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彩色喷墨打印夜光纸涂层结构的研究

孙世杰, 高玉杰, 马晓博
(天津市制浆造纸重点实验室, 天津科技大学材料科学与化学工程学院, 天津 300457)

摘 要: 涂布彩色喷墨打印夜光纸的涂层结构对印刷质量起着决定性作用,因此涂层结构的优化将会明显提高喷墨打印质量。由于羧基丁苯胶乳和聚乙烯醇都能够作为涂层的胶黏剂, 因此本文经过实验分析对比两种胶黏剂组成的彩色喷墨打印夜光纸的表面结构和涂层截面结构, 来考察对喷墨打印质量的影响。
关键词: 彩色喷墨打印; 发光性能; 打印性能; 涂层结构

Stude on the coating structure of color ink-jet printing
luminous paper
SUN Shi –jie; GAO Yu–jie; Ma Xiao–bo
(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper, College of Material Science and Chemical Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China)

Abstract﹕The coating structure of color ink-jet printing plays a decisive role on the printing quality, so
its optimization will significantly improved the quality of inkjet printing. While both CSBR and
PVA-1788 can be used as adhesive coating,this paper aims to analyse and contrast the surface structure
and coating cross-section structure of the color ink-jet printing to examine the impact of inkjet print
quality.
Keywords: color ink-jet printing, luminescent performance, printing performance, the coating structure

彩色喷墨打印夜光纸是指在吸收可见光后, 在暗处自动发光, 时间可持续12h以上, 而且能够用于打印图片、 文字, 在暗处也能够清楚看到纸上的文字及图片的一种特种纸。它的印刷性能主要决定于其吸墨涂层的结构和功能, 不但要快速均匀地吸收油墨, 防止油墨干燥过程中出现洇色、 毛细管现象和透印, 而且要保证有良好的印刷质量、 色彩还原性、 印墨浓度, 有较高的色密度和颜色强度, 要求打印的图像清晰, 印刷色密度高, 在色彩的鲜艳度、 细部层次和色牢度等方面能达到银盐相片的水平。根据涂层吸墨机理, 彩喷纸的吸墨涂层能够分为膨润型和空隙型, 或树脂类和颜料类。膨润型吸墨涂层主要由一些能够吸水膨胀的高分子组成, 承接油墨后, 树脂发生轻度膨胀, 粘住墨液, 吸收油墨, 但油墨干燥速度慢, 抗水性差; 而空隙型吸墨涂层则是由具有微孔性结构的颜料或能形成多孔性结构的材料构成, 实现对墨滴的快速吸收和颜色固着作用, 油墨干燥速度快, 抗水性好。
根据上述两种类型吸墨涂层的构成和特点, 现在生产彩色喷墨打印纸时, 往往综合采用了这两类吸墨层的优点, 即在涂层中既含有二氧化硅, 又含有适当的高分子吸水膨胀树脂, 后者既起吸墨网络作用, 又能够作为二氧化硅微粒的载体, 保证良好的涂布质量。本文将扫描电子显微镜( SEM) 应用于观察彩色喷墨打印夜光纸的形貌, 探讨涂层结构对喷墨打印质量的影响。

1 材料与方法

1.1 原料
原纸、 GCC分散液( 75%) 、 羧基丁苯胶乳( CSBR, 50%) 、 消泡剂均由天津大宇纸业有限公司提供; 聚乙烯醇( PVA-1788) 、 六偏磷酸钠均由天津北方天医化工试剂厂提供; 固色剂( PF-30) 由杭州绿色助剂研究所提供; 市售的SiO2; 发光颜料由济南润邦科技有限责任公司提供。
1.2 设备与仪器
白度测试仪、 不透明度测试仪、 平滑度测试仪、 光泽度测试仪均由Lorentzen&Wettre公司提供; 721型荧光分光光度计、 NDJ-4型旋转粘度计由上海精密科学仪器有限公司提供; X-Rite415型光学密度计来自美国; J500型精密电子天平, 上海精科天平厂; D-8401型多功能搅拌器, 天津市华兴科学仪器厂; HHS型恒温水浴锅, 天津华北实验仪器有限公司; Lj400/80-200型高速分散机, 上海涂料机械厂; RK Print Coat Instruments Ltd型钢丝刮棒, 英国; 南京轻工业研究所制造的多功能压光机; FEI QUANTA 200型扫描电子显微镜, 荷兰FEI公司。
1.3 实验方法
( 1) 涂料的准备
实验中选用颜料是GCC/SiO2, 分散剂为六偏磷酸钠, 分别选用A( CSBR) 和B(PVA-1788)作为胶粘剂。发光颜料采用的是黄绿色发光粉, 配方比例为依次为50: 50: 30: 1。先将胶粘剂和颜料进行混合, 分别加入羧基丁苯胶乳或聚乙烯醇, 而且和GCC分散液低速搅拌一段时间, 再加入二氧化硅分散液, 最后加入发光粉, 然后用100目的网子过滤。为了使颜料和粘合剂混合均匀不产生气泡, 可加入少量的消泡剂, 得到A和B两种涂料。
( 2) 纸张涂布与压光
①涂布: 用刮棒在原纸上手工进行单面一次涂布, 涂布量在10～15g/m2左右, 室温干燥24小时, 用玻璃板将其压平, 再将其置于温度23℃、 相对湿度50%的恒温恒湿控制室内调节8小时。
②压光: 将处理好的纸样用实验室压光机压光, 压光条件为压力3Mpa, 温度80℃。
( 3) 纸张性能测试
测试项目主要包括白度、 不透明度、 光泽度、 PPS粗糙度及发光强度等物理性能, 涂层抗水性、 油墨吸收性等打印性能。
( 4) 扫描电镜试样制作
将所要进行分析的纸页放入真空干燥箱,在一定真空度和温度下烘干4小时,保证纸页中不含水份。把处理好的纸页在扫描电镜分析准备室中,用特定的工具完成制样,把放有样品的载物台放入仪器进行喷金。
物理截面法提供纸张涂层内部结构方面可获得的若干最佳信息。使用凝固切断技术可获得相对高质量的很截面。具体做法是用液氮凝固试样, 然后用刀切开, 最后把放有样品的载物台放入仪器进行喷金。将喷金后的样品放入扫描电镜仪器中, 在加速电压为20KV、 灯丝电流为100A、 工作距离为15mm的条件下, 调整最佳放大倍数对纸张涂层结构拍照, 对SEM图像进行分析。

