瓦楞纸箱在果蔬包装中的应用与发展前景

瓦楞纸箱在果蔬包装中的应用与发展前景

水性油墨水精板印刷是瓦冷纸板最重要的打印方法。柔版印刷技术的快速进步以及消费者对印刷质量要求的提高,都对瓦楞纸板表面的印刷适性提出了更高的要求。本文介绍了瓦楞纸板的最新发展趋势及不断扩展的用途与商机,较详细地讨论了水性油墨柔版印刷对瓦楞纸板表面性能的最新要求。1瓦尔登纸板的发展趋势1.1瓦城纸板的物理成分常用瓦楞纸板一般由“一瓦两面”,即内层面纸、中层制成波浪形状的瓦楞原纸和具有良好印刷适性的外层面纸(箱纸板)黏合组成。表1列出了常见标准瓦楞楞型的楞高、楞间距、成形系数等主要技术参数。瓦楞较高并且楞间距较大的纸板(如A、B和C型)具有更高的挺度和防冲抗压能力。瓦楞较低且楞间距较小的纸板(如E、F和G型)则具有良好的印刷适性和促销功能。通过改变瓦楞楞型或者瓦楞原纸与面纸的定量,瓦楞纸板能够制成多种具有不同机械强度和印刷适性的纸板,从而能够满足客户各种不同的商品保护与促销需求。例如,多瓦多面(如三瓦四面七层)型纸板能够取代木材和金属包装重型货物。混合瓦楞型纸板如BE型或者CE型纸板不但具有良好的商品保护性能,其楞高较低的E型瓦楞也使得纸板能够同时具有良好的印刷适性与促销功能。在这个意义上,美国浆纸工业技术协会(Tappi)声称美国95%以上的商品运输采用瓦楞纸板箱包装。日本纸业协会(JapanPaperAssociation)的数据显示,饮料和成品与半成品食品包装是瓦楞纸板最重要的市场,其消费量占瓦楞纸板总量的40%左右。新鲜水果和蔬菜包装占日本瓦楞纸板消费总量的13%,而电子产品和家用电器包装占10%左右。目前我国水果和蔬菜年产量已经高达3.6亿t,但是其中接近8000万t在流通过程中腐烂损失。包装不当被认为是造成果蔬腐烂损失的最重要原因之一。采用瓦楞纸箱运输果蔬不但能够避免水果磕碰损伤,具有防水性能的瓦楞纸箱也能够防止蔬菜在流通过程中失水发蔫,经过无菌消毒和保鲜防腐处理的纸箱还能够进一步延长果蔬保鲜期。随着我国果蔬种植与收购销售机制的进一步完善,瓦楞纸板在我国果蔬保鲜包装领域具有极大的市场发展潜力。瓦楞纸箱在短途运输和企业内部商品运输方面一定程度上受到了再用型塑料箱的冲击。但是随着废纸回收再生技术的进步,目前在包装业出现了以纸带塑的趋势。在酒类、营养品、快餐、微电子产品等商品包装领域,新兴的微型瓦楞纸板(包括E、F、G、N等微型瓦楞)正开始与传统白纸板争夺市场。近年来发展迅速的微型瓦楞纸板主要包括F型(0.75mm)、G型(0.50mm)、N型(0.46mm)、O型(0.30mm)等。微型瓦楞纸板具有以下特点:(1)良好的抗压与缓冲性能。在相同定量下,微型瓦楞纸板的抗压与缓冲性能远远超过实芯纸板。(2)良好的印刷适性。微型瓦楞纸板可以在胶印机上直接印刷,能够承印色彩艳丽的精美图像。(3)节省用纸与成本。在相同定量下,瓦楞纸板防冲抗压能力大大高于实芯纸板,使得微型瓦楞纸板特别是以F楞和G楞为主的3层瓦楞纸板,能代替较高定量的实芯纸板作为外包装或内包装缓冲材料。目前美国及欧洲一些国家的企业已纷纷扩大F楞和G楞的生产规模,甚至已经开始应用N楞、O楞等更小楞型的瓦楞纸板。可以预测微型瓦楞纸板将成为包装材料的新秀,为造纸和包装工业带来更广阔的应用前景。1.2厚定量箱纸板和回收再生箱纸板1.2.1高强轻量化纸纸板和立地搭建瓦楞纸板近几年最重要的发展趋势之一是轻量化。自从美国运输业在20世纪90年代初期提出纸箱制造业可以选择采用基于定量和耐破强度的传统纸箱标准(Rule41/Item222)或者基于对定量无要求的新型边压强度纸箱标准(AlternateRule41/Item222,EdgeCrushTestStandard)以来,采用低定量高强度箱纸板和瓦楞原纸制造符合边压规则和具有更高抗堆码压力性能的瓦楞纸板迅速受到北美纸箱消费者的青睐。根据美国森林和造纸协会的统计,从1993年(开始统计低定量箱纸板产量)到2001年,标准定量箱纸板(205g/m2)消费总量从36.9%降低到21.7%,而高强度低定量箱纸板(160～180g/m2)消费总量则从7.1%激增到22.8%,使消费量增加到450万t。在同一期间,标准定量瓦楞原纸(127g/m2)消费总量从67.8%降低到41%,而高强度低定量(90～115g/m2)瓦楞原纸消费量则从1993年的不到1%增加到18.1%。高强度轻量化纸箱比传统纸箱具有许多优势,包括节省包装材料有利于环境保护、纸箱能够堆码更高有利于充分利用储存空间、为客户节省包装和货运费用、为造纸和纸箱企业节省原料成本等。高强度低定量瓦楞纸板机械强度并非全都高于常规标准型瓦楞纸板,而只是指这类箱纸板或者瓦楞原纸的环压强度或者STFI抗压强度大大高于相同定量的常规箱纸板,并且采用它们制造的瓦楞纸板能够满足运输业边压强度标准和纸箱叠压强度的要求。与常规箱纸板比较,高强度低定量箱纸板具有以下特征:①高强度箱纸板一般在纵向具有较低的取向,以有利于提高横向的抗压强度,②高强原纸的紧度一般高于常规原纸,以利于增加纤维间的结合力。高强度低定量箱纸板的上述特征也导致高强度原纸具有比常规箱纸板更高的脆性和更低的耐破强度。事实上,由于低定量纸箱耐破度较低,高强度低定量纸箱一般不能满足容易磕碰破损物品如空运小包裹的包装保护需求。1.2.2布置合理西方国家纸箱轻量化不仅表现在大量采用低定量箱纸板取代标准定量箱纸板,更表现在普遍采用单瓦双面三层瓦楞包装纸箱。例如,美国和日本三层瓦楞纸箱占纸箱消费总量的80%以上,而我国三层纸箱目前仅占纸箱消费总量的10%左右,双瓦楞五层纸箱却占瓦楞纸箱总量的80%以上。这也说明在我国实现瓦楞纸箱轻量化不但需要发展国产高强度低定量箱纸板,更需要首先引导纸箱使用者改变商品过度包装的惯性心态和大力引进与发展单瓦三层纸板的制造与加工技术以降低双瓦五层纸箱的消费量。1.2.3提高再生瓦氏原纸比例大量采用回收再生纤维生产箱纸板是近年造纸产业的另一重要发展趋势。1990年美国利用再生纤维生产的箱板纸仅有32万t(占当年箱纸板总产量的1.9%),到2001年则已经增加到430万t,占当年箱纸板总产量的21.5%。同样,采用再生纤维生产的瓦楞原纸也从1990年的205万t(占瓦楞原纸总产量的22.1%)增加到2001年的404万t,使再生瓦楞原纸的比例提高到瓦楞原纸总产量的43.4%。瓦楞原纸对于纸张外观要求较低是再生瓦楞原纸比例大大高于再生箱纸板的主要原因。再生纤维成本低于原生木浆是纸类包装制品相对于其他包装材料的一个优势。但是,再生过程中作用在废纸表面的机械力不仅可能导致再生纤维长度和强度降低,而且每一次脱水干燥也将导致再生纤维损失部分交织黏合性能,从而使得再生纸板耐破强度一般低于原生木浆纸板。此外,由于再生纤维中残留的低表面能物质可能导致纸箱在运输过程中滑动,因此,再生纸板需添加防滑剂以提高纸箱摩擦因数。另一方面,随着造纸技术的进步和新型造纸助剂的应用,已成功开发出100%再生纤维高强度低定量箱纸板。2001年美国采用再生纤维制造的高强度低定量箱纸板(160～180g/m2)产量已达到109万t,占当年高强箱纸板总产量(450万t)的24.2%。考虑到国内森林资源短缺,我国造纸业应进一步发展再生纤维高强度箱纸板制造技术。2柔版印刷的优势水性油墨柔版印刷(包括柔版直接印刷瓦楞纸板和柔版预印)是最常见的瓦楞纸板印刷工艺。在美国,95%左右的纸箱采用柔版印刷,西欧为85%,日本为93%以上,我国目前只有50%左右。柔版印刷工艺在瓦楞纸板上的广泛应用主要归功于最近20年来柔版印刷质量的大幅度提高,从而使得柔版印刷纸箱能够满足客户对于销售包装质量的需求。与其他印刷方式相比,柔版印刷应用于瓦楞纸板具有以下优势:(1)柔性印版的可变形性。采用天然橡胶或者高分子材料制造的柔性印版富有弹性,能够在印刷过程中以本身的压缩变形弥补瓦楞纸板的厚薄误差与表面不平,使墨层较均匀,从而提高印刷质量。(2)柔版印刷属于轻压力印刷(kissprinting)。柔性印版良好的柔软性使得只需要施加较小的印刷压力就能达到良好的印刷效果。印版的可变性不但能够减轻瓦楞高低不平引起的压力不均匀对印刷质量的影响,轻压力印刷还有利于降低印刷压力对纸板抗压防冲等力学性能的影响。(3)柔版印刷采用环保型水性油墨。与传统溶剂型油墨比较,水性油墨比较环保,具有污染少、干燥快、操作使用方便、成本相对低廉等优势。(4)柔版印刷机结构简单,固定成本低,适合做大。柔版印刷机结构简单,装版、调整、清洗都很方便。柔版印刷机还能与其他工序联动生产,如与压痕、开槽、模切、涂胶、制箱、计数等组成联动生产线,大大提高生产效率。目前许多瓦楞柔版印刷机能够在B型瓦楞纸板上直接印刷网线在75～100lpi(每英寸上等距距离排列的网线数目即为lpi)的四色油墨图像并且上光。柔版预印(即先将箱纸板印刷后再制成瓦楞纸板)因为避免了瓦楞纸板表面的“搓板现象”,能够在平滑的箱纸板表面的印刷网线高达150lpi甚至200lpi(利用计算机直接制造感光树脂柔印版)、印刷质量能够与平版胶印和凹印的媲美。随着我国近年来陆续推出各种针对印刷产业的环境保护法规,可以预测,使用环保型水性油墨的柔版印刷不但可能在瓦楞纸板印刷领域进一步迅速发展,也可能在软包装印刷市场取代部分污染严重的溶剂型油墨凹版印刷工艺。3印刷适性的测定消费者对于包装纸箱促销功能的需求正在促使箱纸板和瓦楞纸板生产厂家进一步提高纸板的印刷适性。臧永华等指出,影响瓦楞纸板面纸水性油墨柔版印刷质量的性能不仅包括影响纸张印刷适性的共性,如纸板白度/亮度、表面平滑度、空隙度与保墨性、匀度等,还包括一些影响水性油墨转移的特殊性能,如纸板可湿润性、吸水性和纸张酸度(pH值)等。(1)高硬度纸质印刷法图像分析纸张白度(这里实际上是ISOBrightness)是指该纸张对于波长在457nm处的蓝光反射率。在印刷生产中,高白度纸张能够增加图文墨迹与周围空白区域的反差,使印刷图像网点区域层次清晰,实地印刷墨迹厚实,从而能够使印刷品准确地再现原稿彩色图像的丰富层次和鲜艳色彩。在造纸工业界,瓦楞纸板面纸的白度也是其分类最主要的依据(见表2)。应该指出,亮度只是反映了纸张对于蓝光的反射率。为了获得匹配的颜色,造纸厂需要同时控制箱纸板的亮度和颜色。(2)基于表面平滑度法的印刷适性平滑度是决定纸张印刷适性的重要技术指标之一。目前造纸和印刷业所说的平滑度或粗糙度一般是指利用空气泄漏法平滑度仪测得的一定体积的空气在一定真空度和压力条件下从一定面积的纸张表面与玻璃面之间的间隙流过时所需要的时间或者流动速率。这种平滑度在一定程度上反映了凸凹不平的表面与理想光滑参照面的差异,它们也确实与通过油墨转移量估算的纸张印刷平滑度具有一定的相关性且能在一定程度上用来预测不同纸张的印刷适性。但由于各种不同类型的空气流动平滑度仪具有不同的测量面积和对于纸面微观结构的变化具有不同的敏感性,所以使用不同平滑度仪对同一批纸张按照粗糙度高低分类可得到不同的顺序。事实上,文献确实显示不同的平滑度仪具有不同的预测印刷适性的能力。此外,具有不同微观几何形状的纸张(例如凹下部分较深较窄与较浅较宽的纸张)可能具有相近的空气流动速率。这导致一些具有相近表面平滑度的纸张表现出差别很大的印刷适性。这也说明空气泄漏平滑度仪虽然操作方便,但是由于这些仪器不能够准确反映纸面微观几何形状的变化而在预测纸张印刷适性方面有很大局限性。Zang等采用各种不同的空气泄漏式平滑度仪(包括Bekk,Bendtsen,Shelffield)和PPS(ParkerPrintSurfRoughness)粗糙度测试仪测定了纸张平滑度数值之间的相关性以及用这些数值在柔版印刷中预测瓦楞纸板面纸印刷质量。数据显示,利用Bendtsen和PPS测试仪得到的平滑度或者粗糙度与印刷质量有较好的相关性。一般来说,表面平滑度较高的纸张可在较低的印刷压力下实现油墨转移,从而能够降低网点漏印、网点扩大等印刷质量问题。高平滑度也使墨层在纸张表面的分布更均匀,使达到指定的印刷密度所需要的墨量更低,从而使原版彩色图像墨色均匀、印迹清晰。在这个意义上,Johansson等最近采用光学表面形态分析方法(OptiTopomethod)比较了瓦楞纸板面纸表面形态和柔版印刷后实地区域印刷斑点(实地印刷区无规则出现的无油墨转递部分)的关系。他们发现,无油墨转递的印刷斑点区域对应于瓦楞纸板面纸表面凹下的部分,这再次证明了表面平滑度对于印刷质量的重要性。另外,纸张可压缩性的不同也可能导致平滑度相近的纸张表现出不同的印刷平滑性和印刷适性。在粗糙度相近的纸张中,可压缩性较高的瓦楞纸板和面纸在压印时能够表现出更高的印刷平滑性,从而为油墨转移提供更有利的条件和表现出更好的印刷适性。影响纸张可压缩性的因素包括纤维硬度、水分含量、纸质结构、匀度、空隙度以及压光过程等。(3)透气性和保墨性空隙度主要通过影响纸张的吸墨性与保墨性和可压缩性而影响纸张的印刷适性。空隙度理论上可通过纸张定量与厚度、纤维与填料的含量及其密度而计算得到。但纤维密度通常依赖于水分含量,而纸张厚度一般依赖于测量压力。实际上,空隙度一般是指纸张的透气度,即利用空气泄漏仪(如Bendtsen,Sheffield和PPS)测得的一定体积的空气在一定条件下流过纸张所需要的时间或者流动速率。透气度不但依赖于纸张空隙度,也依赖于孔隙结构如孔隙直径及其分布、孔隙连通性及其曲折度等。与平滑度一样,文献显示同一批纸张通过不同空气泄漏仪测得的透气度可能具有不同的相关性。保墨性与吸墨性是指纸张吸收油墨和将油墨(特别是油墨颜料)保留在纸张表面的能力。一般来说,未涂布纸具有较高的孔隙度和更好的吸墨性。较高的吸墨性有利于油墨快速干燥。涂布纸具有较低的空隙度和更好的保墨性。涂层的保墨性能使油墨颜料能够保持在纸张表面,形成光泽鲜艳、墨色均匀厚实的精美图像。Zang和Aspler在研究不同纸张接受油墨的能力时还发现,由于吸墨性与保墨性的不同,油墨向未涂布纸和涂布纸转移的过程决定于完全不同的油墨撕裂机理。(4)精细还原、均匀透明匀度不但影响纸张的各种强度性能,而且对印刷质量有直接影响。匀度不好的纸张,表面平滑性相对较差。印刷时纸张表面与印版之间的压力不匀,无法进行网点的精细还原。此外,即使油墨能够均匀地传递到纸张表面,匀度较差的纸张也可能由于油墨吸收不均匀而导致印刷色斑。匀度的重要性还体现在它很难通过其他过程改进。这也使得匀度不同于纸张其他性能指标如平滑度和吸墨性。例如,压光可以提高纸面平滑度,施胶和涂布可改变纸张表面的空隙度和吸墨性能。但即使涂布也不能改进纸张因为匀度不良而导致的印刷色斑。事实上,涂布的均匀性也基本上取决于纸张匀度。这进一步说明了控制匀度对于提高未涂布纸和涂布纸质量同等重要。(5)水性油墨、瓦城金属的印刷质量瓦楞纸板面纸的可湿润性对于柔版印刷质量的影响起因于水性油墨和承印介质之间特殊的表面化学作用。油墨对于承印介质的湿润是油墨转移和吸附与黏合的最基本条件。由于常见油基和溶剂型油墨表面张力(20～30mN/m)一般较低,非水性油墨对于承印纸张具有天然的良好湿润性能,从而导致湿润对于印刷质量的影响被忽视。但纯净水的表面张力高达72mN/m。尽管水性油墨由于表面活性剂的作用平衡表面张力(20～40mN/m之间)远低于纯净水,但水性油墨的表面张力仍然接近许多瓦楞纸板面纸(20～50mN/m),这就使得不湿润可能引起箱纸板的印刷缺陷。事实上,Bassemir和Krishnan观察到采用表面张力为37.7mN/m的水性油墨印刷表面能为40mN/m的瓦楞纸板面纸得到的印刷品具有许多印刷斑点。这些印刷斑点既可能来源于印刷过程中不良的油墨传递,也可能来源于墨层传递后不良的湿润反应导致水性墨膜收缩成不连续的油墨液滴。如果瓦楞纸板面纸的表面能过高,水性油墨在表面的过度扩散也可能导致印迹边缘模糊和网点扩大,从而影响印刷质量。这也就说明水性油墨柔版印刷要求瓦楞纸板的表面能应控制在一定范围内,因为表面能过高和过低都可能影响印刷适性。在实际生产中,瓦楞纸板面纸通常经过一定程度的施胶处理以使得纸箱具有一定程度的防水功能。(6)油墨印刷质量水性油墨柔版印刷是瓦楞纸板占主导地位的印刷方式。因此,瓦楞纸板的吸水性能对油墨的转移与凝固过程具有重要作用。吸水性是指液体(油墨)通过毛细管作用渗入到纸张中的特性。未涂布瓦楞纸板面纸表面开放,有很多大毛孔,可以吸收油墨的颜料和连结料。油墨一旦渗入纸张内部就会失去光泽,有时甚至显示出不同的色彩。黑色会失去亮度,甚至呈现灰色。而同样一种油墨印刷涂布表面会表现出更厚实的墨色和更鲜艳的色彩。这也解释了为什么随着瓦楞纸箱促销作用的增加,越来越多的瓦楞纸箱的面层采用涂布纸板制造。Steadman等人的研究发现,实验虽然能够表征纸板的施胶度,但无法预测纸板的柔版印刷适性,而IGT吸收性能与印刷密度具有一定的相关性。当面纸吸收较少水分即着色长度增加时,纸张的印刷密度也随之增加。Wagberg利用染色过的水作为实验液体进行实验时也发现,印刷质量与IGT吸收实验之间存在一定的关联(R2=0.70)。(7)树脂溶解特性瓦楞纸板面纸的酸度(pH值)可能影响柔版印刷质量。这是因为常用水性油墨一般具有一定的碱性(pH值8.0～9.0)。常用水性油墨通常采用丙烯酸树脂或者马来酸改性树脂作为颜料黏合剂。这些树脂最重要的特点是在碱性条件下(如氨水,乙胺等氨类化合物水溶液中)能够良好地溶解于水溶液中,但是树脂溶解度随着油墨酸度的升高而迅速降低。树脂的这种溶解特性使得水性油墨能够在转移到纸张表面后随着氨类物质的挥发而在承印介质表面形成坚固的不溶性固体油墨墨层。酸度较高(pH值较低)的纸板可能因为能够中和油墨中的碱性氨类物质而影响油墨的转移和干燥速度。随着水性油墨中高挥发性氨水为了满足环境保护的需求而被低挥发性氨类或其他碱性化合物取代,纸板的酸性中和作用对于水性油墨转移和干燥速度的影响可能会更加突出。(8)弹性文件、瓦城形状对印刷的影响水性油墨柔版直接印刷瓦楞纸板的印刷质量不仅依赖于瓦楞纸板面纸的印刷适性,还依赖于瓦楞纸板黏合时表面形成的“搓板现象”对于油墨转移的危害程度。搓板现象是指瓦楞纸板面纸随着瓦楞原纸的波浪形状而起伏不平的现象。这种现象导致瓦楞纸板厚薄不均和表面更加不平