基于VOCs殘留的卷煙商標紙凹印水性油墨應用研究

孟憲志 房效永 馮學香

綠色印刷是印刷行業(yè)的發(fā)展趨勢，傳統的凹印溶劑油墨在印刷干燥過程中，大部分溶劑揮發(fā)會污染大氣，少量殘留在印刷品表面危害人體健康。針對凹版印刷使用的溶劑油墨存在VOCs殘留問題，以泰山（紅將軍）商標紙為例，進行凹印水性油墨應用研究，利用五因素四水平正交實驗設計方案，確定印刷速度、水與酒精比例、油墨黏度、紙張水分含量和機組烘箱溫度為主要影響因素，以VOCs殘留為測試指標，分析得出凹印水性油墨最佳使用方案。

隨著人們生活水平的提升、消費觀念的轉變、環(huán)境保護意識的增強，以及卷煙產品“健康、環(huán)?！钡陌l(fā)展趨勢，消費者對卷煙商標紙等包裝材料的質量要求越來越高，VOCs的殘留問題受到重點關注。作為四大印刷方式之一的凹版印刷，以其生產速度快、印刷墨層厚實、色澤鮮艷、耐印力高、適合長線產品等特點在卷煙包裝印刷領域穩(wěn)居第一位，但凹版印刷使用的傳統溶劑型油墨包含有高沸點、有臭味、高毒性的有機物，特別容易造成卷煙商標紙VOCs揮發(fā)性有機物殘留過量，這不但影響香煙煙支的感官質量，而且還危害消費者的身體健康。因此，卷煙企業(yè)和印刷企業(yè)投入大量的資源，用于檢測和控制VOCs含量，目的就是把好卷煙輔材質量關，減少外源性有害成分的引入，降低VOCs揮發(fā)性有機物殘留含量，從而提升卷煙產品的安全性。用水性油墨逐步替代溶劑型油墨是當前社會發(fā)展的趨勢，也是凹版印刷適應環(huán)保新政的變革方向之一。例如，印刷企業(yè)使用了環(huán)保油墨取代了普通油墨，以前識別的“油墨中揮發(fā)的有機化學物質（VOCs）排放”的重要環(huán)境因素就相應地取消了。本文旨在通過對泰山（紅將軍）商標紙凹印水性專紅底色油墨的應用實驗，達到降低卷煙商標紙VOCs殘留、減少揮發(fā)性有機物的排放、逐步實現綠色凹印的目的。

凹印溶劑型油墨與水性油墨

凹印油墨是適用于各種凹版印刷方式的油墨總稱，是稀薄型流動性好、黏度低、表面張力小的液態(tài)油墨，大多是揮發(fā)干燥型，主要由顏料、添加劑、連結料（油型、樹脂型）、填充料、填充劑、溶劑等多種化學物質組成，按使用的溶劑分為分醇/酯溶性油墨（俗稱溶劑油墨）和水溶劑型油墨（俗稱水性油墨）。

1.溶劑油墨

溶劑油墨含有較多的揮發(fā)性有機溶劑，如乙酸乙酯、異丙醇、乙酸正丙酯等，起著調節(jié)油墨黏度，提高油墨的印刷適性的作用。揮發(fā)性有機溶劑是溶劑型油墨的主要成分，往往占比70%以上，溶劑油墨印跡墨層光澤度高，墨層附著力強。溶劑油墨的流動性就是通過有機溶劑來表現的，當凹印油墨轉移到紙張表面上時，有機溶劑通過凹印機組烘箱熱風迅速揮發(fā)使印跡墨層干燥，印跡墨層的干燥速度主要取決于油墨中溶劑的揮發(fā)速度，不同的樹脂型連接料對溶劑的釋放能力不同，溶解度越大的連結料，溶劑越難揮發(fā)，揮發(fā)速度越慢，VOCs殘留就越多。以泰山（紅將軍）商標紙為例，以滿版實地色塊為主、線條文字為輔且多色疊印，樣張如圖1，印刷色序為：珠砂1→珠砂2→灰→底紅→字紅→黑→金→光油。在使用溶劑油墨印刷時，有機溶劑揮發(fā)極易不完全、不徹底，造成VOCs殘留超標，且產品偶爾有刺激性異味產生。

