環保油墨及其在薄膜凹版印刷中的應用

王巍 李二威 李航 王長亮 何玉山 容翠萍

摘 要：現階段，我國凹版印刷中使用的油墨大部分為溶劑型油墨，高揮發性、易燃且有毒的有機溶劑是環境污染的主要因素。新型環保油墨，具有不燃、不爆、無毒、無刺激味、墨性穩定、色彩鮮艷、不腐蝕印版、操作簡便、成本低等優點。為了響應國家低碳環保的經濟發展理念，環保油墨在凹版印刷中的應用得到了廣泛的關注。為了盡快推動環保油墨向溶劑型油墨的轉化，本文就環保油墨及其在凹版印刷中的應用展開論述。

關鍵詞：溶劑型油墨;環保油墨;水性油墨;UV固化油墨;凹版印刷

中圖分類號：TS802.3 文獻標識碼：A

隨著環保要求的日益嚴格，制造業因其多工序重復的生產與環保要求之間的矛盾日益嚴峻。為實現可持續發展，“十三五”規劃綱要提出，要加快改善生態環境，并圍繞這一目標在環境綜合治理、生態安全保障機制、綠色環保產業發展等方面進行了總體部署。制造業因其不可替代性，一方面肩負著提升國民經濟發展的重任，另一方面承擔著高質量發展的重壓。面對日益嚴峻的環保要求，運用替換綠色的過程材料降低環保污染，是有效解決制造業環保問題的必由之路。

薄膜印刷在包裝、保護膜和功能薄膜領域應用普遍，印刷過程中各類有害物質引起的環境污染問題不容忽視。一方面，凹版印刷油墨中含有大量揮發性溶劑，幾乎占到油墨總成分的50%，其中二甲苯、甲苯、醋酸乙酯、丁酮等低沸點、高揮發性的溶劑，含有的芳香烴既有毒又可燃，是環境污染的主要因素[1-2]。另一方面，凹版印刷速度極高，必須使用高揮發性的快干油墨，還需要經過加熱使其快速干燥以滿足印刷要求，從而導致凹印廢氣排放量增大。因此，通過運用環保油墨實現綠色印刷，成為解決薄膜印刷污染困境的有效方式，是推動薄膜行業可持續發展的重要支撐。作為一種新型的環保油墨，響應了我國綠色印刷的號召，加快了印刷綠色化發展進程。其主要優勢有：具有不燃、不爆、無毒、無刺激味、墨性穩定、色彩鮮艷、高光澤、不腐蝕印版、操作簡便、成本低、附著力好、抗水性強等特點[3-5];環保油墨由于不含揮發性有機溶劑，改善了工作環境，完全避免了溶劑型油墨中的有毒有害物質，避免了被包裝商品的污染。環保油墨經歷過多次的發展和技術更迭，在國外已經得到了廣泛的使用，但是國內普及十分有限，依然處于初級發展階段。國家應加大對該領域的扶持力度，組織凹印設備、環保油墨、制版、包裝印刷等企業形成產業鏈，合作開發，盡快形成一套應用水性油墨的技術和工業標準，為實現凹印環保油墨印刷技術的產業化奠定堅實的基礎。

1 環保油墨的關鍵組成及研究現狀

和其他液體油墨（如溶劑型油墨）一樣，環保油墨主要由色料、連接料、助劑、溶解載體等組成[6]，其主要成分和含量如下：色料（顏料或染料）12%-40%，連接料（樹脂）：20%-28%，溶解載體（水和少量醇）33%-50%，助劑（消泡劑等）3%-4%，堿（胺或氨）4%-6%。

1.1 色料

色料能夠賦予油墨一定的顏色，其通過選擇性而散射出一定波長的光波，呈現特定的顏色。同時又具有耐抗性，如耐光性、耐高溫性和耐氣候性等。與溶劑型油墨相比，其特點在于：環保油墨的色料要求更高，要求體輕、柔軟、不腐蝕、色彩飽和度高、色澤艷麗純正;與連接料有良好的親和性、潤濕性和分散性，在成品中不會發生凝聚、沉淀并具有良好的流動性，不會發生變色和褪色現象?，F有的應用中，通過調整色料的分散及結核性，實現環保油墨的顯色性。

Bazrafshan等研究了色料對油墨整體性能的應用，通過提高顏料的極性，實現小粒徑和較窄的分布，實現較好的分散效果;采用調控攪拌時間和分散時間的方法，改善色料的粒徑大小和分布。

