采用沸石顏料的噴墨打印紙用膠黏劑的研究

蔣華朋 劉 忠，* 劉小鬧 逄錦江

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457;2.浙江大學(xué)化學(xué)系，浙江杭州，310027)

隨著數(shù)碼印刷在人們工作、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作為數(shù)碼印刷中主要印刷方式的噴墨打印以其低成本、高品質(zhì)、適用介質(zhì)廣泛等特點(diǎn)，正在成為繼靜電成像技術(shù)后又一主流的數(shù)碼圖文打印或印刷方式［1］。噴墨打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得噴墨打印機(jī)和噴墨打印紙的市場(chǎng)發(fā)展迅速，而且噴墨打印紙的生產(chǎn)技術(shù)也越來(lái)越得到重視。傳統(tǒng)噴墨打印紙用的涂布顏料是SiO2，這是由于SiO2具有粒徑小、比表面積大、多微孔結(jié)構(gòu)的特性，同時(shí)能快速吸收油墨和固著油墨中的染料［2］，從而保證了噴墨打印紙的影像質(zhì)量［3］。但SiO2顏料價(jià)格高，其固含量偏高時(shí)容易使涂料的黏度上升，而且由于比表面積大使得膠黏劑的用量增多［4］，限制了其在噴墨打印紙中的應(yīng)用。沸石是一種具有大孔隙體積的多孔性硅鋁酸鹽，具有吸水性和吸附性，是一種有潛力的噴墨打印紙涂布顏料。與傳統(tǒng)的噴墨打印紙涂布顏料相比，沸石作為涂布顏料的主要優(yōu)勢(shì)［5］有:能夠消除透印;改善紙張的滲色;提高涂料固含量;膠黏劑的需求量較少;提高墨點(diǎn)的保真度;價(jià)格較SiO2低很多。

在涂料中，膠黏劑是重要組分，它能使顏料粒子相互黏合，在紙基表面形成牢固的涂層。膠黏劑在很大程度上決定著涂料的性質(zhì)，如黏度、流變性和保水性等。涂料中要求膠黏劑具有黏結(jié)力強(qiáng)、成膜性好、透明性高、相容性好、交聯(lián)后耐水性和對(duì)墨水的吸收性高等特點(diǎn)［6］。膠黏劑的種類(lèi)不同也會(huì)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。天然膠黏劑 (如淀粉、干酪素等)比合成膠黏劑 (膠乳、聚乙烯醇 (PVA))產(chǎn)生較開(kāi)放的涂層表面、較大的涂層孔隙體積，使涂布紙的透氣度、K＆N值較大。PVA和膠乳因成膜性強(qiáng)，與顏料粒子間的相互作用強(qiáng)，形成的涂層孔隙體積小，表面封閉，涂布紙的透氣度小，K＆N值低。與膠乳相比，水溶性膠黏劑 (淀粉、干酪素、PVA)產(chǎn)生較粗糙的微觀表面、較低的光澤度和較大的K＆N值，且其印刷光澤度也比膠乳的低［7］。因此，對(duì)于某種顏料，找到其理想的膠黏劑非常重要。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)研究噴墨打印紙中常用的3種膠黏劑 (PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯膠乳)對(duì)采用沸石顏料噴墨打印紙性能的影響，探討最佳膠黏劑及其用量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器

Le沸石，白色粉末，白度97%，表面處理后細(xì)度2.5 μm，pH值≤10，灼燒失重≥23%，真密度2.39 g/cm3，浙江寧海嘉和化工有限公司;二甲基二烯丙基氯化銨，固含量60%，pH值5～7，山東魯岳化工有限公司;PVA-1788、PVA-1799，北京安特普納科貿(mào)有限公司;Styronal 300羧基丁苯膠乳，固含量49% ～51%，pH值6～7，黏度100～300 mPa·s，巴斯夫中國(guó)有限公司;Polyfix-700日本陽(yáng)離子固色劑，易溶于水的淡黃色透明水溶液，固含量58%～62%，黏度300～1000 mPa·s，pH值7～9，強(qiáng)陽(yáng)離子電荷，北京安特普納科貿(mào)有限公司;涂布原紙，定量145 g/m2，白度89.8%，不透明度 98.8%，PPS粗糙度3.65 μm，光澤度3.34%，山東華泰紙業(yè)股份有限公司。

