顏家松，李 軒，周弋艷

（凱米拉（上海）管理有限公司，上海 201112））

涂布紙/紙板K&N值與油墨干燥速度及油墨需求相關(guān)性的研究

顏家松，李 軒，周弋艷

（凱米拉（上海）管理有限公司，上海 201112））

該文對(duì)不同條件下，如不同紙種、不同紙張勻度、不同壓光條件、不同膠粘劑及不同瓷土用量等的涂布紙印刷性能做了測(cè)試，考察了涂布紙K&N值與油墨干燥速度及油墨需求之間的相關(guān)性。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，K&N值與油墨干燥速度及油墨需求無(wú)必然相關(guān)性，多種條件改變時(shí)，K&N值不能預(yù)測(cè)相應(yīng)印刷性能的變化。對(duì)紙廠質(zhì)量控制而言，紙種不同，生產(chǎn)工藝改變，涂布紙印刷性能應(yīng)重新評(píng)估，K&N值監(jiān)控范圍應(yīng)重新建立。

K&N值；印刷性能；油墨需求；油墨干燥速度

在膠印和凹印過(guò)程中，油墨在紙面形成約1 μm厚的墨膜。同等墨色密度下，若所需油墨少，則紙張印刷更經(jīng)濟(jì)。對(duì)膠版印刷，Dalton證實(shí)用二次離子質(zhì)譜（secondary ion mass spectrometry，SIMS）和X射線光電子能譜（X-rayphotoelectron spectroscopy，XPS）能有效確定油墨成分在印刷紙張上的分布。根據(jù)對(duì)銅版紙膠版印刷的研究，發(fā)現(xiàn)油墨中的顏料沒(méi)有滲透進(jìn)涂層，而是留在表面，而油墨干燥速度快的涂料對(duì)表面油墨中的樹(shù)脂有一定消耗，這會(huì)影響最終的油墨光澤度[1]。Xiang等發(fā)表過(guò)多篇關(guān)于濾餅?zāi)Ｐ偷奈恼?。在模型中，油墨中的顏料粒子和?shù)脂因太大不能滲透進(jìn)更細(xì)的涂層孔隙中而留在表面。對(duì)印刷后涂層結(jié)構(gòu)變化的調(diào)查，油墨中樹(shù)脂層的形成會(huì)阻礙油墨粒子滲透進(jìn)粗的涂層孔隙中[2]。

K&N值常用來(lái)評(píng)估白色或近白色紙張?jiān)谝欢〞r(shí)間內(nèi)對(duì)油墨的吸收性能[3]。涂料配方不同，生產(chǎn)工藝等不同，涂布紙K&N值及印刷性能發(fā)生變化。一些終端客戶常將K&N值作為紙張質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一，認(rèn)為K&N值大，油墨干燥速度快，對(duì)紙張的油墨需求即印刷經(jīng)濟(jì)性更擔(dān)心。涂布紙印刷光澤度由紙面平滑度及油墨吸收性決定，而油墨吸收性主要由涂層孔隙度和涂布表面物理和化學(xué)性質(zhì)（表面孔隙個(gè)數(shù)、微孔直徑、油墨與涂層之間的接觸角、表面張力等）決定。各個(gè)紙廠，生產(chǎn)同一紙種，即使所用涂料配方和生產(chǎn)工藝不同，都能達(dá)到同一印刷光澤度目標(biāo)，而K&N值并不完全一樣，K&N低的約20～25，高的能達(dá)到35～40，因此，K&N值與印刷光澤度沒(méi)有必然聯(lián)系。

本文對(duì)不同條件下，如不同紙種、不同紙張勻度、不同壓光條件、不同膠粘劑及不同瓷土用量等的涂布紙印刷性能做了測(cè)試，重點(diǎn)考察了涂布紙K&N值與油墨需求及油墨干燥速度之間的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

