張美云， 劉毅娟， 王 興

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

0 引言

育果袋紙是在水果發(fā)育全過程中提供保護(hù)的一種特種紙,是具有高技術(shù)、高附加值的農(nóng)業(yè)技術(shù)用紙，可用于蘋果、梨、葡萄等水果的生長過程中.果實(shí)套袋技術(shù)是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高檔、名牌、無公害果品的一項(xiàng)行之有效的措施，能顯著提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益[1].

根據(jù)水果樹種、品種的不同，育果袋分為單層袋和雙層袋，梨、獼猴桃等多采用黃、褐色單層紙袋，而蘋果育果袋多采用雙層紙袋，它由外袋紙和內(nèi)袋紙[2]兩部分組成，如圖1所示.外袋紙具有保護(hù)功能，能阻止雨水冰雹的侵襲及蟲害，一般在果實(shí)成熟前大約15天將其摘掉，其內(nèi)側(cè)為黑色，具有遮光性能，外側(cè)多為泛黃色或淡色，具有反射光線的能力；內(nèi)袋紙根據(jù)果實(shí)上色需要需具有較好的透光度，一般為紅半透紙，在摘掉外袋紙后，日光中紅色光線穿過紅半透紙照射到果皮表面，使其均勻上色[3,4].

圖1 蘋果套袋紙實(shí)物圖

目前，國內(nèi)蘋果育果袋紙廠基本上都采用層合法生產(chǎn)外袋紙[5].外袋紙內(nèi)面呈黑色，是將碳黑經(jīng)過漿內(nèi)染色而成.這樣不僅造成碳黑用量高、生產(chǎn)成本高、碳黑流失嚴(yán)重、環(huán)境污染突出等問題，而且導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜.一般小型紙廠多采用圓網(wǎng)紙機(jī)生產(chǎn)，車速較慢[6].

為了更好地解決這一問題，本實(shí)驗(yàn)提出了一種生產(chǎn)加工育果袋外袋紙的新方法——印刷法.其工藝是由原紙抄造和上機(jī)印刷兩部分組成，其中，膠版印刷又包括黑色油墨的調(diào)配及上機(jī)印刷兩部分.其遮光性由印刷到原紙上的黑色油墨來保證.

該方法可應(yīng)用在長網(wǎng)紙機(jī)上，具有原紙生產(chǎn)工藝簡單、車速快、成本低、污染少等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又解決了層合法中碳黑用于漿內(nèi)染色而造成的污染、利用率低及圓網(wǎng)紙機(jī)車速慢等問題.同時(shí)，使用黑色油墨印刷，可增加紙張的抗液體滲透性能，使紙張具有良好的不透明度，不易掉黑，保持較高的柔軟度和透氣度.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

廢舊瓦楞紙箱(OCC，采用較高檔的家電包裝用紙箱：HP電腦包裝箱，相當(dāng)于美國廢紙標(biāo)準(zhǔn)中的13#廢紙).

1.2 化學(xué)品

黑色油墨、抗水劑(固含量8%左右)、濕強(qiáng)劑(固含量2%左右)、填料PCC、陽離子分散松香膠(固含量50%)、硫酸鋁.

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

抄片器、IGT印刷適性儀、紙張常規(guī)物檢設(shè)備、X-Rite透射密度計(jì)(361型，臺式，美國愛色麗公司)、X-Rite分光密度計(jì)(528型，美國愛色麗公司)、高溫爐、偏振塞曼原子吸收光度計(jì)(Z-2000，日本Hitachi公司).

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

(1)原紙抄造：采用廢紙漿為纖維原料，填料和化學(xué)助劑及其用量分別為：15%的PCC、1%～2.5%的松香膠、8%的抗水劑、3%的濕強(qiáng)劑和3%～6%的硫酸鋁.經(jīng)網(wǎng)部成形、壓榨脫水、烘干后得到外袋紙?jiān)?，定量?5 g/m2.

(2)在IGT印刷適性儀上將外袋紙?jiān)垉?nèi)層表面用黑色油墨印成黑色實(shí)地，經(jīng)干燥后得到成品.紙張著墨量為5 g/m2，外袋紙成品定量為50 g/m2，所用普通黑色油墨為植物油脂型油墨.

(3)在印刷后，用X-Rite透射密度計(jì)測試紙張的印刷后的透射密度D；用X-Rite528分光密度計(jì)測量墨層的Lab值.

(4)紙張的老化實(shí)驗(yàn)：將印刷后的紙樣在老化機(jī)中老化7個(gè)小時(shí)(相當(dāng)于日光條件下4個(gè)月)，檢測紙樣老化前后性能差異.將部分墨層用空白紙樣條遮蓋住，并貼在一起，檢驗(yàn)高溫老化過程中油墨是否會發(fā)粘，并將色墨粘連在樣條上.

2 結(jié)果與討論

2.1 印刷前后紙張性能對比

用IGT印刷適性儀在印刷壓力200 N、上墨量1 mL條件下，用黑色膠印油墨印刷原紙表面，印刷前后紙張性能對比如表1所示.

