新型高生物基LED-UV輪轉(zhuǎn)油墨在書刊印刷中的應用

得益于新型高生物基 LED-UV 輪轉(zhuǎn)油墨的成功開發(fā)和應用，LED-UV 輪轉(zhuǎn)印刷在綜合成本、產(chǎn)品質(zhì)量、減碳排放、自動連線和紙漿回收性等方面均獲得了優(yōu)異表現(xiàn)，有力地推動了書刊印刷向智能化、綠色化的高質(zhì)量方向發(fā)展。

技術(shù)背景

傳統(tǒng)的書刊印刷以輪轉(zhuǎn)膠印＋平張膠印的印刷方式為主。熱固輪轉(zhuǎn) 的 印 刷 速 度 為 30000 ～ 50000張 /h， 印 刷 卷 紙 的 油 墨 經(jīng) 烘道烘烤干燥后直接聯(lián)機進行折頁， 進 入 后 道 裝 訂。 與 平 張 膠 印10000 ～ 15000 張 /h 的 印 刷 速度且油墨需經(jīng)空氣氧化緩慢干燥相比，熱固輪轉(zhuǎn)具有絕對的生產(chǎn)效 率 優(yōu) 勢。 同 樣， 冷 固 輪 轉(zhuǎn) 在 膠版紙印刷領(lǐng)域，盡管存在容易蹭臟、 網(wǎng) 點 還 原 性 較 差 的 短 板， 但25000 ～ 30000 張 /h 的印刷速度相比單張紙印刷具有更高的效率。

1. 熱固輪轉(zhuǎn)印刷目前的熱固輪轉(zhuǎn)印刷也存在著幾方面的問題，且在熱烘干燥的原理下無法解決。

1）碳排放量偏高。根據(jù)多家大型書刊印刷企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，每印刷耗用 1t 油墨，平均需要消耗天然氣 3000m3。按照 1m3 天然氣完全燃燒排放的 CO2 為 1.96kg 計算，印刷耗用 1t 油墨時，燃燒天然氣會產(chǎn)生 5.88t 的 CO2。此外，熱固輪轉(zhuǎn)油墨中含有 30% 以上的礦物油，在 160 ～ 230℃的烘道中，通常會有 20% 以上的礦油被蒸發(fā)掉，經(jīng)收集后形成尾氣，需燃燒處理成CO2 排放，1t 油墨至少能產(chǎn)生 0.62t的 CO2。因而在實際印刷過程中，熱固輪轉(zhuǎn)印刷消耗 1t 油墨時，直接排放的 CO2 總量在 6.5t 以上。

2）紙張的波浪紋和內(nèi)頁伸縮問題。熱固輪轉(zhuǎn)印刷時必須使用到潤版液，印刷時紙張會有一定的吸 水 量， 進 入 烘 道 以 后， 紙 張 受高溫烘烤，水分蒸發(fā)會引起紙張收縮，不均勻的變形收縮造成了印樣在裝訂成冊時出現(xiàn)波浪形的形變。而熱固輪轉(zhuǎn)印刷書刊的封面采用單張紙印刷，由于單張紙印刷時不存在烘道加熱的過程，因而紙張變形很小。當單張紙的封面與熱固輪轉(zhuǎn)的內(nèi)頁裝訂在一起齊整裁切后，內(nèi)頁已變形的紙張在長時間存放過程中逐漸還原，內(nèi)頁逐漸伸長，導致裝訂的成品書刊的封面會短內(nèi)頁1 ～ 2mm。

盡管熱固輪轉(zhuǎn)油墨在印長單時有極高的印刷效率和較低的印刷成本，但是整個印刷工藝碳排放量過高，能耗偏大，在國家碳達峰、碳中和的大政策背景下其發(fā)展必然受到制約。同時不可避免的質(zhì)量缺陷，使其印刷質(zhì)量也無法與平張紙印刷相競爭。

2. 冷固輪轉(zhuǎn)印刷冷固輪轉(zhuǎn)印刷存在的主要問題包括：

1）冷固印刷是通過紙張快速吸收油墨中的溶劑來實現(xiàn)增粘“干燥”的，當印刷速度達到一定程度時，紙張吸收跟不上印刷速度，油墨增粘不足就會出現(xiàn)折頁蹭臟等問題。

