單張進紙膠版印刷中面涂顏料粒徑分布對尾端拉毛抗性的影響

通過生產(chǎn)規(guī)模單張進紙膠版印刷確定了研磨碳酸鈣（GCC）顏料粒徑分布對中試涂布紙尾端拉毛的影響；除了GCC顏料的種類、細度以及粒徑分布之外，還對涂料的固含量、膠粘劑用量、高嶺土使用以及壓光進行了評價。使用一種改進版和高黏油墨來評估以邊緣拉毛性能表征的表面強度，進而開發(fā)了一種專用方法。印刷測試方法提供了與所探討參數(shù)相關的差異，可將這些結果與油墨涂布相互作用、壓汞孔隙度測試的實驗室測試數(shù)據(jù)相關聯(lián)。膠粘劑減少，造成的抗拉毛性能的喪失，可以通過提升配方固含量到一定程度來補償這種損失。其他實驗室測試與觀測到的邊緣拉毛程度相關性不好。所用測試方法中，油墨-涂料相互作用通過時間函數(shù)確定，而這些測試方法能最好地評價顏料粒徑分布。

不含機木漿（WF）涂布紙通常采用單張進紙膠版（SFO）印刷機或者熱固卷筒膠版（HSWO）印刷機進行印刷。這2種工藝都涉及到了高黏油墨的使用；一般地，HSWO油墨的黏性比SFO油墨低。HSWO工藝的紙卷要穿過干燥部，與之相比，SFO印刷在沒有外部加熱的情況下完成印刷。SFO的油墨干燥分2個階段完成：第1階段為油墨轉移到紙上，第2階段為后續(xù)氧化干燥。

通常，SFO被認為是一種要求最為苛刻的印刷工藝。該工藝在高速下進行印刷，連續(xù)施加油墨和潤版液。在水性潤版液的存在下，涂層必須能夠多次承受黏性油墨的分離力。過快固著的油墨會導致涂層起毛，進而導致印刷機的污染以及運行受限，或者將不能滿足客戶印刷質量需求。有些情況下，由于分離力過高，將導致紙張分層。

降低涂布成本是當前不含機木漿涂布紙生產(chǎn)商最想解決的問題。在涂布過程中，顏料和膠粘劑的選擇必須能夠最好地平衡成本和質量。膠乳膠粘劑通常是影響涂布成本最大的組分；因此，優(yōu)化膠乳用量，使之降低到最低水平，將為降低成本提供重要機會。

前人的研究表明，可通過粒徑、溶解常數(shù)以及分子架構改性膠乳，進而顯著影響油墨在印刷機中的增黏以及涂層拉毛傾向。

本研究的重點為顏料變化及其對SFO印刷過程中孔隙結構、油墨固著特性以及尾端拉毛性能的影響。

1 實驗

1.1 中試涂布

進行的中試涂布機試驗的目的是為了生產(chǎn)具有一系列不同表面性能的雙涂紙，進而在SFO印刷試驗中產(chǎn)生不同程度的邊緣拉毛。在紙廠經(jīng)過預涂的不含機木漿的基紙上進行面涂。表1為測試點（TP）的總結[試驗采用了4種市售GCC顏料（包括一種窄粒徑分布的GCC——NPSD）和一種高光澤高嶺土]。

表1 試驗方案（面涂） w/%

采用單峰苯丙膠乳對2種膠粘劑用量進行了評價，其粒徑為140 nm，最低成膜溫度大約為10℃。選用膠粘劑用量相當?shù)汀?.5%質量分數(shù)——以便反映涂布紙生產(chǎn)商關于降低膠粘劑用量仍能帶來成本效益的承諾。將膠乳的用量降低到5%質量分數(shù)，可有效評估膠粘劑對商業(yè)印刷表面強度以及相應實驗室測得的表面性能的影響。在所有的測試點中，加入了合成增稠劑，以便獲得相近的布魯克菲爾德黏度（100 r/min時大約為1 000 mPa·s）。

中試涂布條件如下：（1）紙廠刮刀預涂基紙定量為78 g/m2；（2）車速為1 200 m/min；（3）噴涂，硬刮刀；（4）布魯克菲爾德黏度（100 r/min）為1 000 mPa·s；（5）單面涂布量為12 g/m2；（6）超級壓光（11個壓區(qū)，300 m/min，80℃，120 kN/m）。