江新忠等[7]研究了色料黏度和表面改性處理對色料顯色及附著力的影響。通過調節體系黏度，控制色料粒子的布朗運動及其自然重力沉降，減緩色料的沉降;通過對色料粒子的表面改性，賦予粒子更好的親水性，提高潤濕和分散性能。

1.2 連結料

連結料的作用是分散色料，與承印物粘附作用形成牢固的印跡，在油墨干燥成膜后具有一定的色澤度。通常要求連結料在油墨成品時可以被水溶解，而在印刷干燥后變成不溶于水的物質?，F在常用的連結料可分為水溶性連結料、擴散性連結料、堿溶性連結料等三大類，采用的樹脂通常為天然水溶性樹脂、改性天然水溶性樹脂、合成水溶性樹脂、水分散樹脂等[8]。

Matyjaszewski等通過改良ATRP聚合過程，制備出超高分子量的聚甲基丙烯酸甲酯，充分利用其結構特性，成為優異的水性丙烯酸樹脂連結料。

Varela等通過一種特殊的處理方法，實現了對多羥基低聚物多元醇的制備，達到較高的熔融溫度，可作為聚氨酯體系的連結料，如圖1所示[9]。

盤茂森等[10]通過乳液聚合法和共混法制備丙烯酸樹脂乳液和水性聚氨酯-丙烯酸樹脂乳液等兩種水溶性樹脂，作為水性油墨的連結料，提高了印刷耐光色牢度。

1.3 助劑

環保油墨的潤濕性、粘度及消泡性能是其在薄膜上應用的重要指標。由于環保油墨的表面張力比溶劑型油墨高，在薄膜上的潤濕效果不理想，為了提高附著力或者賦予薄膜材料本身特殊的性能，大量研究表明，通過添加適量的助劑可以實現[11]。助劑主要包括：消泡劑、潤濕劑、表面活性劑、粘附促進劑、殺菌劑、乳化劑等。

張平平等[11]研究了潤濕劑對環保油墨性能的影響，發現潤濕劑含量改變了油墨內的平衡，使得分子之間快速結合，通過提升體系粘度，實現油墨潤濕性能的提高。

孟婕等[12]研究了乳化劑對薄膜環保油墨印刷的影響，通過非離子型乳化劑和陰離子型乳化劑的配比，使得乳液粒徑分布更加平均，機械穩定性更高，可以提升綜合性能。

楊西江[13]研究了組合的表面活性劑的應用，通過組合潤濕劑、消泡劑、分散劑、偶聯劑，一方面縮短制備油墨漿料的時間，另一方面使其具有良好的穩定性、適當的流變性及較高的附著力和光澤度。特別強調，用量必須適當，否則由于過量表面活性劑向界面遷移和占位，會造成附著力下降。

2 環保油墨存在的問題分析

2.1 油墨的PH值穩定化控制

PH值是決定水性油墨制造及其印刷適性技術的成敗關鍵[14-16]。在使用水性油墨時，需要精確控制其粘度和PH值。目前，大部分水性油墨生產廠家都會購買丙烯酸樹脂連接料，并認為這是一種成熟的產品，通過生產工藝控制實現水性油墨所需的水溶性、吸附性，進而滿足更多其他印刷適應性的要求。水性油墨所使用的連接料主要是堿溶性酸性樹脂，所以PH值的控制非常重要。通常PH值應控制在8.0～9.5，此時水性油墨的印刷性能最好，印刷質量最穩定。由于水性油墨中的胺在印刷過程中會不斷揮發，操作人員須不時添加新墨，因此水性油墨的PH值會隨時發生變化。當水性油墨的PH值高于9.5時，由于堿性太強，水性油墨的黏度就會上升，造成水性油墨干燥速度變快，此時容易堵塞印版和網紋輥網穴，從而引起版面上臟和氣泡等故障。由于PH值容易對水性油墨黏度造成直接影響，在實際印刷中應將兩者聯系起來控制，尤其在套印中更應重視這個問題。