2）印刷薄紙、大墨位時，容易引起背透，網(wǎng)擴比較大，也很難印刷銅版紙。

冷固印刷受限于油墨的干 燥 方 式， 目 前 最 高 可 達 到30000 ～ 33000 張 /h 的速度，在版面為大墨位時印刷尤為困難；要實現(xiàn)自動化聯(lián)線、自動打捆、機械臂搬運，都是難以突破的瓶頸問題；在紙張的選擇方面，更多局限于吸收性較強的膠版紙，高速印刷銅版紙基本難以實現(xiàn)。

顯然，在當前印刷業(yè)向綠色化、數(shù)字化、智能化、融合化趨勢轉(zhuǎn)型的背景下，以輪轉(zhuǎn)膠印＋平張膠印為主的傳統(tǒng)印刷方式已不能滿足書刊印刷企業(yè)的發(fā)展需求。

新型 LED-UV 輪轉(zhuǎn)油墨Hybrid Ink 技術(shù)方案

LED-UV 油墨是一種新型的環(huán)保印刷材料，具有優(yōu)良性能。在輪轉(zhuǎn) LED-UV 油墨中有兩種技術(shù)解決方案，一種是純 UV 膠印油墨體系，一種是 Hybrid Ink（混合油墨）——具有 UV 固化功能的新型高生物基含量油墨體系。

類似于平張機 LED-UV 膠印油墨，輪轉(zhuǎn) LED-UV 膠印油墨由顏料、丙烯酸單體、引發(fā)劑、預聚物等組成，通過配方調(diào)整，調(diào)成適合于高速輪轉(zhuǎn)機印刷的墨性，在干燥速度上可以適合 40000 ～ 50000 張 /h的印刷速度，但是受限于 UV 油墨的配方特殊性，預聚物的分子量偏小，單體和預聚物的親水性偏大，難以保證在輪轉(zhuǎn)高速印刷下的抗飛墨性和水墨平衡穩(wěn)定性。另外，純UV 體系原料價格偏高，成本是傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)印刷油墨的 3 ～ 4 倍，印刷成本控制難度非常大；原材料基本來源于石化合成，材料的可再生性遠不及傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)油墨；印刷機的墨輥必須由丁腈橡膠（NBR）改成乙丙橡膠（EPDM）或兩用膠輥。

Hybrid Ink 是兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)膠印油墨和 UV 膠印油墨特性的油墨，主要 由 顏 料、 丙 烯 酸 酯 單 體、 引 發(fā)劑、預聚物、油溶性高分子樹脂、植物油等組成，可以實現(xiàn)在 LEDUV 光下快速固化干燥，又具有一定的結(jié)膜干燥性能，在干燥性能上可以滿足 40000 ～ 50000 張 /h的印刷速度。得益于油墨中添加了油溶性高分子樹脂和極性較小的植物油組分，在高速印刷下的抗飛墨性和水墨平衡穩(wěn)定性更接近于傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)膠印油墨。同時，油溶性樹脂組分的加入，也降低了油墨的酯溶性，提升了油墨的油溶性，印刷機的墨輥仍可以使用傳統(tǒng)的丁腈橡膠（NBR），也可以使用乙丙橡膠（EPDM）或兩用膠輥，設備改裝時無需改裝膠輥。

盡管 Hybrid Ink 的概念已經(jīng)提出了近 20 年，但一直沒有成功的產(chǎn)品獲得實際應用。傳統(tǒng)油性膠印油墨和 UV 膠印油墨由于物料極性差異不兼容，兩種油墨體系如果簡單拼混，容易出現(xiàn)膠化現(xiàn)象，無法用于印刷——這是 Hybrid 型油墨產(chǎn)品遲遲沒有市場化應用的根本原因。如何讓油性膠印油墨的原料和UV 油墨的原料有良好的相容性和儲存穩(wěn)定性，是 Hybrid 型油墨能否成功開發(fā)的關(guān)鍵。

