纳米级二氧化硅在彩色喷墨打印纸涂料中的应用

　 作者简介 : 王 　进先生 , 在读博士研究生 ; 研究方 向 : 纸张涂料和加工纸。 　收稿日期 : 2004207205 Ó 彩喷纸面涂颜料 Ó 纳米级二氧化硅在彩色喷墨打印纸涂料中的应用 王 　进 　陈克复 　杨仁党 　杨 　勋 　祖景润 (华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室 , 广州 , 510640) 　　摘　要 : 对 2 种高光泽彩色喷墨打印纸进行了扫描电镜分析 , 观察其面形貌 ; 探讨了底涂涂布量 和纳米级二氧化硅作面涂颜料时对纸页性能和打印性能的影响 , 实验结果表明 , 高光泽彩色喷墨打 印纸表面存在大量的微孔和裂纹 , 底涂可以明显改善纸页性能 , 纳米级二氧化硅能够对纸页提供比 较高的平滑度、吸收性能、色密度和图像质量。 关键词 : 纳米级二氧化硅 ; 喷墨打印 ; 油墨吸收性 ; 色密度 中图分类号 : TS727 +13 ; TS76111　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 02542508X(2005) 0120006204 　　随着喷墨打印机、数码 相机及扫描仪等的迅速普 及 ,作为图像输出的重要方 式 ———喷墨打印以其低廉的 价格及其接近激光打印机的打印质量越来越受到用户 的青睐。据报道 ,全球使用的打印机中 72 %为喷墨打 印机[1 ] 。作为喷墨打印介质的彩色喷墨打印纸的用量 逐年增加 ,据统计 2000 年喷墨打印专用纸消费量已经 达到 211 万 t [2 ] 。彩色喷墨打印纸的质量主要决定于 吸墨涂层的性能 ,尤其是相纸级喷墨打印纸 ,要求打印 出来的画面在色彩的鲜艳度、饱和度、细部层次、清晰 度、色彩还原和色牢度方面都能达到彩色相纸的水平。 彩色喷墨打印纸要达到高质量的图像效果 ,其涂层应 具有以下特性[3 ] :均匀快速地吸收墨水 ,不发生渗色、 蹭脏 ,不透印 ;墨点真圆度高、边缘锐利 ,网点浓度高 , 图像分辨率高 ;色彩牢度好 ,即图像和文字要有好的耐 水性、耐光性、耐摩擦性及保存性 ;色彩还原性好 ,饱和 度高 ,有较高的颜色密度和颜色强度。 目前 ,彩色喷墨打印纸的吸墨涂层基本上分为树 脂类和颜料类。树脂类吸墨涂层主要由一些能够吸水 膨胀的高分子 ,如明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羟 丙基纤维素等组成 ,赋予涂层强大的吸墨能力 ;颜料类 吸墨涂层主要是含有特殊颜料 ,如无定形二氧化硅、氧 化铝等 ,在涂层中形成大量微孔 ,实现对墨滴的快速吸 收和颜色固着作用[4 - 5 ] 。文中在分析进口样品的基础 上 ,探讨了底涂的效果及几种二氧化硅用作喷墨打印 纸面涂颜料时纸页性能和打印性能的变化。 1 　实 　验 111 　实验原料与所用仪器 原纸 : 定量 8119 g/ m2 , 白度 8517 %ISO , 平滑度 2916 s。高岭土 : 产自广东茂名。 纳米级二氧化硅 : 硅溶胶 (8～20 nm , 浙江) ; 纳米 SiO2 分散液 (10～20 nm , 浙江) ; 气相 SiO2 (20～ 80 nm , 南京) 。 羧基丁苯胶乳 : 底涂 (BASF) , 面涂 (DOW) ; 大 豆蛋白 (PC4200 , 美国杜邦) ; PVA(湖南某造纸厂) 。 分散剂 (Colloid211) ; 增白剂 ; 润滑剂 (硬脂酸钙 含量 47 %～49 %) 。 扫描电子显微镜 S2550 (日本日立公司) ; Brook2 field 粘度计 ; K Control Coater 101 实验室小型涂布机 (英国) ; GFJ2014 型高速分散机 (上海) ; X2Rite Spec2 trodensitometer 528 为爱色丽密度仪 (美国) 。 112 　实验方法 11211 　涂布配方 本实验底涂采用常规的涂料配方 : 高岭土 100 份 , 胶乳 20 份 , 大豆蛋白 2 份 ; 分散剂 0115 % ; 增 白剂、抗水剂、润滑剂各 015 份。面涂颜料分别采用 硅溶胶、纳米 SiO2 分散液、气相 SiO2 进行比较实验 , 为了表示方便 , 分别记为 SiO2 Ⅰ、SiO2 Ⅱ、SiO2 Ⅲ。 面涂涂料的基本配方为 : 颜料 100 份 , 胶乳 30 份 , PVA15 份 , 大豆蛋白 4 份 ; 增白剂、抗水剂、润滑剂 各 015 份。 11212 　色密度的检测 色密度是衡量打印图像质量的一个重要参数 ,其影 响打印最终的视觉效果、色域和色彩逼真度。 