纸张表面强度试验

技术概述

纸张表面强度试验是纸张物理性能检测中的重要组成部分，主要用于评估纸张表面纤维与内部结合的牢固程度。表面强度是指纸张在印刷过程中抵抗表面材料剥离的能力，这一指标直接关系到印刷品的质量和生产效率。当纸张表面强度不足时，在印刷过程中容易出现掉粉、掉毛、起皮等现象，严重影响印刷效果和印刷设备的正常运行。

纸张表面强度的概念最早源于印刷行业对印刷质量的追求。随着印刷技术的不断发展，特别是高速轮转印刷机的广泛应用，对纸张表面强度的要求越来越高。在印刷过程中，油墨的粘性会对纸张表面产生较大的剥离力，如果纸张表面强度不足以抵抗这种剥离力，就会导致纸张表面的纤维、填料或涂层被拉起，形成印刷故障。

从技术原理上分析，纸张表面强度取决于多个因素的综合作用。首先是纤维之间的结合力，这取决于纤维的性质、打浆程度和造纸工艺；其次是表面施胶或涂布层的结合强度；再次是填料与纤维的结合状况。这些因素相互影响，共同决定了纸张的表面强度水平。

在实际检测中，纸张表面强度通常采用拉毛速度来表示，单位为米每秒(m/s)或英尺每分钟(fpm)。拉毛速度越高，说明纸张表面强度越好，能够适应更高速度的印刷要求。这一指标对于印刷企业选择合适的纸张材料具有重要的参考价值。

值得注意的是，纸张表面强度与纸张的其他性能指标存在一定的关联性。例如，表面强度与纸张的抗张强度、内结合强度有一定的正相关关系，但又不完全相同。表面强度更侧重于评价纸张表面的局部结合状况，而抗张强度反映的是纸张整体的力学性能。

检测样品

纸张表面强度试验适用于多种类型的纸张样品，不同类型的纸张对表面强度有不同的要求。以下是常见的需要进行表面强度检测的纸张类型：

• 胶版印刷纸：包括单胶纸、双胶纸等，这类纸张主要用于胶版印刷，对表面强度要求较高，需要确保在印刷过程中不出现掉粉掉毛现象。
• 铜版纸：包括轻量涂布纸、中量涂布纸和铸涂纸等，涂布纸的表面强度主要取决于涂层与原纸的结合强度以及涂层本身的强度。
• 新闻纸：虽然新闻纸主要用于轮转印刷，印刷速度较快，但由于使用的是较低粘性的油墨，对表面强度的要求相对适中。
• 包装用纸：包括牛皮纸、箱板纸、白板纸等，部分包装用纸需要进行印刷加工，因此也需要关注表面强度指标。
• 特种纸：如证券纸、地图纸、字典纸等，这些纸张通常有特殊的用途和质量要求，表面强度是重要的质量控制指标。
• 办公用纸：包括复印纸、打印纸等，虽然印刷条件相对温和，但表面强度仍影响打印质量和设备运行。

在进行样品制备时，需要遵循标准规定的取样方法和预处理条件。通常要求样品在标准大气条件下（温度23±1℃，相对湿度50±2%）进行平衡处理，确保检测结果的准确性和可比性。样品应从纸张的不同位置随机抽取，以获得具有代表性的检测结果。

样品的尺寸规格根据检测方法和仪器要求确定。一般而言，用于IGT印刷适性仪检测的样品宽度为15mm或25mm，长度根据仪器要求确定。用于 Dennison蜡棒法检测的样品则需要较大的面积，以便进行多点测试。

对于具有明显正反面差异的纸张，需要对正反两面分别进行检测，因为两面的表面强度可能存在较大差异。涂布纸通常只检测涂布面，但如果需要了解背面的印刷适性，也可以进行背面检测。

