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创新技术 | 告别反粘烦恼,新型烫印版有何特别之处?

在包装印刷行业内,烫印生产环节目前普遍使用的烫印版是铜质材料制作而成的,主要是因为铜质材料导热性能好、受热较均匀、硬度比较适中,因此易于制版,而且制成的烫印版较以往材质的烫印版的耐用、耐磨程度有了大幅提升,使用成本较以往也大大降低。

铜质烫印版在制作中,为保持烫印平实,一般都将烫印版表面进行打磨,表面粗糙度Ra基本保持在0.8内,但由于其铜质材料的特性所决定,它不具备自润滑性和抗粘附性,因此,铜质烫印版在实际烫印过程中,图文表面经过高温、高压,很容易粘附上电化铝铝粉、纸屑、灰尘等杂质(如图1所示),且不易脱落,造成烫印品图案残缺、不饱和、凹点等问题(即“反粘”质量问题)。

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图1 被反粘上杂质的平压平烫印版

如果批量烫印生产过程中发现不及时,会导致出现批量性质量缺陷,导致重大质量事故;即使在生产过程中能够及时发现,也需要停机用铜丝刷对铜质烫印版表面进行往返多次进行清洁打磨,然而在清洁打磨的过程中,烫印机中的纸张受到烫印版余热的烘烤下极易发生变形,版面尺寸受热后也会发生膨胀,膨胀严重的可达到0.5~1.0 mm左右的误差,所以在这种情况下,机器里面的这一截烫印纸张则是完全成了废品,而且受到版面尺寸发生变化的影响,操作人员往往还需要对烫印版位置进行调整,可是这个对烫印版调整的过程往往需要耗费大量的时间和操作人员的精力,再加上之前反粘重复烫印的废品,所以每一次烫印版出现反粘质量问题都会导致大量的材料成本浪费,成为印刷行业内普遍存在并亟待解决的一个共性问题。

新型表面耐磨、不反粘烫印版制作工艺研究

新型表面耐磨、不反粘烫印版材料,主要采用铜质基版和聚四氟乙烯(PTFE)表面功能涂层构成,让铜质烫印版的导热性、硬度特性和PTFE表面耐磨特性和不粘特性等优点进行结合。

01铜基版结构工艺

满足于单张平压平烫金机、卷筒纸平压平烫金机使用的平压平烫印版结构为平板型,在设备上烫压工作时呈面接触,如图2所示。满足于单张圆压圆烫金机、卷筒纸圆压圆烫金机使用的平压平烫印版,结构为圆弧形,在设备上烫压工作时呈线接触,如图3所示。

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图2 平压平烫印方式示意图

(红色圈为平压平烫印版)

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图3 圆压圆烫印方式示意图

02PTFE材料的特性

PTFE相对分子质量较大,低的为数十万,高的达一千万以上,一般为数百万(聚合度在104数量级,而聚乙烯仅在103)。一般结晶度为90%~95%,熔融温度为327℃~342℃。PTFE分子中CF2单元按锯齿形状排列,由于氟原子半径较氢稍大,所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向,而是形成一个螺旋状的扭曲链,氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了PTFE的各种性能。温度低于19℃时,形成13/6螺旋;在19℃发生相变,分子稍微解开,形成15/7螺旋。

虽然在全氟碳化合物中C-C键和C-F键的断裂需要分别吸收能量346.94kJ/mol和484.88kJ/mol,但PTFE解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38kJ。所以在高温裂解时,PTFE主要解聚为四氟乙烯。PTFE在260℃、370℃和420℃时的失重速率(%)每小时分别为1×10-4、4×10-3和9×10-2。可见,PTFE可在260℃长期使用,具有耐高温特性。PTFE有如下几点优异性能。

(1)力学性能:PTFE在-196℃~260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能,全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。

(2)耐腐蚀性:能够承受除了熔融的碱金属,氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸(包括王水)、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。

(3)耐高低温性:对温度的影响变化不大,温域范围广,可使用温度-190℃~260℃。

(4)自润滑性:具有塑料中最小的摩擦系数,是理想的无油润滑材料。

(5)表面不粘性:已知的固体材料都不能粘附在表面上,是一种表面能最小的固体材料。

(6)不燃性:限氧指数在90以下。

(7)PTFE预烧结树脂为白色颗粒,熔点327℃,具有良好的流动性,低摩擦系数,优良的热稳定性及突出的化学稳定性。

03PTFE功能涂层配方研究

采用的PTFE型号为JSF0072;底漆涂料850 314;面漆涂料851 214;分别在搅拌机上以30r/min的速度滚动搅拌30min,使溶液充分搅拌均匀。只能在室温下缓慢滚动或轻轻摇动,严禁使用螺旋浆搅拌器。涂料850 314与固化剂VM7799配合比选用40:38。

