印刷机过纸问题探讨

过程对纸张产生的应力＞纸张克服该应力的能力

其中，应力应按一般意义理解。印刷和完成工序纸张承受的应力，如表3-5所示。

如表3-5所示，纸张在x，y，z方向受到应力，其中x，y为纸张平面方向坐标，z为纸张厚度方向坐标。应力一般会改变纸张特性并因此产生种种问题，如胶版印刷的润版液可能会破坏纸张的表面强度，导致纸面脱层，也表明运行适性是纸张、过程交互的结果。

图3-11 常见的套色控制回路

表3-5 印刷时纸张承受的各种应力

运行适性问题可分为以下3类：

①突发干扰：导致生产中断，属于离散干扰，如断纸、给纸或给墨问题；

②累积干扰：问题累积到一定程度，需要定期停机的干扰，属于可选择的干扰，如纸张的掉毛、掉粉属于此类干扰；

③导致生产速度减慢、印刷质量下降的干扰。

纸张所受的动态应力取决于生产速度。速度降低，干扰一般都会减轻，过程一般更容易控制。其中一个原因，是事件的时间常数与速度成反比，包括套色误差、起皱、鼓泡、干燥干扰、叠纸问题等，都属于速度相关干扰。

对影响纸张运行适性的最关键因素，将作如下探讨。

与印刷工艺及纸张类型有关，印刷机上的平均纸幅张力为100～700N/m，但远小于纸张的复卷张力（约为1000N/m），或实验室所测的实际抗张应力（＜～2000N/m）。卷筒纸印刷时要保持一定的纸幅张力，纸幅才能在受控状态通过印刷机，见2.6节之讨论。一般的断纸频率为每100卷纸2～3次，等于每200～600km断纸一次。断纸频率相对较小，在实验室试验或中试时难以进行预测。由于印刷过程、控制技术的进步，断纸频率进一步降低。纸卷换卷时，纸幅张力通常会有瞬间增大，是一个特别的风险因素。

断纸频率大体可作如下分析，局部纸幅张力大于纸张强度时发生断纸^[18]，如图3-12所示。亦可用以下公式表示：

图3-12 断纸发生的条件

其中，P为断纸发生的概率，f（s）为纸幅张力的概率分布，g（l）确定断纸的强度分布。

断纸属于离散事件，因此，断纸概率P通常呈泊松（Poisson）分布，如图3-13所示，或为：

图3-13 泊松（Poisson）分布

其中，P（n）为幅值全域m，即m卷纸发生n次断纸的概率；为幅值全域m的平均断纸次数，若p为发生一次断纸的单位概率，= mp。

断纸发生的强度分布如何形成，一定程度上仍然未有定论。宽纸幅强度的形成模式，和窄纸幅不一定完全相同。印刷中影响纸张强度分布的因素，至少有如下几个：

①纸张的抗张强度；

②断纸时的纸张拉伸；

③断裂线扩展的条件；

④纸张的流变特性。

印刷中断纸不经常发生，宽纸幅和窄纸幅的断纸形成机理假设完全相同，实验室仍无法提供足够信息，用以证实抗张强度具有断纸预测功能。目前，抗张强度通常只有特别低时，才具有断纸预测功能。

断纸应力的起始假设为，当x幅宽发生局部断纸后，纸幅是否断纸取决于断点附近张力的分布^[19]；断点本身不承受任何张力，纸幅张力大于临界张力时发生整幅断纸。假设x幅宽局部断纸前的初始张力（F_s），作为额外张力F_s′在Δx幅宽分布，则：

其中，F为纸幅的拉力，l为纸幅宽度。

局部断纸前^[1]，当Δx宽的张力等于F _s+时，以下公式成立：

断纸发生之时：

变量F_s为断纸应力，描述x大小孔洞的样品发生断纸时张力的大小。断纸应力受断点（break）出现后张力分布的面积大小影响，张力分布的面积越小，发生断纸的张力越小。根据流变学的研究，纸张的弹性系数越小，Δx的宽度越大，纸张弹性系数低因此有利。

以上对的概念未作讨论。现试图通过分析断裂线的扩展，理解断纸的临界张力如何形成。假设断纸是由以下3个阶段完成：

①起始阶段，出现局部断纸；

②扩展阶段，断裂线在纸面扩展；

③结束阶段，断纸发生。

断裂线延长即x增大时，变小，断裂线扩展到整个幅面时断纸发生。

纸张属于黏弹性材料，发生弹性变形时，纸张的纤维被拉直、拉长，发生黏弹性变形时纤维间的结合断开，甚至纤维本身断开。因此可以假设，纸张的流变特性具有断纸预测功能，其机理在纸厂层面最近已有讨论^[20]。

