表面施胶对未涂布喷墨打印纸印刷质量的影响

李仁爱　曹云峰,*　张　岩　刘祝兰　夏剑雨

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037；2.河南牧业经济学院,河南郑州,450011)



表面施胶对未涂布喷墨打印纸印刷质量的影响

李仁爱1曹云峰1,*张岩2刘祝兰1夏剑雨1

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037；2.河南牧业经济学院,河南郑州,450011)

为使未涂布喷墨打印纸获得一定抗水性的同时提高喷墨打印质量,采用不同配比的苯乙烯-马来酸酐(SMA)与聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)对未涂布喷墨打印纸进行表面施胶。综合纸张表面物理、印刷以及润湿性能得出，当m(SMA)∶m(PDADMAC)=100∶5时,表面施胶对未涂布喷墨打印纸印刷质量的改善效果最佳,其中色域和色密度相对于未施胶纸样分别提高了12.5%和8.6%。

未涂布喷墨打印纸；表面施胶；SMA；PDADMAC

未涂布喷墨打印纸因其较高的性价比,在印刷、办公和日常生活中得到越来越广泛的应用。但是由于未涂布喷墨打印纸表面没有涂层的保护,墨滴从喷墨打印机喷射出来后直接在纸张表面扩散和渗透[1],导致印刷质量下降,因此，有必要对其进行表面施胶，以提高纸张性能和印刷适性。

涂布、施胶和压光等是纸张表面处理常用的方法[2]。目前的研究主要集中在涂布喷墨打印纸方面,如改进涂层配方、对涂层中胶黏剂进行改性[3-5]等,而对于未涂布喷墨打印纸的研究相对较少[6-7]。随着未涂布喷墨打印纸的应用越来越广泛,迫切需要深入研究其表面性能与印刷适性的关系,进而提升打印质量。

由于喷墨打印中使用的油墨为水基型油墨,因而目前对于未涂布喷墨打印纸的表面处理大都是通过表面施胶以提高其表面抗水性、减少油墨渗透,从而提高喷墨打印质量[7]。但仅提高纸张表面抗水性会造成墨滴在纸张表面难以渗透，导致网点扩大严重[8]、印品干燥时间长和蹭脏等印刷问题。苯乙烯-马来酸酐(SMA)因其同时具有亲水和疏水基团,对喷墨打印中的水基型油墨有一定的固着作用,被证实是较优的表面施胶剂[9]。喷墨打印时使用的油墨通常为电负性,带有负电荷的油墨直接作用于纸张表面,不利于呈色剂在纸张表面的固着,导致印刷密度不高。聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)因其制备工艺简单、性价比高、阳离子电荷密度高和安全无毒等优势已在污水处理[10]、微滤膜技术[11]和造纸湿部系统[12]等得到广泛应用。本实验尝试使用SMA与PDADMAC复配作为表面施胶剂,利用PDADMAC的高阳离子性改变施胶液中的电荷密度,从而考察表面施胶时SMA与PDADMAC质量比对未涂布喷墨打印纸印刷质量的影响。

1　实　验

1.1材料

施胶原纸为实验室手抄纸；阔叶木浆与针叶木浆质量比85∶15,阔叶木浆与针叶木浆打浆度均为35°SR;浆内施胶时AKD用量0.3%,PCC加填量25%。采用RK-2A型实验室快速抄片器(奥地利)抄造施胶原纸,定量为80 g/m2。

表面施胶剂SMA,由南京银新化工有限公司提供；阳离子固色剂PDADMAC,由山东鲁岳化工有限公司提供。SMA与PDADMAC的结构式见图1。

图1　SMA与PDADMAC的结构式

1.2施胶液配制与黏度测试

SMA与PDADMAC的性质参数见表1。施胶液固含量为10%,使用恒温加热磁力搅拌器先在常温下将SMA粉末置于去离子水中充分搅拌润湿,然后加入一定量氨水(质量分数28%)，使SMA粉末充分溶解[6]。按照表2所列配比配制施胶液,然后将施胶液升温至70℃[13]并保温1 h。

使用旋转黏度计在温度70℃下测定各施胶液黏度。

表1　SMA和PDADMAC的性质参数

表2　施胶液配方

1.3施胶与压光

使用Sumet CU5/250型多功能涂布机(德国)对未涂布纸进行表面施胶：施胶速度15 m/min,施胶槽中施胶液温度70℃[13],施胶量2～3 g/m2。施胶纸样置于105℃烘箱干燥10 s，然后,在恒温恒湿环境下平衡24 h。最后，采用300 MM压光机(南京轻工研究所)压光,压光压力3 MPa。

