第四章 纸和纸板的力学性质

第四章纸和纸板的力学性质纸张的流变性质

纸和纸板的机械强度纸张的表面强度

印刷压力、张力、粘力强度是印刷纸的基本和重要的性能之一第一节纸张的流变性质

流变学研究范畴:研究物体所受外力及其作用时间与变形或流动的规律，研究的物质范围广泛,包括从固体、液体到气体。

纸张流变学：就是研究纸张在印刷机上产生流动和变形的各种现象，及其造成流变的各种因素。纸张流变学已成为探索和指导纸张印刷适性研究的理论基础之一，它着重于对纸张的力学行为进行研究，在纸张因受力发生变形时可以见到它的弹塑性、粘弹性、蠕变性、永久变形等各种流变现象。一、纸张的粘弹性变形

纸张是一种多相复杂且非均质的高分子材料，和其它任何高分子材料一样，纸张在受到力的作用时会表现出其固有的特性——粘弹性(Viscoelasticproperty)。在讨论纸张的粘弹性之前，需要说明应力、变形、理想弹性固体和理想液体的意义。1.应力：物质为抵抗外力，在单位面积上发生的内力N/cm2。或者说物体抵抗形变的阻力。2.变形：使物体尺寸发生变化的数量对原有尺寸的比率。3.理想弹性固体：在有外力作用下，其瞬时的变形程度与负荷成直线关系，而当去除负荷后能恢复其原有规格。

形变规律（虎克定律）若用σ表示应力，ε表示变形，则有：

E：为物体的杨氏模量4.理想的流体：则需要考虑时间的因素，理想流体能够流动要依时间与负荷而定。形变规律（牛顿定律）,ε=σ0t/ηη——液体的黏度；t——时间5.粘弹性变形：

理想的弹性体和理想的流体实际上是不存在的！纸张具有弹性性能和与时间有关系的流动性能。纸张的形变除与应力有关外，还与应力作用的时间有关，纸张所产生的这种形变称为～。纸张的这种应力-变形对时间的依赖关系可以用实验方法来证明。在使用纸张的时候，无论弹性变形还是粘性变形都是很重要的。二、纸张的蠕变特性

1.蠕变：纸张在受外力作用时开始时是纯粹的弹性体，在发生了1%-2%的变形以后，开始产生流动性，在负荷保持不变时，纸张无限流动，直至发生断裂，这种滞延流动叫蠕变(Creep)。2.变形的恢复可用两部分表示：

瞬时部分；与时间有关的部分：

三、纸张的应力松弛特性如果纸张的形变保持一定，应力将随时间而减少，这种现象称之为应力松弛（Relaxation)。

应力松弛是保持纸张在一定伸长情况下所必须的应力递降的结果。这种现象与液体的触变性(thirotropy)相似。应力松弛速率快的纸张，会更容易使负荷消失，因此与应力松弛速度慢的纸张相比更不易断裂。（如纸袋纸需要较高的松弛速率）。第二节纸张的Ｚ向压缩变形特性1.纸张的Z向压缩变形纸张在印刷压力作用下，Z向出现压缩变形，压力消除后能够恢复的特性。在印刷过程中Z向压缩会产生弹、塑性变形。纸张在Z向产生变形的大小取决于纸张孔隙率的大小，也即纸张的表观密度（紧度）。2.Ｚ向压缩变形的整体特性纸张受到压力作用时，压力与压缩量随时间的变化关系如图：影响纸张压缩率、恢复率的因素：①纸浆的影响，漂白浆较未漂白的压缩率大，针叶较阔叶压缩率大，磨木浆较化学浆压缩率大（10倍）；未漂白的和化学浆弹性恢复率大，打浆度升高，压缩率下降，恢复率上升；②涂布量的影响，涂层愈厚，压缩率愈小，而弹性率几乎不变；③含水量的影响，含水量↑，压缩率↑，而恢复率↓。在使用纸张时，注意利用印刷纸可通过调湿增加塑性和松软性的特征。

3、Z向压缩变形随时间变化的特性4、Z向变形特性对印刷的影响1）纸张在印刷压力作用下的Z向变形，可以产生一种缓冲的作用，使印版与纸张间得以良好的接触，使油墨得以良好的转移，也就是说弹塑性好的纸张，即使其表面结构较为粗糙，也能得到良好的油墨转移，可以适当降低对纸张的平滑度以及印版图文表面不平的要求。Z向具有良好的弹塑性，对凹版和凸版印刷显得特别重要。2）对于多色印刷纸，具有高弹性也很重要，即有较好的弹性恢复率。

