低VOCs 水性油墨的研发及其在塑料包装上的应用

2020-09-24春胜利

塑料包装 2020年4期

春胜利

（上海墨传新材料科技有限公司）

0. 前言

随着我国经济的发展和环保要求的不断提高，日益突出的大气污染、雾霾等生态环境问题已经越来越多的引起政府和国民的关注。而塑料包装印刷行业的挥发性有机化合物（VOCs）排放，已成为重点监管对象。

塑料包装印刷普遍采用凹版印刷工艺（占印刷总量的95%以上），部分使用柔版印刷。印刷用油墨多使用溶剂型油墨，油墨里含有60%-70%的有机溶剂，且在印刷过程时需添加1-3 倍的稀释剂，该类稀释剂以甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、正丁酯、异丙醇等有机溶剂为主要成分，印刷过程产生大量的VOCs 排放，如一台200 米/分钟的高速印刷机，每天24 小时开机印刷可产生约2吨VOCs 排放，这对整个行业来说是一个惊人的数字。随着水墨凹版印刷技术的突破，以及水性油墨作为VOCs 前端治理的手段，引起了塑料包装企业的重视，被认为是塑料印刷市场发展的趋势[1-4]。

1. 概况

1.1 水性油墨概述

水性油墨一般俗称水墨，是指以水或者少量醇类作为主要溶剂介质的挥发干燥型油墨。主要成分主要包括水性粘附性树脂、颜料（或染料）、助溶剂、pH 稳定剂、水和少量功能性助剂混合而成。

1.2 水性油墨的发展和分类

目前在塑料包装行业普遍使用的是两类水墨，含醇水墨和低VOCs 水墨。低VOCs 水墨一般又称全水水墨。2017 年，我国生态环境部对《环境标志产品技术要求凹印油墨和柔印油墨HJ371-2007》标准进行了修订，重新制定水性油墨的VOCs 的限定值为≤5%，该水墨被认为符合环境标志产品标准，有资格成为环境标志产品。

目前塑料包装印刷市场两种水墨均有使用。含醇水墨因含有30%的溶剂做稀释剂在使用性能上具备一定优势，如醇类的挥发快而印刷干燥效果好，但该类水墨仍存在VOCs 排放问题。而低VOCs 水性油墨从配方设计上克服了溶剂型油墨和含醇水墨存在的环保性问题，尽管存在因为只有水作为稀释剂的一些问题，如产品印刷效果流平性和稳定性需提高，印刷时干燥难度大等，但通过技术改进，此类问题均可获得解决，全水水墨依然是塑料包装行业VOCs 源头治理的最佳可选方案[5]。

2. 低VOCs 水性油墨的研发

低VOCs 水性油墨是一个组分十分复杂的混合体系，以丙烯酸类水墨为例，其基本组成如表1 所示。

表1 丙烯酸类水墨基本组成

2.1 水性粘附性树脂

连接料是水性油墨的制备中最基础的材料，选择合适的水性粘附性树脂做连接料对颜料的稳定分散、水墨的复溶性和印刷效果、印刷稳定性能乃至印刷成品的性能都至关重要。水溶性丙烯酸树脂和乳液型水分散性树脂这两类树脂是当前水性油墨的普遍选择。在光泽度、耐侯性、耐水性、化学耐受性和耐污染性等方面，丙烯酸酯溶性树脂的显著优势使其在直接分散溶解或合成高分子乳液时表现出良好性能。

2.2 颜料

选择颜料，首要考虑的是色光准确性和颜料在水性体系中的分散稳定性，要保证颜料制备成色浆或是油墨之后其粒径和分散性能够长时间保持稳定，不发生反粗或者沉降；其次，颜料本身的着色力、遮盖力、耐光老化性等性能都是不同应用条件下油墨性能对颜料的重要考察指标；再者选择的颜料需要与树脂和碱性环境相匹配[6]。

2.3 溶剂

水墨选用的溶剂应具有以下特点：助溶树脂，适当调整pH 值，提高油墨稳定性；调整油墨粘度和干燥速度。特别是水墨要求环保特性，因此所用的溶剂主要是水和少量的乙醇以及保持水墨碱性必须的中和剂。