2.2 油墨的附著力控制

制約環保油墨在薄膜印刷領域的關鍵性因素是油墨的附著力問題，究其原因是環保油墨和塑料薄膜表面極性存在的差異。在印刷中，極性的差異會直接表現在表面張力的過度差異，從而影響到油墨的附著力。一般塑料薄膜的表面張力在30-40mN/m，而水的表面張力都在70mN/m以上。溶劑型油墨在解決極性差異問題上，通過對薄膜表面進行電火花處理，來實現對附著力的控制，但環保油墨的體系導致了表面張力的跨度無法通過薄膜表面的處理來實現。因此，制約水性油墨規?；瘧玫年P鍵在于，降低水性油墨的表面張力以滿足薄膜的適應性要求，提高附著力。

2.3 油墨的干燥效率

國內的干燥設備以熱風干燥為主，在結構設計上缺乏對環保油墨干燥要求的適應性。印刷車間的溫度和濕度與水性油墨印刷產品的干燥和色澤關系密切。相對濕度達到95%和65%，相比干燥時間，幾乎相差2倍以上。同時，承印物本身的干濕度也會影響制品的干燥時間[14-15]。在印刷工程中，油墨轉移到承印基材后，水和助劑通過溫濕度控制滲入基材或揮發，從而使得油墨干燥。但是，環保油墨的連結料中一般含有羥基、羧基等基團，溶劑多為水，使得油墨的表面張力和蒸發潛熱比較大。整個干燥過程包括傳質和傳熱兩個過程，各類油墨的成分和結構不一，油墨中濕分的遷移是一個不穩定的過程，干燥過程緩慢、干燥效率低[14]。

2.4 油墨的光澤度

油墨的光澤度作為衡量印刷效果的重要指標，可以通過分析油墨在一定角度下的光線發射能力進行判斷，是薄膜印刷和包裝印刷中影響品質的關鍵因素。光澤度的產生取決于連結料干燥后的結膜效果和色料的分散性，環保油墨因此溶劑和連結料結構，使得油墨的流平性能、表面潤濕性能不佳。在薄膜印刷方面，由于吸墨性和油墨的滲透現象，影響了薄膜印刷的光澤度[15-17]。

2.5 油墨的印刷適應性

環保油墨的印刷適應性受印刷條件、承印物表面特性、環境溫濕度、存放時間長短等客觀因素的影響較大。不同于溶劑型油墨，環保油墨通過獨立使用一般難以達到效果，一般需要運用到多種助劑進行配合，才能達到較好的印刷適應性，對生產條件、工藝配方的要求較高。

3 環保油墨在薄膜凹版印刷中的發展現狀

由于溶劑型油墨在印刷過程中所產生的一系列環境健康問題[18]，日本、韓國等國家，已經淘汰甲苯類印刷油墨，苯類凹版油墨被醇溶凹版油墨所取代。醇溶性塑料凹版印刷油墨在日本、東南亞國家、東歐國家已經得到廣泛普及。歐洲大力提倡在凹版印刷中使用醇溶性油墨，禁止使用苯溶性油墨，并對油墨醇的含量進行了限制。美國國內印刷禁止使用溶劑型油墨，發展水性油墨也已經走在世界前列。我國在環保政策的嚴格管控下，對環保油墨體系的研究、對環保油墨工藝的優化等方面不斷深入，取得了大量的研究成果。

3.1 環保油墨體系的不斷擴展

3.1.1 水性油墨

水性油墨以水作為溶劑來配制油墨，并且要求水的質量分數超過70%，VOCs含量極低，環境污染小。根據連結料的不同，現行國產的水性油墨有三類：一是以改性松香樹脂液和丙烯酸液為連結料，干燥效率最高;二是以改性松下樹脂液為連結料，耐水性差，干燥效率低;三是以丙烯酸類樹脂為連結料，耐水性好，光澤度高，可以滿足高精度印刷要求。隨著市場低水性油墨的需求不斷增加，各種新的研究成果也在不斷出現。閆小星等[19]通過在油墨中添加玻璃纖維粉來實現微觀組分、光學性能、力學性能等綜合性能的研究，研制出一定比例的玻璃纖維添加之下，可以有效提升膜層的附著力。曾鵬等[20]研究了利用陰離子水性聚氨酯乳液作為薄膜印刷水性油墨的關鍵技術，通過調節羧基含量實現對陰粒子水性聚氨酯乳液耐水性能、力學性能和乳液穩定性能的影響。鄭顯才等[21]采用原位聚合法制備聚丙烯酸酯/二氧化硅復合材料，作為水性油墨的連結料，通過改性將丙烯酸酯硬度由1H提高到3H，以此來改善附著力。閆繼芳等[22]利用室溫自交聯方式，采用半連續乳液聚合法合成軟核硬殼結構的水性純丙乳液，作為水性油墨的連結料，提高附著力。