在待测纸样上用 LEXMARK Z12 打印一个面积约 ·6· 研究论文 China Pulp & Paper 　Vol124 , No11 , 2005 2 cm2 的黑色圆 , 把所有纸样放在一起密封平衡 24h 后 , 在 X2Rite Spectrodensitometer528 上测定色密度。 本实验采用直接密度 (绝对值)测定 , 密度显示选用全 部显示方式 , 即显示黑、青、红、黄 4 种颜色的色密 度。测量值越大 , 说明图像中相应颜色的密度越高。 2 　结果与讨论 211 　商品纸样涂层表面的电镜分析 对市场上常见的、有代表性的 2 种高光泽彩色喷 墨打印纸进行了扫描电镜分析 , 在不同放大倍数条件 下 , 观察其表面形貌和表面结构 , 并分析吸墨机理。 从图 1 (a) 、图 2 (a)中可以看出 : 2 种喷墨打印纸 的表面形貌相似 , 在涂层表面均存在数量众多、分布 均匀、形状的裂纹。与样品 B 相比 , 无论是在 低倍数 ( ×50) 还是在较高倍数 ( ×500) 下 , 都可以清 楚地看到样品 A 的裂纹较大、数量较多 , 且样品 A 的裂纹边缘参差不齐。 对不存在裂纹的区域在高倍数下 ( ×12000) 观察 , 即图 1 (c) 、图 2 (c) , 可以发现涂层表面存在大量的 微孔 , 尤其是样品A。样品A 表面的微孔比样品B 表 面的微孔大得多 , 且样品 B 的孔隙不是很明显。在 3 万倍下观察 , 发现 2 种样品涂层表面的颜料粒子形状 近似球形 , 涂层是由一种颜料组成 ; 根据资料 , 高孔 隙率、高比表面积的 SiO2 是喷墨打印纸涂层最常用 的面涂颜料。根据对商品纸样剖析结果 , 在本次实验 中选择了粒径小、比表面积大的纳米级 SiO2 用于面 涂 , 首先进行了底涂实验。 212 　底涂对纸页性能的影响 底涂的目的是为了赋予纸页更好的平整性和均一 性 , 以便更好地实现面涂操作 , 获得更佳的面涂效 果。在底涂实验中 , 选用了 4 种刮棒 ( # 0、# 2、# 3、 # 4) , 以涂布速度 415 m/ s 进行涂布 , 从而得到 4 种 不同涂布量的纸页。 从表 1 中可以看出 , 随着底涂涂布量的增加 , 纸 页平滑度先逐渐升高然后下降 ; 底涂后纸页白度随涂 布量的增加出现下降趋势 ; 油墨吸收性 ( K & N 值) 基 本没有变化。综合考虑 , 认为涂布量为 1913 g/ m2 的平 整性最好 , 此时平滑度比 # 0 棒时的纸页提高了 5719 s , 比原纸提高了 12319 s , 因此 , # 3 刮棒较为合适。 表 1 　涂布量对纸页性能的影响 刮棒 涂布量/ g·m - 2 白度/ %ISO 平滑度/ s K & N 值/ % # 0 817 9217 9516 2311 # 2 1515 9118 11919 2315 # 3 1913 9110 15315 2318 # 4 2611 8816 12518 2215 图 1 　样品 A 的表面扫描电镜 图 2 　样品 B 的表面扫描电镜 ·7· 研究论文 　《中国造纸》2005 年第 24 卷第 1 期 213 　不同类型 SiO2 作面涂颜料对纸页性能的影响 21311 　不同类型 SiO2 对纸页白度的影响 喷墨打印纸的白度与原纸白度、涂料白度和涂层 水分有关 , 其中涂料白度是最主要的影响因素 , 而涂 料白度又主要由颜料白度、颜料粒子的粒径以及颜料 的配比决定。 图 3 表明 , 经面涂后的纸页白度都在 89 %ISO 以 上 , SiO2 Ⅱ、SiO2 Ⅲ涂布后的纸页白度比底涂后的纸 页白度降低了约 2 %ISO ; 而 SiO2 Ⅰ的白度比 SiO2 Ⅱ、 SiO2 Ⅲ高出约 5 %ISO , 比底涂后的纸页白度提高了 315 %ISO , 其原因可能是由于硅溶胶的粒径比纳米 SiO2 分散液和气相 SiO2 的粒径要小些的缘故。 图 3 　不同类型 SiO2 作颜料的纸页白度 21312 　不同类型 SiO2 对纸页平滑度的影响 经过底涂后的纸页 , 由于涂料在一定程度上改善 了纸页表面凹凸不平的情况 , 面涂后纸页的平滑度会 得到改善 , 其平滑度在很大程度上也与涂料的成分、 涂层的结构等关系密切。 从图 4 中可以发现 , 使用 SiO2 Ⅰ后 , 纸页平滑度 图 4 　不同类型 SiO2 作颜料的纸页平滑度 (11513s)较之底涂后的平滑度 (15315 s) 有所下降 ; 而 使用 SiO2 Ⅱ和 SiO2 Ⅲ后 , 纸页平滑度都有所提高 , 但 提高程度不同 , 使用 SiO2 Ⅱ纸页的平滑度达到 40615 s , 比底涂提高了 253 s ; 而使用 SiO2 Ⅲ后纸页的平滑 度为 19218 s , 比底涂提高了 3913 s。