铜版纸和涂布白卡纸平版胶印印刷质量的影响因素

李 洒 臧永华 许 英 孙建艇

(天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

铜版纸和涂布白卡纸平版胶印印刷质量的影响因素

李 洒 臧永华 许 英 孙建艇

(天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

铜版纸和涂布白卡纸是高档印刷品的主要承印介质。印刷过程中经常发现不同品牌甚至同一厂家不同批次的纸张印刷质量呈现出很大差异。本文通过分析单张胶印中油墨与纸张的相互作用,讨论了引起印刷缺陷的原因,包括油墨干燥不良、掉粉、水干扰与逆传递印刷色斑等,提出造纸厂家及印刷工作者应该采取的根治或减轻不同印刷缺陷的措施。

铜版纸;涂布白卡纸;平版胶印;色斑;印刷适性

高光铜版纸具有表面光滑平整、白度和光泽度高等特点,在色彩和色调再现方面效果突出,被广泛用来印刷画册、标贴、年历、广告、公司年度报告等高档印刷品。传统上铜版原纸主要由漂白化学浆 (含量大于 90%)抄造而成,近年来漂白高得率浆 (特别是 BCT MP)的含量有逐渐增加的趋势[1]。

涂布白卡纸定量一般大于 224 g/m2、厚度大于250μm。由于具有良好的挺度,涂布白卡纸通常用来制作高档商品 (如香烟、药品、化妆品)的包装纸盒。随着近年来部分消费者把包装纸盒的精美程度等同于商品本身的质量,各名牌商品制造厂家越来越重视包装制品的促销功能,从而促使造纸和印刷企业对涂布白卡纸的印刷适性提出了更严格的要求。

铜版纸和涂布白卡纸可采用多种不同的印刷工艺,包括单张平版胶印、凹版印刷、卷筒柔印等。一般认为柔版印刷具有总体加工成本较低的优势,但是,柔版印刷由于树脂印版的可压缩性而容易造成网点扩大。凹版印刷具有卓越的印刷质量,但其昂贵的印版造价,使得凹版印刷一般只适用于大批量产品(如烟标)的印刷。平版胶印由于其低廉的印版造价和较卓越的印刷质量而成为纸盒加工的主流印刷工艺。在实际生产中,为了满足客户对于成本和质量的不同需求,许多纸盒加工厂可能同时具备采用不同印刷工艺制盒的能力。根据纸板包装杂志 (Paperboard Packaging)的年度调查[2],2004年,美国的纸盒加工厂中,85%具有平版胶印能力,37%提供柔版印刷服务,19%提供凹版印刷或者其他印刷服务。近年来发展迅速的计算机直接制版与调频加网技术使得平版胶印工艺的优势更加明显。

1 平版胶印工艺

1.1 平版胶印工艺

平版胶印是目前占主导地位的印刷工艺,其产值占我国印刷工业总产值的 42%[3-4]。与其他传统工艺相比,平版胶印主要有以下特点[5-7]。

(1)平面印版。胶印印版的图文部分和空白部分几乎在同一平面上 (一般相差 5μm左右),图文部分在印版表面可以凸出也可以凹下。

(2)水墨双液体系。根据“油水互斥”的原理,在同一平面的印版上构成亲油疏水的图文部分和亲水疏油的空白部分。印版可以采用计算机直接制版,方便快捷,且分辨率高。

(3)间接印刷。胶印印版上的油墨不直接传递给纸张,而是先通过弹性体的橡皮辊筒进行转印。橡皮辊筒表面所包裹的橡皮布有两个特性:一是主要由非极性材料橡胶构成,以保证最大限度的吸附油墨并转移油墨,最小限度的吸附水分;二是橡皮布的弹性变形使油墨和纸张能够在印刷压力下充分接触,从而使印迹清晰、网点扩大较小。

