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文檔簡介

瓦楞紙箱在果蔬包裝中的應用與發(fā)展前景

水性油墨水精板印刷是瓦冷紙板最重要的打印方法。柔版印刷技術(shù)的快速進步以及消費者對印刷質(zhì)量要求的提高,都對瓦楞紙板表面的印刷適性提出了更高的要求。本文介紹了瓦楞紙板的最新發(fā)展趨勢及不斷擴展的用途與商機,較詳細地討論了水性油墨柔版印刷對瓦楞紙板表面性能的最新要求。1瓦爾登紙板的發(fā)展趨勢1.1瓦城紙板的物理成分常用瓦楞紙板一般由“一瓦兩面”,即內(nèi)層面紙、中層制成波浪形狀的瓦楞原紙和具有良好印刷適性的外層面紙(箱紙板)黏合組成。表1列出了常見標準瓦楞楞型的楞高、楞間距、成形系數(shù)等主要技術(shù)參數(shù)。瓦楞較高并且楞間距較大的紙板(如A、B和C型)具有更高的挺度和防沖抗壓能力。瓦楞較低且楞間距較小的紙板(如E、F和G型)則具有良好的印刷適性和促銷功能。通過改變瓦楞楞型或者瓦楞原紙與面紙的定量,瓦楞紙板能夠制成多種具有不同機械強度和印刷適性的紙板,從而能夠滿足客戶各種不同的商品保護與促銷需求。例如,多瓦多面(如三瓦四面七層)型紙板能夠取代木材和金屬包裝重型貨物?;旌贤呃阈图埌迦鏐E型或者CE型紙板不但具有良好的商品保護性能,其楞高較低的E型瓦楞也使得紙板能夠同時具有良好的印刷適性與促銷功能。在這個意義上,美國漿紙工業(yè)技術(shù)協(xié)會(Tappi)聲稱美國95%以上的商品運輸采用瓦楞紙板箱包裝。日本紙業(yè)協(xié)會(JapanPaperAssociation)的數(shù)據(jù)顯示,飲料和成品與半成品食品包裝是瓦楞紙板最重要的市場,其消費量占瓦楞紙板總量的40%左右。新鮮水果和蔬菜包裝占日本瓦楞紙板消費總量的13%,而電子產(chǎn)品和家用電器包裝占10%左右。目前我國水果和蔬菜年產(chǎn)量已經(jīng)高達3.6億t,但是其中接近8000萬t在流通過程中腐爛損失。包裝不當被認為是造成果蔬腐爛損失的最重要原因之一。采用瓦楞紙箱運輸果蔬不但能夠避免水果磕碰損傷,具有防水性能的瓦楞紙箱也能夠防止蔬菜在流通過程中失水發(fā)蔫,經(jīng)過無菌消毒和保鮮防腐處理的紙箱還能夠進一步延長果蔬保鮮期。隨著我國果蔬種植與收購銷售機制的進一步完善,瓦楞紙板在我國果蔬保鮮包裝領(lǐng)域具有極大的市場發(fā)展?jié)摿?。瓦楞紙箱在短途運輸和企業(yè)內(nèi)部商品運輸方面一定程度上受到了再用型塑料箱的沖擊。但是隨著廢紙回收再生技術(shù)的進步,目前在包裝業(yè)出現(xiàn)了以紙帶塑的趨勢。在酒類、營養(yǎng)品、快餐、微電子產(chǎn)品等商品包裝領(lǐng)域,新興的微型瓦楞紙板(包括E、F、G、N等微型瓦楞)正開始與傳統(tǒng)白紙板爭奪市場。近年來發(fā)展迅速的微型瓦楞紙板主要包括F型(0.75mm)、G型(0.50mm)、N型(0.46mm)、O型(0.30mm)等。微型瓦楞紙板具有以下特點:(1)良好的抗壓與緩沖性能。在相同定量下,微型瓦楞紙板的抗壓與緩沖性能遠遠超過實芯紙板。(2)良好的印刷適性。微型瓦楞紙板可以在膠印機上直接印刷,能夠承印色彩艷麗的精美圖像。(3)節(jié)省用紙與成本。在相同定量下,瓦楞紙板防沖抗壓能力大大高于實芯紙板,使得微型瓦楞紙板特別是以F楞和G楞為主的3層瓦楞紙板,能代替較高定量的實芯紙板作為外包裝或內(nèi)包裝緩沖材料。