彩色喷墨打印夜光纸涂层结构的研究.doc

彩色喷墨打印夜光纸涂层结构研究

孙世杰, 高玉杰, 马晓博
(天津市制浆造纸关键试验室, 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涂层结构对印刷质量起着决定性作用,所以涂层结构优化将会显著提升喷墨打印质量。因为羧基丁苯胶乳和聚乙烯醇都能够作为涂层胶黏剂, 所以本文经过试验分析对比两种胶黏剂组成彩色喷墨打印夜光纸表面结构和涂层截面结构, 来考察对喷墨打印质量影响。
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, 时间可连续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文字及图片一个特种纸。它印刷性能关键决定于其吸墨涂层结构和功效, 不仅要快速均匀地吸收油墨, 预防油墨干燥过程中出现洇色、 毛细管现象和透印, 而且要确保有良好印刷质量、 色彩还原性、 印墨浓度, 有较高色密度和颜色强度, 要求打印图像清楚, 印刷色密度高, 在色彩鲜艳度、 细部层次和色牢度等方面能达成银盐相片水平。依据涂层吸墨机理, 彩喷纸吸墨涂层能够分为膨润型和空隙型, 或树脂类和颜料类。膨润型吸墨涂层关键由部分能够吸水膨胀高分子组成, 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含有微孔性结构颜料或能形成多孔性结构材料组成, 实现对墨滴快速吸收和颜色固着作用, 油墨干燥速度快, 抗水性好。
依据上述两种类型吸墨涂层组成和特点, 现在生产彩色喷墨打印纸时, 往往综合采取了这两类吸墨层优点, 即在涂层中既含有二氧化硅, 又含有合适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载体, 确保良好涂布质量。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形貌, 探讨涂层结构对喷墨打印质量影响。

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企业提供; 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SiO2; 发光颜料由济南润邦科技有限责任企业提供。
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企业提供; 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企业提供; 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型多功效搅拌器, 天津市华兴科学仪器厂; HHS型恒温水浴锅, 天津华北试验仪器有限企业; 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多功效压光机; FEI QUANTA 200型扫描电子显微镜, 荷兰FEI企业。
1.3 试验方法
（1）涂料准备
试验中选择颜料是GCC/SiO2, 分散剂为六偏磷酸钠, 分别选择A（CSBR）和B(PVA-1788)作为胶粘剂。发光颜料采取是黄绿色发光粉, 配方百分比为依次为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, 最终加入发光粉, 然后用100目网子过滤。为了使颜料和粘合剂混合均匀不产生气泡, 可加入少许消泡剂, 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, 室温干燥二十四小时, 用玻璃板将其压平, 再将其置于温度23℃、 相对湿度50%恒温恒湿控制室内调整8小时。
②压光: 将处理好纸样用试验室压光机压光, 压光条件为压力3Mpa, 温度80℃。
（3）纸张性能测试
测试项目关键包含白度、 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
将所要进行分析纸页放入真空干燥箱,在一定真空度和温度下烘干4小时,确保纸页中不含水份。把处理好纸页在扫描电镜分析准备室中,用特定工具完成制样,把放有样品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取得若干最好信息。使用凝固切断技术可取得相对高质量很截面。具体做法是用液氮凝固试样, 然后用刀切开, 最终把放有样品载物台放入仪器进行喷金。将喷金后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条件下, 调整最好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影响
对A和B涂布纸张在试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, 经过试验发觉使用胶粘剂聚乙烯醇（PVA）比羧基丁苯胶乳发光亮度稍高, 而羧基丁苯胶乳含有良好抗水性能, 不过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不仅粘结力好, 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, 不过PVA抗水性不如羧基丁苯胶乳, 需加入一定量抗水剂来提升其抗水性能。
然后再利用扫描电镜（SEM）来比较A配方和B配方涂布成纸表面结构, 以探讨涂层结构对成纸喷墨打印性能影响。

