薄膜凹印水性油墨的质量瓶颈与解决思路

蔡成基

当前，我国大气污染问题日益严峻，部分地区多次出现持续大范围雾霾天气，已经引起全社会的广泛关注。有调查显示，挥发性有机溶剂排放对于空气污染和雾霾的“贡献”也不可小觑，这其中也包括印刷业。若论印刷业有机溶剂污染的首位，则非薄膜凹印工艺莫属，因为它面广量大，溶剂排放量大，对大气污染的“贡献”也大。

近些年，虽然薄膜凹印工艺已从芳香烃类的有机溶剂成功切换为无苯无酮的环保溶剂，对产品和印刷环境的污染已大大减轻，但随着产能的提高与规模的扩大，有机溶剂对空排放对大气造成的危害也日趋严重。虽有废气处理装置推出，但处理成本高，能耗大，结果尚不理想。而且由于政府有关部门监管不力，没有严格的允许排放标准，或某些省份虽有标准但执法不严，不能排除不少企业至今还在高空直排。当然，可以预测，假以时日，目前的制度漏洞终会被堵上，凹印溶剂型油墨的危害一定会被消除。但是，从现在起就必须着手解决凹印油墨的去溶剂化问题，用水性油墨取代溶剂型油墨，这是凹印工艺从根本上解决环保问题的必由之路。

一个并非耸人听闻的数据

凹印工艺的有机溶剂排放量到底有多大？举一个案例说明：1台薄膜凹印机，印刷速度300米/分钟，每天有效运转时间为20小时，薄膜幅宽1米，每天的产量为360000平方米，以凹印工艺的平均耗墨量为每平方米7克计算（注意：是湿墨，不是干墨），需要消耗油墨2520000克，即2.52吨。凹印过程中需要用溶剂调节油墨黏度，常规的比例为1∶2，即1千克油墨需要2千克溶剂，这既包括了添加在墨桶里的溶剂，也包括了清洗时所消耗的溶剂。具体的溶剂耗用量与企业现场管理水平有直接关系，一般而言，企业管理水平高，溶剂耗用量小，反之则耗用量大。如果我们按管理水平偏上企业的标准来计算，即比例为1∶1.5，那么，在消耗2.52吨油墨的同时还需要消耗3.78吨溶剂。由于溶剂型凹印油墨的固含量普遍不高，按30%计算，则2.52吨油墨中70%是溶剂，即1.764吨。这样算下来，1台凹印机运转1天的溶剂耗用量高达5.544吨。

这个数据并不是被刻意放大的。这是因为：300米/分钟的印刷速度在凹印企业中并不是最高的，据笔者了解，目前国产凹印机的速度就能达到250～280米/分钟，何况这些年来凹印界引进了不少进口高速凹印机；每天20小时的有效开机时间也不是最长的，大中型凹印企业在吃饭、换班时并不停机；每平方米耗墨量7克还算是可以的，一些损耗较大的凹印企业的单位耗墨量已远超这一数值，只是没有精确计算过而已；溶剂添加量按1∶1.5计算其实已经比较低了，一般管理水平的凹印企业差不多是1∶2。而且，溶剂型凹印油墨的固含量按30%计算已经很高了，其实不少凹印油墨的固含量根本不到30%，换言之，1千克油墨中的溶剂含量更高。

还可以用其他数据来从侧面证实：在一些已经关注环保的凹印企业，对大量排放的溶剂已经进行处理和回收利用，其创造的经济效益之大，已经成为构成企业利润的主要方面。笔者曾对一家知名的方便面包装生产企业做过了解，该厂的产品处于软包装产业链的低端，年产值几个亿，但利润基本上就由溶剂回收利用所贡献，因此该企业一直非常重视溶剂回收装置的升级与改造，不断投资改换并升级溶剂回收装置。以一斑窥全豹，这些有机溶剂若不加处理就直接排放，排放量将是多么巨大！

