1、 哈尔滨商业大学 本科 毕业设计（论文） 纸张与油墨结合的微观状态研究 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号 ： 学 院： 轻工学院 二 XX 年 五 月 二十八 日 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 随着科技飞速发展，印刷行业也日新月异，人们对印刷品质量的要求越来越高，因此，纸张表面对油 墨的再现特性愈发重要，但国内外对此类研究往往只局限于纸张对不同油墨色彩再现的测量等，针对二者表面结合的微观状态研究少见报道。 本文选取 10 种不同表面特性的纸张、 2 种不同配方的油墨为印刷材料，利用丝网刮墨方式将油墨再现于纸张表面形成 35cm 大小试样
2、。采用扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscope， SEM）、原子力显微镜（ Atomic Force Microscope ，AFM） 、光学显微镜（ Optical Microscope， OM）对试样分别进行测试，得到油墨在纸张表面再现的 微观的真实状态。 SEM 与 AFM 研究结果显示哑粉纸与铜版纸再现油墨得到的二者结合良好，但二者在微观区域内仍然存在较大的油墨起伏；胶版纸定量越大的油墨再现越好。 OM 检测图像首先 进行二值化 ， 用 PS 软件计算空白区域百分比和油墨覆盖区域百分比，得到与 SEM、 AFM 同样的结果。不同测试手段发现，油墨在纸张
3、表面再现的好坏与纸张纤维交叉的毛细孔的微观结构关系很大，且油墨与纸张接触区域内存在大量的微观空白区域，这是造成传统印刷过程油墨再现失效的重要原因。 关键词 ： 纸张；油墨；孔隙率；微观 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） II Abstract With the rapid development of science and technology, printing industry is also changing, people are increasingly high requirements on the quality of printing products. Therefor
4、e, paper surface of ink reproduction characteristics are increasingly important. But both such studies were often confined measurement in the paper of different ink color reproduction, microscopic study on the combination of the two surface were little reported. Ten kinds of papers with different su
5、rface characteristics were selected, and two different formulations of ink for printing materials.The size of 3 5cm samples were printed by using screen scraping method on paper surface . Using scanning electron microscopy (Scanning Electron Microscope, SEM), atomic force microscopy (Atomic Force Mi
6、croscope ,AFM), optical microscopy (Optical Microscope, OM) of samples were tested get ink on paper surface reproduction of micro real state. SEM and AFM studies showed that matte paper and ink was coated with good reproduction, but the two in the micro region still exist great ups and downs of ink;
7、 ink offset paper quantitative more reproduced better. OM detection of the first two values of the image, using PS software to calculate the percentage of blank area and ink coverage, get the same results as SEM, AFM. Different means of testing found that there were a large number of micro blank are
