第四章 紙和紙板的力學性質(zhì)

第四章紙和紙板的力學性質(zhì)紙張的流變性質(zhì)

紙和紙板的機械強度紙張的表面強度

印刷壓力、張力、粘力強度是印刷紙的基本和重要的性能之一第一節(jié)紙張的流變性質(zhì)

流變學研究范疇:研究物體所受外力及其作用時間與變形或流動的規(guī)律，研究的物質(zhì)范圍廣泛,包括從固體、液體到氣體。

紙張流變學：就是研究紙張在印刷機上產(chǎn)生流動和變形的各種現(xiàn)象，及其造成流變的各種因素。紙張流變學已成為探索和指導(dǎo)紙張印刷適性研究的理論基礎(chǔ)之一，它著重于對紙張的力學行為進行研究，在紙張因受力發(fā)生變形時可以見到它的彈塑性、粘彈性、蠕變性、永久變形等各種流變現(xiàn)象。一、紙張的粘彈性變形

紙張是一種多相復(fù)雜且非均質(zhì)的高分子材料，和其它任何高分子材料一樣，紙張在受到力的作用時會表現(xiàn)出其固有的特性——粘彈性(Viscoelasticproperty)。在討論紙張的粘彈性之前，需要說明應(yīng)力、變形、理想彈性固體和理想液體的意義。1.應(yīng)力：物質(zhì)為抵抗外力，在單位面積上發(fā)生的內(nèi)力N/cm2?；蛘哒f物體抵抗形變的阻力。2.變形：使物體尺寸發(fā)生變化的數(shù)量對原有尺寸的比率。3.理想彈性固體：在有外力作用下，其瞬時的變形程度與負荷成直線關(guān)系，而當去除負荷后能恢復(fù)其原有規(guī)格。

形變規(guī)律（虎克定律）若用σ表示應(yīng)力，ε表示變形，則有：

E：為物體的楊氏模量4.理想的流體：則需要考慮時間的因素，理想流體能夠流動要依時間與負荷而定。形變規(guī)律（牛頓定律）,ε=σ0t/ηη——液體的黏度；t——時間5.粘彈性變形：

理想的彈性體和理想的流體實際上是不存在的！紙張具有彈性性能和與時間有關(guān)系的流動性能。紙張的形變除與應(yīng)力有關(guān)外，還與應(yīng)力作用的時間有關(guān)，紙張所產(chǎn)生的這種形變稱為～。紙張的這種應(yīng)力-變形對時間的依賴關(guān)系可以用實驗方法來證明。在使用紙張的時候，無論彈性變形還是粘性變形都是很重要的。二、紙張的蠕變特性

1.蠕變：紙張在受外力作用時開始時是純粹的彈性體，在發(fā)生了1%-2%的變形以后，開始產(chǎn)生流動性，在負荷保持不變時，紙張無限流動，直至發(fā)生斷裂，這種滯延流動叫蠕變(Creep)。2.變形的恢復(fù)可用兩部分表示：

瞬時部分；與時間有關(guān)的部分：

三、紙張的應(yīng)力松弛特性如果紙張的形變保持一定，應(yīng)力將隨時間而減少，這種現(xiàn)象稱之為應(yīng)力松弛（Relaxation)。

應(yīng)力松弛是保持紙張在一定伸長情況下所必須的應(yīng)力遞降的結(jié)果。這種現(xiàn)象與液體的觸變性(thirotropy)相似。應(yīng)力松弛速率快的紙張，會更容易使負荷消失，因此與應(yīng)力松弛速度慢的紙張相比更不易斷裂。（如紙袋紙需要較高的松弛速率）。第二節(jié)紙張的Ｚ向壓縮變形特性1.紙張的Z向壓縮變形紙張在印刷壓力作用下，Z向出現(xiàn)壓縮變形，壓力消除后能夠恢復(fù)的特性。在印刷過程中Z向壓縮會產(chǎn)生彈、塑性變形。紙張在Z向產(chǎn)生變形的大小取決于紙張孔隙率的大小，也即紙張的表觀密度（緊度）。2.Ｚ向壓縮變形的整體特性紙張受到壓力作用時，壓力與壓縮量隨時間的變化關(guān)系如圖：影響紙張壓縮率、恢復(fù)率的因素：①紙漿的影響，漂白漿較未漂白的壓縮率大，針葉較闊葉壓縮率大，磨木漿較化學漿壓縮率大（10倍）；未漂白的和化學漿彈性恢復(fù)率大，打漿度升高，壓縮率下降，恢復(fù)率上升；②涂布量的影響，涂層愈厚，壓縮率愈小，而彈性率幾乎不變；③含水量的影響，含水量↑，壓縮率↑，而恢復(fù)率↓。在使用紙張時，注意利用印刷紙可通過調(diào)濕增加塑性和松軟性的特征。

