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新型高生物基LED-UV轮转油墨在书刊印刷中的应用

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发表时间:2023-07-25 14:42作者:何铁飞 马志强 王辉 沈剑彬来源:印刷工业

得益于新型高生物基 LED-UV 轮转油墨的成功开发和应用,LED-UV 轮转印刷在综合成本、产品质量、减碳排放、自动连线和纸浆回收性等方面均获得了优异表现,有力地推动了书刊印刷向智能化、绿色化的高质量方向发展。


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技术背景

传统的书刊印刷以轮转胶印+平张胶印的印刷方式为主。热固轮转 的 印 刷 速 度 为 30000 ~ 50000张 /h, 印 刷 卷 纸 的 油 墨 经 烘道烘烤干燥后直接联机进行折页, 进 入 后 道 装 订。 与 平 张 胶 印10000 ~ 15000 张 /h 的 印 刷 速度且油墨需经空气氧化缓慢干燥相比,热固轮转具有绝对的生产效 率 优 势。 同 样, 冷 固 轮 转 在 胶版纸印刷领域,尽管存在容易蹭脏、 网 点 还 原 性 较 差 的 短 板, 但25000 ~ 30000 张 /h 的印刷速度相比单张纸印刷具有更高的效率。

1. 热固轮转印刷目前的热固轮转印刷也存在着几方面的问题,且在热烘干燥的原理下无法解决。

1)碳排放量偏高。根据多家大型书刊印刷企业的统计数据分析,每印刷耗用 1t 油墨,平均需要消耗天然气 3000m3。按照 1m3 天然气完全燃烧排放的 CO2 为 1.96kg 计算,印刷耗用 1t 油墨时,燃烧天然气会产生 5.88t 的 CO2。此外,热固轮转油墨中含有 30% 以上的矿物油,在 160 ~ 230℃的烘道中,通常会有 20% 以上的矿油被蒸发掉,经收集后形成尾气,需燃烧处理成CO2 排放,1t 油墨至少能产生 0.62t的 CO2。因而在实际印刷过程中,热固轮转印刷消耗 1t 油墨时,直接排放的 CO2 总量在 6.5t 以上。

2)纸张的波浪纹和内页伸缩问题。热固轮转印刷时必须使用到润版液,印刷时纸张会有一定的吸 水 量, 进 入 烘 道 以 后, 纸 张 受高温烘烤,水分蒸发会引起纸张收缩,不均匀的变形收缩造成了印样在装订成册时出现波浪形的形变。而热固轮转印刷书刊的封面采用单张纸印刷,由于单张纸印刷时不存在烘道加热的过程,因而纸张变形很小。当单张纸的封面与热固轮转的内页装订在一起齐整裁切后,内页已变形的纸张在长时间存放过程中逐渐还原,内页逐渐伸长,导致装订的成品书刊的封面会短内页1 ~ 2mm。

尽管热固轮转油墨在印长单时有极高的印刷效率和较低的印刷成本,但是整个印刷工艺碳排放量过高,能耗偏大,在国家碳达峰、碳中和的大政策背景下其发展必然受到制约。同时不可避免的质量缺陷,使其印刷质量也无法与平张纸印刷相竞争。

2. 冷固轮转印刷冷固轮转印刷存在的主要问题包括:

1)冷固印刷是通过纸张快速吸收油墨中的溶剂来实现增粘“干燥”的,当印刷速度达到一定程度时,纸张吸收跟不上印刷速度,油墨增粘不足就会出现折页蹭脏等问题。

2)印刷薄纸、大墨位时,容易引起背透,网扩比较大,也很难印刷铜版纸。

冷固印刷受限于油墨的干 燥 方 式, 目 前 最 高 可 达 到30000 ~ 33000 张 /h 的速度,在版面为大墨位时印刷尤为困难;要实现自动化联线、自动打捆、机械臂搬运,都是难以突破的瓶颈问题;在纸张的选择方面,更多局限于吸收性较强的胶版纸,高速印刷铜版纸基本难以实现。

