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涂布量與涂布紙張品質的關系


在彩色復制系統中,印刷品的品質受到許多因素的影響,而大部分印刷品效果的表現,決定于印墨與被印材之間的關系,而此被印材-紙張,則分為涂布紙類及非涂布紙類兩種。
   對這類涂布紙,世界各國的分類也有若干差別。涂布紙大至可分為:銅版紙、涂布紙、輕量涂布紙,除此之外還有烙光涂布紙等特殊涂布紙。原紙則一般多用道林紙,也有使用含磨木漿或脫墨漿原紙的涂布紙,除特殊用途外,大多用于廣告海報與雜志內頁,因此,就算在同一復制條件下,所呈現的色彩也會有很大的差異,所以,要提升印刷品質,必要先掌握紙張對彩復的影響,進而在照相分色或印機上作適當的調整,使印刷品質能合乎需求。
壹、原紙與涂料
   所謂涂布紙(coated paper)是在原紙上涂上一層涂料(coating color),使紙張具有良好的光學性質及印刷性能等。其主要用途有:印刷雜志、書籍等出版用紙和商標、包裝、商品目錄等印刷用紙,兩者的比例約為1:3。
       
一.原紙(Base paper)
       涂布紙的制造,簡單的說是指在原紙之上涂上涂料,經過干燥后再用壓光機使得它的表面平滑化,因此原紙與涂料是左右涂布紙品質的重要因素。
       以一個涂布量為20g/m2的涂布層為例,假設涂料的干比重為1.5,則涂布層之厚度僅約0.0013公分,在如此薄的厚度下,原紙的品質確實占有重要的地位。
       假使涂布的速度慢時,因為吸水后的原紙紙匹,到達干燥部門不能失去強度,所以必須適度的上膠與保持濕紙的強度。反過來說涂布速度快時,則紙張必須具備一定的強度來抵抗高速涂布所帶來的機械力,同時均一的吸水性也是非常的重要。
除此之外,涂布用原紙還必須具備下列的性質:
(一)尺寸安定性好,不會因水分變化而有太大變化。
(二)對涂料的吸附性強。
(三)原紙必須不會彎曲,否則會引起涂料條痕而導致紙張斷裂。
(四)不可有皺紋、破洞等瑕疵。
(五)涂布加工時,紙卷必須卷緊,以免發生斷紙。
       原紙性質中會影響涂布主要有:均一性、平滑度、表面吸收性、表面強度、表面情形、化學適性、兩面性及紙面光學性等,因此,一張紙的好壞,在于原紙的狀況好壞與否。
二. 涂料(Coating color)
       涂料配制是制造涂布紙最基本的技術,對產品用途具有關鍵性的影響,所以涂料須滿足涂布作業的操作性及印刷適性等,并按這些條件進行設計制造;即涂料的設計與生產何種涂布紙有關。不同產品應使用其相對應的涂料、涂布方法和涂布機。雖然各種類必須達到規定的品質指針,但是最重要的是獲得客戶的肯定。以數量來看,仍以普通涂布紙為主,但以技術層次而言,則希望擁有銅版紙類的技術。
       紙張涂布用的涂料種類很多,而其中較為普遍應用的是水基性涂料。水基性(Water base)涂料的組成大致上可分成四類:顏料、接著劑、添加助劑及水。這四類成份的組合與涂布后紙張的品質息息相關。
(一)顏料
顏料有白土(白色黏土)、碳酸鈣、沙丁白、氫氧化鋁、二氧化鈦和塑料顏料等。
1.白土
白土從成份上分類有:高嶺土類、葉石類(pyrophyllite)、云母類(cericite)等。高嶺土又進一步細分為:高嶺土、多水高嶺土等,這些白土都已經被商品化生產 但是,現在涂布紙用白土中,基本上把高嶺石類都稱為高嶺土,也就成為涂布用白土的代名詞。
高嶺土顆粒呈六角板狀,粒徑為0.3-3微米。這些微粒的縱橫比、粒徑直接影響涂布紙類顏料的品質,目前涂布紙顏料多用高嶺土,因為它能賦予涂布紙較高的白紙光澤性,所需的接著劑適量,黏性和分散性較好,使涂料能提高固形份。
2.碳酸鈣
在涂布紙中被廣泛應用,其使用量僅次于白土。尤其在臺灣擁有豐富的碳酸鈣,近年來甚至逐漸取代價格較貴的白土,并依涂布紙的用途和生產方法開發出許多品種,所以如何適度的使用碳酸鈣可以說是涂布紙涂料之重點。由于碳酸鈣顏料具有高白度與多孔性,所以油墨吸收性非常好,如此可改善印刷適性,即使是無光處理之涂布紙也非常實用。
3.沙丁白
沙丁白是從硝石灰和硫酸鋇合成的白色顏料,從很早就被用做銅版紙的顏料。其具有很好的白度、光澤度、油墨吸收性、而且表面平滑。與這些相對應、也有涂料黏度高,膨脹性強等優點,但也導致涂布操作性差、接著劑需要量大等缺點。沙丁白過去多用做氣刀式涂布機用涂料,若用在高濃度的刮刀式涂布機時會遇到一些問題,所以一般多限定使用在銅版類的涂布紙上。
