基于VOCs殘留的卷煙商標紙凹印水性油墨應用研究

孟憲志 房效永 馮學香

綠色印刷是印刷行業的發展趨勢，傳統的凹印溶劑油墨在印刷干燥過程中，大部分溶劑揮發會污染大氣，少量殘留在印刷品表面危害人體健康。針對凹版印刷使用的溶劑油墨存在VOCs殘留問題，以泰山（紅將軍）商標紙為例，進行凹印水性油墨應用研究，利用五因素四水平正交實驗設計方案，確定印刷速度、水與酒精比例、油墨黏度、紙張水分含量和機組烘箱溫度為主要影響因素，以VOCs殘留為測試指標，分析得出凹印水性油墨最佳使用方案。

隨著人們生活水平的提升、消費觀念的轉變、環境保護意識的增強，以及卷煙產品“健康、環保”的發展趨勢，消費者對卷煙商標紙等包裝材料的質量要求越來越高，VOCs的殘留問題受到重點關注。作為四大印刷方式之一的凹版印刷，以其生產速度快、印刷墨層厚實、色澤鮮艷、耐印力高、適合長線產品等特點在卷煙包裝印刷領域穩居第一位，但凹版印刷使用的傳統溶劑型油墨包含有高沸點、有臭味、高毒性的有機物，特別容易造成卷煙商標紙VOCs揮發性有機物殘留過量，這不但影響香煙煙支的感官質量，而且還危害消費者的身體健康。因此，卷煙企業和印刷企業投入大量的資源，用于檢測和控制VOCs含量，目的就是把好卷煙輔材質量關，減少外源性有害成分的引入，降低VOCs揮發性有機物殘留含量，從而提升卷煙產品的安全性。用水性油墨逐步替代溶劑型油墨是當前社會發展的趨勢，也是凹版印刷適應環保新政的變革方向之一。例如，印刷企業使用了環保油墨取代了普通油墨，以前識別的“油墨中揮發的有機化學物質（VOCs）排放”的重要環境因素就相應地取消了。本文旨在通過對泰山（紅將軍）商標紙凹印水性專紅底色油墨的應用實驗，達到降低卷煙商標紙VOCs殘留、減少揮發性有機物的排放、逐步實現綠色凹印的目的。

凹印溶劑型油墨與水性油墨

凹印油墨是適用于各種凹版印刷方式的油墨總稱，是稀薄型流動性好、黏度低、表面張力小的液態油墨，大多是揮發干燥型，主要由顏料、添加劑、連結料（油型、樹脂型）、填充料、填充劑、溶劑等多種化學物質組成，按使用的溶劑分為分醇/酯溶性油墨（俗稱溶劑油墨）和水溶劑型油墨（俗稱水性油墨）。

1.溶劑油墨

溶劑油墨含有較多的揮發性有機溶劑，如乙酸乙酯、異丙醇、乙酸正丙酯等，起著調節油墨黏度，提高油墨的印刷適性的作用。揮發性有機溶劑是溶劑型油墨的主要成分，往往占比70%以上，溶劑油墨印跡墨層光澤度高，墨層附著力強。溶劑油墨的流動性就是通過有機溶劑來表現的，當凹印油墨轉移到紙張表面上時，有機溶劑通過凹印機組烘箱熱風迅速揮發使印跡墨層干燥，印跡墨層的干燥速度主要取決于油墨中溶劑的揮發速度，不同的樹脂型連接料對溶劑的釋放能力不同，溶解度越大的連結料，溶劑越難揮發，揮發速度越慢，VOCs殘留就越多。以泰山（紅將軍）商標紙為例，以滿版實地色塊為主、線條文字為輔且多色疊印，樣張如圖1，印刷色序為：珠砂1→珠砂2→灰→底紅→字紅→黑→金→光油。在使用溶劑油墨印刷時，有機溶劑揮發極易不完全、不徹底，造成VOCs殘留超標，且產品偶爾有刺激性異味產生。