8、a of the quality of the ink on the paper surface reproduction and the paper fiber cross the pore of the microstructure.There were a lot of micro blank areas in the contact area of ink and paper, which was caused by traditional printing process, ink reproduction failure was an important reason. Keywo
9、rds: Paper; Ink; Porosity; Microcosmic.哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 本课题研究的目的与意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 . 1 1.2.2 国内研究现状 . 2 1.3 本课题的研究内容 . 2 2 实 验 . 3 2.1 实验设计 . 3 2.1.1 材料准备 . 3 2.1.2 步骤设计 . 5 2.2 实验仪器 . 6 2.2.1 扫描电子显微镜 （ SEM） . 6 2.2.2 原子力显微镜 （ AFM） . 6 2.2
10、.3 光学显微镜 （ OM） . 8 2.3 实验操作过程 . 8 2.3.1 扫描 电子显微镜对纸张的测量 . 8 2.3.2 原子力显微镜对纸张的测量 . 10 2.3.3 光学显微镜对纸张的测量 .11 3 结果与分析 . 12 3.1 扫描电子显微镜测量分析 . 12 3.1.1 材料准备 . 12 3.1.2 表面形貌与 分析 . 12 3.2 原子力显微镜测量分析 . 17 3.2.1 材料准备 . 17 3.2.1 图片采集与分析 . 17 3.3 光学显微镜测量分析 . 19 3.3.1 材料准备 . 19 3.3.2 采集图像及分析 . 19 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文
11、） II 结 论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 27 附 录 . 28 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 本课题研究的目的与意义 当前信息爆炸的年代赋予了印刷产业新的内涵，人们对于印刷品质量要求尤其是印刷的细节感官要求越来越高，这就要求印刷时油墨在纸张表面的再现更注重微观的尺度效果 1-3。然而，国内外研究者对纸张再现油墨的研究大部分停留在宏观尺度上，因此本文利用 SEM、 AFM 与 OM 研究 讨论不同纸张对油墨再现的微观状态，并分析微观再现特性的影响因素，为研究此类问题提供新的实验与理论依据。 另外，从印刷工艺角度来看 ,纸张和油墨的结合效果有着巨大
12、的影响，结合不良将 产生，图文残缺、图文糊死、脱墨、背面蹭脏等故障现象 4-8。 纸张是天然纤维交织的网状材料，油墨是工业涂料，研究涂料在此类材料表面成膜的微观特性，对涂布工艺的发展以及多孔材料的应用，如介孔、微孔、纳孔材料的推广有着重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 油墨印刷在纸张表面时，由于纸张的多孔材料特性，必然导致墨膜的不均匀性。国外研究者 Hajer Kamal Alm9-11在 Gane PAC12、 MacPhee J13的研究成果基础上 首次提出空白区域（ Uncovered area 以下简称为 UCA）概念来表征纸张和油墨结合不良。下面简述其研究
13、成果。 Gane12等人 之 前已经 证明了 油墨粘合失效机理 并应用在 实验室油墨表面相互作用测试仪（ ISIT） 油墨适用于干燥的基材表面（一般为铜版纸）然后进行静态去除力作为时间的函数后再接触到目前为止触及印刷表面。 MacPhee13应用 Stefan 定律 提出的该项分析指出 分裂的流体膜所需要的力是正比于薄膜成 反比的粘 度正比 于膜厚的 三次方 。 斯蒂芬 - 波尔兹 曼定律即Stefan-Boltzmann 定律 ，内容 是： 黑体 的 辐射能量 与 其 绝对温度的 4 次方成 正比 。 其中： 绝对温度 T（ K） =273.15+t( )该分析得出的结论是如果此厚度膜超过一
14、定值时，引起了在印版和墨辊之间的辊隙的双层薄膜（即非图像区域 /润版液 /油墨 /墨辊）将发生水膜分裂的现象。低于此值，分裂发生在墨膜和非图像区域开始印刷油墨时，这种现象通常被称为浮渣或调色 14-15。实际印刷过程中，油墨是可以转移到存在一定厚度水膜的纸张及其他承印材料的表面，该实验现象被 Gane 等人的研究结果所证实 。 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 2 Hajer Kamal Alm 等人研究油墨附着失效引起白斑由于油墨没有印刷在纸张上，称为裸露区域和印刷斑点问题 。白色斑点是由于两种根本不同类型的油墨附着力的失效。一种是众所周知的油墨排斥，这仅仅指的是油墨不转移到纸张表面。另一
