水性薄膜油墨产业化 凹版包装印刷焕新生

李倩

根据中科院有关调查显示，印刷行业是继汽车、涂料、石化行业之后的第四大污染行业，其中凹版印刷每年的VOCs排放总量达百万吨，凹印行业有机废气的排放不仅导致可再生资源的浪费，同时也加剧了环境污染。针对近年日益严重的雾霾天气，国家及地方相关部门陆续颁布了多项与环境保护相关的政策措施，环保政策力度不断加大。与此同时，一些国际化的终端企业也相继制定了可持续包装策略，对包装材料供应商以及印刷企业绿色环保的要求不断提高。

近期出台的一系列国家和地方法规更是剑指印刷行业，例如，北京市从2015年10月1日起开始征收VOCs排污费，通过挥发性有机物清洁生产评估、排放浓度低于或等于本市排放限值的50%，且当月未因污染环境受到环保部门处罚的，收费标准为每千克10元；对于存在未安装废气治理设施、废气治理设施运行不正常或挥发性有机物超标排放等环境污染行为的，收费标准为每千克40元；其他情况收费标准为每千克20元。继北京、上海、江苏、安徽、湖南、四川、天津、辽宁、浙江、河北、山东、山西、海南、湖北、福建、江西开征包装印刷行业有机化学物VOCs排污费征收费之后，云南省也正式发文试点开征VOCs排污费，成为全国第十七个出台试点包装印刷行业VOCs排污费征收政策的省级地区（含直辖市）。

从以上国家和地方的治理力度来看，包装印刷行业面临着环保治理的巨大压力和困扰，“污染重灾区”的凹版印刷转型升级迫在眉睫。国内凹印及相关设备保有量几万台套，产业链结构复杂，从业人员多，凹印工艺经过近半个世纪的发展，作为包装印刷主要方式，环保问题不解决，企业将难以生存。VOCs排放的得不到治理，还会造成严重的社会问题。虽然如今的凹版软包装薄膜印刷已从芳香烃类的有机溶剂换成无苯无酮的酯醚类溶剂，对产品的溶剂残留、印刷环境的污染有所减轻，但随着凹印产能的提高与市场规模的扩大，有机溶剂的挥发废气排放，对人体健康和生态环境造成的危害也日趋严重。

如何从源头治理凹版印刷的污染？水性油墨技术是关键。2016年12月7日，在CHINA PRINT 2017国际媒体周暨第十九届北京国际印刷信息交流大会上，华新（佛山）彩色印刷有限公司的吴永强副总经理宣布，薄膜凹印全色系水性油墨研发成功及进行批量应用，这将为凹版印刷历史上树立一座里程碑，也预示着凹版印刷未来的路会越走越宽广。

为此，本刊记者在会议现场采访了北京中科丽颜科技发展有限公司技术总监魏洪涛先生和华新（佛山）彩色印刷有限公司（以下简称华新彩印）副总经理吴永强先生，听他们讲述了如何攻克技术难关，成功研发并批量生产水性油墨的精彩历程。

历经20年 终克技术难关

众所周知，目前凹版溶剂性油墨的VOCs排放治理问题非常严峻，凹版油墨的酯醚类等高浓度溶剂挥发，采用末端治理VOCs无论采取何种形式，都必须投入昂贵回收处理的装置，需要增加运营成本，耗费大量的资源。华新彩印吴总道出了水性油墨难以替代溶剂型油墨的原因：“目前凹印塑料薄膜软包装印刷，绝大多数用的是溶剂油墨，有的企业选择末端治理，购买末端治理设备。这种选择，一是投资大、运营和维护成本高；二是部分企业溶剂回收后处理困难，有的企业处理不当又形成二次污染。早在20世纪90年代末，我们生产口香糖的纸塑铝复合包材，在行业里较早应用凹版薄膜醇溶油墨。对于水性油墨的薄膜凹印工艺一直未能实现，就因为塑料薄膜是非吸收性材料，而水性油墨扩散性大、固着力差，从技术上很难实现二者的有机结合，这是软包行业里专业性的难题，也是溶剂型油墨在我国使用几十年都无法替代的原因。”

