酸化膨润土对彩色喷墨打印纸性能的影响

梁虎南 龙 柱 杨淑蕙

（1.东北电力大学，吉林省吉林市，132012；2.江南大学，江苏无锡，214122；3.天津科技大学，天津，300457）

彩色喷墨打印纸（以下简称彩喷纸）的质量主要决定于其吸墨涂层的性能［1-2］，颜料是影响涂层性能的主要因素。通常彩喷纸用颜料要求粒径小、比表面积大、吸油量高。目前彩喷纸最常用的颜料主要是成本较高的SiO2。

膨润土是以SiO2和Al2O3为主要成分的层状硅铝酸盐。酸化膨润土是将膨润土经酸活化改性制成。在酸的作用下，膨润土层间的杂质溶出，半径很小的氢离子交换膨润土层中的钠离子等平衡电荷，导致层间距扩大，同时酸溶解了膨润土结构中的部分铝、镁等。通过酸活化的膨润土，其孔道和孔隙结构得到改善，孔容积增大，进而增大了膨润土的电负性和比表面积，有利于膨润土的分散和对物质的吸附，而且还可以提高膨润土的白度［3］。酸化膨润土广泛应用于吸附剂、催化、无碳复写纸等领域［4］。本实验以价格较低的酸化膨润土为部分颜料配比制备了彩喷纸，并对其性能进行了研究，以达到降低彩喷纸成本的目的。

1 实验

1.1 实验原料

SiO2：上海焦耳蜡业有限公司；酸化膨润土：自制；颜料性能见表1。聚乙烯醇（PVA）：醇解度89％～90％，江苏某纸厂提供；聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）：江苏某化工厂提供；涂布原纸：70g/m2静电复印纸，白度94.0％。

1.2 涂料组成

颜料100份，PVA用量25％～35％，PDADMAC用量2％～4％，分散剂用量0.4％，CMC用量1％，消泡剂用量0.05％。

表1 颜料的性能参数

1.3 涂布与干燥压光

采用刮棒涂布器手工涂布，并自然干燥，干燥到一定干度后利用压光机在1MPa压力下通过2次压光。

1.4 彩喷纸性能测定

色密度的测定：在Epson STYLUS PHOTO R270打印机上用CorelDraw 9软件编辑出100％的C（青色）、M（品红色）、Y（黄色）3种原色的满版色块，打印在纸样上，采用X-Rite INC色密度仪（爱色丽，美国）测定各色块的颜色密度。

洇渗［5］：通过打印样板图，然后肉眼判定的方法来确定洇渗程度，用5点法评定。1～5代表洇渗程度由重到轻，图案清晰、无洇渗、无毛边为5。

抗水性［6］：将打印黑色色块的纸样浸入25℃水中4min，随后取出并干燥。通过浸水前后的色密度测量结果计算抗水性，数值越大耐水性越差。

采用荷兰FEI Quanta 200扫描电镜（SEM）观察涂布纸表面。彩喷纸的其他物理性能按国家相关标准进行测定。

2 结果与讨论

2.1 酸化膨润土配比对彩喷纸性能的影响

由表2可知，随着涂层中酸化膨润土配比的增加，彩喷纸的白度和不透明度逐渐下降，光泽度和平滑度逐渐升高。涂布纸的白度主要取决于颜料的白度及其覆盖能力，酸化膨润土的白度低于SiO2，所以随其用量增加，纸张白度下降。

表2 不同酸化膨润土颜料配比对彩喷纸性能的影响

颜料的粒度、粒度分布和形状对涂层的白度、不透明度、光泽度等光学指标有很大的影响［7］。要提高涂层不透明度，必须提高其散射系数。窄粒径分布的颜料散射能力强，不透明度大一些［7］。本实验所用的SiO2颜料粒径均为3μm，粒径分布较窄。而酸化膨润土的粒径在0.43～2.10μm［8］，具有较宽的粒径分布。因此，纯SiO2颜料粒子显示出较高的散射系数，从而提高了涂层的散射系数，导致纸张不透明度高于含酸化膨润土颜料的纸张，而随酸化膨润土颜料含量的增加，纸张的不透明度下降。