不同类型 SiO2 对平滑度提高的程度不同 , 这主要与涂布工艺 (干燥 时间、温度等)有关。 21313 　不同类型 SiO2 对纸页油墨吸收性的影响 油墨吸收性是衡量喷墨打印纸印刷适性的一项重 要指标 , 适度的油墨吸收性是打印清晰、图像优美的 基本保证。油墨吸收性过低 , 会使打印时油墨干燥速 度变慢 , 易导致打印面被粘脏和相邻颜色间的混色现 象 ; 油墨吸收性过高 , 纸表面吸收油墨过多 , 保留在 纸面上的油墨太少 , 会使光泽度下降、色密度降低、 打印出的图像黯淡无光 , 甚至产生透印和粉化现 象[6 ] 。喷墨打印的墨水无论在形态上还是性质上 , 与 胶版、凹版印刷的油墨存在较大差别。在本实验中 , 油墨 K &N 值只作为评价喷墨打印纸涂层的参考指 标。 从图 5 中可以看出 , SiO2 Ⅰ、SiO2 Ⅱ和 SiO2 Ⅲ涂 层的油墨吸收性 ( K & N 值) 分别为 1411 %、1112 %和 3411 % ; 油墨吸收性的规律是 SiO2 Ⅲ > SiO2 Ⅰ > SiO2 Ⅱ。 图 5 　不同类型 SiO2 作颜料的纸页油墨吸收性 21314 　不同类型 SiO2 对色密度的影响 色密度是衡量图像打印质量的一个重要指标 , 它 反映图像色彩的鲜亮程度。色密度不但与墨水有关 , 而且和墨水干燥后能够留在涂层表面的比率有关。理 想的涂层能够在其表面将墨水中的着色剂和溶剂有效 地分开 , 使墨水中着色剂留在涂层表面形成色彩鲜明 的图案。因此 , 色密度不仅受油墨类型、油墨性能的 影响 , 也受涂层结构及涂层性能等因素的影响[7 ] 。 从表 2 中可以看出 , SiO2 Ⅰ和 SiO2 Ⅲ涂布后纸页 的色密度相差不大 , 其中 SiO2 Ⅲ稍好些 ; SiO2 Ⅱ涂布 后纸页的色密度比使用 SiO2 Ⅰ、SiO2 Ⅲ涂布后的要 低。这主要是因为 SiO2 的类型不同、粒径不同和性 质不同 ; 而不同类型 SiO2 涂层表面形成的孔径、孔 ·8· 研究论文 China Pulp & Paper 　Vol124 , No11 , 2005 体积以及孔隙分布的不同又会导致涂层性能的差异 , 造成色密度的不同。 表 2 　不同类型 SiO2 对色密度的影响 SiO2 类型 色密度 黑色 ( K) 青色 (C) 红色 (M) 黄色 ( Y) SiO2 Ⅰ 1128 1122 1130 1113 SiO2 Ⅱ 1101 0196 1102 0192 SiO2 Ⅲ 1128 1133 1136 1117 21315 　不同类型 SiO2 对图像质量的影响 由于没有相应的检测仪器 , 因而对图像质量的评 价主要由实验人员主观评价。硅溶胶 (SiO2 Ⅰ) 涂层的 表面存在肉眼可观察到的裂纹 , 而纳米 SiO2 分散液 (SiO2 Ⅱ)和气相 SiO2 (SiO2 Ⅲ)涂层的表面则观察不到。 从表 3 中指标的对比可以看出 , 在 SiO2 Ⅲ涂层上的打 印效果最好 , 可以获得最低的羽毛扩散现象、很好的 吸收速率和最好的图像外观质量。 表 3 　不同类型 SiO2 对图像质量的影响 SiO2 类型 羽毛扩散现象 吸收速率 图像外观 SiO2 Ⅰ 严重 一般 一般 SiO2 Ⅱ 一般 很慢 一般 SiO2 Ⅲ 无 好 好 3 　结 　论 311 　高光泽彩色喷墨打印纸的表面均匀分布着数量 众多、形状相似的裂纹 , 在非裂纹区域分布着大量微 孔。不同样品的裂纹和微孔的大小、深浅、形状和数 量都有所不同 , 这可能是由于各自采用的原料性能及 涂布方式、涂布工艺不同造成的。 312 　底涂可以明显改善纸页的平整性和均一性 ,不同 的涂布量对纸页性能的影响不同。在本实验中 ,当涂 布量为 1913 g/ m2 时 ,纸页的平滑度、白度指标最好。 313 　纳米 SiO2 用作面涂颜料时 , 纸页的白度和平滑 度均得到了较大改善 , 但不同 SiO2 改善的程度不同。 不同类型 SiO2 涂层的油墨吸收性存在较大差异 , 气 相 SiO2 (SiO2 Ⅲ)的油墨吸收性 ( K & N 值) 最大。综合 考虑油墨吸收性、色密度和打印图像质量 , 认为气相 SiO2 更适于作面涂颜料。 314 　通过实验分析认为 , K & N 值可以反映出不同 涂层对喷墨打印油墨吸收性的高低 , 可以用作涂层的 喷墨打印油墨吸收性的辅助评价指标。 