喷墨材料的制备及涂层厚度对其性能的影响

吴 捷， 韩 笑， 黄玉东

(1.哈尔滨工业大学 化工学院，哈尔滨 150001;2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

喷墨材料的制备及涂层厚度对其性能的影响

吴 捷1，2， 韩 笑2， 黄玉东1

(1.哈尔滨工业大学 化工学院，哈尔滨 150001;2.黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

为改善已有喷墨材料的吸墨性能，采用物理与化学相结合的方法制备纳米喷墨材料，利用原子力显微镜(AFM)和分光测色计分析了复合材料的表面结构和印刷品的色差。结果表明:涂底胶的喷墨材料的基材和吸墨层黏合更牢固，吸墨层表面更平整;对涂覆底胶的喷墨材料进行性能分析，其微观结构和涂布量均随着涂层厚度的不同发生变化;涂层厚度对打印质量的影响非常显著，当吸墨层厚度是50 μm时，喷墨材料的综合性能最好。

喷墨材料;涂层;吸墨性;印刷质量

0 引言

喷墨打印材料由于其快捷的打印方式和优越的打印质量，近年来得到了迅速的发展，且在3D打印、电子材料和生物材料等领域也显示了其潜在的应用价值［1－3］。同时，对它的研究也引起了人们的广泛兴趣［4］。喷墨打印材料主要由基材及吸墨层组成［5］。吸墨层主要由颜料，胶黏剂和其他一些助剂组成。喷墨打印材料的最终性能与喷墨打印材料、墨水和打印机以及其相互作用有很大的关系［6－7］。而许多研究表明吸墨材料的印刷适用性和其他性能在很大程度上都取决于涂层结构的特性及其性能［8－10］。笔者利用纳米二氧化硅、PVA和加入各种助剂制备喷墨打印材料，并对其表面结构、涂布量以及吸墨性能进行测试分析，以期得到一种经济的吸墨性能优良的喷墨材料。

1 实验

1.1 原料和设备

PET薄膜，上海山富数码喷绘复合材料有限公司;KH－550，江苏晨光偶联剂有限公司;纳米二氧化硅，德国德固赛公司;PVA，长春化工厂;乳化机，上海弗鲁克机械制造有限公司;涂布机，英国Elcometer公司。

1.2 材料的制备

1.2.1 吸墨层涂料

将纳米二氧化硅在硅烷偶联剂中分散，并用乳化机乳化一段时间，即制备好纳米二氧化硅分散液。同时，将胶黏剂PVA加入水(室温)中，不断搅拌，让PVA充分溶胀后放入水浴锅中，并升温至95℃左右，使PVA充分溶解，然后冷却至室温。最后，取制备好的二氧化硅分散液，加入一定量的润湿剂、固色剂等助剂，分散均匀溶解后，和PVA溶液混合，并利用乳化机分散至均匀为止，即制得吸墨层涂料。将吸墨层涂料静置24 h(消除气泡)即可使用。

1.2.2 喷墨材料

将制备好的吸墨层涂料用涂布机涂布于PET基材(涂覆底胶和未涂覆底胶的)上，放入约70～85℃烘箱中烘干，制得喷墨材料。

1.3 性能测试

利用俄罗斯solver公司的P47型原子力显微镜(AFM)对喷墨打印材料吸墨涂层的微观形貌进行分析，并计算其表面粗糙度。利用电子天平对其涂布量进行称量，用圆弧刀分别在未涂布的PET基材和涂布好的喷墨材料上截取一定直径的圆形材料并称重。根据未涂布的PET基材上增加的重量来计算涂布量，计算公式为

式中:Q——涂布量，g/m2;

ma——涂布后质量，g;

mf——涂布前质量，g;

r——半径，m。

为了进行吸墨性能分析，利用EPSON270打印机将打印纸样(图1)打印在喷墨材料上。纸样包括100%青色(C)、100% 品红色(M)、100% 黄色(Y)，100%黑色(K)4个色块，色块大小为25 mm×25 mm。为了测量喷墨材料吸墨层的吸收性，用柯尼卡美能达分光测色计测量打印纸样上的实地色块密度L*、a*、b*，并且计算其与标样的色差ΔE*。色差计算公式为

式中:L*——心理明度;

a*、b*——心理色度。

图1 打印纸样Fig.1 Print test form

2 结果与讨论

2.1 底胶的影响

文中制备的喷墨材料的基材PET虽然在出厂前经过表面电晕处理，与吸墨涂层间的结合能有所改善，但并没有达到很好的结合效果。液体涂料具有自流平性，但在实验室条件下制备吸墨涂料，受环境温度、湿度等条件的影响，会导致吸墨涂层的厚度不均匀。图2为涂布底胶和未涂底胶的吸墨层的AFM照片。