目前美國及歐洲一些國家的企業(yè)已紛紛擴大F楞和G楞的生產(chǎn)規(guī)模,甚至已經(jīng)開始應用N楞、O楞等更小楞型的瓦楞紙板??梢灶A測微型瓦楞紙板將成為包裝材料的新秀,為造紙和包裝工業(yè)帶來更廣闊的應用前景。1.2厚定量箱紙板和回收再生箱紙板1.2.1高強輕量化紙紙板和立地搭建瓦楞紙板近幾年最重要的發(fā)展趨勢之一是輕量化。自從美國運輸業(yè)在20世紀90年代初期提出紙箱制造業(yè)可以選擇采用基于定量和耐破強度的傳統(tǒng)紙箱標準(Rule41/Item222)或者基于對定量無要求的新型邊壓強度紙箱標準(AlternateRule41/Item222,EdgeCrushTestStandard)以來,采用低定量高強度箱紙板和瓦楞原紙制造符合邊壓規(guī)則和具有更高抗堆碼壓力性能的瓦楞紙板迅速受到北美紙箱消費者的青睞。根據(jù)美國森林和造紙協(xié)會的統(tǒng)計,從1993年(開始統(tǒng)計低定量箱紙板產(chǎn)量)到2001年,標準定量箱紙板(205g/m2)消費總量從36.9%降低到21.7%,而高強度低定量箱紙板(160~180g/m2)消費總量則從7.1%激增到22.8%,使消費量增加到450萬t。在同一期間,標準定量瓦楞原紙(127g/m2)消費總量從67.8%降低到41%,而高強度低定量(90~115g/m2)瓦楞原紙消費量則從1993年的不到1%增加到18.1%。高強度輕量化紙箱比傳統(tǒng)紙箱具有許多優(yōu)勢,包括節(jié)省包裝材料有利于環(huán)境保護、紙箱能夠堆碼更高有利于充分利用儲存空間、為客戶節(jié)省包裝和貨運費用、為造紙和紙箱企業(yè)節(jié)省原料成本等。高強度低定量瓦楞紙板機械強度并非全都高于常規(guī)標準型瓦楞紙板,而只是指這類箱紙板或者瓦楞原紙的環(huán)壓強度或者STFI抗壓強度大大高于相同定量的常規(guī)箱紙板,并且采用它們制造的瓦楞紙板能夠滿足運輸業(yè)邊壓強度標準和紙箱疊壓強度的要求。與常規(guī)箱紙板比較,高強度低定量箱紙板具有以下特征:①高強度箱紙板一般在縱向具有較低的取向,以有利于提高橫向的抗壓強度,②高強原紙的緊度一般高于常規(guī)原紙,以利于增加纖維間的結(jié)合力。高強度低定量箱紙板的上述特征也導致高強度原紙具有比常規(guī)箱紙板更高的脆性和更低的耐破強度。事實上,由于低定量紙箱耐破度較低,高強度低定量紙箱一般不能滿足容易磕碰破損物品如空運小包裹的包裝保護需求。1.2.2布置合理西方國家紙箱輕量化不僅表現(xiàn)在大量采用低定量箱紙板取代標準定量箱紙板,更表現(xiàn)在普遍采用單瓦雙面三層瓦楞包裝紙箱。例如,美國和日本三層瓦楞紙箱占紙箱消費總量的80%以上,而我國三層紙箱目前僅占紙箱消費總量的10%左右,雙瓦楞五層紙箱卻占瓦楞紙箱總量的80%以上。這也說明在我國實現(xiàn)瓦楞紙箱輕量化不但需要發(fā)展國產(chǎn)高強度低定量箱紙板,更需要首先引導紙箱使用者改變商品過度包裝的慣性心態(tài)和大力引進與發(fā)展單瓦三層紙板的制造與加工技術(shù)以降低雙瓦五層紙箱的消費量。1.2.3提高再生瓦氏原紙比例大量采用回收再生纖維生產(chǎn)箱紙板是近年造紙產(chǎn)業(yè)的另一重要發(fā)展趨勢。1990年美國利用再生纖維生產(chǎn)的箱板紙僅有32萬t(占當年箱紙板總產(chǎn)量的1.9%),到2001年則已經(jīng)增加到430萬t,占當年箱紙板總產(chǎn)量的21.5%。