基于VOCs残留的卷烟商标纸凹印水性油墨应用研究

绿色印刷是印刷行业的发展趋势，传统的凹印溶剂油墨在印刷干燥过程中，大部分溶剂挥发会污染大气，少量残留在印刷品表面危害人体健康。针对凹版印刷使用的溶剂油墨存在VOCs残留问题，以泰山（红将军）商标纸为例，进行凹印水性油墨应用研究，利用五因素四水平正交实验设计方案，确定印刷速度、水与酒精比例、油墨黏度、纸张水分含量和机组烘箱温度为主要影响因素，以VOCs残留为测试指标，分析得出凹印水性油墨最佳使用方案。   随着人们生活水平的提升、消费观念的转变、环境保护意识的增强，以及卷烟产品“健康、环保”的发展趋势，消费者对卷烟商标纸等包装材料的质量要求越来越高，VOCs的残留问题受到重点关注。作为四大印刷方式之一的凹版印刷，以其生产速度快、印刷墨层厚实、色泽鲜艳、耐印力高、适合长线产品等特点在卷烟包装印刷领域稳居第一位，但凹版印刷使用的传统溶剂型油墨包含有高沸点、有臭味、高毒性的有机物，特别容易造成卷烟商标纸VOCs挥发性有机物残留过量，这不但影响香烟烟支的感官质量，而且还危害消费者的身体健康。因此，卷烟企业和印刷企业投入大量的资源，用于检测和控制VOCs含量，目的就是把好卷烟辅材质量关，减少外源性有害成分的引入，降低VOCs挥发性有机物残留含量，从而提升卷烟产品的安全性。

用水性油墨逐步替代溶剂型油墨是当前社会发展的趋势，也是凹版印刷适应环保新政的变革方向之一。例如，印刷企业使用了环保油墨取代了普通油墨，以前识别的“油墨中挥发的有机化学物质（VOCs）排放”的重要环境因素就相应地取消了。本文旨在通过对泰山（红将军）商标纸凹印水性专红底色油墨的应用实验，达到降低卷烟商标纸VOCs残留、减少挥发性有机物的排放、逐步实现绿色凹印的目的。
一、凹印溶剂型油墨与水性油墨
  凹印油墨是适用于各种凹版印刷方式的油墨总称，是稀薄型流动性好、黏度低、表面张力小的液态油墨，大多是挥发干燥型，主要由颜料、添加剂、连结料（油型、树脂型）、填充料、填充剂、溶剂等多种化学物质组成，按使用的溶剂分为分醇/酯溶性油墨（俗称溶剂油墨）和水溶剂型油墨（俗称水性油墨）。   1.溶剂油墨   溶剂油墨含有较多的挥发性有机溶剂，如乙酸乙酯、异丙醇、乙酸正丙酯等，起着调节油墨黏度，提高油墨的印刷适性的作用。挥发性有机溶剂是溶剂型油墨的主要成分，往往占比70%以上，溶剂油墨印迹墨层光泽度高，墨层附着力强。溶剂油墨的流动性就是通过有机溶剂来表现的，当凹印油墨转移到纸张表面上时，有机溶剂通过凹印机组烘箱热风迅速挥发使印迹墨层干燥，印迹墨层的干燥速度主要取决于油墨中溶剂的挥发速度，不同的树脂型连接料对溶剂的释放能力不同，溶解度越大的连结料，溶剂越难挥发，挥发速度越慢，VOCs残留就越多。以泰山（红将军）商标纸为例，以满版实地色块为主、线条文字为辅且多色叠印，样张如图1，印刷色序为：珠砂1→珠砂2→灰→底红→字红→黑→金→光油。在使用溶剂油墨印刷时，有机溶剂挥发极易不完全、不彻底，造成VOCs残留超标，且产品偶尔有刺激性异味产生。 图1 泰山（红将军）盒包装纸样张
