紙張表面結(jié)構(gòu)對(duì)噴墨打印圖像清晰度的影響

邰晶磊 陳廣學(xué) 陳奇峰 唐寶玲

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510641)

紙張表面結(jié)構(gòu)對(duì)噴墨打印圖像清晰度的影響

邰晶磊 陳廣學(xué) 陳奇峰 唐寶玲

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510641)

研究了幾種涂布噴墨打印紙的性能，利用掃描電鏡SEM分析涂層的孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔徑、孔徑分布、顏料顆粒的大小和形狀，及其他表面特性。在此基礎(chǔ)上，打印由線條和圓點(diǎn)組成的圖像，通過圖像分析儀分析了打印墨點(diǎn)和線條的質(zhì)量，結(jié)果表明，表面涂層的質(zhì)量對(duì)圖像清晰度影響很大，尤其是孔的形狀及孔徑分布影響更大。

圖像清晰度;涂層結(jié)構(gòu);噴墨打印;圖像分析儀

為了得到高品質(zhì)的噴墨打印圖像，往往需要高質(zhì)量的噴墨打印紙。目前的噴墨打印紙基本上都是高級(jí)涂布紙，其涂層細(xì)膩平滑，具有特殊微孔結(jié)構(gòu)，具有適當(dāng)而快速的吸墨性和高密度、寬色域等特點(diǎn)。為了保證打印圖像質(zhì)量，除了要保證圖像具有良好的色彩還原性以外，還要有高清晰度。因此，研究噴墨打印墨水在涂層表面的鋪展和在涂層中的滲透對(duì)圖像清晰度的影響非常重要。本實(shí)驗(yàn)基于圖像分析法［1］，對(duì)紙張表面特性與噴墨打印圖像的清晰度之間的關(guān)系進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料 選擇了4種市售彩色噴墨打印紙，分別是:德瀛FT190(1#)、歐標(biāo)RC180(2#)、EP313半光澤度紙 (3#)和德瀛高光RC190(4#);Epson Ultrachrome K3 VM墨水。

儀器 Epson Stylus Pro 7880C噴墨打印機(jī)，PNBST平滑度儀，IRIC950白度儀，可勃吸收性測(cè)定儀，接觸角測(cè)量?jī)x，S-3700N掃描電鏡 (日本日立公司)，Vector 33紅外光譜儀 (德國(guó) Bruker公司)，PIAS-ⅡQEA圖像分析儀 (Quality engineering Associates.Inc.US)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)墨點(diǎn)和線條質(zhì)量的測(cè)量評(píng)價(jià)是衡量印刷清晰度的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)選取GATF標(biāo)準(zhǔn)圖像中的一些測(cè)控條作為測(cè)試圖像 (如圖1)，包含墨點(diǎn)和橫線條 (HLine)、豎線條 (V-Line)及 45°斜線條 (45°DLine)，線條有陰陽(yáng)之分。在4種紙樣上分別以720×

圖1 打印圖樣

1.3 墨點(diǎn)質(zhì)量

通過QEA圖像采集和分析軟件，可以獲得墨點(diǎn)的直徑D和圓度C值，以此來(lái)反映打印的墨點(diǎn)質(zhì)量。Epson Stylus Pro 7880C是壓電噴墨打印機(jī)，墨滴最小3.5 pl，而Epson Ultrachrome K3 VM墨水是顏料性墨水，顏料粒徑小于0.5 μm，通過估算 (3.5 pl=0.5×10－6πr2)可知打印墨點(diǎn)直徑的理論值是 26 μm。因此，打印墨點(diǎn)直徑越接近26 μm，質(zhì)量越好。而墨點(diǎn)的圓度C值越接近于1，質(zhì)量越好，說明紙張幾乎沒有毛細(xì)管現(xiàn)象、羽化現(xiàn)象、滲透現(xiàn)象;C值小于1時(shí)，墨點(diǎn)不完整;C值大于1時(shí)，墨點(diǎn)擴(kuò)散［2］。墨點(diǎn)圓度的QEA圖像采集和分析軟件定義公式如下:

式中，P為墨點(diǎn)周長(zhǎng);A為墨點(diǎn)面積。

1.4 線條質(zhì)量

圖2 打印線條測(cè)試圖

通過測(cè)量線條的平均寬度以及兩邊的邊緣粗糙度來(lái)評(píng)價(jià)線條邊緣清晰度的丟失和圖像的“出血”情況［3］，邊緣粗糙度指的是所有邊緣點(diǎn)與最優(yōu)線邊緣點(diǎn)的平均偏差，如圖2所示。通過QEA圖像采集和分析軟件，可獲得橫/豎/45°線條的平均線寬、上/左邊緣粗糙度及下/右邊緣粗糙度。本實(shí)驗(yàn)中線條寬度的理論值為1 point，即0.35 mm，打印線條的平均線寬越接近于0.35 mm，則線條質(zhì)量越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙張的物理性能

紙張的基本物理性能指標(biāo)如表1所示。由于本實(shí)驗(yàn)用的噴墨油墨的流動(dòng)性及與紙張的浸潤(rùn)性接近于水，因此這里用紙張的Cobb值來(lái)代替打印紙的吸墨性，對(duì)于噴墨印刷而言，吸墨性并不是越大越好，最佳的Cobb值在20～60 g/m2范圍內(nèi)［4］。用水在紙面的接觸角評(píng)價(jià)打印紙 (實(shí)際上是涂層)的吸墨速度，接觸角越小，油墨與紙張的潤(rùn)濕性能越好，紙張?jiān)饺菀孜?。而表面粗糙度可以在一定程度上反映紙張涂層顏料的粒徑和孔隙大小，粗糙度越小，說明顏料粒徑越小、聚集越少、分布越均勻。由表1可知，紙樣綜合性能的排序?yàn)?#＞2#＞1#＞4#。

表1 紙張的物理性能

2.2 噴墨打印紙涂層結(jié)構(gòu)

圖3 紙樣涂層表面SEM照片

通過掃描電鏡 (SEM)照片來(lái)比較打印紙的表面涂層結(jié)構(gòu) (見圖3)。理想的涂層結(jié)構(gòu)是孔隙量大，尺寸小且范圍窄，孔隙分布均勻，即涂層質(zhì)量要盡量均一、穩(wěn)定。由圖3可見，在20000～30000的放大倍率下，打印紙涂層可觀察出不均勻的多孔結(jié)構(gòu)。1#、2#和4#紙樣涂層都是以粒徑小于1 μm的二氧化硅作為主要顏料。其中1#紙樣的孔徑從小于1 μm到幾微米不等，整體分布較為均勻，上面有少量細(xì)小裂縫;2#紙樣的孔徑主要集中于1 μm以下，分布較勻，僅有少量孔徑在1～2 μm的孔和細(xì)小裂縫;4#紙樣的孔徑呈兩極分化，以小于1 μm的孔為主，分散較為均勻的幾微米的孔相對(duì)較多。這3種紙樣的涂層質(zhì)量由好到差依次為2#、4#和1#。

此外，3#紙樣未得到清晰的表面結(jié)構(gòu)圖。在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)3#紙樣表面有一層高分子樹脂涂層，通過紅外光譜 (見圖4)分析，該高分子樹脂涂層是聚乙烯醇 (PVA)［5］。由此，可以判斷3#紙樣是膨潤(rùn)型涂布打印紙，其吸墨原理不同于微孔型打印紙。膨潤(rùn)型打印紙通過聚合物吸水膨脹來(lái)干燥，一般而言，色彩還原性好，但干燥較慢。

