李 兵 高玉杰

（天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222）

利用EST液體滲透分析儀對(duì)紙張施膠度和吸收性能的測(cè)試與分析

李 兵 高玉杰

（天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222）

紙張的吸收性能決定著紙張對(duì)油墨的吸收能力，紙張的油墨吸收性能是影響印刷品質(zhì)量的重要印刷適應(yīng)性指標(biāo)，為了能夠?qū)垙埍砻娴奈招阅芎涂紫肚闆r進(jìn)行準(zhǔn)確地表征，本文利用EST液體滲透分析儀對(duì)復(fù)印紙、銅版紙、膠版紙正反面的滲透吸收性能進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用EST對(duì)紙張性能進(jìn)行分析可以對(duì)紙張的施膠度和吸收性能提供數(shù)據(jù)參考。

EST 施膠度 吸收性能

紙張是一種多孔材料，由纖維網(wǎng)絡(luò)形成的孔隙是紙張吸收性能的基礎(chǔ)，紙張的吸收性能決定著紙張對(duì)油墨的吸收能力，紙張吸收性能越好，紙張對(duì)油墨的吸收能力越大，反之越小[1]。紙張的油墨吸收性能與紙張毛細(xì)孔對(duì)油墨中低黏度組分的吸收作用及油墨中某些組分向紙內(nèi)滲透作用有關(guān)，決定著油墨印刷到紙張表面后的滲透量和滲透速率，進(jìn)而，影響紙面墨膜的干燥及墨膜的表面性能。紙張的油墨吸收性能是影響印刷品質(zhì)量的重要印刷適性指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)紙張的油墨吸收性能并預(yù)測(cè)其對(duì)印刷品質(zhì)量的影響，對(duì)印刷質(zhì)量控制和紙張生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量的提高都具有十分重要的意義[2]。絕大多數(shù)紙張?jiān)诩庸ず褪褂眠^程中都要與液體(油墨、水、有機(jī)溶劑等)接觸，發(fā)生滲透、吸收、潤脹等相互作用，如紙張的印刷、施膠、涂布及包裝等。而液體與紙張相互作用的動(dòng)態(tài)過程直接決定最終產(chǎn)品的使用性能，對(duì)動(dòng)態(tài)作用過程進(jìn)行研究對(duì)于提高紙張質(zhì)量具有非常重要的意義[3]。液體與紙張的相互作用的動(dòng)態(tài)過程，既有液體在紙張中的滲透、吸收等物理變化過程，又有H—H鍵的斷裂及紙張組分的破壞等化學(xué)變化過程[4]。

因此，準(zhǔn)確分析檢測(cè)紙張的吸收性能和施膠度進(jìn)而分析紙張的油墨吸收性能就愈加必要，本文對(duì)采用EST液體滲透分析儀進(jìn)行紙張的吸收性能和施膠度測(cè)試的方法與結(jié)果進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 儀器與原料

EST液體滲透分析儀：Emtec Electromic公司的EST分析儀（如圖1）利用測(cè)試液滲透時(shí)間和滲透后超聲波透過率的數(shù)值來表達(dá)紙張的吸收和滲透性能。

圖1 EST液體滲透分析儀

測(cè)試液：以IPA（濃度為17%的乙醇）為測(cè)試液體，可描述施膠紙的表面施膠程度和孔隙結(jié)構(gòu)。

紙樣：80g/m2復(fù)印紙、80g/m2銅版紙、80g/m2膠版紙。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在恒溫恒濕（濕度：50%±2%，溫度：23℃±2℃）條件下，借助雙面膠帶將樣品固定在樣品支架上，將樣品架浸入裝有試驗(yàn)液的測(cè)試容器里。在測(cè)試容器里，接受器的對(duì)面安裝了一個(gè)超聲波發(fā)射器，當(dāng)試樣接觸試驗(yàn)液時(shí)，發(fā)射器立刻發(fā)射穿過試樣的超聲波信號(hào)。在液體滲透的過程中，信號(hào)被反射、散射和接收，最終的信號(hào)變化記錄在接受器里，并根據(jù)信號(hào)變化由集成處理器計(jì)算試樣的吸收性能。測(cè)試原理示意圖見圖2，測(cè)試頻率為2 MHZ。

圖2 EST超聲波測(cè)試原理

2 結(jié)果與討論

2.1 不同紙張的粗糙度的測(cè)試分析

W值主要描述紙張粗糙度和表面透氣度，但也受表面施膠度的影響。根據(jù)曲線在基線以上面積的大小計(jì)算得到（見滲透曲線），如果試樣粗糙，則有較多的空氣夾雜在被測(cè)物表面，使得信號(hào)強(qiáng)度的增加率較小?！癢”值越高，則試樣物體的孔隙愈大。

本試驗(yàn)采用EST液體滲透分析儀和PPS粗糙度對(duì)3種紙樣的粗糙度進(jìn)行了測(cè)試（見圖3和表1）。

圖3 不同紙張粗糙度的測(cè)試分析

由圖3可知，銅版紙的粗糙度最小，紙張表面的孔隙最少；其次是復(fù)印紙，紙張表面較平整，孔隙較少；膠版紙的粗糙度最大，紙張表面的孔隙較多。這也與以上三種紙張的涂布量是相對(duì)應(yīng)的。

