• 用于包裝印刷的遷移優化的數字墨水系統

    數字墨水系統的遷移行為在選擇數字印刷機中起著決定性的作用,在本白皮書中,我們確定了在投資數字印刷系統之前必須考慮的標準。

    隨著數字印刷在包裝印刷的各個應用領域中的接受度越來越高,對數字墨水系統的要求范圍也不斷擴大。墨水系統的遷移行為已成為標簽和包裝打印機決策過程的重點,并且在數字印刷機的選擇中起著決定性的作用。墨水系統的屬性在很大程度上決定了打印系統可以覆蓋的應用程序段,以及在必要時可以擴展到哪些應用程序段。本白皮書提供了答案,并顯示了必須特別考慮的標準。

    沒有適合所有數字包裝印刷中所有應用的“單一”油墨系統。除了要求最小限度的遷移行為和較高的食品安全性外,印刷或加標簽的包裝還必須滿足其他要求。這些標準包括抗劃傷性和耐劃傷性,濕強度,耐光性,以及耐熱和耐化學性。這清楚地表明,單個墨水系統無法滿足這些復雜的要求。因此,選擇最合適的墨水系統以及選擇合適的印刷技術和工作流程是包裝打印機決策的關鍵。墨水系統必須覆蓋其客戶的應用領域,同時要提供最高水平的過程可靠性。并且必須符合現有的法律要求。

    回顧一下為什么食品安全在包裝印刷中扮演如此重要角色的背景。自上個十年開始以來,新聞界報道了幾起事件,其中食品中發現了化學物質。在報紙報道中提醒消費者,嬰兒奶粉或再生紙板中的礦物油中的光引發劑會導致向包裝食品的轉移。不僅歐洲的立法機構,而且協會和受影響的品牌所有者也采取了行動,一方面是為了保護消費者,另一方面是為了避免損害公司的形象。這導致產生了許多法規和規則,其中簡要介紹了其中三者,作為對當前法律背景的介紹。

    法規(EU)2023/2006(良好生產規范)

    被稱為轉爐的“良好生產規范”法規,并在第3a條中進行了“質量保證的那些方面的保證,這些方面確保以一致的方式制造材料和物品,并且檢查以確保符合適用于他們的規則…”。

    具體而言,這不僅意味著加工商,而且還意味著供應商行業(例如油墨制造商)在其生產中建立質量保證和質量控制體系,在該體系中,用于制造產品的所有相關原材料和輔助材料以及所有影響質量的過程步驟均已完整記錄在案。

    法規(EU)10/2011(塑料材料)

    被稱為歐盟塑料材料法規,該法規確定進入包裝的總遷移極限(OML),每個食品接觸表面的總遷移極限(OML)設置為10 mg / dm2,無論包裝尺寸。對于以標準立方體為模型的包裝,其中將1千克食品包裝在10x10x10cm的立方體中,則對應于60 mg / kg食品的遷移量。對于未在法規中評估的物質,遷移極限為0.1 mg / kg(10 ppb),可以在存在功能障礙時使用。

    對于大約1,000種物質,特定遷移極限(SML)定義為可以從一種材料(包裝材料和/或印刷層)轉移到食品中的某種物質的最大允許量。

    瑞士條例SR 817.023.21

    瑞士條例載有經過許可的物質清單,這些物質已經過毒理學評估并確定了特定的遷移極限(SML),用于生產墨水。第二個列表(B部分)包含未評估的物質,其標準SML設置為10 ppb。

    奇怪的是,由于歐盟法規以及協會和品牌所有者指南的要求不同,可能會出現油墨配方符合歐盟法規的情況,但這并不意味著它也自動符合瑞士法規?;駿uPIA列表(例如,未列出的化合物不會遷移-甚至低于2 ppb)。

    相反,油墨配方可對應于EuPIA清單,瑞士條例清單和雀巢清單,但仍不符合歐盟法規(例如,OK清單上的化合物遷移過多)。

    遷移類型

    遷移描述了物質從包裝到食品的遷移。遷移是擴散控制的過程,這意味著它涉及分子(遷移物)從較高濃度區域到較低濃度區域的凈遷移。GMP法規(EU)2023/2006中描述了兩種可能的遷移類型,第三種是氣相遷移。

