UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.228 No.1 2024.02印刷与数字媒体技术研究 2024年第1期（总第228期）RESEARCH PAPERS研究论文UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究刘 静1，何邦贵1*，夏家良2，王 琪2（1.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650500；2.云南九九彩印有限公司，昆明 650032）摘要 为研究UV油墨应用于烟标的凹版印刷后，能否满足生产质量要求且有效降低烟标生产中VOCs排放和残留，本研究对当前烟标的凹版印刷工艺进行分析，以UV油墨作为烟标的印刷油墨，使用凹印机组进行打样试生产，最后对凹印车间VOCs排放量以及打样所得到的样张进行卷烟盒包装纸安全性指标和表面印刷质量检测。实验结果表明，使用UV油墨后，烟标中VOCs溶剂残留的检测结果均低于国家烟草专卖局所给出的限量标准，其中VOCs总含量仅为0.01mg/m2，相比于溶剂油墨样张中VOCs总含量减少了2.3mg/m2；同时车间VOCs总排放量减少了55.31mg/m3，且烟标表面印刷质量相较于标准样张能达到90%以上的色彩还原度。实验可说明使用UV油墨有较好的VOCs减排作用，同时也大大提升了烟标的安全性能，成功解决了溶剂型油墨在烟标凹版印刷中VOCs排放量大和有害物质残留问题。关键词 烟标；凹版印刷；UV油墨；VOCs残留；印刷工艺中图分类号 TS835文献标识码 A文章编号 2097-2474(2024)01-83-09DOI 10.19370/10-1886/ts.2024.01.010Experimental Study on the Effect of UV Ink on VOCs Content of Gravure Printing Tobacco LabelLIU Jing1,HE Bang-gui1*,XIA Jia-liang2,WANG Qi2(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Yunnan Jiujiu Color Printing Co,Ltd.,Kunming 650032,China)Abstract In order to study whether UV ink can meet the production quality requirements and effectively reduce the VOCs emission and residue in the production of tobacco labels after it is applied to gravure printing,in this study,the current gravure printing process of tobacco label was analyzed with UV ink,and then the gravure printing set was used for printing proofs.Finally,the VOCs emissions of gravure workshop and the proofs were tested for the safety index and surface printing quality of tobacco wrapping paper.The results showed that with using UV ink,the detection results of VOCs solvent residues in tobacco labels were lower than the limit standard given by the State 收稿日期：2022-10-31修回日期：2023-01-08*为通讯作者项目来源：云南省科技计划(No.202104AR040018)；云南九九彩印有限公司合作项目(No.649320200029)本文引用格式：刘静，何邦贵，夏家良，等.UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究J.