涂布原紙，面涂瓷土，膠乳，涂布淀粉，以及抗水劑、潤(rùn)滑劑、增稠劑等取自客戶紙廠；95級(jí)重質(zhì)碳酸鈣（GCC），取自英格瓷（Imerys）；K&N值測(cè)試油墨（型號(hào)S-89-2），天津東洋油墨公司生產(chǎn)；IGT標(biāo)準(zhǔn)蹭臟測(cè)試油墨，由思百吉中國(guó)有限公司提供（用于評(píng)估油墨干燥速度及油墨需求）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

棒式涂布機(jī)，型號(hào)GBC-A4，Gist公司；壓光機(jī)（壓光輥組合為1只樹(shù)脂輥與1只電加熱不銹鋼輥），DT Paper Science Oy公司；白度儀，型號(hào)Technidyne CTP-ISO，久貿(mào)（貿(mào)易）上海有限公司；透氣度測(cè)試儀，型號(hào)L&W 166，Lorentzen&Wette公司；IGT印刷適性儀，型號(hào)AIC2-5 T2000，思百吉中國(guó)有限公司；色密度儀，型號(hào)TECHKON SpectroDens，Techkon GmbH公司。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 K&N值的測(cè)定

K&N值按GB/T 12911—1991測(cè)定。K&N值按式（1）計(jì)算：

式中：R0為涂油墨前試片表面綠光反射因數(shù)；R1為涂油墨后試片表面綠光反射因數(shù)；Rk為每批墨樣校正值（文中校正值為8）。

每批紙樣的K&N值為同等多個(gè)試片K&N值的平均值。

1.3.2 油墨干燥速度（油墨蹭臟）及油墨需求的測(cè)定

油墨干燥速度（油墨蹭臟）及油墨需求由IGT印刷適性儀測(cè)試，二者的測(cè)試結(jié)果均基于墨色密度達(dá)到1.7時(shí)對(duì)應(yīng)的值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同紙張勻度時(shí)K&N值、油墨干燥速度及油墨需求的變化

同樣為定量80 g/m2銅版紙，同樣涂料配方，因工廠濕部工藝波動(dòng)導(dǎo)致紙張勻度變化。圖1和圖2分別顯示了不同勻度的銅版紙K&N值及油墨需求和油墨干燥速度的變化（圖2中，油墨干燥速度由IGT標(biāo)準(zhǔn)蹭臟紙樣上干燥10 s后的色塊墨色密度表征，墨色密度數(shù)值大，干燥速度慢）。

圖1 不同勻度時(shí)銅版紙K&N值及油墨需求的變化

圖2 不同勻度時(shí)銅版紙K&N值及油墨干燥速度的變化

由圖1和圖2可見(jiàn)，不同勻度的銅版紙K&N值基本沒(méi)有差異，但油墨需求及油墨干燥速度差別明顯，即K&N值沒(méi)有反映出由原紙勻度差異導(dǎo)致的油墨需求及油墨干燥速度的變化。勻度不好的紙張，表面均勻性差[4]。油墨干燥速度及油墨需求的測(cè)試結(jié)果均基于墨色密度達(dá)到1.7時(shí)對(duì)應(yīng)的值，紙張表面油墨分布不均一，導(dǎo)致二者測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生變化，勻度好的紙張油墨需求低，油墨干燥速度更快，而勻度差的紙張，結(jié)果相反。

好的勻度帶來(lái)良好的紙張印刷性能。合理穩(wěn)定的打漿工藝能促進(jìn)成形，改善紙張勻度及紙機(jī)運(yùn)行性。濕部化學(xué)品的使用，如優(yōu)選的化學(xué)品組合、用量、添加方式和順序等，同樣能改善勻度。設(shè)備及工藝參數(shù)，如勻漿輥、流漿箱濃度、漿網(wǎng)速比和溫度等的優(yōu)化，也是紙廠常用改善紙頁(yè)勻度的方法[5]。

