噴墨材料涂層厚度對(duì)其性能的影響*

吳 捷，劉 麗，姜 波，姜再興，黃玉東**，孫文慧，張英俊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江科技學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

噴墨材料涂層厚度對(duì)其性能的影響*

吳 捷1，2，劉 麗1，姜 波1，姜再興1，黃玉東1**，孫文慧1，張英俊1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江科技學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027）

采用物理與化學(xué)相結(jié)合的方法制備了噴墨打印用納米噴墨材料。利用原子力顯微鏡（AFM）分析了復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)和粗糙度，結(jié)果顯示其粗糙度隨著吸墨層的厚度發(fā)生了改變。利用表面張力儀（DCAT）和分光測(cè)色計(jì)分別測(cè)試了材料的接觸角和色差，結(jié)果表明涂層厚度對(duì)打印質(zhì)量的影響是非常顯著的，并且當(dāng)吸墨層厚度是50μm時(shí)，噴墨材料的綜合性能是最好的。

噴墨材料；涂層；吸墨性；印刷質(zhì)量

前 言

噴墨打印材料由于其快捷的打印方式和優(yōu)越的打印質(zhì)量，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，且在3D打印、電子材料和生物材料等領(lǐng)域也顯示了其潛在的應(yīng)用價(jià)值[1～3]。同時(shí)，對(duì)其的研究也引起了人們的廣泛興趣[4]。噴墨打印材料的吸墨層涂料主要由膠黏劑、顏料和其他一些助劑組成。涂層中的膠黏劑、顏料和助劑的配比不同，吸墨層的吸墨能力、打印清晰度、干燥速度會(huì)有很大的不同。而許多研究表明噴墨材料的印刷適用性和其它性能在很大程度上都取決于涂層結(jié)構(gòu)的特性及其它性能[5～7]。

本文旨在利用納米二氧化硅和PVA制備不同厚度的吸墨涂層，并對(duì)其表面結(jié)構(gòu)及其接觸角以及吸墨性能進(jìn)行測(cè)試分析，從而得到一種經(jīng)濟(jì)的制備吸墨性能優(yōu)良的吸墨層的方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

PET薄膜，上海山富數(shù)碼噴繪復(fù)合材料有限公司提供；KH-550，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司；納米二氧化硅，德國(guó)德固賽公司；PVA，長(zhǎng)春化工廠；乳化劑，上海弗魯克機(jī)械制造有限公司；涂布機(jī)，英國(guó)Elcometer公司。

1.2 噴墨材料的制備

1.2.1 吸墨層涂料的制備

稱取一定量的去離子水，加入少量的硅烷偶聯(lián)劑，按照分散液20%的濃度加入稱量好的納米二氧化硅，在乳化機(jī)中乳化40min，即制備好納米二氧化硅分散液。按照10%的濃度將PVA加入室溫水中，不斷攪拌，讓PVA充分溶脹后放入水浴鍋中，并升溫至95℃左右，使PVA充分溶解，然后冷卻至室溫，取二氧化硅分散液，加入少量的潤(rùn)濕劑、酒精等各種助劑，攪拌均勻溶解后，和PVA溶液混合，并利用乳化機(jī)分散至均勻?yàn)橹?，即制得吸墨層涂料。將吸墨層涂料靜置24h即可使用。

1.2.2 噴墨材料的制備

將涂料利用涂布機(jī)按照不同的涂層厚度涂覆于PET基材上，放入85℃烘箱中烘干，就得到可用于噴墨打印的噴墨材料。本試驗(yàn)中吸墨層的厚度分別為 25μm，50μm，75μm和 100μm，依次將其命名為 S_1，S_2，S_3 和 S_4。

1.3 噴墨材料的性能測(cè)試

利用俄羅斯solver公司的P47型原子力顯微鏡（AFM）對(duì)噴墨打印材料吸墨涂層的微觀形貌進(jìn)行了分析，并且計(jì)算了其表面粗糙度。利用德國(guó)Data physics公司的DCAT21對(duì)噴墨材料的接觸角進(jìn)行了測(cè)試。為了進(jìn)行吸墨性能分析，利用EPSON270打印機(jī)將打印紙樣（如圖1）打印在噴墨材料上。紙樣包括100%青色（Cyan）、100%品紅色（Magenta）、100%黃色（Yellow），100%黑色（black）四個(gè)色塊，每個(gè)色塊的大小為25mm×25 mm。為了測(cè)量噴墨材料吸墨層的吸收性，用柯尼卡美能達(dá)風(fēng)光測(cè)色計(jì)測(cè)量打印紙樣上的實(shí)地色塊密度L*,a*,b*（如圖2），并且計(jì)算其與標(biāo)樣的色差（ΔE*）。色差計(jì)算公式如下：

