（制浆造纸工程专业论文）细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究.pdf

细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 摘要 本文主要通过表面施涂和浆内添加两种工艺将细菌纤维素添加于纸张 中，研究细菌纤维素对纸张印刷适性的影响。 试验中确定的细菌纤维素施涂于纸张表面的最佳工艺为：细菌纤维素的 高速匀浆处理转数为1 0 0 0 0 转；氧化淀粉溶液的质量浓度为8 ，糊化温度 8 8 ，糊化时间是2 0 m i n ；施胶液温度为6 0 ，施胶液粘度为8 9 5m p a s ； 纸张表面的平均涂布量是：1 0 1 4 9 m 2 。 表面施涂试验中，将细菌纤维素浆液以不同比例与氧化淀粉溶液混合涂 布于纸张表面。细菌纤维素对纸张印刷适性的影响是：纸张的表面强度和油 墨吸收性，随细菌纤维素添加量的增加先升高，之后迅速下降，表面强度和 油墨吸收性分别在添加量为3 和2 时达到最大值，相比未添加细菌纤维 素的纸张，表面强度和油墨吸收性分别提高了1 8 3 7 和8 7 6 ；纸张的平 滑度和光泽度先随细菌纤维素添加量的增加而升高，随后略有下降，在添加 量为3 时平滑度和光泽度均达到最大值，分别提高了2 2 9 3 和1 8 1 8 ； 纸张的表面效率，在添加量增至2 时达到最低点，随后迅速升高；印刷样 张的实地密度、印刷光泽度、油墨的呈色性能和印品耐摩擦性都随着细菌纤 维素添加量的增加而升高，说明纸张的印刷呈色效果也在不断提高。在添加 量为6 之后，纸张的各项印刷适性基本趋于平稳。分析得出，细菌纤维素 的添加量为3 ，是其对纸张印刷适性影响的重要变化点，此时，纸张的各 项印刷适性较好，综合印刷效果最佳。 浆内添加试验中，将细菌纤维素浆液以不同比例加入漂白麦草浆中抄 片。细菌纤维素对纸张印刷适性的影响是：随细菌纤维素添加量的增加，纸 张的白度和油墨吸收性逐渐降低；纸张的表面强度、平滑度和光泽度逐渐升 高，在添加量为5 时达到最大值，相对于未添加细菌纤维素的纸张，表面 强度提升了3 2 4 6 ，平滑度提高了l1 4 6 8 ，光泽度提升了4 0 4 4 ，之后 略有下降；纸张的表面效率，在添加量为2 时达到最低点，随后迅速升高。 印品的印刷光泽度、油墨呈色效果也在逐渐增加。浆内添加细菌纤维素的添 加量为5 ，是其对纸张印刷适性影响的重要变化点。 两种添加工艺对纸张的吸墨性、平滑度、光泽度、表面效率、印刷光泽 度和油墨呈色效果的影响趋势相近。除油墨吸收性外，其它印刷适性都是表 面施涂工艺所得的纸张较高，但浆内添加工艺对纸张印刷适性的提高效果更 为明显。 细菌纤维素在提高和改善纸张印刷适性时起主要作用的性能是：第一， 经过处理的细菌纤维素能够与植物纤维之间形成氢键，增强了纤维之间的结 合，提高成纸的表面强度；第二，细菌纤维素相对细长，比表面积大，成膜 性能好，对植物纤维起到搭桥作用，并能吸引细小纤维和细微粒子，从而改 善纸张的平滑度和光泽度，降低纸张的吸墨性。 关键词：细菌纤维素，表面施胶液，印刷适性，表面强度，呈色效果 s t u d yo ni n f l u e n c eo f b a c t e r i a lc e l l u l o s eo np r i n t a b i l i t y a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fb a c t e r i a lc e l l u l o s eo np r i n t a b i l i t yo fp a p e rw a ss t u d i e db y t w ok i n d sp r o c e s so fs u r f a c ec o a t i n ga n di n c r e a s i n gi n s i d ep u l pw h i c hb a c t e r i a l c e l l u l o s ew a sa d d e di np a p e r m a k i n gi nt h i sd i s s e r t a t i o n b a c t e r i a lc e l l u l o s ew a sc o a t e do nt h es u r f a c eo fp a p e ri nt h et e s t t h e o p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o nw a so b t a i n e d ：t h en u m b e ro fp r o c e s s i n gr e v o l u t i o n ，t h e c o n c e n t r a t i o no fo x i d i z e ds t a r c h ，t h et e m p e r a t u r eo fg e l a t i n i z a t i o n ，t h et i m eo f g e l a t i n i z a t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo