一个亟需解决的课题如何筛选薄膜凹印水墨

蔡成基

凹印工艺的VOCs排放问题由来已久，雾霾与PM2.5超标等一系列环境污染的重大事件成了解决凹印VOCs问题的催化剂。曾经被视为都市工业的印刷业，现在却被列入污染行业之列，这的确是一件非常悲哀的事情。广东、上海、北京等地先后颁布的相关地方标准，意味着将对印刷业VOCs排放开始新一轮制裁。同时，网传的印刷企业退出北京也给印刷业带来了震撼，2014年北京市政府公布的《北京市新增产业的禁止和限制目录（2014年版）》中要求包装装潢印刷企业退出北京，但今年8月24日公布的《北京市新增产业的禁止和限制目录（2015年版）》做了修改，使用溶剂型油墨的包装装潢印刷企业退出北京，这就为胶印（在包装印刷业占 50%以上）留下了一扇门。所以，凹印VOCs问题必须得到真正解决，怎么解决？答案是水墨。

首先需要明确几点，第一，本文介绍的水墨包括水溶性与水分散性油墨；第二，水墨中有机溶剂的含量不超过5%；第三，针对的承印材料为非吸收性的塑料薄膜与金属箔，不包含纸张凹印水墨，因为凹印水墨在纸张上可以用渗透吸收来帮助挥发干燥，且这项技术已基本成熟。

水墨是解决薄膜凹印VOCs问题的根本途径

根据出口端控制VOCs排放是一个有效的解决办法，即对气体状态的有机溶剂进行回收，但这种方法会给凹印企业带来成本增加的压力。北京安姆科投资1000多万元，为4条凹印生产线配置了4套两级脱附常温溶剂回收设备，目前2套已安装完毕并投入试运行，据称每年可减排有机溶剂812吨。需要注意的是，这1000多万元仅是设备投资，并不包括设备的日常运行费用，即能源消耗的支出，因为不管采用哪种技术进行有机溶剂回收，一定会牵涉到能耗问题。

目前，有机溶剂回收装置在干法复合工艺中的应用最为成功，因为干法复合工艺使用的是单一溶剂乙酸乙酯，通过有机溶剂回收装置回收得到的单一溶剂乙酸乙酯可以直接使用。但是，凹印工艺中使用的是混合溶剂，通过有机溶剂回收装置回收得到的是溶剂的各特性参数全部打乱的混合物，而不是直接可用的达到原设计指标的混合溶剂，因此必须进行精馏。但精馏需要技术、资金与能源，凹印企业无能为力，只能委托专业机构来处理，然后再以低一些的价格回购。混合溶剂回收在工艺与成本上的难点，使得某些不良业者即使在凹印机上配置了有机溶剂回收装置，但也不常用，政府环保部门来检查了才用，不来检查就不用。

但是，现在情况不一样了，10月1日起政府要对印刷业VOCs排污收费了，所以薄膜凹印VOCs问题必须得到真正解决，而解决这个问题的根本途径就是水墨。

谁为薄膜凹印水墨试验买单

经常有人问我：哪一家油墨企业的哪一种型号的薄膜凹印水墨是可以过关的？我坦率地告诉大家：没有。薄膜凹印水墨在国内尚处于新生阶段，良莠不齐，质量水平相差很大。国外虽然有成熟的薄膜凹印水墨技术，但是国外油墨巨头尚没有在国内印刷界铺开市场，没有合适的产品，缺少关注。而且，舶来品缺少技术支持与技术服务，因为国外油墨企业的国内技术人员不了解薄膜凹印水墨的核心配方，更没有修改权。而我们国内油墨企业技术上缺乏深度，应变能力差，既少产品，更少服务。

而且，传统的油墨试验方法面临成本压力与质量风险，一旦失败，谁来买单？现在，没有一家油墨企业会承诺到凹印企业试验，如果试验失败，由他来买单。没有一家油墨企业会做出这样的承诺，即使是在世界排名前几位的油墨企业也不会。他们通常是免费提供油墨给凹印企业，凹印企业用自己的薄膜材料进行试验。但是，要知道，在软包装成本中，承印材料成本起码要占到50%以上。那么，谁为不成熟的薄膜凹印水墨技术买单？归根结底，还是凹印企业。所以，即使油墨企业声称自己的产品如何如何好，也没有哪家凹印企业敢试验，因为谁也不愿意承担这个风险。这就造成了我们传统凹印软包装界的尴尬局面：油墨企业称自己有薄膜凹印水墨产品，凹印企业却说这种水墨产品不行，而政府则要开始对印刷业VOCs排污收费。所以，现在面对环保问题，传统凹印企业无所适从。