(4)网点成色。胶印产品在墨层厚度一定的情况下呈现色彩变化。通过网点面积覆盖率的大小,再现图像的阶调层次;通过网点的并列、叠合,再现印刷品丰富的色彩。

1.2 单张胶印和卷筒胶印

依据纸张输送方式的不同,平版胶印经常被区分为单张胶印 (Sheet-fed Offset)和卷筒胶印 (Web Offset)工艺。单张胶印是铜版纸和涂布白卡纸最主要的印刷方式。

单张纸胶印机印刷速度 (通常在 2 m/s左右)一般大大低于卷筒印刷机 (可能高达 15 m/s)。较低印刷速度使得单张胶印机印刷时可以采用更黏稠的油墨,从而有利于减少网点增大,得到印刷质量更高的产品。单张胶印的油墨干燥机理是,先依靠连结料中低黏度相油墨油的迅速渗透,达到快速固着的目的,然后进一步依靠氧化结膜彻底干燥形成有光泽的墨膜。卷筒纸胶印油墨黏度要低一些[7]。卷筒纸胶印根据所用油墨干燥机理的不同可进一步划分为“热固型胶印”(Heat-set Offset)和“常温吸收干燥 (冷固型)胶印” (Cold-set Offset)。前者一般用于印刷书刊及高质量杂志等,而后者是最常见的彩色报纸印刷工艺。

事实上,单张平版胶印工艺区别于其他印刷方式的最大特点在于,采用所有印刷油墨中黏度最高和黏性张力最大的氧化聚合干燥性黏稠油墨。由于平版印刷过程中涉及到水和油墨两种液体,实现适当的水墨平衡成为保证印刷质量最基本的条件[8]。黏稠油墨的抗水性使得纸张在印刷时能够在润版水溶液用量较小的条件下实现水墨平衡,从而有利于降低润版液对于印刷质量的负面影响,如造成水干扰性[9-10]印刷色斑等。黏稠油墨较高的内聚力还有利于控制油墨扩散和网点扩大,这使得单张纸胶印能够印刷解析度更高的高网线 (250lpi或者更高)图像,或者采用网点更小的调频加网技术,从而能够更真实地再现原版图像的丰富层次和鲜艳色彩。

铜版纸和涂布白卡纸的印刷适应性主要体现在:①保证纸张运行性的性能 (runnability),例如:印刷表面强度、纸面疏松物 (浮尘)、水分、尺寸稳定性、平整度、表面 pH值和纸面吸收润湿液速度等;②保证良好印品质量的性能 (printability),例如:纸张的白度、光泽度、平滑度及其均匀性、油墨吸收性及其均匀性等。油墨吸收的均匀性一般决定于表面胶黏剂分布、涂层厚度和孔隙的分布。

2 单张平版胶印对纸张性能的要求

(1)白度、印刷光泽度和光泽度

印刷光泽度及其均匀性和印刷密度及其均匀性一样,是描述印刷品质量的重要参数。良好的油墨光泽使得印刷图像墨色明亮、色彩鲜艳,呈现跃然纸上的立体感。通过分析不同种类印刷纸的市场价位,Ionides等[11]甚至提出不同印刷纸的相对市场价格仅仅依赖于纸张的 3种特性,即纸张白度、印刷光泽度及纸张中硫酸盐浆的含量。造纸企业显然不能依靠过分简化的 Ionides模型确定纸张价格,但是,Ionides的发现也进一步显示了纸张白度和印刷光泽度对于印刷质量的重要性。

一些印刷者[12]发现印刷光泽度主要依赖于纸张光泽度,因为具有较高光泽度的平滑涂层一般更容易形成较高印刷光泽度的平滑油墨层。但也有印刷者[12]发现印刷光泽并不总是依赖于纸张光泽,而是更依赖于涂层的油墨吸收性能。通过研究油墨与涂层之间的相互作用,Zang等[12]提出了一种能够解释印刷光泽度、光泽度与油墨吸收性能之间似乎矛盾关系的新观点。他们认为,印刷光泽度、光泽度与油墨吸收性能之间的关系依赖于油墨厚度。在墨层厚度较薄(如单色区)时,印刷光泽度一般依赖于涂层光泽度[12]。这是因为在低墨量条件下,油墨不能够完全覆盖涂层表面,导致低光泽度的粗糙涂层形成印刷光泽度相对较低的油墨墨层。另一方面,油墨在墨层较厚(如四色叠印区)的条件下,能够完全覆盖涂层表面,从而使得油墨光泽度相对独立于光泽度,而依赖于涂层吸收油墨溶剂的速度[12]。如果涂层的溶剂渗透速度较慢,那么油墨墨丝断裂时形成的粗糙表面就有可能在凝固前充分流动,从而形成表面更平滑的墨层,也就相应获得较高的印刷光泽度。与此相反,具有较高吸收性能的涂层,可能就会由于墨层凝固过快,使得油墨没有足够的流动时间形成平滑表面,从而导致固化的墨层表面比较粗糙,光泽度较低。