如果这个案例换用柔印工艺会怎样？柔印墨膜较薄，而且溶剂型柔印油墨的颜料比例比凹印油墨要高将近1倍，固含量稍高些，也按30%计算，每平方米耗墨量一般为2克。因为薄膜柔印机一般都采用卫星式结构，各印刷单元采用封闭式刮墨刀，墨桶中的油墨通过管道传输，完全不像凹印机的墨槽那样是敞开式的，因此溶剂的挥发量较小。柔印油墨与溶剂的比例一般为1∶1，管理水平较高的企业甚至可达1∶0.7，为计算方便，此处按1∶1计算。仍按上述生产条件，则1台柔印机运转1天的溶剂耗用量仅为1.224吨，是凹印工艺的22%。怪不得同样使用溶剂型油墨，业内会将柔印列为环保工艺，而将凹印列为不环保工艺。如果薄膜柔印使用的是水性油墨，又将是一个怎样的比较呢？结果可想而知。

笔者对凹印溶剂型油墨对环境危害的认识始于20世纪90年代初，当时在一家有80年历史的老国企任职，厂里每年都要印刷几十本塑料薄膜挂历，每本对开13页。当时印刷车间大量使用的是甲苯类凹印油墨，每年春夏季是非常忙的季节，这个季节温湿度高，气压低，废气难以排出，车间里溶剂浓度非常高，乍进车间的人马上会被熏得眼睛睁不开而流泪。后虽迁至浦东，扩建了厂房，但也不能彻底解决这一问题，对于凹印溶剂型油墨，尤其是芳香烃类油墨，虽深恶痛绝但又束手无策。近10年来，凹印溶剂型油墨虽然已经去苯化，但无法去溶剂化。历史与现实一再告诫我们，溶剂型凹印油墨必须用水性油墨来代替，虽然面临重重困难。

薄膜凹印水性油墨的质量瓶颈

国内凹印界使用水性油墨其实已有不短时间了，有关薄膜凹印水性油墨的一个重要标准——GB/T 26394-2011《水性薄膜凹印复合油墨》也已于2011年9月15日实施，笔者在2012年10月出版的《印刷技术-包装装潢印刷》杂志上曾撰写过《必须大力关注凹印水性油墨》一文，在分析该标准的不足时提到：标准的不足，其实反映的是现阶段薄膜凹印水性油墨产品性能与质量水平的不足。回溯该问题，主要有下列几项。

1.水性油墨在薄膜上的附着力

食品软包装行业常用的薄膜，既有非极性的PP、PE，也有极性的PET、PA、PS等。因此，在极性与非极性薄膜上的附着，是薄膜凹印水性油墨首先要解决的问题。

我们已经知道，溶剂型凹印油墨在薄膜等非吸收性材料上的附着，若从微观上分析，可以分为3个阶段：一是油墨对薄膜的微溶，使油墨在薄膜表面建立锚固点；二是油墨在薄膜表面快速润湿、铺展，使锚固点增多；三是溶剂挥发，形成细密而坚固的墨膜，将各锚固点有效连接。对于油墨在薄膜上附着力的判断，国家标准规定的是采用胶带（3M公司600或610型胶带）测试方法，实质是将胶带对墨膜的结合力同墨膜对薄膜的结合力做直接比较，若胶带对墨膜的结合力小于墨膜对薄膜的结合力，即为附着力高，反之则为附着力低，甚至不附着。采用3M公司600或610型胶带，而不是3M公司其他型号的胶带，或者其他品牌的胶带，其实就是限定了胶的黏性特点。胶带在墨膜上的贴合时间也是一个很重要的参数，这牵涉到墨膜中的残留溶剂同胶黏剂的反应，若产生反应，附着力当然会下降，若不产生反应，则附着力上升。

在溶剂型凹印油墨的附着力问题上，有些产品在设计时会打“擦边球”。笔者在测试一款硝化棉树脂油墨的附着力时发现，必须在上墨10分钟后用胶带测试才合格。即使用胶带测试附着力没问题，但用其他物理方法测试时却发现墨膜很容易掉落。这初看很奇怪，但比较墨膜的动/静摩擦系数后，就可以推断出油墨中添加了可以抵御胶带黏性的低分子助剂。所以，用胶带测试附着力有局限性，它用特定胶黏剂的特定黏性而不是规定黏性的具体数值，用经验而不是用数据来规范某种性能，是存在一定漏洞的。但根据现阶段的技术，虽有局限但还实用，至少目前是大家都能接受的一种测试方法。

