1水基墨紙張凹印的紙張變形､表面平滑度和墨膜pH值變化原理

1.1 水基墨紙張凹印的紙張變形､表面平滑度

凹版印刷是一種接觸式印刷,油墨是從凹孔轉(zhuǎn)移到紙張上的,凹版滾筒的凹孔寬度范圍約為15~250μm。所以,適宜的凹版印刷適性較大程度上取決于承印材料的平滑度､線度穩(wěn)定性和可壓縮性。由于紙張與印版滾筒接觸壓印前,印版經(jīng)歷了刮墨刀的刮墨作用,凹孔內(nèi)墨面成凹月面形狀而使油墨轉(zhuǎn)移比膠印更復(fù)雜。所以,紙張表面凹陷､粗糙等缺陷都影響了此部位油墨的正常轉(zhuǎn)移,產(chǎn)生網(wǎng)點變形或脫墨(白點)。

在水基墨的紙張凹印過程中,由于轉(zhuǎn)印到紙張上的水基墨中的水在紙張內(nèi)的滲透和分子擴(kuò)散,使纖維吸水膨脹而產(chǎn)生纖維之間的位移,致使紙張尺寸伸展變化,同時導(dǎo)致表面粗糙度的增加。吸濕變形和表面粗糙度的增加將對水基墨紙張凹印印刷質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響,因此充分掌握紙張的吸濕變形特性及吸濕規(guī)律,對減少因這特性而引起的故障具有一定意義。

影響紙張變形的主要因素是紙漿的種類､施膠度和紙漿原料的類型與配比等。例如,草類漿料纖維長度較短,戊糖含量較高,雜細(xì)胞較多,纖維結(jié)構(gòu)疏松,其尺寸的穩(wěn)定性低于木漿。除了紙料對其有影響外,合理的打漿度也對其有影響。適當(dāng)提高漿料硬度,降低半纖維素含量,采用合適的漂白工藝,加強(qiáng)漿料洗滌,減少雜細(xì)胞含量等都可控制成紙的伸縮率。此外,紙張的變形與纖維壁的厚度､含水量和紙張的加熱情況有關(guān)。

1.2 水基墨與紙張表面接觸時的酸堿反應(yīng)(pH值變化)

在印刷過程中,水基墨水相的pH值的變化不僅會影響轉(zhuǎn)移到紙面的墨膜中水分的釋放和粘滯性改變,而且會影響墨膜的干燥和印刷穩(wěn)定性。并且水基墨凹版印刷中紙張與水基墨的pH值之間的差值越大,這種變化越大。

基于水基墨及紙張的組成成分[3],很容易從實驗上驗證當(dāng)將非常薄的一層水基墨涂于紙的表面,墨膜的pH值在接觸紙面的一秒鐘內(nèi)就發(fā)生了改變。pH值變化的原因是在墨紙的接觸瞬間所起的酸堿反應(yīng),酸堿反應(yīng)對油墨在紙張表面擴(kuò)散有很大影響,進(jìn)一步講,能否使油墨溶解/分散時的pH值保持穩(wěn)定是獲得良好印刷品必需具備的條件。在使用水基墨時pH值一般控制在8.5~9.5之間,若超出這個范圍,就會影響印刷適性。在印刷過程中,可用pH值穩(wěn)定劑(水基墨助劑)進(jìn)行調(diào)整,保持油墨印刷適性和pH值的穩(wěn)定。

