二氧化硅/瓷土顏料涂布紙的制備

趙恬 徐彥明

使用二氧化硅和瓷土作為涂布液顏料，通過改變二氧化硅和瓷土的配比制備了4組涂料進(jìn)行涂布，在此基礎(chǔ)上增大壓光壓力，探索顏料配比與壓光壓力對噴墨印刷紙張、印刷成像質(zhì)量的影響。探索發(fā)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)指定的4個(gè)壓光壓力下，壓光壓力越大則噴墨印刷效果越好。此外，結(jié)果表明涂料顏料二氧化硅與瓷土的配比為80︰20，壓光壓力為80N/mm時(shí)，紙張的平滑度較為理想，色域面積較廣，印刷實(shí)地密度最大，文字清晰度最高。

隨著噴墨印刷機(jī)的普及和噴墨印刷產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，人們對噴墨印刷紙張的紙張性能以及清晰度、呈色質(zhì)量等印刷性能方面越來越重視。顏料涂布紙的實(shí)質(zhì)是在原紙表面覆蓋一層微孔網(wǎng)絡(luò)狀的墨水吸收層，墨水在顏料涂布紙上形成文字和圖像的過程中，涂層起著關(guān)鍵性的作用，因此了解噴墨印刷顏料涂布紙的涂層特性能對實(shí)際生產(chǎn)有重要作用。而涂布壓光整飾過程可以使紙張取得比較高的平滑度和均勻的油墨吸收性以獲得良好的印刷效果。

二氧化硅是一種應(yīng)用廣泛且重要的白色顏料，比表面積大，孔隙度高，在涂層中可形成強(qiáng)大的吸墨和固墨網(wǎng)絡(luò)。瓷土同樣是應(yīng)用極廣泛的涂布紙顏料，是一種含結(jié)晶水的硅酸，片狀瓷土制成的涂料流動性好，涂于紙面且經(jīng)壓光整飾后可以平行地排列于紙面，達(dá)到高的平滑度、光澤度和不透明度。本文選用二氧化硅/瓷土復(fù)合顏料，加以助劑配備涂布液，探索顏料配比與壓光壓力對噴墨印刷紙張、印刷成像質(zhì)量的影響。

實(shí)驗(yàn)

1.材料與儀器

主要材料有二氧化硅，天津碧橙藍(lán)生物科技有限公司;瓷土，天津康科美科技有限公司;分散劑聚丙烯酸鈉，南通市化工有限責(zé)任公司;消泡劑，德國漢高公司;保水劑羧甲基纖維素（CMC），天津市福晨化學(xué)試劑廠;固色劑PDADMAC，杭州綠興環(huán)保材料有限公司;原紙（93g/m2），億王紙業(yè)有限公司。

主要儀器有旋轉(zhuǎn)式黏度儀NDJ-4，上海精密科學(xué)儀器有限公司;涂布機(jī)CU5/200，德國Sumet-Messtechnik公司;壓光機(jī)，CA5/200，德國 Sumet-Messtechnik公司;接觸角測定儀AST，極科有限公司;全自動色差儀SC-100，北京康光光學(xué)儀器有限公司;電腦測控平滑度儀，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司;愛普生噴墨印刷機(jī)C4800，愛普生公司;分光色度計(jì)X-Rite 528，美國愛色麗色彩儀器公司;愛國者數(shù)碼觀測王GE-5，深圳市漢普檢測儀器有限公司。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

①顏料的分散

二氧化硅的分散：稱量二氧化硅與水質(zhì)量比為18︰82。先將一定量的分散劑溶于水中，在研磨機(jī)低速下分散，待其充分溶于水中后開始緩慢加入二氧化硅粉末，在二氧化硅完全分散于水中后，將研磨多用機(jī)的電壓調(diào)節(jié)至250V繼續(xù)高速分散2小時(shí)。制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的二氧化硅顏料待用。

瓷土的分散：稱量瓷土與水質(zhì)量比為60︰40。先將一定量的分散劑溶于水中，在研磨機(jī)低速下分散，待其充分溶于水中后開始緩慢加入瓷土，在瓷土完全分散于水中后，調(diào)節(jié)研磨機(jī)的電壓為300V高速分散2小時(shí)，用過濾網(wǎng)過濾，制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的瓷土顏料待用。

②膠黏劑的溶解

稱量PVA與水的質(zhì)量比為15∶85，置于燒杯中靜置半小時(shí)，然后置于電熱恒溫水浴鍋中以90℃水浴加熱，使用恒速攪拌器攪拌3小時(shí)至PVA的狀態(tài)呈無色透明狀時(shí)停止加熱。為避免PVA自然冷卻結(jié)膜，需繼續(xù)攪拌使PVA冷卻至室溫即可使用，制備出PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

③涂料的配制

涂料配方方案見表1，按照表1所示配比混合顏料、膠黏劑及助劑制備涂料，高速攪拌混合30分鐘使涂料均勻。經(jīng)過濾后，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)涂料pH為9～10，保存待用。

④涂布及壓光

涂布機(jī)參數(shù)為計(jì)量棒壓力2N，輥間壓力50N，刮刀角度為18°，刮刀力10N，涂布完成以后的干燥溫度為100℃，干燥時(shí)間為60s。在用重物施壓2～3天后進(jìn)行壓光處理。壓光機(jī)的參數(shù)設(shè)定為，壓光速度5m/min，壓光溫度28℃，改變壓光壓力分別為50N/mm、60N/mm、70N/mm、80N/mm。

