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林日胜

杭华油墨股份有限公司研究5部副部长

高级工程师

1998年进入油墨行业，专注于液体类油墨研究。完整地见证了国内溶剂性油墨从甲苯到无甲苯的环保进步，以及水性油墨从低档的纸箱柔印发展至高速、高精细卫星式柔印的技术进步。2004年开始卫星式柔印油墨配方开发，是国内第一代自主开发卫星式柔印油墨的主要负责人。有多篇与油墨相关的重要文章发表，并且是多个油墨类核心专利的第一发明人。

01.

前言

自2015年各地发布针对印刷业的VOCs排放限制法规以来，有关水性化印刷的各种议论经热不衰。然而信息众说纷纭，譬如不断有油墨厂家声称开发出了完全媲美溶剂型体系的水性油墨产品，或者有印刷厂计划近期内完全用水性化油墨印刷；但各种说法基本上都不能深究，政府部门却因此不断提高对油墨水性化的期望值，譬如近期热议的水性油墨5%VOCs限量的新行业标准，实际结果反而令从业者无所适从。

在要求苛刻的薄膜印刷领域，我们通过各个环节的紧密合作，水性油墨的应用已经有了较多的成功案例（如图1所示的150LPI的卫星式柔印展示印样，图2所示的200LPI的凹印壁纸产品），不过这些只说明了原理性和方向性的正确，它并不能改变“水”的性质、也离不开基本的印刷原理和各相关环节的磨合，相对于“完美的方案”，我们更期待能够分享实施过程中碰到的困难和心得。

图1 卫星式柔印印样(150LPI)

图2 凹印印样（200LPI）

本文尝试从油墨和印刷配合的角度，重新整理用水性化油墨印刷的基本思路，并就一些基本原理，以及相关应用过程中发现的问题进行一些说明或解读，以期抛砖引玉。

02.

基本情况

水性油墨印刷并不是新事物，在纸张印刷领域，譬如纸箱（柔印）、纸袋（柔印）、食品包纸（柔印）、礼品纸（凹印）、装饰纸（凹印），以及部分纸塑复合领域（譬如利乐包）等等，在国内已经成熟实施了近二十年。其优点显而易见：

a. 可以符合VOCs排放法规的要求

b. 可以改善气味、有害气体浓度等劳动环境

c. 降低车间消防等级

d. 降低溶剂残留

e. 节约成本

然而，在薄膜印刷领域，油墨水性化的缺点也暴露无疑：

a. 实施准备过程复杂

b. 干燥效率低下

c. 高精美的印品难以实现，且墨层耐性下降

d. 产生使用溶剂型油墨没有的污水问题

因为种种原因，到目前为止，国内在凹版和柔版为主的薄膜水性化印刷方面，实质上还处于初级阶段，当然更谈不上产业化统计。对此，业内人士持消极态度的也为数不少。

然而，在另外一个重要的印刷领域：喷墨印刷，我们意外地发现，针对各类非吸收性承印物的水性喷墨印刷已经悄然普及开来，且规模越来越大。这得益于几个工业巨头对喷头、墨水、承印物、印刷机等关键要素的强大整合能力；与薄膜印刷相比，虽然其水墨的性质不同，但基本原理是一致的。其中一些措施令人耳目一新：譬如为了令油墨快速干燥和控制墨点扩散，其对薄膜进行预热，并在薄膜上涂布与油墨相互反应的涂层（如油墨为阴离子型，则涂层为阳离子型）。可见水性油墨在非吸收性的薄膜基材表面印刷是完全可行的，只是需要系统地梳理与之相关的其他关键要素。

03.

