《印刷材料学》教案

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第二章 纸张的结构

一、教学目的：

      1 了解纸张的基本结构，掌握纸张的正反面、纵横向的性质；

      2  了解影响纸张的匀度的因素；

      3 了解纸张的水平结构和垂直结构；

      4 了解纸张的空隙结构。

二、教学内容：

       1  纸张的两面性

         1）纸张的正面和反面

       纸张的正面：毛布面（Felt Side）,在纸页成型过程中与网接触，而使纸面产生网印，因此反面总是比较粗糙，也比较疏松。

纸张的反面：网面(Wire Side)，比较平滑、紧密。

          2）纸张的两面性对印刷质量的影响

       纸张的两面性可导致印刷品质量的不均匀性，不利于印刷品质量的控制。纸张的正面平滑度较高，着墨效果较好，但表面强度较反面低，即在印刷中更易发生拉毛现象。相反，纸张的反面则较为粗糙，着墨效果较正面差，但表面强度较高，在印刷中不易发生拉毛现象。

         2   纸张的方向性

        1）纸张的纵向和横向

        纸张的纵向（machine direction）：在纸页抄造过程中与造纸机运转方向平行的方向。

        纸张的横向（cross direction）：在纸页抄造过程中与造纸机运转方向垂直的方向。

        2）纸张纵横向在单张纸印刷中的作用

        由于纸张纤维在吸湿润胀时，纤维直径方向膨润的幅度比其长度方向要大，故纸张吸湿时，横向伸长率比纵向大，一般大2-8倍。所以在单张纸胶印中更倾向用纵向纸张。

        有人试验过规格为787×1092mm的单张印刷纸，当相对湿度从50％升到65％时，纵向伸长率为0.05％，横向伸长率为0.15％。若787×1092mm为纵向纸，则其长边伸长为0.55mm，短边伸长为1.18mm，若为横向纸，则其长边伸长为1.64mm，短边伸长为0.40mm，可见横向纸比纵向纸在受湿度影响时变形更为严重。因此，印刷纸最好切成纵向纸。

         3）判断纸张纵横向的方法

        (1)   将试样切成直径约50mm×50mm见方，将试样放在水面上，注意观察纸张卷曲的方向，与卷曲轴平行的方向为纸张的纵向。

        (2)    按互相垂直的方向切取试样各一条，长约200mm，宽15mm，并在每一条试样上做一个记号，使其重叠，用手指捏住一端，另一端自由地弯向左方或右方，如两个纸条分开，下面的纸条弯曲大，则为纸张的横向；再将两纸条弯向另一方向，如上面纸条压在下面的纸条上，两个纸条不分开，上面的纸条为横向。

        (3)按纸条的强度分辨纸张的纵横向。一般纵向抗张强度大于横向抗张强度，抗张强度大的方向为纸张纵向，小的为横向。

        3    纸张的匀度

        1）定义：纸张的匀度(formation)是指纸张中纤维分布的均匀程度(uniformity)。

         2）匀度的检测方法

       匀度一般在均匀的光线照明下，利用目测透视纸页来检查，这种方法的检查结果不能用数值表示，只能依靠观察者的判断。

        目前国际上开发了3种主要测量纸张匀度的仪器，它们分别为STFI匀度仪、QNSM匀度仪和MK公司的三维纸页结构分析仪。其中MK三维纸页结构分析仪应用最为广泛。

         4    纸张的水平结构和垂直结构

         1）  纸张的水平结构

        纸张的水平结构也就是所谓的纸张的理想二维网络的统计几何结构，理想二维网络是指把n根纤维通过随机方法放于面积为A的平面上形成的理想纤维网络，简称为Z—D纸页。

        纸页的力学性质不仅取决于纤维间的接触，即纤维间交叉的总量，而且还取决于纤维网络中每根纤维交叉的数量。要弄清楚2—D纸页的结构，必须确定出每mm2纤维交叉数量的分布和每根纤维交叉数量的分布。