还要了解以下两点：不同的纸种，对其弹塑性的期望不同。用来印刷商品包装盒的纸板要求具有较高的弹性；用来制造盲文书籍的盲文印刷纸，则要求具有很高的塑性。在不同的加工阶段，对变形性质有不同的要求。在递纸系统和与印版接触区所发生的变形，总希望是可逆的弹性变形，因为纸的塑性过高，纸面与版面不能良好的接触，可能使印刷品上色彩产生失真，甚至造成很深的正面凹陷和突出的反面印痕。而在装订时进行装订和压紧,希望纸张具有塑性变形,以保证得到整齐紧凑的书本。

第三节纸和纸板的机械强度抗张强度与伸长率耐折度耐破度撕裂度挺度一、抗张强度与伸长率1.抗张程度：是指在标准实验方法规定的条件下，单位宽度的纸或纸板断裂前所能承受的最大拉力。用绝对抗张力或裂断长来描述。裂断长是一个假定的强度概念，它表示纸条长度达到不能承受本身的重量时而自行裂断时的长度，它与厚度无关，适用于比较不同定量的纸或纸板。单位m2.伸长率:纸或纸板受张力至断裂时的伸长与原长之比称为伸长率。3.纸张的抗张强度与印刷的关系

纸张的抗张强度和伸长率对于高速轮转印刷机的印刷用纸是十分重要的指标。高速轮转印刷机上的纸张在整个印刷过程中处于均匀张紧状态，纸张的纵向受到一定的拉力作用，如果纸的抗张强度低于此拉力，就会出现纸张断裂现象。而伸长率的提高，则能促进和改善纸张的内应力分配，减少应力集中，防止和减少纸面的断裂。

强度不足，会出现断纸故障；伸长率过大会引起多色印刷的套色不准等故障。4.测定方法：采用肖伯尔抗张强度仪

电子拉力实验机摆锤式抗张试验机

①仪器：肖伯尔抗张强度仪②原理：根据摆的平衡原理，试样由上夹器和下夹器夹住，下夹器由传动装置带动，以一定的速度下降，通过试样传至上夹器，上夹器由链条传动，使摆偏转一定的角度，当试样断裂时，摆立即停止，直接在刻度尺上读取抗张强度。刻度上的数据由下式计算而来，

二、耐折度

1.耐折度(foldingendurance)是用来表示纸张抵抗往复折叠的能力。纸张的耐折度系测定纸张受一定力的拉伸后，再经来回折叠而使其断裂，以折叠的次数表示。耐折度数据的单位是双折次，按纵向裁样测试的为纵向耐折度，按横向裁样测试的为横向耐折度。一般纵向耐折度比横向耐折度高，这是由于纤维的排列及纵向纤维结合力大的缘故。

2.与印刷的关系

耐折度是对纸张强度和挠性的综合度量指标。该项指标对印刷纸及纸板，特别是需要热固干燥的印刷品，在联机折页时更为重要，因为纸页通过干燥部时急剧脱水而变脆，易造成断裂问题。

许多纸张在使用过程中都需要经过相当多次的折叠。如证券纸、地图纸、书皮纸及包装纸，要求具有较高的耐折度。3.测定：常用的肖伯尔型、MIT型三、耐破度1.耐破度：指纸张在一定面积下，以匀速加压至破裂时所能承受的最大压力，它是抗张强度与伸长率的复合函数，以Pa表示2.耐破度与抗张强度的关系：3.测定：采用缪纶式耐破度仪耐破度是包装纸非常重要的质量指标，直接与纸袋纸、制盒纸板的用途有关。电脑测控纸板（纸张）耐破度仪四、撕裂度1.撕裂度(tearingresistanace)是指撕裂一定距离纸页所需的的力。是先将纸张切出一定长度的裂口，然后测量再从裂口开始撕裂一定距离时所需的力。以mN、kgf表示。撕裂时所做的功包括两部分：一部分是把纤维拉开所做的功，一部分为把纤维拉断所做的功。2.对一般印刷用纸来说，撕裂度的大小主要取决于纤维本身的强度和纤维长度，受结合力影响小。撕裂度具有很重要的意义，纸幅的断头在很大程度上是由此项指标不高致成。原理：依靠摆的势能，将纸撕裂。五、挺度1.纸和纸板的抗弯曲能力称为挺度。挺度与纸张的流变性质有关，决定于纸张受弯曲时其外层的伸长能力和里层的受压能力，可衡量纸张支持自重的能力。挺度表示了纸张柔软或挺硬的性质。2.与印刷的关系如果纸张没有一定的挺度，将会给印刷过程的续纸和出纸带来困难。印刷的速度也不能提高，甚至使印刷品如书籍的使用性能变劣。3.影响因素厚度是最重要因素，其次是紧度。第四节纸张的表面强度纸张表面强度的概念拉毛、掉粉故障及解决方法纸张表面强度的测量方法

