纸张墨斑性能检测方法研究初探

陈春霞 邓健信 徐梅英 王玉峰 黎伟波陈健鸿 欧海龙 邱玉桂,2

(1.广东省东莞市质量监督检测中心国家纸制品质量监督检验中心,广东东莞,523808;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

纸张墨斑性能检测方法研究初探

陈春霞1邓健信1徐梅英1王玉峰1黎伟波1陈健鸿1欧海龙1邱玉桂1,2

(1.广东省东莞市质量监督检测中心国家纸制品质量监督检验中心,广东东莞,523808;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

探讨了不同平滑度纸张的墨斑性能检测及评判方法。结果表明,4种墨斑测试方法能够较好地预测纸和纸板在实际印刷过程中的墨斑产生情况;主观判定采用成对比较法较为稳定可靠;通过与成对比较法的相关性分析,PTS分析软件采用的光谱法能够较客观地定量评价墨斑。

印刷效果;墨斑;检测;评估;定量分析

纸张的印刷质量是当今印刷中所考虑的重要因素之一。拥有高品质的图像质量是最基本的要求。然而,在高速印刷过程中,纸张与油墨并不能完全达到理想的接触状态,因而会对印品产生不良影响,其中之一就是墨斑。

墨斑是指在印品表面形成的颜色不正常、深浅不均匀的斑点或条纹[1]。墨斑用于评价纸张的 xy向的印刷情况,表征印刷效果的不均匀性,受纸张的吸收性和平滑度的影响最大。一般在文字印刷中见不到墨斑,在印刷较厚重的图案中也难发现,而在颜色均匀的实地区域、阶调较为平缓的区域或其他色调均匀的背景中则较为明显。

墨斑主要有 4种形式：转印墨斑、印刷墨斑、水扰墨斑及湿粘印墨斑[2]。转印墨斑和印刷墨斑是由于纸张吸墨不匀或油墨由橡皮布向纸张的转移能力变差而引起的。水扰墨斑是纸张受水膜的影响不吸收油墨从而减少油墨转移量时形成的。湿粘印墨斑是由于每道油墨之间的黏度不同、次序选择不当而引起的。

目前以墨斑为指标来评价纸张印后性能的比较少,基本上是以主观判定为主,因此受主观的影响比较大。采用本实验所述的墨斑测试方法,使墨斑问题的表现效果得以加强,有利于通过实验室的检测手段来预评估印刷效果。本文初步探讨了新闻纸、铜版纸和单面涂布白纸板印刷后的 4种墨斑测试方法,并结合墨斑主、客观判定方法对不同纸张的墨斑测试结果进行分析,以期为实际印刷过程中墨斑的形成及评定提供一定的理论参考。

1 实 验

1.1 仪器

A IC2-5T2000型 IGT印刷适性仪,HSI U4高速匀墨仪。德国 PTS公司的DOMAS定量分析软件。

1.2 原材料

实验用 Huber墨斑测试油墨,并选用 47 g/m2新闻纸 (A)、47 g/m2新闻纸 (B)、150 g/m2铜版纸(E)、400 g/m2单面涂布白纸板 (F)、300 g/m2单面涂布白纸板 (H)5个纸样进行实验,纸张物理性能的测试结果见表 1[3]。

1.3 实验方法

在标准恒温恒湿大气 (23±1)℃、(50±2)%RH实验条件下,纸张、油墨、仪器均预处理 6 h以上,每个纸样都进行 4种墨斑测试实验。

1.3.1 转印墨斑 BT M(正交实验 1)

采用橡皮布印刷盘 (宽度为 50 mm,Φ68 mm);墨膜厚度 8.0μm (即 0.35 mL)或其他油墨量,匀墨过程不补加油墨;调节匀墨仪的匀墨方式为模式 2(水浴 23℃、开始时间 5 s、匀墨时间 10 s、匀墨速度1.2 m/s、印刷盘匀墨时间 5 s);调节印刷仪上辊的压力为 500 N,并调节合适的间隙;调节速度为匀速0.2 m/s;进行上辊印刷;计时 15 s(首次印刷可无需等待),再更换 3个干净的印刷盘进行印刷。

由于纸张吸收油墨的不规则性,没有被完全吸收的油墨就会转移到印刷盘上。采用这种方法,墨斑的表现效果得到加强,使结果评估更加容易。

使用这种转印墨斑测试方法可以预测不同纸张转印墨斑的形成情况。对于同一种纸张,通过不同的油墨量 (0.10、0.35、0.5 mL)、不同的压力 (200、500、650 N)、不同的速度 (0.2、0.3、0.4 m/s)进行三因素三水平的正交实验,来获取不同墨斑效果的印刷纸样,便于后续主、客观判定及相关性分析。