試驗對下列參數(shù)進行了評估：顏料類型（GCC/高嶺土）；顏料（GCC）細度；顏料（GCC）粒徑分布；膠粘劑用量；固含量；壓光以及未壓光。

對于TP 1，為了獲得75%的紙幅光澤度，實驗對壓光條件進行了調整，而對于其他所有測試點，所用壓光條件一樣。

1.2 商業(yè)印刷試驗方法

重復的中試涂布機和印刷試驗過程，要能保證單張進紙印刷時易于產(chǎn)生尾端拉毛——這是一種發(fā)生在印刷區(qū)域與非印刷區(qū)域界面的典型印刷缺陷。在以這種紙為基紙的后續(xù)試驗工作中，我們采用了這種改進式印刷形式。

實驗選擇一種市售紙作為參比紙——這種紙為定量115 g/m2的光澤雙涂紙，由中試涂布試驗所用預涂紙的來源廠家提供。印刷測試在Manroland R 706 LTTLV（L=上光部，T=干燥部，V=延伸的輸送部）印刷機上進行，印刷速度為8 000張/h。實驗使用了6個印刷單元（油墨編號為K、C 1、M、Y、C 2以及名為“歐米亞藍”的藍色調油墨）和1個上光單元。前4種油墨的黏度特別高（油墨黏度為9.5～11，而標準油墨的黏度為7.5～10）。采用這些高黏油墨是為了使不同測試點之間的邊緣拉毛特性有所不同。在6個印刷單元之后，所有的紙幅都通過了上光單元（沒有上光涂劑），以便在印刷表面施加更多壓力。

所開發(fā)的方法對尾端拉毛表面強度要求很高。與現(xiàn)有標準相比，能夠在相對緩慢的印刷速度下進行測試，有足夠的時間讓所有測定點均獲得穩(wěn)定的測試條件。通過肉眼觀察印刷圖像的尾端拉毛程度，手動清理每個印刷裝置的橡膠墊，估計橡膠墊污染程度，進而對每個測試點進行評估。根據(jù)這些信息，不同測試點的尾端拉毛程度按照0～100的標尺分作了5類（Ⅰ～Ⅴ）。實驗對印刷條件進行了調整，使得參比紙張的尾端拉毛水平為中等（在標尺的50左右）。

下面為所分5個類別的有關規(guī)定。

Ⅰ：肉眼可見紙上拉毛；數(shù)個橡膠墊上的拉毛明顯可見，用手即可良好觸覺——這種狀況不可接受，必須更換紙張。

Ⅱ：專家肉眼可見紙上拉毛，或者使用放大鏡可見紙上拉毛；數(shù)個橡膠墊上拉毛明顯可見，用手即可良好觸覺——額外的清潔間歇，以及相應的準備時間延長。

Ⅲ：顯微鏡下明顯可見拉毛；多于一個橡膠墊上輕微拉毛可見，用手可觸覺——額外的清潔間歇，以及相應的準備時間延長。

Ⅳ：紙上沒有可見拉毛；所有橡膠墊有幾乎不可見的少數(shù)拉毛，但是用手可觸覺——高質印刷的潛在問題。

Ⅴ：紙上沒有可見拉毛；橡膠墊拉毛即不可見，用手也觸覺不到——高質印刷的潛在問題。

1.3 實驗室測試方法

在一臺Prüfbau印刷性能測試儀上評價抗干拉毛性能和抗?jié)窭阅堋Ｋ美珳y試油墨為408002（Nr 2，Michael Huber），所用壓力為150 N/cm。在干拉毛測試中，印刷速度從0～3 m/s，連續(xù)提升。對于濕拉毛測試，印刷速度以0.5 m/s的間隔提升，最高達到4.0 m/s，而潤濕和印刷之間的時間間隔為1 s。

使用IGT A 1印刷適性測試儀測量油墨蹭背性能——印刷速度為0.5 m/s，在印刷單元與計數(shù)印刷單元上的壓力均為200 N/m。使用吸收測試油墨520068（Michael Huber），計數(shù)印刷在150 g/m2WF紙上進行。計數(shù)時間分別為15、30、60、120、300和600 s。本文報告了60 s時的光密度。