04制作喷涂工艺

其主要工艺流程:喷砂前处理→喷涂→干燥→烘烤→冷却。

(1)基版表面预处理:首先对铜质基版的表面进行处理,采用按2:1比例配备的40~70目石英砂和180目棕刚玉进行打磨,增加表面的粗糙度和加大附着力,从而加大附着牢度和抗划伤能力。再用稀淡氯化铁清刷版面,除去版面氧化膜,露出铜质本色,发现有麻点用修版刀刮掉。

(2)涂层喷涂:将涂料(850 314底漆涂料851 214面漆)分别在滚动式搅拌机上以30r/min的速度滚动搅拌30min,使溶液充分搅拌均匀。只能在室温下缓慢滚动或轻轻摇动,严禁使用螺旋浆搅拌器。涂料850 314与固化剂VM7799配合比选用40:38,两种液体混合时用玻璃棒轻轻搅拌使其达到均匀,并用100目滤网过滤;喷涂时选用0.8mm喷枪,喷枪与烫印基版要采用一定角度进行喷涂,每次喷涂距离均保持在100~200 mm之间,涂层材料须注意喷涂均匀一致;涂层厚度25μm,厚度误差要小于±0.05mm。

(3)干燥:在烘炉中将湿的涂层加热,温度控制在100℃以下,直至大部分的溶剂蒸发。

(4)烘烤、固化:烘烤这一步骤,是将烫印版加热至一个较高的温度,直至一个不可逆的反应发生,涂层材料熔融,同粘接助剂形成网状结构,高温固化是PTFE涂层好坏的关键工序。涂层固化深度不够则涂层粘结强度低,涂层容易破裂、脱落;涂层固化深度太深则涂层老化也容易破裂、脱落并且容易产生烧结显现,使烫印版产生缩孔腐蚀,表面变得十分粗糙导致报废。烘烤过程中要准确控制烘烤的风量、真空度、料层厚度、机速和烘烤终点。烘烤风量:按烘烤面积计算为(70~90) m3/(cm2·min)。

(5)冷却:烫印版烘烤完成后,冷却速度的快慢对涂层的使用寿命也有一定的影响,因为涂层与烫印基版的收缩不同,故烫印基版在烘箱内与烘箱一起缓慢冷却的效果要好一些。使用细沙纸对烫印版图文边缘或其他部位进行打磨清理,在使用绒布对图文表面进行反复拖动抛光,制作完成的平压平烫印版如图4所示、圆压圆烫印版如图5所示。

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图4 制作完成的平压平烫印版

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图5 制作完成的圆压圆烫印版

(6)涂层检测:外观质量要求不粘涂层,颜色、遮盖力、光泽应基本均匀一致,无气泡,不脱落,还要求涂层应完全热熔,无脏物、裂纹和爆点等明显缺陷;不粘涂层厚度要求为25μm,平均误差≤±0.5%,这是一项重要指标,会影响到烫印版的使用寿命和性能;附着牢固度按照ASTM国际标准等级4B级进行测试,标试划格区内涂层是否脱落,以防止涂层脱落,从而影响不粘效果;抗划伤性测试涂层抵御各种硬性物质划破的能力和涂层本身的硬度、固化程度、附着力的指标;不粘性根据烫印工艺标准,将试样用粘有植物油的软布轻拭不粘涂层表面,用温水加洗涤剂清洗,然后用酒精洗净,擦干后进行纸张直接烫印试验,从而鉴定不粘性的优劣。


不反粘烫印版性能测试

01表面粘附性能测试

采用单张手摆打样烫金机进行上机测试,温度设定到150℃~250℃,压力设定到190~343kN,原材料采用白卡纸(最容易被反粘到铜质烫印版上的纸张),进行100次烫压测试。从表1可以看出,新型不反粘烫印版表面粘附性能良好,表面光洁无粘附。

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表1 测试打样烫金机进行粘附性实验

02涂层表面耐磨性能测试

将烫印版安装到摩擦测试机上,设定摩擦压力:20±0.2N;摩擦速度:43cpm;摩擦面积:155mm (L)×50mm (B);摩擦次数:500次,测试耐摩擦性能。测试结果显示表面PTFE涂层无脱落,无明显损伤,表面光滑平整,符合正常烫印耐磨工艺参数。

03耐压性能测试

在平压平卷筒纸烫金机进行测试,压力设定500kN,反复冲压200次,观察铜质基版形变和烫印版表面涂层变化。试验结果表明,铜质基版无变形、PTFE涂层无脱落和损伤,符合正常烫印工艺参数。