显然,在当前印刷业向绿色化、数字化、智能化、融合化趋势转型的背景下,以轮转胶印+平张胶印为主的传统印刷方式已不能满足书刊印刷企业的发展需求。


新型 LED-UV 轮转油墨Hybrid Ink 技术方案

LED-UV 油墨是一种新型的环保印刷材料,具有优良性能。在轮转 LED-UV 油墨中有两种技术解决方案,一种是纯 UV 胶印油墨体系,一种是 Hybrid Ink(混合油墨)——具有 UV 固化功能的新型高生物基含量油墨体系。

类似于平张机 LED-UV 胶印油墨,轮转 LED-UV 胶印油墨由颜料、丙烯酸单体、引发剂、预聚物等组成,通过配方调整,调成适合于高速轮转机印刷的墨性,在干燥速度上可以适合 40000 ~ 50000 张 /h的印刷速度,但是受限于 UV 油墨的配方特殊性,预聚物的分子量偏小,单体和预聚物的亲水性偏大,难以保证在轮转高速印刷下的抗飞墨性和水墨平衡稳定性。另外,纯UV 体系原料价格偏高,成本是传统轮转印刷油墨的 3 ~ 4 倍,印刷成本控制难度非常大;原材料基本来源于石化合成,材料的可再生性远不及传统轮转油墨;印刷机的墨辊必须由丁腈橡胶(NBR)改成乙丙橡胶(EPDM)或两用胶辊。

Hybrid Ink 是兼备传统胶印油墨和 UV 胶印油墨特性的油墨,主要 由 颜 料、 丙 烯 酸 酯 单 体、 引 发剂、预聚物、油溶性高分子树脂、植物油等组成,可以实现在 LEDUV 光下快速固化干燥,又具有一定的结膜干燥性能,在干燥性能上可以满足 40000 ~ 50000 张 /h的印刷速度。得益于油墨中添加了油溶性高分子树脂和极性较小的植物油组分,在高速印刷下的抗飞墨性和水墨平衡稳定性更接近于传统轮转胶印油墨。同时,油溶性树脂组分的加入,也降低了油墨的酯溶性,提升了油墨的油溶性,印刷机的墨辊仍可以使用传统的丁腈橡胶(NBR),也可以使用乙丙橡胶(EPDM)或两用胶辊,设备改装时无需改装胶辊。

尽管 Hybrid Ink 的概念已经提出了近 20 年,但一直没有成功的产品获得实际应用。传统油性胶印油墨和 UV 胶印油墨由于物料极性差异不兼容,两种油墨体系如果简单拼混,容易出现胶化现象,无法用于印刷——这是 Hybrid 型油墨产品迟迟没有市场化应用的根本原因。如何让油性胶印油墨的原料和UV 油墨的原料有良好的相容性和储存稳定性,是 Hybrid 型油墨能否成功开发的关键。

凭借多年的 UV 油墨技术开发和树脂技术开发经验,杭华油墨股份有限公司(简称“杭华股份”)成功开发了具有双重固化特性的高生物基混合型 UV 连接料,成功实现了 Hybrid Ink 的商用化。

2021 年,在上述研究基础上,杭华股份推出新型轮转 LED-UV 油墨 MontAge α WEB 系列,联合新疆新华印刷厂首先进行了商业轮转印刷机的 LED-UV 固化技术改装和印刷评测,在国内率先推出了 LEDUV 轮转印刷解决方案(专利号:ZL 2021 2 2668905.4)。

MontAge α WEB 系 列 轮 转 胶印油墨是基于绿色生态设计,具备 LED-UV 固化和氧化结膜双重干燥特性的新型油墨。采用了独有的高生物质(High-Bio)改性技术,配方中使用大量可再生资源,通过美国农业部 USDA BioPreferred 生物优先计划的项目认证,生物质C14 检测含量> 30%。同时,新型LED-UV 油墨大幅提升了纸质印刷品的可脱墨性,脱墨性通过位于德国的国际脱墨工业协会 INGEDE 实验室检测,获得 100 分的满分评价(全植物油印刷品脱墨性测试得分93 分)。普通胶印轮转油墨和 UV轮转油墨特性比较如表 1 所示。


