涂布纸BackTrap+Mottling印刷色斑影响因素的研究

1、中国造纸学会第十六届学术年会论文集 457涂布纸BackTrap Mottling印刷色斑影响因素的研究胡云12+刘金刚1，2(1中国制浆造纸研究院，北京，100102；2制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)摘要：考察了涂布纸的生产工艺因素如涂料固含量、胶黏剂的种类和用量、涂布纸枯燥条件对涂布纸的涂层性能及形成BackTrap Mottling(BTM)的影响。结果说明，提高涂料的固含量，有利于减少涂布纸多色胶版印刷中BTM的发生；当涂料配方中淀粉用量超 过胶黏剂用量30时，涂布纸出现BTM的趋势和严重程度大大增加；对含淀粉胶黏剂涂料配方的涂布纸，枯燥温度(枯燥速率)过 高或过低都会引

2、起较严重的斑点问题；对含全胶乳配方的涂料，不同枯燥速率通过影响胶乳成膜结构进而影响涂层外表结构，较高 的枯燥温度有利于减少涂布纸产生BTM。关键词：BackTrap Mottling；印刷色斑；影响因素；涂层；淀粉Back-Trap Mottling印刷色斑(BTM)是指在多色胶版印刷中，纸张上的前一色油墨被不均匀地“Back trapping(逆叠印)到后几色印刷单元的橡皮布上，从而在纸面上留下颜色深浅不一、明暗交替斑块的现 象引。BTM是涂布纸及纸板在多色胶版印刷中经常遇到的一种印刷故障，它的发生会对印刷品的印刷品质造 成损害和造成生产资源的极大浪费。因此，在涂布纸的生产过程中，需要有意识

3、地对形成BTM的生产过程因 素进行控制和优化，以生产出符合印刷质量要求的高品质涂布纸张。一些研究提出H培-，在涂布纸涂层的枯燥固化过程中，胶黏剂的迁移会引起胶黏剂在涂层中的不均匀分 布，导致印刷过程中涂布纸涂层对油墨连结料的不均匀吸收，影响了油墨的固着与“tack build-up(黏性增 长)，是涂布纸形成BTM的一个重要原因。此外，涂布纸的涂层孔隙结构和涂布原纸的匀度、涂布量的分布也被认为是形成印刷斑点问题的原因一。1 。 本实验考察了涂布纸的生产工艺因素如涂料固含量、胶黏剂的种类和用量、涂布纸枯燥条件对涂布纸的涂层性能及形成BTM的影响，以便为在生产实践中控制涂布纸的生产工艺参数、生产出

4、符合印刷质量要求的高品质涂布纸张提供有价值的参考。1实验11原材料涂布原纸取自国内某纸厂，定量68 gm2，紧度078 gcm3；涂料中的颜料为60级GCC、95级GCC和高 岭土；胶黏剂为SSS一85淀粉、羧基丁苯胶乳SBR；其余涂料助剂如CMC、分散剂、抗水剂、润滑剂等均为市 购，商品级。12主要仪器与设备高速剪切分散机，Brookfield转子黏度仪，AAGWR涂料保水度仪，ORION-21l数显pH计，ENDUPAP 275台式涂布机，KRK双辊超级压光机，CQ122恒温枯燥箱，红外快速水分测定仪，RI一3(双色)印刷试验 机，Croda油墨，KN油墨，Park印刷外表粗糙度测定仪，X

5、Rite 528色密度仪。13实验方法131涂布采用在涂布原纸上涂两遍(预涂和面涂)，即先预涂获得一个较均匀覆盖的涂层，然后进行面涂。所有预涂的涂料配方一致，涂料固含量63，涂布量控制在(12005)gin2。通过面涂的配方设计及枯燥条件的作者简介：胡 云，男，1979年生；工程师；主要从事纸张涂布加工工艺技术、生物质材料、纳米技术的研究开发工作 Email：tubujishu126com458中国造纸学报2021年增刊变化，考察涂层性能对涂布纸在多色胶版印刷中形成BTM的影响。面涂涂料配方见表1，面涂涂布量也控制在(12005)gm2。表1面涂涂料配方132涂布纸性能检测 涂料固含量：采用红

