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咬定青山不放松—议薄膜凹印水墨的应用现状与未来

时间:2017-06-15 17:09:55来源:科印网作者:蔡成基

  “咬定青山不放松”,这原是清朝诗人郑板桥《竹石图》的自题画诗首句,笔者借此想表达的主体是薄膜凹印水墨,在这一领域行业人士既已认定目标,有了良好开局,希望能够锲而不舍,百折不挠,继续努力下去,使薄膜凹印水墨从试验进入实用,尽快投入产品实际生产中,最终在凹印软包装领域顺利取代溶剂墨。

  在2017年初中国塑料加工工业协会复合膜制品专业委员会举办的会议上,一家软包装企业(以下简称“A企业”)分享了他们在薄膜凹印水墨的实际应用案例,这是近两年来国内薄膜凹印水墨发展过程中一个比较系统、典型的代表性案例,通过对印刷样张的测试,笔者对该案例表示赞同,并认为该项目应该可以复制和推广。本文,笔者以A企业薄膜凹印水墨样张为例,总结薄膜凹印水墨的核心技术,相信将对薄膜软包装行业如何走出环保压力带来的成本提升困境,有着十分重要的意义。

  水墨可以在薄膜上附着, 已经成为业界共识

  笔者看到的样张,承印薄膜是BOPP,据薄膜凹印水墨供应商提供的资料显示,薄膜凹印水墨除了可以在OPP薄膜上附着,还适应PET、NY、PVDC等极性薄膜。样张采用BOPP/VMCPP、BOPP/CPP结构,当然这是为了对印刷膜进行保护,同时也论证了薄膜凹印水墨同各种复合胶黏剂的有效配合。笔者又对试机现场直接取样的OPP水墨样张(尚未复合,当时印刷速度是185m/min)进行了检测,用3M 600测试胶带测定水墨在薄膜上的附着力,胶带只撕下了薄薄一层白墨(因为样张采用里印),稍带着也有一些暗红和草绿,但撕下的墨膜不会超过10%,完全符合墨膜保留超过90%的附着力测定评判标准。因此薄膜凹印水墨能够在OPP薄膜上附着,这个结论不会有问题。

  在A企业罗列的薄膜凹印水墨使用关注点中,涉及到了印刷适应性、干燥性、色相稳定性、气味及溶剂残留、耐候性、印版的耐印率、复合应用性与使用成本,共8项指标,但恰恰没有墨膜对薄膜的附着力。这说明:水墨可以在薄膜上附着,这已经成为共识,没有必要特别关注了。

  以溶剂墨为例,油墨在薄膜上附着需要满足2个条件。

  (1)油墨所采用的树脂与薄膜树脂要有亲和性,即当油墨在湿润状态下转移到薄膜表面时,二者必须能相互溶融。油墨的湿润树脂要能够微溶薄膜表面,在薄膜表面建立锚固点。

  (2)墨膜转移到薄膜上后,液态的油墨与固态的薄膜所形成的夹角(接触角)小于90°,这表明湿润墨膜在薄膜上能具有良好的润湿性。

  但油墨树脂与薄膜树脂要达到亲和也有一定规律,要满足3个重要条件,即溶解性三要素。

  (1)极性相似而相近,相近而相溶。就像薄膜分极性非极性一样,油墨树脂也有极性非极性的差异。当年在凹印溶剂墨中用低毒的醇酯类油墨替代甲苯类油墨时遵循的就是这一原理。经历过这一重要历史时期的印刷界同仁都应该记得,同BOPP薄膜附着最好的就是氯化聚丙烯树脂。这个相溶点,就落实在同为聚丙烯树脂上。

  (2)溶解度参数δ相近,要求完全相等很困难,但相近是必须的。相近的范围需要通过实验来验证。

  (3)能够生成新的氢键。溶解性三要素在处理绝大多数的溶解性配合方面,都比较有效,但绝不万能,有时候出现的结果会游离于前两个要素之外,有关氢键的要素能有效补充其不足。笔者曾经在处理凹印IMR产品时,既需要保证溶解性,以避免刀丝,又需要达到高挥发性,以避免因溶剂残留而使墨膜强度不够,经计算选择了一个不可能产生新氢键的假溶剂方案,这就是对溶解性三要素的有效利用。