纸张的进纸和出纸干扰，指纸张在复印机、印刷机或后加工机器上不能通过。干扰的原因可分为以下三类：

①几何尺寸原因：纸张平整度出现偏差，超出印刷机允许的范围；纸张的固有缺陷，如环境导致的纸张翘曲；

②结构原因：纸张的挺度低，纸张过机时只有几个点支撑，不能平整地通过机器；

③面间黏附：纸张黏连在一起；因摩擦或静电作用，纸张在印刷机表面黏附。

纸张正反两面尺寸大小不一，偏离正常的平整度，这一缺陷被定义为翘曲。翘曲方向为翘曲相对于CD、MD坐标方向，或为正面或为反面方向。翘曲大小以翘曲半径表示。

纸张产生翘曲的基本原因，是纸页的非均质性，可能的原因有：纤维定向的差异或不同位置纤维定向的差异（厚度方向的纤维膨胀，大于长度方向），不同位置细小纤维及填料的留着差异；纸面处理出现两面差。

纤维定向与翘曲的关系如图3-14所示。假设纸张反面（网面）纤维比正面纤维排列有序，再假设在一定的相对湿度如RH=50%时纸张平整，环境湿度若低于该相对湿度，CD方向纤维收缩大于MD方向，纸张正面的尺寸大于网面尺寸向网面翘曲；环境湿度若高于该相对湿度，CD方向纤维膨胀，网面尺寸变大。由于纤维定向原因，纸张CD方向尺寸变化大于MD方向。

图3-14 纸张的翘曲

纸张水分若发生变化，局部范围内平整度发生改变，然后产生波浪边纹起皱纸病。

众所周知，摩擦力^[12]由静摩擦系数、动摩擦系数描述。印刷、完成、邮品机器过纸顺畅，要求纸张的摩擦力须保持在一定范围之内，摩擦力低则产生纸张打滑、过机不易控制以及收纸堆垛问题，摩擦力高则机器会产生进纸问题。(www.xing528.com)

纸张的摩擦力，经研究与两种因素有关：

①分子附着力：与纸面的附着力、平滑度有关；平滑度越高，总附着力越大；

②纸张粗糙度：摩擦力的测量发现，粗糙度在纸面产生非连续的微小附着力，如图3-15所示，因此，粗糙度增大时摩擦力增加。

纸张摩擦力的变化趋势，受粗糙度影响有高有低，取决于哪种机理占主导地位。

纸面累积的电荷为静电。电荷累积到一定强度（约3kV），纸张开始吸收尘埃，接着是过纸不畅，电荷强度再高，达到12～13kV时，纸张无法通过。两个物体发生表面接触，这一接触为压力接触或是滑动接触，在接触部位产生电子交换或带电颗粒交换，并产生电荷积累，两个物体如果都是绝缘体或者都被绝缘，则积累的电荷无法被释放。

印刷中纸张、辊面的接触多数为压力接触，接触产生的电荷密度取决于接触表面间的电荷电位差，以及表面接触时的实际情形。

纸张的电学性能由纸张的电容、电阻特征描述。电容C与电阻R相乘，等于电学性能的时间常数，描述纸面电荷释放速度。时间常数越大，电荷释放越慢。电荷的积累受电容控制。介电常数为按几何尺寸换算的电容（ε=C/δ，其中ε为介电常数，δ为厚度）。

图3-15 摩擦力、摩擦力滞后现象

电阻可作以下类型区分：

①表面电阻R_s（Ω）

②体积电阻R_u（Ω·m）

表面电阻R_s的测定，可在样品两点之间（两点之间距离固定）加以额定电流（i），测量两点之间的电压差（V），再由样品宽度（b）、厚度（δ）计算而得：

印刷用纸的R_s＜10¹¹Ω，静电复印纸的R_s=10¹¹～10¹³Ω。

体积电阻R_u的测定，是给厚度为（δ）的样品加以额定电流，测量与之相应的电压，再由样品的表面积（A）计算而得：

表面电阻R_s和体积电阻R_u，可由以下方式降低：水分含量（水分与电阻存在对数线性关系）；金属杂质；抗静电物质（如高分子电解质、多聚胺、乙二醇、乙二醇醚、丙三醇）。