2.水性油墨   水性油墨最早在20世纪欧美国家的柔性版印刷中广泛应用，凹印水性油墨则起步较晚。虽然目前水性油墨存在着流平性、光泽度、附着力、干燥慢和易沉淀等方面的弱点，但仍然是首推的环保型印刷油墨，其不含挥发性有毒有机溶剂，具有不易燃烧、无刺激性气味、墨性稳定等特点，一是消除了传统油墨使用石化类有机溶剂易燃易爆、有毒有害的健康安全隐患，减少了挥发性有机废气对环境的污染；二是当用作食品的外包装物时，也避免了有害溶剂化学成分向食品内迁移的风险。   同其他印刷油墨组成一样，几乎所有的水性凹印油墨都是由可溶于水的树脂、高级色料和助剂等成分经科学复合加工而成，所以其溶剂一般采用水与醇。以水溶性树脂为连结料的凹印水性油墨，无异味、无毒、低VOCs，溶剂残留的检测值远远低于安全卫生要求的指标值。凹印水性油墨属于绿色印刷原辅材料目录产品，其VOCs含量低于5%，在上机过程中，考虑印刷效果的还原性，需要水与酒精按一定比例混合作为溶剂添加。   二、凹印水性油墨上机实验设计与应用   1.实验条件   实验设备：陕西北人PRC820十色凹版印刷机。   实验材料：红塔牌白卡纸230g/m 2 、上海典善水性专色红墨。   环境温湿度：25℃、65±5%。   检测仪器：安捷伦气相色谱——质谱联用仪7890-5977B、深圳冠亚水份测定仪SFY-20A、茶恩2#杯、秒表等。   2.正交实验设计   根据统计分析，结合生产实际情况，确定印刷速度、水与酒精比例、油墨黏度、纸张水分含量、机组烘箱温度5个影响因素，每个因素设置4个水平，寻求最优化组合，设置凹印水性油墨的L16（45）正交表，如表1。根据表1进行正交实验，得到结果如表2。   表1 泰山（红将军）商标纸凹印水性油墨五因素四水平正交表 表2 泰山（红将军）商标纸凹印水性油墨L9（34）正交实验
  3.实验结果分析   根据表2结果，进行正交数据分析，得到表3。   表3 泰山（红将军）商标纸凹印水性油墨正交数据分析表
  从表2可知本次实验各因素组合中的最优组合为A2、B3、C4、D1、E2，而从表3中可以看出本次实验各因素极差R的主次关系排序为A>B>E>C>D，因素A的极差R最大，故可知凹版印刷速度VOCs残留影响显著。同时，从表3中可以看出因素A列中均值k4较大，因素B列中均值k4较大，因素C列中均值k2较大，因素D列中均值k3较大，因素E列中均值k3较大，可知A4、B4、C2、D3、E3是各因素中影响最大的水平，即印刷速度160m/min、水与酒精比例1∶5、印刷黏度16s、纸张水分含量8%、机组烘箱温度90℃这5个影响较显著。所以，通过利用正交实验得出泰山（红将军）凹印水性油墨生产时，对VOCs残留实验影响最大的因素是印刷速度。实验的最佳条件是凹印速度在140m/min生产，水与酒精的使用比例为1∶4，凹印水性专红油墨黏度控制在17s，使用的白卡纸水分含量为6%、机组烘箱温度为80℃。   结束语   综上所述，通过凹印水性油墨的应用，泰山（红将军）商标纸VOCs残留取得显著效果。本次实验研究是在其他颜色保持原有溶剂油墨的情况下，只把红色改为水性油墨进行测试，VOCs检测时按照检测标准要求进行测定。在实验过程中，还关注了产品耐磨性、附着力、耐晒性、耐水性、耐折性、上机适应性等关键指标以及印后（如烫印、模切等）加工适应性与溶剂油墨基本无差异，同时对水性凹印版的制版参数进行了摸索，从而确定适合该产品的凹印版工艺参数，形成了最佳方案。   通过对泰山（红将军）商标纸凹印水性油墨应用分析，按照制定的正交实验设计，完成了不同方案的产品测试，针对目前水性油墨存在的稳定性缺陷和使用过程需要添加水与酒精混合物不同比例的情况，实验得到了最佳的使用方案，其产品符合标准要求。
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