        2）纸张的垂直结构

        纸张的垂直结构(Vertical structure)也就是所谓的纸张的Z向结构。

        在纸张的垂直结构中，最重要的结构性质是纤维间粘结的程度。纸张中纤维间的粘结状态决定了纸张在垂直方向的抗张强度，称之为剥离强度或z向强度。剥离强度在印刷中，尤其在轮转胶印中十分重要，印刷过程的拉毛现象就是由于纸张的z向强度不足造成的。

        纤维间的粘结状态常用相对粘结面积(Relative Bonded Area)来表示，简称RBA。RBA是指纸页中纤维间总粘结面积与发生粘结的纤维的总面积的比率，即：RBA=

 

         式中：Sb——纸页中纤维间的总粘结比表面积(cm2／g)；

         Sfe——发生粘结的纤维的总比表面积(cm2／g)；

         Se——未发生粘结部分的比表面积(cm2／g)。

        RBA的常用测量方法有两个。一是N2吸收法，该方法基于气体在固体表面吸附的BET理论，根据吸收前后N2的压力变化测出纸页吸收的N2量。由于吸收的这些N2都是吸附在未发生粘结的纤维表面上，从而可求出RBA。另一方法为光散射法，该法是基于未粘结部分表面对光的散射作用，影响纸张的散射系数，由光散射系数与RBA之间的关系，通过测量纸页的散射系数便可求出RBA。

       在纸张垂直结构中，第二个重要的结构性质是细小纤维和填料在z向的分布。由于在纸页成型过程中，细小纤维和填料通过铜网流失，造成成纸正面细小纤维和填料量高于反面。

        5 纸张的孔隙结构

       纸张是一种多孔材料。纸张的许多性能，如对油墨、水及其它乳浊液、悬浊液的吸收和过滤性能，都由其孔隙结构所决定。

        和任何其它多孔材料一样，纸张孔隙结构的几何特性可从其孔隙率、比表面积、平均孔径、孔径分布等来描述。

       1）孔隙率

         纸张的孔隙率是指纸张孔隙体积与纸张的总体积之比，通常由下式近似计算：

         式中：e——孔隙率；

          dp——纸张的表观密度(即紧度)；

          df一绝干纤维的密度，常近似取为1.55g／cm3。

          上式中dp的值可由标准条件下测量纸张的厚度和定量计算出。可见，要确定纸张的孔隙率，利用此法是较为简便的。但大量研究发现，由于纸张表面粗糙度和可压缩性的影响，采用上式求得的纸张孔隙率的误差可达50％，对于孔隙率大的纸张，这种影响尤为明显。

         2）平均孔半径

         平均孔半径又称等效孔半径(equivalent pore radius)，它是指长度等于纸页厚度之孔隙的当量半径。即通过半径为平均孔半径的孔的流体流量与通过单位面积上所有孔隙的流体流量相等。

          3）孔径分布

        纸张孔径的分布对于印刷纸张来讲尤为重要，这是因为印刷油墨的颜料粒子也具有一定分布，两者之间只有很好地匹配才能印刷出高质量的印刷品。

        基于毛细管模型而提出的测量纸张孔径分布的方法有：水银压人法、置换法、毛细管吸人法和毛细管上升法。在诸方法中应用最多的是水银压人法，水银压人法被认为是研究多孔材料孔隙特征最有效的方法，它不仅可以测出孔隙率和比表面积，还能同时测出平均孔半径，并能从降压时排出水银的情况推测出不规则孔的形状。

三、重点与难点：

        掌握纸张的正面和反面、纵向和横向的性质。

四、教学方法及手段：

        板书及多媒体讲授（2学时）

五、作业

      1   什么是纸张的两面性？产生两面性的主要原因是什么？它对印刷纸的质量和印刷有哪些影响？如何克服两面性？

       2   何谓纸张的方向性？在单张纸胶印过程中，采用长边直丝绺还是长边横丝绺的纸张？为什么？

        3   纸张的Z向强度是什么？相对黏结面积是什么？

　

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