水性油墨在薄膜上的附着，牵涉到油墨中的连结料（即水性树脂）同薄膜的结合。

通常水性油墨中一般含有两类树脂，即水溶性树脂与水分散性树脂。水溶性树脂俗称水性溶液，其主要作用是包裹颜料并分散之，形成水溶性色浆，将色浆涂布于承印材料上，涂层干燥后可以在水中复溶。水分散性树脂在业内也常被称作水性乳液，其提供墨膜的耐抗性，墨膜干燥后在水中不复溶。薄膜凹印水性油墨中提供墨膜与薄膜结合力的，主要就是水分散性树脂，因此寻找合适的水分散性树脂，是薄膜凹印水性油墨在解决附着力时的首要问题。

水分散性树脂主要为水性丙烯酸，近年来也有采用水性聚氨酯的，但在成品水性油墨市场上还不太多。不论是水性丙烯酸或水性聚氨酯，都属于极性材料，因此根据极性相近原理，它们同溶剂型凹印油墨在薄膜上的附着一样，也需要符合三个条件：一是水性乳液的树脂特性必须与薄膜特性相近，水性油墨在转移到薄膜表面的瞬间有一个微溶阶段，在薄膜表面建立锚固点；二是水性油墨可润湿薄膜表面，且这种润湿能力越强，锚固点越多；三是形成细密而坚固的墨膜，将各锚固点有效连接。

筛选性能各异的水性乳液，以适应不同极性的薄膜，这是一项专业性要求很高的工作。国外的水性乳液供应商往往通过对树脂的接枝与改性，提供一大批不同性能的水性乳液。因此，认识、分析并根据自己的要求来筛选这些乳液，是制造出符合附着力要求的水性油墨的先期条件。而恰恰这一点成为国内不少水性油墨制造商的软肋。

国内水性油墨制造商在筛选水性乳液时的常用方法是小样试验，将不同的水性乳液添加到试验油墨中，再涂布到薄膜上，干燥后用胶带测试附着力。虽然采用的是小样试验方法，但由于很少从理论上对水性乳液同薄膜的相容与相斥作分析，很多试验是盲目的，试验成本不低，试验时间也拖得很长，但结果往往是失败的。缺乏理论指导的试验成功率往往不高，而且又缺乏对成功产品、成功案例的测试手段与测试分析，这就是国内水性油墨制造行业一直处于徘徊状态的主要原因。

同溶剂型油墨在选择树指时需要考虑不同极性的薄膜用同一树脂来应对还是用不同树脂来应对一样，选择水性乳液时也会面临这个问题。选择用同一树脂来应对，可以减少水性油墨品种，减少油墨库存。选择用不同树脂来应对，不同油墨就有不同的价格，针对不同薄膜可以采用最合理的价格，可以降低水性油墨成本。两种方法的平衡点是水性油墨中添加架桥剂的成本，若成本相当，前一种方法可行，若成本相差过大，笔者是赞同后一种方法的。

2.水性油墨印刷中产生的刀丝

刀丝是凹印工艺很难避免的常见质量故障之一。由于凹印的墨路很短，从刮刀到压印点的距离一般不会超过版辊周长的1/4。如果出于工艺上的考虑，将刮刀位置提升到靠近压印点，则距离会更短。这种短墨路的风险在于，如果刮刀上嵌有异物，则等不到油墨本身的润湿性将异物拉出的细线流平，细线必然转移到承印材料上，形成刀丝。凹印使用溶剂型油墨时无法避免刀丝的原因，除了环境因素造成的异物嵌进刮刀外，主要原因还在于溶剂型油墨使用的混合溶剂的溶解性波动。

凹印混合溶剂一般由2～3种溶剂组成，其配方的核心，首先要保证混合溶剂对树脂（溶质）的溶解性。树脂溶解性三要素包括：极性相似而相近原则，溶解度参数相近原则以及溶剂化原则（即溶质与溶剂的亲核亲电，或放出电子和吸收电子以形成新氢键）。因此，一个良好的混合溶剂配方，一般都会符合这三个原则。

但是，由于混合溶剂的溶解度参数计算同溶剂的体积参数相关，因此溶剂体积的变动必然会影响到其溶解性。由于混合溶剂中沸点低的溶剂容易挥发，沸点高的溶剂容易残留，其混合比与挥发比就可能有很大不同。因此，当混合溶剂在挥发了一段时间以后，其各溶剂的体积比会发生很大变动，即其混合后的溶解度参数会发生很大变动。只要溶解度参数的波动控制在±（15%～20%）之内，树脂的溶解性还是有保证的，但若超过此限值，已经溶解的树脂有可能会重新凝聚成较大的颗粒，形成溶解故障。在这种条件下，若颗粒嵌入刮刀，刀丝故障必不可免。

