利用EST液體滲透分析儀對紙張施膠度和吸收性能的測試與分析

李 兵 高玉杰

（天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津，300222）

利用EST液體滲透分析儀對紙張施膠度和吸收性能的測試與分析

李 兵 高玉杰

（天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津，300222）

紙張的吸收性能決定著紙張對油墨的吸收能力，紙張的油墨吸收性能是影響印刷品質量的重要印刷適應性指標，為了能夠對紙張表面的吸收性能和孔隙情況進行準確地表征，本文利用EST液體滲透分析儀對復印紙、銅版紙、膠版紙正反面的滲透吸收性能進行了檢測和對比分析。結果表明，采用EST對紙張性能進行分析可以對紙張的施膠度和吸收性能提供數據參考。

EST 施膠度 吸收性能

紙張是一種多孔材料，由纖維網絡形成的孔隙是紙張吸收性能的基礎，紙張的吸收性能決定著紙張對油墨的吸收能力，紙張吸收性能越好，紙張對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孔對油墨中低黏度組分的吸收作用及油墨中某些組分向紙內滲透作用有關，決定著油墨印刷到紙張表面后的滲透量和滲透速率，進而，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量的重要印刷適性指標，準確評價紙張的油墨吸收性能并預測其對印刷品質量的影響，對印刷質量控制和紙張生產中產品質量的提高都具有十分重要的意義[2]。絕大多數紙張在加工和使用過程中都要與液體(油墨、水、有機溶劑等)接觸，發生滲透、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態過程直接決定最終產品的使用性能，對動態作用過程進行研究對于提高紙張質量具有非常重要的意義[3]。液體與紙張的相互作用的動態過程，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變化過程[4]。

因此，準確分析檢測紙張的吸收性能和施膠度進而分析紙張的油墨吸收性能就愈加必要，本文對采用EST液體滲透分析儀進行紙張的吸收性能和施膠度測試的方法與結果進行了研究。

1 實驗與測試

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）利用測試液滲透時間和滲透后超聲波透過率的數值來表達紙張的吸收和滲透性能。

圖1 EST液體滲透分析儀

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

紙樣：80g/m2復印紙、80g/m2銅版紙、80g/m2膠版紙。

1.2 實驗方法

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液的測試容器里。在測試容器里，接受器的對面安裝了一個超聲波發射器，當試樣接觸試驗液時，發射器立刻發射穿過試樣的超聲波信號。在液體滲透的過程中，信號被反射、散射和接收，最終的信號變化記錄在接受器里，并根據信號變化由集成處理器計算試樣的吸收性能。測試原理示意圖見圖2，測試頻率為2 MHZ。

圖2 EST超聲波測試原理

2 結果與討論

2.1 不同紙張的粗糙度的測試分析

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。根據曲線在基線以上面積的大小計算得到（見滲透曲線），如果試樣粗糙，則有較多的空氣夾雜在被測物表面，使得信號強度的增加率較小。“W”值越高，則試樣物體的孔隙愈大。

本試驗采用EST液體滲透分析儀和PPS粗糙度對3種紙樣的粗糙度進行了測試（見圖3和表1）。

圖3 不同紙張粗糙度的測試分析

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應的。

表1 紙張PPS粗糙度的檢測結果

由表1可知，紙張PPS粗糙度與EST液體滲透分析儀測試的W值具有較好的相關性。

2.2 不同紙張的抗水性的測試分析

MAX（曲線到達最大值的時間點）通過內置的微型計算機設備和PC計算，并在EST的顯示器或PC的軟件上顯示，主要描述被測物表面憎水性和表面施膠度。超聲波在不同物質中的透過或吸收是不同的,這是因為超聲波對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引起超聲波傳播振幅的變化[5]。在一定的時間（取決于憎水性）之后，水被纖維吸收，纖維結構開始膨脹（t＝MAX）。同時，因為氫鍵被打斷，纖維結構的強度下降。飽和后，由于纖維結構的膨脹，干紙樣中的空氣和滲透進的水都有空隙，空氣形成穩定的氣體陷阱，散射超聲波降低了接收到的超聲波強度。因此，MAX值越小，表明紙張表面憎水性越強。

本試驗采用EST液體滲透分析儀和Cobb法對3種紙樣的表面憎水性進行了測試（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結果

由表2可知，紙張Cobb值與EST液體滲透分析儀測試的MAX值具有較好的相關性。

2.3 不同紙張的油墨吸收性能的測試分析

T95值是超聲波強度為最大強度的95%時的時間點。如果用IPA（濃度為17%的乙醇）作測試液體，它可描述施膠紙的表面施膠程度和孔隙結構。通過對測試數據進行分析后，認為T95值能夠比較準確反映紙張對測試液的滲透吸收性能。T95的數值越大，表示紙張對測試液的滲透吸收越慢，數值越小，表示紙張對測試液的滲透吸收越快。

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

圖5 不同紙張表面吸收性能的測試分析

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，分析認為與紙張正面的毛細孔隙較多，毛細管作用較大有關。

表3 紙張K&N油墨吸收法表面吸收性能的檢測結果

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

3 結論

3.1 EST液體滲透分析儀提供了一種可以快速精確測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定紙張與測試液IPA的動態作用過程，系統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液體滲透分析儀測試結果與傳統測試方法如PPS粗糙度、Cobb法、K&N油墨吸收法有較好的對應性和相關性。

[1]陳永常主編，紙張、油墨的性能與印刷適性，北京，化學工業出版社，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.應用超聲波探測研究液體與紙張相互作用的動態過程 [J].中國造紙，2007：3.

2011－4－25

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