黑小麦浆在印刷纸基中的应用

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北欧纸浆与造纸研究杂志2020年；35(2)：272–278

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伊雷娜·贝茨、伊万娜·普拉佐尼奇*、瓦伦蒂娜·拉迪奇·塞莱什和泽尔卡·巴巴里奇‐米科切维奇
确定含黑小麦浆纸基在印刷行业中的质量
https://doi.org/10.1515/npprj‐2020‐0009收稿日期：2020年1月20 日；接受日期：2020年3月19日；在线优先出版日期：2020年4月10日

摘要

如今，造纸工业面临着原生木材材料全球性短缺的问题，因此原生纤维素纤维的替代来源在造纸生产中正发挥着重要作用。农业国家产生大量农作物种植副产品，例如秸秆，这是一种极具潜力的纤维素纤维替代原材料。由于具有诸多优点，秸秆被广泛应用于多个行业，如动物饲料工业、生物燃料工业、建筑业以及艺术材料领域。秸秆生产残余物在造纸和印刷行业中的潜在应用具有重要意义。本研究聚焦于黑小麦秸秆，将其作为非木材纤维来源用于造纸生产。具体而言，将黑小麦秸秆转化为半化学浆，并与再生木浆混合，以制备替代性实验室纸张。基于线条再现质量分析了此类实验室纸张在印刷行业中的适用性。本研究根据四个线条属性——宽度、模糊度和参差度——对线条再现质量进行了评估和分析。研究结果证明，在实验室纸张中，黑小麦浆对线条印刷质量的影响与再生木浆相当。

关键词 ：喷墨印刷；实验室纸张；线条属性；再现质量；秸秆纸浆。

引言

植物纤维中的纤维素必须先转化为纸浆，然后才能用于制造各种等级的纸张。木材作为造纸工业的传统原材料，在今天已是一种不足的来源，未来纸浆和造纸工业的木材供应将受到限制（Ince1996）。事实上，全球约92%的纸浆、纸张和纸板生产依赖于软木或硬木等木材原材料（Fahmyetal.2017）。由于全球对纤维材料的需求不断增长、许多地区木材的全球短缺以及环境意识的提高，非木材纤维已成为21世纪纤维材料最重要的替代来源之一（Ashori2006）。

如今，仅有小部分纸张由非木材纤维制成，这些纤维也被称为“无树”纤维来源，按有机类型分为两大类：农业残余物和主栽作物（埃文斯等人2013）。近年来，越来越多的研究致力于比较替代纤维与木纤维在造纸中的质量和适用性。替代性纤维材料的使用取决于其可大量获取的地区。目前造纸中使用最广泛的非木材来源包括秸秆、甘蔗渣、竹子、黄麻、大麻、剑麻、马尼拉麻、棉短绒和芦苇，以及一些特殊的原材料如水生植物、茶叶废弃物、棕榈叶和香蕉茎。例如，香蕉茎含有高达85%的纤维素，纤维长度可达3.11毫米（库马尔等人2013，辛格和班迪奥帕迪亚伊2013），在印度被视为一种廉价且易得的原材料，适用于生产具有市场竞争力强度和质量的多种纸张（卡尔万卡尔等人2018）。根据阿尔‐苏莱马尼和杜维迪的研究，香蕉纤维适合用于纸巾和湿巾等高端用途，而甘蔗渣纤维较重，因此可用于包装用粗糙纸张。通过添加合适的添加剂（如CaCO3和淀粉），可以改善由甘蔗渣或香蕉浆制成的纸张性能，其中CaCO3作为填料赋予纸张白色，淀粉则作为胶黏剂使纤维结合更紧密（阿尔‐苏莱马尼和杜维迪2017）。一些纤维的替代来源已应用于图文印刷品的生产中。在印度，泰米尔纳德新闻用纸和纸业有限公司使用甘蔗渣纸浆生产新闻纸，该纸张具有良好的光学性能、松厚度、平滑度，并能通过吸收实现快速油墨干燥（雷尼和科维2016）。