OSP線棒涂布器，石家莊奧斯派貿(mào)易有限公司;NEG300型實(shí)驗(yàn)多用途壓光機(jī)，南京輕工業(yè)研究所;070E殘墨測(cè)定儀、SE 115型粗糙度測(cè)定儀，瑞典Lorentzen＆Wettre公司;XGP系列便攜式鏡向光澤度計(jì)，天津市信通光達(dá)科技有限公司;PGX動(dòng)態(tài)接觸角儀，瑞典 FIBRO SYSTEM.AB公司;MG5380彩色噴墨打印機(jī)，佳能公司;XRite-518密度計(jì)、Eyeone Pro分光光度計(jì)，美國(guó)愛(ài)色麗 (亞太)有限公司。

1.2 PVA的溶解

稱(chēng)取一定量的PVA-1788和PVA-1799粉末，在低速連續(xù)攪拌下逐漸倒入裝有定量蒸餾水的燒杯中，吸水潤(rùn)脹約10 min。吸水潤(rùn)脹完成后將燒杯放入預(yù)先設(shè)定為32℃的水浴鍋中，然后將水浴鍋的溫度設(shè)定為96℃，使水溫逐漸加熱至96℃。當(dāng)水溫達(dá)到96℃后溶解30～40 min，使其成為均一透明狀溶液 (期間可根據(jù)情況添加少量的消泡劑)，PVA-1788和PVA-1799水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

固定100份沸石顏料、5份陽(yáng)離子固色劑Polyfix-700的用量不變 (以沸石顏料為100份，其他涂料組分用量為相對(duì)于100份沸石絕干顏料，下同)，采用單因素控制變量法研究3種噴墨打印紙常用膠黏劑PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯膠乳的用量 (10份、20份、30份、40份和50份)對(duì)采用沸石顏料的噴墨打印紙性能的影響，每種膠黏劑中最佳涂料配方再進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，最后得出采用沸石顏料的噴墨打印紙的最佳膠黏劑及其用量。實(shí)驗(yàn)中涂料的固含量設(shè)定為25%，噴墨打印紙的涂布量設(shè)定為10 g/m2，PVA-1788和PVA-1799為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的水溶液。

1.4 噴墨打印紙性能評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)采用物理性能評(píng)價(jià)和打印性能評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，其中物理性能評(píng)價(jià)主要檢測(cè)涂布后噴墨打印紙的白度、不透明度、光澤度、PPS粗糙度和動(dòng)態(tài)接觸角，打印性能評(píng)價(jià)主要檢測(cè)噴墨打印紙經(jīng)彩色噴墨打印機(jī)打印后測(cè)試圖上的黃、品、青和黑四色實(shí)地密度值、CIE L*a*b*值以及與市售亞光紙的四色為標(biāo)準(zhǔn)色的ΔE*Lab色差值。實(shí)驗(yàn)以打印性能評(píng)價(jià)為主要評(píng)價(jià)手段，以物理性能評(píng)價(jià)為輔助評(píng)價(jià)手段。

1.5 色差計(jì)算公式［8-9］

明度差按式 (1)計(jì)算:

色度差按式 (2)和式 (3)計(jì)算:

其中，ΔL*＞0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏白，ΔL*＜0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏黑;Δa*＞0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏紅，Δa*＜0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏綠;Δb*＞0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏黃，Δb*＜0表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色偏藍(lán)。

本實(shí)驗(yàn)中以市售亞光紙打印測(cè)試圖中的黃、品、青和黑為標(biāo)準(zhǔn)色。

總色差按式 (4)計(jì)算:

2 結(jié)果與討論

2.1 膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙物理性能的影響

圖1～圖4為膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙物理性能的影響。

圖1是膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙白度的影響。從圖1可以看出，3種膠黏劑在5種不同用量下的噴墨打印紙白度都比原紙和市售亞光紙的低，而且3種膠黏劑在不同用量條件下白度變化不明顯，這表明3種膠黏劑對(duì)噴墨打印紙的白度影響較小，而相對(duì)于原紙白度的降低主要是由沸石顏料造成的。從圖1還可以看出，膠黏劑為羧基丁苯膠乳的噴墨打印紙白度要比其他2種膠黏劑的稍高，表明羧基丁苯膠乳可以更好地彌補(bǔ)沸石顏料對(duì)原紙白度的降低。