顏料涂布紙張性能測試

1.紙張平滑度測試

使用電腦測控平滑度儀，利用空氣泄漏法測定紙張平滑度。

2.紙張接觸角測試

接觸角測定儀測定紙張接觸角，捕捉液滴在紙張表面上的圖像并標(biāo)出角度。

3.噴墨印刷質(zhì)量測試

①實(shí)地密度。用分光色度計(jì)X-Rite測量印刷樣張中的黑、黃、品、青四色的100%網(wǎng)點(diǎn)色塊處的顏色密度。

②色域。采用分光色度計(jì)X-Rite測量紅、綠、藍(lán)、黃、品、青六色的實(shí)地網(wǎng)點(diǎn)的X、Y值（100%網(wǎng)點(diǎn)面積率），做出色域圖。

③文本清晰度。對噴墨陰文、陽文后所呈現(xiàn)的效果進(jìn)行主觀評價(jià)。

結(jié)果與討論

1.顏料配比及壓光壓力對紙張平滑度的影響

不同顏料配方和壓光壓力的紙張平滑度數(shù)據(jù)見圖1。從圖中可以看出在同一壓光壓力下，隨著二氧化硅的減少和瓷土的增加，紙張平滑度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。這是因?yàn)槎趸韬推瑺畹拇赏令w粒呈不同形狀，需要尋找合適配比使得顏料顆粒平整排列。同時(shí)隨著壓光壓力的增大，涂布紙的表面間隙縮小，紙張緊度變大，平滑度明顯升高。

2.顏料配比及壓光壓力對紙張接觸角的影響

由楊氏潤濕方程知，固體/氣體界面能越大，即固體表面能越高，接觸角越小，表面越容易被潤濕。二氧化硅具有高孔隙率和比表面積，它對水分有很強(qiáng)的親和力。因此在圖2中，隨著二氧化硅的減少和瓷土的增加，涂層表面自由能減小，紙張的接觸角逐漸增大。

在壓光壓力為70N/mm前后，接觸角呈現(xiàn)先降后升的趨勢。這是由于壓光壓力的增大使紙張更為平滑，液體與紙張之間有較好的接觸，接觸角減小。而當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí)，紙張表面較強(qiáng)的成膜作用又使其抗水性增強(qiáng)，接觸角增大。

3.顏料配比及壓光壓力對紙張噴墨印刷質(zhì)量的影響

①顏料配比及壓光壓力對紙張噴墨印刷色密度的影響

在網(wǎng)點(diǎn)面積率為100%階調(diào)處，青色色密度數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖可明顯的看出，顏料B配方即二氧化硅與瓷土絕干質(zhì)量之比為80︰20時(shí)紙張噴墨的色密度值較大，紙張接受油墨的效果較好。在壓光壓力方面，隨壓力的增加，表面孔隙率減小，緊度和平滑度增大，油墨滲透更為均勻，青色色密度值呈上升趨勢。

②顏料配比及壓光壓力對紙張噴墨印刷色域的影響

色域圖的大小可以直接反映紙張的印刷質(zhì)量。色域越大，顏色范圍越廣，可以表現(xiàn)顏色的數(shù)量就越多。圖4呈現(xiàn)了在50N/mm、60N/mm、70N/mm、80N/mm壓光壓力下的不同顏料配比對紙張噴墨印刷色域的影響，在不同壓力下表現(xiàn)為二氧化硅與瓷土的配比為80︰20和60︰40時(shí)，紙張的色域圖較大，紙張可呈現(xiàn)色彩再現(xiàn)范圍較大。圖5所示為同一顏料配比下，色域范圍隨壓光壓力的變化。由圖可知，在選定的4個(gè)壓光壓力條件下色域范圍隨著壓光壓力的增大而變大，在壓光壓力為80N/mm時(shí)色域面積范圍最大，4個(gè)配方均呈現(xiàn)同樣的趨勢。

③顏料配比對紙張噴墨印刷文字清晰度的影響

由以上平滑度、色密度以及色域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，用較大的壓光壓力做整飾時(shí)的紙張及其噴墨印刷后效果較為理想。因此在此選用80N/mm的壓光壓力，探討不同顏料配比對紙張噴墨印刷文字清晰度的影響。圖6從左到右依次為涂料中二氧化硅與瓷土顏料的比例分別為60︰40、70︰30、80︰20、90︰10時(shí)紙張噴墨印刷陽文和陰文的實(shí)際結(jié)果。可以看出在二氧化硅與瓷土比例為80︰20時(shí)的陰陽文本清晰度最高，油墨滲化作用最弱，效果最好。

結(jié)語

紙張的平滑度和接觸角等性質(zhì)對紙張噴墨印刷效果起著重要作用。在一定程度上，較小的接觸角更利于紙張的印刷。隨著壓光壓力的增大，紙張平滑度提高，則印刷過程中小網(wǎng)點(diǎn)就不易丟失，可以有效地保證圖片文字的層次豐富、色彩再現(xiàn)良好。通過對紙張噴墨印刷后的實(shí)地密度、色域、文字清晰度等的研究得知，最優(yōu)方案是涂料顏料二氧化硅與瓷土配比為80︰20，壓光壓力為80N/mm，所呈現(xiàn)的噴墨印刷效果最好。

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn