導管黏出的原因及解決方案

2013-01-12 08:52劉洪斌

中國造紙 2013年12期

陳翠劉洪斌

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

導管組分作為闊葉木運輸水分和營養(yǎng)物質(zhì)的通道，由一系列的導管細胞端壁相連而成，在闊葉木細胞結構中起著重要的作用。但是，由于導管組分的存在和新型的5色、6色、8色等多色印刷機速度的大幅提高，使紙張平版印刷過程出現(xiàn)導管黏出的問題。特別是對含有漂白闊葉木漿、闊葉木機械漿的未涂布紙和輕量涂布紙來說，導管黏出對印刷過程和印品質(zhì)量的影響更為顯著。長期以來，制漿造紙工作者通過在制漿造紙的各個工段采用各種措施將導管黏出的程度大大降低。本文分析了導管黏出問題的產(chǎn)生機理和原因，提出降低和改進紙張導管黏出的方法。

1 導管

導管是闊葉木一個共同的結構特征，是闊葉木木材中水分和營養(yǎng)物質(zhì)的輸導組織，是由直徑很大的管狀細胞端壁相連而成。導管橫截面的掃描電子顯微鏡照片 (見圖1)顯示，在導管口區(qū)域常有覆蓋物，一般認為是由營養(yǎng)物質(zhì)、鈣鹽、草酸或者抽出物組成，在制漿過程中這些物質(zhì)會被脫除［1］。導管分子的形狀獨特，且較大，有紡錘狀、圓柱狀、鼓狀等，導管組分的形態(tài)如圖2所示。如桉木的導管直徑為100～300 μm，每克紙漿大約含有2萬～15萬個導管組分。

相對于纖維來講，導管分子的結合能力較差，在較高的剝離功作用下，容易導致其從紙張表面剝離［2］。

研究表明［1］，導管組分和纖維有相似的化學組成和表面化學性質(zhì)，但是兩者纖維素和木素的含量不同，相對于纖維來說，導管組分的纖維素含量更高，并且導管組分即使在漂白后仍然保持較高的木素含量。不同種類闊葉木的導管組分也不同，Nina Marton的研究顯示［3］，橡樹中含有1．9%的導管組分，美國赤楊含有3．7%的導管組分，而桉木則含有5%的導管組分。

2 導管黏出機理

膠版印刷中的導管黏出現(xiàn)象是由導管組分引起的一個最普遍的問題。導管黏出問題是由紙張表面的闊葉木導管組分在印刷過程中被油墨拉出而引起的。對于未涂布的高級紙來說，導管黏出會在印刷區(qū)域的全色或者半色區(qū)域以小白點的形式出現(xiàn)。這些白點會在印刷品的同一區(qū)域重復，但是最終會變小，直到完全褪色。這些白點的形狀或者是細長的或者是1 mm以下見方的方形區(qū)域，如圖3所示［4］。如果含有較多的導管組分，印刷過程中導管黏出現(xiàn)象嚴重，印刷后的紙張如圖4所示［5］。導管組織本質(zhì)上是疏油的，但在傳統(tǒng)的膠版印刷中容易被潤濕液潤濕，在印刷幾百張印品后，這些導管組分就變得吸油，能夠接受油墨。因此，如果在印刷過程中發(fā)生了導管黏出問題，通常是在印刷了幾百張印品后開始變得明顯［6-7］。這種黏出不僅破壞紙張的表面，而且黏出的導管會在印刷毯上聚集，因此在印刷過程中要停機清洗這些聚集物，進而影響到印刷機的效率［5］。

對于涂布紙級別，導管黏出會將局部涂層強度較弱的表面拉出，破壞紙張的表面。原紙表面的導管組分會阻止涂料進入原紙結構中，如果導管組分和原紙結合的不夠好，在膠版印刷時可能會發(fā)生導管黏出。