使用了2種設備測量油墨增黏率（以時間函數(shù)表示），即紙和油墨穩(wěn)定性測試（P&I測試）和Deltack測試。在P&I測試中，使用了一種標準“快固”青藍油墨。通過計算所得曲線的斜率，可得到增黏率。在Deltack測試中，使用了熱固印刷油墨408020（Michael Huber）。

通過壓汞測試，獲得了孔隙尺寸分布數(shù)據(jù)（Autopore III壓汞孔隙測定儀）。所用最大水銀壓力為414 MPa——所對應的拉普拉斯喉徑為0.004 μm。每次提升所用水銀壓力后，平衡60 s。Pore-Comp軟件用于校正與水銀壓縮、透度計的膨脹以及樣品的可壓縮性相關的壓汞測量數(shù)據(jù)。

2 結果與討論

2.1 商業(yè)印刷的邊緣拉毛

圖1為根據(jù)邊緣拉毛程度的5個類別所得測試點分級（圖中，0代表最差的結果，而100代表最好的結果）。

圖1 根據(jù)邊緣拉毛程度分級

由圖1可見，含有7.5%質量分數(shù)的膠乳且固含量最高的GCC 95（細GCC）和最粗糙的GCC 60（TP 10）與其他測試點不同，其邊緣拉毛程度最低，而100%高嶺土配方（TP 8）所得結果最差。w（GCC）∶w（高嶺土）=50%∶50%的配方（TP 7）所得邊緣拉毛程度倒數(shù)第2差。

把膠粘劑降為5%質量分數(shù)，同時降低固含量，將顯著提升邊緣拉毛程度（TP 5和TP 6）。含有7.5%質量分數(shù)的膠乳且具有中等固含量的GCC 95（TP 2）和NPSD GCC（TP 9）所得結果最好。TP 9A為TP 9的未壓光版本。其他測試點居中。

圖2 壓光后孔隙尺寸分布

2.2 孔隙尺寸分布

圖2為樣品的涂層孔隙尺寸分布曲線（包括TP 9A未壓光曲線——短劃線）。

圖2證實了涂層孔隙結構多數(shù)為顏料細度的函數(shù)；顏料顆粒越細，孔隙越小。當使用100%質量分數(shù)細高嶺土時（TP 8），觀察到了峰值分別為0.06 μm和0.14 μm的雙峰孔隙結構。高嶺土/GCC 95混合物（TP 7）的主峰在0.09 μm。雖然高嶺土/GCC混合物的分布幾乎為單峰，但是曲線上在0.14 μm處仍有可見小峰。

GCC 95測試點（TP 1～TP 6）在約0.12 μm處出峰。TP 1～TP 3與TP 4～TP 6差別細微，這表明整體孔隙結構和固含量或者膠粘劑用量的變化幾乎無關。有研究報道，盡管膠粘劑用量較高，隨著膠乳用量上升，孔隙尺寸減??；在計算平均孔隙半徑（R50）時，發(fā)現(xiàn)只有當膠乳含量達到14%質量分數(shù)或者更高的時候，平均孔隙半徑才會下降。對于本研究所用的全合成配方，5%質量分數(shù)和7.5%質量分數(shù)膠粘劑的密封效應可能不足以使孔隙尺寸分布發(fā)生變化。

臨界膠粘劑體積分數(shù)（即膠乳完全覆蓋顏料顆粒時的膠粘劑體積分數(shù)）對應的膠乳用量為24%～27%質量分數(shù)。因此，當膠乳用量大約為10%質量分數(shù)（當前美國工業(yè)常常采用的用量）時，沒有足夠的膠粘劑對顏料顆粒進行有效覆蓋。當膠乳用量分別為7.5%質量分數(shù)和5%質量分數(shù)時，膠乳對顏料全表面的覆蓋率更不足，對孔隙尺寸分布的影響檢測不到。表明膠乳用量很低的情況下，孔隙體積減少量實際上可被忽略。

對于TP 9和TP 11（分別為NPSD GCC和GCC 90），峰值高于0.14 μm。NPSD GCC以生產(chǎn)高松厚度涂層而著稱，其體積貢獻較大，相應地分布較窄。最粗糙的顏料GCC 60（TP 10）的分布寬，在大約0.20 μm處有一小峰。

