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涂布纸类之性质与印刷适性之关系

作者：张景行

在彩色复制系统中，印刷品的品质受到许多因素的影响，而大部分印刷品效果的表现，决定于印墨与被印材之间的关系，而此被印材-纸张，则分为涂布纸类及非涂布纸类两种。
所谓涂布纸(coated paper)是在原纸上涂上一层涂料(coating color)，使纸张具有良好的光学性质及印刷性能等。其主要用途有：印刷杂志、书籍等出版用纸和商标、包装、商品目录等印刷用纸，两者的比例约为1:3。
涂布纸大至可分为:铜版纸、涂布纸、轻量涂布纸，除此之外还有烙光涂布纸等特殊涂布纸。对这类涂布纸，世界各国的分类也有若干差别。原纸则一般多用道林纸，也有使用含磨木浆或脱墨浆原纸的涂布纸，除特殊用途外，大多用于广告海报与杂志内页，因此，就算在同一复制条件下，所呈现的色彩也会有很大的差异，所以，要提升印刷品质，必要先掌握纸张对彩复的影响，进而在照相分色或印机上作适当的调整，使印刷品质能合乎需求。
壹、原纸与涂料
一.原纸(Base paper)
涂布纸的制造，简单的说是指在原纸之上涂上涂料，经过干燥后再用压光机使得它的表面平滑化，因此原纸与涂料是左右涂布纸品质的重要因素。
以一个涂布量为20g/m2的涂布层为例，假设涂料的干比重为1.5，则涂布层之厚度仅约0.0013公分，在如此薄的厚度下，原纸的品质确实占有重要的地位。
假使涂布的速度慢时，因为吸水后的原纸纸匹，到达干燥部门不能失去强度，所以必须适度的上胶与保持湿纸的强度。反过来说涂布速度快时，则纸张必须具备一定的强度来抵抗高速涂布所带来的机械力，同时均一的吸水性也是非常的重要。
除此之外，涂布用原纸还必须具备下列的性质：
(一)尺寸安定性好，不会因水分变化而有太大变化。
(二)对涂料的吸附性强。
(三)原纸必须不会弯曲，否则会引起涂料条痕而导致纸张断裂。
(四)不可有皱纹、破洞等瑕疵。
(五)涂布加工时，纸卷必须卷紧，以免发生断纸。
原纸性质中会影响涂布主要有：均一性、平滑度、表面吸收性、表面强度、表面情形、化学适性、两面性及纸面光学性等，因此，一张纸的好坏，在于原纸的状况好坏与否。
二. 涂料(Coating color)
涂料配制是制造涂布纸最基本的技术，对产品用途具有关键性的影响，所以涂料须满足涂布作业的操作性及印刷适性等，并按这些条件进行设计制造;即涂料的设计与生产何种涂布纸有关。以数量来看，仍以普通涂布纸为主，但以技术层次而言，则希望拥有铜版纸类的技术。不同产品应使用其相对应的涂料、涂布方法和涂布机。虽然各种类必须达到规定的品质指针，但是最重要的是获得客户的肯定。
纸张涂布用的涂料种类很多，而其中较为普遍应用的是水基性涂料。水基性(Water base)涂料的组成大致上可分成四类：颜料、接着剂、添加助剂及水。这四类成份的组合与涂布后纸张的品质息息相关。利用下表一，列出涂料的成份对品质的影响。

(一)颜料
颜料有白土(白色黏土)、碳酸钙、沙丁白、氢氧化铝、二氧化钛和塑料颜料等。
1.白土
白土从成份上分类有:高岭土类、叶石类(pyrophyllite)、云母类(cericite)等。高岭土又进一步细分为：高岭土、多水高岭土等，这些白土都已经被商品化生产 但是，现在涂布纸用白土中，基本上把高岭石类都称为高岭土，也就成为涂布用白土的代名词。
高岭土颗粒呈六角板状，粒径为0.3-3微米。这些微粒的纵横比、粒径直接影响涂布纸类颜料的品质，目前涂布纸颜料多用高岭土，因为它能赋予涂布纸较高的白纸光泽性，所需的接着剂适量，黏性和分散性较好，使涂料能提高固形份。
2.碳酸钙
在涂布纸中被广泛应用，其使用量仅次于白土。尤其在台湾拥有丰富的碳酸钙，近年来甚至逐渐取代价格较贵的白土，并依涂布纸的用途和生产方法开发出许多品种，所以如何适度的使用碳酸钙可以说是涂布纸涂料之重点。由于碳酸钙颜料具有高白度与多孔性，所以油墨吸收性非常好，如此可改善印刷适性，即使是无光处理之涂布纸也非常实用。
3.沙丁白
沙丁白是从硝石灰和硫酸钡合成的白色颜料，从很早就被用做铜版纸的颜料。其具有很好的白度、光泽度、油墨吸收性、而且表面平滑。与这些相对应、也有涂料黏度高，膨胀性强等优点，但也导致涂布操作性差、接着剂需要量大等缺点。沙丁白过去多用做气刀式涂布机用涂料，若用在高浓度的刮刀式涂布机时会遇到一些问题，所以一般多限定使用在铜版类的涂布纸上。
