烟包印刷中水性光油耐摩擦性能研究

烟包印刷中水性光油耐摩擦性能研究

（武汉大学 印刷与包装系，湖北 武汉 430079）

摘 要：在烟包印刷用水性光油中添加慢干剂、蜡乳液、阳离子表面活性剂等，配制多组水性光油，以 研究光油的流平性、蜡乳液含量、表面张力及干燥时间等对水性光油耐摩擦性能的影响。研究结果表明：不 同种类的添加剂及其含量对水性光油的耐摩擦性能影响不同，添加慢干剂、蜡乳液及阳离子表面活性剂均 能提高光油的耐摩擦性能，流平性和蜡乳液含量对光油的耐摩擦性能影响最大；慢干剂、初次上光量为光 油的流平提供了足够的时间，使得光油自身流平较好，耐磨度较高，而蜡乳液、表面活性剂分别从抵消外 部应力和提高光油润湿性能2 个方面提高了光油的耐摩擦性能；随着干燥时间的延长，光油的耐摩擦性能得 以提高，当镭射纸的干燥时间为10 s、白卡纸的干燥时间为12 s时，其光油的耐摩擦性能较好。
关键词：烟包印刷；水性光油；耐摩擦性能；流平性；表面张力；干燥时间
中图分类号：TS802.3 文献标志码：A 文章编号：1674-7100(2016)03-0071-05

0 引言 

在烟包印刷中，为提高产品表面油墨的光泽度、 耐磨度以及产品本身的精美度，企业常使用上光油 对烟包进行上光工艺处理。常见的上光油包括溶剂 挥发型、UV 固化型以及水性光油 3 种 [1] 。溶剂挥发 型和 UV 固化型 2 种光油因具有光油耐摩擦性能好、 成膜光泽度高、耐折性能好等优势，故曾被大量运 用于需要上光的烟包表面。但是溶剂挥发型光油的 构成成分中含有苯类（甲苯、二甲苯）或环己酮等 有毒溶剂，后期的挥发干燥将产生大量的挥发性有 机化合物（volatile organic compounds，VOC），会造 成严重的环境污染问题；而UV 光油依靠紫外光照射 下的单体交联聚合成膜，虽无 VOC 的排放，但是其 上光设备多依靠进口，价格昂贵，且上光后的成品 回收处理困难。因此，在绿色环保和节能减排理念 的倡导下，越来越多的烟包印刷企业选择水性光油 进行烟包上光 [2-3] 。

水性光油是基于水基和醇基的丙烯酸类等水溶 性树脂液，其主要依靠对承印物的渗透干燥为主、热 风干燥为辅的干燥方式 [4] ，最大的优点为在凹印机 上使用时光油的黏度极易控制 [5] 。但烟包上光时水 性光油同样面临诸多问题：联线上光速度过快，多 色印刷之后热风干燥设备很难让多色叠印的油墨彻 底干燥，这将导致后期的光油成膜度下降及耐磨度 降低；光油在没有完全流平延展的情况下固化成膜， 会导致膜层凹凸不平，出现橘皮现象 [6-7] ；耐摩擦性 能较差，而烟包包装时速度高达300~500包/min，烟 包要承受很大的机械冲击力 [8] ，这就要求烟包表面 的水性光油具有较强的耐摩擦性能。因此，有必要 研究水性光油与耐摩擦性能之间的关系。本文针对 烟包印刷中水性光油上光时干燥速度慢、光泽度不 高、耐摩擦性能较差等问题，对烟包印刷中凹印联 线水性上光油耐摩擦性能的影响因素进行了检测与 分析，力求找出各变量与光油耐摩擦性能的关系，以 期为企业进行烟包水性上光提供理论参考。

1 耐摩擦性能评价方法 

根据GB/T 7706—2008《凸版装潢印刷品》中的 规定，实验使用配重摩擦检测法，对水性光油的耐 摩擦性能进行检测。

首先，取表面已经涂布并完全固化的样张，剪成 合适的样条，放在耐摩擦测试机上（耐摩擦测试机 工作原理如图1所示），摩擦纸为定量80 g/m 2 的胶版 纸，表面清洁，宽度为50 mm，摩擦次数为40次，行 程不小于60 mm。摩擦之前选取3 点，测量其密度值 并取平均值；然后进行摩擦，完成后，对摩擦损失 较为严重的区域测量其密度值，同样测量3点并取平 均值；最后，根据如下公式计算耐摩擦度：

规定墨层耐磨度在 70% 以上时为合格。 这种方法通过测量底色墨层密度的变化来表示 光油耐摩擦性能，是一种间接测量光油耐摩擦性能 的方法。密度变化越大，说明光油耐摩擦性能越差； 密度变化越小，则说明光油耐摩擦性能越好。

