基于TRIZ的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝低碳化研究

金琳，肖穎，馮雨靜，周錕鵬

基于TRIZ的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝低碳化研究

金琳1，肖穎1，馮雨靜2，周錕鵬3

（1.上海出版印刷高等?？茖W(xué)校 印刷包裝工程系，上海 200093；2.浙江精工量具有限公司，浙江 金華 321000；3.湖北楚天傳媒印務(wù)有限責(zé)任公司，武漢 430062）

研究不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝的低碳化，不僅可降低產(chǎn)品碳足跡，提升產(chǎn)品的市場競爭力，還有助于印刷包裝產(chǎn)業(yè)早日實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。分析紙質(zhì)酒類不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)中的碳足跡，首次采用TRIZ創(chuàng)新方法對標(biāo)簽生產(chǎn)過程進(jìn)行基于流程的問題分析、問題模型分析、物理矛盾求解，并挖掘不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)過程低碳的創(chuàng)新解，最后從成本、可操作性、可用性、減碳效果等方面對創(chuàng)新解進(jìn)行評估。通過TRIZ創(chuàng)新方法找到了不干膠標(biāo)簽工藝低碳優(yōu)化的3個創(chuàng)新方案和1個最優(yōu)方案。通過調(diào)整面紙印刷工序和硅油涂布對象，改變硅油和膠水涂布的方式，可以減少涂布量和烘干次數(shù)，從而實現(xiàn)減少生產(chǎn)過程碳排放的目的，同時證明了TRIZ創(chuàng)新方法在生產(chǎn)工藝低碳化研究方面的有效性。

不干膠標(biāo)簽；生產(chǎn)工藝；低碳化；TRIZ

在2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上，我國向世界鄭重承諾力爭在2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，在2060年前實現(xiàn)碳中和。2022年，國務(wù)院發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》，在行動方案的指導(dǎo)下，各行各業(yè)都緊緊圍繞“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)努力奮斗[1]。印刷產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)，在實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的道路上也在積極探索和努力。

標(biāo)簽印刷作為印刷業(yè)增長最快的細(xì)分市場，近5年的增長速度保持在8%～10%。2021年標(biāo)簽需求面積為76.72億m2，預(yù)測2026年中國標(biāo)簽供給量將達(dá)到110億m2。不干膠標(biāo)簽用量已占標(biāo)簽消費總量的50%，成為我國最具發(fā)展前景的標(biāo)簽市場[2]。不干膠標(biāo)簽的制作過程集合了多種印刷和印后加工工藝，涉及多種高碳原輔材料和高能耗干燥工序。為了減少不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)過程中的碳排放，降低不干膠標(biāo)簽產(chǎn)品的碳足跡，這里以市場上常見的紙質(zhì)酒類不干膠標(biāo)簽為例，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新理論進(jìn)行生產(chǎn)工藝低碳優(yōu)化研究。

TRIZ即發(fā)明問題解決理論，主要目的是研究人類在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，其精髓是利用科學(xué)的原理和方法，解決具有矛盾的發(fā)明問題。相較于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ理論在解決產(chǎn)品和工藝問題時，具有研究成本低、耗時短等明顯優(yōu)勢[3]。

1 不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及問題描述

1.1 不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程及碳排放邊界

不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)過程主要由涂布、復(fù)合、印刷、印后加工等工序構(gòu)成。目前，市場上常見的紙質(zhì)酒類不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程如圖1所示[4]，其中箭頭方向表示產(chǎn)品加工的先后順序。

根據(jù)不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝單和生產(chǎn)流程，繪制該產(chǎn)品的生產(chǎn)周期碳足跡邊界圖[5]，如圖2所示。其中，實線箭頭方向表示產(chǎn)品加工的先后順序，虛線箭頭方向表示消耗原輔材料的工序，每個工序中包含所產(chǎn)生的碳足跡邊界。從圖2可看出，不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)周期的碳足跡主要來源于各生產(chǎn)設(shè)備的電能，以及紙張、膠水、光油、硅油、電化鋁、印刷版材、油墨等原材料和輔材料[6]。