    滲透遷移

    在此過程中,來自印刷油墨膜的物質通過保護性包裝膜遷移到與該膜接觸的食品中。

    抵銷遷移

    通過該調節理解抵銷從印刷側到相反(未打印的)側在一堆或卷軸遷移。不僅油墨,而且層壓膜中的層壓粘合劑和其他物質也可以從印刷膜遷移。這與標簽無關,因為在粘貼標簽之前已除去襯紙。

    氣相遷移

    當在其原始包裝中烹飪,烘烤或加熱冷凍或未冷凍的食物時,墨水成分會通過氣相(因此不接觸)從包裝中蒸發或凝結遷移到食物中。

    數字印刷中的油墨系統

    數字包裝印刷涉及兩個根本不同的過程。電子照相,采用干粉或液體墨粉工藝,其中圖像通過墨粉通過帶電的成像鼓轉印。以及噴墨過程,其中圖像是通過從打印頭出來的墨滴進行轉印的。

    Xeikon干墨粉

    的基礎材料是聚酯樹脂,其配方中的平均百分比超過90%(白色墨粉的百分比為60%)。其他成分是顏料,電荷控制劑和其他添加劑。調色劑顆粒被摩擦帶電。它們參與成像過程,并且在將粉末圖像轉印到壓印區中的基材后,在110°-130°C的熱量影響下,調色劑顆粒被固定在基材上。調色劑顆粒在此過程中融化并凝結,形成厚度約為50毫米的均勻固態聚酯薄膜。每個墨粉層4 μm。

    油墨成分從油墨層遷移的行為的基本標準是分子量和它們嵌入的基質。在賽康干粉的聚酯層中,其他成分也是大分子且實際上不動,因此具有被認為可以忽略的移民風險??梢詫⒕埘フ{色劑顆粒本身視為功能性屏障。除了出色的遷移特性外,由于選擇了顏料,干墨粉還具有很高的耐光性。

    液體調色劑液體調色劑

    的樹脂材料是聚乙烯衍生物,向其中添加了顏料,添加劑和溶劑。顏料周圍的樹脂量比干墨粉少得多,此外,聚乙烯的阻隔性能比聚酯的阻隔性能低百萬倍。使用的溶劑是Isopar L,一種合成的異鏈烷烴油。在液體調色劑生產過程開始時,樹脂吸收了一部分溶劑,從而發生了一些溶脹。在隨后的尺寸減小過程中,將先前獲得的糊劑的組分研磨成約2μm的粒徑。這些粒子然后在表面接受帶電劑,因此它們可以參與成像過程。

    當熔融至基材時,溶劑從樹脂顆粒之間的空間蒸發。聚乙烯樹脂中的溶劑首先保留在那里。完全蒸發并減小層厚度需要一定的時間,后者取決于環境條件。因此,如果沒有適當的功能障礙物,則用液態碳粉打印的包裝材料無法直接從機器加工成包裝。完全蒸發后,合成油遷移到食品中的最終風險很低,但是由于閑置時間,與其他墨水系統相比,工作流程中存在一個缺點。

    遷移優化的UV噴墨油墨

    在市場上,術語“低遷移” UV噴墨油墨通常用于表示油墨系列具有特別低的遷移性能。令人誤解的是,這可能會給人一種印象,即這些墨水系列由于其改善的遷移性能而始終符合食品應用的合格要求。情況并非如此。

    因此,在本白皮書中,使用了“遷移優化”一詞,而不是“低遷移”。這是對問題的更好描述,因為對于每個UV噴墨墨水系統,用戶必須確保遵守相應應用程序的遷移極限。

    就遷移優化的UV噴墨油墨的配方而言,它們由一種載液組成,該載液是一種溶劑,含有高反應性單體(例如丙烯酸酯)和抑制擴散的光引發劑。必須對遷移優化的UV噴墨油墨的所有固體成分進行非常細的研磨,因為噴墨油墨必須通過打印頭的細噴嘴,而不會堵塞噴嘴。另外,為了保證以非常高的頻率噴射,油墨的粘度必須低,從而防止使用非常大和高濃度的多位反應性分子。

    當在紫外線的影響下固化時,配方中包含的光引發劑會形成與單體反應的自由基,從而使它們聚合成膜。

    為了達到最大程度的交聯,可以在惰性條件下借助氮氣進行交聯。氮的任務是在固化過程中替代氧,否則會干擾交聯反應。在最佳的固化條件下(新燈,正確的速度,正確的設計,層厚度,濕度,溫度等),應達到高達99.9995%的交聯度,以使每100.000個只有1個未反應的分子仍能遷移并且這是極限(在100%油墨覆蓋率的涂層中,厚度為6微米,最大1個分子在+/- 100,000上,應該不會反應出遷移的安全性(10 ppb)。