2 实验 

2.1 主要测试样品及测量仪器

 烟包印刷用银光柱镭射转移纸，定量为157 g/m 2 ， 实验对比用白卡纸，定量为157 g/m 2 ，均为深圳市金 永盛纸制品公司生产；凹印四色油墨，天津东洋油 墨公司生产；01103 号水性光油、81299号水性光油、 慢干剂、阳离子表面活性剂、蜡乳液，均为山西中 北公司生产。

接触角测量仪，Attension 3DTM，瑞典百欧林公 司；凹印适性仪，IGT G1-5，厦门欣锐仪器仪表有限 公司；分光光度计，X-Rite528，美国爱色丽公司；鼓 风式烘干箱，深圳市爱特尔电子科技公司；探针式 数字温度计，TP3001，深圳市同力兴科技有限公司； 耐磨擦测试仪，MCJ-01A，济南市赛成电子科技公 司；KINO 表面张力测试仪，瑞典百欧林公司。

2.2 实验方法 

为方便实验的进行，所有样条（镭射纸、白卡 纸，下同）均提前裁切成25 cm ×5 cm 的标准样条， 并挂置于恒温恒湿箱中24 h。实验环境为模拟印刷车 间环境条件，实验室温度为20~25 ℃，相对湿度为 55%。另外，除特殊说明，本实验所有上光标准样条干燥时间均为10 s，干燥温度均为40 ℃。

1） 流平性实验

 使用凹印适性仪，对标准样条印刷 1 层凹印油 墨，待其干燥后，使用不同添加体积分数慢干剂的 水性光油进行上光，烘干后进行第2次上光，再次烘 干，然后检测慢干剂对光油耐磨度的影响。

使用凹印适性仪，对标准样条先印刷1 层凹印油 墨，待其干燥后，进行第1次不同厚度的水性光油上 光，待其烘箱干燥后进行第2次同等厚度的水性光油 上光，然后进行烘干处理，用以检验2次上光时流平 性对光油耐摩擦性能的影响。

2） 表面张力实验
取01103号、81299号2种水性光油，对干燥后的印刷标准样张进行上光，置于烘箱干燥后，检测不同表面张力与耐摩擦性能的关系。

取添加不同体积分数阳离子表面活性剂的01103 号水性光油，对印刷干燥后的标准样条上光，置于 烘箱干燥后，排除其他因素影响，检测表面张力这 个单一变量对光油耐摩擦性能的影响。

3） 蜡乳液实验 采用添加不同体积蜡乳液的 01103 号水性光油， 对干燥后的印刷标准样张进行上光，待其烘干后，检 测蜡乳液的不同添加量对光油耐摩擦性能的影响。

4）干燥性能实验
采用01103 号水性光油，对干燥后的印刷标准样张进行上光，设置不同的烘干时间进行干燥处理，检测干燥性能对光油耐摩擦性能的影响。

3 结果及分析

凹版印刷使用的慢干剂主要由高沸点醇类、酯 类组成 [9] 。水性光油中添加一定量的慢干剂，可有效 降低溶剂的挥发速度，延长光油的干燥时间，有利 于光油流平的同时，还能降低其表面缩孔的产生。另 外，凹版印刷中承印物的表面平滑度越高，光油在 流平过程中受到的阻力越小，流平速度和效果越好。

通过向水性光油中添加不同体积分数的慢干剂， 分析该因素对光油膜层耐摩擦性能的影响，其结果 见图2。由图2 可知，当慢干剂添加体积分数从0 变 化到1.0%时，光油的耐磨度由最初的87.4%（白卡纸） 和90.7%（镭射纸）分别增强至93.7%和95.9%。但是， 当慢干剂添加体积分数超过 1.0% 时，光油的干燥速 度变得缓慢，这使得2种纸张光油的耐磨度均有所下 降。其主要原因可能为：慢干剂添加体积分数的持 续增加带来了光油膜层的不稳定，导致了光油耐摩 擦性能的降低。

从图3 中可以看出，水性光油的耐摩擦性能随着 初次上光量的增加而增强，但是达到一定上光量即 印版网穴深度为29 m 时，其耐摩擦性能趋于稳定。 初次上光相当于在承印物表面先打1层底油，形成一 个相对较为光滑的表面。这样，进行第2 次上光时， 承印物材料表面光滑平整，有利于光油的流平，光 油成膜更平整光滑，光泽度更高，耐摩擦性能更好。 随着承印材料的表面光滑度逐渐提高，初次上光量 对光油耐摩擦性能的影响趋于稳定，继续增加初次 上光量，也不会增强光油的耐磨度。