由图2 AFM表面形貌分析，并计算其表面粗糙度可知，涂布底胶制备的吸墨层表面的粗糙度10.741 nm明显比未涂覆底胶的粗糙度18.299 nm小。这是由于未涂布底胶的吸墨层和基材之间的黏接能力不是很强，导致吸墨层无法完全固定在基材上，因此粗糙度大，但表面凸起和沟槽的分布相对来说仍旧很均匀。因而，在基材PET表面涂覆一层底胶，可以提高吸墨层与基材之间的黏接能力，使吸墨层表面更平整。

图2 喷墨打印材料AFM图Fig.2 AFM images of inkjet materials

图3 基材及试样AFM图Fig.3 AFM images of surface of substrate and inkjet materials

2.2 涂布量分析

取涂覆底胶的基材 PET，分别用25、50、75和100 μm的线棒涂覆基材，喷墨材料依次命名为S1、S2、S3和 S4。对喷墨材料 S1、S2、S3、S4的涂布量进行测试，结果分别为 18.429、24.935、26.279和29.933 g/m2。涂布量随涂布厚度的增加而增加，但并未和涂布的原始厚度成正比，这是因为涂料中胶质和水分随着涂层的变化挥发的量不同。

2.3 表面性能分析

对喷墨材料的表面结构进行原子力显微镜分析，基材和试样的AFM照片如图3所示。图3显示基材的表面非常光滑，而试样的涂层可以看到许多均一的凸起，可见涂层涂到基材上后，改变了基材的表面结构，且不同厚度的涂层其表面结构有所差别。这是因为随着涂层厚度的变化，纳米二氧化硅的排列发生了变化。

2.4 吸墨性分析

喷墨材料的墨水吸收性主要受吸墨涂层的影响。这里用色差来衡量喷墨材料的吸收性。色差影响最终的视觉效果和色彩逼真度，差值越小，表明色块平均密度越高，说明墨点的连贯性好，打印图像的色彩鲜艳逼真［11］。

用打印机将打印样打印在喷墨材料上，通过肉眼观察其喷墨打印效果都很理想，色带边界都很清晰，不晕墨。经过色差计测试计算，其打印效果如图4所示。从图4可见，当喷墨材料的吸墨层厚度d是50 μm(即试样S2)，其色差值ΔE*不论对哪一个色块来说，都是最小的，因而判断其吸墨性是最好的。其原因是喷墨打印材料的涂层厚度不同，导致其粒子的分散发生变化，从而其微观结构不同，而该材料吸墨就是依靠其微观的结构及其化学结合力。另外，当墨水量相同时，S3和S4涂层过厚，不足以达到其吸收量，也是导致其色差过大的一个原因。

图4 涂层厚度对材料打印质量的影响Fig.4 Thickness versus print quality of inkjet materials

另外，从经济方面来说，S1(涂层最薄)的成本最低，但是其打印质量不是最好的。所以从经济效益和吸墨性能来说，S2是非常适合用作喷墨材料的。

3 结论

文中制备了含有底胶、纳米二氧化硅和PVA的喷墨材料。对含有底胶和未含有底胶的涂层进行分析，表明含有底胶的涂层和基材之间黏合力更强。对喷墨材料进行AFM分析，其表面凸起均一，且其粗糙度随着涂层厚度的增加而发生变化，这是由于随着涂层厚度的增加其粒子的排列发生了改变。利用分光测色计分别测试了色差，发现涂层厚度对打印质量的影响非常显著。且吸墨层厚度是50 μm时，喷墨材料的综合性能最好，且最经济。

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Preparation of inkjet materials and influence of coatings thickness on its properties

WU Jie1，2， HAN Xiao2， HUANG Yudong1
(1.School of Chemical Engineering ＆ Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2.College of Resources＆ Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at improving ink absorption of inkjet materials currently available，this paper describes the preparation of nano-inkjet materials by combination of the physical and chemical methods and the analysis of the surface microstructure of materials by atomic force microscope(AFM)and chromatic aberration by Spectrophotometer.The results indicate that coated colloid with the adhesion inkjet material shows a strength greater than uncoated colloid and exhibits more evenly ink-absorption layer.The analysis of the influence of coatings thickness coated colloid on properties of inkjet material finds changes in the surface microstructure and coating amount of inkjet materials due to varying coating thickness.The coating thickness exerts a remarkable the effect on print quality.A 50 μm thickness produces the best comprehensive properties.

inkjet material;coatings;ink absorption;print quality

TQ638

A

1671－0118(2012)05－0469－04

2012－06－06

国家自然科学基金项目(51073047;91016015)

吴 捷(1980－)，女，黑龙江省肇东人，讲师，博士研究生，研究方向:高分子材料，E-mail:wujie1980@yahoo.com.cn。

(编辑 王 冬)