fs u r f a c es i z e ，t h ev i s c o s i t yo fs u r f a c es i z e ，t h e a v e r a g ec o a t i n gw e i g h ta r e1 0 0 0 0r o u n d s ，8 ，8 8 ，2 0 m i n ，6 0 ，8 9 5 m p a s ， 10 14 9 m 2 ，r e s p e c t i v e l y i nt h ee x p e r i m e n to fs u r f a c ec o a t i n g ，m i x e db a c t e r i a lc e l l u l o s es e r o u sf l u i d w i t hd i f f e r e n tr a t i oa n do x i d i z e ds t a r c hs o l u t i o nw a sc o v e r e dw i t ht h es u r f a c eo f p a p e r t h ei n f l u e n c eo fb a c t e r i a lc e l l u l o s eo np r i n t a b i l i t yw a ss h o w nt h es u r f a c e s t r e n g t ha n di n ka b s o r p t i o no fp a p e rr o s ew i t hi n c r e a s i n gb a c t e r i a lc e l l u l o s ea t f i r s t t h e n ，f e l lr a p i d l y t h es u r f a c es t r e n g t ha n di n ka b s o r p t i o na r ee n h a n c e db y 18 3 7 a n d8 7 6 w h e nt h en u m b e ro fb a c t e r i a lc e l l u l o s ei su pt o3 a n d2 ； t h es m o o t h n e s sa n dg l o s sa r ei m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n ga d d i t i v e ，t h e n ，r e d u c e da l i t t l e ；t h es m o o t h n e s sa n dg l o s sa r er a i s e db y2 2 9 3 a n d18 18 ，w h i l et h e b a c t e r i a lc e l l u l o s ea d d i t i v eg e tt o3 r e s p e c t i v e l y t h es u r f a c ee f f i c i e n c yo f p a p e ri sm i n i m a lv a l v e ，w h e nt h ea d d i t i v ei s2 t h e n ，i tr i s e sr a p i d l y a n do t h e r f a c t o r st h a ts o l i dd e n s i t yo fp r i n t i n gs a m p l e ，p r i n t i n gg l o s s ，c o l o re f f e c t i v e n e s so f i n k ，a n dr u br e s i s t a n c e a r ei m p r o v e dw i t hg r o w i n gt h e b a c t e r i a lc e l l u l o s e a d d i t i v e h o w e v e r , t h ea d d i t i v ei sm o r et h a n6 a l lk i n d sp r i n t i n gp e r f o r m a n c e s o fp a p e rw i l lb es t a b l y t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sw e r es h o w nt h a tt h eb a c t e r i a l c e l l u l o s ea d d i t i v eo f3 i ss i g n i f i c a n tp o i n to nt h ei n f l u e n c eo fp r i n t a b i l i t y ，h e r e ， a l lk i n d sp r i n t a b i l i t yo fp a p e ri sb e t t e rt h a nb e f o r e ，t h eb e s tp r i n t i n gp e r f o r m a n c e w a s s h o w nc o m p l e t e l y i nt h e e x p e r i m e n t o fi n c r e a s i n gi n s i d ep u l p ，c o m p o u n d e db a c t e r i a l c e l l u l o s es e r o u sf l u i dw i t hd if f e r e n tp r o p o r t i o na n dw h e a ts t r a ws e r o u sf l u i d 。 