6、外快速水分测定仪，平行测量3次，结果误差小于05。涂布纸的透气度：采用Park印刷外表粗糙度测定仪测定，测试条件为2000 kPa(20 kgcm2)，单位为m(Pas)。油墨吸收性：依据纸与纸板油墨吸收性的测定法(GBT 1291 11991)测定。 油墨固着速率(指印刷油墨在纸张上的枯燥快慢程度)：用RI3印刷试验机测定。具体操作程序为：首先用匀墨辊施加一层厚度为23斗m的Cyan油墨到待测试纸样上，然后在一定的时间间隔内(5、15、30、60、120 s)，依次将待测纸样上的油墨转压印到一张空白衬纸(物理指标：不透明度99，白度84，平滑度685 s)上，测量衬纸上油墨层的印刷色密度，绘

7、制出印刷密度随时间变化的曲线，得到油墨的固着枯燥速率。 涂布纸的BTM检测：依据张尧介绍的方法4 1即利用Croda油墨检测涂布纸的BTM。Croda油墨着色测试是通过测试涂层对油墨连结料(溶剂)吸收的均匀程度间接地反映印刷色斑的轻重程度。 BTM的评价：用ImageJ软件结合图像分析方法确定色斑不匀指数。1孓171，该不匀指数越大，说明色斑程度越严重。利用该评价方法对商业印刷纸样进行了测试，通过有效范围内重复屡次的色斑不匀指数测试值与目视打分评级相关性的建模比拟实验，确立了色斑不匀指数与色斑严重程度的对应关系，即：色斑不匀指数25： 严重；色斑不匀指数=1825：中等；色斑不匀指数18：轻。

8、2结果与讨论21涂料固含量对BTM的影响 涂料的配方组成相同，仅涂料的固含量不同。随着涂料固含量从58增加到62，涂布纸的透气度从004 ixmPas下降到002 p。mPas(见图1)，K&N油墨吸收值从14下降到11(见图2)，油墨在涂布纸 上的固着速率也是随着涂料固含量的增加而有所下降(见图3)，反映出涂层外表及孔隙结构变得封闭，涂层 的吸收性下降。加坫色004口m笋o02 5求靼Z趔叫蝌OO586062586062涂料固含量涂料固含量图1涂料固含量对透气度的影响图2涂料固含量对油墨吸收性的影响对于印刷色斑，涂料固含量从60增加到62，可以看到，色斑不匀指数有较明显的降低(见图4)，意

9、味着BTM印刷色斑发生的趋势和严重程度在减轻。可能有两个方面的原因：第一，随着涂料固含量的增加， 涂料中自由水分的比例减小，涂料内各组分粒子间的絮聚程度增加，胶黏剂的迁移行为受到一定程度的阻碍而 减弱，湿涂料的枯燥速度也相对较快，有利于快速形成固化的涂层，这有利于涂料中的化学组分在涂层中的分 布均匀一致和涂层化学性能和外表性能的均匀稳定。第二，涂层的孔隙结构随着涂料固含量的增加会变得愈加 封闭，涂布纸在印刷压区接受油墨后，对油墨溶剂的吸收变得很缓慢，油墨的“tack buildup(黏性增长)中国造纸学会第十六届学术年会论文集 459也很慢，此时受到后色序印刷单元的橡皮布的剥离作用，油墨墨膜的

10、分裂程度也大致相同，因此，出现墨层薄厚不一即色斑的状况会相对减少。3 O2 52 Ol 5l O疑靼8k王疆回O 5O586062涂料同含量图3不I司涂料固含量下的油墨固着速率图4涂料固含量对BTM的影响22胶黏剂的种类对BTM的影响羧基丁苯胶乳、改性淀粉和羧甲基纤维素钠(CMC)是涂布纸和纸板的涂料配方中经常使用的胶黏剂组 合。其中，羧基丁苯胶乳的黏结强度高，流动性好；涂布淀粉和CMC均为改性的天然高分子有机胶黏剂，与 胶乳相比，黏结强度低、成膜性差，但它们能在一定程度上改善涂料的流变性能，并且本钱低廉、来源丰富， 在涂料配方中与合成胶乳配合使用，可以赋予涂布纸一些特殊的性能，降低生产本钱。