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相 比 传 统 热 固 商 业 轮 转, 采用 LED-UV 轮转印刷系统方案,具有以下特点:彻底解决了纸张的伸缩变形,文本内文纸伸长问题;无VOC 排放,完全避免了天然气燃烧和 尾 气 二 次 燃 烧 的 CO2 排 放; 图像层次更优、网扩更小,印刷图文更精美;可以实现双纸路、多纸路印刷;拆除热固烘道,优化生产场地布置;LED-UV 固化系统采用水冷系统,发热量低,有效改善生产环境。

相比传统冷固轮转,采用 LEDUV 轮转印刷系统方案,具有以下特点:彻底解决折页蹭脏、薄纸背透的问题;有效提升印刷速度,提升生产效率;提升墨膜强度,减少蹭脏问题;瞬间固化,实现联线加工自动化(自动打捆、机械臂搬运等);图像层次更优、网扩更小,印刷图文更精美。


Hybrid 型 LED-UV 轮转印刷方案改装案例

1. 改装实例一

A 新华印务公司,改装的热固商业轮转机型号为三菱 546,印刷速度最高为 40000 张 /h,带有热烘道,胶辊为传统油性胶辊。

改装时拆除了热固烘道,在第四色组之后和进收纸单元之前加装LED-UV 干燥单元,采用正反各一支LED-UV 灯(武汉优炜芯)照射纸面。灯管长度 930mm,离纸面距离 3cm, 光 照 功 率 为 16W/cm2 且可以根据印刷需要进行 5% ~ 100%的调节。LED 控制系统与印刷机合压信号联锁,印刷机合压时灯管点亮,印刷机停止时灯管熄灭。LED系统带水冷单元,水温控制在 25℃左右,整体最大功率为 40kW。

改装时拆除了样张加湿机构,简 化 了 收 纸 单 元。 改 装 后 采 用MontAge α WEB 轮转 LED-UV 油墨进行印刷,胶辊为原配的油性胶辊,上墨前彻底清洗墨路和水路,采用富士紫激光 CTP、火神 ND2 油性轮转橡皮布,杭华 FS-100 润版液。

采用不同的印刷速度、不同的LED 灯管功率、不同的印刷纸张,对改装后的印刷效果进行了评价(如表 2 所示)。


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一般铜版纸相对于双胶纸的干燥速度更慢,收纸时更容易蹭脏。从表 2 中可以看出,在 35000张 /h 的 印 刷 速 度 下, 所 配 置 的LED-UV 灯 管 只 需 开 启 50% 的 功率,就完全可以满足油墨的干燥要求,而采用双胶纸印刷时灯管功率可 以 降 至 更 低。MontAge α WEB在 LED-UV 的照射下瞬间固化干燥,在薄纸(50g 双胶纸)印刷大墨位时,没有出现背透现象,已明显优于传统的热固印刷。

从 印 刷 效 果 进 行 评 价, 采 用LED-UV 固化的印刷印样,被纸张渗透吸收的油墨量少,网点扩大率更小,图像细节还原更佳,基本没有色沉降,油墨整体消耗可以减少15% ~ 20%。印刷时,卷筒纸张离开 LED-UV 灯照射单元时纸面温度维持在 35℃左右,印样装订成册后,采用单张纸胶印印张做封面,室温存放一个月后,纸张无波浪纹和内页伸缩现象发生。

2. 改装实例二

B 新华印务公司,改装的热固商业轮转机型号为东芝 787,目标改成双纸路印刷,最高印刷速度35000 张 /h,带有热烘道,胶辊为传统油性胶辊。

改装时,拆除了热固烘道,加装双纸架,在第二、四色组之后各加装 LED-UV 干燥单元,采用正反各一支 LED-UV 灯(武汉优炜芯)照射纸面。灯管长度 930mm,离纸面距离 3cm,光照功率为 16W/cm2 且可以根据印刷需要进行 5% ~ 100%的调节。LED 系统带水冷单元,水温控制在 25℃左右,整体最大功率为 40kW。

改装时拆除了样张加湿机构,简 化 了 收 纸 单 元。 改 装 后 采 用MontAge α WEB 轮 转 LED-UV 油墨进行印刷,胶辊为原配的油性胶辊,采用华光热敏双涂层 CTP、康迪泰克 EBONY Hybrid 型轮转橡皮布、杭华 FS-100 润版液。