t h ea f f e c t i n go fb a c t e r i a lc e l l u l o s eo np r i n t a b i l i t yw a sd i s p l a y e dt h a tt h ep a p e r w h i t e n e s sa n di n ka b s o r p t i o na r ed e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gb a c t e r i a lc e l l u l o s e a d d i t i v e 。m e a n w h i l e ，t h es u r f a c es t r e n g t h ，s m o o t h n e s sa n dg l o s sa r ee l e v a t e d i n c r e a s i n g l y t h e ya r em a x i m u mw h i c hi sh e i g h t e n e db y3 2 4 6 ，1 14 。6 8 a n d 4 0 4 4 ，w h i l et h eb a c t e r i a lc e l l u l o s ea d d i t i v ea r r i v e s5 。t h e n t h ev a l v eo ft h e s u r f a c es t r e n g t h ，s m o o t h n e s sa n dg l o s sf e l lab i t t h es u r f a c ee f f i c i e n c yo fp a p e r i sm i n i m a lv a l v e ，w h e nt h ea d d i t i v ei s2 t h e n ，i tr i s e sr a p i d l y 。a n do t h e r f a c t o r st h a t p r i n t i n gg l o s sa n dc o l o re f f e c t i v e n e s so fi n k a r ei m p r o v e dw i t h g r o w i n gt h eb a c t e r i a lc e l l u l o s ea d d i t i v e 。t h e5 a d d i t i v eh a sa ni m p o r t a n t i m p a c t i o no np r i n t a b i li t y c o m p a r i n gt w ok i n d so fp a p e r m a k i n gp r o c e s sa b o v em e n t i o n e d ，t h ee f f e c t o ni n ka b s o r p t i o n ，s m o o t h n e s s ，g l o s s ，s u r f a c ee f f i c i e n c yo fp a p e r , p r i n t i n gg l o s s a n dc o l o re f f e c t i v e n e s so fi n k ，a r es i m i l a r i t y e x p e c t i n gi n ka b s o r p t i o n ，t h e p r o c e s so fs u r f a c ec o a t i n gi sb e t t e rt h a ni n c r e a s i n gi n s i d ep u l po np r i n t a b i l i t y h o w e v e r , f o rt h ei m p r o v e de x t e n s i o nf o rp r i n t a b i li t y , t h ep r o c e s so fi n c r e a s i n g i n s i d ep u l pi sb e t t e rt h a ns u r f a c ec o a t i n g t h eb a c t e r i a lc e l l u l o s eo ni m p r o v e dp r i n t a b i l i t yp l a y e dam a i nr o l e i tw a s s h o w na sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , h y d r o g e nb o n dc a nb ef o r m e db yc o m b a t i n gp r o c e s s e db a c t e r i a l c e l l u l o s ea n dp l a n tf i b e r i ts t r e n g t h e n e dt h ec o m b i n a t i o no ff i b e r , i m p r o v e dt h e s u r f a c es t r e n g t ho fp a p e r s e c o n d l y , b a c t e r i a lc e l l u l o s ew a ss l e n d e rb o d y , s p e c i f i ca r e aw a sl a r g ea n df i l mf o r m i n gp e r f o r m a n c ew a se x c e l l e n t t h ef a c t o r s p l a y e da n dc o n n e c t i o nr o l ei np l a n tf i b e r a n da b s o r b e ds m a l lf i b e ra n dp a r t i c l e s ， t h e y c a ni m p r o v es m o o t h n e s sa n dg l o s so fp a p e r , r e d u c ei n ka b s o r p t i o n m e a n w h i l e k e yw o r d s ：b a c t e r i a lc e l l u l o s e ，s u r f a c es i z e ，p r i n t a b i l i t y ，s u r f a c es t r e n g t h ， c o l o re f f e c t i v e n e s so fi n k i v 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛量 日 期： 2 q q 垦生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名：隧日期：2 q q 墨生互月 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 1 绪论 1 1 细菌纤维素及其在造纸工业中的应用 1 1 1 细菌纤维素概述 纤维素在自然界中是一种最丰富的可再生资源，主要分布于植物如树木、棉花等中， 它是形成植物细胞壁的主要组成部分，也是形成许多真菌、藻类细胞壁的主要组成部分， 有支撑和保护细胞的功能，是造纸工业的主要原料。天然纤维素主要是植物通过光合作 用形成的，但近年来发现一些细菌也能产生纤维素，且具有大规模生产的潜力。为了区 别于植物来源的纤维素，把这种微生物来源的纤维素称为“微生物纤维素 或“细菌纤 维素”【。细菌合成纤维素的速度和产率要比植物高许多，其结构、理化特性和生化特 性等皆与植物纤维素有较大差异。自19 8 9 年s y a m a n a k a 等人 2 1 发现细菌纤维素具有独 特的功能后，更是受到科学界的广泛关注。 1 1 2 细菌纤维素的结构与特性 细菌纤维和植物纤维在基本结构上，都可视为由吡喃葡萄糖单体以b 1 ，4 糖苷键连 接而成的直链多糖，又称为d 1 ，4 葡聚糖( 见图1 1a ) 3 1 。相邻的吡喃葡萄糖的6 个碳 原子并不在同一平面上，而是呈稳定的椅状立体结构( 见图1 1b ) ，在高等植物的二级 细胞壁中，聚合度约为7 0 0 0 - 1 4 0 0 0 ，而一级细胞壁则仅有5 0 0 个左右的聚合度，直链 多糖的长度与单体数目多寡无关。数个邻近的b 1 ，4 葡聚糖链由分子链内与链间氢键稳 定结构而形成不溶于水的聚合物( 见图1 1c ) ，细菌纤维素与植物纤维素的主要差别在 于前者不掺杂有其他多糖，如半纤维素或木质素，而后者则含有此类物质。 ( b ) a 白 岛。移。曦 图1 1 纤维素的结构【3 】 ( a ) h o w o r t h 结构式 ( b ) 椅式结构式 ( c ) 纤维素间氢键的排列形式 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo fb a c t e r i a lc e l l u l o s e h o w o r t hf o r m ( b ) c h a i rf o r m( c ) t h ef o r mo fh y d r o g e nb e t w e e nc e l l u l o s e 陕西科技大学硕士学位论文 早在1 9 4 0 年【4 】，人们就用电镜观察到细菌纤维素由独特的束状纤维组成，这种束状 纤维的宽度大约为1 0 0 n m ，厚度为3 8 r i m ，每一束由许多微纤维组成，而微纤维又与其 晶状结构相关【5 j 。