李仁愛 張 巖 曹云峰，*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院,河南鄭州,450011)

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基于多指標正交實驗的非涂布噴墨打印紙抄造工藝優(yōu)化

李仁愛1張 巖2曹云峰1，*

(1.南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院,河南鄭州,450011)

以紙張表面性能、印刷性能和抗水性能等為評價指標,采用多指標正交實驗對非涂布噴墨打印紙的抄造工藝條件和原料配比進行了優(yōu)化,采用極差、方差分析以及鄧肯式新復式極差(SSR)檢驗得到了非涂布噴墨打印紙的最佳抄造工藝條件。實驗結(jié)果表明,闊葉木漿與針葉木漿配比為85∶15、AKD施膠劑用量0.1%、輕質(zhì)碳酸鈣加填量25%和壓光壓力為3 MPa時,抄造的非涂布噴墨打印紙的綜合性能最佳。

非涂布噴墨打印紙；正交實驗；方差分析；SSR檢驗

目前,噴墨印刷已成為數(shù)字印刷發(fā)展的主流趨勢,而噴墨印刷紙作為信息的載體,對成像質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。對于內(nèi)容以普通彩色圖像和線條文字為主的印刷品,在滿足基本質(zhì)量要求的前提下,承印材料的成本還有降低的空間。因此,研究適用于噴墨印刷而又成本較低的非涂布噴墨打印紙的生產(chǎn)工藝對推動噴墨印刷的廣泛應用有重要意義。

非涂布噴墨打印紙通常由纖維、填料及膠黏劑組成。生產(chǎn)工藝包括打漿、加填、施膠、抄紙、壓光等。漿料一般為針葉木漿和闊葉木漿；填料通常包括碳酸鈣、高嶺土等；施膠劑有AKD、淀粉等[1-2]。非涂布噴墨打印紙生產(chǎn)中使用的原料種類較多,生產(chǎn)工藝也較為復雜。原料種類、配比、抄造工藝等因素都會影響成紙質(zhì)量。對于噴墨打印紙的評價也不能僅僅局限于白度、平滑度、表面強度等光學和力學性能[3],還應包括光學密度、色域、清晰度等印刷質(zhì)量指標[4],以及對抗水性能[5]等印刷品保存性能的評價。因此,非涂布噴墨打印紙生產(chǎn)工藝影響因素復雜、評價指標眾多,需要選擇科學的實驗方法才能完成對實驗條件的選擇及優(yōu)化。

正交實驗設(shè)計是多因素分析的有力工具,形成方案簡便,可以用較少的實驗次數(shù)得到較多的信息[6]。本實驗采用4因素3水平的正交實驗(L9(34)),并在對紙張表面性能和印刷適性等多指標的評價中,使用極差和方差分析法[7],在綜合各類指標的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對非涂布噴墨打印紙抄造工藝條件的優(yōu)化。

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)計

通過對非涂布噴墨打印紙抄造過程中對成紙主要性能及噴墨印刷適性影響較大的主要抄造條件進行分析,確定了非涂布噴墨打印紙的最佳抄造工藝條件。根據(jù)成紙主要性能、印刷適性和保存性能三方面的要求,選取紙張表面粗糙度、光澤度、光學密度、色域、線寬、抗水性能作為評價指標。

實驗抄造非涂布噴墨打印紙的定量為80 g/m2,闊葉木漿、針葉木漿打漿度均固定為35°SR,L9(34)正交實驗的因素水平如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

注 紙漿配比為闊葉木漿與針葉木漿的質(zhì)量比。

1.2 打印標版的設(shè)計

使用Adobe Illustrator CS 6設(shè)計打印標版(見圖1),使用Epson7910噴墨打印機在標準印刷實驗條件(溫度20～25℃,相對濕度40%～60%)下,將打印標版在非涂布噴墨打印紙上打印輸出,自然晾干后分別用來測量紙張印刷質(zhì)量參數(shù)(線寬和色域)和紙張抗水性(色差)。

