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环保水性油墨制备技术与应用现状分析

阅读次数:1046 - 发布时间:2017/9/29 16:04:20

环保水性油墨制备技术与应用现状分析

王小芳 李 昭 孙建明

(河南科技大学,洛阳 471023)

摘 要 研究国内外水性油墨最新制备技术,并重点分析水性油墨在我国的应用现状。通过大量查阅国内外文献资料,归纳 整理水性油墨连接料制备技术与改性研究进展,分析水性油墨应用现状,预测未来发展方向和趋势。水性油墨的研究焦点集 中在制备性能优良的新型水性连结料树脂,即水性聚丙烯酸酯,水性聚氨酯,以及纳米改性连接料的制备和改性研究。水性 油墨在柔印中所占的比例与日俱增,但在凹版塑料薄膜印刷中尚处于起步阶段。国内外关于水性油墨的研发取得了巨大进 展,应积极鼓励水性油墨的承印基材从单一的瓦楞纸、纸张向多种非吸收材料发展;印刷方式从水性柔印向水性凹印方向逐 渐推广。

关键词 水性油墨 连接料 制备 改性 水性柔印 水性凹印
中图法分类号 TS802. 3; 文献标志码 A

随着中国经济的快速增长,人们生活水平进一 步提高,消费者对食品、医药、烟酒、化妆品、玩具等 包装用油墨提出了较高要求。水性油墨几乎没有挥 发性有机化合物(VOC)的排放,具有环保、无毒、节 能、减排的绿色特性 [1] ,正好符合消费者对包装用 油墨的较高要求。近年来,我国对食品、药品包装的 安全性也做出了一些规定,促使水墨印刷在我国印 刷市场的地位逐年上升,市场份额日益扩大,前景 看好。

水性油墨由连接料、颜料和助剂组成,是以水为 溶剂或分散剂的油墨 [2,3] 。水性油墨虽然有着十分 明显的优势,但是目前国内生产的水性油墨普遍具 有干燥速度慢、抗水抗碱性差、光泽度低等缺点,这 些缺点也抑制了它的快速发展和运用,因此很多学 者对其性能改良做深入研究。本文通过大量查阅文 献,对比分析国内外最新研究成果,并指出水性油墨 应用市场未来发展方向,从而促进我国水性油墨印 刷市场的健康发展。


1 水性油墨连接料制备动态研究 

水性油墨中连接料用树脂的设计和开发是水性 油墨发展的技术关键 [4] ,堪称油墨“心脏”。连接料 的好坏,直接影响和决定着油墨色相、光泽度、附着 力、干燥速度等众多综合印刷特性,因此得到了广泛 的关注。目前,我国科研人员关于水性油墨的研究 焦点集中在研发制备性能优良的新型水性连结料树 脂,主要是水性聚丙烯酸酯、水性聚氨酯的制备及应 用研究。 

国外关于水性油墨连接料的基础研究趋于成 熟,最新研究成果集中在水性油墨的应用研究,见文 章第二部分内容。国外水性油墨市场呈现功能细 分、产品细化的特征,顾客可根据产品、承印物、工艺 的不同,选用某一特定水性油墨,可以避免在使用过 程中出现各种问题。


1. 1 水性丙烯酸树脂制备与改性研究进展 

采用水性聚丙烯酸树脂制得的水性油墨墨膜性 能优良 [5] ,在光泽度、透明性、附着力、耐热性、耐候 性等方面具备明显优势,但是存在耐污性、耐水性差 的缺陷。另外,聚丙烯酸酯在塑料等非吸收材料上 的附着力较小 [6] ,且干燥速度慢,抗黏性差,所以对 聚丙烯酸酯的制备方法及改性研究仍是主要的研究 方向。

方长青等 [7] 在实验中发现水性油墨用丙烯酸 树脂普遍存在稳定性和耐水性不好等问题。通过选 用不同的材料,对水性油墨的不同配方进行了一系 列的研究,发现水性油墨中的增稠剂和水性乳液能 明显提高水性油墨的稳定性和抗水性。他们认为在 水性油墨中,增稠剂的链段因为氢键的作用而相互 连接,从而形成三维网状结构,阻碍了油墨的流动, 提高了油墨的黏度。油墨黏度的提高,使研磨过程中其剪切应力也相应提高,颜料得到更好地分散,提 高了细度,而油墨细度的改善能够提高油墨的干燥 性、抗水性和光泽度。与此同时,油墨黏度增大,体 系的运动阻力也随之提高,颜料粒子很难沉淀,体系 的稳定度得到明显改善。

黄文涛等 [8] 采用丙烯酸(AA)、丙烯酸羟丙酯 (HPA)作为功能单体,甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙 烯酸丁酯(BA)作为硬软单体,通过乳液聚合法制备 了高固含量、耐酸减性和抗水性优良、成膜性较好的 水性聚丙稀酸树脂连接料,然后加入颜料、分散剂、 消泡剂等成分制得水性油墨。研究和实验表明,单 体配比影响树脂的耐酸碱性以及抗水性。当 MMA∶ BA 质量比为3∶ 2,AA 含量为 3. 6%,HPA 含量为 6. 7%时,树脂获得最佳抗水性;当油墨中水的含量 为 25%,pH 值为 8. 5 ~9. 0,分散剂用量为颜料和填 料总量的 3%,异丙醇含量为 5%时,油墨的干燥性、 抗水性、光泽度等性能表现最佳。

谢顶杉等 [9] 采用种子乳液聚合法制得稳定性 好、耐水性好、凝聚率低的环氧-丙烯酸酯复合乳液。 然后加入钛白粉颜料、水性树脂分散色浆,配制了凹 版水性油墨。研究数据表明,该工艺配制的水性油 墨的复合牢度为 1. 12 N,耐水性为 5 级,性能较为 优异。

钟泽辉等 [10] 采用了半连续乳化工艺制得双丙 酮丙烯酰胺(DAAM)-己二酸二酰肼(ADH)改性的 丙烯酸酯乳液,研究交联体系改性对水性油墨相关 性能的影响。研究数据表明,交联体系 DAAM-ADH 质量比的变大,可以加快水性油墨的干燥速度,当 DAAM-ADH 质量分数增大到 4% 时,油墨初干性最 佳。当 DAAM-ADH 的质量分数达 5% 时,水性油墨 的黏度极度增大,导致物理凝胶的形成。同时,为确 保油墨黏度稳定,应将水性油墨的 pH 值控制在 7. 5 ~9. 0 的范围内。

于洋等 [11] 采用顺丁烯二酸酐和多元醇经过开 环半酯化反应,制备了以多元醇为核心的水溶性聚 酯型支化单体。将其作为反应单体,与甲基丙烯酸 甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)反应 单体在乳化剂作用下进行聚合反应,制备了 70 ~ 110 nm 粒径的纳米级超支化聚丙烯酸酯乳液。并 对制得乳液的性能如固含量、粒径、稳定性、胶膜形 貌和吸水性等逐项进行分析测试。研究表明,超支 化聚丙烯酸酯乳液制备工艺简单且产率较高,乳液 具备较低黏度和较高的稳定性,而且胶膜平滑光整。

Liu 等 [12] 制备了环氧-丙烯酸接枝共聚物。研 究结果显示,树脂分子量的提高,以及羧基含量的提 高,能够提高制备共聚物的交联程度,达到提高墨膜 的抗水性、耐腐蚀性目的。

Barbosa 等 [13] 研究制备了无任何挥发性气体的 水性丙烯酸树脂。将丙烯酸树脂与烯丙基脂肪酸、 丙烯基脂肪酸分别混合,发现两种混合树脂的最低 成膜温度都有所降低,干燥时间大大缩短,耐擦洗性 明显提高。由于丙烯基脂肪酸中的共轭双键与空气 中的氧气发生反应,使得它的性能提高更为突出。