就细菌纤维素的大小而言，与植物纤维、人工合成纤维等相比有很大 的差异，其大小仅为人工合成纤维的1 1 0 。可见，细菌纤维素具有很神奇的物理结构一 一一个错综复杂的键接网络结构，而不是可分开检测长度的单根纤维。 细菌纤维作为一种新型生物材料，具有许多独特的性质 6 1 ： ( 1 ) 高结晶度和高化学纯度。细菌纤维素不含半纤维素、木素和其他细胞壁成分， 是1 0 0 的纤维素，提纯过程简单； ( 2 ) 高抗张强度和弹性模量。细菌纤维素经洗涤、干燥后，杨氏模数可达1 0 m p ， 经热压处理后杨氏模数可达3 0 m p ，比有机合成纤维的强度高4 倍： ( 3 ) 极佳的形状维持能力和极佳的抗撕力。细菌纤维素膜的抗撕能力比聚乙烯膜和 聚氯乙烯膜要强5 倍； ( 4 ) 具有强吸水、持水、保湿能力。由于其内部有很多“孔道 ，有良好的透水、 透气性能，因此具有很强的亲水性，能吸收6 0 0 , - - , 7 0 0 倍于其干重的水分，通常情况下吸 水保水率在1 ：5 0 以上，并且具有高的湿强度【刀。 ( 5 ) 细菌纤维素具有较高的生物适应性，并且在自然界可直接降解，不污染环境。 1 1 3 细菌纤维素的制备 目前，能够产生纤维素的细菌并不多，其中最具代表并且研究最多的是醋酸菌属木 质亚种( a c e t o b a e t e rx y l i n u m 简称a x ) ，为革兰氏阴性，宽0 8 岬，长1 0 - - - 4 0 p m ， 以单个、成对或链状存在，菌落呈圆形，不透明，突起，淡棕色，表面粗糙，为好氧型， 常出现于腐败的水果、醋、及发酵饮料 3 j 。 此法是在含碳源和氮源的培养基中进行胞外合成的。在沉积过程中混有蛋白质、脂 肪等杂质，而不掺杂木素、半纤维素和其他杂质【l 】。适当条件下每个a x 细胞每小时可 将1 5 x1 0 8 个葡萄糖分子【8 】以p 1 ，4 糖苷键连接而成聚葡萄糖并分泌出来，形成直径 1 7 8 n m 的原细纤维，原细纤维组成直径在o 1 0 o l l i m 的微细纤维。随着分泌量的持续 增加，微细纤维平行地向前延伸，相邻的几根微细纤维之间由氢键横向连接，形成直径 为3 - - 4 n m 的微细纤维束。微细纤维束进一步伸长，束间仍由氢键相互连接，多束合并成 一根长度不定，宽度大约为3 0 1 0 0 n m ，厚度为3 - s n m 的带状纤维 9 1 ，其直径和宽度属 于纳米级尺度。 细菌纤维的培养方法有静态法和动态法【l o 】。静态法是指醋酸菌静置培养，纤维丝带 相互交织，形成网状多孔结构，在培养液的气液界面形成一层透明的凝胶膜状物【1 1 1 。动 态法是在机械搅拌罐或气升式生化反应器中通风培养醋酸菌，由于搅拌造成的剪切力， 纤维素完全分散在发酵液中，使丝状纤维变成各种各样的粒状、丝状、星状、微团状或 - 2 - 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 短纤维状的悬浮液。细菌纤维素的结构与培养条件有关，培养条件不同，细菌纤维素的 形成过程就不同，它的结构特点会发生改变。静态培养产生的细菌纤维素膜和动态培养 产生的分散的细菌纤维素在化学性质上完全相同，但在微观结构上有些差异，表现为动 态法产生的纤维素聚合度和结晶度低，c e l l u l o s eia 的含量也较低，相对静态法而言，动 态法产生的细菌纤维素有较低的杨氏膜量和较高的持水能力，在分散的悬浮液中有更高 的粘度。 1 1 4 细菌纤维素的分散方法 纤维分散主要是通过外力产生一定的机械作用，使纤维被切断并破坏纤维之间的结 合。一般都是通过打浆疏解的方法分散纤维。打浆是物理作用，纤维经打浆后主要变化 可以概括为【1 2 】：使纤维细胞壁产生位移和变形，细胞的初生壁( p 层) 和次生壁外层( s i 层) 破除，纤维被切断，纤维发生吸水润胀和细纤维化。另外，纤维受到揉搓，浆料被 疏解，纤维被压溃、撕碎，产生纤维的碎片，甚至使纤维发生扭曲、卷曲、压缩和伸长 等变形。在某些情况下也使用超声波打浆，这是利用超声波空化作用产生的微射流对纤 维的冲击、剪切作用，使纤维细胞壁出现裂纹，细胞壁发生位移和变形，初生壁和次生 壁外层破裂脱除，并且使次生壁中层( s 2 ) 暴露出来【1 3 】。 对于细菌纤维常见的处理方法有酸水解法、超声波处理法、机械粉碎( 干片) 、高速 匀浆法等。如h i o k is h i n y a 1 4 1 是使用一种称为s e l f - e x c i t e du l t r a s o n i cp u l v e r i z e r 的超声粉碎 器分散细菌纤维素；t g u c h im a s a t u s h i 1 5 】也是采用机械的方法打散细菌纤维素；修慧娟等 是使用高速匀浆法和酸水解法分散细菌纤维素【1 6 】；而m o r i n a g ey a s u s h i t t l l 7 】贝i j 是对细菌纤 维素和植物纤维素的复合物直接进行打浆处理。 1 1 5 细菌纤维素在造纸工业中的应用研究 用细菌纤维素作为造纸原料，因其极高的纤维素纯度，免去了一般植物纤维脱木素 的制浆过程。细菌纤维素添加到纸浆中，可提高强度【l8 】和耐用性，并解决了废纸回收再 利用后纸纤维强度下降的问题。