1.2.1 酸堿反應(yīng)及pH值穩(wěn)定性曲線圖

與任何印刷過程相同,紙張凹版印刷的印刷適性好壞關(guān)鍵在于紙張與油墨之間的物理化學(xué)反應(yīng)。濕油墨的擴(kuò)散､油墨的調(diào)整及干燥都直接受這些反應(yīng)的影響。使用水基墨進(jìn)行印刷時,水十分容易和包括纖維素､粘接劑以及填充劑等在內(nèi)的紙的所有成分發(fā)生物理反應(yīng),這些反應(yīng)最明顯的影響就是紙張的皺折(表面及體積)。另外還有化學(xué)作用,其中最顯著的是水溶液階段的pH值變化(酸堿反應(yīng))。由于含有聚合物(連結(jié)料､助劑等)的水基墨通常對pH值十分敏感,水相中任何pH值的變化都會對油墨的擴(kuò)散及穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響,導(dǎo)致聚合物/色料析出､含水量變化､粘度增加等問題的產(chǎn)生。酸堿反應(yīng)的過程很快,它受水滲透到紙張內(nèi)部的速度以及紙向油墨擴(kuò)散的酸離子兩方面的控制。墨膜pH值與油墨印刷適性穩(wěn)定性間關(guān)系如圖1所示。當(dāng)油墨轉(zhuǎn)移到酸性紙張時,隨著油墨在紙張上的擴(kuò)散和水分的釋放,紙面上墨膜的pH值會下降到穩(wěn)定性極限之下,造成油墨印刷適性的不穩(wěn)定。

1.2.2 pH值變化及影響因素

印于紙上的油墨層中pH值平衡狀態(tài)如圖2所示[3]。實驗中使用兩種水基墨,一種為酸值高的,pH值低;另一種為酸值低的,pH值高,所使用的紙為A型超級壓光紙(SCA)。由圖2可以看出,當(dāng)與紙表面接觸的瞬間,油墨層中的pH值發(fā)生改變,大約100 ms后,pH值變化的速率明顯減慢。理論上,水基墨與紙接觸的瞬間,其液體部分就滲入到紙張里。水相與紙的成分之間發(fā)生酸堿反應(yīng),導(dǎo)致pH值改變。具體地說,水基墨擴(kuò)散的過程中氫離子釋放,使pH值降低,油墨粘度等發(fā)生變化,從而使油墨滲入紙內(nèi)的速度變慢,這就形成了pH值變化的動態(tài)特性。

若知道系統(tǒng)中所含無機(jī)酸的擴(kuò)散系數(shù),就可估計氫離子滲透到墨層所需的時間,墨層的厚度通過號杯量度(May Bar)確定。對擴(kuò)散系數(shù)做精確的確定是十分難的,同樣,確切地得出滲透擴(kuò)散的時間也是很難的。然而,油墨層中pH值改變所經(jīng)歷的時間大致上與擴(kuò)散的時間一致。可以用文獻(xiàn)[4]中引述的10^-5cm²/s量級做粗略估計。計算出在1s內(nèi),滲入1μm油墨層的酸基數(shù)目,以及氫離子擴(kuò)散到油墨層所需的時間,其結(jié)果大約為幾毫秒的時間。換言之,pH值變化的速率是由酸離子擴(kuò)散的數(shù)目及時間決定的,并且酸離子擴(kuò)散的數(shù)目､速率又取決于水相滲透到紙中的速率和油墨與紙的成分相互作用的速度。總之,油墨中的酸離子的擴(kuò)散基本控制了pH值變化的整個過程。再觀察一下pH值與時間關(guān)系圖,可知高酸值和低酸值的水基墨所顯示的pH值與時間曲線有著顯著不同。曲線表明,油墨中高聚物的酸值越高,它的緩沖能力和抵抗pH值改變的能力就越大,也就更容易保持pH值穩(wěn)定,這一點對紙張水基墨凹印是很有利的。

1.2.3 酸堿反應(yīng)(pH值變化)對印刷適性的影響

顯然,在水基墨穩(wěn)定性范圍之內(nèi),pH值下降一個點,將會對油墨在紙張上擴(kuò)展的特性有影響。為了觀察pH值對油墨擴(kuò)散和穩(wěn)定性的影響,文獻(xiàn)[3]對兩種高聚物:一種是在pH值5~7范圍內(nèi)變化敏感的改性聚酯,另一種是在整個pH范圍內(nèi)都敏感的水溶液進(jìn)行了研究。研究表明,丙烯酸樹脂對pH值在6~8以內(nèi)的改變是敏感的,而聚酯對pH值改變很寬的范圍內(nèi)不敏感。這說明這些高聚物在涉及到被紙基吸收的問題上表示出十分不同的行為。而且,對pH變化敏感的高聚物滲入紙張的速度比對pH變化不敏感的高聚物慢得多。所以,目前水基墨中的連結(jié)料多采用水溶性丙烯酸共聚樹脂。

