劉國(guó)棟 張美云 郭凌華

(1.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(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

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·涂層材料自滲吸·

紙張涂層材料自滲吸研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

劉國(guó)棟1，2張美云1郭凌華1

(1.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(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021；2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

油墨等流體在紙張涂層中的傳輸直接由涂層本身的滲吸性能所決定。很多印刷質(zhì)量問(wèn)題(如墨斑、色彩的均勻性、洇色等)都與涂層材料的滲吸特性關(guān)系密切。本文從國(guó)內(nèi)油墨流體在紙張滲透/滲吸行為研究中容易產(chǎn)生的一些認(rèn)識(shí)誤區(qū)出發(fā)，討論了涂層結(jié)構(gòu)對(duì)自滲吸過(guò)程的影響、經(jīng)典滲吸模型在涂層材料滲吸表征上的應(yīng)用及存在的問(wèn)題。簡(jiǎn)述了滲吸模型的修正及滲吸機(jī)制模型研究中可行技術(shù)手段,最后總結(jié)了我國(guó)在紙張涂層材料滲吸性能方面的研究與國(guó)外的差距。

紙張涂層材料；滲吸模型；滲透/滲吸

(*E-mail: liuguodong@sust.edu.cn)

印刷油墨在紙張上的呈色表現(xiàn)通過(guò)油墨與紙張的相互作用完成,這一過(guò)程常稱(chēng)為油墨流體在紙張中的滲透或滲吸。從印刷圖文信息形成的本質(zhì)來(lái)分析,很多印刷質(zhì)量問(wèn)題(如色彩的不均勻、呈色網(wǎng)點(diǎn)的物理擴(kuò)大、印刷品的透印、印刷羽毛化、洇色及印刷墨斑)都與油墨在紙張中的滲吸過(guò)程有關(guān)。因此,對(duì)于油墨與紙張相互作用(即滲透或滲吸)行為的認(rèn)知和理解,已經(jīng)成為了一個(gè)廣泛的研究熱點(diǎn),備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者關(guān)注,涌現(xiàn)了大量的研究論文,得出了一些有效的結(jié)論,同時(shí)也存在著一些有待提高的認(rèn)識(shí)。

1 油墨等流體與紙張相互作用認(rèn)識(shí)的誤區(qū)

1.1 油墨滲透與滲吸的涵義

在研究油墨與紙張或紙張涂層的相互作用時(shí),基本上所有的中文文獻(xiàn)都采用了“滲透”這個(gè)詞語(yǔ)來(lái)表達(dá)。但在國(guó)外的報(bào)道中,通常有兩種中文涵義上略微不同的英文表達(dá),一個(gè)被稱(chēng)為“penetration”[1],就是經(jīng)常使用的“滲透”[2],另一種被定義為“imbibition”[3],常常被翻譯為“滲吸”,這一概念更強(qiáng)調(diào)毛細(xì)力下的自發(fā)滲吸,常稱(chēng)為自滲吸(簡(jiǎn)稱(chēng)滲吸)。相對(duì)于滲吸涵義,滲透更多的表達(dá)油墨(或類(lèi)似流體)在外力或者自身重力作用下在紙張等多孔介質(zhì)中的傳輸,這種內(nèi)涵和油墨與紙張相互作用在印刷壓印區(qū)所表現(xiàn)的作用行為類(lèi)似,所以在印刷階段用滲透表達(dá)是合適且科學(xué)的。但是當(dāng)印刷品離開(kāi)壓印區(qū)時(shí),油墨與紙張的相互作用表現(xiàn)為毛細(xì)力學(xué)下的行為機(jī)制,在毛細(xì)力學(xué)系統(tǒng)的支配下,油墨的流相層(連結(jié)料)滲吸到紙張或者涂層中,所以該過(guò)程應(yīng)該稱(chēng)之為滲吸,已有的相關(guān)中文文獻(xiàn)將此階段仍稱(chēng)為滲透或自由滲透是不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