由于细菌纤维素的结构特点和特性【1 9 】( 如：纯度、结晶 度和机械强度较高，具有较大表面积的网状结构) ，细菌纤维素湿膜经打浆分散后受到切 断、吸水润胀和细纤维化等作用，制得的细菌纤维能很好地与植物纤维结合，具有良好 的抄造特性，可作为进一步开发特种纸或功能纸的造纸原料。从目前已开展的应用工作 来看，不必采用特殊的添加方法，就可开发出简单的细菌纤维添料纸制造方法。细菌纤 维素比表面积大，氢键结合的能力强，并具有优异的成膜性能，使其可被用作胶粘剂、 增稠及悬浮试剂，低浓度的细菌纤维浓度可以产生粘滞的悬浮液，与其它增稠剂相比， 只要更低的浓度就可产生相同的粘度，这种溶液可以倾泻、泵送或喷射，作为造纸湿部 中的胶粘剂和增粘剂具有广阔的应用前景【2 0 】： h i o k is h i n y a 1 4 】使用超声粉碎器分散细菌纤维素，所得的浆液加入到纸浆中增加纸 3 陕两科技大学硕士学位论文 张强度，随着细菌纤维素含量的增加，化学热磨机械浆( c t ) 纸张的杨氏模量、抗 张强度、耐折度等明显地增加，强度的增加是因为细菌纤维有很大的表面积，氢键形成 较强烈造成，纸张的多孔性也随着细菌纤维素的添加而减少，但细菌纤维素的添加量大 于4 0 时，成纸的不透明度逐渐下降。 m o r i n a g ey a s u s h i t t l 7 】在含有至少一种非木材植物纤维的培养基中接入a x 纤维素， 经适当培养后形成纤维素一半纤维素复合物，并经打浆、漂洗后抄纸，这种以非木材植 物纤维为主要原料的造纸新方法生产出来的纸张在强度、适印性和手感上与以高级木浆 抄造的纸张有相同的性能。 t g u c h im a s a t u s h i ”1 将细菌纤维素膜打散后的细菌纤维素和木浆混合，并添加适量 风干的苯酚树脂，抄造成纸张，具有很好的抗膨胀性能和良好的弹性。 k a t s u r at o m 2 l 】把经过染色的细菌纤维素添加到植物纤维中，制造一种新型的防伪 纸，这种防伪纸具有良好的鉴别性和很高的表层强度。 s a t ot a t s u y a t 2 2 】在植物原料中添加细菌纤维素，制造一种新型薄层印刷纸，植物纤 维和细菌纤维的加入比例为( 9 9 5 0 5 ) ( 8 5 1 5 ) 。即使在定量很小时，这种纸张针孔 也很少，而且纸张强度及印刷性能也得到提高，印刷时油墨产生的冲击力很难使纸张破 裂，这种纸张可应用于大字典和词汇手册。 另外如在美元纸币中添加细菌纤维素使其具有很好的强度、耐折度和抗水性；在制 造吸收有毒气体的碳纤维纸板时，加入细菌纤维素可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸 中填料的泄漏等。国内的报道则较少，天津轻院贾士儒等人【2 3 】对细菌纤维素在草浆中的 应用作了探讨，发现在草浆中加入细菌纤维素能够有效地提高填料的一次留着率，裂断 长、耐破指数、撕裂指数等强度指标也均有提高；陕西科技大学修慧娟等人【l6 】把细菌纤 维按不同添加量分别添加到针叶木浆、阔叶木浆、棉浆及漂白麦草浆中抄纸，成纸物理 性能都有提高。 1 2 纸张的表面施胶与涂布加工 1 2 1 表面施胶技术概述 表面施胶是指在经过内部施胶或未经过内部施胶的纸面上，涂上一层匀整的薄层胶 料，使纸张取得憎液性能的一项工艺过程【2 4 1 。表面施胶一般在机内完成，即在纸机干燥 部适当位置装设表面施胶装置，使纸或纸板在未完全干燥时涂上一层施胶剂，再经干燥 后使其表面形成一层胶膜。对于含有较多非木材纤维或二次纤维的纸种来说，要获得较 高的表面强度、印刷适性和纸页形稳性，必须采用表面施胶。经过表面施胶的纸张或纸 板，可使纸面形成光滑而具有抗水性能的覆膜。与浆内施胶比较，表面施胶的特点主要 是通过用具有成膜性的表面施胶剂，在纸的表面形成连续性的薄膜，使表面的纤维固着 于纸的表面。这不但提高了纸面的抗水性能，而且还可以增强纸的强度和挺度，改善纸 4 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 张的书写性能和印刷适性，提高纸的耐摩擦性及耐水性，还可以解决印刷过程中纸张的 掉毛、掉粉问题。因此，表面施胶在书写纸、印刷纸、包装纸方面，往往比浆内施胶重 要得多。表面施胶是施胶技术的另一个发展趋势，它具有化学药品损失少，不受浆中其 它物质的影响，而且可在较高p h 值条件下操作等优点。 目前，应用于表面施胶的化学助剂品种较多，大体可分为两类：天然高分子和合成 聚合物。天然高分子产品具有来源广、价格低、易生物降解等优点，在表面施胶剂市场 上一直占据重要比例，主要有淀粉、瓜尔胶、纤维素及半纤维素、虫胶、明胶、甲壳素 和海藻酸等。而合成聚合物类助剂由于可赋予纸张更优异的性能，近年来发展比较迅速， 相继出现了烯酮二聚体( 舢) 、石蜡、聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 、硅酮 聚合物、苯乙烯类共聚物、聚氨酯及氟碳聚合物等产品【2 5 1 。 淀粉作为一种天然植物产物，其资源充足，绿色无污染。近年来对淀粉改性用以提 高其使用效果的研究曾出不穷，通过对天然淀粉改性生产变性淀粉用以提高纸张的表面 指标，无论从技术还是成本上都是符合我国国情的【2 6 l 。