印刷与数字媒体技术研究，2024，(1)：83-91.2024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 832024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 832024/3/6 15:48:202024/3/6 15:48:2084印刷与数字媒体技术研究2024年第1期（总第228期）0 引言烟标是人们对卷烟包装盒的另一种别称1，它是通过印刷设备将油墨印刷在卡纸或铝箔纸表面而形成的一种卷烟包装用纸2。烟标不仅对卷烟起到保香和防潮的作用，同时还具有承担特殊防伪功能以及展现卷烟品牌属性的作用3-4。随着消费市场的不断发展以及人们生活水平的不断提升，烟草生产企业对烟标的印刷品质提出了更加严格的要求，不仅要求烟标在印刷时具有高色彩还原度、高套印精度、高模切精度和耐储存等特点，而且还要求烟标中有害物质残留低以及烟标印刷污染小5。出于对消费者健康及环境保护方面的考虑，国家烟草专卖局陆续发布了一系列有关卷烟包装印刷的明文规定6，将烟标在生产过程中以及消费过程中的挥发性有机物（VOCs，Volatile Organic Compounds）含量是否达标作为最高标准，而不再仅局限于烟标的印刷质量是否合格，并且规定VOCs排放不合格以及有害物质残留量超标的卷烟包装均视为不合格产品7-8。近年来，随着烟标印刷行业的不断发展；UV（Ultraviolet）油墨9因其污染小、固化效率高、附着力强以及耐磨性好等一系列优点受到了烟标印刷行业的广泛关注10。黄燕11通过将硝酸银作为油墨的活性功能前驱体，制备出了一种用于柔版印刷的水性UV固化油墨，同时还对油墨进行了组分优化，提升了油墨的固化效率。徐重庆12通过在薄膜凹印水性UV油墨中添加自制树脂，同时与传统树脂共同配制成油墨后，提高了油墨在承印薄膜上的附着强度。官燕燕等13用从香兰草豆荚提取到的香兰素作为UV油墨抗菌添加剂，研制出了一种具有良好抗菌性能的UV油墨。张鹏飞等14以UV油墨中光引发剂为实验研究对象，发现适当提高UV光照能量，能减少光引发剂在印刷承印物表面的残留量。胡海等15对LED-UV双固化凹印油墨进行研究，分析了油墨的成分、各成分在UV油墨中的具体作用以及对UV油墨固化性能的影响；但并未对其在凹版印刷中的具体应用进行实验研究。综合目前的国内外相关研究现况可知，在烟标印刷领域，针对UV油墨的研究与使用大都集中在丝网印刷和胶版印刷中，而对于在凹版印刷中的应用研究相对较少。针对目前溶剂型油墨在凹印烟标生产中的有害物残留较高且难以控制等一系列问题，本研究提出使用UV油墨代替溶剂型油墨应用在烟标的凹版印刷生产中，以减少生产过程中VOCs的排放以及有害物质的残留，同时在现有条件下进行了烟标的印刷实验研究和VOCs含量残留检测。1 溶剂型油墨烟标凹印生产工艺分析在传统的凹版印刷生产工艺中，由于印刷时会涉及多种含VOCs原材料的使用，因此会造成较大的VOCs排放量和残留；特别是溶剂型油墨的使用，是VOCs排放的主要来源16。烟标印刷过程中VOCs排放点如图1所示，无论是印前、印中还是印后加工过程中，都有VOCs产生；特别是在印中过Tobacco Monopoly Administration,and the total VOCs content was only 0.01mg/m2,which was 2.3mg/m2 less than that in solvent ink samples.At the same time,the total VOCs emissions of the workshop were reduced by 55.31mg/m3,and the color reproduction degree of the tobacco label surface printing quality could reach more than 90%compared with the standard sample.It showed that the method in this study has a good effect on VOCs emission reduction,and also greatly improves the safety performance of the tobacco label,and successfully solves the problem of large VOCs emission and harmful substances residues in the solvent-based ink printing of the gravure of the tobacco label.Key words Tobacco label;Gravure printing;UV