同樣,采用再生纖維生產(chǎn)的瓦楞原紙也從1990年的205萬t(占瓦楞原紙總產(chǎn)量的22.1%)增加到2001年的404萬t,使再生瓦楞原紙的比例提高到瓦楞原紙總產(chǎn)量的43.4%。瓦楞原紙對于紙張外觀要求較低是再生瓦楞原紙比例大大高于再生箱紙板的主要原因。再生纖維成本低于原生木漿是紙類包裝制品相對于其他包裝材料的一個優(yōu)勢。但是,再生過程中作用在廢紙表面的機械力不僅可能導致再生纖維長度和強度降低,而且每一次脫水干燥也將導致再生纖維損失部分交織黏合性能,從而使得再生紙板耐破強度一般低于原生木漿紙板。此外,由于再生纖維中殘留的低表面能物質(zhì)可能導致紙箱在運輸過程中滑動,因此,再生紙板需添加防滑劑以提高紙箱摩擦因數(shù)。另一方面,隨著造紙技術(shù)的進步和新型造紙助劑的應用,已成功開發(fā)出100%再生纖維高強度低定量箱紙板。2001年美國采用再生纖維制造的高強度低定量箱紙板(160~180g/m2)產(chǎn)量已達到109萬t,占當年高強箱紙板總產(chǎn)量(450萬t)的24.2%??紤]到國內(nèi)森林資源短缺,我國造紙業(yè)應進一步發(fā)展再生纖維高強度箱紙板制造技術(shù)。2柔版印刷的優(yōu)勢水性油墨柔版印刷(包括柔版直接印刷瓦楞紙板和柔版預印)是最常見的瓦楞紙板印刷工藝。在美國,95%左右的紙箱采用柔版印刷,西歐為85%,日本為93%以上,我國目前只有50%左右。柔版印刷工藝在瓦楞紙板上的廣泛應用主要歸功于最近20年來柔版印刷質(zhì)量的大幅度提高,從而使得柔版印刷紙箱能夠滿足客戶對于銷售包裝質(zhì)量的需求。與其他印刷方式相比,柔版印刷應用于瓦楞紙板具有以下優(yōu)勢:(1)柔性印版的可變形性。采用天然橡膠或者高分子材料制造的柔性印版富有彈性,能夠在印刷過程中以本身的壓縮變形彌補瓦楞紙板的厚薄誤差與表面不平,使墨層較均勻,從而提高印刷質(zhì)量。(2)柔版印刷屬于輕壓力印刷(kissprinting)。柔性印版良好的柔軟性使得只需要施加較小的印刷壓力就能達到良好的印刷效果。印版的可變性不但能夠減輕瓦楞高低不平引起的壓力不均勻?qū)τ∷①|(zhì)量的影響,輕壓力印刷還有利于降低印刷壓力對紙板抗壓防沖等力學性能的影響。(3)柔版印刷采用環(huán)保型水性油墨。與傳統(tǒng)溶劑型油墨比較,水性油墨比較環(huán)保,具有污染少、干燥快、操作使用方便、成本相對低廉等優(yōu)勢。(4)柔版印刷機結(jié)構(gòu)簡單,固定成本低,適合做大。柔版印刷機結(jié)構(gòu)簡單,裝版、調(diào)整、清洗都很方便。柔版印刷機還能與其他工序聯(lián)動生產(chǎn),如與壓痕、開槽、模切、涂膠、制箱、計數(shù)等組成聯(lián)動生產(chǎn)線,大大提高生產(chǎn)效率。目前許多瓦楞柔版印刷機能夠在B型瓦楞紙板上直接印刷網(wǎng)線在75~100lpi(每英寸上等距距離排列的網(wǎng)線數(shù)目即為lpi)的四色油墨圖像并且上光。柔版預印(即先將箱紙板印刷后再制成瓦楞紙板)因為避免了瓦楞紙板表面的“搓板現(xiàn)象”,能夠在平滑的箱紙板表面的印刷網(wǎng)線高達150lpi甚至200lpi(利用計算機直接制造感光樹脂柔印版)、印刷質(zhì)量能夠與平版膠印和凹印的媲美。