11、如图5图7所示，随着淀粉的参加，涂布纸的涂层结构发生了很大的变化。增加淀粉的量而相应减少胶 乳的量，油墨吸收性增加，油墨的固着速率变快，可能都是由于淀粉的成膜性比胶乳差，涂层结构变得开放， 对油墨溶剂较强的吸收作用所致。Croda油墨着色检测发现，随着涂布淀粉的用量增加，色斑不均指数也变 大，当淀粉的用量占整个胶黏剂用量的比例超过30时，印刷色斑的程度变得很严重(色斑不匀指数大于 25，见图8)，意味着淀粉的使用可能是形成涂布纸BTM的一个重要因素。2420 O06堡16山004墨12矗要8斧o02 4咧OO14o1231058714012310587胶黏剂用量(胶乳淀粉)份数胶黏剂用量(胶乳

12、淀粉)份数图5不同胶黏剂配比对透气度的影响图6不同胶黏剂配比对油墨吸收性的影响1 6l 435l 23O1 O羹25O 8蔷20型黼羽毫【I| 0 6懿O 4O 205O 0514o12310587胶黏剂用量(胶乳淀粉)份数图7不同胶黏剂配比下的油墨固着速率图 8不同胶黏剂配比对BTM的影响有些报道。21 3指出，天然的胶黏剂如淀粉、干酪素等比合成胶黏剂如胶乳、PVA产生更为开放的涂层表 面和较大的涂层空隙体积。同时，在涂布加工的过程中，淀粉和胶乳迁移的行为是不一样的，淀粉比胶乳更加 容易向原纸方向或涂层外表迁移。淀粉的不均一迁移导致在涂层外表淀粉的含量及其分布不均一，对油墨溶剂中国造纸学报2

13、021年增刊的吸收和与油墨的相互作用不一致使得淀粉的应用对涂布纸形成BTM印刷色斑的影响更大。 23胶乳用量对BTM的影响由图9图11可以看出，随着胶乳用量的增加，涂层的透气度下降，油墨吸收性也下降，油墨固着速率 变慢。这是因为，胶乳用量增加使涂料中的主体组分如固体颜料粒子之间的聚集和黏结状况增强，涂层中的小 孔隙减少，涂层变得密实；此外，胶乳在涂布纸的压光操作中会受热塑化变形，进一步封闭了涂层中的空隙， 使涂层的空隙容积减小，这就阻碍了对油墨中的溶剂的吸收。随着胶乳用量的增加，涂布纸的色斑不匀指数呈 下降的趋势，说明形成的密实涂层外表结构有利于减轻印刷色斑的形成。有研究通过0s(锇)示踪元素

14、和x 射线电子能谱跟踪分析的手段分析了胶乳胶黏剂的迁移行为2|，发现胶乳粒子的迁移行为在涂层的枯燥固化阶段大于涂层的形成阶段(施涂过程)，胶乳在涂层外表的分布还是比拟均一的。通过本实验发现，胶乳用量 的变化对涂布纸形成BTM的影响不大。01025三呕20Ic口厶蔷15吕Z毒 舛倒妻10矿蝌舵 5010121416010121416胶乳用量份数胶乳用量份数图9胶乳用量对透气度的影响图10胶乳用量对油墨吸收性的影响2 518162 O14蜊12 1 5稚10型081 O噜岳O6籁靼目K塞回04O 502O 0lO1214 16胶乳用量份数图11不同胶乳用量下的油墨固着速率图12胶乳用量对BTM的影