表1 印刷前后紙張性能對比

由表1可知，育果袋原紙?jiān)诮?jīng)過油墨印刷后，其強(qiáng)度性能(包括抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)等)變化甚微，說明采用印刷法工藝，油墨只是涂布到紙張的表層，干燥后油墨顏料留著在紙張表面，連接料向紙張內(nèi)層滲透增加油墨對紙張的附著效果，但對紙張強(qiáng)度影響不大.

柔軟度變差，說明油墨膜附著于紙張表面，干燥了固化后，增加了紙張平整度的同時(shí)會使紙張變得挺硬發(fā)脆.

對不透明度、透氣度和抗水性的影響就相對明顯.果實(shí)在套袋過程及果實(shí)套袋生長期，育果套袋紙僅僅只是保證強(qiáng)度性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還得要兼顧柔軟度.紙張?zhí)?，容易造成紙張變脆，?dǎo)致紙張破裂起不到套袋效果，同時(shí)還有可能傷害果皮.因此，國家規(guī)定育果袋外袋紙柔軟度不得超過680 mN.由于油墨印到紙張表面后，黑色油墨本身具有相當(dāng)好的遮蓋力，因此不透明度大幅提升，達(dá)到97.3%，超過育果袋國家A類標(biāo)準(zhǔn).

油墨連接料不斷滲透到紙張內(nèi)部，填補(bǔ)了纖維孔隙，使得原紙的透氣性迅速下降，但其值仍大于國家A類標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠滿足育果套袋紙的使用要求.

同時(shí),由于油脂型油墨本身具有一定的親油憎水性，在原紙本身的抗水性能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了紙張的抗液體滲透性能.

2.2 印刷壓力對透氣度與不透明度的影響

用IGT印刷適性儀在印刷壓力分別為200 N、250 N、300 N、350 N下，相同上墨量1 mL的條件下，將黑色膠印油墨印刷原紙表面.由于油墨的印刷對紙張的強(qiáng)度性能影響甚微，因此下文僅對紙張的透氣性、不透明度和抗水性進(jìn)行討論.其性能對比如表2所示.

表2 不同印刷壓力對紙張性能的影響

由表2可知，隨著印刷壓力的增加，油墨被緊密地壓印在紙張表面，表面孔隙被迅速地壓縮，透氣性呈下降趨勢.同時(shí)，由于壓力的增大，印刷到紙張表面的油墨量增多，使得其遮光性能越來越好，不透明度大大增加.

反映紙張表面油墨量的參數(shù)是油墨的實(shí)地密度值.在相同的上墨量下，油墨的實(shí)地密度跟油墨的轉(zhuǎn)移率有關(guān).油墨的轉(zhuǎn)移率是轉(zhuǎn)移墨量(Y)與印版墨量(x)的百分比率，油墨轉(zhuǎn)移方程見公式1.

Y=(1-e-kx){b(1-e-x/b)+

f′[x-b(1-e-x/b)]}

(1)

公式(1)中：參數(shù)b，表示紙張表面凹陷處在印刷瞬間可能填入的極限墨量：紙張表面凹孔的幾率越高、油墨的連接料粘度越小、印刷壓力越大、印刷速度越低，參數(shù)b值越高；

參數(shù)f′,是自由墨量分裂率，其大小主要與油墨流變特性有關(guān)；

參數(shù)k,決定了單位面積紙面上接觸油墨面積所占的比率，間接地表示了印刷中墨膜與紙面接觸的平服程度：紙張平滑度越高、柔軟度越好、印刷壓力越大、印刷速度越低，參數(shù)k值越大.

油墨的轉(zhuǎn)移率受到印刷壓力和印刷速度的影響.當(dāng)印刷壓力增大時(shí)，油墨轉(zhuǎn)移率隨之增高，但油墨轉(zhuǎn)移率并不隨壓力一直增大，其變化趨勢如圖2所示[7].在印刷壓力達(dá)到一定數(shù)值后，其油墨轉(zhuǎn)移率不再隨之增加,其最佳印刷壓力值為Pt.

在實(shí)際印刷機(jī)上，除調(diào)節(jié)印刷壓力外，調(diào)節(jié)印刷速度也是可行的.有研究表明，在印刷壓力一定時(shí)，提高印刷機(jī)的印刷速度，可使油墨與紙張的接觸時(shí)間變短，公式(1)中的參數(shù)k、b、f′值變小，油墨轉(zhuǎn)移率降低，其趨勢如圖3所示.

從印刷角度來說，油墨的實(shí)地密度都有一個(gè)飽和值，即最大實(shí)地密度.根據(jù)資料顯示，相同紙張不同印刷方式下印刷油墨的實(shí)地密度是不同的.以黑色油墨為例，凹版印刷的密度值為1.10～1.80，平版印刷為1.20～1.70，報(bào)紙凸版印刷為0.90～1.10[8].隨著紙張上的油墨量增加，透射密度的增加，在相同入射光通量下，透射光通量變少，光透射率大幅下降，這在一定程度上也反映出印刷后其遮光性變好；而隨著印刷壓力的增大，轉(zhuǎn)移到原紙上的油墨量增多，紙張柔軟性變差；抗水性則受印刷壓力的影響變化不明顯.