3 導管黏出的原因

紙張中闊葉木漿的含量、纖維與導管組分的結合程度是紙張導管黏出的決定性影響因素。通常認為導管黏出主要是由闊葉木漿中較大的導管組分引起的，如果導管組分和纖維之間的結合力太弱，也會加重導管黏出問題。在印刷過程中導管黏出的數(shù)量取決于下列因素［1，4-5］:①紙張表面導管組分的數(shù)量、大小和形狀;②導管組分和纖維的結合力;③在有導管組分的區(qū)域，纖維和導管結合的數(shù)量;④油墨排斥。

3.1 紙張表面導管組分的數(shù)量、大小和形狀研究顯示［5-6］，紙張表面導管組分的數(shù)量越多，導管黏出的可能性就越大，導管較大的比表面積也會增加黏出的可能性，所以必須降低漿料中導管組分含量。此外，導管組分的形狀和大小也會影響導管黏出，大的、方形的導管組分會使黏出的可能性增大，闊葉木導管大且硬，而且比表面積小，在紙張表面鍵合不強，特別容易發(fā)生導管黏出［8］。

3.2 導管組分和紙張的結合力導管組分和紙張之間的結合力越大，在印刷過程中就越不容易被油墨拉起，導管黏出的可能性就越小。

3.3 纖維和導管結合的數(shù)量和結合力在有導管組分的區(qū)域，纖維和導管結合的數(shù)量越多，兩者之間結合力越大，導管黏出的可能性就越小。

3.4 油墨排斥平版印刷中的油墨排斥是指在印刷過程中，紙張表面潤濕性能差、表面能低，或者是紙張的局部可壓縮性波動減少了油墨的轉移。牢固吸附在紙張中的導管由于其較差的潤濕性不能完成油墨轉移，被黏出的導管留在印版上接觸油墨、吸收水分變得飽和，印刷后的紙張在顯微鏡下觀察時導管存在的地方呈清晰的白點狀。油墨排斥增加了印版上導管碎片的堆積，單個導管分子的影響逐漸降低。最近的研究顯示［2］，對紙張表面施膠后導管分子并沒有被淀粉所覆蓋。

4 導管黏出的解決方案

通過以上對導管黏出影響因素的分析，要降低導管黏出的可能性，可以采用以下方法:選取導管組分小和細長的闊葉木原料;降低漿料中的導管組分;用除渣器除去大的、方形的導管組分;降低導管組分的大小;增加導管和纖維之間的結合力;增加纖維的可變形性等。在實際生產(chǎn)中下列方法可以減少導管黏出現(xiàn)象。

4.1 原材料的選取

在生產(chǎn)中應盡量選取導管含量少且形狀小、細長的原材料。有研究顯示［9］，放置一段時間的木片其導管黏出的可能性要大于新鮮木片的。其原因可以解釋為新鮮木片的導管和纖維可能有較好的結合能力，放置一段時間的木片其導管間的結合更好。圖5顯示了木片新鮮程度和 (白楊+山毛櫸)導管的含量對導管黏出的影響［9］。

4.2 打漿

打漿濃度和打漿能耗在減少導管黏出問題上是兩個重要的控制參數(shù)。圖6顯示了打漿濃度10%、20%和30%的漿料隨著游離度的提高導管黏出的情況。在游離度為350～400 mL的范圍內(nèi)，隨著打漿濃度的升高，導管黏出明顯減少。打漿濃度越高，這種降低越明顯。圖6中也顯示了導管黏出隨著游離度的下降迅速下降，游離度下降是由于增加了打漿能耗。在較高的打漿濃度下導管被有效破壞，使導管與纖維之間的結合更強［9］。

打漿對降低導管黏出有以下好處［9］:①導管組分的碎片化，打漿可以壓潰導管、減少導管數(shù)量，使其更好地與纖維網(wǎng)絡結合;②增加纖維和導管組分之間的結合，使導管組分能夠被纖維網(wǎng)絡束縛住;③增加纖維和導管組分的柔韌性;④紙張固化程度提高;⑤增加纖維和導管的鍵接點;⑥降低紙張表面的粗糙度，提高導管組分與紙張表面的結合力。

打漿會改變導管的尺寸和形狀，Panula-Ontto等人對桉木漿的研究發(fā)現(xiàn)［5］，含導管組分較多的紙漿經(jīng)打漿后，纖維平均長度增加，寬度降低，其寬長比由0．62 降低到0．51。