    這些遷移優化墨水中的這種交聯度明顯高于標準UV噴墨墨水的交聯度,后者的反應效率為92-98%。由于遷移優化的UV噴墨油墨具有如此高的交聯反應,層厚度超過5 μm的干墨膜中仍具有反應活性的單體的比例非常低,并且對于某些基材(PET或非常厚的PP)而言是安全的食品包裝可以實現。但是,未交聯的光引發劑或單體仍可保留在墨膜中,并且由于它們的小粒徑,即使使用經過遷移優化的UV噴墨油墨,也可能成為遷移的潛在對象。

    根據“良好生產規范”,必須確保良好的交聯,并由轉換器記錄在案,以便在發生遷移以及食品生產商質疑其原因的情況下可以對其進行后續跟蹤。由于只能在最佳固化條件下才能實現防遷移固化,因此許多食品品牌所有者對遷移優化的UV噴墨油墨持一定懷疑態度。

    就油墨的氣味而言,采用遷移優化的油墨層的氣味很少,這意味著包裝食品也通過了Robinson * 1測試。

    可以通過功能屏障來防止油墨組分從交聯的油墨膜遷移到包裝中。功能性屏障可以是印刷折疊盒中的塑料薄膜袋,也可以是印刷基材本身。材料是否構成功能障礙取決于其定義的使用條件,遷移物質的類型和濃度,包裝中食物的類型以及儲存時間和條件(例如溫度)。諸如玻璃或純金屬之類的固體物質始終充當功能屏障。對于塑料薄膜,阻隔性能取決于材料的類型和厚度。通過在PET膜上印刷并層壓(高功能阻隔),UV噴墨印刷材料也可以覆蓋對遷移敏感的應用。

    在未涂布紙上打印需要使用底漆,以防止墨水沉入基材中,進而帶來遷移風險。但是,即使使用了底漆,某些墨水也始終會被紙張吸收,而紫外線無法到達并固化這些部分。結果,遷移將永遠不可能!

    遷移行為的影響因素

    不僅分子大小不同的不同油墨成分都會對遷移行為產生影響。來自印刷油墨的傳質取決于其他因素,例如儲存時間,儲存溫度,包裝材料的阻隔性能,以及最終的包裝物品。

    油墨成分的大?。ㄖ饕c分子量有關)在遷移行為中起著至關重要的作用。質量小的小分子比大分子的分子更易移動,并且遷移的趨勢更高。顆粒的形狀對遷移能力也有影響,盡管程度與分子大小本身不同。通常,圓形粒子比細長粒子的擴散程度要大一些,因為對于相同的質量,圓形粒子的形狀更緊湊。由于分子質量隨粒度的增加而增加,因此,人們普遍接受的遷移極限為原子量單位為1,000道爾頓。為了澄清并能夠更好地估計該單位,以下是一些原子或分子用于比較:

    一個氫原子約等于1 Da,水分子的原子質量單位為18 Da,脂肪分子的分子量約為800 Da,這取決于類型。因此,它們都能夠根據其大小進行遷移。

    由于在20°C的溫度下的存儲時間,因此在測試裝置中的遷移行為(例如使用20 μm OPP /油墨/ 30 μm OPP的層壓膜)在開始的兩天內呈指數增長,并且幾乎持續此后線性變化。

    儲存溫度對遷移行為具有非常決定性的影響。根據經驗,當溫度升高時,擴散速率以10°C的步長增加3倍。這意味著,例如,當存儲溫度從20°C升高到40°C時,遷移行為的進展將提高9倍(= 3×3)。這種情況通常會在夏季非冷藏運輸卡車時發生,甚至超過這種情況。

    在模擬長期測試中,存儲溫度提高到60°C。在此溫度下保存10天后的測試大約相當于在20°C的室溫下2年的測試時間。

    不同的化學性質對遷移具有不同的阻隔性能,例如前面提到的液體調色劑中的PE樹脂與賽康干調色劑中的聚酯之間的差異。對于包裝膜來說也是如此,其中包裝膜還取決于膜的分子結構,而聚酯膜通常具有非常高的防滲透性。另一方面,聚乙烯和聚丙烯的阻隔性要低得多。在該示例中,根據各種塑料膜對光引發劑二苯甲酮的擴散阻擋層列出了其阻擋層性能。