Li 等 [14] 通过实验制备了一系列聚氨酯-丙烯酸 酯互穿网络共聚物。由于聚氨酯能很好的分散在丙 烯酸酯中,因此大大提高了丙烯酸酯的性能。研究 显示,制备共聚物对低表面能材料具有很高的黏 附力。

目前我国水性丙烯酸树脂制备与改性研究难点 与方向。尽管丙烯酸乳液有诸多的优点,但目前丙 烯酸系水性油墨在使用中依然存在一些亟待解决的 问题,例如膜层在高温下会出现一定返粘现象,而在 低温下则会出现发脆等问题 [15] ;另外,在油墨印刷 过程中,为提高膜层的干燥速度,用户常常会在油墨 体系中添加乙醇等低沸点的环保型溶剂,还会添加 大量无机填料及助剂,导致油墨的稳定性能下降,不 能满足实际使用的需要。我国目前生产的水性油墨 与国外同类产品相比,无论从油墨自身性能上或是 从油墨的印刷适性上考虑,均存在较大的差距。因 此,通过优化水性油墨用丙烯酸乳液连接料的配方, 自主研发综合性能优良的油墨是当前的研究重点。

1. 2 水性聚氨酯制备及改性的研究进展 

水性聚氨酯(WPU)具有极好的耐磨性、耐化学 性、附着力、柔硬度平衡性,以及良好的低温性能、高 光泽度、保光性等优点。脂肪族聚氨酯还具有耐紫 外光 性 能,并 且 应 用 范 围 具 有 较 广 泛 的 可 调 性 [16,17] ,可以满足各种不同印刷工艺需求。另外, 水性聚氨酯还具有无毒、不燃、无污染等优点 [18] 采 用 WPU 连结料制成的水性油墨,在网版印刷、复合 薄膜印刷方面都占有举足轻重的地位。

方长青 [19—21] 以聚氨酯为主要连接料,辅以适当 增稠剂、表面活性剂等助剂,研究了水性聚氨酯制备 原料的配比对水性聚氨酯油墨性能的影响。合理调 节水性聚氨酯制备配量比,可制备出具有弱结晶性 能的纳米分散颗粒水性聚氨酯乳液,在固含量、黏 度、生产工艺及成本均能满足水性油墨的要求。

单一的 WPU 存在一些缺点,尚不能满足多种 领域的需要。主要体现在干燥速率慢、对非极性基 材润湿差、固含量低、稳定性差和耐水性不良等方 面 [22] 。而丙烯酸酯类乳液的优点体现在较好的耐 水性、耐候性及优异的物理机械性能。将不同化学 成分和性能的高分子材料通过一定方式复合,是改

善其性能、研制新型材料的有效途径 [23] 。因此,用 丙烯酸酯改性 WPU 可以将聚氨酯的优点如较高的 拉伸强度、抗冲击强度、优异的耐磨性,与丙烯酸酯 树脂的上述优点有机结合,实现优势互补,从而制备 出高固含量、低成本、性能优异的丙烯酸酯改性 WPU,促进水性油墨的发展。

李艳辉等 [24] 对多种聚丙烯酸改性聚氨酯乳液 方法做了具体分析,对比与研究,验证了改性后的聚 氨酯乳液具有优异的物理机械性能、耐水性能、高光 泽度、高耐候性等特点。

