从甲苯类油墨特性剖析论凹印环保油墨的任重道远

时间:2011-04-28 13:19:48来源:科印传媒《印刷技术》作者:蔡成基
  自GB/T 10004-2008《包装用塑料复合膜、袋干法复合、挤出复合》标准提出软包装禁苯的要求后,目前已初见成效。最明显的现象就是国内许多知名软包装凹印企业从社会责任感出发,纷纷放弃了稳定使用多年的甲苯类油墨,先是改用无苯有酮类油墨,继而使用无苯无酮类油墨,用自己的实际行动逐步走出“凹印不环保”的阴影。
  但是,由于GB/T 10004-2008还只是推荐性国标,并不具有强制性,因此一些日化产品(如肥皂粉等)和服装等的包装仍然在使用甲苯类油墨。甚至一些出口包装也在使用甲苯类油墨,如日本等国家还没有完全禁苯,现阶段只是对苯的残留量提出要求。因此,甲苯类油墨并没有停止生产,不少软包装凹印企业仍在应用。有些中小型软包装凹印企业甚至还专门利用这个空档,在食品包装中也偷偷地使用:印刷精细网点的CMYK四色版采用甲苯类油墨,而耗墨量大的白色版采用无苯无酮类油墨,甚至醇水型油墨。这样既保持了原有油墨体系的印刷适性,也敷衍了社会对环保的要求,只要干燥条件许可,气相色谱仪测定的溶剂残留数据尚可。
  为什么市场对甲苯类油墨情有独钟?除了其价格低廉以外,使这些印刷企业甘愿冒天下之大不韪的真正原因是什么?因此,有必要对甲苯类油墨做一个科学的、有说服力的性能剖析,以找出甲苯类油墨盛行多年的真正原因,并将现在提倡并推广的无苯无酮类油墨与其相比较,找出差距,迎头赶上。