printing ink;VOCs residual;Printing technology2024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 842024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 842024/3/6 15:48:202024/3/6 15:48:2085研究论文刘 静等：UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究程的烘干环节，是VOCs产生的主要来源，其原因是使用的溶剂型油墨的固含量仅有20%，80%的成分会在烘干或者其他环节挥发掉；而油墨调配、供墨系统、印刷以及烫金过程中产生的VOCs，也是因为溶剂型油墨的使用所造成的。2 UV油墨性能UV油墨是一种无溶剂型油墨，主要由光引发剂、预聚物、单体、颜料和添加剂组成17。其印刷原理主要是光引发剂接受到特定波长的紫外光，通过光解化学反应，断开其中的碳磷共价键，同时转变为游离态的分子，然后形成自由活性基团（光解化学反应式如图2）；自由活性基团再通过分子相互间能量的转移和传递，使油墨中参与光固化反应的预聚物和活性稀释剂（单体）由稳定态转变为激发态，并经过电荷转移后形成络合体，络合体之间再通过相互交联和聚合，最终形成具有稳定结构的聚合体，固化成膜。由于UV油墨自身特性，使其具备以下优点。首先是几乎无溶剂挥发，安全性高；UV油墨中的各组分都会参与油墨的固化，基本无其他损耗；且油墨中不含挥发性溶剂，不会对环境产生污染；印品中几乎检测不到有害物残留，安全性高。其次是墨层耐度高；由于UV油墨是通过光固化反应最终固化成墨膜，其成膜结构与传统干燥成膜不同，因此它具有优良的耐水、耐酸碱、耐氧化、耐醇等抗物理化学性能。最后是UV油墨具有固化效率快的优点，当特定波长的紫外光照射到墨层表面后，UV油墨可在瞬间完成反应并固化，可节省印刷时间，大大提高生产效率。3 实验方案设计3.1 印刷工艺分析本实验以云烟紫云烟标为例进行工艺分析研究，产品样张如图3所示。其中白色油墨为底色印刷部分，黄色油墨为小龙图案、云烟汉字及拼音印刷部分，专红油墨为紫云烟标的大面积版面图案印刷部分，黑色油墨为条形码印刷部分，最后层次红油墨则用于局部印刷在专红表面，提升烟标局部层次感。在进行紫云烟标的印刷色序安排时，需要遵循颜色由浅到深的印刷原则，白色油墨安排在第一印刷色序，再进行黄色油墨印刷，然后印刷专红油油墨调配供墨系统印刷制版烘干清洗润版润版液印前印中印后废润版液洗车水分切烫金模切成品承印物油墨溶剂VOCsVOCsVOCsVOCsVOCs废洗车水VOCsVOCs废膜废纸图1 凹版印刷中VOCs排放主要来源点Fig.1 Main source points of VOCs emission in gravure printingCOCH3CH3CH3POC+OCH3CH3CH3POUV光(380nm)图2 光引发剂的光解化学反应式Fig.2 Chemical reaction formula of photolysis of photoinitiator2024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 852024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 852024/3/6 15:48:202024/3/6 15:48:2086印刷与数字媒体技术研究2024年第1期（总第228期）墨，由于层次红是印刷在专红表面，且专红油墨印刷面积较大，不宜干燥，因此先印刷只用于条形码部分的黑色油墨，最后再进行层次红油墨的印刷。最后色墨印刷部分的色序安排为：白黄专红黑层次红。图3 紫云烟标产品样张Fig.3 Sample of Ziyun cigarette label除了以上的色墨印刷部分以外，紫云烟标在印刷过程中还需要水光和UV上光最后两道工艺。其中水光的作用是提高油墨在承印物上的附着力，UV上光的作用是对印刷品需要突出的部位进行局部上光，提高光泽度，同时还能提升印刷品的耐磨性。印刷部分完成后还需要进行连线赋码以及分切工序，其中专色印刷、水光、UV上光、连线赋码和分切均在凹版印刷机组中完成，然后再在其他设备上进行烫金和模切工序，最后得到烟标成品。紫云烟标的印刷生产流程如图4所示。连线赋码UV上光水光烫金卡纸油墨印刷参数凹版印刷机组模切成品专色印刷分切图4 紫云烟标凹版印刷流程图Fig.4 Ziyun cigarette label gravure printing flow chart通过对紫云烟标凹版印刷工艺进行分析，得出凹印机各色组的相关印刷参数见表1，其中UV上光的功率为10kW，功率输出比为80%。