还应该指出,涂布纸的白度和光泽度不仅依赖于原纸的白度和吸收性能,还在很大程度上依赖于涂料中无机矿物颜料的白度与形状,以及胶黏剂的性质与用量。对于同一种涂料配方,涂布纸的白度一般随着原纸白度的增加而提高。对于同一种原纸,以高白度碳酸钙为主要颜料的涂布纸白度一般高于以高岭土为主要颜料的涂布纸白度,但是高岭土颗粒的片状形态却会使得涂布纸更容易形成平滑表面,具有更高的纸张光泽度。对于同一种颜料,涂布纸的白度和光泽度一般随着胶黏剂含量的增加而降低。可通过调整原纸和涂料配方中不同颜料的比例与胶黏剂用量,来生产具有不同白度和光泽度的涂布纸。

(2)表面平滑度

一般来说,双层涂布和压光能够使得纸张表面粗糙度从涂布前的 4.0～7.0μm降低到涂布后的 1.0～3.5μm(甚至更低)。更平滑的表面和由细小颜料颗粒形成的具有良好吸墨性和保墨性的微细表面孔隙,使得涂布纸能够承印层次丰富、色彩鲜艳的高逼真图像。

由于压光涂布纸一般已经具有较高的表面平滑度,进一步降低表面粗糙度 (特别是当印刷表面粗糙度 (PPS)已经小于 1.5μm时)往往并不是继续提高纸张胶印质量的最有效手段[12],尽管粗糙度的继续降低也许能够改善对于平滑度要求更高的凹版印刷适性。在这个意义上,Carlsson等人[13]比较了采用不同刮刀生产的双层涂布纸在四色胶印过程中的印刷适性。他们发现采用硬质钢刮刀预涂和面涂生产的纸张具有最高的表面平滑度。但是,用这种高平滑度纸张印刷的四色胶印产品,由于油墨色斑明显而被印刷者认为印刷质量最低[13],这也就支持了 Zang[12]几年前在实验室印刷中得到的结论。事实上,造纸工作者已经认识到,对于表面相对平滑的涂布纸,由与涂层平滑度无关的其他原因造成的印刷色斑往往成为决定不同纸张印刷质量的主要因素[14]。一般来说,硬质钢刮刀涂布有利于填充纸面凹陷区域,从而提高表面平滑度,但是这种硬性填充也容易造成涂层厚度不均匀。涂层厚薄不同造成的区域干燥速度的差异,又可能引起胶黏剂不均匀迁移,进而造成印刷色斑[14-15]。

(3)表面强度和掉粉、掉毛

掉粉是指黏稠的胶印油墨在离开压印区时,从涂层中剥离颜料颗粒 (有时甚至包含纤维),并使之粘在橡皮布或者印版表面,造成印刷斑点的现象。由于被剥离的涂料颗粒通常体积较大 (一般在毫米尺寸左右),掉粉也就往往导致 (不同于新闻纸掉毛的逐渐积累)随后的印刷品在同一位置反复出现印刷斑点。常用的 IGT印刷表面强度测试一般能够正确地反映涂布纸抵抗掉粉的能力。