2.4 相关助剂

助剂是用来改善或增强水墨性能的功能化物料，包括：pH 稳定剂、润湿剂、消泡剂、耐磨抗刮剂等。pH 值稳定剂在水墨制造和印刷过程中使油墨体系pH 值需保持在8-9 之间[7]；润湿剂使得油墨的转移和铺展更加充分；消泡剂主要是解决研磨、调墨或者印刷过程产生的气泡[8]。

2.5 工艺制备

低VOCs 水性油墨的制备主要为调墨法，即先制备高颜料含量的色浆，再同成膜类树脂、相关助剂进行调配。

图2-1 水性油墨调墨法制备工艺流程图

第一步研磨制作色浆：首先将树脂液或者分散剂与溶剂（水）、助剂混合均匀后，再加入色粉，用高速分散机低速搅拌使物料混合均匀。将混合好的物料通过隔膜泵送入砂磨机进行循环研磨，检测研磨细度，确定色浆指标后出料备用。

图2-2 色浆研磨用棒销卧式砂磨机整机

第二步配置水墨：将制备好的色浆、助剂、粘附性树脂和溶剂（水或少量醇）等通过高速搅拌分散设备分散混合均匀，测试油墨的粘度、细度、pH 值、着色力等系列指标，通过过滤、灌装、检验合格后即成水性油墨。

表2 低VOCs 水性油墨技术指标

调整油墨的各项指标并优化物料配比与生产工艺，最终制备成VOCs≤5%的水性油墨，且经检测机构检测性能指标达到设计要求，水性油墨的各项技术指标如表2 所示。

3. 低VOCs 水性油墨在塑料包装的应用

3.1 里印复合薄膜印刷

里印复合薄膜作为一种常见的塑料包装形式，典型用途如食品软包装，是把两种以上不同性质的材料，采用涂覆、热压、粘结、混合、浸渍、等方式复合形成高性能包装材料。生产方式是凹版印刷和干式复合或无溶剂复合工艺，主要的承印基材包括PET 聚酯薄膜、PP 聚烯烃薄膜等，复合基材主要包括PE、CPP、镀铝PET、镀铝CPP、和铝箔等，该印刷具有印刷品质量要求较高，印刷速度快（一般都大于120 米/分）等特点。目前低VOCs 水墨在软包装领域已有成功案例，合适的配方和印刷设备以及印刷工艺相结合，能满足印刷品的各项性能要求，包括同胶水的结合力，复合后包装材料的剥离强度等要求。

图3-1 里印复合薄膜印刷示例

3.2 凹版塑料表印印刷薄膜

塑料包装凹版表印工艺一般是用来制作购物袋，快递袋、垃圾袋等，印刷材质主要是PET、OPP、PE 等，相对里印复合薄膜印刷工艺，具有印刷速度较低（一般为20-60 米/分），印刷图案简单等特点，但对水墨的适应性，流平性及附着牢度等有较高要求。目前低VOCs 水性油墨在凹版塑料包装上已得到广泛使用，印刷效果和传统油墨印刷相比无明显差别，甚至色泽更为鲜艳。

图3-2 凹版塑料表印印刷示例

3.3 塑料编织袋

塑料编织袋印刷多采用柔版印刷，属于柔版表印的一种。目前新颁布的易回收塑编袋团体标准（T/CPE 0007-2018）中规定使用低VOCs 水性油墨，因此在该行业使用水性油墨具有重要意义。

塑编袋是由聚丙烯塑料经挤出机挤出、冷却、切丝、拉伸先制成扁丝在编织成编织布，后经过热焊接或缝合制成塑编袋。但在传统制丝、织布、编织成布的过程中基材表面并没有接受电晕处理，在印刷时一般也不进行电晕处理，这造成水性油墨对于这种基材的附着和耐刮差能力较差。因此，在设计油墨时采用极性增强和成膜性较好的水性树脂，干燥后墨层内聚力及其对基材的结合力较好，并进一步提高墨层的耐刮擦能力。