3.2 印刷工艺改进分析因UV油墨的固化原理与传统的溶剂型油墨不同，它是由光固化反应，通过相互交联和聚合，最终固化成膜18。而溶剂型油墨则是通过高温干燥，挥发其中的溶剂，最终覆盖在承印物表面。由于UV油墨固化后，其表面效果具有较强的附着力、较高光泽度与耐磨性，因此在进行改进后的UV油墨烟标印刷工艺设计时，只需要进行色墨工艺部分的印刷，而原本的水光和UV上光两步工艺即可省去，只需要5个凹印机组便可完成印刷生产。由于UV油墨中不含溶剂，所以UV油墨的黏度主要取决于油墨的加热温度，因此在进行UV油墨的凹版印刷时，需要使用水浴加热以及循环供墨的方式以保证UV油墨温度的稳定即油墨黏度的稳定；其中水浴温度、油墨加热温度和油墨黏度关系见表2。其余印刷压力、刮刀压力和刮刀速度均与原工艺相同。由于UV油墨干燥不需要风热干燥箱，而需要紫外光进行固化（UV固化），UV固化各参数见表3。表2 油墨加热与油墨黏度参数关系Tab.2 Ink heating and ink viscosity parameters印刷参数印刷色序白黄专红黑层次红水浴温度（）8280668282油墨温度（）6360476363油墨黏度（s）2021262020表3 UV固化条件及参数Tab.3 UV curing conditions and parameters灯组项目数量光波波长(nm)额定功率(kW)功率输出比(%)UV固化灯438010804 实验与分析4.1 实验材料与设备本研究所使用的UV油墨各组分、用途及其占比见表4，所使用的设备见表5。表1 凹印机组印刷参数Tab.1 Printing parameters of gravure printing set印刷参数印刷工序白黄专红黑层次红水光UV上光油墨黏度（s）20212620202221印刷压力（Psi）40304030304040刮刀压力（bar）1111111刮刀速度（%）50552025451550烘箱温度（）65601106065105-2024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 862024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 862024/3/6 15:48:202024/3/6 15:48:2087研究论文刘 静等：UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究表4 UV油墨各组分成分占比Tab.4 UV ink components accounted for the proportion组成成分用途/功能成分比例（%）二丙二醇二丙烯酸酯三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体/稀释剂3035丙烯酸酯类共聚物环氧树脂连结料2025二乙醇胺助引发剂48二苯甲酮衍生物的聚合物(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）光引发剂69对羟基苯甲醚稳定剂0.1聚二甲基硅氧烷平滑剂12专色颜料赋色1520微晶蜡光泽控制助剂12表5 实验设备与材料Tab.5 Experimental equipment and materials设备及材料参数信息及厂家凹印机组赛鲁迪MK Cerutti R983凹印机，11色组；云南九九彩印有限公司卡纸227g/m2素面镭射转移卡纸，幅宽724mm；云南德新纸业有限公司印辊网穴深度110m；云南美莱特工贸有限公司油墨UV专色凹印油墨；昆明凌润科技有限公司分光光度计爱色丽X-rite SpectroEye印刷密度计；广州卓谐仪器设备有限公司秒表计时器型号MB-PC-894；深圳市奕圣科技有限公司测量仪7697A/7890B/5977B顶空-气相色谱质谱联用仪；安捷伦科技有限公司采样器3071烟气采样器；青岛崂应环境科技有限公司气压表DYM3-1空盒气压表；江苏益勇仪器设备有限公司色谱仪GC9790气相色谱仪；浙江福立分析仪股份有限公司4.2 上机实验将上述实验参数设置完成后，使用凹印机和UV油墨对紫云烟标进行打样生产，按照不同的印刷速度（140180m/min），以10m/min为变量梯度，一共进行了5组打样实验，实验样张如图5所示。对上述打样所得样张用分光光度计进行印刷颜色表征检测。其中颜色空间为CIELAB，目标色为L*=10.854，a*=32.704，b*=15.412（目标色来源于昆明卷烟厂提供的实际验收标准样张）。