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1、印 刷 材 料 学,主讲人：陈蕴智 张正健,PRINTING MATERIALS,主要参考书目(References),齐晓堃. 印刷材料及适性. 北京：印刷工业出版社，2008. 向阳等. 印刷材料及适性. 北京：印刷工业出版社，2000. 董明达等. 纸张油墨的印刷适性. 北京：印刷工业出版社，2000. 周震. 印刷油墨. 北京：化学工业出版社，2000. 杨淑慧. 植物纤维化学（第三版）. 北京：中国轻工业出版社，2001. 谢来苏等. 制浆原理与工程（第二版）. 北京：中国轻工业出版社，2001. 隆言泉. 造纸原理与工程. 北京：中国轻工业出版社，1994. Lawrence A.
2、 Wilson. What The Printer Should Know About Paper (Third Edition). GATFPress, 1998. Nelson R. Eldred. What The Printer Should Know About Ink (Third Edition). GATFPress, 2001. Charles Finley. Printing Paper and Ink. Delmar Publishers, 1997.,主要相关期刊(Periodicals),TAGA Journal of Graphic Technology TAPPI
3、 JOURNAL Journal of Imaging Science &Technology Nordic Pulp & Paper Research Journal Ink World 中国印刷与包装研究 中国印刷 中国造纸 印刷技术 印刷杂志 今日印刷,主要相关网站(Websites),www.printing.org/taga www.tappi.org www.napim.org/ www.imaging.org www.pira- www.igt.nl Contents),纸张的组成成分及其特性 纸张的结构 纸张的各种与印刷有关的性质 纸张的组成、结构与性质之间的关系 油
4、墨的组成成分及其特性 油墨的结构 油墨的各种与印刷有关的性质 油墨的组成、结构与性质之间的关系 印刷适性（印刷过程中纸张与油墨相互作用的关系）,主要相关就业领域 (Career Areas),所有印刷和印后加工企业 所有印刷企业的材料供应厂商（纸和纸板厂商、油墨厂商等） 印刷相关的知名厂商 相关的包装企业,学习方法(Methods),端正学习态度 联系已学习过的课程（如有机化学、界面胶体化学等） 勤复习，巩固学过的内容 勤思考，将前后学习的内容有机联系，做到融会贯通 多查阅相关文献资料（尤其是英文资料），深入理解 课程内容，并拓展知识面,学时安排及成绩评定(Arrangement & Eval
5、uation),理论课44学时，实验课12学时 结课考试占70%，平时成绩占30% 平时成绩包括：出勤、课堂表现、课后作业（含实验环节）,第一篇 承印材料（Substrates）,第一章 印刷纸的组成及制造,本章主要内容： 造纸用植物纤维原料的基本组成及特点 植物纤维的微细结构 辅助材料（胶料、填料等）添加的目的及对纸张性质的影响 制浆及漂白方法 打浆的作用及影响 纸张的抄造 纸张的涂布加工,第一节 印刷纸的主要组成植物纤维,一、植物纤维原料的种类,1. 木材纤维原料(Wood Fiber) 针叶木(Softwood) 叶多为针状，质地较软 主要包括：松、柏、杉等 阔叶木(Hardwood)