4.氢氧化铝
具有良好的白度、不透明度及油墨吸收性。
5.二氧化钛
二氧化钛具有很高的不透明度，所以多用做微涂纸的涂料。但是由于价格高、磨耗性大，所以限制了它的使用。其型态有:金红石型和锐钛矿型，虽然锐钛矿型的不透明性稍差，但是，相对来说价格比较低廉且白度高，所以被广泛使用。
6.塑料颜料
目前发展出来的塑料颜料一般可分为:接着型(binder type)、密实型(solid type)与中空型(hollow type)等三种，以后面二者较为常用。在合成的过程中，可利用不同的单体比例、起始剂浓度、搅拌速率和反应时的温度作为变因，来控制粒径的大小、均一程度、稳定性和反应速率。
无论颜料为何，均希望其有以下之特性:
1.粒径要合适。一般情况下，粒径愈小愈有利于改善纸张之白度、不透明度和光泽度。但粒径太小会使其表面积增大，导致颜料涂布黏度增大、流动性降低，按着剂需要量也随之增加。
2.颜料颗粒型态也要合适。针状颜料颗粒流动性不好，六角和球形颜料粒子流动性较佳，并可形成多孔涂布层而提高纸张之吸墨性。
3.有很高的白度与不透明度(较强的遮蔽能力)。
4.容易分散于水中，且有较好的稳定性及流动性。
5.有较佳之化学稳定性，接着剂用量尽可能减少。
6.较低的耐磨性(减少涂布机和印刷版的磨损)。
三、接着剂
接着剂分天然物及合成物，天然物有淀粉、奶酪素、大豆蛋白等。
合成物则有各种合成乳胶、聚乙烯醇等。现在使用最广泛的是淀粉一合成乳胶的混合物。而合成乳胶的使用比例在不断增加，最近全乳胶系的接着剂也被开发出来，这和涂料的高浓度化发展是一致的。对任何接着剂均有下列要求:
(一)对颜料有较强的黏结力。
(二)对颜料有较好的适应性和稳定性，但不与颜料发生化学反应。
(三)有合适的黏度及成膜性。
(四)有合适的流动性，以利涂布作业并提高涂布均匀性。
(五)颜色应浅，不含杂质异物，有良好的涂料操作性。
由于一般的接着剂，不论是天然的或是合成者，仍有些性质无法改善，因此近年来有所谓的辅助接着剂(co-Binder)之出现，以补接着剂保水度与流动性之不足，其用量约只有总接着剂量的10-30%，现在也有工厂试图用此来达到降低总接着剂量之需求，由于用量很少，有时也可将其视为添加剂。目前常用的辅助接着剂有大豆蛋白(protein)、流变调整剂(rheoloe mdifier)。
四、添加剂
有分散剂、润滑剂、防腐剂、荧光剂、耐水化剂、以及染料、油墨吸收性及改良剂等，其主要作用在补颜料与接着剂所不足者，并减少操作上之困扰。在使用时应选择好品种和使用量，由于相反性的东西比较多，需进行事前的研究，以配制最适合之涂料。
五、表面改质
(一)压光
要制得具光泽的涂布纸，利用压光轮加以光泽化是必要的，以前较常使用的设备是以棉或毛制的弹性轮与冷铸压光轮(chilled roll)所组合的超级压光机(super calender)。最近从欧美开始，日本现在也多使用含有一高分子成品披覆于外之塑料辘的软质压光机(soft calender)。
与普通纸机座光机和超级压光机相比，软质压光机拥有的特点是:
1.赋予纸张更高的嵩度、挺度、不透明度及强度，进一步改善纸的两面性。
2.压光后纸幅紧度一致，印刷适性良好，油墨渗透均匀。
3.可允许稍高的纸页水份，断纸少、不易产生黑斑，运行性能好。
4.适度减少木浆配比或降低涂布纸与新闻纸的基重而不影响产品印刷品质。
5.既可机上安装，也可机后使用还可用作半湿压光机。所有的辘均可单独传动又能互换位置，适应范围广。
6.与超级压光机相比还有投资省、占用厂房少、操作维修方便、压区少、动力消耗低等优点。
然而，软质压光机之捏缝数太少，便不能处里高光泽的美术铜版纸，而超级压光机转速太慢使产量受限，皆有不利之处，因此结合了超级压光机与软质压光机优点之Janus Concept压光机在1995年应运而生，其特点是:
1.可根据需要选择压区数，8个捏缝之Janus Concept压光机与传统12个捏缝之超级压光机压光效果相当。
2.应用热压光，且能量消耗比一般软质压光机更低。
第二节 涂布
纸张涂布的方法可分为机上涂布与机后涂布两种，各有其优缺点，概略如下：
