纸包装电子束固化应用气味成因及解决办法

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纸包装电子束固化应用气味成因

及解决办法

采用电子束（EB）固化纸包装印刷产生的气味可通过控制与调节EB固化设备参数，

控制固化深度和固化强度。其中，印刷油墨的EB吸收剂量是影响固化率的主要因素；

印刷油墨固化转化率是油墨气味产生的根本原因；因纸张多孔结构的特殊构造，臭氧的产生是纸包装电子束固化应用中气味的重要来源。

•文/王可王晖罗洪文

一'电子束固化及其应用现状

电子束（EB）固化即利用电子束辐照使得EB 光油从液态瞬间转化为固态的过程。电子束平均能量可达70000ev,是UV（紫外光固化）能量的20000倍，而C-H和C-C键能为4-5ev,EB电子束通过电子束直接作用于单体和齐聚物产生，并激发自由基聚合反应，油墨或涂料瞬间固化，形成固态结膜。在此过程中不需要引发剂的作用。与常规的UV固化不同，电子是有质量，而且是带电的，它的衰减只与物体质量密度相关，质量密度越高，在电子束穿越过程中能量衰减越快。因此电子束固化参数的设定主要需考虑的是需发生固化反应的材料的质量密度和固化深度。

同时，EB固化除了不需要光引发剂，在提高产品安全性的基础上，可高效保证油墨涂层的固化率，在性能一致性方面具有比UV固化系统更优越的实现可能。一般来说，参与EB固化反应的几乎所有游离态的组分均在最后结膜成一张网，因此最终成型的包装物不容易产生异味。但是在实践中，这个判断不是充分的：纸张包装EB 固化印刷中，产生气味的因素不仅仅只发生在油墨固化这个环节，参与固化反应的EB油墨本身，不容易产生气味，不能排除承印物本身在EB固化过程中，因为种种原因，导致气味的产生。

电子束固化包装应用研究在我国已经开展了较长时间，包括塑料/薄膜印刷、陶瓷/印铁等

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经验

材料的应用方面取得了较好的应用成果，但是纸张包装的EB固化应用存在较多问题。据了解，深圳、山东等地的一些厂家在之前的纸张包装电子束固化应用研究过程中，最终都是因为气味问题导致项目无法继续下去。到目前为止，EB在纸包装上的应用依然处于不断探索与研究之中。

二、纸包装EB固化的实验条件

1.实验需考虑的材料及设备要求

EB油墨的组成与UV油墨最大区别在于：EB 油墨不需要引发剂以触发链式反应，其他组成成分类似。主要由颜料、连结料、辅助剂等物质组成。EB油墨与UV油墨最大的差别主要来自于连接料，固化机理的不同，因此EB油墨并不需要引发剂，也造成了连接料选择需求的不同。

在EB油墨连接料的选用上，其主要成分是丙烯酸类的树脂和参与反应的活性单体。EB油墨中使用的预聚物（含有不饱和官能团的低分子聚合物）一般为流动性较好的丙烯酸低聚物，根据不同的物理性质需求选配。一般情况下EB油墨连接料中都含有活性单体，活性稀释剂单体的种类有很多，通常活性稀释剂可以分成：单官能团、双官能团以及多官能团活性稀释剂3类。

EB油墨组分中，树脂和单体平均官能团的水平，决定了该油墨配方所需辐照强度的大小。原则上来说，单官能团为主的油墨配方所需电子束束流强度比多官能团为主的油墨配方要大一些，但是在油墨最终结膜固化后平均官能团水平较低的油墨的柔韧性会相对更好些，其他方面的性能亦有不同程度的差异。在某种意义上来说，EB固化设备参数设置中，束流功率的指标，和电子束

流的大小，是由相应匹配的油墨所决定的，而EB

油墨的选型和调整，亦需考虑到EB固化设备参

数所能实现的调节的范围。

电子束可以在需要固化的墨层内传输时保持

稳定的能量水平，其能量衰减只与物体质量密度

相关，质量密度越高，在电子束穿越过程中能量

衰减越快。因此，电子束在油墨层的衰减速度是

比较慢的，当电子束与空气中的氧气作用时，会

将氧气分子链打开重新整合，从而生成具有特征

气味的臭氧。因此，EB固化设备中驱氧装置的安

装和反应区含氧量的控制与监测在电子束固化过

程中非常重要。

根据两组不同辐照强度需求材料在对实验室

验证数据的总结整理分析后，将EB固化设备参

数进行如下设定：电子束能量可调节范围设定在

50-150Kev,能量稳定性W5%；束流强度可调节

范围设定在0.5-200mA,最大束流功率18KW,束

流稳定性02%,束流不均匀度10%；使用纯度

不低于99.9%的SF6气体作为绝缘气体，使用循

环水和绝氧系统对格栅窗进行冷却；负载运行下

真空度设定为5*10-4Pa。主要参数可调节，并

且设立相对较宽松的范围，可以满足不同能量需

求的配方的充分辐照固化强度需求，在得到可靠

信号来源后实现印刷设备的联动，技术方案的参

数设定范围是合适的。

2.材料与方法

2.1实验材料和设备

试验工艺流程采用水性卷凹8色+EB砂油。

实验条件控制在温度21-25°C,湿度50-60%。试

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验过程中使用的油墨见表lo

打样机为松德十色机，前端油墨固化采用烘箱热固化，而后端砂油采用电子加速器固化，来

自中广核达胜加速器技术有限公司，型号为18KW

/90Kev-200mAo联机过程中，打样机的印刷速度

与电子加速器的升流速度实现联动，保证所有的

光油都能接受相同的吸收剂量。

2.2试验内容与方法

2.2.1试验内容

验证电子束(EB)对光油及涂料的固化效果，分析讨论电子束能量、吸收剂量和印刷速度对纸

张成品气味的影响。

2.2.2检测方法

试验主要通过纸张成品正反面气味和涂层固

化率来判定最后的固化效果。其中，气味通过选取5-10人专门的人员直接闻固化后纸张前后面的气味并分别打分，五分制，分值越高，气味越大，分值越低，气味越低；最后的平均值即为气味等级。涂层固化率釆用红外光谱法进行测定。

3固化试验及分析

3.1不同剂量对固化率和气味的影响

相同开机速度(30m/min)条件下，电子束能量设定为90keV,试验中设计了5个不同的吸收剂量，分别是25kGy、30kGy、40kGy、50kGy 和60kGy,试验结果见图1。从图中可见，随着吸收剂量的增加，固化率也逐渐升高，并在吸收剂量为60kGy时，固化率达到100%o以25kGy 的固化率为基准，30kGy、40kGy、50kGy和60kGy的固化增长率分别为1.58%、42.86%、57.14%和58.73%,其中在吸收剂量为40kGy时，

图1不同吸收剂量对油蜃固化效果的彩响

固化率得到显著提升，当吸收剂量达50kGy以上，固化率变化不显著。因此，从固化率层面考虑，吸收剂量达40kGy-50kGy即可满足固化率要求。

初步判断成品性能还有一个重要的指标：气味等级，也是客户重点关注和最直接的指标之一。从图1中发现，当能量为90keV时，不同的吸收剂量，气味等级变化不明显，均在2.5左右波动，但均存在人可感知的气味。分析气味的大小与固化率的变化趋势发现他们之间也没有很显著的相关性。分析原因可能存在以下两个原因：(1)油墨配方自身的气味在完全固化和未完全固化之间差别不大；(2)油墨完全固化后的纸包装成品有其他的气味来源。从气味特征看，有部分气味来自于臭氧。在实际生产应用中如何有

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