無墨印刷技術在綠色包裝中的應用研究

瞿擁軍

（深圳市嘉年印務有限公司，廣東 深圳 518109）

產(chǎn)品的流通離不開包裝，包裝具有保護產(chǎn)品、便于運輸與存貯、利于售賣等功能，直接影響著產(chǎn)品的市場競爭力和銷售。近些年來，消費主義盛行，包裝的設計成為了產(chǎn)品附加價值的一部分，優(yōu)秀的產(chǎn)品包裝可以推動產(chǎn)品的銷售，幾乎不存在無包裝的產(chǎn)品與無印刷的包裝。包裝直接接觸產(chǎn)品，而包裝上的圖案和文字必須通過印刷等技術來表現(xiàn)，以吸引顧客的眼球。為了保護產(chǎn)品知識產(chǎn)權和防止假冒偽劣產(chǎn)品的流通，國家制定了一系列針對商標和標識的法規(guī)與標準，并要求企業(yè)必須通過印刷等技術，為其產(chǎn)品印上相應的標識和商標。此外，隨著廣告宣傳的不斷增加，印刷包裝行業(yè)也扮演著越來越重要的角色。在當前政策下，國家大力實行綠色包裝戰(zhàn)略，以減少污染并推動可持續(xù)發(fā)展，包裝行業(yè)“十四五”規(guī)劃、中國包裝聯(lián)合會《中國包裝工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2025年）》都明確了綠色低碳循環(huán)轉型在印刷包裝產(chǎn)業(yè)深度轉型和可持續(xù)發(fā)展中的引領性作用，加快構建覆蓋包裝全生命周期的綠色發(fā)展體系，而這需要印刷包裝企業(yè)大力開發(fā)新型綠色包裝材料，使用環(huán)保型的印刷材料和工藝技術，才能構建覆蓋包裝全生命周期的綠色發(fā)展體系[1-2]。

1 無墨印刷技術介紹

1.1 無墨印刷技術

無墨印刷(Inkless Printing)是直接采取加熱的、有圖文的印版或模具，通過壓力在紙漿、紙張、紙板、塑料基材等基材上進行空壓印，使承印基材表面發(fā)生定向形變，待成印基材冷卻后形成定型圖文，或使用其他替代物取代傳統(tǒng)印刷過程中的油墨或墨粉，通過特殊材料和工藝技術，結合傳統(tǒng)印刷技術與光、電、熱技術，利用數(shù)字化技術和噴墨等技術手段，將圖文直接印在承印載體上[3]。

無墨印刷技術起源于20世紀60年代，隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及噴墨頭和噴墨墨水等關鍵技術的突破，無墨印刷技術得到了快速的發(fā)展和普及。常見的實現(xiàn)無墨印刷的方式包括使用噴墨技術、無墨噴水技術[4]、電子陣列印刷技術、熱敏印刷、熱烤生態(tài)印刷[5]、激光蝕刻[6]、電子紙技術、感光印刷[7]、納米印刷、3D印刷等。這些方法使用的替代物可能包括染料、彩色素材、熱敏材料、印刷粉末等。無墨印刷技術的發(fā)展給印刷行業(yè)帶來了巨大的變革，它能夠解決傳統(tǒng)印刷技術不易實現(xiàn)的顏色漸變和圖像細節(jié)的表現(xiàn)，實現(xiàn)短版、快速變版、變化多樣的印刷需求，以及滿足個性化定制等多元化的市場需求，具有非常廣闊的應用前景。

1.2 無墨印刷的優(yōu)、劣勢

相比于傳統(tǒng)印刷技術，使用無墨印刷技術能夠減少VOCs、有害氣體和廢棄物的排放；能夠在生產(chǎn)和耗材方面節(jié)省能源和材料，降低運營成本；有效避免墨水飛濺、揮發(fā)、流量變化等，在保證印刷品質(zhì)的同時提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)印刷技術與無墨印刷技術的主要對比情況見表1。然而，現(xiàn)有的無墨印刷技術還面臨著一些挑戰(zhàn)和限制，如無墨印刷的印刷速度和分辨率仍需提高、印刷媒介的類型和可靠性仍需進一步擴展與驗證等。