3、Z向壓縮變形隨時間變化的特性4、Z向變形特性對印刷的影響1）紙張在印刷壓力作用下的Z向變形，可以產(chǎn)生一種緩沖的作用，使印版與紙張間得以良好的接觸，使油墨得以良好的轉(zhuǎn)移，也就是說彈塑性好的紙張，即使其表面結(jié)構(gòu)較為粗糙，也能得到良好的油墨轉(zhuǎn)移，可以適當降低對紙張的平滑度以及印版圖文表面不平的要求。Z向具有良好的彈塑性，對凹版和凸版印刷顯得特別重要。2）對于多色印刷紙，具有高彈性也很重要，即有較好的彈性恢復(fù)率。

還要了解以下兩點：不同的紙種，對其彈塑性的期望不同。用來印刷商品包裝盒的紙板要求具有較高的彈性；用來制造盲文書籍的盲文印刷紙，則要求具有很高的塑性。在不同的加工階段，對變形性質(zhì)有不同的要求。在遞紙系統(tǒng)和與印版接觸區(qū)所發(fā)生的變形，總希望是可逆的彈性變形，因為紙的塑性過高，紙面與版面不能良好的接觸，可能使印刷品上色彩產(chǎn)生失真，甚至造成很深的正面凹陷和突出的反面印痕。而在裝訂時進行裝訂和壓緊,希望紙張具有塑性變形,以保證得到整齊緊湊的書本。

第三節(jié)紙和紙板的機械強度抗張強度與伸長率耐折度耐破度撕裂度挺度一、抗張強度與伸長率1.抗張程度：是指在標準實驗方法規(guī)定的條件下，單位寬度的紙或紙板斷裂前所能承受的最大拉力。用絕對抗張力或裂斷長來描述。裂斷長是一個假定的強度概念，它表示紙條長度達到不能承受本身的重量時而自行裂斷時的長度，它與厚度無關(guān)，適用于比較不同定量的紙或紙板。單位m2.伸長率:紙或紙板受張力至斷裂時的伸長與原長之比稱為伸長率。3.紙張的抗張強度與印刷的關(guān)系

紙張的抗張強度和伸長率對于高速輪轉(zhuǎn)印刷機的印刷用紙是十分重要的指標。高速輪轉(zhuǎn)印刷機上的紙張在整個印刷過程中處于均勻張緊狀態(tài)，紙張的縱向受到一定的拉力作用，如果紙的抗張強度低于此拉力，就會出現(xiàn)紙張斷裂現(xiàn)象。而伸長率的提高，則能促進和改善紙張的內(nèi)應(yīng)力分配，減少應(yīng)力集中，防止和減少紙面的斷裂。

強度不足，會出現(xiàn)斷紙故障；伸長率過大會引起多色印刷的套色不準等故障。4.測定方法：采用肖伯爾抗張強度儀

電子拉力實驗機擺錘式抗張試驗機

①儀器：肖伯爾抗張強度儀②原理：根據(jù)擺的平衡原理，試樣由上夾器和下夾器夾住，下夾器由傳動裝置帶動，以一定的速度下降，通過試樣傳至上夾器，上夾器由鏈條傳動，使擺偏轉(zhuǎn)一定的角度，當試樣斷裂時，擺立即停止，直接在刻度尺上讀取抗張強度?？潭壬系臄?shù)據(jù)由下式計算而來，