平版胶印油墨较高的黏度和黏性张力也对涂布纸的表面强度提出了更高的要求。涂布纸的表面强度实际上决定于涂层的内聚力和涂层与纸张间的黏合强度,而这两者又都主要取决于涂料中胶黏剂的添加量。一般来说,涂料中胶黏剂含量较高的纸张具有较高的印刷表面强度[9],在印刷中具有较高的抗掉粉能力。在实际生产中,专用于胶版印刷的涂布纸涂料中胶黏剂含量 (一般为 15～22份 (以 100份颜料计))也确实远远大于专用于凹版印刷对表面强度要求较低的涂布纸 (一般在 10份左右)。虽然增加胶黏剂含量有利于提高涂布纸的表面强度,但是胶黏剂含量过高不仅增加制造成本,还可能引起水干扰性印刷斑点,导致纸张光泽度降低[10,15]。

掉毛是指吸附在纸张表面和周边的颜料颗粒、纤维碎片或者其他尘埃,在油墨作用下转移到橡皮布或者印版上,并导致印刷斑点的现象。虽然掉毛 (特别是纸毛中颜料颗粒)和掉粉可能引起类似的印刷斑点,但是前者并不是来源于油墨从涂层中剥离的颜料,而是主要来源于纸张裁切过程中产生的纤维和涂料微粒,或者环境中积累的尘埃。采用增加胶黏剂含量以提高涂层强度的方法显然不能够消除掉毛导致的印刷斑点。只有正确鉴别印刷缺陷的起因,造纸工作者才能够采取针对性措施根除这种缺陷。

(4)水分含量、尺寸稳定性和表面平整性

尺寸稳定性是指纸和纸板在外界湿度变化时保持原有尺寸的能力。纸产品尺寸随水分含量变化的特点与纤维素极强的吸湿和放湿性有关,因而具有天然不稳定性。在平版胶印过程中,纸张也可能因为吸收润版液引起尺寸变化,从而导致套印不准等印刷缺陷。生产中常会遇到纸张因为水分含量变化而产生荷叶边、紧边、翘曲、起拱等,甚至导致印刷机进纸系统不能正常运行,或在印刷过程中产生皱褶等问题。

表面平整性是指纸张不翘曲、不起拱,保持纸张表面平整,从而使得印刷机能够正常运行的能力。铜版纸一般是两面涂布,当水分含量变化时容易产生荷叶边、紧边,两面性差别较严重的铜版纸则容易出现翘曲和起拱。涂布白卡纸多属于单面涂布,这使得纸张两面性能差别更加明显,当水分含量变化时更容易翘曲或者起拱。例如,当纸张中水分含量高于环境中水分含量时,涂布面由于涂层的作用限制了水分子挥发,从而具有更高的尺寸稳定性。而未涂布面仍然因为纤维固有的脱湿能力而收缩,从而导致纸张向未涂布面翘曲。反之,当纸张从外界吸收水分时,涂布面同样由于涂层的限制而具有更高的尺寸稳定性。而未涂布面因为纤维吸收水分子而体积膨胀,导致纸张向涂布面翘曲。生产上许多与水分含量有关的纸张质量问题中,大部分涉及到水分含量过低,纸张在潮湿环境中吸湿而向涂布面翘曲。

在常用的各种提高纸张尺寸稳定性和表面平整性的措施中,比较理想的方式是控制纸张水分含量,使之与印刷车间的相对湿度平衡。事实上,适度增加潮湿地区使用纸张的水分含量 (例如从 6.5%提高到7.5%),不仅可以避免纸张在印刷车间吸湿翘曲,而且还节省了干燥费用。当然,增加水分含量也对造纸机水分控制系统提出了更高要求,特别是水分均匀分布的控制。提高纸张表面平整性的其他常用措施包括:增加施胶度以降低纸张吸湿和脱湿速度,在未涂布面轻涂或者表面施胶以降低纸张两面性能差别等。

(5)油墨吸收性、纸张酸度 (pH值)和油墨干燥不良

由于单张胶印油墨的氧化聚合干燥和涂布纸较低(相对于未涂布纸)的吸收性能,胶印油墨干燥过程一般比加热干燥或者吸收干燥油墨需要更长时间(几小时甚至十几小时)才能完成。但是,如果在印刷 24 h后,用手指轻微摩擦时,仍然会有油墨粘着在手指上,则这种油墨在该承印纸张表面干燥不良。油墨干燥不良不但影响后续工艺的正常运行,还可能蹭脏相邻纸张,导致产品报废。