6、阔叶植物，质地较硬 主要包括：杨木、桦木、枫木、桉木,西部铁杉,桉木,黄杉,杨木,典型的木材纤维原料(Raw Materials),2. 非木材纤维原料(Non-wood Fiber) 禾本科纤维原料 主要包括：稻草、麦草、芦苇、荻、甘蔗渣、竹子等 韧皮纤维原料 主要包括：红麻、亚麻、棉杆皮、桑皮、构皮等 籽毛纤维原料 主要包括：棉花、棉短绒等 叶部纤维原料 主要包括：香蕉叶、龙须草等,芦苇,桑树,竹子,亚麻,棉花,典型的非木材纤维原料,3. 再生（二次）纤维原料(Secondary Fiber),二、造纸纤维原料的化学组成及特点,有机溶剂抽出物,纤维素、半纤维素和木素三种成分构成植物体的支持
7、骨架。 其中，纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的网状骨架， 而半纤维素和木素则是填充在纤维之间的“粘合剂”和“填充剂”。,常用三类原料的主要化学成分比较,1. 纤维素(Cellulose),结构特点： 纤维素大分子的基本结构单元是： D-吡喃式葡萄糖基（即脱水D-葡萄糖） D-吡喃式葡萄糖基是以-1,4苷键联接而成降低大分子的水解稳定性 纤维素大分子的每个结构单元上具有三个醇羟基决定其物理和化学性质 纤维素大分子的两个末端基的性质不同大分子具有极性和方向性,定义：由脱水D-葡萄糖基通过-1,4苷键联接而成的线形高分 子化合物。,纤维素的分子结构,2. 半纤维素(Hemicellulose),
8、结构特点： 半纤维素是无定形物质，是“填充剂”，聚合度较低 各种聚糖的化学结构不固定，有聚戊糖和聚己糖两大类。针叶木半纤维 素中的聚糖以聚己糖为主，而阔叶木半纤维素中的聚糖以聚戊糖为主 半纤维素的各种聚糖含有大量羟基，易于吸水润胀。半纤维素含量高的 纸张的形稳性较差,定义：由不同量的多种单糖和糖醛酸基构成的，并且分子中还常常带 有不同数量支链的复合聚糖的总称。,3. 木素(Lignin),结构特点： 木素是无定形物质，是非线形高分子化合物，是“填充剂” 三种结构单元是：愈疮木酚基丙烷、紫丁香基丙烷和对羟基苯基丙烷 木素是疏水物质，是纸张颜色的主要来源 木素的化学结构极不稳定，易受到光、热、酸、
9、碱等的影响而发生变化,定义：由苯基丙烷结构单元（即C6-C3单元）通过醚键、碳-碳键联接 而成的、具有三度空间网络结构的芳香族高分子化合物。,三、纤维的结构,1. 细胞的构造,2. 纤维细胞壁的层次结构,ML 胞间层， P 初生壁，S1 次生壁外层 S2 次生壁中层，S3 次生壁内层，L 细胞腔,三种主要组分在细胞壁中所占的比例,相关结论： 单根纤维强度主要取决于S2层的微细纤维与纤维轴的夹 角，夹角越小，单根纤维的强度越大 木材中木素浓度最高的部位在复合胞间层（CML） 次生壁（尤其是S2层）的木素浓度较低，但由于次生壁 比复合胞间层（CML）厚得多，所以木素大部分存在于次 生壁,3. 纤维
10、细胞壁的微细结构(Ultrastructure),D.Fengel 提出的微细纤维结构模型,细胞壁中聚合物的聚集,微细纤维与半纤维素、木素的微细结构关系,微细纤维是细胞壁的骨架物质，而半纤维素、木素则是微细纤维间的“填充物质”。这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心层。,第二节 印刷纸的其他组分辅料,一、胶料(Size),1. 施胶(Sizing)的目的 赋予纸张抗拒液体渗透和扩散的性能。 (根据施胶方法的不同，分为内部施胶和表面施胶。),2. 施胶的基本原理,1) 就扩散而言,LS = LV (cos - 1),2) 就渗透而言,h - 渗透深度 dh/dt - 渗透速率 r