1.2 油墨在紙張上滲透/滲吸本質(zhì)問(wèn)題的探討

對(duì)于傳統(tǒng)印刷,油墨等流體在紙上的吸收可分為兩個(gè)重要階段:壓力條件下的有壓滲透和非壓力下的自由滲吸,對(duì)于壓力條件的滲透是印刷機(jī)壓印瞬間,通過(guò)印刷壓力將涂層表面的一部分墨膜壓入較大的孔隙,即油墨在壓力作用下進(jìn)入紙張涂層的孔隙中,該階段油墨的滲透量隨印刷壓力、壓印時(shí)間的變化而變化,但油墨的黏度并沒(méi)有發(fā)生變化。由于該階段油墨被整體地壓入紙張表面較大的孔,因而保留在紙面墨膜的性質(zhì)不會(huì)受到壓入量的影響。當(dāng)印刷品離開(kāi)印刷機(jī)的壓力區(qū)域后,油墨在印刷品中的傳輸表現(xiàn)為非壓力的自由滲吸,油墨的吸收主要依靠涂層結(jié)構(gòu)的毛細(xì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)完成。在這個(gè)階段,部分油墨連結(jié)料會(huì)從涂層表面覆蓋的油墨中分離出來(lái),通過(guò)涂層材料顆粒堆積形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向材料內(nèi)部進(jìn)行緩慢滲吸。對(duì)于非壓力或者微小壓力的數(shù)字印刷,油墨在涂層表面的傳輸主要體現(xiàn)在毛細(xì)動(dòng)力學(xué)下的自由滲吸,而非滲透。

對(duì)比壓力條件的加壓滲透和毛細(xì)系統(tǒng)的自由滲吸,傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為在油墨滲透過(guò)程中,加壓滲透占主導(dǎo)地位,因此在壓力區(qū),滲透的深度受壓力影響較大。這一說(shuō)法在實(shí)踐中本身沒(méi)有太大的問(wèn)題,但容易造成誤解,即認(rèn)為在上述過(guò)程中加壓滲透更為重要。其實(shí)不然,全面地比較這兩個(gè)階段,毛細(xì)系統(tǒng)的自由滲吸則顯得更為重要,這是因?yàn)樵谶@一階段油墨的部分連結(jié)料要從墨層中分離出來(lái),逐漸地增加紙面油墨硬度和黏性,改變紙面墨膜的結(jié)膜性質(zhì),使得墨層固著和干燥紙張表面,形成印刷品圖像。當(dāng)油墨的連結(jié)料(流相層)離開(kāi)紙面的油墨膜層時(shí),墨層結(jié)膜的快慢取決于油墨連結(jié)料分離的快慢,同時(shí)涂層材料對(duì)油墨吸收的快慢也決定著印刷品的光澤性能,由于墨層的分離減少了紙面留著油墨的連結(jié)料,使印刷品的光澤度發(fā)生變化,如果滲吸的速度過(guò)快,大量連結(jié)料滲入紙張內(nèi)部孔隙,過(guò)多的填充了空氣與涂料孔隙的散射界面,使印刷品的光澤度降低,同時(shí)也增加了發(fā)生透印的風(fēng)險(xiǎn)。另外,對(duì)于數(shù)字印刷的自由滲吸,由于大量地采用了溶劑型水性油墨,使?jié)B吸的控制難度加大,對(duì)印刷品的影響較大,所以自由滲吸在整個(gè)油墨作用階段顯得更為重要。同時(shí)由于紙張涂層對(duì)油墨滲吸的控制主要體現(xiàn)在涂層顏料顆粒、膠黏劑等物理成分所形成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,而且一旦紙張成形,涂層孔隙網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)將無(wú)法改變。而印刷壓力作為外力因素,在印刷過(guò)程中可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整及補(bǔ)償,來(lái)彌補(bǔ)不當(dāng)壓力對(duì)滲透的影響,因此,在研究油墨滲透/滲吸的過(guò)程中,應(yīng)該更加關(guān)注自由滲吸的行為及表現(xiàn)。與此同時(shí),對(duì)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用的數(shù)字印刷,則更應(yīng)該關(guān)注和理解自由滲吸的行為、滲吸模型及滲吸機(jī)制等相關(guān)問(wèn)題。