徐磊等 [25] 采用半互容性聚氨酯、聚甲基丙烯酸 甲酯作为基体,通过本体聚合法制备了一系列线性 聚氨酯 PU/聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 的互穿网络 结构 IPN,它是不同于核壳结构的另一种复合结构。 另外,为了提高该体系的阻尼性能,引入了功能单 体。采用动态力学性能分析法,研究了该体系的组 成、交联密度、无机填充物纳米 SiO 2 用量、功能单体 长侧基单体甲基丙烯酸十八酯浓度、内接枝剂甲基 丙烯酸羟乙酯浓度等对互穿网络体系阻尼性能的影 响。通过透射电镜法,观察研究体系阻尼性能变化 和体系相态的关系。研究发现,当材料的有效阻尼 温度范围不是很高,但阻尼强度要求较高时,运用内 接枝剂是改善体系阻尼性能的有效方法,为制备 IPN 结构和增强复合树脂的阻尼性能提供了借鉴。

由于聚丙烯酸酯与水性聚氨酯能较好实现优势 互补,而且核壳结构和 IPN 结构将是未来复合树脂 的研究重点,因此很多学者开展对聚丙烯酸酯单体 与聚氨酯交叉改性研究 [26—28] 。研究通过接枝共聚 法制备聚丙烯酸酯-水性聚氨酯复合乳液,并分析复 合乳液的胶膜性能、储存稳定性。研究结果显示,交 叉改性后的复合乳液稳定性大幅提高,能长期存储 而不发生黄变现象,且耐水性明显提高。同时,研究 者也提出了适宜的聚氨酯与聚丙烯酸酯单体的 配比。

经过适宜含量环氧树脂改性的 WPU,其黏接强 度、耐水性、耐溶剂性也会大幅改善。

邓朝霞 [29] 等采用环氧树脂和丙烯酸羟丙酯 (HPA)为主要原料,制备了环氧改性的聚氨酯复合 乳液。研究结果显示,环氧分子多重交联后得到的 改性 WPU 树脂的耐水性、耐溶剂性、力学性能等综 合性能大幅提高,且使分散体粒径分布更宽。随着 环氧树脂用量增加,乳液黏度增大,但外观和稳定性 变差,试验表明环氧树脂添加量以 4% ~ 8% 较适 宜。HPA 单体的加入可用于配制具有紫外光固化 性能的成膜树脂。

朱黎澜等 [30] 采用甲苯二异氰酸脂(TDI)、聚醚 二元醇(GE-210)、1,4-丁二醇(BDO)、二羟甲基丙 酸( DMPA) 环 氧 树 脂 ( E-128)、丙 烯 酸 羟 丙 酯 (HPA)为主要原料,制备出了性能优良的环氧改性 聚氨酯分散体。研究了异氰酸酯基团与羟基的比值 R、小分子扩链剂、亲水扩链剂及环氧树脂的加入量 对乳液的基本性能(黏度、粒径、稳定性) 的影响。 研究结果显示,当 R 值取 6 ~7,DMPA 用量为 6% ~ 7%,环氧树脂 E-128 添加量为 6% ~7% 时,乳液的 外观及稳定性最好,而且涂膜的耐水性能优异。郝 新兵等 [31] 对现有聚氨酯和环氧树脂相互改性方法 做对比、分析和总结,指出化学共聚法改性效果更为 显著。

水性聚氨酯连接料制备及应用方向。由于水性 聚氨酯表面张力较大,成膜时容易锁孔 [32] ,且干燥 较为困难,因此目前在我国水性聚氨酯应用于塑料 软包装印刷的较少。而醇溶性聚氨酯经过多年发 展,配方及工艺较为完善,可作为水性聚氨酯油墨推 广的过渡产品,最终实现聚氨酯油墨从苯溶—酯 溶—醇溶—水溶的变化发展。

1. 3 纳米改性连接料制备及改性的研究进展 

关于纳米油墨的研究始于 1994 年,美国 XMX 公司获得了一项用于制造油墨用纳米级均匀微粒原 料的专利技术 [33] ,韩国 ABC 纳米技术公司成功开 发了用于 RFID、PCB 领域的纳米银导电油墨 [34] 。 纳米材料的加入,可以改善油墨连接料耐水性差、光 泽度不够、固含量低等关键技术问题 [35] 。另外,油 墨的颗粒越细,颜料颗粒与连接料的接触面就会越 大,油墨润湿性、展色性更好,印刷性能更加稳定。 因此,纳米油墨的色彩更为饱和艳丽,印刷色域更加 宽广。纳米水性油墨融合了水性油墨的环保优势和 纳米油墨的性能优势,成为当下研究的重点。