圖1 酒類不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程

圖2 不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝碳足跡邊界

1.2 不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程碳排放問題描述

由圖1—2可知，在不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)過程中，先將底紙和面紙整面涂布膠水或硅油，然后進(jìn)行復(fù)合及后道工序加工，最后進(jìn)行模切和收卷。模切后的廢邊區(qū)域包含大量的廢膠水和廢硅油，它們不僅導(dǎo)致資源的大量浪費，增加廢紙回收再生難度，還會導(dǎo)致整個不干膠生產(chǎn)過程的碳排放和產(chǎn)品碳足跡過量。如何減少廢邊區(qū)域底紙硅油涂布量和面紙膠水涂布量問題是生產(chǎn)工藝低碳化研究的重難點。

2 基于TRIZ的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝問題分析與求解

2.1 問題分析

不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)過程基于流程的方式實施，因此在分析不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)過程的碳排放問題時，需使用基于過程的功能分析對生產(chǎn)流程進(jìn)行功能建模，不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)流程如圖1所示。

2.1.1 定義技術(shù)系統(tǒng)

將技術(shù)系統(tǒng)定義為不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能為制作不干膠標(biāo)簽，系統(tǒng)的目標(biāo)為標(biāo)簽，系統(tǒng)組件包含底紙放卷、底紙背印、底紙涂布、底紙烘干、面紙放卷、面紙涂布、面紙烘干、復(fù)合、面紙印刷、面紙燙印、面紙上光、模切、收卷等。

2.1.2 基于過程的功能分析

根據(jù)不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)流程和碳足跡邊界圖，對系統(tǒng)中的各類操作從功能類型、性能水平、碳足跡邊界等方面進(jìn)行功能分析，生成不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)系統(tǒng)的功能模型表，并找到系統(tǒng)高碳的主要功能缺陷[7-8]。不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)系統(tǒng)的功能模型如表1所示。

表1 基于過程的不干膠生產(chǎn)系統(tǒng)功能模型

Tab.1 Functional model of self-adhesive label production system based on process

功能缺點包含有害功能、有用且過量的功能和有用但不足的功能，通過分析系統(tǒng)的功能缺點，可以理清系統(tǒng)中存在的碳足跡過量或不必要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)[9]。由表1可知，不干膠生產(chǎn)系統(tǒng)的主要功能缺點及對應(yīng)的碳足跡邊界如表2所示。1、3號功能缺點為硅油和膠水涂布過量，因為不干膠標(biāo)簽在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢邊，而廢邊表面涂布有膠水和硅油，因此存在過量使用硅油和膠水。2號功能缺點為加熱硅油和膠水不足，為了克服該功能缺點，需要大量的電能，這雖能提升產(chǎn)品質(zhì)量，但也導(dǎo)致生產(chǎn)過程中碳足跡的增大。4號功能缺點為底紙和背紙在印刷、烘干、上光過程中會產(chǎn)生廢氣，該缺陷雖然對產(chǎn)品質(zhì)量的影響較小，但會產(chǎn)生過量的碳排放，該缺陷產(chǎn)生的原因與印刷耗材的成分相關(guān)，克服該缺陷重點在于印刷材料的改性[10]。由此可見，克服1、3號功能缺點才是技術(shù)系統(tǒng)得到極大改善的最佳著力點。

由相關(guān)測試可知，某化妝品包裝盒所產(chǎn)生的碳足跡中，電能占總量的36%，紙張占總量的28%，膠水占總量的25%，光油占總量的3%[11]。在不干膠標(biāo)簽中，硅油的主要成分為環(huán)氧樹脂，而光油的主要成分也是樹脂，2種功能類似，因此可以認(rèn)為兩者的碳排放因子接近。不干膠標(biāo)簽中的膠水和硅油均為整面涂布，其涂布面積遠(yuǎn)大于化妝品包裝盒中的膠水和光油的涂布面積，因此可以認(rèn)為不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳足跡中膠水和硅油的占比大于28%，膠水和硅油成為不干膠標(biāo)簽碳足跡的重要來源之一。與此同時，電能是不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)過程中碳足跡的重要來源，而降低電能消耗的方法一方面在于生產(chǎn)設(shè)備能效的改進(jìn)，另一方面在于產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提升，兩者均不是本文的研究重點。從工藝角度看，克服1、3號功能缺點對應(yīng)的碳足跡重點在于減少膠水和硅油的消耗。