2 紙張涂層結(jié)構(gòu)對(duì)滲吸過(guò)程的影響

對(duì)于油墨在涂層中的滲吸行為,其本質(zhì)是流體在涂層多孔結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)滲吸。滲吸過(guò)程中一般不會(huì)傳輸?shù)皆埳蟍4],除非是一些質(zhì)量非常差的輕涂紙,由于涂層對(duì)原紙基覆蓋的程度問(wèn)題,會(huì)有部分油墨的流相層滲吸到原紙上。在正常的情況下,油墨的流相層只在涂層中滲吸。因此,涂層復(fù)雜隨機(jī)的多孔結(jié)構(gòu)、孔徑大小、孔徑分布及材料內(nèi)部的形貌等因素都會(huì)對(duì)油墨在涂層中的滲吸行為影響較大。有研究指出[5],可以通過(guò)提高涂層的總孔隙體積來(lái)提高涂層的油墨滲吸性能。如在孔隙數(shù)量一定時(shí),孔徑越大則油墨吸收性越好,油墨固化越快。而在孔隙體積一定的情況下,孔徑越小,毛細(xì)管對(duì)液體的滲吸力越強(qiáng),油墨滲入得越深,在相同的時(shí)間內(nèi)滲吸的油墨量越多,油墨在涂布紙表面凝固的越快。也有人指出[6],涂層的滲吸不僅與孔徑的大小有關(guān),還與孔隙的形狀有關(guān),孔隙的取向也能影響油墨與涂層的相互作用,孔隙直徑和孔隙取向的比值一定程度上能夠預(yù)測(cè)涂層對(duì)油墨的吸收性。同時(shí),Lepoutre[7]在研究涂層材料對(duì)液體滲吸及其多孔結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)：滲吸率隨膠乳含量的增加呈指數(shù)關(guān)系下降,因此他認(rèn)為這是涂層材料中小孔減少的緣故,小孔的減少大大降低了流體的滲吸率。文獻(xiàn)[8]也報(bào)道了隨著膠乳加入量的增大,涂層材料孔徑減小的觀點(diǎn)。這是因?yàn)槟z乳對(duì)小孔的填平作用,填充了材料中部分小孔的面積和體積,如圖1所示。

3 涂層材料等多孔介質(zhì)自滲吸行為機(jī)制研究的經(jīng)典滲吸模型

關(guān)于流體(油墨)與紙張涂層材料的滲吸行為及機(jī)制,國(guó)內(nèi)并沒(méi)有做過(guò)比較深入的科學(xué)研究,還停留在傳統(tǒng)經(jīng)典毛細(xì)管模型的定性描述和基本滲吸理論的初步認(rèn)識(shí)中,也許是實(shí)驗(yàn)測(cè)量上的困難,沒(méi)有將滲吸基本模型與滲吸實(shí)驗(yàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系完全建立起來(lái)。

圖1 涂層膠乳對(duì)涂層孔結(jié)構(gòu)的填平作用示意圖

3.1 經(jīng)典滲吸模型

3.1.1 純慣性力支配的滲吸模型

多孔材料的滲吸特性研究,通常將材料等價(jià)為具有等效半徑的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。當(dāng)毛細(xì)管接觸流體瞬間,即初始階段,由于滲吸流體質(zhì)量很小,對(duì)應(yīng)的自身重力和黏性阻力也很小,故可忽略不計(jì),起主要支配作用的是毛細(xì)力和慣性力。針對(duì)此種物理情形,Quere[16]提出了忽略流體自身重力和黏性力的模型，見(jiàn)公式(1)。

(1)

通過(guò)求解非線性微分方程,可得毛細(xì)上升高度的表達(dá)式，見(jiàn)公式(2)。

(2)

式中，θ為接觸角,γ為流體表面張力,R為毛細(xì)管等效半徑。在純慣性力階段,滲吸時(shí)間與滲吸上升的高度(或滲吸深度)是線性的關(guān)系,一般主要表現(xiàn)在滲吸初期。

3.1.2 慣性力、毛細(xì)力、黏性力支配的Bosanquet滲吸模型

隨著滲吸流體的進(jìn)一步上升,吸收量不斷增加,與之對(duì)應(yīng)的自身重力和黏性力也變得越來(lái)越明顯,不能再被忽略,與毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力和慣性力一起共同作用滲吸過(guò)程?？紤]到在該階段初期的自身重力仍較小,可以忽略不計(jì)。因此Bosanquet提出了忽略流體重力因素的滲吸模型(η為流體黏度)。Bosanquet方程見(jiàn)公式(3)。

(3)

將公式(3)求解可得公式(4)。

(4)

