涂層溶劑殘留量對煙包質量的影響及解決方法

黃裕

近年來，隨著煙包印刷材料和工藝的多樣化，以及煙包裝潢效果的日益考究，煙包印刷由單一的膠印、凹印或柔印向組合印刷方向發展，極大地豐富了煙包的色彩及層次，同時各種加工紙（金、銀卡紙等）和燙印工藝的應用，使煙包印刷質量和裝潢效果提高到一個前所未有的水平。

為滿足煙包設計對材料裝飾性的特殊需求，各種材料大量應用涂布技術。比如，電化鋁箔通過應用涂布技術，把膠黏層（熱熔型樹脂膠）涂布在基膜表面，經干燥后制成卷材成品，其涂層為膠黏層。此外，煙包印刷其實也應用了涂布技術，把油墨按照需要的圖案、顏色涂布在承印物表面，經干燥后制成成品，其涂層為墨層。

為達到較好的涂布效果，涂布中需要使用溶劑調和顏料以及調節涂料的黏度和干燥速度。雖然這些溶劑絕大部分都會在印刷和印后加工過程中揮發到空氣中，但還是會有微量溶劑殘留在煙包及其使用的各類材料的涂層中。這些殘留溶劑除了會對消費者健康產生不良影響外，還會對煙包質量帶來各種問題，如墨層附著力下降、燙印糊版、煙包“水漬”等質量缺陷。

本文針對煙包“水漬”和燙印糊版兩大質量缺陷，從涂布工藝揮發干燥理論出發，通過試驗驗證殘留溶劑對上述兩個質量缺陷的影響，并提出了降低溶劑殘留量的解決方案。

溶劑揮發的三個階段及殘留溶劑對涂層的影響

1.涂層中溶劑揮發的三個階段

涂層中溶劑揮發共分為三個階段，即濕階段、干階段和兩者重疊的過渡階段。

濕階段：溶劑能夠自由移動到涂層表面邊界并離開液體表面，時間短，與涂布同時發生。此階段為溶劑含量迅速衰減的過程。

過渡階段：涂層達到一定干度時呈現干燥速度下降的特性，主要是由于沿涂層表面向下不斷出現增長的黏性凝膠層，溶劑揮發受阻，揮發速度下降。此階段溶劑含量衰減減緩。

干階段：溶劑釋放很慢，呈現表干里未干狀態，此時涂布產品雖可進行后序加工，但涂層中仍含有一定量的溶劑。此階段溶劑含量衰減最為緩慢。

2.殘留溶劑對涂層的影響

在涂料配方設計的各項性能指標中，涂層的玻璃化溫度（Tg）是一項非常重要的指標，它影響著涂層的附著力、耐磨性、耐溫性、熔點等指標。Tg值越高，則涂層硬度越高，附著力越好，抗劃傷能力越強，耐溫性越好，熔點越高；反之，涂層硬度越低，附著力越差，抗劃傷能力越差，耐溫性越差，熔點越低。

當涂料樹脂所選擇的單體以及配方設計完成之后，涂層的Tg值就確定了。當溶劑揮發處于干階段時，涂層是殘留溶劑與樹脂形成的共聚物，共聚物的Tg值計算公式如下：

Tg=1/（W1/Tg1+W2/Tg2） 公式1

其中，Tg1為樹脂的玻璃化溫度，由于樹脂在常溫下為固態，因此Tg1一般在30℃以上；Tg2為殘留溶劑的玻璃化溫度，一般在-100～-10℃之間；W1為樹脂含量；W2為溶劑殘留量。

由于Tg1遠大于Tg2，因此隨著溶劑殘留量W2的減少，Tg值增大；反之，W2越大，Tg值越低。

殘留溶劑對兩大質量缺陷的影響

1.印刷墨層中殘留溶劑對煙包“水漬”的影響

通常情況下，為防止卷煙受潮以及水分和香氣散失，需在小盒煙包外層包覆一層BOPP薄膜，同時在完成包裝后，需用90～95℃的高溫熨板進行燙熨，使BOPP薄膜平整美觀。

高溫燙熨工藝對煙包墨層的耐溫性提出了較高的要求。如果墨層的耐溫性較低，在高溫燙熨下墨層會變軟，經輸送軌道的擠壓后極易導致墨層與BOPP薄膜產生粘連，形成高光亮的斑塊，即“水漬”，如圖1所示。