静电的聚集^[22]对印刷产生以下不利影响：纸幅或纸张过纸不畅、纸张之间黏连、套色不准。纸的绝缘性好，纸面可能正、负电荷同时并存；尘埃聚集，尘埃由带电颗粒组成；油墨携带的电荷^[23]，若与纸面电荷为同性电荷，则油墨转移减弱，会产生油墨雾化以及爆炸的危险。

提高环境的电导率，如通过电离作用，或加装金属导线，上述因素的不利影响会减小。

纸张起毛^[24-25]指纤维或颜料颗粒从纸面脱落，并在印版、供墨系统、润版液系统聚集的现象。纸粉是一个相关的概念但又有区别，指纸张生产如卷筒纸、平板纸切纸时在纸面聚集的浮散物质。纸张起毛时，印刷机要定时清洁，会产生产量损失、造成印刷质量下降。没有经过涂布、表面施胶，用机械浆生产的胶版印刷用纸，如新闻纸、超压纸（SC纸）等容易起毛。静电复印、柔版印刷用纸，表面强度也经常出现问题，前者在热辊定影时纸面产生应力；后者印刷时如油墨在刷版上已开始干燥，纸面承受的分裂阻力，可能大于纸张表面强度。胶版印刷时，中间调的网点区域最容易出现问题，图文、空白间的表面边缘长边最能聚集纸毛。

纸张起毛的形成机理，可按三个因素加以区分，如图3-16所示。

图3-16 印刷色组的纸毛聚集

①纸面的浮散纸粉（如切纸纸粉）转移，附着于胶印橡皮布表面（第一色组）；

②印刷压区内，油墨的分裂阻力从纸面拔起纤维或纤维束，在印刷图纹（半色调网点、字母）边缘聚集，先印刷的色组最多；

③润版液使纤维结合减弱，产生纤维脱落，后印的色组最多。

橡皮布表面聚集的纸毛（见图3-17），可由一级动力学模型描述，求解该模型可得纸毛聚集的饱和指数曲线。把聚集的纸毛数量标记为m，单位时间内脱落并聚集的纸毛数量标记为k₀，橡皮布的转移系数标记为k₁，可得以下纸毛聚集模型：

图3-17 胶版印刷色组的纸毛聚集

假设初始条件下，t =0，m =0，求解该模型，可得以下方程：

即聚集纸毛的数量有一极限，可由脱落纸毛、纸毛聚集表面的转移相关参数，以及参数间的关系加以预测。

纸张起毛问题与以下参数均有关：

①油墨的分裂阻力，即印刷压区的几何形状及过纸方向；

②印刷时的纸面强度（润版液的用量及质量）；

③纸毛在橡皮布表面附着（附着相关因素、润版液用量、润版液的乙醇浓度）；

纸张起毛现象具有累积特征，实验室测定时，纸面受力远大于印刷受力，脱落的纸毛增多，只会使问题变得复杂，测定的结果失真，如图3-18所示。

图3-18 纸张起毛的实验室测定和印刷生产纸面应力对比

纸张的起折或起褶、起楞，属于横幅不稳定现象^[26]，产生的原因有多种。起折为纸幅横幅张力不匀，如纸幅牵引不均、斜接接头、粘结接头、印刷大面积色块、纸边撕裂、纸卷本身张力波动所致。其他原因还有如辊面纸幅不稳定（摩擦力小）、纸卷内纸的质量波动等。起楞在平张印刷时明显，表现为横向的波浪纹。

纸幅颤振（飘动）机理，可简化为用自由振动的线说明。静止的线有以下微分方程特征：

其中，c =，为纸幅振动的传播速率，z为纸幅厚度方向坐标，x为纸幅横向或纵向坐标，F_T为纸幅张力，m为纸的定量。z、x坐标如图3-19所示。

图3-19 振动的线，Z坐标为振动幅，X坐标为振动方向的一个分量

对于运动、振动的线，以下方程成立：

根据以上公式，颤振振幅趋于无节制增大的频率即共振频率如下：

其中，l为自由纸幅长度。纸幅共振频率应大于印刷机振动的自然频率f = v/（2πr）；r为辊筒半径。两者的频率如果相等，纸幅会产生共振并发生断纸，即印刷速度、纸幅张力的互相依赖，须满足下述条件：

式中，可用F_T/m的函数求解v。印刷速度越高，要求的纸幅张力越高，才可避免出现共振条件。

胶版印刷常见运行适性问题见表3-6。

表3-6 胶版印刷常见运行适性问题汇集