表1 纸张的物理性能

1.3.2 印刷墨斑 (正交实验 2)

墨膜厚度 2.4μm (即 0.10 mL)或其他油墨量,匀墨过程不补加油墨;调节印刷仪上辊的压力为625 N,并调节合适的间隙;调节速度为匀速 0.2 m/s;计时 15 s(首次印刷可无需等待),再更换 1个干净的印刷盘进行 3次印刷;其余步骤同转印墨斑 BT M。

由于纸张吸墨性的不均匀或油墨由橡皮布向纸张的转移能力变差,采用这种方法,使油墨在纸张和印刷盘之间转移达到平衡。使用印刷墨斑测试方法可以预测不同纸张印刷墨斑的形成情况。对于同一纸张,通过改变油墨量 (0.05、0.10、0.20 mL)、压力(325、625、800 N)、速度 (0.2、0.3、0.4 m/s)进行三因素三水平的正交实验,来获取不同墨斑效果的纸样,便于后续主客观判定及相关性分析。

1.3.3 水扰墨斑W I M

采用橡皮布印刷盘 (宽度为 50 mm,Φ66 mm),润湿盘 (形成 1μm水膜);墨膜厚度 8.0μm (即0.35 mL)或其他油墨量,匀墨过程不补加油墨;装刮刀,刀口斜面朝右;切取 5 mm×50 mm的棉花,湿润后置于润湿盘上面的刀片后面;顺时针转动润湿盘,保持润湿盘的润湿状态;调节匀墨仪的匀墨方式为模式 2;将印刷盘放于印刷仪下辊;调节印刷仪上、下辊压力为 500 N,并调节合适的间隙;调节速度为匀速 0.2 m/s;印刷,保持润湿盘上的棉花足够湿润,仅首印需要润湿,其余不用;计时 15 s印刷(首次印刷可无需等待);下辊再更换 3个干净 (无上墨)的印刷盘进行 3次印刷。

1.3.4 湿粘印墨斑WT M

采用邵尔 A 65°胶盘 (宽度为 50 mm,Φ66 mm);使用 Huber墨斑测试油墨和光泽度胶印油墨,墨膜厚度 2.4μm(即 0.10 mL),匀墨过程不补加油

墨;调节匀墨仪的匀墨方式为模式 2;使用两个注墨器注墨 0.1 mL进行两段匀墨;将印刷盘放于印刷仪上、下辊 (上辊第一色、下辊第二色);调节印刷仪上、下辊压力为625 N,并调节合适的间隙;调节速度为匀速 1 m/s(或手动印刷 0.2 m/s);印刷。下个试样色序相反,印刷;进行不同时间间隔的印刷。测试完毕,晾干 4 h以上,使用密度计测量纸条各部分的平均密度,计算油墨转移率 F。

式中：F为油墨转移率,F值高色序好;D(1+2)为两色重叠处的密度;D1、D2分别为第一色和第二色的密度。

2 结果与讨论

2.1 墨斑的定性分析方法

印刷企业或实验室中经常使用分级法来评价纸张印刷后的墨斑。通过收集不同匀度的纸张作为基准样品,在一定的印刷条件下,将这些基准样品进行印刷,然后通过目测评估,确定印刷不均匀度 (墨斑)的等级,将这些等级作为今后的待测样品的评估标准。但是,由于这种方法稳定性较差,受主观、外界环境的影响较大。因此,本实验采用成对比较法来分析印刷后的墨斑。对 5个纸样 4种墨斑测试方法共20组实验的印样进行目测判定墨斑,每组样品 10条纸样。主观判定分为 2人及 4人组合,每人都进行同样的 10条纸样的两两对比。

每人进行两两比对后形成一个矩阵 (见表 2),多人组合的判定以每人所得单个矩阵相加得到的复合矩阵来计算。

表2 试样两两对比矩阵

通过指数高低进行定级,指数越高,级别越高,墨斑越少;然后将成对比较法所得结果与定量分析方法比较,进行相关性评定。

2.2 墨斑的定量评估方法

使用数据图像测试分析系统,将印刷后的样品通过专业扫描仪进行有选择的图文扫描,然后将扫描的图文传送至电脑,通过专用分析软件,进行图文分析,从而得到相关印刷不均匀性指数 (即墨斑)的统计结果。