参 　考 　文 　献 [1 ] 　Sain M , Correia F , Farnood R ,et al1 Ink2Jet Print Quality Improvement Through the Use of Cationic SMA Resin Additive in Paper Coating [ C]1 International Papermaking & Environment Conference1 Tianjin , 20041265 [2 ] 　曹丽云 1 关于喷墨打印专用抗水 (固色) 剂[ C]12004 中国造纸学 会第十二届涂布加工纸学术年会暨包装纸板技术交流会论文 集 166 [3 ] 　吕洪娜 ,陈光民 1 关于提高彩色喷墨打印纸吸墨涂层特性的探讨 [J ]1 影像技术 ,2002 (2) :48 [4 ] 　白　杉 ,周　杰 1 对喷墨打印纸涂层的研究 [J ]1 中国造纸 ,2003 (2) :49 [5 ] 　Hyun Kook Lee , Margaret KJoyce , Paul D Fleming1 The Use of Fumed Metallic Oxides in Coatings for Photo Grade Ink Jet Papers [ C]1 TAPPI Coating Conference Proceedings1 Florida :Orlando ,20021 2 [6 ] 　于冬梅 1 高光泽喷墨打印纸涂层结构及纸页性能研究[D]1 济南 : 山东轻工业学院 ,2003 [7 ] 　Hyun2Kook Lee , Margaret K Joyce , Paul D Fleming1Influence of Silica Particle Size and Packing Volume on Printability of Glossy Inkjet Paper Coating[ C]1Proceedings of the IS & T NIP19 : International Conference on Digital Printing Technologies1New Orleans , 20031613 Application of Nanometer Silica in Ink Jet Printing Paper Coating WANGJin 3 　CHEN Ke2fu 　YANG Ren2dang 　YANG Xun 　ZU Jing2run ( State Key Lab of Pulp and Paper Engineering , South China University of Technology , Guangzhou , Guangdong Province , 510640)3 E2mail :wj xyx @1631com Abstract : With the booming use of ink2jet printing in offices and at homes , research of ink jet printing paper has become a hot field1 In this paper , two commercial glossy color ink jet printing paper available in local market were analyzed with scanning electronic microscopy to acquire the informa2 tion about its surface appearance1The effect of the amount of pre2coating on paper properties and the influence of nanometer silicas as the pigment of top2coating on paper properties and printing quality were discussed1 The results showed that there were many micro2pores and cracks on the surface of the glossy color ink jet printing paper ; pre2coating could improve the paper properties greatly ; the application of nanometer silicas could provide paper better smoothness , ink absorbency , color density and image quality1 Key words :nanometer silica ;ink2jet printing ;ink absorbency ;colcr density 　　CPP (责任编辑 :关 　颖) ·9· 研究论文 　《中国造纸》2005 年第 24 卷第 1 期