3.1.3 毛細(xì)力、黏性拖動(dòng)力支配的Lucas-Washburn滲吸模型

隨著黏性阻力的增大,與毛細(xì)驅(qū)動(dòng)壓力的相互抵消作用也越來(lái)越明顯,凈驅(qū)動(dòng)力越來(lái)越小，因此,流體流動(dòng)的慣性力也越來(lái)越小。針對(duì)這種情況,Lucas和Washburn等人提出了忽略流體自身重力和慣性效應(yīng)的滲吸模型,這就是經(jīng)典的LW方程，見(jiàn)公式(5)。

(5)

3.1.4 考慮重力因素的滲吸模型

當(dāng)滲吸高度高于某個(gè)高度時(shí),重力因素在力學(xué)系統(tǒng)中的作用就不能被忽略。當(dāng)滲吸高度h大于0.1heq時(shí)(其中heq為毛細(xì)壓力和靜水壓力相等時(shí)的等效高度)就應(yīng)該考慮黏性力和重力的影響。在此基礎(chǔ)上考慮自身重力和黏性力因素,結(jié)合滲吸的初始條件h(0)=0,給出了毛細(xì)上升高度(h)的隱性解[17],見(jiàn)公式(6)。

(6)

根據(jù)公式(6),當(dāng)液體達(dá)到平衡高度時(shí),滲吸的數(shù)值會(huì)發(fā)生一定的偏差。因此Zhmud等人[18]根據(jù)h(t)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)一步推演了滲吸機(jī)制的顯性解，見(jiàn)公式(7)。

(7)

為了獲得更加準(zhǔn)確的解析式,對(duì)公式(7)進(jìn)行了一系列的變形,并利用Lambert函數(shù)W(x),推導(dǎo)了考慮重力、毛細(xì)力滲吸過(guò)程的顯性解為：

(8)

式中，W(x)為L(zhǎng)ambertW函數(shù),是x=W(x)eW(x)方程中的W(x)。

圖2 涂層材料三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模擬[23]

基于上述經(jīng)典的滲吸,研究人員試圖建立綜合考慮慣性力、毛細(xì)力、黏性力、重力共同支配的滲吸力學(xué)系統(tǒng)通用模型。但遺憾的是,這種物理情形下滲吸力學(xué)系統(tǒng)很難給出數(shù)學(xué)上的解析解[17]。因此,目前的研究都是在特定假設(shè)前提下,忽略重力或慣性力的情況下提出的。對(duì)于重力因素的考量仍持有不同的觀點(diǎn),有些研究認(rèn)為應(yīng)該考慮重力因素的影響[19],當(dāng)滲吸到達(dá)一定程度時(shí),流體重量因素的影響越來(lái)越明顯,但是也有研究在特定條件下,忽略了重力因素的影響。事實(shí)上,重力因素的考慮,依賴(lài)于重力和毛細(xì)管力的比值,對(duì)于紙張涂層材料的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu),滲吸質(zhì)量及滲吸高度與等效毛細(xì)管尺寸相比有很大差距,并不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以重力作用在涂層材料的滲吸中可以被忽略[20],這為紙張涂層材料力學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)化提供了重要的理論依據(jù)。

3.2 經(jīng)典模型在紙張涂層材料滲吸研究中的應(yīng)用

在上述模型實(shí)際的應(yīng)用中,相比于經(jīng)典的LW方程,Bosanquet方程并沒(méi)有被廣泛的接受。部分原因是慣性力的作用時(shí)間問(wèn)題,同時(shí)Bosanquet本人也承認(rèn)慣性力效應(yīng)因作用時(shí)間太短,而變得微不足道。對(duì)于單個(gè)毛細(xì)管和某些高黏度的流體,在研究長(zhǎng)時(shí)間機(jī)制下的滲吸過(guò)程,慣性力是可以忽略的,但在錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,滲吸初期慣性力所引起的累積效應(yīng)仍值得考慮。