2.2 不同膠粘劑用量下不同紙種的K&N值、油墨干燥速度和油墨需求變化

表1顯示了在不同膠粘劑用量下不同紙種[機(jī)制涂布白卡紙（定量為300 g/m2）和實(shí)驗(yàn)室制輕定量涂布紙（定量為70 g/m2）]的K&N值、油墨干燥速度和油墨需求的變化。

表1 不同膠粘劑用量下不同紙種的性能變化

由表1可見(jiàn)：同紙種對(duì)比，膠粘劑用量降低，Gurley孔隙度下降，涂層結(jié)構(gòu)開(kāi)放，K&N值變大，油墨干燥速度加快，油墨需求基本不變或降低；而不同紙種之間對(duì)比時(shí)，K&N值大的反而油墨干燥速度慢，油墨需求也完全不同，與前述膠粘劑用量降低時(shí)變化規(guī)律相反。因此，K&N值的大小不適合用來(lái)判斷不同紙種之間油墨需求及油墨干燥速度的變化。

不同紙種，生產(chǎn)工藝及紙張性能不同。表1中涂布白卡紙與輕定量涂布紙定量不同，一般定量大的紙張更難控制勻度，而勻度對(duì)油墨干燥速度和油墨需求都有影響；面涂顏料不同，一般窄粒徑分布顏料所得K&N值會(huì)較大[6]；膠粘劑種類的不同也會(huì)產(chǎn)生影響，涂布白卡紙面涂用100%合成膠粘劑，而通常輕定量涂布紙面涂用一部分淀粉，總膠粘劑用量較高，膠粘劑種類和用量都影響油墨需求及油墨干燥速度；涂布方式、定量、涂布層數(shù)和壓光條件等都不同，多種因素交錯(cuò)影響K&N值以及相關(guān)印刷適性。

表2顯示了不同紙種[機(jī)制涂布白卡紙（定量為300 g/m2）、機(jī)制銅版紙（定量為80 g/m2）和實(shí)驗(yàn)室制輕定量涂布紙（定量為70 g/m2）]測(cè)定K&N值時(shí)R0及R1的差異。

表2 不同紙種測(cè)定K&N值時(shí)R0值及R1值的差異

由表2可見(jiàn)，不同紙種的R0值不相同，說(shuō)明紙張表面狀況不一樣，比較K&N值時(shí)也沒(méi)有共同比較起點(diǎn)。綜上，K&N值顯然不適合用于預(yù)測(cè)不同紙種油墨需求及油墨干燥速度的變化。

2.3 不同瓷土用量及不同壓光條件下涂布紙K&N

值、油墨干燥速度及油墨需求的變化

實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了3個(gè)配方（T1、T2和T3，分別指面涂（Top coating）配方1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)）驗(yàn)證不同瓷土用量及壓光條件對(duì)K&N值、油墨需求和油墨干燥速度的影響。

其實(shí)驗(yàn)條件為：T1、T2和T3所用瓷土用量分別為0、10和30絕干質(zhì)量份；涂料固含量和pH目標(biāo)分別為65%和9；為保持低剪切黏度為（64號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速100 r/min）1 200 mPa·s的目標(biāo)，合成增稠劑的用量相應(yīng)調(diào)整；實(shí)驗(yàn)室壓光條件為溫度50℃，壓力6 MPa，4遍?！癟2-壓光+”指對(duì)用T2配方涂布的紙，壓光時(shí)溫度和壓力進(jìn)一步提高，溫度從50℃提高到70℃，壓力從6 MPa提高到8 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同瓷土用量及不同壓光條件下的涂布紙性能