表2 不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程功能缺點

Tab.2 Function shortcomings of self-adhesive label production process

2.1.3 因果鏈分析

通過功能分析，查找技術(shù)系統(tǒng)的幾個主要功能缺點。為了進(jìn)一步了解主要功能缺點產(chǎn)生的基本原因，對系統(tǒng)進(jìn)行了因果鏈分析。由功能分析可知，1、3號功能缺點是技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化的最佳著力點，故選擇將膠水和硅油涂布過量作為系統(tǒng)的初始缺陷，并對初始缺陷進(jìn)行因果鏈分析，其分析過程如圖3所示。其中，AND表示下一層次的缺陷共同作用導(dǎo)致上一層次對應(yīng)缺陷的產(chǎn)生，OR表示下一層次任一缺陷即可導(dǎo)致上一層對應(yīng)缺陷的產(chǎn)生[12]。

圖3 膠水/硅油涂布過量因果鏈分析

2.2 問題模型分析

1）關(guān)鍵缺陷問題分析。由因果鏈分析可知，為了解決硅油/膠水涂布過量問題，需解決廢邊區(qū)域被涂布的缺陷和涂布厚度太厚的缺陷。要解決廢邊區(qū)域被涂布的缺陷，需同時解決涂布輥不能選擇性涂布、印刷位置不確定和涂布位置完全覆蓋印刷位置等缺陷。針對上述4個關(guān)鍵缺陷進(jìn)行分析，見表3。

2）識別物理矛盾。由表3可知，在解決硅油和膠水涂布過量問題時，存在一個物理矛盾：希望涂布區(qū)域大些，有利于降低不干膠標(biāo)簽在后期生產(chǎn)過程中區(qū)域覆蓋的難度，又希望涂布區(qū)域小些，可以減少硅油和膠水的涂布量，達(dá)到減少碳排放的目的。

3）物理矛盾求解。根據(jù)表3中的物理矛盾，采用TRIZ中的矛盾分離方式和發(fā)明原理對物理矛盾進(jìn)行求解，分析及求解過程見表4[7, 13]。

3 創(chuàng)新解評估

依據(jù)上述創(chuàng)新設(shè)計方法，可得出下述若干創(chuàng)新解，并根據(jù)設(shè)計目標(biāo)、企業(yè)盈利要求和工藝改進(jìn)難度情況從成本、可操作性、可用性、減碳效果等方面對創(chuàng)新解進(jìn)行評估，并打分。評分標(biāo)準(zhǔn)：成本從高到低分別為1～3分，可操作性從復(fù)雜到簡單分別為1～3分，可用性從弱到強分別為1～3分，減碳效果從較差到較好分別為1～3分。創(chuàng)新解的具體評估方案如表5所示[15]。

1）創(chuàng)新解1。新的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程如圖4所示，將面紙印刷工序調(diào)整到面紙涂膠工序前，或與涂膠工序同步實施，同時采用傳統(tǒng)印版對面紙進(jìn)行局部涂布，減少廢邊區(qū)域的膠水。底紙背印工序與底紙硅油涂布工序同步實施，采用傳統(tǒng)印版對底紙進(jìn)行局部涂布，減少廢邊區(qū)域的硅油。將底紙背印的干燥工序和硅油涂布后的烘干工序合并，簡化工序，減少能源消耗。烘干后使用復(fù)合裝置，將底紙和面紙的涂布區(qū)域進(jìn)行套準(zhǔn)復(fù)合，然后進(jìn)行后續(xù)工序。

表3 關(guān)鍵缺陷及問題分析

Tab.3 Analysis of critical defects and problems

表4 物理矛盾求解流程

Tab.4 Process of solving physical contradictions

表5 創(chuàng)新解評估

Tab.5 Evaluation of innovative solutions

圖4 優(yōu)化后的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程Ⅰ

2）創(chuàng)新解2。在如圖4所示的生產(chǎn)流程基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)硅油/膠水涂布印版的表面圖文進(jìn)行改進(jìn)，將不干膠標(biāo)簽使用區(qū)對應(yīng)的實地膠水覆蓋區(qū)和硅油覆蓋區(qū)分割成塊狀的涂布區(qū)域，如圖5所示。膠水涂布覆蓋區(qū)的面積略大于不干膠標(biāo)簽使用區(qū)域，硅油涂布覆蓋區(qū)域的面積略大于不干膠標(biāo)簽使用區(qū)域，膠水和硅油涂布采用均勻分布的線條或網(wǎng)點代替實地涂布。

3）創(chuàng)新解3。新的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程如圖6所示，將面紙印刷工序調(diào)整到面紙涂膠工序前，或與涂膠工序同步實施，涂膠方式采用創(chuàng)新解2中的印版進(jìn)行局部涂布，消除了廢邊區(qū)域的膠水。涂膠后，在其表面對應(yīng)位置采用創(chuàng)新解2中的印版對面紙涂布硅油，在硅油干燥后，將面紙與底紙熱壓復(fù)合，然后進(jìn)行后續(xù)相關(guān)工序。