崔锦峰等 [36] 在丙烯酸乳液中加入了纳米 SiO 2 , 研发了用于柔印的纳米水性油墨。首先用丙烯酸乳 液原位聚合工艺对纳米 SiO 2 进行表面改性,再结合 精心制备的水性丙烯酸柔版基墨。最后,将纳米 SiO 2 丙烯酸共聚乳液与水性丙烯酸基墨按照一定 比例进行复配,制得纳米水性柔版印刷用油墨。研 究显示,得到的水性柔版油墨稳定性强,成膜后有优 异的抗水性能和良好的耐老化性能,各项性能指标 均优于普通水性丙烯酸柔版油墨。

李玉平等 [37] 利用硅烷偶联剂改性纳米二氧化 硅,以甲基丙烯酸甲酯 MMA、丙烯酸丁酯 BA 为主 要单体,通过核壳乳液聚合法制备了 SiO 2 /聚丙烯 酸酯复合乳液。这种乳液有良好的热稳定性,可以 有效提高膜层的抗水性和抗紫外光能力。该乳液用 于水性油墨制备中,可提高水性油墨的附着牢度和耐磨性。

Zhao 等 [38] 将纳米 SiO 2 以盐酸为催化剂首先进 行原位水解,然后以丙烯酸酯类作为分散单体,通过 半连续种子乳液法与含氟丙烯酸酯混合,制备了具 有互穿网络结构的纳米二氧化硅/含氟聚丙烯酸酯 复合乳液。研究显示,纳米 SiO 2 /氟化聚丙烯酸酯 乳液粒径分布较窄,且涂膜热稳定性、耐水性得以 改善。

利用纳米材料对聚氨酯进行改性的研究也同样 引起了人们极大的关注。石墨烯、纳米碳管是目前 国内外用于聚合物改性研究的新型纳米材料。Kim 等 [39] 采用常用物理、化学方法将石墨烯与聚氨酯进 行混合,并对比分析。结果显示,原位聚合法获得的 石墨烯-聚氨酯复合材料性能最为优异。

Kuan 等 [40] 尝试将纳米碳管引入水性聚氨酯树 脂基体。研究显示,纳米碳管和水性聚氨酯分散体 可较好相容,达到协同增强效应,明显改善乳液涂膜 的机械性能。胶膜的热稳定性提高了 26℃,拉伸模 量提高了 170. 6%,拉伸强度提高了 370%。

毋庸置疑,纳米技术已成为当下及未来科技发 展的重要源泉之一。在水性油墨技术研究领域,采 用无机或有机纳米材料对现有聚合物树脂进行改性 研究是增强水性油墨墨膜性能的重要研究方向 [41] 。 其中,纳米材料在聚合物基体如何分散,是制备稳定 性能乳液的关键。

2 水性油墨应用现状分析 

水性油墨是唯一被 FDA(美国食品药品监督管 理局)认可的环保油墨,是世界各国公认的环保印 刷材料 [42] 。国外对水性油墨的研究始于20 世纪60 年代,先后经历了三个阶段 [43,44] 。首先,是以松香、 马来酸改性树脂为连接料的第一研究阶段;其次,是 以溶液型苯乙烯-丙烯酸共聚树脂为连接料的第二 研究阶段;最后,是以丙烯酸单体和苯乙烯聚合物乳 液树脂为连接料的第三研究阶段。20 世纪 80 年 代,欧美国家率先提出了绿色印刷、水性油墨的概 念 [45] 。基于成熟的技术和完善的法律法规,以及环 保意识深入人心,取得了较好研究及应用成果。以 美国为例,目前 95% 的柔印产品,以及 80% 的凹印 产品都采用水性油墨印制完成 [46] 。

