涂布紙/紙板K&N值與油墨干燥速度及油墨需求相關性的研究

顏家松，李 軒，周弋艷

（凱米拉（上海）管理有限公司，上海 201112））

涂布紙/紙板K&N值與油墨干燥速度及油墨需求相關性的研究

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性。測試發(fā)現(xiàn)，K&N值與油墨干燥速度及油墨需求無必然相關性，多種條件改變時，K&N值不能預測相應印刷性能的變化。對紙廠質量控制而言，紙種不同，生產(chǎn)工藝改變，涂布紙印刷性能應重新評估，K&N值監(jiān)控范圍應重新建立。

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。對膠版印刷，Dalton證實用二次離子質譜（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)對銅版紙膠版印刷的研究，發(fā)現(xiàn)油墨中的顏料沒有滲透進涂層，而是留在表面，而油墨干燥速度快的涂料對表面油墨中的樹脂有一定消耗，這會影響最終的油墨光澤度[1]。Xiang等發(fā)表過多篇關于濾餅模型的文章。在模型中，油墨中的顏料粒子和樹脂因太大不能滲透進更細的涂層孔隙中而留在表面。對印刷后涂層結構變化的調(diào)查，油墨中樹脂層的形成會阻礙油墨粒子滲透進粗的涂層孔隙中[2]。

K&N值常用來評估白色或近白色紙張在一定時間內(nèi)對油墨的吸收性能[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值作為紙張質量標準之一，認為K&N值大，油墨干燥速度快，對紙張的油墨需求即印刷經(jīng)濟性更擔心。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性質（表面孔隙個數(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，都能達到同一印刷光澤度目標，而K&N值并不完全一樣，K&N低的約20～25，高的能達到35～40，因此，K&N值與印刷光澤度沒有必然聯(lián)系。

本文對不同條件下，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試，重點考察了涂布紙K&N值與油墨需求及油墨干燥速度之間的相關性。

1 實驗

1.1 實驗原料

涂布原紙，面涂瓷土，膠乳，涂布淀粉，以及抗水劑、潤滑劑、增稠劑等取自客戶紙廠；95級重質碳酸鈣（GCC），取自英格瓷（Imerys）；K&N值測試油墨（型號S-89-2），天津東洋油墨公司生產(chǎn)；IGT標準蹭臟測試油墨，由思百吉中國有限公司提供（用于評估油墨干燥速度及油墨需求）。

1.2 實驗設備

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

1.3 測定方法

1.3.1 K&N值的測定

K&N值按GB/T 12911—1991測定。K&N值按式（1）計算：

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）及油墨需求的測定

油墨干燥速度（油墨蹭臟）及油墨需求由IGT印刷適性儀測試，二者的測試結果均基于墨色密度達到1.7時對應的值。

2 結果與討論

2.1 不同紙張勻度時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導致紙張勻度變化。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標準蹭臟紙樣上干燥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 不同勻度時銅版紙K&N值及油墨需求的變化

圖2 不同勻度時銅版紙K&N值及油墨干燥速度的變化

由圖1和圖2可見，不同勻度的銅版紙K&N值基本沒有差異，但油墨需求及油墨干燥速度差別明顯，即K&N值沒有反映出由原紙勻度差異導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試結果均基于墨色密度達到1.7時對應的值，紙張表面油墨分布不均一，導致二者測試結果產(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，結果相反。

好的勻度帶來良好的紙張印刷性能。合理穩(wěn)定的打漿工藝能促進成形，改善紙張勻度及紙機運行性。濕部化學品的使用，如優(yōu)選的化學品組合、用量、添加方式和順序等，同樣能改善勻度。設備及工藝參數(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[機制涂布白卡紙（定量為300 g/m2）和實驗室制輕定量涂布紙（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：同紙種對比，膠粘劑用量降低，Gurley孔隙度下降，涂層結構開放，K&N值變大，油墨干燥速度加快，油墨需求基本不變或降低；而不同紙種之間對比時，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變化規(guī)律相反。因此，K&N值的大小不適合用來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值會較大[6]；膠粘劑種類的不同也會產(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，多種因素交錯影響K&N值以及相關印刷適性。

