低VOCs 水性油墨的研發(fā)及其在塑料包裝上的應(yīng)用

春勝利

（上海墨傳新材料科技有限公司）

0. 前言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，日益突出的大氣污染、霧霾等生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)越來越多的引起政府和國民的關(guān)注。而塑料包裝印刷行業(yè)的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）排放，已成為重點監(jiān)管對象。

塑料包裝印刷普遍采用凹版印刷工藝（占印刷總量的95%以上），部分使用柔版印刷。印刷用油墨多使用溶劑型油墨，油墨里含有60%-70%的有機溶劑，且在印刷過程時需添加1-3 倍的稀釋劑，該類稀釋劑以甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、正丁酯、異丙醇等有機溶劑為主要成分，印刷過程產(chǎn)生大量的VOCs 排放，如一臺200 米/分鐘的高速印刷機，每天24 小時開機印刷可產(chǎn)生約2噸VOCs 排放，這對整個行業(yè)來說是一個驚人的數(shù)字。隨著水墨凹版印刷技術(shù)的突破，以及水性油墨作為VOCs 前端治理的手段，引起了塑料包裝企業(yè)的重視，被認(rèn)為是塑料印刷市場發(fā)展的趨勢[1-4]。

1. 概況

1.1 水性油墨概述

水性油墨一般俗稱水墨，是指以水或者少量醇類作為主要溶劑介質(zhì)的揮發(fā)干燥型油墨。主要成分主要包括水性粘附性樹脂、顏料（或染料）、助溶劑、pH 穩(wěn)定劑、水和少量功能性助劑混合而成。

1.2 水性油墨的發(fā)展和分類

目前在塑料包裝行業(yè)普遍使用的是兩類水墨，含醇水墨和低VOCs 水墨。低VOCs 水墨一般又稱全水水墨。2017 年，我國生態(tài)環(huán)境部對《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求凹印油墨和柔印油墨HJ371-2007》標(biāo)準(zhǔn)進行了修訂，重新制定水性油墨的VOCs 的限定值為≤5%，該水墨被認(rèn)為符合環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，有資格成為環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品。

目前塑料包裝印刷市場兩種水墨均有使用。含醇水墨因含有30%的溶劑做稀釋劑在使用性能上具備一定優(yōu)勢，如醇類的揮發(fā)快而印刷干燥效果好，但該類水墨仍存在VOCs 排放問題。而低VOCs 水性油墨從配方設(shè)計上克服了溶劑型油墨和含醇水墨存在的環(huán)保性問題，盡管存在因為只有水作為稀釋劑的一些問題，如產(chǎn)品印刷效果流平性和穩(wěn)定性需提高，印刷時干燥難度大等，但通過技術(shù)改進，此類問題均可獲得解決，全水水墨依然是塑料包裝行業(yè)VOCs 源頭治理的最佳可選方案[5]。

2. 低VOCs 水性油墨的研發(fā)

低VOCs 水性油墨是一個組分十分復(fù)雜的混合體系，以丙烯酸類水墨為例，其基本組成如表1 所示。

表1 丙烯酸類水墨基本組成

2.1 水性粘附性樹脂

連接料是水性油墨的制備中最基礎(chǔ)的材料，選擇合適的水性粘附性樹脂做連接料對顏料的穩(wěn)定分散、水墨的復(fù)溶性和印刷效果、印刷穩(wěn)定性能乃至印刷成品的性能都至關(guān)重要。水溶性丙烯酸樹脂和乳液型水分散性樹脂這兩類樹脂是當(dāng)前水性油墨的普遍選擇。在光澤度、耐侯性、耐水性、化學(xué)耐受性和耐污染性等方面，丙烯酸酯溶性樹脂的顯著優(yōu)勢使其在直接分散溶解或合成高分子乳液時表現(xiàn)出良好性能。

2.2 顏料

選擇顏料，首要考慮的是色光準(zhǔn)確性和顏料在水性體系中的分散穩(wěn)定性，要保證顏料制備成色漿或是油墨之后其粒徑和分散性能夠長時間保持穩(wěn)定，不發(fā)生反粗或者沉降；其次，顏料本身的著色力、遮蓋力、耐光老化性等性能都是不同應(yīng)用條件下油墨性能對顏料的重要考察指標(biāo)；再者選擇的顏料需要與樹脂和堿性環(huán)境相匹配[6]。

2.3 溶劑

水墨選用的溶劑應(yīng)具有以下特點：助溶樹脂，適當(dāng)調(diào)整pH 值，提高油墨穩(wěn)定性；調(diào)整油墨粘度和干燥速度。特別是水墨要求環(huán)保特性，因此所用的溶劑主要是水和少量的乙醇以及保持水墨堿性必須的中和劑。

2.4 相關(guān)助劑

助劑是用來改善或增強水墨性能的功能化物料，包括：pH 穩(wěn)定劑、潤濕劑、消泡劑、耐磨抗刮劑等。pH 值穩(wěn)定劑在水墨制造和印刷過程中使油墨體系pH 值需保持在8-9 之間[7]；潤濕劑使得油墨的轉(zhuǎn)移和鋪展更加充分；消泡劑主要是解決研磨、調(diào)墨或者印刷過程產(chǎn)生的氣泡[8]。

