喷墨印刷纸的涂料对印刷质量及稳定性影响

         大多数喷墨印刷的油墨是用染料制成的，采用水及其他高沸点亲水溶剂作为染料载体。喷墨印刷油墨的化学性和配方组分不仅决定着墨滴的喷射性能和印刷系统的安全性，而且影响印刷图像的质量。喷墨接收基质的物理性能是实现最终的喷墨性能效果的关键。因此，光泽度、透气度、不透明度、表面能量、尺寸稳定性、强度、白度以及厚度所有这些均是决定印刷质量的重要参数，也是制造商在制造喷墨印刷纸时所要考虑的参数。多孔的着墨涂层将提供快速干燥的性能，但是与需要较长干燥时间的非多孔介质相比，通常具有较差的图像质量。 
 
　　未经涂布的纸表面粗糙并具有亲水性纤维，可促进墨滴扩散和渗透，从而产生低质量的图像或文字内容，因此，通常需要利用表面施胶来改善色料的密度和渗色。涂布纸的表面涂层使原纸的表面结构和性能得以改善，能够提供较好的油墨接收层，从而达到高的印刷质量和图像稳定性。  
 
　　目前用于着墨涂层上最常见的无机颜料有SiO2、高岭土、Al2O3和CaCO3。随着纳米技术的发展，能制造出极细的颗粒。含有纳米级颗粒的喷墨涂料已受到原料供应商和纸张制造者的极大关注，从而达到光亮的、影像逼真的印刷质量。
  
　　本研究探讨了胶体SiO2、烧结SiO2和烟法SiO2等3种颜料粒子类型及其在喷墨涂料配方中的应用。

　　1 原料和方法

　　1．1  原料  
 
　　胶体SiO2和烟法SiO2均使用的是商业样品，胶体SiO2使用的是Nalco N2329，烟法SiO2使用的是Cabot 019。烧结SiO2是一种实验的Nalco样品。所有的试验中均用Celvol 203聚乙烯醇(PVA)作为胶黏剂。
  
　　用于涂布试验的原纸不含施胶剂。物理性能为：定量156．9g／m2，平滑度5．26μm，亮度92．5％，光泽度(75°)12．0。

　　1．2  涂布研究

　　1．2．1  制备
 
　　使用的涂料配方中颜料与胶黏剂比率为80／20。采用下列方法制备涂料：使用各种Mayer棒和空气干燥或圆筒形实验室涂布机(CLC)在3000r／min下运行，并用红外线干燥器进行干燥。利用Labwave9000微波水分分析仪在样品特定面积上确定涂布量。

　　1．2．2  压光   

　　在约3．10MPA(450psi)和80℃条件下使用热／软压区压光机进行压光，在进行光泽度测定之前每种纸通过3个压区进行压光处理。

　　1．2．3  光泽度测定   

　　使用Gardner多角度光泽度测定仪在75°角的条件下测定光泽度。每张纸页上测定10个点，然后计算平均值并报告结果。

　　1．3  印刷研究   

　　样品在CanonS450和Epson Stylus Color 900(分别为热和压电型)印刷机上进行印刷。所有的样品具有相同的涂布量(16~18g／m2)。

　　1．3．1  测定 
 
　　对印刷光泽度、墨色浓度和蓝、红、黄、黑(CMYK)4种颜色的实验值进行测定。计算至少5个数据点的平均值并报告结果。所用仪器如下：


       60°印刷光泽度—Gardner Nova光泽度仪
  
　　印刷密度—X—Rite 408
  
　　实验值—Data color SPEctroFlash

　　1．3．2  图像分析 
 
　　样品在Epson Pro 5000和HP Design Jet 20PS印刷机上进行印刷。用CCD摄像机拍摄图像，用Image Pro—Plus软件进行分析。

　　1．3．3  涂层孔隙率研究  
 
　　在Mellinex 534无孔支架上制备涂料。用光学方法确定涂层厚度，并计算涂层的孔隙率。

2  结果和讨论  
 
　　多孔的喷墨涂料主要是由一种不溶性的无机颜料粒子和某些胶黏剂组成的。还可能含有一些特殊的添加剂以增强涂布的性能。关于多孔的、高光泽度着墨涂布所采用的新材料的报道已越来越多。 
 