1.廢邊區(qū)域（網(wǎng)格線外側(cè)空白區(qū)） 2.不干膠標(biāo)簽使用區(qū)（印刷區(qū)） 3.膠水涂布覆蓋區(qū)（橫紋區(qū)域） 4.硅油涂布覆蓋區(qū)（豎紋區(qū)域） 5.邊緣覆蓋區(qū)（使用區(qū)外側(cè)與涂布區(qū)重合的部分）

圖6 優(yōu)化后的不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)流程Ⅱ

通過對上述創(chuàng)新解進(jìn)行評估可知，從成本角度看，方案1的成本最低；從可操作性角度看，方案1和方案3操作簡單；從可用性角度看，方案3較好；從減碳效果角度看，方案2和方案3都較好；從總體評價看，方案3的得分最高。綜合上述評價可知，方案3為最優(yōu)解。

4 結(jié)語

將TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用于不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝的低碳化研究，得到了降低不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)過程中的碳排放的多個改進(jìn)方案和最優(yōu)解。通過評估發(fā)現(xiàn)，在原工藝流程的基礎(chǔ)上，將面紙印刷工序提前到與涂膠工序同步實施，同時將硅油直接涂布到面紙涂膠區(qū)域進(jìn)行遮蓋，在涂膠和硅油過程中均采用網(wǎng)點或線條凹版進(jìn)行局部涂布為最佳方案。該方案對原方案改動較小，同時消除了不干膠廢邊區(qū)域膠水和硅油的涂布量，減少了圖文區(qū)和邊緣覆蓋區(qū)的涂布量，達(dá)到了減少碳排放的目的，從可操作性、可用性和減碳效果角度看均優(yōu)于其他方案?？紤]到不干膠標(biāo)簽的生產(chǎn)工序繁雜，需要對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行大改動，不干膠標(biāo)簽的降碳研究不會畢其功于一役，后期將根據(jù)改造后的工藝和設(shè)備對最優(yōu)解減碳效果進(jìn)行實驗驗證。從理論角度看，TRIZ創(chuàng)新方法為不干膠標(biāo)簽生產(chǎn)工藝低碳化改進(jìn)提供了新的設(shè)計思路，同時也驗證了TRIZ在工藝低碳化改進(jìn)方面的有效性。

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Low-carbon Production Process of Self-adhesive Label Based on TRIZ

JIN Lin1,XIAO Ying1,FENG Yu-jing2,ZHOU Kun-peng3

(1. Department of Printing and Packaging Engineering, Shanghai Publishing and Printing College, Shanghai 200093, China; 2. Zhejiang East Precision Measuring Tools Co., Ltd., Zhejiang Jinhua 321000, China; 3. Hubei Chutian Media Printing Co., Ltd., Wuhan 430062, China)

The work aims to reduce the carbon footprint and improve the market competitiveness of the self-adhesive label on the production process, in order to help the printing and packaging industry to achieve "carbon peak" and "carbon neutrality" as soon as possible. Firstly, the production process and the carbon footprint of paper self-adhesive label for alcohol were analyzed. Secondly, the TRIZ innovative method was used for the first time to analyze the problem, problem model and physical contradiction of the label production process based on the process analysis, and to dig the low-carbon innovative solution of the self-adhesive label production process. Finally, the innovative solutions were evaluated from the aspects of cost, operability, availability and carbon reduction effect. Through the research, three kinds of innovative schemes and one optimal scheme for low-carbon production of self-adhesive label were obtained. The results show that the amount of coating and drying times can be reduced by adjusting the printing sequence of face paper, the object of silicone oil coating and the way of silicone oil and glue coating, so as to reduce the carbon emission in the production. At the same time, it also proves the effectiveness of the TRIZ innovative method in the research of low-carbon production process.

self-adhesive label; production process; low carbonization; TRIZ

TS801.9

A

1001-3563(2023)17-0246-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.030

2022-12-09

國家新聞出版署“智能與綠色柔版印刷”重點實驗室招標(biāo)課題（ZBKT202204）；國家新聞出版署“智能與綠色柔版印刷”重點實驗室項目（KLIGFP-01）

責(zé)任編輯：彭颋