圖43 #紙樣涂層表面紅外光譜圖

2.3 打印質(zhì)量分析

2.3.1 墨點(diǎn)質(zhì)量

圖5是在不同分辨率下各紙樣上各色打印墨點(diǎn)的大小。圖6是不同分辨率下各紙樣上各色打印墨點(diǎn)的圓度。綜合圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，720*720dpi分辨率下各紙樣上各色打印墨點(diǎn)的直徑和圓度基本一致，直徑均較理論值26 μm偏大很多，而圓度比較接近理論值，這可能是打印機(jī)在較低分辨率下加大墨滴大小的緣故。在1440×720dpi和2880×1440dpi下，2#、3#紙樣的墨點(diǎn)直徑趨于理論值，但圓度顯著下降;而1#、4#紙樣的墨點(diǎn)直徑有所減小，但依然比理論值偏大較多，但圓度依然接近理想值。這是由于2#、3#紙樣涂層結(jié)構(gòu)均一性好，且具有恰當(dāng)快速的吸墨性，而1#、4#紙樣涂層中均存在較大尺寸孔隙或裂紋，而且Cobb值和接觸角相對(duì)較大，導(dǎo)致打印墨點(diǎn)尺寸偏大，也因此墨點(diǎn)圓度相對(duì)較好。

2.3.2 線條質(zhì)量

各陽(yáng)線平均線寬情況見圖7。通過圖7可以看到，對(duì)于所有紙樣，各打印陽(yáng)線條的平均線寬均大于理論值0.35 mm，尺寸偏差由小到大依次是橫線條(8.1% ～14.8%)、45°斜線 (14.4% ～17.2%)、豎線條 (23.5%～28.5%)，這種情況是由于紙張的加工方式造成紙張?jiān)诳v橫向上存在特性差異;對(duì)于同一紙樣，不同分辨率下各線條平均線寬隨著打印機(jī)分辨率的提高稍有增加，變化不大;幾種紙樣的情況差別也不大，2#、3#很接近，比1#、4#稍好，這與紙張性能和涂層質(zhì)量情況是相一致的。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著打印分辨率的提高，打印線條的平均線寬對(duì)打印紙的性能及涂層結(jié)構(gòu)的差別敏感性降低，如圖8所示。

圖7 各陽(yáng)線條平均線寬情況

圖9 各陰線條的平均線寬

表2 橫、豎陽(yáng)線條的邊緣粗糙度

圖8 在2880×1440dpi分辨率下各紙樣的平均線寬

陰線條的平均線寬與陽(yáng)線條具有相同的趨勢(shì)(見圖9)，均大于理論值，只是豎線條 (尺寸偏差22.1% ～25.4%)與45°斜線條 (尺寸偏差20.3% ～23.9%)的情況比較接近，橫線條平均線寬的尺寸偏差為9.5%～19.5%。

不同分辨率下，橫陽(yáng)線條和豎陽(yáng)線條的邊緣粗糙度見表2。邊緣粗糙度都是成對(duì)出現(xiàn)的。由表2可以看出，在720×720dpi分辨率下，1#、4#紙樣橫線條與豎線條的邊緣粗糙度相差不多，而2#、3#紙樣豎線條的邊緣粗糙度明顯大于橫線條的邊緣粗糙度，尤其是3#紙樣。這可能是紙張涂布生產(chǎn)造成涂層存在縱橫向差異的緣故，即顏料顆粒的排列及長(zhǎng)型孔縫可能在兩個(gè)方向上的取向分布有差異，但由于掃描區(qū)域太小，在圖3的電鏡圖中沒有明顯印證。此外，值得關(guān)注的是1#、2#紙樣在低分辨率時(shí)，橫線條上下兩側(cè)的邊緣粗糙度差異較大，這是由于噴墨打印時(shí)紙張的輸送移動(dòng)導(dǎo)致墨滴落在紙面上時(shí)產(chǎn)生一定的取向 (見圖2(a))，再結(jié)合紙張表面涂層吸收性的不同而產(chǎn)生的結(jié)果。比較這4種紙樣的表面特性和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)涂層吸收性過大或過小，均會(huì)導(dǎo)致墨點(diǎn)的明顯取向。另外，輸紙的速度與分辨率有關(guān)，分辨率越大，輸紙速度越小，由表2的橫線條邊緣粗糙度的情況得到了印證。關(guān)于紙張與噴墨頭之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)墨點(diǎn)和線條清晰度的影響還需要進(jìn)一步做針對(duì)性實(shí)驗(yàn)才能得到可靠結(jié)論。