表1 紙張PPS粗糙度的檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，紙張PPS粗糙度與EST液體滲透分析儀測(cè)試的W值具有較好的相關(guān)性。

2.2 不同紙張的抗水性的測(cè)試分析

MAX（曲線到達(dá)最大值的時(shí)間點(diǎn)）通過內(nèi)置的微型計(jì)算機(jī)設(shè)備和PC計(jì)算，并在EST的顯示器或PC的軟件上顯示，主要描述被測(cè)物表面憎水性和表面施膠度。超聲波在不同物質(zhì)中的透過或吸收是不同的,這是因?yàn)槌暡▽?duì)物體的彈性模量變化非常敏感。彈性模量稍有變化,超聲波傳播就會(huì)受到影響。超聲波在空氣、液體、紙張中的傳播是不同的。從液體與紙張接觸瞬間開始，紙張孔隙中空氣的壓縮、排除,液體的滲透、吸收,纖維的潤脹，H—H鍵的斷裂及紙張組分的破壞等都會(huì)引起超聲波傳播振幅的變化[5]。在一定的時(shí)間（取決于憎水性）之后，水被纖維吸收，纖維結(jié)構(gòu)開始膨脹（t＝MAX）。同時(shí)，因?yàn)闅滏I被打斷，纖維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度下降。飽和后，由于纖維結(jié)構(gòu)的膨脹，干紙樣中的空氣和滲透進(jìn)的水都有空隙，空氣形成穩(wěn)定的氣體陷阱，散射超聲波降低了接收到的超聲波強(qiáng)度。因此，MAX值越小，表明紙張表面憎水性越強(qiáng)。

本試驗(yàn)采用EST液體滲透分析儀和Cobb法對(duì)3種紙樣的表面憎水性進(jìn)行了測(cè)試（見圖4和表2）。

圖4 不同紙張表面憎水性和表面施膠度的測(cè)試分析

由圖4可知，銅版紙的MAX值最小，紙張表面憎水性最好，其次是復(fù)印紙，膠版紙的MAX值最大，紙張表面憎水性最差。

表2 紙張Cobb法表面憎水性的檢測(cè)結(jié)果

由表2可知，紙張Cobb值與EST液體滲透分析儀測(cè)試的MAX值具有較好的相關(guān)性。

2.3 不同紙張的油墨吸收性能的測(cè)試分析

T95值是超聲波強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的95%時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。如果用IPA（濃度為17%的乙醇）作測(cè)試液體，它可描述施膠紙的表面施膠程度和孔隙結(jié)構(gòu)。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，認(rèn)為T95值能夠比較準(zhǔn)確反映紙張對(duì)測(cè)試液的滲透吸收性能。T95的數(shù)值越大，表示紙張對(duì)測(cè)試液的滲透吸收越慢，數(shù)值越小，表示紙張對(duì)測(cè)試液的滲透吸收越快。

本試驗(yàn)采用EST液體滲透分析儀和K&N油墨吸收法對(duì)3種紙樣的油墨吸收性能進(jìn)行了測(cè)試 （見圖5和表3）。

圖5 不同紙張表面吸收性能的測(cè)試分析

由圖5可知，銅版紙的T95值最小，紙張表面吸收性能最好，其次是復(fù)印紙，膠版紙的T95值最大，紙張表面吸收性能最差。并且3種紙樣的正面的吸收性能均好于反面，分析認(rèn)為與紙張正面的毛細(xì)孔隙較多，毛細(xì)管作用較大有關(guān)。

表3 紙張K&N油墨吸收法表面吸收性能的檢測(cè)結(jié)果

由表3可知，紙張K&N油墨吸收值與EST液體滲透分析儀測(cè)試的T95值具有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)論

3.1 EST液體滲透分析儀提供了一種可以快速精確測(cè)定紙張的施膠度及抗水性的方法，能分別反映紙張的表面憎水性和表面吸收性能。

3.2 EST液體滲透分析儀可以精確地測(cè)定紙張與測(cè)試液IPA的動(dòng)態(tài)作用過程，系統(tǒng)地反映接觸過程中空氣的壓縮、排出以及纖維的潤脹、吸收等。

3.3 EST液體滲透分析儀測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)試方法如PPS粗糙度、Cobb法、K&N油墨吸收法有較好的對(duì)應(yīng)性和相關(guān)性。

[1]陳永常主編，紙張、油墨的性能與印刷適性，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]向陽、王捷先、齊曉堃編著，印刷材料及適性，北京，印刷工業(yè)出版社，2000.

[3]Kocak S A，Heiningen A V，Bousfield D W.Influence of Fiber Swelling on CoatingPenetration[C].TAPPI2002 CoatingConference Proceedings，2002.

[4]BarkerL J， Proverb， R J， WasserR B.Surface Absorption Characteristics ofASA Paper:Wetting DynamicsUsing InkJet Ink and A queousHumectant Compositions[C].TAPPI1994 Papermakers Confeence Proceedings，1994.

[5]王玉瓏，曹振雷，王燕忠.應(yīng)用超聲波探測(cè)研究液體與紙張相互作用的動(dòng)態(tài)過程 [J].中國造紙，2007：3.

2011－4－25

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