3.2 表面张力对光油耐摩擦性能的影响 

光油表面张力与光油中树脂的种类与含量、润 湿剂的添加量以及其他各种助剂的含量有关 [10] 。根 据润湿理论，光油的表面自由能越低越容易发生润 湿，其在油墨或纸张表面的附着能力也越强，光油 的膜层会更厚，其耐摩擦性能也更好。在水性光油 中添加阳离子型表面活性剂，可在不影响水性光油 其他性能的情况下有效降低光油的表面张力，改善光油对底材的润湿性，有利于光油的铺展和干燥，从而提高光油的膜厚和耐摩擦性能。

采用表面张力测试仪，测得2 种不同水性光油表 面张力的耐摩擦性能，其结果如表1 所示。由表1 可 知，表面张力较低的01103号光油，其耐磨度要高于 表面张力较高的81299 号光油的耐磨度。

实验通过改变光油内阳离子表面活性剂的添加 体积分数，比较不同表面张力下同种水性光油的耐 摩擦性能。图4所示为阳离子表面活性剂添加体积分 数对光油耐摩擦性能的影响。

由图4 可知，随着阳离子表面活性剂的添加体积 分数由0 增至0.5%，镭射纸和白卡纸的耐磨度分别由 最初的86.8% 和86.4%提高到94.7%和92.9%。但当表 面活性剂添加体积分数超过0.5%时，过多的表面活性 剂会导致光油膜层变厚，使得其干燥困难，从而给光 油成膜带来负面影响，导致光油的耐摩擦性能降低

3.3 蜡乳液含量对光油耐摩擦性能的影响 

蜡乳液是由石蜡、乳化剂以及调节剂复配而成 的稳定的乳状液 [11] 。如水性光油中加入蜡乳液，在 光油成膜过程中，蜡乳液会漂浮在光油膜层表面，形 成保护层，而蜡颗粒多为球形，当应力作用在光油 膜层的表面时，球状的蜡颗粒会将其分散，从而可 以减轻外界应力对光油膜层的破坏。

蜡乳液的添加体积分数与蜡乳液颗粒度对光油 膜层耐摩擦性能具有一定的影响。将2种不同粒径的 蜡乳液以体积比为1:1 的比例加入水性光油中，小颗 粒用以填充到大颗粒的缝隙中，最终使蜡保护层更 加细密光滑，其保护作用更加突出。蜡乳液添加体 积分数对光油耐摩擦性能的影响如图 5 所示。

由图5 可知，相对于单一颗粒 [12] 的蜡乳液，不同 颗粒蜡乳液的耐摩擦性能有较大提高。但是蜡乳液添 加体积分数过高（本实验中约为大于2.0%）同样会影 响光油的成膜性能，所以不宜添加过量的蜡乳液 [13] 。

3.4 干燥时间对光油耐摩擦性能的影响 

水性光油中树脂的干燥机理为：当干燥温度略 高于光油成膜的最低温度时，树脂颗粒就会交联，并 在印品表面形成光滑均匀的膜层 [14] 。但此刻光油中 的溶剂并没有完全渗透或者挥发，光油与承印材料 之间结合不牢固，光油表现为初干性；随着干燥时 间的延长，溶剂完全挥发，光油表现出彻干性，最 终完全附着在承印物上。由于凹版印刷中多采取联 机上光，造成光油干燥时间短、干燥不彻底、在印 后加工时容易出现划伤等问题。

不同干燥时间对光油耐摩擦性能的影响见图 6。

由图6可知：随着干燥时间从3 s延长至10 s，上 光后镭射纸和白卡纸的耐磨度分别从87.3% 和86.2% 增加至96.2%和92.7%，且镭射纸干燥时间为10 s、白 卡纸为12 s 时，其光油的耐摩擦性能较好。但是随着干燥时间的延长，底层油墨会出现一定程度的粉 化现象，从而影响表面光油的成膜性能，导致光油 的耐摩擦性能下降。

4 结论 

在水性光油中添加慢干剂、蜡乳液、阳离子表面 活性剂等，配制多组水性光油，以研究光油的流平 性、蜡乳液含量、表面张力及干燥时间等对水性光 油耐摩擦性能的影响。研究结果表明：

1）不同种类的添加剂及其含量对水性光油的耐摩擦性能影响不同。添加慢干剂、蜡乳液及阳离子表面活性剂均能提高光油的耐摩擦性能，其中，流平性和蜡乳液含量对光油的耐摩擦性能影响最大。

2）慢干剂、初次上光量为光油的流平提供了足 够的时间，使得光油自身流平较好，耐磨度较高。蜡 乳液、表面活性剂分别从抵消外部应力和提高光油 润湿性能 2 个方面提高了光油的耐摩擦性能。

3）随着干燥时间的延长，光油的耐磨度得以提 高，当镭射纸的干燥时间为10 s、白卡纸的干燥时间 为12 s时，其光油的耐摩擦性能较好。

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