15、响24枯燥条件对BTM的影响 在涂布纸的加工过程中，枯燥条件或枯燥曲线对涂布纸的涂层成形及最终涂布纸的性能有重要的影响3。枯燥曲线对涂布纸形成BTM也有重要的影响。实验通过变化涂布纸的枯燥温度，即室温(20。C)、105。C和130。C，分别模拟温和慢速枯燥、正常枯燥和 剧烈快速枯燥，考察枯燥条件对涂布纸形成印刷色斑的影响。由于全胶乳胶黏剂配方的涂料和含淀粉胶黏剂配 方的涂料其涂层成形的行为是不同的，它们对枯燥温度和枯燥条件变化的敏感程度也不一样。因此，对这两类 涂料分别进行了考察。图13图16是枯燥条件的变化对含淀粉配方(胶黏剂淀粉为105)涂料的涂布纸性能的影响。由图13、 图14和图16

16、可见，相比正常枯燥，在温和枯燥和高强温度的枯燥条件下，油墨固着速率更快，涂布纸的透气度 上升，色斑不匀指数增加。分析认为：在温和枯燥下，涂料中的水分以毛细管作用的吸收渗透为主，胶黏剂随涂料中的水分向原纸方 向迁移，在涂层外表形成了许多大的孔隙，涂层结构相对较为开放，对油墨的接受和吸收也较多；而在高强干中国造纸学会第十六届学术年会论文集 461燥下，胶黏剂尤其是淀粉向涂层外表迁移过程中，由于水分的快速蒸发，很快便失去迁移能力而“沉积在 涂层外表，胶黏剂在涂层外表的富集会使涂层变得封闭，对油墨的吸收性下降。同时，胶乳和淀粉在高强枯燥 下迁移过程中的不“同步也会使涂层呈现出不规那么的微观孔隙结构和不

17、均匀的孔隙分布，因此会影响对油 墨溶剂吸收的均一性，引起印刷斑点。图17图20是含全胶乳配方(胶乳14份)的涂料枯燥条件变化对涂布纸的透气度和油墨吸收性的影响。l 81 60 加1 4O 憾l 21 O0 O 8世黼函毒i| O 6O 0 4O 2l_1-Bd吕毒巡旷蝌 O 舵O 00 15 30 45 60 75 90 105 120间s枯燥温度C图13不同枯燥温度下的油墨固着速率图14枯燥温度对透气度的影响243 5203 O2 5瀑162 0翌12趔 1 58籁昌丰日长寒四 1 O4O 5OO2010513020105130枯燥温度枯燥温度。C图15枯燥温度对油

18、墨吸收性的影响图16枯燥温度对BTM的影响16O081412006醚10招0s004堂0604002l-I_吕越矿蝌O20O0 15 30 45 60 75 90 105 120间s枯燥温度。C图17不同枯燥温度下的油墨固着速率图18枯燥温度对透气度的影响加3OM25他豁20靶8 15冰趔Z堪冒 8R寒10 如405OO2010513020105130枯燥温度枯燥温度图19枯燥温度对油墨吸收性的影响图20枯燥温度对BTM的影响中国造纸学报2021年增刊对于全胶乳配方的涂料，随枯燥温度的升高，涂层的透气度下降，说明孑L隙在减少；油墨的吸收性也在呈下降 趋势，说明涂层的结

19、构随枯燥温度的升高、枯燥速率的加快而逐渐变得“致密起来。需要指出的是，枯燥 温度太高，可能会引起胶乳“烧结而使其结构性能发生改变，从而影响涂层结构旧5。由于胶乳本身的成膜性很强，枯燥温度或枯燥速率对含全胶乳配方的涂布纸发生BTM的影响，可以从其 对涂层外表胶乳的成膜结构的影响来解释：当涂料温和缓慢枯燥时，胶乳粒子在颜料间固化成膜，此时涂料中 的颜料粒子排列组合形成的结构决定了涂层的空隙结构，本实验中使用的颜料为细粒的剥片高岭土和研磨碳酸 钙，这样温和条件下形成的涂层结构还是比拟开放的；当涂料在强烈快速枯燥时，胶乳粒子在涂层外表富集而 很快形成膜状结构，虽然涂层因此而变得有所封闭，但由于其整体结

