UV油墨印刷和噴墨印刷的紙張脫墨及其研究課題

日本2015年的廢紙總回收利用率（廢紙消耗量/紙張產量）為64%。如將紙板和紙張的廢紙利用率分別計算，紙板的回收利用率約為99%，而紙張的回收利用率約為40%。這說明，某些紙種印刷品的廢紙很難脫墨。典型的例子是紫外線（UV）照射固化型油墨（以下簡稱“UV油墨”）印刷的紙張和噴墨印刷的紙張。該文回顧了基本的脫墨工藝，脫墨劑的作用和脫墨的有利條件；介紹了脫墨劑在UV油墨印刷和噴墨印刷的紙張中的應用現狀和研究課題。

1 前言

廢紙按回收用途可分為“紙板”類廢紙和“紙張”類廢紙，前者用于瓦楞紙和紙箱（白板紙）等的生產原料，后者用于新聞紙及印刷用紙等的生產原料。日本2015年廢紙的總回收利用率（廢紙消耗量/紙張產量）為64%，達到了行業的目標，但如果將紙和紙板的回收利用率分開計算，“紙板”類廢紙的回收利用率達到了非常高的99%左右，而“紙張”類廢紙的回收利用率停留在40%左右。這是因為信息用紙被回收再次被用作信息用紙時，常發現很難脫除回收廢紙上的油墨。

本文將簡要介紹廢新聞紙的脫墨方法及脫墨劑在這一工藝中的作用，并以脫墨困難的廢紙——紫外線（UV）照射固化型油墨（以下簡稱“UV油墨”）印刷的紙張和噴墨印刷的紙張為例，介紹脫墨劑的應用現狀并提出今后的研究課題。

2 脫墨劑在廢新聞紙脫墨過程中的作用

脫墨工藝主要由以下2個過程組成：將油墨從纖維上剝離的過程和將剝離下來的油墨排出系統外的過程。將油墨排出系統外的方法有氣浮法和洗滌法，而現在氣浮法已成為主要方法。

2.1 油墨剝離

油墨剝離過程中，在高濃度（質量分數為5%～15%）的紙漿中添加脫墨劑和氫氧化鈉，施加剪切力使油墨剝離。因此，要求脫墨劑在該過程中具有滲透、剝離和防止再吸附的功能。作為脫墨劑使用的典型表面活性劑有高級醇烯化氧加成物、油脂烯化氧加成物、脂肪酸烯化氧加成物和脂肪酸等，由于報紙印刷從凸版印刷轉為凹版印刷，油墨剝離變得更困難，因而目前主要使用的表面活性劑是表面活性強、易被油墨吸附的高級醇烯化氧加成物。設備方面，為了給紙漿提供更強的剪切力，開始引入揉漿機等，以加強油墨剝離。

所謂油墨剝離就是消除油墨-纖維界面，形成新的油墨-脫墨劑水溶液和纖維-脫墨劑水溶液界面，見圖1。

圖1 油墨剝離的思路

這時所需能量Ww使用了各自的表面張力（形成新界面時所需的能量），其公式可表達為：

式中：γPD為纖維-脫墨劑水溶液界面張力；γID為油墨-脫墨劑水溶液界面張力；γIP為油墨-纖維界面張力。

Ww越小油墨越容易剝離。如果所有的脫墨劑幾乎都被油墨吸附，而不被纖維吸附，γPD將變成一常數，另外，γIP也是一個常數，因此，要使Ww變小，只需降低γID。根據楊氏公式，γID可以表達成：γID=γI-γD·cosθ。

因油墨的表面張力γI是一常數，如要降低γID，只需提高脫墨劑水溶液的表面張力γD與脫墨劑水溶液和油墨的接觸角θ的余弦乘積。為了提高該乘積，較好的方法是在系統中添加與油墨親和性良好的脫墨劑到臨界膠束濃度（CMC）以上。圖2顯示了該乘積與未剝離油墨面積率的關系。

該評價是在夏季用低濃碎漿機對廢新聞紙碎漿，完全洗凈后進行的。由于不管使用何種脫墨劑，該乘積與未剝離油墨面積率二者都存在相關性，所以該乘積是左右油墨剝離的參數，并已證明高級醇烯化氧加成物占了該乘積的很大部分，這是近年來高級醇烯化氧加成物被用作脫墨劑的原因。

圖2 γD·cosθ與未剝離油墨面積率的關系

目前，廢新聞紙原料中存在的平均質量分數約2%的油墨，其95%已經可以剝離，但當需要更高質量紙漿時存在的問題是，好不容易剝離的油墨不能在氣浮過程中除去，殘留在了成漿中。