4.氫氧化鋁
具有良好的白度、不透明度及油墨吸收性。
5.二氧化鈦
二氧化鈦具有很高的不透明度,所以多用做微涂紙的涂料。但是由于價格高、磨耗性大,所以限制了它的使用。其型態有:金紅石型和銳鈦礦型,雖然銳鈦礦型的不透明性稍差,但是,相對來說價格比較低廉且白度高,所以被廣泛使用。
6.塑料顏料
目前發展出來的塑料顏料一般可分為:接著型(binder type)、密實型(solid type)與中空型(hollow type)等三種,以后面二者較為常用。在合成的過程中,可利用不同的單體比例、起始劑濃度、攪拌速率和反應時的溫度作為變因,來控制粒徑的大小、均一程度、穩定性和反應速率。
無論顏料為何,均希望其有以下之特性:
1.粒徑要合適。一般情況下,粒徑愈小愈有利于改善紙張之白度、不透明度和光澤度。但粒徑太小會使其表面積增大,導致顏料涂布黏度增大、流動性降低,按著劑需要量也隨之增加。
2.顏料顆粒型態也要合適。針狀顏料顆粒流動性不好,六角和球形顏料粒子流動性較佳,并可形成多孔涂布層而提高紙張之吸墨性。
3.有很高的白度與不透明度(較強的遮蔽能力)。
4.容易分散于水中,且有較好的穩定性及流動性。
5.有較佳之化學穩定性,接著劑用量盡可能減少。
6.較低的耐磨性(減少涂布機和印刷版的磨損)。
三、接著劑
接著劑分天然物及合成物,天然物有淀粉、奶酪素、大豆蛋白等。
合成物則有各種合成乳膠、聚乙烯醇等。現在使用最廣泛的是淀粉一合成乳膠的混合物。而合成乳膠的使用比例在不斷增加,最近全乳膠系的接著劑也被開發出來,這和涂料的高濃度化發展是一致的。對任何接著劑均有下列要求:
(一)對顏料有較強的黏結力。
(二)對顏料有較好的適應性和穩定性,但不與顏料發生化學反應。
(三)有合適的黏度及成膜性。
(四)有合適的流動性,以利涂布作業并提高涂布均勻性。
(五)顏色應淺,不含雜質異物,有良好的涂料操作性。
       由于一般的接著劑,不論是天然的或是合成者,仍有些性質無法改善,因此近年來有所謂的輔助接著劑(co-Binder)之出現,以補接著劑保水度與流動性之不足,其用量約只有總接著劑量的10-30%,現在也有工廠試圖用此來達到降低總接著劑量之需求,由于用量很少,有時也可將其視為添加劑。目前常用的輔助接著劑有大豆蛋白(protein)、流變調整劑(rheoloe mdifier)。
四、添加劑
       有分散劑、潤滑劑、防腐劑、熒光劑、耐水化劑、以及染料、油墨吸收性及改良劑等,其主要作用在補顏料與接著劑所不足者,并減少操作上之困擾。在使用時應選擇好品種和使用量,由于相反性的東西比較多,需進行事前的研究,以配制最適合之涂料。
五、表面改質
(一)壓光
       要制得具光澤的涂布紙,利用壓光輪加以光澤化是必要的,以前較常使用的設備是以棉或毛制的彈性輪與冷鑄壓光輪(chilled roll)所組合的超級壓光機(super calender)。最近從歐美開始,日本現在也多使用含有一高分子成品披覆于外之塑料轆的軟質壓光機(soft calender)。
與普通紙機座光機和超級壓光機相比,軟質壓光機擁有的特點是:
1.賦予紙張更高的嵩度、挺度、不透明度及強度,進一步改善紙的兩面性。
2.壓光后紙幅緊度一致,印刷適性良好,油墨滲透均勻。
3.可允許稍高的紙頁水份,斷紙少、不易產生黑斑,運行性能好。
4.適度減少木漿配比或降低涂布紙與新聞紙的基重而不影響產品印刷品質。
5.既可機上安裝,也可機后使用還可用作半濕壓光機。所有的轆均可單獨傳動又能互換位置,適應范圍廣。
6.與超級壓光機相比還有投資省、占用廠房少、操作維修方便、壓區少、動力消耗低等優點。
       然而,軟質壓光機之捏縫數太少,便不能處里高光澤的美術銅版紙,而超級壓光機轉速太慢使產量受限,皆有不利之處,因此結合了超級壓光機與軟質壓光機優點之Janus Concept壓光機在1995年應運而生,其特點是:
1.可根據需要選擇壓區數,8個捏縫之Janus Concept壓光機與傳統12個捏縫之超級壓光機壓光效果相當。
2.應用熱壓光,且能量消耗比一般軟質壓光機更低。
第二節 涂布
紙張涂布的方法可分為機上涂布與機后涂布兩種,各有其優缺點,概略如下:
一、機上涂布(ON-MACHINE COATING)
所謂機上涂布是將抄紙機與涂布機連結在一起,即涂布機(coater) ,是抄紙機(paper machine)上的一個部分單元,由于涂布機的涂布速度須與抄紙機的車速相同,適合生產單一種類而需求量大的涂布紙。機上涂布的優缺點如下:
優點:
1.涂布機與抄紙機連結在一起,故無卷筒操作時之紙頭紙尾的損紙發生。
2.不需專用的空間來儲放待用的原紙卷。
3.機器占用的空間較小。
4.不需卷筒、搬運即裝卸鐵芯,故可減少人工之需要。
5.不需專用的干燥設備與原紙架及裁切機,因此裝貴成本較低。
6.作業單純,適宜種類少、數量大之涂布紙大量生產。
7.可提早辨認原紙品質的問題。
缺點:
l.變化彈性小,不適于生產品種多、數量少之涂布紙。
2.若涂布機或抄紙機發生故障時,會造成另一機器的停車。
二、機后涂布(OFF-MACHINE COATING)
機后涂布則是將抄紙機與涂布機完全分開,各自獨立放置于不同的地點,將抄紙機所抄的原紙卷筒后送至涂布機的原紙架上,需經后段加工時,再由涂布機施以涂布的工作。其優缺點歸納如下:
優點:
1.涂布機與抄紙機各自獨立,因此一臺涂布機可以涂布好幾臺抄紙機所抄制的各種紙張。
2.變化彈性大,適于生產各種等級的涂布產品。
3.涂布機的車速一般較抄紙機快,因此調度很容易,加工生產量也較大。
4.適合生產成品種類多、數量少之涂布紙張。
5.提供優良的涂布品質。
6.涂布機與抄紙機分開,故兩者之一遇有故障時,不會相互影響造成機器皆需停車之困擾。
缺點:
1.原紙在卷筒操作時必會有紙頭紙尾的損紙產生,損紙率較大。
2.原紙卷筒及存放,需較高的人工費用和廠房空間。
3.涂布機需配豈原紙架、裁紙機、涂料干燥等設備,所以機器所占空間較大,且所需設備費用較貴。
       由上述可知,機上涂布法有其成本較低的優勢,而欲改善機上涂布加工紙之品質可從多方面著手,如改良涂布機、干燥方式與壓光設備等硬件方面,或提高固形份和減少接著劑用量等涂布配方;本此實驗乃希望利用塑料顏料來改善涂布紙張之不透明度、光澤度、印刷光澤度等印刷適性,同時添加輔助接著劑以改良涂料之保水度、高剪力黏度等操作性。
       在過去,由于受限于涂布機之設備與抄紙機之車速,機上涂布通常只能生產涂布量較低的涂布紙,如LWC等,或是作為需經后段加工之預涂紙。而在新一代涂布機的改良后,一種名為HSM之涂布機已能提高涂布量,相信在經過不久的努力后,機上涂布加工紙也能達到類似銅版紙之效果。
第四章 結論
       涂布紙張的品質良好與否,除了原紙品質有很大的影響外,涂料的成分也是一個很重要的因素,當涂料中添加不同類型的有機顏料來取代最常使用的白色顏料-白土時,所制造的涂布紙張在白度、白紙光澤度、印刷光澤度、不透明度、平滑度,等方面都是與有機顏料的添加量成正比,這表示有機顏料可以提高涂布后紙張的性質。
      當涂料中添加不同類型的有機顏料來取代高價格高白度及高折射系數之二氧化鈦時,所制造的涂布紙張在白紙光澤度、印刷光澤度和平滑度方面,是與有機顏料的添加量成正比,但是在白度、不透明度方面,是與有機顏料的添加量成反比,這表示在某些特殊用途方面,雖然有機顏料不能完全取代二氧化鈦,但仍可以使得涂布紙張的性質維持一定的水準而不會相差太多。
      當涂料中添加不同類型的有機顏料來取代價格便宜、常使用的白色顏料-碳酸鈣時,所制造的涂布紙張在白度、白紙光澤度、印刷光澤度、不透明度、平滑度,等方面都是與有機顏料的添加量成正比,這表示若要進一步提升涂布紙張的性質,有機顏料的使用是必然的趨勢。
       在涂布量與涂布紙張品質的關系上,當涂料中有添加有機顏料時,涂布紙張的性質都優于沒有添加有機顏料的,而且當涂布出來的紙張性質接近時,有添加有機顏料的涂布紙張可以降低涂布量。當有機顏料是密實型的,涂布量可以降低約30%,而接著型的有機顏料,涂布量可以降低約40%,若有機顏料是中空型的,涂布量甚至可以降低約45%,這表示在紙張輕量化的趨勢中,有機顏料能帶來相當大的幫助。
       印刷品的好壞,和被印材有很大的關系,而被印材的好壞,和原紙、涂料及表面處理上都息息相關,因此,選擇一個好的紙張作為被印材,才是一個節省成本、提高印刷品質的不二法門。
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