墨層與紙之間的酸堿反應(yīng)的動態(tài)關(guān)系對于油墨在紙制品中的擴(kuò)散及油墨的穩(wěn)定性十分重要。當(dāng)紙張與油墨剛接觸的瞬間,紙表面僅有有限量的酸物質(zhì)與油墨層發(fā)生反應(yīng),更多量的酸物質(zhì)以液相滲入紙中。這種滲透剛開始較慢,隨著時間增加而加快。這種現(xiàn)象被稱為“潤濕滯后性”或“滲透滯后性”。這種“滯后性”減慢了酸堿作用(pH值變化)的時間。完全中和墨層所需的酸量取決于墨層厚度,就像取決于緩沖劑所起的緩沖能力一樣。例如,高酸值高聚物將消耗更多紙的酸度。作為水基墨印刷的膠印物———紙張必須具有合適的酸堿度,這樣才會使油墨的干燥時間適當(dāng),同時又能適當(dāng)?shù)刈柚辜垙垖τ湍^快吸收,從而破壞墨層的光澤度。而且可在油墨配方中加入緩沖劑來改變油墨的擴(kuò)散性能。

由以上實驗可知,酸堿反應(yīng)將使印在紙面的水基墨的pH值下降,pH值下降對油墨的紙面擴(kuò)展和水的釋放有很大的影響。而且pH值的降低發(fā)生得十分快,其速率是由從紙張向油墨層擴(kuò)散的酸離子數(shù)目和時間控制的;與油墨層接觸時,紙張中的酸離子產(chǎn)生速率及數(shù)量取決于水相滲透到紙中的速率和油墨與紙的成分相互作用的速度,且酸堿反應(yīng)決定于油墨中的水分滲入到紙基中的過程;在油墨擴(kuò)散過程中,酸堿反應(yīng)的影響僅次于摻在油墨中表面活性劑所產(chǎn)生的影響。油墨與紙張的pH值相差越大,酸堿反應(yīng)促進(jìn)油墨擴(kuò)散就越是有意義。而且油墨的顆粒越小,油墨在紙表面的擴(kuò)散就越快;高聚物中酸值越高,它的緩沖能力和抵抗pH改變的能力就越大。

2 紙張變形､表面平滑度與墨膜 pH變化處理工藝

2.1 單張紙凹印的調(diào)濕處理

    紙張的變形受很多因素的影響,其實質(zhì)就在于含水量的變化。為了使紙張的含水量在整個紙面上保持一致,并且與印刷的相對濕度相適應(yīng),同時也為了降低紙張對外加環(huán)境溫濕度的敏感程度,提高紙張尺寸的穩(wěn)定性。利用紙張吸濕滯后效應(yīng)[1],采用調(diào)濕處理方法進(jìn)行解決。由于高濕法采用先讓紙張纖維吸收較多的濕分,使紙張得到充分的伸長,然后再降低濕度,使紙張在調(diào)濕后獲得與車間相同的濕度,這樣就能使紙張的吸濕滯后效應(yīng)更充分地表現(xiàn)出來,以致于在水基墨紙張凹印中,紙張不再吸收過多的水分而伸長,保持相對穩(wěn)定性(見圖3)。所以說,在單張紙水基墨凹印中,使用經(jīng)高濕法調(diào)濕處理的紙張來印刷,在一定程度上減少因紙張吸水變形而引起的印刷故障。