2.2 氣浮法除油墨

圖3同時顯示了氣浮前后油墨粒徑分布和未剝離的油墨粒徑分布。

圖3 浮選前后油墨粒徑分布

用圖3粒徑分布計算不同粒徑的油墨去除率（即從纖維上剝離下來的油墨在氣浮池中除去的比例）得到圖4。

從圖4可以判斷，浮選過程中難以除去4μm以下的小粒徑油墨，這可以用德赫金（Derjsguin）和迪爾凱姆（Dukhim）的在水中上升的氣泡-粒子間的相互作用理論來理解，在粒徑較小的情況下，粒子無法流過流線，到達受水力學定律支配的氣泡周圍的最外層。要在氣浮過程中除去油墨，就要使油墨突破最外層，而首先必須使細小粒子絮聚，與氣泡接觸。

圖4 不同粒徑的油墨在氣浮池中的去除率

由于即使殘存少量的小粒徑油墨也會大大降低紙的白度，因此在該過程中，脫墨劑必須具有凝聚微細分散的油墨和幫助其吸附在氣泡上的作用。氣浮前紙漿被稀釋到質量分數約為1%，系統中脫墨劑的濃度下降（油墨剝離過程中的紙漿質量分數為5%～15%），吸附在油墨上的脫墨劑脫落，油墨的表面張力自動變高，因此微細纖維的凝聚變得容易，但為了凝聚更加微細的油墨，需要將脫墨劑設計為具有在油墨剝離過程中有較高表面活性、而在油墨除去過程中表面活性又變得較低的特性。

下面講述必須在浮選過程而非洗凈過程中除去更多油墨的理由。脫墨中使用了對絕干漿最多達100多倍的水，水被循環使用。浮選過程中未被除去的微細油墨可能在洗凈（脫水）過程中被除去，但這些含微細油墨的水被用做浮選前的稀釋水。因此，在浮選過程中未被除去的油墨一直停留在系統中，逐步降低紙漿的質量。

這就是為什么要在浮選過程中去除油墨的主要理由。目前的脫墨劑中去除微細油墨能力最強的是脂肪酸。表面活性劑中脂肪酸的表面活性并不是很強，但能賦予油墨除去油墨所需要的疏水性，并且，脂肪酸在脫墨過程中形成氫氧化鈣垢，以此氫氧化鈣為核心產生油墨凝聚（二次粒子直徑大于4μm）。遺憾的是脂肪酸的油墨剝離能較低，因此，現在很少單獨使用，如要完全剝離油墨，強化油墨的去除效果，可設法：（1）在油墨剝離過程中添加高級醇類脫墨劑，在浮選前添加脂肪酸；（2）在高級醇類脫墨劑中選擇使用可溶化脂肪酸的混合型脫墨劑等。

3 回收的UV油墨印刷品的脫墨

UV油墨用在凹版印刷、柔版印刷、絲網印刷和噴墨印刷等方面，與通過干燥使油墨固化的油性油墨不同，UV油墨通過紫外線瞬間使其硬化。因此，使用UV油墨印刷，生產效率提升，印刷品的耐光性顯著提高；并且，由于不含揮發性有機化合物（VOC），UV油墨及其印刷方法被稱為對環境與人友好的油墨和印刷方法。在對用這種UV油墨印刷的印刷品進行脫墨時面臨的課題是，從纖維上剝離油墨膜較困難，而且剝下的膜太大，不能在浮選中除去，成漿中殘留夾雜物（污點）。

針對這一問題，社團法人日本印刷產業連合會和公益財團法人廢紙再生促進中心共同努力，開發了可回收型UV油墨及其標準試驗法。該油墨的技術核心是減少油墨膜的架橋點，兼顧印刷品質和可回收性。目前這種可回收型油墨已出現在各油墨生產商的產品目錄中。實際上，廢紙市場上還有用傳統型UV油墨印刷的印刷品，紙廠對其進行分撿非常辛苦，期待可回收型UV油墨的印刷品迅速普及，盡量縮短與傳統型共存的過渡期。圖5顯示了傳統型UV油墨和可回收型UV油墨的區別。

4 回收的噴墨印刷品的脫墨

圖5 傳統型UV油墨和可回收型UV油墨的區別

商業印刷領域中，電子照片和噴墨印刷受人關注，原因是可按需印刷：（1）每冊印刷可變，能提供個性化和版本管理的高附加值印刷服務；（2）無需制版，降低小批量生產成本。其中，噴墨印刷可以高速印刷，被視作今后商業印刷領域中的“真命天子”，已經在報紙、報表、書籍和直接郵寄品中部分使用。