一、机上涂布(ON-MACHINE COATING)
所谓机上涂布是将抄纸机与涂布机连结在一起，即涂布机(coater) ，是抄纸机(paper machine)上的一个部分单元，由于涂布机的涂布速度须与抄纸机的车速相同，适合生产单一种类而需求量大的涂布纸。机上涂布的优缺点如下：
优点：
1.涂布机与抄纸机连结在一起，故无卷筒操作时之纸头纸尾的损纸发生。
2.不需专用的空间来储放待用的原纸卷。
3.机器占用的空间较小。
4.不需卷筒、搬运即装卸铁芯，故可减少人工之需要。
5.不需专用的干燥设备与原纸架及裁切机，因此装贵成本较低。
6.作业单纯，适宜种类少、数量大之涂布纸大量生产。
7.可提早辨认原纸品质的问题。
缺点：
l.变化弹性小，不适于生产品种多、数量少之涂布纸。
2.若涂布机或抄纸机发生故障时，会造成另一机器的停车。
二、机后涂布(OFF-MACHINE COATING)
机后涂布则是将抄纸机与涂布机完全分开，各自独立放置于不同的地点，将抄纸机所抄的原纸卷筒后送至涂布机的原纸架上，需经后段加工时，再由涂布机施以涂布的工作。其优缺点归纳如下：
优点：
1.涂布机与抄纸机各自独立，因此一台涂布机可以涂布好几台抄纸机所抄制的各种纸张。
2.变化弹性大，适于生产各种等级的涂布产品。
3.涂布机的车速一般较抄纸机快，因此调度很容易，加工生产量也较大。
4.适合生产成品种类多、数量少之涂布纸张。
5.提供优良的涂布品质。
6.涂布机与抄纸机分开，故两者之一遇有故障时，不会相互影响造成机器皆需停车之困扰。
缺点：
1.原纸在卷筒操作时必会有纸头纸尾的损纸产生，损纸率较大。
2.原纸卷筒及存放，需较高的人工费用和厂房空间。
3.涂布机需配岂原纸架、裁纸机、涂料干燥等设备，所以机器所占空间较大，且所需设备费用较贵。
由上述可知，机上涂布法有其成本较低的优势，而欲改善机上涂布加工纸之品质可从多方面着手，如改良涂布机、干燥方式与压光设备等硬件方面，或提高固形份和减少接着剂用量等涂布配方;本此实验乃希望利用塑料颜料来改善涂布纸张之不透明度、光泽度、印刷光泽度等印刷适性，同时添加辅助接着剂以改良涂料之保水度、高剪力黏度等操作性。
在过去，由于受限于涂布机之设备与抄纸机之车速，机上涂布通常只能生产涂布量较低的涂布纸，如LWC等，或是作为需经后段加工之预涂纸。而在新一代涂布机的改良后，一种名为HSM之涂布机已能提高涂布量，相信在经过不久的努力后，机上涂布加工纸也能达到类似铜版纸之效果。
第四章 结论
涂布纸张的品质良好与否，除了原纸品质有很大的影响外，涂料的成分也是一个很重要的因素，当涂料中添加不同类型的有机颜料来取代最常使用的白色颜料-白土时，所制造的涂布纸张在白度、白纸光泽度、印刷光泽度、不透明度、平滑度，等方面都是与有机颜料的添加量成正比，这表示有机颜料可以提高涂布后纸张的性质。
当涂料中添加不同类型的有机颜料来取代高价格高白度及高折射系数之二氧化钛时，所制造的涂布纸张在白纸光泽度、印刷光泽度和平滑度方面，是与有机颜料的添加量成正比，但是在白度、不透明度方面，是与有机颜料的添加量成反比，这表示在某些特殊用途方面，虽然有机颜料不能完全取代二氧化钛，但仍可以使得涂布纸张的性质维持一定的水准而不会相差太多。
当涂料中添加不同类型的有机颜料来取代价格便宜、常使用的白色颜料-碳酸钙时，所制造的涂布纸张在白度、白纸光泽度、印刷光泽度、不透明度、平滑度，等方面都是与有机颜料的添加量成正比，这表示若要进一步提升涂布纸张的性质，有机颜料的使用是必然的趋势。
在涂布量与涂布纸张品质的关系上，当涂料中有添加有机颜料时，涂布纸张的性质都优于没有添加有机颜料的，而且当涂布出来的纸张性质接近时，有添加有机颜料的涂布纸张可以降低涂布量。当有机颜料是密实型的，涂布量可以降低约30%，而接着型的有机颜料，涂布量可以降低约40%，若有机颜料是中空型的，涂布量甚至可以降低约45%，这表示在纸张轻量化的趋势中，有机颜料能带来相当大的帮助。
印刷品的好坏，和被印材有很大的关系，而被印材的好坏，和原纸、涂料及表面处理上都息息相关，因此，选择一个好的纸张作为被印材，才是一个节省成本、提高印刷品质的不二法门。
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