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彩色商务打印纸的研究(下)

3彩色喷墨打印纸的研究

调查数据显示，近几年来，随着彩色喷墨打印纸加工制造技术的进步，彩色喷墨纸的承在小变形条件下印质量越来越高，而且价格也不断下降，使得彩色喷墨打印技术成为商务办公及家庭文档和图像输出的主要方式，占去彩色商务打印市场的70%，而且以超过40%的增长率持续增长。彩色喷墨打印纸的质量主要决定于其吸墨徐层的性能，尤其是相纸同时环境问题日趋凸显级彩色喷墨打印纸，要求打印出来的画面在彩色的鲜艳度、饱和度、细部层次、清晰度·彩色还原和色牢度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，其涂层要具有以下特性:能够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，点浓度高，图像分辨率高;色彩牢度好，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，有较高的颜海蛇养殖色密度和颜色强度。

3.1国内外彩色喷墨打印纸的研究现状

国外对彩色喷墨打印纸的研究开始得比较早，相关的报道和专利都比较多。研究内容主要集中在喷墨打印纸徐料、徐布工艺、徐料组成和打印图像等方面。例如，对彩色喷墨打印纸研究得较深入有Hyun-Kook，Margaret等人，他们研究认为(1)常规涂布颜料替代一部分铝土和二氧化硅以降低生产成本;(2)气相二氧化硅对徐层结构和打印性质量的影响;(3)二氧化硅和氧化铝对徐层结构和打印质最的影响;(4)颜料的化学性能和粒径对徐层结构的影响以及徐层结构对打印质量的影响等。(5)金属氧化物在光泽喷墨打印纸涂料中的研究。此外，还有Rich Y.R.等人研究了阳离子添加剂的加入对徐料性能有较大影响，增加了涂料的粘度、屈服应力和弹性模量。Cawthorne J.等人作了改性瓷土和二氧化硅混用生产无光喷墨打印纸的研究。Boylan J.R.研究了聚乙烯醇作喷墨打印纸胶粘剂的研究粘土砖。Jopson R.N.研究了胶粘剂改性及其在刮刀涂布生产喷墨打印纸中的应用。adnik采用自己开发的打印测试表格衡量打印图像质量，利用主要组分分析法(PCA)作了喷墨打印纸质量评价的研究。Jonckherree E.和Mabire作了提高无光泽和高光喷墨打印纸耐水性等方面的研究;Katri Vikman作了涂布喷墨打印纸耐牢性能的研究;Henry Wilhelm对喷墨打印彩色照片和传统冲洗的彩色照片的耐光性能进行了探讨等。

然而，国内是近几年才专注于涂布喷墨打印纸的研究。目前，国内从事彩色喷墨打印纸研究的主要机构主要有湖南造纸研究所、华南理工大学、山东轻工业学院、西北科技大学、南京林业大学和天津远大材料有限公司等。研究内容主要包括彩色喷墨打印纸的分析、徐层性能、涂料组成和专用化学品等方面。大多集中介绍二氧化硅涂布颜料、涂布化学品的应用等方面，而开展的实验研究则比较少。已有的研究包括:对高光泽彩色喷墨打印纸徐层结构及纸页性能的研究，对喷墨打印纸涂层的研究，以及北京制浆造纸研究院和湖南造纸研究所对彩色喷墨打印纸的开发研究等。

3.2彩色喷墨打印纸涂料研究

研究表明，涂层微观及宏观孔隙结构对彩色喷墨纸的打印质量有很大的影响，因为油墨组成中大部分是水(2%-5%的染料或颜料，2%-5%的表面活性剂和添加剂，30%保湿剂，65%的水)，涂层为了固着油墨，必须快速吸水，并防止水渗入纸基，以免影响打印质量。在传统的高岭土、碳酸钙及二氧化钦等涂布颜料中，利于液体吸收的孔隙(。..4um)有效体积分数较小以及利于液体流动(0 .OZ-0 .04um)的孔隙直径较窄，不适宜大量用作彩色喷墨打印纸涂布颜料。而由于硅、铝的氧化物的吸油量大(20。克氧化硅吸油量达克)、BET比表面积大(m2/g)，且能形成类似于海绵状的高孔隙率状结构，当油墨接触含硅的徐层时，多孔状的徐层快速吸收油墨溶剂，而染料和着色剂则固着在涂层表面，呈现出良好的光学印刷密度，所以比较适合用作喷墨打印纸涂布颜料。

根据涂层吸墨机理，彩色喷墨打印纸的吸墨涂层可以分为膨润型和空隙型，或者是树脂类和颜料类。膨润型吸墨涂层主要由一些能够吸水膨胀的高分子组成，如明胶、聚乙烯醇、聚乙烯毗咯烷酮、PT-丙基纤维素等组成，承接油墨后，树脂发生轻度膨胀，粘住墨液，吸收油墨，但油墨干燥速度慢，抗水性差;而空隙型吸墨涂层则是由具有微孔性结构的颜料或能形成多孔性结构的材料构成，如无定形氧化硅、氧化铝等，形成内部孔隙结构，实现对墨滴的快速吸收和颜色固着作用，油墨干燥速度快，抗水性好。