检测项目

纸张表面强度试验涉及多个检测项目，从不同角度全面评价纸张的表面结合性能。主要的检测项目包括：

• 拉毛速度：这是表面强度的核心指标，表示在标准油墨粘度下，纸张表面开始出现拉毛现象时的印刷速度。拉毛速度越高，表明纸张表面强度越好。
• 临界油墨粘度：在固定印刷速度条件下，逐渐增加油墨粘度，测定纸张表面开始出现破坏时的油墨粘度值。这一指标反映了纸张对高粘度油墨的适应能力。
• 表面结合强度：通过特定的测试方法，定量测定纸张表面纤维或涂层与基材的结合强度，通常以力值或能量形式表示。
• 掉粉掉毛倾向：评价纸张在印刷条件下表面材料的脱落情况，包括脱落的数量、粒径分布等。
• 起泡临界值：对于涂布纸，评价涂层在受力条件下起泡、分层的临界条件，反映涂层与原纸的结合状况。
• 表面强度均匀性：通过多点测试，评价纸张表面强度在整张纸上的分布均匀程度，这对于大面积印刷尤为重要。

除了上述直接相关的检测项目外，还有一些辅助性的检测项目可以帮助全面了解纸张的表面性能状况：

• 平滑度：纸张表面的平整程度，与表面强度有一定关联，影响印刷质量和油墨转移。
• 表面吸收性：纸张表面对油墨连结料的吸收能力，影响油墨在纸面的固着和干燥。
• 表面pH值：纸张表面的酸碱度，影响油墨的干燥速度和印刷适性。
• 涂层质量：对于涂布纸，涂层的定量、厚度、覆盖均匀性等指标与表面强度密切相关。

在实际检测工作中，根据客户需求和纸张用途，可以选择全部或部分检测项目。对于印刷用纸，拉毛速度是最基本也是最重要的检测项目。对于涂布纸，还需要特别关注涂层相关的表面性能指标。

检测方法

纸张表面强度的检测方法经过多年发展，已经形成了多种成熟的测试技术。不同的检测方法各有特点，适用于不同的检测场景和精度要求。

IGT印刷适性仪法是目前应用最广泛的纸张表面强度检测方法。该方法模拟实际印刷过程，通过加速印刷的方式来测定纸张的拉毛速度。测试时，将标准油墨均匀涂布在印刷盘上，然后以逐渐增加的速度在纸面上进行印刷，观察并记录纸张表面开始出现拉毛现象时的速度值。IGT法的优点是测试条件与实际印刷相近，结果具有较好的指导意义；缺点是设备投资较大，操作相对复杂。

IGT法根据测试原理的不同，又可分为几种具体的方法：

• 加速法：印刷速度从零开始逐渐增加，在单一印刷行程中完成测试，适用于大多数纸张的表面强度检测。
• 恒速法：在固定速度下进行印刷，通过改变油墨粘度或印刷压力来评价表面强度，适用于特定条件下的比较测试。
• 电动法与弹簧法：根据动力来源的不同区分，电动法速度控制更精确，弹簧法设备更简单。

Dennison蜡棒法是另一种常用的表面强度检测方法。该方法使用一系列不同粘着强度的标准蜡棒，将蜡棒熔化后粘附在纸面上，冷却后拔起，观察蜡棒是否将纸张表面的纤维或涂层拉起。根据能够将纸面材料拉起的蜡棒等级，确定纸张的表面强度。Dennison法的优点是设备简单、操作方便、成本较低；缺点是测试结果为离散的等级值，精度有限，且与实际印刷条件的相关性不如IGT法。

剥离强度法通过将胶带或其他粘性材料粘附在纸张表面，然后以一定角度和速度剥离，测量剥离过程中所需的力值。这种方法操作简单，但测试结果受胶带性质影响较大，标准化程度不如前两种方法。

Taber稳定性试验法主要用于评价纸张表面的耐磨性能，虽然不是直接测量表面强度，但与表面结合状况有一定关联。该方法通过耐磨轮在纸面上的摩擦作用，评价纸张表面的稳定程度。

在进行检测方法选择时，需要考虑以下因素：

• 检测目的：如果需要预测印刷适性，IGT法更为合适；如果进行快速筛选或质量控制，Dennison法可能更实用。
• 样品特性：对于高表面强度的纸张，需要选择能够提供足够测试范围的方法。
• 精度要求：高精度检测应选择IGT法，一般性检测可选择Dennison法。
• 设备条件：不同方法对设备的要求不同，需要根据实验室条件选择。