对所得样张进行5次测量取样，最后取均值见表6。e.180m/minf.标样d.170m/minc.160m/mina.140m/minb.150m/min图5 实验产品样张图Fig.5 Samples of experimental product表6 烟标颜色表征检测表Tab.6 Color characterization test table of cigarette lable印刷速度（m/min）L*a*b*L*a*b*14018.64628.24120.9587.792-4.4635.54615015.66530.39220.0044.811-2.3124.59216014.24231.46615.1243.388-1.238-0.28817015.49830.6517.7934.644-2.0542.38118015.81630.14819.3144.962-2.5563.902由图5和表6可知，当初始以140m/min进行打样生产时，所得样张L*a*b*值与目标色L*a*b*值相差较大，且烟标样张颜色较浅，印品表面墨层较薄，主要原因为油墨转移量不足；而后随着印刷速度的提高，样张L*a*b*值与目标色的差值逐渐缩小（L*，a*，b*的值逐渐减小）。当印刷速度提升至160m/min左右时，差值达到最小量，而后随印刷速度的继续提升，样张与目标色两者的L*a*b*差值不再减小。L*a*b*差值的变化与印品表面墨层厚度相关，即可体现为油墨转移率的变化。当打样速度从140m/min提升到160m/min时，油墨转移率增加，其主要原因是，在一定速度范围内，随着印刷速度的提高，印辊网穴中的油墨在转移之前干燥时间缩短，转移率提升；当达到一定速度时，随着速度的继续提高，承印物与印辊网穴接触时间缩短，导致转移率降低。4.3 烟标表面印刷质量检测使用分光光度计对上述5组样张中的大面积专2024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 872024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 872024/3/6 15:48:212024/3/6 15:48:2188印刷与数字媒体技术研究2024年第1期（总第228期）红印刷彩色部分进行光谱反射率测量，将光谱反射率绘制成反射率曲线，最后与标准样张进行对比分析，如图6所示。02468101214161820380440500560620680波长(nm)光谱反射率(%)140m/min150m/min160m/min170m/min180m/min标样图6 光谱反射率曲线Fig.6 Spectral reflectance curves由图6可知，当烟标印刷速度在160m/min时，所测烟标的光谱反射率曲线与标准样张的光谱反射率曲线最为接近，颜色色差越小，其最高色彩还原度相较于标准样张可达90%以上。4.4 烟标包装纸VOCs含量检测针对卷烟外盒包装纸中VOCs溶剂含量问题，国家烟草专卖局专门给出了限量标准，以对市场上的不合规烟标产品进行约束。本研究对烟标中VOCs溶剂含量检测的依据标准主要为YC/T207-2014 烟用纸张中溶剂残留的测定顶空-气相色谱/质谱联用法。所使用的检测设备为安捷伦7697A/7890B/5977B顶空-气相色谱质谱联用仪，检测环境温度为23.5，相对湿度为55.5%。对溶剂油墨样张与UV油墨样张中的VOCs溶剂残留含量检测结果见表7。由表7中的检测结果可知，在溶剂油墨样张中检测出了较多的甲醇、丙酮、正丙醇、戊二酸二甲酯和已二酸二甲酯，且含量都高于烟包硬盒及条盒包装纸中溶剂残留的限量标准。主要原因是溶剂型油墨在使用过程中会加入大量的有机溶剂，用以调节油墨黏度和印刷适性，而这些溶剂在干燥过程中，大部分会成为有害气体形成尾气，少部分则残留在烟标中。相较于溶剂型油墨，在UV油墨样张中只检测出极少量的正丙醇，其主要原因为凹版洗版过程中洗版液残留于印辊中所致。同时正丙醇检测含量符合溶剂残留限量标准，且其他溶剂残留均未检出，大大提高了烟标的安全性能。