國(guó)際上現(xiàn)有的涂層材料的滲吸研究,大部分研究試圖利用經(jīng)典的LW方程來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,但是該模型在描述材料滲吸行為機(jī)制時(shí),往往出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)不符的結(jié)果。Schoelkopf等人[21]研究以研磨碳酸鈣(GCC)為主體的涂層材料滲吸時(shí),也發(fā)現(xiàn)了LW方程描述滲吸與實(shí)驗(yàn)觀察的偏差。同時(shí)指出了可能由于流體慣性力的影響導(dǎo)致了模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差,并探討分析了流體慣性力對(duì)涂層材料滲吸過(guò)程中的影響。Quere[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)了流體在毛細(xì)管中的慣性流動(dòng),并給出了考慮慣性力的滲吸模型。Ridgway等人[23]在研究改性研磨碳酸鈣(GCC)的滲吸特性時(shí),發(fā)現(xiàn)不能用LW方程解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,即在小孔和大孔并存的低孔隙率結(jié)構(gòu)中,小孔滲吸率要大于大孔結(jié)構(gòu)的滲吸,因此也提出了可能是由于經(jīng)典的LW方程忽略慣性力的觀點(diǎn),同時(shí)根據(jù)滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,闡述了可能在滲吸過(guò)程中存在兩個(gè)不同階段的滲吸機(jī)制。在隨后的研究中,他們考慮了復(fù)雜涂層材料的多孔結(jié)構(gòu),并考察了慣性力在多孔結(jié)構(gòu)中的累積效應(yīng),通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型、孔喉的尺寸、孔的連通性、孔的形狀等因素表征了涂層材料的三維立體結(jié)構(gòu),如圖2所示,并進(jìn)行了滲吸結(jié)果匹配,一定程度上得到了與實(shí)驗(yàn)比較一致的效果,這些涂層材料的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,被英國(guó)普利茅斯大學(xué)開(kāi)發(fā)成一系列的商業(yè)軟件(如Pore-core、Pore-expert),已在國(guó)外造紙涂層界獲得了一定程度的應(yīng)用和推廣。

對(duì)紙張涂層滲吸特性的研究,盡管存在上述諸多的經(jīng)典滲吸模型。但迄今為止,對(duì)此方面的研究仍局限于特定條件對(duì)材料滲吸行為及模型的劃分和表征，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在一定差異。另外普遍意義上的材料物理滲吸中具體的力學(xué)行為,滲吸過(guò)程及滲吸機(jī)制的精確描述,仍沒(méi)有完全弄清楚,相關(guān)研究成果及所得結(jié)論,還沒(méi)有一種能夠完全適用于現(xiàn)代紙張涂層材料滲吸的表征,尤其對(duì)于國(guó)際研究熱點(diǎn)的具有大容量、快速滲吸的涂層材料。但石油、土壤科學(xué)及巖石等學(xué)科,對(duì)多孔介質(zhì)滲吸模型進(jìn)行了比較深入廣泛的研究,出現(xiàn)了很多滲吸模型[24](如Terzaghi模型、Handy模型、自吸的無(wú)因次時(shí)間標(biāo)度模型、自吸數(shù)值模擬模型和滲吸分形模型等),這些模型可以為紙張涂層材料滲吸的研究提供新的途徑和方向。

4 基于經(jīng)典理論的紙張涂層材料滲吸模型的修正

由于各種經(jīng)典的滲吸理論模型,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著一定差異,因此對(duì)經(jīng)典理論的修正和補(bǔ)償研究一直是滲吸領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

4.1 滲吸模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正

在研究紙張涂層滲吸模型的過(guò)程中,研究人員更偏向使用LW方程來(lái)表征滲吸的行為,也許是由于此方程表達(dá)簡(jiǎn)單可行的緣故。大量文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了對(duì)LW方程進(jìn)行的各種修正,來(lái)進(jìn)一步彌補(bǔ)與實(shí)驗(yàn)的差距。Leskinen[25]在LW方程的基礎(chǔ)上,考慮了滲吸涂層材料等效毛細(xì)管的彎曲因子修正了LW方程。在此基礎(chǔ)上,Poulin等人[26]考慮了涂層材料孔墻和流體前進(jìn)面動(dòng)態(tài)接觸角變化的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)一步修正了LW方程,縮小了模型預(yù)測(cè)值與滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差距。Leventis等人[27]分別考慮材料的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),也對(duì)LW方程進(jìn)行了修正,但是修正結(jié)果仍然存在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差,造成這些偏差的原因可能與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),如等效毛細(xì)管彎曲的分形線形和彎曲特性、孔隙形狀、材料內(nèi)表面潤(rùn)濕角的動(dòng)態(tài)變化、孔道迂回度、孔墻的粗糙度、比表面積等微觀結(jié)構(gòu)因素。由于上述因素決定著材料內(nèi)部表面和孔道的結(jié)構(gòu)特性,因此在流體與涂層材料滲吸的過(guò)程中,必將影響流體滲吸力學(xué)和滲吸行為的變化。從本質(zhì)上講,這些因素都可歸因于材料內(nèi)部粗糙表面形態(tài)來(lái)影響滲吸和滲流過(guò)程,不僅影響著滲吸的力學(xué)行為,而且也影響潤(rùn)濕角的動(dòng)態(tài)變化。