无论采用哪种检测方法，都需要严格按照标准规定进行操作。常用的标准包括ISO 5627、TAPPI T458、GB/T 2679.15等，这些标准对测试条件、仪器参数、数据处理等都有详细规定。

检测仪器

纸张表面强度检测需要使用专业的检测仪器，不同检测方法对应不同的仪器设备。了解这些仪器的原理和特点，有助于正确选择和使用检测设备。

IGT印刷适性仪是进行纸张表面强度检测的核心设备。该仪器模拟胶印机的印刷原理，主要由以下部分组成：

• 印刷扇形轮：承载纸张样品，可高速旋转以实现加速印刷。
• 印刷盘：涂布油墨的金属圆盘，有不同的宽度规格可选。
• 加速机构：实现印刷速度从零到设定值的平滑加速。
• 油墨分布系统：将油墨均匀分布在印刷盘上。
• 测量和控制系统：记录印刷速度，控制测试过程。

IGT仪器的技术参数对检测结果有重要影响。印刷加速度通常设定为定值，如加速度为1.25m/s²或2.5m/s²；印刷压力根据标准设定，通常在200N至500N范围内；印刷盘宽度有15mm、25mm等规格。使用前需要对仪器进行校准，确保各项参数符合标准要求。

Dennison蜡棒测试套装是进行蜡棒法检测的必需设备。套装包含一系列标准蜡棒，编号从1到23，编号越大表示粘着强度越高。每根蜡棒都有确定的粘着强度值，可以根据测试结果查表获得对应的表面强度值。套装还包括蜡棒加热器、支架等辅助设备。

表面强度测试仪是近年来发展起来的新型检测设备，采用电子测量技术，可以更精确地测量纸张表面的结合强度。这类仪器通常采用探针或胶带与纸面接触，然后以可控的速度分离，测量分离过程中的力值变化，通过数据分析得出表面强度指标。

辅助设备在表面强度检测中也发挥着重要作用：

• 恒温恒湿预处理箱：为样品提供标准的大气条件，确保样品状态一致。
• 油墨研磨机：用于IGT法中标准油墨的制备和研磨。
• 分析天平：用于样品称重和相关参数计算。
• 光学显微镜：用于观察拉毛现象和表面破坏形态。
• 图像分析系统：对拉毛区域进行定量分析，提高检测精度。

仪器的维护保养对保证检测质量至关重要。IGT仪器需要定期清洁印刷盘、检查加速机构、校准速度测量系统；蜡棒需要妥善保存，防止变形和污染；所有仪器都应按照规定周期进行计量检定，确保量值溯源和结果可靠。

应用领域

纸张表面强度试验在多个领域有着广泛的应用，为纸张生产、贸易和使用提供重要的技术支撑。

在造纸行业，表面强度检测是产品质量控制的重要环节。造纸企业通过检测表面强度，可以：

• 监控生产过程：表面强度的变化可以反映打浆、施胶、涂布等工序的工艺状况，及时发现和纠正生产问题。
• 优化产品配方：通过对比不同原料、不同配比下的表面强度，优化纸张配方，提高产品质量。
• 产品质量分级：根据表面强度检测结果，对产品进行质量分级，满足不同客户的需求。
• 新产品开发：在开发新纸种时，表面强度是重要的评价指标，指导工艺参数的确定。

在印刷行业，表面强度检测对于选择合适的印刷材料和制定印刷工艺具有重要参考价值：

• 纸张采购验收：印刷企业通过检测纸张表面强度，判断纸张是否满足印刷要求，作为采购验收的依据。
• 印刷工艺制定：根据纸张表面强度确定合适的印刷速度、油墨粘度和印刷压力，避免印刷故障。
• 印刷故障分析：当出现掉粉掉毛等印刷故障时，通过检测纸张表面强度，分析故障原因，制定解决方案。
• 印刷适性评估：在承接重要印刷任务前，对所用纸张进行全面的适性评估，包括表面强度检测。