　　本文研究了胶体SiO2、烧结SiO2以及烟法SiO2等3种不同的SiO2粒子及其对各种涂布性质和性能的影响。这3种SiO2粒子的平均粒径分别为95 nm、278 nm和318 nm。

　　2．1  对涂料配方的影响 
 
　　涂料的基本配方是聚乙烯醇作为胶黏剂，颜料与胶黏剂的比例为80／20。涂料配方性能见表1所示，胶体SiO2和烧结SiO2在较低的Brookfield黏度下，具有获得高的固含量的潜在优势。

表1 涂布性能

　　2．2  对涂布结构的影响 
 
　　通过改变粒子的粒径来改变最终的涂布结构。预计涂层光泽度与粒子大小成反比，随着粒子尺寸的增大涂层的光泽度减小。压光可用来改善光泽度和生产高光泽喷墨印刷纸。

　图1所示为热／软压区压光前后每种粒子的光泽度值。由图1可见，烧结SiO2具有最高的光泽度测定值。其值明显地高于相同粒径的烟法SiO2，而且在压光后还进一步增加。

图1光泽度值

　　使用扫描电子显微镜(SEM)对涂布表面的检查，其结果也在预料之中。表面图像始终与光泽度的测定结果一致。胶体SiO2基涂布的图像出现微小的裂纹。

2．3  对印刷性能的影响 
 
　　对于一种喷墨颜料来说其性能好坏是就其印刷的图像而言的。将测试用的图形印在经涂布和压光的纸上。图2所示为蓝、红、黄、黑(CMYB)4种颜色的油墨浓度值。比较了所有这3种SiO2粒子的性能。由图2可见对于胶体SiO2和烧结SiO2黑色颜料油墨的浓度值稍微高些。

图2油墨浓度-Epson印刷机

　　除阳离子媒染剂外，试验中这些颜料显示出较差的耐水性。粒子结构和pH值对耐水性没有影响，这是由SiO2的表面化学所控制的。加入阳离子聚合物如聚DADMAC可以改善这3种粒子的耐水性，但是，胶体SiO2和烧结SiO2这2种粒子会降低其表面光泽度。

　通过图像分析技术进行的印刷特性研究更进一步地说明在这3种SiO2粒子之间存在着差异。表2所示为Epson印刷机的图像分析结果。

表2黑色网点特性-Epson印刷机

　　由表2可见，从上到下网点面积明显降低。较小的面积是比较好的，并且可以在不损失油墨浓度的情况下改善印刷分辨率。网点圆度值的检验结果表明，烧结SiO2涂布具有更加均匀的涂布结构。相反，烟法SiO2由于其较高的孔隙率而具有较低的网点面积，但是，不规则的烟法粒子产生较高的网点圆度值从而出现不均匀的涂布。  
 
　　图3所示为3种SiO2粒子的孔隙率值。胶体SiO2和烧结SiO2孔隙率比烟法SiO2孔隙率低。该数据与所观察到的网点面积结果是一致的。

图3涂布孔隙率

　　胶体SiO2基涂布的孔隙率是由球状粒子在填充过程中产生的间隙孔隙而产生的。具有胞间粒子孔隙率的烧结SiO2预计会有更多的孔隙率，但是，其孔隙率仅比胶体SiO2的孔隙率高10％左右。这有可能是因为某些烧结SiO2降解成为其胶体原料的结果。

　　烟法SiO2表现出最高的涂布孔隙率。最终的图像质量要求在涂布孔隙率和涂布均匀性之间达到平衡。尽管胶体SiO2和烧结SiO2涂料的印刷质量还可以接受，但是其较低的孔隙率会制约它们的使用效果。

　　3  结论  
 
　　胶体SiO2和烧结SiO2粒子在涂布配方的流变性、固含量百分率、光泽度、油墨浓度和网点圆度方面比烟法SiO2具有更多的优点。但是，其涂料表现出较低的孔隙率。相反，具有刚性不规则形状的烟法SiO2可产生更多的孔隙层。然而，它也能降低光泽度和涂料配方的固含量。为了获得低成本、高光泽度的喷墨涂料，必须使所有的因素之间达到平衡。

 
作者：马忻 

来源：东方包装网