    包裝材料對擴散阻擋層的影響

    聚合物 擴散屏障
    高密度聚乙烯 1
    低密度聚乙烯 1
    PVC 1
    聚丙烯 10
    寵物 100,000,000
    EVOH 100
    功放 100

    對于包裝,薄膜的厚度以及包裝的表面/體積比也起著作用。印刷在整個表面上的小包裝始終具有最差的遷移值,因為與內容物相比,印刷的包裝比例非常高,并且許多成分都可以遷移到食品中。
    本白皮書未考慮包裝材料差異引起的遷移影響,例如薄膜中增塑劑或蠟的存在。

    食物的類型也起著重要的作用,取決于食物的粒徑及其稠度。大多數有機分子向脂肪食物的遷移要比向干燥食物的遷移更為明顯。

    包裝中的食品表面也起著決定性的作用??拷b的光滑表面與包裝的接觸表面比食品更大,具有結構化的表面。由于接觸面較小,后者吸收物質的能力較差。

    Xeikon標簽和包裝印刷解決方案

    在決定購買數字印刷系統時,可以從干粉和UV噴墨油墨的性能中得出什么結論?這首先取決于最終客戶組合的細分市場的組成。它顯示現有客戶位于哪些細分市場中。此外,可以定義將要開發投資組合的其他目標細分市場。這樣的產品組合分為食品,藥品,葡萄酒和烈酒,飲料,健康與美容,化學標簽和耐久標簽的經典細分市場。前五個細分市場占整個市場的70%以上。

    最終用戶使用干粉的應用

    特別是在中小型公司中,一臺機器必須適合公司的整體產品組合。如果分析表明重點放在食品領域,以及其他領域,如藥品,葡萄酒和烈酒,飲料以及健康與美容,則干粉工藝將成為決策的重點。不含VOC的干式調色劑工藝及其固態聚酯樹脂層在食品安全方面具有優勢,可避免所列物質的交叉污染,并確保重要食品和健康與美容領域的產品安全。在制藥領域,其打印分辨率為1200 dpi,可滿足最精細的要求,最小的反轉,色彩一致性以及防偽保護的要求。在酒標等結構化紙上打印時,就打印質量而言,干墨粉工藝優于噴墨打印。印刷機寬度最大可達516毫米,可提供高印刷量,并且這種印刷寬度也可與UV噴墨窄幅卷筒紙印刷機競爭。

    如果在這些部分中需要其他牢度特性,例如高耐劃傷性和耐刮擦性,耐熱性或耐化學性,則可以通過UV涂層或薄膜層壓來實現這些特性。這也適用于重要的標準光澤度。為此,干式墨粉印刷機可以補充一個在線或離線(UV)清漆單元,否則必須在單獨的操作中執行在線或離線薄膜層壓。

    UV噴墨的最終用戶應用程序

    如果產品組合的重點是耐用標簽,化學標簽,健康與美容或飲料,則UV噴墨印刷及其工藝特有的優勢將成為決策的重點。它的優勢在于其抗劃傷和耐刮擦性,耐熱和耐水性,耐化學藥品性,較高的印刷速度(窄幅)和良好的耐光性。它具有高墨膜厚度和高光澤度的特點,從而在很大程度上消除了對額外的面漆的需求。

    當然,UV噴墨印刷也可以應用于食品印刷,并符合協會和品牌所有者的上述法規或要求。但是,這需要更高的支出,例如,在用于固化墨膜的惰性條件下的投資,持續的氮消耗成本,某些基材的局限性以及在生產過程中需要記錄所有印刷參數的需求。
    另一種可能性是使用阻擋膜,該阻擋膜在單獨的工藝步驟中被層壓并且防止油墨成分遷移到食物中。這樣,可以覆蓋不屬于關鍵市場的細分市場。

    補充解決方案

    所有這些都顯示了干粉和UV噴墨打印在遷移優化的包裝印刷中提供的補充解決方案。兩種墨水系統都有各自的優勢和明確的應用領域,但如果需要,也可以在廣泛的應用中使用,并且它們共同提供了強大的解決方案組合,可以滿足苛刻的最終用戶市場的需求。

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