憑借多年的 UV 油墨技術(shù)開發(fā)和樹脂技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗，杭華油墨股份有限公司（簡稱“杭華股份”）成功開發(fā)了具有雙重固化特性的高生物基混合型 UV 連接料，成功實現(xiàn)了 Hybrid Ink 的商用化。

2021 年，在上述研究基礎上，杭華股份推出新型輪轉(zhuǎn) LED-UV 油墨 MontAge α WEB 系列，聯(lián)合新疆新華印刷廠首先進行了商業(yè)輪轉(zhuǎn)印刷機的 LED-UV 固化技術(shù)改裝和印刷評測，在國內(nèi)率先推出了 LEDUV 輪轉(zhuǎn)印刷解決方案（專利號：ZL 2021 2 2668905.4）。

MontAge α WEB 系 列 輪 轉(zhuǎn) 膠印油墨是基于綠色生態(tài)設計，具備 LED-UV 固化和氧化結(jié)膜雙重干燥特性的新型油墨。采用了獨有的高生物質(zhì)（High-Bio）改性技術(shù)，配方中使用大量可再生資源，通過美國農(nóng)業(yè)部 USDA BioPreferred 生物優(yōu)先計劃的項目認證，生物質(zhì)C14 檢測含量＞ 30%。同時，新型LED-UV 油墨大幅提升了紙質(zhì)印刷品的可脫墨性，脫墨性通過位于德國的國際脫墨工業(yè)協(xié)會 INGEDE 實驗室檢測，獲得 100 分的滿分評價（全植物油印刷品脫墨性測試得分93 分）。普通膠印輪轉(zhuǎn)油墨和 UV輪轉(zhuǎn)油墨特性比較如表 1 所示。

相 比 傳 統(tǒng) 熱 固 商 業(yè) 輪 轉(zhuǎn)， 采用 LED-UV 輪轉(zhuǎn)印刷系統(tǒng)方案，具有以下特點：徹底解決了紙張的伸縮變形，文本內(nèi)文紙伸長問題；無VOC 排放，完全避免了天然氣燃燒和 尾 氣 二 次 燃 燒 的 CO2 排 放； 圖像層次更優(yōu)、網(wǎng)擴更小，印刷圖文更精美；可以實現(xiàn)雙紙路、多紙路印刷；拆除熱固烘道，優(yōu)化生產(chǎn)場地布置；LED-UV 固化系統(tǒng)采用水冷系統(tǒng)，發(fā)熱量低，有效改善生產(chǎn)環(huán)境。

相比傳統(tǒng)冷固輪轉(zhuǎn)，采用 LEDUV 輪轉(zhuǎn)印刷系統(tǒng)方案，具有以下特點：徹底解決折頁蹭臟、薄紙背透的問題；有效提升印刷速度，提升生產(chǎn)效率；提升墨膜強度，減少蹭臟問題；瞬間固化，實現(xiàn)聯(lián)線加工自動化（自動打捆、機械臂搬運等）；圖像層次更優(yōu)、網(wǎng)擴更小，印刷圖文更精美。

Hybrid 型 LED-UV 輪轉(zhuǎn)印刷方案改裝案例

1. 改裝實例一

A 新華印務公司，改裝的熱固商業(yè)輪轉(zhuǎn)機型號為三菱 546，印刷速度最高為 40000 張 /h，帶有熱烘道，膠輥為傳統(tǒng)油性膠輥。

改裝時拆除了熱固烘道，在第四色組之后和進收紙單元之前加裝LED-UV 干燥單元，采用正反各一支LED-UV 燈（武漢優(yōu)煒芯）照射紙面。燈管長度 930mm，離紙面距離 3cm， 光 照 功 率 為 16W/cm2 且可以根據(jù)印刷需要進行 5% ～ 100%的調(diào)節(jié)。LED 控制系統(tǒng)與印刷機合壓信號聯(lián)鎖，印刷機合壓時燈管點亮，印刷機停止時燈管熄滅。LED系統(tǒng)帶水冷單元，水溫控制在 25℃左右，整體最大功率為 40kW。