圖2中TP 9和TP 9A顯示了壓光對孔隙尺寸分布的影響（TP 9A為TP 9的未壓光版）。通過顏料顆粒排布以及膠乳膠粘劑的熔化流變，壓光使得表面更加光滑，使得涂層密實，孔隙體積減小。雖然結果顯示壓光使得孔隙尺寸分布向較小值方向移動，但是與顏料細度和顏料類型的影響相比，這種影響相對較小。此外，由于高嶺土為不等軸片狀顆粒，存在排列效應，所以含有高嶺土的涂料與純GCC涂料相比，其對孔隙尺寸分布的影響較大。

當膠乳量為7.5%質量分數(shù)時，可以假設溫度效應非常有限，而壓光的主要影響為重新排布顆粒。壓光后，較高平滑度可在較大面積上分散黏著力，而對于較為粗糙的未壓光表面，其載荷集中于較小區(qū)域（圖2中TP 9對TP 9A），因此可預期高平滑度表面的抗拉毛性能好于較為粗糙的未壓光表面。

2.3 油墨固著

圖3描述了油墨的固著性能，以油墨60 s時IGT蹭背測量來表示。

圖3 油墨的固著性能

圖3表明以下因素對較慢的油墨固著有貢獻（較小的斜率值）：（1）使用GCC替代高光澤高嶺土；（2）較為粗糙的顏料；（3）較高的固含量；（4）較高的膠乳用量。

NPSD GCC對邊緣拉毛或者油墨固著影響有限。這種GCC中細小成分少，這影響孔隙結構，使得油墨固著比GCC 95慢。但是，除了最小的顆粒之外，GCC 95的整體細度與NPSD GCC相當，這支持了這2種顏料具有類似油墨-涂料相互作用的結果。

2.4 油墨黏性

單張進紙膠版印刷工藝的表面強度主要與油墨-涂料的相互作用有關，或者說當紙頁通過印刷裝置的時候，油墨黏性如何快速增大。除了進行油墨固著測試之外（圖3），通過油墨黏性測試確定了油墨-涂料的相互作用。在油墨黏性測試中，油墨增黏以時間函數(shù)來表示。油墨增黏的水平和速率與涂料配方直接相關，其中顏料、膠粘劑和淀粉為影響最大的成分。

圖4為油墨黏度斜率（P&I測試）和油墨增黏速率的關系圖。

較細的顏料、減少的膠粘劑用量以及較低的固含量可獲得較陡的斜率（較高的數(shù)值）。同樣測試中，印刷失敗時通過的次數(shù)與斜率相關；較低的斜率意味著印刷失敗時通過的次數(shù)較多。換句話說，油墨和涂層之間的相互作用程度低，會導致印刷失敗時通過次數(shù)高，同時導致較為平緩的斜率。

與GCC 95（TP 2）[固含量（68%）和膠乳用量（7.5%質量分數(shù)）]相比，NPSD GCC（TP 9）的油墨增黏較快，而油墨固著速率相似。如壓汞測試所示，斜率差異可能源自NPSD GCC產(chǎn)生了比較開放的涂層。油墨黏性測試首先測量油墨內(nèi)部黏性分離，其次測定油墨黏度提升時的表面黏性。由于傳給油墨的力使之沉積在對面的紙頁上，可見油墨蹭背更是一種純粹的表面黏性現(xiàn)象。

圖5顯示了GCC 90、GCC 95和NPSD GCC的油墨黏性。

圖4 油墨黏度斜率和油墨增黏速率的關系

圖5 GCC 90、GCC 95和NPSD GCC的油墨黏性

與NPSD GCC相比，由于滲透性較差，油墨在GCC 95上的黏性較快升到最高點，而回落則較慢。圖5說明了這種現(xiàn)象。為了對比，GCC 90的油墨黏性曲線也包括在內(nèi)。NPSD GCC的滲透性更好，能夠讓油墨載體從油墨膜的內(nèi)部更快排出，使得黏性以較大的斜率上升，高于GCC 95和GCC 90的上升速度。GCC 95和GCC 90的黏性曲線相似，而GCC 90回落相對較慢——這反映了孔隙尺寸分布的差異（圖2）。

