淀粉/聚乙烯醇表面施膠改善宣紙噴墨印刷性能的研究

耿孟琛，陳金玲，張正健，顧 翀，萬超宇

(天津科技大學輕工科學與工程學院,天津300222)

隨著社會發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對文化藝術的奢求也不斷提高。作為文化藝術精華的國畫，被越來越多的人所喜愛，已經走進更多的家庭，并成為饋贈親友、社會交往的禮品。然而，由于國畫價格和數(shù)量的原因，更多的人沒有辦法得到真品。因此，對國畫的仿真復制越來越多，而作為古典書畫用紙的宣紙成為了國畫復制重要的承印材料[1]。

近年，噴墨打印技術得到了快速發(fā)展，為復制出大量精美的國畫藝術品提供了新方向，但若直接使用普通宣紙進行彩色噴墨打印，會產生紙張透印、光澤度差、圖像不清晰、色彩飽和度低等問題。針對上述問題，可以在其他條件符合要求的前提下，通過改善宣紙性能，制成具有強度高、質感好、圖像清晰精致、效果傳神逼真、成本低、可裝裱等特點的噴墨印刷施膠宣紙[2-5]，從而提高國畫復制的質量。

宣紙施膠用膠料的主要成分可選擇性能優(yōu)良的淀粉和聚乙烯醇。淀粉產量多，來源廣泛，價格便宜，是比較環(huán)保的可再生能源[6]。經改性后的陽離子淀粉制備工藝成熟，可提高膠料的生產運行性能和流變性能，使膠層形成一層均勻的多孔狀結構，再加上其正電離子，使得膠層的油墨吸收性能變好。因此，改性陽離子淀粉可以改善紙張的物理性能和呈色效果，具有減少紙張透印、掉毛、掉粉、提高紙張的印刷性能、使印品具有更好的光澤度等優(yōu)點[6-7]。聚乙烯醇的黏結力強，親水性能好，成膜性能優(yōu)良，可有效改善紙張的表面強度和表面吸收性能。同時，淀粉和聚乙烯醇具有良好的協(xié)同作用，將二者配合使用，可得到性能優(yōu)良的施膠紙張[8-9]。

本文以淀粉和PVA 為主要原料，配制不同配方膠料，對宣紙進行施膠，研究膠料配方對宣紙物理性能和呈色性能的影響，從而獲得適于宣紙施膠、利于噴墨印刷和提升國畫印刷復制質量的膠料配方。

1 實驗

1.1 實驗材料與試劑

宣紙（定量約45 g/m2，平滑度2 s，端本堂國產宣紙）；淀粉（陽離子淀粉，白色粉末，型號SP－1，廣西明陽生物科技有限公司）；聚乙烯醇（白色粉末，型號PVA－1788）；消泡劑（固含量為33.8%，型號B－105，廣東中聯(lián)邦精細化工有限公司）；聚丙烯酸鈉（分散劑，固含量為43%，南通裕泰化工有限公司）；固色劑（固含量為46.25%，型號NF－30，杭州綠興環(huán)保材料有限公司）；保水劑為CMC（山東太陽紙業(yè)企業(yè))；甘油（天津賽帆化工有限公司）。

1.2 主要實驗設備

DCP－KZ300 型電腦測控抗張試驗機，四川長江造紙儀器有限責任公司；PDA.C 型動態(tài)滲透分析儀，德國Emtec 公司；STYLUS PRO 4880C 型噴墨打樣機，日本EPSON 公司；X－Rite 528 型分光光度計，美國愛色麗色彩儀器公司；30 號涂布計量棒，四川長江造紙儀器有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 膠料制備

（1）淀粉糊化：將淀粉用去離子水配制成質量分數(shù)10%的懸浮液，在三口燒瓶中攪拌浸潤30 min，然后于90 ℃恒溫水浴中攪拌糊化30 min，降溫至60 ℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）聚乙烯醇溶液的制備：在PVA 中加入去離子水配成質量分數(shù)20%的懸浮液，進行水浴加熱并攪拌，當溫度升至90 ℃時保持該溫度，再繼續(xù)攪拌50 min，冷卻至室溫備用。