一、纸张表面强度的概念１.纸张的表面强度：是指纸张表面纤维、胶料、填料间或纸张表面涂料粒子间及涂层与纸基之间的结合强度，它表示了纸张在印刷过程中抗油墨分裂力的能力。又常把纸张的表面强度称为“拉毛阻力”。２.拉毛：在印刷过程中当加于纸张表面的外部张力大于纸张的内聚力时，在破裂的纸面出现不连续的或连续的未着墨区域的现象。3.影响拉毛的因素：印刷是在极短的时间内完成的，纸张与油墨之间存在着复杂的机械力的相互作用。油墨层在印刷时被分离了，一部分传递到纸张上，一部分仍然留在印版或橡皮布的表面。特别是近年来随着印刷机速度不断提高，为了提高印品的质量有使用高粘度油墨的趋势，为使油墨能正确转印到纸张上来而不破坏纸面结构，纸张的表面强度必须满足下公式：

Ｔ≥Ｗ+Ｑ+Ｎ式中：T－纤维、填料及胶料之间的结合力Ｗ——油墨对纸张的黏力Ｑ——剥离张力（印刷速度、压印滚筒半径）Ｎ——印刷版面对油墨的吸引力（主要像皮布）平版印刷示意图以铜版纸为例涂层与纸基纤维间要有足够的结合强度,否则墨膜会揭下涂料粒子和细小纤维,使印品上留下白色斑点,而掉下的粒子和细小纤维又会堵塞印版并且脏污油墨,导致印下一张时产生一个白圈的油墨点.小白点

环状白斑4.干拉毛与湿拉毛

按发生拉毛时是否有水的参与，把拉毛分为干拉毛和湿拉毛。湿拉毛是在水的参与下发生的，因此与纸的耐水性有关。有润版液参与的胶印和多色印刷机中发生的拉毛属于此类。耐水性：是指纸张受到浸润水作用后，保持其原有强度性能的能力。一般纸张经浸润水作用后，其表面强度都会有所下降，由于胶印是在有润版液参与的条件下进行的，纸张的耐水性可导致纸张在胶印中发生不同的表面强度变化，必须要考虑到这一点。思考:在单色机上进行多次印刷比在多色机上一次印刷拉毛程度小一些？5.掉粉掉毛指在印刷过程中纸张表面松散粒子的脱落现象原因：由于润版液的润湿和机械摩擦作用导致纸面松散粒子的脱落。取决于纸面的洁净程度。测定方法:IGT悬浮物试验法.

6.纸的Z向强度与表面强度之间的关系

Z向强度是指单位面积纸页上，垂直于纸页平面的抗分层、抗撕裂的能力。Z向强度与表面强度既有一定联系又有明显差别，不能混淆。对一般定量较低的薄纸来说，Z向强度大的纸表面强度也大，但对于多圆网纸机抄造的纸板来说很厚，Z向强度较低表面强度却可能高。二、拉毛、掉粉故障及解决方法

１.发生的原因一方面在于印刷条件，如所用油墨的黏度、印刷时的压力、印刷速度和浸润水的用量。另一方面在于纸张本身的性能，即在纸张的表面强度还满足不了印刷条件的要求。表面强度不足的内在原因：所用原料的种类和制浆方法，表面纤维与纸张的结合状态不良，填料量过高或胶粘剂选择不当。按掉毛掉粉发生的部位和状况分类：纤维掉毛掉粉、涂料剥落纸面撕裂起泡开裂２.对印刷的危害1）使图文部分遭受不同程度的损伤