2.5 實驗室測試結果與邊緣拉毛的關系

圖6顯示了IGT光密度和邊緣拉毛（商業(yè)印刷紙）的相關性。

圖6 IGT光密度和邊緣拉毛的相關性

如圖6所示，油墨固著與商業(yè)印刷測試所得邊緣拉毛程度相關，只有2個測試點偏離了所得直線。

油墨黏性測試結果也表明：與其他實驗室測得的性能參數(shù)相比，如干拉毛（商業(yè)印刷紙）（圖8）或者濕拉毛（商業(yè)印刷紙）（圖9），它與邊緣拉毛（商業(yè)印刷紙）的相關性良好（圖7）。

圖7 P&I油墨黏性斜率對邊緣拉毛的相關性

圖8 干拉毛對邊緣拉毛的相關性

圖9 濕拉毛對邊緣拉毛的相關性

結果表明，對于敏感的實驗室模擬表面強度（定義為多色單張進紙膠版印刷中的尾端拉毛度），需要以時間函數(shù)定量油墨和涂層表面的相互作用。因此，當油墨稀釋液被吸入涂層時，表面強度就與油墨增黏速率相關。能使油墨增黏緩慢且黏性力低的涂層，其（邊緣）拉毛程度低——被認為具有高表面強度。油墨增黏速率與油墨固著速率相關，這進一步使之成為表面強度的一個良好指示器。

油墨固著和油墨黏性測定結果表明，對于邊緣拉毛度，涂層所具有的孔隙結構很關鍵，相應的顏料細度也很關鍵。細小的顏料所產(chǎn)生的涂層具有大量非常小的孔隙（微透氣度高），而這造成毛細管壓力高，油墨固著快速。較高的微透氣度（粒徑較小的顏料）也可能導致油墨在固著之前流平不足，因而減小印刷光澤度。含有高嶺土的配方造成邊緣拉毛度最高。該發(fā)現(xiàn)最有可能與高速油墨固著以及高嶺土比表面積大（例如高的膠粘劑需求量）且親水的特性有關。

2.6 孔隙尺寸、固含量和膠粘劑用量影響油墨-涂層的相互作用

壓汞測試提供了主體涂層中孔隙尺寸分布信息。主體孔隙尺寸主要與顏料的細度相關。涂料的顏料固含量以及膠粘劑用量確實影響油墨-涂層的相互作用；因此，這些參數(shù)的波動首先影響涂層外表面，而膠乳膠粘劑不影響涂層的總體結構。前人研究的掃描電鏡（SEM）結果表明，當膠乳從5%質量分數(shù)提升到7.5%質量分數(shù)時，GCC涂層表面的膠乳面積分數(shù)從約10%提升到了15%，而涂層主體（橫截面）中幾乎檢測不到膠乳。當膠粘劑用量高過10%質量分數(shù)后，會封堵大量原有的孔隙，進而影響涂層總體結構，結果造成孔隙尺寸減小，油墨固著速率減慢。

當膠乳用量低（分別為5%質量分數(shù)和7.5%質量分數(shù)）時，膠乳對油墨-涂層相互作用的影響主要由化學品的特性（極性）決定，有可能并非是引入重大物理屏障防止油墨滲透的結果。

3 結論

與含有高嶺土的涂層相比，含有GCC的涂層會帶來較慢的油墨固著速率，進而改善了尾端拉毛性能。對于本研究中的各種條件，涂層的孔隙結構是影響油墨固著速率的主要因素。

雖然壓光使得孔隙尺寸分布略向較小數(shù)值轉移，但是顏料粒徑分布是決定孔隙結構的主要參數(shù)。油墨固著速率以及油墨增黏加快，可反映出較細小的顏料產(chǎn)生了較小的孔隙，而這相應地與印刷過程造成的尾端拉毛度相關良好。干拉毛和濕拉毛測試結果與邊緣拉毛度相關性不大。

孔隙尺寸分布曲線不能反映膠粘劑用量以及涂料固含量的變化。盡管如此，膠粘劑用量降低和涂料固含量減少都造成油墨固著速率提升，且邊緣拉毛抗性減弱。因此，最大化涂料固含量在某種程度上可補償減少膠粘劑用量造成的拉毛強度損失，從而使得印刷性能可為商業(yè)所接受。

印刷機上邊緣拉毛度和油墨固著以及實驗室所得油墨黏性測量值相關性好，這表明以時間為函數(shù)的油墨和涂層表面相互作用的定量可在實驗室規(guī)模敏銳地評估涂布紙在多色單張進紙膠版印刷過程中的表面強度。

（李海明編譯）

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