改裝時拆除了樣張加濕機構(gòu)，簡 化 了 收 紙 單 元。 改 裝 后 采 用MontAge α WEB 輪轉(zhuǎn) LED-UV 油墨進行印刷，膠輥為原配的油性膠輥，上墨前徹底清洗墨路和水路，采用富士紫激光 CTP、火神 ND2 油性輪轉(zhuǎn)橡皮布，杭華 FS-100 潤版液。

采用不同的印刷速度、不同的LED 燈管功率、不同的印刷紙張，對改裝后的印刷效果進行了評價（如表 2 所示）。

一般銅版紙相對于雙膠紙的干燥速度更慢，收紙時更容易蹭臟。從表 2 中可以看出，在 35000張 /h 的 印 刷 速 度 下， 所 配 置 的LED-UV 燈 管 只 需 開 啟 50% 的 功率，就完全可以滿足油墨的干燥要求，而采用雙膠紙印刷時燈管功率可 以 降 至 更 低。MontAge α WEB在 LED-UV 的照射下瞬間固化干燥，在薄紙（50g 雙膠紙）印刷大墨位時，沒有出現(xiàn)背透現(xiàn)象，已明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的熱固印刷。

從 印 刷 效 果 進 行 評 價， 采 用LED-UV 固化的印刷印樣，被紙張滲透吸收的油墨量少，網(wǎng)點擴大率更小，圖像細節(jié)還原更佳，基本沒有色沉降，油墨整體消耗可以減少15% ～ 20%。印刷時，卷筒紙張離開 LED-UV 燈照射單元時紙面溫度維持在 35℃左右，印樣裝訂成冊后，采用單張紙膠印印張做封面，室溫存放一個月后，紙張無波浪紋和內(nèi)頁伸縮現(xiàn)象發(fā)生。

2. 改裝實例二

B 新華印務公司，改裝的熱固商業(yè)輪轉(zhuǎn)機型號為東芝 787，目標改成雙紙路印刷，最高印刷速度35000 張 /h，帶有熱烘道，膠輥為傳統(tǒng)油性膠輥。

改裝時，拆除了熱固烘道，加裝雙紙架，在第二、四色組之后各加裝 LED-UV 干燥單元，采用正反各一支 LED-UV 燈（武漢優(yōu)煒芯）照射紙面。燈管長度 930mm，離紙面距離 3cm，光照功率為 16W/cm2 且可以根據(jù)印刷需要進行 5% ～ 100%的調(diào)節(jié)。LED 系統(tǒng)帶水冷單元，水溫控制在 25℃左右，整體最大功率為 40kW。

改裝時拆除了樣張加濕機構(gòu)，簡 化 了 收 紙 單 元。 改 裝 后 采 用MontAge α WEB 輪 轉(zhuǎn) LED-UV 油墨進行印刷，膠輥為原配的油性膠輥，采用華光熱敏雙涂層 CTP、康迪泰克 EBONY Hybrid 型輪轉(zhuǎn)橡皮布、杭華 FS-100 潤版液。

通過熱固方式改裝成 LED 固化后，在商業(yè)輪轉(zhuǎn)機上成功實現(xiàn)了雙紙路印刷，在單色和雙色印刷中極大地提高了生產(chǎn)效率。

3. 改裝實例三

C 印務公司，改裝的冷固輪轉(zhuǎn)機型號為高斯 M700，冷固印刷時由于蹭臟問題，印刷速度一般在28000 張 /h 左右，膠輥為傳統(tǒng)油性膠輥。

改裝時加裝了串墨輥水冷，在第四色組之后，加裝 LED-UV 干燥單元，采用正反各一支 LED-UV 燈管（ 武 漢 優(yōu) 煒 芯）， 燈 管 功 率 為16W/cm2， LED 系統(tǒng)帶水冷單元，水溫控制在 25℃左右，整體最大功率為 40kW。

改 裝 后 采 用 MontAge α WEB輪轉(zhuǎn) LED-UV 油墨進行印刷，膠輥改為諾丹的兩用膠輥，采用華光免沖洗 CTP、鳳凰 394 輪轉(zhuǎn)橡皮布、杭華 FS-100 潤版液。后道加裝自動打捆和碼堆機械臂。