圖1 膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙白度的影響

圖2是膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙不透明度的影響。從圖2可以看出，3種膠黏劑都可以提高噴墨打印紙的不透明度，而且相互間對(duì)不透明度的影響差別不大，可與市售亞光紙的不透明度相媲美。

圖2 膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙不透明度的影響

圖3是膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙光澤度的影響。3種膠黏劑在原紙的基礎(chǔ)上都降低了噴墨打印紙光澤度，不同用量的膠黏劑對(duì)噴墨打印紙光澤度影響不顯著。與市售亞光紙相比，噴墨打印紙的光澤度低很多。

圖4是膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙粗糙度的影響。從圖4可以看出，2種PVA都顯著降低了噴墨打印紙的PPS粗糙度，而羧基丁苯膠乳對(duì)噴墨打印紙PPS粗糙度的影響只是使其略微下降，這表明，在降低PPS粗糙度上，PVA-1788和PVA-1799比羧基丁苯膠乳的效果好很多。

圖5～圖7是膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙動(dòng)態(tài)接觸角的影響。從圖5～圖7可以看出，3種膠黏劑在不同用量條件下，噴墨打印紙起初的動(dòng)態(tài)接觸角差別并不明顯，1 s時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸角為72°左右，但1 s后的動(dòng)態(tài)接觸角變化差別比較大。結(jié)合圖5～圖7中3 s和5 s時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸角，可得出，當(dāng)PVA-1788用量為10份時(shí)，噴墨打印紙動(dòng)態(tài)接觸角的變化最接近市售亞光紙動(dòng)態(tài)接觸角的變化，而其他2種膠黏劑對(duì)噴墨打印紙動(dòng)態(tài)接觸角的影響不大，且采用PVA-1799和羧基丁苯膠乳的噴墨打印紙動(dòng)態(tài)接觸角的變化與市售亞光紙相差很大。

圖7 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙動(dòng)態(tài)接觸角的影響

2.2 膠黏劑用量對(duì)噴墨打印紙打印性能的影響2.2.1 對(duì)噴墨打印紙四色實(shí)地密度的影響

表1～表3為使用3種膠黏劑的噴墨打印紙和市售亞光紙的黃、品、青和黑四色實(shí)地密度值。從表1～表3可知，這3種膠黏劑對(duì)黃 (Y)、品(M)、青 (C)和黑 (K)四色實(shí)地密度的影響基本一致，即先增大后逐漸減小;且以PVA-1788為膠黏劑的噴墨打印紙的四色實(shí)地密度比其他2種膠黏劑的大，與市售亞光紙的差距最小。這表明PVA-1788作為膠黏劑最能忠實(shí)地復(fù)制原稿，體現(xiàn)原稿的色彩。3者中以羧基丁苯膠乳為膠黏劑的噴墨打印紙的四色實(shí)地密度值最小，并且在復(fù)制黑色上羧基丁苯膠乳是最差的，這表明羧基丁苯膠乳不適合作為本實(shí)驗(yàn)噴墨打印紙的膠黏劑。

表1 PVA-1788用量對(duì)噴墨打印紙四色實(shí)地密度的影響

表2 PVA-1799用量對(duì)噴墨打印紙四色實(shí)地密度的影響

表3 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙四色實(shí)地密度的影響

由表1～表3可知，PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯膠乳用量均為20份時(shí)，噴墨打印紙的平均實(shí)地密度值最大。將以上3種噴墨打印紙和市售亞光紙的平均實(shí)地密度值進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)PVA-1788用量為20份時(shí)的噴墨打印紙平均實(shí)地密度值為1.143，最接近市售亞光紙的平均實(shí)地密度值1.177;而羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)的噴墨打印紙平均實(shí)地密度值為0.874，與市售亞光紙的平均實(shí)地密度值1.177相差最大。這表明在復(fù)制原稿方面，PVA-1788是這3種膠黏劑中最優(yōu)的，而羧基丁苯膠乳是3種膠黏劑中最差的。而且通過(guò)比較可以得出PVA-1788用量為20份時(shí)得到的噴墨打印紙平均實(shí)地密度值是所有膠黏劑用量中最大的。