隨著我國近年來陸續(xù)推出各種針對印刷產(chǎn)業(yè)的環(huán)境保護法規(guī),可以預測,使用環(huán)保型水性油墨的柔版印刷不但可能在瓦楞紙板印刷領(lǐng)域進一步迅速發(fā)展,也可能在軟包裝印刷市場取代部分污染嚴重的溶劑型油墨凹版印刷工藝。3印刷適性的測定消費者對于包裝紙箱促銷功能的需求正在促使箱紙板和瓦楞紙板生產(chǎn)廠家進一步提高紙板的印刷適性。臧永華等指出,影響瓦楞紙板面紙水性油墨柔版印刷質(zhì)量的性能不僅包括影響紙張印刷適性的共性,如紙板白度/亮度、表面平滑度、空隙度與保墨性、勻度等,還包括一些影響水性油墨轉(zhuǎn)移的特殊性能,如紙板可濕潤性、吸水性和紙張酸度(pH值)等。(1)高硬度紙質(zhì)印刷法圖像分析紙張白度(這里實際上是ISOBrightness)是指該紙張對于波長在457nm處的藍光反射率。在印刷生產(chǎn)中,高白度紙張能夠增加圖文墨跡與周圍空白區(qū)域的反差,使印刷圖像網(wǎng)點區(qū)域?qū)哟吻逦?實地印刷墨跡厚實,從而能夠使印刷品準確地再現(xiàn)原稿彩色圖像的豐富層次和鮮艷色彩。在造紙工業(yè)界,瓦楞紙板面紙的白度也是其分類最主要的依據(jù)(見表2)。應該指出,亮度只是反映了紙張對于藍光的反射率。為了獲得匹配的顏色,造紙廠需要同時控制箱紙板的亮度和顏色。(2)基于表面平滑度法的印刷適性平滑度是決定紙張印刷適性的重要技術(shù)指標之一。目前造紙和印刷業(yè)所說的平滑度或粗糙度一般是指利用空氣泄漏法平滑度儀測得的一定體積的空氣在一定真空度和壓力條件下從一定面積的紙張表面與玻璃面之間的間隙流過時所需要的時間或者流動速率。這種平滑度在一定程度上反映了凸凹不平的表面與理想光滑參照面的差異,它們也確實與通過油墨轉(zhuǎn)移量估算的紙張印刷平滑度具有一定的相關(guān)性且能在一定程度上用來預測不同紙張的印刷適性。但由于各種不同類型的空氣流動平滑度儀具有不同的測量面積和對于紙面微觀結(jié)構(gòu)的變化具有不同的敏感性,所以使用不同平滑度儀對同一批紙張按照粗糙度高低分類可得到不同的順序。事實上,文獻確實顯示不同的平滑度儀具有不同的預測印刷適性的能力。此外,具有不同微觀幾何形狀的紙張(例如凹下部分較深較窄與較淺較寬的紙張)可能具有相近的空氣流動速率。這導致一些具有相近表面平滑度的紙張表現(xiàn)出差別很大的印刷適性。這也說明空氣泄漏平滑度儀雖然操作方便,但是由于這些儀器不能夠準確反映紙面微觀幾何形狀的變化而在預測紙張印刷適性方面有很大局限性。Zang等采用各種不同的空氣泄漏式平滑度儀(包括Bekk,Bendtsen,Shelffield)和PPS(ParkerPrintSurfRoughness)粗糙度測試儀測定了紙張平滑度數(shù)值之間的相關(guān)性以及用這些數(shù)值在柔版印刷中預測瓦楞紙板面紙印刷質(zhì)量。數(shù)據(jù)顯示,利用Bendtsen和PPS測試儀得到的平滑度或者粗糙度與印刷質(zhì)量有較好的相關(guān)性。一般來說,表面平滑度較高的紙張可在較低的印刷壓力下實現(xiàn)油墨轉(zhuǎn)移,從而能夠降低網(wǎng)點漏印、網(wǎng)點擴大等印刷質(zhì)量問題。高平滑度也使墨層在紙張表面的分布更均勻,使達到指定的印刷密度所需要的墨量更低,從而使原版彩色圖像墨色均勻、印跡清晰。