凹印生产一线评估一种新油墨是否容易起刀丝时，采用的方法往往是让版辊空转半个多小时，然后重新印刷，其意图就是等待该溶剂型油墨混合比与挥发比严重不一致时，评估油墨颗粒凝聚的风险。这种方法是很科学的，只是在采用这种方法的同时，有多少人是从混合溶剂溶解性的理论角度来思考，这很值得怀疑。

凹印水性油墨不采用混合溶剂，理论上不存在因混合比与挥发比不一致而造成的溶解性波动风险，但客观现实是其印刷中刀丝仍然不可避免。其实，造成水性油墨溶解性波动的原因还是存在的：一是水性油墨中碱性物质的变化引起pH值变化，从而引起溶解性的变化；二是水性油墨中水性溶液与水性乳液的匹配，两者混合后是否会造成树脂的不溶，这对许多水性油墨制造商来说，尚是一个还未解决的问题。

有一个现象很值得注意：如果仅采用水性溶液构成的水性油墨进行凹印，其印刷过程中的刀丝会大幅度减少。这个现象反证了水性溶液与水性乳液不匹配所形成的水性油墨溶解性波动。但是在薄膜凹印中，油墨的附着力和墨膜的耐抗性都离不开水性乳液，所以为避免起刀丝而不添加水性乳液是不现实的。水性油墨中必须要添加水性乳液，但添加了水性乳液后又无法确保溶解性的稳定，这就造成了目前水性油墨制造商的困窘。

3.水性油墨的干燥速度

同溶剂型凹印油墨相比，目前凹印水性油墨的干燥速度明显不够。为了在薄膜凹印时能继续保持使用溶剂型油墨时的生产速度，水性油墨在提高干燥性能方面必须下大功夫。

（1）水性油墨中水的蒸发潜热很大，在常温下挥发得比较慢，若要使之蒸发，需要更多的热量。如普通水25℃时的蒸发潜热高达1043千卡/磅，而溶剂型油墨常用的乙醇的蒸发潜热只有240千卡/磅，水的蒸发潜热是乙醇的4倍以上。因此业内的共识是：水墨的干燥需要更多的能源，即必须增大印刷机的干燥功率。

（2）凹印的墨膜比较厚，若印在纸张等吸收性材料上，油墨还可以通过纸张纤维的渗透吸收来帮助干燥，但若印在非吸收性的薄膜材料上，油墨只能通过结膜后慢慢干燥。凹印一直自诩的墨色厚实此时便成了拖累。同样是在薄膜上印刷，柔印墨膜薄，印刷速度可以达到600米/分钟，但若加大墨量也只能保持在300米/分钟左右，这毋庸争辩的事实说明墨膜厚薄在干燥方面的重要性。凹印水性油墨在无法改变墨膜厚薄的情况下，在干燥方面的困难更大。

（3）为加大凹印机干燥功率，一种方法是增加热量，另一种方法是增加烘干装置的长度。但这两种方法必然要顾忌到薄膜受热后变形而影响凹印机的套准。目前国内软包装行业使用的各种薄膜，还是以PP、PE等维卡软化点比较低、容易受热变形的材料为多。变形比较小的PET等材料，一方面用得少一些，另一方面为节约成本也在不断地减薄。如果不顾忌薄膜变形，强行使用伺服型凹印机印刷，试图用凹印机的先进性来弥补干燥的不足，很可惜，由于目前的自动控制系统还无法对材料变形做出有效补偿，这种试验早已失败，加大干燥功率的设计基本行不通。

（4）凹印机烘干功率不变，通过改变烘干系统的风量、风速来加大烘干能力的尝试也屡屡碰壁。凹印企业以及凹印机械制造企业改变风量的办法主要是加大风机功率，或改善风管转弯曲线，减少风阻。但效果不明显，仅仅用风的流速无法彻底干燥墨膜，而且风速的提升受制于风机的基本构造，风压不上去，风速也上不去。

