用于包装印刷的迁移优化的数字墨水系统

数字墨水系统的迁移行为在选择数字印刷机中起着决定性的作用,在本白皮书中,我们确定了在投资数字印刷系统之前必须考虑的标准。

随着数字印刷在包装印刷的各个应用领域中的接受度越来越高,对数字墨水系统的要求范围也不断扩大。墨水系统的迁移行为已成为标签和包装打印机决策过程的重点,并且在数字印刷机的选择中起着决定性的作用。墨水系统的属性在很大程度上决定了打印系统可以覆盖的应用程序段,以及在必要时可以扩展到哪些应用程序段。本白皮书提供了答案,并显示了必须特别考虑的标准。

没有适合所有数字包装印刷中所有应用的“单一”油墨系统。除了要求最小限度的迁移行为和较高的食品安全性外,印刷或加标签的包装还必须满足其他要求。这些标准包括抗划伤性和耐划伤性,湿强度,耐光性,以及耐热和耐化学性。这清楚地表明,单个墨水系统无法满足这些复杂的要求。因此,选择最合适的墨水系统以及选择合适的印刷技术和工作流程是包装打印机决策的关键。墨水系统必须覆盖其客户的应用领域,同时要提供最高水平的过程可靠性。并且必须符合现有的法律要求。

回顾一下为什么食品安全在包装印刷中扮演如此重要角色的背景。自上个十年开始以来,新闻界报道了几起事件,其中食品中发现了化学物质。在报纸报道中提醒消费者,婴儿奶粉或再生纸板中的矿物油中的光引发剂会导致向包装食品的转移。不仅欧洲的立法机构,而且协会和受影响的品牌所有者也采取了行动,一方面是为了保护消费者,另一方面是为了避免损害公司的形象。这导致产生了许多法规和规则,其中简要介绍了其中三者,作为对当前法律背景的介绍。

法规(EU)2023/2006(良好生产规范)

被称为转炉的“良好生产规范”法规,并在第3a条中进行了“质量保证的那些方面的保证,这些方面确保以一致的方式制造材料和物品,并且检查以确保符合适用于他们的规则…”。

具体而言,这不仅意味着加工商,而且还意味着供应商行业(例如油墨制造商)在其生产中建立质量保证和质量控制体系,在该体系中,用于制造产品的所有相关原材料和辅助材料以及所有影响质量的过程步骤均已完整记录在案。

法规(EU)10/2011(塑料材料)

被称为欧盟塑料材料法规,该法规确定进入包装的总迁移极限(OML),每个食品接触表面的总迁移极限(OML)设置为10 mg / dm2,无论包装尺寸。对于以标准立方体为模型的包装,其中将1千克食品包装在10x10x10cm的立方体中,则对应于60 mg / kg食品的迁移量。对于未在法规中评估的物质,迁移极限为0.1 mg / kg(10 ppb),可以在存在功能障碍时使用。

对于大约1,000种物质,特定迁移极限(SML)定义为可以从一种材料(包装材料和/或印刷层)转移到食品中的某种物质的最大允许量。

瑞士条例SR 817.023.21

瑞士条例载有经过许可的物质清单,这些物质已经过毒理学评估并确定了特定的迁移极限(SML),用于生产墨水。第二个列表(B部分)包含未评估的物质,其标准SML设置为10 ppb。

奇怪的是,由于欧盟法规以及协会和品牌所有者指南的要求不同,可能会出现油墨配方符合欧盟法规的情况,但这并不意味着它也自动符合瑞士法规。或EuPIA列表(例如,未列出的化合物不会迁移-甚至低于2 ppb)。

相反,油墨配方可对应于EuPIA清单,瑞士条例清单和雀巢清单,但仍不符合欧盟法规(例如,OK清单上的化合物迁移过多)。

迁移类型

迁移描述了物质从包装到食品的迁移。迁移是扩散控制的过程,这意味着它涉及分子(迁移物)从较高浓度区域到较低浓度区域的净迁移。GMP法规(EU)2023/2006中描述了两种可能的迁移类型,第三种是气相迁移。