圖1 打印標版

實驗號因素ABCD評價指標表面粗糙度/μm光澤度/%光學密度色域線寬/μm抗水性能111114.9411.201.305338.62352.800.754.9511.201.325338.83346.700.77212223.7412.701.305441.28357.401.223.7712.901.315444.33351.901.61313333.5913.401.305445.30323.800.933.5013.601.325446.11327.900.99421233.9314.601.335216.35353.601.073.8814.801.325225.04360.101.07522314.919.601.305237.53334.601.284.969.601.305233.67325.800.91623123.8713.101.315240.90327.501.343.8913.001.305244.79321.101.38731323.9512.001.285155.18358.902.123.9411.901.275151.60348.201.74832133.6714.601.335190.38319.001.193.6514.401.315188.61316.401.16933214.959.901.325145.05417.101.214.969.801.345157.18409.101.05均值4.1712.351.315268.93347.331.21

注 光學密度為青油墨實地色塊密度。

1.3 紙張表面性能、印刷質(zhì)量及抗水性能測定

紙張表面粗糙度、光澤度、光學密度分別參照T 538 om—96、T 480 om—99、DIN標準進行測試。

線寬: 使用Nikon體式光學顯微鏡選取0.8 point(0.8 point≈0.28224 mm)陽線條放大80倍觀察,使用圖像軟件截圖后,在Photoshop CS中對圖像進行處理,并在Matlab軟件中編寫程序?qū)€寬進行計算[8-9]。

色域: 使用Spectro eye分別測量CMYRGB六色實地色塊的L、a、b值,在Matlab軟件中編寫程序計算出色域面積大小(相對值)。

抗水性能(色差): 使用Spectro eye測量青色實地色塊的L、a、b值；再將實地色塊放在去離子水中浸泡5 min后取出,在恒溫恒濕環(huán)境中自然晾干,再次測量L、a、b值,使用色差公式計算泡水前后色差(ΔE)[8]：

1.4 正交實驗結(jié)果

本實驗采取有重復實驗的正交實驗,實驗結(jié)果見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 直觀分析與討論

直觀分析是指分析每一因素的平均極差,根據(jù)極差大小可以找出影響某一指標的主要因素,再根據(jù)非涂布噴墨打印紙對各指標的不同要求,如表面粗糙度、線條寬度、抗水性能(色差)的指標值越小越好,而光澤度、光學密度、色域的指標值越大越好,得出各指標下的影響因素主次順序和優(yōu)水平組合(見表3)。主次順序是4個因素對某一指標影響的顯著順序排序,優(yōu)水平組合是針對某一指標的最佳水平組合。

表3 直觀分析表

由表3的直觀分析可知,對于表面粗糙度,D(壓光壓力)因素的極差為2.48,大于A(紙漿配比,極差為0.32)、B(AKD用量,極差為0.30)和C(PCC加填量,極差為0.13)的極差,說明D因素是影響表面粗糙度最重要的因素；隨壓光壓力的增大,表面粗糙度呈減小趨勢。對于光澤度,因素A、B、C和D的極差分別為0.80、0.97、2.47和8.03,因此,D因素對光澤度影響最大,且隨壓光壓力的增大,光澤度逐漸增大,而因素A和B對光澤度影響很小。壓光壓力對表面粗糙度、光澤度影響最大,原因在于隨壓力增大,紙張表面越來越趨于平整,表面粗糙度下降；但對光線鏡面反射增強,光澤度上升。

對于光學密度,因素A、B、C和D的極差分別為0.003、0.023、0.050和0.047,C因素對光學密度影響最大；對線寬而言,與A、B和D因素的極差相比,C因素的極差最大,為88.60,即C因素是影響線寬最主要的因素。PCC加填量對光學密度和線寬的影響顯著,原因在于PCC的加入使紙張內(nèi)部孔隙發(fā)生變化,對油墨在紙張上的擴散和吸收產(chǎn)生影響。

對于色域,因素A、B、C和D的極差分別為489、103、42和87,因素A對色域影響最大,且隨闊葉木漿比例減少,色域呈減少趨勢,原因在于闊葉木漿纖維較短,闊葉木漿比例越大,成紙孔隙越小,勻度越好,印刷油墨中顏料顆粒留在紙張表面的越多,色域越大。

表4 方差分析表

在抗水性能方面,D因素極差為1.15,對抗水性能影響最大,原因在于隨壓光壓力的改變,紙張孔隙體積發(fā)生變化,影響到油墨的滲透和呈色劑在紙張表面的保留,具體原因有待進一步研究。

