印刷法生产苹果育果袋外袋纸工艺研究

张美云， 刘毅娟， 王 兴

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

育果袋纸是在水果发育全过程中提供保护的一种特种纸,是具有高技术、高附加值的农业技术用纸，可用于苹果、梨、葡萄等水果的生长过程中.果实套袋技术是生产优质、高档、名牌、无公害果品的一项行之有效的措施，能显著提高果农的经济效益[1].

根据水果树种、品种的不同，育果袋分为单层袋和双层袋，梨、猕猴桃等多采用黄、褐色单层纸袋，而苹果育果袋多采用双层纸袋，它由外袋纸和内袋纸[2]两部分组成，如图1所示.外袋纸具有保护功能，能阻止雨水冰雹的侵袭及虫害，一般在果实成熟前大约15天将其摘掉，其内侧为黑色，具有遮光性能，外侧多为泛黄色或淡色，具有反射光线的能力；内袋纸根据果实上色需要需具有较好的透光度，一般为红半透纸，在摘掉外袋纸后，日光中红色光线穿过红半透纸照射到果皮表面，使其均匀上色[3,4].

图1 苹果套袋纸实物图

目前，国内苹果育果袋纸厂基本上都采用层合法生产外袋纸[5].外袋纸内面呈黑色，是将碳黑经过浆内染色而成.这样不仅造成碳黑用量高、生产成本高、碳黑流失严重、环境污染突出等问题，而且导致生产设备复杂.一般小型纸厂多采用圆网纸机生产，车速较慢[6].

为了更好地解决这一问题，本实验提出了一种生产加工育果袋外袋纸的新方法——印刷法.其工艺是由原纸抄造和上机印刷两部分组成，其中，胶版印刷又包括黑色油墨的调配及上机印刷两部分.其遮光性由印刷到原纸上的黑色油墨来保证.

该方法可应用在长网纸机上，具有原纸生产工艺简单、车速快、成本低、污染少等优点，同时又解决了层合法中碳黑用于浆内染色而造成的污染、利用率低及圆网纸机车速慢等问题.同时，使用黑色油墨印刷，可增加纸张的抗液体渗透性能，使纸张具有良好的不透明度，不易掉黑，保持较高的柔软度和透气度.

1 实验部分

1.1 实验原料

废旧瓦楞纸箱(OCC，采用较高档的家电包装用纸箱：HP电脑包装箱，相当于美国废纸标准中的13#废纸).

1.2 化学品

黑色油墨、抗水剂(固含量8%左右)、湿强剂(固含量2%左右)、填料PCC、阳离子分散松香胶(固含量50%)、硫酸铝.

1.3 实验设备

抄片器、IGT印刷适性仪、纸张常规物检设备、X-Rite透射密度计(361型，台式，美国爱色丽公司)、X-Rite分光密度计(528型，美国爱色丽公司)、高温炉、偏振塞曼原子吸收光度计(Z-2000，日本Hitachi公司).

1.4 实验方法

(1)原纸抄造：采用废纸浆为纤维原料，填料和化学助剂及其用量分别为：15%的PCC、1%～2.5%的松香胶、8%的抗水剂、3%的湿强剂和3%～6%的硫酸铝.经网部成形、压榨脱水、烘干后得到外袋纸原纸，定量为45 g/m2.

(2)在IGT印刷适性仪上将外袋纸原纸内层表面用黑色油墨印成黑色实地，经干燥后得到成品.纸张着墨量为5 g/m2，外袋纸成品定量为50 g/m2，所用普通黑色油墨为植物油脂型油墨.

(3)在印刷后，用X-Rite透射密度计测试纸张的印刷后的透射密度D；用X-Rite528分光密度计测量墨层的Lab值.

(4)纸张的老化实验：将印刷后的纸样在老化机中老化7个小时(相当于日光条件下4个月)，检测纸样老化前后性能差异.将部分墨层用空白纸样条遮盖住，并贴在一起，检验高温老化过程中油墨是否会发粘，并将色墨粘连在样条上.

2 结果与讨论

2.1 印刷前后纸张性能对比

用IGT印刷适性仪在印刷压力200 N、上墨量1 mL条件下，用黑色胶印油墨印刷原纸表面，印刷前后纸张性能对比如表1所示.

