分類：投稿 作者：佚名 來源：網絡整理 發布時間：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，專注于液體類油墨研究。完整地見證了國內溶劑性油墨從甲苯到無甲苯的環保進步，以及水性油墨從低檔的紙箱柔印發展至高速、高精細衛星式柔印的技術進步。2004年開始衛星式柔印油墨配方開發，是國內第一代自主開發衛星式柔印油墨的主要負責人。有多篇與油墨相關的重要文章發表，并且是多個油墨類核心專利的第一發明人。
01.
前言
自2015年各地發布針對印刷業的VOCs排放限制法規以來，有關水性化印刷的各種議論經熱不衰。然而信息眾說紛紜，譬如不斷有油墨廠家聲稱開發出了完全媲美溶劑型體系的水性油墨產品，或者有印刷廠計劃近期內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限量的新行業標準，實際結果反而令從業者無所適從。
在要求苛刻的薄膜印刷領域，我們通過各個環節的緊密合作，水性油墨的應用已經有了較多的成功案例（如圖1所示的150LPI的衛星式柔印展示印樣，圖2所示的200LPI的凹印壁紙產品），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、也離不開基本的印刷原理和各相關環節的磨合，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，以及相關應用過程中發現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，在紙張印刷領域，譬如紙箱（柔印）、紙袋（柔印）、食品包紙（柔印）、禮品紙（凹印）、裝飾紙（凹印），以及部分紙塑復合領域（譬如利樂包）等等，在國內已經成熟實施了近二十年。其優點顯而易見：
a. 可以符合VOCs排放法規的要求
b. 可以改善氣味、有害氣體濃度等勞動環境
c. 降低車間消防等級
d. 降低溶劑殘留
e. 節約成本
然而，在薄膜印刷領域，油墨水性化的缺點也暴露無疑：
a. 實施準備過程復雜
b. 干燥效率低下
c. 高精美的印品難以實現，且墨層耐性下降
d. 產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，國內在凹版和柔版為主的薄膜水性化印刷方面，實質上還處于初級階段，當然更談不上產業化統計。對此，業內人士持消極態度的也為數不少。
然而，在另外一個重要的印刷領域：噴墨印刷，我們意外地發現，針對各類非吸收性承印物的水性噴墨印刷已經悄然普及開來，且規模越來越大。這得益于幾個工業巨頭對噴頭、墨水、承印物、印刷機等關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，其對薄膜進行預熱，并在薄膜上涂布與油墨相互反應的涂層（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，只是需要系統地梳理與之相關的其他關鍵要素。
03.
水性油墨印刷的關鍵點
目前水性化印刷的實施主要針對現有溶劑型油墨生產體系的轉化，因此寄希望于某一個環節出現革命性、完美的技術是不現實的。它必定需要幾個工業環節的密切配合：
承印物、油墨、制版與設計、印刷與加工，它們是相互關聯和影響的。同時，一些基本的理念，譬如薄墨層印刷方式的采用，則已經是普遍論述的。
本文敘述過程中，沒有特別地區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別在于墨路傳遞的長短和轉移方式（直接還是間接轉移），柔印要比凹印多一個中間傳遞油墨的網紋輥，由此帶來了墨量的二次分配（柔印網紋輥上的油墨轉移到印版表面的方式與凹印的油墨轉移基本相當，都大約有50%的油墨轉移率；柔印印版表面的油墨通過再次轉移才能到達承印物表面，此時大約也有40%-50%的油墨轉移率），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計，水性油墨中會含有至少70%以上的可揮發成分（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數據估算油墨的蒸發潛熱或者蒸發速率。
從表1可以很直觀地看出水的蒸發潛熱之大和蒸發速率之小，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（風速和風量），降低濕度（環境抽濕或烘箱抽濕）。
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，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，并建議提高網紋輥線數；對于凹版印刷，則推薦淺版化制版，對應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
建議計劃轉向水性化印刷的廠家進行一次完整的關聯環節調查，以便確定自身是否具備相應的條件，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生反應的可能性。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），以及一些軟質或伸縮性較大的薄膜，如軟質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，因此特別推薦衛星式柔版印刷，這方面國內已經有一些應用的實例。這些承印物據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，以提高生產效率，但同時需要油墨在印版或網紋輥上能夠保持在可瞬時被重新溶解為原始油墨的狀態，即油墨專業中常說的“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%以上的揮發份去除后的狀態，此時呈現出干性的墨膜，但很容易被再次溶解。