中国国产的水性油墨在 1975 年问世 [47,48] ,是 天津油墨厂和甘谷油墨厂共同研发生产的水性凹版 纸张油墨,90 年代又研制了凸版塑料表印油墨,紧 接着,从加拿大、美国、英国、瑞士等国引入了 100 多 套组合式柔印生产线,对我国水基油墨的发展起了 较大推动作用。2003 年,武汉现代工业技术研究院 研制生产了水性油墨相关产品。2004 年初,上海美 德精细化工成功研制了达到日本、德国环保要求的 全水性低温热固油墨 [49] 。为了规范国内水性油墨 市场,和世界水性油墨技术接轨,2007 年 5 月我国 推出了第一部关 于 水 性 油 墨 的 标 准,即 QB/T 2825—2006《柔性版水性油墨》 [50] ,对柔印水性油墨 的使用提出具体要求。我国印刷业“十二五”发展 规划 [51] 及“十三五”发展规划草案 [52] 中,已明确将 水性油墨及其相关原材料研制列为今后印刷包装业 发展研究的重点和油墨行业发展的主要方向。

目前,水性油墨最主要的应用领域是卫生条件 要求较为严格的食品、药品、儿童玩具等包装装潢印 刷 [53] 。印刷方式以柔印和凹印为主,承印物以瓦楞 纸、金银卡纸、铜版纸、白板纸、塑料薄膜、不干胶纸 等为主。由于水性油墨具有优良的环保特性,可以 有效解决当前包装印刷业的污染问题,因此各国家 和地区都在努力开发和使用水性油墨,并逐步取代 溶剂型油墨。以水性油墨为主要发展对象的包装印 刷在国际上已经形成一种趋势 [54] 。

2. 1 水性油墨在柔印领域的应用

 柔性版印刷于 20 世纪初起源于美国,由于采用 了环保的水性油墨作为印刷材料,因此被业界誉为 最为环保的印刷方式 [55] 。

柔印水性油墨在瓦楞纸箱印刷领域的应用。水 性柔印是最常见的瓦楞纸板印刷工艺,美国纸箱几 乎 100% 采用柔性版印刷,西欧为 85%,日本为 93%,而我国目前只有50%左右 [56] 。由于水性油墨 的润湿性、亲和性较好,两者只需轻轻接触,水性油 墨即可完全被瓦楞纸吸收,因此墨色呈现均匀厚实。 柔性水印凭借绿色环保、保质高效等优势,在瓦楞纸 箱预印行业独占鳌头,技术成熟。

柔印水性油墨在软包装印刷领域的应用。市场 数据显示,柔印在北美软包装市场的占比为 75%, 欧洲约 57%,但亚太地区仅为 10% 左右 [56] 。在国 内绿色、环保、低碳的环境趋势下,以及企业操作环 境安全健康的要求,水性柔印将逐渐取代部分溶剂 型柔印及凹印市场。天津东洋油墨有限公司推出薄 膜用水性柔版油墨,印刷适性优良,具备丰富的色彩 再现性 [57] 。

柔印是目前国外水性油墨产品的最大应用市 场,技术较为成熟。波兰华沙工业大学的 Zuzanna Zoek-Tryznowska 教授科研团队做了相关研究。

Zoek-Tryznowska [58] 将支化聚甘油作为水性柔 印油墨的添加剂,研究了改性后的油墨在聚乙烯塑 料薄膜上的承印性能。研究表明,水性柔印油墨添 加支化聚甘油后,可以大大提高油墨的耐摩擦性能,且前后色差较小;色彩光学密度增大,印品光泽度 更佳。