由于环境保护的原因，如今纸浆主要通过将原生纤维与回收的旧新闻纸浆（ONP）混合获得。这种做法十分普遍，旨在实现印刷基材所需的性能。原生纤维不一定必须来源于木材（鲍耶等人，2004年）。根据纳萨尔等人（Nassaretal.2015）的研究，在混合物中添加33.3%至50%的稻草浆可提高ONP的抗张强度。在制浆前，最多可将5%至20%的香蕉茎与农业原料残余物混合，以增强物理强度性能，且对制浆和漂白过程无明显影响（Tripathietal.2013）。秸秆是广泛农业生产的副产品，小麦秸秆与谷物生产的比例约为1:1，因此将其用于造纸生产的兴趣日益增长也就不足为奇了（鲍耶等人，2004年，法韦罗等人，2017年）。尽管多种作物均可提供用于造纸生产的纤维，但目前看来最适应当下技术的作物是小麦、大麦和燕麦（鲍耶等人，2004年）。在鲍耶的报告中，提出了使用农业残余物作为造纸纤维来源的环境效益，并建议木材与农业残余物共混制浆的比例为1:10至1:15。

然而，使用农业残余物制得的纸浆所生产的纸张在印刷质量方面尚未得到充分分析。因此，本研究分析了含有黑小麦浆的纸张作为可再生纤维来源的原材料在印刷行业中的潜在应用。

本文所介绍的研究重点在于探讨从克罗地亚最丰富的作物之一——黑小麦秸秆中提取非木材纤维素纤维的可能性，并研究其在生产适用于数字印刷过程的印刷基材方面的应用。本研究选择了喷墨印刷这一增长最快的数字印刷技术进行研究。

由于图像质量会以多种方式受到纸基特性的影响，因此基于线条再现质量分析了在数字印刷中使用替代纸基的可能性。线条质量，即清晰度和无边缘噪声，对于读取印刷的条形码和文本极为重要。由印刷工艺和印刷基材引起的一些最常见的线条质量问题包括污迹、过喷和洇染。每种印刷过程都存在一定程度的不一致性，因此最细线条的线条再现质量必须在相对于理想线条增量的公差范围内（埃尔德雷德，2008年）。本文所呈现的研究提供了关于纸基影响的重要结果，基于线条的基本参数：线条厚度增量、模糊度和参差度，对印刷质量的再现性进行研究。

方法论

本研究的实验部分包括三个阶段：
1. 秸秆转化为半化学浆；
2. 制备含黑小麦浆的实验室纸基材；
3. 含黑小麦浆实验室制造的纸张的可印刷性分析

秸秆转化为半化学浆

本研究使用的秸秆为来自大陆克罗地亚田地的黑小麦作物残余。黑小麦是小麦和黑麦的杂交作物，是一种相对较新的谷物，正越来越多地应用于农业生产中。该秸秆来自冬黑小麦品种（十月播种七月收获），并被人工切割成1至3厘米长的段。秸秆转化为纸浆的过程通过制浆过程完成，该过程包括对纤维进行化学处理以去除木质素，从而将纤维素纤维从秸秆组织中分离出来，并通过机械精炼完成制浆作用（普拉佐尼ć等，2014）。制浆条件见表1。

表1：制浆条件。

非木材植物材料	制浆方法	制浆条件
黑小麦秸秆	烧碱法制浆	温度为120°C，碱浓度为16%的条件下处理60分钟，并采用10:1液固比。

在自动高压灭菌器（Kambič）中按照受控且明确的条件（表1）进行热处理后，通过倾析将纸浆浆料从黑液中分离出来。随后，软化的纸浆用自来水分两个循环进行冲洗，并转移至瓦利打浆机（泰克拉布系统（TLS）），加入适量自来水以保持纸浆悬浮液浓度为1.5%。纤维分离在pH9、24°C和500转/分钟条件下持续40分钟。最后，将纸浆沥干并干燥至含水率约为7%。