渗透迁移

在此过程中,来自印刷油墨膜的物质通过保护性包装膜迁移到与该膜接触的食品中。

抵销迁移

通过该调节理解抵销从印刷侧到相反(未打印的)侧在一堆或卷轴迁移。不仅油墨,而且层压膜中的层压粘合剂和其他物质也可以从印刷膜迁移。这与标签无关,因为在粘贴标签之前已除去衬纸。

气相迁移

当在其原始包装中烹饪,烘烤或加热冷冻或未冷冻的食物时,墨水成分会通过气相(因此不接触)从包装中蒸发或凝结迁移到食物中。

数字印刷中的油墨系统

数字包装印刷涉及两个根本不同的过程。电子照相,采用干粉或液体墨粉工艺,其中图像通过墨粉通过带电的成像鼓转印。以及喷墨过程,其中图像是通过从打印头出来的墨滴进行转印的。

Xeikon干墨粉

的基础材料是聚酯树脂,其配方中的平均百分比超过90%(白色墨粉的百分比为60%)。其他成分是颜料,电荷控制剂和其他添加剂。调色剂颗粒被摩擦带电。它们参与成像过程,并且在将粉末图像转印到压印区中的基材后,在110°-130°C的热量影响下,调色剂颗粒被固定在基材上。调色剂颗粒在此过程中融化并凝结,形成厚度约为50毫米的均匀固态聚酯薄膜。每个墨粉层4 µm。

油墨成分从油墨层迁移的行为的基本标准是分子量和它们嵌入的基质。在赛康干粉的聚酯层中,其他成分也是大分子且实际上不动,因此具有被认为可以忽略的移民风险。可以将聚酯调色剂颗粒本身视为功能性屏障。除了出色的迁移特性外,由于选择了颜料,干墨粉还具有很高的耐光性。

液体调色剂液体调色剂

的树脂材料是聚乙烯衍生物,向其中添加了颜料,添加剂和溶剂。颜料周围的树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百万倍。使用的溶剂是Isopar L,一种合成的异链烷烃油。在液体调色剂生产过程开始时,树脂吸收了一部分溶剂,从而发生了一些溶胀。在随后的尺寸减小过程中,将先前获得的糊剂的组分研磨成约2μm的粒径。这些粒子然后在表面接受带电剂,因此它们可以参与成像过程。

当熔融至基材时,溶剂从树脂颗粒之间的空间蒸发。聚乙烯树脂中的溶剂首先保留在那里。完全蒸发并减小层厚度需要一定的时间,后者取决于环境条件。因此,如果没有适当的功能障碍物,则用液态碳粉打印的包装材料无法直接从机器加工成包装。完全蒸发后,合成油迁移到食品中的最终风险很低,但是由于闲置时间,与其他墨水系统相比,工作流程中存在一个缺点。

迁移优化的UV喷墨油墨

在市场上,术语“低迁移” UV喷墨油墨通常用于表示油墨系列具有特别低的迁移性能。令人误解的是,这可能会给人一种印象,即这些墨水系列由于其改善的迁移性能而始终符合食品应用的合格要求。情况并非如此。

因此,在本白皮书中,使用了“迁移优化”一词,而不是“低迁移”。这是对问题的更好描述,因为对于每个UV喷墨墨水系统,用户必须确保遵守相应应用程序的迁移极限。

就迁移优化的UV喷墨油墨的配方而言,它们由一种载液组成,该载液是一种溶剂,含有高反应性单体(例如丙烯酸酯)和抑制扩散的光引发剂。必须对迁移优化的UV喷墨油墨的所有固体成分进行非常细的研磨,因为喷墨油墨必须通过打印头的细喷嘴,而不会堵塞喷嘴。另外,为了保证以非常高的频率喷射,油墨的粘度必须低,从而防止使用非常大和高浓度的多位反应性分子。