数据图像分析可以客观地评估和定量匀度[4]。PTS-DOMAS系统提供的这种印刷不均匀性测试模块可以定量地测试实地印刷。模块运用了三大关键的统计方法来评估印刷不均匀性：光谱法、灰度法及PTS法。

2.2.1 测试步骤

(1)图像获取

样品在入射光下分析,通过扫描仪获取图像。墨斑这种质量缺陷可以仅限于小样品面积也可以影响大区域,任何一种情况都会干扰影像。模块使用的标准分辨率是 420 dpi,足以检测小的印刷瑕疵。

当使用光谱分析法进行测试时,选择一个扫描面积,包含一个或多个边长为 512像素 (pixels)的选定区域 (Rois)。当分辨率为 420 dpi时,此边长即为31 mm。所以选择足够大的面积,使其高、宽是这个长度的整数倍。如果印刷面积的形状大大偏离方形,图像就必须选用一组 Rois。

(2)加载图片,进行分析

程序同样能够自动识别出印样是如何被定位在扫描仪中的。如果是水平定位,将从左到右逐行处理加载的选定区域 (Rois)。如果是垂直定位,则从上到下进行列处理。

2.2.2 定量分析方法

(1)光谱法分析

光谱法分析是建立在对 FFT原始图像频谱计算的基础上,即分析印刷图像通过快速傅里叶变换 FFT产生的频谱。印刷图像的表面状态形成的 “能量踪迹”的强度反映了表面状态产生的频率。FFT可形成一个不均匀性指数,这个指数的大小表示印刷图像的均匀程度。不均匀性指数越小,图像的均匀性越好,墨斑越少。

式中：N为图像大小 (像素);r为半径,λ为波长,S为波谱,u、v分别为 x、y向的频率。

(2)灰度法

采用灰度法进行分析,设定像素的间距是很重要的。通常设定像素的间距为 3 pixels,分辨率为 420 dpi。然而,灰度法分析过程中像素的真正间距受到图像分辨率等因素的影响。

式中：Index为印刷不均匀性指数;νk为相对变异系数;COR为灰度值的相关系数。νk是灰度值的标准偏差与平均灰度值之比。νk受图像的平均灰度值直接影响,因此仅相似颜色和密度的图像之间进行灰度法分析比较才最有意义。入射光扫描结果受到诸如印刷密度、印刷光泽度和印刷颜色等因素的影响。为了获得有意义的评定结果,用于对比的印刷纸样必须保持这些因素的均一性。

(3)PTS法

PTS方法基于对图像的三维分析,z轴表征灰度,水平线和垂直线置于图像内,并由这些线来确定灰度值。水平指数和垂直指数计算得出一个不均匀性指数。

2.3 墨斑定性与定量分析比较

试样通过成对比较法得到的定性分析结果 (2人和 4人组合)与通过专用分析软件进行图文分析得到的统计结果比较如表 3所示。

从表 3可见,由于视觉分辨能力与客观扫描分析软件分析的差异,造成主客观分析的相关性较差。3种客观分析方法中,光谱法与主观评定的一致性最好,PTS法次之,灰度法最差。实验结果表明,所设计的正交实验中 3个油墨量水平差异较大,灰度法判定结果经常出现在油墨量最少时,即印样颜色最浅时墨斑最少。而其他方法则在中等油墨量 (或正交实验 2的最大油墨量,这是由于正交实验 2的总体油墨量偏低)时墨斑最少。这就是导致灰度法判定结果与主观视觉判定结果差别大的原因所在。

图1 PTS法三维分析图

由表 3可见,3个因素中油墨量的影响较大,即印样的颜色深浅对墨斑结果的判定影响较大。随着油墨量的增加、印样颜色的加深,导致人眼视觉判定效果较好;因此加大油墨量至中等墨量时,人眼判定墨斑较少。由此可见,视觉判定存在一定的局限性,人眼辨别总是倾向于颜色较深的印样的印刷效果较好,受颜色的影响较大。这可能是人眼对深颜色中的不均匀性的识别不够灵敏[5]。相对而言,客观分析的方法则能够屏蔽掉外界因素的影响而得出较客观的定量结果。如光谱法和 PTS法受这些因素的影响很小,判定结果稳定性较强。

实验表明,客观分析的 3种方法中,灰度法具有一定局限性。由于灰度法受样品密度和颜色的影响最大。因此为了获得有意义的评定结果,使用灰度法进行定量分析时,用于对比的印刷纸样必须保持密度和颜色等因素的均一性。