由表3可見(jiàn)，瓷土用量多，Gurley孔隙度升高。超細(xì)瓷土與95級(jí)GCC臨界顏料體積（Critical Pigment Volμme Concentration，CPVC）不同，通常細(xì)瓷土的CPVC約為43%，粗瓷土約50%，而GCC的CPVC在60%以上，CPVC越小，顏料間孔隙體積越大。用水銀注入法評(píng)估全瓷土及全GCC配方在涂層總孔隙體積上的差別，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是簾式涂布還是刮刀涂布，全瓷土配方都具有更大的總孔隙體積。這里瓷土用量多，Gurley孔隙度變大（更封閉），與理論上涂層孔隙體積大，涂層更開(kāi)放這一論點(diǎn)不對(duì)應(yīng)。原因可能是Gurley孔隙度測(cè)量的是空氣穿過(guò)整個(gè)涂布紙所需的時(shí)間，而瓷土為片狀粒子，粒子間的架橋效應(yīng)易形成孔隙空間，空氣在通過(guò)與紙面平行的片狀粒子時(shí)繞行的距離更長(zhǎng)，阻力更大。

圖3和圖4分別顯示了不同瓷土用量及不同壓光條件下，K&N值與油墨需求的變化和K&N值與油墨干燥速度的變化（圖4中，油墨干燥速度由IGT標(biāo)準(zhǔn)蹭臟紙樣上干燥10 s后的色塊R1值表征，R1值數(shù)值大，干燥速度快）。

圖3 不同瓷土用量及壓光條件時(shí)K&N值與油墨需求的變化

圖4 不同瓷土用量及壓光條件時(shí)K&N值與油墨干燥速度的變化

由圖3和圖4可見(jiàn)，瓷土用量增加，K&N值升高，油墨需求降低，油墨干燥速度加快。同樣配方（10絕干質(zhì)量份瓷土），一定范圍內(nèi)提高壓光溫度和壓力，K&N值不變，油墨干燥速度進(jìn)一步提高，油墨需求略增多，K&N值沒(méi)有反映出后二者的變化。一定范圍內(nèi)提高壓光溫度和壓力，涂層孔隙體積及微孔直徑均降低，更細(xì)的表面微孔導(dǎo)致更強(qiáng)的吸收作用占主導(dǎo)地位，可能是油墨干燥速度變快的原因[7]。Peter R發(fā)現(xiàn)同等壓光溫度（70℃）和壓力（10 000 N）下，當(dāng)壓光次數(shù)達(dá)到4次以上時(shí)，繼續(xù)增加壓光次數(shù)，紙張光澤度持續(xù)升高，PPS粗糙度持續(xù)下降，而涂層孔隙體積（由水銀孔隙率計(jì)測(cè)定，型號(hào)Autopore IV 9500）下降幅度不再明顯，且油墨干燥速度（油墨黏度形成法）基本不變。Peter R也發(fā)現(xiàn)同等壓光壓力（10 000 N）及壓光次數(shù)（10次）下，觀察測(cè)試油墨干燥時(shí)間20～90 s內(nèi)黏度的變化，發(fā)現(xiàn)壓光溫度50℃比70℃時(shí)的涂布紙油墨干燥速度更快，表面孔隙在更高壓光溫度下的封閉是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因[8]。壓光工藝影響紙面狀況及印刷性能，可以根據(jù)實(shí)際需要優(yōu)化壓光工藝，使紙張光澤度、平滑度、印刷光澤度和油墨干燥速度等之間達(dá)到最佳平衡。

油墨需求由印刷表面同等油墨用量下的墨色密度決定。ISO標(biāo)準(zhǔn)密度的計(jì)算值（不是直接測(cè)量值）是一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)離散間隔下光譜權(quán)重因子和光譜反射（或透射）因素的卷積[9]。反射回設(shè)備接收器（或人眼）的特定頻譜有色光越多，反射率越大，色密度越高。膠粘劑用量降低或瓷土用量增多時(shí)，涂層孔隙體積增加，油墨需求降低；而提高壓光溫度和壓力，孔隙體積下降，油墨需求升高。這2種情況下，涂層孔隙體積大，光散射系數(shù)高，對(duì)涂層表面膠印油墨的光散射同樣有幫助，可能是墨色密度提高、油墨需求降低的原因。