对所得未漂白纸浆进行了亮度、卡伯值和灰分含量分析，结果汇总于表2。

表2：所得秸秆浆的特性。

特性	ISO标准	黑小麦浆
D65亮度，%	ISO2470‐2:2008	19.452 ± 0.41
卡伯值	ISO302:2015	32.40
灰分900,%	ISO2144:2015	7.28 ± 0.42

黑小麦浆实验室纸基的成型

将黑小麦浆添加到由再生木浆制成的商业纸基中。

使用半自动Rapid‐Kothen抄片机成型含10%、20%和30%黑小麦浆的实验室纸基。由再生木浆（100%）制成的实验室纸基作为对照样品，以便比较含黑小麦浆纸张的质量。总共生产了四种不同类型的实验室纸基（42.5g/m², 20 cm直径）。实验室纸张的成型工艺流程如图1所示。

示意图0

黑小麦浆实验室制造的纸张的可印刷性分析

实验室制备的纸张由AGFAAna‐purnaM1600紫外光固化压电按需喷墨打印机进行印刷。喷墨印刷工艺是一种相对较新的印刷工艺，非常适合多种印刷应用。它是一种计算机到印刷技术，其中有限量的液体（油墨）被直接转移到印刷基材上。该印刷工艺与传统使用的印刷工艺（胶印、柔版印刷等）相比具有多个优点。主要优点包括可变数据功能、短版印刷的低设置成本和短版印刷。紫外光固化喷墨打印机配备有1024个喷嘴的打印头，彩色液滴体积为12皮升，可在高达720 × 1440dpi的情况下实现高质量实地与色调再现（Bates等人，2014a）。

复制由基于数字形式完整描述的打印作业的光栅图像处理器直接控制（芬顿1998）。

在所有实验室纸张上，沿水平方向应用七种不同线宽的测试图案五次，以分析其可打印性。所有线条均使用黑色打印（由打印机制造商推荐）。

具有规定线宽的测试图案如表3所示，其应具有图2(A)中所示的理想（理论）反射率。所列线宽中有三种（0.025毫米、0.050毫米和0.088毫米）低于推荐的最小线宽值。

表3:按线宽（毫米/点）定义的测试图案。

测试图案	线宽 mm	pt
	0.025	0.071
	0.050	0.142
	0.088	0.25
	0.176	0.50
	0.265	0.75
	0.353	1.00
	0.706	2.00

示意图1

根据ISO15416标准（ISO154162016）对条码符号的印刷进行评估。

使用数字显微镜PIAS‐II（个人图像分析系统）及根据国际印刷质量标准ISO13660（ISO136602001）开发的软件，对印刷线条的质量参数进行了评估。

宽度增量、模糊度和参差度作为重要的可测量质量参数，被用于评估基于反射系数（R）的实验室纸张上的线条再现质量，其中Rmin表示基材的反射系数，Rmax表示油墨的反射系数。

实际线条再现的线宽如图2(B)所示，被观察为内边缘阈值（60%）与外边缘阈值（60%）之间的线条，并根据以下方程（ISO136602001）计算：

$$ R_{60} = R_{\text{max}} - 0.6 \times (R_{\text{max}} - R_{\text{min}}) $$ (1)

模糊度（图3）作为印刷线条的第二个质量参数，定义为内侧和外侧边缘分别在90%和10%处的平均距离，代表了与线条边缘清晰度相反的特性（ISO136602001）。

示意图2

线条再现质量的第三个参数——参差度（图4），定义为边缘与其理想位置之间几何偏差的外观表现。根据ISO13660（ISO136602001）标准，参差度被确定为边缘阈值处拟合直线后残差的标准偏差。