通过热固方式改装成 LED 固化后,在商业轮转机上成功实现了双纸路印刷,在单色和双色印刷中极大地提高了生产效率。

3. 改装实例三

C 印务公司,改装的冷固轮转机型号为高斯 M700,冷固印刷时由于蹭脏问题,印刷速度一般在28000 张 /h 左右,胶辊为传统油性胶辊。

改装时加装了串墨辊水冷,在第四色组之后,加装 LED-UV 干燥单元,采用正反各一支 LED-UV 灯管( 武 汉 优 炜 芯), 灯 管 功 率 为16W/cm2, LED 系统带水冷单元,水温控制在 25℃左右,整体最大功率为 40kW。

改 装 后 采 用 MontAge α WEB轮转 LED-UV 油墨进行印刷,胶辊改为诺丹的两用胶辊,采用华光免冲洗 CTP、凤凰 394 轮转橡皮布、杭华 FS-100 润版液。后道加装自动打捆和码堆机械臂。

由冷固方式改装成 LED 固化后,该机器印刷速度可以提升至 35000张 /h,即使在印刷书法字帖大墨位印张时,自动打捆后也未出现蹭脏现象。从印刷效果评价,采用 LEDUV 固化的印刷印样,网点扩大率更小,图像细节还原更佳,基本没有色沉降。显然,通过改装提升了印刷效率和印刷质量,并打通了联线加工自动化(自动打捆、机械臂搬运等)的瓶颈。

4. 生产成本和减碳效益分析

在改装实例一中,A 新华印务公司对商业轮转机的改造做了成本测算。

选用某期刊以胶版纸印刷作为对照进行比较,同样的版面采用热固干燥和 LED-UV 干燥分别进行印刷。在实际生产中电和天然气实行的 是 阶 梯 电 价, 表 3 中 按 A 印 务公司月平均电费、天然气单价进行测算。LED—UV 由于具有瞬间干燥的特性,在墨量消耗上会略低于热固轮转印刷。从表 3 的统计中可以看出,从综合成本测算,按照目前MontAge α WEB 系列油墨的价格,采用 LED- UV 的干燥方式成本会低于热固轮转印刷。由于表 3 中还未统计热固印刷中尾气二次燃烧的成本,因此在实际生产中热固商轮的印刷成本还会更高。


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Hybrid 型 LED-UV轮转技术前景展望

新型高生物基 LED-UV 油墨的成功开发和应用,使传统商业轮转印刷机的 LED-UV 改造门槛进一步降低,初期体验不再需要更换油性胶辊。对于原热固轮转印刷机,可以 不 拆 除 烘 道, 直 接 加 装 LED 灯管就可以印刷,并且通过加装多组LED-UV 固化装置,印刷机可以改装成双纸路,提高生产灵活性和提升印刷效率。LED-UV 印刷的瞬间固化特性彻底解决了热固化长烘道引起的纸张波浪纹和内页伸缩的问题,印刷品质大幅提高。同时,不需要进行尾气二次燃烧,环保处理成本大幅降低,减碳效益非常显著。由此可见,采用新型 LED-UV 印刷,其综合生产成本低于现有的热固商轮印刷,有望成为今后书刊印刷的发展方向。

传统的冷固轮转印刷,改装成Hybrid 型 LED-UV 印刷,必须加装串墨辊水冷,在新机台订购时,配置上需带串墨辊水冷,彻底解决了纸张背透和折页蹭脏的问题,可以印刷薄纸和铜版纸;突破了自动打捆和机械臂搬运容易蹭脏的瓶颈;可以顺利进行自动化联线,实现增效降本;在印刷质量上,图像层次更优、网扩更小,印刷图文更精美,印刷效果得到提升;在书页装配时可以单张、商轮、冷固自由配页,生产可以统筹安排。

得益于新型高生物基 LED-UV轮转油墨的成功开发和应用,LEDUV 轮转印刷在综合成本、产品质量、减碳排放、自动连线和纸浆回收性等方面均获得了优异表现,国内大型新华印刷系统和头部民营印刷厂正持续进行商务轮转印刷机的LED-UV 改造或购置轮转新机型。到 2022 年底,由杭华股份引导的LED-UV 轮转系统设备改装已经超过了 40 余条生产线,有力地助推了书刊印刷向智能化、绿色化的高质量方向发展。

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