圖1 打印紙樣Fig.1 The print sample

圖 2 CIE 色域空間（-a*,；綠色;+a*,紅色;-b*,藍(lán)色;+b*,黃色 L*，明度.）Fig.2 The CIE L*,a*,b*color space（-a*,green;+a*,red;-b*,blue;+b*,yellow;L*,light）

2 結(jié)果與討論

2.1 噴墨材料表面性能分析

對(duì)噴墨材料的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子力顯微鏡分析，如圖3所示。基材的表面非常光滑，而試樣的涂層可以看到許多均一的凸起，可見(jiàn)涂層涂到基材上之后，改變了基材的表面結(jié)構(gòu)。另通過(guò)AFM所附帶的軟件對(duì)涂層表面進(jìn)行分析，得到吸墨層表面粗糙度。表面粗糙度，是指材料表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。其表面粗糙度如表1所示，由表1可知，同基材相比較，噴墨材料的粗糙度發(fā)生了變化，并且隨著涂層厚度的增加，其粗糙度值也逐漸變大。噴墨材料表面結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響其吸收性[8]。

表1 基材和試樣S_1,S_2,S_3及S_4表面粗糙度Table 1 Surface roughness of the substrate,S_1,S_2,S_3 and S_4

2.2 噴墨材料動(dòng)態(tài)接觸角分析

對(duì)制備的噴墨材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角分析，測(cè)定吸墨層對(duì)水和1-溴萘兩種液體的接觸角，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，隨著吸墨層厚度的增加，噴墨打印用噴墨材料的接觸角也逐漸變大。這可能是因?yàn)殡S著吸墨厚度的增加，其粗糙度在增加，粗糙度的變化，導(dǎo)致其接觸角也發(fā)生變化。接觸角越小，其吸收性越好。但是其接觸角的變化幅度不是很大，其原因是由于用的原材料是一樣的，只是厚度不同，厚度不同導(dǎo)致納米二氧化硅的排列發(fā)生變化所致。

表2 試樣S_1,S_2,S_3及S_4在不同液體中的動(dòng)態(tài)接觸角Table 2 Dynamic contact angles of S_1,S_2,S_3 and S_4 with different test liquids

2.3 噴墨材料吸墨性分析

噴墨材料的墨水吸收性主要受吸墨涂層的影響。這里用色差來(lái)衡量噴墨材料的吸收性。色差影響最終的視覺(jué)效果和色彩逼真度。差值越小，表明色塊平均密度越高，說(shuō)明墨點(diǎn)的連貫性好，打印圖像的色彩鮮艷逼真[9]。

用打印機(jī)將打印樣打印在噴墨用噴墨材料上，其打印后效果如圖4所示。通過(guò)肉眼觀察其噴墨打印效果都很理想，色帶邊界都很清晰，不暈?zāi)?。?jīng)過(guò)色差計(jì)測(cè)試計(jì)算，其結(jié)果如圖5所示，從圖中可以知道ΔE*，當(dāng)噴墨材料的吸墨層厚度是50μm（即試樣S_2），其色差值ΔE*不論對(duì)哪一個(gè)色塊來(lái)說(shuō)，都是最小的。因而可以判斷出其吸墨性也是最好的。其原因是對(duì)噴墨打印材料，其涂層厚度不同，導(dǎo)致其粒子的分散發(fā)生變化，從而其微觀結(jié)構(gòu)不同，而對(duì)于制備的這種噴墨材料一個(gè)原因就是依靠其微觀的結(jié)構(gòu)。另外，當(dāng)同樣量墨水浸入其中，涂層過(guò)厚（S_3和S_4），不足以達(dá)到其吸收量，也是一個(gè)導(dǎo)致其色差過(guò)大的原因。