二、耐折度

1.耐折度(foldingendurance)是用來表示紙張抵抗往復(fù)折疊的能力。紙張的耐折度系測定紙張受一定力的拉伸后，再經(jīng)來回折疊而使其斷裂，以折疊的次數(shù)表示。耐折度數(shù)據(jù)的單位是雙折次，按縱向裁樣測試的為縱向耐折度，按橫向裁樣測試的為橫向耐折度。一般縱向耐折度比橫向耐折度高，這是由于纖維的排列及縱向纖維結(jié)合力大的緣故。

2.與印刷的關(guān)系

耐折度是對紙張強度和撓性的綜合度量指標。該項指標對印刷紙及紙板，特別是需要熱固干燥的印刷品，在聯(lián)機折頁時更為重要，因為紙頁通過干燥部時急劇脫水而變脆，易造成斷裂問題。

許多紙張在使用過程中都需要經(jīng)過相當多次的折疊。如證券紙、地圖紙、書皮紙及包裝紙，要求具有較高的耐折度。3.測定：常用的肖伯爾型、MIT型三、耐破度1.耐破度：指紙張在一定面積下，以勻速加壓至破裂時所能承受的最大壓力，它是抗張強度與伸長率的復(fù)合函數(shù)，以Pa表示2.耐破度與抗張強度的關(guān)系：3.測定：采用繆綸式耐破度儀耐破度是包裝紙非常重要的質(zhì)量指標，直接與紙袋紙、制盒紙板的用途有關(guān)。電腦測控紙板（紙張）耐破度儀四、撕裂度1.撕裂度(tearingresistanace)是指撕裂一定距離紙頁所需的的力。是先將紙張切出一定長度的裂口，然后測量再從裂口開始撕裂一定距離時所需的力。以mN、kgf表示。撕裂時所做的功包括兩部分：一部分是把纖維拉開所做的功，一部分為把纖維拉斷所做的功。2.對一般印刷用紙來說，撕裂度的大小主要取決于纖維本身的強度和纖維長度，受結(jié)合力影響小。撕裂度具有很重要的意義，紙幅的斷頭在很大程度上是由此項指標不高致成。原理：依靠擺的勢能，將紙撕裂。五、挺度1.紙和紙板的抗彎曲能力稱為挺度。挺度與紙張的流變性質(zhì)有關(guān)，決定于紙張受彎曲時其外層的伸長能力和里層的受壓能力，可衡量紙張支持自重的能力。挺度表示了紙張柔軟或挺硬的性質(zhì)。2.與印刷的關(guān)系如果紙張沒有一定的挺度，將會給印刷過程的續(xù)紙和出紙帶來困難。印刷的速度也不能提高，甚至使印刷品如書籍的使用性能變劣。3.影響因素厚度是最重要因素，其次是緊度。第四節(jié)紙張的表面強度紙張表面強度的概念拉毛、掉粉故障及解決方法紙張表面強度的測量方法

一、紙張表面強度的概念１.紙張的表面強度：是指紙張表面纖維、膠料、填料間或紙張表面涂料粒子間及涂層與紙基之間的結(jié)合強度，它表示了紙張在印刷過程中抗油墨分裂力的能力。又常把紙張的表面強度稱為“拉毛阻力”。２.拉毛：在印刷過程中當加于紙張表面的外部張力大于紙張的內(nèi)聚力時，在破裂的紙面出現(xiàn)不連續(xù)的或連續(xù)的未著墨區(qū)域的現(xiàn)象。3.影響拉毛的因素：印刷是在極短的時間內(nèi)完成的，紙張與油墨之間存在著復(fù)雜的機械力的相互作用。油墨層在印刷時被分離了，一部分傳遞到紙張上，一部分仍然留在印版或橡皮布的表面。特別是近年來隨著印刷機速度不斷提高，為了提高印品的質(zhì)量有使用高粘度油墨的趨勢，為使油墨能正確轉(zhuǎn)印到紙張上來而不破壞紙面結(jié)構(gòu)，紙張的表面強度必須滿足下公式：