不但未能转移到纸面上去，而且把纸面上的纤维等物质黏附在印版或橡皮布表面，使图象产生很小的白点，如果黏结的面积较大的话，则接下来的几张印张就会出现白斑，严重影响影响印品的质量，甚至造成废品。2）形成堆墨，使图象变得模糊粗糙

从纸面拔下的纤维和填料颗粒会和油墨掺和着在橡皮布上逐渐堆积起来，形成堆墨。堆墨开始形成时图像中间调部分变粗糙，这是由于橡皮滚筒上形成了凸起部分，该部分的油墨转移不良。如果不及时采取措施就会迅速发展，形成恶性循环，印刷品上形成不规则的环形白斑，甚至发生硌版故障。

胶印中出现堆墨故障分析较大的杂物或堆积物将可能经过三个阶段：首先停留在橡皮布的图像部位：能吸墨的杂物形成环状斑、不吸墨的杂物形成与杂物形似的白班，足够大会把橡皮布咯破。转移到印版上的图像部位：停留在橡皮布上的杂物，在运转过程中可能转移到纸面上，也可能转移到印版上，如果转移到纸面上，就在印品上形成一个杂块，以后的印刷就正常了。如果转移到印版上，要看杂物是亲水还是亲油的，如果是亲水的，就会吸收润版液而不接受油墨，所以在向纸面转印时就会产生白斑点；如果是亲油的与停留在橡皮布情况相同。

混入油墨供应系统：当拉毛掉粉形成的杂物从印版混入油墨供给系统或沉积到墨斗时，就会使油墨的性能变差，色泽变劣，加重对墨辊和印版的磨损，使印刷面上出现颜色不纯的斑点。油墨由印版转移到橡皮布由橡皮布转移到纸张印刷面的白班版油墨橡皮布能吸墨的较厚杂质不能吸墨的杂质图停留在橡皮布上的杂物对印刷的影响3）糊版如：在凸版中，掉下的纸毛、纸粉首先粘在印版图文凸出部分的边缘，使印出的文字笔画变粗、变毛。最后印版中非图象的低凹部分逐渐被纸粉、纸毛与油墨的混合物填平，形成糊版。轻微的糊版使图文不够清晰，严重的糊版必须重新修版否则不能继续使用。４）胶印中橡皮布及墨辊清洗次数增加发生拉毛掉粉后，橡皮布清洗的次数明显增加，将加大印刷工人的劳动强度，大大影响生产效率。

５）湿拉毛对印刷色序的影响在有润版液参与的胶印和多色印刷中特有的湿拉毛现象，对印刷色序有一定的影响。在多色印刷机上，各色的深浅和对纸面的黏结力是不同的，一般来说掉毛掉粉在第一组滚筒上不易发生，在第二组以后的滚筒较易发生，这是因为第二组以后受润版液的影响逐渐加大，而且前一色的残余粘性要引起油墨的粘性增大。因此，在多色印刷机上要加强对后几组橡皮布的清洗，避免形成堆墨，同时应尽量把实地部分多、给墨量大的颜色作为第一色印刷。多色套印过程中，第一色油墨的黏度应该比第二色油墨黏度高，依次类推，否则发生逆套印。多色印刷机采用倒色序，即ＫＣＭＹ。3.避免和减轻印刷中掉毛、掉粉现象的措施

首先要把好选用纸张品种和生产厂家这一关。掉毛掉粉故障主要由纸张本身的性质决定，所以要避免和减轻比较困难一些。要根据印刷所用的设备和印刷品的特征选用纸张，例如不能把凸版印刷用纸用在胶印机上，不可用低档次铜版纸和高黏度油墨来印刷光泽度要求较高的美术图片。还可采用一些工艺的方法：降低油墨黏性：加入稀释剂要适可而止，否则会引起油墨乳化和延长干燥时间等问题控制和减少浸润水的用量：润版液的用量尽力控制到最少量的范围，正确选用润版液减少印刷压力：将影响油墨的转移减慢印刷速度：将影响工作效率增加清洗橡皮布的次数，能够有效减少纸粉、纸毛对印品质量的影响，所以是必须要采用的方法。还要注意在冬季的早晚，温度偏低油墨被冷却后，塑性黏度明显提高，要注意对油墨的保温和加温防止冷墨拉毛现象发生。三、纸张表面强度的测量方法1.测量方法1）Dennisio