水性油墨印刷的关键点

目前水性化印刷的实施主要针对现有溶剂型油墨生产体系的转化，因此寄希望于某一个环节出现革命性、完美的技术是不现实的。它必定需要几个工业环节的密切配合：

承印物、油墨、制版与设计、印刷与加工，它们是相互关联和影响的。同时，一些基本的理念，譬如薄墨层印刷方式的采用，则已经是普遍论述的。

本文叙述过程中，没有特别地区分凹版和柔版印刷方式，为了防止部分读者的困扰，在此略作说明：

凹印方式和柔印方式最重要的区别在于墨路传递的长短和转移方式（直接还是间接转移），柔印要比凹印多一个中间传递油墨的网纹辊，由此带来了墨量的二次分配（柔印网纹辊上的油墨转移到印版表面的方式与凹印的油墨转移基本相当，都大约有50%的油墨转移率；柔印印版表面的油墨通过再次转移才能到达承印物表面，此时大约也有40%-50%的油墨转移率），也就是说，柔印的墨层相比凹印而言会比较薄。

凹印和柔印两者的工作方式如图3、图4所示。

图3 凹印示意图

图4 柔印示意图

薄墨层的概念在本文中会多次提到，除了柔印方式本身具备的薄墨层以外，凹印方式也可以通过浅版化来降低墨层厚度。

墨层的减薄对于水性化印刷来说是至关重要的一点，它能够大大缓解水性油墨带来的干燥问题困扰。

我们以油墨实际上机印刷状态计，水性油墨中会含有至少70%以上的可挥发成分（其余为树脂、颜料和助剂），通常由水、醇/醚类溶剂和少量的胺等VOCs组成，简单框定5%的VOCs成分、65%的水，那么，可以按照表1数据估算油墨的蒸发潜热或者蒸发速率。

从表1可以很直观地看出水的蒸发潜热之大和蒸发速率之小，因此水性化印刷的第一要素就是提高油墨的干燥性能。作为工程手段，基本围绕着水分蒸发四要素（温度、干燥面积，气流速度和湿度）进行的，譬如提高（承印物、油墨、烘箱）温度，增加干燥面积（烘箱长度），加快气流速度（风速和风量），降低湿度（环境抽湿或烘箱抽湿）。

表1 各种溶剂的理化指标

（点击可放大表格）

不过最为重要，是进行薄墨层的印刷，这是源头性的控制，简单地说，假定水是油墨里干燥最慢的物质，那么我们只需要把水的总量减少下来就可以了，其他慢干挥发份也是如此，只要墨量下来，干燥过程就会相对加快。

因此特别推荐柔性版的印刷方式，并建议提高网纹辊线数；对于凹版印刷，则推荐浅版化制版，对应的油墨则需要高浓度化，以保持原有的色彩，如图5所示。

图5 薄墨层印刷方案

04.

常见问题及考察点

建议计划转向水性化印刷的厂家进行一次完整的关联环节调查，以便确定自身是否具备相应的条件，具体如下：

1. 承印物

需要检查如下性能与水性油墨是否适配

1) 附着力和润湿性问题。

2) 部分承印物较易发生皱缩，如薄纸和尼龙等。

3) 亲和性问题。

使用水性油墨的承印物通常需要比常规承印物（溶剂型印刷用）更高的表面处理度，必要时需要改变成分或者附加涂层，个别附加了功能性涂层的承印物需要重新考察其与水墨成分发生反应的可能性。该性能一般委托油墨厂或材料商做匹配测试。

4) 热收缩/热变形检查。

同样条件下，用水性油墨印刷所需的干燥温度比溶剂型油墨印刷高10~20℃不等，因此部分对温度敏感的承印物需要非常小心。如收缩性薄膜（PVC/PET收缩标签），以及一些软质或伸缩性较大的薄膜，如软质PE、透气膜等，这些承印物均容易受热变形。

薄墨层的印刷方式，可以最大程度地减少对干燥热量的需求，因此特别推荐卫星式柔版印刷，这方面国内已经有一些应用的实例。这些承印物据说也有进行水性凹版印刷的实例印刷膜包装厂家，但不管怎样，这些承印物必须在较低的温度下进行干燥。由此需要其他干燥手段的补偿，代价必定是较高的。