20、构的均匀性，对油墨溶剂的吸收很均一， 油墨较慢的固化，被后序橡皮布剥离的程度是一致的，因此也很少出现严重的“Back Trapping斑点。当涂料 处在既不温和又不强烈的枯燥条件下，胶乳的成膜与颜料粒子的固化之间互相“竞争，打破了涂层成形结构 的“平衡关系，这一过程还受到预涂层的吸收性、涂料的保水性的影响。同时，相邻涂层的不均匀收缩作 用也加剧了涂层孔隙的不均一性，这样也增加了涂布纸在印刷中BTM发生的可能性。3结论31提高涂料的固含量，涂层外表变得封闭，油墨的固着速率下降，有利于减少涂布纸在多色胶版印刷中BTM的发生。32当涂料配方中淀粉的用量超过胶黏剂用量30时，涂布纸出现BTM的趋势和严

21、重程度大大增加，淀粉 可能是影响涂布纸BTM发生的一个重要因素。33当涂料中使用丁苯胶乳作为唯一的胶黏剂时，胶乳的用量对涂布纸产生BTM的影响并不大。34对含淀粉胶黏剂涂料涂布的涂布纸，枯燥温度对其产生BTM对非常敏感，枯燥温度(枯燥速率)过高 或过低都会引起较严重的斑点问题。对含全胶乳配方的涂料，不同的枯燥速率通过影响胶乳的成膜结构进而影 响涂层外表结构，较高的枯燥温度有利于减少涂布纸产生BTM。参考文献1Eldred NRSoures of Backtrap MottleCProceedings of 1986 international printing and graphic arts

22、 conference19862KohlerBack Trap MottleEBOLKohlers Comer，200320030619 ：#wwwSlidesharenetSappi Houstonink-setting-andtrapping3江达涂布纸印刷中的backtrap色斑J今13印刷，1999(5)：1094Michael Whalenshaw，Thomas EbyAn investigation of factors related to backtrap mottle in coated papem using electron probe microanalysiscTAP

23、PI 1991 coating conference proceedings19915Nishioka T，Ishikawa T，Uchida ACauses and remedies of mottling problems in offset printingJJapan Tappi，1987，41：215 6GEngstromBinder distribution andmass distribution ofthe coatinglayer-cause and consequenceC#TAPPll991 coating conference proceedings，1991 7Zan

24、g YH，Aspler J SThe effect of surface binder content on print density and ink receptivity of coated paperJJPulp Paper Sci，1998，24：141 8Engstrtim G，Rigdahl MBinder migration effect on pfintability and print qualityJNordic Pulp and Paper Research J，1992，2：55 9Engstrom GForming and consolidation of a co

25、ating layer and their effect on offset print mottleC#Proceedings of the 1993 Advanced Coating Fundamentals SymposiumAtlanta，GA：TAPPI Press10Yang Xiang，et a1The cause of backtrap mottle：chemical or physical?C#TAPPI 2000 coating conference proceedings200011Atsushi Kumano，Atsushi Higuchi，Takeshi Watana

26、be，et a1Reducing motile through coating structure designC#TAPPI 1993 coating coiffcrence199312李为昌墨斑产生原因及确定方法J印刷技术，2006(2)：2313Xiang Y，Bousfield DW，Hayes PC，et a1A model to predict ink setting rates on pore size distributionsJJPulp PapSci，2004，30：117 14张尧利用Croda油墨检测涂布纸Backtrap印刷色斑J中国造纸，1999，18(4)：6 1

27、5潘力天印刷斑纹的定义、斑纹指数及其试验方法J广东包装，2000(1)：1616 胡云，刘金刚涂布纸backtrap色斑影响因素及检测方法的研究探讨c第十四届涂布加工纸学术年会会议论文200617Roy Rosenberger，Daniel ClarkBacktrap and hoff-tone mottle measurement with stochastic frequency distribution analysisC#Tappi 2001 coatingconference proceedings200118Kline J EThe measurement of binder migration with uhraviolet analysisc#Proceedings of the 1990 Coating