Ｔ≥Ｗ+Ｑ+Ｎ式中：T－纖維、填料及膠料之間的結(jié)合力Ｗ——油墨對紙張的黏力Ｑ——剝離張力（印刷速度、壓印滾筒半徑）Ｎ——印刷版面對油墨的吸引力（主要像皮布）平版印刷示意圖以銅版紙為例涂層與紙基纖維間要有足夠的結(jié)合強度,否則墨膜會揭下涂料粒子和細小纖維,使印品上留下白色斑點,而掉下的粒子和細小纖維又會堵塞印版并且臟污油墨,導(dǎo)致印下一張時產(chǎn)生一個白圈的油墨點.小白點

環(huán)狀白斑4.干拉毛與濕拉毛

按發(fā)生拉毛時是否有水的參與，把拉毛分為干拉毛和濕拉毛。濕拉毛是在水的參與下發(fā)生的，因此與紙的耐水性有關(guān)。有潤版液參與的膠印和多色印刷機中發(fā)生的拉毛屬于此類。耐水性：是指紙張受到浸潤水作用后，保持其原有強度性能的能力。一般紙張經(jīng)浸潤水作用后，其表面強度都會有所下降，由于膠印是在有潤版液參與的條件下進行的，紙張的耐水性可導(dǎo)致紙張在膠印中發(fā)生不同的表面強度變化，必須要考慮到這一點。思考:在單色機上進行多次印刷比在多色機上一次印刷拉毛程度小一些？5.掉粉掉毛指在印刷過程中紙張表面松散粒子的脫落現(xiàn)象原因：由于潤版液的潤濕和機械摩擦作用導(dǎo)致紙面松散粒子的脫落。取決于紙面的潔凈程度。測定方法:IGT懸浮物試驗法.

6.紙的Z向強度與表面強度之間的關(guān)系

Z向強度是指單位面積紙頁上，垂直于紙頁平面的抗分層、抗撕裂的能力。Z向強度與表面強度既有一定聯(lián)系又有明顯差別，不能混淆。對一般定量較低的薄紙來說，Z向強度大的紙表面強度也大，但對于多圓網(wǎng)紙機抄造的紙板來說很厚，Z向強度較低表面強度卻可能高。二、拉毛、掉粉故障及解決方法

１.發(fā)生的原因一方面在于印刷條件，如所用油墨的黏度、印刷時的壓力、印刷速度和浸潤水的用量。另一方面在于紙張本身的性能，即在紙張的表面強度還滿足不了印刷條件的要求。表面強度不足的內(nèi)在原因：所用原料的種類和制漿方法，表面纖維與紙張的結(jié)合狀態(tài)不良，填料量過高或膠粘劑選擇不當。按掉毛掉粉發(fā)生的部位和狀況分類：纖維掉毛掉粉、涂料剝落紙面撕裂起泡開裂２.對印刷的危害1）使圖文部分遭受不同程度的損傷

不但未能轉(zhuǎn)移到紙面上去，而且把紙面上的纖維等物質(zhì)黏附在印版或橡皮布表面，使圖象產(chǎn)生很小的白點，如果黏結(jié)的面積較大的話，則接下來的幾張印張就會出現(xiàn)白斑，嚴重影響影響印品的質(zhì)量，甚至造成廢品。2）形成堆墨，使圖象變得模糊粗糙

從紙面拔下的纖維和填料顆粒會和油墨摻和著在橡皮布上逐漸堆積起來，形成堆墨。堆墨開始形成時圖像中間調(diào)部分變粗糙，這是由于橡皮滾筒上形成了凸起部分，該部分的油墨轉(zhuǎn)移不良。如果不及時采取措施就會迅速發(fā)展，形成惡性循環(huán)，印刷品上形成不規(guī)則的環(huán)形白斑，甚至發(fā)生硌版故障。