（3）CMC 保水劑制備：稱取一定量的CMC，加入去離子水配制質量分數(shù)7%的懸浮液，在90 C°的水浴鍋中加熱，低速攪拌至CMC 粉末完全溶解，冷卻至室溫備用。

（4）膠料的制備：按照表1 膠料配方要求，將所有的原料以合適的分量混合，攪拌均勻。通過改變淀粉與PVA 的份數(shù)比，分別配制出5 組膠料。其中，各組分的絕干質量比用“份”表示。

表1 膠料配方

1.3.2 宣紙的表面施膠

以縱向為長度方向（長邊直絲綹），將宣紙裁切成A4 大小的試樣，采用30 號絲棒進行施膠，施膠量要控制在3～6 g/m3，室溫干燥。

1.3.3 紙張抗張強度測試

依據(jù)GB/T 12914—2018《紙和紙板抗張強度的測定》，采用抗張試驗機進行測試。

1.3.4 動態(tài)滲透性能測定

以去離子水為測試液，采用動態(tài)滲透儀分析儀進行測試。將試樣通過專用雙面膠帶粘貼在測試頭上，壓緊試樣，設置參數(shù)，選擇高水位，超聲波頻率為2 MH，測試時間12 s，通過去離子水與宣紙接觸時超聲波能量的變化表征水在紙張上的動態(tài)滲透情況，得出超聲波能量強度隨著時間變化的曲線。

1.3.5 噴墨印刷性能測定

采用噴墨打印檢測版，以宣紙試樣為承印材料，通過噴墨打樣機進行樣張輸出。采用分光光度計檢測噴墨打印試樣的印刷色密度和階調，并得出網點擴大和相對反差。

2 結果與討論

2.1 抗張強度性能分析

圖1 為施膠對宣紙抗張強度的影響。施膠宣紙的抗張強度均大于未施膠宣紙（原紙），說明施膠可以明顯提高紙張的強度，有利于提高宣紙的噴墨印刷適性。這是因為淀粉/PVA 的黏合性使纖維與纖維及纖維與膠層之間結合在一起，填充了宣紙中的孔隙，增強了各組分之間的相互作用力，從而提高了宣紙的強度，改善了紙張的形態(tài)穩(wěn)定性能，提升了紙張印刷適性[10－11]。針對1 號至5 號施膠宣紙，隨著PVA用量的減少，縱向和橫向抗張強度均呈現(xiàn)下降趨勢，縱向抗張強度的變化趨勢比橫向抗張強度更明顯，這是因為聚乙烯醇的黏結強度要優(yōu)于淀粉所致。

圖1 施膠對紙張抗張強度的影響

2.2 動態(tài)滲透性能分析

由于宣紙的表面多孔，滲透能力強，如果直接噴墨打印，會出現(xiàn)墨點快速滲透到紙張內部，導致噴墨印刷網點色密度降低、形狀不規(guī)則、印刷質量降低等問題。因此，采用動態(tài)滲透分析儀，基于超聲波在水中的衰減小、在空氣中衰減大的原理，通過其能量隨著時間的變化，可以分析紙張的動態(tài)滲透特性，從而預測出紙張的噴墨打印性能[12]。圖2 給出了試樣的動態(tài)滲透情況。

圖2 施膠對紙張動態(tài)滲透性能的影響

從圖2 可以看出：未施膠宣紙的超聲波能量強度最大值（Max 處）只能達到33.57%，遠遠小于施膠宣紙，這是因為未施膠宣紙對水的吸收速度快、且不均勻，產生氣泡多，使超聲波能量接收值難以達到100%的強度。宣紙經施膠后，表面形成一層膠層，有利于水的整體均勻滲透，超聲波能量強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。對比不同施膠宣紙的tmax（能量達到最大的時間）和t95（能量降至95%的時間）可以看出：不同施膠宣紙的tmax值比較接近，說明紙張表面都形成了均勻膠層；然而，由于淀粉和PVA 的物理化學性能不同，成膜效果和協(xié)同作用存在差異，所以導致t95有所不同；還可以看出，4 號和2 號試樣的t95值較大，膠層抗拒水滲透的能力較強，1 號、3 號和5 號試驗能夠較好控制水在膠層表面的滲透，從而獲得較好的滲透性能。

2.3 呈色性能分析

2.3.1 實地色密度

圖3 給出了施膠對宣紙實地色密度的影響。由圖3 可知：各配方施膠宣紙的各色密度均有所提高，其中1 號、3 號和5 號配方施膠宣紙的實地密度相對較高，這與動態(tài)滲透分析所得結論一致。其中，5號配方施膠宣紙的青色墨、黑色墨和品色墨密度均達到最高值，1 號配方施膠宣紙的品色墨密度最高?？傮w對比分析發(fā)現(xiàn)，5 號配方在改善宣紙實地色密度方面優(yōu)于其他配方。這是由于PVA 作為合成膠黏劑具有優(yōu)異的強度和成膜性能，而淀粉作為天然膠黏劑具有較好的開放結構，二者協(xié)同施膠后，能產生較好的協(xié)同作用；經過施膠后宣紙的滲透性能得到有效控制，更加適合于噴墨打印，實地印刷密度得到提高，印刷出的顏色更加鮮艷逼真。

圖3 施膠對宣紙實地色密度的影響

2.3.2 階調再現(xiàn)

圖4 中的A、B、C、D 分別給出了施膠對CMYK四色顏色階調再現(xiàn)的影響。如圖4所示，通過測量網點面積率10%至100%的CMYK 四色密度，繪制階調再現(xiàn)曲線，曲線的斜率越大，彩色紙張的范圍越大，階調再現(xiàn)越好。整體上看，施膠宣紙的階調再現(xiàn)范圍均優(yōu)于原紙，其中5 號配方施膠宣紙在各色油墨中階調再現(xiàn)性最優(yōu)，其原因在于淀粉和PVA 的協(xié)同作用不僅控制了墨滴在紙張表面的滲透和擴散，還通過淀粉與墨水的正負電荷作用，提高了其階調再現(xiàn)范圍，有利于國畫的高保值復制[6]。

圖4 施膠對宣紙階調再現(xiàn)的影響

2.3.3 網點擴大

圖5 中給出施膠對CMYK 四色網點擴大的影響。由圖5 可以看出，經過施膠后，特別是1 號、3 號和5 號配方，各色油墨的網點擴大現(xiàn)象都有不同程度的改善。其中針對青色油墨，5 號施膠宣紙的網點擴大程度較其他紙張更?。粚τ谄渌伾湍?，在網點面積率0～50%的部分，3 號施膠宣紙的網點擴大程度較小，在50%之后，5 號施膠宣紙的網點擴大程度較小。綜合對比分析得出，5 號配方相對較好，這是因為淀粉和PVA 之間較好的協(xié)同效果，減小了墨滴在承印物膠層表面發(fā)生的滲透和擴散現(xiàn)象，有效降低了網點擴大，提升了紙張的噴墨印刷性能。

圖5 不同配方施膠宣紙的網點面積擴大值

2.3.4 相對反差分析

在印品質量檢測過程中的相對反差反映了密度之間的內在關系，當墨水量較多時，網點區(qū)域增大、相對反差降低，雖然此時墨水的飽和度高，但色調水平和清晰度差。當墨水量較小時，實地密度不協(xié)調，相對反差度也降低，此時，雖然網點擴大率小、清晰度高，但是整體圖像飽和度不高，顏色再現(xiàn)較差。因此，相對反差度越接近1，打印質量越好。

各配方施膠宣紙的相對反差值見圖6。由圖6可知：對于CMYK 四色油墨，未施膠宣紙的相對反差相對較小，印品質量較差，施膠能夠有效增加噴墨印刷相對反差，提高印刷效果。從整體上看，在施膠宣紙中，5 號配方施膠宣紙的相對反差最大。因此，要想獲得理想的噴墨印刷相對反差，需要合理選擇施膠配方，優(yōu)化施膠工藝，獲得優(yōu)質宣紙膠層。

圖6 施膠對宣紙噴墨印刷相對反差的影響

3 結論

本實驗采用控制變量法，研究了淀粉與PVA 施膠對宣紙抗張強度、動態(tài)滲透性能和呈色性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，經過施膠后，宣紙的抗張強度性能明顯提高，動態(tài)滲透性能得到有效控制，呈色性能獲得較大改善。綜合得出，當?shù)矸叟cPVA 絕干質量比例為14:6 時，能夠較好地改善宣紙的噴墨印刷適性。