  甲苯类油墨的特点
  我们通常所说的苯类油墨,即指以甲苯、二甲苯等为主要溶剂的油墨,而不是指油墨中允许使用苯溶剂。我国多年前就签署了国际禁苯公约,承诺油墨中不使用苯溶剂。现在所指的苯类油墨即含有甲苯、二甲苯、邻(或间、对)二甲苯等溶剂的油墨,但油墨中并不包含苯溶剂,因此严格上讲应该称之为甲苯类油墨。
  甲苯类溶剂属于芳香烃,有毒,在油墨制造和印刷过程中会对环境造成污染。我国相关卫生标准规定,车间空气中甲苯的最高容许浓度为50mg/m3,日本等国家的容许浓度是50ppm。而且,如果软包装中残留有甲苯类溶剂,也会对内装的食品、药品等造成污染。甲苯类溶剂同其他溶剂的相溶性很好,以甲苯为例,与其可以混溶的溶剂有醇类、酯类、酮类、烷烃类、芳香烃类等,因此凹印时大量采用的混合溶剂中常常用到甲苯。
  国内软包装行业应用甲苯类油墨约有30多年的历史,业内对它的评价是印刷适性好,印刷过程中比较稳定,技术力量不是很强的企业在应用时上手快,容易掌握。这种思维定势来自于甲苯类油墨的三个显著特点:溶解性、表面张力和蒸发速率,这三大特点奠定了甲苯类油墨在溶剂型凹印油墨中的地位。
  甲苯在20℃时的偶极矩是1.23×10-30cm,属弱极性溶剂,根据传统的极性相似原则,其特别适合于溶解非极性溶质。甲苯的溶解度参数δ=8.9cal1/2·cm-3/2,因此理论上溶解度参数相差±1.5cal1/2·cm-3/2之内的非极性和弱极性溶质都能被其溶解。甲苯的表面张力为28.53mN/m,沸点为110.63℃,25℃时的蒸发潜热为177千卡/磅,蒸发速率为195(以醋酸正丁酯的蒸发速率为100)。
  甲苯类油墨通常用于非极性薄膜,如OPP、PE等聚烯烃薄膜的印刷,根据极性相似原则,弱极性的甲苯能对非极性的聚烯烃薄膜表面起到轻微的腐蚀作用。甲苯对OPP等薄膜表面的溶胀和溶解作用,使薄膜和油墨中的树脂相互扩散,增加了墨膜在薄膜表面的锚固点。对非吸收性的薄膜来说,油墨虽然无法像在纸张上那样通过渗透吸收而附着在其上,但通过建立无数个锚固点,墨膜也可以通过攀附而达到附着效果。GB/T 7707-2008《凹版装潢印刷品》规定,用透明胶带测试方法来鉴定墨膜的附着牢度,其实就是对胶带同墨膜的黏着力与墨膜在薄膜上的锚固力进行比较。
  1.溶解性
  甲苯类油墨的常用树脂是氯化聚丙烯、聚氨酯和聚酰胺,作为油墨的连结料,这些树脂既要能分散、包裹各色颜料,也要能牢固地附着在薄膜材料上。因此用合适的溶剂溶解树脂,是油墨的关键技术。溶剂同树脂的溶解性配合大体上奉行三个原则:①极性相似原则,即极性相似的物质可以互溶;②溶解度参数相近原则,即溶剂的溶解度参数与溶质的溶解度参数要尽可能接近;③溶剂化原则,即高聚物溶解的前提是溶剂和溶质的亲电或亲核基团必须互相作用,形成氢键。溶剂化原则的进一步推导可以引出溶剂与溶质相互作用时的统计热力学判定数据:由高分子溶质与溶剂混合时的相互作用能Huggins参数χ1可以判定溶剂的优劣。χ1必须小于1/2,且比1/2小得越多,溶质在溶剂中的溶解性越好。
  下面就按上述基本理论来分析甲苯类油墨的溶解性。用甲苯溶解氯化聚丙烯树脂时,由于甲苯是弱极性溶剂,聚丙烯本身是非极性,两者因极性相近而相溶。聚氨酯树脂的溶解度参数δ在10cal1/2·cm-3/2左右,如果仅用甲苯来溶解,因甲苯的溶解度参数为8.9cal1/2·cm-3/2,两者相距较大,相溶性不太理想,因此溶解聚氨酯树脂时往往采用甲苯混合溶剂。若甲苯混合溶剂的综合溶解度参数接近聚氨酯树脂的溶解度参数,则聚氨酯树脂也能得到良好溶解。同理,聚酰胺树脂的溶解度参数在12.7cal1/2·cm-3/2左右,与甲苯的溶解度参数8.9cal1/2·cm-3/2相差太大,但若通过混合溶剂中其他溶剂的共同作用,同时通过树脂改性,聚酰胺树脂的溶解性就要好得多。
  溶解性是甲苯类油墨的第一个重要特点。凹印油墨的溶解性牵涉到油墨的细度、复溶性(也称为再溶解性)以及形成刀丝故障的概率。众所周知,油墨制造过程中,要在三辊机、砂磨机、球磨机等设备上,利用高剪切力来分散树脂,包裹颜料。油墨追求细度,凹印企业往往误认为油墨的细度是用砂磨机或球磨机轧制出来的,其实真正决定油墨细度的是颜料的粒径,颜料颗粒越小,将其包裹在内的油墨颗粒也就越小。用砂磨机或球磨机制造出的凹印油墨,如果不计后续添加的一些低分子悬浮物,细度可以达到5μm,包含了必要的添加物之后,目前一般的凹印油墨细度均在20μm左右,足以胜任凹印175线/英寸3%网点的需求。
  凹印油墨在储存过程中的稳定性和在印刷过程中的复溶性,也是由油墨的溶解性所决定的。储存稳定性问题包含两个方面,即原墨的储存与残墨的储存。我国油墨行业的行业标准规定,成品油墨的安全储存期是12个月,要求库存油墨在保质期内必须不能有明显的分层和结块现象。实践证明,绝大多数油墨在12个月储存期内的稳定性没有问题,但是残墨的储存稳定性却是个问题。大部分凹印油墨在首次使用后,即在印刷过程中添加了溶剂,将油墨黏度调成印刷黏度并上机运行以后,残墨的保存就有困难了。即使按照油墨供应商的要求,将残墨加盖密封后在阴凉处储存,仍会出现分层结块现象,而且残墨再次使用时易出现刀丝,并引起印刷故障。所以为了在保证质量的前提下节约成本,凹印企业技术部门往往要求新旧油墨按2∶1的比例使用,最低要求也必须是新旧油墨按1∶1的比例混用。这种做法的基本出发点是用原墨中的重要组分来弥补残墨中对溶解性有妨碍作用的组分,其基本理论依据是原墨溶解性与残墨溶解性的差异,即墨桶中的油墨溶剂配伍是能够用混合溶剂的溶解度参数来保证的,但是添加了用于调整印刷黏度的溶剂以后,尤其是在凹印机开放式印刷单元上使用过以后,油墨体系的溶解度参数发生了改变,溶解性就会变差。目前凹印过程中主要是根据油墨的干燥速度来调配混合溶剂,基本方法是:油墨干燥速度太快了加慢干剂,干燥速度太慢了加快干剂。但这种方法完全忽视了在调节油墨干燥速度时必须要兼顾油墨的溶解性及其他性能这一点,将原本严密的混合溶剂体系割裂成不完整的真溶剂与假溶剂,致使油墨的复溶性变差。

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