2.4 不同測(cè)試時(shí)間下的K&N值

由前述，測(cè)試不同紙種K&N時(shí)R0值和R1值都不同，說(shuō)明紙面光學(xué)性能影響K&N值。降低膠粘劑用量或增加瓷土用量時(shí)，涂層孔隙體積增加，K&N值升高，涂層的孔隙體積也影響K&N值。

圖5顯示了不同測(cè)試時(shí)間下的K&N值。

由圖5可見(jiàn)，對(duì)定量為300 g/m2涂布白卡紙，測(cè)試時(shí)間1～4 min內(nèi)，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，油墨越干燥，K&N值越高，說(shuō)明油墨干燥速度也會(huì)影響K&N值。而在一些情況下，當(dāng)生產(chǎn)工藝改變時(shí)，涂布紙R0值、孔隙體積和油墨干燥速度這三者都會(huì)改變。如瓷土用量從0絕干質(zhì)量份提升到30絕干質(zhì)量份時(shí)，R0值從83.33下降到82.72，孔隙體積升高，油墨干燥速度加快。K&N值本身是包括油墨干燥速度在內(nèi)的多因素作用后的產(chǎn)物，邏輯上不能由結(jié)果來(lái)確定多個(gè)影響因素中某一特定因素的變化。

圖5 不同測(cè)試時(shí)間下的K&N值

3 總結(jié)與結(jié)論

總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果：涂布紙勻度好，油墨需求低，油墨干燥速度快，而勻度差的紙張，結(jié)果則相反，K&N值沒(méi)有反映出原紙勻度差異帶來(lái)的油墨需求及油墨干燥速度的變化；一定范圍內(nèi)降低膠粘劑用量或增加瓷土用量時(shí)，涂層孔隙體積增加，K&N值升高，油墨干燥速度加快，油墨需求降低；同等配方提高壓光溫度（50℃提高到70℃）和壓力（6 MPa提高到8 MPa），涂層孔隙體積下降，K&N值不變，油墨干燥速度加快，油墨需求升高，推測(cè)特定條件下，涂層孔隙體積影響油墨需求，孔隙體積大，光散射增強(qiáng)，油墨需求降低；紙種不同，生產(chǎn)工藝不同，涂料配方等不同，多種條件改變時(shí)，K&N值不能預(yù)測(cè)相應(yīng)印刷性能的變化，其本身也受多因素影響。

由此，K&N值與油墨需求及油墨干燥速度無(wú)必然相關(guān)性。對(duì)紙廠質(zhì)量控制而言，紙種不同，生產(chǎn)工藝改變，涂布紙印刷性能應(yīng)重新評(píng)估，K&N值監(jiān)控范圍應(yīng)重新建立。

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Research of Correlation between K&N Value and Ink Drying Rate&Ink Demand of Coated Paper/Paperboard

YAN Jia-song，LI Xuan，ZHOU Yi-yan
（Kemira（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 201112，China）

This paper measured printability of coated paper/paperboardwith various conditions，such as different paper grades，different paper uniformity，different calender settings，different binder/clay dosage and so on，studied the correlation between K&N value and ink drying rate&ink demand particularly，found that the correlation was not inevitable，K&N value was not suitable to predict the corresponding change of printabilitywhen a variety of conditions changed.For quality control in paper mill，K&N value monitoring scope should be re-established，printability should be reassessed when production process had changed.

K&N value；printability；ink demand；ink drying rate

TS762.2

A

1007-2225（2016）05-0019-05

顏家松先生（1977-），凱米拉上海研發(fā)中心高級(jí)研究員；主要從事造紙涂料化學(xué)品的技術(shù)服務(wù)和研發(fā)；E-mail：samuel.yan@kemira.com。

2016-09-19（修回）

本文文獻(xiàn)格式：顏家松，李軒，周弋艷.涂布紙/紙板K&N值與油墨干燥速度及油墨需求相關(guān)性的研究[J].造紙化學(xué)品，2016，28（5）:19-23.