1.4打印标版

如图2所示,打印标版包含青、品、黄、黑、红、绿、蓝和三色黑(青+品+黄)等颜色。使用Epson7910喷墨打印机(采用水基型油墨)打印施胶纸样。打印网点面积率5%～100%。在温度20～25℃、相对湿度40%～60%的条件下进行打印。

图2　打印标版

1.5纸张表面物理、印刷和润湿性能检测

纸张白度、光泽度、粗糙度和光学密度分别参照T 525 om—92、T 480 om—99、T 538 om—96和DIN标准进行检测。

色域:使用Spectro eye分别测量CMYRGB六色实地色块的L、a、b值,在Matlab软件中编写程序计算出色域面积[14]。

表面润湿性能：使用去离子水在接触角仪上观测并记录水滴在纸张表面的接触角随时间的变化情况。

1.6油墨扩散与渗透实验

采用兰格LSP01-2A型实验室精密注射泵(保定，0.6 mm针头),以30 μL/min的速度将青油墨墨滴等量地滴在施胶纸样表面,待油墨干燥后观察墨滴边缘的清晰度、扩散面积和颜色深度,并测定油墨渗透后纸样正反面的色密度,以便分析表面施胶时SMA与PDADMAC质量比对油墨扩散和渗透的影响。

2　结果与讨论

2.1SMA与PDADMAC质量比对施胶液黏度和施胶纸样表面性能的影响

SMA与PDADMAC质量比对施胶液黏度和施胶纸样表面性能的影响如图3所示。从图3(a)可以看出,随施胶液中PDADMAC用量的增加,施胶液黏度呈增大趋势,但施胶液黏度增大幅度并不是很明显,这是由于PDADMAC具有较强的水溶性,PDADMAC的增多并没有大幅度地增大施胶液黏度。

从图3(b)可以看出,随着施胶液中PDADMAC用量的增加,纸张白度有降低的趋势,但下降幅度并不大,其中，SMA与PDADMAC质量比为100∶7时,与未施胶纸样相比，白度下降幅度最大,但也仅降低了2.7%左右。这是由于PDADMAC溶液本身具有微黄色,使纸张白度略有下降。

纸张表面光泽度和粗糙度是影响纸张表面性质的重要因素[15]。从图3(c)和(d)可以看出,经表面施胶后,纸张光泽度有所提升,这可能是由于SMA树脂大分子在纸张表面固化后形成了有光泽的膜层,增强了纸张表面对光线镜面反射的能力；粗糙度有小幅度提高(从3.50 μm提高至4.76 μm),这可能与施胶剂在纸张表面的分布不均有关,具体原因有待进一步研究。

值得注意的是,当SMA与PDADMAC的质量比为100∶7时,施胶液中开始出现如图4所示的黏状沉淀物；继续增加PDADMAC用量,当SMA与PDADMAC的质量比为100∶9时,黏状沉淀物的含量进一步增加。黏状沉淀物出现且增多的原因是,随着施胶液中阳离子电荷密度的增加,PDADMAC作为强正聚电解质累积到一定量时对SMA分子的絮凝作用[16]开始凸显出来,对施胶液配制产生一定的负面影响。

图3　不同SMA与PDADMAC质量比对施胶液黏度、纸张白度、光泽度和粗糙度的影响

图4　施胶液中的黏状沉淀物

图5　不同纸样表面墨滴的扩散情况

2.2SMA与PDADMAC质量比对油墨扩散及渗透的影响

墨滴在各施胶纸样表面的扩散情况如图5所示。由图5可以看出,从纸张表面有无施胶剂,到施胶剂中阳离子固色剂PDADMAC用量的逐渐增加,墨滴扩散面积大小不一,颜色深浅各异,墨滴边缘光滑程度也有明显差异,现从如下两方面进行分析。

2.2.1油墨扩散面积和圆度分析

圆度(RD)是用来表示油墨在纸张表面扩散的面积接近于圆的程度。其数值越接近于1,说明扩散的墨滴越圆,纸张表面各向性质越均一,纸张表面处理的效果越好。圆度计算式见式(1)。

RD=4πA/P2

(1)