一般认为,油墨吸收性过低是造成油墨干燥不良的主要因素。在表面强度达标的条件下,造纸企业通过调整涂料配方和干燥温度提高油墨吸收性[16]。纸张水分含量过高和 pH值过低也是引起油墨干燥不良不容忽视的因素。油墨干燥速度随着水分含量增加而降低的现象,也说明造纸过程中纸板水分含量及其分布应该严格控制在一定范围内 (一般在 7%～9%)。近年随着碱性造纸工艺的发展和涂料中碳酸钙颜料的广泛应用,纸张酸度过高造成的干燥不良虽已大大减少。但采用传统酸性造纸技术生产的涂布纸,仍然可能在印刷条件不当时造成油墨干燥不良。

润版液酸度过高或者用量过大也可能导致油墨干燥不良,这基本上相当于纸板 pH值过低和水分含量过高。导致油墨干燥速度降低的因素还包括:油墨中干燥剂 (聚合催化剂)含量过低或者过高,印刷车间相对湿度过高或者温度过低等。

(6)涂层空隙度、胶黏剂含量和水干扰色斑

印刷色斑是指在实地或者网点印刷区域出现的墨色密度或者光泽度不均匀和无规则变化。印刷者通常把高档涂布纸表面出现的油墨色斑归咎于墨层厚度不均匀或者涂层对于油墨溶剂的不均匀吸收。

涂层空隙度是指空隙体积在涂层总体积中所占的百分率。空隙度和孔隙分布影响涂布纸的许多性能,包括纸张白度、不透明度、保墨性和油墨凝固速度[17]。文献数据[9,12,16-17]已经证明,对于采用同种颜料组成的涂料,涂层空隙度随着涂料中胶黏剂含量的增加而降低。胶黏剂用量的增加和涂层空隙度的降低也导致涂布纸液体吸收性能的降低。

水干扰色斑 (water interference mottle,又称作湿排斥色斑)是指在涂布纸多色胶印过程中,油墨不能均匀地转移到前一色序空白区域而造成的印刷色斑。一般认为造成这种色斑的原因是涂层空隙度过低,导致前面色序转移到纸面的润版液不能及时地被纸张吸收,从而干扰了后面油墨的正常转移。在实验室研究[9]和在实际生产[10]中,研究人员也发现水干扰色斑随着涂料中胶黏剂用量的降低而逐渐消失。

在印刷生产中,可以通过改变印刷条件来降低水干扰色斑对印刷质量的影响。这些措施包括采用能够在低用量下保持水墨平衡的高效率润版液,采用具有良好抗水性的高黏度油墨,以及在保证印刷密度要求的前提下尽量减少用墨量和用水量等。事实上,经验丰富的印刷者都知道在 “水少墨稠”条件下印刷有利于控制网点扩大,从而提高总体印刷质量。

(7)胶黏剂不均匀迁移、“湿叠印”与 “逆传递”印刷色斑

湿叠印色斑 (wet trap mottle)和逆传递色斑(back trap mottle)是两种既相似又有区别的的印刷缺陷,经常出现在涂布纸和纸板多色胶印过程中。这两种色斑在多色印刷中都涉及到,先印的油墨在经过后续印刷单元时逆转移到橡皮布上,导致印刷在纸面的墨层厚度不均匀和墨色深浅不一。湿叠印色斑则是指先印的油墨被后印的油墨 “粘走”,并逆转移到橡皮布上,从而导致印刷版 “混色”,后续油墨不能向纸面正常转移。湿叠印色斑一般由印刷墨序不当所致,油墨吸收性严重不均匀也可能引起湿叠印色斑。