同一墨斑测试方法,3类纸张 (铜版纸、单面涂布白纸板及新闻纸)的表面物理性能对墨斑有一定影响。5种纸张转印墨斑测试 (即正交实验 1)结果表明,铜版纸平滑度最好而吸收性较小,油墨主要以黏着形式附在纸张表面,油墨转移均匀,印刷效果好,匀度高,即使在油墨量多的情况下转印墨斑也很少,因此在较高油墨量、中等印刷压力及最低速度的情况下得到最优的印刷效果,墨斑最少;单面涂布白纸板平滑度较好,优化条件须在中等油墨量、最低印刷压力及中等速度时获得;新闻纸的平滑度较低、吸收性强,在油墨量较大时,由于吸收过快容易造成颜色分布不均匀,因此需在较小供墨量时获得墨斑较少的效果,优选出的条件为最低油墨量,最大压力及最快速度。

5种纸张印刷墨斑测试 (即正交实验 2)结果表明,平滑度较高的纸张在供墨量较大时仍能得到较好的印刷效果,平滑度较低的纸张在供墨量较少时墨斑最少。

5种纸张的水扰墨斑测试结果表明,新闻纸平滑度低、吸收性大,水膜对印刷效果的影响小,纸样干湿区墨斑差异较小;单面涂布白纸板和铜版纸受水膜的影响较大,尤其是较低供墨量时较为严重。

5种纸张湿粘印墨斑的结果表明,以红色为底色,即色序为蓝色为一色、红色为二色时湿粘印墨斑较少、密度较高、油墨转移率较高。

表3 墨斑测试分析结果

3 结 论

3.1 实验采用 4种墨斑的测试方法,使墨斑问题的表现效果得以加强,有利于通过实验室的检测手段来预评估印刷效果。

3.2 现行通用的目测分级法受主观、环境的影响较大,本实验采用的成对比较法分析结果较为稳定可靠。

3.3 通过与成对比较法的相关性分析,3种客观分析方法中,光谱法与主观评定的一致性最好,PTS法次之,灰度法最差。

3.4 PTS-DOMAS系统提供的这种印刷不均匀性测试模块可以定量地测试实地印刷,所用的 3种统计方法光谱法、灰度法、PTS法中光谱法能够客观地评估墨斑效果。

3.5 3种定量分析方法中灰度法具有一定局限性。灰度法受样品密度和颜色的影响最大,而光谱法和PTS法受这些因素的影响很小,判定结果稳定性较强。

[1] 刘春林,臧冬娟,张逸新,等.印刷“墨斑”成因分析与控制[J].上海造纸,2007,38(1)：19.

[2] Nancy Plowman Sandreuter.Predicting printmottle：a method of differentiating between three types of mottle[J].Tappi Journal,1994,77(7)：173.

[3] 陈春霞,欧海龙,邱玉桂,等.纸张油墨转移性能的测试方法探讨[J].中国造纸,2009,28(11)：22.

[4] Morin V,Piette P,Maume J P.Image analysis as a tool for the mottle evaluation[C]//STFI3rdEuropean Research Symposium.1995.

[5] Shiratori N,Yoshidomi N,Ishimura H.Quantitative evaluation of print mottle and correlation to subjuctive rating[C]//Proceedings,TAPPI Coating Conference,1994：269.

(责任编辑：马 忻)

Studies on Measurement of Mottle

CHEN Chun-xia1,＊DENG Jian-xin1XU Mei-ying1WANG Yu-feng1LI Wei-bo1CHEN Jian-hong1OU Hai-long1Q IU Yu-gui1,2
(1.Dongguan Quality Supervision Testing Center,Dongguan,Guangdong Province,523808;2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
( ＊ E-mail：jane01212000@126.com)

The mottles on the prints of different kinds of paper with different smoothness such as color offset newsprint,art paper and one-side coated paper were measured and evaluated.Results showed that four kinds of mottle measurement methods are useful to predict the print quality,comparisons in pairs is a quite reliable subjective evaluationg method however spectrum analysis of the PTS DOMAS module is an better objective quantitative assessment of the mottle.

print quality,mottle,measurement;evaluation method,objective quantitative assessment

TS801.41

A

0254-508X(2011)01-0028-05

陈春霞女士,硕士,质量工程师;主要从事纸张与纸制品检测及标准研究工作。

2010-09-20(修改稿)

本课题为国家质检总局立项科研项目 (2007QK298)。