2 结果与讨论

2.1涂层表面结构对成纸打印性能的影响
对A和B涂布的纸张在实验室条件下进行物理性能等测试, 得到了以下数据:
样品
发光强度
白度
/( %)
75º光泽度
/( %)
粗糙度
/( µm)
抗水等级
印墨干燥时间
/( s)
A
8
93.47
10.2
2.56
4
26
B
11
92.41
15.2
1.83
3
31
从表格中不难看出, 经过实验发现使用胶粘剂聚乙烯醇( PVA) 比羧基丁苯胶乳的发光亮度稍高, 而羧基丁苯胶乳具有良好的抗水性能, 可是其涂布纸表面光滑度不够, 打印图像泛白, 色彩失真, 而且粘结力不如PVA, 存在掉粉现象; PVA不但粘结力好, 而且表面光滑, 吸墨性好, 同种类型颜料情况下, 其打印性能比羧基丁苯胶乳优异, 色彩逼真, 可是PVA抗水性不如羧基丁苯胶乳, 需加入一定量抗水剂来提高其抗水性能。
然后再利用扫描电镜( SEM) 来比较A配方和B配方涂布成纸的表面结构, 以探讨涂层结构对成纸喷墨打印性能的影响。

图1 配方A涂层表面SEM图
Fig. 1 The coating surface of formula A for SEM figure

图2 配方B涂层表面SEM图
Fig. 2 The coating surface of formula B for SEM figure
比较图1和图2能够发现, 在低放大倍数下纳米SiO2的涂层表面呈现一个封闭式的结构, 没有显著的裂缝, 涂层表面的裂缝是由胶粘剂收缩产生的结果, 一般SiO2/PVA涂料体系都具有这种特点。涂层表面的裂缝有助于油墨的快速吸收, 但裂缝太大, 容易使油墨过多地渗入涂层内部, 使滞留在涂层表面的油墨量小, 因此导致墨点干涩, 不够光亮, 图像不鲜艳, 由此看来, 只有纳米SiO2颜料涂层具有适中的油墨吸收特性。涂层表面裂缝的产生可能与氧化硅粒子的大小、 形状及分散状态有关, 另外, 也受到压光过程的影响。
对不存在裂纹的区域, 在较高放大倍数下观察, 即观察图1、 图2能够看到, 涂层表面存在大量的微孔, 微孔的存在为油墨的吸收提供了便捷的通道。显然, 纳米氧化硅涂层表面颗粒堆集密实, 但表面球形颗粒间的空隙还是能清楚的看到。
打印色彩密度是衡量图像打印质量的一个重要指标, 它反映了图像色彩的鲜亮程度。打印色彩密度不但与墨水有关, 而且和干燥后油墨能够留在涂层表面的比率有关。理想的涂层能够在其表面将墨水中的着色剂和溶剂有效地分开, 使得墨水中着色剂留在涂层的表面, 印字浓度高, 图形色彩鲜明, 多层色彩印刷时层次分明, 立体感强, 因此, 打印色彩密度不但受油墨类型、 油墨性能的影响, 也受涂层结构及涂层性能等因素的影响。
2.2 涂层截面结构对成纸打印性能的影响
涂层的空隙结构是影响印刷油墨吸收和固化的重要参数。表层结构将影响印刷油墨的需求和印刷光泽度, 而顶层的孔隙度和孔隙分布决定了油墨的凝固速率。一般来说, 提高涂层的总空隙体积就能够提高涂层的油墨吸收性。

图3 配方A涂层截面SEM图
Fig. 3 The coating cross-section of formula A for SEM figure

图4 配方B涂层截面SEM图
Fig.4 The coating cross-section of formula Bfor SEM figure
从图3和图4的成纸截面图中, 能够看出纸页表面存在的颜料涂布层, 而背面没有经过颜料涂布。纸页表面的均匀分布的裂纹和微孔赋予纸页优良的吸收性, 裂纹对打印图像颜色的均一性可能不利, 因为裂纹的深度往往比微孔的深度深好多, 理论上应该会造成裂纹处的打印色密度稍低。
3 结 论

( 1) 采用SiO2/PVA涂料体系涂布的成纸的涂层表面有细小裂缝和微孔赋予了纸张良好的油墨吸收性, 而且比SiO2/CSBR涂布的打印效果好。
( 2) 聚乙烯醇( PVA) 涂布成纸的发光性能和打印性能优于羧基丁苯胶乳的涂布成纸性能, 可是聚乙烯醇涂布成纸的抗水性较差。
( 3) 从涂层截面图中能够看出涂层表面的微孔和涂层中的裂缝提供给纸张良好的吸收性。裂纹的深度会造成裂纹出打印色密度降低。

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