜料赋予油墨以色彩。

（1）连结料
水性油墨的连结料主要分为两种类型：水稀释型和水分散型。

前者可以使用的树脂类型有很多种，比如顺丁烯二酸树脂、紫胶、马来酸树脂改性虫胶、乌拉坦、水溶性丙烯酸树脂
和水性氨基树脂等。

水分散型的连结料是在水中通过乳化的单体聚合所得，它是两相体系，其中油相以颗粒状在水相中分散，虽不能够被水溶解，但能够被水稀释，所以也可以认为是水包油乳液型。

这些单体包括：甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、氯乙烯、丁二烯及其他乙烯酯等。

其中水性树脂的分类和举例可以参照下表一。

（水溶性树脂即水稀释型树脂，水溶胶树脂和水性分散树脂共为水分散型树脂的类型）
表一：水性树脂的分类和举例
根据树脂实验数据对比，对水性树脂的种类和性能总结如下表二：
表二：水性树脂种类及性能
根据表二中不同树脂的性能，结合塑料凹版里印复合油墨的特性，我们很容易看出，水溶性树脂适合作为颜料的分散树脂，而水性分散树脂更适合为凹版塑料复合油墨提供附着力、复合强度等，故应作为提供机械强度功能的连接料使用。

（2）水溶性树脂的选择(碱溶性)、色浆的制作
颜料分散测试配方：
35%树脂液：35
钛白粉：50
分散助剂：0.3
消泡剂：0.1
去离子水：14.9
pH调节剂：（调节pH值8~8.5）
“快手”研磨分散2小时
实验结果如下表三：
表三：不同水溶性树脂颜料分散效果
从表中可以看出，水溶性丙烯酸树脂是制备水性油墨色浆的优良材料。

（3）不同水性分散树脂的选择（水乳液），主要的成膜树脂，为复合油墨提供油墨的机械性能。

树脂测试配方：
水分性树脂：40
色浆：45
去离子水：14.6
消泡剂：0.1
活性剂：0.3
pH调节剂：（调节pH值8~8.5）
实验结果如下表四：
表四：水性丙烯酸与水性聚氨酯性能对比
由表可以看出，水性丙烯酸分散树脂制备的水性油墨，在复合结构上存在重大的缺陷，达不到目前溶剂型凹版复合油墨的标准。

而水性聚氨酯树脂可以很好地弥补这一缺陷。

2、颜料和助剂的选择
水性油墨树脂大多为碱溶性，故选用耐碱性好的颜料。

水墨中颜料的分布密度较溶剂型的差别大，使得颜料分散困难，影响油墨的稳定性、粘度和pH值。

通过添加表面活性剂来增加颜料和树脂以及树脂和水的亲和力，提高稳定性。

同时由于水墨与塑料薄膜的表面张力相差较大，需要通过助剂来改善水墨在薄膜基材上的流平。

另外消泡剂和稳定剂也必不可少。

四、需要解决的主要问题
除了印刷效果比不上溶剂型油墨以外，塑料凹版水性油墨最需要解决的问题是干燥问题。

塑料水性凹印油墨由于主要成分为水，且干燥方式主要是挥发干燥，也就是在印后油墨中连结料里面的溶剂或水分通过挥发的方式逸出，使油墨中固态的树脂和颜料留在承印物表面，达到墨层的干燥固着。

在印刷过程中，大多都是通过印后加热通风的手段促进溶剂挥发，使油墨得到迅速干燥。

然而在实际生产中由于印刷设备参差不齐，很多烘干设备通道较短或热量、通气量不足；再加上油墨中不含有机溶剂，比热容较高，使得油墨在印刷过程中不容易干燥。

目前只能调整印版雕刻深度，在水墨中加入醇类溶剂等方法来缓解干燥产生的问题。

目前市场使用的大部分塑料凹版水性油墨，为了增加流平性和解决油墨干燥问题在油墨中加入了大量的醇类溶剂。

在目前塑料凹版水性复合油墨在干燥问题没有得到解决之前，对国内中小型包装企业缓解国家VOCs排放政策带来的压力还是具有一定的积极作用，但是对于国内具有排放回收能力的一线主流包装企业，并不希望为此牺牲效能为代价。

因此，塑料水性复合油墨存在的诸多问题还需要大家努力探索，并在不断的生产中去积累经验和找到更完善的解决方案，为祖国的蓝天绿水，为振兴民族工业做出积极的贡献。