膠印中出現(xiàn)堆墨故障分析較大的雜物或堆積物將可能經(jīng)過三個階段：首先停留在橡皮布的圖像部位：能吸墨的雜物形成環(huán)狀斑、不吸墨的雜物形成與雜物形似的白班，足夠大會把橡皮布咯破。轉(zhuǎn)移到印版上的圖像部位：停留在橡皮布上的雜物，在運轉(zhuǎn)過程中可能轉(zhuǎn)移到紙面上，也可能轉(zhuǎn)移到印版上，如果轉(zhuǎn)移到紙面上，就在印品上形成一個雜塊，以后的印刷就正常了。如果轉(zhuǎn)移到印版上，要看雜物是親水還是親油的，如果是親水的，就會吸收潤版液而不接受油墨，所以在向紙面轉(zhuǎn)印時就會產(chǎn)生白斑點；如果是親油的與停留在橡皮布情況相同。

混入油墨供應(yīng)系統(tǒng)：當拉毛掉粉形成的雜物從印版混入油墨供給系統(tǒng)或沉積到墨斗時，就會使油墨的性能變差，色澤變劣，加重對墨輥和印版的磨損，使印刷面上出現(xiàn)顏色不純的斑點。油墨由印版轉(zhuǎn)移到橡皮布由橡皮布轉(zhuǎn)移到紙張印刷面的白班版油墨橡皮布能吸墨的較厚雜質(zhì)不能吸墨的雜質(zhì)圖停留在橡皮布上的雜物對印刷的影響3）糊版如：在凸版中，掉下的紙毛、紙粉首先粘在印版圖文凸出部分的邊緣，使印出的文字筆畫變粗、變毛。最后印版中非圖象的低凹部分逐漸被紙粉、紙毛與油墨的混合物填平，形成糊版。輕微的糊版使圖文不夠清晰，嚴重的糊版必須重新修版否則不能繼續(xù)使用。４）膠印中橡皮布及墨輥清洗次數(shù)增加發(fā)生拉毛掉粉后，橡皮布清洗的次數(shù)明顯增加，將加大印刷工人的勞動強度，大大影響生產(chǎn)效率。

５）濕拉毛對印刷色序的影響在有潤版液參與的膠印和多色印刷中特有的濕拉毛現(xiàn)象，對印刷色序有一定的影響。在多色印刷機上，各色的深淺和對紙面的黏結(jié)力是不同的，一般來說掉毛掉粉在第一組滾筒上不易發(fā)生，在第二組以后的滾筒較易發(fā)生，這是因為第二組以后受潤版液的影響逐漸加大，而且前一色的殘余粘性要引起油墨的粘性增大。因此，在多色印刷機上要加強對后幾組橡皮布的清洗，避免形成堆墨，同時應(yīng)盡量把實地部分多、給墨量大的顏色作為第一色印刷。多色套印過程中，第一色油墨的黏度應(yīng)該比第二色油墨黏度高，依次類推，否則發(fā)生逆套印。多色印刷機采用倒色序，即ＫＣＭＹ。3.避免和減輕印刷中掉毛、掉粉現(xiàn)象的措施

首先要把好選用紙張品種和生產(chǎn)廠家這一關(guān)。掉毛掉粉故障主要由紙張本身的性質(zhì)決定，所以要避免和減輕比較困難一些。要根據(jù)印刷所用的設(shè)備和印刷品的特征選用紙張，例如不能把凸版印刷用紙用在膠印機上，不可用低檔次銅版紙和高黏度油墨來印刷光澤度要求較高的美術(shù)圖片。還可采用一些工藝的方法：降低油墨黏性：加入稀釋劑要適可而止，否則會引起油墨乳化和延長干燥時間等問題控制和減少浸潤水的用量：潤版液的用量盡力控制到最少量的范圍，正確選用潤版液減少印刷壓力：將影響油墨的轉(zhuǎn)移減慢印刷速度：將影響工作效率增加清洗橡皮布的次數(shù)，能夠有效減少紙粉、紙毛對印品質(zhì)量的影響，所以是必須要采用的方法。還要注意在冬季的早晚，溫度偏低油墨被冷卻后，塑性黏度明顯提高，要注意對油墨的保溫和加溫防止冷墨拉毛現(xiàn)象發(fā)生。三、紙張表面強度的測量方法1.測量方法1）Dennisio