随着现代工业的进程，淀粉表面 施胶剂已经被逐渐从研发向生产推进，淀粉作为表面施胶剂是大势所趋，值得业内人士 关注【2 7 1 。氧化淀粉是通过化学氧化剂氧化淀粉分子中的羟基，将其转化成羰基和羧基， 同时破坏部分淀粉分子中的糖苷键，引起分子一定量降解。它是一种非常重要和在工业 上应用很广泛的变性淀粉。性质上氧化淀粉与原淀粉相比其特点是色浅、糊化温度低、 流动性好、糊液粘度低且稳定性高、透明度高、成膜性能好、胶粘力强，价格便宜。在 造纸、纺织、食品和其他工业上具有广泛的用途【2 引。 表面施胶方法的改进远不如表面施胶剂的发展迅速，从最初人们用施胶槽浸渍施胶， 到现在普遍使用施胶压榨和某些新型的施胶方法已经经历了许多年的变革。受到设备更 换费用高的限制，国内造纸企业采用的表面施胶装置囊括了各种形式的表面施胶设备。 现存的表面施胶的方法有：水平辊式施胶压榨、竖直辊式施胶压榨、斜式施胶压榨、s y m 型施胶压榨、门辊式表面施胶、计量刮刀棒式表面施胶装置、施胶槽表面施胶、压光机 施胶、喷雾施胶等【2 9 】。随着现代造纸工业的飞速发展，表面施胶技术已经不只是一个独 立的工序了，单纯的表面施胶效果已经不能满足现代工业对资源的充分利用了。如今许 多涂布工艺都用表面施胶作为其预涂工序，通过施胶预涂来减少涂料的流失、增加底层 和面层的粘合从而降低成本，而且现代纸张的压光后处理技术对表面施胶也提出了更高 的要求。 1 2 2 纸张的涂布加工 纸张的涂布加工是指在原纸上均匀涂上一层调配好的涂料，经过干燥后再用压光机 使得纸张的表面平滑化，从而具有良好的印刷性能【3 0 1 。纸面经涂布后，平滑度明显提高， 为精细网点的印刷创造了条件。因涂层微孔比纤维层微孔小得多，显著降低了纸面的吸 5 陕两科技大学硕士学位论文 墨性，致使油墨印在纸面后，液态的连结料没有大量渗入纸内之前，便经流平后固化成 膜，纸面平滑，墨膜更平滑，这就具有了良好的印刷光泽度、印刷密度和清晰的印刷网 点，使得印刷画页色彩鲜亮、层次丰富和立体感强。 原纸与涂料是左右涂布纸品质的重要因素。原纸性质中会影响涂布的主要有【3 l 】：均 一性、平滑度、表面吸收性、表面强度、表面情形、化学适性、两面性及纸面光学性等。 而涂料则必须满足涂布作业的操作性及印刷适性等，并按这些条件进行设计制造，即涂 料的设计与生产何种涂布纸有关。不同产品应使用其相对应的涂料、涂布方法和涂布机。 纸张涂布用的涂料种类很多，而其中较为普遍应用的是水基性涂料。水基性涂料的组成 大致上可分成四类：颜料、胶粘剂、添加助剂及水。这四类成份的组合与涂布后纸张的 品质息息相关。 纸张的涂布一般是在涂布机上完成的，它可在装有涂布设备的纸机上一次完成，即 所谓纸机涂布；也可在单独的涂布机上进行，即所谓涂布机涂布【3 引。多数涂布加工纸需 经过超级压光，使纸张更加平滑且具有光泽。 1 3 纸张的印刷适性及其和印品质量的关系 1 3 1 纸张的印刷适性及其研究现状 纸张的印刷适性是指纸张适应油墨、印版及印刷条件的要求，保证印刷作业顺利进 行，并获得优质印刷品所必备的条件。纸张的印刷适性不是某一固定的性质，而是与不 同的印刷条件和不同的印品特征相适应的性能，包括印刷作业适性和印刷质量适性两个 方面。印刷作业适性指纸张在印刷机上对于必要的操作能够圆满应付的各种性能，如纸 张外观质量，流变性能，强度性能和吸湿变形性及在印刷机上续纸要顺利等。印刷质量 适性指纸张对印品质量起决定性作用的性质，是所有影响印刷质量的纸张性能的总称， 如纸张的平滑度、油墨接受性能、光学性质等【3 3 1 。 纸张是印刷中重要的承印材料，纸张的印刷性能实际上是诸多纸张基本性质的综合 反映，它也是对最终印刷品进行评价的必要项目。因此目前国内外对纸张印刷适性的研 究比较多，而且主要侧重于两个方面：一是从印刷的角度出发，对不同类型纸张的印刷 适性进行研究，找出印刷适性之间的关系及其对印刷品质量的影响，从而为不同的印刷 用纸选择合适的印刷工艺条件，这方面的研究比较多，如骆光林等人【3 4 】研究发现铜版纸 的平滑度与光泽度近似指数关系，它们直接影响印刷图文的清晰度，铜版纸的吸收速度 随紧度的增加而减慢；李荣【3 5 1 的研究指出涂布白板纸涂层的表面结构、微孔数量与油墨 吸收有直接的关系，微孔数量多，表面粗糙，油墨干燥速度快，造成印刷光泽差，反之， 油墨干燥速度慢，会引起粘脏，严重时油墨不干而无法继续印刷，遇到这样的问题，除 了采用适宜的原材料制定最佳工艺配方外，特别应当引起重视的是选择合适的干燥条件。 二是从纸张的性能考察入手，来研究纸张的印刷适性，为改进纸张的抄造工艺，提高纸 6 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 张的印刷性能提供参考，由于跨学科跨专业，这方面的研究比较少。如陈礼辉【3 6 】在对毛 竹浆成纸光学性能及印刷适性的研究中发现，由于竹浆纤维结构及其打浆的特殊性，打 浆对漂白硫酸盐毛竹浆成纸光学性能和印刷性能有很大的影响，其成纸光散射系数、印 刷不透明度及同一印刷密度下的透印值随打浆度的变化而变化，存在一个较佳的打浆度。 