利用EST液体渗透分析仪对纸张施胶度和吸收性能的测试与分析

李 兵 高玉杰

（天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津，300222）

利用EST液体渗透分析仪对纸张施胶度和吸收性能的测试与分析

李 兵 高玉杰

（天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津，300222）

纸张的吸收性能决定着纸张对油墨的吸收能力，纸张的油墨吸收性能是影响印刷品质量的重要印刷适应性指标，为了能够对纸张表面的吸收性能和孔隙情况进行准确地表征，本文利用EST液体渗透分析仪对复印纸、铜版纸、胶版纸正反面的渗透吸收性能进行了检测和对比分析。结果表明，采用EST对纸张性能进行分析可以对纸张的施胶度和吸收性能提供数据参考。

EST 施胶度 吸收性能

纸张是一种多孔材料，由纤维网络形成的孔隙是纸张吸收性能的基础，纸张的吸收性能决定着纸张对油墨的吸收能力，纸张吸收性能越好，纸张对油墨的吸收能力越大，反之越小[1]。纸张的油墨吸收性能与纸张毛细孔对油墨中低黏度组分的吸收作用及油墨中某些组分向纸内渗透作用有关，决定着油墨印刷到纸张表面后的渗透量和渗透速率，进而，影响纸面墨膜的干燥及墨膜的表面性能。纸张的油墨吸收性能是影响印刷品质量的重要印刷适性指标，准确评价纸张的油墨吸收性能并预测其对印刷品质量的影响，对印刷质量控制和纸张生产中产品质量的提高都具有十分重要的意义[2]。绝大多数纸张在加工和使用过程中都要与液体(油墨、水、有机溶剂等)接触，发生渗透、吸收、润胀等相互作用，如纸张的印刷、施胶、涂布及包装等。而液体与纸张相互作用的动态过程直接决定最终产品的使用性能，对动态作用过程进行研究对于提高纸张质量具有非常重要的意义[3]。液体与纸张的相互作用的动态过程，既有液体在纸张中的渗透、吸收等物理变化过程，又有H—H键的断裂及纸张组分的破坏等化学变化过程[4]。

因此，准确分析检测纸张的吸收性能和施胶度进而分析纸张的油墨吸收性能就愈加必要，本文对采用EST液体渗透分析仪进行纸张的吸收性能和施胶度测试的方法与结果进行了研究。

1 实验与测试

1.1 仪器与原料

EST液体渗透分析仪：Emtec Electromic公司的EST分析仪（如图1）利用测试液渗透时间和渗透后超声波透过率的数值来表达纸张的吸收和渗透性能。

图1 EST液体渗透分析仪

测试液：以IPA（浓度为17%的乙醇）为测试液体，可描述施胶纸的表面施胶程度和孔隙结构。

纸样：80g/m2复印纸、80g/m2铜版纸、80g/m2胶版纸。

1.2 实验方法

在恒温恒湿（湿度：50%±2%，温度：23℃±2℃）条件下，借助双面胶带将样品固定在样品支架上，将样品架浸入装有试验液的测试容器里。在测试容器里，接受器的对面安装了一个超声波发射器，当试样接触试验液时，发射器立刻发射穿过试样的超声波信号。在液体渗透的过程中，信号被反射、散射和接收，最终的信号变化记录在接受器里，并根据信号变化由集成处理器计算试样的吸收性能。测试原理示意图见图2，测试频率为2 MHZ。

图2 EST超声波测试原理

2 结果与讨论

2.1 不同纸张的粗糙度的测试分析

W值主要描述纸张粗糙度和表面透气度，但也受表面施胶度的影响。根据曲线在基线以上面积的大小计算得到（见渗透曲线），如果试样粗糙，则有较多的空气夹杂在被测物表面，使得信号强度的增加率较小。“W”值越高，则试样物体的孔隙愈大。

本试验采用EST液体渗透分析仪和PPS粗糙度对3种纸样的粗糙度进行了测试（见图3和表1）。

图3 不同纸张粗糙度的测试分析

由图3可知，铜版纸的粗糙度最小，纸张表面的孔隙最少；其次是复印纸，纸张表面较平整，孔隙较少；胶版纸的粗糙度最大，纸张表面的孔隙较多。这也与以上三种纸张的涂布量是相对应的。