圖3 印刷速度v與油墨轉(zhuǎn)移率F的關(guān)系

2.3 上墨量對透氣度與不透明度的影響

將抄出的原紙?jiān)贗GT印刷適性儀上印刷，印刷壓力為350 N，上墨量與不透明度的關(guān)系如表3所示.

由表3可以看出，在相同壓力下，隨著上墨量的增加，紙張的透氣度先呈下降趨勢，不透明度呈現(xiàn)上升趨勢，但在上墨量達(dá)到1 mL以后，透氣度和不透明度變化均趨于平穩(wěn).

這是由于在印版墨量不足時(shí)，隨著上墨量的增加，轉(zhuǎn)移到紙張上的油墨量呈現(xiàn)增加趨勢，但并不是上墨量越大，轉(zhuǎn)移到紙張上的油墨量越多，其也有一個(gè)飽和值，即在印版墨量充足時(shí)，影響轉(zhuǎn)移率的就不是油墨量的因素，而是印刷壓力和印刷速度等因素.

在本實(shí)驗(yàn)中，1 mL即為近似飽和值，透射率呈下降趨勢，遮光性能變好；在350 N壓力下，當(dāng)IGT印刷適性儀上墨量超過1 mL后，柔軟性急劇下降，超出國家標(biāo)準(zhǔn)，不符合育果套袋紙的使用要求.

根據(jù)以上結(jié)論可知，在印刷法育果套袋紙實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)工藝中，最優(yōu)工藝條件為上墨量1 mL、印刷壓力350 N.此時(shí)，轉(zhuǎn)移到原紙上的油墨量達(dá)到最優(yōu)值.

根據(jù)市場經(jīng)濟(jì)里同等品質(zhì)下價(jià)格優(yōu)先原則，在滿足育果套袋紙基本使用要求的前提下，降低育果套袋紙的生產(chǎn)成本一直是本研究的重要問題.而在印刷法育果套袋紙生產(chǎn)工藝中，降低油墨用量是降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵.

表4為在IGT印刷適性儀印刷壓力設(shè)定為350 N時(shí)，降低油墨用量時(shí)成紙各方面的性能.由表4中數(shù)據(jù)可知，在滿足基本性能和一定遮光性的前提下，油墨最低使用量為纖維絕干漿的6%，此時(shí)育果套袋紙定量約增加3 g/m2.

表3 上墨量與紙張性能的關(guān)系

表4 育果套袋紙成紙性能

2.4 育果套袋紙的耐久性能

基于育果套袋紙的使用要求，將印刷后的樣張?jiān)诶匣瘷C(jī)中老化處理7個(gè)小時(shí)，近似可以看作是自然條件下日光照射4個(gè)月.檢測老化前后紙張的性能差異，見表5、表6所示.

對比可知，在不同上墨量、樣張定量相同的情況下，經(jīng)過老化實(shí)驗(yàn)后，紙張的黑度、不透明度、撕裂強(qiáng)度等指標(biāo)略有降低，油墨褪色現(xiàn)象不明顯，且沒有高溫發(fā)粘現(xiàn)象.以上墨量1 mL為例，老化前后紙張不透明度均高達(dá)99%，強(qiáng)度指標(biāo)符合使用要求，抗液體滲透性能保持在60 s以上，紙張耐久性基本達(dá)標(biāo).

表5 老化前紙張質(zhì)量

表6 老化后紙張質(zhì)量

3 結(jié)論

(1)印刷法生產(chǎn)育果袋外袋紙，其強(qiáng)度性能主要由原紙決定.印刷黑色油墨后主要影響紙張的透氣性能、不透明度、柔軟度和抗水性.

成紙抗水性主要依靠原紙的抗水性能，印刷油墨后只能略微提升其抗水效果；隨著印刷壓力的增大，轉(zhuǎn)移到紙張表面的墨量增多，成紙透氣性和柔軟度變差，不透明度變好；而相同印刷壓力下，在上墨量增加時(shí)，其性能變化趨勢與印刷壓力增大下的效果基本一致.

(2)在印刷法育果套袋紙實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)工藝中，最優(yōu)工藝條件為：IGT印刷適性儀上墨量1 mL、印刷壓力350 N.此時(shí)，轉(zhuǎn)移到原紙上的油墨量達(dá)到最優(yōu)值.

(3)考慮到生產(chǎn)成本因素，在印刷法育果套袋紙生產(chǎn)工藝中，在成紙滿足基本性能和一定遮光性的前提下，油墨最低使用量為纖維絕干漿的6%.

經(jīng)紙樣的老化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用印刷法育果套袋紙生產(chǎn)工藝制造的紙樣耐久性良好.

[1] 史聯(lián)讓．蘋果優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)栽培與病蟲害防止[M].西安：陜西人民教育出版社,1998：150-152.

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[5] 羅 英．高性能育果套袋紙新技術(shù)的研究[D].西安：陜西科技大學(xué),2012.

[6] 王 興．高性能育果袋紙生產(chǎn)新技術(shù)的研究[D].西安：陜西科技大學(xué),2013.

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