由表2还可见，随着片状的酸化膨润土颜料配比的增加，彩喷纸平滑度和光泽度升高，PPS粗糙度下降。一般来讲，纸张的光泽度随颜料粒度的下降而提高，减小颜料的平均粒径同时适当加宽粒度分布可提高光泽度［7］。Len Gate［9］指出，只有在表面粗糙度的平均值低于0.1μm时，才能获得较高的光泽度，即涂层中颜料粒子的厚度应低于0.1μm。即要获得最大光泽度，颜料的最小方向上的尺寸最好在0.1μm以下，且在涂布及随后的压光过程中，颜料粒子的最小尺寸方向应按与涂层表面相垂直的方向排列。这也是片状颜料在相同粒径下光泽度高的原因之一。

由表2可知，彩喷纸的油墨吸收性随酸化膨润土用量的增加而降低。油墨吸收性能主要与涂层的孔隙结构有关，包括颜料的孔隙结构和颜料间的孔隙结构。以窄粒径分布的颜料配制的涂料涂层结构有较大的孔隙直径和总孔隙率［7］。SiO2的特点是比表面积大，能够快速吸收油墨。膨润土虽然经酸化改性比表面积有了较大的提高，但仍远远小于SiO2的比表面积，所以酸化膨润土的吸墨能力不如SiO2。

另外，表2还可知，加入酸化膨润土后，彩喷纸的表面强度开始降低。表明酸化膨润土降低了纸张涂料的结构强度。颜料中的SiO2能够与PVA间以物理吸附、氢键结合以及PVA长分子链桥联、缠绕SiO2粒子等方式形成网络结构，而膨润土片层与PVA分子链间以物理方式交联在一起，PVA与膨润土结合的网络强度要低于与SiO2结合的网络强度。另一方面，酸化膨润土的粒径较小，添加酸化膨润土的纸张涂层含有较多的细粒子，这可能是导致纸张表面强度降低的主要原因。

光密度是指油墨打印到纸上形成图案或字迹时油墨的密集性。通常，油墨的密度越高，成像的色泽越鲜艳，因此在保证其他指标适宜的条件下，高的油墨密度可提供好的图像效果。L值、a值、b值的大小表明色调再现的情况，可根据L、a、b值的大小判定偏色的程度。

颜料性能对彩喷纸的打印效果起着决定性作用［5］。由表2可以看出，含酸化膨润土纸样的色密度和印刷色差与纯SiO2的纸样相差不大。颜料的比表面积、吸油墨量、液体转移量的大小会影响涂层的油墨吸收性和打印图像的网点圆度，同时颜料的吸光系数和散射系数对打印图像的光学密度和色彩的鲜艳性产生一定的影响。为了满足彩色喷墨打印纸的特性，一般选用比表面积大、吸油墨量大、液体转移量大、吸光系数大而散射系数小的颜料作为涂层［10］。添加适量的酸化膨润土颜料，因其本身具有较强的吸附能力［3］，有助于快速固定油墨，同时宽粒径分布的酸化膨润土散射系数较小，能够保证与含纯SiO2颜料的纸样相同的印刷质量。

液体转移量衡量了涂布纸涂层从油墨中吸收液体的能力。喷墨记录材料具有多孔性结构，油墨中的液体被纸张空隙吸收，使打印墨点的密度大，图像清晰，吸墨速度快，固墨性能好，墨水没有流渗现象，墨点边缘清晰。SiO2的比表面积大，能够快速吸收油墨中的水分从而达到快速干燥，防止洇渗。酸化膨润土虽然是片状结构，但受酸化影响其结构变得更加疏松，比表面积增大。这种结构可能与SiO2一样，使水分相对快速通过涂层，避免了侧向扩散，防止洇渗。