  油墨对薄膜的亲和性,决定了油墨能够在薄膜表面建立锚固点。油墨对薄膜的润湿性,决定了锚固点的多与少,即锚固点的量。当墨膜里的溶剂挥发,墨膜会沉积在薄膜表面,但这种沉积已不是无根之木、无源之水,它同薄膜已经有了紧密联系。墨膜本身的强度由油墨树脂的分子量决定,由油墨树脂的内聚力决定,即树脂本身的物理特性决定了墨膜的强度。当然,不可忽视的是,墨膜里的溶剂挥发得越彻底,墨膜的强度越高,反之,墨膜里的残留溶剂越高,其本身的强度也越低。

  印刷界已经形成共识,检测油墨在薄膜上的附着,采用3M公司的600/610测试胶带。测试方法在20世纪80年代制定的GB/T 7707-1987《凹版装潢印刷品》(现已作废,由GB/T 7707-2008代替)上早已有规定,只是那时国内还很少使用3M测试胶带,因此对胶带的黏合力,即测定墨膜在薄膜上附着力的标准,选定的是一款国内产品。这种测定方法的基本原理是用胶带对墨膜的黏合力来判断墨膜对薄膜的附着力:当墨膜被胶带撕落,说明胶带对墨膜的黏合力大于墨膜对薄膜的附着力,判定为不合格;当墨膜没有被胶带撕落,说明胶带对墨膜的黏合力小于墨膜对薄膜的附着力,判定为合格。该国标中规定了一个百分比的计算,不少企业采用百格计算法,判定临界点好像是10%。

  必须引起注意的是,因为是用胶黏剂的黏合力来表示相对的附着力,墨膜本身的强度也是非常重要的因素。因此,墨膜的干燥与否,墨膜本身分子量是否合适、内聚力是否足够,同样是不能忽略的问题。

  以上笔者不厌其烦地介绍溶剂墨的基本原理,其实是为了说明水墨在薄膜上附着的基本原理。水墨与溶剂墨在薄膜上的附着原理一样,以前如何选择合适的溶剂墨,现在水墨同样受用。笔者以前在寻找薄膜凹印适用水墨时,先通过实验室测定,经筛选后的水墨才允许上机中试,对凹印机每次的试验成本只给1000m薄膜。只要规划得当,照样可以顺利得到结果。但不管采用什么方法,水墨在薄膜上的应用已经开始,业内已经形成共识,即水墨可以在薄膜上附着,这已经不再是太大的问题了。

  需要指出的是,目前已经在使用的薄膜凹印水墨在设计上还存在一些问题,单一乳液或混合乳液,软树脂或硬树脂,零下温度的Tg(玻璃化温度)与零上温度的Tg,用大量组合所形成的配方,在技术上并不可靠。所谓软树脂可以增加附着力,硬树脂可以增加墨膜强度等,更是一种误导。所谓树脂的软硬,其实是由树脂的Tg所决定。仅从Tg角度来选择水性树脂,同我们现在所追求的树脂的溶解性,是两个完全不同的物理量。笔者两三年前在印刷企业做水墨测试时,曾要求水墨供应商提高其水墨在薄膜上的附着力,可能路途比较遥远,该公司技术负责人亲自飞上海多次,换了多种Tg的水性乳液,前后拖了半年多,终究以失败告终。其实决定墨膜附着的根本因素是墨膜与薄膜的亲和性与润湿性,而亲和性又取决于溶解性三要素,不按照正确的理论思路来解决实践中遇到的难题,仅靠多次实验是不可靠的。

  有必要指出的还有润湿性问题,笔者前年集中测试了5家油墨供应商的薄膜水墨,测定时发现某产品的薄膜附着力明显不足,但该油墨供应商技术负责人认为是薄膜表面张力不够所致,要求重新电晕处理。我方技术人员再三告知,5家测试所用薄膜是同一批次,有些甚至是同一卷薄膜,经我方测试表面张力都达到了38mN/m。现4家样品在附着力方面都达标,唯独这一家出现问题,是否需要反思一下,将水墨树脂的匹配性再调整一下?当然为了显示诚意,我们还是对薄膜作了处理,但最终的结果是墨膜附着力仍然不达标。这是一个明显的片面强调薄膜的润湿性,而没有首先考虑油墨同薄膜溶解性的案例,这是不少水墨供应商常犯的错误。笔者希望,这种错误以后要少些,水墨应用所走的弯路也会少些。