抽取有“水漬”缺陷的產品與合格產品進行溶劑殘留量檢測，對比數據見表1。從表1中可以看出，有“水漬”缺陷樣品的溶劑殘留量是合格樣品的7.65倍。這是因為溶劑殘留量高會降低墨層Tg值，導致印刷墨層耐溫性下降，在高溫下變軟并與BOPP薄膜發生粘連，從而產生“水漬”。

2.電化鋁箔涂層中殘留溶劑對燙印糊版的影響

在煙包燙印過程中，通常會在同一個操作面（溫度、壓力、燙印速度相同）進行多個圖案的燙印，因此電化鋁箔膠黏層熔點的高低會直接影響燙印質量，導致燙印糊版，如圖2所示。

抽取有燙印糊版缺陷的產品與合格產品進行溶劑殘留量檢測，對比數據見表2。從表2中可以看出，有燙印糊版缺陷樣品的溶劑殘留量是合格樣品的8.41倍。這是因為電化鋁箔中溶劑殘留量高，會降低膠黏層的Tg值，導致膠黏層的熔點下降。在相同溫度、壓力、燙印速度條件下，當色層、鍍鋁層的轉移面積增大時，就容易出現燙印糊版缺陷。

干階段涂層中殘留溶劑釋放的影響因素

1.涂層厚度和存放時間

在外部環境恒定的條件下，干階段涂層中殘留溶劑的釋放公式如下：

lgC=A [lg （x2/t）]+B 公式2

其中，C為單位涂層溶劑殘留量；x為涂層厚度，單位為μm；t為存放時間，單位為h；A、B為與涂料配方有關的常數。

從公式2中可以看出，單位涂層溶劑殘留量與涂層厚度的平方成正比，與存放時間成反比。

2.環境溫度

提高干階段的環境溫度，可使涂層中殘留溶劑的擴散性增加，有利于溶劑從涂層中逸出，縮短干階段進程，加快實干速度。

3.空氣流速

隨著溶劑的釋放，涂層表面聚集的溶劑氣體增加，當涂層表面溶劑氣體達到一定濃度時，會阻礙涂層中溶劑的逸出。此時，提高空氣流速，打破溶劑氣體濃度平衡，可加快涂層中溶劑的釋放，縮短干階段進程。

降低溶劑殘留量的解決方案

根據上述影響因素，可采取以下3種解決方案降低溶劑殘留量。

1.降低涂層厚度控制法

對于煙包印刷，在印刷工藝的選擇上，大面積圖案少用網印，多用凹??；在油墨稀釋劑的選擇上，少用高沸點溶劑，多用低沸點溶劑。

此法由于涉及工藝改變，需重新設計打樣，還要取得客戶認可，效果無法預計，且周期長、費用高、風險大，在已經定型的產品上應謹慎使用。此外，由于電化鋁箔為外購材料，因此此法不適用。

2.延長自然通風時間法

通過延長煙包半成品和電化鋁箔的存放時間，使溶劑自然完成干階段揮發，達到降低溶劑殘留量的目的。然而，存放時間的延長會造成存貨量的增加，導致企業生產成本上升、客戶訂單生產響應能力下降。而且，隨著存放時間的延長，殘留溶劑一旦與樹脂形成牢固的絡合，就會停止釋放，使涂層無法達到所設計的性能。因此，此法的使用具有一定的局限性。

3.加熱通風處理法

此法是對溶劑殘留量高的煙包和電化鋁箔先加熱再通風。由于提高環境溫度、加大空氣流速可縮短干階段進程，加快實干速度，因此此法可避免上述兩種方法的弊病。

下面，分別對出現“水漬”缺陷的煙包和燙印糊版缺陷的電化鋁箔進行批量加熱通風處理24小時，同時在加熱通風前后分別對其溶劑殘留量進行抽樣檢測，對比數據見表3、表4。

從表3、表4中可以看出，經24小時加熱通風后，煙包中溶劑殘留量由加熱通風前的平均186.510mg/m2降為平均38.870mg/m2；電化鋁箔中溶劑殘留量由加熱通風前的39.18mg/ m2降為0.60mg/m2。同時，對加熱通風處理后的煙包和電化鋁箔的使用進行跟蹤檢驗，未發現煙包“水漬”和電化鋁箔燙印糊版缺陷的產生。由此可見，加熱通風處理可達到快速降低煙包和電化鋁箔中溶劑殘留量的目的，并能有效改善煙包“水漬”和電化鋁箔燙印糊版缺陷。endprint