04耐温性能测试

在圆压圆卷筒纸烫金机上进行测试,温度设定250℃,连续测试12h观察铜质基版和烫印版表面涂层变化。结果表明,PTFE涂层无起层、气泡、碳化现象,结构牢固,满足烫印中长时间高温使用。

05耐腐蚀性能测试

将不反粘烫印版浸泡在盛有3000mL乙酸乙酯金属容器内,连续腐蚀48h,观察铜质基版和烫印版表面涂层变化。试验结果表明,PTFE涂层融化、脱落现象,结构牢固,满足烫印中有时采用乙酸乙酯清洁使用。

不反粘烫印版烫印适应性研究

01各种烫印材料的适应性

(1)白卡纸:选用“红塔山(硬经典)”条盒产品(纸张为230g/m2白卡纸、电化铝为G6-R50-05BW素面金)进行正常烫印测试,试验结果能满足白卡纸产品质量要求,烫印图文无反粘、表面光洁无凹点。

(2)铜版纸:选用“红塔山(软经典)”小盒产品(纸张为80g/m2铜板纸、电化铝为G6-R50-05BW素面金)进行正常烫印测试,试验结果能满足铜版纸纸产品的质量要求,烫印图文无反粘质量问题、表面光洁无凹点。

(3)镭射纸:选用“云烟(紫)”小盒盒产品(纸张为230g/m2镭射纸、电化铝为G6-R50-05BW素面金)进行正常烫印测试,试验结果能满足镭射纸产品的质量要求,烫印图文无反粘、表面光洁无凹点。

(4)上光油纸:选用“红河(硬)”条盒产品(230g/m2白卡纸表面上光油,电化铝为G6-R50-05BW素面金),试验结果能满足上光纸产品的质量要求,烫印图文无反粘质量问题、图文清晰无残缺,表面光洁无凹点,如图6所示。

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图6  上光纸“红河(硬)”条盒产品烫印实物图

02平压平和圆压圆两种烫印设备适应性

如图7平压平设备烫印实验,选用“宏声(硬特)”条盒产品进行了连续烫压测试,试验结果显示,烫印版表面无反粘,产品烫印牢固、图文清晰完整、无断笔及花湖现象,烫印表面光洁无凹点,可满足于平压平烫金机的工艺要求。

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图7 平压平设备烫印实验


如图8圆压圆设备烫印实验选用“娇子(硬龙凤世纪朝)”小盒产品进行了连续烫压测试,试验结果显示烫印版表面无反粘,产品烫印牢固、图文清晰完整、无断笔现象,烫印表面光洁无凹点,可满足于圆压圆烫金机的工艺要求。

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图8 圆压圆设备烫印实验


03电化铝松紧度适应性

选用斯托拿圆压圆烫金机“红塔山(软经典)”小盒产品,电化铝为CX-01BW万紫千红,与电化铝厂家定制了反应电化铝胶层松紧度的不同拉力值电化铝卷进行烫压测试,确定了烫印版对电化铝适应性参数,如表2所示。

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表2 电化铝松紧度适应性测试结果

04烫印质量符合性

(1)电化铝色层表面清晰度测试

选用"宏声(硬特)"小盒和"重庆(红)"小盒进行10卷纸批量生产测试,按照正常烫印工艺进行烫印试验,查看烫印到纸张上面的电化铝色层表面清晰度符合性和稳定性,通过实验:全过程电化铝色层表面清晰度高,色层稳定无色差变化,无气泡、无起层情况,烫印效果达标。

(2)烫印图案、文字平实清晰、饱满测试

选用“红塔山(硬经典100)”、“红塔山(新势力)”、“红塔山(硬经典)”、“宏声(硬特)”等产品进行批量生产测试,按照正常烫印工艺进行烫印试验,查看烫印质量符合性和稳定性,通过实验:全过程无反粘质量问题;烫印质量稳定;烫印图文清晰饱满,无残缺和糊版,烫印效果达标(蓝色圈内为烫印图案效果),批量生产实物图如图9所示。

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图9 批量生产产品实物图

05环保与安全性研究

PTFE材料本身是纯惰性的,具有非常强的生物适应性,不会引起机体的排斥,对人体无生理副作用,健康无危害。

经测试,使用新型不反粘烫印版后,单位卷纸生产效率提高了25%;质量合格率由原来的95.0%提升至98.5%,各项物料、化学指标符合要求。新型表面耐磨、不反粘烫印版研发及应用技术项目在我司已经成功使用超过两年时间。使用效果来看,该技术已经能够完全成熟地运用于各种烫印生产工艺中,通过该技术生产的产品质量稳定,降低了生产过程的废品率,提升了生产效率,为我司提升产品质量和降低生产成本提供了保障,并且该项目还可以运用到其他烟包、酒包、手机包装盒、牙膏包装盒等需要烫印工艺的产品上进行推广。