2.水性油墨

水性油墨最早在20世紀歐美國家的柔性版印刷中廣泛應用，凹印水性油墨則起步較晚。雖然目前水性油墨存在著流平性、光澤度、附著力、干燥慢和易沉淀等方面的弱點，但仍然是首推的環(huán)保型印刷油墨，其不含揮發(fā)性有毒有機溶劑，具有不易燃燒、無刺激性氣味、墨性穩(wěn)定等特點，一是消除了傳統油墨使用石化類有機溶劑易燃易爆、有毒有害的健康安全隱患，減少了揮發(fā)性有機廢氣對環(huán)境的污染;二是當用作食品的外包裝物時，也避免了有害溶劑化學成分向食品內遷移的風險。

同其他印刷油墨組成一樣，幾乎所有的水性凹印油墨都是由可溶于水的樹脂、高級色料和助劑等成分經科學復合加工而成，所以其溶劑一般采用水與醇。以水溶性樹脂為連結料的凹印水性油墨，無異味、無毒、低VOCs，溶劑殘留的檢測值遠遠低于安全衛(wèi)生要求的指標值。凹印水性油墨屬于綠色印刷原輔材料目錄產品，其VOCs含量低于5%，在上機過程中，考慮印刷效果的還原性，需要水與酒精按一定比例混合作為溶劑添加。

凹印水性油墨上機實驗設計與應用

1.實驗條件

實驗設備：陜西北人PRC820十色凹版印刷機。

實驗材料：紅塔牌白卡紙230g/m2、上海典善水性專色紅墨。

環(huán)境溫濕度：25℃、65±5%。

檢測儀器：安捷倫氣相色譜——質譜聯用儀7890-5977B、深圳冠亞水份測定儀SFY-20A、茶恩2#杯、秒表等。

2.正交實驗設計

根據統計分析，結合生產實際情況，確定印刷速度、水與酒精比例、油墨黏度、紙張水分含量、機組烘箱溫度5個影響因素，每個因素設置4個水平，尋求最優(yōu)化組合，設置凹印水性油墨的L16（45）正交表，如表1。根據表1進行正交實驗，得到結果如表2。

3.實驗結果分析

根據表2結果，進行正交數據分析，得到表3。

從表2可知本次實驗各因素組合中的最優(yōu)組合為A2、B3、C4、D1、E2，而從表3中可以看出本次實驗各因素極差R的主次關系排序為A>B>E>C>D，因素A的極差R最大，故可知凹版印刷速度VOCs殘留影響顯著。同時，從表3中可以看出因素A列中均值k4較大，因素B列中均值k4較大，因素C列中均值k2較大，因素D列中均值k3較大，因素E列中均值k3較大，可知A4、B4、C2、D3、E3是各因素中影響最大的水平，即印刷速度160m/min、水與酒精比例1∶5、印刷黏度16s、紙張水分含量8%、機組烘箱溫度90℃這5個影響較顯著。所以，通過利用正交實驗得出泰山（紅將軍）凹印水性油墨生產時，對VOCs殘留實驗影響最大的因素是印刷速度。實驗的最佳條件是凹印速度在140m/min生產，水與酒精的使用比例為1∶4，凹印水性專紅油墨黏度控制在17s，使用的白卡紙水分含量為6%、機組烘箱溫度為80℃。

結束語

綜上所述，通過凹印水性油墨的應用，泰山（紅將軍）商標紙VOCs殘留取得顯著效果。本次實驗研究是在其他顏色保持原有溶劑油墨的情況下，只把紅色改為水性油墨進行測試，VOCs檢測時按照檢測標準要求進行測定。在實驗過程中，還關注了產品耐磨性、附著力、耐曬性、耐水性、耐折性、上機適應性等關鍵指標以及印后（如燙印、模切等）加工適應性與溶劑油墨基本無差異，同時對水性凹印版的制版參數進行了摸索，從而確定適合該產品的凹印版工藝參數，形成了最佳方案。

通過對泰山（紅將軍）商標紙凹印水性油墨應用分析，按照制定的正交實驗設計，完成了不同方案的產品測試，針對目前水性油墨存在的穩(wěn)定性缺陷和使用過程需要添加水與酒精混合物不同比例的情況，實驗得到了最佳的使用方案，其產品符合標準要求。

作者單位：山東魯煙萊州印務有限公司 濟南泉永印務有限公司

責任編輯：李倩 liqian@cprint.cn