式(1)中,A为扩散面积,P为扩散的墨滴周长。

利用Matlab软件编写程序计算出墨滴扩散圆度与面积。不同SMA与PDADMAC质量比的施胶纸样的墨滴扩散圆度和扩散面积比如图6所示。

图6　不同纸样表面墨滴扩散圆度和扩散面积比的差异

从图5和图6可以看出,油墨在不同纸张表面的扩散确实呈现出不同的情况。墨滴在未施胶纸样表面的扩散面积最大,扩散边缘最为毛糙。而对于仅经过SMA表面施胶处理的纸样而言,油墨在其表面的扩散面积仅有少许减小。这说明仅提高纸张表面抗水性并不能抑制墨滴在纸张表面的扩散,但墨滴在纸张表面扩散的边缘变得清晰,表明SMA分子对油墨呈色剂有一定的固着作用。当施胶液中加入一定量的PDADMAC时,施胶纸样表面墨滴的扩散面积大幅减小、颜色深度增加、墨滴扩散的边缘变得清晰,这说明PDADMAC的加入很好地抑制了水基型油墨中颜料粒子的扩散。当SMA与PDADMAC质量比为100∶5时,施胶纸样表面墨滴的扩散面积达到最小、颜色最深。当继续增加施胶液中PDADMAC的用量时,施胶纸样表面墨滴的扩散面积略有增大,这说明施胶液中阳离子电荷密度可能存在最佳值；超过阳离子电荷密度的最佳值后，纸样打印质量提升效果反而下降。

对于墨滴扩散圆度而言,随着施胶液中PDADMAC用量的增加,墨滴扩散圆度呈整体上升的趋势。对于不同纸张,扩散圆度又各不相同。在SMA与PDADMAC质量比为100∶5时,墨滴扩散圆度最大,为0.76；而此时墨滴扩散面积比最小,为0.49,扩散面积缩小了近50%。

2.2.2油墨渗透后纸样正反面色密度分析

图7　墨滴渗透后纸样正反面的色密度

图7是墨滴在不同纸样表面扩散后正面和反面的色密度。从图7可以看出,未施胶纸样正面色密度最小,正反面色密度差值最小,这说明油墨在纸样表面渗透时几乎全部渗入到了其底部,对油墨保留在纸张表面的能力很差,导致墨滴颜色暗淡、不饱和。经过SMA表面施胶处理的纸样,分子中的疏水基团使纸张表面抗水性增强,在一定程度上抑制墨滴在纸张表面的渗透,从而纸样正面色密度略有提升,反面色密度减小。但当施胶液中加入一定量的PDADMAC(当SMA与PDADMAC质量比为100∶3或100∶5)时,纸张正面色密度提升明显、正反面色密度差值增大,这说明PDADMAC对水基型油墨中的颜料粒子渗透起到了很好的抑制作用。继续增加施胶液中PDADMAC的比例时,随着阳离子电荷密度的增大,PDADMAC的强絮凝作用使施胶液中SMA减少,纸张表面亲水性增强,油墨渗透增加,致使纸样正面色密度下降,正反面色密度差值减小。

2.3SMA与PDADMAC质量比对纸样印刷质量的影响

不同纸样印刷后的色域和色密度检测结果如图8所示。从图8可以看出,不同纸样印刷适性完全不同。未施胶纸样的色域和色密度相对最低,印刷效果相对较差。经过SMA表面施胶处理的纸样,由于SMA具有的疏水基团使纸张表面抗水性增强,在一定程度上抑制了油墨的渗透,从而使水基型油墨中颜料粒子相对多地保留在纸张表面,进而纸张印刷色域和色密度有所提升；相对于未施胶纸样，色域、色密度分别提升了3.8%、1.7%,提升幅度相对较小。

对于施胶液中添加了阳离子固色剂的纸样,色域和色密度均有大幅提升，但固色剂加入量不同,色域和色密度提升程度各不相同。当SMA与PDADMAC质量比为100∶5时,与未施胶纸样相比，色域、色密度分别提升了12.5%、8.6%,可见对印刷质量的提升效果非常明显。

图8　不同纸样的色域和色密度

2.4SMA与PDADMAC质量比对纸样表面润湿性能的影响

接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据[17],接触角在表征固-液体系的润湿性能方面有着重要作用。图9显示了去离子水在不同纸样表面的接触角随时间的变化情况。从图9可以看出,对于未施胶纸样,水滴于5 s内接触角变为0,即迅速渗入纸张内部；在喷墨印刷过程中水基型油墨中的颜料粒子会过多地渗入纸张内部,纸张表层残留过少，从而导致图文颜色暗淡,颜色饱和度和色密度下降。