近20年来，北京中科丽颜科技发展有限公司技术总监魏洪涛先生一直致力于研究油墨。1996年，他在印钞厂研究合成印钞用的油墨树脂，当时他意识到油墨的水基化是未来的趋势，于是他成功地将整个油墨水基化，并建立了自己的树脂体系。2001年，他去浙江温州龙岗考察时发生的一件事对他触动很大，“温州的小企业特别多，有一个工厂老板跟我讲，他们厂里有3个工人得了白血病，就是因为油墨里的苯所致。如果把塑料包装的毒性问题解决了，那真是造福行业的事。”

从那时起，魏洪涛便开始把整个精力投入到塑料包装的改进上，首先要解决油墨的毒性问题，再解决油墨的气味问题，最后解决油墨的排放问题。魏洪涛所在的北京中科丽颜研发团队经过十几年的上千次实验，每年都要做至少两次上机实验，经过近20年的研究和努力，利用自主开发的非丙烯酸改性水基树脂的水性聚氨酯合成树脂，研制成可用于塑料薄膜印刷的新型水性全色系、多品种的凹印复合油墨。尽管该系列油墨从技术路线上取得了突破，树脂合成及印刷打样也取得很好效果，不过一直没能产业化。事实上，要在产业化上取得成功，必须与印刷、制版工艺以及设备改进相结合，这方面的结合牵扯很多难以产业化的困难与问题。

产学研同努力 实现水墨产业化

2015年，由行业协会牵头（中国印刷及设备器材工业协会和广东省印刷协会），华新彩印联合软包相关专业研究人员及科研专家，组建以印刷、油墨、制版及设备企业为主体的水性薄膜凹印复合油墨开发应用行业联盟，通过联盟成员的共同努力，制定了周密的薄膜凹印水性墨生产工艺方案。首先，由华新彩印的研发人员与专家们一起，以工厂现有在生产中的一条电子轴十色凹印设备为基准，以严谨务实的态度，科学地制定设备升级、版辊制作、印刷油墨匹配以及生产工艺技术方案。对BOPP、BOPET等非极性与极性的薄膜基材，进行反复的水性薄膜凹版复合油墨的印刷适性测试，经历了小、中、大试3个阶段。历时1年时间，企业逐步建立起水性墨工艺标准、工人操作规范、最佳的水墨印刷适性方法，同时制定了水墨印刷技术体系和相应的实验、生产管理制度。

运城制版的专家根据水墨的特性，不断改进电雕曲线，结合水性薄膜油墨凹印工艺关键技术，逐项分析对比，找出最佳方案。不仅如此，运城制版在版辊制作环节，通过应用高度智能化的装备，确保制版精度及制版过程无污染、清洁生产。水墨的研发测试整个过程，根据印刷工艺要求及制版反馈数据，不断改进油墨结构及配方，做到印版与油墨的最佳匹配，使水墨的印刷质量和技术指标优化，直至适应凹印大批量生产工艺的要求。

经过产业联盟的各方努力，终于成功研发出了HLWA型水墨，HLWA型水墨是一种基于水性聚氨酯型体系的环保油墨。油墨只含有水性树脂、颜料以及纯水、食用酒精（乙醇）助剂等材料，不含苯、酮、酯及醚类有机溶剂。经过一年来的测试及生产，使用水性油墨已经取得了优异的产品质量与可靠的技术指标。据魏洪涛介绍，该水性塑料薄膜凹版油墨浓度高、色彩再现性优异，印刷网点、线条清晰，油墨的流平性和固着力良好，并具备优异的无溶剂复合加工性能。它不但可以适应和满足目前大部分轻包装类的软包市场产品要求，而且具备溶剂型聚氨酯油墨的一些重要性能。另外，薄膜水墨印刷已经通过300米速度设备的技术测试，在300米速度的凹印机设备印刷，完全可以实现高质高效生产的技术需求。

