噴墨材料的制備及涂層厚度對其性能的影響

吳 捷， 韓 笑， 黃玉東

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，哈爾濱 150001;2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

噴墨材料的制備及涂層厚度對其性能的影響

吳 捷1，2， 韓 笑2， 黃玉東1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，哈爾濱 150001;2.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為改善已有噴墨材料的吸墨性能，采用物理與化學(xué)相結(jié)合的方法制備納米噴墨材料，利用原子力顯微鏡(AFM)和分光測色計分析了復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)和印刷品的色差。結(jié)果表明:涂底膠的噴墨材料的基材和吸墨層黏合更牢固，吸墨層表面更平整;對涂覆底膠的噴墨材料進行性能分析，其微觀結(jié)構(gòu)和涂布量均隨著涂層厚度的不同發(fā)生變化;涂層厚度對打印質(zhì)量的影響非常顯著，當(dāng)吸墨層厚度是50 μm時，噴墨材料的綜合性能最好。

噴墨材料;涂層;吸墨性;印刷質(zhì)量

0 引言

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)用價值［1－3］。同時，對它的研究也引起了人們的廣泛興趣［4］。噴墨打印材料主要由基材及吸墨層組成［5］。吸墨層主要由顏料，膠黏劑和其他一些助劑組成。噴墨打印材料的最終性能與噴墨打印材料、墨水和打印機以及其相互作用有很大的關(guān)系［6－7］。而許多研究表明吸墨材料的印刷適用性和其他性能在很大程度上都取決于涂層結(jié)構(gòu)的特性及其性能［8－10］。筆者利用納米二氧化硅、PVA和加入各種助劑制備噴墨打印材料，并對其表面結(jié)構(gòu)、涂布量以及吸墨性能進行測試分析，以期得到一種經(jīng)濟的吸墨性能優(yōu)良的噴墨材料。

1 實驗

1.1 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;KH－550，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司;納米二氧化硅，德國德固賽公司;PVA，長春化工廠;乳化機，上海弗魯克機械制造有限公司;涂布機，英國Elcometer公司。

1.2 材料的制備

1.2.1 吸墨層涂料

將納米二氧化硅在硅烷偶聯(lián)劑中分散，并用乳化機乳化一段時間，即制備好納米二氧化硅分散液。同時，將膠黏劑PVA加入水(室溫)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。最后，取制備好的二氧化硅分散液，加入一定量的潤濕劑、固色劑等助劑，分散均勻溶解后，和PVA溶液混合，并利用乳化機分散至均勻為止，即制得吸墨層涂料。將吸墨層涂料靜置24 h(消除氣泡)即可使用。

1.2.2 噴墨材料

將制備好的吸墨層涂料用涂布機涂布于PET基材(涂覆底膠和未涂覆底膠的)上，放入約70～85℃烘箱中烘干，制得噴墨材料。

1.3 性能測試

利用俄羅斯solver公司的P47型原子力顯微鏡(AFM)對噴墨打印材料吸墨涂層的微觀形貌進行分析，并計算其表面粗糙度。利用電子天平對其涂布量進行稱量，用圓弧刀分別在未涂布的PET基材和涂布好的噴墨材料上截取一定直徑的圓形材料并稱重。根據(jù)未涂布的PET基材上增加的重量來計算涂布量，計算公式為

式中:Q——涂布量，g/m2;

ma——涂布后質(zhì)量，g;

mf——涂布前質(zhì)量，g;

r——半徑，m。

為了進行吸墨性能分析，利用EPSON270打印機將打印紙樣(圖1)打印在噴墨材料上。紙樣包括100%青色(C)、100% 品紅色(M)、100% 黃色(Y)，100%黑色(K)4個色塊，色塊大小為25 mm×25 mm。為了測量噴墨材料吸墨層的吸收性，用柯尼卡美能達分光測色計測量打印紙樣上的實地色塊密度L*、a*、b*，并且計算其與標(biāo)樣的色差ΔE*。色差計算公式為

式中:L*——心理明度;

a*、b*——心理色度。

圖1 打印紙樣Fig.1 Print test form

2 結(jié)果與討論

2.1 底膠的影響

文中制備的噴墨材料的基材PET雖然在出廠前經(jīng)過表面電暈處理，與吸墨涂層間的結(jié)合能有所改善，但并沒有達到很好的結(jié)合效果。液體涂料具有自流平性，但在實驗室條件下制備吸墨涂料，受環(huán)境溫度、濕度等條件的影響，會導(dǎo)致吸墨涂層的厚度不均勻。圖2為涂布底膠和未涂底膠的吸墨層的AFM照片。

由圖2 AFM表面形貌分析，并計算其表面粗糙度可知，涂布底膠制備的吸墨層表面的粗糙度10.741 nm明顯比未涂覆底膠的粗糙度18.299 nm小。這是由于未涂布底膠的吸墨層和基材之間的黏接能力不是很強，導(dǎo)致吸墨層無法完全固定在基材上，因此粗糙度大，但表面凸起和溝槽的分布相對來說仍舊很均勻。因而，在基材PET表面涂覆一層底膠，可以提高吸墨層與基材之間的黏接能力，使吸墨層表面更平整。