11、 - 毛细孔半径 - 液体粘度 LV - 液体的表面张力 - 液固接触角,（Washburn 方程）,3. 内部施胶(Internal Sizing),1) 松香胶体系 - 附着（吸附）型,特点： 胶料与纤维的结合完全依靠相反电荷的相互作用（即离子键和极性键）； 胶料粒子与纤维的吸附依靠沉淀剂（硫酸铝）； 施胶是在酸性或近中性环境中进行。,施胶剂种类：皂化松香胶、白色松香胶、褐色松香胶、 强化松香胶、分散松香胶,2) 合成胶料- 反应型,特点： 胶料与纤维的结合完全依靠共价键的作用，结合更为稳定； 合成胶料无需沉淀剂（硫酸铝）； 合成胶料效率高，用量少； 合成胶料可在中、碱性环境中进行施胶。
12、合成胶料还可提高纸张的强度；,施胶剂种类：烷基乙烯酮二聚体(AKD)、烷基丁二酸酐(ASA)等,4. 表面施胶(Surface Sizing),1) 表面施胶的目的和作用,目的：改善和提高纸张的印刷适性。,作用： 提高抗拒液体扩散和渗透的能力(to water, oil, grease) 提高纸张的表面强度(linting, dusting, picking) 提高纸张的机械强度(burst, tensile, folding) 提高纸张的尺寸稳定性(cockle, curl),2) 常用的表面施胶剂,淀粉(Starch) 动物胶(Gel) 羧甲基纤维素(CMC) 甲基纤维素(MC) 聚乙烯醇
13、(PVA),3) 表面施胶的主要型式,5. 施胶性能（施胶度 - Sizing Value）的测定,纸施胶度的测定（墨水划线法）- GB/T 460 - 2002 纸施胶度的测定（液体渗透法）- GB/T 5405 - 2002 纸和纸板吸水性的测定（可勃法）- GB/T 1540 - 2002 纸和纸板吸水性的测定（浸水法）- GB/T 461.3 - 2005 纸和纸板毛细吸液高度的测定（克列姆法）- GB/T 461.3 - 2005 纸和纸板表面吸收速度的测定- GB/T 461.2 - 2002,1. 加填 (Filling) 的目的 改善纸张的光学性能 提高白度、亮度、不透明度等
14、改善纸张的印刷适性 提高平滑度 增加柔软性 提高形稳性 改善纸张对油墨的亲和性 降低纸张的生产成本,二、填 料 (Filler),1）填料对纸张不透明度的影响 纸张的不透明度取决于纸张的光散射能力； 光散射能力取决于： 纸张内部光散射界面的多少（即内部独立粒子的数量） 散射界面折射率差异的大小,2. 填料的作用- 填料对纸张性质的影响,分析：,对于一定的填料，纸张的光散射能力取决于： 填料粒子的大小 填料粒子越小，散射能力越大；但对于小于照射光波波长的粒 子，情况恰恰相反。 纸张中填料粒子的分散状况 粒子的分散程度越高，光散射能力越大，不透明度越高。填料 粒子间的絮聚将增加粒子的光学接触，减少
15、光散射界面，从而 导致纸张不透明度的下降。 思考问题： 为什么用一定量的颜料作填料产生的不透明度比等量填料在涂料中产生的不透明度高？,2）填料对纸张印刷适性的影响 填充了纸张的孔隙和凹凸不平处，提高了纸张的平滑度； 增加了纸张对印刷油墨的亲和力，使得油墨能较好的润湿 和铺展； 填料粒子形成了更多有利于油墨渗透的细小孔隙； 改变了纸张的平衡湿含量，提高了纸张的形稳性。,3）填料对纸张机械强度的影响 由于纤维间的结合决定了纸张的强度，而填料的加入减少了纤维间的结合，使纸张的强度显著下降。,3. 常用的填料,定义：用于纸张染色(Dyeing)和调色(Tinting)的颜料和染料。 目的：赋予纸张某种色相或使纸张的白度有一定的提高。 分类：颜料和染料（天然、合成）,三、色 料 (Colorant),四、其他化学助剂 (Additives),定义：为满足纸张的特殊性能而加入的非纤维性的化学添加剂。 目的：赋予纸张特殊的性能； 进一步提高生产效率； 进一步改善纸张的质量。 分类：干强剂、湿强剂、助留剂、助滤剂、消泡剂、防腐剂等。,第三节 印刷纸的生产,一、制 浆 (Pulping),1. 定义： 利用化学方法、或机械方法、或化学与机械相结合的方法，使植物纤维原料中的纤维离解，成为本色纸浆（未漂浆）或漂白纸浆的生产过程。,