线条边缘噪声（“参差度”）增加以及边缘模糊（缺乏“清晰度”）会对线条再现质量的劣化产生影响（Kipman1998）。

示意图3

一种用于对印刷文本和线条质量进行客观评估的模型，对线条再现质量进行了额外分析（Bates等，2014b）。基于线性回归分析，谢提出了一种用于客观评估的模型（公式2）。在他的研究中，建立了线条质量参数：线宽、模糊度和对比度作为自变量之间的强相关性。该经验模型能够预测印刷品的主观评分。

$$ S = -\frac{1}{37.7} \times B + 5.38 \times C + \frac{1}{16.4} \times W $$ (2)

其中S表示模型预测的分数，B为线宽的模糊度[mm]，C为线条的对比度，W为线宽[mm]（Tse2007）。对比度根据以下方程计算：

$$ \text{Contrast} = \frac{R_{\text{field}} - R_{\text{image}}}{R_{\text{field}}} $$ (3)

其中$ R_{\text{field}} $为野外的反射率，$ R_{\text{image}} $为线的反射率。

每种实验室用纸的所有测量均重复40次，并在OriginLab8.0中进行统计处理。

结果与讨论

为了确定黑小麦浆在纸基材中的最适宜质量比以实现令人满意的复制质量，观察了印刷测试图案的线条再现质量。

实际线条再现的结果与测试图案定义的预期理想线宽之间的关系如图5所示。理想的印刷线条应清晰、均匀且无宽度增量，但在印刷过程中无法完全实现（图2(A)）。

在印刷过程中，与测试图案定义的原始几何形状相比，线条的形状发生了扩张，且扩张程度取决于线条的厚度。图5展示了所有观察纸张上印刷线条与理想线条的宽度值。通过比较添加黑小麦浆的实验室纸基材与仅由再生木浆构成的对照样品，发现其测量的线宽相对于理想线宽（以“星号”标记）非常接近或相等。其中，0.050毫米的细线在印刷线宽与理想线宽之间的差异最小（0.13 mm），而0.353毫米的粗线差异最大（0.26 mm）。对于细线而言，线宽增加最小（0.025毫米时介于0.14mm和0.17 mm之间；0.088毫米时介于0.14 mm和0.23 mm之间）。

示意图4

而对于较粗的线条，增加量更大且非常相似（0.176毫米在0.21毫米和0.24毫米之间；0.265毫米在0.20和0.23毫米之间；0.706毫米在0.22毫米和0.24毫米之间）。

所有含30%黑麦小麦纸浆的实验室纸张上的印刷线条均表现出最大的线宽增加。如果考虑百分比增长，则细线（0.050毫米和0.088毫米）在所有观察样本上均出现了不可接受的线宽增加。根据纸张基材等级，条码尺寸相对于理想几何形状的放大公差可在100%至160%之间变化（First2003）。

为了更好地分析实际线条再现，通过PIAS相机的高分辨率光学模块拍摄含30%黑小麦浆纸张上印刷线条的显微图像，并使用图像分析软件ImageJ进行分析（图6）。

所有实验室制纸基材的模糊值非常相似（图7）。通过增加黑小麦浆的比例，对于ISO15416标准（ISO154162016）推荐的理想线宽（0.176毫米、0.265毫米、0.353毫米、0.706毫米），印刷线条的模糊度并未显著增加。在比较所有印刷线条时，所有纸基上模糊值最低的是理想线宽为0.050毫米的细线，而模糊度最高的是理想线宽为0.088毫米和0.025毫米的线条。这些测定结果与图6中所示的线条图一致。

线条质量的第三个参数参差度的结果表明，具有理想线宽的细线0.025毫米和0.05毫米在所有实验室纸张上的毛边值最高（图8）。而其他线宽的毛边值非常接近，范围从0.024到0.030毫米。

含有黑小麦浆的实验室纸基材和含再生木浆的实验室纸张在三个线条属性（模糊度、参差度和宽度）基础上提供相似的复制质量水平。

模型对线条再现质量进行客观评估所预测的得分表明，所有观察到的实验室纸张上的线条质量非常相似。该经验模型表明，在主观观察下，所观察的实验室纸张上所有印刷线条的质量几乎相等。

示意图5