2.2.2 對(duì)噴墨打印紙四色L*、a*、b*值及色差的影響

表4～表6為使用3種膠黏劑的噴墨打印紙和市售亞光紙的青色L*、a*、b*值及ΔE*Lab色差值。從表4～表6可知，PVA-1788用量為20份時(shí)，噴墨打印紙的青色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，為8.23;PVA-1799用量為10份時(shí)，噴墨打印紙的青色ΔE*Lab色差值是PVA-1799所有用量中最小的，為9.34;羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)，噴墨打印紙的青色ΔE*Lab色差值是羧基丁苯膠乳所有用量最小的，為11.56;且PVA-1788用量為20份時(shí)噴墨打印紙的ΔE*

Lab(青色) ＜PVA-1799用量為10份時(shí)噴墨打印紙的ΔE*Lab(青色)＜羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)噴墨打印紙的 ΔE*Lab(青色)，即 8.23 ＜9.34 ＜11.56。根據(jù) CIE1976L*a*b*均勻顏色空間理論［8-9］可知，在忠實(shí)復(fù)制青色上，PVA-1788比其他2種膠黏劑更好，且當(dāng)PVA-1788用量為20份時(shí)復(fù)制效果最好。

表4 PVA-1788用量對(duì)噴墨打印紙青色L*、a*、b*值及色差的影響

表5 PVA-1799用量對(duì)噴墨打印紙青色L*、a*、b*值及色差的影響

表6 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙青色L*、a*、b*值及色差的影響

表7～表9為使用3種膠黏劑的噴墨打印紙和市售亞光紙的品紅色L*、a*、b*值及Δ色差值。從表7～表9可以看到，PVA-1788用量為40份時(shí)，噴墨打印紙的品紅色Δ色差值是PVA-1788所有用量中最小的，為3.50;PVA-1799用量為40份時(shí)，噴墨打印紙的品紅色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，為4.97;羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)，噴墨打印紙的品紅色Δb色差值是羧基丁苯膠乳所有用量中最小的，為18.70;且PVA-1788用量為40份時(shí)噴墨打印紙的 Δ(品紅色) ＜PVA-1799用量為40份時(shí)噴墨打印紙的Δ(品紅色)＜羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)噴墨打印紙的Δ(品紅色)，即3.50 ＜4.97 ＜18.70。根據(jù) CIE1976 L*a*b*均勻顏色空間理論［8-9］也能得出在忠實(shí)復(fù)制品紅色上，PVA-1788比其他2種膠黏劑更好，且當(dāng)PVA-1788用量為40份時(shí)復(fù)制效果最佳。

表10～表12為使用3種膠黏劑的噴墨打印紙和市售亞光紙的黃色 L*、a*、b*值及Δ色差值。從表10～表12可知，PVA-1788用量為20份時(shí)噴墨打印紙的黃色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，為3.76;PVA-1799用量為20份時(shí)噴墨打印紙的黃色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，為6.53;羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)噴墨打印紙的黃色Δ色差值是羧基丁苯膠乳所有用量中最小的，為18.52;且PVA-1788用量為20份時(shí)噴墨打印紙的Δ(黃色) ＜PVA-1799用量為20份時(shí)噴墨打印紙的Δ(黃色)＜羧基丁苯膠乳用量為20份時(shí)噴墨打印紙的 Δ(黃色)，即 3.76 ＜6.53 ＜18.52。根據(jù) CIE1976 L*a*b*均勻顏色空間理論［8-9］也可得出在忠實(shí)復(fù)制黃色上，PVA-1788比其他2種膠黏劑更好，且當(dāng)PVA-1788用量為20份時(shí)復(fù)制效果最佳。