圖中A表示紙張調(diào)濕到含水量為3.8%,印刷后的紙張含水量的變化;B表示紙張調(diào)濕到5.2%,印刷后紙張含水量的變化;C表示紙張調(diào)濕到5.7%,印刷后紙張含水量的變化;D為紙張調(diào)濕到含水量為6.2%,印刷后紙張含水量的變化。

紙張的含水量與環(huán)境溫度有關(guān),它隨溫度增加而減少,近似直線關(guān)系。所以,除了上述調(diào)濕處理外,在套印過程中,應(yīng)使得紙張的含水量變化不超過±0.1%,否則影響套印的準(zhǔn)確性,車間溫度的變化以不超過±3℃為宜。

2.2 紙內(nèi)施膠度處理

在紙制品上進(jìn)行水基墨凹印,最常見的問題是因水基墨含水量高而引起的紙張皺折以及因油墨與紙張成分變化而引起的不良印刷適性,產(chǎn)生諸如紙張光澤度､平滑度､可壓縮性､粗糙度､印刷平整度､印刷密度等的變化。例如,在水基墨凹印過程中,由于紙張纖維吸濕膨脹,紙張表面粗糙度上升。此現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于油墨中的水向紙內(nèi)滲透和水分子的擴(kuò)散而引起的,而且這兩個過程的加快導(dǎo)致紙品應(yīng)力松馳和纖維膨脹,其實質(zhì)是與紙的吸濕性大小相關(guān)的。紙的吸濕性大小與制漿造紙時的方法有關(guān),由實驗知,化學(xué)制漿造的紙比機(jī)械制漿造的紙有較小的吸濕性。同時,若對磨木漿和化學(xué)木漿纖維進(jìn)行減少纖維膨脹度的處理,也可降低它的吸濕性。而紙內(nèi)施膠提高紙張的疏水性是另一個降低紙張吸濕變形的有效方法。

內(nèi)部施膠是將使比表面自由能較低的施膠劑加在紙漿中進(jìn)行混合,經(jīng)過膠料沉淀后,均勻分布并附著在纖維表面,形成非極性表面,使暴露于大氣的極性纖維表面減少,以提高憎液性能。這是通過減少纖維吸附､降低毛細(xì)滲透和平面內(nèi)擴(kuò)散速度使其變得更疏水來產(chǎn)生效果的。但是,施膠度要適當(dāng),過高的施膠會引起過高的疏水性,從而產(chǎn)生油墨轉(zhuǎn)移問題。

通常用光澤度､粗糙度､平整度､印刷密度等幾種外觀標(biāo)準(zhǔn)來定量衡量由內(nèi)部施膠水平值高低而產(chǎn)生的印刷適性變化情況。

未涂布紙是指由抄紙機(jī)在受控制情況下進(jìn)行不同程度的紙內(nèi)施膠制成的紙,它具有超級壓光紙的特性。在用水基墨凹印時,除了添加磨木漿制成特定的紙外,所有的紙都不含磨木漿。實踐表明,不含磨木漿的紙張隨著施膠度的增高(疏水性增大),其物理特性僅有很小的變化。光滑度與可壓縮性都沒有變化,雖然表面光滑度隨施膠度不斷上升而增加,但印刷密度還是持續(xù)上升直到膠質(zhì)含量達(dá)到一個相當(dāng)水平。過了這個臨界點,開始隨著膠質(zhì)的繼續(xù)上升而下降。例如,由化學(xué)牛皮紙漿制成的紙隨著施膠度的上升,表面平整度僅有輕微的不到10%的下降。雖然紙的物理特性只表現(xiàn)出很小的變化,但紙張的印刷適性卻有較大的差異。不含磨木漿的紙張的表面光滑度隨著施膠度的增長而增長,然而當(dāng)膠質(zhì)含量達(dá)到一定水平時,紙面的光滑度就隨之下降。此外,隨著施膠度的提高,印刷平整度(實地印刷的脫墨區(qū)域)也有較大的增長。當(dāng)紙張的疏水性持續(xù)上升至超過某一臨界點時,由于印刷平整度過高,油墨與紙張的潤濕性變差,使得紙面的持續(xù)吸濕和油墨的有規(guī)律擴(kuò)散變得不可能,形成較多的空穴(不含磨木漿的紙的空穴數(shù)量是含有磨木漿的紙的兩倍),在小空穴區(qū)域液態(tài)油墨難以流入及形成實地墨層區(qū),這種缺陷以“龜紋”呈現(xiàn)出來(所以一旦出現(xiàn)這種“龜紋”,則說明此時油墨在紙面上的擴(kuò)散已處于不良狀態(tài)),從而使印刷密度顯著下降。很顯然,當(dāng)紙張變得疏水性極強(qiáng)時,也就是紙內(nèi)施膠度超過一定的適可范圍時,水基油墨在紙張表面的分布就會十分不平整,導(dǎo)致圖像質(zhì)量極差。