2.2 PVA用量对彩喷纸性能的影响

从表3可知，白度、不透明度和光泽度随着PVA用量的增加而降低，而平滑度升高。聚乙烯醇作为单一胶黏剂时，由于其成膜性强，与颜料粒子相互作用强，形成的涂层孔隙体积小，表面封闭，光散射弱［11］，因而涂布纸的白度和不透明度随PVA用量的增加而下降，平滑度升高。聚乙烯醇是水溶性胶黏剂，以其为胶黏剂的涂料形成的涂层有较粗糙的微观表面，因而光泽度较低。同时，由表3还可知，彩喷纸的油墨吸收性随PVA用量的提高而下降，这是由于PVA成膜能力比较强，涂料PVA用量高，干燥后涂层表面致密程度高，涂层透气度低，油墨吸收慢所致。

另外，随着PVA用量的增加，打印色密度有所提高，而对印刷色差影响不大。

2.3 PDADMAC用量对彩喷纸性能的影响

PDADMAC是阳离子型的表面活性剂，主要起固色作用，从而提高涂层的耐水性（见表4）。由表4可见，随着PDADMAC用量的增加，除表面强度外，彩喷纸白度、不透明度、光泽度、平滑度等指标均呈降低趋势。

同时由表4可见，色密度随PDADMAC用量的增加而稍有升高，对印刷色差方面，各颜色的L、a、b值也较接近。纸张的抗水性能随着PDADMAC添加量的增加而显著提高。

PDADMAC具有较高黏度。随着添加量的增加，涂料的黏度明显增加，从而影响了颜料的均匀分散，涂层微观平面粗糙度增大，光学性能降低。同时使颜料的比表面积逐渐减小，造成纸张吸墨速度逐渐减慢。而彩喷纸的抗水性能随着阳离子添加剂的增加而增强。阳离子添加剂依靠与阴离子油墨结合形成的稳定色料以阻止渗色和防水来提高墨点的分辨率和耐水度。当阴离子染料接触到涂层中的阳离子聚合物时，就会生成不溶于水的络合物，从而将油墨固定在涂层颜料颗粒的表面，因此使喷墨油墨遇水再干燥后，不会发生图像变模糊或色彩扩散现象，即提高了印刷色密度和涂层的抗水性能。

表3 不同PVA用量对彩喷纸性能的影响

表4 不同PDADMAC用量对彩喷纸性能的影响

2.4 纸张表面扫描电镜分析

图1、图2分别为采用100％SiO2和含20％酸化膨润土涂料制备的彩喷纸表面SEM图。从图中可以看出，彩喷纸表面有龟裂状的涂层结构，与文献的结果相似［12］。有研究认为，涂层表面的龟裂是由于胶黏剂PVA和SiO2颜料间在干燥过程中相互作用的结果。龟裂结构增大了涂层中的空隙容积，有利于印刷油墨载体的快速浸透［12］。

另外，比较发现，图2（b）显示的涂层较图1（b）中的涂层更为平滑，说明添加片状酸化膨润土颜料有助于提高涂层的平滑度，这与表2的结果一致。

3 结论

3.1 酸化膨润土颜料能够提高彩喷纸的光泽度和平滑度，降低纸张的白度、不透明度、油墨吸收性和表面强度。含酸化膨润土的彩喷纸色密度与含100％SiO2颜料的纸样相差不大。含酸化膨润土的彩喷纸均表现出良好的防洇渗性能。

3.2 增加PVA用量，彩喷纸的白度、不透明度、光泽度和油墨吸收性降低，而表面强度和平滑度升高，同时打印色密度有所提高。

3.3 随着PDADMAC用量的增加，除纸张的表面强度外，其他物理指标均呈降低趋势。颜色的色密度随PDADMAC用量的增加而稍有提高。纸张的抗水性能随着PDADMAC用量的增加而增强。

3.4 彩喷纸涂层微观形貌分析表明，添加酸化膨润土颜料能够改善涂层的平滑度。

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