当在紫外线的影响下固化时,配方中包含的光引发剂会形成与单体反应的自由基,从而使它们聚合成膜。

为了达到最大程度的交联,可以在惰性条件下借助氮气进行交联。氮的任务是在固化过程中替代氧,否则会干扰交联反应。在最佳的固化条件下(新灯,正确的速度,正确的设计,层厚度,湿度,温度等),应达到高达99.9995%的交联度,以使每100.000个只有1个未反应的分子仍能迁移并且这是极限(在100%油墨覆盖率的涂层中,厚度为6微米,最大1个分子在+/- 100,000上,应该不会反应出迁移的安全性(10 ppb)。

这些迁移优化墨水中的这种交联度明显高于标准UV喷墨墨水的交联度,后者的反应效率为92-98%。由于迁移优化的UV喷墨油墨具有如此高的交联反应,层厚度超过5 µm的干墨膜中仍具有反应活性的单体的比例非常低,并且对于某些基材(PET或非常厚的PP)而言是安全的食品包装可以实现。但是,未交联的光引发剂或单体仍可保留在墨膜中,并且由于它们的小粒径,即使使用经过迁移优化的UV喷墨油墨,也可能成为迁移的潜在对象。

根据“良好生产规范”,必须确保良好的交联,并由转换器记录在案,以便在发生迁移以及食品生产商质疑其原因的情况下可以对其进行后续跟踪。由于只能在最佳固化条件下才能实现防迁移固化,因此许多食品品牌所有者对迁移优化的UV喷墨油墨持一定怀疑态度。

就油墨的气味而言,采用迁移优化的油墨层的气味很少,这意味着包装食品也通过了Robinson * 1测试。

可以通过功能屏障来防止油墨组分从交联的油墨膜迁移到包装中。功能性屏障可以是印刷折叠盒中的塑料薄膜袋,也可以是印刷基材本身。材料是否构成功能障碍取决于其定义的使用条件,迁移物质的类型和浓度,包装中食物的类型以及储存时间和条件(例如温度)。诸如玻璃或纯金属之类的固体物质始终充当功能屏障。对于塑料薄膜,阻隔性能取决于材料的类型和厚度。通过在PET膜上印刷并层压(高功能阻隔),UV喷墨印刷材料也可以覆盖对迁移敏感的应用。

在未涂布纸上打印需要使用底漆,以防止墨水沉入基材中,进而带来迁移风险。但是,即使使用了底漆,某些墨水也始终会被纸张吸收,而紫外线无法到达并固化这些部分。结果,迁移将永远不可能!

迁移行为的影响因素

不仅分子大小不同的不同油墨成分都会对迁移行为产生影响。来自印刷油墨的传质取决于其他因素,例如储存时间,储存温度,包装材料的阻隔性能,以及最终的包装物品。

油墨成分的大小(主要与分子量有关)在迁移行为中起着至关重要的作用。质量小的小分子比大分子的分子更易移动,并且迁移的趋势更高。颗粒的形状对迁移能力也有影响,尽管程度与分子大小本身不同。通常,圆形粒子比细长粒子的扩散程度要大一些,因为对于相同的质量,圆形粒子的形状更紧凑。由于分子质量随粒度的增加而增加,因此,人们普遍接受的迁移极限为原子量单位为1,000道尔顿。为了澄清并能够更好地估计该单位,以下是一些原子或分子用于比较:

一个氢原子约等于1 Da,水分子的原子质量单位为18 Da,脂肪分子的分子量约为800 Da,这取决于类型。因此,它们都能够根据其大小进行迁移。

由于在20°C的温度下的存储时间,因此在测试装置中的迁移行为(例如使用20 µm OPP /油墨/ 30 µm OPP的层压膜)在开始的两天内呈指数增长,并且几乎持续此后线性变化。

储存温度对迁移行为具有非常决定性的影响。根据经验,当温度升高时,扩散速率以10°C的步长增加3倍。这意味着,例如,当存储温度从20°C升高到40°C时,迁移行为的进展将提高9倍(= 3×3)。这种情况通常会在夏季非冷藏运输卡车时发生,甚至超过这种情况。