（5）凹版网穴深度是决定凹印墨膜厚度的主要因素，减少墨膜厚度可以从降低凹版网穴深度入手。这其实是一个非常好的课题，多年前笔者就经手过，称之为凹印的浅版化。很可惜，这个课题后来夭折了，因此电雕凹版浅版化的试验与实施，目前还无法对加快水性油墨干燥提供帮助。

（6）常用于调节水性油墨干燥的方法是增加溶剂，尤其是利用沸点较低的醇类溶剂来帮助干燥。但是水性油墨对有机溶剂的添加量是有严格限制的，不然，水性油墨也会存在VOC问题，这同业界大力推广水性油墨的初衷是南辕北辙的。

仔细分析上述六大问题，我们已经知道，单方面解决起来很困难。在多年前业界就开始呼吁，将凹印水性油墨的干燥问题作为一个系统工程而综合解决，但该由哪一行业来牵头呢？群龙无首，主体职责不明确，就很难有大的进步。

依据凹印机结构特点的水性油墨质量改善思路

要解决薄膜凹印水性油墨的质量瓶颈，建议根据凹印机结构特点来加以改善。

水性油墨对薄膜的附着力问题，同印刷转印机构无关，主要是按照溶解性特点来选择水性油墨的连结料。可以选择水性丙烯酸，也可以选择水性聚氨酯，国内外甚至已经在研制丙烯酸与聚氨酯的相互改性，以适应各种薄膜。可以预见，对国内水性油墨制造业来说，选择合适的水性树脂已不是一件十分困难的事了。再者，相对成熟的薄膜柔印水性油墨，不论在OPP还是PET上，附着力已不再是大问题。若我们参考柔印水性油墨的树脂体系，将其使用到薄膜凹印水性油墨中，这不会是不可能的吧？

对于提高水性油墨附着力，业界也有通过控制颜基比来实现的，因此粒径问题也会作为改善油墨附着力诸因素之一来加以考虑。其实凹印工艺对粒径问题倒没有太大的讲究，一般而言，以凹版网穴最小孔径的1/4，来控制溶剂型凹印油墨的细度，这一经典数据对凹印水性油墨也是适用的。

严重的问题是凹印水性油墨造成的刀丝，即水性油墨的溶解性同凹印短墨路的匹配。柔印水性油墨因柔印的墨路较长，因此没有刀丝问题。即使溶解性上出了点问题，墨路一长，网纹辊上拉出的细线在到达压印点之前也已经被油墨本身流平了。但凹印没法用墨路来掩盖这种溶解性缺陷，因此解决溶解性缺陷是凹印水性油墨的当务之急。

造成凹印水性油墨溶解性波动的首要问题是pH值的波动。水性树脂偏碱性，pH值一般在8.5～9.5，甚至可达10.0以上。水性树脂的碱性同它的胺化工艺有关，即用有机胺、氨水或无机碱（NaOH或NaHCO3）来溶解树脂的工艺有关。有机胺价格较贵，但挥发慢，用有机胺溶解的水性树脂在常温下pH值会有变动，但变动较小。氨水价格便宜，但挥发快，一般用氨水调节的水性油墨，2小时左右就必须测定pH值，并添加稳定剂。采用无机碱工艺的水性油墨基本不挥发，但溶解性较差。

我们现在常用的水性油墨用氨水的比较多，因为它的溶解性好，价格便宜，但由于氨水挥发快，pH值波动较大，必须及时添加稳定剂。在实际运用中，按照这种方法实施的水性油墨pH值控制水平就像锯齿波曲线一样不稳定。若要使其稳定，必须缩短pH值测定与稳定剂添加的时间，增加pH值测定与稳定剂添加的频次。因此，国外在水性油墨应用中常采用pH值实时控制装置，随时测定，随时添加，以维持水性油墨性能的稳定。

这种pH值控制法用在柔印水性油墨中尚可，因为柔印水性油墨对溶解性的要求较低，但用在凹印水性油墨上肯定不行，溶解性波动一定会导致刀丝。因此凹印水性油墨采用有机胺工艺将是首选，这已被柔印水性油墨的胺化工艺所证实，即使价格略高些。而且，要求凹印生产一线的操作人员时不时去关注并调节水性油墨pH值的波动也不现实，现行的生产体制已不可能适应这样的工作压力了。