從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說(shuō)，S_1（吸墨層厚度是25μm）的成本最低，但是其打印質(zhì)量不是最好的。所以從經(jīng)濟(jì)效益和吸墨性能來(lái)說(shuō)S_2是非常適合用作噴墨材料的。

圖4 打印材料打印后效果圖Fig.4 The color chart of test prints of the inkjet materials

圖5 涂層厚度對(duì)材料打印質(zhì)量的影響Fig.5 The effect of thickness on print quality of the inkjet materials

3 結(jié)論

本文制備了含有納米二氧化硅和PVA的噴墨材料。對(duì)噴墨材料進(jìn)行AFM分析，其表面凸起均一，并且其粗糙度隨著涂層厚度的增加而增加，原因是由于隨著涂層厚度的增加其粒子的排列發(fā)生了變化。通過(guò)動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試分析，其接觸角隨著涂層厚度的增加也是在逐漸的增加，但是變化幅度不大，這也是和粒子的排列有關(guān)。利用分光測(cè)色計(jì)分別測(cè)試了色差，結(jié)果表明涂層厚度對(duì)打印質(zhì)量的影響是非常顯著的，且吸墨層厚度是50μm時(shí)，噴墨材料的綜合性能是最好的。

［1］VIKMAN K,SIPI K.Applicability of FTIR and Raman spectroscopicmethods to the study of paper-ink interactions in digital prints［J］.Journal of Imaging Science and Technology,2003;47（2）：139～148.

［2］DE GANS B J,DUINEVELD P C,SCHUBERT U S.Inkjet printing of polymers：state of the art and future developments［J］.Advanced Materials,2004,16（3）：203～213.

［3］CALVERT P.Inkjet printing for materials and devices［J］.Chemistry of Materials,2001,13（10）：3299～3305.

［4］JEON S J,BOUSFIELD D W.Print gloss development with controlled coating structures［J］.Journal of Pulp and Paper Science,2004,30（4）：99～104.

［5］HEILMANN J,LINDQVIST U.Effect of drop size on the print quality in continuous ink jet printing［J］.Journal of Imaging Science and Technology,2000,44（6）：491～494.

［6］LEE H K,JOYCE M K,FLEMING P D,et al.Influence of silica and alumina oxide on coating structure and print quality of inkjet papers［J］.Tappi Journal,2005,4（2）：11～16.

［7］RIDGWAY C J,GANE P A C.Correlating pore size and surface chemistry during absorption into a dispersed calcium carbonate network structure ［J］.Nordic Pulp ＆ Paper Research Journal,2006,21（5）：563～568.

［8］MAATTANEN A,IHALAINEN P,BOLLSTROM R,et al.Wetting and print quality study of an inkjet-printed poly（3-hexylthiophene）on pigment coated papers ［J］.Colloids and Surfaces A,2010,367（1）：76～84.

［9］HEARD P J,PRESTON J S,PARSONS D J,et al.Visualisation of the distribution of ink components in printed coated paper using focused ion beam techniques［J］.Colloids and Surfaces A,2004,244（1）：67～71.

The Influence of Coatings Thickness of Inkjet Materials on its Properties

WU Jie1，2，LIU Li1，JIANGBo1，JIANG Zai-xing1，HUANG Yu-dong1，SUNWen-hui1and ZHANGYing-jun1
（1.College of Chemical Engineering and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150027,China）

The inkjet materials were prepared by the combination of physical and chemical methods.The surface microstructure and roughness of materials was analyzed byatomic force microscope（AFM）.The AFMresults indicated that the surface roughness was changed with thickness.The contact angle of this material was determined by the dynamic contact angle analysis test（DCAT）and the chromatic aberration was measured byspectrophotometer.The result showed that the effect ofthe thickness on print quality was remarkable.When the thickness was 50μm,the comprehensive properties ofthis inkjet material were the best.

Inkjet material;coatings;ink absorption;print quality

TQ638

A

1001-0017（2012）04-0001-04

2012-03-05 *

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51073047，91016015，51003021和51103031）和長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目

吳捷（1980-），女，黑龍江肇東人，哈工大在讀博士，黑龍江科技學(xué)院教師，主要從事高分子材料的研究。