表2顯示了不同紙種[機制涂布白卡紙（定量為300 g/m2）、機制銅版紙（定量為80 g/m2）和實驗室制輕定量涂布紙（定量為70 g/m2）]測定K&N值時R0及R1的差異。

表2 不同紙種測定K&N值時R0值及R1值的差異

由表2可見，不同紙種的R0值不相同，說明紙張表面狀況不一樣，比較K&N值時也沒有共同比較起點。綜上，K&N值顯然不適合用于預測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

實驗室設計了3個配方（T1、T2和T3，分別指面涂（Top coating）配方1號、2號和3號）驗證不同瓷土用量及壓光條件對K&N值、油墨需求和油墨干燥速度的影響。

其實驗條件為：T1、T2和T3所用瓷土用量分別為0、10和30絕干質量份；涂料固含量和pH目標分別為65%和9；為保持低剪切黏度為（64號轉子，轉速100 r/min）1 200 mPa·s的目標，合成增稠劑的用量相應調(diào)整；實驗室壓光條件為溫度50℃，壓力6 MPa，4遍?！癟2-壓光+”指對用T2配方涂布的紙，壓光時溫度和壓力進一步提高，溫度從50℃提高到70℃，壓力從6 MPa提高到8 MPa。

實驗結果見表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，瓷土用量多，Gurley孔隙度升高。超細瓷土與95級GCC臨界顏料體積（Critical Pigment Volμme Concentration，CPVC）不同，通常細瓷土的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，涂層更開放這一論點不對應。原因可能是Gurley孔隙度測量的是空氣穿過整個涂布紙所需的時間，而瓷土為片狀粒子，粒子間的架橋效應易形成孔隙空間，空氣在通過與紙面平行的片狀粒子時繞行的距離更長，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標準蹭臟紙樣上干燥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K&N值與油墨干燥速度的變化

由圖3和圖4可見，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，油墨干燥速度進一步提高，油墨需求略增多，K&N值沒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，更細的表面微孔導致更強的吸收作用占主導地位，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，當壓光次數(shù)達到4次以上時，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（由水銀孔隙率計測定，型號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，觀察測試油墨干燥時間20～90 s內(nèi)黏度的變化，發(fā)現(xiàn)壓光溫度50℃比70℃時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標準密度的計算值（不是直接測量值）是一定波長范圍內(nèi)離散間隔下光譜權重因子和光譜反射（或透射）因素的卷積[9]。反射回設備接收器（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，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 不同測試時間下的K&N值

由前述，測試不同紙種K&N時R0值和R1值都不同，說明紙面光學性能影響K&N值。降低膠粘劑用量或增加瓷土用量時，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顯示了不同測試時間下的K&N值。

由圖5可見，對定量為300 g/m2涂布白卡紙，測試時間1～4 min內(nèi)，測試時間越長，油墨越干燥，K&N值越高，說明油墨干燥速度也會影響K&N值。而在一些情況下，當生產(chǎn)工藝改變時，涂布紙R0值、孔隙體積和油墨干燥速度這三者都會改變。如瓷土用量從0絕干質量份提升到30絕干質量份時，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，邏輯上不能由結果來確定多個影響因素中某一特定因素的變化。

圖5 不同測試時間下的K&N值

3 總結與結論

總結以上實驗結果：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，結果則相反，K&N值沒有反映出原紙勻度差異帶來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，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，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，K&N值不能預測相應印刷性能的變化，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必然相關性。對紙廠質量控制而言，紙種不同，生產(chǎn)工藝改變，涂布紙印刷性能應重新評估，K&N值監(jiān)控范圍應重新建立。

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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)中心高級研究員；主要從事造紙涂料化學品的技術服務和研發(fā)；E-mail：samuel.yan@kemira.com。

2016-09-19（修回）

本文文獻格式：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性的研究[J].造紙化學品，2016，28（5）:19-23.