2.2 方差分析與討論

方差分析能夠通過F值判斷各因素對某一指標影響的顯著性和貢獻率,便于進行數(shù)值比較,是對直觀分析結(jié)果的補充(見表4)。

由表4可知,對于某一指標,某因素的F值大于4.26(F0.05(2,9)=4.26),則表明該因素對這一指標的影響顯著；若F值大于8.0(F0.01(2,9)=8.0),則表明該因素對這一指標影響極度顯著。

因此,由表4單個指標方差分析結(jié)果的F值和貢獻率可以看出,對于表面粗糙度,PCC加填量影響顯著,其他3個因素影響極度顯著,其中，壓光壓力影響最大,貢獻率達到了96.82%；對于光澤度,4個因素影響均極度顯著,同樣,壓光壓力影響最大,貢獻率達89.02%；對于光學密度,PCC加填量和壓光壓力影響極度顯著,貢獻率分別為37.55%和34.98%,而紙漿配比和AKD用量對光學密度基本沒有影響,因為誤差的貢獻率比紙漿配比和AKD用量的貢獻率都大；4個因素均對色域影響極度顯著,其中，紙漿配比影響最大,貢獻率達到91.66%；4個因素對線寬的影響也極度顯著,其中，PCC加填量影響最大,貢獻率達到51.08%；在抗水性能方面,紙漿配比和壓光壓力影響極度顯著,貢獻率分別為20.62%和58.20%。

表5 同一因素不同水平間差異顯著性(SSR)檢驗

注Ki表示該因素下的水平量(i=1,2,3)。

2.3 同一因素不同水平差異顯著性檢驗

表4中方差分析的F值只能籠統(tǒng)地表明該實驗選取的4個因素間差異顯著情況,即無法具體指出選取因素的水平間差異對實驗結(jié)果的影響。若檢驗單指標下每個因素各個水平間的具體差異情況,必須進行水平間差異顯著性檢驗。表5為同一因素各水平間差異顯著性檢驗情況。

表5列出了對6個指標同一因素不同水平間采用鄧肯式新復式極差(SSR)檢驗的結(jié)果。表5表明，對于表面粗糙度,壓光壓力的第1、2水平間達到極顯著差異,第1、2和3水平間達到顯著差異；對于光澤度,壓光壓力3個水平間均達到極顯著差異；對光學密度而言,PCC加填量的第2、3水平達到顯著差異,壓光壓力的第2、3水平達到顯著差異；對于色域,紙漿配比3個水平間達到極顯著差異；對于線寬,PCC加填量第2水平和第1、3水平達到極顯著差異；對于抗水性能,壓光壓力的第2水平與第1、3水平間達到極顯著差異。對6個指標同一因素不同水平間進行SSR檢驗能夠為后續(xù)確定多指標實驗的最優(yōu)水平組合提供更多依據(jù)。

2.4 優(yōu)化工藝條件的確定

由表3可知,不同評價指標下各因素的最優(yōu)水平組合存在一定的差異,但表4和表5的方差分析、因素貢獻率和同一因素不同水平差異顯著性檢驗則表明，在確定最優(yōu)水平時[5]應優(yōu)先考慮色域,然后再考慮表面粗糙度和光澤度,而線寬、色差、光學密度則可以不考慮,據(jù)此較優(yōu)水平組合可選為A1B2C3D3和A1B1C1D3。

B因素有B1和B22個水平供選擇,取B2時,表面粗糙度比取B1時下降了3.52%,光澤度比取B1時下降了2.50%,而色域比取B1時增加了0.99%；對于非涂布噴墨打印紙,表面粗糙度對文字、線條的清晰度影響較大,所以B因素應選擇B2。

C因素有C1和C32個水平供選擇；取C1時,表面粗糙度比取C3時增大0.48%,光澤度比取C3時下降10.53%,而色域比取C3時減少0.40%,光澤度下降過多；考慮紙張光澤度對印刷的影響,認為選擇C3比較適宜。