水性溶液与水性乳液的匹配也会影响到水性油墨的溶解性，因此最简单的办法是采用单一树脂。仅采用水性溶液的水性油墨，印刷过程中产生的刀丝非常少，甚至比溶剂型油墨的刀丝还要少。但这种水性油墨没法解决油墨在薄膜上的附着力问题以及墨膜的耐刮擦问题。凹印机每一色组的烘干装置之后一般有一根对薄膜进行冷却的水冷辊，薄膜的墨膜面会直接从辊上擦过，墨膜没有一定的耐刮擦性将很容易被拉伤。因此，水性油墨配方中一般会有一定量的水性乳液，以加强树脂的硬度。但若水性溶液与水性乳液选择不当，就会埋下溶解性波动的隐患。

以水性溶液为主要树脂，配以少量水性乳液，或者以一定量的低分子蜡来替代水性乳液，是解决水性溶液与水性乳液匹配不当的一种方法。低分子蜡本身不溶于水性溶液，其因分子量低而容易从油墨中析出，浮在墨膜表面，因此不担心颗粒凝聚问题。而且，若该方法用于制造薄膜里印复合型水性油墨，由于墨膜夹在两层薄膜之间，墨膜的强度就不会是主要问题。但是低分子蜡无法完全取代水性乳液，因此一种完全采用水性乳液构成水性油墨连结料的设计方案就顺理成章地浮出水面。

完全采用水性乳液的水性油墨设计方法在业内已经少量开始采用，只要妥善解决颜料的分散性问题，这个方法很可能是今后水性油墨的发展方向。而且水性油墨的干燥性特点也同水性乳液的选择直接相关，因此水性乳液多功能合成，将是解决凹印水性油墨质量瓶颈的主要方法。

水性油墨的干燥性能主要取决于水性乳液的选择，薄膜柔印水性油墨是这样做的，薄膜凹印水性油墨估计也得这样做。当然，柔印墨路长，水性油墨的初干长度可以设计得略微长些；而凹印墨路短，溶剂型凹印油墨的初干长度只有30～60mm/30s，在相关的凹印转印机构没有明显变化，电雕凹版浅版化没有成熟，凹印机烘道干燥能力没有明显变化的条件下，薄膜凹印水性油墨的初干长度也只能设计得短些。水性油墨的改善主体在油墨制造业，寄希望于其他行业是不现实的。国内水性油墨制造业长期以来进步不大，技术停滞不前，这同主观上的等待是分不开的。

薄膜柔印水性油墨的成功经验应该可以对凹印水性油墨提供一定借鉴，成熟的薄膜柔印水性油墨选择的水性乳液，单一树脂比较少，混合乳液比较多。因此，针对墨膜的附着力、干燥性与耐抗性问题，采用三合一甚至四合一的多种树脂混合方法，将是十分重要的。

有必要注意水性油墨树脂同复合工艺中胶黏剂的配合，因为薄膜凹印水性油墨针对的最大市场是食品软包装，复合薄膜产品在这一市场中占据了最大份额，因此对复合用胶黏剂同水性油墨的配合问题决不能掉以轻心。GB/T 10004-2008《包装用塑料复合膜、袋干法复合、挤出复合》中对复合膜剥离强度有明确的要求：普通级0.6N/15mm以上，水煮级2.0N/15mm以上，半高温蒸煮级3.5N/15mm以上，高温蒸煮级4.5N/15mm以上。水性油墨树脂必须要能达到上述剥离强度的要求，而这在选择薄膜凹印水性油墨的水性溶液或水性乳液的初始期，就决不能忽略。

薄膜凹印水性油墨取代薄膜凹印溶剂型油墨，其困难比柔印水性油墨取代柔印溶剂型油墨要大得多，这是业内的共识。因为凹印工艺的普及率远大于柔印工艺，国内凹印机的总量也远大于柔印机，所以对凹印水性油墨制造业来说，这个困难是值得挑战的。何况这项工作将惠及我们居住的环境，惠及我们每一个人以及我们的后代，因此这项工作更应该是我们当仁不让的。衷心希望国内水性油墨制造业能早日解决目前水性油墨质量的瓶颈，为印刷企业提供更安全、更稳定的水性油墨，若得实现，可谓功莫大焉！