3.1.2 紫外光固化水性油墨

傳統的紫外光固化油墨具有粘度低、應用范圍廣的特點，但是存在少量的溶劑殘留。采用紫外光固化理念進行水性油墨的制備技術，一方面利用紫外光固化的優點，提升粘度、附著力;一方面利用水性油墨的特性，完全避免溶劑殘留，提高交聯度。侯成敏等[23]通過制備苯乙烯丙烯酸共聚物接枝甲基丙烯酸羥乙酯作為預聚物，甲基丙烯酸縮水甘油酯和乙二胺反應制備的四甲基丙烯酸甘油酯乙二酰胺作為四官能團活性稀釋劑，制備UV水性油墨。李運華[24]通過結合UV固化技術、水性技術基聚氨酯材料特點，制備了兩種含可光固化基團的小分子二元醇單體，作為功能性闊鏈劑引入到聚氨酯分子鏈中，得到分子量雙鍵含量可調的UV固化水性聚氨酯樹脂作為水性油墨的連結料，制備UV固化水性聚氨酯油墨。

3.1.3 植物性油墨

植物性油墨利用植物油成分替代油墨中烴類物質，一般有環保大豆油墨等。此類油墨在日本和美國的使用率非常高。植物性油墨比石油提取物更純凈，要達到相同的染色效果，植物性油墨需要的色料更少，染色效果更佳[25]。

3.2 油墨助劑功能化的不斷提升

環保油墨對助劑的依賴性較高，通過提升助劑的使用效果和功能化范圍，可以有效提升油墨的使用性能和印刷適應性。陳海生等[26]通過超聲法制備肉桂機構有微膠囊，并以此助劑為基礎制備了具有環視抗菌性的水性油墨。張澤琪[27]研究了制約印刷適應性差、復溶性不好、堵板、光澤度差、附著力差等造成水性油墨難以規?；茝V的原因，通過以大分子乳化劑、小分子乳化劑，合成出粒徑小、分布窄、高固低粘、穩定性好的環保油墨。楊金燕[28]通過以過硫酸銨作為引發劑制備增稠乳液，運用締合型丙烯酸酯增稠體系，實現對油墨PH值的調節，研究了油墨增稠體系的流變性影響因素，制備PH值敏感型相轉變乳液。

3.3 干燥方式的不斷革新

隨著環保油墨的推廣應用，對干燥方式的擴展和干燥效率的提升需求不斷，新的干燥方式和干燥模型的建立，也在不斷推動印刷行業的技術革新。徐鳳霞等[29]建立了凹版印刷干燥系統數學模型，對凹版印刷干燥系統的溶劑、材料、熱風和溫度的影響進行機理分析，建立了干燥材料的水分比平衡方程，模擬了干燥規律，為凹版印刷干燥設備的熱量利用提供了數據支撐。蘇勇等[30]設計了一種回熱式空氣能熱泵系統，采用管板式結構，在利用廢棄余熱的同時，避免了廢氣中雜質對新風的污染，可保持連續工作，壓降和表面換熱系數恒定，大大提升了印刷中的干燥效率。

此外，隨著其他領域干燥需求的不斷提升，新的干燥方式，如紅外干燥、微波干燥、聯合干燥技術的不斷提升，行業間技術的交叉應用和借鑒，將為環保油墨的干燥能力提供更多的可能。

4 未來展望

環保油墨的優勢已經有目共睹，其發展是時代所需，也是勢在必行。整體的發展趨勢朝著水性和UV固化方向發展，并通過助劑的不斷優化，朝著減量化和性能化方向發展。當前，針對環保油墨的研究已逐步豐富和完善，國內許多地方也已經開始重視該技術的推廣和使用，期望逐步取代溶劑型油墨，廣大民眾也已經意識到了這項技術的重要意義。因此，水性油墨前景廣闊，應當積極拓寬其應用范圍，加強對環境和居民健康的保護。

參考文獻

[1] 白木.水性油墨發展綜述[J].化工科技市場，2004（02）：25-30.

[2] 朱梅生，陳慧敏.水性油墨及其應用[J].印刷技術，2006（08）：11-13.