表6 最優(yōu)組合條件下抄造的非涂布噴墨打印紙各項指標的預測值及實測值

注 置信水平為90%。

因此，最優(yōu)組合選擇為A1B2C3D3。

2.5 最優(yōu)水平組合下評價指標值的預測與驗證

根據(jù)正交實驗數(shù)據(jù)的線性結(jié)構(gòu)模型[10-13]計算得到最優(yōu)水平組合A1B2C3D3條件下非涂布噴墨打印紙各指標的估計值和各指標點估計值[14]在置信水平為90%時的置信區(qū)間,同時用最優(yōu)組合A1B2C3D3的條件抄造非涂布噴墨打印紙,采用與正交實驗中相同的測量條件對6個指標進行測試,實測值及預測值見表6。

從表6中實測值與預測值的對比來看,色域的實測值未落在預測范圍內(nèi)，略優(yōu)于預測值，而表面粗糙度、光澤度、光學密度、線寬和抗水性能的指標值均在預測的置信區(qū)間范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

采用多指標正交實驗對非涂布噴墨打印紙的抄造條件進行了優(yōu)化，并采用極差、方差分析以及鄧肯式新復式極差(SSR)檢驗得到了非涂布噴墨打印紙的最佳抄造條件。

3.1 通過直觀分析可以得出在單個指標下紙漿配比、AKD用量、PCC加填量和壓光壓力的影響主次順序和最優(yōu)的工藝條件；方差分析彌補了直觀分析沒有考慮誤差的不足,同時對在各指標下因素的影響顯著與否進行數(shù)值預估(F值),并得出各因素對該指標的貢獻率大小。

3.2 從紙張表面性能、印刷性能和抗水性能三方面特征選取多個指標評價非涂布噴墨打印紙質(zhì)量,雖然在直觀分析中多個指標各因素最優(yōu)水平不盡相同,但綜合方差分析、貢獻率和同一因素不同水平差異顯著性檢驗表明,確定最優(yōu)水平時應優(yōu)先考慮色域,表面粗糙度和光澤度次之,而線寬、抗水性能(色差)和光學密度則可以不予考慮,結(jié)合成紙的最終需求,確定最優(yōu)組合為闊葉木漿與針葉木漿配比為85∶15、AKD用量0.10%、PCC加填量25%、壓光壓力3 MPa。在此最優(yōu)條件下抄造的非涂布噴墨打印紙表面粗糙度3.50 μm、光澤度13.58%、光學密度1.30、色域5499.10、線寬312.17 μm、抗水性能1.02，能夠滿足噴墨打印的要求。

3.3 在正交實驗確定的最優(yōu)組合實驗條件下抄造非涂布噴墨打印紙,通過正交實驗數(shù)據(jù)的線性結(jié)構(gòu)模型計算得到了最優(yōu)水平組合下的各指標的預測值。從預測值和實測值的對比來看,除色域?qū)崪y值落在預測置信區(qū)間范圍外,其他實測值均在置信區(qū)間范圍以內(nèi),表明采用多指標正交實驗來優(yōu)選非涂布噴墨打印紙的抄造條件的方法是可行的。

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(責任編輯：王 巖)

Optimization of Production Process of Uncoated Ink-jet Printing Paper by the Multi-index Orthogonal Experiment

LI Ren-ai1ZHANG Yan2CAO Yun-feng1,*

(1.NanjingForestryUniversity,JiangsuProvinceKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,Nanjing,JiangsuProvince, 210037； 2.He′nanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy,Zhengzhou,He′nanProvince, 450011)

(*E-mail： yunfcao@163.com)

Using paper surface property, printability performance and water resistance as evaluation indicator of the paper, the production process and the ratio of fiber raw materials of uncoated ink-jet printing paper were optimized through the multi-index orthogonal experiment, the range and variance analysis and SSR test were adopted to obtain the optimal manufacture conditions of uncoated ink-jet printing paper. The results showed that when 85∶15 of hardwood pulp to softwood pulp, 0.1% of sizing amount of AKD, 25% of filling amount of PCC and 3 MPa of calendaring pressure were applied, the comprehensive performance of the uncoated ink-jet printing paper could reach the best level.

uncoated ink-jet printing paper； the orthogonal experiment； variance analysis; SSR test

2015- 01-23

江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目。

李仁愛，男，1990年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：紙張印刷適性。

*通信聯(lián)系人：曹云峰，E-mail：yunfcao@163.com。

TS758+.1

A

1000- 6842(2015)03- 0024- 07