图9　不同纸样接触角随时间的变化曲线

经SMA表面施胶处理的纸样,水滴在纸张表面的接触角在一定时间内几乎保持不变；由于SMA同时具有亲水和疏水基团,SMA分子整体上赋予了纸张较强的抗水性,当水基型油墨与纸张接触时,由于纸张抗水性增强,导致水基型油墨在纸张的z向渗透减少,这在一定程度上增加了油墨中颜料粒子在纸张表面的保留,使纸张打印质量有所提升(见图8)。但从图6所示墨滴扩散面积比可知,在墨量一定的情况下,油墨z向渗透的减少必然导致油墨在纸张表面扩散的增加,这也是SMA表面施胶纸样与未表面施胶纸样的油墨扩散面积比约为0.97,并没有大幅降低的原因,这也从侧面解释了仅增强纸张表面抗水性并不能大幅提升纸张印刷质量的原因。

从图9可以看出,当施胶液中加入一定量的PDADMAC(SMA与PDADMAC质量比为100∶3)时,施胶纸样的表面接触角随时间的延长有较为明显的变化。这从一方面说明该质量比下的施胶液使纸张表面的亲水性能有所改变,另一方面也说明随施胶液中阳离子电荷的增多,水基型油墨中颜料粒子通过正负电荷吸引固着在纸张表面的含量增多,进而提高了纸张印刷色域和色密度。

当施胶液中SMA与PDADMAC质量比为100∶3时，纸张表面亲水性有小幅度增强；随着纸张表面阳离子电荷密度的增大,对颜料粒子固着能力增强,纸张印刷适性进一步提高；但继续增加施胶液中PDADMAC的比例(当SMA与PDADMAC质量比为100∶5或100∶7时),随着阳离子电荷密度的增大,PDADMAC的絮凝作用使施胶液中SMA相对减少,使纸张表面亲水性大幅增强,导致水基型油墨渗透增强,进而降低纸张印刷质量。

3　结　论

由于未涂布喷墨打印纸表面没有涂层保护,油墨直接在纸张表面扩散与渗透,印刷质量较差,因而，非常有必要对未涂布喷墨打印纸张表面进行处理。

3.1仅使用含有两性基团的苯乙烯-马来酸酐(SMA)表面施胶剂能够很好地改善纸张表面抗水性,但对于油墨扩散，其抑制作用有限(SMA表面施胶纸样与未施胶纸样的油墨扩散面积比仅为0.97),印刷质量提升效果并不理想；施胶液中阳离子型固色剂聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)的加入能够很好地抑制油墨扩散,有效增加水基型油墨中的颜料粒子在纸张表层的固着,在改善纸张表面抗水性的同时还能提高未涂布喷墨打印纸的印刷适性。

3.2施胶液中阳离子型固色剂PDADMAC含量的不同致使施胶纸样物理性能(白度、光泽度和粗糙度等)、印刷性能(色域和色密度)和表面润湿性能等各不相同；当m(SMA)∶m(PDADMAC)=100∶5 时,表面施胶处理对未涂布喷墨打印纸印刷质量的改善效果最佳,其中，色域和色密度相对于未施胶纸样分别提升了12.5%和8.6%。

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(责任编辑：郭彩云)

Impact of the Ratio of the PDADMAC to SMA in Surface Sizing on Printing Quality of Uncoated Inkjet Paper

LI Ren-ai1CAO Yun-feng1,*ZHANG Yan2LIU Zhu-lan1XIA Jian-yu1

(1.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofPulpandPaperScienceandTechnology，NanjingForestryUniversity，Nanjing，JiangsuProvince， 210037； 2.He′nanUniversityofAnimalHusbandryandEconomy，Zhengzhou，He′nanProvince， 450011)

(*E-mail： yunfcao@163.com)

To obtain the moderate hydrophobicity of uncoated inkjet paper with improved printing quality, different ratios of styrene maleic anhydride (SMA) and poly diallyl dimethyl ammonium chloride (PDADMAC) were used as the sizing agent for surface sizing of uncoated paper to study the optimum sizing conditions. The comprehensive performances of uncoated paper including surface properties, printing qualities and wetting properties were evaluated. The results showed that when the mass ratio of SMA to PDADMAC was 100 to 5, the uncoated inkjet paper had a satisfied printing quality, and the color gamut and color density increased by 12.5% and 8.6% respectively compared with the paper without surface sizing.

uncoated ink-jet paper； surface sizing； SMA； PDADMAC

2015-11-30

本课题得到江苏高校优势学科建设工程资助项目、南京林业大学江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心和江苏省自然科学资金(BK20160928)的资助。

李仁爱,男,1990年生；在读硕士研究生；主要研究方向：纸张印刷适性。

*通信联系人：曹云峰,E-mail：yunfcao@163.com。

TS758+.1

A

1000- 6842(2016)03- 0012- 06