2.水性油墨

水性油墨最早在20世紀歐美國家的柔性版印刷中廣泛應用，凹印水性油墨則起步較晚。雖然目前水性油墨存在著流平性、光澤度、附著力、干燥慢和易沉淀等方面的弱點，但仍然是首推的環保型印刷油墨，其不含揮發性有毒有機溶劑，具有不易燃燒、無刺激性氣味、墨性穩定等特點，一是消除了傳統油墨使用石化類有機溶劑易燃易爆、有毒有害的健康安全隱患，減少了揮發性有機廢氣對環境的污染;二是當用作食品的外包裝物時，也避免了有害溶劑化學成分向食品內遷移的風險。

同其他印刷油墨組成一樣，幾乎所有的水性凹印油墨都是由可溶于水的樹脂、高級色料和助劑等成分經科學復合加工而成，所以其溶劑一般采用水與醇。以水溶性樹脂為連結料的凹印水性油墨，無異味、無毒、低VOCs，溶劑殘留的檢測值遠遠低于安全衛生要求的指標值。凹印水性油墨屬于綠色印刷原輔材料目錄產品，其VOCs含量低于5%，在上機過程中，考慮印刷效果的還原性，需要水與酒精按一定比例混合作為溶劑添加。

凹印水性油墨上機實驗設計與應用

1.實驗條件

實驗設備：陜西北人PRC820十色凹版印刷機。

實驗材料：紅塔牌白卡紙230g/m2、上海典善水性專色紅墨。

環境溫濕度：25℃、65±5%。

檢測儀器：安捷倫氣相色譜——質譜聯用儀7890-5977B、深圳冠亞水份測定儀SFY-20A、茶恩2#杯、秒表等。

2.正交實驗設計

根據統計分析，結合生產實際情況，確定印刷速度、水與酒精比例、油墨黏度、紙張水分含量、機組烘箱溫度5個影響因素，每個因素設置4個水平，尋求最優化組合，設置凹印水性油墨的L16（45）正交表，如表1。根據表1進行正交實驗，得到結果如表2。

3.實驗結果分析

根據表2結果，進行正交數據分析，得到表3。

從表2可知本次實驗各因素組合中的最優組合為A2、B3、C4、D1、E2，而從表3中可以看出本次實驗各因素極差R的主次關系排序為A>B>E>C>D，因素A的極差R最大，故可知凹版印刷速度VOCs殘留影響顯著。同時，從表3中可以看出因素A列中均值k4較大，因素B列中均值k4較大，因素C列中均值k2較大，因素D列中均值k3較大，因素E列中均值k3較大，可知A4、B4、C2、D3、E3是各因素中影響最大的水平，即印刷速度160m/min、水與酒精比例1∶5、印刷黏度16s、紙張水分含量8%、機組烘箱溫度90℃這5個影響較顯著。所以，通過利用正交實驗得出泰山（紅將軍）凹印水性油墨生產時，對VOCs殘留實驗影響最大的因素是印刷速度。實驗的最佳條件是凹印速度在140m/min生產，水與酒精的使用比例為1∶4，凹印水性專紅油墨黏度控制在17s，使用的白卡紙水分含量為6%、機組烘箱溫度為80℃。

結束語

綜上所述，通過凹印水性油墨的應用，泰山（紅將軍）商標紙VOCs殘留取得顯著效果。本次實驗研究是在其他顏色保持原有溶劑油墨的情況下，只把紅色改為水性油墨進行測試，VOCs檢測時按照檢測標準要求進行測定。在實驗過程中，還關注了產品耐磨性、附著力、耐曬性、耐水性、耐折性、上機適應性等關鍵指標以及印后（如燙印、模切等）加工適應性與溶劑油墨基本無差異，同時對水性凹印版的制版參數進行了摸索，從而確定適合該產品的凹印版工藝參數，形成了最佳方案。

通過對泰山（紅將軍）商標紙凹印水性油墨應用分析，按照制定的正交實驗設計，完成了不同方案的產品測試，針對目前水性油墨存在的穩定性缺陷和使用過程需要添加水與酒精混合物不同比例的情況，實驗得到了最佳的使用方案，其產品符合標準要求。

作者單位：山東魯煙萊州印務有限公司 濟南泉永印務有限公司

責任編輯：李倩 liqian@cprint.cn