通過對印刷品的實地區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)觀察可定性地得出如下結(jié)論:在紙內(nèi)施膠度較高時,不僅加網(wǎng)區(qū)域存在缺陷,而且脫墨處也變形了,這表明紙基的表面膠質(zhì)覆蓋不均勻。造成此缺陷的原因來自于紙的潤濕性差,水基墨在疏水性高的紙表面上鋪展不均勻。此問題可通過改變油墨在紙張上的動接觸角來調(diào)整。含有磨木漿的紙具有以下性質(zhì):顯著的纖維膨脹,低的印刷密度。

2.3 墨膜pH變化處理

對水基墨與紙張表面接觸時的酸堿反應(yīng),應(yīng)作如下工藝處理:

1)選擇pH值相近的紙張與水基油墨;

2)選擇含有酸值較高的高聚物構(gòu)成的水基油墨,因為它的緩沖能力和抵抗pH改變的能力比酸值較低的大;

3)選擇含有對pH敏感的高聚物構(gòu)成的油墨,因其滲入紙張的速度比對pH不敏感的高聚物慢得多。

4)在水基墨凹印中,酸堿性對顏料或油墨顯色有一定的影響,因此一般選擇耐酸耐堿的油墨。

5)為了提高干燥速度,在制版時,要求印版的深度比溶劑型的版子淺些,設(shè)計精度要高些。

3結(jié)論

綜上所述,為了獲得良好的印刷特性及印刷質(zhì)量,紙張､油墨特性及印刷條件必須協(xié)調(diào)。如果能取得它們各自的最佳狀態(tài),那么在紙張上進(jìn)行水基墨凹印的印刷質(zhì)量可以與溶劑型油墨凹印相比。從以上研究分析可以得出單張紙水基墨凹版印刷的工藝要點:首先,從紙的角度來說,要選用無磨木漿的紙,同時采用對紙進(jìn)行內(nèi)部施膠的紙張,達(dá)到印刷紙張具有一定程度的疏水性。然而,當(dāng)疏水性超過某一值時,印刷質(zhì)量的退化會非常快,即油墨擴(kuò)散厲害､圖像失真､印刷密度降低等,因此必須控制好,不可超過這一臨界值。控制好印刷環(huán)境的溫濕度變化,相對濕度保持在55%~60%以及18~20℃的溫度,溫度變化在±3℃。在進(jìn)行印刷之前,用高濕法調(diào)濕,以減少紙張在印刷過程中的含水量變化。其次,從紙張與油墨接觸時所發(fā)生的酸堿反應(yīng)的角度來說,紙張與油墨之間酸堿反應(yīng)會使大量的水滲入到紙基中,為了減少紙張變形,在印刷過程中,在允許范圍內(nèi)盡量使紙張與油墨的pH值接近些,即用堿性紙印時,油墨的pH值多半控制在9左右。同時使用顆粒小的油墨,這樣對油墨在紙張上擴(kuò)散有利。除此之外,為了提高干燥速度,在制版時,要求印版的深度比溶劑型的版子淺些,設(shè)計精度要高些。

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