[3] 方長青，王宏濤，駱光林.環保型水性油墨穩定性抗水性研究[J].包裝工程，2007，28（8）：112-113.

[4] 侯玲玲.水性油墨性能及應用分析[J].網印工業，2007（003）：24-27.

[5] 婁麗麗，蔣平平，夏嘉良，等.水性油墨研究現狀[J].化工新型材料，2013（01）：16-24.

[6] 辛秀蘭，魏亞娜.水性油墨研究進展[J].中國印刷與包裝研究，2011，3（003）：1-8.

[7] 江新忠，曹瑞春，孟迪.關于顏料型油墨分散激勵的研究[J].印刷質量與標準化，2016（6）：24-26.

[8] 牛倩倩，劉昕.水性油墨常用連結料性能[J].今日印刷，2017（03）：61-62.

[9] 方長青，周星.水性油墨連結料樹脂的研究新進展[J].中國印刷與包裝研究，2013，6（5）：2-9.

[10] 盤茂森，謝志昆，葛雅莉，等.水性油墨連結料對PVC印刷耐光色牢度的影響[J].工業塑料應用，2018，46（8）：95-97.

[11] 張平平，閆淑，黃凱，等.不同助劑用量對柔印薄膜水墨性能影響的探究[J].包裝工程，2020，41（1）：71-72.

[12] 孟婕，衛敏，陳蘊智.乳化劑配方對薄膜凹印水性油墨丙烯酸樹脂乳液性能影響分析[J].數字印刷，2019（2）：49-52.

[13] 楊西江.表面活性劑對水性油墨用色漿制備和性能的影響[J].染料與染色，2018，55（4）：39-42.

[14] 屈芳.基于綠色環保的凹版印刷水性油墨干燥特性及試驗研究[D].西安：西安理工大學，2019：7-12.

[15] 戈楚.水性油墨印刷質量印象因素分析[J].云南化工，2018，45（3）：82-83.

[16] 韓曉萌，陳磊.油墨吸收性對印刷品色彩影響的分析探討[J].今日印刷，2020（2）：61-64.

[17] 陳春霞，余裕娟，趙儉，等.環保型水性油墨柔板印刷黑色呈色效果分析[J].造紙科學與技術，2018，37（6）：70-74.

[18] 賈春江，陳廣學，李效周，等.水性油墨在凹版印刷中的應用研究[J].包裝學報，2011（01）：36-39.

[19] 閆小星，錢星雨，包文斯.玻璃纖維粉對添加變色油墨的水性涂料漆膜性能的影響[J].林業工程學報，2020，5（3）：169-174.

[20] 曾鵬，操江飛，鄧海冬，等.陰離子水性聚氨酯乳液的制備及應用研究[J].安徽化工，2018，44（5）：42-44.

[21] 鄭顯才，毛宏萍，陳杰，等.水性油墨用丙烯酸酯/二氧化硅復合材料的制備[J].2018，46（11）：16-19.

[22] 閆繼芳，王琪，黃蓓青，等.水性油墨用室溫自交聯純丙乳液的合成及應用[J].精細化工，2019，36（4）：764-770.

[23] 侯成敏，張偉，夏衛民.紫外光固化水性油墨及墨膜耐磨性能[J].應用化學，2020，37（4）：464-469.

[24] 李運華.UV固化水性聚氨酯基油墨連結料及其印刷油墨的制備研究[D].長沙：湖南工業大學，2016：1-11.

[25] 陳婉.大豆油墨印刷成為綠色印刷主流[J].環境經濟，2018（18）：40-41.

[26] 陳海生，皮陽雪，李娜，等.肉桂精油微膠囊抗菌水性油墨的研究[J].包裝工程，2017，38（15）：67-71.

[27] 張澤琪.大分子乳化劑制備聚丙烯酸酯乳液及性能研究[D].北京：北京化工大學，2019：5-10.

[28] 楊金燕.油墨用PH值敏感型相轉變增稠劑乳液的合成[D].大連：大連工業大學，2017：11-23.

[29] 徐鳳霞，唐德強，張春達，等.凹版印刷機干燥系統數學模型研究[J].齊齊哈爾大學學報，2020，36（2）：44-47.

[30] 蘇勇，熊一民，周曉斯.印刷烘干用熱泵系統的管板式回熱裝置設計及性能分析[J].化工機械，2020，47（1）：41-45.