1 3 2 纸张印刷适性的评价方法 纸张印刷适性的评价基本有下面几种方法： ( 1 ) 实际印刷法 即通过实际印刷机印刷后，以印刷效果来评价纸张的印刷性能。该法耗费大，不适 于科学研究。 ( 2 ) 间接测试法 该法是通过测定一些常规性质，如平滑度、吸收性、光泽度等，来间接预测纸张的 印刷性能。由于常规性能指标的测定条件与实际印刷差距较大，因而不十分科学。 ( 3 ) 模拟印刷适性仪测试法 这是近代发展起来的一种新方法，它模拟印刷机的条件和印刷方法，并能调节印刷 压力、墨量和印刷速度，进行各种印刷试验来评价纸张的印刷性质【3 7 】。这种方法较为科 学，并由于所用仪器体积小，操作方便，而被广泛应用。 目前国际上模拟测定印刷性的仪器种类较多，如西德f o g r a 印刷适性试验机，日本 印刷局印刷适性试验机，荷兰i g t 印刷适性测定仪，美国h e r c u l e s 印刷适性试验机等共 十多种试验机，其中，以荷兰i g t 印刷适性测定仪应用最为广泛，并日趋标准化。 1 3 3 纸张印刷适性的主要检测指标 对于支配印刷品综合效果的质量特性，弗莱克、巴库德尔、乔根森【3 8 】等许多研究者 发表了各种各样的看法，所提出的印刷质量特性具有一定的代表性，目前，普遍认为印 刷品质量特性考虑以下几点就已经很充分了：阶调和色彩再现性、图像清晰度、印刷的 不均匀性等。根据这几点，纸张印刷适性方面的主要检测指标有： ( 1 ) 纸张的油墨吸收性 纸张油墨吸收性是评价印刷用纸的重要技术指标之一，它是指纸张对油墨的接受性 和对油墨中连结料的吸收能力。纸张是由纤维交织而成的多孔材料，纸张吸收油墨的基 础是由纤维网络形成的孔隙【3 9 1 。因而纸张对油墨的吸收能力便决定了纸张对油墨的渗透 率。许多印刷故障常常就是由于纸张对油墨的吸收性与采用的印刷条件不相适应而造成 的。准确评价纸张的吸墨能力并预测对印刷质量的影响，对于纸张质量的提高和印刷质 量的控制都很重要。 印刷工艺要求纸张具有相当的吸收能力，使纸张能尽快地吸收油墨，印刷时纸张吸 收的是油墨中的连结料，而颜料颗粒则留在纸张表面上迅速干燥。一般纸张纤维间的孔 7 陕两科技大学硕士学位论文 隙比颜料颗粒直径要大，在印刷时，油墨被压入纸张孔隙之内，在纤维毛细管的作用下 那些比颜料颗粒直径小的小纤维间隙吸收连结料。纸张纤维交织成无限数量的毛细管， 吸墨量可以由空隙大小来讨论，油墨填入空隙后，纸张中的毛细管吸收油墨中的连结料。 如果纤维间的空隙很小，纤维的毛细作用受到破坏，吸墨性能也就很差：如果孔隙过大， 毛细管不仅吸收连结料，还吸收颜料，则产生透印现象。 从定量上分析，可利用哈根波义秀尔( h a g e n - - - p o i s e u i l l c ) 定律：在一定时间t 内，从细管中通过的液体容积y 是和管内半径，的四次方及两端压力差( p j n ) 成正 比，和细管的长度三以及液体的黏度】，成反比，用公式【4 0 】表示为： d v y t r 4 ( 眉一罡) 一= = - - - - - - - 二- - - - - - ：| 一 出8 汔 这个公式说明毛细管径愈粗，对液体的吸收速度愈快。这个公式还说明了在压印瞬 间油墨被压入纸张时的各种因素：印刷压力、压印时间的长短、油墨本身的黏度、纸张 毛细管构造等与油墨吸收性的关系。 目前常用k & n 值表征纸张的油墨吸收性能，该方法通过测定纸张在规定时间内标 准面积上吸收非干性油墨后表面反射系数的降低来表示油墨吸收性能，用于白色、近白 色、涂布或未涂布纸张的油墨吸收性能测试。按下式计算： 油墨吸收值( ) = ( 凰坷1 ) r o 1 0 0 + r k ( 1 2 ) 式中： r 旷_ 蜍油墨前试样表面绿光反射值( ) ； 只1 涂油墨后试样表面墨迹中心区域绿光反射值( ) ； r r 油墨的修正系数( ) ，用以消除油墨批次间的差异。 纸张的油墨吸收性与印刷适性有很大的关系。若油墨吸收性过低，油墨转移到纸张 上之后不会很快被纸张吸收，易造成印品背面黏脏。若油墨吸收性过高，则连结料过多 渗透到纸张纤维中，易形成纸张透印，且迅速的渗透可能造成油墨的粉化，油墨膜层在 干燥后，就会发生颜料遇到轻微的摩擦成为粉状而脱落的现象。 ( 2 ) 平滑度 平滑度表示纸张表面的平整程度和光滑程度，它是度量纸张表面结构特性的物理量。 要获得令人满意的印刷质量，纸张的平滑度是一个必要的条件。印刷效果在很大程度上 依靠纸张表面的平滑度，用表面不平的纸张印出的图文，清晰度就要受到影响，这是因 为平滑度与油墨的转移有一定的关系，平滑度决定了纸张与印版接触的紧密程度。印版 上的墨膜厚度一般为3 l o p x n ，与纸张进行压印时，约有一半油墨转移到纸张上，如果 纸张上的凹坑深度超过墨膜的厚度，则在压印时，印版上相对应这个凹坑就不能与纸张 接触1 4 1 1 。如果该部位是实地，则产生白点；如果是文字，则产生断笔少画的现象。 与纸张平滑度同等重要的是纸张的表面可压缩性。表面可压缩性决定了纸张在印刷 8 细菌纤维素对纸张印刷适性影响的研究 压力作用下纸张的平滑程度，称之为印刷平滑度。一般把纸张自由状态下的平滑度叫做 表观平滑度，它取决于纸张外观的纹理结构；而印刷平滑度则是纸张表观平滑度和表面 可压缩性的综合效应【4 2 1 ，是纸张很重要的印刷适性指标之一，对印刷质量有直