15、个是一个新的油墨粘附失效类型，确认先前的假设，从实验观察来看。我们将此称为油墨剥离粘附失效，即油墨最初沉积在纸张表面随后的飞离印刷单元的表面。这种黏附失效的机制通常被认为是所说的拒墨的现象。 1.2.2 国内研究现状 国内现在研究的现状主要停留在研究从 印前图文信息设计处理、印版制作的影响、印刷套准的影响、板材质量的影响等方面研究影响印刷质量的因素，并未具体涉及到油墨与纸张的界面结合这个角度来研究 影响印刷质量的因素。而近些年一些研究生毕业论文中涉及有纸张表面微观形貌的研究，他们更多的是研究纸张本身的微观形貌，并没有就印刷行业具体研究，这方面研究有待继续探讨与实验。 2014 年，华南理工大学
16、研究的用 AFM 获取的纸张表面微观形貌数据，将数据用海伦公式对分形维数的算法进行优化，研究了纸张表面的分形特性及用分形维数表征纸张表面微观形貌的可行性 16。他们得到的结论是纸张表面的微观形貌具有分形的特点，光泽涂布能改善纸张表面高度分布均匀性。这与本文所要研究的内容虽然关联不太大，但是也为这方面的研究开拓新的道路 。 1.3 本课题的研究内容 印刷市场飞速发达，其中印刷品质量的好坏是整个印刷市场中最为重要的部分，而印刷质量的好坏主要取决于印刷工艺水平。国内对印刷工艺的研究还没有涉及到纸张和油墨的界面结合这一方面的切入角度。因此本文通过自主设计实验，完成纸墨结合的微观特性研究，具体内容如下：
17、 （ 1） 根据纸张表面特性，选取 10 种不同的纸张进行丝网刮墨，并记录刮墨时间，保存好纸张样品。 （ 2） 选取 2 种油墨作为研究材料，先丝网制版后进行丝网刮墨，完成实验。 （ 3） 将所刮取的纸张样品用扫描电子显微镜（ SEM）、原子力显微镜（ AFM）、光学显微镜（ OM）进行识别测量，将所得数据和图像整理并分析。 （ 4） 讨论纸张的微观结构，研究对纸张和油墨的结合微观特性的影响。得出相应的结论。 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 3 2 实 验 2.1 实验设计 2.1.1 材料准备 本次试验中一共选取了 10 种纸张，分别是克种不同的 55g/m2 双胶纸、 60g/m2 双
18、胶纸、 70g/m2 双胶纸、 100g/m2 双胶纸、 120g/m2 双胶纸； 157g/m2 铜版纸、 200g/m2哑粉纸、 80g/m2 轻铜纸、 70g/m2 轻型纸、 40g/m2 无碳复写纸。然后分别对他们进行丝网油墨刮墨处理。其中丝网印刷的操作过程是：采用尼龙丝网 涂布感光材料，并利用 UV 灯晒版，感光材料见光部分聚合而成不漏墨的空白部分，不见光部分形成漏墨的图文部分，实际印刷刮墨时，油墨在橡皮刮板的作用下漏印至承印物纸张表面。在进行刮模式时要秉持着刮墨角度在 50 70，在回墨时角度控制在 110 120，在过程中用力要均匀。刮墨记录见表 1-1: 表 1-1 刮墨记录
19、刮墨日期 刮墨时间 纸张种类 油墨种类 1 2015.4.21 14:34 52g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 2 2015.4.21 14:02 120g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 3 2015.4.21 14:28 60g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 4 2015.4.21 14:00 70g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 5 2015.4.21 14:31 100g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 6 2015.4.21 14:05 157g/m2 铜版纸 蓝色丝网油墨 7 2015.4.21 14:00 200g/m2 哑粉纸 蓝色丝网油墨 8 2015.4.22 12:38 55g/m2
20、 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 1% 9 2015.4.22 13:19 60g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓 度 1% 10 2015.4.22 14:10 70g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 1% 11 2015.4.22 15:38 70g/m2 轻型纸 红色可食性油墨，浓度 1% 12 2015.4.22 12:33 80g/m2 轻铜纸 红色可食性油墨，浓度 1% 13 2015.4.22 15:17 40g/m2 无碳复写纸 红色可食性油墨，浓度 1% 14 2015.4.22 14:40 200g/m2 哑粉纸 红色可食性油墨，浓度 1% 15 2015.4.22 1
21、6:20 157g/m2 铜版纸 红色可 食性油墨，浓度 1% 16 2015.4.23 13:06 55g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 4 17 2015.4.23 13:12 60g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 18 2015.4.23 13:23 100g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 19 2015.4.23 13:22 120g/m2 双胶纸 蓝色丝网油墨 20 2015.4.23 13:15 40g/m2 无碳复写纸 蓝色丝网油墨 21 2015.4.23 13:16 70g/m2 轻型纸 蓝色丝网油墨 22 2015.4.23 13:21 80g