Zoek-Tryznowska [59] 用超支化聚酯 Boltorn_P500 和 Boltorn_P1000 改性水性柔印油墨,并在三种不同 的塑料薄膜材料 PE、OPP、PET 上做印刷实验。研 究表明,少量超支化聚酯的加入,可以改善油墨总体 呈色性能及耐摩擦色牢度,并讨论了对油墨的流变 特性、光学密度、色度变化及色牢度的影响。

Zoek-Tryznowska [60] 研究了离子液体作为添加 剂,对水性柔印油墨性能及其印刷效果的影响。该 研究选取的承印材料为聚丙烯塑料薄膜,讨论了离 子液体的加入对油墨接触角、光学密度、色度等的影 响。研究发现,离子液体改性后的油墨光学密度增 大,润湿性更佳,且色差较小。

柔印水性油墨在标签印刷领域的应用。水性油 墨在窄幅标签印刷领域具有绝对优势,但由于质量 原因,中高端标签印刷很难看到水性柔印的影 子 [61] 。劲嘉集团与其油墨供应商共同开发了环保 水性油墨,用于烟标印刷 [62] 。另外,随着食品环保 要求愈加苛刻,柔印水性油墨在食品标签印刷领域 将大有可为。

2. 2 水性油墨在凹印领域的应用

 早在 20 世纪 70 年代,水性凹版油墨就逐渐应 用于包装纸、厚纸板等产品的印刷 [63] 。由于纸类承 印物的蒸发干燥与吸收干燥性能较好,因此油墨的 干燥问题较好解决。如今,美国约有 80% 的凹印产 品采用水性油墨印制完成 [64] 。

水性油墨在凹版纸张印刷领域的应用。凹版印 刷墨膜厚实,几乎是柔印墨膜的两倍。且在印刷过 程中,网穴中的油墨几乎是在不受力的情况下转移 至承印物,故对油墨的转移性、流平性、黏附性要求 较高 [50] 。张彪等 [65] 通过水性油墨与溶剂型油墨纸 张印刷对比实验,判断水性油墨在干燥性和附着力 等方面已经能够达到与传统溶剂型油墨相当的性 能,只有在一些低表面能的承印物上,水性油墨的附 着力较差。在色密度方面,水性油墨暗调部分略微 偏低,亮调部分表现丰富。水性油墨凹版纸张印刷 工艺基本成熟。

水性油墨在凹版塑料印刷领域的应用。资料显 示,塑料凹版印刷居印刷业有机溶剂污染之首。而 我国软包装印刷长久以来形成了以凹版印刷为主流 的生产现状 [66] ,因此在凹版塑料印刷领域推广使用 水性油墨替代溶剂型油墨技术,其难度要远远大于 柔印等其他印刷领域。水性油墨在国内凹版印刷领 域的使用已有一定经验,2011 年 9 月 15 日,国家颁 布了有关薄膜凹印水性油墨的一个重要标准,即 GB/T 26394—2011《水性薄膜凹印复合油墨》 [67,68] 。 凹印水性油墨产品发展至今,其产品性能已取得了 巨大进步,在油墨附着力、色度及光泽度方面达到甚 至超过了溶剂型油墨的性能。不足之处在于干燥速 度慢、干燥能耗高等 [69] ,这些也是未来凹印水性油 墨要解决的重要问题。经过三年多研发,北京英科 凡化工成功推出了 WE 型塑料薄膜印刷用凹版水性 油墨 [70] 。该产品符合环保要求,印刷效果可以媲美 芳烃类溶剂油墨产品水平。在表面张力 36 ~ 42 dyn/cm 的 BOPP、PET、PE 等塑料薄膜上附着牢固, 印刷适性良好 [71] 。

整体而言,水性油墨在凹印纸张印刷趋于成熟, 塑料材质印刷性能则有待提升。凹印速度与凹印质 量与凹印干燥之间的矛盾,是水性凹印油墨无法推 广普及的重要原因。要解决干燥问题,可以通过改 善油墨成分,提高油墨干燥性能;或是改良凹印机机 械结构,提升设备干燥效率,降低干燥能耗。