以前說到脫墨就會想到廢報紙、廢廣告傳單等為主的凹版印刷廢紙，但今后，用電子照相方式和噴墨印刷方式這些按需印刷機印刷的商業印刷品將迅速上市，這些將被作為廢紙進行回收，需要建立這種印刷品的脫墨技術。這時需要注意的是：（1）能夠使用現在的脫墨系統；（2）由于廢紙回收時不能區別其印刷方法，要求在各種印刷品混合存在狀態下能夠脫墨。據2015年綜合報告《關于電子印刷品的再生適應性的調查報告書》，對混入墨粉印刷品廢紙的脫墨是沒有問題的，而對混入噴墨印刷品廢紙的脫墨還是有一些問題。

因噴墨印刷首先是從在紙上印刷開始的，最初開發的噴墨印刷油墨是水性油墨。之后，為了能在非吸收性介質上印刷，開發了油性油墨、溶解油墨、UV油墨和膠乳油墨等各種油墨技術并已實用化，但出于環境和健康考慮，很明顯已開始回歸到更安全的水性油墨。

水性油墨中有顏料油墨和染料油墨。顏料油墨是用分散劑將一次粒子粒徑為50～60 nm的顏料分散，油墨中的顏料發生二次凝聚，其粒徑為100～150 nm的納米分散體。染料油墨是使用溶解在水中的染料。最近，具有發色性、耐光性和耐水性的顏料油墨開發非常盛行，可能成為將來的主流，因此，這里將報告有關顏料油墨的脫墨。

人們可能很容易認為因染料油墨溶解于水，就不能在浮選中脫墨。《關于電子印刷品的再生適應性調查報告書》也得出了混入了水性染料噴墨印刷品的廢紙脫墨會有問題的結論。

4.1 實驗方法

一般來說，顏料油墨由顏料分散體、潤滑劑、滲透劑、表面活性劑和水組成。準備了3種實驗中使用的顏料油墨（只是顏料分散體不同，其他的油墨組成都一樣）。所用的顏料分散體分別為自我分散型、分散劑分散型和膠囊型（花王顏料）。“自我分散型”就是在顏料中直接接入分散所必需的官能基，“分散劑分散型”就是用水溶性分散劑使顏料分散，“膠囊型（花王顏料）”就是用疏水性聚合物使顏料膠囊化，用少量親水性官能基分散。各種分散體在表面都有羧基，確保油墨的保存穩定性。

試驗用紙為施樂4200、ColorLok，制成噴墨印刷品用的印刷機為理光GX2500。探討預涂的影響時使用了佳能MX7600多功能一體機。

脫墨試驗用典型的廢新聞紙脫墨法。脫墨劑使用了花王典型的高級醇類脫墨劑DI-7250。根據需要，在揉漿工序使用了脂肪酸。

4.2 脫墨試驗結果

各種印刷品脫墨、浮選后的手抄片如圖6所示（試驗用紙為施樂4200，白度為94.5%）。

圖6 氣浮后的手抄紙片照片

由圖6可知：噴墨印刷品的脫墨是多么困難；噴墨印刷油墨脫墨由易到難的順序為膠囊型（花王色材）（a），分散劑分散型（b），自我分散型（c）。電子照相印刷品幾乎完全不能脫墨。

為了確認白度不能提高的原因是油墨不能剝離還是在氣浮時不能除去油墨，用大量水洗凈氣浮前（油墨剝離過程后）的紙漿，不考慮保留率。結果如圖7所示。

從圖7可以知道：電子照片印刷品的油墨幾乎完全剝離，與此相比，噴墨印刷的印刷品油墨剝離雖然稍差，但不存在問題；只是，在使用自我分散型的印刷品中，與染料油墨一樣，油墨滲入纖維內，抄片顯得稍稍灰暗。

從這一結果可以說，噴墨印刷品脫墨的問題是在氣浮時不能除去油墨。實際上，通過測定氣浮前的油墨粒徑，可知有很多粒徑比廢報紙脫墨時小很多的油墨。就是說，如上所述噴墨印刷油墨幾乎都被剝離，但那是粒徑大小在4μm以下，不能在氣浮時除去，而能通過洗凈除去的油墨（4μm以下）。考慮到電子照片墨粉的粒徑為6～8μm，而噴墨印刷油墨的粒徑為100～150μm，很難想象會得到這樣的脫墨試驗結果。圖8顯示了氣浮前的油墨粒徑的分布。