表1 無墨印刷工藝與傳統(tǒng)印刷工藝對比

1.3 無墨印刷研究現(xiàn)狀

當下，無墨印刷技術以其低污染、長久保持等特點成為國內(nèi)外印刷領域中的研究熱點之一。國內(nèi)外從三大方向分別探索無墨印刷技術：一是研發(fā)新型印刷材料。如紅外光敏材料、熱敏材料、可重復使用擦寫紙[8]等，以提高無墨印刷的印刷質(zhì)量和穩(wěn)定性。二是研發(fā)新型印刷技術。如使用光電顯示技術、納米印刷技術[9-10]、傳熱印刷技術[11]、電子紙技術等，以提高無墨印刷的印刷速度和精度。三是優(yōu)化現(xiàn)有印刷技術。如狹縫印刷技術、脈沖電沉積印刷技術等，以改進無墨印刷的制造工藝和成本效益。

隨著環(huán)境保護意識的提升和政策的推進，國內(nèi)印刷包裝行業(yè)正逐漸朝著綠色、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、高品質(zhì)的方向發(fā)展。由于無墨印刷技術具低耗材、環(huán)保等特點，其發(fā)展前景十分廣闊。

2 無墨印刷在包裝上的實現(xiàn)方式

實現(xiàn)無墨印刷的方式方法多種多樣，文章選取了現(xiàn)有市場上在包裝上運用得較為成熟的幾種方式進行討論分析，期望為從業(yè)者帶來新思路，從而對無墨印刷進行優(yōu)化創(chuàng)新。

2.1 素壓紋實現(xiàn)無墨印刷

素壓紋是一種沒有印刷顏色的印刷工藝，其原理是利用凸版或模具對材料施加力量，使其在局部區(qū)域上發(fā)生塑性變形。通過這種變形可以在材料表面形成凸或凹的紋理或花紋，從而改變材料的外觀和手感，其中，從材料背面施加壓力讓材料正面膨起的工藝為凸壓紋，所形成的無墨圖文具體效果見圖1；而從材料正面施加壓力讓材料正面凹下的工藝則為凹壓紋，所形成的無墨圖文具體效果見圖2。具體工藝過程為：先將圖文置于一對陰陽印模上，陰模上圖文凹下，陽模上圖文凸起，印刷時紙張放在陰陽模之間，在陰陽模的壓力下形成浮凸圖案，原理類似于鋼印。通過陰陽互補的一對印模，在壓力作用下，使得承印材料發(fā)生較大形變而形成浮雕凸起圖文信息。

圖1 凸壓紋形成無墨圖文。

圖2 凹壓紋形成無墨圖文。

素壓紋不需要復雜的設備，簡單易行，適用于多種材料和形狀，現(xiàn)有金屬素壓紋、塑料素壓紋、紙張素壓紋。不僅如此，與其他表面處理方法相比，素壓紋工藝成本較低，還能根據(jù)需求，設計不同的凸版或模具，實現(xiàn)多樣的紋理效果，而且經(jīng)過素壓紋處理后的材料通常具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。素壓紋具有簡單易行、節(jié)省成本和可定制化等特點，是實現(xiàn)無墨印刷的一種非常好的工藝。

2.2 雕刻凹印實現(xiàn)無墨印刷

雕刻凹印是一種將圖案或文字雕刻在板材表面形成凹陷的加工方法，其原理基于物理力學，通過在板材表面施加力量，使得刀具刻畫掉板材表面的材料，從而形成凹陷的圖案或文字?，F(xiàn)有的雕刻凹印可以實現(xiàn)非常高的精度，適用于需要精細圖案或文字的應用。

雕刻凹版印刷在印刷過程中需要很大壓力才能將印版上的油墨轉移到承印材料上，由于壓力的作用，使得印刷圖文區(qū)的承印材料發(fā)生較大變形，在印刷圖文正面形成一定浮雕高度，而在印刷圖文的背面形成一定的凹陷。利用這一特性，在印刷時采取不上油墨進行空壓，利用壓力，使承印基材發(fā)生形變而形成浮雕圖文，使雕刻凹版上的圖文信息“轉印”到承印基材上，所形成的無墨圖文具體效果見圖3。無墨雕刻凹印的印刷壓力較正常的雕刻凹版印刷壓力要大，才能形成更加明顯的浮雕圖文。值得注意的是，在使用塑料基材進行無墨雕刻凹印時，由于塑料基材的特性，需要對基材進行一定的加熱處理，使得塑料基材更加容易發(fā)生形變并能很好地保持這種形變特性。