在這個意義上,Johansson等最近采用光學表面形態(tài)分析方法(OptiTopomethod)比較了瓦楞紙板面紙表面形態(tài)和柔版印刷后實地區(qū)域印刷斑點(實地印刷區(qū)無規(guī)則出現(xiàn)的無油墨轉(zhuǎn)遞部分)的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn),無油墨轉(zhuǎn)遞的印刷斑點區(qū)域?qū)谕呃慵埌迕婕埍砻姘枷碌牟糠?這再次證明了表面平滑度對于印刷質(zhì)量的重要性。另外,紙張可壓縮性的不同也可能導致平滑度相近的紙張表現(xiàn)出不同的印刷平滑性和印刷適性。在粗糙度相近的紙張中,可壓縮性較高的瓦楞紙板和面紙在壓印時能夠表現(xiàn)出更高的印刷平滑性,從而為油墨轉(zhuǎn)移提供更有利的條件和表現(xiàn)出更好的印刷適性。影響紙張可壓縮性的因素包括纖維硬度、水分含量、紙質(zhì)結(jié)構(gòu)、勻度、空隙度以及壓光過程等。(3)透氣性和保墨性空隙度主要通過影響紙張的吸墨性與保墨性和可壓縮性而影響紙張的印刷適性??障抖壤碚撋峡赏ㄟ^紙張定量與厚度、纖維與填料的含量及其密度而計算得到。但纖維密度通常依賴于水分含量,而紙張厚度一般依賴于測量壓力。實際上,空隙度一般是指紙張的透氣度,即利用空氣泄漏儀(如Bendtsen,Sheffield和PPS)測得的一定體積的空氣在一定條件下流過紙張所需要的時間或者流動速率。透氣度不但依賴于紙張空隙度,也依賴于孔隙結(jié)構(gòu)如孔隙直徑及其分布、孔隙連通性及其曲折度等。與平滑度一樣,文獻顯示同一批紙張通過不同空氣泄漏儀測得的透氣度可能具有不同的相關(guān)性。保墨性與吸墨性是指紙張吸收油墨和將油墨(特別是油墨顏料)保留在紙張表面的能力。一般來說,未涂布紙具有較高的孔隙度和更好的吸墨性。較高的吸墨性有利于油墨快速干燥。涂布紙具有較低的空隙度和更好的保墨性。涂層的保墨性能使油墨顏料能夠保持在紙張表面,形成光澤鮮艷、墨色均勻厚實的精美圖像。Zang和Aspler在研究不同紙張接受油墨的能力時還發(fā)現(xiàn),由于吸墨性與保墨性的不同,油墨向未涂布紙和涂布紙轉(zhuǎn)移的過程決定于完全不同的油墨撕裂機理。(4)精細還原、均勻透明勻度不但影響紙張的各種強度性能,而且對印刷質(zhì)量有直接影響。勻度不好的紙張,表面平滑性相對較差。印刷時紙張表面與印版之間的壓力不勻,無法進行網(wǎng)點的精細還原。此外,即使油墨能夠均勻地傳遞到紙張表面,勻度較差的紙張也可能由于油墨吸收不均勻而導致印刷色斑。勻度的重要性還體現(xiàn)在它很難通過其他過程改進。這也使得勻度不同于紙張其他性能指標如平滑度和吸墨性。例如,壓光可以提高紙面平滑度,施膠和涂布可改變紙張表面的空隙度和吸墨性能。但即使涂布也不能改進紙張因為勻度不良而導致的印刷色斑。事實上,涂布的均勻性也基本上取決于紙張勻度。這進一步說明了控制勻度對于提高未涂布紙和涂布紙質(zhì)量同等重要。(5)水性油墨、瓦城金屬的印刷質(zhì)量瓦楞紙板面紙的可濕潤性對于柔版印刷質(zhì)量的影響起因于水性油墨和承印介質(zhì)之間特殊的表面化學作用。油墨對于承印介質(zhì)的濕潤是油墨轉(zhuǎn)移和吸附與黏合的最基本條件。由于常見油基和溶劑型油墨表面張力(20~30mN/m)一般較低,非水性油墨對于承印紙張具有天然的良好濕潤性能,從而導致濕潤對于印刷質(zhì)量的影響被忽視。但純凈水的表面張力高達72mN/m。盡管水性油墨由于表面活性劑的作用平衡表面張力(20~40mN/m之間)遠低于純凈水,但水性油墨的表面張力仍然接近許多瓦楞紙板面紙(20~50mN/m),這就使得不濕潤可能引起箱紙板的印刷缺陷。