表1 印刷前后纸张性能对比

由表1可知，育果袋原纸在经过油墨印刷后，其强度性能(包括抗张指数、撕裂指数、耐破指数等)变化甚微，说明采用印刷法工艺，油墨只是涂布到纸张的表层，干燥后油墨颜料留着在纸张表面，连接料向纸张内层渗透增加油墨对纸张的附着效果，但对纸张强度影响不大.

柔软度变差，说明油墨膜附着于纸张表面，干燥了固化后，增加了纸张平整度的同时会使纸张变得挺硬发脆.

对不透明度、透气度和抗水性的影响就相对明显.果实在套袋过程及果实套袋生长期，育果套袋纸仅仅只是保证强度性能是远远不够的，还得要兼顾柔软度.纸张太硬，容易造成纸张变脆，导致纸张破裂起不到套袋效果，同时还有可能伤害果皮.因此，国家规定育果袋外袋纸柔软度不得超过680 mN.由于油墨印到纸张表面后，黑色油墨本身具有相当好的遮盖力，因此不透明度大幅提升，达到97.3%，超过育果袋国家A类标准.

油墨连接料不断渗透到纸张内部，填补了纤维孔隙，使得原纸的透气性迅速下降，但其值仍大于国家A类标准，完全能够满足育果套袋纸的使用要求.

同时,由于油脂型油墨本身具有一定的亲油憎水性，在原纸本身的抗水性能基础上，进一步提高了纸张的抗液体渗透性能.

2.2 印刷压力对透气度与不透明度的影响

用IGT印刷适性仪在印刷压力分别为200 N、250 N、300 N、350 N下，相同上墨量1 mL的条件下，将黑色胶印油墨印刷原纸表面.由于油墨的印刷对纸张的强度性能影响甚微，因此下文仅对纸张的透气性、不透明度和抗水性进行讨论.其性能对比如表2所示.

表2 不同印刷压力对纸张性能的影响

由表2可知，随着印刷压力的增加，油墨被紧密地压印在纸张表面，表面孔隙被迅速地压缩，透气性呈下降趋势.同时，由于压力的增大，印刷到纸张表面的油墨量增多，使得其遮光性能越来越好，不透明度大大增加.

反映纸张表面油墨量的参数是油墨的实地密度值.在相同的上墨量下，油墨的实地密度跟油墨的转移率有关.油墨的转移率是转移墨量(Y)与印版墨量(x)的百分比率，油墨转移方程见公式1.

Y=(1-e-kx){b(1-e-x/b)+

f′[x-b(1-e-x/b)]}

(1)

公式(1)中：参数b，表示纸张表面凹陷处在印刷瞬间可能填入的极限墨量：纸张表面凹孔的几率越高、油墨的连接料粘度越小、印刷压力越大、印刷速度越低，参数b值越高；

参数f′,是自由墨量分裂率，其大小主要与油墨流变特性有关；

参数k,决定了单位面积纸面上接触油墨面积所占的比率，间接地表示了印刷中墨膜与纸面接触的平服程度：纸张平滑度越高、柔软度越好、印刷压力越大、印刷速度越低，参数k值越大.

油墨的转移率受到印刷压力和印刷速度的影响.当印刷压力增大时，油墨转移率随之增高，但油墨转移率并不随压力一直增大，其变化趋势如图2所示[7].在印刷压力达到一定数值后，其油墨转移率不再随之增加,其最佳印刷压力值为Pt.

在实际印刷机上，除调节印刷压力外，调节印刷速度也是可行的.有研究表明，在印刷压力一定时，提高印刷机的印刷速度，可使油墨与纸张的接触时间变短，公式(1)中的参数k、b、f′值变小，油墨转移率降低，其趋势如图3所示.

从印刷角度来说，油墨的实地密度都有一个饱和值，即最大实地密度.根据资料显示，相同纸张不同印刷方式下印刷油墨的实地密度是不同的.以黑色油墨为例，凹版印刷的密度值为1.10～1.80，平版印刷为1.20～1.70，报纸凸版印刷为0.90～1.10[8].随着纸张上的油墨量增加，透射密度的增加，在相同入射光通量下，透射光通量变少，光透射率大幅下降，这在一定程度上也反映出印刷后其遮光性变好；而随着印刷压力的增大，转移到原纸上的油墨量增多，纸张柔软性变差；抗水性则受印刷压力的影响变化不明显.

图3 印刷速度v与油墨转移率F的关系

2.3 上墨量对透气度与不透明度的影响

将抄出的原纸在IGT印刷适性仪上印刷，印刷压力为350 N，上墨量与不透明度的关系如表3所示.