表7 PVA-1788用量對(duì)噴墨打印紙品紅色L*、a*、b*值及色差的影響

表8 PVA-1799用量對(duì)噴墨打印紙品紅色L*、a*、b*值及色差的影響

表9 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙品紅色L*、a*、b*值及色差的影響

表10 PVA-1788用量對(duì)噴墨打印紙黃色L*、a*、b*值及色差的影響

表11 PVA-1799用量對(duì)噴墨打印紙黃色L*、a*、b*值及色差的影響

表12 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙黃色L*、a*、b*值及色差的影響

表13 PVA-1788用量對(duì)噴墨打印紙黑色L*、a*、b*值及色差的影響

表14 PVA-1799用量對(duì)噴墨打印紙黑色L*、a*、b*值及色差的影響

表15 羧基丁苯膠乳用量對(duì)噴墨打印紙黑色L*、a*、b*值及色差的影響

表13～表15為使用3種膠黏劑的噴墨打印紙和市售亞光紙的黑色L*、a*、b*值及ΔE*Lab色差值。從表13～表15可知，PVA-1788用量為20份時(shí)噴墨打印紙的黑色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，為3.39;PVA-1799用量為10份時(shí)噴墨打印紙的黑色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，為7.95;羧基丁苯膠乳用量為10份時(shí)噴墨打印紙的黑色ΔE*Lab色差值是羧基丁苯膠乳所有用量中最小的，為13.77;且PVA-1788用量為20份時(shí)噴墨打印紙的Δ(黑色) ＜PVA-1799用量為10份時(shí)噴墨打印紙的Δ(黑色)＜羧基丁苯膠乳用量為10份時(shí)的噴墨打印紙的 Δ(黑色)，即 3.39 ＜7.95＜13.77。根據(jù) CIE1976 L*a*b*均勻顏色空間理論［8-9］可得出在忠實(shí)復(fù)制黑色上，PVA-1788比其他2種膠黏劑更好，且當(dāng)PVA-1788用量為20份時(shí)復(fù)制效果最佳。

3 結(jié)論

3.1 PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯膠乳3種膠黏劑對(duì)采用沸石顏料噴墨打印紙的物理性能如白度、不透明度、光澤度、PPS粗糙度和動(dòng)態(tài)接觸角的影響都不大，這5項(xiàng)紙張性能主要由沸石顏料決定。

3.2 通過(guò)評(píng)價(jià)3種膠黏劑對(duì)采用沸石顏料的噴墨打印紙打印性能的影響，可以得到PVA-1788是所選膠黏劑中采用沸石顏料的噴墨打印紙的最佳膠黏劑，其最佳用量為20份 (相對(duì)于100份絕干沸石顏料)。

3.3 以打印性能評(píng)價(jià) (檢測(cè)經(jīng)打印機(jī)打印后噴墨打印紙的四色實(shí)地密度值和CIE L*a*b*值及以市售亞光紙的四色為標(biāo)準(zhǔn)色的Δ色差值)為主，以物理性能評(píng)價(jià) (檢測(cè)涂布噴墨打印紙的白度、不透明度、光澤度、PPS粗糙度和動(dòng)態(tài)接觸角)為輔的評(píng)價(jià)手段對(duì)噴墨打印紙進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)是可行的。

［1］FAN Jun-yao.Scanning the Inkjet Printing Market［J］.Digital Printing，2011(7):24.

樊俊耀.噴墨打印應(yīng)用市場(chǎng)掃描［J］.數(shù)碼印刷，2011(7):24.

［2］Kettle J，Taina Lamminm?ki，Patrick Gane.A Review of Modified Surfaces for High Speed Inkjet Coating［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2010(204):2108.

［3］Hyun-Kook Lee，Margaret K Joyce，Paul D Fleming，et al.Influence of Pigment Particles on Gloss and Printability for Ink jet Paper Coatings［C］//International Conference on Digital Printing Technologies.Salt Lake City，USA，2004.

［4］Ales Hladnik.Use of Specialty Pigments in High-End Ink-Jet Paper Coatings［J］.Journal of Dispersion Science and Technology，2004，25(4):481.

［5］Charls P Klass，Margaret K Joyce.High Performance Purified Natural Zeolite Pigment for Papermaking and Paper Coating:US，6616748［P］.2003-09-09.

［6］WANG Li，LI Xiao-chun，ZHU Ming.The Manufacture Technology of Micropore Ink-jet Photo Paper［J］.China Pulp ＆ Paper，2012，31(3):61.

王 莉，李曉春，朱 明.微孔型噴墨相紙制造工藝［J］.中國(guó)造紙，2012，31(3):61.

［7］WANG Hai-song，CAO Zhen-lei，LIU Jin-gang.Coating Structure and the Properties of Pigment Coated Paper［J］.China Pulp ＆ Paper，2005，24(8):50.

王海松，曹振雷，劉金剛.顏料涂布紙的涂層結(jié)構(gòu)與性能［J］.中國(guó)造紙，2005，24(8):50.

［8］HU Cheng-fa.Printing Color and Colorimetry［M］.Beijing:Printing Industry Press，1993.

胡成發(fā).印刷色彩與色度學(xué)［M］.北京:印刷工業(yè)出版社，1993.

［9］LIU Wu-hui，HU Geng-sheng，WANG Qi.Ggraphic Arts Chromatology［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2004.

劉武輝，胡更生，王 琪.印刷色彩學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004. CPP