薄膜凹印水墨的质量要点

为了保证在薄膜上的印刷质量，需要关注凹印水墨的几个质量要点。

（1）在薄膜上的附着力。在薄膜等非吸收性承印材料上印刷时，油墨无法通过承印材料渗透而达到附着，如何保证墨膜在薄膜上的附着力，这是薄膜凹印水墨的首要质量问题。

（2）干燥性能。凹印水墨在薄膜上的干燥以挥发为主要途径，但由于水的挥发速度很慢，所以凹印水墨的干燥性能必须考量。

（3）是否容易起刀丝？凹印溶剂墨印刷时无法避免刀丝，除了环境因素造成的异物嵌进刮刀外，主要原因还在于其使用的混合溶剂的溶解性波动。凹印水墨不采用混合溶剂，理论上不存在因混合比与挥发比不一致而造成的溶解性波动风险，但客观现实是其印刷中刀丝仍然不可避免。

（4）黏度变化与控制。凹印企业都面临着控制色差的问题，而油墨黏度变化会影响印品色差，因为油墨黏度不同，油墨中色浆的比例、固含量都不一样。所以，凹印企业一般会每隔15分钟测量一次油墨黏度，或者采用油墨黏度自动控制装置，自动监控油墨黏度，并自动添加有机溶剂来帮助保持油墨黏度的稳定性。凹印水墨中很少有机溶剂，但同样存在黏度变化问题。

（5）水墨pH值的稳定性。水墨pH值一般在8.5～9.5，有些水墨pH值甚至会达到或超过10.0。但水墨pH值会随着周围环境温度的变化而改变，pH值波动之后，就会改变油墨黏度和转移率，又会带来色差问题。因此在印刷过程中，必须要定时监测并调整水墨pH值，但这让生产一线的操作人员感到很不方便。

（6）墨膜的耐刮擦性能。表印油墨对墨膜的耐刮擦性有特定要求，这同油墨中树脂的硬度或添加剂的成分与比例有关。必要的耐刮擦助剂，凹印溶剂墨中具有的，凹印水墨中也应该具有。

（7）水墨在版辊上的移除性能。这关系到凹印污版问题，业内一直认为这是由于印版没有刮干净造成的，以前都是由制版厂和凹印企业来共同承担责任。其实这是油墨的问题，如果凹印水墨在版辊上的移除性能好，就能避免凹印污版问题。

薄膜凹印水墨实验室检测内容

凹印企业应当如何筛选薄膜凹印水墨？这是水墨应用中一个亟需解决的课题。在用溶剂墨时，凹印企业会做一些非常有效的事前检验工作，主要包括：①用凹印丝棒将油墨转移到薄膜上，用3M公司的600/610型胶带测定油墨在薄膜上的附着力；②用爱色丽分光密度仪测定颜色密度；③用细度检测评估凹印刀丝的风险；④用初干长度评估干燥性能；⑤用指甲或平磨法测试耐磨与耐刮擦性；⑥用气相色谱仪检测溶剂残留；⑦用Blocking测试方法检测油墨的耐热黏连。这些都为薄膜凹印水墨检验提供了一个很现成、很实用的思路和方法。

薄膜凹印水墨与溶剂墨同属于液体油墨，在薄膜上的干燥方式都以挥发为主，承印材料均为不能通过渗透吸收方法助干的极性与非极性薄膜，都可以适应里印与表印不同工艺。但是，溶剂墨的黏度变化大，水墨的黏度变化小，而且水墨需要控制pH值。

薄膜凹印水墨实验室检测应包括以下内容：①水墨在不同极性薄膜上的附着力测试；②用初干长度表征的干燥性能；③细度；④黏度；⑤颜色密度；⑥pH值稳定性；⑦墨膜耐磨与耐刮擦；⑧有机溶剂含量；⑨表面张力。这些就是我们要在实验室里做的工作。