氧化硅是目前应用最广泛的空隙型吸墨涂层颜料。氧化硅颜料的吸墨性强，亮度大，不透明性高，比容积大，油、水吸收性好。多孔状的氧化硅颜料可分为胶体(纳米)硅、烟法硅、沉淀硅及凝胶硅或硅胶。表1总结了各种氧化硅颜料的物理特性。胶体硅在水中是非孔状的稳定性分散，这些粒子是由密集相硅元素组成，大小在1Onm1至100nm之间·颜料中的多孔性主要来源于胶体硅粒子的堆集，表面积由球形粒子外部表面积构成，因此与粒子直径有关。

由于聚合或聚集，形成连续的、刚性的和多孔状的三维状结构

类似于传统徐料，用作彩色喷墨打印纸涂料的粘合剂种类也有很多，常见的有聚乙烯醇 (PVA)、聚醋酸乙烯醋(PVAC)、干酪素、大豆聚合物、梭甲基纤维素(CMC)、竣基丁苯胶乳、改性淀粉等。与乳胶及天然胶粘剂相比，PVA的勃结强度最大，况且PVA有很好的成膜性能，因为它是水溶性的合成胶乳，所以能根据需要调控PVA的性能，例如，尽管PVA是亲水性的，但也能制成疏水的PVA o PVA能在室温下形成易变形的膜，且膜的耐磨性较好。此外，PVA的相容性好，能与其它水状胶体、胶粘剂、颜料及辅料共混，不影响其它物质的性能。

除了分散剂、染料、消泡剂等助剂以外，固2006年5月

表1几种氮化硅颇料的特性

┌───────┬────────────┐│纳米氧化硅 │非孔状粒子(球形)稳定分 ││ │散液，防止沉降 │├───────┼────────────┤│烟法硅(气相硅)│非孔状粒子(球形)的弱聚 ││ │集，易剪切分散 │├───────┼────────────┤│沉淀硅 │结构上类似于烟法硅 │├───────┼────────────┤│硅胶 │由于聚合或聚集，形成连续││ │的、刚性的和多孔状的三维││ │状结构 │└───────┴────────────┘剂。

为了保证图像色彩有一定的牢度，特别是彩喷图像遇水再干燥后不会发生图像变模糊或色彩扩散现象，通常在涂料中加入阳离子电荷的聚合物固色剂。之所以使用的是阳离子固色剂，这是因为彩色喷墨打印纸所使用的油墨通常是由阴离子染料、水和其它特殊助剂诸如润湿剂等组成。当阴离子染料接触到徐层中的阳离子聚合物时，就会生成不溶于水的络合物，从而将油墨固定在徐层颜料颗粒的表面，防止滤头了墨水的渗透和扩散，同时也提高了打印图像的色彩密度。在配置涂料时，同时将几种固色剂混合使用有利于色丝杠彩表现真实。

通常使用阳离子固色剂有聚乙烯亚胺、Poly-DADMAC或聚乙烯胺，在徐料中的用量为113份。阳离子把阴离子染料分子吸引到非常高比表面积的二氧化硅颜料上，并在这里被截留，阻止了染料分子横向移动。这种横向移动会引起印刷图像的渗化，或者减少光学密度，加速纸的透印。有研究表明，阳离子染料固色剂同样也能提高耐水性。

3.3彩色喷墨纸涂层结构特点

涂层结构决定着徐层的性能，进而决定着徐布纸的性能指标。彩色喷墨打印纸是一类有特殊功能的徐布纸，既具有常规涂布纸的性能又有较大的差别，最突出的特点是吸收性能较好和光泽度高。彩色喷墨打印纸的徐层结构包括外孔隙结构和龟裂结构两种。

外孔隙结构就是在涂层表面能看到均匀分布的小孔或凹坑存在，表面具有与内部相一致的孔隙结构，包括表面封闭和开放两种形式，涂层的孔隙包括颜料间孔兵靴隙和颜料内孔隙。这种徐层结构在扫描电镜下(SEM)如图1所示。

龟裂结构因涂层结构表面具有类似龟壳表面图案的裂纹结构而得名，形成这种结构的原因可能有两个:一是通过胶粘剂改性来控制它的分子量和表面电荷，从而影响其表面张力，使得它在干燥过程中发生微龟裂。二是将涂层在低于所添加的聚合物的玻璃转化温度(Tg)下干燥，聚合物由于表面张力的作用发生破裂不能形成完整的膜，形成的沟纹就是这种类似龟壳的裂纹结构。图2描述的是这种涂层结构的特点。

3.4彩色喷墨打印纸的质量要求

彩色喷墨打印纸是一种新型记录纸，因为发展快，还没有统一的质量标准。但是，根据其实际使用情况，油墨吸收性、光泽度、墨滴点圆性、接触角、打印色密度等是空隙型彩色喷墨打印纸最重要的指标，分别决定着油墨的干燥速度、图像的明亮度、打印分辨率和图像的色彩强度，共同影响着图像的打印效果。色密度是衡量打印图像质量