另外,一些高水平的科學(xué)報(bào)道證明,考慮多孔材料內(nèi)部粗糙度及孔墻的粗糙性,通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模型理論和修正的LW方程滲吸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了仿真模擬,得到與實(shí)驗(yàn)比較一致的結(jié)果。根據(jù)以上說(shuō)法,材料內(nèi)部粗糙度被認(rèn)為是影響滲吸的最大因素,如Rabinovich等人[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米范圍粗糙度引起的毛細(xì)潤(rùn)濕力的波動(dòng),Stukan等人[29]考慮了不同粗糙度的毛細(xì)管表面形貌,利用分子動(dòng)力學(xué)仿真匹配了LW方程。Dimitrov等人[30]也給出了具有粗糙表面納米管滲吸的分子動(dòng)力學(xué)證據(jù),并通過(guò)滑移系數(shù),修正了LW方程,得到了比較良好的仿真結(jié)果。因此,孔墻的粗糙度或者材料內(nèi)部粗糙度是影響滲吸行為機(jī)制的重要因素,應(yīng)該在滲吸過(guò)程中值得考慮[55]。Liu等人[20]考慮了紙張涂層材料介孔和納米級(jí)孔墻的粗糙度,利用粗糙表面引起潤(rùn)濕接觸線長(zhǎng)度的變化,對(duì)LW方程進(jìn)行了修正,得到了與實(shí)驗(yàn)滲吸一致的結(jié)果,揭示了紙張涂層材料實(shí)驗(yàn)滲吸分區(qū)的本質(zhì)原因。

4.2 涂層材料滲吸量與滲吸時(shí)間標(biāo)度之間函數(shù)關(guān)系的修正

涂層材料滲吸行為及規(guī)律的測(cè)量,大部分通過(guò)高精密的天平實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成,通常以滲吸量(或者滲吸體積)和滲吸時(shí)間標(biāo)度來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)描述。A.Bru等人[31]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了與紙張涂層類(lèi)似材料的滲吸量與時(shí)間標(biāo)度之間的函數(shù)關(guān)系是時(shí)間指數(shù)的0.4～0.49左右,并以此為依據(jù)指出了經(jīng)典LW方程不能很好的描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,是由于時(shí)間標(biāo)度的0.5關(guān)系,但也有很多研究人員[32]從分子動(dòng)力學(xué)角度,支持了經(jīng)典LW方程滲吸時(shí)間標(biāo)度的0.5函數(shù)關(guān)系,Liu等人[20]在紙張涂層的滲吸實(shí)驗(yàn)中,給出了在LW方程中,紙張多孔材料滲吸量和滲吸時(shí)間標(biāo)度為0.5函數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

5 紙張涂層材料滲吸行為機(jī)制研究及建模的可行技術(shù)手段

涂層材料滲吸性能與材料結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系,因此建立兩者之間的關(guān)系對(duì)高性能滲吸涂層材料的開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的科學(xué)意義。但涂層材料(如同多孔介質(zhì))是一種復(fù)雜無(wú)序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),根本無(wú)法用傳統(tǒng)的歐式幾何去描述和表征,但是已有大量的研究表明,自然界中大部分多孔材料的隨機(jī)無(wú)序結(jié)構(gòu),在一定尺寸范圍上滿足分形特征,可以用非歐式幾何的分形理論來(lái)加以精確描述。Liu等人[33]給出了以研磨碳酸鈣(GCC)為主體的涂層材料所具有分形特征的實(shí)驗(yàn)證據(jù),并通過(guò)考慮涂層材料多孔網(wǎng)絡(luò)的慣性累積效應(yīng),建立滲吸分形結(jié)構(gòu)模型,匹配了Bosanquet方程中的實(shí)驗(yàn)滲吸。除此,已有相關(guān)報(bào)道[34]類(lèi)似紙張涂層材料等多孔介質(zhì)在滲吸過(guò)程中相關(guān)物理參數(shù),如流體滲吸的毛細(xì)力、毛細(xì)管的彎曲特性、粗糙表面的潤(rùn)濕角等因素也都具有分形特征。我國(guó)科技人員在多孔介質(zhì)的分形結(jié)構(gòu)表征中做了大量的研究工作,已經(jīng)得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)可[24]。這些理論成果將為涂層材料分形結(jié)構(gòu)描述與滲吸特性關(guān)系研究提供科學(xué)可靠的研究方法。