4.5 烟标凹印车间VOCs排放检测当生产车间印刷设备以及尾气收集设备运行稳定后，在溶剂油墨印刷生产和UV油墨印刷生产时，分别对两种工况下的尾气收集装置中尾气进行表7 VOCs残留限量标准及实验样张VOCs含量检测结果Tab.7 VOCs residual limit standard and test results of VOCs content in experimental samples 检测项目定量限（mg/m2）检出限（mg/m2）溶剂油墨样张的VOCs含量（mg/m2）UV 油墨样张的 VOCs含量（mg/m2）甲醇0.2580.0780.12未检出乙醇0.1710.051未检出未检出异丙醇0.0530.016未检出未检出丙酮0.0700.0210.03未检出正丙醇0.0620.0190.020.01丁酮0.0660.020未检出未检出乙酸乙酯0.0390.012未检出未检出乙酸异丙酯0.0470.014未检出未检出正丁醇0.0390.012未检出未检出苯0.0040.001未检出未检出1-甲氧基-2-丙醇0.5340.160未检出未检出乙酸正丙酯0.1270.038未检出未检出2-乙氧基乙醇0.6200.206未检出未检出4-甲基-2-戊酮0.0340.010未检出未检出1-乙氧基-2-丙醇0.2510.075未检出未检出甲苯0.0060.002未检出未检出乙酸正丁酯0.0400.012未检出未检出乙苯0.0040.001未检出未检出间、对-二甲苯0.0040.001未检出未检出邻-二甲苯0.0030.001未检出未检出苯乙烯0.0070.002未检出未检出2-乙氧基乙基乙酸酯0.6100.200未检出未检出环已酮0.0520.016未检出未检出丁二酸二甲酯0.8100.260未检出未检出戊二酸二甲酯0.8600.2701.27未检出已二酸二甲酯0.9200.3100.89未检出总量5.6911.8082.310.012024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 882024年1期印刷与数字媒体技术研究.indd 882024/3/6 15:48:212024/3/6 15:48:2189研究论文刘 静等：UV油墨对凹印烟标VOCs含量影响的实验研究取样检测，以等时间间隔共进行3次样品采集，最后求取均值。本次采样方法依据为GB/T 16157-1996 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法；检测方法依据为空气和废气检测分析方法（第四版）以及HJ 38-2017 固定污染源废气总烃、甲烷和非甲烷总烃的测定-气相色谱法。所使用的设备为3071烟气采样器、DYM3-1空盒气压表和GC9790气相色谱仪；检测环境尾气温度为38.9，流速为13.1m/s，含湿量为2.1%。对两种工况下尾气检测分析结果见表8。由表8的检测结果可知，使用溶剂油墨进行凹印烟标生产时，尾气中的苯、甲苯、二甲苯和非甲烷总烃均检测到较高的浓度含量；而当使用UV油墨后，尾气中所检测到的VOCs含量远低于溶剂油墨，其中甲苯和二甲苯均未检出。其主要是由于UV油墨不含溶剂，属于全固含量体系，油墨中的所有成分都会参与固化，且固化方式为光化学反应过程，几乎不会产生VOCs等有害气体，能够有效解决VOCs尾气处理及排放等问题。5 结论为了解决在烟标凹版印刷中溶剂型油墨VOCs排放量大和有害物质含量残留问题，本研究通过对UV油墨进行分析，提出将UV油墨应用于烟标的凹版印刷中，并通过实验对烟标产品进行打样以及安全性指标检测，得到如下结论。1）通过现有的实验条件与设备，使用UV油墨对紫云烟标进行了实验打样生产，并对打样后的烟标产品通过光谱反射率曲线的测量，进行了烟标表面色彩还原度检测，检测结果显示当印刷速度为160m/min时，使用UV油墨印刷生产出的烟标，相较于标准样张能达到90%以上的色彩还 原度。2）在当前溶剂油墨工艺基础上，对目前紫云烟标印刷中存在的VOCs残留问题进行分析，确定将UV油墨替代溶剂型油墨用于凹印烟标的生产具有可行性。同时对两种油墨印刷样张进行检测，UV油墨样张中的VOCs含量残留远低于溶剂油墨样张，且凹印车间VOCs排放量大幅降低，可见使用UV油墨用于凹印烟标的生产相比于溶剂型油墨更具安全性和减排性。参考文献 1 汤晓阳,张恒克,贾郑雷.卷烟包装印刷技术及发展趋势分析J.中小企业管理与科技,2019,(7):183-184.TANG Xiao-yang,ZHANG Heng-ke,JIA Zheng-lei.Analysis of the Cigarette Packaging and Printing Technology and Its Development Trend J.Management&Technology of SME,2019,(7):183-184.2 ALLEN L.New Challenges for Chinas Tobacco 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