22、/m2 轻铜纸 蓝色丝网油墨 23 2015.4.23 13:14 200g/m2 哑粉纸 蓝色丝网油墨 24 2015.4.23 13:18 157g/m2 铜版纸 蓝色丝网油墨 25 2015.4.23 10:20 80g/m2 轻铜纸 红色可食性油墨，浓度 7% 26 2015.4.23 9:40 100g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 27 2015.4.23 10:46 120g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 28 2015.4.24 14:17 80g/m2 轻铜纸 红色可 食性油墨，浓度 7% 29 2015.4.24 16:12 120g/m2 双胶纸
23、红色可食性油墨，浓度 7% 30 2015.4.24 15:17 40g/m2 无碳复写纸 红色可食性油墨，浓度 7% 31 2015.4.24 14:50 70g/m2 轻型纸 红色可食性油墨，浓度 7% 32 2015.4.24 15:45 157g/m2 铜版纸 红色可食性油墨，浓度 7% 33 2015.4.24 13:53 200g/m2 哑粉纸 红色可食性油墨，浓度 7% 34 2015.4.25 9:46 55g/m2 双 胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 35 2015.4.25 12:02 60g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 36 2015.4.25 10:58
24、 70g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 37 2015.4.25 10:23 100g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 38 2015.4.27 12:46 55g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 39 2015.4.27 13:58 60g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 40 2015.4.27 13:21 70g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 41 2015.4.37 12:09 100g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 42 2015.4.37 11:25 120g/m2 双胶纸 红色可食性油墨，浓度 7% 43 2015
25、.4.37 15:48 40g/m2 无碳复写纸 红色可食性油墨，浓度 7% 44 2015.4.37 16:03 70g/m2 轻型纸 红色可食性油墨，浓度 7% 45 2015.4.37 15:34 80g/m2 轻铜纸 红色可食性油墨，浓度 7% 46 2015.4.37 10:55 157g/m2 铜版纸 红色可食性油墨，浓度 7% 47 2015.4.37 15:16 200g/m2 哑粉纸 红色可食性油墨，浓度 7% 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 5 实验中所用的蓝色油墨是天女牌胶印亮光快干墨，而红色可食性油墨是实验室自己配置出来的油墨。其中浓度 7%的 配比是蔗糖 16.4
26、g、蒸馏水 10g、阿拉伯胶 0.1g、酒精 2g、分散剂 5040 1g、大豆油 20g、色素 3.73g； 浓度为 1%的配比是蒸馏水 20g、蔗糖 32.8g、色素 1g、阿拉伯胶 0.2g、大豆油 40g、乙醇 4g、分散剂 5040 2g。 实验中所用的丝网网框主要的制 作的过程是首先是选择网框，依据本实验要求选择的是木质网框进行丝网布手动绷紧；然后用去污力强的洗衣粉把网框清洁干净，注意用力要均匀，清洗完成后放入放入烘干机中烘干；进行涂布，进入暗室把光敏剂用冷水溶解，把感光剂倒入到光敏剂溶液中，进行顺时针搅拌，使其溶解；把烘干好的网框放置涂胶台上，再把感光胶倒入刮斗中开始涂布，先涂刷面然后涂油墨面；放入烘干箱中进行干燥，放入烘干箱之前应先静置几分钟；最后进行曝光显影，丝网制版结束。 同时在进行测量时发现纸张的纤维在显微镜观察下有些不明显，就将空白纸张进行染色处理，染色的配比 是 0.1g 中国兰着色剂加 15g 蒸馏水配置成溶液，然后在烧杯中浸泡纸张半个小时，将纸张进行染色，然后取出进行晾干。这样在显微镜下观察的纸张纤维较为明显。下图 2.1 为纸张染色情况。 图 2.1 染色的纸张 2.1.2 步骤设计 在阅读一些外文文献中参考了一些实验方案，他们主要是探究涂料的配方（主要是 BSB， BSBe， BSA， NSB）、纸张的预涂和压光、印刷的顺序、纸张表面的特性、印