圖3 雕刻凹版空壓形成無墨圖文。

2.3 紙漿模塑工藝實現(xiàn)無墨印刷

紙漿模塑(植物纖維模塑)工藝是利用纖維素材料的可塑性，在濕態(tài)下經(jīng)過加熱和壓力處理，使紙漿顆粒間的纖維相互結合，形成所需形狀的產(chǎn)品。紙漿模塑使用原漿紙板、廢紙、紙箱等作為原料，經(jīng)過碎漿、磨漿等工序，使紙變成纖維，懸浮于水中形成紙漿液，再利用真空將紙漿液吸附在特制的模具形成濕坯，最后通過熱壓干燥、切邊等工序形成成品。

紙漿模塑使用可再生的紙漿材料，與傳統(tǒng)的塑料制造過程相比，對環(huán)境的影響較小，紙漿材料可以通過調(diào)整配方和工藝參數(shù)來實現(xiàn)不同形狀和尺寸的產(chǎn)品，紙漿模塑工藝可塑性強、韌性高，是一種綠色環(huán)保的立體造紙技術。紙漿模塑工藝實現(xiàn)的無墨印刷，即在制作模具時，將需要呈現(xiàn)的圖文事先刻畫在模具上，在熱壓干燥成型階段使圖文在紙漿模塑產(chǎn)品上固定下來，形成凸紋或凹紋，所形成的無墨圖文具體效果見圖4。

圖4 紙漿模塑工藝形成無墨圖文。

2.4 激光技術實現(xiàn)無墨印刷

原先的無墨激光蝕刻是選擇適當功率的激光頭，使用激光束去灼燒獲得的點陣圖形，圖5所示即為其中一種在線激光蝕刻設備。利用光學系統(tǒng)將激光束匯聚成合適大小的光電，并消除光束傳播過程中的漫射，此時匯聚點可瞬間產(chǎn)生幾萬攝氏度甚至更高的高溫，將點陣圖形中需要打印像素點灼燒至色變(焦糊色)。激光灼燒出的文件不能篡改，且保存時間非常久，但是只能單色打印，所形成的無墨圖文具體效果見圖6。

圖5 在線激光蝕刻設備。

圖6 激光蝕刻形成無墨圖文。

激光蝕刻的工作原理是：利用高能量激光束聚焦后照射到被加工物表面，局部的材料被氧化或蒸發(fā)，使其表面發(fā)生化學或物理變化，從而形成所需的圖案或文字。這種蝕刻方式幾乎可以蝕刻所有的材料，無需復雜的工藝和大量設備。在激光蝕刻的過程中，只有激光束和表面材料之間的接觸，因此不會產(chǎn)生污染和廢棄物。同時，激光蝕刻可以實現(xiàn)高精度、高清晰度和高質(zhì)量的印刷效果，因此被廣泛應用于各種印刷場合，如制造業(yè)、藝術品制作、禮品定制等。

激光著色技術突破了激光蝕刻技術只能單色打印的不足，實現(xiàn)了多色甚至RGB色彩還原。激光著色技術通常包含3種基于不同機制的方法：來自隨機自組織金屬納米顆粒的等離子體色，來自激光誘導周期性表面結構(即納米光柵)的衍射色以及薄膜(包括透明氧化層的干擾顏色和F-P諧振腔)的干涉色[12]。圖7所示即為俄羅斯科學家開發(fā)的使用單一商用激光產(chǎn)生多種顏色效果的彩色圖像。

圖7 單激光技術在金屬上打印的彩色圖像。

等離子體色是通過使用激光在金屬表面形成等離子體，從而在基材上產(chǎn)生色彩。這種方法不需要任何油墨或色素，只需在金屬表面上使用激光即可實現(xiàn)打印。例如激光的平行聚光灼燒原理就屬于等離子體色。激光在聚光時使材料表面溫度升高，產(chǎn)生等離子體，從而改變材料的顏色。在工業(yè)上，無墨印刷的具體實現(xiàn)方式是將激光束定位在印刷材料上，并在需要的區(qū)域產(chǎn)生光化學反應，從而形成所需圖案或文字。通常與激光一起使用的是控制系統(tǒng)、電腦和相應的軟件，以使激光束能夠精準地定位和刻印。這種無墨印刷方式非常靈活，能夠適用于許多不同類型的材料，如金屬、塑料等。