6 我國(guó)紙張涂層材料在滲吸研究和開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距

我國(guó)造紙行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，紙張生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，尤其是涂布紙研發(fā)及加工技術(shù),在造紙工業(yè)“十一五”、“十二五”規(guī)劃的支持下,部分大型企業(yè)生產(chǎn)的涂布紙質(zhì)量達(dá)到了世界一流水平,這主要得益于全球涂布紙技術(shù)及理論研究的不斷發(fā)展,得益于國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)積極引進(jìn)和消化國(guó)外的材料生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)、加工技術(shù)及不斷的自主研發(fā)?，F(xiàn)今,我國(guó)造紙企業(yè)在研發(fā)高品質(zhì)的涂布紙時(shí),更多是通過(guò)涂層涂料配方的升級(jí)、改進(jìn)和配方組分的精細(xì)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的印刷紙張[35]。這些配方和組分的調(diào)整最終的效果無(wú)疑是極大地改善了油墨流體與紙張涂層的相互作用關(guān)系,即提供了紙張涂層優(yōu)越的滲吸性能。但是,在實(shí)施這些配方研發(fā)和組分調(diào)整的過(guò)程中,并沒(méi)有任何的相關(guān)報(bào)道及研究是以滲吸特性為依據(jù)的,這可能由于國(guó)內(nèi)在涂層材料的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中,缺乏對(duì)涂層材料滲吸基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)和研究,對(duì)涂層中滲吸行為、滲吸機(jī)制都尚不清楚,因此在實(shí)際生產(chǎn)及研究中,對(duì)配方的具體研究和組分的精細(xì)調(diào)整將是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜、漫長(zhǎng)和不斷摸索的過(guò)程。

相比之下,國(guó)外(如芬蘭、德國(guó)、英國(guó)、瑞典、加拿大等)已經(jīng)在涂層滲吸方面進(jìn)行了較為深入的研究,涂層材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)大都是以材料滲吸特性為基礎(chǔ)之一,同時(shí)也在積極開(kāi)展涂層材料復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滲吸性能的定性描述。所以當(dāng)紙張涂層與流體(如印刷油墨)發(fā)生作用并進(jìn)行鋪展?jié)B吸時(shí),紙張涂層就會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)越或者預(yù)期的滲吸特性,達(dá)到高質(zhì)量的印刷品質(zhì)。因此以材料滲吸特性為基礎(chǔ)依據(jù)的紙張涂層材料研究和開(kāi)發(fā)將是一條少走彎路的捷徑。另外,隨著環(huán)保型水基油墨和數(shù)字印刷的大量應(yīng)用,更要求紙張涂層具有很好的滲吸控制能力。為此,國(guó)際上也在積極研究大容量、快速滲吸涂層材料,以適應(yīng)印刷工業(yè)的新形式、新要求。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Advances in Studies of Spontaneous Imbibitions of Paper Coating Materials

LIU Guo-dong1,2,*ZHANG Mei-yun1GUO Ling-hua1

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology;ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

The transport of fluid like printing ink in coating layer of paper is directly dependent on the spontaneous imbibitions performance of coating materials.Many printing quality problems such as print mottle, uneven and bleeding color are commonly caused by the bad imbibitions characteristics of the coating materials.In this review, firstly the easily confusing process of penetration and imbibitions of printing ink in paper or coating materials was elucidated .Then the impact factors of coating layer structure on imbibitions behaviors, the application and limitation of some classical imbibitions models in the imbibitions characteristics of coating materials were discussed and analyzed.Besides, the modification imbibitions models and some feasible technical proposals for further research were also addressed.And the gap on research of coating material imbibitions between China and other countries was illuminated and summarized finally.

paper coating materials; imbibitions model; penetration/imbibition

劉國(guó)棟先生,博士,副教授；研究方向：造紙多孔材料滲吸特性、流體與紙張的作用關(guān)系。

2015-05-11(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51402180)；陜西教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1108)；陜西省留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目([2014]1059)；陜西科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目( BJ15-11)；制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(201507)。

TS727+.3

A

10.11980/j.issn.0254-508X.2015.11.013