  现在水墨已经可以在薄膜上附着,而且现有产品也已证明这个课题已经攻克,为什么还要重申这个问题?笔者已经看到,墨膜在薄膜上的附着,很大程度上是水性乳液供应商的功劳,不少通过采购渠道获得水性乳液的水墨供应商,在理论上对这个问题并不清楚。因此一旦原有的水性乳液断供或涨价,薄膜水墨制造一定会遇到难题。类似的情况在柔印纸张油墨供应商那里早就遇到过,柔印纸张水墨是水墨系列产品中最稳定、市场最大的产品,但当安监局对某企业原先使用乳液的安全性提出质疑时,水墨供应商竟不知问题是如何造成,如何改善。因此,希望薄膜水墨供应商能未雨绸缪,掌握选用水性乳液的基本办法,提高自己的应变能力,避免可能出现的尴尬。印刷界需要薄膜水墨,软包装界更离不开薄膜水墨。

  水墨在薄膜上应用确实存在先天不足的质量缺陷

  薄膜水墨存在着先天不足的质量缺陷,这就像笔者的一位朋友所说:水墨就是水墨,你不可能得到同溶剂墨一样的印刷质量。该朋友是一家大型软包装集团的技术负责人,他们集团下属企业也生产水墨,可见言之不虚。

  A企业在分析水墨可能产生的质量问题时,从6个方面进行评估,即印刷刀线(他们将微小颗粒嵌在刮刀上形成的明显刀线与间断性出现的刀线归于同一栏目)、图案效果、版污、浅网转移、刮墨是否均匀、堵版(其实是水墨的复溶性),他们将这些统称为印刷适性。笔者仔细研究了他们的经验,在水墨印刷工序,除上述6项,还有干燥性、色相稳定性、气味与溶剂残留、耐候性表现各方面,甚至包括印版耐印率。

  客观来讲,以上各项,有些说到点子上,有些其实不必说。因为采用的是凹印工艺,该工艺必然存在的质量缺陷奢求通过水墨来消除,可能性不太大。水墨应用中林林总总的所有质量缺陷,其实只要从水墨不同于溶剂墨的最基本特点去分析,就容易抓住主要矛盾,抓住矛盾的主要方面。

  水墨的墨膜形成同溶剂墨的墨膜形成有一个很大的不同,即溶剂墨在油墨转移到承印材料上后,溶剂挥发留下的树脂堆积成膜,形成均匀墨膜。水墨由于乳液的存在,堆积在承印材料上的墨膜先是以颗粒状存在,随着水分的挥发,水墨颗粒呈紧密排列,紧密排列后的颗粒再通过变形逐渐形成连续墨膜。溶剂墨在成膜时只有挥发、沉积2个阶段,而水墨形成墨膜则需要4个阶段,在这期间就形成了水墨先天不足的质量缺陷。

  水墨的主要质量缺陷有实地流平不足、针孔(印刷企业常称“小白点”,油墨企业称之为“缩孔”)和干燥较慢。至于薄膜凹印水墨的其他质量故障,由于出自于凹印工艺门下,凹印工艺在使用溶剂墨时所有的质量缺陷,在使用水墨时几乎都会出现。除了一项,即高光小网点的有效转移,凹印水墨在这方面的表现比使用溶剂墨时要好得多。但这不是什么了不起的优点,这与水墨干燥慢是一个问题的两个方面,上机前用刮板细度计测一下水墨的初干长度,马上就明白问题所在。

  经分析,薄膜凹印水墨样张在实地流平方面表现非常好,笔者觉得无可挑剔,且会议提供样张与试机现场所取样张在实地流平方面,质量水准相同。笔者对其中一款印刷膜的绿色、红色、QS符号的蓝色与条形码的黑色处分别用200倍放大镜取样,实地均匀性很好,同使用溶剂墨印刷相比,丝毫不逊色。只是在实地部分发现了一些针孔,主要是红色处还存在些许瑕疵,如图1所示。但这已经很不容易了,我们不作苛求。


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