胶带法测定凹印水墨在薄膜上的附着力

1.胶带测定法的基本原理

用3M公司的600/610型胶带测定油墨在薄膜上的附着力，揭示了油墨在薄膜上附着的基本原理。首先，油墨在薄膜表面能微溶，发黏，在薄膜上建立锚固点；其次，油墨要能在薄膜上润湿，使锚固点尽可能地多；然后是墨膜中的溶剂或水从中析出，墨膜中的树脂逐渐交联、强化。现在，许多凹印企业也是通过这种方法来检测凹印水墨附着力的。

为什么要用3M公司的600/610型胶带，而不能用普通的封箱胶带？因为普通封箱胶带与3M公司600/610型胶带的胶水配方不同，两者的黏性不同，贴到墨膜上之后产生的黏合力也不一样。胶带在墨膜上产生的黏合力的大小同胶水配方相关，规定了胶水型号即规定了黏合力。也就是说，当使用3M胶带去测试胶带对墨膜的黏合力时，我们规定了这种力的大小是由3M公司600/610型胶水的黏性为比较单位的。因此，胶带从墨膜上撕离，即黏合力与锚固力的PK，黏合力小于锚固力，代表墨膜对薄膜的附着力大；黏合力大于锚固力，则代表墨膜对薄膜的附着力小。

在此需要注意，当测定凹印水墨在薄膜上的附着力不达标时，我们其实需要判断两个原因，一是墨膜与薄膜不相容，墨膜在薄膜上因不溶而无法建立锚固点，或者因锚固点过少而缺乏坚固的根基；另一个则是墨膜没干透，内含的添加剂或水分使墨膜强度低，结合力过小而无法抵御胶带对墨膜的黏合力。这两种原因都能导致墨膜被胶带撕离，但解决方法完全不同。因此我们在判断凹印水墨在薄膜上的附着力时，必须要能清晰地分辨之，而不要混同。

还有一点值得说明，其他印刷工艺所用的油墨不少是在偏用该原理。比如UV墨，只要在UV油墨中添加表面活性剂或酰胺类助剂，就会使墨膜表面很滑，即使墨膜没有干透，胶带也粘不上，拉不下来，这就会造成UV墨膜已经干燥的误判。

2.水性乳液同薄膜的相容是关键

通常，水墨中一般包含两类树脂，即水溶性树脂（俗称水性溶液）与水分散性树脂（俗称水性乳液），决定水墨同薄膜相容的主要成分是呈乳液状态的水性树脂，即水性乳液。因此，水性乳液同薄膜的相容，是我们筛选凹印水墨时很重要的一个因素。根据溶解性配合三原则：极性相近，溶解度参数δ相近以及能生成新的氢键，而溶解度参数δ是溶解性三要素中的关键因素，要将水性乳液的溶解度参数同薄膜的溶解度参数的差值控制在±15%以内，才能保证水性乳液同薄膜的相容。

在目前阶段，我们不必苛求水性乳液对极性薄膜与非极性薄膜兼容。正如当年用无苯凹印油墨取代含苯凹印油墨时，用不同型号的油墨来分别适应极性薄膜和非极性薄膜。为了安全起见，我们也必须要给水墨供应商一个过渡期。

需要注意的是，只有理论上站得住脚的分析才可能对筛选提供帮助，这一点非常重要。现在很多水墨供应商的做法就是，给凹印企业提供一些水墨，让凹印企业自行测试。凹印企业只能分别在极性和非极性薄膜上进行测试，印刷后用胶带法测定这种凹印水墨的附着力，以及适用的承印材料范围。其实凹印企业的这种做法是不可靠的。可靠的做法是，先分析水墨供应商提供的这种凹印水墨用的是什么树脂，如果是水性丙烯酸树脂，那么我们就可以知道这种凹印水墨的极性范围是多少，然后就可通过实验室手段检测它的溶解度参数δ大致在什么范围。这样，基本上就能知道这种凹印水墨是适用于极性薄膜还是非极性薄膜，或者对于极性和非极性薄膜兼顾。水墨供应商一般是不会告诉凹印企业这些信息的，原因有两种，一种是出于技术保密，另一种是他们自己也不知道。但是，凹印企业要试用水墨的话，一定要建立自己的实验室手段，把这些信息参数测出来。