- 徹干：取決于油墨設計，譬如成膜性控制和其它慢干成分的加入。徹干通常對應油墨中慢干成分和胺類物質的最終去除，此時墨膜性質呈現出不可逆的固化。
說明：正式使用油墨印刷前，務必向油墨廠索取準確的數據：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，因此表現比較明顯
- 白色墨的高粘度對應的刮刀適性不良
4) 保存穩定性
- 凍融穩定性：反復的凍-融循環可能會破壞油墨的穩定性，建議在零度以上儲存
- 殘墨穩定性：殘墨容易因為胺揮發導致變質，也容易霉變。管理上需要對應的措施，一些最基本的措施包括：PH值檢測，密閉保存，保質期管理（通常不超過3個月，按油墨廠指導）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
- 部分性能的實現是極其困難的，譬如啤酒標簽的堿洗場合中的耐化學性能
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（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，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℃），很容易因為胺揮發造成不可逆的干結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，但印刷現場有時也會要求進行調整，大多數問題會發生在這個階段。
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出很低的附著力和耐抗性。一種普遍采用的技術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（表現為大粒徑和粒子間分離）。油墨工程師需要不斷地調節，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。這里最關鍵的因素就是溫度以及對應進行的時間。
圖6 墨膜形成機理及過程
上述原理實際上非常復雜，生產過程中出現的針孔、附著力波動、印版清洗困難等疑難雜癥，都是來源于此。
得益于眾多企業的努力，在乳液新技術開發方面，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”的現狀。
3. 制版與設計
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、孔狀、版深），制版廠一般會有現成的參考數據。
c) 在承印物上的再現性，必須重新制作色彩管理數據。
d) 色調、細線等的再現性：通常需要對電雕曲線和印前調圖參數進行修正。
e) 提高印版的精確度、表面狀態如硬度等：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，但需要關注一些新技術的應用，譬如高清制版，平頂網點，微穴加網等，這些技術目前更新很快。
一般的配置：印版使用150LPI或175LPI，網紋輥800LPI~1200LPI，對于滿版的白色，出于遮蓋力的考慮，網紋輥線數會調整到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、風速、風量等）
相對于溶劑型油墨，水墨需要額外考慮環境濕度和烘箱濕度的管理。
2) 刮刀情況確定（材質、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。需要根據印版（凹印）或網紋輥（柔印）的表面狀態，選配一把潤滑性優良的刮刀。
3) 油墨循環系統情況的確定（循環方式、循環速度等）
水性油墨非常容易出現氣泡，油墨循環條件（泵、過濾、進出墨管的調節）優化是優先推薦的解決辦法，它沒有常規采取添加油墨消泡劑的方法所引起的縮孔和經時降效的問題。
4) 印刷現場管理措施的確定（稀釋方法、粘度調整方法、刮刀更換周期、清洗方法等）
及時的清洗有助于緩解印版（或網紋輥）的堵塞問題，前面已經說明過，當油墨徹底干燥之后，將會發生不可逆的墨膜干結，因此所有的快速清洗均需要在油墨尚處于“濕”或“初干”狀態時進行。這也是為何大家都強調及時清洗以及“停機不停輥”等操作要求。徹底干結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) 印刷后的復合問題
目前常見的復合方式：擠出、水膠和無溶劑復合都是環保性較高的復合工藝，然而油墨的通用化還有待努力。
諸如白點、膠水皺縮、強度波動等復合問題發生率較高，這些通常與油墨中添加劑變化以及干燥不徹底有關。
耐蒸煮的應用目前非常有限，應注意目前一些成功的案例都是有嚴格的限定條件。
結合自身情況，按照上面的順序進行檢查，列出問題點，并和各個環節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
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