2. 3 水性油墨在丝印领域的应用 

美国、德国、瑞典是水性网印油墨技术应用最为 成熟广泛的国家 [72] 。自 20 世纪 80 年代以来,已开 发出用于丝网印刷的有光、无光水性油墨,满足于织 物、纸、PVC、PS、铝箔及金属等众多承印物的需求。 我国也研发了适用于纸张和塑料等承印材料的水性 网印油墨。天津环球磁卡股份有限公司(原天津市 人民印刷厂)2010 年研制开发了水性丝网油墨,成 功替代了溶剂型丝网油墨用于磁卡的生产,填补了 数据卡用水性丝网油墨产品在国内的空白 [73] 。丝 网印刷对水性油墨的黏度及 pH 要求较高 [74] 。

2. 4 水性油墨在数字喷墨印刷领域的应用
随着数字喷墨印刷技术的成熟及推广,国外开始将水性油墨应用于喷墨印刷领域 [75] ,这也是目前国外关于水性油墨应用研究的一个热点。

Penmetcha [76] 等深入研究了用于聚合物太阳能 电池给体-受体材料的水性纳米油墨。给体-受体纳 米油墨颗粒 P3HT(3-己基噻吩的聚合物)、PCBM (富勒烯衍生物)通过微乳液技术制得,特征是颗粒 尺寸采用准弹性光散射测量技术精确控制,平均直 径为52 nm。研究发现,改变油墨中 P3HT、PCBM 各 自的浓度含量,会影响到油墨的共混比。最后将制 得的 P3HT、PCBM 的水性纳米油墨通过喷墨技术印 刷于氧化铟锡 ITO 透明导电薄膜的 PEDOT(3,4-乙 烯二氧噻吩单体聚合物)、PSS(聚苯乙烯磺酸钠)涂 层之上,便得到了太阳能电池的有源层。

Howe 等 [77] 研发了用于固体氧化物电池的阴极 水性油墨配方(专利申请号:1107672. 6)。该油墨 采用 PVP(聚乙烯吡咯烷酮)作为分散剂,PVA(聚乙烯醇)作为连接料。调节 PVA 的含量可使油墨粘 附力最佳,对不同的 PVP 含量和链长分别进行测 试,研究对油墨分散性能的影响,结果显示该油墨使 用性能达到甚至超过了现有电池油墨配方。

Naohiro [78] 等研发了新型水性乳液油墨配方,可 适用于喷墨印刷承印非渗透性材料,如塑料薄膜。 和之前喷墨印刷使用的溶剂型油墨相比,该油墨得 到的图文质量较高,且无任何挥发性气体释放。该 油墨同样适用于渗透性承印物,如墙纸等。研究发 现,抑制水性乳液油墨干燥过程中颗粒的聚集,可以 有效改善图文质量。

3 我国水性油墨市场发展趋势

有关全球包装、印刷市场的权威调查报告《全 球包装印刷市场展望》 [79] 、《印刷油墨、印版及其他 耗材未来预测》 [80] 均显示,全球印刷包装业正在努 力向可持续发展产业转型。水性油墨因为具备环 保、经济双重效益特征,市场发展潜力可观。数据显 示,2009 年全球环保油墨市场规模为 58 亿美元, 2014 年则达到 72 亿美元,年均复合增长率为 4. 5% [81] ,其中很大的贡献为广泛应用于柔印软包 装的水性油墨。同时,随着法律法规制度的建立,市 场对水性环保油墨的需求将日益增长。

国内外关于水性油墨的研发与应用已取得了丰 硕成果。在我国,水性油墨在柔印领域的应用日渐 成熟,呈稳定增长态势,但在塑料薄膜材质为主流的 凹印领域则刚刚起步 [82] 。结合我国实际情况,应积 极鼓励推进水性油墨在不同印刷基材和印刷工艺的 应用。


参 考 文 献

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