3.确认水性乳液是第一难点

水性乳液的性能决定了凹印水墨在薄膜上的附着力、干燥性能、墨膜的耐抗性等关键参数，所以确认水性乳液是至关重要的一环。但是，对于水性乳液同薄膜的相容性判定，水墨企业现在大多还是用实验的方法，而不是用测定乳液树脂溶解性的方法来确认。其实，水性乳液的溶解度参数是可测的，只是目前还未成为国内水墨设计的规范方法。

在无法确认水性乳液溶解度参数条件下，需要用时间来帮助判断。测定水性乳液溶解度参数时需要有必要的烘干条件，还需要一周乃至二周的等待时间，然后用胶带测定法进行测试，根据胶带转移油墨量大小的变化来判断水墨同薄膜的相容性。但是，我们也要注意避开实际判断中误区。比如，烘干并放置24小时后的墨膜全部被胶带拉下来，放置48小时后的墨膜被胶带拉下的情况要好一点，放置72小时后的墨膜则大部分都保留了。遇到这种情况时就要注意了，其实水性乳液同薄膜是相容的，只是墨膜未彻底干燥，只要解决好干燥问题就可以了。

所以，在此要给大家一个建议：不要轻易地否决。凹印水墨还是一个成长中的“婴儿”，不能因为它还不成熟，就轻易地否决，把婴儿和洗澡水一起倒掉。其实，有些水墨还是有不少优势的，只需要对其做一些改善就可以了。但是很多人根本不知道改善的方向在哪里，然后就直接把这些水墨否决了，这恰恰是我们凹印界的悲哀。

用初干长度表征的干燥性能

初干长度是挥发性油墨干燥性能的有效表征，所以用刮板细度计测定水墨初干长度来评估凹印水墨表干特性仍然是有效的，采用这种方法在上机前就可以知道水墨干燥速度的快慢，并能判断上机印刷的失败概率有多高。但是，初干长度测定对凹印水墨干燥性能的评估存在局限性。初干长度测定结果显示，凹印水墨的干燥速度慢，如何加强凹印水墨的干燥？长期以来的解决措施就是对凹印机进行改造，加长烘道，提高干燥温度，但这样做容易引起薄膜变形，出现套印不准，造成大量废品。而且，干燥剂技术与催化剂加速的树脂交联技术无法用初干长度模拟，即这两种技术的凹印水墨的干燥性能在实验室里面无法检测出来，只能上机试验。

另外，要注意表干特性在薄膜凹印水墨应用中的重要作用。薄膜凹印水墨在表干段靠的是挥发，让水分逸出，没有其他的办法。所有其他的办法只能是通过烘道以后，在温度的作用下产生化学反应，包括干燥剂技术。这就与凹印机的结构直接相关，但是很多凹印机制造商不懂油墨，也不懂溶剂墨与水墨的区别，所以他们对凹印机的改造基本上都是错误的。

在实验室里测定薄膜凹印水墨的干燥性能时，可以用烘箱方法（注意控制温度与时间），也可以用控制精度稍差的电吹风方法，同时还有油墨行业常用的耐热黏连（Blocking）测试方法。需要指出的是，薄膜凹印水墨应用中的熟成工艺十分重要。这是因为谁都无法保证凹印企业在实际生产过程中，把薄膜的印刷面与非印刷面搞反的情况出现，但这种情况要等到两天以后才能发现，而这时候距离交货期已经很近了，一切都来不及了。在凹印水墨应用中，熟成工艺能帮助我们快速判断薄膜的印刷面是否用错了。

对黏度的关注

目前市场上销售的许多薄膜凹印水墨中都含有增稠剂，这是因为很多凹印企业都希望油墨黏度高，通过多加水对油墨进行稀释来增加油墨量，但是这种传统的凹印思维有可能让我们走入误区。因为凹印企业在印刷生产中加进去的水跟凹印水墨中的水（水性树脂胺化后，凹印水墨中的水已不再是原来意义上的水了）是不一样的，两者的蒸发潜热不一样，干燥速度也不一样，凹印企业在印刷生产中加入的水越多，凹印水墨干燥得就越慢。也就是说，加水稀释会增加凹印水墨干燥的困难。