在该水性薄膜凹印油墨的应用方面，华新彩印吴总表示：“这几年业内都在热议水性油墨，我们也期盼着能用最短的时间实现产业化，进行订单生产。2016年5月，我们完成了最后的实验，拿出产品给到我们的客户，客户在6月经过上机包装验证可以完全替代原来的产品，现在已经批量订单生产了，我们已经生产了超过150万米800宽幅面的产品。我们的油墨不是只有做测试，据不完全统计，半年之内已经有10吨以上油墨的使用量，经过前期的考证以后，我们的产品已经从测试论证的阶段迈入了实际生产的阶段。”

经过一年来密集高效的印刷实验，薄膜水墨凹印工艺的开发应用取得重大的技术突破和创新成果。华新彩印在多家知名品牌食品糖果包材上，进行水墨全色系批量生产。其产品质量可靠，印刷过程稳定，指标性能完全可以替代溶剂油墨，平方面积油墨消耗量同比减少25%，印刷综合成本降低。更重要的是印刷中没有挥发性有机溶剂，印刷车间无异味、无毒害。印刷过程中不仅保护了印刷生产者的健康，而其VOCs排放量，经广州质量监督检测研究院生产现场检测采集气体，检测结果VOCs排放量比溶剂油墨生产时排放减小90%，印刷车间的印刷机末端排放口，没经任何处理排放溶度低于国家标准。不仅如此，用水性油墨印刷的包装产品本身不再含有有毒的苯类、酮类、酯类、醚类等有毒物质，不存在二次污染问题。使用水性塑料薄膜凹版油墨印刷及无溶剂复合工艺，达成包装制品、产品包装及商品流通消费整个产业链安全的有效保障，符合绿色生态的发展战略。

华新彩印吴总表示：“通过水性塑料薄膜凹印油墨产业化进程的经验积累，我们将继续以绿色印刷产业联盟为基础，要与包装印刷行业一起不断提升凹版塑料薄膜水性油墨新材料的适用性。凹版塑料薄膜水性油墨一定会在软包装领域得到更广泛市场认同，它也将对软包装行业经济效益和绿色生态发展的贡献将产生深远的影响。”

创建油墨新体系 破除体系性缺陷

为什么他们能成功解决塑包油墨的问题？过去那么多做水性塑包油墨的人都没有成功呢？魏洪涛从技术原理上作了分析：“油墨与刷墙的涂料从本质上是没有区别的，都是采用丙烯酸体系，丙烯酸体系在水性柔版油墨当中也有应用，丙烯酸体系在应用涂料和柔版油墨还是很成功的。过去将纸箱印刷用水性柔版以后，也是无污染的。但是丙烯酸体系是水分散体系，用到凹版方面，有一个很大的弊端，就是会干版，凹版印刷是一个动态过程，在版辊高速转动过程中会产生大量热，不断搅动，油墨变化特别大，如果油墨没有很好的稳定性，就无法保证印刷进行的连续性，这也是水性油墨在凹版印刷中最大的问题。稳定性是无法通过改进机械来解决，是体系性缺陷。”

“我们在分析这个缺陷的基础上否定了原来的路线，创立了一个新的体系，叫溶液性体系，非丙烯酸的溶液性体系，将水视作为溶剂，传统的溶剂型油墨是溶液的，是溶剂将原来的高分子树脂溶解了，但是水不是很好的溶剂，如果要将高分子树脂在水里溶解是一个非常大的技术突破。油墨的结构核心是树脂，树脂是油墨的骨架，将聚酯聚氨酯水性化之后，把体系转化成溶液体系，如此一来稳定性得到了大大提高，便满足了凹版需要的连续性印刷的要求。其实对于水性油墨在凹版印刷应用的研究已经有很多年，但是应用于高端凹版烟包印刷的水性油墨都达不到要求，因为会糊版。有一个现象叫“4000张现象”，就是印过4000张，油墨就不稳定了，出现脏点、丢点、露白等现象。实际上就是水性油墨的稳定性不好，我们就是将这个问题解决了，这是世界首创的。”魏洪涛欣喜地看到今天的成果，水性薄膜油墨的成功研发和应用无疑成功救赎了凹版印刷。