2.5 納米技術實現(xiàn)無墨印刷

納米技術指的是制造和控制物質(zhì)在納米尺度(納米級)范圍內(nèi)的技術。納米級別指的是物質(zhì)的尺寸小于100 nm的范圍，這個尺寸級別處于分子和微觀世界的交界處。納米印刷是一種高精度的印刷技術，利用納米級的精度進行印刷，可以在極小的空間內(nèi)進行圖案的精細打印，在納米印刷中，使用的印刷材料通常是具有特殊性質(zhì)的納米顆?；蛘呤遣捎眉{米結構構造的材料。納米印刷實現(xiàn)無墨印刷的原理是通過控制納米顆粒的吸附性質(zhì)和聚集能力來形成所需要的圖案或者文字，所形成的無墨圖文具體效果見圖8。納米顆粒的表面通常帶有一定的電荷，可以通過改變表面電荷的方式控制顆粒的聚集和分散。根據(jù)布朗運動的原理，納米顆粒會在表面貼附形成有序的排列，從而形成所需要的圖案或者文字。

圖8 微納米結構實現(xiàn)的RGB彩色圖像。

衍射色是利用激光誘導表面產(chǎn)生周期性結構，從而產(chǎn)生干涉和衍射的效應，形成色澤。這種方法通常使用激光刻蝕技術在基材表面形成微米或納米級別的光柵結構。然后，向表面照射不同波長的光束，即可實現(xiàn)不同的顏色。這種方法不需要油墨或色素，也沒有化學反應，具有高清晰度、色彩豐富、防偽性強等優(yōu)勢。實現(xiàn)激光衍射色的具體操作方式是先將設計好的圖案或文字通過激光照射在光敏材料上，再進行脫膜、腐蝕等工藝加工，最終形成所需的圖案或文字即可。例如，商標/安全證件印刷——利用激光技術在商標或安全證件(如銀行卡、身份證)上進行無墨印刷，可以實現(xiàn)色彩豐富、清晰度高、防偽性強、防止偽造和篡改等特點。

干涉色主要利用基材上的干涉效應形成顏色。可以通過刻蝕亞波長光柵或在表面上涂覆特殊的薄膜來實現(xiàn)交錯光程干涉。這種方法既不需要油墨或色素，也沒有化學反應，具有環(huán)保特性。

文章討論了6種實現(xiàn)無墨印刷的工藝技術，有使用特定基底材料的，如紙漿模塑要使用纖維素材料，納米技術需使用納米材料；有使用物理方式的，如素壓紋基于壓力對材料施加形變，雕刻凹印也是基于壓力使承印基材發(fā)生形變而形成浮雕圖文；激光技術則是使用了特定的能量源等。6種無墨印刷技術的優(yōu)缺點對比情況見表2。無墨印刷是一個廣泛的概念，并且有多種具體的實現(xiàn)方式。這些工藝技術在無墨印刷上的異同主要體現(xiàn)在使用的基材、能量源以及實現(xiàn)印刷效果的物理或化學方式上。每種技術都有其適用的特定場景和優(yōu)勢，選擇合適的工藝取決于所需的印刷效果、材料特性以及應用環(huán)境等因素。

表2 6種無墨印刷技術優(yōu)缺點對比

3 結語

結合當今節(jié)約資源、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的時代主題，無墨印刷技術的優(yōu)化與創(chuàng)新已經(jīng)成為印刷領域的發(fā)展趨勢。在市場上，無墨印刷技術不僅能夠減少環(huán)境污染，節(jié)約原材料，提高印刷效率，還能夠為企業(yè)節(jié)約成本。然而，無墨印刷技術雖已取得了很大的發(fā)展，但是還有許多的問題亟需解決，如要提高無墨印刷技術的色彩還原與清晰度、應用更廣泛的材料以及采用更低成本的印刷方式等。這些問題只有在印刷領域?qū)＜业墓餐ο虏拍艿玫浇鉀Q。