还要注意凹印水墨制造黏度与凹印水墨使用黏度的统一。这是针对水墨供应商讲的，必须要有一个确切的方法来控制凹印水墨的黏度。值得说明的是，必须是在凹印水墨pH值稳定条件下的黏度杯测定，假如pH值不稳定，黏度杯的测定结果是不能反映真实情况的。

pH值稳定性的测定

在实验中测定薄膜凹印水墨pH值稳定性的方法：取适量（100g左右即可）凹印水墨样品，在常温下敞开放置24小时、48小时、72小时之后，监控其pH值的变化，若变化小，则表明pH值稳定。pH值稳定性同凹印水墨制造过程中的树脂胺化工艺有关，目前水性树脂胺化一般有三种工艺：氨水、有机胺和无机碱，这三种工艺在树脂胺化后的稳定性方面差距较大。通过测定pH值稳定性，可以筛选出凹印水墨的胺化工艺。如果常温下敞开放置24小时后，凹印水墨的pH值下降很明显，可以确认树脂胺化体系中存在氨水；24小时中变化不大，48小时后pH值变化略有下降，可以判断树脂胺化采用的是有机胺工艺，沸点高，但挥发仍存在；ph基本不变，甚至放置72小时后pH值仍较为稳定，则表明树脂胺化采用的是无机碱溶液工艺。

对pH值稳定性的测定，还可以帮助我们推断印刷过程中薄膜凹印水墨的稳定性。pH值稳定的薄膜凹印水墨，在印刷过程中的转移性能稳定，黏度也稳定，因此色浓度也稳定。

有机溶剂含量的测定

凹印水墨中很难避免含有有机溶剂，但要求有机溶剂含量不超过5%。要剔除用有机溶剂助干的设计，尤其是利用沸点较低的醇类溶剂来帮助干燥的做法，因为凹印水墨对有机溶剂的添加量是有严格限制的，不然凹印水墨也会存在VOCs排放问题，这同业界大力推广凹印水墨的初衷是南辕北辙的。

可以用气相色谱仪来测定薄膜凹印水墨中的有机溶剂含量，非常简单，也非常可靠。许多凹印软包装企业要检测产品溶剂残留，基本上都配置了气相色谱仪，就可以进行这项检测工作。

表面张力的控制

控制薄膜凹印水墨的表面张力，主要是为了控制凹印污版问题。前面我们提到了污版问题，就是印版表面刮不干净，遇到这个问题时，凹印企业不是把责任推到机长身上（如刮刀没有装好、刮刀压力不够大等），就是推到制版厂身上（认为是印版表面过于粗糙了）。其实这种认识是错误的，污版问题实际上是由于油墨的表面张力过低造成的。凹印企业完全可以在实验室里直接测定所用的薄膜凹印水墨的表面张力，并由此判断其是否容易产生污版问题。

薄膜凹印水墨一般不会有污版问题，这是因为薄膜凹印水墨的表面张力一般都高于32mN/m，但添加剂与表面活性剂有可能会降低薄膜凹印水墨的表面张力。测定薄膜凹印水墨的表面张力要用专用的液体表面张力仪，比如德国KRUSS的K100，效果就不错。

此外，细度、颜色密度（在控制黏度条件下）、墨膜耐磨与耐刮擦的测定方法，凹印水墨与溶剂墨相同，在此不再赘述。

实验室检测中无法涵盖的内容

前面介绍了薄膜凹印水墨实验室测定的主要内容，通过实验室鉴定后的上机试验将大大减少失败风险，降低试验成本。但是，还有一些实验室测定中无法涵盖的内容，主要有：①水墨干燥中的干燥剂技术；②水墨干燥中的墨膜树脂交联技术；③色浆中的水性溶液与水墨的水性乳液相混后的化学稳定性。对于这些实验室测定中无法涵盖的内容，上机试验是必不可少的。

在薄膜凹印水墨应用中，凹印企业应当处于主动而不是被动的地位，因为凹印企业既承担着实验失败的风险，又承担着政府征收VOCs排污费的压力，可以说是将生产成本与社会责任担于一肩。所以，凹印企业要学会筛选，学会配合，要用尽可能小的试验成本来获得所需要的薄膜凹印水墨，彻底解决凹印VOCs排放问题。