總體而言，隨著分辨率的提高，所有紙樣的橫、豎線條的邊緣粗糙度都逐漸變小，且趨于相等。可以說，高分辨率利于獲得高質(zhì)量的線條。比較不同紙樣的線條邊緣粗糙度，可見2#、3#紙樣的橫線條邊緣粗糙度明顯優(yōu)于1#、4#紙樣。而在低分辨率下，1#、4#紙樣的豎線條邊緣粗糙度明顯優(yōu)于2#、3#紙樣;在高分辨率下，4種紙樣的豎線條邊緣粗糙度基本相同。綜合而言，2#、3#紙樣的線條質(zhì)量、打印清晰度相對(duì)較好。

3 結(jié)語(yǔ)

打印紙涂層結(jié)構(gòu)的均一性對(duì)打印墨點(diǎn)和線條質(zhì)量影響最大。因此，涂層孔徑小、分布均勻的2#紙樣和膨潤(rùn)型樹脂涂層的3#紙樣在打印墨點(diǎn)的尺寸、打印線條的平均線寬和邊緣粗糙度方面表現(xiàn)較好。打印分辨率的提高有利于獲得高質(zhì)量的線條。在很高的打印分辨率下，一定范圍內(nèi)打印紙的質(zhì)量差別對(duì)打印清晰度的影響較小。

［1］陳 港，陶勁松．紙張噴墨打印質(zhì)量分析技術(shù)及其進(jìn)展［J］．中國(guó)造紙，2002，21(6):50．

［2］司占軍．基于圖像分析法對(duì)噴墨打印機(jī)墨點(diǎn)保真度的研究［J］．天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(3):80．

［3］司占軍，宋慧慧．基于圖像分析法對(duì)噴墨打印紙圖像清晰度的研究［J］．包裝工程，2008，29(9):41．

［4］李名良．高光澤彩色噴墨打印紙的研究［D］．南京:南京林業(yè)大學(xué)，2005．

［5］龔建勛，劉正義，邱萬(wàn)奇，等．真空蒸鍍聚乙烯醇薄膜［J］．真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，24(5):359．

Influence of Coated Paper Properties on Sharpness of Ink-jet Printing Image

TAI Jing-lei*CHEN Guang-xue CHEN Qi-feng TANG Bao-ling
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510641)
(*E-mail:jltai@scut．edu．cn)

Surface properties of several ink-jet papers were measured，and coating layer structure(including pore size，pore size distribution，pigment particle size and shape，etc．)was analyzed by using Scanning Electron Microscope(SEM)．A testing image composed of a series of lines and dots was printed on four ink-jet papers by Epson printer．The printing dots and lines quality，which could reflect the sharpness of image was measured by Image Analyzer．Dot quality(diameter and circularity)is influenced by paper coating structure，ink absorption and contact angle．With increasing the printing resolution，the line quality(width and edge roughness)is less influenced by paper properties．

sharpness of image;coating structure;ink-jet print;Image Analyzer

TS761.1

A

0254-508X(2011)11-0017-05

邰晶磊女士，講師，在讀博士研究生;主要研究方向:印刷包裝材料等。

2011-06-08(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金 (No．60972134)項(xiàng)目。720dpi、1440×720dpi和 2880×1440dpi的分辨率打印。

(責(zé)任編輯:郭彩云)