由冷固方式改裝成 LED 固化后，該機器印刷速度可以提升至 35000張 /h，即使在印刷書法字帖大墨位印張時，自動打捆后也未出現(xiàn)蹭臟現(xiàn)象。從印刷效果評價，采用 LEDUV 固化的印刷印樣，網(wǎng)點擴大率更小，圖像細節(jié)還原更佳，基本沒有色沉降。顯然，通過改裝提升了印刷效率和印刷質(zhì)量，并打通了聯(lián)線加工自動化（自動打捆、機械臂搬運等）的瓶頸。

4. 生產(chǎn)成本和減碳效益分析

在改裝實例一中，A 新華印務公司對商業(yè)輪轉(zhuǎn)機的改造做了成本測算。

選用某期刊以膠版紙印刷作為對照進行比較，同樣的版面采用熱固干燥和 LED-UV 干燥分別進行印刷。在實際生產(chǎn)中電和天然氣實行的 是 階 梯 電 價， 表 3 中 按 A 印 務公司月平均電費、天然氣單價進行測算。LED—UV 由于具有瞬間干燥的特性，在墨量消耗上會略低于熱固輪轉(zhuǎn)印刷。從表 3 的統(tǒng)計中可以看出，從綜合成本測算，按照目前MontAge α WEB 系列油墨的價格，采用 LED- UV 的干燥方式成本會低于熱固輪轉(zhuǎn)印刷。由于表 3 中還未統(tǒng)計熱固印刷中尾氣二次燃燒的成本，因此在實際生產(chǎn)中熱固商輪的印刷成本還會更高。

Hybrid 型 LED-UV輪轉(zhuǎn)技術(shù)前景展望

新型高生物基 LED-UV 油墨的成功開發(fā)和應用，使傳統(tǒng)商業(yè)輪轉(zhuǎn)印刷機的 LED-UV 改造門檻進一步降低，初期體驗不再需要更換油性膠輥。對于原熱固輪轉(zhuǎn)印刷機，可以 不 拆 除 烘 道， 直 接 加 裝 LED 燈管就可以印刷，并且通過加裝多組LED-UV 固化裝置，印刷機可以改裝成雙紙路，提高生產(chǎn)靈活性和提升印刷效率。LED-UV 印刷的瞬間固化特性徹底解決了熱固化長烘道引起的紙張波浪紋和內(nèi)頁伸縮的問題，印刷品質(zhì)大幅提高。同時，不需要進行尾氣二次燃燒，環(huán)保處理成本大幅降低，減碳效益非常顯著。由此可見，采用新型 LED-UV 印刷，其綜合生產(chǎn)成本低于現(xiàn)有的熱固商輪印刷，有望成為今后書刊印刷的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的冷固輪轉(zhuǎn)印刷，改裝成Hybrid 型 LED-UV 印刷，必須加裝串墨輥水冷，在新機臺訂購時，配置上需帶串墨輥水冷，徹底解決了紙張背透和折頁蹭臟的問題，可以印刷薄紙和銅版紙；突破了自動打捆和機械臂搬運容易蹭臟的瓶頸；可以順利進行自動化聯(lián)線，實現(xiàn)增效降本；在印刷質(zhì)量上，圖像層次更優(yōu)、網(wǎng)擴更小，印刷圖文更精美，印刷效果得到提升；在書頁裝配時可以單張、商輪、冷固自由配頁，生產(chǎn)可以統(tǒng)籌安排。

得益于新型高生物基 LED-UV輪轉(zhuǎn)油墨的成功開發(fā)和應用，LEDUV 輪轉(zhuǎn)印刷在綜合成本、產(chǎn)品質(zhì)量、減碳排放、自動連線和紙漿回收性等方面均獲得了優(yōu)異表現(xiàn)，國內(nèi)大型新華印刷系統(tǒng)和頭部民營印刷廠正持續(xù)進行商務輪轉(zhuǎn)印刷機的LED-UV 改造或購置輪轉(zhuǎn)新機型。到 2022 年底，由杭華股份引導的LED-UV 輪轉(zhuǎn)系統(tǒng)設備改裝已經(jīng)超過了 40 余條生產(chǎn)線，有力地助推了書刊印刷向智能化、綠色化的高質(zhì)量方向發(fā)展。