由表3可以看出，在相同压力下，随着上墨量的增加，纸张的透气度先呈下降趋势，不透明度呈现上升趋势，但在上墨量达到1 mL以后，透气度和不透明度变化均趋于平稳.

这是由于在印版墨量不足时，随着上墨量的增加，转移到纸张上的油墨量呈现增加趋势，但并不是上墨量越大，转移到纸张上的油墨量越多，其也有一个饱和值，即在印版墨量充足时，影响转移率的就不是油墨量的因素，而是印刷压力和印刷速度等因素.

在本实验中，1 mL即为近似饱和值，透射率呈下降趋势，遮光性能变好；在350 N压力下，当IGT印刷适性仪上墨量超过1 mL后，柔软性急剧下降，超出国家标准，不符合育果套袋纸的使用要求.

根据以上结论可知，在印刷法育果套袋纸实验室生产工艺中，最优工艺条件为上墨量1 mL、印刷压力350 N.此时，转移到原纸上的油墨量达到最优值.

根据市场经济里同等品质下价格优先原则，在满足育果套袋纸基本使用要求的前提下，降低育果套袋纸的生产成本一直是本研究的重要问题.而在印刷法育果套袋纸生产工艺中，降低油墨用量是降低生产成本的关键.

表4为在IGT印刷适性仪印刷压力设定为350 N时，降低油墨用量时成纸各方面的性能.由表4中数据可知，在满足基本性能和一定遮光性的前提下，油墨最低使用量为纤维绝干浆的6%，此时育果套袋纸定量约增加3 g/m2.

表3 上墨量与纸张性能的关系

表4 育果套袋纸成纸性能

2.4 育果套袋纸的耐久性能

基于育果套袋纸的使用要求，将印刷后的样张在老化机中老化处理7个小时，近似可以看作是自然条件下日光照射4个月.检测老化前后纸张的性能差异，见表5、表6所示.

对比可知，在不同上墨量、样张定量相同的情况下，经过老化实验后，纸张的黑度、不透明度、撕裂强度等指标略有降低，油墨褪色现象不明显，且没有高温发粘现象.以上墨量1 mL为例，老化前后纸张不透明度均高达99%，强度指标符合使用要求，抗液体渗透性能保持在60 s以上，纸张耐久性基本达标.

表5 老化前纸张质量

表6 老化后纸张质量

3 结论

(1)印刷法生产育果袋外袋纸，其强度性能主要由原纸决定.印刷黑色油墨后主要影响纸张的透气性能、不透明度、柔软度和抗水性.

成纸抗水性主要依靠原纸的抗水性能，印刷油墨后只能略微提升其抗水效果；随着印刷压力的增大，转移到纸张表面的墨量增多，成纸透气性和柔软度变差，不透明度变好；而相同印刷压力下，在上墨量增加时，其性能变化趋势与印刷压力增大下的效果基本一致.

(2)在印刷法育果套袋纸实验室生产工艺中，最优工艺条件为：IGT印刷适性仪上墨量1 mL、印刷压力350 N.此时，转移到原纸上的油墨量达到最优值.

(3)考虑到生产成本因素，在印刷法育果套袋纸生产工艺中，在成纸满足基本性能和一定遮光性的前提下，油墨最低使用量为纤维绝干浆的6%.

经纸样的老化实验，发现采用印刷法育果套袋纸生产工艺制造的纸样耐久性良好.

[1] 史联让．苹果优质丰产栽培与病虫害防止[M].西安：陕西人民教育出版社,1998：150-152.

[2] 周艳昌．关于育果套袋纸质量问题的探讨[J].黑龙江造纸,2006，34(3):17-18.

[3] 黄渤山，黄 鸿．红色育果内袋纸的生产工艺[J].中华纸业,2006,27(12):31-34.

[4] 黄 鸿．苹果套袋纸的生产与应用[J].中华纸业,2000,21(6)：23-25.

[5] 罗 英．高性能育果套袋纸新技术的研究[D].西安：陕西科技大学,2012.

[6] 王 兴．高性能育果袋纸生产新技术的研究[D].西安：陕西科技大学,2013.

[7] 冯瑞乾．印刷原理及工艺[M].北京：印刷工业出版社，1999：37-38.

[8] 刘世昌．印刷品质量检测与控制[M].北京：印刷工业出版社,2005：1-5.