事實上,Bassemir和Krishnan觀察到采用表面張力為37.7mN/m的水性油墨印刷表面能為40mN/m的瓦楞紙板面紙得到的印刷品具有許多印刷斑點。這些印刷斑點既可能來源于印刷過程中不良的油墨傳遞,也可能來源于墨層傳遞后不良的濕潤反應導致水性墨膜收縮成不連續(xù)的油墨液滴。如果瓦楞紙板面紙的表面能過高,水性油墨在表面的過度擴散也可能導致印跡邊緣模糊和網(wǎng)點擴大,從而影響印刷質(zhì)量。這也就說明水性油墨柔版印刷要求瓦楞紙板的表面能應控制在一定范圍內(nèi),因為表面能過高和過低都可能影響印刷適性。在實際生產(chǎn)中,瓦楞紙板面紙通常經(jīng)過一定程度的施膠處理以使得紙箱具有一定程度的防水功能。(6)油墨印刷質(zhì)量水性油墨柔版印刷是瓦楞紙板占主導地位的印刷方式。因此,瓦楞紙板的吸水性能對油墨的轉(zhuǎn)移與凝固過程具有重要作用。吸水性是指液體(油墨)通過毛細管作用滲入到紙張中的特性。未涂布瓦楞紙板面紙表面開放,有很多大毛孔,可以吸收油墨的顏料和連結(jié)料。油墨一旦滲入紙張內(nèi)部就會失去光澤,有時甚至顯示出不同的色彩。黑色會失去亮度,甚至呈現(xiàn)灰色。而同樣一種油墨印刷涂布表面會表現(xiàn)出更厚實的墨色和更鮮艷的色彩。這也解釋了為什么隨著瓦楞紙箱促銷作用的增加,越來越多的瓦楞紙箱的面層采用涂布紙板制造。Steadman等人的研究發(fā)現(xiàn),實驗雖然能夠表征紙板的施膠度,但無法預測紙板的柔版印刷適性,而IGT吸收性能與印刷密度具有一定的相關(guān)性。當面紙吸收較少水分即著色長度增加時,紙張的印刷密度也隨之增加。Wagberg利用染色過的水作為實驗液體進行實驗時也發(fā)現(xiàn),印刷質(zhì)量與IGT吸收實驗之間存在一定的關(guān)聯(lián)(R2=0.70)。(7)樹脂溶解特性瓦楞紙板面紙的酸度(pH值)可能影響柔版印刷質(zhì)量。這是因為常用水性油墨一般具有一定的堿性(pH值8.0~9.0)。常用水性油墨通常采用丙烯酸樹脂或者馬來酸改性樹脂作為顏料黏合劑。這些樹脂最重要的特點是在堿性條件下(如氨水,乙胺等氨類化合物水溶液中)能夠良好地溶解于水溶液中,但是樹脂溶解度隨著油墨酸度的升高而迅速降低。樹脂的這種溶解特性使得水性油墨能夠在轉(zhuǎn)移到紙張表面后隨著氨類物質(zhì)的揮發(fā)而在承印介質(zhì)表面形成堅固的不溶性固體油墨墨層。酸度較高(pH值較低)的紙板可能因為能夠中和油墨中的堿性氨類物質(zhì)而影響油墨的轉(zhuǎn)移和干燥速度。隨著水性油墨中高揮發(fā)性氨水為了滿足環(huán)境保護的需求而被低揮發(fā)性氨類或其他堿性化合物取代,紙板的酸性中和作用對于水性油墨轉(zhuǎn)移和干燥速度的影響可能會更加突出。(8)彈性文件、瓦城形狀對印刷的影響水性油墨柔版直接印刷瓦楞紙板的印刷質(zhì)量不僅依賴于瓦楞紙板面紙的印刷適性,還依賴于瓦楞紙板黏合時表面形成的“搓板現(xiàn)象”對于油墨轉(zhuǎn)移的危害程度。搓板現(xiàn)象是指瓦楞紙板面紙隨著瓦楞原紙的波浪形狀而起伏不平的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象導致瓦楞紙板厚薄不均和表面更加不平

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