逆传递色斑是指先印的油墨逆转移到后续色序非图像区橡皮布上,从而导致的墨色深浅不均匀。造成涂布纸逆传递色斑的主要原因是胶黏剂不均匀迁移和涂层厚度不均匀[15]。胶黏剂不均匀迁移可能是由于原纸匀度和吸收性能不均匀。涂层厚度不均匀也可能造成涂料干燥速度不同和胶黏剂迁移不均匀。Zang等[15]发现对于表面处理类似 (如在同等压光条件下)的纸张,印刷密度仅仅依赖于转移到纸面的油墨量。这也证实了涂布纸墨色深浅的变化主要起因于墨层厚度的不均匀。他们还发现[15-16]涂布纸的油墨接受性能并不是直接依赖于涂料中胶黏剂含量,而是更依赖于涂层表面的胶黏剂含量。这也就进一步显示了胶黏剂在涂布纸表面的不均匀分布能够导致涂层油墨接受性能的差异和造成印刷色斑。

值得一提的是,上脏 (糊版,scumming)是一种极易与逆传递色斑混淆的印刷缺陷,它是由印版表面水墨平衡遭到破坏产生的,多为印刷工艺不当(如润版液过少)所致,极个别原因是纸面 pH值过高而改变了润湿液的酸性 pH值引起,对此 IGT印刷适性仪有附件检测。

造纸工作者通过多年研究也发现了一些控制胶黏剂不均匀迁移的措施。如改进涂布原纸的匀度,改良涂料中颜料和胶黏剂的相互作用,在涂料中增加限制胶黏剂迁移的助剂,改善干燥工艺等。

印刷工作者也总结出一些通过改变印刷条件抑制和降低油墨色斑的措施。例如,印刷者经常按照油墨黏性张力高低安排印刷色序以避免湿叠印色斑,因为这种安排使得后面色序黏性较低的油墨一般不能撕裂前面印刷的黏性较高的油墨。为了避免逆传递色斑,印刷者通常在纸板表面强度允许的范围内选用高黏性油墨。黏稠油墨具有较高的内聚力不易被撕裂,而且还能够在较薄墨层下达到印刷质量所需要的墨色密度。较薄的墨层也有利于油墨凝固,进一步降低了逆传递撕裂的可能性。另外,印刷者也常把产生逆传递的油墨从前面色序调整到最后,或者选用易分离防黏橡皮布等措施,以引导撕裂发生在油墨与橡皮布之间,避免油墨逆传递。

3 结 语

商品制造厂家的竞争和印刷工艺的进步,促使印刷部门对铜版纸和涂布白卡纸的质量提出了更高要求。精细印刷产品要求它们具有比其他纸张 (如新闻纸和常见箱纸板)更高的白度、表面平滑性和尺寸稳定性;必须具有适当的 pH值和水分含量,以有利于加速油墨氧化聚合反应的完成;具有良好的表面强度和层间黏合力,以避免高黏性油墨在离开压印区时撕裂涂布层造成掉粉等。从而保证多色高网线图像套印准确,网点区域层次清晰,实地区域油墨分布均匀,以及具有良好的印刷光泽。

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Factors Affecting L ithographic Offset Pr intability of Coated Paper and Board

L I Sa ZANG Yong-hua＊XU Ying SUN Jian-ting
(Tianjin University of Science and Technology,Tianjin Key Lab of Pulp&Paper,Tianjin,300457)

Coated paper and board arewidely used to reproduce high qualityprinted images.However,printersoften find differentprint quality when the same job is printed using papers or boards from different suppliers.What are the most important characteristics that cause papers to perform differently during printing?By analyzing ink paper interactions,thiswork discussed paper properties thatmay cause printing defects,and proposed trouble-shooting approaches that can be used by both printers and papermakers to eliminate or reduce these printing defects.

coated paper and board;offset printing;printmottle;printability

TS761.1

A

0254-508X(2011)06-0064-05

李 洒女士,在读硕士研究生;研究方向:涂布纸产品开发、高得率浆性能及纸张印刷适性。

(＊E-mail:vonghuazang@tust.edu.cn)

2011-12-20(修改稿)

本课题为科技部中加国际合作项目 (编号 2008DFA91290)。

(责任编辑:马 忻)