在纸张贸易领域，表面强度是重要的质量指标和贸易参数：

• 质量合同约定：买卖双方在合同中约定表面强度指标，作为交货验收的依据。
• 质量争议处理：当发生质量争议时，通过第三方检测机构的表面强度检测，提供客观的判定依据。
• 产品认证：部分纸张产品认证需要提供表面强度检测报告，证明产品符合相关标准要求。

在科研和教育领域，表面强度检测也发挥着重要作用：

• 科学研究：研究纸张结构与性能的关系，探索提高表面强度的技术途径。
• 标准制定：为制定和修订相关标准提供数据支撑。
• 人才培养：在印刷、造纸专业的教学中，培养学生的检测技能和质量意识。

在包装行业，部分包装材料需要进行印刷加工，表面强度影响印刷质量和包装外观。通过检测包装用纸的表面强度，可以确保包装印刷的质量，提升产品的市场竞争力。

常见问题

在纸张表面强度试验的实际工作中，经常会遇到一些问题。以下是对常见问题的分析和解答：

问题一：检测结果与实际印刷表现不一致怎么办？

这种情况可能由多种原因造成。首先，检测条件与实际印刷条件可能存在差异，如油墨类型、印刷压力、印刷速度等。建议在检测时尽量采用与实际印刷相近的条件。其次，纸张在储存运输过程中性能可能发生变化，检测时的状态与印刷时不同。此外，印刷设备的状况、操作水平等因素也会影响印刷表现。建议综合分析各方面因素，必要时进行实际印刷试验验证。

问题二：正反面表面强度差异大是什么原因？

纸张正反面表面强度差异是常见现象，主要原因是造纸过程中两面形成的条件不同。在纸机网部，正面（毯面）与反面（网面）的纤维沉积状态不同；在压榨和干燥过程中，两面接触的表面不同；施胶或涂布时，两面的处理程度也可能不同。这些因素都可能导致两面表面强度的差异。对于印刷用纸，建议重点检测印刷面的表面强度。

问题三：如何提高纸张的表面强度？

提高纸张表面强度可以从多个方面入手：优化打浆工艺，提高纤维结合力；加强表面施胶，改善表面纤维的结合状况；对于涂布纸，优化涂布配方和工艺，提高涂层与原纸的结合强度；合理使用增强剂，如淀粉、聚丙烯酰胺等；控制填料用量和分布，减少填料对纤维结合的影响。具体措施需要根据纸张类型和现有工艺条件确定。

问题四：不同检测方法的结果如何换算？

不同检测方法的原理和条件不同，结果之间没有简单的换算关系。IGT法测得的拉毛速度与Dennison法的蜡棒等级之间存在一定的相关性，但这种关系受纸张类型等因素影响，不是固定的换算比例。建议在检测报告中注明所采用的检测方法，不同方法的结果不宜直接比较。如需比较不同纸张的表面强度，应采用相同的检测方法。

问题五：表面强度检测的重复性不好是什么原因？

重复性不好可能由以下原因造成：样品不均匀，不同位置的表面强度存在差异；样品预处理不当，含水率或温度未达到平衡；仪器状态不稳定，如印刷盘清洁不彻底、加速机构异常等；操作不规范，如油墨涂布不均匀、样品安装不当等。建议检查样品制备、仪器状态和操作过程，确保符合标准要求，必要时增加测试次数取平均值。

问题六：哪些因素会影响纸张表面强度？

影响纸张表面强度的因素很多，主要包括：原料种类和质量，不同纤维原料的结合性能不同；打浆程度，适当的打浆可以提高纤维结合力；施胶和涂布工艺，表面处理可以显著改善表面强度；填料的种类和用量，填料会降低纤维结合，但也可以改善表面平滑度；干燥和压榨条件，影响纤维的结合和纸张的紧度；环境条件，温湿度的变化会影响纸张的含水率和性能。了解这些影响因素，有助于针对性地改善纸张表面强度。