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能够发觉, 在低放大倍数下纳米SiO2涂层表面展现一个封闭式结构, 没有显著裂缝, 涂层表面裂缝是由胶粘剂收缩产生结果, 通常SiO2/PVA涂料体系都含有这种特点。涂层表面裂缝有利于油墨快速吸收, 但裂缝太大, 轻易使油墨过多地渗透涂层内部, 使滞留在涂层表面油墨量小, 所以造成墨点干涩, 不够光亮, 图像不鲜艳, 由此看来, 只有纳米SiO2颜料涂层含有适中油墨吸收特征。涂层表面裂缝产生可能与氧化硅粒子大小、 形状及分散状态相关, 另外, 也受到压光过程影响。
对不存在裂纹区域, 在较高放大倍数下观察, 即观察图1、 图2能够看到, 涂层表面存在大量微孔, 微孔存在为油墨吸收提供了便捷通道。显然, 纳米氧化硅涂层表面颗粒堆集密实, 但表面球形颗粒间空隙还是能清楚看到。
打印色彩密度是衡量图像打印质量一个关键指标, 它反应了图像色彩鲜亮程度。打印色彩密度不仅与墨水相关, 而且和干燥后油墨能够留在涂层表面比率相关。理想涂层能够在其表面将墨水中着色剂和溶剂有效地分开, 使得墨水中着色剂留在涂层表面, 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, 所以, 打印色彩密度不仅受油墨类型、 油墨性能影响, 也受涂层结构及涂层性能等原因影响。
2.2 涂层截面结构对成纸打印性能影响
涂层空隙结构是影响印刷油墨吸收和固化关键参数。表层结构将影响印刷油墨需求和印刷光泽度, 而顶层孔隙度和孔隙分布决定了油墨凝固速率。通常来说, 提升涂层总空隙体积就能够提升涂层油墨吸收性。

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成纸截面图中, 能够看出纸页表面存在颜料涂布层, 而后面没有经过颜料涂布。纸页表面均匀分布裂纹和微孔给予纸页优良吸收性, 裂纹对打印图像颜色均一性可能不利, 因为裂纹深度往往比微孔深度深好多, 理论上应该会造成裂纹处打印色密度稍低。
3 结 论

（1）采取SiO2/PVA涂料体系涂布成纸涂层表面有细小裂缝和微孔给予了纸张良好油墨吸收性, 而且比SiO2/CSBR涂布打印效果好。
（2）聚乙烯醇（PVA）涂布成纸发光性能和打印性能优于羧基丁苯胶乳涂布成纸性能, 不过聚乙烯醇涂布成纸抗水性较差。
（3）从涂层截面图中能够看出涂层表面微孔和涂层中裂缝提供给纸张良好吸收性。裂纹深度会造成裂纹出打印色密度降低。

参考文件:
[1] Hyun Kook Lee, Margaret K Joyce, Paul D Fleming．The use of fumed metallic oxides in coating for photo grade ink-jet paper[C]．Tappi coating conference proceedings Florida: Orlando, , (2): 24-26.
[2] 闫志强．彩喷纸涂料配方研究[D]．西安: 西安理工大学, ．
[3] 杨宁, 高凤娟．彩色喷墨打印纸研究[J]．中国造纸, , 1(24): 1-5．
[4] 陈湘南．夜光涂料及其开发动向[J]．化工新型材料, , 29(3): 16-17．
[5] 盖恒军, 胡开堂．颜料粒度分布对涂层光学性能影响[J]．纸和造纸, , (4): 18-20．
[6] 肖秀芝．涂料性能及其测试[J]．湖北造纸, , (1): 26-28．
[7] 张玉军, 谭砂砾, 朱仲力等．长余辉发光涂料研究进展[J]．新技术新工艺, (8): 36-38．
[8] 王玉丰, 黄红生, 陆建辉．彩色喷墨打印纸性能研究[J]．中国造纸, , 9(26): 74-75.
[9] Richy Ryu, Richard D, Gilbert, et al．Influence of cationic additives on he rheological, optical, and printing properties of ink-jet coatings [J]．Tappi Journal, 1999, 82 (26): 128.
[10] 王海松, 曹振雷, 刘金刚．颜料涂布纸涂层结构与性能[J]．中国造纸, , 8(24): 47-51．