“我们的印版辊技术参数与溶剂油墨是可以兼容的，不像别的普通的水性油墨需要特殊的制版工艺，他们的制版工效要慢一半以上，别人能做3块版，他才能做1块版。水性薄膜凹印油墨很难做到全色系，有实地有套印都在一个版面上是很难实现的。从这一点来说，水性薄膜凹印油墨过去一直以来没有得到普遍性应用，是因为水墨的很多问题解决不了，包括油墨成本、印刷速度、质量、油墨品种等不像溶剂油墨那么全面成熟。水性油墨做到将近20年，一直都没有得到广泛应用，由于欧美地区柔版技术方面的技术优势，已经把凹版印刷淘汰了。但是中国市场情况不同，凹版市场规模庞大，有1万多家印刷企业，凹版制版成本低，如果采用柔版，印刷成本会上升很多。其实用柔版方式来做塑料薄膜软包装印刷还是溶剂油墨，并不是水墨。如果换了印刷方式，但是还是解决不了油墨问题、排放问题、污染问题，那就没有任何意义。所以我们还是从凹版本身解决，真正改成水性油墨，特别是薄膜水性油墨，这是我们做这件事的意义。”不忘初心，方得始终。魏洪涛苦心钻研20年，终在各方努力配合帮助下，突破了重重阻力，成功解决了这一世界性难题。

而作为一家专业的包装印刷企业，华新彩印在水性油墨研发项目上也遇到了重重阻力。华新彩印吴总说道：“我们有一个机长，在水性薄膜油墨测试及批量生产过程有不配合、工作态度消极的表现，后来我们就把这名员工调离岗位3个月。大家使用溶剂油墨传统工艺几十年，对于溶剂油墨印刷的工艺流程、产品质量管控等都很熟悉，新的事物出来，难免很多员工没有站在一定高度看待发展。另外，我们对于技术的熟悉程度以及技能掌握都需要时间积累。溶剂油墨几十年积累了很丰富的经验，水性油墨应用有很多技术关键点，刚开始出现的印版与标准不匹配，堵版、干版，色彩再现和印刷适性调整等情况，造成员工很迷茫。”但是，华新彩印的管理层对于该项目态度坚定，公司技术部门、质控部门、生产部门有着很好的沟通衔接，使得水性油墨项目能够顺利地进展下去。

吴总表示，目前，华新彩印90%以上的员工对使用水性油墨生产是非常认同的，以前员工在生产现场印刷作业时都要戴口罩，其他部门非生产人员也不愿意长时间停留生产现场。如今，生产现场十分友好，都没有任何味道了，员工身体健康有保障，大家心情舒畅。从生产成本上来说，聚氨酯型水性薄膜复合油墨，以行业实际情况出发，它既可以满足绿色环保要求，也保留了有诱惑力的价格。目前国内的大多数软包印刷厂不需要过多地投入资源来应对新工艺的进入，比如印刷机的改造以及版辊的高付出版费，节省了大量的有机溶剂使用成本，大幅度降低有机化学物废气VOCs排放，不必投入庞大的末端治理设备，使用水性薄膜凹印油墨综合成本整体是降低的，体现产品质量、复合质量、产品价格和安全环保的竞争优势。软包印企在转为水墨印刷工艺的过度期间，印版辊大部分是基本可以兼用，也可以采用水性油墨和溶剂油墨共用印刷方式。当然，在全部采用水性油墨印刷生产以后，印刷版辊的制版工艺是必须按照全新的制版技术标准来制版的。我们通过一年多的实践论证，在目前行业现有运行中的原溶剂型凹印机上、在不需要较大改变原溶剂型油墨生产条件下，可以保持或超过原有产品的质量指标。同时，从塑料薄膜软包装凹版印刷机的装备领域，围绕水性油墨新材料的技术发展进程需要创新设计。另外，该水性油墨跟溶剂油墨比较还有个很大的优点，就是水性油墨解决了静电蓄积问题，排除了印刷企业的起火隐患。

新型水性薄膜凹印复合油墨的诞生，标志着我国在包装印刷环保新材料这一领域又有了新的跨越。随着新型塑料薄膜凹印水墨的推广与应用，将彻底改变我国塑料薄膜凹版印刷污染严重和技术落后的偏见，凹版塑料薄膜印刷工艺将迈进清洁环保、绿色印刷的行列，我国包装印刷VOCs减排的指标一定能够早日实现！