圖2 噴墨打印材料AFM圖Fig.2 AFM images of inkjet materials

圖3 基材及試樣AFM圖Fig.3 AFM images of surface of substrate and inkjet materials

2.2 涂布量分析

取涂覆底膠的基材 PET，分別用25、50、75和100 μm的線棒涂覆基材，噴墨材料依次命名為S1、S2、S3和 S4。對噴墨材料 S1、S2、S3、S4的涂布量進行測試，結(jié)果分別為 18.429、24.935、26.279和29.933 g/m2。涂布量隨涂布厚度的增加而增加，但并未和涂布的原始厚度成正比，這是因為涂料中膠質(zhì)和水分隨著涂層的變化揮發(fā)的量不同。

2.3 表面性能分析

對噴墨材料的表面結(jié)構(gòu)進行原子力顯微鏡分析，基材和試樣的AFM照片如圖3所示。圖3顯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，可見涂層涂到基材上后，改變了基材的表面結(jié)構(gòu)，且不同厚度的涂層其表面結(jié)構(gòu)有所差別。這是因為隨著涂層厚度的變化，納米二氧化硅的排列發(fā)生了變化。

2.4 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。這里用色差來衡量噴墨材料的吸收性。色差影響最終的視覺效果和色彩逼真度，差值越小，表明色塊平均密度越高，說明墨點的連貫性好，打印圖像的色彩鮮艷逼真［11］。

用打印機將打印樣打印在噴墨材料上，通過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)過色差計測試計算，其打印效果如圖4所示。從圖4可見，當(dāng)噴墨材料的吸墨層厚度d是50 μm(即試樣S2)，其色差值ΔE*不論對哪一個色塊來說，都是最小的，因而判斷其吸墨性是最好的。其原因是噴墨打印材料的涂層厚度不同，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，而該材料吸墨就是依靠其微觀的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)結(jié)合力。另外，當(dāng)墨水量相同時，S3和S4涂層過厚，不足以達到其吸收量，也是導(dǎo)致其色差過大的一個原因。

圖4 涂層厚度對材料打印質(zhì)量的影響Fig.4 Thickness versus print quality of inkjet materials

另外，從經(jīng)濟方面來說，S1(涂層最薄)的成本最低，但是其打印質(zhì)量不是最好的。所以從經(jīng)濟效益和吸墨性能來說，S2是非常適合用作噴墨材料的。

3 結(jié)論

文中制備了含有底膠、納米二氧化硅和PVA的噴墨材料。對含有底膠和未含有底膠的涂層進行分析，表明含有底膠的涂層和基材之間黏合力更強。對噴墨材料進行AFM分析，其表面凸起均一，且其粗糙度隨著涂層厚度的增加而發(fā)生變化，這是由于隨著涂層厚度的增加其粒子的排列發(fā)生了改變。利用分光測色計分別測試了色差，發(fā)現(xiàn)涂層厚度對打印質(zhì)量的影響非常顯著。且吸墨層厚度是50 μm時，噴墨材料的綜合性能最好，且最經(jīng)濟。

［1］VIKMAN K，SIPI K.Applicability of FTIR and Raman spectroscopic methods 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］WU JIE，LIU LI，JIANG BO，et al.A coating of silane modified silica nanoparticles on PET substrate film for inkjet printing［J］.Applied Surface Science，2012，258(12):5131－5134.

［6］DAN N.Effect of polymer adsorption on the surface tension and flocculation of colloidal particles in incompatible solvents［J］.Langmuir，2000，16(8):4045 －4408.

［7］GOO Y S，LEE Y I，KIM N，et al.Ink-jet printing of Cu conductive ink on flexible substrate modified by oxygen plasma treatment［J］. Surface ＆ Coatings Technology， 2010， 205(1):S369－S372.

［8］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.

［9］LEE H K，JOYCE M K，F(xiàn)LEMING P D，et al.Influence of silica and alumina oxide on coating structure and print quality of ink-jet papers［J］.Tappi Journal，2005，4(2):11 － 16.

［10］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.

［11］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:Physicochemical and Engineering Aspects，2004，244(1/3):67－71.

Preparation of inkjet materials and influence of coatings thickness on its properties

WU Jie1，2， HAN Xiao2， HUANG Yudong1
(1.School of Chemical Engineering ＆ Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2.College of Resources＆ Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at improving ink absorption of inkjet materials currently available，this paper describes the preparation of nano-inkjet materials by combination of the physical and chemical methods and the analysis of the surface microstructure of materials by atomic force microscope(AFM)and chromatic aberration by Spectrophotometer.The results indicate that coated colloid with the adhesion inkjet material shows a strength greater than uncoated colloid and exhibits more evenly ink-absorption layer.The analysis of the influence of coatings thickness coated colloid on properties of inkjet material finds changes in the surface microstructure and coating amount of inkjet materials due to varying coating thickness.The coating thickness exerts a remarkable the effect on print quality.A 50 μm thickness produces the best comprehensive properties.

inkjet material;coatings;ink absorption;print quality

TQ638

A

1671－0118(2012)05－0469－04

2012－06－06

國家自然科學(xué)基金項目(51073047;91016015)

吳 捷(1980－)，女，黑龍江省肇東人，講師，博士研究生，研究方向:高分子材料，E-mail:wujie1980@yahoo.com.cn。

(編輯 王 冬)