2.5 工藝制備

低VOCs 水性油墨的制備主要為調(diào)墨法，即先制備高顏料含量的色漿，再同成膜類樹脂、相關(guān)助劑進行調(diào)配。

圖2-1 水性油墨調(diào)墨法制備工藝流程圖

第一步研磨制作色漿：首先將樹脂液或者分散劑與溶劑（水）、助劑混合均勻后，再加入色粉，用高速分散機低速攪拌使物料混合均勻。將混合好的物料通過隔膜泵送入砂磨機進行循環(huán)研磨，檢測研磨細度，確定色漿指標(biāo)后出料備用。

圖2-2 色漿研磨用棒銷臥式砂磨機整機

第二步配置水墨：將制備好的色漿、助劑、粘附性樹脂和溶劑（水或少量醇）等通過高速攪拌分散設(shè)備分散混合均勻，測試油墨的粘度、細度、pH 值、著色力等系列指標(biāo)，通過過濾、灌裝、檢驗合格后即成水性油墨。

表2 低VOCs 水性油墨技術(shù)指標(biāo)

調(diào)整油墨的各項指標(biāo)并優(yōu)化物料配比與生產(chǎn)工藝，最終制備成VOCs≤5%的水性油墨，且經(jīng)檢測機構(gòu)檢測性能指標(biāo)達到設(shè)計要求，水性油墨的各項技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

3. 低VOCs 水性油墨在塑料包裝的應(yīng)用

3.1 里印復(fù)合薄膜印刷

里印復(fù)合薄膜作為一種常見的塑料包裝形式，典型用途如食品軟包裝，是把兩種以上不同性質(zhì)的材料，采用涂覆、熱壓、粘結(jié)、混合、浸漬、等方式復(fù)合形成高性能包裝材料。生產(chǎn)方式是凹版印刷和干式復(fù)合或無溶劑復(fù)合工藝，主要的承印基材包括PET 聚酯薄膜、PP 聚烯烴薄膜等，復(fù)合基材主要包括PE、CPP、鍍鋁PET、鍍鋁CPP、和鋁箔等，該印刷具有印刷品質(zhì)量要求較高，印刷速度快（一般都大于120 米/分）等特點。目前低VOCs 水墨在軟包裝領(lǐng)域已有成功案例，合適的配方和印刷設(shè)備以及印刷工藝相結(jié)合，能滿足印刷品的各項性能要求，包括同膠水的結(jié)合力，復(fù)合后包裝材料的剝離強度等要求。

圖3-1 里印復(fù)合薄膜印刷示例

3.2 凹版塑料表印印刷薄膜

塑料包裝凹版表印工藝一般是用來制作購物袋，快遞袋、垃圾袋等，印刷材質(zhì)主要是PET、OPP、PE 等，相對里印復(fù)合薄膜印刷工藝，具有印刷速度較低（一般為20-60 米/分），印刷圖案簡單等特點，但對水墨的適應(yīng)性，流平性及附著牢度等有較高要求。目前低VOCs 水性油墨在凹版塑料包裝上已得到廣泛使用，印刷效果和傳統(tǒng)油墨印刷相比無明顯差別，甚至色澤更為鮮艷。

圖3-2 凹版塑料表印印刷示例

3.3 塑料編織袋

塑料編織袋印刷多采用柔版印刷，屬于柔版表印的一種。目前新頒布的易回收塑編袋團體標(biāo)準(zhǔn)（T/CPE 0007-2018）中規(guī)定使用低VOCs 水性油墨，因此在該行業(yè)使用水性油墨具有重要意義。

塑編袋是由聚丙烯塑料經(jīng)擠出機擠出、冷卻、切絲、拉伸先制成扁絲在編織成編織布，后經(jīng)過熱焊接或縫合制成塑編袋。但在傳統(tǒng)制絲、織布、編織成布的過程中基材表面并沒有接受電暈處理，在印刷時一般也不進行電暈處理，這造成水性油墨對于這種基材的附著和耐刮差能力較差。因此，在設(shè)計油墨時采用極性增強和成膜性較好的水性樹脂，干燥后墨層內(nèi)聚力及其對基材的結(jié)合力較好，并進一步提高墨層的耐刮擦能力。

4. 結(jié)束語

當(dāng)前，越來越多的塑料包裝印刷企業(yè)認(rèn)識到，作為源頭治理VOCs 的重要手段，低VOCs 水性油墨以優(yōu)良的環(huán)保型，健康性，安全性等優(yōu)勢替代傳統(tǒng)溶劑型油墨是大勢所趨。隨著水性油墨研發(fā)技術(shù)和印刷工藝的不斷進步，在塑料包裝各領(lǐng)域的應(yīng)用也將越來越廣，水性油墨印刷技術(shù)必將為我國生態(tài)環(huán)境的改善做出卓越貢獻。