2. 油墨

1) 选用高色浓度的水墨，以便更好地适应薄墨层印刷

2) 干燥性

我们既需要油墨能够快速干燥，以提高生产效率，但同时需要油墨在印版或网纹辊上能够保持在可瞬时被重新溶解为原始油墨的状态，即油墨专业中常说的“再溶解性”，以防止堵版之类的印刷故障。对于印刷而言，初干和彻干两个性质更加容易评判。

- 初干：通常取决于油墨中的水量。初干性的测试可以参照国标GB/T 13217.5-2008 的方法，一个比较直观的理解为油墨中99%以上的挥发份去除后的状态，此时呈现出干性的墨膜，但很容易被再次溶解。

- 彻干：取决于油墨设计，譬如成膜性控制和其它慢干成分的加入。彻干通常对应油墨中慢干成分和胺类物质的最终去除，此时墨膜性质呈现出不可逆的固化。

说明：正式使用油墨印刷前，务必向油墨厂索取准确的数据：固含量、VOCs含量和水含量等。

3) 印刷操作性

- 透明部分（窗口）易出现雾状（凹版印刷中常见）

- 金、银墨的遮盖力下降

- 文字线条较粗，阴字不清楚：通常需要制版修正

- 透明颜色的透明性不佳：通常由油墨中的添加剂引起，这种添加剂一般用于防止黏连

- 白色墨的干燥性不足：白墨满版的情况较多，且为最后一色，因此表现比较明显

- 白色墨的高粘度对应的刮刀适性不良

4) 保存稳定性

- 冻融稳定性：反复的冻-融循环可能会破坏油墨的稳定性，建议在零度以上储存

- 残墨稳定性：残墨容易因为胺挥发导致变质，也容易霉变。管理上需要对应的措施，一些最基本的措施包括：PH值检测，密闭保存，保质期管理（通常不超过3个月，按油墨厂指导）以及最重要的再次使用前过滤。

5) 作为包装材料的油墨物性

- 水性油墨的印刷品目前耐磨性、光泽度、耐水性等物性相对溶剂型油墨略差

- 在有内容物渗透，或者需要高温、低温处理时，需要加强测试

- 部分性能的实现是极其困难的，譬如啤酒标签的碱洗场合中的耐化学性能

6) 油墨溶解和成膜原理：

a. 水墨的溶解

众所周知，水墨的成分可以简单地分为：颜料、树脂、水、胺以及其他溶剂或助剂。

虽然水墨是以水为主要载体，但油墨的各个成分并不是直接溶于水的（为了保证印刷品的耐水性），而是借助于碱性物质（胺），令不溶于水的树脂（如羧基聚合物）离子化，进而溶于水。当油墨干燥时，胺和水挥发，树脂逐步去离子化，最终形成干膜，此时干膜的水溶性通常低于5%，并显示出较好的耐水性。

上述设计在原理上是非常精巧的，正因为如此，水墨的印刷平衡有时很难掌握，其原因在于胺与水分的挥发很难同步进行（常用的氨水沸点为36℃，乙醇胺为170℃，氢氧化钠则达到1388℃），很容易因为胺挥发造成不可逆的干结或者因为胺残留造成耐水性的不良。油墨中的离子平衡当然是油墨工程师的工作，但印刷现场有时也会要求进行调整，大多数问题会发生在这个阶段。

b. 墨膜的形成

在要求高附着力或者高耐抗性的场合，水性油墨设计上必定会涉及成膜性的控制。简单而言，按上述a的原理，树脂的分子量通常小于15000，酸值高于150mgKOH/g，因此在薄膜上会表现出很低的附着力和耐抗性。一种普遍采用的技术手段是对树脂进行高分子量化（大于5万甚至大于20万），以及低酸值化（譬如低于50mgKOH/g），但由此带来的弊端是树脂无法完全溶解，或者说只能以乳液形式存在（表现为大粒径和粒子间分离）。油墨工程师需要不断地调节，令乳液在彻底干燥阶段，可以顺利地融化进而成为平整、相互连接的膜，如图6所示。这里最关键的因素就是温度以及对应进行的时间。