在模拟长期测试中,存储温度提高到60°C。在此温度下保存10天后的测试大约相当于在20°C的室温下2年的测试时间。

不同的化学性质对迁移具有不同的阻隔性能,例如前面提到的液体调色剂中的PE树脂与赛康干调色剂中的聚酯之间的差异。对于包装膜来说也是如此,其中包装膜还取决于膜的分子结构,而聚酯膜通常具有非常高的防渗透性。另一方面,聚乙烯和聚丙烯的阻隔性要低得多。在该示例中,根据各种塑料膜对光引发剂二苯甲酮的扩散阻挡层列出了其阻挡层性能。

包装材料对扩散阻挡层的影响

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

对于包装,薄膜的厚度以及包装的表面/体积比也起着作用。印刷在整个表面上的小包装始终具有最差的迁移值,因为与内容物相比,印刷的包装比例非常高,并且许多成分都可以迁移到食品中。
本白皮书未考虑包装材料差异引起的迁移影响,例如薄膜中增塑剂或蜡的存在。

食物的类型也起着重要的作用,取决于食物的粒径及其稠度。大多数有机分子向脂肪食物的迁移要比向干燥食物的迁移更为明显。

包装中的食品表面也起着决定性的作用。靠近包装的光滑表面与包装的接触表面比食品更大,具有结构化的表面。由于接触面较小,后者吸收物质的能力较差。

Xeikon标签和包装印刷解决方案

在决定购买数字印刷系统时,可以从干粉和UV喷墨油墨的性能中得出什么结论?这首先取决于最终客户组合的细分市场的组成。它显示现有客户位于哪些细分市场中。此外,可以定义将要开发投资组合的其他目标细分市场。这样的产品组合分为食品,药品,葡萄酒和烈酒,饮料,健康与美容,化学标签和耐久标签的经典细分市场。前五个细分市场占整个市场的70%以上。

最终用户使用干粉的应用

特别是在中小型公司中,一台机器必须适合公司的整体产品组合。如果分析表明重点放在食品领域,以及其他领域,如药品,葡萄酒和烈酒,饮料以及健康与美容,则干粉工艺将成为决策的重点。不含VOC的干式调色剂工艺及其固态聚酯树脂层在食品安全方面具有优势,可避免所列物质的交叉污染,并确保重要食品和健康与美容领域的产品安全。在制药领域,其打印分辨率为1200 dpi,可满足最精细的要求,最小的反转,色彩一致性以及防伪保护的要求。在酒标等结构化纸上打印时,就打印质量而言,干墨粉工艺优于喷墨打印。印刷机宽度最大可达516毫米,可提供高印刷量,并且这种印刷宽度也可与UV喷墨窄幅卷筒纸印刷机竞争。

如果在这些部分中需要其他牢度特性,例如高耐划伤性和耐刮擦性,耐热性或耐化学性,则可以通过UV涂层或薄膜层压来实现这些特性。这也适用于重要的标准光泽度。为此,干式墨粉印刷机可以补充一个在线或离线(UV)清漆单元,否则必须在单独的操作中执行在线或离线薄膜层压。

UV喷墨的最终用户应用程序

如果产品组合的重点是耐用标签,化学标签,健康与美容或饮料,则UV喷墨印刷及其工艺特有的优势将成为决策的重点。它的优势在于其抗划伤和耐刮擦性,耐热和耐水性,耐化学药品性,较高的印刷速度(窄幅)和良好的耐光性。它具有高墨膜厚度和高光泽度的特点,从而在很大程度上消除了对额外的面漆的需求。

当然,UV喷墨印刷也可以应用于食品印刷,并符合协会和品牌所有者的上述法规或要求。但是,这需要更高的支出,例如,在用于固化墨膜的惰性条件下的投资,持续的氮消耗成本,某些基材的局限性以及在生产过程中需要记录所有印刷参数的需求。
另一种可能性是使用阻挡膜,该阻挡膜在单独的工艺步骤中被层压并且防止油墨成分迁移到食物中。这样,可以覆盖不属于关键市场的细分市场。

补充解决方案

所有这些都显示了干粉和UV喷墨打印在迁移优化的包装印刷中提供的补充解决方案。两种墨水系统都有各自的优势和明确的应用领域,但如果需要,也可以在广泛的应用中使用,并且它们共同提供了强大的解决方案组合,可以满足苛刻的最终用户市场的需求。