表1 纸张PPS粗糙度的检测结果

由表1可知，纸张PPS粗糙度与EST液体渗透分析仪测试的W值具有较好的相关性。

2.2 不同纸张的抗水性的测试分析

MAX（曲线到达最大值的时间点）通过内置的微型计算机设备和PC计算，并在EST的显示器或PC的软件上显示，主要描述被测物表面憎水性和表面施胶度。超声波在不同物质中的透过或吸收是不同的,这是因为超声波对物体的弹性模量变化非常敏感。弹性模量稍有变化,超声波传播就会受到影响。超声波在空气、液体、纸张中的传播是不同的。从液体与纸张接触瞬间开始，纸张孔隙中空气的压缩、排除,液体的渗透、吸收,纤维的润胀，H—H键的断裂及纸张组分的破坏等都会引起超声波传播振幅的变化[5]。在一定的时间（取决于憎水性）之后，水被纤维吸收，纤维结构开始膨胀（t＝MAX）。同时，因为氢键被打断，纤维结构的强度下降。饱和后，由于纤维结构的膨胀，干纸样中的空气和渗透进的水都有空隙，空气形成稳定的气体陷阱，散射超声波降低了接收到的超声波强度。因此，MAX值越小，表明纸张表面憎水性越强。

本试验采用EST液体渗透分析仪和Cobb法对3种纸样的表面憎水性进行了测试（见图4和表2）。

图4 不同纸张表面憎水性和表面施胶度的测试分析

由图4可知，铜版纸的MAX值最小，纸张表面憎水性最好，其次是复印纸，胶版纸的MAX值最大，纸张表面憎水性最差。

表2 纸张Cobb法表面憎水性的检测结果

由表2可知，纸张Cobb值与EST液体渗透分析仪测试的MAX值具有较好的相关性。

2.3 不同纸张的油墨吸收性能的测试分析

T95值是超声波强度为最大强度的95%时的时间点。如果用IPA（浓度为17%的乙醇）作测试液体，它可描述施胶纸的表面施胶程度和孔隙结构。通过对测试数据进行分析后，认为T95值能够比较准确反映纸张对测试液的渗透吸收性能。T95的数值越大，表示纸张对测试液的渗透吸收越慢，数值越小，表示纸张对测试液的渗透吸收越快。

本试验采用EST液体渗透分析仪和K&N油墨吸收法对3种纸样的油墨吸收性能进行了测试 （见图5和表3）。

图5 不同纸张表面吸收性能的测试分析

由图5可知，铜版纸的T95值最小，纸张表面吸收性能最好，其次是复印纸，胶版纸的T95值最大，纸张表面吸收性能最差。并且3种纸样的正面的吸收性能均好于反面，分析认为与纸张正面的毛细孔隙较多，毛细管作用较大有关。

表3 纸张K&N油墨吸收法表面吸收性能的检测结果

由表3可知，纸张K&N油墨吸收值与EST液体渗透分析仪测试的T95值具有较好的相关性。

3 结论

3.1 EST液体渗透分析仪提供了一种可以快速精确测定纸张的施胶度及抗水性的方法，能分别反映纸张的表面憎水性和表面吸收性能。

3.2 EST液体渗透分析仪可以精确地测定纸张与测试液IPA的动态作用过程，系统地反映接触过程中空气的压缩、排出以及纤维的润胀、吸收等。

3.3 EST液体渗透分析仪测试结果与传统测试方法如PPS粗糙度、Cobb法、K&N油墨吸收法有较好的对应性和相关性。

[1]陈永常主编，纸张、油墨的性能与印刷适性，北京，化学工业出版社，2004.

[2]向阳、王捷先、齐晓堃编著，印刷材料及适性，北京，印刷工业出版社，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]王玉珑，曹振雷，王燕忠.应用超声波探测研究液体与纸张相互作用的动态过程 [J].中国造纸，2007：3.

2011－4－25

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