图6 墨膜形成机理及过程

上述原理实际上非常复杂，生产过程中出现的针孔、附着力波动、印版清洗困难等疑难杂症，都是来源于此。

得益于众多企业的努力，在乳液新技术开发方面，近期有很多令人欣慰的成果，其进展正在改变水性油墨“难以使用”的现状。

3. 制版与设计

1) 凹版

a) 为了快速干燥需要进行浅版化，激光制版是推荐的方式。一个推荐的标准条件：满版200LPI，层次版250LPI。

b) 确定适合水性油墨的制版条件（线数、孔状、版深），制版厂一般会有现成的参考数据。

c) 在承印物上的再现性，必须重新制作色彩管理数据。

d) 色调、细线等的再现性：通常需要对电雕曲线和印前调图参数进行修正。

e) 提高印版的精确度、表面状态如硬度等：可顺利用于溶剂型油墨的普通印版，在用水性油墨印刷时，很容易出现版雾印刷膜包装厂家，这是因为水对印版亲和性强且干燥缓慢，轻微的版上残留就很容易表现出来。提高真圆度等精度指标是必要的。

另外，用水性油墨印刷时凹版的耐印率会大幅降低，需要特地增加对抗措施，譬如增加镀铬的厚度、润滑性优良的刮刀匹配等，即便如此，印版寿命均普遍性地下降。这也是目前用水性油墨进行凹版印刷的一个难点。相对地，柔版印刷中与刮刀进行摩擦的网纹辊通常是陶瓷制成的，寿命要长得多。

2) 柔版

柔印的制版可以是通用的，但需要关注一些新技术的应用，譬如高清制版，平顶网点，微穴加网等，这些技术目前更新很快。

一般的配置：印版使用150LPI或175LPI，网纹辊800LPI~1200LPI，对于满版的白色，出于遮盖力的考虑，网纹辊线数会调整到300LPI~500LPI。

4.印刷及加工过程

1) 提高干燥能力、效率（干燥方式、干燥时间、风速、风量等）

相对于溶剂型油墨，水墨需要额外考虑环境湿度和烘箱湿度的管理。

2) 刮刀情况确定（材质、角度、距离、压力等）

另外，由于水的特性，水墨的润滑性特别差，而这方面的研究目前非常欠缺。需要根据印版（凹印）或网纹辊（柔印）的表面状态，选配一把润滑性优良的刮刀。

3) 油墨循环系统情况的确定（循环方式、循环速度等）

水性油墨非常容易出现气泡，油墨循环条件（泵、过滤、进出墨管的调节）优化是优先推荐的解决办法，它没有常规采取添加油墨消泡剂的方法所引起的缩孔和经时降效的问题。

4) 印刷现场管理措施的确定（稀释方法、粘度调整方法、刮刀更换周期、清洗方法等）

及时的清洗有助于缓解印版（或网纹辊）的堵塞问题，前面已经说明过，当油墨彻底干燥之后，将会发生不可逆的墨膜干结，因此所有的快速清洗均需要在油墨尚处于“湿”或“初干”状态时进行。这也是为何大家都强调及时清洗以及“停机不停辊”等操作要求。彻底干结的版辊通常需要带有强碱性的专用清洗剂清洗，费时费力，尽量避免。

5) 印刷后的复合问题

目前常见的复合方式：挤出、水胶和无溶剂复合都是环保性较高的复合工艺，然而油墨的通用化还有待努力。

诸如白点、胶水皱缩、强度波动等复合问题发生率较高，这些通常与油墨中添加剂变化以及干燥不彻底有关。

耐蒸煮的应用目前非常有限，应注意目前一些成功的案例都是有严格的限定条件。

结合自身情况，按照上面的顺序进行检查，列出问题点，并和各个环节进行一次解决方案的讨论后，相信大家会对水性化印刷的可行性有一个直观的感受。当然，最好的办法是进行一次全过程测试。

未完待续

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