圖7 油墨剝離狀況（完全洗凈后的紙漿白度）

那么，有什么方法可以提高噴墨印刷油墨在氣浮時的油墨去除性。作為現階段能考慮的方法可列舉的有：（1）在滿足噴出和穩定性的范圍內將顏料分散樹脂改成更疏水的物質（這相當于提高油墨與氣泡的親和性）；（2）在印刷時進行預涂處理，使油墨凝聚，提高印字濃度的同時，增大剝離油墨的粒徑；（3）脫墨時同時使用脂肪酸這類凝聚劑；（4）為了不使剝離下來的油墨變小，減弱油墨剝離時的剪切力。

圖8 氣浮前的油墨粒徑分布

以下是其討論結果。

表1概括了油墨的再分散性（評價干燥后的油墨在調漆料中能否再分散）較劣的膠囊型油墨（將其當做花王色材B，將圖6中所示結果的色材當做花王色材A，花王色材B中使用了比花王色材A更疏水的分散樹脂）的脫墨性，各種油墨對不同紙張的脫墨性，以及同時進行預涂處理的脫墨性。

無論何種紙張、有無預涂處理，使用較疏水分散樹脂的花王色材B的脫墨性比花王色材A稍好一點，但未達到滿意的水平。能看到用花王色材預涂處理的效果，但看不到分散劑分散型和自我分散型對紙張種類的影響，并且，完全看不到預涂處理的效果。

將分散樹脂改成更疏水的物質，使油墨再分散變差的目的是為了提高油墨的凝聚性，無疑能提高脫墨時的油墨去除性。但是，因這一方法以犧牲分散性這一噴墨印刷油墨噴出可靠性為代價，現實中是不可能的。因此，需要將樹脂設計成能增加油墨與印刷品接觸后的凝聚性或在印刷時想辦法——預涂處理是其中的方法之一。本次試驗中只有花王色材能看到預涂處理效果，其原因不明，今后配合預涂劑的油墨設計、油墨的預涂劑設計也許應該考慮從油墨方面著手，在脫墨現場理解預涂處理的原理，加以應用。

表1 不同顏料分散體的油墨在氣浮后的脫墨試驗結果

由于噴墨印刷油墨小到在氣浮中難以除去的程度，因此我們探討了在廢報紙脫墨時為除去微細油墨同時使用脂肪酸。使用結果如圖9所示。

圖9完全看不出同時使用脂肪酸的效果，反而降低了紙漿氣浮后的白度。這是因為脂肪酸的抑泡效果減少了氣浮過程的氣泡量。圖中的虛線表示白度與氣浮時纖維留著率之間的關系。根據這一關系判斷，在并用脂肪酸時，即使用發泡劑增加泡沫量，白度提高也只是僅僅變成在該虛線的左上方，脂肪酸仍未發揮油墨凝聚作用。

我們認為，如果油墨剝離容易，剝離的油墨變得太細，通過減弱油墨剝離時的剪切力，不讓油墨散開，并且同時使用凝聚劑，可以提高氣浮時的紙漿白度的增加幅度。因此，試用了油墨剝離時的弱剪切力+氣浮時的脂肪酸并用。如圖9所示，能使白度-留著率數值向右上方移動。這時的氣浮前的油墨粒徑分布如圖8所示。粒徑確實變大了，由此可以判斷，提高了氣浮時的油墨除去率，只是未達到廢報紙脫墨時的油墨粒徑。

圖9 脂肪酸并用時的氣浮表現

雖然是用花王色材處理只以噴墨油墨印刷的廢紙為原料的情況，但可以看到在現行脫墨系統中進行氣浮脫墨的可能性。但是，目前在舊報紙和電子照片印刷品脫墨時需要相當強的剪切力，將來需要設計對噴墨印刷品和電子照片印刷品等混合廢紙脫墨最合適的剪切力和凝聚劑。

5 結束語

UV油墨很難從纖維上分離，并且分離的油墨粒徑太大很難在氣浮過程中排出系統。經過油墨公司和有關方面的共同努力，已成功開發出可回收的UV油墨。

水基顏料噴墨印刷油墨很容易從紙漿上分離。但分離的油墨粒徑太小，不能從氣浮槽排出。為提高浮選效率，減弱油墨分離過程中的剪切力，并在氣浮過程中使用絮凝劑如脂肪酸比較有效。噴墨印刷品由于較快的印刷速度受到人們的關注。人們認為，在不久的將來，噴墨印刷廢紙應當被用作制漿原料。