如圖7所示［5］，左圖是未打漿桉木漿抄造紙張的印刷實驗效果，明顯可以看到有很多的導管黏出;在漿料經(jīng)過PFI磨2000轉打漿后抄造紙張的印刷實驗效果見右圖，肉眼幾乎看不出紙張導管黏出的現(xiàn)象。

將漿料的游離度控制在400～500 mL的范圍對抄紙后導管的黏出控制是有效的，過度打漿會對漿料的濾水性能產(chǎn)生負面影響。

4.3 表面施膠

通過對紙張進行表面施膠，纖維和導管組分會結合得更緊密，在印刷過程中導管的黏出量會降低更多。淀粉膠液會從紙張表面沿紙張厚度方向部分滲入，這種滲入會通過紙張的孔隙進入到纖維和導管坑內(nèi)。在一定的范圍內(nèi)，淀粉膠液用量越高，淀粉滲入的就越多，導管和紙張表面的結合就越緊密。但是淀粉用量過高會降低紙張的不透明度，使紙張變得過硬［10］。

4.4 導管分離

使導管從纖維中分離出來，最好的方法就是使用除渣器。使用除渣器除去大的、方形的導管組分，保留那些小的、細長的組分。但是用除渣器分離導管組分不是對所有漿料都有效，除渣器只適用于那些短而寬、小的、筒狀的導管。在使用除渣器分離導管組分后接著進行高濃磨漿是降低導管組分最有效的一種方法［11］。

4.5 紙機成形和壓榨

頂網(wǎng)紙機抄造的紙張比長網(wǎng)紙機抄造的紙張的導管黏出要少，在較高的壓力下，兩者的差別更大。提高第一壓榨或者第四壓榨的壓力能夠顯著地降低導管黏出，壓榨壓力的增加提高了纖維與纖維之間的結合，也提高了導管和纖維之間的結合。

4.6 生物酶法

4.6.1 纖維素酶和聚木糖酶處理

Dutt Dharm 的研究［12］顯示在 5% 漿濃、50℃、pH值為5的條件下，用0．5%的纖維素酶處理漂白硫酸鹽闊葉木漿纖維，然后稀釋到3%的漿濃，打漿至450 mL游離度，酶處理的效果使導管黏出量降低了87%(從160個/cm2降低到21個/cm2)。

Cooper E W的研究［13］顯示用纖維素酶和聚木糖酶在打漿前處理漂白闊葉木硫酸鹽漿，所得手抄片的導管黏出量減少了70%，酶處理改變了導管組分的化學結構，使得導管組分在通常的打漿強度下比較容易破裂。

圖8是桉木漿中的一個導管組分在酶處理前后的變化［10］，導管比紙漿纖維有更大的表面積，吸附到導管上的酶對導管組分產(chǎn)生作用，可以看到導管結構已受到部分破壞。

4.6.2 纖維預處理

Rakkolainen等人用1%的羧甲基纖維素 (CMC)處理漂白桉木漿，結果顯示漂白桉木漿纖維經(jīng)CMC處理后抄造的紙張在印刷過程中，沒有發(fā)現(xiàn)導管黏出現(xiàn)象，纖維上吸附的CMC大大提高了纖維與導管組分之間的結合力［14］。

5 結語

隨著越來越多地使用闊葉木漿，導管黏出問題也日益凸顯，漿料中導管組分的含量、大小、形狀，纖維與導管之間的結合力和油墨排斥等是影響導管黏出的因素，其中導管組分的含量和纖維與導管之間的結合力大小是主要影響因素?？梢酝ㄟ^打漿、表面施膠、導管組分分離、改善濕部的工藝和生物酶處理來降低導管黏出的可能性。在一定的范圍內(nèi)適當提高打漿度可以有效地降低導管黏出，施膠則是降低導管黏出最簡單、經(jīng)濟、有效的方法。生物酶法是較新的處理導管黏出問題的技術，需要進一步研究和生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)的支撐。

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